(57)【要約】【課題】外部からの電流印加による可変特性機能を有するフォトニック結晶光導波路素子とその作製方法、及び当該素子を利用した光通信用高機能デバイスを提供する。【解決手段】フォトニック結晶光導波路において可変特性を持たせたい領域のコア近傍にポリマー及びヒーターを導入し、上部クラッドの一部となったポリマーを加熱して屈折率を変化させることで、その伝搬特性を制御する。特に、フォトニック結晶導波路のブラッグ遮断特性や波長分散特性等が電流制御できることを利用して、高性能光スイッチや可変波長フィルタ等の光通信用デバイスを構成することが可能となる。【選択図】図１
2005037684.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フォトニック結晶導波路のクラッドの一部にポリマーを有し、その近傍にポリマーを加熱する手段を設けてフォトニック結晶導波路の導波特性あるいは遮断特性を制御できることを特徴とするフォトニック結晶導波路
【請求項２】
ヘテロ構造を有するフォトニック結晶を少なくとも一部に用いることを特徴とする請求項１記載のフォトニック結晶導波路
【請求項３】
自己クローニング法により作製されたフォトニック結晶を少なくとも一部に用いることを特徴とする請求項１記載のフォトニック結晶導波路
【請求項４】
自己クローニング法により作製されたヘテロ構造を有するフォトニック結晶を少なくとも一部に用いることを特徴とする請求項１記載のフォトニック結晶導波路
【請求項５】
フォトニック結晶のＸ点またはΓ点付近において動作することを特徴とする請求項１または請求項２または請求項３または請求項４記載のフォトニック結晶導波路
【請求項６】
請求項１または請求項２または請求項３または請求項４のフォトニック結晶導波路を用いることにより温度特性補償または枝の位相量調節を行うことを特徴とするフォトニック結晶導波路
【請求項７】
複数のブラッグ遮断部分を含む共振器が請求項１または請求項２または請求項３または請求項４で記載されるフォトニック結晶導波路で構成され共通のポリマー制御部で共振波長が変化できることを特徴とする光共振器
【請求項８】
一括可変または個別に可変な複数のブラッグ遮断部分をもつ，または周期が連続的に変化していて，１個以上のポリマー制御部分により，動作波長に依存するブラッグ反射の生ずる位置が可変であるような、請求項１または請求項２または請求項３または請求項４記載のブラッグ反射導波路
【請求項９】
方向性結合器動作をする近接した２本のフォトニック結晶導波路が請求項１または請求項２または請求項３または請求項４の特徴を持ち，制御ポリマーを共有していることにより可変の結合度をもつことを特徴とする方向性結合器
【請求項１０】
フォトニック結晶導波路で構成された３ｄＢ方向性結合器を用いたマッハツェンダー回路の二つの枝の少なくとも一方に請求項１または請求項２または請求項３または請求項４のフォトニック結晶導波路を含むことを特徴とする光デバイス
【請求項１１】
請求項１０のデバイス中のマッハツェンダー回路の二つの枝それぞれが等しい特性を持つ請求項７記載の共振器またはそれぞれ等しい請求項８記載のブラッグ反射導波路を設けることを特徴とする光回路
【請求項１２】
請求項１または請求項２または請求項３または請求項４で記載されたフォトニック結晶導波路が導波路に斜めな周期構造をもち，動作波長において波が透過する，またはブラッグ遮断により斜め方向へ反射される，の一方がポリマー制御部で切り替えられることを特徴とする可変ブラッグ反射器
【請求項１３】
複数個のフォトニック結晶が一つ以上の点で交差しており，各導波路は請求項１または請求項２または請求項３または請求項４の特徴をもち，交差部の一つ以上は複数の導波路に共有されたポリマー部分によって光路が直進するまたは斜めブラッグ反射により他方の導波路へ移るか制御されることを特徴とする光スイッチ
【請求項１４】
請求項１または請求項２または請求項３または請求項４のフォトニック結晶導波路を用いることにより波長依存性または入射角依存性を制御できることを特徴とするスーパープリズム作用をもつフォトニック結晶導波路
【請求項１５】
直線導波路または曲がり導波路において請求項１または請求項２または請求項３または請求項４の構造を付与して形成されることを特徴とする可変光減衰器
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フォトニック結晶の主として光通信への応用に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
フォトニック結晶はサブミクロンないしミクロンの周期をもつ2次元的または3次元的周期構造体であって、新しい光学材料として広い範囲での応用が期待され、一部ですでに実用化が始まっている革新的な技術である。利用される方面は、偏光選択、波長選択、波長に強く依存する遅延・屈折による遅延等化・波長選択などの誘電機能が主である。それらは大変興味ある性質であるが、一面それは特性が固定された受動的な回路機能である。その適用域を広げるには、それに何らかの可変特性機能を付与する事が望ましいが、従来そのような手段は知られていなかった。従って，フォトニック結晶導波路素子の重要な種類である共振器，ブラッグ反射器，方向性結合器，スーパープリズム，減衰器において特性の可変なものは存在せず，またスイッチ，温度特性補償器として挙げるべきものも見あたらなかった。
【０００３】
最近、フォトニック結晶と液晶とを組み合わせた可変機構を有するフォトニック結晶が提案されている（特許文献１）。これによると、導波路型のフォトニック結晶のクラッド部分に液晶を装荷することで、クラッドの屈折率を電界によって調節し、導波モードの伝搬定数を制御するものである。フォトニック結晶導波路としては、特許文献２に述べられている自己クローニング形を用いる。本手法は極めて安定にフォトニック結晶を形成できるため、実用化に適した手法である。
しかしながら、液晶を用いた屈折率制御ではいくつかの問題点がある。一つは屈折率の変化が異方的であることである。そもそも液晶は針状の分子からできており、その方向を制御するものであるため、光の伝搬方向に対して、あるいは偏波方向に対して同じ屈折率の変化量を与えることは不可能である。もう一つは、液晶では分子の方向を揃えることが重要であり、液晶を装荷する下地基板の配向処理プロセスは複雑になる。
【特許文献１】特願２００２−２４７７８３
【特許文献２】特開２００１−８３３２１号公報
【特許文献３】特開２００１―９１７０１
【非特許文献１】川上彰二郎、花泉修、佐藤尚、大寺康夫、川嶋貴之、安田納章、竹井良彦、三浦健太：「自己クローニングによる3次元フォトニック結晶の作製と応用」電子情報通信学会論文誌Ｃ−Ｉ、Ｖｏｌ．Ｊ１８１−Ｃ−Ｉ、Ｎｏ．１０、ｐｐ．５７３−５８１．
【非特許文献２】Ｔ．Ｂａｂａ，ｅｔ  ａｌ．，“Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｌｉｇｈｔ  ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ  ｉｎ  ｐｈｏｔｏｎｉｃ  ｃｒｙｓｔａｌ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ  ｗｉｔｈ  ｂｅｎｄｓ，”Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．  Ｌｅｔｔ．，  ｖｏｌ．３５，ｎｏ．８，  ｐｐ．  ６５４−６５５，Ａｐｒｉｌ  １９９９．
【非特許文献３】川嶋貴之、藤村厚、佐藤尚、川上彰二郎、「フォトニック結晶の自己クローニング法による作製技術」、日本結晶成長学会誌、ｖｏｌ．２８，Ｎｏ．１，ｐｐ．１３−１８，２００１年）
【非特許文献４】Ｓ．Ｓｕｚｕｋｉ,“Ｒｅｃｅｎｔ  ｐｒｏｇｒｅｓｓ  ｏｎ  ＷＤＭ  ｆｉｌｔｅｒｓ  ａｎｄ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｓｗｉｔｃｈｅｓ  ｕｓｉｎｇ  ｓｉｌｉｃａ−ｂａｓｅｄ  ｐｌａｎａｒ  ｌｉｇｈｔｗａｖｅ  ｃｉｒｃｕｉｔ  ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，”  Ｓｅｖｅｎｔｈ    Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  ａｎｄ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ（ＯＥＣＣ２００２）  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｄｉｇｅｓｔ，  １１Ｂ２−１，ｐｐ．  ４３２−４３３，Ｊｕｌｙ  ２００２．
【非特許文献５】Ｈ．Ｋｏｓａｋａ，ｅｔ  ａｌ．，“Ｓｕｐｅｒｐｒｉｓｍ  ｐｈｅｎｏｍｅｎａ  ｉｎ  ｐｈｏｔｏｎｉｃ  ｃｒｙｓｔａｌｓ，”Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｂ，ｖｏｌ．  ５８，Ｎｏ．１６，ｐｐ．Ｒ１００９６−Ｒ１００９９，１５  Ｏｃｔｏｂｅｒ  １９９８．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は上記の液晶によるフォトニック結晶制御機構の問題点であった、異方的な屈折率変化と配向の煩雑さを解決するためのものである。本発明の目的は、ポリマー材料の熱光学効果を利用して、フォトニック結晶導波路を伝搬する光の伝搬定数を変化させることで、位相変化量、バンドギャップや群速度を制御し、スイッチ、波長フィルタ、分岐、群遅延などの可変機能を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は以下の通りである。
（１）フォトニック結晶導波路のクラッドの一部にポリマーを有し、その近傍にポリマーを加熱する手段を設けてフォトニック結晶導波路の導波特性あるいは遮断特性を制御できることを特徴とするフォトニック結晶導波路
（２）ヘテロ構造を有するフォトニック結晶を少なくとも一部に用いることを特徴とする上記（１）記載のフォトニック結晶導波路
（３）自己クローニング法により作製されたフォトニック結晶を少なくとも一部に用いることを特徴とする上記（１）記載のフォトニック結晶導波路
（４）自己クローニング法により作製されたヘテロ構造を有するフォトニック結晶を少なくとも一部に用いることを特徴とする上記（１）記載のフォトニック結晶導波路
（５）フォトニック結晶のＸ点またはΓ点付近において動作することを特徴とする上記（１）または（２）または（３）または（４）記載のフォトニック結晶導波路
（６）上記（１）または（２）または（３）または（４）のフォトニック結晶導波路を用いることにより温度特性補償または枝の位相量調節を行うことを特徴とするフォトニック結晶導波路
（７）複数のブラッグ遮断部分を含む共振器が上記（１）または（２）または（３）または（４）で記載されるフォトニック結晶導波路で構成され共通のポリマー制御部で共振波長が変化できることを特徴とする光共振器
（８）一括可変または個別に可変な複数のブラッグ遮断部分をもつ，または周期が連続的に変化していて，１個以上のポリマー制御部分により，動作波長に依存するブラッグ反射の生ずる位置が可変であるような、上記（１）または（２）または（３）または（４）記載のブラッグ反射導波路
（９）方向性結合器動作をする近接した２本のフォトニック結晶導波路が上記（１）または（２）または（３）または（４）の特徴を持ち，制御ポリマーを共有していることにより可変の結合度をもつことを特徴とする方向性結合器
（１０）フォトニック結晶導波路で構成された３ｄＢ方向性結合器を用いたマッハツェンダー回路の二つの枝の少なくとも一方に上記（１）または（２）または（３）または（４）のフォトニック結晶導波路を含むことを特徴とする光デバイス
（１１）上記（１０）のデバイス中のマッハツェンダー回路の二つの枝それぞれが等しい特性を持つ上記（７）記載の共振器またはそれぞれ等しい上記（８）記載のブラッグ反射導波路を設けることを特徴とする光回路
（１２）上記（１）または（２）または（３）または（４）で記載されたフォトニック結晶導波路が導波路に斜めな周期構造をもち，動作波長において波が透過する，またはブラッグ遮断により斜め方向へ反射される，の一方がポリマー制御部で切り替えられることを特徴とする可変ブラッグ反射器
（１３）複数個のフォトニック結晶が一つ以上の点で交差しており，各導波路は上記（１）または（２）または（３）または（４）の特徴をもち，交差部の一つ以上は複数の導波路に共有されたポリマー部分によって光路が直進するまたは斜めブラッグ反射により他方の導波路へ移るか制御されることを特徴とする光スイッチ
（１４）上記（１）または（２）または（３）または（４）のフォトニック結晶導波路を用いることにより波長依存性または入射角依存性を制御できることを特徴とするスーパープリズム作用をもつフォトニック結晶導波路
（１５）直線導波路または曲がり導波路において上記（１）または（２）または（３）または（４）の構造を付与して形成されることを特徴とする可変光減衰器
【発明の効果】
【０００６】
フォトニック結晶の作製方法としては、スパッタエッチングをその一部に含む周期多層膜作製方法が定常形状の自己探索・複製効果をもつので有効である（特許文献２）。本特許願では，その方法を「自己クローニング法」と呼ぶ。なおやや狭義に拡散性デポジションと併用するものにも用いられ、スパッタエッチングとスパッタ製膜との組み合わせによる製膜方法に用いたことがある（非特許文献１）。なお，いわゆるＥＣＲスパッタリングなどのように，名前にはスパッタエッチングと明示されないが実体としてスパッタエッチング効果を有するプロセスは上の範疇に含まれる。
【０００７】
ヘテロ構造フォトニック結晶（あるいは格子変調されたフォトニック結晶ともいう）とは，格子タイプまたは格子方位または格子定数などの異なる周期構造が境を接してあるいは徐々に移り変わりながら形成されていることを表す言葉である。各領域はそれぞれ異なる光学的性質を持つように設計可能である。それを作製する最も便利な方法は次の通りである。基板平面上に隣接して周期構造の格子タイプまたは格子定数の異なる複数個の領域の凹凸パターンを設け，その上に自己クローニングによりフォトニック結晶を製膜して，ヘテロ構造フォトニック結晶が得られる。厚さ方向に格子定数を変化させることも勿論可能である。
【０００８】
次にフォトニック結晶導波路の導波特性の制御について、ここでは簡単のため、２次元モデルの導波領域を用いて説明する。図２には、フォトニック結晶の上側クラッドの一部が均一な誘電体で置き換えられた、紙面に垂直な方向には一様な導波路を示す。円柱列２０１はコアを形成する２次元フォトニック結晶、直径の小さな円柱列２０２はクラッドを形成する２次元フォトニック結晶で、異種のフォトニック結晶から形成されると云う意味でヘテロ構造フォトニック結晶導波路である。コア部分は比較的高い平均的誘電率を、クラッドはより低い平均的誘電率をもつ。そのコア・クラッド構造で導波される光は一様な誘電体層２０３に電磁界の裾を有する。誘電体の誘電率が高く/低くなると、導波モードの実効屈折率（伝搬定数/真空中波数）も高く/低くなる。
【０００９】
フォトニック結晶導波路では、モードの導波域が重要であるのと同じく、ブラッグ反射による遮断域も重要である。実際、フォトニック結晶固有の機能の多くはブラッグ領域で実現される。ヘテロ構造フォトニック結晶導波路において、遮断域も導波域同様に一様な誘電体層で制御できる。詳細は特許文献１で説明したが、ここでは結論を示す。すなわち、ブラッグ遮断域でも電磁界の横方向（伝搬方向に垂直な面内）の閉じ込めは、ブラック遮断域の外で定義された電磁界分布から推測できること、導波モードのバンドギャップはコアとクラッドのそれぞれの領域のバンドギャップに電磁界分布のパワーの重み付けで近似的に得られる。したがって、クラッドの一部に一様なポリマー材料（バンドギャップ＝０）を用いても、適切な電磁界成分がクラッド内に存在すれば、導波モードは漏れのないブラッグ遮断の特性を示す。
【００１０】
また、クラッドに設けられた一様な誘電体の比誘電率（εＤとする）が外部からの制御信号によって値が増減する場合には、たとえばεＤが大きくなって伝搬定数βが小さくなる（例えば１％）と、導波路のブラッグ遮断周波数域はそれに対応して（この例では同じく１％）低い周波数帯に移動する。
【００１１】
以上説明したように，フォトニック結晶導波路においてクラッドの一部分をポリマーなど他の誘電体で置き換えると種々の可変特性が実現でき，導波特性を制御できる。（ここでいう導波特性とは，βが実数である通常の伝搬域の特性，複素数となるブラッグ遮断域，あるいは漏れ波などの特性を総称する意味である。）この効果を利用するには，コアとクラッドが同様のフォトニック結晶で形成されたヘテロ構造フォトニック結晶導波路が好適である。但し，いわゆるスラブ形フォトニック結晶導波路（非特許文献２）でも導波路中心部とポリマーとの間に適宜な距離をおくべくバッファ層を設けることにより、以降で述べる概念を適用することが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
はじめに、可変機構を付加するためのヘテロ構造フォトニック結晶導波路について説明する。本発明を適用させる特に適した構造として、自己クローニング型フォトニック結晶の格子変調技術を利用した光導波路が挙げられる。その構成例と動作原理を説明する。
図４（ａ）に示すのは、格子定数の異なる複数の２次元フォトニック結晶領域のヘテロ構造からなる、「格子定数変調型」光導波路の具体的な構成の一例である。この構造は、例えば電子ビームリソグラフィとドライエッチングなどの組み合わせによって表面に周期的な凹凸を形成した基板４０１の上に、高屈折率の透明材料４０２と低屈折率の透明材料４０３を交互に、前記の自己クローニング法のプロセスによって積層することで形成される。高屈折率材料としては、例えばアモルファスＳｉ（ａ−Ｓｉ）や五酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）、五酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）、酸化チタン（ＴｉＯ２）などを用いる。また低屈折率材料には、石英（ＳｉＯ２）などを用いる。この際、前記の通り、初期の基板上の凹凸に場所による変化を付けておき、また透明材料４０２及び透明材料４０３の厚さを多層膜の最下層から最上層までの間の一部で変化させることで、格子定数の異なる領域（図４（ｂ）の４０５〜４０８）が立体的に組み合わされたヘテロ構造フォトニック結晶を形成する（特許文献３）。基板上の凹凸形状と、自己クローニングによる定常的な波型形状をつなぐために、基板とほぼ同じ屈折率を持つ材料による整形層４０４を基板４０１と多層膜第一層目の間に積層してもよい。これは本発明において現れる全ての自己クローニング型多層膜に共通する。後の説明のために、図４（ｂ）には図４（ａ）のヘテロ構造フォトニック結晶の断面を、格子定数の一定な領域毎に分けて描いたものを示しておく。
【００１３】
図５に格子変調技術によるフォトニック結晶導波路の、別の構成例を示す。本構造では、図４（ｂ）の領域４０５，４０７がともに平坦な交互多層膜、すなわち１次元フォトニック結晶から構成される。図５において、Ｂｌｏｃｈ波数ベクトルがｚ方向を向くｙ偏波に対する実効屈折率は、一般に１次元結晶領域中での値の方が２次元結晶領域中での値よりも大きくなる。従って本構成でも、各領域の屈折率の大小関係は図４と類似したものとなる。
【００１４】
図６には格子変調技術によるフォトニック結晶導波路の、また別の構成例を示す。これは凹凸多層膜からなる２次元自己クローニング型結晶において、結晶方位を図のｙｚ面内で角度θだけずらして、複数の領域を組み合せたものである。結晶の各部分は前述のとおり、入射光に対し人工的な異方性媒質として振舞うので、多層膜の層数、膜厚の変調の程度や結晶方位の折れ曲がり角度θなどを適切に設定すれば、屈折率差による光閉じ込め構造を実現することができる。ここに、θは例えば１０度から３０度程度の角度とする。図６の例では、光は断面内の領域６０１に閉じ込められ、結晶方位をずらして形成したクラッド６０２に挟まれた領域６０３に沿って伝搬する。以上示した光導波路の構成例は、自己クローニング法によるフォトニック結晶を用いて実現することができる構造のほんの一例であり、導波路の形態はこれに限られるものではない。
【００１５】
ところでフォトニック結晶は、その単位構造の形状や寸法が、使用する光の波長に対しある一定の条件を満たす場合に、その波長の光に対し異方性の透明媒質であるかのように振舞う。例えば図４（ａ）の構造において、透明材料４０２が屈折率ｎ＝２．１の五酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）、透明材料４０３が屈折率ｎ＝１．５の石英（ＳｉＯ２）であるとし、図中にＬｘ１，Ｌｘ２で示した積層方向の格子定数がそれぞれＬｘ１＝０．７３μｍ、Ｌｘ２＝０．６２μｍ、水平方向の格子定数Ｌｙ１,Ｌｙ２がそれぞれＬｙ１＝０．６２μｍ、Ｌｙ２＝１．０９５μｍとする。このとき、例えば同図中で電界ベクトルの主成分がy方向を向き、z方向にＢｌｏｃｈ波数ベクトルｋｚを持つ波長１．５５μｍの光に対して結晶の各部は透明材料として機能する。図７（ａ）には図４（ｂ）の各断面領域のうち、領域４０５の部分の膜構造の一例を示した。このような構造中をｚ軸方向に進行する光の実効的な屈折率ＮｅｆｆはＢｌｏｃｈ波数ベクトルｋｚと、その光の真空中の波数ｋ０（＝２π／λ、λは真空中の波長）の比で表され、これはフォトニック・バンド構造から求めることができる。図８に、図７（ａ）の構造中をｚ方向に伝搬する、主としてｙ方向の電界成分を持つモードのフォトニック・バンド構造を有限差分時間領域法（ＦＤＴＤ法）で計算したものを示す。この場合の当該結晶領域の実効屈折率Ｎｅｆｆ＝ｋｚ／ｋ０は、図８の最低次バンドにおいて、原点から動作点まで引いた直線の傾きの逆数で与えられる。例えば波長λ＝１．５５μｍでは動作点は８０１であり、この点での実効屈折率は約１．８３５と求められる。同様の計算によれば図４（ｂ）の領域４０６、４０７、４０８の実効屈折率はそれぞれ１．８２２,１．８１８， １．８１０となり、最終的にこの結晶は領域４０５をコアとする、チャネル型光導波路として機能することになる。導波モードの光は図４（ｂ）の領域４０９に閉じ込められ、z方向に伝搬する。この際、コア領域４０５の寸法の一例は、ｘ方向には多層膜が５．５周期、厚さ約４．０μｍ, ｙ方向には格子７周期分、幅で約４．３μｍとなる。この例のように、格子変調の空間的な配置を適切に設定することで、フォトニック結晶の各領域を光導波路のコア、あるいはクラッドとして機能させることができる。
【００１６】
なおフォトニック結晶による導波路において、フォトニック・バンドギャップや強い波長分散性などの効果を利用する際には、導波路が光の伝搬方向に対しても周期的な構造を有していることが望ましい。例えば図６に示した導波路は、そのような構造の一例である。このような周期性導波路における、膜の断面構造とフォトニック・バンド構造の関係の一例を説明しておく。たとえば図７（ａ）のような断面形状を持つ周期構造において、ｙ方向にＢｌｏｃｈ波数ベクトルを持ち、ｚ方向に偏光した光のフォトニック・バンド構造は図９のようになる。なおこのバンド構造はＦＤＴＤ法にて計算した。ここで横軸の値が０の位置（これをΓ点と呼ぶ）では、符号９０１で示した０．５２５５９≦ｋ０≦０．５５５６２の範囲にフォトニック・バンドギャップが開く。このように図７（ａ）に代表される膜構造では、Γ点でのフォトニック・バンドギャップの効果、ならびにそのバンドギャップの上下にあるフォトニック・バンドの大きな波長分散性の効果を利用することができる。
【００１７】
一方、自己クローニング法による多層膜の成膜において、成膜プロセス中に反応性イオンエッチングの効果を取り入れることで、図７（ｂ）の写真に示すような、片方の媒質が分断されたような膜構造を作製することができる（非特許文献３）。この例では分断された方の媒質はＳｉＯ２，他方の媒質はアモルファスＳｉである。このような構造を図７（ｃ）に示す構造で近似し、その中をｚ方向に進むｙ偏光に対するフォトニック・バンド構造をＦＤＴＤ法にて計算した。結果を図１２に示す。特徴として、横軸が１の位置のブリルアン・ゾーン端（Ｘ点と呼ぶ）において、符号１２０１で示した０．１４９９４≦ｋ０≦０．１７５０４の範囲にフォトニック・バンドギャップが開く。このように図７（ｂ）に代表される膜構造では、Ｘ点でのフォトニック・バンドギャップの効果、ならびにそのバンドギャップの上下にあるフォトニック・バンドの大きな波長分散性の効果を利用することができる。
【００１８】
上に述べた以外にも、自己クローニング法を利用して多様な導波路構成が可能である。図１０には導波路の別の構成例を示す。すなわち凹凸パターンを形成した基板１００１の上に自己クローニング法にて下部クラッド層１００２を成膜し、続いて単層または数周期の多層膜からなるコア層１００３を形成する。その上には上部クラッド層１００４を形成してもよい。光はコア層をｙｚ面内で伝搬する。ここで、フォトニック・バンドギャップの効果や、フォトニック・バンド端での波長分散の効果を効率的に利用するためには、凹凸の周期Λは、コア層での媒質内波長λ(＝λ０／ｎ, λ０は真空中の波長、ｎはコア層媒質の実効屈折率)に対し、望ましくは０．５λ≦Λ≦λ程度とするのがよい。またコア層の厚さは、図のｘ方向に導波路が単一モードとなるように設定するのが望ましい。例えば下部クラッド層をＧｅドープのＳｉＯ２（屈折率１．５２）,コア層をＴａ２Ｏ５（屈折率２．１）, 上部クラッドをＳｉＯ２（屈折率１．５）でそれぞれ構成し、光の波長を１．５５μmとすると、コア層の厚さは０．２μｍ〜０．３μｍとなる。
【００１９】
次に図４（ａ）、図５、図６、図１０のフォトニック結晶導波路のクラッドの一部に、屈折率の可変な材料を用いることで、伝搬定数、モードの電界分布など、導波路の諸特性を可変とする方法を示す。図４（ａ）、図６、図１０あるいは他の構造のフォトニック結晶導波路についても基本的な動作原理は同じである。
【００２０】
ここでは、自己クローニング型のフォトニック結晶導波路における導波光特性を、ポリマー等の屈折率の可変効果によって制御する例を示す。図１にその概念を表す平面図及びそのＡ−Ｂ断面の断面図を示す。断面図に示すように、コア１０１及びクラッド１０２で構成されるフォトニック結晶導波路構造において、コア１０１の近傍まで形成されたポリマー充填用溝１０３にポリマー１０４が充填されている。このポリマー近傍にはポリマー加熱用の薄膜ヒーター１０５が１対形成されている。実施例では１対であるが、その形状及びヒーターの数は限定しないものとする。この薄膜ヒーター１０５は例えばＡｕ／Ｐｔ／Ｔｉで製作する。但し、この材料のみに限定はしない。表面のＡｕ部分により、ヒーター部分の保護及び、外部回路への配線取り出しのときにＡｕ線でのワイヤボンディングを用いることができる効果がある。この薄膜ヒーター１０５による熱の閉じ込め効率を上げるために、ポリマー１０４と薄膜ヒーター１０５を挟み込むように周辺部に断熱溝１０６を形成している。薄膜ヒーター１０５によってポリマー１０４が加熱されることによりポリマー１０４の屈折率が変化し、その結果、コア１０１を通る導波光の特性を変化させることができる。
上記フォトニック結晶導波路において、ポリマー１０４をコア１０１から一定の間隔Ｄ（０≦Ｄ≦１０μｍ）だけ正確に離す必要がある。また、ポリマー充填用溝１０３の壁面及び底面の面粗度は低い方が望ましいが、液晶等の可変光学材料と異なり配向は問題にならないので特に問題にしない。
以下に具体的な製作例を示す。
【００２１】
図１７〜２１に製作プロセスの一例を示す。本例は、自己クローニング型のフォトニック結晶からなる光導波路にドライエッチング法で構造を加工し、ポリマーの充填・パターニングや薄膜ヒーターの形成を通して、フォトニック結晶導波路に機能性をさらに付加するプロセスである。
なお、ここでは自己クローニング型フォトニック結晶への適用を念頭に置いた作製方法を説明するが、自己クローニング法以外の手法で作製したフォトニック結晶についても、以下で述べるポリマー充填溝及びポリマー充填の形成法を適用することができる。
【００２２】
まず、自己クローニング型フォトニック結晶の製造方法を説明する。基板はＳｉまたはＳｉＯ２（石英）が代表的であるが、それ以外の基板もフォトニック結晶の用途に応じて選定が可能である。該基板表面の構造は電子ビーム露光やステッパーを用いたフォトリソグラフィーとドライエッチング法により、基板面をＬｉｎｅ＆Ｓｐａｃｅ状にパターニングし、凹凸に加工する。Ｌｉｎｅ＆Ｓｐａｃｅの寸法は線幅、間隔、深さともにサブミクロンオーダとする。該基板にスパッタリング法により、高屈折率層および低屈折率層が交互に積層される。ここでは、例えば高屈折率層としてＴａ２Ｏ５膜を、低屈折率層としてＳｉＯ２膜を用いる。使用するスパッタリング装置は、ターゲットと基板にそれぞれＲＦ（Ｒａｄｉｏ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）電力を印加する装置構成であることが望ましい。その装置を用いて、ターゲットと基板に交互にＲＦ電力を印加しながら成膜する手法か、あるいはターゲットと基板に同時にＲＦ電力を印加しながら成膜する手法が用いられる。膜厚は目的とするデバイスの特性により決定される。それぞれの膜を堆積させる際、自己クローニング法によりある一定の断面形状を保ちながら膜が堆積される。
【００２３】
図１７（ａ）に示すように、サブミクロンオーダの線幅、間隔および深さからなる所定の凹凸形状をもつ基板１７０１を作製する。前述の通り、電子ビーム露光あるいはステッパーを用いたフォトリソグラフィーとドライエッチング法により、基板１７０１面をＬｉｎｅ＆Ｓｐａｃｅ状にパターンニングし、凹凸に加工したものである。コア部は図５に示すように平坦のままにするが、その幅は導波路がシングルモードとなる条件で決められる。ここでは例えば３μｍとした。
【００２４】
上記基板１７０１を、スパッタリング装置を用いて、自己クローニング法によりフォトニック結晶膜を形成する。スパッタリング装置の構成図はここでは省略する。図１７（ｂ）に示すように、整形層１７０２を形成した後、図１７（ｃ）に示すように、下部クラッド層１７０３を形成し、図１７（ｄ）に示すように、コア層１７０６ならびに上層クラッド層１７０７を連続して成膜する。また、平坦化層１７０８は、スパッタリングの条件を適切に選ぶことにより、波状のフォトニック結晶の表面を平坦化する層である。これらを形成する高屈折率材料（Ｔａ２Ｏ５）１７０４と低屈折率材料（ＳｉＯ２）１７０５は、屈折率、形状及び膜厚比は最適になるように調整されている。
【００２５】
図１８（ａ）に示すように、フォトニック結晶をドライエッチングするためにマスク１８０１を形成する。マスク１８０１は、エッチング時のフォトニック結晶の側壁を良好にするため、金属とするのが好ましい。しかし、必ずしもその必要があるわけではなく、フォトレジスト等の有機系のマスクでも製作可能である。
【００２６】
図１８（ｂ）に示すように、図１８（ａ）で説明したような金属マスク１８０１を用いて、ドライエッチング法でフォトニック結晶膜をエッチングする。エッチングにより、ポリマー充填用溝１８０２及び断熱溝１８０３を形成する。例えば、容量結合型ＲＩＥ装置を用いて、ＣＨＦ３のエッチングガスによりエッチングを行えば、ＳｉＯ２とＴａ２Ｏ５の多層構造を良好にエッチングできる。面内分布も問題ない程度に抑えることができる。ここで、図１に示してあるポリマー充填用溝底面と導波路コアからの距離Ｄを所定の値に制御することが重要である。間隔Ｄとしては、界分布のすそが有限であるように選定する必要があり、０〜１０μｍとする。ただし、できるだけ薄い方が効果は大きく好ましいため、本実施例ではＤ＝１．０μｍとした。ドライエッチング後に、図１８（ｃ）に示すように、上記金属マスク１８０１をリムーブする。
【００２７】
図１９（ａ）に示すように、リフトオフ法にて薄膜ヒーターを形成するためにフォトレジスト１９０１によるパターニングを行う。薄膜ヒーターの材質によっては、必ずしもこの方法を採る必要はない。ここでは、エッチングが困難なＰｔを用いるのでリフトオフ法を選択している。
【００２８】
次に、図１９（ｂ）に示すように、スパッタリング法によりＴｉ、Ｐｔ、Ａｕの順に連続スパッタを行い、薄膜ヒーター用金属薄膜１９０２を成膜する。膜質の関係上大気解放せずに連続スパッタできるマルチターゲットスパッタリング装置を使用するのが好ましい。
【００２９】
図１９（ｃ）に示すように、フォトレジスト１９０１をリムーブすることにより、薄膜ヒーター構造１９０３を形成する。エッチング困難な材料でもこのリフトオフ法を用いると目的の形状を得ることができる。
【００３０】
図２０（ａ）に示すように、ポリマー２００１をスピンコートし、全面に均一に塗布する。その後、十分に乾燥固化させる必要がある。ここでは、スピンコート法を例にあげたが、シート状のポリマー材料を真空下で熱圧着して張り合わす方法も考えられる。スピンコート法にとらわれないことで材料選択の幅が広がるメリットがある。
【００３１】
図２０（ｂ）に示すように、図２０（ａ）で形成したポリマー２００１上に金属マスク２００２をパターニングする。後の工程で、ポリマー２００１をエッチングするためにＯ２−ＲＩＥを行うので有機系のマスクよりも金属系のマスクとした方が好ましい。また、薄膜ヒーター１９０３と別な金属を選択することが重要である。
【００３２】
図２０（ｃ）に示すように、金属マスク２００２を用いてＯ２−ＲＩＥを行い、ポリマー２００１部分の形状を形成する。Ｏ２−ＲＩＥにより薄膜ヒーター１９０３が劣化する心配はない。この後、図２１に示すように、金属マスク２００２をリムーブし、完成となる。ポリマー２００１は、加熱効率のために、薄膜ヒーター１９０３近傍に位置していることが重要である。
【００３３】
以上が、製作例についての説明である。実際にデバイスとして組み立てる場合は、筐体内に本素子を入れて固定し、ヒーターの配線は、Ａｕ線によるワイヤボンディングを用いることができる。ヒーター表面がＡｕであるために可能である。ワイヤボンディングが可能なことにより、外部回路との接続が容易であり、構造簡略化にもつながる。
【００３４】
図１１にフォトニック結晶によるスラブ型導波路構造のクラッドの一部にポリマーの熱光学効果（以下ＴＯ効果）を用いて導波特性を可変とするための構成の一例を示す。すなわち基板４０１の上に下部クラッド層１１０２、コア層１１０１、そしてポリマー層１１０４を配置する。コア中を伝搬するモードの界分布が、ポリマー層中でも有限の値を持っていることが本質的に重要である。この条件を満たしてさえいれば、任意の厚さの上部クラッド層１１０３をコア層とポリマー層の間に設けてもよい。ここでは、上部クラッド層を設けた場合の構成例について説明するが、上部クラッド層がない場合でも導波路の基本的な動作原理は同じである。この他にも、上部クラッドに所定の深さの溝を形成し、そこにポリマー層を配置する構成でも良い。
【００３５】
ポリマー領域に隣接する薄膜ヒータに電流を流して加熱することにより、ポリマーの屈折率は変化する。導波モードの電界はポリマー層の中でも有限の値を持っているので、ポリマーの屈折率が導波モードの等価屈折率Ｎｅ （＝β／ｋ０、 βは伝搬定数）の近傍で変化すれば、導波モードの界分布、及び伝搬定数もそれに伴い変化する。ポリマーの屈折率は、Ｎｅを中心として、導波路の比屈折率差（記号Δで表す）程度の幅で変化できることが必要である。すなわちポリマーの屈折率をｎとしたとき、（１−Δ）Ｎｅ≦ｎ≦（１＋Δ）Ｎｅ 程度の範囲でｎを制御できればよい。なお導波路の比屈折率差は、コア、クラッドの屈折率をそれぞれｎ1、ｎ0とするとき、Δ=(ｎ1２−ｎ０２)／（２ｎ１２）で定義される。
【００３６】
以上の構成に基き、例えば放射量可変の導波路を実現することができる。この場合、ポリマー部分に屈折率の大きな材料のカバー層を用いる。この型の素子の動作を、図１３に示す等価的な断面構造および屈折率分布を用いて説明する。ここでは簡単のため、フォトニック結晶からなる下部クラッド層、コア層、上部クラッド層を、屈折率の一様な層１３０１、１３０２、１３０３にそれぞれ置き換えた。また同図中、１３０４、１３０５はそれぞれポリマー層と屈折率２．１のカバー層を表している。ここでは下部クラッド層及びカバー層は無限に厚く、コア層、上部クラッド層、ポリマー層の厚さはそれぞれ２．５μｍ、１μｍ、９μｍとした。また導波光はＴＥ波（電界がｙ方向に平行）で、波長は１．５５μｍとした。光の進行方向はｚ方向である。
【００３７】
なおポリマー層及びカバー層がなく、上部クラッド層１３０３が半無限に厚い場合には、この導波路は対称３層スラブ導波路となり、その波長１．５５μｍにおけるＴＥ波の基本モードの等価屈折率は一般的な光導波路理論から、Ｎｅ＝１．５７と求められる。
【００３８】
図１３の構造において、形成される固有モードの電界分布の瞬時値を、いくつかのポリマー層の屈折率に対してＦＤＴＤ法で計算した結果を図１４に示す。ここではポリマーの屈折率を１．５８から１．５６まで変化させた例について示している。カバー層の屈折率がコア層の屈折率より大きいため、厳密にはこの構成ではリーキー導波路となるが、同図においてポリマー層屈折率＝１．５８及び１．５６の場合の様に、ポリマー層の屈折率が比較的低い場合は、ほとんど電力は放射せず、コア層に閉じ込められて伝搬する。一方、ポリマーの屈折率が上述の３層スラブ導波路の等価屈折率（１．５７）程度の値以上のとき、電力の多くがポリマー層を通りカバー層の外側に向かって放射される。図１４では、ポリマー屈折率＝１．５７，１．５７５， 及び１．５８の各場合がその放射の強い場合に相当し、カバー層への界の顕著な漏れ出しが見て取れる。なおカバー層の屈折率が２．１より低い場合であっても、基本的に同様の原理で動作する。
【００３９】
この原理に従い、ポリマー屈折率を、時間に対し例えば１．５８と１．５７の２値で切り替えれば、この導波路は導波・放射のＯＮ／ＯＦＦ型光スイッチとして機能する。すなわち導波状態では導波路の出口側に光が出力されるが、放射状態では途中で電力が失われ、出口側まで信号は到達しない。
【００４０】
またポリマー屈折率を連続的に微調整すれば、放射の程度を連続的に制御できるので、この導波路は可変光減衰器として機能する。
【実施例】
【００４１】
［実施例１］本実施例では、曲り導波路からなる放射型ＯＮ／ＯＦＦ光スイッチと、可変光減衰器の構成例を図１５、図１６を使って説明する。すなわち自己クローニング型フォトニック結晶 １５０１の中に、前述の格子変調技術を用いて曲り導波路１５０２を形成する。ここで曲がり部分において、曲げの外周側にポリマー層１５０３を装荷する。図１５（ｂ）は図１５（ａ）のＡ−Ａ'における素子の断面の模式図である。図１６には本素子の別の構成例を示す。すなわち膜厚方向に対しコア層１６０２と同程度の高さにポリマー層１６０３が存在するように構成する。なお以上の説明では加熱用ヒーターを省略している。以上の構成において、まずポリマーの屈折率が、導波路のクラッドの屈折率と同程度かそれ以下の場合に、曲げによる放射損失が小さくなるように、フォトニック結晶クラッド１５０１や１６０１、コア１５０２や１６０２の構造を設計しておく。例えばコア・クラッドの実効的比屈折率差Δが２．３％程度の場合には、曲率半径を５００μｍ程度かあるいはそれ以上とするのが望ましい。
ポリマーを加熱しない状態では屈折率が高い。ポリマーの屈折率を、導波モードの等価屈折率Ｎｅ（＝βｋ０, βは伝搬定数）程度かあるいはそれ以上に設定しておくと、ポリマー層を介して導波光のパワーが曲げの外周側に放射され、曲がり部分通過後の導波光のパワーが減少する（ＯＦＦ状態）。次にヒータに電流を印加してポリマーを加熱すると、屈折率が低下する。導波モードの等価屈折率より小さくなるようにすると、導波光は曲り部分を通過する（ＯＮ状態）。
このような動作を実現するためにポリマー材料に要求される屈折率変化の大きさは、おおむね元の導波路の比屈折率差（Δ）程度である。すなわちポリマーの屈折率をｎとしたとき、(１−Δ)Ｎｅ≦ｎ≦（１＋Δ）Ｎｅ 程度の範囲でｎを制御できればよい。ポリマーの屈折率ｎを、この幅と同じか、あるいはそれを含むより広い幅で、時間に対し矩形波的に変化させることで、本素子をＯＮ／ＯＦＦ型の光スイッチとして機能させることができる。
【００４２】
また屈折率変化の量を上記範囲内で連続的に制御すれば、曲げ部分で放射するパワーの割合を連続量として制御できるため、本素子は可変光減衰器として動作する。
【００４３】
［実施例２］本実施例では周期性導波路におけるブラッグ反射の効果を、ポリマーを用いて制御するための、一連の構造について述べる。
【００４４】
図２２（ａ）は図５の構造のうち、コア領域５０１の部分のみを抜き出して描いたものである。伝搬方向（ｚ方向）の一部に、直交する方向にフォトニック結晶によるグレーティング２２０１を設けてある。このような導波路構造では、ｚ方向に進行する光に対し、ある波長域でフォトニック・バンドギャップ（ストップバンド）が形成される。換言すればその波長域で、この導波路は分布ブラッグ反射鏡（Ｄｉｓｔｒｉｖｕｔｅｄ  Ｂｒａｇｇ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ：  以下ＤＢＲと略す）として機能する。図２２（ａ）ではＤＢＲの前後の導波領域２２０１Ｂを平坦な多層膜としたが、この領域はｙ方向もしくはz方向に周期的な２次元周期構造であってもよい。
【００４５】
ここで図２２（ａ）の導波路の上側クラッドにポリマーを装荷して図２２（ｂ）のような構成とし、ポリマー部分２２０７の屈折率を変化させると、ＤＢＲの反射の波長域をシフトさせることができる。特に、入射光の波長をλ1とするとき、ポリマー２２０７の屈折率がｎ１の場合にλ1の光が遮断域に入っているようにし、またポリマー２２０７の屈折率がｎ２の場合にはストップバンドから外れてパスバンドに入っているようにする。この状況下でポリマー２２０７の屈折率をｎ１とｎ２との間で切り替えると、λ1の光がＤＢＲを透過するか、反射されるかを制御することができる。したがって特定の波長に対して、ＯＮ／ＯＦＦ型の光スイッチとして機能させることが可能となる。
【００４６】
さらにＤＢＲのストップバンドの波長帯に含まれる波長と、そうでない波長とが混ざった入射光に対しては、ストップバンド内にある波長は反射され、そうでない波長は透過される。つまり波長の選択機能を実現できる。たとえば図２３に示すようなストップバンドと波長の関係においては、λ１、λ２の波長は反射されλ３、λ４の波長は透過される。さらにポリマー層の屈折率を制御し、ストップバンド２３０１の波長帯を変化させることで、選択できる波長範囲を制御できる。
【００４７】
また本構成のＤＢＲは、パスバンド中の波長の光に対し、可変遅延素子として機能させることができる。複数の２つ以上の素子を並列に配置してもよいが、ここでは省略する。各遅延素子において、伝搬する光がバンドギャップ付近の群遅延の大きい周波数領域に入るように、ｚ方向の周期を設定する。装荷したポリマー層の屈折率変化によって伝搬モードのバンド端波長を変化させ、各遅延素子で与えることのできる遅延量を詳細に制御することができる。波長１．５５μｍ帯用には、ｚ方向の周期は例えば０．５８５μｍ程度とする。但し、この周期は限定されるものではなく、構成材料の屈折率、構造パラメータに依存し、また必要な帯域幅、遅延量によっても異なる。コアの左右には、ｚ軸方向に平行な溝列を形成し、面内のクラッドとして用いる。フォトニック結晶の構成材料としては、高屈折率材料にはアモルファスＳｉを用いる。その他Ｔａ２Ｏ５、ＴｉＯ２などの誘電体を用いても良い。また低屈折率材料には、例えばＳｉＯ２を用いる。下部クラッドは、積層周期０．４２μｍにて１０周期程度積層する。またコア層は、積層周期０．４６８μｍで３周期程度積層する。さらにコア層の上に、積層周期０．４２μｍで１周期の上部クラッド層を設ける。上部クラッドの厚さは導波モードの閉じ込め強度やポリマーの屈折率の可変範囲などを勘案して決めるが、典型的には１周期ないし数周期程度である。このような設計値での、ＤＢＲの１周期あたりの遅延時間は０．１ｐｓ／μｍ程度であり、遅延素子の長さを２００μｍに設定すると遅延量の合計は２０ｐｓとすることができる。
【００４８】
一方、図２４（ａ）に示すように、ＤＢＲの周期を導波路の進行方向に対して少しずつ変化させる構成も可能である。このようなＤＢＲでは、入射光の波長毎に実効的な反射位置２４０６、２４０７、２４０８が異なる。従って入射ポートから入射した光がＤＢＲで反射して戻ってくるまでの時間（遅延時間）は波長により異なる。この遅延時間の波長依存性を用いて、光ファイバ伝送路の分散を補償することが可能である。ここで周期構造の上側クラッドを図２４（ｂ）に示すようにポリマー２４１０に置き換えた構成にすると、ＴＯ効果により各波長の実効的な反射位置を制御できるため、可変分散補償器、もしくは可変遅延回路として機能する。
【００４９】
なお、ポリマーの屈折率を領域２４０９の全面で共通に変化させると、所定の屈折率における波長と分散の関係は線形な関係になるが、加熱温度をz方向において連続的に変化させることで、波長と分散の関係をより細かく制御できることになる。加熱温度を連続的に変化させる方法としては、例えば図２５に示すようにポリマー部分２５０１に対して複数の加熱用ヒーター２５０２を配することで制御が可能となる。また図２４（ｂ）の構造を複数設けてそれぞれにヒーターを配し、個別に制御することでも同様の機能を実現できる。
【００５０】
さらに 図２６（ａ）に示すように、それぞれ周期が異なる図２２記載のＤＢＲを複数箇所設けた構造においても、波長によりどのＤＢＲで反射されるかが異なるため、波長毎に異なる遅延時間を与えることができる。さらに図２６（ｂ）に示すようにそれぞれのＤＢＲの上側クラッド部分をポリマーで置き換えて、それぞれの部分に独立にヒーターを設け温度制御することで、それぞれのＤＢＲのストップバンドの波長域を可変にできる。ストップバンド内においても、それぞれの波長でのＤＢＲ中での実効的な反射位置をも制御することができる。従って、個々の波長に対して、遅延時間を外部から制御できる。
【００５１】
なお長波長側のストップバンド端のシフトにより透過・反射を制御する場合は、入射側に近いほど周期構造の周期を短く、短波長側のストップバンド端のシフトにより透過・反射を制御する場合は、入射側に近いほど周期構造の周期を長くする。
【００５２】
［実施例３］本実施例では、［実施例２］記載のＤＢＲを用いて、入射された信号光から、所望の波長チャンネルの信号光を空間的に分離して取り出すための一連の方法について述べる。
【００５３】
まず［実施例２］に記載の各素子に対しては図２７に示すように、入力部に光サーキュレータ２７０３を置くことで、ポート２７０１から入射した光を波長によりポート２７０２とポート２７０７へ分波させる光の分波回路を構成することができる。
【００５４】
また、［実施例２］記載のＤＢＲを図２８に示すように導波路中に導波方向に対して、ｙ−ｚ面内で斜めに配置することで、ＤＢＲで反射される光を、入射方向とは異なる方向に取り出すことができる。こうした構造においても、段落番号００４６記載の遮断域のシフトによる光のＯＮ／ＯＦＦ機能を実現できる。さらにＤＢＲにおける反射光が出射される位置に導波路を形成しておくことで、ポート２８０３から入射した光をポート２８０５もしくはポート２８０６へ、ポリマー層の屈折率制御により分岐の制御が可能となる。
【００５５】
さらに図２８の構成の光路切り替えスイッチを図２９に示すようにアレイ状に配置することで、複数の入力と出力の経路をＴＯ効果により切り替え可能な光スイッチが実現できる。この場合、ＯＮ状態を光が直進する場合、ＯＦＦ状態を光が反射される動作とすると、たとえばポート２９０９から入射した光を、符号２９０３、符号２９０５のＤＢＲをＯＮ状態とすることでポート２９１４に出射できるが、符号２９０３、符号２９０４をＯＦＦ状態とし、符号２９０６をＯＮ状態とすることでポート２９１３に出射できる。このように複数のスイッチのＯＮ−ＯＦＦ状態を制御することで、各ポートから入射した光をそれ以外のポートにいずれかに選択的に出射できる。図中では入出力ポートを８箇所としているが、ポート数ならびにスイッチ部分を増やすことで、大規模な光路切り替えスイッチが実現可能なことは明らかである。
【００５６】
さらに段落番号００４６に記載した波長選択の機能を用いることで、単なる光路変換だけではなく、同じ入力ポートから入射した光であっても、異なる波長を異なる経路に分岐できる。つまり波長多重通信において従来の光分岐スイッチに比べ波長ごとの光路変換機能を備えた複雑な機能を持つ回路を実現できる。
【００５７】
［実施例４］本実施例では、自己クローニング法により作製されるヘテロ構造フォトニック結晶導波路型光共振器とポリマーとを組み合わせ、ヒーターによる温度制御で共振波長をチューニングする例を示す。図３０（ａ）は、z方向に導波機能を持つ光共振器にポリマーを導入した構造（一例）の模式図である。光は図の矢印方向に導波する。導波路断面は図３０（ｂ）のような構造となっており、図３０（ａ）は図３０（ｂ）中のＡ−Ａ'をｘｚ平面に平行な平面で切ったものである。導波機構は［発明を実施するための最良の形態］に示した。ここではy方向に対するコア領域３００１は平坦多層膜（１次元フォトニック結晶）で構成されているが、２次元フォトニック結晶としてもよい。なお基板３０１０と多層膜の間には［発明を実施するための最良の形態］で述べた整形層が挿入されている。共振器部分は、２つのＤＢＲ３００５およびそれらで挟まれたキャビティ３００６からなる。２次元フォトニック結晶は、面内方向の周期を変えることで、同一波長に対して反射体、透過体として作用させることが可能であり、前者がＤＢＲ、後者がキャビティとして機能する。なお、ここでキャビティは２次元フォトニック結晶としているが、平坦多層膜（１次元フォトニック結晶）としても同様に動作する。
【００５８】
多層膜の構成材料は、自己クローニング法の性質上、スパッタリングできる任意の材料を選ぶことができるが、所望の波長帯で材料損失が極めて小さい（透明である）ことが望まれる。ここでは、材料系として、可視光域から赤外域までの光に対して透明であるＴａ２Ｏ５／ＳｉＯ２系を例にとる。屈折率は波長１．５μｍ帯でそれぞれ２．１，１．５程度である。この場合、導波路構造を例えばクラッド３００２の面内周期１．１μｍ、共振器構造を例えばＤＢＲ３００５の面内周期０．８μｍ、キャビティ３００６の面内周期０．６μｍとし、素子全体の積層周期をコア３００３部分で０．７３μｍ（３．５周期）、クラッド３００４部分で０．６０μｍ（８．５周期ずつ）とすれば、波長１．５μｍ帯の光がコア３００７をz方向に導波し、更に同波長帯のある特定の波長の光を取り出すことができる。上記設計ではＤＢＲのブラッグ遮断域が波長１．４５〜１．５５μｍの範囲であり、キャビティでの位相シフトがλ／４の奇数倍であるので、その中心波長１．５０μｍの光が共振により透過する。これらの波長は、構造のパラメータ（周期や各材料の充填率など）により自由に設計できる。例えばＤＢＲの面内周期を変えれば遮断波長帯をシフトさせることができる。同様に、ポリマーの導入とそれに対する温度制御により上部クラッドの屈折率を変化させれば、導波モードの遮断波長帯、およびキャビティ部分の伝搬定数を変化させることができるので、共振波長をチューニングすることが可能になる。
【００５９】
共振器の上部にポリマーを装荷する方法はいくつも考えられるが、図３０（ａ）は機能性領域（共振器部分）上にＦＩＢで孔を加工してポリマー導入領域３００８を形成後、スピンコートでポリマーを塗布する例である。なお孔を加工する際、上部クラッドは１周期分（厚さ０．６０μｍ）程度を残す。また図中ではヒーターを省略している。ヒーターの温度を制御してポリマー層３００８の屈折率を変化させることにより、共振波長をコントロールできる。例えば、温度を１００℃上げると、共振波長は約２０ｎｍ変化する。このように、フォトニック結晶導波路型共振器は、ポリマーと融合させることで、波長可変光共振器として動作する。
【００６０】
［実施例５］ここでは、［実施例４］のポリマー装荷型フォトニック結晶光共振器とフォトニック結晶導波路からなる３ｄＢ方向性結合器の組み合わせにより可変波長ＡＤＤ／ＤＲＯＰフィルタが実現可能であることを示す。図３１は構成の概略図（上面図）である。導波路部分は全てフォトニック結晶導波路であり、断面構造は図３０（ｂ）と同様である。導波路のコア領域３００１は、１次元フォトニック結晶でも２次元フォトニック結晶でもどちらでもよい。また構成材料は使用したい波長帯で透明な組み合わせであればよい。ここでは、構成材料にＴａ２Ｏ５／ＳｉＯ２系を用いることとする。
【００６１】
ここで３ｄＢ方向性結合器について簡単に説明しておく。方向性結合器において、結合長Ｌが完全結合長Ｌｃの１／２（Ｌ＝Ｌｃ／２）であるとき、一方の導波路に入力された光パワーは、双方の導波路にそれぞれ１／２ずつに等分されて反対側のポートから出力される。即ち２本の出力ポートから出力されるパワーは、入力に対してそれぞれ３ｄＢだけ減衰することになる。従って、Ｌ＝Ｌｃ／２である方向性結合器は、「３ｄＢ方向性結合器」と呼ばれる。
【００６２】
図３１の構造では、２つの３ｄＢ方向性結合器が直列に接続されており、その中間に同じ特性を持つ２つのポリマー装荷共振器３１０３が配置されている。ここで１つの共振器が２本の導波路上に形成されていても良い。この構造では、あるポートに入力された光からある特定の波長の光のみを分波する（波長ＤＲＯＰ）、あるいは逆に入力された光にある特定の波長の光を合波して出力する（波長ＡＤＤ）、といった動作が可能となる。更に、ヒーター加熱によりポリマーの屈折率を変えることで、分波あるいは合波される波長をチューニングできる。以下で詳細な動作機構および具体例を述べる。
【００６３】
図３１において、方向性結合器を構成する導波路部分、および共振器部分の各種構造パラメータは、［実施例４］と同様であるとする。この場合、本構造は波長１．５μｍ帯で動作する。ポート３１０４から光（波長成分１．４７５〜１．５２５μｍ）が入射すると、３ｄＢ方向性結合器３１０１により光パワーが２等分され、分割された光はそれぞれ２つの共振器３１０３に到達する。これらの共振器は共振波長λr＝１．５０μｍを持つ。またＤＢＲのブラッグ遮断域は波長１．４５〜１．５５μｍである。このとき、波長１．５０μｍの光のみが共振器３１０３を透過する。それ以外の波長を持つ光は反射されて３ｄＢ方向性結合器３１０１に戻る。透過した波長１．５０μｍの光は、３ｄＢ方向性結合器３１０２によって再び結合して１波となり、ＤＲＯＰポート３１０７から出力される。一方で、３ｄＢ方向性結合器３１０１に戻った波長１．５０μｍ以外の光も同様に結合し、ポート３１０５から出力される。
【００６４】
以上は波長ＤＲＯＰ動作であるが、波長ＡＤＤ動作は次のように行なうことができる。即ち、ＡＤＤポート３１０６から波長１．５０μｍ成分が入力されると、前述と同様の原理によりポート３１０５から出力される。ここでポート３１０４から入力された波長成分１．４７５〜１．５２５μｍの光は、波長１．５０μｍをドロップされた後にポート３１０５に出力される。このように、ポート３１０５からの出力光に波長１．５０μｍの成分が加えられることになる。
【００６５】
ここで２つの共振器３１０３は［実施例４］で示したポリマー装荷型であり、共振波長を変えることができるため、ＡＤＤ／ＤＲＯＰされる波長はチューニングできる。ＡＤＤ／ＤＲＯＰフィルタを作製した後に動作波長をチューニングすることは作製歩留りの向上のため重要である。例えば、温度を１００℃上げると、ＡＤＤ／ＤＲＯＰ波長が約２０ｎｍ変化する。
【００６６】
なお、動作波長帯およびＡＤＤ／ＤＲＯＰされる波長は、構造のパラメータ（周期や各材料の充填率など）により自由に設計できる。また、共振器３１０３の共振波長はヒーター加熱後も共通の必要があるため、ヒーターに印加する電流は共通とする。
【００６７】
［実施例６］本実施例では、［実施例４］で述べたポリマー装荷型共振器と光サーキュレータの組み合わせによる可変波長ＡＤＤ／ＤＲＯＰフィルタについて示す。
【００６８】
図３２は、構成の概略図である。２つの光サーキュレータ３２０１，３２０２にヘテロ構造フォトニック結晶３２０３が挟まれた形態となる。ヘテロ構造フォトニック結晶３２０３には、導波路（コア）３００１とポリマー装荷型光共振器３１０３が組み込まれている。この構成では、ある波長帯域を持つ入力光から、ある特定の波長の光のみを分波させることができる。逆に合波も可能である。フォトニック結晶導波路の断面構造は図３０（ｂ）と同様であり、コア領域３００１は１次元フォトニック結晶でも２次元フォトニック結晶でもどちらでもよい。また構成材料は使用したい波長帯で透明であればよい。ここでは構成材料にはＴａ２Ｏ５／ＳｉＯ２系を用い、導波路の構造パラメータは［実施例４］と同様とする。以下で具体例によりその動作機構を説明する。
【００６９】
ポート３２０４から入力された光は、サーキュレータ３２０１を介して直進し、導波路３００１を通って共振器部分３１０３に至る。入力光は波長帯域１．４７５〜１．５２５μｍを持つとする。また共振器３１０３の各構造パラメータを［実施例４］で示した具体例と同様とすると、共振波長λr（ヒーター加熱なし）は１．５０μｍである。このとき、波長１．５０μｍの光のみが共振器３１０３を透過し、導波路３００１とサーキュレータ３２０２を介してＤＲＯＰポート３２０６に出力される。波長１．５０μｍ以外の光は共振器３１０３によって反射されてサーキュレータ３２０１に戻るが、ここで光路が切りかえられ、ポート３２０５に出力される。このように、入力光からある特定の波長をＤＲＯＰすることができる。一方、ＡＤＤポート３２０７から波長１．５０μｍの光を入力すると、サーキュレータ３２０２と導波路３００１を介して共振器３１０３に入射するが、共振波長が１．５０μｍであるためこれを透過する。その後、サーキュレータ３２０１によって光路が切りかえられ、ポート３２０５から出力される。即ち、ポート３２０５から出力される光の波長成分にＡＤＤポート３２０７から入力された波長１．５０μｍが加えられることになる。以上のように、図３２の構成において波長ＡＤＤ／ＤＲＯＰ動作が実現できる。
【００７０】
更に、ＡＤＤ／ＤＲＯＰされる波長は共振器３１０３に装荷されたポリマーのＴＯ効果によって可変である。従って、同構造はＴＯ効果制御型可変波長ＡＤＤ／ＤＲＯＰフィルタとして動作する。なお、動作波長帯およびＡＤＤ／ＤＲＯＰされる波長は、構造のパラメータ（周期や各材料の充填率など）により自由に設計できる。
【００７１】
［実施例７］本実施例では、［実施例５］で示したＡＤＤ／ＤＲＯＰフィルタを図３３のように多段に接続し、それぞれの段で共振波長（ヒーター加熱前）を別々の値に設定することで、ＴＯ効果制御型の多チャンネル可変波長分波器を実現できることを示す。
【００７２】
図３３のように、［実施例５］で述べた可変波長ＡＤＤ／ＤＲＯＰフィルタを５段に接続した場合を考える。構成材料や導波路の構造などは［実施例４］と同様とする。ここで、各フィルタ３３０１，３３０２，３３０３，３３０４，３３０５のＤＲＯＰ波長即ち共振波長λrをそれぞれ１．４９５μｍ，１．５００μｍ，１．５０５μｍ，１．５１０μｍ，１．５１５μｍとする。ドロップ波長は、各フィルタ中の共振器の構造を適切に設計することによって変えることができる。なお、これらの波長は、ヒーター加熱前のものとする。ポート３３０６に例えば波長帯域１．４７〜１．５３μmの光を入力すると、各フィルタで波長ＤＲＯＰ動作が次々に行なわれ、ポート３３０７，３３０８，３３０９，３３１０，３３１１からそれぞれ波長１．４９５μｍ，１．５００μｍ，１．５０５μｍ，１．５１０μｍ，１．５１５μｍの光が出力される。残りの波長は、ポート３３１２から出力される。更に多段に接続すれば、より多くの波長をＤＲＯＰすることができる。
【００７３】
更に、各単位フィルタのＤＲＯＰ波長は［実施例５］に示したようにヒーター加熱温度により可変であるため、各ポートからの出力波長をチューニングできる。しかも各単位フィルタに対して個別のヒーターを配してそれぞれ温度調節をすることもできるため、各ポートより出力されるドロップ波長を非常に精密かつ自在に制御することが可能である。このように、本構造は、チューナブル多チャンネル波長分波器として利用できる。
【００７４】
なお、分波に際して出力波長毎に遅延が生じるが、［実施例２］で示した遅延等化器を各波長に対し適切に設計して各出力ポートに設置することにより、遅延量を等しくできる。
【００７５】
また、本実施例では、動作波長帯を１．５μｍ帯としているが、各種構造パラメータを適切に設計することより、波長帯を自由に設定することができる。
【００７６】
段落番号００７２で述べた例では、各段の出力が１８０度逆方向になるが、更に［実施例２］で示したポリマー装荷型ＤＢＲを組み合わせれば、出力方向を揃えることができる。以下でその方法について図３３を用いて説明する。
【００７７】
例えば図３３中の単位フィルタ３３０２、３３０４の共振器３３１３，３３１４を［実施例２］で述べたようなポリマー装荷型ＤＢＲで置き換える。ＤＢＲの構造は、そのブラッグ遮断域が使用波長帯すべてをカバーするよう選択する。このとき、フィルタ３３０２、３３０４では波長ＤＲＯＰ動作は起こらず、それぞれ１８０度反射鏡の役割を果たす。従って、出力ポートは３３０７、３３０９、３３１１のみとなり、各波長の出力方向が図３３で言うと右方向に揃えられる。この場合、単位フィルタ３３０２、３３０４のＤＢＲより左側の部分は必要なくなる。
【００７８】
なお、ここで用いるＤＢＲは、必ずしもポリマー装荷型でなくてもよいが、ポリマーを装荷すれば、ヒーター加熱により１８０度反射される波長帯をチューニングでき、高い波長制御性が実現できる。
【００７９】
［実施例８］複数のフォトニック結晶導波路を隣接して配置することで、方向性結合器を構成することができる。本実施例ではこれにポリマーを組み合わせた、結合量の可変な方向性結合器の構成例を示す。ここでは自己クローニング型フォトニック結晶を用いた場合の例を示すが、他の構造のフォトニック結晶を用いる場合でも基本的な構成と動作原理は同様である。
【００８０】
図３４に素子の構成の一例を示す。すなわち自己クローニング型フォトニック結晶３４０１の中に、前述の格子変調技術にて導波路３４０２及び導波路３４０３を形成する。ここで両者の距離の接近した、モード結合部３４０４の一部又は全域の上層にポリマー層３４０５を配置する。図３５は図３４のＡ−Ａ'における断面構造の一例の模式図である。すなわち、一部に面内格子定数の異なる領域３５０１を含む、周期的な凹凸の刻まれた基板４０１の上に、下部クラッド層１１０２とコア層１１０１とを自己クローニング法にて積層する。多層膜を構成する高屈折率媒質は、例えばＴａ２Ｏ５やアモルファスＳｉとし、また低屈折率材料は例えばＳｉＯ２とする。Ｔａ２Ｏ５／ＳｉＯ２の組み合わせでは、ｘ、ｙ各方向の格子定数は、例えばそれぞれ０．６μｍ、１．２μｍとなる。その上に上部クラッド層１１０３を挟んでポリマー層１１０４を配置する。領域３５０１の上方に結合導波路のコア３５０２と３５０３が形成されるが、その間隔３５０４は、例えばｙ方向の格子定数で１ないし数周期分とする。図３５ではy方向に２周期の間隔を空けた場合について示した。導波路３４０２と導波路３４０３のモード結合定数は、導波モードの界分布の裾がポリマー層中にまで入り込んでいる場合、ポリマー層屈折率の関数となる。従って、例えばポリマー層の屈折率が１．５７において結合部３４０４の長さが完全結合長Ｌｃの（Ｎ＋１／２）倍（Ｎは非負の整数）となるように設計しておけば、ポリマーの屈折率を１．５７前後で調整することによって、図３４のポート３４０６またはポート３４０７から入射した光を、５０％：５０％を中心とした任意の分岐比でポート３４０８及びポート３４０９に出力させることができる。
【００８１】
図３５では導波路の基本構成として、光の進行方向に構造の一様な、図４（ａ）の型の格子定数変調型導波路を用いる例を示したが、図５もしくは、図６や図１０のような光の進行方向に構造が周期性を持つ導波路を用いてもよい。周期性導波路を用いた場合の利点として、群速度の遅い導波モードを利用することで、完全結合長を短くすることができるため、結合部分３４０４やポリマー装荷部３４０５の物理的な長さを短くでき、従って素子全体を小型化することができるという点がある。
【００８２】
［実施例９］  図３６，３７に本発明の一実施例を示す。図３６（ａ）、（ｂ）は２次元のフォトニック結晶からコア、クラッドを構成し、それらコア、クラッドからなるフォトニック結晶導波路を１入力１出力形マッハツェンダー回路（Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ回路;ＭＺ回路）に応用した実施例の模式図である。（ａ）はＭＺ回路上面図、（ｂ）は（ａ）のＭＺ回路のＡ−Ａ'断面図である。図３６（ｂ）において点線で囲まれた部分がコアであり、２次元フォトニック結晶から構成されている。該コアは１次元フォトニック結晶とすることもできる。基板はＳｉまたはＳｉＯ２（石英）を用いることができる。本実施例では通信波長帯１．３〜１．７μｍで透明な石英基板３６０１を用いた。
【００８３】
該石英基板３６０１上に、電子ビーム描画とドライエッチングによって、サブミクロンの線幅、間隔および深さからなるライン＆スペースを形成する。その上にスパッタデポジッションとスパッタエッチングを適度に組み合わせて、自己クローニングさせながら高屈折率膜と低屈折率膜の多層膜を積層する。本実施例では高屈折率材料としてＴａ２Ｏ５を低屈折率材料としてＳｉＯ２を用いた。
【００８４】
誘電体多層膜型のフォトニック結晶内部において、基板面内方向で格子定数を小さくした領域をコア、格子定数を大きくした領域をクラッドとし、それぞれ格子定数を０．６２μｍ,１．０９５μｍとした。一方、基板面垂直方向では逆に格子定数を大きくした領域をコア、格子定数を小さくした領域をクラッドとし、それぞれ格子定数を０．７３μｍ，０．６２μｍとした。上記構成によって、コア領域およびクラッド領域の屈折率差が生じ、ＴＥ偏波を良好にコア内に光閉じ込めすることができる。光閉じ込めの詳細については［発明を実施するための最良の形態］で記述済みであるので本実施例では省略する。
【００８５】
上記コアの２つのＹ分岐と２つのアーム部３６０２−１，２からマッハツェンダー回路を構成し、さらにアーム部の上部にポリマーを注入する領域３６０４−１，２、ヒーター３６０５−１〜４を形成し、ポリマーを装荷する。本実施例では、ポリマー領域、ヒーターを２つのアーム部に設けたが、いずれか一方のアームに設置した構成とすることもできる。以下では、ポリマー領域、ヒーターを２つのアーム部に設置した場合のみについて説明する。
【００８６】
次に、自己クローニング法を用いたスパッタリング成膜について詳しく説明する。図３６（ｂ）に完成後のフォトニック結晶コアの断面図を示す。まず基板整形層３６０８を基板３６０１上に形成する。基板整形層は基板表面のライン＆スペースからなる凹凸から多層膜の斜面形状にスムースに移行させるために挿入する。なお、この基板整形層は必要不可欠ではない。次に下部クラッドを形成する。Ｔａ２Ｏ５膜３６０９の膜厚を３１０ｎｍ、ＳｉＯ２膜３６１０の膜厚を３１０ｎｍとし、合わせて１周期（６２０ｎｍ）として４周期積層する。その下部クラッド上にコア３６１５を形成する。Ｔａ２Ｏ５膜３６１１の膜厚を３６５ｎｍ、ＳｉＯ２膜３６１２の膜厚を３６５ｎｍとし、合わせて１周期（７３０ｎｍ）として５周期積層する。コア層の膜厚は３．６５μｍとなる。該コア上に上部クラッドを形成する。Ｔａ２Ｏ５膜３６１３の膜厚を３１０ｎｍ、ＳｉＯ２膜３６１４の膜厚を３１０ｎｍとし、合わせて１周期（６２０ｎｍ）として１０周期成膜する。
【００８７】
次に、ポリマー制御部について詳しく説明する。両アームは１０００μｍ離して形成し、ポリマー溝は例えばフォトリソグラフィーとドライエッチングによるか、ＦＩＢ加工のみにより、１００μｍ角、深さ５μｍの形状となるように作製する。その後、スピンコートでポリマーを塗布し、メタル薄膜（例えばＣｒ）を成膜する。フォトリソグラフィーで領域３６０４−１，２をパターニングして、ポリマー領域を残す。本実施例ではポリマーの種類として、アクリル系を用いたが、その他エポキシ系、ビニル系でも良い。
【００８８】
次に、上記フォトニック結晶導波路の作用について説明する。図３７（ａ）に示すように、ポート３７０３−１に入力された伝搬光がＹ分岐から上側コア３７０２−１と下側コア３７０２−２に入力された伝搬光の光パワーの１／２ずつ分岐される。ヒーター３７０５−１〜４に電流を印加しない場合には、ポリマー３７０４−１，２は常温であり、上側コア３７０２−１と下側コア３７０２−２において位相変化が無い。よって、分岐された伝搬光がポート３７０３−２で合流され、そのポートから出力される。出力光の損失は導波路の伝搬損失にほぼ等しい。
【００８９】
一方、図３７（ｂ）に示すように、ポリマー３７０４−１を加熱し、ポリマー３７０４−２は加熱しない場合を説明する。ポリマー３７０４−１を加熱すると、Ｙ分岐で半分に分岐された上側コア３７０２−１での伝搬光は、ポリマー部での屈折率変化を感じ、伝搬光の感じる屈折率が増加する。その結果、その伝搬光の位相がπだけずれることになる。このとき下側コア３７０２−２のポリマー領域３７０４−２は加熱しないので、下側コア３７０２−２の伝搬光の位相は変わらないとする。その結果、上側コア３７０２−１と下側コア３７０２−２の伝搬光がポート３７０３−２で合流されると、光出力をゼロとすることができる。このようにしてポリマーＴＯ効果制御型ＯＮ／ＯＦＦ光スイッチを作製することができる。
【００９０】
上記実施例では上側のポリマー３７０４−１のみ動作させたが、下側のポリマー３７０４−２も同時に駆動させることもできる。すなわちＹ分岐で半分に分岐された伝搬光の上側コア３７０２−１の上部と下側コア３７０２−２の上部に配置したポリマーの温度を、バイアスした温度から上げる／下げることにより、上側コア３７０２−１と下側コア３７０２−２の伝搬光の位相差を制御し、位相差がゼロの場合にはポート３７０３−２での光出力をｏｎに、位相差がπの場合には光出力をｏｆｆにすることができる。上記に加えて、フォトニック結晶導波路の直線部、Ｙ分岐部における製造誤差等に由来する位相差がキャンセルされるようにポリマーの温度を制御することも可能である。
【００９１】
［実施例１０］図３８、３９に本発明の一実施例を示す。図３８は２次元のフォトニック結晶導波路を構成し、２入力２出力形マッハツェンダー回路に応用した実施例の模式図である。（ａ）はＭＺ回路上面図、（ｂ）は（ａ）のＭＺ回路のＢ-Ｂ'断面図である。図３８（ｂ）において点線で囲まれた部分がコアであり、２次元フォトニック結晶から構成されている。該コアは１次元フォトニック結晶とすることもできる。
【００９２】
本光回路は、［実施例９］の場合と多層膜部およびポリマー装荷部はほぼ同様な構成である。多層膜部は、自己クローニング法を用いたスパッタリング成膜により作製する。フォトニック結晶導波路構造、自己クローニング、ヒーターの詳細については［発明を実施するための最良の形態］で記述済みである。
【００９３】
一方、図３８、３９に示す本実施例は、光回路パターンが［実施例９］とは異なる。本実施例の光回路パターンは、コア３８０２−１，２と２箇所のコア近接領域すなわち方向性結合器部（ここでは３ｄＢカプラとする。）３８０３−１，２からマッハツェンダー回路を構成する。該マッハツェンダー回路に加えて、アーム部の上部にポリマーを注入する領域３８０５−１，２、ヒーター領域３８０６−１〜４でデバイス全体が構成される。ここで、３ｄＢカプラとは入力光の光パワーを２つの出力ポートに等分配（約３ｄＢ）する方向性結合器のことである。コア近接領域３８０３−１，２における結合長は完全結合長の約１／２である。本実施例では、ポリマー領域、ヒーターを２つのアーム部に設けたが、いずれか一方のアームに設置した構成とすることもできる。以下では、ポリマー領域、ヒーターを２つのアーム部に設置した場合のみについて説明する。
【００９４】
次に、上記フォトニック結晶導波路の作用について説明する。図３９（ａ）に示すように、ポリマー３９０５−１，２を加熱しない場合について説明する。ポート３９０４−１からの入力光（光パワーをＡ０とする。）は３ｄＢカプラ３９０３−１において導波路３９０２−３と導波路３９０２−４にそれぞれ位相を含めてＡ０×１/√２、Ａ０×ｊ/√２に分配される。ここでｊは、√(-１)である。ヒーター３９０６−１〜４に電流を流さず、ポリマー部３９０５−１，２が駆動しなかったとすると、導波路３９０２−３，４においては伝搬光の位相変化は無い。次に、３ｄＢカプラ３９０３−２において導波路３９０２−３からの伝搬光Ａ０×１/√２は導波路３９０２−５と導波路３９０２−６にそれぞれ位相を含めてＡ０×１/√２×１/√２、Ａ０×１/√２×ｊ/√２に分配される。一方、導波路３９０２−４からの伝搬光Ａ０×ｊ/√２は導波路３９０２−５と導波路３９０２−６にそれぞれ位相を含めてＡ０×ｊ/√２×ｊ/√２、Ａ０×ｊ/√２×１/√２に分配される。その結果、ポート３９０４−３ではＡ０×１/√２×１/√２＋Ａ０×ｊ/√２×ｊ/√２＝０となり、光出力はゼロになる。一方、ポート３９０４−４ではＡ０×１/√２×ｊ/√２＋Ａ０×１/√２×ｊ/√２＝ｊＡ０となり、光出力はＡ０になる。ポート３９０４−３における出力光の損失は導波路の伝搬損失と方向性結合器の結合損失を加算した値になる。
【００９５】
一方、図３９（ｂ）に示すように、ポリマー３９０５−１をヒーターで加熱し、ポリマー３９０５−２を加熱しない場合を説明する。ポリマー領域３９０５−１を加熱することにより、Ｙ分岐で半分に分岐された伝搬光は上側コア３９０２−１での伝搬光がポリマー部での屈折率変化を感じて、その伝搬光のＴＥ偏波の感じる屈折率が増加する。その結果、ＴＥ偏波の位相がπだけずれることになる。このとき下側コア３９０２−２のポリマー領域３９０５−１は加熱せず、伝搬光の位相は変わらないとする。この状態において上記と同様にして、ポート３９０４−３，４における光出力を求める。３ｄＢカプラ３９０３−１において上記導波路３９０２−３と導波路３９０２−４にそれぞれ位相を含めてＡ０×１/√２、Ａ０×ｊ/√２に分配された伝搬光は、ポリマー部３９０５−１近傍の導波路のみ位相がπ変化して、それぞれＡ０× (−１) ×１/√２、Ａ０×ｊ/√２となる。次に、３ｄＢカプラ３９０３−２において導波路３９０２−３からの伝搬光Ａ０× (−１) ×１/√２は導波路３９０２−５と導波路３９０２−６にそれぞれ位相を含めてＡ０× (−１) ×１/√２×１/√２、Ａ０× (−１) ×１/√２×ｊ/√２に分配される。一方、導波路３９０２−４からの伝搬光Ａ０×ｊ/√２は導波路３９０２−５と導波路３９０２−６にそれぞれ位相を含めてＡ０×ｊ/√２×ｊ/√２、Ａ０×ｊ/√２×１/√２に分配される。その結果、ポート３９０４−３ではＡ０× (−１) ×１/√２×１/√２＋Ａ０×ｊ/√２×ｊ/√２＝(−１)×Ａ０となり、光出力はＡ０になる。一方、ポート３９０４−４ではＡ０× (−１) ×１/√２×ｊ/√２＋Ａ０×ｊ/√２×１/√２＝０となり、光出力はゼロになる。ポート３９０４−４における出力光の損失は導波路の伝搬損失と方向性結合器の結合損失を加算した値になる。このようにして光路切り替え型光スイッチを作製することができる。
【００９６】
上記実施例では上側のポリマー３９０５−１のみ動作させたが、下側のポリマー３９０５−２も同時に駆動させることもできる。すなわち３ｄＢカプラで半分に分配された伝搬光の上側コア３９０２−１の上部と下側コア３９０２−２の上部に配置したポリマーの屈折率を制御することにより、上側コア３９０２−１と下側コア３９０２−２の伝搬光の位相差を制御し、位相差がゼロの場合にはポート３９０４−４から光を取り出し、位相差がπの場合には光出力をポート３９０４−３から取り出すことができる。上記に加えて、フォトニック結晶導波路の直線部、３ｄＢカプラ部における製造誤差等に由来する位相差がキャンセルされるようにポリマーを制御することも可能である。以上述べた通り本発明による光スイッチはＯＦＦ時の残留信号が小さい、即ち消光比が高い特徴を持つが、なお一層高い消光比を要するときは、ガラス導波路で行われているように（非特許文献４）、多段マッハツェンダー回路を用いることができるのは明らかである。
【００９７】
本構造を応用した光デバイスとしては、フォトニック結晶コアと誘電体単層膜コアおよび方向性結合器を適宜、配置することにより、マトリックス光スイッチ、分散制御素子なども構成することができる。
【００９８】
［実施例１１］本実施例はフォトニック結晶特有の、スーパープリズム効果の制御に関するものである。図３に、フォトニック結晶中のスーパープリズム効果、およびそれを利用した波長チューニングの機能をもつ波長分波回路の構成例を示す。図３（ａ）は上面図である。フォトニック結晶導波路のコア３０２を伝搬した波長λ1からλ3の光は、自己クローニングで作製された３次元フォトニック結晶領域３０１に入射される。ここで単位セルの中心を円で描いている。スーパープリズム効果により、波長毎に伝搬方向が大きく異なり波長分波することができる。スーパープリズム効果とは、面内の周期構造に起因するもので、波数ダイヤグラムの変曲点付近では僅かな波長差で伝搬方向が大きく変化する効果である（非特許文献５）。
【００９９】
作製方法を以下に示す。予め、基板３０３上の波長分波機能をもつ部分にｚ軸に対して１０度の方向を配列方向の一つとした正方格子状の孔列パターン（面内の周期は０．６μｍ）を形成する。導波路コアは平坦であるのでパターンを持たないが、周囲のクラッド３０４ではｚ軸方向に平行な溝列パターン（周期０．８μｍ）を形成する。次にアモルファスＳｉ（屈折率３．２）とＳｉＯ２（屈折率１．５）からなる交互多層膜を、自己クローニング法により積層し、波長分波機能をもつ部分には３次元フォトニック結晶、導波路のコアは平坦多層膜、クラッドでは２次元フォトニック結晶を同時に形成する。ここで、下部クラッド３０５の積層周期は０．７μｍで１０周期、コア層３０６の積層周期は０．７μｍで３周期とする。上部クラッド層３０７は０．７μｍを１周期もしくは２周期程度を積層する。その上に、金属膜からなるヒーターを形成し、ポリマー３０８を装荷する。但し、構成するフォトニック結晶の構造パラメータ（配列パターンの種類（正方格子の他、三角格子であっても良い）、各膜厚、積層周期、面内周期、屈折率、凹凸の高さなど）は分岐する波長と分岐角度で決まる値であるため、限定されるものではない。
【０１００】
光をｚ軸方向から入射する。フォトニック結晶の格子の方位は、光の伝搬方向から傾いているため、スーパープリズム効果が生じる。その効果は、波長を１５２０ｎｍから１０ｎｍ増加させると、例えば伝搬角は３０度程度変化する。入射する波長に対し分岐角は強く依存するが、上部のポリマー層３０８の屈折率を制御することにより、伝搬モードのバンド端波長を制御することができる。従って、特定の波長に対し特定の方向に伝搬させるように制御することができるようになる。これまでスーパープリズム現象は知られていたが、波長に対し敏感であるため、実際には使いづらい点があった。本構造によれば、作製した後にスーパープリズム効果の伝搬方向を制御し、特定波長の光を特定方向に伝搬させることが可能となる。
液晶で制御する方法では、屈折率の変化には異方性があるが、スーパープリズムでは伝搬方向が大きく変化するために、適していない。ポリマーによる屈折率変化は等方的であるので、特にこの用途では適している。
【図面の簡単な説明】
【０１０１】
【図１】フォトニック結晶導波路の導波光特性をポリマーへの加熱による屈折率変化によって制御する方法を示す図
【図２】２次元モデルによる説明図
【図３】スーパープリズム効果を上部クラッド層のポリマーで制御する実施例を示す図（ａ）上面図、（ｂ）断面図
【図４】（ａ）自己クローニング法によって作製されるヘテロ構造フォトニック結晶導波路の構造を示す図、（ｂ）導波路を構成する結晶領域を示す図
【図５】自己クローニング法によって作製されるヘテロ構造フォトニック結晶導波路の構造を示す図
【図６】自己クローニング法によって作製されるヘテロ構造フォトニック結晶導波路の構造を示す図
【図７】（ａ）図４（ａ）の導波路のある領域の断面構造の例を示す図、（ｂ）自己クローニング法によって作製されるフォトニック結晶の一例の断面写真、（ｃ） 図７（ｂ）の構造を模式的に表した図
【図８】図７（ａ）の構造における、ある方向のフォトニック・バンド構造を示す図
【図９】図７（ａ）の構造における、ある方向のフォトニック・バンド構造を示す図、
【図１０】自己クローニング法を用いて作製される光導波路の構造を示す図
【図１１】ポリマー層を装荷したフォトニック結晶導波路の構造を示す図
【図１２】図７（ｃ）の構造における、ある方向のフォトニック・バンド構造を示す図
【図１３】図１１の構造をモデル化した構造とその屈折率分布を示す図
【図１４】図１３の構造を伝わる光の電界分布を示す図
【図１５】（ａ）放射光の制御による光スイッチもしくは光減衰器の上面を示す図、（ｂ）放射光の制御による光スイッチもしくは光減衰器の断面を示す図
【図１６】（ａ）放射光の制御による光スイッチもしくは光減衰器の上面を示す図、（ｂ）放射光の制御による光スイッチもしくは光減衰器の断面を示す図
【図１７】（ａ）基板上への凹凸パターンの形成を示す図、（ｂ）整形層成膜を示す図、（ｃ）下部クラッド層成膜を示す図、（ｄ）コア層及び上部クラッド層そして平坦化層成膜を示す図
【図１８】（ａ）フォトニック結晶へのドライエッチング用金属マスクの形成を示す図、（ｂ）ドライエッチングによるフォトニック結晶へのポリマー充填用溝形成と断熱溝形成を示す図、（ｃ）ドライエッチング用金属マスクのリムーブを示す図
【図１９】（ａ）リフトオフ用フォトレジストのパターニングを示す図、（ｂ）薄膜ヒーター用金属のスパッタリング法による成膜を示す図、（ｃ）フォトレジストのリムーブによる薄膜ヒーターの形状の形成（リフトオフプロセス）を示す図
【図２０】（ａ）フォトニック結晶上へのスピンコート法によるポリマーの塗布を示す図、（ｂ）ポリマーへのＯ２−ＲＩＥ用の金属マスクの形成を示す図、（ｃ）Ｏ２−ＲＩＥによるポリマーのドライエッチングを示す図
【図２１】Ｏ２−ＲＩＥ用金属マスクのリムーブ後の完成図
【図２２】（ａ）自己クローニング法により作製される分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）を持つ導波路の一部を示す図、（ｂ） 同、ＤＢＲのコア層上部にポリマーを装荷した構造の概念図
【図２３】ストップバンドと透過する波長、反射する波長の関係
【図２４】（ａ）図２２（ａ）のＤＢＲ部分の周期が徐々に変化した構造の概念図、（ｂ）同、ＤＢＲのコア層上部にポリマーを装荷した構造の概念図
【図２５】ポリマーの温度制御用ヒーターを複数もつ構造の概念図
【図２６】（ａ）図２２（ａ）のＤＢＲ部分の周期の異なるものを複数集積化した構造の概念図、（ｂ）同、ＤＢＲのコア層上部にポリマーを装荷した構造の概念図
【図２７】フォトニック結晶導波路と光サーキュレータを組み合わせた光回路の概念図
【図２８】フォトニック結晶導波路中にＤＢＲを導波方向に対して斜めに形成することで反射波を別の方向に取り出すことのできる構成の概念図
【図２９】図２８の構造をアレイ状に配置した多入出力の光クロスコネクトスイッチの概念
【図３０】（ａ）フォトニック結晶導波路型光共振器にポリマーを導入した構造（一例）の模式図、（ｂ）フォトニック結晶導波路の断面の模式図
【図３１】フォトニック結晶からなるポリマー装荷型光共振器と方向性結合器の組み合わせによる可変波長ＡＤＤ／ＤＲＯＰフィルタの構成図
【図３２】ポリマー装荷型フォトニック結晶光共振器と光サーキュレータの組み合わせによる可変波長ＡＤＤ／ＤＲＯＰフィルタの構成図
【図３３】フォトニック結晶からなるポリマー装荷型光共振器と方向性結合器を複数組み合わせることによって実現できるチューナブル多チャンネル波長分波器の概念図
【図３４】第８の実施例の構造の上面を示す図
【図３５】第８の実施例の断面構造を示す図
【図３６】自己クローニング型のフォトニック結晶を用いた光導波路から構成される１入力１出力形マッハツェンダー回路とポリマーとを融合した一実施例の模式図
【図３７】自己クローニング型のフォトニック結晶を用いた光導波路から構成される１入力１出力形マッハツェンダー回路とポリマーとを融合した場合の作用を説明した模式図
【図３８】自己クローニング型のフォトニック結晶を用いた光導波路から構成される２入力２出力形マッハツェンダー回路とポリマーとを融合した一実施例の模式図
【図３９】自己クローニング型のフォトニック結晶を用いた光導波路から構成される２入力２出力形マッハツェンダー回路とポリマーとを融合させた場合の作用を説明した模式図
【符号の説明】
【０１０２】
１０１  フォトニック結晶導波路のコア部
１０２  フォトニック結晶導波路のクラッド部
１０３  ポリマー充填用溝
１０４  ポリマー
１０５  薄膜ヒーター
１０６  断熱溝
２０１  コアを形成する２次元フォトニック結晶
２０２  クラッドを形成する２次元フォトニック結晶
２０３  一様な誘電体層
３０１  スーパープリズム効果を有する自己クローニング型３次元フォトニック結晶
３０２  コア
３０３  基板
３０４  面内のクラッド領域
３０５  下部クラッド
３０６  コア
３０７  上部クラッド
３０８  ポリマー
４０１  基板
４０２  高屈折率材料
４０３  低屈折率材料
４０４  整形層
４０５  格子定数、格子方位の一定な結晶領域のひとつ
４０６  格子定数、格子方位の一定な結晶領域のひとつ
４０７  格子定数、格子方位の一定な結晶領域のひとつ
４０８  格子定数、格子方位の一定な結晶領域のひとつ
４０９  光導波路のコア
５０１  光導波路のコア
６０１  光導波路のコア
６０２  光導波路のクラッド
６０３  光導波路のコア領域
８０１  波長１．５５μｍに相当する点
９０１  Γ点におけるフォトニック・バンドギャップ
１００１  基板
１００２  下部クラッド
１００３  コア層
１００４  上部クラッド
１１０１  コア層
１１０２  下部クラッド層
１１０３  上部クラッド層
１１０４  ポリマー層
１１０５  カバー層
１２０１  Ｘ点におけるフォトニック・バンドギャップ
１３０１  下部クラッド層
１３０２  コア層
１３０３  上部クラッド層
１３０４  ポリマー層
１３０５  カバー層
１５０１  フォトニック結晶部
１５０２  光導波路のコア
１５０３  ポリマー
１６０１  フォトニック結晶部
１６０２  光導波路のコア
１６０３  ポリマー
１７０１  基板
１７０２  整形層
１７０３  下部クラッド層
１７０４  高屈折率材料
１７０５  低屈折率材料
１７０６  コア層
１７０７  上部クラッド層
１７０８  平坦化層
１８０１  金属マスク
１８０２  ポリマー充填用溝
１８０３  断熱溝
１９０１  フォトレジスト
１９０２  薄膜ヒーター用金属薄膜
１９０３  薄膜ヒーター
２００１  ポリマー
２００２  金属マスク
２２０１  ＤＢＲ部分
２２０１Ｂ  入出力導波路部分
２２０２  上側クラッド領域
２２０３  コア領域
２２０４  下側クラッド領域
２２０５  基板
２２０６  ＤＢＲ部分
２２０７  ポリマー
２３０１  ストップバンドの波長域
２３０２  パスバンドの波長域
２４０１  周期が徐々に変化するＤＢＲ部分
２４０２  上側クラッド領域
２４０３  コア領域
２４０４  下側クラッド領域
２４０５  基板
２４０６  ある波長の実効的反射位置
２４０７  ある波長の実効的反射位置
２４０８  ある波長の実効的反射位置
２４０９  周期が徐々に変化するＤＢＲ部分
２４１０  ポリマー
２５０１  ポリマー
２５０２  ヒーター
２６０１  それぞれ周期が異なるＤＢＲミラー部
２６０２  上側クラッド領域
２６０３  コア領域
２６０４  下側クラッド領域
２６０５  基板
２６０６  それぞれ周期が異なるＤＢＲミラー部
２６０７  ポリマー部
２７０１  入力ポート
２７０２  出力ポート１
２７０３  光サーキュレータ
２７０４  ＤＢＲ部分
２７０５  フォトニック結晶
２７０６  光導波路のコア
２７０７  出力ポート２
２８０１  ＤＢＲ部分
２８０２  フォトニック結晶
２８０３  入力ポート
２８０４  光導波路のコア
２８０５  出力ポート１
２８０６  出力ポート２
２９０１  光導波路のコア
２９０２  フォトニック結晶
２９０３  ＤＢＲ部分
２９０４  ＤＢＲ部分
２９０５  ＤＢＲ部分
２９０６  ＤＢＲ部分
２９０７  入出力ポート
２９０８  入出力ポート
２９０９  入出力ポート
２９１０  入出力ポート
２９１１  入出力ポート
２９１２  入出力ポート
２９１３  入出力ポート
２９１４  入出力ポート
３００１  コア領域（基板面内方向）
３００２  クラッド領域（基板面内方向）
３００３  コア領域（多層膜積層方向）
３００４  クラッド領域（多層膜積層方向）
３００５  ＤＢＲ領域
３００６  キャビティ領域
３００７  コア
３００８  ポリマー導入領域
３０１０  基板
３１０１  ３ｄＢ方向性結合器
３１０２  ３ｄＢ方向性結合器
３１０３  ポリマー装荷型フォトニック結晶光共振器
３１０４  入力ポート
３１０５  出力ポート
３１０６  ＡＤＤポート
３１０７  ＤＲＯＰポート
３２０１  光サーキュレータ
３２０２  光サーキュレータ
３２０３  フォトニック結晶
３２０４  入力ポート
３２０５  出力ポート
３２０６  ＤＲＯＰポート
３２０７  ＡＤＤポート
３３０１  可変波長ＡＤＤ／ＤＲＯＰフィルタ
３３０２  可変波長ＡＤＤ／ＤＲＯＰフィルタ
３３０３  可変波長ＡＤＤ／ＤＲＯＰフィルタ
３３０４  可変波長ＡＤＤ／ＤＲＯＰフィルタ
３３０５  可変波長ＡＤＤ／ＤＲＯＰフィルタ
３３０６  入力ポート
３３０７  出力ポート
３３０８  出力ポート
３３０９  出力ポート
３３１０  出力ポート
３３１１  出力ポート
３３１２  出力ポート
３３１３  ポリマー装荷型光共振器（またはＤＢＲ）
３３１４  ポリマー装荷型光共振器（またはＤＢＲ）
３４０１  フォトニック結晶
３４０２  光導波路のコア
３４０３  光導波路のコア
３４０４  方向性結合器のモード結合領域
３４０５  ポリマーの装荷領域
３４０６  ポート１
３４０７  ポート２
３４０８  ポート３
３４０９  ポート４
３５０１  コアの形成される基板領域
３５０２  光導波路のコア
３５０３  光導波路のコア
３５０４  結合光導波路のコア間の間隔
３６０１  石英基板
３６０２−１，２  マッハツェンダー回路のアーム部
３６０３−１，２  ポート
３６０４−１，２  ポリマー領域
３６０５−１〜４  ヒーター
３６０８  基板整形層
３６０９  Ｔａ２Ｏ５膜
３６１０  ＳｉＯ２膜
３６１１  Ｔａ２Ｏ５膜
３６１２  ＳｉＯ２膜
３６１３  Ｔａ２Ｏ５膜
３６１４  ＳｉＯ２膜
３７０１  石英基板
３７０２−１  上側コア
３７０２−２  下側コア
３７０３−１，２  ポート
３７０４−１，２  ポリマー領域
３７０５−１〜４  ヒーター
３８０１  石英基板
３８０２−１，２  コアまたは導波路
３８０３−１，２  ３ｄＢカプラ
３８０４−１〜４  ポート
３８０５−１，２  ポリマー領域
３８０６−１〜４  ヒーター
３８０９  基板整形層
３８１０  Ｔａ２Ｏ５膜
３８１１  ＳｉＯ２膜
３８１２  Ｔａ２Ｏ５膜
３８１３  ＳｉＯ２膜
３８１４  Ｔａ２Ｏ５膜
３８１５  ＳｉＯ２膜
３９０１  石英基板
３９０２−１〜６  コアまたは導波路
３９０３−１，２  ３ｄＢカプラ
３９０４−１〜４  ポート
３９０５−１，２  ポリマー領域
３９０６−１〜４  ヒーター
【図１】
2005037684.tif 000003
【図２】
2005037684.tif 000004
【図３】
2005037684.tif 000005
【図４】
2005037684.tif 000006
【図５】
2005037684.tif 000007
【図６】
2005037684.tif 000008
【図７】
2005037684.tif 000009
【図８】
2005037684.tif 000010
【図９】
2005037684.tif 000011
【図１０】
2005037684.tif 000012
【図１１】
2005037684.tif 000013
【図１２】
2005037684.tif 000014
【図１３】
2005037684.tif 000015
【図１４】
2005037684.tif 000016
【図１５】
2005037684.tif 000017
【図１６】
2005037684.tif 000018
【図１７】
2005037684.tif 000019
【図１８】
2005037684.tif 000020
【図１９】
2005037684.tif 000021
【図２０】
2005037684.tif 000022
【図２１】
2005037684.tif 000023
【図２２】
2005037684.tif 000024
【図２３】
2005037684.tif 000025
【図２４】
2005037684.tif 000026
【図２５】
2005037684.tif 000027
【図２６】
2005037684.tif 000028
【図２７】
2005037684.tif 000029
【図２８】
2005037684.tif 000030
【図２９】
2005037684.tif 000031
【図３０】
2005037684.tif 000032
【図３１】
2005037684.tif 000033
【図３２】
2005037684.tif 000034
【図３３】
2005037684.tif 000035
【図３４】
2005037684.tif 000036
【図３５】
2005037684.tif 000037
【図３６】
2005037684.tif 000038
【図３７】
2005037684.tif 000039
【図３８】
2005037684.tif 000040
【図３９】
2005037684.tif 000041