(57)【要約】【課題】    屈折率変化材料・素子においては大きな屈折率を、特に非吸収領域において変化させる構造を提供することを目的とする。【解決手段】    クーロンブロッケード現象を発現可能な構造部と、前記構造部に電子を注入する電子注入部と、を備え、前記電子注入部から前記構造部に電子を注入することにより前記構造部においてクーロンブロッケード現象を発現させてエネルギー準位を変化させることにより、その屈折率を変化させることを特徴とする屈折率可変素子を提供する。【選択図】    図１
2005156922.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
クーロンブロッケード現象を発現可能な構造部と、
前記構造部に電子を注入する電子注入部と、
を備え、
前記電子注入部から前記構造部に電子を注入することにより前記構造部においてクーロンブロッケード現象を発現させてエネルギー準位を変化させることにより、その屈折率を変化させることを特徴とする屈折率可変素子。
【請求項２】
前記電子注入部は、トンネリングにより前記構造部に電子を注入することを特徴とする請求項１記載の屈折率可変素子。
【請求項３】
前記構造部は、アイランドとその周囲を取り囲むバリアとを有し、
前記電子注入部は、前記バリアのポテンシャルを超えて前記アイランドに電子を注入可能としたことを特徴とする請求項１または２に記載の屈折率可変素子。
【請求項４】
高純度半導体層と、
電子注入層と、
を備え、前記電子注入層から前記高純度半導体層に電子を注入することにより、前記高純度半導体層の屈折率を可変としたことを特徴とする屈折率可変素子。
【請求項５】
前記電子注入層として、不純物濃度が高い高ドープ半導体層を備え、
前記高純度半導体層と前記高ドープ半導体層との間で電圧を印加することにより前記高純度半導体層に電子を注入可能としたことを特徴とする請求項４記載の屈折率可変素子。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１つに記載の複数の屈折率可変素子が入射光の波長のオーダーの間隔で周期的に配列されて前記入射光に対してフォトニックバンドが形成され、
前記複数の屈折率可変素子のうちの一部の屈折率可変素子において前記屈折率を変化させることにより前記入射光に対する導波路を形成可能としたことを特徴とする光配線基板。
【請求項７】
第１及び第２の電極の間に液晶層を挟持した複数のセルが入射光の波長のオーダーの間隔で周期的に配列されて前記入射光に対してフォトニックバンドが形成され、
前記複数のセルのうちの一部のセルにおいて前記第１及び第２の電極の間に電圧を印加することによりそのセルの液晶層の屈折率を変化させて前記入射光に対する導波路を形成可能としたことを特徴とする光配線基板。
【請求項８】
第１の屈折率を有する導波体と、
入射光の波長のオーダーの間隔で周期的に配列され、前記第１の屈折率とは異なる第２の屈折率を有する複数の可動体と、
を備え、
前記複数の可動体が前記導波体の中に挿入された状態において前記入射光に対するフォトニックバンドが前記導波体の中に形成され、前記導波体から前記可動体を引き抜いた部分において前記入射光に対する導波路を形成可能としたことを特徴とする光配線基板。
【請求項９】
クーロンブロッケード現象を発現可能な構造部に対して電子注入部から電子を注入することにより前記構造部においてクーロンブロッケード現象を発現させてエネルギー準位を変化させることにより、その屈折率を変化させることを特徴とする屈折率変化方法。
【請求項１０】
高純度半導体層に電子を注入することにより、前記高純度半導体層の電子密度を変化させてその屈折率を変化させることを特徴とする屈折率変化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、屈折率可変素子、屈折率変化方法及び光配線基板に関し、特に、光・電子機能デバイスに必要な波長帯域で屈折率の大きな変化を可能とした屈折率可変素子、屈折率変化方法及びこれを利用した光配線基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
光を情報伝達媒体とする光・電子機能素子やシステムには、各種材料・素子の屈折率制御が必要不可欠である。それは、光の伝播が屈折率によって支配されているからである。従って、光導波路、光ファイバーはもとより、光スイッチング素子や光記録素子も、所定の屈折率分布に設計したり、所定の屈折率を持つ材料を配置したり、屈折率を変化させることが重要となる。
【０００３】
屈折率を大きく変化させる方法としては、（１）シュタルクシフト、（２）フランツ・ケルディッシュ、（３）ポッケルス効果、（４）カー効果、（５）配向変化、（６）磁場による準位分裂、（７）Ｃｏｔｔｏｎ−Ｍｏｕｔｏｎ効果、（８）光シュタルク効果、（９）吸収飽和、（１０）ＥＩＴ、（１１）光異性化、（１２）光照射構造変化、（１３）光イオン化、（１４）ピエゾ反射効果、（１５）温度バンドシフト、（１６）温度異性化、（１７）温度による構造変化、などが知られている。
【０００４】
屈折率は複素数であり、一般に「屈折率」といわれるものは、その実部、吸収はその虚部で表わす。上記に列挙した屈折率変化機構では、屈折率実部の変化は、吸収領域や吸収端では大きいが、非吸収領域では１％以下と小さい。また、光機能デバイスに適用しようとした場合、光吸収型光スイッチ等吸収率の変化を利用するデバイスもあるが、吸収があると情報の載った光強度が小さくなることを意味している。従って、吸収がない波長領域で屈折率実部が大きく変化することが望ましい。屈折率変化材料の中では、液晶は、吸収がない波長領域の屈折率実部の変化が例外的に大きいが、これは電子分極率の変化ではなく配向の変化であるためであり、１０％強の変化が得られる。しかし、光機能デバイスに適用しようとした場合、液晶のような液状のものは応用範囲が限られてしまう。
【０００５】
今日の社会では、電子技術が中心となって情報技術とその進歩を支えているが、半導体の微細加工の限界や、微細化による量子効果により、進歩にかげりが見え出している。その一つが電子素子が搭載される基板内の電気配線（光インターコネクション）である。すなわち、コンピュータの情報処理速度はプロセッサーの速度や光ネットワークの速度よりチップ間配線が律速となる懸念が出てきた。従って、チップ間配線を電気配線から光配線へ移行したいという要求が表面化してきた。
【０００６】
光は電磁波ノイズを出さず、電磁波ノイズの影響をうけないことから、高信頼性と電磁波による健康被害の観点からも望ましい。光配線は、旧来よりシステムの高速化・大容量化に適しているといわれてきたが、（１）コストが高い、（２）サイズが大きくなる、（３）位置決め精度を高めることが難しい、という３つの大きな問題があり、敬遠されてきた。しかし、ここにきて先ほど示した通り光配線化の要求が強くなり、いくつかのパターンが考えられてきた。一つはＭＥＭＳミラー等を使う空中配線、もう一つは光ファイバーを用いる方法、もう一つは光導波路タイプである。コストや開発費を考えると空中配線が最も実用性があるとも考えられるが、振動により光ビームがずれることと、ビーム径を細く絞ることが難しく集積化・小型化することが問題となる。また、光ファイバーも集積化・小型化が難しい。従って、光導波路が最も望ましいが、上記（１）、（３）の問題が残される。
【０００７】
光を小さな導波部に閉じ込め、曲がり半径を小さくする手法として、近年「フォトニック結晶」を用いた手法が研究・発表されてきた。「フォトニック結晶」とは、異なる屈折率を持つ誘電体を結晶構造のように周期的に配置し、光導波特性や吸収・反射特性、物質との相互作用を制御しようとするものである。光配線には非常に有効な手法であるが、異なる屈折率の差を大きくする必要があり、その周期は使用する光の波長の半分程度であり、必要な精度はさらにその１０分の１程度は必要である。フォトニック結晶の作製はパターニング・エッチング積層・構築する方法を用いたりするが、作製後はその構造を調整できない。フォトニック結晶を用いた一例として、市村らは２つ、あるいは３つの導波路パターンを切り替えられる方法を提案しているが、位置の微調性までは可能ではない（特許文献１）。
【０００８】
フォトニック結晶を使わない場合でも、コア部を小さくしたり曲げ半径を小さくしようとする時は、コア、クラッドの屈折率差を大きくする必要がある。また、この場合屈折率を階段状に配置したステップインデックス型よりは曲線的に配置したグレーデッドインデックス型の方が、信号の劣化が少なく、高速伝送が可能となるため、屈折率を連続的に変えるような配置は重要となる。
【０００９】
配線が固定化した光配線基板がパターニングで作製された時、設計の一部が間違っていた場合、プロセスにかかっていたマスク代やパターニング代等全てが無駄になってしまう。ＬＳＩのゲートアレイでもこのような問題が顕在化してきており、その解決策としてＦＰＧＡ（field programmable gate array）が開発された。これはプログラミングすることができるＬＳＩのことで、ハードでありながらソフトの柔軟性を併せ持つものである。従って、光配線にもこのようなプログラマブルな特性を持つことが望ましい。
【特許文献１】特開２００１−９１９１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、かかる課題の認識に基づいてなされたものであり、その目的は、屈折率変化材料・素子においては大きく屈折率を、特に非吸収領域において変化させる屈折率可変素子、屈折率変化方法を提供することにある。またさらに、この屈折率可変素子を用いることにより、光導波路をプログラム可能な光配線基板を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明によれば、クーロンブロッケード現象を発現可能な構造部と、前記構造部に電子を注入する電子注入部と、を備え、
前記電子注入部から前記構造部に電子を注入することにより前記構造部においてクーロンブロッケード現象を発現させてエネルギー準位を変化させることにより、その屈折率を変化させることを特徴とする屈折率可変素子が提供される。
【００１２】
ここで、前記電子注入部は、トンネリングにより前記構造部に電子を注入するものとすることができる。
【００１３】
また、前記構造部は、アイランドとその周囲を取り囲むバリアとを有し、前記電子注入部は、前記バリアのポテンシャルを超えて前記アイランドに電子を注入可能とすることができる。
【００１４】
または、本発明によれば、高純度半導体層と、電子注入層と、を備え、前記電子注入層から前記高純度半導体層に電子を注入することにより、前記高純度半導体層の屈折率を可変としたことを特徴とする屈折率可変素子が提供される。
【００１５】
ここで、前記電子注入層として、不純物濃度が高い高ドープ半導体層を備え、前記高純度半導体層と前記高ドープ半導体層との間で電圧を印加することにより前記高純度半導体層に電子を注入可能とすることができる。
【００１６】
また、本発明によれば、上記いずれかの複数の屈折率可変素子が入射光の波長のオーダーの間隔で周期的に配列されて前記入射光に対してフォトニックバンドが形成され、前記複数の屈折率可変素子のうちの一部の屈折率可変素子において前記屈折率を変化させることにより前記入射光に対する導波路を形成可能としたことを特徴とする光配線基板が提供される。
【００１７】
または、本発明によれば、第１及び第２の電極の間に液晶層を挟持した複数のセルが入射光の波長のオーダーの間隔で周期的に配列されて前記入射光に対してフォトニックバンドが形成され、前記複数のセルのうちの一部のセルにおいて前記第１及び第２の電極の間に電圧を印加することによりそのセルの液晶層の屈折率を変化させて前記入射光に対する導波路を形成可能としたことを特徴とする光配線基板が提供される。
【００１８】
または、本発明によれば、第１の屈折率を有する導波体と、入射光の波長のオーダーの間隔で周期的に配列され、前記第１の屈折率とは異なる第２の屈折率を有する複数の可動体と、を備え、
前記複数の可動体が前記導波体の中に挿入された状態において前記入射光に対するフォトニックバンドが前記導波体の中に形成され、前記導波体から前記可動体を引き抜いた部分において前記入射光に対する導波路を形成可能としたことを特徴とする光配線基板が提供される。
【００１９】
または、本発明によれば、クーロンブロッケード現象を発現可能な構造部に対して電子注入部から電子を注入することにより前記構造部においてクーロンブロッケード現象を発現させてエネルギー準位を変化させることにより、その屈折率を変化させることを特徴とする屈折率変化方法が提供される。
【００２０】
または、本発明によれば、高純度半導体層に電子を注入することにより、前記高純度半導体層の電子密度を変化させてその屈折率を変化させることを特徴とする屈折率変化方法が提供される。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、少量多品種に向いた光配線基板を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
【００２３】
まず、本発明の実施の形態として、屈折率を変化させる構造について説明する。
【００２４】
屈折率は電気感受率で決まるが、これは電子雲の特性、特に最外殻の電子雲（半導体においてはフェルミレベルの電子、あるいは有機分子においてはＨＯＭＯ（highest occupied molecular orbital）の特性が強く影響する。電子雲は、結晶や物質内部が持つ内部電場に強く影響される。屈折率を変化させる試みは外部電場による非線形光学効果をもつものが良く研究されているが、内部電場は外部電場より非常に強いため外部電場による屈折率の変化率は小さく、大きいものでも屈折率変化量は１０−３〜１０−４のオーダーである。従って、大きく屈折率を変えるためには、（１）電子の移動、（２）原子の移動（物質の変化）、（３）物体の移動、のいずれかが有効である。化学的変化を起こして屈折率が変わる場合でも、表現を変えれば原子位置（配置）の移動ということができる。
【００２５】
従って屈折率が大きく変化するものとして、電子の移動（電子の注入排出）によるものが制御のしやすさという観点において有効である。  
前に述べたように、フェルミレベルのエネルギー準位を大きく変化させると複素屈折率を大きく変化させることができる。外部電場を印加してフェルミレベル近傍のエネルギー準位を変化させる場合、その値は数ｍｅＶ程度であったが、近年、電子注入によりエネルギー準位が大きく変化する電子素子構造が発見された。それは「クーロンブロッケード現象」であり、ｅＶ（エレクトロンボルト）のオーダーまで変化させることができる。その材料は、１０ｎｍ程度以下のサイズの金属微粒子、半導体微粒子、Ｃ６０、Ｃ７０等のフラーレン分子、カーボンナノチューブがこれに該当する。有機低分子、あるいは有機高分子であっても電子の波動関数の大きさが１０ｎｍ以下に限定されているものもこれに該当するが、電子注入によりその構造が電子放出時に元に戻れないような壊れ方をするものはクーロンブロッケードではない。電子の波動関数の大きさが１０ｎｍ以下に限定されるような量子井戸構造を持つことが必要である。
【００２６】
屈折率がフェルミレベル、あるいはＨＯＭＯのエネルギー準位の特性に強く依存するので、このように大きくエネルギー準位が変化する構造では、屈折率も大きく変化する。
【００２７】
図１は、クーロンブロッケード現象におけるトンネル電流の発生を説明するためのグラフ図である。  
すなわち、「クーロンブロッケード現象」とは、ナノメートルオーダーの微小なアイランドとその周りを囲む電子がトンネリングでき得るバリアとで構成され、電子がトンネリングでアイランドに注入されると静電エネルギーによりその電子数の増減でエネルギー準位が大きく変化し、その結果としてトンネル電流が制限される現象である。トンネル電流が最低１箇所あれば、他の部分はトンネル電流が起こりえない厚さのバリアでも良い。
【００２８】
ただ、クーロンブロッケード現象において本発明に必要なことは、電子注入時の電子エネルギー準位の大きな変化であるので、バリアが厚くトンネル電流が流れない構造であっても、電子銃のように電場印加による強制的な電子注入ができればよい。これはトンネル電流でなくともバリア準位を超えて電子を注入することを意味する。ただし、アイランドはトンネル接合で囲まれた場合にクーロンブロッケードが起こり得る構造でなくてはならない。従って、これを屈折率変化させるメカニズムとして適用すればよい。１個目の電子注入後、２個目の電子を注入しようとした場合、１ボルト以上の印加電圧変化を起こさなければならない場合もあり、それは１ｅＶ以上のエネルギー準位の変化が起きていることを示している。
【００２９】
クーロンブロッケードを起こすための必要条件は、エネルギー準位の状態密度が離散化した井戸型ポテンシャル型電子保存部分とその周辺部に障壁ポテンシャル型電気的絶縁部が存在し、その電気絶縁部を電子がトンネル効果により電子注入する時のトンネル接合容量Ｃｊ、使用温度をＴ、ボルツマン定数をｋ、電子の電荷をｅ、とすると、次式を満たすことである。
ｋＴ＜ｅ２／２Ｃｊ
次に、トンネル抵抗をＲＴ、プランク定数をｈ、とすると、次式を満たすことも必要となる（コロナ社、「単一電子トンネリング概論」、春山純志  著）。
ＲＴ＞ｈ／ｅ２
トンネル接合容量を小さくするには、ナノクラスターのようにクーロンブロッケード部のサイズを小さくすると良い。クーロンブロッケード現象を観測するためには、温度のファクターが重要であり、環境温度による熱励起で電子の注入・排出が起こらないようにする必要があり、前者の条件はこれに相当する。この条件を満たし、電子注入部から電子を注入すると、クーロンブロッケード現象を生じ、そこに光注入部から光を照射しクーロンブロッケード部からの反射光、透過光、その他を光出射部で受光することによって複素屈折率変化を感受することができる。
【００３０】
クーロンブロッケードによる屈折率変化を微視的に表現すれば、次のようにも言える。複素屈折率は最外殻電子雲（最上位エネルギー準位）の電場特性によって決定される。また、ナノ粒子はバンドが離散化しているため、電子の注入により、これまで最外殻に相当する電子雲の外側に新たに電子雲が形成され、その結果、複素屈折率が変化する。内殻の電子雲は遮蔽されるため、その屈折率特性の効果は小さくなる。従って、吸収がない領域においても、屈折率実部の変化が大きくなる。この効果は光・電子機能素子にとっては非常に大きい。バルクでは電子を過剰に注入した場合、金属のような特性を持ち、プラズモン吸収が起こる。しかし、このようなナノメーター程度の場合電子を注入しても、バリアにより金属伝導が起こらず、プラズモン吸収が起こらない。また、エネルギー準位が離散的になり、状態密度のエネルギー幅も狭くなるため、非共鳴領域の波長帯が増え、都合が良い。
【００３１】
エネルギー準位の変化量についてはSaitohらがJpn. J. Appl. Phys. 40B (2001) p2010 で例を示している。
【００３２】
これに似た素子構造としては、ナノ粒子の３次の非線形光学特性に依存した屈折率変化が良く知られているが、これは屈折率変化率が小さく、また、その変化率は光入射強度に依存するため、強パワー密度の入射がかかせない。これに対して、クーロンブロッケードによる屈折率変化は強度には依存しないため、極端に言えば１光子の入射でも同様に屈折率を大きく変化させることができる。これを利用した単一電子メモリの構造を適用すれば、電極への電場印加を中止しても変化した複素屈折率は維持されることになる。
【００３３】
次に、複素屈折率を大きく変化させる構造としては、半導体のドーピングやｐ−ｎ接合、ＭＩＳ（Metal-Insulator-Semiconductor）構造における電子密度の変化によって屈折率が変化することが知られている。例えば、チェコ共和国、Masaryk UniversityのHumlicekらは、波長３０μｍ近傍で電子密度の変化により、ｎが０．５程度、ｋが７．５程度変化すると報告されている（Appl. Phys. Lett. 69 (1996) p2581）。
【００３４】
しかし、半導体レーザの発振波長はほとんどが可視、近赤外であり、また、通信基幹系は、石英ガラスファイバーの高透過率波長である１．５５μｍ帯、１．３μｍ帯が使われ、また、加入者領域ではプラスティックファイバーの透明領域である６５０ｎｍ帯が使われる予定である。また、光ディスクを考えた場合、ＣＤ（compact disc）は７８０ｎｍ、ＤＶＤ（digital versatile disc）は６５０ｎｍ、次世代ＤＶＤは４０５ｎｍと可視領域であり、ピックアップ系の集積化という応用を目指す場合は、この波長での屈折率高変化率材料が有用となる。従って、Humlicekらの構造による遠赤外線領域での屈折率変化では有用性が低い。
【００３５】
電子が低振動数（遠赤外波長領域）での追随しか得られない理由としては、ドーピングにより電子移動度が遅くなっていることが考えられる。従って、何らかの手法により移動度を速くすれば良い。そこで、図２（ｂ）に表したような一般的なＭＩＳ構造ではなく、同図（ａ）に表したように、絶縁体と半導体の間に電子移動度の高い真性半導体（高純度半導体）を配置すれば良い。また、電子供給量は多い方が有効であるので、電子の供給源として高ドープ半導体を用いることが望ましい。高ドープ半導体域の不純物濃度は、１０１８／ｃｍ３以上が良く、１０１９／ｃｍ３以上あるとなお良い。
【００３６】
真性半導体層の屈折率の変化度合いは、そのキャリア濃度によって決定される。従って、電圧が印加されていない状態のキャリア濃度は、少ないほうが望ましい。ただし、真性キャリア濃度よりも低くするのは困難であるため、不純物濃度をこれ以下に下げてもキャリア濃度を低下させる効果は期待できない。しかし、移動度、すなわち短波長における追随性という観点からは、不純物は少なければ少ないほど移動度が高くなるために有利となる。つまり、真性半導体域の不純物濃度は、少なければ少ないほど良い。
【００３７】
真性半導体の場合、例えば、室温での真性シリコン（Ｓｉ）のキャリア濃度は１．５×１０１０／ｃｍ３であり、室温での真性ＧａＡｓのキャリア濃度は１．８×１０６／ｃｍ３である。また、７７Ｋにおいては、真性Ｓｉのキャリア濃度は５×１０−２０／ｃｍ３であり、真性ＧａＡｓのキャリア濃度は５×１０−３０／ｃｍ３程度である。従って、これらの濃度と同程度またそれ以下の不純物濃度にするとよい。この高純度半導体の電子移動度を速くするメカニズムはＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）で使用されている。
【００３８】
この構造により、金属−高ドープ半導体間に電圧を印加し、高純度半導体に電子を注入・排出し、複素屈折率を変化させる。例えば、高純度半導体層の移動度が高ドープ半導体よりも２桁速ければ、屈折率変化する周波数領域も２桁速くなることが期待できる。すなわち波長領域が２桁短波長化すると期待できることになる。低温化すると格子振動による散乱が少なくなるので、より効果が高くなる。高純度半導体層は単に高移動度特性を持つ他の半導体を用いても良いし、高移動度半導体の真性半導体を用いるとなお良い。
【００３９】
この構造により、有用な可視、近赤外波長領域において、複素屈折率が大きく変化する構造を提供できる。
【００４０】
次に、屈折率変化を大きくできる構造を用いて、有効な平面導波路型光配線基板を作製することができる。光基板中の屈折率変化を起こす１つ１つのセルが個別に大きく屈折率を変化させることができると、位置微調性ができ、グレーデッドインデックス型の導波路を形成できる有意性をもつことができる。セルの大きさは光導波路の形成に必要な位置精度以下にする必要があり、フォトニック結晶を用いる場合は前に記した様に使用波長の２０分の１以下にする必要がある。さらに１つのセルの屈折率変化が連続的に起こるとグレーデッドインデックスが精度良く形成される。また、１つのセルが連続的に変化しなくとも、例えばフォトニック格子点を形成する多数のセルがそれぞれ離散的な屈折率を取る場合でも、格子点内のセルが異なる屈折率の分布をなだらかにとるようにすれば実質的に連続的な屈折率変化を形成することができる。
【００４１】
屈折率変化を実質的に連続的にかつ大きく起こすことができる固体の構造・材料としては、前述したクーロンブロッケード材料、真性半導体を加えたＭＩＳ構造、アクチュエータ等を使用したＭＥＭＳ（Micro-Electro-Mechanical Systems）、高分子液晶がある。液晶は、高分子液晶以外では微細加工セルを作製できない。ＭＥＭＳとは、マイクロ成形技術を用いてシリコン基板上に機械要素、センサー、アクチュエータなどと、エレクトロニクス素子と、を集積したものである。従って、ＭＥＭＳの部品を周期的に配置し、その部品を移動させることによって、フォトニック結晶による導波路回路形成すると良い。このことによって、近年要望されているシステムＬＳＩのような少量多品種生産にも適応できる。すなわち、コストを下げるため光配線基板を大量生産しても、製品は個々のユーザーに即して個別に適応できるのである。
【００４２】
図３は、光配線を用いたコンピュータのボードの構成を例示する概念図である。  
すなわち、同図（ａ）に表した構成の場合、電極と屈折率変化する材料とが一体化した基板部３１と、制御装置３６とが接続されている。制御装置３６は、基板部３１の電極を介して屈折率変化材料に電場を印加したり加熱することにより、屈折率の変化を生じさせる。また、屈折率変化セルがメモリー性を有している場合は、図３（ｂ）に表したように、電極加熱制御装置３６や光照射部品を配置した基板３３と屈折率が変化する基板３２とがはずせるようにし、導波路回路を作製、変更するときのみ装着できるようにするものでも良い。
【００４３】
ここで、屈折率が変化する材料基板３１、３２では、導波する光の波長領域であらかじめフォトニックバンドギャップが形成させる屈折率周期配列をとっておくことも有効である。フォトニックバンドギャップとは光が存在しえない状態のことで、光（フォトン）の周りがフォトニックバンドギャップの状態でかつ吸収体がない場合は光はどこへも進めず、止ったまま存在しつづけることになる。また、例えばある方向にのみフォトニックバンドギャップを破る状態があればそちら方向には光は導波することができる。ある方向にのみフォトニックバンドギャップを破る方法はその方向の周期構造を変えることによって（不純物準位）光が導波することが知られている。
【００４４】
電極等が配列した基板回路、屈折率が変化する材料基板、あるいは双方が一体化したものであっても大量生産が可能であるので、大量生産によるコスト削減が図れる。
【００４５】
また、位置調整するためには屈折率変化が可逆的に変化できることが必要である。精度の高い位置調整が必要としない場合は一度の屈折率変化できるものでも良い。
【００４６】
このような構成により電場印加、電荷注入、加熱、光照射、等で特定の部分の屈折率の変化が起こるようにでき、注文のあった商品ごとに導波路回路を作製したり、ユーザーが自ら作製できることが重要となる。
【００４７】
屈折率を可逆的に変化可能な導波路回路としては、以下の３つを挙げることができる。
【００４８】
図４は、導波路回路の第１の具体例を表す模式図である。  
すなわち、導波路をチューナブルに形成できる光インターコネクションボード４１を作製する。これは量産品となりうる。。ボード４１は、多くのサブミクロンのセルから構成されており、電場（あるいは光）によって屈折率を変化させチューニングできる導波路４２を形成する。これがフォトニック結晶導波路である。そして、ボード４１の上に、発光・受光素子付きＬＳＩチップ４３を載せる。そして、導波路４２を作製する。導波路４２は、チューニングできるので、発光・受光素子４３と導波路４２との位置調整を確実且つ容易に行うことができる。
【００４９】
図５は、導波路回路の第２の具体例を表す模式図である。  
すなわち、インターコネクションボード５１の上にメインの導波路５２を作製しておき、ＬＳＩチップ５３の発光・受光素子とのコネクト部分のみを図４に関して前述したような屈折率チューニングセル５４で構成する。  
この導波路回路の場合、発光・受光素子付きＬＳＩチップ５３をボード５１の上に載せて、その発光・受光素子と結合させる導波路のみをチューナブル導波路５４によりチューニングして結合させる。チューナブル導波路５４の透過特性が低い場合は、図４に例示したものよりも、図５に表した構造のほうが有望である。一般的な導波路５２は、曲げ半径が大きくならざるを得ないので曲がり部分にはフォトニック結晶を用いることが望ましい。
【００５０】
図６は、導波路回路の第３の具体例を表す模式図である。  
すなわち、発光・受光素子６３、導波路６２をインターコネクションボード６１の上に一体化させて作りこむ。そして、発光・受光素子６３の端子とＬＳＩ６４の端子をボンディングする。
【００５１】
以上説明した３つのタイプの光導波路回路を実現するために重要なポイントは、屈折率を可逆的に変化できる材料を提供することにある。以下、実施例を参照しつつ、この点についてさらに詳細に説明する。
【実施例１】
【００５２】
まず、本発明の第１の実施例として、可視光近傍の屈折率に関係のある電子分極率テンソルが、ナノ粒子へ電子１個を注入した時にどのように変化するかをシミュレーションした実施例について説明する。分極率は、配向による分極率、振動による分極率、電子励起に関する分極率に分類でき、それぞれ関係する光（電磁波）の波長帯はラジオ波・ミリ波、中・遠赤外線、近赤外線・可視・紫外光である。今回のシミュレーションは電子励起に関するものであるので、近赤外線・可視・紫外光領域で、共鳴効果を含まない、すなわち吸収しない波長領域での分極率に対応するものである。
【００５３】
その例を以下に示す。  
まず屈折率と分極率との関係はローレンツ−ローレンスの式で表わされる。
【数１】
2005156922.tif 000003
ここで、ｎ：屈折率、Ｍ：モル質量、ρ：密度、ＮＡ：アボガドロ数、α：分極率である。
【００５４】
まず、Ｓｉ１０Ｈ１６、Ｓｉ１０Ｈ１６＋ｅのpolarizability変化の計算結果について説明する。
【００５５】
計算条件は、以下の如くである。
Ｂ３ＬＹＰ  hybrid functionalを用いたspin polarized  ＤＦＴ
Ｂａｓｉｓ  ｓｅｔ：  ＣＥＰ−３１Ｇ
最小エネルギー構造の確認：harmonic vibrational frequency analysis（電子注入ごとに構造を最適化している）
図７は、Ｓｉ１０Ｈ１６  のエネルギー最小構造を表す模式図である。同図において、７１は水素原子であり、７２はシリコン原子を表す。系全体のエネルギーＥ及び分極率Ｐは、それぞれ以下の通りである。
E=-48.1834515651 au  (1au=27.2116 eV)
【数２】
2005156922.tif 000004
Mean polarizability = 1/3(xx + yy + zz) = 268.0 au
ＬＵＭＯ    −０．０１６３０
ＨＯＭＯ    −０．２７５６５
Ｓｉ１０Ｈ１６＋ｅ−の場合は、以下の如くである。
【００５６】
E=-48.1908485619
【数３】
2005156922.tif 000005
mean polarizability = 303.8 au
ＬＵＭＯ      ０．０９８５０
ＨＯＭＯ    −０．００５５９  
すなわち、電子が１個入ることより、エネルギー的に安定したことが分かる。  
平均分極率、その変化率、屈折率（概算）、その変化率は以下の如くであった。
【００５７】
【表１】
2005156922.tif 000006
ちなみに、バルクのＳｉの非吸収領域の屈折率は約３．５程度であり、計算結果と大きい差は見られない。この時、密度は一定（バルクのＳｉの値を使用）と仮定し、モル質量は簡便化のためＳｉ１０とした。上表をみると、変化率は非常に大きいことが分かる。電子２個の注入ではmean polarizabilityは更に大きく変化する傾向にあった。
【００５８】
エネルギー的には電子１個注入した方がやや安定しており、クーロンブロッケード現象が起こることを示している。ここで、周りは真空状態（真空準位）を仮定しているので、接合容量は非常に小さく、静電エネルギーは室温でのｋＢＴより大きいことになっている。
【００５９】
また、次にＨｆ４Ｓｉ４Ｏ１２Ｈ８で同様なことを行った。
【００６０】
図８は、Ｈｆ４Ｓｉ４Ｏ１２Ｈ８のエネルギー最小構造を表す模式図である。同図で、８１は水素原子であり、８２はシリコン原子であり、８３は酸素原子をそれぞれ表す。
【００６１】
E = -408.582554343 au
【数４】
2005156922.tif 000007
mean polarizability = 248.9 au
ＬＵＭＯ      −０．０４３４９
ＨＯＭＯ      −０．２９８５９
一方、Ｈｆ４Ｓｉ４Ｏ１２Ｈ８＋ｅ−については、以下の如くであった。
【００６２】
E = -408.606974089 au                                              
mean polarizability = 315.7 au
【数５】
2005156922.tif 000008
ＬＵＭＯ        ０．０６９４４
ＨＯＭＯ      −０．００７８１
平均分極率、その変化率、屈折率（概算）、その変化率は以下の如くであった。
【００６３】
【表２】
2005156922.tif 000009
この場合、分極率、屈折率の変化率はＳｉ１０よりも大きかった。Ｈｆは周期律表の第６周期元素であり、第３周期元素よりも最外殻電子雲が大きいことから、電子注入による屈折率効果が大きくなる。
【００６４】
図９は、本発明者が実施した検証実験の方法を表す模式図である。同図において、９１はプローブを表し、９２は金属コートを表し、９３は酸化膜を表し、９４はＳｉウェーハ基板を表し、９５はシリコンナノ粒子を表し、９６は電子を表す。  
すなわち、Ｓｉウェーハ基板９４の表面を酸化して２００ｎｍの厚みの酸化膜９３を形成し、さらにＣＶＤで希薄にポリシリコンを堆積した。さらにこれを酸化することによって、各種サイズのＳｉナノ結晶９５が作製された。この中からＡＦＭ（Atomic Force Microscope）でＮＳＯＭ（Near-field Scanning Optical Microscopy）の空間分解能である約３０ｎｍ角の領域中Ｓｉ１０ナノ結晶９５が１個存在する領域を探索し、その領域を局所照明−コレクションモードのＮＳＯＭを用い、Ｓｉ１０ナノ粒子９５の反射率測定、反射率測定を行い屈折率変化を算出した。この時、電子注入方法は、ＮＳＯＭのチップ表面のコート金属９２とＳｉウェーハ９４との間に電場を印加し、ＮＳＯＭチップ９１のコート金属９２から電子９６を注入した。この反射率変化は、ＳｉＯ２とＳｉ１０双方の変化率を含むものであるが、体積比を算出し、Ｓｉ１０ナノ粒子９５の屈折率変化を見積もった結果、２．１と算出された。Ｓｉ１０ナノ粒子９５の屈折率を３．５とすると、その変化率は６０％となるので上記計算はほぼ正しいことが証明された。
【実施例２】
【００６５】
次に、本発明の第２の実施例として、Ｓｉ１０ナノ粒子を用いた屈折率変化セルを作成した。  
図１０は、本実施例において作成した試料を表す模式図である。同図において、１０１はカバーＳｉＯ２層を表し、１０２はゲートＩＴＯ電極を表し、１０３はトンネリング中間ＳｉＯ２層を表し、１０４はＳｉ１０ナノ粒子を表し、１０５はドレイン電極を表し、１０６はバリアＳｉＯ２層を表し、１０７はアースを表し、１０８はソース電極を表す。
【００６６】
また、図１１は、この試料を用いた測定系を表す模式図である。同図において、１１１はレーザ光を表し、１１２は試料系を表し、１１３はスクリーンを表す。
【００６７】
すなわち、図１０に表したように、バリアＳｉＯ２層１０６の上にＳｉ１０ナノ微粒子１０４の粒径を約１ｎｍを積層し、Ｓｉ１０ナノ微粒子表面には厚み１ｎｍ程度の酸化膜がつくように酸化した。Ｓｉ１０ナノ微粒子１０４をドレイン電極１０５とソース電極１０８ではさみ、バリアＳｉＯ２層１０６の層厚を６ｎｍ、トンネリング用ＳｉＯ２層１０３の層厚を３ｎｍとした。これを２０周期積層した。
【００６８】
そして、図１１に表したように、波長４１３ｎｍのレーザ光１１１の一部を試料へ顕微鏡の対物レンズを用いて集光し、他方を干渉のための参照光として用いた。ソース−ドレイン間に２００ｍＶの電圧を印加し、流れる電流値を確認してクーロンブロッケード現象を確認しながらゲート電極に加える電圧を徐々に増加した。その結果、クーロンブロッケード現象が起こりだすと同時に干渉縞が動き出し、屈折率が変化していくことが確認された。この現象はゲート、ソース、ドレインのあるトランジスタ構造ではなく、ソース、ドレインのない単一電子メモリ構造でも観測された。
【実施例３】
【００６９】
次に、本発明の第３の実施例として、多段型の試料を作成した結果について説明する。すなわち、クーロンブロッケード現象は、単一接合ではなく、多段にしても起こることが「クーロン階段」という現象で証明されている。
【００７０】
図１２は、１つのセルを表す模式断面図である。同図において、１２１はカバー電極を表し、１２２はＩＴＯ電極を表し、１２３はトンネリングバリア層を表し、１２４はＳｉ１０ナノ粒子を表し、１２５は絶縁ＳｉＯ２を表し、１２６はＳｉＯ２基板を表す。  
また、図１３は、試料の全体構成を表す模式図である。同図において、１３１はカバー層を表し、１３２はＹ電極を表し、１３３はトンネル絶縁層を表し、１３４はＳｉ１０含有層を表し、１３５はＸ電極を表し、１３６は基板を表す。
【００７１】
図１２に表した構造を１つのセルとみなすと、セルの平面サイズを４０ｎｍ角とした。Ｓｉ１０ナノ微粒子１２４の粒径は、約１ｎｍとした。微粒子１２４の間隔はトンネリングできる程度である。ＳｉＯ２トンネリングバリア層１２３の厚みは３ｎｍとした。電極１３２、１３５は、液晶の単純マトリックスセル構造と同じように配置した。特定の位置で電子を注入する場合、タイミングをあわせて、特定のＸ電極１３５のプラスの電圧、特定のＹ電極１３２にマイナスの電圧を印加する。電子注入しないセルに関係する電極はアースしておく。このナノ粒子１２４への電子注入の電圧には閾（しきい）値があるため、Ｘ、Ｙ両電極間の電圧差が閾値以上にならなければ電子注入がおこらず、隣接するセルのナノ粒子には電子は注入されにくい。Ｘ、Ｙ両電極１３２、１３５は、制御用電源ユニット１３７とコンピュータ１３８に接続する。単純マトリクス構造の代わりに、液晶のＴＦＴセル構造としてもよい。
【００７２】
このセルが正方格子状になるようにし、１００ｍｍ角の基板を作製した。各セルの電極に０〜プラスマイナス１００Ｖの高周波を印加してナノ粒子１２４に電子を注入し、屈折率を変化させ、図１４に表したように格子点を形成した。図１４において、１４１は低屈折率セルを表し、１４２は電子注入高屈折率セルを表し、１４３はフォトニック結晶格子点を表す。高周波を印加した理由は、トランジスタ構造ではないため、電圧を特定せず電子注入するためである。メモリ性があるため、電子が注入されれば、保持される。１つの格子点１４３のサイズは直径約２００ｎｍの擬似円柱とした。この格子点１４３を図１４に表したように、稠密配列となるようにならべた。この時、波長８００ｎｍの光は入射できないフォトニックバンドギャップ状態であった。なお、格子点１４３の配列は、図１４に表したような２次元稠密配列には限定されず、例えば、正方格子状などの配列としてもよい。
【００７３】
次に、図１５に表したように、導波路に相当する部分には、全て電子注入で高屈折率化したセルで覆い尽くした。図１５において、１５１はフォトニックバンドギャップ状態のセルを表し、不純物状態のセルを表す。この状態で、８００ｎｍのレーザ光Ｌを入射したところ、その光軸上に配置された検出器Ｂでは光は検出されずに、検出器Ｃで検出された。
【００７４】
次に、同様な基板をもう一つ作製し、基板全てに電子注入をせずにレーザ光Ｌを図１５の位置から入射した場合、散乱光もあり、光量の９５％が検出器Ｂで検出された。次に、フォトニックバンドギャップを構成せず、図１５の導波路部分にのみ電子注入して屈折率を上げた。その結果、検出器Ｃで入射光の８０％を超える光量が検出された。以上の結果から、フォトニック結晶導波路を形成せず、通常の屈折率導波路も形成できることが分かる。そして、本実施例の素子は、屈折率分布を変化することが可能なプログラマブル効果を持っている。
【実施例４】
【００７５】
次に、本発明の第４の実施例として、Ｃ６０フラーレンを用いた実験の結果について説明する。すなわち、Ｃ６０フラーレンもクーロンブロッケードを起こすことが知られている（例えばD. Porath and O. Millo, J. Appl. Phys. 81 (1997) p2241）。
【００７６】
図１６は、本実施例において実施した実験を説明するための模式図である。同図において、１６０は透過光を表し、１６１はプローブを表し、１６２は金属コートを表し、１６３はＰＭＭＡを表し、１６４はガラス基板を表し、１６５はＣ６０を表し、１６６は電子を表し、１６７はＩＴＯ（indium tin oxide）を表し、１６８は顕微鏡対物レンズを表し、１６９は照明レーザ光を表す。
【００７７】
すなわち、ＩＴＯ１６７が形成されたガラス基板１６４の上にＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル；Polymethyl methacrylate））１６３を厚さ約５００ｎｍ程度にスピンコートし、その上にＣ６０  １６５をばら撒いた。これを１００℃まで昇温し、５分維持した後、常温まで降温した。この結果、Ｃ６０１６５はＰＭＭＡ１６３に密着し、浮揚しなくなった。この状態でコレクションモードのＮＳＯＭ（近接場光学顕微鏡）で観察した。
【００７８】
照明光１６９は、顕微鏡対物レンズ１６８を用いてプローブ側から照射した。屈折率が変化するとナノ粒子１６５の界面での反射率が変化するため、プローブ１６１で集める反射光の光量が変化する。ＮＳＯＭの空間分解能は約３０ｎｍである。Ｃ６０１６５は直径約０．７ｎｍである。従って、単一のＣ６０１６５は観察できないが、密集したものは観察できる。電荷注入されたＣ６０１６５はクーロンブロッケード効果により、電子注入はストップし、プローブ１６１の近傍にある他のＣ６０１６５に電子注入が起こる。従って、プローブ１６１の近傍のＣ６０１６５は均一に電子が注入されることになる。ＮＳＯＭプローブ１６１とＩＴＯ電極１６７と間に周波数１ｋＨｚ、電圧０〜マイナス１０Ｖの高周波電圧を印加しながら観察した。３０ｎｍ以上の範囲にわたってＣ６０１６５が密集している場合は屈折率変化によりプローブ１６１へ反射する光の光量が変化することがわかった。
【００７９】
また、櫛型電極を組み、ＬｉＮｂＯ３を堆積して電極間に１０７Ｖ／ｍ程度の電場を印加して起こるポッケルス効果による屈折率変化と比較した。その結果、光路長が短く、詳細な値は取得できなかったが反射光変化率はＣ６０の方が１桁以上大きいことが分かった。
【実施例５】
【００８０】
次に、本発明の第５実施例として、コバルト（Ｃｏ）ナノ粒子を用いた結果について説明する。  
図１７は、本実施例において実施した実験を説明するための模式図である。同図において、１７１はプローブを表し、１７２は金属コートを表し、１７３はＳｉＯ２を表し、１７４はガラス基板を表し、１７５はＣｏナノ粒子を表し、１７６は電子を表し、１７７はＩＴＯを表す。
【００８１】
すなわち、ＩＴＯ１７７がコートされたガラス１７４の上にＳｉＯ２１７３とコバルト（Ｃｏ）を同時スパッタした。ＴＥＭで調べたところ、この時のＳｉＯ２１７３の膜厚は８ｎｍでその中にＣｏナノ粒子１７５が直径約１．４ｎｍに形成されていた。これらＣｏナノ粒子１７５は緊密に存在していた。
【００８２】
第４実施例と同様に屈折率の変化を測定できるようにし、プローブ１７１のコーティング金属１７２に電圧を印加し、電荷を注入した。この時の電圧はプラス２０Ｖとマイナス２０Ｖとを別々に１ＫＨｚの高周波を約１００ｍｓ印加した。電圧印加を止めてからは電荷が抜けるため、屈折率が指数関数的に徐々に元に戻ることが観測された。プラス２０Ｖ印加した場合の時定数は約９分、マイナス２０Ｖ印加した場合は約３分であった。このように、屈折率変化をある一時的に変化させることができる。Ｃｏナノ粒子１７５の粒径を大きくするとまた、温度を上げると時定数が短くなる傾向が見られた。また、電圧の正負を逆転させても注入電荷が抜けるため、屈折率は元に戻ることが確認できた。
【実施例６】
【００８３】
次に、本発明の第６の実施例として、移動度の高いＧａＡｓを用いた結果について説明する。  
図１８は、本実施例において作成した素子の断面構造を表す模式図である。  
すなわち、ＧａＡｓ基板１８１上にＳｉを１×１０１９／ｃｍ３ドープしたＧａＡｓ１８２をＭＢＥ（分子線エピタキシー）法で堆積し（５００ｎｍ）、その上に真性高純度ＧａＡｓ１８３を３０ｎｍ堆積した。さらにＳｉＯ２（５０ｎｍ）１８４、ＩＴＯ電極（２００ｎｍ）１８５を形成した。
【００８４】
真性高純度ＧａＡｓのキャリア濃度は、室温で１．８×１０６／ｃｍ３であり、７７Ｋで５×１０−３０／ｃｍ３であった。これらは、高ドープ半導体層から電子が移動していない状態での値である。なお、ゲート電極に電圧を印加して、高ドープ半導体層１８２から真性半導体層１８３にキャリアが移動すると、真性半導体層１８３のキャリア濃度は、１０１９／ｃｍ３程度となる。
【００８５】
このようにして作成したサンプルの基板をアースし、ゲート電極に８Ｖ印加し、波長３μｍで光照射部と光ディテクタ部を伴うエリプソメータで屈折率測定を行った。その結果、ゲートに電圧を加えたことによって屈折率ｎが３．３から３．５に上昇し、約７％の変化をもたらした。高純度半導体が無い構造を用いて同様な測定を行ったが、その時はほとんど変化が見られなかった。
【実施例７】
【００８６】
次に、本発明の第７の実施例として、ＧａＡｓを用いて導波路可変型の基板を作成した結果について説明する。
【００８７】
図１９は、本実施例において作成した素子の断面構造を表す模式図である。
【００８８】
また、図２０は、導波路可変型の基板を用いた実験の方法を表す模式図である。 
すなわち、ＧａＡｓ基板１９１の上にＳｉを１×１０１９／ｃｍ３ドープしたＧａＡｓ１９２をＭＯＣＶＤで堆積し（５００ｎｍ）、その上に真性高純度ＧａＡｓ１９３を堆積（１００ｎｍ）した。さらにＳｉＯ２（１００ｎｍ）１９４、Ａｌ電極（１００ｎｍ）１９５を形成した。
【００８９】
これをエッチングによってＧａＡｓ基板１９１まで、図２０の挿入図のような形状（正六角形）に分離した。隣り合った最近接セルの間隔は０．０６μｍとした。その後それぞれのセルのＡｌ電極１９５にワイヤーボンディングを行い、セルごとに電圧を印加できるようにした。この状態では、面内方向にはフォトニックバンドギャップ状態である。図２０において下側から波長１．５μｍレーザ光Ｌを照射したが、反対側に設けられた光検出器では検出できなかった。そこで、図２０に表した導波路２０１の部分のＡｌ電極にプラス５Ｖの電圧を印加した。その結果、光検出器Ｃで光が検出された。光検出器Ａ及び光検出器Ｂでは検出されなかった。
【実施例８】
【００９０】
次に、本発明の第８の実施例として、ＭＥＭＳを用いた光制御素子について説明する。  図２１は、本実施例の光制御素子を表す模式図である。
【００９１】
すなわち、直径２０ｎｍの角柱状のアクチュエータ２１１の上に直径２０ｎｍ、厚み０．２μｍのＳｉロッド２１２を装着した。そして、同図に点線で表したように、これを約４０ｎｍ間隔で稠密三角格子状に並べた。次にこれを約２５個のアクチュエータ単位で導波層となるＳｉＯ２板２１３内へ移動させて一つの格子点（直径約２００ｎｍの円筒状）を形成し、さらにそれが格子間隔４００ｎｍとなるようにフォトニック結晶を構成した。これは波長１．５μｍでフォトニックバンドギャップになる状態の二次元のフォトニック結晶である。光は入射できない。しかしアクチュエータ２１１でＳｉロッド２１２の位置を稼動させてＳｉＯ２板２１３から引き抜いた部分だけは光が入射することが確認できた。
【実施例９】
【００９２】
次に、本発明の第９の実施例として、高分子液晶を用いた結果について説明する。  
図２２は、本実施例において形成した導波路可変基板を表す模式図である。すなわち、同図（ａ）は、本実施例において作成した導波路可変型の基板を用いた実験の方法を表す模式図であり、同図（ｂ）は、その一部１３１を拡大して表した模式図である。 
本実施例においては、以下の化学式により表される高分子液晶を用いた。厚み１．５μｍのシート状に加工した。
【００９３】
【化１】
2005156922.tif 000010
この高分子液晶の屈折率異方性Δｎは、０．１６である。
【００９４】
この高分子液晶を用いて厚み１．５μｍのシート状に加工した。そして、シートの上面と下面には、格子状に独立した２０ｎｍ角の電極を並べて、図２２に表したような導波路可変方の基板を形成した。
【００９５】
液晶は、屈折率異方性が大きいため屈折率変化が大きく有効な材料であるが、通常の液状の液晶は、セル作製上の制約が多い。しかし、高分子液晶であれば、その制約は少ない。
【００９６】
図２２（ａ）に表したように、矢印の方向から１．５μｍのレーザ光Ｌを入射した。レーザ光Ｌの偏光は紙面と垂直方向である。液晶に電場を印加していない場合は、光検出器Ｂでレーザ光Ｌを検出できた。次に、図２２（ａ）に表した導波路ＷＧの部分に電圧を印加し、液晶を配向させると光検出器Ａでレーザ光が検出され、電場印加中止後は再び光検出器Ｂで検出された。
【００９７】
図２３は、フォトニックバンドに不純物準位が形成された状態を表すエネルギーダイアグラムである。同図に表したように、フォトニックバンドギャップ中に不純物準位が形成された場合、不純物準位とエネルギーが完全に一致する波長の光では群速度は小さくなる。少しずれた場合は、それよりも群速度は大きくなる。導波路や光ファイバーの場合、ステップインデックス型の屈折率分布よりグレーデッドインデックス型の方が高速通信・伝送が可能なことが知られている。パルス光に情報を載せる導波路で、フォトニック結晶のように屈折率（Ｃ／位相速度：ここで、Ｃは真空中での光速である）と群屈折率（Ｃ／群速度；グループインデックス）が異なる場合、群屈折率の分布の方が情報通信速度への影響が大きい。従って、図２２（ｂ）に表したようにフォトニックバンドギャップ中の不純物準位のエネルギーを導波路の位置によって制御すると、フォトニック結晶導波路においても群屈折率の勾配型化が可能になる。不純物準位のエネルギーを変化させるためには、その格子点の大きさや格子点を形成する材料の屈折率を少し変化させてやると良い。このようなグレーデッドグループインデックス型とステップグループインデックス型とを形成し、５０ｆｓｅｃ（フェムト秒）のパルスを入射し、検出器Ａでパルス幅を測定したところ、グレーデッドグループインデックス型の場合は５０ｆｓｅｃであったが、ステップグループインデックス型の導波路を形成した場合、６０ｆｓｅｃへと広がっていた。このように、格子点の屈折率やその大きさを微調性し、通信速度の最適化を行うことができる。
【００９８】
また、光の進行方向に垂直な方向の格子点単位の位置調整は、図２４に表したように、格子点位置を同じくして、その屈折率を変えれば良い。格子点単位以下の微調性は格子点位置を少しづつずらすことによって行うことができる。バンドギャップに幅があるため、多少の格子点位置ずれは許容できる。光の進行距離と横方向の格子点位置ずれの比はフォトニック結晶構造によって変わるが、この例では出力特性を見ながら最適化できる。また、グレーデッドグループインデックスを形成する屈折率の左右対称性の中心位置をずらすことによっても可能である。
【実施例１０】
【００９９】
次に、本発明の第１０の実施例として、Ｃ６０を用いた結果について説明する。  
図２５は、本実施例において形成した導波路構造を表す模式図である。同図において、２５１は銅薄板を表し、２５２はレーザ光を表し、２５３はＣ６０／ポリスチレンを表し、２５４はＩＴＯ電極を表し、２５５はガラス基板を表す。
【０１００】
ポリスチレン中にＣ６０を含有させ、それをＩＴＯ２５４が形成されたガラス基板２５５の上に塗布した。ＩＴＯ２５４をアースし、ポリスチレンポリマー２５３上に幅５ｍｍ程度の銅線状の薄板２５１を密着させ、その銅薄板２５１にマイナス３５Ｖの電圧を印加したところ、銅薄板２５１の下の部分が導波路となり、ここを光を導波させることができた。本発明によれば、このように、極めて簡便に導波路を形成することも可能である。
【０１０１】
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。
【０１０２】
例えば、本発明において用いる屈折率可変素子の具体的な構造、形状、材料、サイズ、数や配置などに関しては、当業者が適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができるものも本発明の範囲に包含される。
【０１０３】
同様に、本発明において用いる光配線基板の具体的な構造、形状、材料、サイズ、数や配置などに関しては、当業者が適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができるものも本発明の範囲に包含される。
【０１０４】
その他、本発明の実施の形態として上述した屈折率可変素子、屈折率変化方法及び光配線基板を基にして、当業者が適宜設計変更して実施しうるすべての屈折率可変素子、屈折率変化方法及び光配線基板も同様に本発明の範囲に属する。
【図面の簡単な説明】
【０１０５】
【図１】クーロンブロッケード現象におけるトンネル電流の発生を説明するためのグラフ図である。
【図２】（ａ）は、 絶縁体と半導体の間に電子移動度の高い真性半導体（高純度半導体）を配置した積層体を表し、（ｂ）は、一般的なＭＩＳ構造を表す。
【図３】光配線を用いたコンピュータのボードの構成を例示する概念図である。
【図４】導波路回路の第１の具体例を表す模式図である。
【図５】導波路回路の第２の具体例を表す模式図である。
【図６】導波路回路の第３の具体例を表す模式図である。
【図７】Ｓｉ１０Ｈ１６  のエネルギー最小構造を表す模式図である。
【図８】Ｈｆ４Ｓｉ４Ｏ１２Ｈ８のエネルギー最小構造を表す模式図である。
【図９】本発明者が実施した検証実験の方法を表す模式図である。
【図１０】本発明の実施例において作成した試料を表す模式図である。
【図１１】本発明の実施例の試料を用いた測定系を表す模式図である。
【図１２】１つのセルを表す模式断面図である。
【図１３】試料の全体構成を表す模式図である。
【図１４】格子点を形成した状態を表す模式図である。
【図１５】導波路に相当する部分を、全て電子注入で高屈折率化したセルで覆い尽くした状態を表す模式図である。
【図１６】本発明の実施例において実施した実験を説明するための模式図である。
【図１７】本発明の実施例において実施した実験を説明するための模式図である。
【図１８】本発明の実施例において作成した素子の断面構造を表す模式図である。
【図１９】本発明の実施例において作成した素子の断面構造を表す模式図である。
【図２０】導波路可変型の基板を用いた実験の方法を表す模式図である。
【図２１】本発明の実施例の光制御素子を表す模式図である。
【図２２】本発明の実施例において形成した導波路可変基板を表す模式図であり、（ａ）は、本実施例において作成した導波路可変型の基板を用いた実験の方法を表す模式図であり、同図（ｂ）は、その一部１３１を拡大して表した模式図である。
【図２３】フォトニックバンドに不純物準位が形成された状態を表すエネルギーダイアグラムである。
【図２４】格子点位置を同じくして、その屈折率を変えた状態を表す模式図である。
【図２５】本発明の実施例において形成した導波路構造を表す模式図である。
【符号の説明】
【０１０６】
３１、３２、３３ 基板
３６ 電極加熱制御装置
４１ インターコネクションボード
４２ 導波路
４３ 受光素子
５１ インターコネクションボード
５２ 導波路
５３ チップ
５４ チューナブル導波路
６１ インターコネクションボード
６２ 導波路
６３ 受光素子
９１ チップ
９２ コート金属
９３ 酸化膜
９４ ウェーハ
９５ ナノ粒子
９６ 電子
１０３ ＳｉＯ２層
１０４ ナノ微粒子
１０５ ドレイン電極
１０６ ＳｉＯ２層
１０８ ソース電極
１１１ レーザ光
１２３ トンネリングバリア層
１２４ ナノ粒子
１２４ 微粒子
１３２、１３５ 電極
１３７ 制御用電源ユニット
１３８ コンピュータ
１４３ 格子点
１６１ プローブ
１６４ ガラス基板
１６５ ナノ粒子
１６７ 電極
１６８ 顕微鏡対物レンズ
１６９ 照明光
１７１ プローブ
１７２ コーティング金属
１７４ ガラス
１７５ ナノ粒子
１８１ 基板
１９１ 基板
１９５ 電極
２０１ 導波路
２１１ アクチュエータ
２１２ ロッド
２１３ 板
２５１ 銅薄板
２５３ ポリスチレンポリマー
２５５ ガラス基板
Ｌ レーザ光
ＷＧ 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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