(57)【要約】本発明の種々の実施の形態は、電磁搬送波内にデータを符号化すると共に電磁搬送波の伝達を調整するために用いることができるフォトニックシステム及び方法に関する。本発明の１つの実施の形態では、フォトニックシステム（１０００、１５００）は、多数の電磁波を伝送するように構成される第１の導波路１００２を備える。フォトニックシステム（１０００、１５００）は共振空胴１０１４、１５０４を有するフォトニック結晶（１００４、１５０２）を備え、第１の導波路１００２からの電磁波のうちの１つ又は複数を共振空胴（１０１４、１５０４）の中に選択的にエバネッセント結合するように構成される。フォトニックシステム（１０００、１５００）はエバネッセント結合を介して、共振空胴（１０１４、１５０４）から１つ又は複数の電磁波を伝送及び抽出するように配置される第２の導波路（１００６）も備える。
2010515109.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フォトニックシステム（１０００、１５００）であって、
多数の電磁波を伝送するように構成される第１の導波路（１００２）と、
共振空胴（１０１４、１５０４）を含み、前記第１の導波路（１００２）からの前記電磁波のうちの１つ又は複数を前記共振空胴（１０１４、１５０４）の中に選択的にエバネッセント結合するように構成されるフォトニック結晶（１００４、１５０２）と、
エバネッセント結合を介して、前記共振空胴から１つ又は複数の電磁波を伝送及び抽出するように配置される第２の導波路（１００６）とを備えることを特徴とするフォトニックシステム。
【請求項２】
前記共振空胴（１０１４、１５０４）の誘電率を変更することによって、前記第１の導波路（１００２）から前記第２の導波路（１００６）に伝送される前記１つ又は複数の電磁波を変調するために、前記共振空胴（１０１４、１５０４）の両端に電圧を印加するように配置される第１の電極（１５１０）及び第２の電極（１５１２）をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記第１の電極（１５１０）及び前記第２の電極（１５１２）は、
Ｃｕ、
Ａｌ、
Ａｕ、
Ａｇ、
Ｐｔ、及び
ドープされた半導体材料のうちの１つをさらに含むことを特徴とする請求項２に記載のデバイス。
【請求項４】
前記第１の導波路（１００２）及び前記第２の導波路（１００６）は、
リッジ導波路、
フォトニック結晶導波路のうちの１つをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項５】
前記フォトニック結晶（１００５、１５０２）は、
Ｓｉ、
ＩＩＩ−Ｖ族半導体、
ＩＩ−ＶＩ族半導体のうちの１つをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項６】
前記共振空胴（１０１４、１５０４）は、
前記フォトニック結晶からの欠けている穴（１０１４、１５０４）、
前記フォトニック結晶を構成する穴（１２０２、１２０４）とは異なる直径を有する単一の穴、又は
前記フォトニック結晶を構成する穴（１２０６）よりも小さな直径をそれぞれが有する多数の穴のうちの１つをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項７】
フォトニックスイッチ（２１００、２４００）であって、
電磁波を誘導するように構成される導波路（２１０４）と、
前記電磁波が多数の穴を越えて伝搬するのを防ぐ、前記導波路（２１０４）内の前記多数の穴（２１０８〜２１１０、２２０４〜２２０６）と、
前記穴（２１０８〜２１１０、２２０４〜２２０６）の下に配置され、前記導波路（２１０４）と同じ屈折率を有する液体で満たされるリザーバ（２２０８）と、
前記穴の屈折率が前記導波路（２１０４）の屈折率と実質的に一致し、前記電磁波が前記穴を越えて前記導波路内で伝搬することができるように、前記液体を前記穴（２１０８〜２１１０、２２０４〜２２０６）の中に送り込むためのデバイスとを備えることを特徴とするフォトニックスイッチ。
【請求項８】
前記導波路（２１０４）は、
リッジ導波路と、
フォトニック結晶導波路のうちの１つをさらに含むことを特徴とする請求項７に記載のデバイス。
【請求項９】
前記導波路（２１０４）は、
Ｓｉ、
ＩＩＩ−Ｖ族半導体と、
ＩＩ−ＶＩ族半導体のうちの１つをさらに含むことを特徴とする請求項７に記載のデバイス。
【請求項１０】
前記液体を前記穴の中に送り込むための前記デバイスは、
加熱素子（２２１２）であって、前記加熱素子の温度が上昇するときに前記液体が膨張して前記穴の中に入るように、前記リザーバ（２２０８）内に配置されると共に前記液体と接触している加熱素子と、
前記液体を前記穴の中に送り込む圧電ポンプのうちの１つをさらに含むことを特徴とする請求項７に記載のデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施の形態はフォトニックシステムに関し、詳細には、電磁搬送波内にデータを符号化するように構成することができるフォトニックシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
１９７０年代後半以来、データを伝送するための従来の電子デバイスの代わりに、フォトニックデバイスが徐々に用いられるようになった。電気信号内にデータを符号化して、符号化された電気信号を、信号線を介して送信するのではなく、データを電磁波内に符号化し、光ファイバ及びフォトニック結晶導波路のようなフォトニックデバイスを介して送信することができる。符号化された電磁波を、フォトニックデバイスを介して送信することには、符号化された電気信号を、信号線を介して送信することよりも数多くの利点がある。第一に、フォトニックデバイスを介して送信される電磁波の場合、信号線を介して送信される電気信号の場合よりも、信号劣化又は損失がはるかに小さい。第二に、フォトニックデバイスは、信号線よりもはるかに広い帯域幅を与える。たとえば、Ｃｕ又はＡｌの単線は、単一の電気信号しか送信できないが、一本の光ファイバは、約１００以上の電磁波を送信するように構成することができる。最後に、電磁波は、はるかに高いデータ伝送速度を与え、電磁干渉を除去する。
【０００３】
最近になって、材料科学及び半導体製造技術の進歩によって、フォトニックデバイスを、メモリ及びプロセッサのような電子デバイスと集積する計算デバイスを製造できるようになった。詳細には、フォトニック集積回路（「ＰＩＣ」）は、電子集積回路に相当するフォトニックデバイスである。ＰＩＣは、集積回路のための基礎を形成する半導体材料の小さなウェハ上に実装することができ、電磁波内に符号化されたデータを複数の集積フォトニック及び電子デバイスに伝送するための複数の導波路を含む場合がある。Ｓｉが原材料である電子集積回路とは異なり、ＰＩＣは、種々の材料から構成することができる。たとえば、ＰＩＣは、絶縁体上にあるＳｉのような単一半導体から、又はＩｎＰ及びＡｌxＧａ1-xＡｓ（ただし、ｘは０から１まで変化する）のような二元及び三元半導体から構成することができる。
【０００４】
ＰＩＣを実効的に実装するために、複数の能動及び受動フォトニック部品が必要とされる。従来のエピタキシャル及びリソグラフィ法を用いて製造することができる受動フォトニック部品の例には、導波路及び減衰器があり、それらの部品を用いて、電子デバイス間の電磁波の伝搬を誘導することができる。物理学者、技術者及びコンピュータ科学者は、電磁波内にデータを符号化すると共に電磁波の伝送を調整するためにＰＩＣ内に実装することができる、変調器及びスイッチのような能動フォトニック部品が必要とされていることを認識している。
【発明の概要】
【０００５】
本発明の種々の実施の形態は、電磁波内にデータを符号化するために用いることができるフォトニックシステム及び方法に関する。本発明の１つの実施の形態では、フォトニックシステムは、多数の電磁波を伝送するように構成される第１の導波路を備える。フォトニックシステムは共振空胴を有するフォトニック結晶を備え、第１の導波路からの電磁波のうちの１つ又は複数を共振空胴の中に選択的にエバネッセント結合するように構成される。フォトニックシステムは、エバネッセント結合を介して、共振空胴から１つ又は複数の電磁波を伝送及び抽出するように配置される第２の導波路も備える。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】１次元フォトニック結晶の一例を示す。
【図２】２次元フォトニック結晶の一例を示す。
【図３Ａ】第１の１次元フォトニック結晶の場合の周波数対波数ベクトルｚ成分の仮想的なプロット図である。
【図３Ｂ】第２の１次元フォトニック結晶の場合の周波数対波数ベクトルｚ成分の仮想的なプロット図である。
【図４】２次元フォトニック結晶の斜視図である。
【図５】２次元フォトニック結晶の斜視図である。
【図６Ａ】図５に示される２次元フォトニック結晶内の横電場モードの伝搬を示す。
【図６Ｂ】図５に示される２次元フォトニック結晶内の横電場磁場モードの伝搬を示す。
【図７】図４に示される２次元フォトニック結晶内を伝搬するＴＥモード及びＴＭモードのフォトニックバンド構造を示す。
【図８】２つの共振空胴及び１つの導波路を有するフォトニック結晶の一例を示す。
【図９】図８に示されるフォトニック結晶の導波路の場合の周波数対波数ベクトルの大きさの仮想的なプロット図である。
【図１０】本発明の一実施形態を示す、第１のフォトニックシステムの等角図である。
【図１１Ａ】本発明の一実施形態を示す、単一の半導体伝送層を有する、図１０に示される第１のフォトニックシステムの断面図である。
【図１１Ｂ】本発明の一実施形態を示す、３層の半導体伝送層を有する、図１０に示される第１のフォトニックシステムの断面図である。
【図１２】各共振空胴が本発明の一実施形態を示す、３つの異なる例示的な共振空胴構成を示す図である。
【図１３】本発明の一実施形態を示す、図１０に示される第１のフォトニックシステム内の導波路間でエバネッセント波として伝送される電磁波の場合の正規化された伝送対正規化された周波数のプロット図である。
【図１４】本発明の一実施形態を示す、図１０に示されるフォトニックシステムを、電磁波をフィルタリングするために使用することの一例を示す。
【図１５】本発明の一実施形態を示す、第２のフォトニックシステムの等角図である。
【図１６Ａ】本発明の一実施形態を示す、単一の半導体伝送層を有する、図１５に示される第２のフォトニックシステムの断面図である。
【図１６Ｂ】本発明の一実施形態を示す、３層の半導体伝送層を有する、図１５に示される第２のフォトニックシステムの断面図である。
【図１７】本発明の一実施形態を示す、図１５に示される第２のフォトニックシステムの導波路間でエバネッセント波として伝送される電磁波の場合の正規化された伝送対正規化された周波数のプロット図である。
【図１８Ａ】本発明の一実施形態を示す、電磁波変調器として動作する、図１５に示される第２のフォトニックシステムの概略図である。
【図１８Ｂ】本発明の一実施形態を示す、電磁波変調器として動作する、図１５に示される第２のフォトニックシステムの概略図である。
【図１９Ａ】本発明の一実施形態を示す、図１５に示される第２のフォトニックシステムを用いて電磁搬送波内に情報を符号化することができる３つの方法を示すプロット図である。
【図１９Ｂ】本発明の一実施形態を示す、図１５に示される第２のフォトニックシステムを用いて電磁搬送波内に情報を符号化することができる３つの方法を示すプロット図である。
【図１９Ｃ】本発明の一実施形態を示す、図１５に示される第２のフォトニックシステムを用いて電磁搬送波内に情報を符号化することができる３つの方法を示すプロット図である。
【図１９Ｄ】本発明の一実施形態を示す、図１５に示される第２のフォトニックシステムを用いて電磁搬送波内に情報を符号化することができる３つの方法を示すプロット図である。
【図１９Ｅ】本発明の一実施形態を示す、図１５に示される第２のフォトニックシステムを用いて電磁搬送波内に情報を符号化することができる３つの方法を示すプロット図である。
【図２０】本発明の一実施形態を示す、情報を符号化するために、図１５に示される４つの第２のフォトニックシステムを含む第１の例示的なフォトニック集積回路を示す。
【図２１Ａ】本発明の一実施形態を示す第１のフォトニックスイッチの動作を示す。
【図２１Ｂ】本発明の一実施形態を示す第１のフォトニックスイッチの動作を示す。
【図２２Ａ】本発明の一実施形態を示す、フォトニックスイッチの導波路及びリザーバの断面図である。
【図２２Ｂ】本発明の一実施形態を示す、フォトニックスイッチの導波路及びリザーバの断面図である。
【図２３】本発明の一実施形態を示す、図１５に示される４つの第２のフォトニックシステムを含む第２の例示的なフォトニック集積回路を示す。
【図２４Ａ】本発明の一実施形態を示す、フォトニック結晶ベーススイッチの動作を示す。
【図２４Ｂ】本発明の一実施形態を示す、フォトニック結晶ベーススイッチの動作を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
本発明の種々の実施形態は、電磁波の伝送を調整すると共にデータを電磁波内に符号化するために用いることができるフォトニックシステム及び方法に関する。本発明の種々の実施形態を説明するために用いられるときに、用語「フォトニック」は、電磁スペクトルに及ぶ波長を有する古典的な電磁波又は量子化された電磁波のいずれかを伝送するために用いることができるデバイスを指していることに留意されたい。言い換えると、本発明の実施形態を説明するために用いられるときに、用語「フォトニック」は、「光子」と呼ばれる電磁波の量を伝送するためのデバイスには限定されない。読者が本発明の種々の実施形態の説明を理解するのを助けるために、第１のサブセクションにおいて、フォトニック結晶、導波路、及び共振空胴の概説を提供する。第２のサブセクションにおいて、本発明の種々のシステム及び方法の実施形態を提供する。
【０００８】
［フォトニック結晶、導波路、及び共振空胴の概説］
本発明の実施形態は、フォトニック結晶、リッジ導波路、及び他のフォトニックデバイスの中にある概念を利用する。この分野における数多くの参考文献のうちのいくつかとして、以下のテキストKatsunari Okamoto著「Fundamentals of Optical Waveguides」（Elsevier Inc. 2005）、Synder及びLove著「Optical Waveguide Theory」（Chapman and Hall, London, 1983）、並びにJean-Michel Lourtioz著「Photonic Crystals」（Springer-Verlag, Berlin, 2005）が挙げられる。このサブセクションでは、本発明の実施形態に関連するフォトニック結晶の論点を説明する。リッジ導波路及び他のフォトニックデバイスに関するさらに詳しい事柄は、先に参照された教科書から、又はこの分野に関連する数多くの他の教科書、論文、及び雑誌記事から入手することができる。
【０００９】
フォトニック結晶は、規則的なパターンにおいて互いに組み合わせられるときに、電磁放射（「ＥＲ」）の伝搬特性を変更することができる誘電特性を有する２つ以上の異なる材料から成るフォトニックデバイスである。図１及び図２は、フォトニック結晶を形成するために、異なる誘電特性を有する２つの異なる材料を組み合わせることができる数多くの異なる取り得るパターンのうちの２つを示す。フォトニック結晶は典型的には、誘電体パターンが周期的である方向の数によって特定される。たとえば、図１は１次元フォトニック結晶の一例を示す。図１では、フォトニック結晶１００が、ｚ方向において周期的に入れ替わる２つの異なる誘電体から成る７つの層から構成される。斜線のない層１０１〜１０４は誘電率ε1を有する第１の誘電体から構成され、斜線を付された層１０５〜１０７は異なる誘電率ε2を有する第２の誘電体から構成される。それらの層は、「格子定数」と呼ばれる繰返し距離で規則的な間隔をおいて配置され、図１に示される格子定数の場合には、格子定数ａである。図２は、２次元フォトニック結晶の一例を示す。２次元フォトニック結晶２００は、２つの異なる誘電体から成る交互層を含み、ｘ方向及びｙ方向の両方において周期的であり、２つの格子定数ａ及びｂを有する。領域２０１のような斜線のない領域は、誘電率ε1を有する第１の誘電体から構成され、領域２０２のような斜線を付された領域は、異なる誘電率ε2を有する第２の誘電体から構成される。また、フォトニック結晶は、３次元の繰返しパターンで形成することもできる。３次元フォトニック結晶は、球、管、又は第２の誘電体を含むスラブに中に埋め込まれた第１の誘電体を含む、他の固体形状を用いて形成することができる。
【００１０】
誘電体内を伝搬するＥＲは、直交する振動電界
【００１１】
【数１】
2010515109.tif 000003
【００１２】
及び磁界
【００１３】
【数２】
2010515109.tif 000004
【００１４】
及び伝搬方向
【００１５】
【数３】
2010515109.tif 000005
【００１６】
を含む電磁波によって特徴付けることができる。電界及び磁界はマクスウエルの方程式によって関係付けられる。
【００１７】
【数４】
2010515109.tif 000006
【００１８】
ただし、
【００１９】
【数５】
2010515109.tif 000007
【００２０】
は誘電体内の電磁波の空間変位であり、ｔは時間であり、
【００２１】
【数６】
2010515109.tif 000008
【００２２】
は誘電率である。
【００２３】
誘電体は一般的に自由電荷又は自由電流を通さないので、式１〜式４は、電荷密度項又は体積電流密度項を含まない。式３及び式４、すなわち回転方程式は、線形微分方程式である。いずれの式でも、左辺は、独立した空間変位
【００２４】
【数７】
2010515109.tif 000009
【００２５】
に対する電磁界の依存性を表し、右辺は時間ｔに対する場の依存性を表す。
【００２６】
【数８】
2010515109.tif 000010
【００２７】
に関して変化する微分量をｔに関して変化する量に等しくする唯一の方法は、微分量が同じ定数値に等しくすることである。式３及び式４の両辺は定数に等しく、以下の式を得るために、変数分離法を適用することができる。
【００２８】
【数９】
2010515109.tif 000011
【００２９】
ただし、ωは誘電体内を伝搬する電磁波の角周波数である。
【００３０】
マクスウエルの回転方程式３及び４は、式４を誘電率
【００３１】
【数１０】
2010515109.tif 000012
【００３２】
で割り、回転演算子を適用し、電界の回転に式３を代入して、以下の式を与えることによって分離することができる。
【００３３】
【数１１】
2010515109.tif 000013
【００３４】
ただし、
【００３５】
【数１２】
2010515109.tif 000014
【００３６】
は微分演算子である。式５は固有値方程式である。ただし、固有値はω2であり、固有関数は対応する磁界
【００３７】
【数１３】
2010515109.tif 000015
【００３８】
である。式５に従って、磁界
【００３９】
【数１４】
2010515109.tif 000016
【００４０】
が求められた後に、式３に
【００４１】
【数１５】
2010515109.tif 000017
【００４２】
を代入し、
【００４３】
【数１６】
2010515109.tif 000018
【００４４】
について解くことによって、電界
【００４５】
【数１７】
2010515109.tif 000019
【００４６】
を求めることができる。
【００４７】
図１及び図２に示されるフォトニック結晶のような、限られた次元のフォトニック結晶の場合、式５の固有値及び固有関数が量子化され、以下の式が与えられる。
【００４８】
【数１８】
2010515109.tif 000020
【００４９】
ただし、ｊは「バンドインデックス」と呼ばれる、負でない整数値であり、それは、角周波数が大きくなる順序において、磁界
【００５０】
【数１９】
2010515109.tif 000021
【００５１】
の調和モードに付される。
【００５２】
フォトニック結晶の並進対称を用いて、磁界
【００５３】
【数２０】
2010515109.tif 000022
【００５４】
の関数形式を求めることができる。たとえば、フォトニック結晶１００の中を伝搬する磁界
【００５５】
【数２１】
2010515109.tif 000023
【００５６】
の関数形式は、以下の式によって与えることができる。
【００５７】
【数２２】
2010515109.tif 000024
【００５８】
ただし、
【００５９】
【数２３】
2010515109.tif 000025
【００６０】
はｘｙ平面ベクトルであり、
【００６１】
【数２４】
2010515109.tif 000026
【００６２】
はｘｙ平面波数ベクトルであり、ｋzはｚ方向波数ベクトル成分であり、
【００６３】
【数２５】
2010515109.tif 000027
【００６４】
はｚ方向における周期関数である。式６の指数関数項
【００６５】
【数２６】
2010515109.tif 000028
【００６６】
は、ｘｙ平面において誘電体層を通じて伝搬するＥＲの連続並進対称から生じる。しかしながら、式６の項
【００６７】
【数２７】
2010515109.tif 000029
【００６８】
はブロッホの定理、及び以下の式によって与えられる、フォトニック結晶１００の誘電率の周期性によってｚ方向において課せられる離散並進対称から生じる。
【００６９】
【数２８】
2010515109.tif 000030
【００７０】
ただし、
【００７１】
【数２９】
2010515109.tif 000031
【００７２】
であり、ａは誘電体層の規則的なパターンによって決定される格子定数であり、ｌは整数である。
【００７３】
磁界
【００７４】
【数３０】
2010515109.tif 000032
【００７５】
は２π／ａの整数倍毎に周期的である。結果として、関連する角周波数も周期的である。
【００７６】
【数３１】
2010515109.tif 000033
【００７７】
フォトニック結晶の誘電体パターンの違いは、「フォトニックバンドギャップ」と呼ばれる、周波数ωjの１つ又は複数の範囲を生み出し、その範囲では、ＥＲがフォトニック結晶内を伝搬することが妨げられる。フォトニックバンドギャップは、電磁エネルギー範囲、及びλjによって表される波長範囲にも対応し、その範囲では、誘電体間の違いが、ＥＲ吸収及びＥＲ伝搬を妨げる。フォトニック結晶の中を伝送されるＥＲの波長λjは、角周波数ωjに関係付けられる。
【００７８】
【数３２】
2010515109.tif 000034
【００７９】
ただし、νはフォトニック結晶内のＥＲの速度である。高周波数の調和モードは、誘電率が低い誘電体領域内に電磁エネルギーを集中する傾向があり、一方、低周波数の調和モードは、誘電率が高い誘電体領域内に電磁エネルギーを集中する傾向があるので、特定のＥＲ周波数範囲が、フォトニック結晶を通じて伝送されない。電磁エネルギーＷは、以下のように、変分原理から求めることができる。
【００８０】
【数３３】
2010515109.tif 000035
【００８１】
ただし、以下の式が成り立ち、「＊」は複素共役を表す。
【００８２】
【数３４】
2010515109.tif 000036
【００８３】
誘電率が高い領域内を伝搬する調和モードの場合、誘電率が低いフォトニック結晶領域内を伝搬するモードの場合よりも、電磁エネルギーが低い。
【００８４】
１次元フォトニック結晶のフォトニックバンドギャップのサイズ及びその周波数範囲は、フォトニック結晶を構成する誘電体の誘電率の相対的な違いによる。フォトニック結晶を構成する材料の誘電率間の相対的な違いが大きい１次元フォトニック結晶は、誘電率間の相対的な違いが小さいフォトニック結晶よりも、より高い周波数範囲において、より大きいフォトニックバンドギャップを有する。
【００８５】
図３Ａ及び図３Ｂはそれぞれ、第１の１次元フォトニック結晶及び第２の１次元フォトニック結晶の場合の周波数ωａ／２πｃ対波数ベクトルｚ成分ｋzの仮想的なプロットである。図３Ａ及び図３Ｂでは、横軸３０１のような横軸は、波数ベクトルｚ成分ｋzに対応し、縦軸３０２のような縦軸は、周波数に対応する。式７を参照しながら先に説明されたように、周波数ωjは周期的であるので、１、２、及び３に等しい角周波数帯域ｊの場合に、波数ベクトルｚ成分範囲−π／ａ及びπ／ａに対して、周波数ωjａ／２πｃがプロットされる。フォトニックバンドギャップは、斜線領域３０３及び３０４によって特定される。線３０５、３０６、及び３０７は、第１、第２、及び第３の角周波数帯域（ｊ＝１、２、及び３）に対応する。第１のフォトニック結晶を構成する材料の誘電率間の相対的な違いが、第２のフォトニック結晶を構成する材料の誘電率間の相対的な違いよりも小さいので、図３Ａのフォトニックバンドギャップ３０３の幅３１０は、図３Ｂのフォトニックバンドギャップ３０４の幅３１２よりも小さい。また、フォトニックバンドギャップ３０３は、フォトニックバンドギャップ３０４によって対象とされる周波数範囲よりも低い周波数範囲を対象とする。
【００８６】
２次元フォトニック結晶は、誘電体スラブ内に形成される円筒穴の規則的な格子から構成することができる。円筒穴は、空気穴とすることができるか、又はフォトニックスラブの誘電体材料とは異なる誘電体材料で満たされる穴とすることができる。図４は、２次元フォトニック結晶の斜視図を示す。図４において、フォトニック結晶４００は、支柱４０２のような円筒穴の埋め込まれている規則的な格子を有する誘電体スラブ４０１から形成される。円筒穴は、円筒穴４０３によって示されるように、スラブ４０１の上面から底面まで延在し、空気、又はスラブ４０１の誘電率とは異なる誘電率を有する任意の他の材料で満たされた穴とすることができる。２次元フォトニック結晶は、気体又は液体によって包囲される柱状物の規則的な格子配列から構成することもできる。図５は、柱状物とは異なる誘電率を有する気体又は液体のような流体によって包囲される、柱状物５０１のような、固体柱状物の規則的な正方形の格子を有する２次元フォトニック結晶５００を示す。
【００８７】
２次元フォトニック結晶は、フォトニック結晶の周期的な平面内を伝搬するＥＲを偏光し、電界及び磁界は、２つの異なる偏光：（１）横電場（“ＴＥ”）モード及び（２）横磁場（“ＴＭ”）モードに分類することができる。ＴＥは、フォトニック結晶の周期的な平面に対して垂直に向けられる
【００８８】
【数３５】
2010515109.tif 000037
【００８９】
と、フォトニック結晶の周期的な平面内に向けられる
【００９０】
【数３６】
2010515109.tif 000038
【００９１】
とを有し、一方、ＴＭは、フォトニック結晶の周期的な平面に対して垂直に向けられる
【００９２】
【数３７】
2010515109.tif 000039
【００９３】
と、フォトニック結晶の周期的な平面内に向けられる
【００９４】
【数３８】
2010515109.tif 000040
【００９５】
とを有する。図６Ａ及び図６Ｂは、図４に示される２次元フォトニック結晶内のＴＥ及びＴＭモードの伝搬を示す。フォトニック結晶４００の周期的な平面はｘｙ平面内にあり、円筒穴はｚ方向に対して平行であり、ＥＲは、フォトニック結晶４００の中をｙ方向に伝搬する。図６Ａでは、振動する曲線６０１が、ｘｙ平面に対して垂直に向けられる
【００９６】
【数３９】
2010515109.tif 000041
【００９７】
モードを表し、振動する曲線６０２が、ｘｙ平面内に向けられる、直交する
【００９８】
【数４０】
2010515109.tif 000042
【００９９】
モードを表す。図６Ｂでは、振動する曲線６０３が、ｘｙ平面に対して垂直に向けられる
【０１００】
【数４１】
2010515109.tif 000043
【０１０１】
モードを表し、振動する曲線６０４が、ｘｙ平面内に向けられる、直交する
【０１０２】
【数４２】
2010515109.tif 000044
【０１０３】
モードを表す。
【０１０４】
図７は、図４に示されるフォトニック結晶内を伝搬するＥＲのＴＭ及びＴＥモードのフォトニックバンド構造を示す。図７において、縦軸７０１は、フォトニック結晶４００内を伝搬するＥＲの角周波数を表し、横軸７０２は、図４に示される、フォトニック結晶４００のフォトニック結晶部分７０３内の、Γ、Ｍ、及びＫを付される格子点間のＥＲ伝搬経路を示す。実線７０４のような実線はＴＭモードを表し、破線７０５のような破線はＴＥモードを表す。斜線領域７０６は、ＴＥモード、ＴＭモードがいずれもフォトニック結晶４００内を伝搬することを許されないフォトニックバンドギャップを特定する。
【０１０５】
フォトニックバンドギャップ７０６のような、２次元フォトニック結晶スラブ内のフォトニックバンドギャップによって対象とされる幅及び周波数範囲は、格子定数ａによって表される、円筒穴の周期的間隔、及びスラブの誘電率と円筒穴の誘電率との間の相対的に違いによる。また、スラブの誘電率と円筒穴の誘電率との間の相対的に違いが大きくなるほど、フォトニックバンドギャップ７０６によって対象とされる周波数範囲は、高い方の周波数範囲にシフトすることができ、スラブの誘電率と円筒穴の誘電率との間の相対的に違いが小さくなるほど、フォトニックバンドギャップ７０６は低い方の周波数範囲にシフトすることができる。
【０１０６】
２次元フォトニック結晶は、指定された周波数帯域内のＥＲを反射するように設計することができる。結果として、２次元フォトニック結晶は、フォトニック結晶のフォトニックバンドギャップ内の周波数を有するＥＲの伝搬を妨げる周波数帯域消去フィルタとして設計し、製造することができる。一般的に、円筒穴のサイズ及び相対的な間隔が、ＥＲのどの波長が２次元フォトニック結晶内を伝搬するのを禁止されるかを制御する。しかしながら、円筒穴の格子内に欠陥を導入して、特定の局在化した構成要素を作り出すことができる。詳細には、「共振空胴」とも呼ばれる点欠陥を形成して、狭い周波数範囲又は波長範囲のＥＲを一時的に閉じ込める共振器を設けることができる。「導波路」とも呼ばれる線欠陥を形成して、フォトニックバンドギャップの周波数範囲内にある周波数範囲又は波長を有するＥＲを伝送することができる。結果として、３次元フォトニック結晶スラブは、スラブの厚みに応じた屈折率ｎを有する２次元結晶と見なすことができる。
【０１０７】
図８は、２つの共振空胴及び１つの導波路を有するフォトニック結晶の一例を示す。選択された円筒穴を省くか、又はそのサイズを増減することによって、２次元フォトニック結晶スラブ内に共振空胴を作り出すことができる。たとえば、破線の円によって包囲される空き領域によって示されるように、円筒穴を省くことによって、フォトニック結晶８００内に共振空胴８０１が作り出される。共振空胴８０１及び８０５は、フォトニックバンドギャップの周波数範囲内にあるＥＲを一時的に閉じ込める、効果的に反射する壁によって包囲される。共振空胴は、フォトニック結晶の平面に対して垂直な方向において、狭い周波数帯域内のＥＲを流すことができる。たとえば、共振空胴８０１は、フォトニックバンドギャップの狭い周波数帯域内の局所的なＴＭモード及びＴＥモードを閉じ込めることができる。フォトニック結晶８００が、内部全反射を生み出す２つの反射板又は誘電体間に狭持されない限り、共振空胴８０１内で共振するＥＲは、フォトニック結晶８００の周期的な平面に対して垂直な方向において脱出することができる。各共振空胴は、関連する品質係数（Ｑ）値を有し、それは、ＥＲが共振空胴を包囲する領域内に漏れる前に、空洞内で何回振動が起こるかの目安を提供する。
【０１０８】
導波路は、フォトニックバンドギャップの特定の周波数範囲内のＥＲを、フォトニック結晶内の第１の場所からフォトニック結晶内の第２の場所まで誘導するために用いることができるフォトニック伝送路である。導波路は、円筒穴の列又は行内の特定の円筒穴の直径を変更することによって、又は円筒穴の行を省くことによって形成することができる。たとえば、フォトニック結晶８００において、フォトニック結晶８００の製造中に、破線８０３と８０４との間の空き領域によって示されるように、円筒穴の行全体を省くことによって、誘電体導波路８０２が形成される。誘電体導波路８０２は、波長λ0及びλ1を有するＥＲを単一の経路に沿って伝送する。分岐する導波路のネットワークを用いて、フォトニック結晶を通じて、多数の異なる経路においてＥＲを誘導することができる。１つの導波路に沿って伝搬する電磁信号の直径は、λ／３ｎ程度に小さくすることができ、一方、共振空胴の調和モード体積は２λ／３ｎ程度に小さくすることができる。ただし、ｎは、導波路の屈折率である。
【０１０９】
導波路及び共振空胴は、導波路及び共振空胴の直ぐ周りのエリアにＥＲが脱出するのを防ぐのに１００％効果的でない場合がある。たとえば、１つの導波路に沿って伝搬するフォトニックバンドギャップ内の周波数範囲内のＥＲは、その導波路を包囲する領域内に拡散する傾向もある。導波路又は共振空胴を包囲するエリアに入るＥＲは、振幅の指数関数的な減衰、すなわち「エバネッセンス」と呼ばれる過程を経験する。結果として、導波路の短い距離内に共振空胴を配置して、導波路によって搬送されるＥＲの特定の波長を共振空胴によって抽出できるようになる。事実上、共振空胴は、導波路内を伝搬するＥＲの特定の波長の一部を抽出するために用いることができるフィルタである。共振空胴Ｑ値に応じて、抽出されたＥＲは共振空胴内に閉じ込められたままになり、或る時間にわたって共振することができ、その後、周囲に漏れるか、又は後方散乱して導波路に戻される。たとえば、図８では、共振空胴８０１は、導波路８０２からあまりにも離れて配置されるので、ＥＲの特定の波長を有するモードを抽出することができない。しかしながら、共振空胴８０５は、導波路８０２に沿って伝搬する波長λ3を有するＥＲの一部を抽出することができる。こうして、波長λ3を有するＥＲのうちのわずかな部分が残されて、波長λ1及びλ2のＥＲとともに導波路８０２内を伝搬することができる。
【０１１０】
図９は、図８に示されるフォトニック結晶の導波路の場合の周波数対波数ベクトルの大きさ
【０１１１】
【数４３】
2010515109.tif 000045
【０１１２】
の仮想的なプロットである。図９では、斜線領域９０１及び９０２は、図８に示される、導波路８０２の不在時のフォトニック結晶８００の予想される第１及び第２のバンド構造を表す。領域９０３は、フォトニック結晶８００によって作り出されるフォトニックバンドギャップを特定する。線９０４は、導波路８０２の中を伝搬することを許される周波数帯域を特定する。導波路８０２の中を伝搬するのを許される周波数帯域の数は、導波路８０２のサイズを大きくことによって増やすことができる。３次元フォトニック結晶の場合、３次元格子パラメータ、誘電率間の違い、及び包含物の寸法がフォトニックバンドギャップの周波数範囲を決定する。特定の包含物を選択的に除去するか、又はその寸法を選択的に変更することによって、３次元フォトニック結晶内にも導波路及び共振空胴を形成することができる。
【０１１３】
［本発明の実施形態］
図１０は、本発明の一実施形態を示す第１のフォトニックシステム１０００の等角図を示す。フォトニックシステム１０００は、伝送層１００８内に形成されている、第１のリッジ導波路１００２と、フォトニック結晶１００４と、第２のリッジ導波路１００６とを備える。伝送層１００８は、ＳｉＯ2のような基板１０１０によって支持される。フォトニック結晶１００４は、穴１０１２のような、フォトニック結晶の高さに及ぶ穴の三角形格子を含み、共振空胴１０１４も含む。共振空胴１０１４は、第１のリッジ導波路１００２と第２のリッジ導波路１００６との間の概ね中途において穴の格子の中の１つの穴を選択的に省くことによって作り出される。伝送層１００８は、化学蒸着を用いて形成することができ、穴の格子並びにリッジ導波路１００２及び１００６は、よく知られている任意のエピタキシャル又はリソグラフィ技法を用いて形成することができる。
【０１１４】
伝送層１００８は、単一の半導体から、又はそれぞれの層が異なる種類の半導体から構成される複数の層から構成することができる。図１１Ａは、本発明の一実施形態を示す、単一の半導体から構成される伝送層１００８を有するフォトニックシステム１０００の断面図を示す。伝送層１００８は、Ｓｉのような単一の半導体から構成することができるか、又はＩＩ−ＶＩ又はＩＩＩ−Ｖ族半導体のような、２元、３元、又は４元半導体化合物から構成することができる。たとえば、伝送層１００８は、いずれもＩＩ−ＶＩ族半導体化合物であるＺｎＴｅ又はＣｄＳｅのいずれかから、あるいはいずれもＩＩＩ−Ｖ族半導体化合物であるＧａＡｓ又はＩｎＰのいずれかから構成することができる。図１１Ｂは、本発明の一実施形態を示す、３つの半導体層から構成される伝送層１００８を有するフォトニックシステム１０００の断面図を示す。図１１Ｂに示されるように、伝送層１００８は、上側半導体層１１０４と下側半導体層１１０６との間に狭持される中間半導体層１１０２から構成され、それらの上側及び下側半導体層は概ね同一の半導体から構成される。たとえば、中間半導体層１１０２はＧａＡｓから構成することができ、上側半導体層１００４及び下側半導体層１００６はいずれもＩｎＰから構成することができる。
【０１１５】
伝送層１００８のために選択することができる異なる半導体材料の数は、フォトニックシステム１０００内で伝送されることになる電磁波の波長に基づき得る。言い換えると、各半導体材料は、対応する異なる誘電率εを有し、それが、電磁放射の特定の波長の伝送に関連付けられる。たとえば、Ｓｉ伝送層１００８は約１１．８の誘電率を有し、約１μｍよりも長い波長を有する電磁波を伝送することができ、一方、ＧａＡｓ伝送層は約８．９の誘電率を有し、約０．３５μｍよりも長い波長を有する電磁波を伝送することができる。
【０１１６】
格子定数ａ及び格子穴の半径ｒを変更して、ある周波数範囲にわたる電磁波が第１の導波路１００２と第２の導波路１００６との間で伝送されないようにするフォトニックバンドギャップを作り出すことができる。しかしながら、フォトニックバンドギャップ内に或る周波数範囲にわたる電磁波を、エバネッセント結合を介して第１の導波路１００２と第２の導波路１００６との間で伝送できるように、共振空胴１０１４を構成することができる。その電磁波は、共振空胴１５０４の周囲のエリアに閉じ込められる。
【０１１７】
図１０を参照しながら先に説明されたように、共振空胴１０１４は、フォトニック結晶１００４を構成する穴の格子の中の１つの穴を選択的に省くことによって作り出される。しかしながら、本発明の異なるシステムの実施形態によれば、フォトニック結晶１００４内に、任意の数の異なる種類の共振空胴構成を形成することができる。図１２は、３つの異なる例示的な共振空胴構成を示しており、各共振空胴が本発明の一実施形態を示す。図１２に示されるように、第１の共振空胴１２０２は、格子穴の半径ｒよりも大きい半径を有する単一の穴を含み、第２の共振空胴１２０４は、格子穴の半径ｒよりも小さい半径を有する単一の穴を含み、第３の共振空胴１２０６は、穴を省いて、格子穴の半径ｒよりも小さい半径を有する包囲穴を形成することによって形成することができる。３つ全ての共振空胴１２０２、１２０４、及び１２０６の場合に、フォトニック結晶の格子定数ａは変わらないことに留意されたい。
【０１１８】
共振空胴の構成に加えて、伝送層を形成するために用いられる半導体材料のタイプが、第１の導波路１００２と第２の導波路１００６との間で伝送され得る電磁波の周波数範囲を決定する。図１３は、共振空胴１０１４を介して第１の導波路１００２と第２の導波路１００６との間で伝送される電磁波の場合の、正規化された伝送対正規化された周波数のプロットを示す。図１３では、横軸１３０２は、共振空胴１０１４内で共振する電磁波の正規化された周波数（ａ／λ）に対応し、縦軸１３０４は、第１の導波路１００２と第２の導波路１００６との間で伝送される電磁波の正規化された伝送に対応する。正規化された伝送曲線１３０６〜１３０８はそれぞれ、誘電率１０．５、１０．４５及び１０．４を有する３つの異なる伝送層１００８半導体材料に対応する。曲線１３０６〜１３０８は、ｒ＝０．４ａによって関連付けられる格子間隔及び半径を有するフォトニック結晶１００４の場合に、２次元有限差分時間領域（「ＦＤＴＤ」）数値法を用いて生成された。ＦＤＴＤ法は、フォトニック結晶内の電磁波の伝搬をシミュレートするために用いられる数多くのよく知られている数値法のうちの１つである（たとえば、Jean-Michel Lourtioz他著「Photonic Crystals」（Springer-Verlag, Berlin, 2005, pp. 78-88）を参照されたい）。曲線１３０６〜１３０８は、電磁波の強度が約１／２だけ減少すること、及び伝送層１００８の誘電率が減少すると、伝送ピークが高い方の周波数にシフトすることを示す。曲線１３０６〜１３０８の周波数領域内の周波数を有する電磁波だけが、第１の導波路１００２及び第２の導波路１００６との間で伝送されることにも留意されたい。たとえば、１０．４の誘電率を有する伝送層１００８の場合、約０．２９７〜約０．２９８の領域内の正規化された周波数を有する電磁波を、共振空胴１０１４を介して、第１の導波路１００２と第２の導波路１００６との間で伝送することができる。しかしながら、曲線１３０８の領域の外側にある周波数を有する電磁波は、第１の導波路１００２と第２の導波路１００６との間で伝送されない。
【０１１９】
図１４は、本発明の一実施形態を示す、電磁波をフィルタリングして除去するフォトニックシステム１０００の例示的な使用法を示す。図１４に示されるように、波長λ1、λ2、及びλ3を有する電磁波が、フォトニック結晶１００４に向かって、第１の導波路１００２内を伝搬する。電磁波λ1、λ2、及びλ3がフォトニック結晶１００４のフォトニックバンドギャップ内に入るように、格子定数ａ及び穴の半径ｒの大きさが決定される。しかしながら、電磁波λ1だけが共振空胴１００４において共振することができるように、共振空胴１００４が構成される。結果として、電磁波λ2及びλ3はフォトニック結晶１００４によって反射され、一方、電磁波λ1は、共振空胴１００４にエバネッセント結合する。その後、電磁波λ1は、第２の導波路１００６にエバネッセント結合する。
【０１２０】
図１５は、本発明の一実施形態を示す、フォトニックシステム１５００の等角図を示す。フォトニック結晶１５００は、図１０に示されるフォトニックシステム１０００を参照しながら先に説明された構成要素に構造的に類似する複数の構成要素を含む。それゆえ、簡略にするために、フォトニックシステム１０００及びフォトニックシステム１５００内の構造的に類似の構成要素は、同じ参照番号を付されており、それらの構造及び機能の説明は繰り返されない。フォトニック結晶１５０２は、第１の導波路１００２と第２の導波路１００６との概ね中途に配置される共振空胴１５０４を含む。共振空胴１５０４は、穴の格子から１つの穴を省くことによって形成されるが、本発明はそのような構成には限定されない。本発明の別の実施形態では、共振空胴１５０４は、図１２を参照しながら先に説明されたように構成することができる。図１０〜図１３を参照しながら先に説明されたフォトニック結晶１００４とは異なり、フォトニック結晶１５０２は、延長領域１５０６及び１５０８を含み、それらは、高屈折率材料から形成することができる。また、フォトニック結晶１５００は、伝送層１００８上に支持される第１の電気コンタクト１５１０と、延長領域１５０６によって支持される第２の電気コンタクト１５１２とを含む。電気コンタクト１５１０及び１５１２は、共振空胴１５０２の両端に電圧を印加することができるように、フォトニック結晶１５００の両側に配置される。電気コンタクト１５１０及び１５１２は、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、ドープされた半導体材料、又は他の適切な材料から構成することができる。
【０１２１】
図１６Ａ及び図１６Ｂは、本発明の実施形態を示すフォトニックシステム１５００の断面図を示す。図１６Ａ及び図１６Ｂに示されるように、伝送層１００８は、図１１Ａ及び図１１Ｂを参照しながら先に説明されたように、半導体材料の単一の層、又は半導体材料の３つの層から構成することができる。電極１５１２が、延長領域１５０６の上側表面上に配置される。
【０１２２】
第１の電気コンタクト１５１０と第２の電気コンタクト１５１２との間で共振空胴１５０２の両端に印加される電圧は、共振空胴の誘電率を変更する。言い換えると、電気コンタクト１５１０と１５１２との間に印加される電圧は、フォトニックシステム１５００の伝送ピークをシフトする。図１７は、本発明の一実施形態を示す、共振空胴１５０４を通じて第１の導波路１００２と第２の導波路１００６との間でのエバネッセント結合を介して伝送される電磁波の場合の正規化された伝送対正規化された周波数のプロットを示す。図１７において、横軸１７０２は、共振空胴１５０４内で共振する電磁波の正規化された周波数（ａ／λ）に対応し、縦軸１７０４は、第１の導波路１００２と第２の導波路１００６との間で伝送される電磁波の正規化された伝送に対応する。正規化された伝送曲線１７０６〜１７０８はそれぞれ、誘電率値１０．５、１０．４５、及び１０．４を有する共振空胴１５０４に対応し、それらの誘電率値は、共振空胴１５０４の両端に３つの異なる電圧レベルを印加することによって作り出される。正規化された曲線は、図１３を参照しながら先に説明されたＦＤＴＤ法を用いて生成される。言い換えると、共振空胴１５０４の両端に適切な電圧を印加することによって、共振空胴１５０４の誘電率を、特定の周波数範囲にわたる電磁波を伝送しないようにシフトすることができる。たとえば、共振空胴１５０４の誘電率が、最初に約１０．４であるものと仮定する。結果として、曲線１７０８は、約０．２９７〜約０．２９８の周波数範囲にある電磁波を第１の導波路１００２と第２の導波路１００６との間で伝送できることを示す。しかしながら、電気コンタクト１５１０と１５１２との間に適切な電圧が印加されるとき、共振空胴の誘電率は、１０．５にシフトすることができ、それは曲線１７０６に対応する。図１７に示されるように、約０．２９７〜約０．２９８の周波数範囲にある電磁波は、第１の導波路１００２と第２の導波路１００６との間をもはや伝送することはできない。
【０１２３】
図１３及び図１７に示される正規化された伝送を比較することによって、高屈折率の延長領域１５０６及び１５０８が、第１の導波路１００２と第２の導波路１００６との間の電磁波の伝送を減少させることに留意されたい。本発明の別の実施形態では、この伝送の減少は、第２の導波路１００６と延長領域１５０６及び１５０８との間をエッチングして空隙を設けることによって避けることができる。そうでない場合には、Δε／εが約０．００４８に等しい場合に約４．１ｄＢだけ、またΔε／εが約０．００９５に等しい場合に約１４．０ｄＢだけ、伝送が降下する。電気コンタクト１５１０及び１５１２は、電磁波の伝送に影響を及ぼさないことにも留意されたい。
【０１２４】
フォトニックシステム１５００は、情報を電磁搬送波（「搬送波」）内に符号化する変調器として動作することができる。図１８Ａ及び図１８Ｂは、本発明の一実施形態を示す、変調器として動作するフォトニックシステム１５００の概略図を示す。図１８Ａでは、フォトニックシステム１５００は、第１のノード１８０２に電気的に接続されており、第１のノードは、プロセッサ、メモリ、あるいは他のデータ記憶デバイス、又はデータ生成電子デバイスとすることができる。第１のノード１８０２は、データを電気信号内に符号化し、その電気信号がフォトニックシステム１５００に伝送される。信号源１８０４が搬送波λCWを生成し、その搬送波もフォトニックシステム１５００に伝送される。ここで図１８Ｂを参照すると、信号源１８０４によって生成される搬送波λCWは、第１の導波路１００２において、フォトニック結晶１５０２まで伝送される。搬送波λCWが共振空胴１５０４にエバネッセント結合する。搬送波λCWが共振空胴１５０４にエバネッセント結合するとき、電気コンタクト１５１０及び１５１２も電気信号を受信し、その電気信号は、共振空胴１５０４を挟んで、ノード１８０２によって生成される情報を符号化する振動電圧も生成する。その電圧振動は搬送波λCWを変調して、被変調電磁波λMODを生成し、その被変調電磁波は同じ情報を符号化しており、第２の導波路１００６にエバネッセント結合する。図１８Ａに戻ると、被変調電磁波λMODは、光ファイバ１８０６において長距離にわたって、処理用の第２のノード１８０８まで伝送することができる。本発明の別の実施形態では、被変調電磁波λMODは、フォトニック結晶導波路を介して、リッジ導波路を介して、又は自由空間を通じて伝送することができる。
【０１２５】
図１９Ａ〜図１９Ｅは、本発明の一実施形態を示す、図１８Ａ及び図１８Ｂを参照しながら先に説明されたようなフォトニックシステム１５００を用いて搬送波内に情報を符号化する概念図を提供する。計算システム内の情報は典型的には、ビット系列によって表される。各ビットは、「イエス」及び「ノー」、又は「オン」及び「オフ」のような、２つの選択肢から１つを選択したものに相当する。１ビットのための２つの状態は典型的には、２進数「１」及び「０」によって表される。電磁波は磁界成分及び電界成分を含むが、簡単にするために、以下の説明では、搬送波は電界成分によって表される。
【０１２６】
【数４４】
2010515109.tif 000046
【０１２７】
ただし、電界はｚ方向において伝搬し、ωは角周波数であり、ｋは波数ベクトルω／ｃであり、ｔは時間であり、Ｅ0は電界振幅である。図１９Ａは、搬送波対時間の電界成分のプロットを示す。図１９Ａにおいて、そして後続の図１９Ｃ〜図１９Ｅにおいて、横線１９０２は時間軸であり、縦線１９０４は振幅Ｅである。曲線１９０６は、或る振動角周波数を有する搬送波の電界成分Ｅ（ｚ，ｔ）を表す。搬送波１９０６は第１の導波路１００２において伝送され、共振空胴１５０４にエバネッセント結合する。図１８を参照しながら先に説明された被変調電磁波λMODを生成するために、共振空胴１５０４の両端での電圧が、図１８Ａに示される、第１のノード１８０２によって与えられる電気信号に基づいて変更される。図１９Ｂは、２進数「１０１０１」を符号化する振動電圧の電圧対時間のプロットを示しており、共振空胴１５０４に印加される電圧を変更して情報を符号化することができる多数の取り得る方法のうちの１つを表す。低い方の電圧１９０８〜１９１０は２進数「１」に対応し、高い方の電圧１９１１及び１９１２は２進数「０」に対応する。
【０１２８】
フォトニックシステム１５００は、搬送波λCWの振幅を変調することによって、被変調電磁波λMODを生成することができる。図１９Ｃは、図１９Ｂに示される電圧に従って、２値系列「１０１０１」を符号化する振幅変調電磁波λMODの一例を示す。図１９Ｃでは、１つのビットが、４つの連続した信号サイクルに対応する。サイクル１９１４及び１９１５は小さな振幅を有し、それは２進数「０」に対応しており、図１７を参照しながら先に説明されたように、共振空胴の両端の電圧が高い方の電圧レベル１９１１及び１９１２にそれぞれ対応するときに、第１の導波路１００２と第２の導波路１００６との間で搬送波を伝送しなくなるように共振空胴１５０４の誘電率をシフトすることによって達成される。サイクル１９１６〜１９１８は大きな振幅を有し、それらは２進数「１」に対応しており、共振空胴１５０４の両端の電圧が低い方の電圧レベル１９０８〜１９１０にそれぞれ対応するときに、共振空胴１５０４の誘電率をほとんど、又は全くシフトしないことによって達成される。
【０１２９】
フォトニックシステム１５００は、搬送波λCWの周波数又は位相を変調することによって、被変調電磁波λMODを生成することもできる。図１９Ｄ及び図１９Ｅはそれぞれ、周波数変調及び位相変調の電磁波を表しており、それぞれ、適切な振動電圧を印加して共振空胴１５０４の誘電率を変更することによって果たすことができる。図１９Ｄは、図示されない電圧パターンによる、２進数「１０１０１」の周波数変調電磁信号符号化の一例を示す。図１９Ｄでは、低い周波数のサイクル１９２０〜１９２２は２進数「１」に対応し、高い周波数のサイクル１９２３及び１９２４は２進数「０」に対応する。位相変調は、以下のように、搬送波の位相をシフトすることによって情報を符号化するために用いられる。
【０１３０】
【数４５】
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【０１３１】
ただし、φは位相シフトを表す。図１９Ｅは、２進数「０」及び「１」の位相変調電磁波符号化の一例を示す。図１９Ｅでは、サイクル１９２４〜１９２６は２進数「１」に対応し、サイクル１９２７及び１９２８は、サイクル１９２４〜１９２６からの１／２サイクルの位相シフトを含み、２進数「０」に対応する。それらの電磁信号は、通信信号用に変調することもできる。たとえば、電磁信号を、通信信号におけるリターンツーゼロ（「ＲＺ」）又はノンリターンツーゼロ（「ＮＲＺ」）ライン符号用に変調することができる。
【０１３２】
フォトニックシステム１５００を用いて、ＰＩＣにおいて情報を符号化することができる。図２０は、本発明の一実施形態を示す、情報を符号化する４つのフォトニックシステムを含む例示的なＰＩＣ２０００を示す。ＰＩＣ２０００は、信号源２００２と、６つのノード２００４〜２００９と、４つのフォトニックシステム２０１０〜２０１３と、他の光学又は電子デバイス（図示せず）に接続される２つの光ファイバ２０１４及び２０１５とを備える。ノード２００４〜２００９として、電子プロセッサ、メモリ、センサ、又は他の電子データ生成デバイスの任意の組み合わせを用いることができる。フォトニックシステム２０１０〜２０１３は、図１８Ａを参照しながら先に説明されたように、ノード２００４〜２００７に電気的に接続される。信号源２００２は、導波路２０１６のような導波路を介して、フォトニックシステムに接続される。導波路は、単一の伝送層内のリッジ導波路又はフォトニック結晶導波路、あるいは光ファイバとすることができる。信号源２００２は、搬送波λCWを生成し、その搬送波は導波路を介してフォトニックシステム２０１０〜２０１３に伝送される。図１８及び図１９を参照しながら先に説明されたように、ノード２００４〜２００７は情報を搬送波λCW内に符号化し、４つの異なる被変調電磁波λMODを生成する。被変調電磁波λMODは、ノード２００８及び２００９並びに光ファイバ２０１４及び２０１５に別個に伝送される。
【０１３３】
ＰＩＣは、種々のノードへの搬送波の伝送を調整するために、導波路接合部にフォトニックスイッチを備えることもできる。たとえば、図２０に示されるように、リッジ導波路接合部２０１８〜２０２０にフォトニックスイッチが配置されることができる。図２１Ａ及び図２１Ｂは、本発明の一実施形態を示す第１のフォトニックスイッチ２１００の動作を示す。フォトニックスイッチ２１００は、単一のリッジ導波路２１０２を含み、その導波路は第１のリッジ導波路２１０４及び第２のリッジ導波路２１０６に分岐する。図２１Ａに示されるように、第１のリッジ導波路２１０４は穴２１０８〜２１１０を含み、第２のリッジ導波路２１０６は穴２１１１〜２１１３を含む。穴２１０８〜２１１３は、搬送波λCWが、第１のリッジ導波路２１０４及び第２のリッジ導波路２１０６を通じて伝送されるのを防ぐ。結果として、第１及び第２のリッジ導波路２１０４及び２１０６は、「オフ」にされると言われる。一方、第１及び第２のリッジ導波路２１０４及び２１０６の屈折率と概ね同じである屈折率を有する液体で穴を満たすことによって、第１のリッジ導波路２１０４及び第２のリッジ導波路２１０６いずれかを通じて搬送波λCWを伝送することができる。図２１Ｂに示されるように、３つの破線の円は、液体で満たされる、導波路２２０４内の穴２１０８〜２１１０を表す。結果として、搬送波λCWを、接合部を越えて、第１の導波路２１０４を介して伝送することができ、その導波路は「オン」にされると言われる。
【０１３４】
図２２Ａ及び図２２Ｂは、本発明の一実施形態を示す、フォトニックスイッチの導波路内の３つの穴の断面図を示す。図２２Ａでは、導波路２２０２が、導波路２２０２の高さに及ぶ３つの穴２２０４〜２２０６を含む。リザーバ２２０８が、基板２２１０内で３つの穴２２０４〜２２０６の下に配置される。リザーバ２２０８は、導波路２２０２と概ね同じ屈折率を有する液体で満たされる。また、フォトニックスイッチは、電源２２１４に接続される抵抗器コイル２２１２も備える。言い換えると、抵抗器コイル２２１２は、リザーバ２２０８内の液体を加熱する加熱素子として動作する。
【０１３５】
図２２Ａ及び図２２Ｂを参照しながら、導波路２２０２を「オン」及び「オフ」することが説明される。図２２Ａを参照すると、リザーバ２２０８内に蓄積される液体は穴２２０４〜２２０６を満たさない。結果として、搬送波λCWは、穴２２０４〜２２０６を越えて伝送されないので、導波路は「オフ」である。しかしながら、図２２Ｂを参照すると、電源２２１４によって生成される電流が抵抗器コイル２２１２の中に流されるときに、導波路２２０２を「オン」することができる。抵抗器コイル２２１２が熱くなり、リザーバ２２０８内の液体を加熱し、それにより、液体が膨張して穴２２０４〜２２０６を満たす。その液体は導波路２２０２の屈折率と概ね同じ屈折率を有するので、搬送波λCWは、穴２２０４〜２２０６を越えて伝送される。電源２２１４を「オフ」にして、液体が冷却して収縮できるようにすることにより、導波路２２０２は「オフ」にされる。
【０１３６】
本発明の別の実施形態では、フォトニック結晶導波路接合部を用いて、ＰＩＣ内にフォトニックスイッチを形成することができる。図２３は、本発明の一実施形態を示す、フォトニックシステムを含む第２の例示的なＰＩＣ２３００を示す。ＰＩＣ２３００は、図２０に示される、ＰＩＣ２０００を参照しながら先に説明された構成要素に構造的に類似した複数の構成要素を含む。それゆえ、簡略にするために、構造的に類似した構成要素は、同じ参照番号を付されており、それらの構造及び機能の説明は繰り返されない。しかしながら、図２０に示される、ＰＩＣ２０００とは異なり、フォトニック結晶ベーススイッチ２３０２〜２３０４は、ノード２００４〜２００７への搬送波の伝送を調整するために用いられる。
【０１３７】
図２４Ａ及び図２４Ｂは、本発明の一実施形態を示す、フォトニック結晶ベーススイッチの動作を示す。フォトニック結晶ベーススイッチ２４００は、単一の導波路２４０２を備えており、その導波路は、第１の導波路２４０４及び第２の導波路２４０６に分岐する。図２４Ａに示されるように、第１の導波路２４０４及び第２の導波路２４０６は３つの穴を含む。それらの穴は、搬送波λCWが接合部を越えて伝送されるのを防ぎ、第１の導波路２１０４及び第２の導波路２１０６は「オフ」にされると言われる。フォトニック結晶スラブの屈折率と概ね同じである屈折率を有する液体で穴を満たすことによって、搬送波λCWは、第１の導波路２１０４及び第２の導波路２１０６を通じて伝送することができる。図２４Ｂに示されるように、導波路２２０４内の３つの破線の円は、液体で満たされている穴を表す。結果として、搬送波λCWは接合部及び導波路２４０４を越えて伝送することができ、その導波路２２０４は「オン」にされると言われる。それらの穴は、図２２Ａ及び図２２Ｂを参照しながら先に説明されたように満たすことができる。
【０１３８】
本発明を特定の実施形態に関して説明してきたが、本発明がこれらの実施形態に限定されることは意図していない。本発明の精神の中にある変更形態が、当業者には明らかになるであろう。本発明の別の実施形態では、フォトニックスイッチ内の導波路にさらに多くの穴を加えることができることは当業者には理解されよう。本発明の別の実施形態では、フォトニックスイッチは、単一の導波路から出力される３つ以上の導波路を含むことができる。本発明の別の実施形態では、図１０に示されるフォトニック結晶１００４、及び図１５に示されるフォトニック結晶１５０２が、正のキャリア、負のキャリア、又は他のドーパントでドープされ得るため、このことによって、フォトニック結晶１００４及び１５０２の誘電率が、第１のリッジ導波路１００２及び第２のリッジ導波路１００６の誘電率と異なる。本発明の別の実施形態では、図２２を参照しながら先に説明されたように、抵抗器コイル２２１２を用いて、液体がフォトニック結晶内の穴を満たすようにする熱を生成するのではなく、圧電ポンプを用いて、リザーバ内に蓄積される液体を穴の中に送り込むことができる。
【０１３９】
本発明を完全に理解してもらうために、上記の記載で、説明の目的上、特定の用語を使用した。しかしながら、本発明を実施するために、具体的な細部が不要であることは当業者には明らかであろう。本発明の具体的な実施形態の上記の記載は、例示及び説明のために提示されている。それらの記載は、本発明を余すところなく述べること、及び本発明を開示されるのと全く同じ形に限定することは意図していない。上記の教示に鑑みて、数多くの変更形態及び変形形態が可能であることは明らかであろう。それらの実施形態は、本発明の原理及びその実用的な用途を最もわかりやすく説明し、それにより、当業者が、本発明及び種々の実施形態を、検討される特定の用途に相応しいように種々の変更を加えて最大限利用できるようにするために図示及び説明される。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲及びその均等物によって定められることが意図される。
【図１】
2010515109.tif 000048
【図２】
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【図３Ａ】
2010515109.tif 000050
【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
2010515109.tif 000053
【図６Ａ】
2010515109.tif 000054
【図６Ｂ】
2010515109.tif 000055
【図７】
2010515109.tif 000056
【図８】
2010515109.tif 000057
【図９】
2010515109.tif 000058
【図１０】
2010515109.tif 000059
【図１１Ａ】
2010515109.tif 000060
【図１１Ｂ】
2010515109.tif 000061
【図１２】
2010515109.tif 000062
【図１３】
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【図１４】
2010515109.tif 000064
【図１５】
2010515109.tif 000065
【図１６Ａ】
2010515109.tif 000066
【図１６Ｂ】
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【図１７】
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【図１８Ａ】
2010515109.tif 000069
【図１８Ｂ】
2010515109.tif 000070
【図１９Ａ】
2010515109.tif 000071
【図１９Ｂ】
2010515109.tif 000072
【図１９Ｃ】
2010515109.tif 000073
【図１９Ｄ】
2010515109.tif 000074
【図１９Ｅ】
2010515109.tif 000075
【図２０】
2010515109.tif 000076
【図２１Ａ】
2010515109.tif 000077
【図２１Ｂ】
2010515109.tif 000078
【図２２Ａ】
2010515109.tif 000079
【図２２Ｂ】
2010515109.tif 000080
【図２３】
2010515109.tif 000081
【図２４Ａ】
2010515109.tif 000082
【図２４Ｂ】
2010515109.tif 000083
【国際調査報告】
2010515109.tif 000084
2010515109.tif 000085