(57)【要約】【課題】外部からの電界印加による可変特性機能を有するフォトニック結晶光導波路素子とその作製方法、及び当該素子を利用した光通信用高機能デバイスを提供する。【解決手段】フォトニック結晶光導波路において可変特性を持たせたい領域のコア近傍に液晶及び電極を導入し、上部クラッドの一部となった液晶の分子の配向方向を電気信号で変えて導波光が感じる屈折率を変化させることで、その伝搬特性を制御する。液晶の導入は、イオンビーム等を用いて所望の領域に所望の深さだけ孔を加工してそこに液晶を注入する、もしくは予め上部クラッドを薄く作製しておき、スペーサーを用いて導波路全面に液晶を配置する等の方法により行う。更に、当該導波路のブラッグ遮断特性や波長分散特性等が電界制御できることを利用して、高性能光スイッチや可変波長フィルタ等の光通信用デバイスを構成することが可能となる。【選択図】図１１
2004054197.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フォトニック結晶導波路のクラッドの一部に液晶を有し、その近傍に液晶分子の配向を電気的に制御する手段を設けてフォトニック結晶導波路の導波特性あるいは遮断特性を制御できることを特徴とするフォトニック結晶導波路
【請求項２】
ヘテロ構造を有するフォトニック結晶を少なくとも一部に用いることを特徴とする請求項１記載のフォトニック結晶導波路
【請求項３】
自己クローニング法により作製されたフォトニック結晶を少なくとも一部に用いることを特徴とする請求項１記載のフォトニック結晶導波路
【請求項４】
自己クローニング法により作製されたヘテロ構造を有するフォトニック結晶を少なくとも一部に用いることを特徴とする請求項１記載のフォトニック結晶導波路
【請求項５】
請求項１または請求項２または請求項３または請求項４記載のフォトニック結晶導波路を作製するため、クラッドの一部を制御された粒子ビームまたは光ビームを操作して穿孔し液晶封止部の加工を行うことを特徴とするフォトニック結晶導波路の作製方法
【請求項６】
フォトニック結晶のＸ点またはΓ点付近において動作することを特徴とする請求項１または請求項２または請求項３または請求項４記載のフォトニック結晶導波路
【請求項７】
請求項１または請求項２または請求項３または請求項４のフォトニック結晶導波路を用いることにより温度特性補償または枝の位相量調節を行うことを特徴とするフォトニック結晶導波路
【請求項８】
複数のブラッグ遮断部分を含む共振器が請求項１または請求項２または請求項３または請求項４で記載されるフォトニック結晶導波路で構成され共通の液晶制御部で共振波長が変化できることを特徴とする光共振器
【請求項９】
一括可変または個別に可変な複数のブラッグ遮断部分をもつ，または周期が連続的に変化していて，１個以上の液晶制御部分により，動作波長に依存するブラッグ反射の生ずる位置が可変であるような、請求項１または請求項２または請求項３または請求項４記載のブラッグ反射導波路
【請求項１０】
方向性結合器動作をする近接した２本のフォトニック結晶導波路が請求項１または請求項２または請求項３または請求項４の特徴を持ち，制御液晶を共有していることにより可変の結合度をもつことを特徴とする方向性結合器
【請求項１１】
フォトニック結晶導波路で構成された３ｄＢ方向性結合器を用いたマッハ・ツェンダー回路の二つの枝の少なくとも一方に請求項１または請求項２または請求項３または請求項４のフォトニック結晶導波路を含むことを特徴とする光デバイス
【請求項１２】
請求項１１のデバイス中のマッハ・ツェンダー回路の二つの枝それぞれが等しい特性を持つ請求項８記載の共振器またはそれぞれ等しい請求項９記載のブラッグ反射導波路を設けることを特徴とする光回路
【請求項１３】
請求項１または請求項２または請求項３または請求項４で記載されたフォトニック結晶導波路が導波路に斜めな周期構造をもち，動作波長において波が透過する，またはブラッグ遮断により斜め方向へ反射される，の一方が液晶制御部で切り替えられることを特徴とする可変ブラッグ反射器
【請求項１４】
複数個のフォトニック結晶が一つ以上の点で交差しており，各導波路は請求項１または請求項２または請求項３または請求項４の特徴をもち，交差部の一つ以上は複数の導波路に共有された液晶部分によって光路が直進するまたは斜めブラッグ反射により他方の導波路へ移るか制御されることを特徴とする光スイッチ
【請求項１５】
請求項１または請求項２または請求項３または請求項４のフォトニック結晶導波路を用いることにより波長依存性または入射角依存性を制御できることを特徴とするスーパープリズム作用をもつフォトニック結晶導波路
【請求項１６】
直線導波路または曲がり導波路において請求項１または請求項２または請求項３または請求項４の構造を付与して形成されることを特徴とする可変光減衰器
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フォトニック結晶の主として光通信への応用に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
フォトニック結晶はサブミクロンないしミクロンの周期をもつ２次元的または３次元的周期構造体であって、新しい光学材料として広い範囲での応用が期待され、一部ですでに実用化が始まっている革新的な技術である。利用される方面は、偏光選択、波長選択、波長に強く依存する遅延・屈折による遅延等化・波長選択などの誘電機能が主である。それらは大変興味ある性質であるが、一面それは特性が固定された受動的な回路機能である。その適用域を広げるには、それに何らかの可変特性機能を付与する事が望ましいが、従来そのような手段は知られていなかった。従って，フォトニック結晶導波路素子の重要な種類である共振器，ブラッグ反射器，方向性結合器，スーパープリズム，減衰器において特性の可変なものは存在せず，またスイッチ，温度特性補償器として挙げるべきものも見あたらない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
一方、フォトニック結晶以外の受動回路において、可変特性を与える手段はいくつか知られている。一つは石英系平面光回路（Ｐｌａｎａｒ　Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ　Ｃｉｒｃｕｉｔ，ＰＬＣと略す）における熱的同調法（Ｔｈｅｒｍｏ　Ｏｐｔｉｃｃ［ＴＯ］効果の利用）、ファイバブラッグ格子（Ｆｉｂｅｒ　Ｂｒａｇｇ　Ｇｒａｔｉｎｇ，ＦＢＧ）の応力による延伸・圧縮の利用などである。それらは、熱の発生、大型、大がかりな制御機構などなど、不便さを多分に有していた。フォトニック結晶導波路部品に適用した時も同種の困難をもつことは明らかである。本発明では，次項以下に説明する様に，フォトニック結晶導波路に液晶を近接させて作用させることを中心の考え方とする。その考え自体が新しいので従来は作製の方法も知られていない。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明はフォトニック結晶よりなる光導波路の近傍に液晶を制御するための電極を設け、導波路に液晶を結合させ、電気信号によって液晶分子の配向方向を変えて導波路の伝搬状態を制御する方法に関するものである。フォトニック結晶として，自己クローニング法により形成されたヘテロ構造をもつフォトニック結晶を用いると最も有効であるが，それにとどまらずより広いフォトニック結晶導波路についても本発明の概念は有効である。以下、この発明の意図、効果を説明する。
【０００５】
【発明の実施の形態】
フォトニック結晶の作製方法としては、スパッタエッチングをその一部に含む周期多層膜作製方法が定常形状の自己探索・複製効果をもつので有効である（川上，榊，白石「３次元周期構造体及びその作製方法並びに膜の製造方法」（特開平１０−３３５７５８）請求項１）。本特許願では，その方法を「自己クローニング法」と呼ぶ。なおやや狭義に拡散性デポジションと併用するもの（同請求項２）にも用いられ、学会誌論文などではスパッタエッチングとスパッタ製膜との組み合わせによる製膜方法に用いたことがある（参考文献：川上彰二郎、花泉修、佐藤尚、大寺康夫、川嶋貴之、安田納章、竹井良彦、三浦健太：「自己クローニングによる３次元フォトニック結晶の作製と応用」電子情報通信学会論文誌Ｃ−Ｉ，Ｖｏｌ．Ｊ１８１−Ｃ−Ｉ　Ｎｏ．１０　ｐ．５７３−５８１）。なお，いわゆるＥＣＲスパッタリングなどのように，名前にはスパッタエッチングと明示されないが実体としてスパッタエッチング効果を有するプロセスは上の範疇に含まれる。
【０００６】
ヘテロ構造フォトニック結晶（あるいは格子変調されたフォトニック結晶ともいう）とは，格子タイプまたは格子方位または格子定数などの異なる周期構造が境を接してあるいは徐々に移り変わりながら形成されていることを表す言葉である。各領域はそれぞれ異なる光学的性質を持つように設計可能である。それを作製する最も便利な方法は次の通りである。基板平面上に隣接して周期構造の格子タイプまたは格子定数の異なる複数個の領域の凹凸パタンを設け，その上に自己クローニングによりフォトニック結晶を製膜して，ヘテロ構造フォトニック結晶が得られる。厚さ方向に格子定数を変化させることも勿論可能である。
【０００７】
フォトニック結晶デバイスに電気光学特性をもつ材料を結合させることの効果は本発明者らが「３次元周期構造体及びその作製方法並びに膜の製造方法」（特開平１０−３３５７５８）および同請求項９においてすでに述べている。種々のフォトニック結晶の内，自己クローニング法によって作製されるヘテロ構造フォトニック結晶に，電気光学材料として液晶を用いるのが特に適当であり、顕著な作用効果が得られる。ニオブ酸リチウムやＰＬＺＴなど通常の電気光学材料は，（１）屈折率の変化範囲が狭い（例えば０．００１程度ないしそれ以下）、（２）固体であるため形状の加工性が低く，フォトニック結晶に組み込むことが容易でない、という難点がある。また，フォトニック結晶と液晶とを結合する方法として、（１）オパール形または逆オパール形のフォトニック結晶の空隙部に液晶を含浸させる方法（Ｋ．Ｂｕｓｃｈ　ａｎｄ　Ｓａｊｅｅｖ　Ｊｏｈｎ，“Ｌｉｑｕｉｄ−ｃｒｙｓｔａｌ　ｐｈｏｔｏｎｉｃ−ｂａｎｄ−ｇａｐ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ：ｔｈｅ　ｔｕｎａｂｌｅ　ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｖａｃｕｕｍ，Ｐｈｙｓ，Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．，ｖｏｌ．８３，ｎｏ．５，ｐｐ．９６７−９７０，Ａｕｇｕｓｔ　１９９９）、（２）スラブ形フォトニック結晶に液晶を含浸させる方法、が考えられる。しかし，それらはフォトニック結晶との結合が強すぎ，位相調節，周波数選択という目的に適切な範囲を超えてしまう。これに対し自己クローニングにより形成さっるヘテロ構造のフォトニック結晶では，コアと液晶の間にあるクラッド部分の厚さによって結合度を任意に設定できる。
【０００８】
ヘテロ構造フォトニック結晶導波路の位相を液晶層によって制御する方法を示す。図１に原理を示す。側面図に示すように、第一のフォトニック結晶からなるコア部分１０１が第二以下のフォトニック結晶からなるクラッド１０２で取り囲まれた導波路構造において、液晶１０３が導波路コアと相互作用する部分を設ける。導波光の電界の主要成分はｙ方向であるとする。ネマティック液晶は分子が細長い形をもち、制御電界がないときは分子は固体表面に垂直に配向し、電極１０４への電圧印加によってｙ方向に制御電界が形成されると分子はその方向に傾く。その結果、導波光の感ずる液晶層の実効的な屈折率は高くなる。
【０００９】
簡単のため、この効果を２次元モデルの導波領域で説明する。図２には、フォトニック結晶の上側クラッドの一部が均一な誘電体で置き換えられた、紙面に垂直な方向には一様な導波路を示す。円柱列２０１はコアを形成する２次元フォトニック結晶、三角柱列２０２はクラッドを形成する２次元フォトニック結晶で、異種のフォトニック結晶から形成されると云う意味でヘテロ構造フォトニック結晶導波路である。コア部分は比較的高い平均的誘電率を、クラッドはより低い平均的誘電率をもつ。そのコア・クラッド構造で導波される光は一様な誘電体層２０３に電磁界の裾を有する。誘電体の誘電率が高く／低くなると、導波モードの実効屈折率（伝搬定数／真空中波数）も高く／低くなる。フォトニック結晶導波路では、モードの導波域が重要であるのと同じく、ブラッグ反射による遮断域も重要である。ヘテロ構造フォトニック結晶導波路において、遮断域も導波域同様に一様な誘電体層で制御できる。発明思想の理解を助けるため，導波特性制御の原理を次に述べる。
【００１０】
波がｚ方向に伝搬する，複数のフォトニック結晶からなる導波路の伝搬特性を把握するための解析モデルを図３に示す。簡単のため，構造はｙ方向には一様，ｘ方向には複数の領域に分かれ，ｚ方向には共通の周期をもつとする。ただし一部には一様な媒質があっても良い。導波路の精密な伝搬特性は導波路シミュレーションによらないと求められないが，基本的な性質は次のようにして把握できる。それぞれの媒質がｘ方向に無限に拡がっているときのｚ方向に伝わる波の伝搬特性は，簡単なシミュレーションツールによって求めることができる。第ｉ番目の媒質中の波の伝搬特性（分散曲線）は図３の実線のようになる。一般にβがｎπ／ａを通過するたびに周波数ωに跳びが生じ，これが周期構造の重要な性質である。跳びの前後において分散曲線は直線β＝βｉ（ω）を漸近線とする双曲線で近似される。媒質ごとの跳びの量を図のようにΔβｉであらわす（一様媒質では零となる）。Δβｉは媒質ごとの＋ｚ方向の波，−ｚ方向の波の結合強度を表すので，結合係数ｃｉを次式で定義する。
【００１１】
【式１】
2004054197.tif 000003
【００１２】
導波モードの横方向即ちｘ方向閉じ込めは，発明者らが解析を行った結果，各々の媒質の分散曲線を用いる複雑なやり方を要せず，漸近線βｉ（ω）に基づいて計算するという実質的に通常の誘電体（ただし分散性を有する）導波路を解析するのと変わらない簡明かつ物理的に見通しの良い方法で求められることが分かった。
【００１３】
そのようにして、前進波の電磁界を次式のように求める。
【００１４】
【式２】
2004054197.tif 000004
【００１５】
次に、前進波と後進波の結合の効果を求める。各領域の結合係数ｃｉを前述の方法で求める。導波路全体の結合係数は、ｃｉをパワーの流れで重みづけて
【００１６】
【式３】
2004054197.tif 000005
【００１７】
で求める。但し、積分はそれぞれ領域Ｉの中で行う。以上のｆ（ｘ），βｕ，ｃｇを用いて、
【００１８】
【式４】
2004054197.tif 000006
【００１９】
分散関係は、次式で表される。
【００２０】
【式５】
2004054197.tif 000007
【００２１】
【式６】
2004054197.tif 000008
【００２２】
である周波数範囲では、βは複素数となる。即ちブラッグ遮断域となる。
【００２３】
以上の原理説明から、次の物理的結論が導かれる。（１）構成要素である周期構造のブラッグ遮断域の外で定義された漸近線βｉと導波路のサイズから求めた電磁界の横方向閉じ込めは、ブラッグ遮断域の中でも界を正しく表す。（２）構成要素である周期構造のバンド不連続量Δβｉをパワーで重みづけて導波路のΔβが得られる。故に、クラッドの一部に一様な誘電体（不連続量＝０である）を用いても、導波路は漏れのないブラッグ遮断の特性を示す。次に、コアに設けられた一様な誘電体の比誘電率（εＤとする）が外部からの制御信号によって値が増減する場合を考える。次のことがわかる。（３）εＤが大きくなると、ωの関数としてのβｕは小さくなる（例えば１％）ので、導波路のブラッグ遮断周波数域はそれに対応して（この例では同じく１％）低い周波数帯に移動する。
【００２４】
以上説明したように，フォトニック結晶導波路においてクラッドの一部分を液晶など他の誘電体で置き換えると種々の可変特性が実現でき，導波特性を制御できる。（ここでいう導波特性とは，βが実数である通常の伝搬域の特性，複素数となるブラッグ遮断域，あるいは漏れ波などの特性を総称する意味である。）この効果を利用するには，コアとクラッドが同様のフォトニック結晶で形成されたヘテロ構造フォトニック結晶導波路が好適である。但し，いわゆるスラブ形フォトニック結晶導波路（Ｔ．Ｂａｂａ，Ｎ．Ｆｕｋａｙａ　ａｎｄ　Ｊ．Ｙｏｎｅｋｕｒａ，“Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｌｉｇｈｔｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｐｈｏｔｏｎｉｃ　ｃｒｙｓｔａｌ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ　ｗｉｔｈ　ｂｅｎｄｓ，”Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｌｅｔｔ．，ｖｏｌ．３５，ｎｏ．８，ｐｐ．６５４−６５５，Ａｐｒｉｌ　１９９９）でも導波路中心部と液晶との間に適宜な距離をおくべくバッファ層を設けることにより例えば実施例１で述べる概念を適用することが出来る。
【００２５】
【実施例】
［実施例１］本実施例では自己クローニング型のフォトニック結晶からなる光導波路に液晶等の可変光学材料を組み合わせることで、光導波路の導波特性を外部から制御する例を示す。
【００２６】
まずはじめに、自己クローニング型フォトニック結晶の格子変調技術を利用した光導波路の構成例と、その動作原理をやや詳しく説明する。図４（ａ）に示すのは、格子定数の異なる複数の２次元フォトニック結晶領域のヘテロ構造からなる、「格子定数変調型」光導波路の具体的な構成の一例である。この構造は、例えば電子ビームリソグラフィとドライエッチングなどの組み合わせによって表面に周期的な凹凸を形成した基板４０１の上に、高屈折率の透明材料４０２と低屈折率の透明材料４０３を交互に、段落番号０００５に記載のプロセスによって積層することで形成される。高屈折率材料としては、例えばアモルファスＳｉ（ａ−Ｓｉ）や五酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）、五酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）、酸化チタン（ＴｉＯ２）などを用いる。また低屈折率材料には、石英（ＳｉＯ２）などを用いる。この際、段落番号０００６に記載の通り、初期の基板上の凹凸に場所による変化を付けておき、また透明材料４０２及び透明材料４０３の厚さを多層膜の最下層から最上層までの間で変化させることで、格子定数の異なる領域が立体的に組み合わされたヘテロ構造フォトニック結晶を形成する（川上他、「格子変調フォトニック結晶」、特開２００１−９１７０１）。基板上の凹凸形状と、自己クローニングによる定常的な波型形状をつなぐために、基板とほぼ同じ屈折率を持つ材料による整形層４０４を基板４０１と第一層４０５の間に積層してもよい。これは本発明において現れる全ての自己クローニング型多層膜に共通する。後の説明のために、図４（ｂ）には図４（ａ）のヘテロ構造フォトニック結晶の断面を、格子定数の一定な領域毎に分けて描いたものを示しておく。
【００２７】
図５に格子変調技術によるフォトニック結晶導波路の、別の構成例を示す。本構造では、図４−ｂの領域４０５，４０７がともに平坦な交互多層膜、すなわち１次元フォトニック結晶から構成される。図５において、Ｂｌｏｃｈ波数ベクトルがｚ方向を向くｙ偏波に対する実行屈折率は、一般に１次元結晶領域中での値の方が２次元結晶領域中での値よりも大きくなる。従って本構成でも、各領域の屈折率の大小関係は図４と類似したものとなる。
【００２８】
図６には格子変調技術によるフォトニック結晶導波路の、また別の構成例を示す。これは凹凸多層膜からなる２次元自己クローニング型結晶において、結晶方位を図のｙｚ面内で角度θだけずらして、複数の領域を組み合せたものである。結晶の各部分は前述のとおり、入射光に対し人工的な異方性媒質として振舞うので、多層膜の層数、膜厚の変調の程度や結晶方位の折れ曲がり角度θなどを適切に設定すれば、屈折率差による光閉じ込め構造を実現することができる。ここに、θは例えば１０度から３０度程度の角度とする。図６の例では、光は断面内の領域６０１に閉じ込められ、結晶方位をずらして形成したクラッド６０２に挟まれた領域６０３に沿って伝搬する。以上示した光導波路の構成例は、自己クローニング法によるフォトニック結晶を用いて実現することができる構造のほんの一例であり、導波路の形態はこれに限られるものではない。
【００２９】
ところでフォトニック結晶は、その単位構造の形状や寸法が、使用する光の波長に対しある一定の条件を満たす場合に、その波長の光に対し異方性の透明媒質であるかのように振舞う。例えば図４（ａ）の構造において、透明材料４０２が屈折率ｎ＝２．１の五酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）、透明材料４０３が屈折率ｎ＝１．５の石英（ＳｉＯ２）であるとし、図中にＬｘ１，Ｌｘ２で示した積層方向の格子定数がそれぞれＬｘ１＝０．７３μｍ、Ｌｘ２＝０．６２μｍ、水平方向の格子定数Ｌｙ１，Ｌｙ２がそれぞれＬｙ１＝０．６２μｍ、Ｌｙ２＝１．０９５μｍとする。このとき、例えば同図中で電界ベクトルの主成分がｙ方向を向き、ｚ方向にＢｌｏｃｈ波数ベクトルｋｚを持つ波長１．５５μｍの光に対して結晶の各部は透明材料として機能する。図７（ａ）には図４（ｂ）の各断面領域のうち、領域４０５の部分の膜構造の一例を示した。このような構造中をｚ軸方向に進行する光の実効的な屈折率ＮｅｆｆはＢｌｏｃｈ波数ベクトルｋｚと、その光の真空中の
2004054197.tif 000009
バンド構造から求めることができる。図８に、図７（ａ）の構造中をｚ方向に伝搬する、主としてｙ方向の電界成分を持つモードのフォトニック・バンド構造を有限差分時間領域法（ＦＤＴＤ法）で計算したものを示す。この場合の当該結晶領域の実効屈折率Ｎｅｆｆ＝ｋｚ／ｋ０は、図８の最低次バンドにおいて、原点か
2004054197.tif 000010
ｍでは動作点は８０１であり、この点での実効屈折率は約１．８３５と求められる。同様の計算によれば図４−ｂの領域４０６、４０７、４０８の実効屈折率はそれぞれ１．８２２，１．８１８，１．８１０となり、最終的にこの結晶は領域４０５をコアとする、チャネル型光導波路として機能することになる。導波モードの光は図４（ｂ）の領域４０９に閉じ込められ、ｚ方向に伝搬する。この際、コア領域４０５の寸法の一例は、ｘ方向には多層膜が５．５周期、厚さ約４．０μｍ，ｙ方向には格子７周期分、幅で約４．３μｍとなる。この例のように、格子変調の空間的な配置を適切に設定することで、フォトニック結晶の各領域を光導波路のコア、あるいはクラッドとして機能させることができる。
【００３０】
なおフォトニック結晶による導波路において、フォトニック・バンドギャップや強い波長分散性などの効果を利用する際には、導波路が光の伝搬方向に対しても周期的な構造を有していることが望ましい。例えば図６に示した導波路は、そのような構造の一例である。このような周期性導波路における、膜の断面構造とフォトニック・バンド構造の関係の一例を説明しておく。たとえば図７（ａ）のような断面形状を持つ周期構造において、ｙ方向にＢｌｏｃｈ波数ベクトルを持ち、ｚ方向に偏波した光のフォトニック・バンド構造は図９（ａ）のようになる。なおこのバンド構造はＦＤＴＤ法にて計算した。ここで横軸の値が０の位置（これをΓ点と呼ぶ）では、符号９０１で示した０．５２５５９≦ｋ０≦０．５５５６２の範囲にフォトニック・バンドギャップが開く。このように図７（ａ）に代表される膜構造では、Γ点でのフォトニック・バンドギャップの効果、ならびにそのバンドギャップの上下にあるフォトニック・バンドの大きな波長分散性の効果を利用することができる。
【００３１】
一方、自己クローニング法による多層膜の成膜において、成膜プロセス中に反応性イオンエッチングの効果を取り入れることで、図７（ｂ）の写真に示すような、片方の媒質が分断されたような膜構造を作製することができる（川嶋貴之、藤村厚、佐藤尚、川上彰二郎、「フォトニック結晶の自己クローニング法による作製技術」、日本結晶成長学会誌、Ｖｏｌ．２８，Ｎｏ．１，ｐｐ．１３−１８，２００１年）。この例では分断された方の媒質はＳｉＯ２，他方の媒質はアモルファスＳｉである。このような構造を図７（ｃ）に示す構造で近似し、その中をｚ方向に進むｙ偏光に対するフォトニック・バンド構造をＦＤＴＤ法にて計算した。結果を図９（ｂ）に示す。特徴として、横軸が１の位置のブリルアン・ゾーン端（Ｘ点と呼ぶ）において、０．１４９９４≦ｋ０≦０．１７５０４の範囲にフォトニック・バンドギャップが開く。このように図７（ｂ）に代表される膜構造では、Ｘ点でのフォトニック・バンドギャップの効果、ならびにそのバンドギャップの上下にあるフォトニック・バンドの大きな波長分散性の効果を利用することができる。
【００３２】
上に述べた以外にも、自己クローニング法を利用して多様な導波路構成が可能である。図１０には導波路の別の構成例を示す。すなわち凹凸パターンを形成した基板１００１の上に自己クローニング法にて下部クラッド層１００２を成膜し、続いて単層または数周期の多層膜からなるコア層１００３を形成する。その上には上部クラッド層１００４を形成してもよい。光はコア層をｙｚ面内で伝搬する。ここで、フォトニック・バンドギャップの効果や、フォトニック・バンド端での波長分散の効果を効率的に利用するためには、凹凸の周期Λは、コア層での媒質内波長λｃ（＝λ０／ｎ，λ０は真空中の波長、ｎはコア層媒質の実効屈折率）に対し、望ましくは０．５λｃ≦Λ≦λｃ程度とするのがよい。またコア層の厚さは、図のｘ方向に導波路が単一モードとなるように設定するのが望ましい。例えば下部クラッド層をＧｅドープのＳｉＯ２（屈折率１．５２），コア層をＴａ２Ｏ５（屈折率２．１），上部クラッドをＳｉＯ２（屈折率１．５）でそれぞれ構成し、光の波長を１．５５μｍとすると、コア層の厚さは０．２μｍ〜０．３μｍとなる。
【００３３】
次に図４（ａ）、図５、図６、図１０のフォトニック結晶導波路のクラッドの一部に、屈折率の可変な材料を用いることで、伝搬定数、モードの電界分布など、導波路の諸特性を可変とすることができることを示す。簡単のため、ここでは図４（ａ）の格子定数変調型ヘテロ構造を、ｘ方向にのみ光の閉じ込め機構を有するスラブ型導波路構造に置き換えた構造を例に取り説明する。図５、図６、図１０あるいは他の構造のフォトニック結晶導波路についても基本的な動作原理は同じである。
【００３４】
図１１にフォトニック結晶によるスラブ型導波路構造のクラッドの一部に液晶を用いて導波特性を可変とするための構成の一例を示す。すなわち基板４０１の上に下部クラッド層１１０２、コア層１１０１、そして液晶層１１０４を配置する。さらに上部には液晶のカバー層１１０５を配置する。コア中を伝搬するモードの界分布が、液晶層中でも有限の値を持っていることが本質的に重要である。この条件を満たしてさえいれば、任意の厚さの上部クラッド層１１０３をコア層と液晶層の間に設けてもよい。本実施例中では、上部クラッド層を設けた場合の構成例について説明するが、上部クラッド層がない場合でも導波路の基本的な動作原理は同じである。また液晶の特性を安定化させるために、例えばペルチエ効果素子等を用いて素子の温度制御を行ってもよい。また液晶層の厚みは、ｙｚ面内の適当な位置において、上部クラッド層とカバー層の間に一定厚みのスペーサーを挟むことで一定値に保持できる。この他にも、上部クラッドに所定の深さの溝を形成し、そこに液晶層を配置する構成でも液晶層の厚みを一定に保つことができる。これらの構造の詳細については［実施例２］でも述べる。
【００３５】
一方、液晶分子の平均方位（ディレクタと呼ぶ）に関しては、導波光に対して液晶の見かけの屈折率が変化するような方向に、その方位を外部電界で回転できることが肝要である。例えば図１１のフォトニック結晶導波路を伝搬する導波光が主としてｙ方向に偏光している場合には、１１０６で示すディレクタを、初期状態ではほぼｘ方向に配向させておき、ｘ方向から傾いた外部電界１１０７の印加によってそれをｘｙ面内で回転させればよい。このような動作をさせるためにはネマティック相の液晶を使うのが望ましい。またカイラルスメクティックＡ相（ＳｍＡ＊相）における電傾効果（Ｅｌｅｃｔｒｏｃｌｉｎｉｃ　Ｅｆｆｅｃｔ）を利用してもよい。他方、ディレクタを基板にほぼ水平な面内、即ちｙｚ面内で変化させても、入射偏波に対し所望の屈折率変化を得ることができる。これは水平配向のネマティック相でも実現できるが、その他に、カイラルスメクティックＣ相（ＳｍＣ＊相）を用いた表面安定化強誘電性液晶セル（Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ　Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｌｉｑｕｉｄ　Ｃｒｙｓｔａｌ　Ｃｅｌｌ：ＳＳＦＬＣ）の構成としても実現できる。なお液晶層は、ｚ方向にはある限られた長さの領域にのみ導波路上に装荷されていてもよく、また導波路の入力端から出射端までの全域に渡って装荷されていてもよい。
【００３６】
なお図１１の上部クラッドとカバー層のそれぞれにおいて、液晶側の表面には液晶分子の初期配向方向を規定するために、例えばポリイミドからなる配向膜１１０８を配置してもよい。上部クラッドやカバー層表面の表面改質などにより、特定の配向膜なしでも所望の配向状態を規定できる場合にはこの配向膜はなくてもよい。配向膜を使うか、使わないかについては以降の実施例でも同様とする。
【００３７】
次に、図１１の構成において、ｘ方向から傾いた外部電界を生成するための電極の構成方法の例をいくつか示す。まず図１２（ａ）に示すように上部クラッド層の上に電極１２０１を配置してもよく、あるいは図１２（ｂ）に示すようにカバー層の表面のみ電極を形成してもよい。また図１２（ｃ）に示すとおり上側クラッドとカバー層の両方の表面に電極を配置してもよい。図１２（ｃ）の構造の利点としては、各電極にそれぞれ異なる電圧波形を印加でき、それによって液晶層内の電界分布を細かく制御できる点がある。更に図１２（ｄ）に示すように、上部クラッドの一部に溝を加工してそこに液晶を配置してもよい。これらの具体的な作製手順は［実施例２］で説明する。
【００３８】
他方、図１１の構成においてネマティック液晶を用いる場合、液晶分子を初期状態においてほぼｙ方向に配向しておき、ｙ方向から傾いた方向の電界によってその方位をｘｙ面内で回転させてもよい。これによっても、ｙ方向に偏光した導波光に対する液晶の見かけの屈折率は変化する。このような電界を生成するための一つの構成例を図１２（ｃ）に示す。すなわち、上部クラッドとカバー層の広い領域に電極を付け、それらの間に電圧を印加すればよい。
【００３９】
上記の各駆動方法によって液晶のディレクタが変化するとき、ｙ方向に偏波した導波光に対する屈折率は、液晶の短軸屈折率から長軸屈折率までの間で変化する。導波モードの電界は液晶層の中でも有限の値を持っているので、液晶の屈折率が導波モードの等価屈折率Ｎｅ（＝β／ｋ０、　βは伝搬定数）の近傍で変化すれば、導波モードの界分布、及び伝搬定数もそれに伴い変化する。液晶の屈折率は、Ｎｅを中心として、導波路の比屈折率差（記号Δで表す）程度の幅で変化できることが必要である。すなわち液晶の屈折率をｎとしたとき、（１−Δ）Ｎｅ≦ｎ≦（１＋Δ）Ｎｅ程度の範囲でｎを制御できればよい。なお導波路の比屈折率差は、コア、クラッドの屈折率をそれぞれｎ１，ｎ０とするとき、Δ＝（ｎ１２−ｎ０２）／（２ｎ１２）で定義される。
【００４０】
以上の構成に基き、例えば放射量可変の導波路を実現することができる。この場合、液晶のカバー層には屈折率の大きな材料を用いる。この型の素子の動作を、図１３に示す等価的な断面構造および屈折率分布を用いて説明する。ここでは簡単のため、フォトニック結晶からなる下部クラッド層、コア層、上部クラッド層を、屈折率の一様な層１３０１、１３０２、１３０３にそれぞれ置き換えた。また同図中、１３０４、１３０５はそれぞれ液晶層と屈折率２．１のカバー層を表している。ここでは下部クラッド層及びカバー層は無限に厚く、コア層、上部クラッド層、液晶層の厚さはそれぞれ３μｍ、１μｍ、９μｍとした。また導波光はＴＥ波（電界がｙ方向に平行）で、波長は１．５５μｍとした。光の進行方向はｚ方向である。
【００４１】
なお液晶層及びカバー層がなく、上部クラッド層１３０３が半無限に厚い場合には、この導波路は対称３層スラブ導波路となり、その波長１．５５μｍにおけるＴＥ波の基本モードの等価屈折率は一般的な光導波路理論から、Ｎｅ＝１．８２８７６５と求められる。
【００４２】
図１３の構造において、形成される固有モードの電界分布の瞬時値を、いくつかの液晶層の屈折率に対してＦＤＴＤ法で計算した結果を図１４に示す。ここでは液晶の屈折率を１．８００から１．８５０まで変化させた例について示している。カバー層の屈折率がコア層の屈折率より大きいため、厳密にはこの構成ではリーキー導波路となるが、同図において液晶層屈折率＝１．８００及び１．８２０の場合の様に、液晶層の屈折率が比較的低い場合はほとんど電力は放射せず、コア層に閉じ込められて伝搬する。一方、液晶の屈折率が上述の３層スラブ導波路の等価屈折率（１．８２８７６５）程度の値以上になると、電力の多くが液晶層を通りカバー層の外側に向かって放射される。図１４では、液晶屈折率＝１．８２８，１．８３５，及び１．８５０の各場合がその放射の強い場合に相当し、カバー層への界の顕著な漏れ出しが見て取れる。なおカバー層の屈折率が２．１より低い場合であっても、基本的に同様の原理で動作する。
【００４３】
この原理に従い、液晶屈折率を、時間に対し例えば１．８００と１．８５０の２値で切り替えれば、この導波路は導波・放射のＯＮ／ＯＦＦ型光スイッチとして機能する。すなわち導波状態では導波路の出口側に光が出力されるが、放射状態では途中で電力が失われ、出口側まで信号は到達しない。
【００４４】
また液晶屈折率を連続的に微調整すれば、放射の程度を連続的に制御できるので、この導波路は可変光減衰器として機能する。
【００４５】
［実施例２］本実施例では曲り導波路からなる放射型ＯＮ／ＯＦＦ光スイッチと、可変光減衰器の構成例を図１５、図１６を使って説明する。すなわち自己クローニング型フォトニック結晶　１５０１の中に、前述の格子変調技術を用いて曲り導波路１５０２を形成する。ここで曲がり部分において、曲げの外周側に液晶層１５０３を装荷する。図１５（ｂ）は図１５（ａ）のＡ−Ａ’における素子の断面の模式図である。図１６には本素子の別の構成例を示す。すなわち膜厚方向に対しコア層と同程度の高さに液晶層が存在するように構成する。なお以上の説明では電極や配向膜を省略している。以上の構成において、まず液晶の屈折率が、導波路のクラッドの屈折率と同程度かそれ以下の場合に、曲げによる放射損失が小さくなるように、フォトニック結晶クラッド１５０１やコア１５０２の構造を設計しておく。例えばコア・クラッドの実効的比屈折率差Δが３．６％程度の場合には、曲率半径を５００μｍ程度かあるいはそれ以上とするのが望ましい。この状態では比較的高い効率で、導波光は曲り部分を通過する（ＯＮ状態）。次に電界の印加によって、液晶の屈折率を、導波モードの等価屈折率Ｎｅ（＝βｋ０，βは伝搬定数）程度かあるいはそれ以上にすると、液晶層を介して導波光のパワーが曲げの外周側に放射され、曲がり部分通過後の導波光のパワーが減少する（ＯＦＦ状態）。このような動作を実現するために液晶に要求される屈折率変化の大きさは、おおむね元の導波路の比屈折率差（Δ）程度である。すなわち液晶の屈折率をｎとしたとき、（１−Δ）Ｎｅ≦ｎ≦（１＋Δ）Ｎｅ程度の範囲でｎを制御できればよい。液晶の屈折率ｎを、この幅と同じか、あるいはそれを含むより広い幅で、時間に対し矩形波的に変化させることで、本素子をＯＮ／ＯＦＦ型の光スイッチとして機能させることができる。
【００４６】
また屈折率変化の量を上記範囲内で連続的に制御すれば、曲げ部分で放射するパワーの割合を連続量として制御できるため、本素子は可変光減衰器として動作する。
【００４７】
［実施例３］これまで記載してきたフォトニック結晶導波路のクラッドの一部に液晶を有し、その近傍に液晶分子の配向を電気的に制御する手段を設けてあるフォトニック結晶において、液晶を導波路から一定の間隔Ｄ（０≦Ｄ≦１０μｍ）だけ正確に離し、所定の形状大きさで液晶保持部を形成する必要がある。また導波路と一定の間隔Ｄ離れ液晶が接する面の面粗度Ａも（ＲｍａｘでＡ≦１０ｎｍ）に抑えるのが液晶の動作を滑らかなものにするために望ましい。この凹部となる液晶保持部を所定の形状でかつＤとＡの値を満足する加工形成する方法として、
１．ＦＩＢ（フォーカスイオンビーム）を用いたこと特徴とするフォトニック結晶導波路近傍の液晶保持部の作成方法
２．例えばラップ盤等を用いる研削加工を用いることを特徴とするフォトニック結晶導波路近傍の液晶保持部の作成方法
３．半導体集積回路の作成手法の１つであるドライエッチングプロセスを用いる
ことを特徴とするフォトニック結晶導波路近傍の液晶保持部の作成方法
等が考えられるが、２．については間隔Ｄ精度良く制御することに多大の経費、労力を要する。また３．はこれまで提示してきたフォトニック結晶の構造の特徴の１つである異なる物質を交互に積層し、表面形状に凹凸があるものを、Ａの値以下に制御するにも多大の経費、労力・設備を要する。
これら多大の経費、労力を必要とせず値Ｄ並びにＡを制御する手法として制御されたビームを走査させ加工を行なうか加工を加速させて行なうことを特徴とするフォトニック結晶導波路近傍の液晶保持部の作成方法はとりわけ優れている。以下に具体的な実施例で示す。
【００４８】
図１７〜３３に本実施例を示す。本実施例は自己クローニング型のフォトニック結晶からなる光導波路に液晶等の可変光学材料を所定の位置形状に組み込む製造プロセスにおいて、制御されたビームを走査させ加工を行なうか加工を加速させて行なう方法の一例としてＦＩＢ（フォーカスイオンビームを用いる例である。本実施例の製造プロセスには、少なくとも、ＦＩＢを用いた加工プロセスを一部に含む。
まず、自己クローニング型フォトニック結晶製造方法を説明する。基板はＳｉまたはＳｉＯ２（石英）が代表的であるが、それ以外の基板も完成された本特許で提示されているフォトニック結晶の用途に応じ選定が可能である。該基板表面の構造は電子ビーム露光やステッパーを用いたフォトリソグラフィーとドライエッチングにより、基板面をＬｉｎｅ＆Ｓｐａｃｅパターン状に加工する。ここでＬｉｎｅ＆Ｓｐａｃｅパターン部とは凹凸に加工された形状のことである。Ｌｉｎｅ＆Ｓｐａｃｅの寸法は線幅、間隔、深さともサブミクロンオーダとする。該チップにスパッタリング成膜により、高屈折率層および低屈折率層が交互に積層される。本実施例では例えば高屈折率層としてＴａ２Ｏ５膜を、低屈折率層としてＳｉＯ２膜を用いる。しかし本特許の趣旨からスパッタリング装置としては、ターゲットと基板にそれぞれＲＦ（Ｒａｄｉｏ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）電力を印加する装置構成であることが望ましい。その装置を用いて、ターゲットと基板に交互にＲＦ電力を印加しながらスパッタリング成膜する手法か、あるいはターゲットと基板に同時にＲＦ電力を印加しながらスパッタリング成膜する手法を用いられる。膜厚は目的とするデバイスの特性により決められる。それぞれの膜を堆積させる際、自己クローニング法によりある一定の断面形状を保ちながら膜が堆積される。自己クローニング法については実施例ですでに詳細に記述済みである。
【００４９】
以下にその製造プロセスを順に詳しく説明する。なお、本実施例では自己グローニング型のフォトニック結晶の作製方法について説明するが、自己クローニング型以外のフォトニック結晶の作成法でフォトニック結晶部の作成手法が異なるものについても、本実施例の液晶充填部の形成法を適用することができる。
【００５０】
▲１▼図１７に示すように、サブミクロンオーダの線幅、間隔および深さからなる所定の形状の凹凸を形成してある基板１７０１を作製する。この基板を真空スパッタ装置に入れる。真空スパッタ装置の構成図はここでは省略する。次に図１８〜２０に示すように、自己クローニング法を用いて基板整形層１７０２、下部クラッド層１７０３、コア層１７０４ならびに上層クラッド層１７０５を連続して作製する。
【００５１】
▲２▼図２１に示すように上部クラッド形成後の基板をＦＩＢ装置に入れ、例えばＧａを線源とするイオンビームを照射する事で発生する２次電子による映像をモニターしながら所定の場所、深さまでエッチングを行う。本実施例では上部クラッドの一部に溝を形成して、その溝中に液晶を注入することを想定しているが、上部クラッドの膜厚Ｄを除いた全面が液晶層であっても良い。ここで、図２２に示してある導波路からの距離Ｄと底に相当する部分の表面祖度を所定の値に制御することが重要である。間隔Ｄとしては０〜１０μｍとするのが好ましい。本実施例ではＤ＝１．０μｍとした。また表面粗度ＡはＲｍａｘでＡ≦１０ｎｍに抑えるのが液晶の動作を滑らかなものにするために望ましい。
【００５２】
▲３▼図２３に示すように、形成された溝の底部、および溝の側壁に、例えばポリイミド膜からなる下部配向膜１７０６を形成する。この層は液晶の配向を容易にするものであるが、本特許上では必要不可欠ではない。
【００５３】
▲４▼図２４に示すように、液晶駆動用の電極を形成する。例えばＴｉ−Ａｌ合金薄膜をスパッタで成膜するか、Ａｌ薄膜を真空蒸着で成膜した後、パターニング後に不必要部分をドライエッチングあるいはウェットエッチングの手法を用いて形成する。またこの手法は都合に応じ▲２▼との順番を交換する事ができる。
【００５４】
▲５▼図２５に示すように、液晶封止用カバー１７１０を被せる。本カバー１７１０には、液晶の配向性をさらに向上させるために上部配向膜１７０９を作製する。ここではこの液晶カバーに電極を形成していない形を記載しているが、電極の配置によってはこの液晶カバーに電極が形成してあるものでも良い。
【００５５】
▲６▼図２５に示すように、液晶１７０８を注入する。本実施例では液晶の種類として、ネマチック型を用いる。液晶１７０８の注入方法としては、一般的な真空注入法を利用する。真空注入法を簡単に説明すると、液晶を注入するサンプルごと真空チャンバー内に設置し、真空引きしながら、注入口から液晶を注入する方法である。液晶を注入後、注入口を接着剤で密封する。
以上、制御されたビームを走査させ加工を行なうか加工を加速させて行なう方法の一例としてＦＩＢ（フォーカスイオンビームを用いる例を提示した。もちろん本特許で示しているフォトニック結晶導波路のクラッドの一部に液晶を有し、その近傍に液晶分子の配向を電気的に制御する手段を設けてあるフォトニック結晶の作成方法はこの方式の限るのではなく労力、経費の問題を別にすれば前述の２．例えばラップ盤等を用いる研削加工を用いることを特徴とするフォトニック
結晶導波路近傍の液晶保持部の作成方法
３．半導体集積回路の作成手法の１つであるドライエッチングプロセスを用いる
ことを特徴とするフォトニック結晶導波路近傍の液晶保持部の作成方法
あるいはそれ以外の方法を用いて作成可能である事は当然である。
【００５６】
［実施例４］図２６〜３３に本実施例の模式図を示す。本実施例は自己クローニング型のフォトニック結晶からなる光導波路に液晶等の可変光学材料を所定の位置形状に組み込む製造プロセスの一実施例である。本実施例の製造プロセスには、少なくとも、「上部クラッドの膜厚Ｄ（Ｄ＝０〜１０μｍ）を除いたクラッド全面を液晶層でカバーする工程」を含むものである。
【００５７】
本実施例は、自己クローニング型のフォトニック結晶の作製工程は［実施例３］と実質的にほぼ同様である。よって、フォトニック結晶の作製工程より後の工程について、その製造プロセスを詳しく説明する。なお、本実施例では自己グローニング型のフォトニック結晶を用いて説明するが、自己クローニング型以外のフォトニック結晶の作成法でフォトニック結晶部の作成手法が異なるものについても、本実施例の液晶充填部の形成法を適用することができる。
【００５８】
▲１▼まず、サブミクロンオーダの線幅、間隔および深さからなる所定の形状の凹凸を形成してある基板１７０１を用意する。その基板上に、スパッタリング装置を使用し、自己クローニング法を利用して基板整形層１７０２、下部クラッド層１７０３、コア層１７０４、上部クラッド層１７０５を連続して作製する。図２６は上部クラッド層１７０５形成後の基板断面形状を示している。
【００５９】
▲２▼各層を形成した基板を例えば［実施例３］で示した手法を用いて、図２７に示した様に研削面Ａの表面粗度と導波路部との間隔Ｄを制御項目として、加工を行なう。その際、［実施例３］と同様に、導波路からの距離Ｄと底に相当する部分の表面祖度を所定の値に制御することが重要である。間隔Ｄとしては０〜１０μｍとするのが好ましく、本実施例ではＤ＝１．０μｍとした。また表面粗度ＡはＲｍａｘでＡ≦１０ｎｍに抑えるのが液晶の動作を滑らかなものにするために望ましい。
【００６０】
▲３▼図２８に示すように、例えばポリイミド膜１７０６を加工面の直上に形成する。この層は液晶の配向を容易にするものであるが、本特許上では必要不可欠ではない。
【００６１】
▲４▼図２９に示すように、液晶駆動用の電極を形成する。例えばＴｉ−Ａｌ合金薄膜をスパッタで成膜するか、Ａｌ薄膜を真空蒸着で成膜した後、マスクレジストを塗布し、パターニングする。その後、Ａｌ薄膜の不必要部分をドライエッチングあるいはウェットエッチングの手法を用いて形成する。またこの手法は都合に応じ▲３▼との順番を交換することができる。
【００６２】
▲５▼図３０に示したように、液晶を注入したい領域を囲むように、ガラスロッド１７１１を配置する。ガラスロッド１７１１はその径が数μｍ〜数１０μｍであることが好ましく、本実施例ではその径を１０μｍとした。スペーサとしてはガラスロッド１７１１以外に、ポリスチレン球を用いることができる。図３１に、ポリスチレン球を用いてスペーサを形成した模式図を示す。
【００６３】
▲６▼図３２に示すように、液晶封止用カバー１７１０を被せる。本カバー１７１０には、液晶の配向性をさらに向上させるために上部配向膜１７１０を作製する。ここではこの液晶カバーに電極を形成していない形を記載しているが、電極の配置によってはこの液晶カバーに電極が形成してあるものでも良い。
【００６４】
▲７▼図３３に示すように、液晶１７０８を注入する。本実施例では液晶の種類として、ネマチック型を用いる。液晶１７０８の注入方法としては、［実施例３］で説明済みの真空注入法を用いる。液晶を注入後、注入口を接着剤で密封する。
【００６５】
［実施例５］本実施例では周期性導波路におけるブラッグ反射の効果を液晶を用いて制御するための、一連の構造について述べる。
【００６６】
図３４（ａ）は第１の実施例の図６の構造のうち、コア領域６０３の部分のみを抜き出して描いたものである。このような導波路構造では、段落番号００３０で述べた通り、ｚ方向に進行する光に対し、ある波長域でフォトニック・バンドギャップ（ストップバンド）が形成される。換言すればその波長域で、この導波路は分布ブラッグ反射鏡（Ｄｉｓｔｒｉｖｕｔｅｄ　Ｂｒａｇｇ　Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ：　以下ＤＢＲと略す）として機能する。図３４（ａ）ではＤＢＲの前後の導波領域３４０１Ｂを平坦な多層膜としたが、この領域はｙ方向もしくはｚ方向に周期的な２次元周期構造であってもよい。
【００６７】
ここで図３４（ａ）の導波路の上側クラッドに液晶を装荷して図３４（ｂ）のような構成とし、液晶部分の屈折率を変化させると、ＤＢＲの反射の波長域をシフトさせることができる。特に、入射光の波長をλ１とするとき、液晶の屈折率がｎ１の場合にλ１の光が遮断域に入っているようにし、また液晶屈折率がｎ２の場合にはストップバンドから外れてパスバンドに入っているようにする。この状況下で液晶の屈折率をｎ１とｎ２との間で切り替えると、λ１の光がＤＢＲを透過するか、反射されるかを制御することができる。したがって特定の波長に対して、ＯＮ／ＯＦＦ型の光スイッチとして機能させることが可能となる。
【００６８】
さらにＤＢＲのストップバンドの波長帯に含まれる波長と、そうでない波長とが混ざった入射光に対しては、ストップバンド内にある波長は反射され、そうでない波長は透過される。つまり波長の選択機能を実現できる。たとえば図３５に示すようなストップバンドと波長の関係においては、λ１、λ２の波長は反射されλ３、Ｌ４の波長は透過される。さらに液晶層の屈折率を制御し、ストップバンドの波長帯を変化させることで、選択できる波長範囲を制御できる。
【００６９】
また本構成のＤＢＲは、パスバンド中の波長の光に対し、可変遅延素子として機能させることができる。複数の２つ以上の素子を並列に配置してもよいが、ここでは省略する。各遅延素子において、伝搬する光がバンドギャップ付近の群遅延の大きい周波数領域に入るように、ｚ方向の周期を設定する。装荷した液晶層の屈折率変化によって伝搬モードのバンド端波長を変化させ、各遅延素子で与えることのできる遅延量を詳細に制御することができる。波長１．５５μｍ帯用には、ｚ方向の周期は例えば０．５８５μｍ程度とする。但し、この周期は限定されるものではなく、構成材料の屈折率、構造パラメータに依存し、また必要な帯域幅、遅延量によっても異なる。コアの左右には、ｚ軸方向に平行な溝列を形成し、面内のクラッドとして用いる。フォトニック結晶の構成材料としては、高屈折率材料にはアモルファスＳｉを用いる。その他Ｔａ２Ｏ５、ＴｉＯ２などの誘電体を用いても良い。また低屈折率材料には、例えばＳｉＯ２を用いる。下部クラッドは、積層周期０．４２μｍにて１０周期程度積層する。またコア層は、積層周期０．４６８μｍで３周期程度積層する。さらにコア層の上に、積層周期０．４２μｍで１周期の上部クラッド層を設ける。上部クラッドの厚さは導波モードの閉じ込め強度や液晶の屈折率の可変範囲などにを勘案して決めるが、典型的には１周期ないし数周期程度である。このような設計値での、ＤＢＲの１周期あたりの遅延時間は０．１ｐｓ／μｍ程度であり、遅延素子の長さを２００μｍに設定すると遅延量の合計は２０ｐｓとすることができる。
【００７０】
一方、図３６（ａ）に示すように、ＤＢＲの周期を導波路の進行方向に対して少しずつ変化させる構成も可能である。このようなＤＢＲでは、入射光の波長毎に実効的な反射位置３６０６、３６０７、３６０８が異なる。従って入射ポートから入射した光がＤＢＲで反射して戻ってくるまでの時間（遅延時間）は波長により異なる。この遅延時間の波長依存性を用いて、光ファイバ伝送路の分散を補償することが可能である。ここで周期構造の上側クラッドを図３６（ｂ）に示すように液晶に置き換えた構成にすると、電界の印加によって各波長の実効的な反射位置を制御できるため、可変分散補償器、もしくは可変遅延回路として機能する。
【００７１】
なお、液晶の屈折率を領域３６０９の全面で共通に変化させると、所定の屈折率における波長と分散の関係は線形な関係になるが、電界の強度をｚ方向において連続的に変化させることで、波長と分散の関係をより細かく制御できることになる。電界の強度を連続的に変化させる方法としては、例えば図３７に示すように液晶部分に対して複数の電極を配することで制御が可能となる。また図３６（ｂ）の構造を複数設けてそれぞれに電極を配し、個別に制御することでも同様の機能を実現できる。
【００７２】
さらに図３８（ａ）に示すように、それぞれ周期が異なる段落番号００６６記載のＤＢＲを複数箇所設けた構造においても、波長によりどのＤＢＲで反射されるかが異なるため、各波長ごとに異なる遅延時間を与えることができる。さらに図３８（ａ）に示すようにそれぞれのＤＢＲの上側クラッド部分を液晶で置き換えることで、段落番号００６７と同様の機能が実現できるだけではなく、それぞれの部分に独立に電極を設け制御することで、それぞれのストップバンドの波長域を可変にできる。ストップバンド内においても、それぞれの波長でのＤＢＲ中での実効的な反射位置をもを制御することができる。従って外部からの電気信号により、個々の波長に対して、遅延時間を波長ごとに制御できる。
【００７３】
なお長波長側のストップバンド端のシフトにより透過・反射を制御する場合は、入射側に近いほど周期構造の周期を短く、短波長側のストップバンド端のシフトにより透過・反射を制御する場合は、入射側に近いほど周期構造の周期を長くする。
【００７４】
［実施例６］本実施例では［実施例５］記載のＤＢＲを用いて、入射された信号光から、所望の波長チャンネルの信号光を空間的に分離して取り出すための一連の方法について述べる。
【００７５】
まず［実施例５］に記載の各素子に対しては図３９に示すように、入力部に光サーキュレータ３９０３を置くことで、ポート３９０１から入射した光を波長によりポート３９０２とポート３９０７へ分波させる光の分波回路を構成することができる。
【００７６】
また、［実施例５］記載のＤＢＲを図４０に示すように導波路中に導波方向に対して、ｙ−ｚ面内で斜めに配置することで、ＤＢＲで反射される光を、入射方向とは異なる方向に取り出すことができる。こうした構造においても、段落番号００５７記載の遮断域のシフトによる光のＯＮ／ＯＦＦ機能を実現できる。さらにＤＢＲにおける反射光が出射される位置に導波路を形成しておくことで、ポート４００３から入射した光をポート４００５もしくはポート４００６へ、液晶層の屈折率制御により分岐の制御が可能となる。
【００７７】
さらに図４０の構成の光路切り替えスイッチを図４１に示すようにアレイ状に配置することで、複数の入力と出力の経路を外部電気信号により切り替え可能な光スイッチが実現できる。この場合、ＯＮ状態を光が直進する場合、ＯＦＦ状態を光が反射される動作とすると、たとえばポート４１０９から入射した光を、符号４１０３、符号４１０５のＤＢＲをＯＮ状態とすることでポート４１１４に出射できるが、符号４１０３、符号４１０４をＯＦＦ状態とし、符号４１０６をＯＮ状態とすることでポート４１１３に出射できる。このように複数のスイッチのＯＮ−ＯＦＦ状態を制御することで、各ポートから入射した光をそれ以外のポートにいずれかに選択的に出射できる。図中では入出力ポートを８箇所としているが、ポート数ならびにスイッチ部分を増やすことで、大規模な光路切り替えスイッチが実現可能なことは明らかである。
【００７８】
さらに段落番号００６８に記載した波長選択の機能を用いることで、単なる光路変換だけではなく、同じ入力ポートから入射した光であっても、異なる波長を異なる経路に分岐できる。つまり波長多重通信において従来の光分岐スイッチに比べ波長ごとの光路変換機能を備えた複雑な機能を持つ回路を実現できる。
【００７９】
［実施例７］本実施例では、自己クローニング法により作製されるヘテロ構造フォトニック結晶導波路型光共振器と液晶とを組み合わせ、電界印加により共振波長をチューニングする例を示す。図４２（ａ）は、ｚ方向に導波機能を持つ光共振器に液晶を導入した構造（一例）の模式図である。光は図の矢印方向に導波する。導波路断面は図４２（ｂ）のような構造となっており、図４２（ａ）は図４２（ｂ）中のＡ−Ａ′をｘｚ平面に平行な平面で切ったものである。導波機構は［実施例１］に示した。ここではｙ方向に対するコア領域４２０１は平坦多層膜（１次元フォトニック結晶）で構成されているが、２次元フォトニック結晶としてもよい。なお基板４２１０と多層膜の間には［実施例１］で述べた整形層が挿入されている。共振器部分は、２つのＤＢＲ４２０５およびそれらで挟まれたキャビティ４２０６からなる。２次元フォトニック結晶は、面内方向の周期を変えることで、同一波長に対して反射体、透過体として作用させることが可能であり、前者がＤＢＲ、後者がキャビティとして機能する。なお、ここでキャビティは２次元フォトニック結晶としているが、平坦多層膜（１次元フォトニック結晶）としても同様に動作する。
【００８０】
多層膜の構成材料は、自己クローニング法の性質上、スパッタリングできる任意の材料を選ぶことができるが、所望の波長帯で材料損失が極めて小さい（透明である）ことが望まれる。ここでは、材料系として、可視光域から赤外域までの光に対して透明であるＴａ２Ｏ５／ＳｉＯ２系を例にとる。屈折率は波長１．５μｍ帯でそれぞれ２．１，１．５程度である。この場合、導波路構造を例えばクラッド４２０２の面内周期１．１μｍ、共振器構造をＤＢＲ４２０５の面内周期０．８μｍ、キャビティ４２０６の面内周期０．６μｍとし、素子全体の積層周期をコア４２０３部分で０．７３μｍ（３．５周期）、クラッド４２０４部分で０．６０μｍ（８．５周期ずつ）とすれば、波長１．５μｍ帯の光がコア４２０７をｚ方向に導波し、更に同波長帯のある特定の波長の光を取り出すことができる。上記設計ではＤＢＲのブラッグ遮断域が波長１．４５〜１．５５μｍの範囲であり、キャビティでの位相シフトがλ／４の奇数倍であるので、その中心波長１．５０μｍの光が共振により透過する。これらの波長は、構造のパラメータ（周期や各材料の充填率など）により自由に設計できる。例えばＤＢＲの面内周期を変えれば遮断波長帯をシフトさせることができる。同様に、液晶の導入とそれに対する電界印加により上部クラッドの屈折率を変化させれば、導波モードの遮断波長帯、およびキャビティ部分の伝搬定数を変化させることができるので、共振波長をチューニングすることが可能になる。
【００８１】
共振器の上部に液晶を装荷する方法はいくつも考えられる。［実施例３］に詳しく述べたが、図４２（ａ）は機能性領域（共振器部分）上にＦＩＢで孔を加工して液晶導入領域４２０８を形成し、カバー４２０９で封じた後そこに液晶を注入する例である。なお孔を加工する際、上部クラッドは１周期分（厚さ０．６０μｍ）程度を残す。また付与する電極の構造は、［実施例１］で説明したどの構造を適用してもよい。液晶に電界を印加して上部クラッドの屈折率を変化させることにより、共振波長をコントロールできる。例えば、電界を１０Ｖ加えると、共振波長は約２０ｎｍ変化する。このように、フォトニック結晶導波路型共振器は、液晶と融合させることで、波長可変光共振器として動作する。
【００８２】
［実施例８］ここでは、実施例７の液晶装荷型フォトニック結晶光共振器とフォトニック結晶導波路からなる３ｄＢ方向性結合器の組み合わせにより可変波長ＡＤＤ／ＤＲＯＰフィルタが実現可能であることを示す。図４３は構成の概略図（上面図）である。導波路部分は全てフォトニック結晶導波路であり、断面構造は図４２（ｂ）と同様である。導波路のコア領域（ｂ）４２０１は、１次元フォトニック結晶でも２次元フォトニック結晶でもどちらでもよい。また構成材料は使用したい波長帯で透明な組み合わせであればよい。ここでは、構成材料にＴａ２Ｏ５／ＳｉＯ２系を用いることとする。
【００８３】
ここで３ｄＢ方向性結合器について簡単に説明しておく。方向性結合器において、結合長Ｌが完全結合長Ｌｃの１／２（Ｌ＝Ｌｃ／２）であるとき、一方の導波路に入力された光パワーは、双方の導波路にそれぞれ１／２ずつに等分されて反対側のポートから出力される。即ち２本の出力ポートから出力されるパワーは、入力に対してそれぞれ３ｄＢだけ減衰することになる。従って、Ｌ＝Ｌｃ／２である方向性結合器は、「３ｄＢ方向性結合器」と呼ばれる。
【００８４】
図４３の構造では、２つの３ｄＢ方向性結合器が直列に接続されており、その中間に同じ特性を持つ２つの液晶装荷共振器が配置されている。ここで１つの共振器が２本の導波路上に形成されていても良い。この構造では、あるポートに入力された光からある特定の波長の光のみを分波する（波長ＤＲＯＰ）、あるいは逆に入力された光にある特定の波長の光を合波して出力する（波長ＡＤＤ）、といった動作が可能となる。更に、電界を印加して液晶の屈折率を変えることで、分波あるいは合波される波長をチューニングできる。以下で詳細な動作機構および具体例を述べる。
【００８５】
図４３において、方向性結合器を構成する導波路部分、および共振器部分の各種構造パラメータは、［実施例７］と同様であるとする。この場合、本構造は波長１．５μｍ帯で動作する。ポート４３０４から光（波長成分１．４７５〜１．５２５μｍ）が入射すると、３ｄＢ方向性結合器４３０１により光パワーが２等分され、分割された光はそれぞれ２つの共振器４３０３に到達する。これらの共振器は共振波長λｒ＝１．５０μｍを持つ。またＤＢＲのブラッグ遮断域は波長１．４５〜１．５５μｍである。このとき、波長１．５０μｍの光のみが共振器４３０３を透過する。それ以外の波長を持つ光は反射されて３ｄＢ方向性結合器２６０１に戻る。透過した波長１．５０μｍの光は、３ｄＢ方向性結合器４３０２によって再び結合して１波となり、ＤＲＯＰポート４３０７から出力される。一方で、３ｄＢ方向性結合器４３０１に戻った波長１．５０μｍ以外の光も同様に結合し、ポート４３０５から出力される。
【００８６】
以上は波長ＤＲＯＰ動作であるが、波長ＡＤＤ動作は次のように行なうことができる。即ち、ＡＤＤポート４３０６から波長１．５０μｍ成分が入力されると、前述と同様の原理によりポート４３０５から出力される。ここでポート４３０４から入力された波長成分１．４７５〜１．５２５μｍの光は、波長１．５０μｍをドロップされた後にポート４３０５に出力される。このように、ポート４３０５からの出力光に波長１．５０μｍの成分が加えられることになる。
【００８７】
ここで２つの共振器４３０３は［実施例７］で示した液晶装荷型であり、共振波長を変えることができるため、ＡＤＤ／ＤＲＯＰされる波長はチューニングできる。ＡＤＤ／ＤＲＯＰフィルタを作製した後に動作波長をチューニングすることは作製歩留りの向上のため重要である。例えば、電界を１０Ｖ加えると、ＡＤＤ／ＤＲＯＰ波長が約２０ｎｍ変化する。）
【００８８】
なお、動作波長帯およびＡＤＤ／ＤＲＯＰされる波長は、構造のパラメータ（周期や各材料の充填率など）により自由に設計できる。また、共振器４３０３の共振波長は電界印加後も共通の必要があるため、印加電界は共通とする。
【００８９】
［実施例９］本実施例では、［実施例７］で述べた液晶装荷型共振器と光サーキュレータの組み合わせによる可変波長ＡＤＤ／ＤＲＯＰフィルタについて示す。
図４４は、構成の概略図である。２つの光サーキュレータ４４０１，４４０２にヘテロ構造フォトニック結晶４４０３が挟まれた形態となる。ヘテロ構造フォトニック結晶４４０３には、導波路（コア）４４０１と液晶装荷型光共振器４３０３が組み込まれている。この構成では、ある波長帯域を持つ入力光から、ある特定の波長の光のみを分波させることができる。逆に合波も可能である。フォトニック結晶導波路の断面構造は図４２（ｂ）と同様であり、コア領域４２０１は１次元フォトニック結晶でも２次元フォトニック結晶でもどちらでもよい。また構成材料は使用したい波長帯で透明であればよい。ここでは構成材料にはＴａ２Ｏ５／ＳｉＯ２系を用い、導波路の構造パラメータは［実施例７］と同様とする。以下で具体例によりその動作機構を説明する。
【００９０】
ポート４４０４から入力された光は、サーキュレータ４４０１を介して直進し、導波路４２０１を通って共振器部分４３０３に至る。入力光は波長帯域１．４７５〜１．５２５μｍを持つとする。また共振器４３０３の各構造パラメータを［実施例７］で示した具体例と同様とすると、共振波長λｒ（電界印加なし）は１．５０μｍである。このとき、波長１．５０μｍの光のみが共振器４３０３を透過し、導波路４２０１とサーキュレータ４４０２を介してＤＲＯＰポート４４０６に出力される。波長１．５０μｍ以外の光は共振器４３０３によって反射されてサーキュレータ４４０１に戻るが、ここで光路が切りかえられ、ポート４４０５に出力される。このように、入力光からある特定の波長をＤＲＯＰすることができる。一方、ＡＤＤポート４４０７から波長１．５０μｍの光を入力すると、サーキュレータ４４０２と導波路４２０１を介して共振器４３０３に入射するが、共振波長が１．５０μｍであるためこれを透過する。その後、サーキュレータ４４０１によって光路が切りかえられ、ポート４４０５から出力される。即ち、ポート４４０５から出力される光の波長成分にＡＤＤポート４４０７から入力された波長１．５０μｍが加えられることになる。以上のように、図４４の構成において波長ＡＤＤ／ＤＲＯＰ動作が実現できる。
【００９１】
更に、ＡＤＤ／ＤＲＯＰされる波長は共振器４３０３に印加される電界によって可変である。従って、同構造は電界制御型可変波長ＡＤＤ／ＤＲＯＰフィルタとして動作する。なお、動作波長帯およびＡＤＤ／ＤＲＯＰされる波長は、構造のパラメータ（周期や各材料の充填率など）により自由に設計できる。
【００９２】
［実施例１０］本実施例では、［実施例７］で述べた液晶装荷型共振器と方向性結合器を複数組み合わせることで多チャンネルの可変波長分波器を実現できることを示す。
【００９３】
［実施例７］で示したＡＤＤ／ＤＲＯＰフィルタを図４５のように多段に接続し、それぞれの段で共振波長（電界印加前）を別々の値に設定することで、電界制御型の多チャンネル可変波長分波器として動作可能である。
【００９４】
具体的な例を示す。図４５のように、［実施例８］で述べた可変波長ＡＤＤ／ＤＲＯＰフィルタを５段に接続した場合を考える。構成材料や導波路の構造などは［実施例７］、［実施例８］と同様とする。ここで、各フィルタ４５０１，４５０２，４５０３，４５０４，４５０５のＤＲＯＰ波長即ち共振波長λｒをそれぞれ１．４９５μｍ，１．５００μｍ，１．５０５μｍ，１．５１０μｍ，１．５１５μｍとする。ドロップ波長は、各フィルタ中の共振器の構造を適切に設計することによって変えることができる。なお、これらの波長は、電界印加前のものとする。ポート４５０６に例えば波長帯域１．４７〜１．５３μｍの光を入力すると、各フィルタで波長ＤＲＯＰ動作が次々に行なわれ、ポート４５０７，４５０８，４５０９，４５１０，４５１１からそれぞれ波長１．４９５μｍ，１．５００μｍ，１．５０５μｍ，１．５１０μｍ，１．５１５μｍの光が出力される。残りの波長は、ポート４５１２から出力される。更に多段に接続すれば、より多くの波長をＤＲＯＰすることができる。
【００９５】
更に、各単位フィルタのＤＲＯＰ波長は［実施例９］に示したように電界印加により可変であるため、各ポートからの出力波長をチューニングできる。しかも各単位フィルタに対してそれぞれ異なる電界をかけることもできるため、各ポートより出力されるドロップ波長を非常に精密かつ自在に制御することが可能である。このように、本構造は、チューナブル多チャンネル波長分波器として利用できる。
【００９６】
なお、分波に際して出力波長毎に遅延が生じるが、［実施例５］で示した遅延等化器を各波長に対し適切に設計して各出力ポートに設置することにより、遅延量を等しくできる。
【００９７】
また、本実施例では、動作波長帯を１．５μｍ帯としているが、各種構造パラメータを適切に設計することより、波長帯を自由に設定することができる。
【００９８】
段落番号００９４で述べた例では、各段の出力が１８０度逆方向になるが、更に［実施例５］で示した液晶装荷型ＤＢＲを組み合わせれば、出力方向を揃えることができる。以下でその方法について図４５を用いて説明する。
【００９９】
例えば図４５中の単位フィルタ４５０２、４５０４の共振器４５１３，４５１４を［実施例５］で述べたような液晶装荷型ＤＢＲで置き換える。ＤＢＲの構造は、そのブラッグ遮断域が使用波長帯すべてをカバーするよう選択する。このとき、フィルタ４５０２、４５０４では波長ＤＲＯＰ動作は起こらず、それぞれ１８０度反射鏡の役割を果たす。従って、出力ポートは４５０７、４５０９、４５１１のみとなり、各波長の出力方向が図４５で言うと右方向に揃えられる。この場合、単位フィルタ４５０２、４５０４のＤＢＲより左側の部分は必要なくなる。
【０１００】
なお、ここで用いるＤＢＲは、必ずしも液晶装荷型でなくてもよいが、液晶を装荷すれば、電界印加により１８０度反射される波長帯をチューニングでき、高い波長制御性が実現できる。
【０１０１】
［実施例１１］複数のフォトニック結晶導波路を隣接して配置することで、方向性結合器を構成することができる。本実施例ではこれに液晶を組み合わせた、結合量の可変な方向性結合器の構成例を示す。ここでは自己クローニング型フォトニック結晶を用いた場合の例を示すが、他の構造のフォトニック結晶を用いる場合でも基本的な構成と動作原理は同様である。
【０１０２】
図４６に素子の構成の一例を示す。すなわち自己クローニング型フォトニック結晶４６０１の中に、前述の格子変調技術にて導波路４６０２及び導波路４６０３を形成する。ここで両者の距離の接近した、モード結合部４６０４の一部又は全域の上層に液晶層４６０５を配置する。図４７は図４６のＡ−Ａ’における断面構造の一例の模式図である。すなわち、一部に面内格子定数の異なる領域４７０１を含む、周期的な凹凸の刻まれた基板４０１の上に、下部クラッド層４７０２とコア層４７０１とを自己クローニング法にて積層する。多層膜を構成する高屈折率媒質は、例えばＴａ２Ｏ５やアモルファスＳｉとし、また低屈折率材料は例えばＳｉＯ２とする。Ｔａ２Ｏ５／ＳｉＯ２の組み合わせでは、ｘ、ｙ各方向の格子定数は、例えば段落番号００２９で述べた値程度の寸法となる。その上に上部クラッド層１１０３を挟んで液晶層１１０４、カバー層１１０５を配置する。領域４７０１の上方に結合導波路のコア４７０２と４７０３が形成されるが、その間隔４７０４は、例えばｙ方向の格子定数で１ないし数周期分とする。図４７ではｙ方向に２周期の間隔を空けた場合について示した。導波路４６０２と導波路４６０３のモード結合定数は、導波モードの界分布の裾が液晶層中にまで入り込んでいる場合、液晶層屈折率の関数となる。従って、例えば液晶層の屈折率が１．８２５において結合部４６０４の長さが完全結合長Ｌｃの（Ｎ＋１／２）倍（Ｎは非負の整数）となるように設計しておけば、液晶の屈折率を１．８２５前後で調整することによって、図４６のポート４６０６またはポート４６０７から入射した光を、５０％：５０％を中心とした任意の分岐比でポート４６０８及びポート４６０９に出力させることができる。
【０１０３】
図４７では導波路の基本構成として、光の進行方向に構造の一様な、図４（ａ）の型の格子定数変調型導波路を用いる例を示したが、勿論図６や図１０のような、光の進行方向に構造が周期性を持つ導波路を用いてもよい。周期性導波路を用いた場合の利点として、群速度の遅い導波モードを利用することで、完全結合長を短くすることができるため、結合部分４６０４や液晶装荷部４６０５の物理的な長さを短くでき、従って素子全体を小型化することができるという点がある。
【０１０４】
［実施例１２］図４８，４９に本発明の一実施例を示す。図４８（ａ）、（ｂ）は２次元のフォトニック結晶からコア、クラッドを構成し、それらコア、クラッドからなるフォトニック結晶導波路を１入力１出力形マッハツェンダー回路（Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ回路；ＭＺ回路）に応用した実施例の模式図である。（ａ）はＭＺ回路上面図、（ｂ）は（ａ）のＭＺ回路のＡ−Ａ’断面図である。図４８（ｂ）において点線で囲まれた部分がコアであり、２次元フォトニック結晶から構成されている。該コアは１次元フォトニック結晶とすることもできる。基板はＳｉまたはＳｉＯ２（石英）を用いることができる。本実施例では通信波長帯１．３〜１．７μｍで透明な石英基板４８０１を用いた。
【０１０５】
該石英基板４８０１上に、電子ビーム描画とドライエッチングによって、サブミクロンの線幅、間隔および深さからなるライン＆スペースを形成する。その上にスパッタデポジッションとスパッタエッチングを適度に組み合わせて、自己クローニングさせながら高屈折率膜と低屈折率膜の多層膜を積層する。本実施例では高屈折率材料としてＴａ２Ｏ５を低屈折率材料としてＳｉＯ２を用いた。自己クローニング法の詳細な説明は、上記［従来の技術および発明が解決しようとする課題］および［実施例１］で記述済みであるので本実施例では省略する。
【０１０６】
誘電体多層膜型のフォトニック結晶内部において、基板面内方向で格子定数を小さくした領域をコア、格子定数を大きくした領域をクラッドとし、それぞれ格子定数を０．６２μｍ，１．０９５μｍとした。一方、基板面垂直方向では逆に格子定数を大きくした領域をコア、格子定数を小さくした領域をクラッドとし、それぞれ格子定数を０．７３μｍ，０．６２μｍとした。上記構成によって、コア領域およびクラッド領域の屈折率差が生じ、ＴＥ偏波を良好にコア内に光閉じ込めすることができる。光閉じ込めの詳細については実施例１で記述済みであるので本実施例では省略する。
【０１０７】
上記コアの２つのＹ分岐と２つのアーム部４８０２−１，２からマッハツェンダー回路を構成し、さらにアーム部の上部に液晶を注入する領域４８０４−１，２、電極４８０５−１〜４を形成し、配向膜４８０６−１，２を成膜後、カバー基板４８０７−１，２を領域４８０４−１，２上部に設置して、領域４８０４−１，２に液晶を注入後に密封する。本実施例では、液晶を注入する領域、電極、配向膜、およびカバー基板を２つのアーム部に設けたが、いずれか一方のアームに設置した構成とすることもできる。以下では、液晶を注入する領域、電極、配向膜、およびカバー基板を２つのアーム部に設置した場合のみについて説明する。
【０１０８】
次に、自己クローニング法を用いたスパッタリング成膜について詳しく説明する。図４８（ｂ）に完成後のフォトニック結晶コアの断面図を示す。まず基板整形層４８０８を基板４８０１上に形成する。基板整形層は基板表面のライン＆スペースからなる凹凸から多層膜の斜面形状にスムースに移行させるために挿入する。なお、この基板整形層は必要不可欠ではない。次に下部クラッドを形成する。第１膜のＴａ２Ｏ５膜４８０９の膜厚を３１０ｎｍ、第２膜のＳｉＯ２膜４８１０の膜厚を３１０ｎｍとし、第１膜と第２膜を合わせて１周期（６２０ｎｍ）として４周期積層する。その下部クラッド上にコア４８１５を形成する。第３膜のＴａ２Ｏ５膜４８１１の膜厚を３６５ｎｍ、第４膜のＳｉＯ２膜４８１２の膜厚を３６５ｎｍとし、第３膜と第４膜を合わせて１周期（７３０ｎｍ）として５周期積層する。コア層の膜厚は３．６５μｍとなる。該コア上に上部クラッドを形成する。第５膜のＴａ２Ｏ５膜４８１３の膜厚を３１０ｎｍ、第６膜のＳｉＯ２膜４８１４の膜厚を３１０ｎｍとし、第５膜と第６膜を合わせて１周期（６２０ｎｍ）として１０周期成膜する。
【０１０９】
次に、液晶制御部について詳しく説明する。両アームは１０００μｍ離して形成し、液晶注入溝はフォトリソグラフィーとドライエッチングによるか、ＦＩＢ加工のみにより、１００μｍ角、深さ５μｍの形状となるように作製する。カバー用基板４８０７−１，２で領域４８０４−１，２上部に接着剤で接着する。その後、領域４８０４−１，２に液晶を注入して、密封する。本実施例では液晶の種類として、ネマチック型を用いた。液晶４８０９の注入方法としては、一般的な真空注入法を利用する。真空注入法を簡単に説明すると、液晶を注入するサンプルごと真空チャンバー内に設置し、真空引きしながら、注入口から液晶を注入する方法である。最後に、液晶注入口を接着剤等で密封する。
【０１１０】
ここでクラッド及びカバー基板４８０７−１，２の内側には、例えばポリイミドからなる配向膜４８０６−１，２を形成し、クラッド及びカバー基板の表面に対する液晶分子の初期配向方向を規定しておくが望ましく、本実施例では液晶分子の初期配向方向を基板と垂直なｘ方向とする。フォトニック結晶導波路構造、配向膜、および電極配置の詳しい説明については実施例１で記述済みである。液晶注入溝用いず、クラッド上部全面に液晶を配置する構成としても基本的な動作原理は同様である。
【０１１１】
次に、上記フォトニック結晶導波路の作用について説明する。図４９（ａ）に示すように、ポート４９０３−１に入力された伝搬光がＹ分岐から上側コア４９０２−１と下側コア４９０２−２に入力された伝搬光の光パワーの１／２ずつ分岐される。電極４９０５−１〜４に電界を印加しない場合には、液晶４９０４−１，２に電界が印加されず、上側コア４９０２−１と下側コア４９０２−２において位相変化が無い。よって、分岐された伝搬光がポート４９０３−２で合流され、そのポートから出力される。出力光の損失は導波路の伝搬損失にほぼ等しい。
【０１１２】
一方、図４９（ｂ）に示すように、液晶４９０４−１に電界を印加し、液晶４９０４−２に電界を印加しない場合を説明する。液晶４９０４−１に電界を印加すると、その液晶軸は図４９（ｂ）中ｘ方向から、基板面と平行かつ光伝搬方向と垂直な方向、すなわちｙ方向と平行に変化する。それによって、Ｙ分岐で半分に分岐された上側コア４９０２−１での伝搬光は、液晶部での屈折率変化を感じ、伝搬光のＴＥ偏波の感じる屈折率が増加する。その結果、その伝搬光のＴＥ偏波の位相がπだけずれることになる。このとき下側コア４９０２−２の液晶領域４９０４−２の液晶には電界を印加しないので、下側コア４９０２−２の伝搬光の位相は変わらないとする。その結果、上側コア４９０２−１と下側コア４９０２−２の伝搬光がポート４９０３−２で合流されると、光出力をゼロとすることができる。このようにして液晶制御型ＯＮ／ＯＦＦ光スイッチを作製することができる。
【０１１３】
上記実施例では上側の液晶４９０４−１のみ動作させたが、下側の液晶４９０４−２も同時に駆動させることもできる。すなわちＹ分岐で半分に分岐された伝搬光の上側コア４９０２−１の上部と下側コア４９０２−２の上部に配置した液晶の軸を制御することにより、上側コア４９０２−１と下側コア４９０２−２の伝搬光の位相差を制御し、位相差がゼロの場合にはポート４９０３−２での光出力をｏｎに、位相差がπの場合には光出力をｏｆｆにすることができる。上記に加えて、フォトニック結晶導波路の直線部、Ｙ分岐部における製造誤差等に由来する位相差がキャンセルされるように液晶軸を制御することも可能である。
【０１１４】
フォトニック結晶導波路はＴＥ偏波あるいはＴＭ偏波いずれか一方のみを良好に光伝搬させ、他の偏波の伝搬光は良好にクラッド中に放射させることができるという特性がある。コア４９０２−１，２近傍に液晶を配置すると、その軸を制御することでＴＥ偏波あるいはＴＭ偏波いずれか一方のみに効果的に作用させることができるので、ＴＥ偏波あるいはＴＭ偏波の制御を良好に行うことができる。本機能はフォトニック結晶導波路特有な機能である。
【０１１５】
もし、一般的な誘電体ガラス導波路を用いると、ＴＥ偏波のみ作用があり、ＴＭ偏波には作用が無いので、出力特性が良好に制御できない。
【０１１６】
さらに、本液晶制御型ＯＮ／ＯＦＦ光スイッチは従来の熱光学効果（Ｔｈｅｒｍｏ−Ｏｐｔｉｃ；ＴＯ）を利用した平面導波路（Ｐｌａｎｎｅｒ　Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ　Ｃｉｒｃｕｉｔ；ＰＬＣ）型ＴＯ光スイッチに比べて消費電力が小さくて済む。具体的には従来のＰＬＣ型ＴＯ光スイッチが数１００ｍＷの電力が必要なのに対し、本液晶制御型ＯＮ／ＯＦＦ光スイッチは約１μＷ／ｃｍ２である。
【０１１７】
［実施例１３］図５０、５１に本発明の一実施例を示す。図５０は２次元のフォトニック結晶導波路を構成し、２入力２出力形マッハツェンダー回路に応用した実施例の模式図である。（ａ）はＭＺ回路上面図、（ｂ）は（ａ）のＭＺ回路のＢ−Ｂ’断面図である。図５０（ｂ）において点線で囲まれた部分がコアであり、２次元フォトニック結晶から構成されている。該コアは１次元フォトニック結晶とすることもできる。
【０１１８】
本光回路は、本実施例１の場合と多層膜部および液晶装荷部はほぼ同様な構成である。多層膜部は、実勢例１と同じく、自己クローニング法を用いたスパッタリング成膜により作製する。フォトニック結晶導波路構造、自己クローニング、配向膜および電極の詳細については実施例１で記述済みである。
【０１１９】
一方、光回路パターンが実施例１とは異なる。本実施例の光回路パターンは、コア５００２−１，２と２箇所のコア近接領域すなわち方向性結合器部（ここでは３ｄＢカプラとする。）５００３−１，２からマッハツェンダー回路を構成する。該マッハツェンダー回路に加えて、アーム部の上部に液晶を注入する領域５００５−１，２、電極領域５００６−１〜４、配向膜５００７−１，２、カバー基板５００８−１，２からデバイス全体が構成される。ここで、３ｄＢカプラとは入力光の光パワーを２つの出力ポートに等分配（約３ｄＢ）する方向性結合器のことである。コア近接領域５００３−１，２における結合長は完全結合長の約１／２である。本実施例では、液晶を注入する領域、電極、配向膜、およびカバー基板を２つのアーム部に設けたが、いずれか一方のアームに設置した構成とすることもできる。以下では、液晶を注入する領域、電極、配向膜、およびカバー基板を２つのアーム部に設置した場合のみについて説明する。
【０１２０】
次に、上記フォトニック結晶導波路の作用について説明する。図５１（ａ）に示すように、液晶４９０４−１，２に電界を印加しない場合について説明する。ポート５１０４−１からの入力光（光パワーをＡ０とする。）は３ｄＢカプラ５１０３−１において導波路５１０２−３と導波路５１０２−４にそれぞれ位相を含めてＡ０×１／√２、Ａ０×ｊ／√２に分配される。ここでｊは、√（−１）である。電極５１０６−１〜４に電界を印加せず、液晶制御部５１０５−１，２が駆動しなかったとすると、導波路５１０２−３，４においては伝搬光の位相変化は無い。次に、３ｄＢカプラ５１０３−２において導波路５１０２−３からの伝搬光Ａ０×１／√２は導波路５１０２−５と導波路５１０２−６にそれぞれ位相を含めてＡ０×１／√２×１／√２、Ａ０×１／√２×ｊ／√２に分配される。一方、導波路５１０２−４からの伝搬光Ａ０×ｊ／√２は導波路５１０２−５と導波路５１０２−６にそれぞれ位相を含めてＡ０×ｊ／√２×ｊ／√２、Ａ０×ｊ／√２×１／√２に分配される。その結果、ポート５１０４−３ではＡ０×１／√２×１／√２＋Ａ０×ｊ／√２×ｊ／√２＝０となり、光出力はゼロになる。一方、ポート５１０４−４ではＡ０×１／√２×ｊ／√２＋Ａ０×１／√２×ｊ／√２＝ｊＡ０となり、光出力はＡ０になる。ポート５１０４−３における出力光の損失は導波路の伝搬損失と方向性結合器の結合損失を加算した値になる。
【０１２１】
一方、図５１（ｂ）に示すように、液晶５１０５−１に電界を印加し、液晶５１０５−２に電界を印加しない場合を説明する。液晶領域５１０５−１の液晶に電界を印加することにより、その軸を図５１（ｂ）中ｘ方向から、基板面と平行かつ光伝搬方向と垂直な方向、すなわちｙ方向と平行に変化させる。それによって、Ｙ分岐で半分に分岐された伝搬光は上側コア５１０２−１での伝搬光が液晶部での屈折率変化を感じて、その伝搬光のＴＥ偏波の感じる屈折率が増加する。その結果、ＴＥ偏波の位相がπだけずれることになる。このとき下側コア５１０２−２の液晶領域５１０５−１の液晶には電界を印加せず、伝搬光の位相は変わらないとする。この状態において上記と同様にして、ポート５１０４−３，４における光出力を求める。３ｄＢカプラ５１０３−１において上記導波路５１０２−３と導波路５１０２−４にそれぞれ位相を含めてＡ０×１／√２、Ａ０×ｊ／√２に分配された伝搬光は、液晶制御部５１０５−１近傍の導波路のみ位相がπ変化して、それぞれＡ０×（−１）×１／√２、Ａ０×ｊ／√２となる。次に、３ｄＢカプラ５１０３−２において導波路５１０２−３からの伝搬光Ａ０×（−１）×１／√２は導波路５１０２−５と導波路５１０２−６にそれぞれ位相を含めてＡ０×（−１）×１／√２×１／√２、Ａ０×（−１）×１／√２×ｊ／√２に分配される。一方、導波路５１０２−４からの伝搬光Ａ０×ｊ／√２は導波路５１０２−５と導波路５１０２−６にそれぞれ位相を含めてＡ０×ｊ／√２×ｊ／√２、Ａ０×ｊ／√２×１／√２に分配される。その結果、ポート５１０４−３ではＡ０×（−１）×１／√２×１／√２＋Ａ０×ｊ／√２×ｊ／√２＝（−１）×Ａ０となり、光出力はＡ０になる。一方、ポート５１０４−４ではＡ０×（−１）×１／√２×ｊ／√２＋Ａ０×ｊ／√２×１／√２＝０となり、光出力はゼロになる。ポート５１０４−４における出力光の損失は導波路の伝搬損失と方向性結合器の結合損失を加算した値になる。このようにして光路切り替え型光スイッチを作製することができる。
【０１２２】
上記実施例では上側の液晶５１０５−１のみ動作させたが、下側の液晶５１０４−２も同時に駆動させることもできる。すなわち３ｄＢカプラで半分に分配された伝搬光の上側コア５１０２−１の上部と下側コア５１０２−２の上部に配置した液晶の軸を制御することにより、上側コア５１０２−１と下側コア５１０２−２の伝搬光の位相差を制御し、位相差がゼロの場合にはポート５１０４−４から光を取り出し、位相差がπの場合には光出力をポート５１０４−３から取り出すことができる。上記に加えて、フォトニック結晶導波路の直線部、３ｄＢカプラ部における製造誤差等に由来する位相差がキャンセルされるように液晶軸を制御することも可能である。以上述べた通り本発明による光スイッチはＯＦＦ時の残留信号が小さい、即ち消光比が高い特徴を持つが、なお一層高い消光比を要するときは、ガラス導波路で行われているように（Ｓ．Ｓｕｚｕｋｉ，”Ｒｅｃｅｎｔ　ｐｒｏｇｒｅｓｓ　ｏｎ　ＷＤＭ　ｆｉｌｔｅｒｓ　ａｎｄ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｓｗｉｔｃｈｅｓ　ｕｓｉｎｇ　ｓｉｌｉｃａ−ｂａｓｅｄ　ｐｌａｎａｒ　ｌｉｇｈｔｗａｖｅ　ｃｉｒｃｕｉｔｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，”　Ｓｅｖｅｎｔｈ　Ｏｐｔｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　ａｎｄ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ（ＯＥＣＣ２００２）　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｄｉｇｅｓｔ，１１Ｂ２−１，ｐｐ．４３２−４３３，Ｊｕｌｙ　２００２，Ｐａｃｉｆｉｃｏ　Ｙｏｋｏｈａｍａ．）、多段マッハツェンダー回路を用いることができるのは明らかである。
【０１２３】
本実施例においても実施例１と同様にフォトニック結晶導波路および液晶に偏波特性がある。本機能はフォトニック結晶導波路特有な機能である。
【０１２４】
もし、一般的な誘電体ガラス導波路を用いると、ＴＥ偏波のみ作用があり、ＴＭ偏波には作用が無いので、出力特性が良好に制御できない。
【０１２５】
本構造を応用した光デバイスとしては、フォトニック結晶コアと誘電体単層膜コアおよび方向性結合器を適宜、配置することにより、マトリックス光スイッチ、分散制御素子なども構成することができる。
【０１２６】
［実施例１４］本実施例はフォトニック結晶特有の、スーパープリズム効果の制御に関するものである。図５２に、フォトニック結晶中のスーパープリズム効果、およびそれを利用した波長チューニングの機能をもつ波長分波回路の構成例を示す。図５２（ａ）は上面図である。［実施例１］（あるいは［実施例７］）で示した導波路のコア５２０１を伝搬した波長λ１〜λ３の光は、自己クローニングで作製された３次元フォトニック結晶領域５２０２に入射される。ここで単位セルの中心を円で描いている。スーパープリズム効果により、波長毎に伝搬方向が大きく異なり波長分波することができる。スーパープリズム効果とは、面内の周期構造に起因するもので、波数ダイヤグラムの変曲点付近では僅かな波長差で伝搬方向が大きく変化する効果である（Ｈ．Ｋｏｓａｋａ，Ｔ．Ｋａｗａｓｈｉｍａ，Ａ．Ｔｏｍｉｔａ，Ｍ．Ｎｏｔｏｍｉ，Ｔ．Ｔａｍａｍｕｒａ，Ｔ．Ｓａｔｏ，ａｎｄ　Ｓ．Ｋａｗａｋａｍｉ，｀｀Ｓｕｐｅｒｐｒｉｓｍ　ｐｈｅｎｏｍｅｎａ　ｉｎｐｈｏｔｏｎｉｃ　ｃｒｙｓｔａｌｓ，´´ＰｈｙｓｉｃａｌＲｅｖｉｅｗ　Ｂ，ｖｏｌ．５８，Ｎｏ．１６，ｐｐ．Ｒ１００９６−Ｒ１００９９，１５　Ｏｃｔｏｂｅｒ　１９９８）。
【０１２７】
作製方法を以下に示す。予め、基板５２０３上の波長分波機能をもつ部分にｚ軸に対して１０度の方向を配列方向の一つとした正方格子状の孔列パターン（面内の周期は０．６μｍ）を形成する。導波路コアは平坦であるのでパターンを持たないが、周囲のクラッド５２０４ではｚ軸方向に平行な溝列パターン（周期０．８μｍ）を形成する。次にアモルファスＳｉ（屈折率３．２）とＳｉＯ２（屈折率１．５）からなる交互多層膜を、自己クローニング法により積層し、波長分波機能をもつ部分には３次元フォトニック結晶、導波路のコアは平坦多層膜、クラッドでは２次元フォトニック結晶を同時に形成する。ここで、下部クラッド５２０５の積層周期は０．７μｍで１０周期、コア層５２０６の積層周期は０．７μｍで３周期とする。上部クラッド層５２０７は０．７μｍを１周期もしくは２周期程度を積層する。その上に、必要があれば配向膜、電極を形成し、液晶５２０８をカバー５２０９の間に注入する。但し、配列方向とｚ軸との角度、構成するフォトニック結晶の構造パラメータ（配列パターンの種類（正方格子の他、三角格子であっても良い）、各膜厚、積層周期、面内周期、屈折率、凹凸の高さなど）は分岐する波長と分岐角度で決まる値であるため、限定されるものではない。
【０１２８】
光をｚ軸方向から入射する。フォトニック結晶の格子の方位は、光の伝搬方向から傾いているため、スーパープリズム効果が生じる。その効果は、波長を１５２０ｎｍから１０ｎｍ増加させると、例えば伝搬角は３０度程度変化する。入射する波長に対し分岐角は強く依存するが、上部の液晶層の屈折率を制御することにより、伝搬モードのバンド端波長を制御することができる。従って、特定の波長に対し特定の方向に伝搬させるように制御することができるようになる。これまでスーパープリズム現象は知られていたが、波長に対し敏感であるため、実際には使いづらい点があった。本構造によれば、作製した後にスーパープリズム効果の伝搬方向を制御し、特定波長の光を特定方向に伝搬させることが可能となる。
【０１２９】
［実施例１５］本実施例はフォトニック結晶に装荷した液晶の特性を利用した、導波路の温度特性の補償に関するものである。図４２で示した光共振器型波長選択フィルタに装荷した液晶クラッドの屈折率を変化させることで、共振波長の温度依存性を補償することも可能である。一般の石英系アレイ導波路グレーティング（ＡＷＧ）では、屈折率の温度依存性により約＋０．０１ｎｍ／度の温度依存性がある。温度補償する方法が提案されているが、変動量が低減されるものの完全になくなるわけではない。本構造の共振器では、材料の温度変化による透過波長の変化を、クラッドの液晶材料の屈折率をダイナミックに制御することで補償することができ、温度依存性を完全になくすことが可能である。また例えばネマティック液晶において、液晶分子長軸方向の屈折率ｎｅは一般に負の温度依存性を示す。即ち温度の上昇に伴い、ｎｅは減少する。この効果を利用して、上記の石英系導波路の温度依存性を相殺することができる。特に、ネマティック液晶素子の典型的な消費電力は１μＷ／ｃｍ２程度と各段に小さい。また屈折率変化量Δｎも最大で０．２程度までとれるため、基幹通信系だけでなくアクセス系にも利用することができる。
【０１３０】
【発明の効果】
本発明の構造からなる液晶装荷型フォトニック結晶導波路は、多くの革新的な機能を持ちつつもこれまで受動的であったフォトニック結晶導波路の導波特性を外部から制御することを可能としたものである。電気制御という非常に簡便かつ一般的な手法でその種々の機能の制御性を向上させ、フォトニック結晶の光通信への適用範囲を各段に広げ得る。本発明によって実現する各種高性能光スイッチや可変波長フィルタなどは、今後の光通信分野において重要な要素である。また本発明に基づくフォトニック結晶素子を利用すれば、電界制御型の次世代高機能平面光回路も実現でき、従来の光回路を置き換えることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ヘテロ構造フォトニック結晶導波路の位相を液晶層によって制御する方法を示す図
【図２】２次元モデルによる説明図
【図３】複数のフォトニック結晶からなる導波路の伝搬特性の解析モデルを説明するバンド
【図４】（ａ）自己クローニング法によって作製されるヘテロ構造フォトニック結晶導波路の構造を示す図、（ｂ）導波路を構成する結晶領域を示す図
【図５】自己クローニング法によって作製されるヘテロ構造フォトニック結晶導波路の構造を示す図
【図６】自己クローニング法によって作製されるヘテロ構造フォトニック結晶導波路の構造を示す図
【図７】（ａ）図４（ａ）の導波路のある領域の断面構造の例を示す図、（ｂ）自己クローニング法によって作製されるフォトニック結晶の一例の断面写真、（ｃ）図７（ｂ）の構造を模式的に表した図
【図８】図７（ａ）の構造における、ある方向のフォトニック・バンド構造を示す図
【図９】（ａ）図７（ａ）の構造における、ある方向のフォトニック・バンド構造を示す図、（ｂ）図７（ｃ）の構造における、ある方向のフォトニック・バンド構造を示す図
【図１０】自己クローニング法を用いて作製される光導波路の構造を示す図
【図１１】第１の実施例であり、液晶層を装荷したフォトニック結晶導波路の構造を示す図
【図１２】（ａ）第１の実施例の電極構造の一例を示す図、（ｂ）第１の実施例の電極構造の一例を示す、（ｃ）第１の実施例の電極構造の一例を示す、（ｄ）第１の実施例の電極構造の一例を示す、（ｅ）第１の実施例の電極構造の一例を示す図
【図１３】第１の実施例の構造をモデル化した構造とその屈折率分布を示す図
【図１４】図１３の構造を伝わる光の電界分布を示す図
【図１５】（ａ）放射光の制御による光スイッチもしくは光減衰器の上面を示す図、（ｂ）放射光の制御による光スイッチもしくは光減衰器の断面を示す図
【図１６】（ａ）放射光の制御による光スイッチもしくは光減衰器の上面を示す図、（ｂ）放射光の制御による光スイッチもしくは光減衰器の断面を示す図
【図１７】基板上への凹凸パターンの形成を示す図
【図１８】基板整形層成膜を示す図
【図１９】下部クラッド層形成を示す図
【図２０】コア層並びに上部クラッド層の形成を示す図
【図２１】コア層並びに上部クラッド層の形成を示す図
【図２２】ＦＩＢ加工終了後の形状を示す図
【図２３】配向膜の形成を示す図
【図２４】電極の形成を示す図
【図２５】液晶封止用カバーの形成を示す図
【図２６】下部クラッド層、コア層、上部クラッド層の形成
【図２７】加工終了後の形状
【図２８】配向膜の形成
【図２９】スペーサー（ガラスロッド）の形成その１
【図３０】スペーサー（ガラスロッド）の形成その２
【図３１】スペーサー（ポリスチレン球）の形成
【図３２】カバー層の設置
【図３３】液晶の注入
【図３４】（ａ）自己クローニング法により作製される分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）を持つ導波路の一部を示す図、（ｂ）同、ＤＢＲのコア層上部に液晶を装荷した構造の概念図
【図３５】ストップバンドと透過する波長、反射する波長の関係
【図３６】（ａ）図１８（ａ）のＤＢＲ部分の周期が徐々に変化した構造の概念図、（ｂ）同、ＤＢＲのコア層上部に液晶を装荷した構造の概念図
【図３７】複数の液晶制御用電極をもつ構造の概念図
【図３８】（ａ）図１８（ａ）のＤＢＲ部分の周期の異なるものを複数集積化した構造の概念図、（ｂ）同、ＤＢＲのコア層上部に液晶を装荷した構造の概念図
【図３９】フォトニック結晶導波路と光サーキュレータを組み合わせた光回路の概念図
【図４０】フォトニック結晶導波路中にＤＢＲを導波方向に対して斜めに形成することで反射波を別の方向に取り出すことのできる構成の概念図
【図４１】図２３の構造をアレイ状に配置した多入出力の光クロスコネクトスイッチの概念
【図４２】（ａ）フォトニック結晶導波路型光共振器に液晶を導入した構造（一例）の模式図、（ｂ）フォトニック結晶導波路の断面の模式図
【図４３】フォトニック結晶からなる液晶装荷型光共振器と方向性結合器の組み合わせによる可変波長ＡＤＤ／ＤＲＯＰフィルタの構成図
【図４４】液晶装荷型フォトニック結晶光共振器と光サーキュレータの組み合わせによる可変波長ＡＤＤ／ＤＲＯＰフィルタの構成図
【図４５】フォトニック結晶からなる液晶装荷型光共振器と方向性結合器を複数組み合わせることによって実現できるチューナブル多チャンネル波長分波器の概念図
【図４６】第１１の実施例の構造の上面を示す図
【図４７】第１１の実施例の断面構造を示す図
【図４８】自己クローニング型のフォトニック結晶を用いた光導波路を１入力１出力形マッハツェンダー回路に応用した一実施例の模式図
【図４９】自己クローニング型のフォトニック結晶を用いた光導波路から構成される１入力１出力形マッハツェンダー回路の作用を説明した模式図
【図５０】自己クローニング型のフォトニック結晶を用いた光導波路を２入力２出力形マッハツェンダー回路に応用した一実施例の模式図
【図５１】自己クローニング型のフォトニック結晶を用いた光導波路から構成される２入力２出力形マッハツェンダー回路の作用を説明した模式図
【図５２】スーパープリズム効果を上部クラッド層の液晶で制御する実施例を示す図（ａ）上面図、（ｂ）断面図
【符号の説明】
１０１　第一のフォトニック結晶からなるコア部分
１０２　第二のフォトニック結晶からなるクラッド部分
１０３　液晶
１０４　電極
２０１　コアを形成する２次元フォトニック結晶
２０２　クラッドを形成する２次元フォトニック結晶
２０３　一様な誘電体層
４０１　基板
４０２　高屈折率材料
４０３　低屈折率材料
４０４　整形層
４０５　格子定数、格子方位の一定な結晶領域のひとつ
４０６　格子定数、格子方位の一定な結晶領域のひとつ
４０７　格子定数、格子方位の一定な結晶領域のひとつ
４０８　格子定数、格子方位の一定な結晶領域のひとつ
４０９　光導波路のコア
５０１　光導波路のコア
６０１　光導波路のコア
６０２　光導波路のクラッド
６０３　光導波路のコア領域
８０１　波長１．５５μｍに相当する点
９０１　Γ点におけるフォトニック・バンドギャップ
９０２　Ｘ点におけるフォトニック・バンドギャップ
１００１　基板
１００２　下部クラッド
１００３　コア層
１００４　上部クラッド
１１０１　コア層
１１０２　下部クラッド層
１１０３　上部クラッド層
１１０４　液晶層
１１０５　カバー層
１１０６　液晶のディレクタ
１１０７　電界ベクトル
１１０８　配向膜
１２０１　電極
１２０２　電源
１２０３　液晶分子の向き
１３０１　下部クラッド
１３０２　コア
１３０３　上部クラッド
１３０４　液晶層
１３０５　カバー層
１５０１　フォトニック結晶部
１５０２　光導波路のコア
１５０３　液晶層
１５０４　カバー層
１６０１　フォトニック結晶部
１６０２　光導波路のコア
１６０３　液晶層
１６０４　カバー層
１７０１　基板
１７０２　基板整形層
１７０３　下部クラッド層
１７０４　コア層
１７０５　上部クラッド層
１７０６　下部配向層
１７０７　電極
１７０８　液晶
１７０９　上部配向層
１７１０　液晶封止用カバー
１７１１　スペーサー（ガラスロッド）
１７１２　ポリススチレン球
３４０１　ＤＢＲ部分
３４０１　Ｂ入出力導波路部分
３４０２　上側クラッド領域
３４０３　コア領域
３４０４　下側クラッド領域
３４０５　基板
３４０６　ＤＢＲ部分
３４０７　液晶
３５０１　ストップバンドの波長域
３５０２　パスバンドの波長域
３６０１　周期が徐々に変化するＤＢＲ部分
３６０２　上側クラッド領域
３６０３　コア領域
３６０４　下側クラッド領域
３６０５　基板
３６０６　ある波長の実効的反射位置
３６０７　ある波長の実効的反射位置
３６０８　ある波長の実効的反射位置
３６０９　周期が徐々に変化するＤＢＲ部分
３７０１　液晶
３７０２　電極
３７０３　電極
２１０１　それぞれ周期が異なるＤＢＲミラー部
３８０２　上側クラッド領域
３８０３　コア領域
３８０４　下側クラッド領域
３８０５　基板
３８０６　それぞれ周期が異なるＤＢＲミラー部
３８０７　液晶部
３９０１　入力ポート
３９０２　出力ポート１
３９０３　光サーキュレータ
３９０４　ＤＢＲ部分
３９０５　フォトニック結晶
３９０６　光導波路のコア
３９０７　出力ポート２
４００１　ＤＢＲ部分
４００２　フォトニック結晶
４００３　入力ポート
４００４　光導波路のコア
４００５　出力ポート１
４００６　出力ポート２
４１０１　光導波路のコア
４１０２　フォトニック結晶
４１０３　ＤＢＲ部分
４１０４　ＤＢＲ部分
４１０５　ＤＢＲ部分
４１０６　ＤＢＲ部分
４１０７　入出力ポート
４１０８　入出力ポート
４１０９　入出力ポート
４１１０　入出力ポート
４１１１　入出力ポート
４１１２　入出力ポート
４１１３　入出力ポート
４１１４　入出力ポート
４２０１　コア領域（基板面内方向）
４２０２　クラッド領域（基板面内方向）
４２０３　コア領域（多層膜積層方向）
４２０４　クラッド領域（多層膜積層方向）
４２０５　ＤＢＲ領域
４２０６　キャビティ領域
４２０７　コア
４２０８　液晶導入領域
４２０９　カバー
４２１０　基板
４３０１　３ｄＢ方向性結合器
４３０２　３ｄＢ方向性結合器
４３０３　液晶装荷型フォトニック結晶光共振器
４３０４　入力ポート
４３０５　出力ポート
４３０６　ＡＤＤポート
４３０７　ＤＲＯＰポート
４４０１　光サーキュレータ
４４０２　光サーキュレータ
４４０３　フォトニック結晶
４４０４　入力ポート
４４０５　出力ポート
４４０６　ＤＲＯＰポート
４４０７　ＡＤＤポート
４５０１　可変波長ＡＤＤ／ＤＲＯＰフィルタ
４５０２　可変波長ＡＤＤ／ＤＲＯＰフィルタ
４５０３　可変波長ＡＤＤ／ＤＲＯＰフィルタ
４５０４　可変波長ＡＤＤ／ＤＲＯＰフィルタ
４５０５　可変波長ＡＤＤ／ＤＲＯＰフィルタ
４５０６　入力ポート
４５０７　出力ポート
４５０８　出力ポート
４５０９　出力ポート
４５１０　出力ポート
４５１１　出力ポート
４５１２　出力ポート
４５１３　液晶装荷型光共振器（またはＤＢＲ）
４５１４　液晶装荷型光共振器（またはＤＢＲ）
４６０１　フォトニック結晶
４６０２　光導波路のコア
４６０３　光導波路のコア
４６０４　方向性結合器のモード結合領域
４６０５　液晶層の装荷領域
４６０６　ポート１
４６０７　ポート２
４６０８　ポート３
４６０９　ポート４
３００１　コアの形成される基板領域
４７０２　光導波路のコア
４７０３　光導波路のコア
４７０４　結合光導波路のコア間の間隔
３１０１　石英基板
４８０２−１，２　マッハツェンダー回路のアーム部
４８０３−１，２，３　ポート
４８０４−１，２　液晶、または液晶を注入する領域
４８０５−１〜４　電極
４８０６−１，２　配向膜
４８０７　カバー基板
４８０８　基板整形層
４８０９　第１膜（Ｔａ２Ｏ５膜）
４８１０　第２膜（ＳｉＯ２膜）
４８１１　第３膜（Ｔａ２Ｏ５膜）
４８１２　第４膜（ＳｉＯ２膜）
４８１３　第５膜（Ｔａ２Ｏ５膜）
４８１４　第６膜（ＳｉＯ２膜）
４９０１　石英基板
４９０２−１　上側コア
４９０２−２　下側コア
４９０３−１，２　ポート
４９０４−１，２　液晶、または液晶を注入する領域
４９０５−１〜４　電極
５００１　石英基板
５００２−１，２　コアまたは導波路
５００３−１，２　３ｄＢカプラ
５００４−１，２，３，４　ポート
５００５−１，２　液晶、または液晶を注入する領域
５００６−１〜４　電極
５００７−１，２　配向膜
５００８　カバー基板
５００９　基板整形層
５０１０　第１膜（Ｔａ２Ｏ５膜）
５０１１　第２膜（ＳｉＯ２膜）
５０１２　第３膜（Ｔａ２Ｏ５膜）
５０１３　第４膜（ＳｉＯ２膜）
５０１４　第５膜（Ｔａ２Ｏ５膜）
５０１５　第６膜（ＳｉＯ２膜）
５１０１　石英基板
５１０２−１，２，３，４，５，６　コアまたは導波路
５１０３−１，２　３ｄＢカプラ
５１０４−１，２，３，４　ポート
５１０５−１，２　液晶、または液晶を注入する領域
５１０６−１〜４　電極
５２０１　スーパープリズム効果を有する自己クローニング型３次元フォトニック結晶
５２０２　コア
５２０３　基板
５２０４　面内のクラッド領域
５２０５　下部クラッド
５２０６　コア
５２０７　上部クラッド
５２０８　液晶
５２０９　カバー
【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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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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【図５１】
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【図５２】
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