(57)【要約】  【課題】  フォトニック結晶に形成することが可能なスイッチング素子を提供する。  【解決手段】  レーザ光の照射により屈折率が変化するInGaAsPから成るスラブ状の本体３１に空孔３２を周期的に配列する。空孔３２の配列周期を、領域３１１内ではa1とし、領域３１２及び３１３ではa1よりも大きいa2とする。また、空孔３２を線状に欠損させることにより導波路３３を設ける。導波路３３は空孔３２の周期に依存した波長帯の光を伝播させる。領域３１２及び３１３の導波路透過波長帯に含まれ、領域３１１の導波路透過波長帯に含まれない波長の光は導波路３３を伝播できない。しかし、このような波長の光であっても、領域３１１の導波路にレーザ光を照射して領域３１１の導波路透過波長帯をシフトさせることにより、導波路３３を伝播可能となる。従って、このフォトニック結晶はレーザ光のON/OFFにより導波路を流れる光がON/OFFされるスイッチ素子として機能する。【選択図】  図４
2005077710.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
a)第１周期を有する２次元フォトニック結晶から成る第１領域と、
b)第１領域に隣接して設けた２つの領域であって、第１周期とは異なる第２周期及び第３周期を有する２次元フォトニック結晶から成る第２領域及び第３領域と、
c)第２領域、第１領域、第３領域の順に通過する導波路と、
を備え、第１領域の導波路が特定波長の光を通過させるトンネル効果を有することを特徴とする２次元フォトニック結晶トンネル素子。
【請求項２】
a)第１周期を有する２次元フォトニック結晶から成る第１領域と、
b)第１領域を取り囲むように設けられ、第１周期とは異なる第２周期を有する２次元フォトニック結晶から成る第２領域と、
c)第２領域、第１領域、第２領域の順に通過する導波路と、
を備え、第１領域の導波路が特定波長の光を通過させるトンネル効果を有することを特徴とする２次元フォトニック結晶トンネル素子。
【請求項３】
a)第１周期を有する２次元フォトニック結晶から成る第１領域と、
b)第１領域に隣接して設けた２つの領域であって、第１周期とは異なる第２周期及び第３周期を有する２次元フォトニック結晶から成る第２領域及び第３領域と、
c)第２領域、第１領域、第３領域の順に通過する導波路であって、第１領域における導波路透過波長帯を外部より制御可能な導波路と、
を備えることを特徴とする２次元フォトニック結晶スイッチング素子。
【請求項４】
a)第１周期を有する２次元フォトニック結晶から成る第１領域と、
b)第１領域を取り囲むように設けられ、第１周期とは異なる第２周期を有する２次元フォトニック結晶から成る第２領域と、
c)第２領域、第１領域、第２領域の順に通過する導波路であって、第１領域における導波路透過波長帯を外部より制御可能な導波路と、
を備えることを特徴とする２次元フォトニック結晶スイッチング素子。
【請求項５】
第１周期が他の周期よりも小さいことを特徴とする請求項３又は４に記載の２次元フォトニック結晶スイッチング素子。
【請求項６】
前記第１領域の導波路の少なくとも一部が、外部からの作用により屈折率の制御が可能な材料から成ることを特徴とする請求項３〜５のいずれかに記載の２次元フォトニック結晶スイッチング素子。
【請求項７】
前記第１領域の導波路に、外部からの作用により屈折率の制御が可能な部材を載置したことを特徴とする請求項３〜５のいずれかに記載の２次元フォトニック結晶スイッチング素子。
【請求項８】
前記屈折率の制御が可能な材料が量子井戸のバンドフィリング効果を有する半導体材料から成ることを特徴とする請求項６又は７に記載の２次元フォトニック結晶スイッチング素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波長分割多重通信用波長分合波器等に用いられる２次元フォトニック結晶に関し、特に、該結晶上に設けられる、所定の波長帯の光を導波させる導波路に設定することができるトンネル素子及びスイッチング素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光学機能材料であるフォトニック結晶が注目されている。フォトニック結晶は、それが有する周期により光や電磁波のエネルギーに対してバンド構造が形成され、光や電磁波の伝播が不可能となるエネルギー領域(フォトニックバンドギャップ)が形成されるという特徴を有する。なお、本明細書において用いる「光」には、電磁波を含むものとする。
【０００３】
フォトニック結晶には２次元結晶と３次元結晶があるが、このうち２次元フォトニック結晶は製造が比較的容易であるという利点を有する。その一例として、特許文献１には、高屈折率の板材(スラブ)に、その材料よりも屈折率の低い物質を周期的に配列することにより周期を形成した２次元フォトニック結晶であって、その周期的配列を線状に欠損させた導波路と、周期的配列を乱す点状欠陥(共振器)を導波路に隣接して設けた２次元フォトニック結晶及び光分合波器が記載されている。ここでは、低屈折率物質の周期的な配列は、スラブに周期的に孔を開けることにより形成されている。
【０００４】
【特許文献１】特開2001-272555号公報（[0019]〜[0032]、図1）
【０００５】
フォトニック結晶中に適切な欠陥を導入することにより、エネルギー準位(欠陥準位)がフォトニックバンドギャップ中に形成される。これにより、フォトニックバンドギャップ中のエネルギーに対応する波長(周波数)範囲のうち、欠陥準位のエネルギーに対応する波長の光のみがその欠陥の位置において存在可能になる。この欠陥を線状に設けることにより導波路が形成される。また、欠陥を点状に設けることにより、欠陥の形状や屈折率により定まる特定の波長の光を共振する光共振器が形成される。
【０００６】
これらの導波路や光共振器を素子として、フォトニック結晶にこれらの素子を適切に配置することにより、光回路を形成したり、光の分波器や合波器を形成したりした光デバイスを作製することができる。ここでは、光分合波器を例に挙げて説明する。前記の方法により、導波路を形成し、更にその近傍に共振器を形成することにより、導波路内を伝播する様々な波長の光のうち共振器の共振波長に一致する波長の光を導波路から共振器を介して外部へ取り出す光分波器として機能すると共に、共振器の共振波長を有する光を外部から共振器を介して導波路に導入する光合波器としても機能する光分合波器となる。このような光分合波器は、例えば光通信の分野において、一本の導波路に複数の波長の光を伝播させてそれぞれの波長の光に別個の信号を乗せる波長分割多重方式通信に用いることができる。
【０００７】
上記のような光通信分野では、光デバイスの一つとして、高速の光スイッチング素子が必要とされる。例えば、導波路中にスイッチング素子を設け、導波路を流れる光をこのスイッチング素子でON/OFFすることにより、光に乗せた信号を必要な時だけ取り出すことができる。こうしたスイッチング機能をフォトニック結晶で実現することにより、フォトニック結晶を用いた光デバイスを一層高機能化することができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明が解決しようとする課題は、光スイッチとして利用することができ、フォトニック結晶に形成することが可能なトンネル素子及びスイッチング素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本願発明者は、上記課題を解決するために種々の実験を行ったところ、２次元フォトニック結晶が特定の構造において導波路を伝播する光に関するトンネル効果を示すことを見出した。こうしたトンネル効果は、従来知られている電気的なトンネル素子と同様に各種デバイスに利用できる。即ち、本発明に係る２次元フォトニック結晶トンネル素子の第１の態様のものは、
a)第１周期を有する２次元フォトニック結晶から成る第１領域と、
b)第１領域に隣接して設けた２つの領域であって、第１周期とは異なる第２周期及び第３周期を有する２次元フォトニック結晶から成る第２領域及び第３領域と、
c)第２領域、第１領域、第３領域の順に通過する導波路と、
を備え、第１領域の導波路が特定波長の光を通過させるトンネル効果を有することを特徴とする。
【００１０】
本発明に係る２次元フォトニック結晶トンネル素子の第２の態様のものは、
a)第１周期を有する２次元フォトニック結晶から成る第１領域と、
b)第１領域を取り囲むように設けられ、第１周期とは異なる第２周期を有する２次元フォトニック結晶から成る第２領域と、
c)第２領域、第１領域、第２領域の順に通過する導波路と、
を備え、第１領域の導波路が特定波長の光を通過させるトンネル効果を有することを特徴とする。
【００１１】
この２次元フォトニック結晶トンネル素子を基にして、スイッチング素子を構成することができる。本発明に係る２次元フォトニック結晶スイッチング素子の第１の態様のものは、
a)第１周期を有する２次元フォトニック結晶から成る第１領域と、
b)第１領域に隣接して設けた２つの領域であって、第１周期とは異なる第２周期及び第３周期を有する２次元フォトニック結晶から成る第２領域及び第３領域と、
c)第２領域、第１領域、第３領域の順に通過する導波路であって、第１領域における導波路透過波長帯を外部より制御可能な導波路と、
を備えることを特徴とする。
【００１２】
本発明に係る２次元フォトニック結晶スイッチング素子の第２の態様のものは、
a)第１周期を有する２次元フォトニック結晶から成る第１領域と、
b)第１領域を取り囲むように設けられ、第１周期とは異なる第２周期を有する２次元フォトニック結晶から成る第２領域と、
c)第２領域、第１領域、第２領域の順に通過する導波路であって、第１領域における導波路透過波長帯を外部より制御可能な導波路と、
を備えることを特徴とする。
【００１３】
これらの２次元フォトニック結晶スイッチング素子では、第１周期を他の周期よりも小さくすることが望ましい。ここで、「他の周期」とは、第１の態様においては第２周期及び第３周期を指し、第２の態様においては第２周期を指す。
【発明の実施の形態及び効果】
【００１４】
第１の態様の２次元フォトニック結晶トンネル素子は、第１領域と、それぞれ第１領域に隣接する第２領域及び第３領域を有する。これら第１〜第３領域はそれぞれ第１〜第３周期を有する。第２周期と第１周期、及び第３周期と第１周期は異なる値とする。各領域が有する周期により、各領域においてフォトニックバンドギャップが形成され、そのバンドギャップ内の波長の光がフォトニック結晶中に存在できなくなる。
【００１５】
第２領域、第１領域、第３領域の順にこれら３つの領域を導波路が通過する。導波路を透過することのできる光の波長帯(導波路透過波長帯)は、各領域の周期に依存するため、第２領域及び第３領域における導波路透過波長帯の一部は第１領域の導波路における導波路透過波長帯に含まれないようにすることができる。このような一部波長帯を、以下では障壁波長帯と呼ぶ。第１周期を第２周期及び第３周期よりも小さくすると、図１(a)に示すように、障壁波長帯１４は第１領域の導波路透過波長帯１１よりも長波長側に形成される。第１周期を第２周期及び第３周期よりも大きくすると、図１(b)に示すように、障壁波長帯１４は第１領域の導波路透過波長帯１１よりも短波長側に形成される。
【００１６】
障壁波長帯に含まれる波長の光は、第１領域の導波路を透過できないため、導波路を第２領域又は第３領域から第１領域へ向かうと、本来ならば異なる領域同士の境界で反射される。しかし、本願発明者は、実験の結果、第１領域の導波路が一定の長さ以下であり、障壁波長帯と導波路透過波長帯のエネルギー差（エネルギーギャップ）が所定以下の場合には、障壁波長帯内の光が第２領域から第１領域を経て第３領域へ(又はその逆の順で)導波路を透過できるという現象を見出した。
【００１７】
障壁波長帯に対応するエネルギーを有する光子にとって、第１領域の導波路の障壁波長帯はエネルギー障壁に対応することから、この実験結果は光子のトンネル現象として理解することができる。即ち、第２領域を流れる光子は第１領域のエネルギー障壁が存在してもある程度の距離だけ第１領域の導波路内に侵入することができ、第１領域の導波路の長さが光子の侵入長と同程度以下であれば該導波路による障壁をトンネルすることができる。また、障壁波長帯内でも、トンネル現象により光が第１領域の導波路を通過する確率は、第１領域の導波路透過波長帯との境界に近い波長の方がより高くなる。そして、この境界から一定波長以上離れると、このトンネル現象による光の通過は生じない。
【００１８】
上記構成により、第１領域の導波路を障壁とするトンネル素子を形成することができる。このトンネル素子では、第１周期を変化させることにより障壁波長帯（従って、エネルギーギャップ）を制御することができる。すなわち、これにより、導波路を伝播する特定の波長の光をON/OFFするスイッチング素子を構成することができる。このスイッチング素子では、第１領域における導波路透過波長帯（或いは、障壁波長帯。或いは、エネルギーギャップ）を制御することにより、第２領域の導波路中のある波長(制御対象波長)の光が第１領域を通過して第３領域の導波路へ流れる光の伝播(又はその逆方向の伝播)をON/OFFすることができる。即ち、該制御により制御対象波長が、障壁波長帯内であってトンネル現象が生じる波長帯に含まれた時にはON、障壁波長帯内であってトンネル現象が生じない波長帯に含まれた時にはOFFとなる。
【００１９】
第１領域の導波路透過波長帯の制御は、前記のように第１領域に局所的に圧力を印加すること等により第１周期を変化させて行うことができる。また、第１周期を変化させるよりも容易に第１領域の導波路透過波長帯を制御する方法として、導波路の屈折率を変化させる方法が挙げられる。例えば、第１領域の導波路の少なくとも一部を、光や温度等の外部からの作用により屈折率の制御が可能な材料により形成する。あるいは、第１領域の導波路にこのような材料から成る部材を載置する。当該外部作用をON/OFFすることにより、第１領域の導波路の屈折率が変化すると、それに伴い第１領域の導波路透過波長帯がシフトする。これにより、上記のように第２領域と第３領域との間の光の伝播をON/OFFすることができる。屈折率の制御が可能な材料には、例えばInGaAsP系やInGaAlAsP系等の、量子井戸のバンドフィリング効果を有する半導体材料がある。バンドフィリング効果は、半導体のエネルギーギャップの大きさに相当するエネルギーを有するレーザ光を吸収することにより励起状態にあるキャリア濃度が増大し、これにより屈折率が変化するものである。従って、このような材料から成る、第１導波路、又は第１導波路に載置された部材へのレーザ照射を制御することにより、上記のように光の伝播をON/OFFすることができる。
【００２０】
２次元フォトニック結晶の周期の構成によっては、導波路透過波長帯の一部に、結晶の面の外に光が漏れる波長帯が形成される場合がある。このような漏れが生じる波長帯が第２領域又は第３領域の導波路透過波長帯のうち障壁波長帯と同じ波長域に形成されないようにすることが望ましい。例えば、結晶本体とは異なる屈折率を有する物質を三角格子状に配置した２次元フォトニック結晶の場合、この物質を線状に欠損させて形成される導波路は、その導波路透過波長帯中の短波長側に、結晶面の外に光が漏れる波長帯を有する。この場合、第１周期を第２周期及び第３周期よりも大きくすると、図１(b)に示す障壁波長帯１４が第２領域又は第３領域の導波路において光の漏れが生じる領域に含まれる場合が生じる。一方、第１周期を第２周期及び第３周期よりも小さくすると、このような光の漏れの問題が生じない。従って、この例の２次元フォトニック結晶では、第１周期を第２周期及び第３周期よりも小さくすることが望ましい。
【００２１】
第２の態様の２次元フォトニック結晶トンネル素子は、第１周期を有する２次元フォトニック結晶から成る第１領域を有し、その第１領域を取り囲むように、第１周期とは異なる第２周期を有する２次元フォトニック結晶から成る第２領域を有する。そして、これら２つの領域を通過する導波路を有する。従って、この導波路は第２領域、第１領域、第２領域の順に通過し、第１領域の導波路はその両端が第２領域に接する。第１周期と第２周期とが異なることにより、上記と同様に、第１領域の導波路透過波長帯の一部が第２領域に含まれないようになり、第１領域の導波路に障壁波長帯が形成される。
【００２２】
ここで述べた第２の態様における２次元フォトニック結晶トンネル素子の構成は、第１領域とその他の領域の配置が上記第１の態様のものとは異なる。しかし、第２の態様においても、第１の態様と同様に、第１領域の導波路に障壁波長帯が形成され、それによりトンネル現象が生じる。
【００２３】
また、第１の態様と同様に、この第２の態様の２次元フォトニック結晶トンネル素子に基づき、第１領域の導波路透過波長帯を制御可能とすることにより、２次元フォトニック結晶スイッチング素子を構成することができる。
【００２４】
本発明により、従来知られている電気的なトンネル素子と同様に各種デバイスに利用できる２次元フォトニック結晶トンネル素子を実現することができる。また、フォトニック結晶を用いた光デバイスではこれまでなかった、導波路を伝播する光をON/OFFすることが可能な２次元フォトニック結晶スイッチング素子を実現することができる。
【実施例】
【００２５】
まず、本願発明者が２次元フォトニック結晶におけるトンネル効果を見出した実験結果について説明する。
図２に、この実験のために作製した２次元フォトニック結晶のうちの１つを撮影した走査電子顕微鏡(SEM)写真を示す。Siから成る板状の本体２１は第１領域２１１を挟んで両側に第２領域２１２と第３領域２１３を有し、各領域毎に所定の周期で三角格子状に配置された空孔２２を有する。また、空孔２２を線状に欠損させた導波路であって、第２領域２１２から第１領域２１１を経て第３領域に至る導波路２３を有する。空孔２２の周期は、三角格子の１辺が、第１領域２１１ではa1=0.41μm、第２領域２１２、第３領域２１３では共にa2=0.42μmとなるようにした。この実験では、第１領域２１１の導波路の長さがそれぞれ(a)20a1、(b)5a1、(c)1.5a1である３個の２次元フォトニック結晶を作製した。このうち図２に示したSEM写真は(b)のものである。
【００２６】
これらの２次元フォトニック結晶について、第２領域２１２から第１領域２１１を通過して第３領域２１３まで導波路を伝播する光の波長スペクトルを測定した結果を図３に示す。(a)の場合、波長1580nmから長波長側の光は導波路を透過していない。この波長1580nmは、第１領域のみから成る２次元フォトニック結晶について計算で求めた、導波路透過波長帯の長波長側の極限に一致する。それに対して(b)及び(c)では、1580nm以上の波長を有する光も、少なくともその一部が導波路を透過している。これは、前記のようにトンネル現象によるものと考えられる。
【００２７】
以下、本発明に係る２次元フォトニック結晶スイッチング素子の実施例を示す。
図４に第１の実施例を示す。これは上記第１の態様の一実施例である。板状の本体３１は第１領域３１１と、それに隣接した第２領域３１２及び第３領域３１３から成る。第１領域には周期a1、第２領域及び第３領域には周期a2で空孔３２が三角格子状に周期的に配置されている。空孔３２は３つの領域を通過する１列分だけ欠損し、これにより導波路３３が形成されている。本実施例では、本体３１の材料をInGaAsPとした。この材料は、レーザが照射されると屈折率が3.28から3.26へ変化する。
【００２８】
図５に第２の実施例を示す。これは第１の態様の他の実施例である。３つの領域を有すること、空孔３２及び導波路３３の配置は図４のものと同じである。この実施例では本体の材料をSiとしている。第１領域の導波路の上に、InGaAsPから成る部材３４が載置されている。
【００２９】
図６に第３の実施例を示す。これは第２の態様の一実施例である。板状の本体４１は第１領域４１１と、それを取り囲む第２領域４１２から成る。第１領域には周期a1、第２領域には周期a2で空孔４２が三角格子状に周期的に配置されている。第２領域、第１領域、第２領域の順に通過する導波路４３が、前記２つの実施例と同様の方法により形成されている。本体４１の材料は第１実施例と同じくInGaAsPとした。
【００３０】
これら３つの実施例の２次元フォトニック結晶スイッチング素子は、以下のように動作する。これらのフォトニック結晶においては、第１領域の導波路透過帯域７１及び第２領域(第３領域も同様)の導波路透過帯域７２は図７(a)に示すようになる。本実施例の構成では、導波路透過帯域７２には含まれ、導波路透過帯域７１には含まれない障壁波長帯７３が、導波路透過帯域７１よりも長波長側に形成される。この障壁波長帯７３のうち、導波路透過帯域７１に近い波長域では、光がトンネル効果によって第１領域の導波路を通過することができる。ここでは、そのような波長域に含まれる、図７(a)に示した波長λ1の光に着目する。
【００３１】
第１領域の導波路(第１及び第３実施例の場合)又は部材３４(第２実施例の場合)にレーザ光を照射すると、その部分の屈折率が小さくなることにより、導波路透過帯域７１が短波長側にシフトする(図７(b))。それに従って波長λ1は障壁波長帯７３の中でも導波路透過帯域７１から遠ざかる。これにより、波長λ1の光はトンネル効果による透過ができなくなり障壁波長帯７３で反射されるため、導波路全体を伝播することができなくなる。このように、これら実施例の２次元フォトニック結晶スイッチング素子は、レーザ光のOFF/ONにより、導波路を流れる光をON/OFFすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の２次元フォトニック結晶トンネル素子の導波路透過帯域を示す図。
【図２】トンネル現象を測定した２次元フォトニック結晶のSEM写真。
【図３】２次元フォトニック結晶におけるトンネル現象を測定した実験結果を示すグラフ。
【図４】本発明の２次元フォトニック結晶スイッチング素子の一実施例を示す平面図。
【図５】本発明の２次元フォトニック結晶スイッチング素子の一実施例を示す斜視図。
【図６】本発明の２次元フォトニック結晶スイッチング素子の一実施例を示す平面図。
【図７】本実施例の２次元フォトニック結晶スイッチング素子の導波路透過帯域を示す図。
【符号の説明】
【００３３】
１１、１２、１３、７１、７２…導波路透過波長帯
１４、７３…障壁波長帯
２１、３１、４１…本体
２２、３２、４２…空孔
２３、３３、４３…導波路
３４…部材
【図１】
2005077710.tif 000003
【図２】
2005077710.tif 000004
【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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