(57)【要約】      （修正有）【課題】フォトニック結晶構造をその一部に有する、コンパクト、且つ効率の高い光変調素子、光スイッチング素子、非線形光制御素子の素子構造、製法、動作、評価方法を提供する。【解決手段】非線形性材料、そしてフォトニック結晶構造を内部に含む素子を用いて、素子内部に光バンドモードを形成させ、外部からの制御光により非線形性材料の屈折率を変化させ、そのバンド構造を動的にコントロールすることにより、非常に高効率に且つコンパクトな領域において信号光の光制御を行う。【選択図】図５
2005250429.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
屈折率の異なる少なくとも２種の材料からなり周期構造を与えるフォトニック結晶部、且つ非線形光学材料を少なくともその一部に含み、光バンドに共鳴する周波数、ｋベクトル（運動量）を持つ制御光を用い、内部に形成される光バンドモードと外部から入射する制御光を共鳴結合させることにより、効率よく内部の非線形光学材料の屈折率を変化させ、光バンド構造を動的に制御・変調できることを特徴とするフォトニック結晶。
【請求項２】
前記周期構造をその一部に含み、変調前又は変調時いずれかにおいて光バンドに共鳴する周波数、ｋベクトル（運動量）を持つ信号光を用い、内部に形成される光バンドモードと外部から入射する信号光の共鳴状態と非共鳴状態もしくはその中間状態を利用することにより、制御光入射、電圧印加、電流注入、磁場印加、温度変調、圧力変調、または信号光自身の強度変化などの手法で屈折率変化を起こさせ、内部の光バンド構造を動的に制御・変調した場合、信号光の周波数に対応する光バンドのｋベクトルシフト、つまり共鳴角度（運動量）の変化により、効率よく信号光に対する反射率または透過率の制御・変調が行えることを特徴とするフォトニック結晶。
【請求項３】
請求項１及び２に記載のフォトニック結晶を共に利用したフォトニック結晶。
【請求項４】
制御光に対して共鳴する光バンドに、低群速度を有する光バンドまたはフォトニック結晶部の周期構造に欠陥を導入しできた低群速度を有する不純物光バンドを利用し、非線形材料領域の局所電場を増大させ、効率よく内部の非線形光学材料の屈折率を変化させ、光バンド構造を動的に制御・変調できることを特徴とする、請求項１又は３に記載のフォトニック結晶。
【請求項５】
信号光に対して共鳴する光バンドに、低群速度を有する光バンドまたはフォトニック結晶部の周期構造に欠陥を導入しできた低群速度不純物光バンドを利用し、制御光入射、電圧印加、電流注入、磁場印加、温度変調、圧力変調、または信号光自身の強度変化などの手法で屈折率変化を起こさせ、内部の光バンド構造を動的に制御・変調した場合、信号光の周波数に対応する光バンドの傾きが小さいことによるより大きなｋベクトルシフト、つまりより大きな共鳴角度（運動量）の変化により、効率よく信号光に対する反射率または透過率の制御・変調が行えることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載のフォトニック結晶。
【請求項６】
周期的な構造であるフォトニック結晶構造の単位格子に対し部分的に屈折率を、部分的な制御光入射、電圧印加、電流注入、磁場印加、温度変調、圧力変調、または信号光自身の強度変化などの手法で、変調することにより、フォトニック結晶構造の対称性を動的に変調し、またそれによって光バンド構造を効果的に変調し、さらにその対称性変調によって光バンドの縮退を解き、光を透過しないフォトニックバンドギャップのオン・オフを行えることを特徴とする、フォトニック結晶。
【請求項７】
周期的な構造であるフォトニック結晶構造の単位格子に対し部分的に屈折率を、部分的な制御光入射、電圧印加、電流注入、磁場印加、温度変調、圧力変調、または信号光自身の強度変化などの手法で、変調することにより、フォトニック結晶構造の対称性を動的に変調し、またそれによって光バンド構造を効果的に変調し、さらにその対称性変調によって光バンドの縮退を解き、光を透過しないフォトニックバンドギャップのオン・オフを行えることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載のフォトニック結晶。
【請求項８】
クラッド材料からなる層の上に、非線形光学材料を含む前期周期的構造が配置されている請求項１〜７いずれかに記載のフォトニック結晶。
【請求項９】
非線形光学材料からなる層の上に、前期周期的構造が配置されている請求項１〜７のいずれかに記載のフォトニック結晶。
【請求項１０】
クラッド材料からなる層の上に、前期非線形光学材料からなる層が配置されている請求項９に記載のフォトニック結晶。
【請求項１１】
前期クラッド材料が金属である請求項８または１０に記載のフォトニック結晶。
【請求項１２】
前期非線形光学材料が有機光学材料である請求項１〜１１のいずれかに記載のフォトニック結晶。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれかのフォトニック結晶を有するフォトニック結晶光変調・光スイッチ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明はフォトニック結晶に関し、より詳しくは、その少なくとも一部に非線形光学材料を含み光制御を行うためのフォトニック結晶に関する。【０００２】  本発明のフォトニック結晶の応用可能な対象は特に制限されないが、例えば、光変調素子、光スイッチ素子はもちろん、光通信機能素子、光フィルター素子、光演算素子、光双安定素子、光応答素子、光パルス発信素子、位相共役光発生素子、波長変換素子、分散補償素子等に好適に利用可能である。
【背景技術】
【０００３】  近年の超高速光ケーブル網、超高速光データ通信に代表される光情報技術の急速な進展は世界的に目覚ましく、光の性質を極限まで利用するその科学的・工学的応用機運の高まりは光の時代と言われるほど産業・社会に対し革命的な影響を及ぼしつつあり、今後そのさらなる発展は機能的な核を担う光非線形デバイスを如何に高集積化、高速化、そして低パワー化していくかに懸かっている。一方、近年の伝達すべき情報の更なる大容量化、高速化の急激な進行により、既存の光技術のみを用いた情報通信・情報処理では限界が近づいて来ている。このような大容量化、高速化に伴い、従来一般的に用いられてきた電気制御による光機能素子、光スイッチ素子に代わり制御光より信号光を制御する全光機能素子、全光スイッチ素子が提案されており、次世代の数百ＧＨｚからＴＨｚクラスの超高速光通信システム実現に向け大きな注目を集めている。これらの全光機能素子を実用レベルにおいて動作させるためには、非常に大きな非線形感受率及び非常に速い応答速度を有する非線形光学材料が必要であるが、そのような要請を完全に満たす材料はこれまで見つかっていなかった。【０００４】  このような限界を打破する可能性を持つ技術として、光波長程度の周期で屈折率の異なる物質を１、２、３次元的に配列させたフォトニック結晶が近年、脚光を浴びている。この人工光結晶であるフォトニック結晶はその光分散関係（光バンド構造）を任意に制御でき、また光を伝播させないフォトニックバンドギャップをある周波数領域に発生させることが可能であり、そしてその周期構造中に点欠陥や線欠陥等を導入することなどができるため、極微小光回路、光導波路や、光フィルター、光合分波素子、極低閾値レーザー素子などの様々な光デバイスに対し適用が期待されている。【０００５】  光変調素子や光スイッチ素子などに対してもフォトニック結晶を利用した応用が幾つか提案されているが、それらは、原理的なものであり、高非線形光学材料を用いた具体的な素子構造をほとんど提示しておらず、また動作の効率の点から必ずしも充分な特性を発揮しているとは言い難かった。さらに加えて、フォトニック結晶における微細加工の必要性から、実用可能なフォトニック結晶は、半導体材料などの加工性のよいものに事実上限定されていた。また半導体材料における非線形現象は吸収過程、キャリアプラズマ効果を利用するため、比較的遅いキャリアの緩和時間にスイッチング速度が制限されてしまい、また比較的大きな吸収ロスを伴う。なお、本発明者は、加工の困難な無機もしくは有機非線形光学材料を用いたフォトニック結晶について既に提案を行っている。（特許文献１参照。）。
【特許文献１】特願２００３−３０７７１９号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】  本発明の目的は、上記した従来技術の欠点を解消した動作の効率が良好な非線形光学材料を含み光制御を行うためのフォトニック結晶を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】  上記課題を解決するための手段を提供する本発明のフォトニック結晶は、屈折率の異なる少なくとも２種の材料からなり周期構造を与えるフォトニック結晶部、且つ非線形光学材料を少なくともその一部に含み、光バンドに共鳴する周波数、ｋベクトル（運動量）を持つ制御光を用い、内部に形成される光バンドモードと外部から入射する制御光を共鳴結合させることにより、効率よく内部の光バンド構造を非線形光学材料の屈折率変化により動的に制御・変調できることを特徴とするフォトニック結晶である。【０００８】  外部から入射し内部に形成される光バンドモードと共鳴結合した制御光は、結合後、多重反射により、内部に局在するので、内部に高い電場密度が実現するため、極めて良好な光制御・変調の効率が得られる。またこの共鳴効果を用いた場合、制御光は面内入射はもちろん、素子上部または下部から効果的にフォトニック結晶に入射、結合させることが可能であるため、取り扱いの自由度が高く、また、本素子を二次元アレー状に設置すれば、反射型の高密度、高集積なフォトニック結晶光制御・変調素子を実現することができる。【０００９】  また本発明のフォトニック結晶は、前記周期構造をその一部に含み、変調前又は変調時いずれかにおいて光バンドに共鳴する周波数、ｋベクトル（運動量）を持つ信号光を用い、内部に形成される光バンドモードと外部から入射する信号光の共鳴状態と非共鳴状態もしくはその中間状態を利用することにより、制御光入射、電圧印加、電流注入、または信号光自身の強度変化などの手法で屈折率変化を起こさせ、内部の光バンド構造を動的に制御・変調した場合、信号光の周波数に対応する光バンドのｋベクトルシフト、つまり共鳴角度（運動量）の変化により、効率よく信号光に対する反射率または透過率の制御・変調が行えることを特徴とするフォトニック結晶である。【００１０】  信号光に対しても、この共鳴効果を用いた場合、制御光は面内入射はもちろん、素子上部または下部から効果的にフォトニック結晶に入射、結合させることが可能であるため、取り扱いの自由度が高く、また、本素子を二次元アレー状に設置すれば、反射型の高密度、高集積なフォトニック結晶光制御・変調素子を実現することができる。【００１１】  また、この光バンドモードへの共鳴結合効果を制御光および信号光に対し、両方に利用することにより、上記の効果を同時に引き起こすことが可能であるため、非常に良好な光変調動作を、非線形光学材料を含んだフォトニック結晶により実現することができる。【００１２】  また本発明のフォトニック結晶は、制御光に対して共鳴する光バンドに、低群速度を有する光バンドまたはフォトニック結晶部の周期構造に欠陥を導入しできた低群速度を有する不純物光バンドを利用し、非線形材料領域の局所電場を増大させ、効率よく内部の光バンド構造を非線形光学材料の屈折率変化により動的に制御・変調できることを特徴とし、また前記の光バンドモードへの共鳴結合効果を制御光に、または制御光と信号光の両方に対し利用したフォトニック結晶である。【００１３】  低群速度を有する光バンドを利用することで、共鳴結合後の制御光は素子内部により長くとどまるため、つまりより強く局在するた���、非常に高い電場強度が実現し、大きな非線形屈折率変化、光バンド構造変化が起こり、それに伴い非常に良好な光変調効果を得ることができる。【００１４】  また本発明のフォトニック結晶は、信号光に対して共鳴する光バンドに、低群速度を有する光バンドまたはフォトニック結晶部の周期構造に欠陥を導入しできた低群速度不純物光バンドを利用し、制御光入射、電圧印加、電流注入、または信号光自身の強度変化などの手法で屈折率変化を起こさせ、内部の光バンド構造を動的に制御・変調した場合、信号光の周波数に対応する光バンドの傾きが小さいことによるより大きなｋベクトルシフト、つまりより大きな共鳴角度（運動量）の変化により、効率よく信号光に対する反射率または透過率の制御・変調が行えることを特徴とし、また前記の光バンドモードへの共鳴結合効果を信号光に、または制御光と信号光の両方に対し利用し、その際、低群速度光バンドを信号光にもしくは制御光と信号光の両方に対し利用したフォトニック結晶である。【００１５】  低群速度を有する光バンドは、バンドの傾きが小さい、つまり少ない周波数（エネルギー）の変化でも大きなｋベクトルの変化が見込まれるため、制御光入射、電圧印加、電流注入、または信号光自身の強度変化などの手法で屈折率変化を起こさせ、内部の光バンド構造を動的に制御・変調した場合、信号光の周波数に対応する光バンドの共鳴角度（運動量）がより大きく変化し、群速度が小さくない光バンドと比較して、より効率よく信号光に対する反射率または透過率の制御・変調が行える。【００１６】  また本発明のフォトニック結晶は、周期的な構造であるフォトニック結晶構造の単位格子に対し一様ではなく部分的に屈折率を、部分的な制御光入射、電圧印加、電流注入、または信号光自身の強度変化などの手法で、変調することにより、フォトニック結晶構造の対称性を動的に変調し、またそれによって光バンド構造を効果的に変調し、さらに光を透過しないフォトニックバンドギャップのオン・オフを行えることを特徴とするフォトニック結晶である。【００１７】  また前記の部分的な屈折率変調による対称性操作は、上記の光バンドモードへの共鳴結合効果を、制御光に、または信号光に、もしくは制御光と信号光の両方に対し利用したフォトニック結晶に対して同時に利用することが可能であり、これにより非常に良好な光変調動作を得ることができる。【００１８】  本発明は、例えば、以下の態様を含む。【００１９】  ［１−１］クラッド材料からなる層の上に、非線形光学材料を含む前期周期的構造が配置されているフォトニック結晶。【００２０】  ［１−２］非線形光学材料からなる層の上に、前期周期的構造が配置されているフォトニック結晶。【００２１】  ［１−３］クラッド材料からなる層の上に、前期非線形光学材料からなる層が配置されているフォトニック結晶。【００２２】  ［１−４］前期クラッド材料が金属である［１−１］または［１−３］に記載のフォトニック結晶。【００２３】  ［１−５］前期非線形光学材料が有機光学材料である［１−１］から［１−５］のいずれかに記載のフォトニック結晶。【００２４】  本発明においては、更に、以下のような態様も包含することができる。【００２５】  非���形性材料、そしてフォトニック結晶構造を内部に含む素子を用いて、素子内部に光バンドモードを形成させ、外部からの制御光により非線形性材料の屈折率を変化させ、そのバンド構造を動的にコントロールすることにより、非常に高効率に且つコンパクトな領域において信号光の光制御を行う。また光バンドモードに共鳴する周波数、ｋベクトル（運動量）を持つ制御光を用い、光バンドモードと制御光を共鳴結合させることにより、外部から非常に効率高く光制御を行うことが可能である。信号光に対しても、外部から入射する場合は、この共鳴領域を用いれば、通常と比べ非常に大きな反射率もしくは透過率変化が実現できる。またこれらの過程において低群速度バンドを利用すれば、屈折率を変調した際、より大きなｋベクトルシフトにより、非常に高効率な変調効果が得られる。同時に低群速度バンドは、電場を大きく増強するため、より大きな非線形屈折率変化が発現し、２重の変調効果増大が得られる。さらに光バンドモードはフォトニック結晶構造の周期性を反映した特定の対称性を持っているため、干渉又はマスクなど操作を施した制御光等で部分的に屈折率を変調することにより、この対称性を動的に変調・制御することが可能であり、その結果劇的に光バンド構造を変調することができる。この対称性を用いた手法により、まったく光を透過しないフォトニックバンドギャップのオン・オフが可能となり、非常に高効率、そしてＯｎ／Ｏｆｆ比の高い光変調・光スイッチ素子等が実現可能である。また本素子の光バンド分散の制御性、ブラック反射領域の制御性、共鳴現象の制御性等を利用することにより、上に挙げた光変調・光スイッチング素子等に限らず、光フィルター、光演算器、光パルス発信器、位相共役光発生、波長変換素子、分散補償素子、光双安定素子、光通信用制御素子等に好適に利用可能である。
【発明の効果】
【００２６】  上述したように本発明によれば、非線形光学材料、及び周期的構造を与えるフォトニック結晶構造を少なくともその一部に含み、光制御を行うことを特徴とするフォトニック結晶が提供される。【００２７】  更に、本発明は以下の効果を奏することができる。【００２８】  １．光バンドモードに共鳴する周波数、ｋベクトル（運動量）を持つ制御光を用い、光バンドモードと制御光を共鳴結合させることにより、結合した光が素子内部に局在し、非線形光学材料部において光電場強度が増大することにより非線形屈折率変化が増強され、従来のように非共鳴状態で単に光を照射する場合と比較し、制御光により外部から非常に効率高く光制御を行うことが可能であるフォトニック結晶が提供される。【００２９】  ２．変調前又は変調時いずれかにおいて光バンドに共鳴する周波数、ｋベクトル（運動量）を持つ信号光を用い、内部に形成される光バンドモードと外部から入射する信号光の共鳴状態と非共鳴状態もしくはその中間状態を利用することにより、制御光入射、電圧印加、電流注入、または信号光自身の強度変化などの手法で屈折率変化を起こさせ、内部の光バンド構造を動的に制御・変調した場合、信号光の周波数に対応する光バンドのｋベクトルシフトが起こることにより、共鳴条件が変化し、信号光の周波数に対応する共鳴角度（運動量）の変化し、それにより変調前後において効率よく信号光に対する反射率または透過率が変化し、非常に効果的なこれまでにない新しい制御・変調手法が行えることを特徴とするフォトニック結晶が提供される。【００３０】  上記１と２の効果は同時に組み合わせることが可能なため、同時に発現させれば、相乗効果により、非常に効果的な制御・変調が実現される。【００３１】  上述の、制御光に対して共鳴する光バンドに、低群速度を有する光バンドまたはフォトニック結晶部の周期構造に欠陥を導入しできた低群速度を有する不純物光バンドを利用することにより、非線形材料領域の局所電場を著しく増大することが可能であり、それにより低群速度でない光バンドを用いる場合と比較し、非線形光学材料の屈折率をより効果的に大きく変化させることができ、またそれに伴い光バンド構造をより効果的に動的に制御・変調できることを特徴とするフォトニック結晶が提供される。【００３２】  信号光に対して共鳴する光バンドに、低群速度を有する光バンドまたはフォトニック結晶部の周期構造に欠陥を導入しできた低群速度不純物光バンドを利用し、制御光入射、電圧印加、電流注入、または信号光自身の強度変化などの手法で屈折率変化を起こさせ、内部の光バンド構造を動的に制御・変調した場合、信号光の周波数に対応する光バンドの傾きが小さいことによるより大きなｋベクトルシフト、つまりより大きな共鳴角度（運動量）の変化により、低群速度でない光バンドを用いる場合と比較し、変調前後において非常に効率よく信号光に対する反射率または透過率の制御・変調が行えることを特徴とするフォトニック結晶が提供される。【００３３】  周期的な構造であるフォトニック結晶構造の単位格子に対し部分的に屈折率を、部分的な制御光入射、電圧印加、電流注入、または信号光自身の強度変化などの手法で、変調することにより、��ォトニック結晶構造の対称性を動的に変調し、またそれによって光バンド構造を効果的に変調し、さらにその対称性変調によって光バンドの縮退を解き、光を透過しないフォトニックバンドギャップのオン・オフを行えるという、まったく新しい手法による効果的な光変調を実現可能なフォトニック結晶が提供される。【００３４】  従来提案されてきたフォトニック結晶を用いた光変調・スイッチ素子は、半導体材料等の加工性の良い材料をその母体材料とすることを前提としていたが、本発明において提案する素子構造は必ずしも非線形光学材料に微細加工をする必要がなく、そのため加工性の困難な有機非線形光学材料や無機非線形光学材料等を用いることが可能であるため、これまでより材料的な自由度が高く、また非線形応答においてより性能の高い非線形光学材料を用いることができる。また非線形光学材料部において無駄な光散乱ロスやダメージが発生しないため、より良好な光変調効率が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】  以下、必要に応じて図面を参照しつつ本発明を更に具体的に説明する。【００３６】  本発明において、「フォトニック結晶」とは、屈折率が異なる少なくとも２種の材料を含み、且つ、これらの屈折率が異なる少なくとも２種の材料が周期的構造を与えるものをいう。本発明においては、少なくとも一部に、このような周期的構造を含む限り、周期的構造以外の構造の有無、種類は問わない。よって本発明においてフォトニック結晶とは、それ自体であってもよく、また、このような周期的構造を含む、より大きな構造体であってもよい。【００３７】  本発明のフォトニック結晶は、これらの周期的構造を少なくとも一部に含み、且つ、フォトニック結晶の少なくとも一部に非線形光学材料を含む。すなわち、前記周期構造の一部、または全体が非線形光学材料であってもよく、また周期的構造以外の部分に非線形光学材料を含んでいても良い。【００３８】  本発明におけるフォトニック結晶において、周期構造体に使用する材料に特に制限はない。これらの材料として適した材料の具体的な例は、本発明人が参考特許文献（特願２００３−３０７７１９号）において既に挙げている。【００３９】  本発明において、周期的構造は、光バンド構造を形成するものである限り、特に制限されない。この周期的構造は一、二、三次元的周期構造のいずれであってもよい。周期構造の具体的例は、本発明人が参考特許文献（特願２００３−３０７７１９号）において既に挙げている。【００４０】  本発明において使用可能な非線形光学材料は特に制限されない。高効率な特性を示す非線形光学材料の具体的例は、本発明人が参考特許文献（特願２００３−３０７７１９号）において既に挙げている。【００４１】  本発明において、クラッド層を構成する材料は、その屈折率がコア層のそれより低いものであれば、特に制限されない。クラッド層材料の具体的例は、本発明人が参考特許文献（特願２００３−３０７７１９号）において既に挙げている。【００４２】（フォトニック結晶素子構造の第１具体的態様）【００４３】  図１は、本発明のフォトニック結晶素子構造の具体的な一態様を示す模式斜視図である。図１を参照して、この態様のフォトニック結晶素子においては、シリコン基材１上にＡｇクラッド層２が配置され、更に、該Ａｇクラッド層の上に、有機非線形光学材料を用いた周期的構造３（以下、この層をコア層と称する場合がある）が配置されている。この周期的構造３の内部には、円柱孔４が形成されており、また導波路５の形状とされている。ただし、上述したように本発明におけるこれらの材料はこれに限らず、無機材料、有機材料、半導体材料、およびそれらの組み合わせも使用可能である。【００４４】  非線形光学材料として、この図１の態様においては有機非線形光学材料を用いる。このように有機非線形光学材料を用いることにより、大きい非線形光学定数、高い作製・加工性、既存の光ファイバー・光導波路に対する高いカップリング効率を容易に得ることができる。更に、この図１に示す構造は低コストで作製可能であるため、大量生産への適用がより容易である。この態様においては、該有機非線形光学材料として、例えば、ゲストにディスパース・レッド（Ｄｉｓｐｅｒｓｅ  Ｒｅｄ）１（顔料、以下ＤＲ１と略記する場合がある）、ホストにＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）を用いた有機非線形光学ポリマーを用いることができる。ただし、上述したように本発明における非線形光学材料はこれに限らず、無機材料、有機材料、半導体材料、およびそれらの組み合わせも使用可能である。【００４５】（第１の態様の素子作製方法）
上記した第１の態様の作製方法は特に制限されないが、高精度加工性、高側壁垂直性、高アスペクト比加工性、極微細加工性の点からは、下記のような作製方法を用いることが好ましい。【００４６】  第１の素子構造（素子構造１）を作製するに際して、上記の非線形光学ポリマーに対して、本例では電子線リソグラフィーおよび反応性ガスを用いたＩＣＰドライエッチング等により高垂直性・高アスペクト比を持つ二次元フォトニック結晶導波路を作製する。本例においては、加工技術としてドライエッチング技術を用いたが、本発明における技術はこれに限らず、ナノインプリント技術、陽極酸化技術、化学エッチング技術、電子ビーム・集束イオンビーム・フォトンビームリソグラフィー技術、選択成長技術、レーザ加工技術等も用いることができる。【００４７】  本素子構造例の模式図を図１に示すように、この例においては二次元フォトニック結晶導波路を作製する。素子構造を作製するための具体的なプロセス、及び条件等は、本発明人が参考特許文献（特願２００３−３０７７１９号）において既に記載しているのでそちらで参照できる。【００４８】  以上の作製技術、作製プロセスにより、図１の構造を得ることができる。加工後の素子をノマルスキー光学顕微鏡（図２（ａ））およびＳＥＭ（走査電子顕微鏡）で観察した。図２（ｂ）は表面ＳＥＭ写真であり、図２（ｃ）は断面ＳＥＭ写真である。【００４９】（第２の素子構造）
第二の素子構造（素子構造２）として、非線形光学材料層と周期的構造層（フォトニック結晶部）を分離した２層コアを有する素子構造の模式斜視図を図３に示す。この構造は、第１の構造を改良したもので、非線形光学材料層と周期的構造層（フォトニック結晶部）を分離したことで非線形光学材料層に対し、プロセス上のダメージを軽減、回避すること、また導波時の無駄な散乱ロスも減らすことができる。また更にこの構造では、非線形材料に加工を行うことが必須でないため、該非線形材料としてＬｉＮｂＯ３等の一般的に加工性が良くない材料も容易に用いることができ、適用できる材料系および応用性が飛躍的に増大する。【００５０】  その第二の素子構造の作製法であるが、第１の態様の作製方法と同様に、特に制限はないが、具体的なプロセス、及び条件等は、本発明人が参考特許文献（特願２００３−３０７７１９号）において既に記載しているのでそちらで参照できる。【００５１】  上参考文献の作製技術、作製プロセスにより、非線形光学材料層と周期的構造層（フォトニック結晶部）を分離した非線形光学ポリマー二次元フォトニック結晶構造を得ることができる。加工後の素子のＳＥＭ写真を図４に示す。【００５２】（素子動作の設計および線形領域における光バンド構造評価）
素子動作の設計および評価を正確に行うためには、作製された非線形光学二次元フォトニック結晶導波路が、線形領域において、どのようなバンド構造をもつのか、理論的にシミュレーションすると同時に、実験的に直接観測することが、非常に有効である。理論計算に関しては、平面波展開法、Ｓ−Ｍａｔｒｉｘ法、Ｔ−Ｍａｔｒｉｘ法など様々な手法が考えられるが、本例では、設定構造の自由度が高く、精度の高い計算が行えることから、３次元時間領域差分（３Ｄ−ＦＤＴＤ）法をその光バンド計算手法として用いた。【００５３】  実験的には、角度走査偏光反射率測定を行い、反射スペクトルにおいて鋭い極小として現れる、光バンドモードと入射光との間の共鳴ピーク位置からフォトニックバンド構造を決定する。具体的には、タングステンハロゲンランプ、白色ＬＥＤ、白色レーザーなどによる白色光源、または単色レーザーなどによる単色光源を用いた各種偏光平行ビームを、微小なサンプル（パターニング）部に対して、集光入射し、白色光源の場合は、分光器及びＣＣＤ、フォトダイオード、フォトマルなどの受光器を用いて、単色光源の場合はＣＣＤ、フォトダイオード、フォトマルなどの受光器を用いて反射スペクトルを測定、更にビーム入射角、およびフォトニック結晶構造に対する面内ビーム進行角をそれぞれ走査し、スペクトルに現れる共鳴ピークの周波数シフトから、素子のフォトニックバンド分散曲線を追跡する。【００５４】  測定系の幾何学的対応模式斜視図を図５に示す。図５において、参照記号１９は入射光、２０は入射光角度、２１は面内光進行角度を示す。また用いた測定光学系の模式平面図は、本発明人が参考特許文献（特願２００３−３０７７１９号）において既に記載しているのでそちらで参照できる。【００５５】  この測定手法は、外部からエネルギー及び角度を走査した光を入射し、入射光と光バンドモードの共鳴結合により現れた反射スペクトルにおけるディップ位置を調べることで、光バンドのエネルギー及びｋベクトルを求めるものであり、基本的には光バンド構造において、外部光と結合可能な、空気のライトラインより上側の領域しか調べることはできない。しかしながら、エネルギー領域によっては、ほぼ全てのバンド構造を知ることが可能であり、また入射光との結合の際にプリズムカップリングを用いれば、ライトラインの下側（導波モード）を観測することも可能である。このように本手法は実験的な光バンド構造をほぼ全ての範囲において決定、調査することができる。【００５５】  このように理論・実験両面から光バンド構造を決定すれば、例えば所望の波長において非常に遅い群速度を持つ条件、素子における非線形光学過程を著しくエンハンスする動作条件などを正確に予見し、また素子が設計通りに作製されているかを迅速に評価でき、また後に素子の非線形応答において得られた素子性能をバンド構造の点から詳細に評価することが可能となる。【００５６】  例として、素子構造２の構造であり、フォトニック結晶周期８００ｎｍ、正方格子構造をもつ素子に対して、光源としてタングステンハロゲン白色光源、受光器として分光器付き液体窒素冷却式ＣＣＤを用いて得られたＴＥ偏光に対する角度走査偏光反射率測定の結果を図６��示す。この図のグラフにおいて、各入射角度に対する反射スペクトルはそれぞれ、見やすくさせるため０．４ずつシフトアップさせてある。またこれも見やすくするため、入射角度を５度おきずつプロットしているが、実際の測定では、より細かく入射角度ステップを設定し、データを取得している。【００５８】  さらに前期角度走査偏光反射スペクトル例から得られた実験的光バンド構造、及び３次元時間領域差分（３Ｄ−ＦＤＴＤ）法によって計算された理論的光バンド構造を図７に示す。理論及び実験で得られた両光バンド構造は良い一致を示し、設計通りに素子が作製できていることが分かる。またこれにより、本素子を非線形動作させる場合、使用するレーザーの波長においてどのようなバンドが形成されているか、また共鳴結合がなされる実験条件、そして応答のメカニズムなどを正確に知ることができる。【００５９】  本例では図７に示したようなエネルギー領域であったが、これは結晶周期・サイズを変えればその縦軸のエネルギーは自由に変えることができる。【００６０】  また、図７の光バンド構造において実際に実験的に非常に遅い群速度を持つバンドが形成されていることが確かめられ、このことは、通常の一様媒質素子と比較して、本素子における光変調効率がはるかに増強する可能性があることを示している。【００６１】（光変調・制御の評価）
次に、上記素子を用いて光変調・制御を提案する技法において行った。本例では、光変調・制御において、簡易的に素子動作の評価を行うため、強度を変えた１ビームのみを用いて評価し、制御光、信号光を区別していない。本発明素子の動作方法はもちろんこの手法にまったく限らず、非線形効果により屈折率変化を起こさせる制御光、及びその変調による変化を検知する信号光を、独立に用いることで、それぞれ異なる波長、角度、タイミングで動作させることができる。また、各光ビーム入射に関しても、本例では素子の上部から行ったが、導波路等を用いて面内方向から入射することも可能であり、また、もちろん下部からも可能である。さらに変調による効果を本例は反射率変化として捉えているが、ビームを透過させることにより透過率変化として捉えることも可能である。【００６２】  さらに本例では、変調・スイッチスピードの面で最も有利な、入射光レーザーパルス（制御光）を用いた素子内の非線形光学材料の３次の非線形光学効果による屈折率変化を基にして、光変調を行っているが、この屈折率を変調する手法は、場合によっては光による変調だけでなく、電圧印加、電流注入、磁場印加、温度変調、圧力変調などの手法を用いても良い。【００６３】  また、本例では、本発明素子の光変調素子、光スイッチ素子としての動作評価を主に行っているが、本発明素子および本発明提案動作手法の応用可能な対象は特に制限はなく、光通信機能素子、光フィルター素子、光演算素子、光双安定素子、光応答素子、光パルス発信素子、位相共役光発生素子、波長変換素子、分散補償素子等に好適に利用可能である。【００６４】  本例においては、素子の屈折率および光バンド構造を変調し、且つ変調の効果を検知するための入射光を、フォトニック結晶に対する入射角度を走査し、またその強度を変えて入射した。本例では、入射光として繰り返し周波数１ｋＨｚ、パルス幅約２ｐｓ、波長８００ｎｍのＴｉサファイアレーザーを用い、試料からの反射光は、フォトダイオードで受光しボックスカー積分器を通して信号をコンピューターに取り込んだ。レーザー、受光器はもちろんこれに限らず、所望の波長等の条件により、他の様々なものを利用可能である。入射光学系、およびステージ等の試料保持部は、上述した角度走査偏光反射測定のものと同様である。【００６５】  光バンド測定を行った上記、第２の素子構造に対して、前記レーザーを用い、まず線形領域と見なせる弱いレーザーパワーにおいて、入射角度１５度から６５度の範囲で行った反射率の入射角度依存性の結果を図８に示す。測定は本例ではＴＥ偏光にて行い面内ビーム進行角度はΓ−Ｘ方向に固定した。【００６６】  図８に示したように、角度走査した反射スペクトルにおいて、フォトニックバンド共鳴に起因する幾つかの非常に明瞭な鋭いディップが観測された。このディップ位置が入射光と素子の光バンドモードとの共鳴結合角度を表している。【００６７】  次に非線形光学効果により、実際に同素子に対し本提案手法を用いて光変調・制御・スイッチ動作を確認するため、上記使用レーザーの強度を変え、各強度に対する反射率の入射角度依存性を測定した。その際、図８の線形領域の結果において現れた光バンド共鳴のな���で、特に強い共鳴として現れた参照記号２６の共鳴角度付近（以下、共鳴点Ａと称する）、及び参照記号２７の共鳴角度付近（以下、共鳴点Ｂと称する）の入射角度において、その非線形反射率変化を詳細に調べた。【００６８】  図９において、共鳴点Ａ付近の各入射レーザー強度に対する反射率の入射角度依存性を示す。同様に、図１０において、共鳴点Ｂ付近の各入射レーザー強度に対する反射率の入射角度依存性を示す。この結果、両フォトニックバンド共鳴は、入射レーザー強度の変化により、顕著な反射スペクトルにおける共鳴ディップポジションのシフト、及び非常に大きな反射率変化を観測することに成功した。共鳴点Ｂにおいては、規格化した反射率変化が３０％程度の大きな反射率変化を観測した。（共鳴点Ａでは７％程度）【００６９】  さらに、さらに共鳴点Ａ、Ｂという異なるバンドに属する２つの共鳴ピークは、それぞれ角度シフト量が大きく異なり、且つシフトの方向さえも異なることが判明した。同試料に対する実験的・理論的な光バンド構造の検証から、これらの新規現象は、光バンドの低群速度効果による屈折率変化の増大効果、低分散バンドによる巨大ｋベクトルシフト効果、そして光バンド分散の傾きの正負がその原因として作用していることが分かった。【００７０】  以下、これらの現象を対応するバンド構造を考えることにより、さらに詳細に説明する。図１１に光バンド構造計算から得られた、対応する上記共鳴バンド付近の光バンド構造を示す。参照記号２８の点が共鳴点Ａを、そして参照記号２９の点が共鳴点Ｂを示している。また参照記号３０で示した直線は、共鳴点Ａの共鳴角度において入射した場合の各光エネルギーに対する入射光の面内のｋベクトルの値を示している。参照記号３１は同様に共鳴点Ｂに対するそれを示している。参照記号３２は真空中のライトラインである。このことから、入射光のエネルギーラインと前述のそれぞれのラインが交差する点が、各共鳴点になることが分かる。そしてその共鳴点を横切るバンドが、それぞれの非線形応答に寄与している光バンドである（図１１において灰色線で示している。）。【００７１】  また、さらにこれらの対応する光バンドが入射光の強度変化に対しどう変化するか、わかりやすく示すため、模式的に表したものが図１２である。参照記号３３で示したものが、共鳴点Ａに対応する光バンドの変化、参照記号３４で示したものが、共鳴点Ｂに対応する光バンドの変化である。参照記号３７で示した実線が低パワー入射の場合の光バンド、参照記号３８で示した点線が高パワーで入射で変調された光バンドを模式的に示している。この図１２から、群速度の遅いバンド、つまり共鳴点Ｂに対応するより傾きの小さいバンドの方が、そうでないものと比べ、同じ程度の周波数変化であっても、より大きなｋベクトルの変化が起きることが分かる。これにより、より大きく共鳴角度は変化し、結果として大きな反射率変化として測定に表れている。さらに共鳴点Ｂのようなより遅い群速度のバンドは、入射光の電場が素子内で大きく増強されるため、屈折率変化、つまりバンドの周波数変化自体もより大きくなる。よって、本提案の光変調・制御・スイッチの手法は、低群速度バンドを使用することにより、２重��大きな効率増強効果を実現できる。【００７２】  以上の解析から、共鳴点Ａにおいては、３次の有効非線形感受率がχ（３）ｅｆｆ．＝＋６．３７×１０−１１（ｅｓｕ）、共鳴点Ａにおいては、χ（３）ｅｆｆ．＝＋１．３３×１０−１０（ｅｓｕ）という非常に大きな値が得られた。これは、共鳴効果により効率的に光が入射し共鳴結合した光モードが素子内に局在されたこと、そして共鳴バンドが非常に遅い群速度を有しているためである。（共鳴バンドＡにおいては、真空中の高速をｃとした場合、その群速度は約０．４６ｃ、共鳴バンドＡにおいては、約０．１８ｃと見積もられた。）。【００７３】  以上により、非線形応答のみではなく、関連したフォトニックバンド構造についても詳細に解明することにより、フォトニック結晶中の非線形応答は、フォトニックバンドの性質をコントロールすることにより、非常に効率的に制御することが可能であることを実証した。以上によって本発明で提案・実証した、新たらしいアプローチが、これまでの材料優先の研究スタイルに一石を投じる、有効な手法であることが示された。これらは高効率、全光・光スイッチング素子などの新規光変調・制御素子、実現に向けて、フォトニック結晶の優れたポテンシャル、その使用法を示す重要な発明である。【００７４】（フォトニック結晶の対称性の操作による光変調）
次にさらに効率的に光変調・制御・スイッチを行うため、フォトニック結晶の対称性の操作による光変調を提案し、それを実証するため、平面波展開法による光バンド計算解析を行った。【００７５】  前記対称性操作を用いた変調手法の概念図を、図１３に示す。参照記号３９は変調を行う前のフォトニック結晶部を示し、参照記号４０は変調時のフォトニック結晶部を示している。この手法の、本質は部分的に系の屈折率を変調することにより、フォトニック結晶の対称性を意図的に変化させ、そのバンド構造を通常の一様に変調する場合と比べ、より効果的に変調させるところにある。参照記号４１が変調部分になる。この例では正方格子を表しており、部分的に変調することにより、その対称性を点群においてＣ４ｖからＣ２ｖに変化させている。【００７６】  図１４は、正方格子の二次元フォトニック結晶において、図１３に示したような対称性操作を行った場合のバンド構造の変化を示したものである。変調前（４２）と比べ変調時（４３）のバンド構造では、参照記号４４で示したように対称性の高い点において変調前縮退していたバンドが、縮退が解かれ、スプリットしていることが分かった。同様に図１５は三角格子の二次元フォトニック結晶に対するバンド構造を示しているが、変調後、参照記号４７に示すようにＪ点において、同様に縮退が解かれ、バンドがスプリットしている。これらは、対称性の操作により、光バンド構造がより一様に変調するより効率的に変調できていることを示している。さらに三角格子の場合、Γ−Ｊ方向において、新たに光を透過しないフォトニックバンドが出現しており、これは、面内に対し入射した光の反射率、透過率を劇的に変化させるものであり、非常に画期的な手法であることが分かる。この対称性操作を用いた光変調・制御・スイッチの手法は、フォトニック結晶独自の特徴を活かしたものであり、他の従来手法では行うことができず、非常に新規性の高い発明である。【００７７】  以下、実施例により、本発明を具体的に説明する。
【実施例１】
【００７８】（フォトニック結晶素子構造の第１具体的態様）
図１は、本発明のフォトニック結晶素子構造の具体的な一態様を示す模式斜視図である。図１を参照して、この態様のフォトニック結晶素子においては、シリコン基材１上にＡｇクラッド層２が配置され、更に、該Ａｇクラッド層の上に、有機非線形光学材料を用いた周期的構造３（以下、この層をコア層と称する場合がある）が配置されている。この周期的構造３の内部には、円柱孔４が形成されており、また導波路５の形状とされている。ただし、上述したように本発明におけるこれらの材料はこれに限らず、無機材料、有機材料、半導体材料、およびそれらの組み合わせも使用可能である。【００７９】  非線形光学材料として、この図１の態様においては有機非線形光学材料を用いる。このように有機非線形光学材料を用いることにより、大きい非線形光学定数、高い作製・加工性、既存の光ファイバー・光導波路に対する高いカップリング効率を容易に得ることができる。更に、この図１に示す構造は低コストで作製可能であるため、大量生産への適用がより容易である。この態様においては、該有機非線形光学材料として、例えば、ゲストにディスパース・レッド（Ｄｉｓｐｅｒｓｅ  Ｒｅｄ）１（顔料、以下ＤＲ１と略記する場合がある）、ホストにＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）を用いた有機非線形光学ポリマーを用いることができる。ただし、上述したように本発明における非線形光学材料はこれに限らず、無機材料、有機材料、半導体材料、およびそれらの組み合わせも使用可能である。【００８０】（第１の態様の素子作製方法）
上記した第１の態様の作製方法は特に制限されないが、高精度加工性、高側壁垂直性、高アスペクト比加工性、極微細加工性の点からは、下記のような作製方法を用いることが好ましい。【００８１】  第１の素子構造（素子構造１）を作製するに際して、上記の非線形光学ポリマーに対して、本例では電子線リソグラフィーおよび反応性ガスを用いたＩＣＰドライエッチング等により高垂直性・高アスペクト比を持つ二次元フォトニック結晶導波路を作製する。本例においては、加工技術としてドライエッチング技術を用いたが、本発明における技術はこれに限らず、ナノインプリント技術、陽極酸化技術、化学エッチング技術、電子ビーム・集束イオンビーム・フォトンビームリソグラフィー技術、選択成長技術、レーザ加工技術等も用いることができる。【００８２】  本素子構造例の模式図を図１に示すように、この例においては二次元フォトニック結晶導波路を作製する。素子構造を作製するための具体的なプロセス、及び条件等は、本発明人が参考特許文献（特願２００３−３０７７１９号）において既に記載しているのでそちらで参照できる。【００８３】  以上の作製技術、作製プロセスにより、図１の構造を得ることができる。加工後の素子をノマルスキー光学顕微鏡（図２（ａ））およびＳＥＭ（走査電子顕微鏡）で観察した。図２（ｂ）は表面ＳＥＭ写真であり、図２（ｃ）は断面ＳＥＭ写真である。【００８４】（第２の素子構造）
第二の素子構造（素子構造２）として、非線形光学材料層と周期的構造層（フォトニック結晶部）を分離した２層コアを有する素子構造の模式斜視図を図３に示す。この構造は、第１の構造を改良したもので、非線形光学材料層と周期的構造層（フォトニック結晶部）を分離したことで非線形光学材料層に対し、プロセス上のダメージを軽減、回避すること、また導波時の無駄な散乱ロスも減らすことができる。また更にこの構造では、非線形材料に加工を行うことが必須でないため、該非線形材料としてＬｉＮｂＯ３等の一般的に加工性が良くない材料も容易に用いることができ、適用できる材料系および応用性が飛躍的に増大する。【００８５】  その第二の素子構造の作製法であるが、第１の態様の作製方法と同様に、特に制限はないが、具体的なプロセス、及び条件等は、本発明人が参考特許文献（特願２００３−３０７７１９号）において既に記載しているのでそちらで参照できる。【００８６】  上参考文献の作製技術、作製プロセスにより、非線形光学材料層と周期的構造層（フォトニック結晶部）を分離した非線形光学ポリマー二次元フォトニック結晶構造を得ることができる。加工後の素子のＳＥＭ写真を図４に示す。【００８７】（素子動作の設計および線形領域における光バンド構造評価）
素子動作の設計および評価を正確に行うためには、作製された非線形光学二次元フォトニック結晶導波路が、線形領域において、どのようなバンド構造をもつのか、理論的にシミュレーションすると同時に、実験的に直接観測することが、非常に有効である。理論計算に関しては、平面波展開法、Ｓ−Ｍａｔｒｉｘ法、Ｔ−Ｍａｔｒｉｘ法など様々な手法が考えられるが、本例では、設定構造の自由度が高く、精度の高い計算が行えることから、３次元時間領域差分（３Ｄ−ＦＤＴＤ）法をその光バンド計算手法として用いた。【００８８】  実験的には、角度走査偏光反射率測定を行い、反射スペクトルにおいて鋭い極小として現れる、光バンドモードと入射光との間の共鳴ピーク位置からフォトニックバンド構造を決定する。具体的には、タングステンハロゲンランプ、白色ＬＥＤ、白色レーザーなどによる白色光源、または単色レーザーなどによる単色光源を用いた各種偏光平行ビームを、微小なサンプル（パターニング）部に対して、集光入射し、白色光源の場合は、分光器及びＣＣＤ、フォトダイオード、フォトマルなどの受光器を用いて、単色光源の場合はＣＣＤ、フォトダイオード、フォトマルなどの受光器を用いて反射スペクトルを測定、更にビーム入射角、およびフォトニック結晶構造に対する面内ビーム進行角をそれぞれ走査し、スペクトルに現れる共鳴ピークの周波数シフトから、素子のフォトニックバンド分散曲線を追跡する。【００８９】  測定系の幾何学的対応模式斜視図を図５に示す。図５において、参照記号１９は入射光、２０は入射光角度、２１は面内光進行角度を示す。また用いた測定光学系の模式平面図は、本発明人が参考特許文献（特願２００３−３０７７１９号）において既に記載しているのでそちらで参照できる。【００９０】  この測定手法は、外部からエネルギー及び角度を走査した光を入射し、入射光と光バンドモードの共鳴結合により現れた反射スペクトルにおけるディップ位置を調べることで、光バンドのエネルギー及びｋベクトルを求めるものであり、基本的には光バンド構造において、外部光と結合可能な、空気のライトラインより上側の領域しか調べることはできない。しかしながら、エネルギー領域によっては、ほぼ全てのバンド構造を知ることが可能であり、また入射光との結合の際にプリズムカップリングを用いれば、ライトラインの下側（導波モード）を観測することも可能である。このように本手法は実験的な光バンド構造をほぼ全ての範囲において決定、調査することができる。【００９１】  このように理論・実験両面から光バンド構造を決定すれば、例えば所望の波長において非常に遅い群速度を持つ条件、素子における非線形光学過程を著しくエンハンスする動作条件などを正確に予見し、また素子が設計通りに作製されているかを迅速に評価でき、また後に素子の非線形応答において得られた素子性能をバンド構造の点から詳細に評価することが可能となる。【００９２】  例として、素子構造２の構造であり、フォトニック結晶周期８００ｎｍ、正方格子構造をもつ素子に対して、光源としてタングステンハロゲン白色光源、受光器として分光器付き液体窒素冷却式ＣＣＤを用いて得られたＴＥ偏光に対する角度走査偏光反射率測定の結果を図６��示す。この図のグラフにおいて、各入射角度に対する反射スペクトルはそれぞれ、見やすくさせるため０．４ずつシフトアップさせてある。またこれも見やすくするため、入射角度を５度おきずつプロットしているが、実際の測定では、より細かく入射角度ステップを設定し、データを取得している。【００９３】  さらに前期角度走査偏光反射スペクトル例から得られた実験的光バンド構造、及び３次元時間領域差分（３Ｄ−ＦＤＴＤ）法によって計算された理論的光バンド構造を図７に示す。理論及び実験で得られた両光バンド構造は良い一致を示し、設計通りに素子が作製できていることが分かる。またこれにより、本素子を非線形動作させる場合、使用するレーザーの波長においてどのようなバンドが形成されているか、また共鳴結合がなされる実験条件、そして応答のメカニズムなどを正確に知ることができる。【００９４】  本例では図７に示したようなエネルギー領域であったが、これは結晶周期・サイズを変えればその縦軸のエネルギーは自由に変えることができる。【００９５】  また、図７の光バンド構造において実際に実験的に非常に遅い群速度を持つバンドが形成されていることが確かめられ、このことは、通常の一様媒質素子と比較して、本素子における光変調効率がはるかに増強する可能性があることを示している。【００９６】（光変調・制御の評価）
次に、上記素子を用いて光変調・制御を提案する技法において行った。本例では、光変調・制御において、簡易的に素子動作の評価を行うため、強度を変えた１ビームのみを用いて評価し、制御光、信号光を区別していない。本発明素子の動作方法はもちろんこの手法にまったく限らず、非線形効果により屈折率変化を起こさせる制御光、及びその変調による変化を検知する信号光を、独立に用いることで、それぞれ異なる波長、角度、タイミングで動作させることができる。また、各光ビーム入射に関しても、本例では素子の上部から行ったが、導波路等を用いて面内方向から入射することも可能であり、また、もちろん下部からも可能である。さらに変調による効果を本例は反射率変化として捉えているが、ビームを透過させることにより透過率変化として捉えることも可能である。【００９７】  さらに本例では、変調・スイッチスピードの面で最も有利な、入射光レーザーパルス（制御光）を用いた素子内の非線形光学材料の３次の非線形光学効果による屈折率変化を基にして、光変調を行っているが、この屈折率を変調する手法は、場合によっては光による変調だけでなく、電圧印加、電流注入、磁場印加、温度変調、圧力変調などの手法を用いても良い。【００９８】  また、本例では、本発明素子の光変調素子、光スイッチ素子としての動作評価を主に行っているが、本発明素子および本発明提案動作手法の応用可能な対象は特に制限はなく、光通信機能素子、光フィルター素子、光演算素子、光双安定素子、光応答素子、光パルス発信素子、位相共役光発生素子、波長変換素子、分散補償素子等に好適に利用可能である。【００９９】  本例においては、素子の屈折率および光バンド構造を変調し、且つ変調の効果を検知するための入射光を、フォトニック結晶に対する入射角度を走査し、またその強度を変えて入射した。本例では、入射光として繰り返し周波数１ｋＨｚ、パルス幅約２ｐｓ、波長８００ｎｍのＴｉサファイアレーザーを用い、試料からの反射光は、フォトダイオードで受光しボックスカー積分器を通して信号をコンピューターに取り込んだ。レーザー、受光器はもちろんこれに限らず、所望の波長等の条件により、他の様々なものを利用可能である。入射光学系、およびステージ等の試料保持部は、上述した角度走査偏光反射測定のものと同様である。【０１００】  光バンド測定を行った上記、第２の素子構造に対して、前記レーザーを用い、まず線形領域と見なせる弱いレーザーパワーにおいて、入射角度１５度から６５度の範囲で行った反射率の入射角度依存性の結果を図８に示す。測定は本例ではＴＥ偏光にて行い面内ビーム進行角度はΓ−Ｘ方向に固定した。【０１０１】  図８に示したように、角度走査した反射スペクトルにおいて、フォトニックバンド共鳴に起因する幾つかの非常に明瞭な鋭いディップが観測された。このディップ位置が入射光と素子の光バンドモードとの共鳴結合角度を表している。【０１０２】  次に非線形光学効果により、実際に同素子に対し本提案手法を用いて光変調・制御・スイッチ動作を確認するため、上記使用レーザーの強度を変え、各強度に対する反射率の入射角度依存性を測定した。その際、図８の線形領域の結果において現れた光バンド共鳴のな���で、特に強い共鳴として現れた参照記号２６の共鳴角度付近（以下、共鳴点Ａと称する）、及び参照記号２７の共鳴角度付近（以下、共鳴点Ｂと称する）の入射角度において、その非線形反射率変化を詳細に調べた。【０１０３】  図９において、共鳴点Ａ付近の各入射レーザー強度に対する反射率の入射角度依存性を示す。同様に、図１０において、共鳴点Ｂ付近の各入射レーザー強度に対する反射率の入射角度依存性を示す。この結果、両フォトニックバンド共鳴は、入射レーザー強度の変化により、顕著な反射スペクトルにおける共鳴ディップポジションのシフト、及び非常に大きな反射率変化を観測することに成功した。共鳴点Ｂにおいては、規格化した反射率変化が８０％程度の大きな反射率変化を観測した。（共鳴点Ａでは７％程度）【０１０４】  さらに、さらに共鳴点Ａ、Ｂという異なるバンドに属する２つの共鳴ピークは、それぞれ角度シフト量が大きく異なり、且つシフトの方向さえも異なることが判明した。同試料に対する実験的・理論的な光バンド構造の検証から、これらの新規現象は、光バンドの低群速度効果による屈折率変化の増大効果、低分散バンドによる巨大ｋベクトルシフト効果、そして光バンド分散の傾きの正負がその原因として作用していることが分かった。【０１０５】  以下、これらの現象を対応するバンド構造を考えることにより、さらに詳細に説明する。図１１に光バンド構造計算から得られた、対応する上記共鳴バンド付近の光バンド構造を示す。参照記号２８の点が共鳴点Ａを、そして参照記号２９の点が共鳴点Ｂを示している。また参照記号３０で示した直線は、共鳴点Ａの共鳴角度において入射した場合の各光エネルギーに対する入射光の面内のｋベクトルの値を示している。参照記号３１は同様に共鳴点Ｂに対するそれを示している。参照記号３２は真空中のライトラインである。このことから、入射光のエネルギーラインと前述のそれぞれのラインが交差する点が、各共鳴点になることが分かる。そしてその共鳴点を横切るバンドが、それぞれの非線形応答に寄与している光バンドである（図１１において灰色線で示している。）。【０１０６】  また、さらにこれらの対応する光バンドが入射光の強度変化に対しどう変化するか、わかりやすく示すため、模式的に表したものが図１２である。参照記号３３で示したものが、共鳴点Ａに対応する光バンドの変化、参照記号３４で示したものが、共鳴点Ｂに対応する光バンドの変化である。参照記号３７で示した実線が低パワー入射の場合の光バンド、参照記号３８で示した点線が高パワーで入射で変調された光バンドを模式的に示している。この図１２から、群速度の遅いバンド、つまり共鳴点Ｂに対応するより傾きの小さいバンドの方が、そうでないものと比べ、同じ程度の周波数変化であっても、より大きなｋベクトルの変化が起きることが分かる。これにより、より大きく共鳴角度は変化し、結果として大きな反射率変化として測定に表れている。さらに共鳴点Ｂのようなより遅い群速度のバンドは、入射光の電場が素子内で大きく増強されるため、屈折率変化、つまりバンドの周波数変化自体もより大きくなる。よって、本提案の光変調・制御・スイッチの手法は、低群速度バンドを使用することにより、２重��大きな効率増強効果を実現できる。【０１０７】  以上の解析から、共鳴点Ａにおいては、３次の有効非線形感受率がχ（３）ｅｆｆ．＝＋６．３７×１０（ｅｓｕ）、共鳴点Ａにおいては、χ（３）ｅｆｆ．＝＋１．３３×１０−１０（ｅｓｕ）という非常に大きな値が得られた。これは、共鳴効果により効率的に光が入射し共鳴結合した光モードが素子内に局在されたこと、そして共鳴バンドが非常に遅い群速度を有しているためである。（共鳴バンドＡにおいては、真空中の高速をｃとした場合、その群速度は約０．４６ｃ、共鳴バンドＡにおいては、約０．１８ｃと見積もられた。）。【０１０８】  以上により、非線形応答のみではなく、関連したフォトニックバンド構造についても詳細に解明することにより、フォトニック結晶中の非線形応答は、フォトニックバンドの性質をコントロールすることにより、非常に効率的に制御することが可能であることを実証した。以上によって本発明で提案・実証した、新たらしいアプローチが、これまでの材料優先の研究スタイルに一石を投じる、有効な手法であることが示された。これらは高効率、全光・光スイッチング素子などの新規光変調・制御素子、実現に向けて、フォトニック結晶の優れたポテンシャル、その使用法を示す重要な発明である。【０１０９】（フォトニック結晶の対称性の操作による光変調）
次にさらに効率的に光変調・制御・スイッチを行うため、フォトニック結晶の対称性の操作による光変調を提案し、それを実証するため、平面波展開法による光バンド計算解析を行った。【０１１０】  前記対称性操作を用いた変調手法の概念図を、図１３に示す。参照記号３９は変調を行う前のフォトニック結晶部を示し、参照記号４０は変調時のフォトニック結晶部を示している。この手法の、本質は部分的に系の屈折率を変調することにより、フォトニック結晶の対称性を意図的に変化させ、そのバンド構造を通常の一様に変調する場合と比べ、より効果的に変調させるところにある。参照記号４１が変調部分になる。この例では正方格子を表しており、部分的に変調することにより、その対称性を点群においてＣ４ｖからＣ２ｖに変化させている。【０１１１】図１４は、正方格子の二次元フォトニック結晶において、図１３に示したような対称性操作を行った場合のバンド構造の変化を示したものである。変調前（４２）と比べ変調時（４３）のバンド構造では、参照記号４４で示したように対称性の高い点において変調前縮退していたバンドが、縮退が解かれ、スプリットしていることが分かった。同様に図１５は三角格子の二次元フォトニック結晶に対するバンド構造を示しているが、変調後、参照記号４７に示すようにＪ点において、同様に縮退が解かれ、バンドがスプリットしている。これらは、対称性の操作により、光バンド構造がより一様に変調するより効率的に変調できていることを示している。さらに三角格子の場合、Γ−Ｊ方向において、新たに光を透過しないフォトニックバンドが出現しており、これは、面内に対し入射した光の反射率、透過率を劇的に変化させるものであり、非常に画期的な手法であることが分かる。この対称性操作を用いた光変調・制御・スイッチの手法は、フォトニック結晶独自の特徴を活かしたものであり、他の従来手法では行うことができず、非常に新規性の高い発明である。
【図面の簡単な説明】
【０１１２】
【図１】本発明の素子形態（素子構造１）の実施例を示す構造図である。
【図２】本発明の素子構造作製（素子構造１）の実施例を示す図である。
【図３】本発明の素子形態（素子構造２）の実施例を示す構造図である。
【図４】本発明の素子構造作製（素子構造２）の実施例を示す図である。
【図５】本発明の素子評価方法の実施例を説明するための模式斜視図である。
【図６】本発明の素子評価の実施例を説明するためのグラフである（角度走査偏光反射スペクトルを示している）。
【図７】本発明の素子評価の実施例を説明するためのグラフである（非線形フォトニック結晶導波路のフォトニックバンド構造を示している）。
【図８】本発明の素子評価の実施例を説明するためのグラフである（反射率の入射角度依存性を示している）。
【図９】本発明の素子評価の実施例を説明するためのグラフである（共鳴点Ａ付近の各入射レーザー強度に対する反射率の入射角度依存性を示している）。
【図１０】本発明の素子評価の実施例を説明するためのグラフである（共鳴点Ｂ付近の各入射レーザー強度に対する反射率の入射角度依存性を示している）。
【図１１】本発明の素子評価の実施例を説明するためのグラフである（共鳴点Ａ及びＢ付近のフォトニックバンド構造を示している）。
【図１２】本発明の素子評価の実施例を説明するための模式図である（共鳴点Ａ及びＢのバンド変化の模式図を示している）。
【図１３】本発明の素子評価の実施例を説明するための模式図である（対照性操作の概念図を示している）。
【図１４】本発明の素子評価の実施例を説明するためのグラフである（正方格子のフォトニックバンド構造を示している）。
【図１５】本発明の素子評価の実施例を説明するためのグラフである（三角格子のフォトニックバンド構造を示している）。
【符号の説明】
【０１１３】１  基板（Ｓｉ）
２  金属クラッド層（Ａｇ）
３  非線形フォトニック結晶コア層（ＤＲ１／ＰＭＭＡ）
４  円柱孔
５  入力用、出力用導波路
６  非線形フォトニック結晶構造部領域
７  非パターニング領域（参照用）
８  入力用、出力用導波路
９  入力用、出力用導波路
１０  基板（Ｓｉ）
１１  金属クラッド層（Ａｇ）
１２  非線形フォトニック結晶コア層（ＤＲ１／ＰＭＭＡ）
１３  基板（Ｓｉ）
１４  金属クラッド層（Ａｇ）
１５  非線形材料層
１６  酸化物保護・分離層（ＳｉＯ２）
１７  フォトニック結晶準コア層（ＰＭＭＡ）
１８  マスク層
１９  入射光
２０  入射光角度
２１  面内光進行角度
２２  入射光角度
２３  フォトニックバンド構造計算から得られた光バンド構造の計算値
２４  角度走査偏光反射率測定から得られた光バンド構造の実験値
２５  空気ライトらイン
２６  共鳴Ａ
２７  共鳴Ｂ
２８  共鳴Ａ
２９  共鳴Ｂ
３０  共鳴Ａ入射ライン
３１  共鳴Ｂ入射ライン
３２  空気ライトライン
３３  共鳴Ａバンド
３４  共鳴Ｂバンド
３５  高群速度バンド
３６  低群速度バンド
３７  低パワー入射時
３８  高パワー入射時
３９  非変調時
４０  変調時
４１  変調部
４２  非変調時
４３  変調時
４４  スプリット点
４５  非変調時
４６  変調時
４７  スプリット点
【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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