(57)【要約】【課題】高効率かつ小型の光学素子及び光学素子を有する光変調器等を提供することを目的とする。【解決手段】入射端より入射した光を出射端へと導く伝送路と、前記光に対して、所定の位相変調を付与するフォトニック結晶部と、前記フォトニック結晶部の屈折率を変化させて前記位相変調を制御すべく、当該フォトニック結晶部にエネルギーを付与するエネルギー付与部と、を有し、前記フォトニック結晶部は、前記伝送路上又は前記伝送路下に形成されることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射端より入射した光を出射端へと導く伝送路と、
前記光に対して、所定の位相変調を付与するフォトニック結晶部と、
前記フォトニック結晶部の屈折率を変化させて前記位相変調を制御すべく、当該フォトニック結晶部にエネルギーを付与するエネルギー付与部と、を有し、
前記フォトニック結晶部は、前記伝送路上又は前記伝送路下に形成されることを特徴とする光学素子。
【請求項２】
請求項１に記載の光学素子において、
前記伝送路は、前記光を２方向に分岐させる分岐部と、再び結合させ出射端へと導く結合部とを有し、
前記フォトニック結晶部は、少なくとも分岐後の一方の前記伝送路上又は前記伝送路下に形成されることを特徴とする光学素子。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の光学素子において、
前記伝送路の入射端は、光の進行方向に対して垂直な面の断面積が、当該光の進行方向に連続的に増大するよう形成され、
前記伝送路の出射端は、光の進行方向に対して垂直な面の断面積が、当該光の進行方向に連続的に減少するよう形成されることを特徴とする光学素子。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光学素子において、
前記フォトニック結晶部の少なくとも一部は、前記光の進行方向に対して垂直な面の断面積が前記光の進行方向に連続的に増大又は減少するよう形成されることを特徴とする光学素子。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の光学素子において、
前記フォトニック結晶部の光の進行方向に沿った両側に、光の伝搬を抑制するバリア領域を有することを特徴とする光学素子。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の光学素子において、
前記フォトニック結晶部は屈折率の異なる第１の物質及び第２の物質とからなり、前記第１の物質が所定のサイズと所定の配置間隔で前記第２の物質中において面状に配して形成され、かつ、
前記第１の物質は、前記伝送路より低い屈折率を有する材料から成ることを特徴とする光学素子。
【請求項７】
請求項６に記載の光学素子において、
前記フォトニック結晶部の端部は、前記伝送路より高い屈折率を有する前記第２の物質から成り、当該端部は、前記光の進行方向に対して垂直な面の断面積が前記光の進行方向に連続的に増大又は減少するよう形成されることを特徴とする光学素子。
【請求項８】
請求項６又は請求項７に記載の光学素子において、
前記第２の物質は、定常状態で所定の屈折率を有する半導体から成り、
前記エネルギー付与部は、前記半導体の屈折率を変化させるべく前記フォトニック結晶部に電圧を印加する電圧印加部を有することを特徴とする光学素子。
【請求項９】
請求項８に記載の光学素子において、
前記フォトニック結晶部が、分岐後の双方の前記伝送路上又は前記伝送路下に夫々形成されている場合には、前記エネルギー付与部は、前記フォトニック結晶部ごとに独立して電圧を印加する前記電圧印加部を有することを特徴とする光学素子。
【請求項１０】
請求項２乃至請求項９のいずれか一項に記載の光学素子において、
前記伝送路、前記エネルギー付与部及び前記フォトニック結晶部は、ＳＯＩ（Silicon-On-Insulator）基板上に形成され、
前記フォトニック結晶部は、少なくとも分岐後の一方の前記伝送路下に形成されることを特徴とする光学素子。
【請求項１１】
請求項２乃至請求項９のいずれか一項に記載の光学素子において、
前記伝送路、前記エネルギー付与部及び前記フォトニック結晶部は、シリコン基板上に形成され、
前記フォトニック結晶部は、少なくとも分岐後の一方の前記伝送路上に形成されることを特徴とする光学素子。
【請求項１２】
請求項２乃至請求項１１のいずれか一項に記載の光学素子を有する光変調器において、
前記エネルギー付与部にて前記フォトニック結晶部にエネルギーを付与し、前記伝送路によって導かれる前記光に対して、所定の位相変調を付与して当該光を前記エネルギーに応じた変調光とすることを特徴とする光変調器。
【請求項１３】
請求項１２に記載の光変調器において、
前記フォトニック結晶部が、分岐後の双方の前記伝送路上又は前記伝送路下に夫々形成されており、前記フォトニック結晶部ごとに独立して電圧を印加する前記電圧印加部は、符号が互いに反転した電圧を各前記フォトニック結晶部に印加することを特徴とする光変調器。
【請求項１４】
請求項２乃至請求項１１のいずれか一項に記載の光学素子を有する光減衰器において、
前記光学素子から出射される前記光を検出する検出部と、
検出された前記光の強度に基づいて前記エネルギー付与部が前記フォトニック結晶部に付与すべきエネルギーを制御する制御部と、を有することを特徴とする光減衰器。
【請求項１５】
請求項２乃至請求項１１のいずれか一項に記載の光学素子を有する無線−光変換器において、
前記エネルギー付与部は、アンテナを介して受信した電波に基づいて、前記フォトニック結晶部にエネルギーを付与し、前記伝送路によって導かれる前記光に対して、所定の位相変調を付与して当該光を前記エネルギーに応じた変調光とすることを特徴とする無線−光変換器。
【請求項１６】
請求項１５に記載の無線−光変換器において、
前記フォトニック結晶部が、分岐後の双方の前記伝送路上又は前記伝送路下に夫々形成されており、前記フォトニック結晶部ごとに独立して電圧を印加する前記電圧印加部は、前記アンテナを介して受信した電波に基づいて、符号が互いに反転した電圧を各前記フォトニック結晶部に印加することを特徴とする無線−光変換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フォトニック結晶を用いた光学素子の技術分野に関し、特に伝搬する光に対して位相変調を付与する光学素子及び光学素子を有する光変調器等に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光通信においてコンテンツの伝送量の増加にともなう情報処理速度の上昇は、光情報処理技術の高速化の必要性を一層高めており、これに伴い高速に応答する光変調器や光減衰器等の各種光学素子が必要とされている。
【０００３】
例えば、非特許文献１には、シリコンMach-Zehnder（MZ）型の光導波路を用いた光変調器に関する技術が開示されている。
【０００４】
【非特許文献１】“High-Speed sillicon Mach-Zehnder modulator" L. Liao et al, Optics Express vol.13, No.8, pp.3129-3135  (2005)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来のシリコンにて作製されたデバイスはサイズが大きく、例えば、上記シリコンMach-Zehnder（MZ）型の光導波路を用いた光変調器は、アーム導波路の長さが３．４５０ｍｍ以上と非常に長く、Mach-Zehnderの分岐付近まで含めると導波路長は実に１３．０００ｍｍに達し、小型化に不向きであるという問題があった。
【０００６】
特に波長多重伝送に対応した複数チャネルを有する光スイッチの技術の進展により、光信号を電気信号に変換することなく、光信号のままで切り替える光スイッチが実用化されている。このような光スイッチでは、波長の違うチャネルごとに増幅されて得られるパワーが異なるため、波長の異なる全てのチャネルで光の強度が等化されるように光の強度を調整する光減衰器などの光学素子アレイが必要になるが、製造上の都合からウェハの大きさは遵守されなければならないことから、多チャンネルに対応可能な光学素子アレイに適用することができなかった。
【０００７】
そこで、本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、高効率かつ小型の光学素子及び光学素子を有する光変調器等を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、入射端より入射した光を出射端へと導く伝送路と、前記光に対して、所定の位相変調を付与するフォトニック結晶部と、前記フォトニック結晶部の屈折率を変化させて前記位相変調を制御すべく、当該フォトニック結晶部にエネルギーを付与するエネルギー付与部と、を有し、前記フォトニック結晶部は、前記伝送路上又は前記伝送路下に形成されることを特徴とする。
【０００９】
これによれば、フォトニック結晶部へ電流又は電圧等のエネルギーを僅かに与えるだけで、フォトニック結晶部の屈折率の変化によって、伝送路を伝播する光に対して位相変調を付与することが可能な高効率且つ小型の光学素子を提供することができる。
【００１０】
上記課題を解決するため、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の光学素子において、前記伝送路は、前記光を２方向に分岐させる分岐部と、再び結合させ出射端へと導く結合部とを有し、前記フォトニック結晶部は、少なくとも分岐後の一方の前記伝送路上又は前記伝送路下に形成されることを特徴とする。
【００１１】
これによれば、フォトニック結晶部によって伝送路の分岐後の一方の経路又は双方の経路によって導かれる光に対して、それぞれ独立した位相変調を付与することができる構成としたので、より効率の高い小型の光学素子を提供することができる。
【００１２】
上記課題を解決するため、請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の光学素子において、前記伝送路の入射端は、光の進行方向に対して垂直な面の断面積が、当該光の進行方向に連続的に増大するよう形成され、前記伝送路の出射端は、光の進行方向に対して垂直な面の断面積が、当該光の進行方向に連続的に減少するよう形成されることを特徴とする。
【００１３】
これによれば、有効屈折率の変化を緩やかにして、より効率よく光を光学素子内に取り入れ、或いは、光学素子外へ出射させることができる。
【００１４】
上記課題を解決するため、請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光学素子において、前記フォトニック結晶部の少なくとも一部は、前記光の進行方向に対して垂直な面の断面積が前記光の進行方向に連続的に増大又は減少するよう形成されることを特徴とする。
【００１５】
これによれば、有効屈折率の変化を少なくして、伝送路を伝搬する光がフォトニック結晶部の端面で反射することを防いで、当該光に対して低損失かつ高効率に位相変調を付与できる。
【００１６】
上記課題を解決するため、請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の光学素子において、前記フォトニック結晶部の光の進行方向に沿った両側に、光の伝搬を抑制するバリア領域を有することを特徴とする。
【００１７】
これによれば、光の進行方向に対して垂直方向への光の拡散を防いで、効率よく確実に光を伝搬させることができる。
【００１８】
上記課題を解決するため、請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の光学素子において、前記フォトニック結晶部は屈折率の異なる第１の物質及び第２の物質とからなり、前記第１の物質が所定のサイズと所定の配置間隔で前記第２の物質中において面状に配して形成され、かつ、前記第１の物質は、前記伝送路より低い屈折率を有する材料から成ることを特徴とする。
【００１９】
これによれば、フォトニック結晶部を、誘電率の異なる第１の物質を所定サイズと所定配置間隔で第２の物質中に面状に配列することで形成することができるため、特に複雑な構造となることもなく、比較的低コストで光学素子を実現することが可能である。
【００２０】
上記課題を解決するため、請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の光学素子において、前記フォトニック結晶部の端部は、前記伝送路より高い屈折率を有する前記第２の物質から成り、当該端部は、前記光の進行方向に対して垂直な面の断面積が前記光の進行方向に連続的に増大又は減少するよう形成されることを特徴とする。
【００２１】
これによれば、フォトニック結晶部に入射しようとする光が、当該フォトニック結晶部の端面で反射することを防いで、より一層低損失かつ高効率にフォトニック結晶部に光を取り入れることができる。
【００２２】
上記課題を解決するため、請求項８に記載の発明は、請求項６又は請求項７に記載の光学素子において、前記第２の物質は、定常状態で所定のキャリア密度を有する半導体から成り、前記エネルギー付与部は、前記半導体のキャリア密度を変化させるべく前記フォトニック結晶部に電圧を印加する電圧印加部を有することを特徴とする。
【００２３】
これによれば、導波路の屈折率を変化させるため、電気、熱、圧力等のエネルギーを外部から独立して付与するためのエネルギー付与部を備えることで、光に与える位相変調を自在に制御することができる。
【００２４】
上記課題を解決するため、請求項９に記載の発明は、請求項８に記載の光学素子において、前記フォトニック結晶部が、分岐後の双方の前記伝送路上又は前記伝送路下に夫々形成されている場合には、前記エネルギー付与部は、前記フォトニック結晶部ごとに独立して電圧を印加する前記電圧印加部を有することを特徴とする。
【００２５】
これによれば、フォトニック結晶部毎に、個別にエネルギーを付与することが可能になるので、それぞれのフォトニック結晶部に対応する分岐後の各伝送路を伝搬する光の位相を夫々独立して制御することが可能になる。
【００２６】
上記課題を解決するため、請求項１０に記載の発明は、請求項２乃至請求項９のいずれか一項に記載の光学素子において、前記伝送路、前記エネルギー付与部及び前記フォトニック結晶部は、ＳＯＩ（Silicon-On-Insulator）基板上に形成され、前記フォトニック結晶部は、少なくとも分岐後の一方の前記伝送路下に形成されることを特徴とする。
【００２７】
これによれば、フォトニック結晶部に印加する電流又は電圧等のエネルギーを僅かに変化させるだけで、伝送路を伝搬する光に対して大きな位相変調を付与することが可能な高効率且つ小型の光学素子を提供することができる。
【００２８】
上記課題を解決するため、請求項１１に記載の発明は、請求項２乃至請求項９のいずれか一項に記載の光学素子において、前記伝送路、前記エネルギー付与部及び前記フォトニック結晶部は、シリコン基板上に形成され、前記フォトニック結晶部は、少なくとも分岐後の一方の前記伝送路上に形成されることを特徴とする。
【００２９】
これによれば、フォトニック結晶部に印加する電流又は電圧等のエネルギーを僅かに変化させるだけで、伝送路を伝搬する光に対して大きな位相変調を付与することが可能な高効率且つ小型の光学素子を、より安価に提供することができる。
【００３０】
上記課題を解決するため、請求項１２に記載の発明は、請求項２乃至請求項１１のいずれか一項に記載の光学素子を有する光変調器において、前記エネルギー付与部にて前記フォトニック結晶部にエネルギーを付与し、前記伝送路によって導かれる前記光に対して、所定の位相変調を付与して当該光を前記エネルギーに応じた変調光とすることを特徴とする。
【００３１】
これによれば、高効率且つ小型の光変調器を比較的容易に作製できる。
【００３２】
上記課題を解決するため、請求項１３に記載の発明は、請求項１２に記載の光変調器において、前記フォトニック結晶部が、分岐後の双方の前記伝送路上又は前記伝送路下に夫々形成されており、前記フォトニック結晶部ごとに独立して電圧を印加する前記電圧印加部は、符号が互いに反転した電圧を各前記フォトニック結晶部に印加することを特徴とする。
【００３３】
これによれば、符号が反転した位相変調に伴うスペクトルの広がりと位相シフトを抑制することできる、すなわちチャープ現象を抑制することができ、より変調効率の高い光変調器を作製できる。
【００３４】
上記課題を解決するため、請求項１４に記載の発明は、請求項２乃至請求項１１のいずれか一項に記載の光学素子を有する光減衰器において、前記光学素子から出射される前記光を検出する検出部と、検出された前記光の強度に基づいて前記エネルギー付与部が前記フォトニック結晶部に付与すべきエネルギーを制御する制御部と、を有することを特徴とする。
【００３５】
これによれば、高効率且つ小型の光減衰器を比較的容易に作製できる。
【００３６】
上記課題を解決するため、請求項１５に記載の発明は、請求項２乃至請求項１１のいずれか一項に記載の光学素子を有する無線−光変換器において、前記エネルギー付与部は、アンテナを介して受信した電波に基づいて、前記フォトニック結晶部にエネルギーを付与し、前記伝送路によって導かれる前記光に対して、所定の位相変調を付与して当該光を前記エネルギーに応じた変調光とすることを特徴とする。
【００３７】
これによれば、高効率且つ小型の無線−光変換器を安価に作製できる。
【００３８】
上記課題を解決するため、請求項１６に記載の発明は、請求項１５に記載の無線−光変換器において、前記フォトニック結晶部が、分岐後の双方の前記伝送路上又は前記伝送路下に夫々形成されており、前記フォトニック結晶部ごとに独立して電圧を印加する前記電圧印加部は、前記アンテナを介して受信した電波に基づいて、符号が互いに反転した電圧を各前記フォトニック結晶部に印加することを特徴とする。
【００３９】
これによれば、より変調効率の高い無線−光変換器を作製できる。
【発明の効果】
【００４０】
本発明によれば、電流又は電圧等のエネルギーを僅かに与えるだけで、フォトニック結晶部の屈折率の変化によって、伝送路を伝搬する光に対して位相変調を付与することが可能な高効率且つ小型の光学素子等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】
【００４１】
以下、本願の最良の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００４２】
＜１．光学素子の構成及び機能＞
本実施形態にかかる光学素子の構成及び機能を説明する。
【００４３】
図１は、本実施形態にかかる光学素子１を模式的に表した図である。本実施形態にかかる光学素子１は、ＳＯＩ（Silicon-On-Insulator）基板上に、伝送路１１、フォトニック結晶部１２ａ、１２ｂ等からなる位相変調部を形成して作製され、伝送路１１によって光ファイバー等から入射した光（例えば通信用波長帯域である１．５５μｍ帯の周波数を有する）を所定の位相変調を付与する位相変調部へと導いて位相変調を付与するよう構成されている。なお、同図は伝送路１１、フォトニック結晶部１２ａ、１２ｂ、電極１３ａ、１３ｂ及び１３ｃ、バリア領域１４以外の構成、例えば、伝送路１１を覆うＳｉＯＮ（酸窒化シリコン）層等を省略して図示した。以下、同図を用いて本実施形態にかかる光学素子の概略構成を説明する。なお、以下の説明においてフォトニック結晶部１２ａ、１２ｂを総称してフォトニック結晶部１２とも言う。
【００４４】
伝送路１１は、いわゆるMach-Zehnder（MZ）型の光導波路であって、例えば、屈折率が約２．０に調整された窒化シリコン（ＳｉＮ）からなる。また、伝送路１１は、少なくともその一部が位相変調部のフォトニック結晶部１２上に積層され、光学素子１に入射した光を閉じ込めて、フォトニック結晶部１２を通過後、出射端へと導く。また、Ｙ分岐部１１ａ及び結合部１１ｂを備えており、入射した光をＹ分岐部１１ａにて２方向に分岐し、各経路を伝搬する光に対して、フォトニック結晶部１２ａ、１２ｂにてそれぞれ独立した位相変調を施し、再び結合部１１ｂにて各経路からの光を結合して出射するよう構成する。
【００４５】
なお、本発明の実施の形態においては、一の導波路によって構成された伝送路１１、Ｙ分岐部１１ａによって２つの経路に分岐させ、各経路を伝搬する光に対して独立した位相変調を施すよう構成したが、本発明はこのような構成に限定されるものではなく、例えば、方向性結合器等によって分波された入射光を、光の進行方向と垂直の方向に１μｍ程度の間隔を有してそれぞれ平行に隣りあう二つの伝送路を用いて伝搬し、当該各伝送路を伝搬する光に対して独立した位相変調を施し、その後に方向性結合器等によって結合するよう構成してもよい。
【００４６】
また、伝送路１１の光の伝搬方向に垂直な断面のサイズは、特に限定されるものではないが、例えば、入射光の電界が基板上面に平行である場合（ＴＥ偏光）には、幅約１０００ｎｍ、厚さ約４００ｎｍ程度であることが好ましく、入射光の磁界が基板上面に平行である場合（ＴＭ及びＴＥ偏光）にその偏光依存性を弱める場合には、適宜断面寸法を変化させることが好ましい。
【００４７】
なお、Ｙ分岐部１１ａの分岐角θ１、結合部１１ｂの結合角θ２、伝送路１１の位相変調部の長さＬ、及び分岐後の各伝送路の間隔Ｗは何れも特に限定されるものではないが、例えば、Ｙ分岐部１１ａの分岐角θ１及び結合部１１ｂの結合角θ２を４．８度〜５．２度程度とし、５度程度であることが好ましい。また、分岐後の各伝送路の間隔Ｗは、２５μｍ〜３５μｍ程度とし、３０μｍ程度であることが好ましい。
【００４８】
特に、Ｙ分岐部１１ａの分岐角θ１の角度が大きすぎると、伝送路１１を伝搬する光が、Ｙ分岐部１１ａ以降もなお直進して伝送路１１を逸れてしまう。また、Ｙ分岐部１１ａの分岐角θ１の角度が小さすぎると、光を完全に２方向に分岐させるために分岐後の経路に相当の長さを要し、光学素子自体の小型化を妨げることとなる。
【００４９】
伝送路１１の位相変調部の長さＬは、光学素子１自体を可能な限りコンパクトに構成するためにはできるだけ短いほうが好ましいが、その一方で、伝送路１１を伝搬する光に対して所望の位相変調を確実に付与できる程度の長さは必要である。伝送路１１の位相変調部の長さＬと位相変調の関係については後に詳細に説明する。
【００５０】
位相変調部は、フォトニック結晶部１２を具備して伝送路１１の分岐後の各経路を伝搬する光に対して位相変調を付与する。フォトニック結晶部１２は、第２の物質としてのシリコン（Ｓｉ）等によって形成された母材に面状に複数の孔を形成し、当該孔に母材の屈折率（誘電率）と異なる屈折率（誘電率）であって、伝送路１１より低い屈折率を有する第１の物質としての酸化シリコン（ＳｉＯ2）等を充填して誘電体円柱を形成することによって、誘電体円柱が所定のサイズと所定の配置間隔で母材中において面状に配して形成される。なお、面状とは、フォトニック結晶部内に二次元方向に配列されている平面状等の形状を意味し、フォトニック結晶部１２が製造工程において曲面や平面と曲面とが組み合わされた形状となった場合に当該形状に沿った配列も含むものとする。例えば、本実施形態に示す如く、ＳＯＩ基板を用いて光学素子１を作製する場合には、ＳＯＩ層をフォトニック結晶部１２の母材として利用すれば、簡易な製造工程で光学素子１を構成することができる。
【００５１】
また、フォトニック結晶部１２は、光の入射端側は、光の進行方向に対して垂直な面の断面積が、光の進行方向に連続的に緩やかに増大していく逆テーパー形状に形成され、出射端側は、上記断面積が光の進行方向に連続的に緩やかに減少していく順テーパー形状になるように形成される。例えば、誘電体円柱を母材に三角格子状に配置することとし、この際、入射端側は伝送路１１の光の伝搬と直行する方向に１個、２個、３個・・と所定の個数まで徐々に１個ずつ増加するよう配置し、出射端側は伝送路１１の光の伝搬と直行する方向に３個、２個、１個・・と所定の個数から徐々に１個ずつ減少するよう配置する。伝送路１１を伝搬する光がフォトニック結晶部１２の端面で反射することを防いで、低損失かつ高効率に位相変調を付与できるようにするためである。
【００５２】
更に、フォトニック結晶部１２の入射端側及び出射端側の１個目の誘電体円柱が、位相変調部における伝送路１１の中心線に重なるよう形成し、三角格子を構成する正三角形の底辺が光の伝搬方向と直交することが好ましい。伝送路１１を伝搬する光に位相変調をより均一に付与するためである。なお、所定の個数は特に限定されないが、例えば、１２個程度であることが好ましい。
【００５３】
そして、フォトニック結晶部１２ａに、エネルギー付与部としての電極１３ａ及び１３ｃによって電流又は電圧を印加（エネルギー付与）することにより、フォトニック結晶部１２ａを構成する母材（例えばシリコン（Ｓｉ））の屈折率を変化させて、分岐後の一方の位相変調部における伝送路１１を伝搬する光に対して位相変調が付与される。同様に、フォトニック結晶部１２ｂに、エネルギー付与部としての電極１３ｂ及び１３ｃによって電流又は電圧を印加（エネルギー付与）することにより、フォトニック結晶部１２ｂを構成する母材（例えばシリコン（Ｓｉ））の屈折率を変化させて、分岐後の他方の位相変調部における伝送路１１を伝搬する光に対して位相変調が付与される。なお、電極１３ｃはグランド接続して電極１３ａ及び電極１３ｂに対してのみ電流又は電圧を印加（エネルギー付与）してもよい。
【００５４】
また、光学素子１は、伝送路１１の近傍以外の領域のＳＯＩ層をエッチング等によって除去してバリア領域１４を設けている。このバリア領域１４は、フォトニック結晶部１２を構成する母材よりも屈折率の小さい材料で充填して構成する。これにより、伝送路１１を伝搬する光が、ＳＯＩ層を介して光の進行方向に対して垂直方向へと拡散することを防止（抑制）できる。なお、フォトニック結晶部１２を構成する母材よりも屈折率の小さい材料として、例えば、フォトニック結晶部１２を構成する母材がシリコン（Ｓｉ）である場合には、酸化シリコン (ＳｉＯ2)又は酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）を用いればよい。
【００５５】
＜２．位相変調の動作原理＞
ここで、本発明の光学素子の位相変調の動作原理について説明する。
【００５６】
図２は本実施形態にかかる光学素子１ａの断面図である。光学素子１ａは、伝送路１１、フォトニック結晶部１２、電極１３ｓ及び１３ｔ、Ｓｉ（シリコン）基板１５、ＳｉＯ2(酸化シリコン) 層１６、ＳＯＩ層１７、ＳｉＯＮ（酸窒化シリコン）層１８を備えて構成される。なお、ここでは光の位相変調の動作原理をわかりやすく説明するため、本発明の光学素子を位相変調素子として用いる場合における補足的な部材、例えばバリア層８等については説明を省略する。また、伝送路１１、フォトニック結晶部１２の機能は図１を用いて説明した機能と同様であり、電極１３ｓ及び１３ｔも、電極１３ａ及び１３ｃ（又は、１３ｂ及び１３ｃ）と同様に伝送路１１を伝搬する光に対して電流又は電圧を印加（エネルギー付与）するものである。
【００５７】
光学素子１ａは、ＳＯＩ基板を用いて作製される。このＳＯＩ基板は、導電性を持たせるため不純物が添加されたＳｉ基板１５上に、ＳｉＯ2層１６が積層され、更にその上にＳｉ層であるＳＯＩ層１７が積層された構造から成り、従来公知のＳＯＩ基板を用いることができる。
【００５８】
より具体的には、Ｓｉ基板１５は、例えば７５０μｍ程度の厚さを有し、ＳｉＯ2層１６は伝送路１１を伝搬する光に対して下部クラッド層としても機能させるため、例えば１０００ｎｍの厚さを有することが好ましい。
【００５９】
このようなＳＯＩ基板を加工して、ＳＯＩ層１７を部分的に除去し、ＳｉＯ2層１６上に、上述したシリコンを母材とするフォトニック結晶部１２を形成し、その両端部にフォトニック結晶部１２にエネルギーを付与するための電極１３ｓ及び１３ｔを設ける。
【００６０】
そして、電極１３ｓ及び電極１３ｔによってフォトニック結晶部１２に電流又は電圧が印加されることにより、フォトニック結晶部１２の母材の屈折率が変化して伝送路１１を伝搬する光に対して位相変調が付与される。
【００６１】
図３は光の伝搬特性を周波数ｆ（Ｈｚ）と波数ｋの分散曲線で表したグラフである。
【００６２】
通常、一様な物質の場合、その物質中を伝搬する光の周波数ｆ（Ｈｚ）と波数ｋとは比例関係となる（同図点線）。一方、フォトニック結晶の場合、フォトニック結晶中を伝搬する光の周波数ｆと波数ｋの関係は、フォトニック結晶部１２によるフォトニックギャップに近づくにつれて、勾配が徐々に小さくなり、図中実線のように直線から大きくはずれる。
【００６３】
また、電極１３ｓ及び電極１３ｔによってフォトニック結晶部１２に電流又は電圧を印加してバイアスＶbiasをかけ、フォトニック結晶部１２の母材の屈折率を変化させると、分散曲線は、図中実線から一点鎖線の曲線へとシフトさせることができる。同図に示す例では、バイアスＶbiasをかけることによってフォトニック結晶部１２の母材の屈折率を増加させ、その結果、光の周波数ｆ（Ｈｚ）を低周波側へとシフトさせた場合の例であるが、このように、フォトニック結晶部１２に印加する電流又は電圧等のエネルギーに応じて波数ｋを自在にシフトさせることができるのである。
【００６４】
また、分散曲線を僅かに変化させただけであっても、波数ｋのシフト量Δｋは大きくなる。特に、入射光の周波数ｆ（Ｈｚ）が、分散曲線の勾配が小さい周波数領域にある場合には、分散曲線の勾配が大きい周波数領域と比較して、波数ｋのシフト量Δｋはより大きくなる。そして、光の位相のシフト（位相変調量）Δφは、波数シフト量Δｋおよび位相変調部の長さＬを用いて、次の式（１）で表すことができる。
【００６５】
【数１】
2007171422.tif 000003
【００６６】
従って、入射光の周波数ｆ（Ｈｚ）が、分散曲線の勾配が小さい周波数領域にある場合には、光の位相のシフト（位相変調量）Δφがより大きくなる。
【００６７】
このように、本実施形態にかかる光学素子１ａによれば、フォトニック結晶部１２に印加する電流又は電圧等のエネルギーを僅かに変化させるだけで、伝送路１１を伝搬する光に対して大きな位相変調を与えることができるのである。
【００６８】
そして、本発明の光学素子を図１に示すような伝送路１１をMach-Zehnder（MZ）型の光導波路を含む光学素子１として構成した場合も同様の効果を得ることができる。すなわち、電極１３ａ、電極１３ｂ及び電極１３ｃによって各フォトニック結晶部１２ａ及び１２ｂに夫々電流又は電圧を印加してバイアスをかけることにより、各経路を伝搬する光に対して夫々独立した位相変調を付与することができる。
【００６９】
また、本発明の光学素子１は、高効率の光位相変調器として用いることができるだけでなく、光の位相変化を強度変化に変換することで、光変調器（光強度変調器）、可変光減衰器或いは無線−光変換器としても用いることができる。
【００７０】
次に、光の位相変化による光強度変化の原理について説明する。
【００７１】
図１に示す如く、光学素子１に入射した光は、伝送路１１を伝搬してＹ分岐部１１ａにて２つの経路に分岐される。そして、位相変調部において、各フォトニック結晶部１２ａ及び１２ｂによって、位相変調が付与される。この位相のシフト量を、夫々Δφ1およびΔφ2とすると、変調後の光、すなわち光学素子１から出射された光Ｅoutは、式（２）で表される。
【００７２】
【数２】
2007171422.tif 000004
【００７３】
なお、式（２）中、|Earm|は、各経路を伝搬する光の電界強度であり、Ｙ分岐部１１ａおよび結合部１１ｂでの分岐比および結合比は、５０対５０としている。
【００７４】
上記式（２）より、光学素子１から出射される光のパワーＰoutは、各経路を伝搬する光のパワーをＰarmとすると、式（３）で表される。
【００７５】
【数３】
2007171422.tif 000005
【００７６】
光学素子１に連続光を入射した場合、各フォトニック結晶部１２ａ及び１２ｂにて生ずる位相シフト量Δφの差に応じて、光学素子１から出射される光の強度が変化（変調）する。光学素子１から出射される光の強度は、位相シフト量の差Δφ1−Δφ2がπの奇数倍のときに最小（ゼロ）となり、πの偶数倍（ゼロを含む）のときに最大となる。
【００７７】
従って、光学素子１を光変調器として用いる場合には、各フォトニック結晶部１２ａ及び１２ｂにて生ずる位相シフト量Δφの差をπの偶数倍からπの奇数倍に変化させれば、光学素子１から出射される光のパワーをオンからオフへと変化させることができ、変調信号として光を出射させることができる。
【００７８】
また、光学素子１を可変光減衰器として用いる場合には、伝搬する光のパワー変動に応じて、各フォトニック結晶部１２ａ及び１２ｂにて生ずる位相シフト量Δφの差を制御し、一定のパワーを維持するようにフィードバック制御等を行う。このとき位相シフト量Δφの差が、πの偶数倍とπの奇数倍との間の適当な値の近傍で、微小変化するよう各フォトニック結晶部１２ａ及び１２ｂに印加する電流又は電圧等のエネルギーを制御する。
【００７９】
また、光学素子１を無線−光変換器として用いる場合には、アンテナで受信した電波を電極１３ａ及び１３ｂの電極に入力し、その電波による電圧変動により、各フォトニック結晶部１２ａ及び１２ｂにて生ずる位相シフト量Δφの差を変動させ、電波の電界振動に応じた光強度変調を行なう。このとき、互いに位相反転させた変調電圧を電極１３ａ及び１３ｂに加えれば、電圧差を倍にすることができ、変調効率を増すことができる。
【００８０】
なお、光学素子１を光変調器、可変光減衰器、無線−光変換器として用いる場合の具体的な構成については後に図を用いて詳細に説明する。
【００８１】
＜３．屈折率変化のメカニズム＞
ここで、電圧印加によるフォトニック結晶部１２の母材の屈折率の変化について図１を用いて説明する。なお、電圧印加による屈折率の変化の詳細なメカニズムは未だ確定されていない。従って、ここでは現時点で明らかとなっている電圧印加によってフォトニック結晶部１２に発生する幾つかの作用について説明する。
【００８２】
電極１３ｃには、ソース用電源（ソース電圧Ｖｓ）を接続する。これは、グランド端子への直接接続で代替できるため、以下、ソース電圧Ｖｓを０Ｖとする。電極１３ｂには、ドレイン用電源（ドレイン電圧Ｖｄ）を接続する。また、図示しない基板の裏側には、裏面ゲート電極（ゲート電圧ＶBG）をオーミック接続する。
【００８３】
また、ＳＯＩ層には、不純物が添加されキャリアが分布している。このような不純物としては、半導体でも用いられている、ｐ型元素のＢ（ホウ素）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｇａ（ガリウム）、Ｉｎ（インジウム）、Ｔｌ（タリウム）、ｎ型元素のＮ（窒素）、Ｐ（リン）、Ａｓ（砒素）、Ｓｂ（アンチモン）、Ｂｉ（ビスマス）等がある。これらのうち、ｐ型元素では、ドープを容易に行なえることから、Ｂ（ホウ素）が特に好適であるため、ここでは、ｐ型不純物であるホウ素（Ｂ）を添加し、キャリアとして正孔（ホール）が分布しているとする。
【００８４】
なお、リン（Ｐ）などのｎ型不純物を添加した場合、キャリアとして電子が分布するが、電子が分布した場合も、以下に説明する電圧印加により発生する作用は、自由キャリア吸収による屈折率変化を除いて、定性的に成立する。
【００８５】
また、不純物は、面内に一様に添加されていてもよいし、伝送路の下部にｐ−ｎ接合部を備えるように、ｐ型不純物とｎ型不純物が添加されていてもよい。
【００８６】
電圧印加によって発生する作用１
（１）電極１３ｂのドレイン電圧Ｖｄを増加させることによって、ＳＯＩ層のキャリアの速度が飽和速度を越えると、電界の集中する領域付近に、空間電荷の密度が局所的に増減したダイポール層（dipole layer）と呼ばれる二極領域が発生する。図４に、フォトニックバンド構造におけるダイポール層の分布を示す。なお、ドレイン電圧Ｖｄは３５Ｖである。同図は、フォトニック結晶部１２を上面より観察した際の分布図で、フォトニック結晶部１２の母材であるシリコン（Ｓｉ）中に、酸化シリコン(ＳｉＯ2)からなる誘電体円柱が三角格子状に分布し、三角格子を単位格子として、１０個の格子が電極間（間隔５０ｍｍ）で配列される場合の一例である。
【００８７】
空間電荷の分布は、赤い領域が密度が高く、青い領域はそれとは符号が反転している。つまり、赤い領域では、背景に存在する不純物イオンの濃度に比して、キャリアの密度が過剰であり、青い領域では、キャリア密度が欠乏していることを表す。緑の領域は、空間電荷密度がほぼゼロ、すなわち、キャリアと不純物イオンの密度がほぼ平衡していることを示す。
【００８８】
このようなダイポール層では、局所的に電界が強められ、その結果、電子系のエネルギーバンドギャップが空間的に勾配を持つ。その結果、Franz-Keldysh効果により、バンドギャップが低エネルギーシフトし、Kramers-Kronigの関係より、屈折率が増加する。これは、電圧印加による屈折率増加という実験による結果と定性的に一致する。
【００８９】
（２）また、ダイポール層が存在すれば、局所的に、キャリアの密度が増減している。キャリアの密度が増せば、静電相互作用に基づく多体相関効果（many-body correlation effect）によって、バンドギャップが低エネルギーシフトする。この場合も同様に、Kramers-Kronigの関係より、屈折率が増加する。低エネルギーシフトの効果は、キャリア密度が高いほうが強く、キャリア密度が低いと弱い。したがって、フォトニック結晶部１２全体では、屈折率が増加している。
【００９０】
（３）更に、キャリアの密度が増加すれば、自由キャリア吸収が増大し、その結果、屈折率は減少する。正孔がキャリアの場合、密度の増減による屈折率変化は線形ではない（密度の０．８乗に依存する）ので、位相変調部全体で平均しても、屈折率変化はゼロではない。密度の低い領域の影響が相対的に強くなるので、ダイポール層の存在により、屈折率は増加する。ただし、全体で平均すると、変化はさほど大きくないと考えられる。
【００９１】
電圧印加によって発生する作用２
電極間に電圧を加えると電流が流れ、熱が発生する。発熱によりフォトニック結晶部１２の母材であるシリコンの温度が上昇すると、電子系エネルギーバンドギャップが低エネルギーシフトし、Kramers-Kronigの関係より、屈折率が増加する。シミュレーションによれば、数十度の温度の上昇によって、屈折率が千分の一のオーダーで変化することがわかっている。特に、動作速度が遅いデバイスの場合にはシリコンの温度上昇による屈折率の変化は無視できない。
【００９２】
以上説明したように、フォトニック結晶部１２に対する電圧印加が、フォトニック結晶部１２に対して上述の如く作用し、結果としてフォトニック結晶部１２の母材の屈折率が変化する。この屈折率の変化が、フォトニック結晶部における波数ｋのシフトとして表れる。
【００９３】
＜４．伝送路１１の位相変調部の長さ＞
続いて、位相変調部における伝送路１１の長さＬについて説明する。ここでは、光学素子１を光変調器として用いた場合に決定される長さＬについて説明する。なお、位相変調部における各経路の長さＬは同一であるものとする。
【００９４】
光学素子１を光変調器として用いた場合には、各経路の位相シフト量Δφの差がπとなる長さを、伝送路１１の位相変調部の長さＬとして求める。
【００９５】
フォトニック結晶部１２ａ及び１２ｂへの印加電圧が０Ｖである場合には、実効屈折率はフォトニック結晶部１２の母材であるシリコン（Ｓｉ）と等しく３．４８０であり、また各経路での位相差はなく、光学素子１から出射される光のパワーは最大となる。
【００９６】
フォトニック結晶部１２ａ及び１２ｂへ任意の電圧を印加し、光学素子１から出射される光のパワーをモニタして、１st−modeの光のパワーが０となる長さLを求める。例えば、印加電圧を増加させ、フォトニック結晶部１２の母材の屈折率を変化させた場合に、１st−modeの光のパワーが０となる長さＬは以下のように見積もられる。
（１）フォトニック結晶部１２の母材の屈折率が３．４８１の場合、Ｌは１．２００μｍ、
（２）フォトニック結晶部１２の母材の屈折率が３．４８５の場合、Ｌは２２０μｍ、
（３）フォトニック結晶部１２の母材の屈折率が３．４９０の場合、Ｌは１２０μｍ
【００９７】
印加電圧を種々変化させて１st−modeの光のパワーが０となる長さＬを求めることにより、種々の印加電圧に対応する伝送路１１の位相変調部の長さＬ、換言すれば、種々のフォトニック結晶部１２の母材の屈折率に対応する、伝送路１１の位相変調部の長さＬを求めることができる。
【００９８】
本発明における光学素子の構造の場合、フォトニック結晶を使用しているために印加電圧に対する屈折率変化が大きく、５Ｖ程度の印加電圧で、屈折率が３．４９０程度以上まで増加させることが可能である。
【００９９】
これにより、低電圧すなわち低消費電力かつコンパクトな光学素子を作製することができる。電極１３ａ及び電極１３ｃ間、及び電極１３ｂ及び電極１３ｃ間の距離を減少させたり、或いは各電極について接触抵抗の減少を図れば、更に高効率化を実現できる。
【０１００】
以上説明した実施形態によれば、光学素子１を入射端より入射した光を２方向に分岐させた後に、再び結合させ出射端へと導く伝送路１１と、当該伝送路１１をフォトニック結晶部１２上に積層し、当該フォトニック結晶部１２によって伝送路１１の分岐後の経路によって導かれる光に対して、夫々独立して所定の位相変調を付与する構成としたので、より効率の高い小型の光学素子を提供することができる。
【０１０１】
また、伝送路１１は、Ｙ分岐部１１a及び結合部１１ｂを有して、伝搬する光を２方向に分岐させた後に、再び結合させ出射端へと導くよう形成し、更にフォトニック結晶部１２を各分岐後の経路下にそれぞれ形成したので、各経路を伝搬する光に対して独立して位相制御を行なうことができ、より制御動作性の高い光学素子を提供することができる。また、温度変動による位相ドリフトや、共通電源を用いて、電源ノイズの位相変調への影響を除去することなどが可能となる。さらに、当該光学素子を用いて光変調や無線−光変換を行なう場合には、互いに位相反転させた変調電圧を電極１３ａ及び電極１３ｂに加えることにより、電圧差を倍にすることができ、変調効率を増すことができるとともに、位相変調に伴うチャープ現象を抑制することができる。
【０１０２】
なお、上述した実施形態では、伝送路１１の分岐後の双方の経路下に、フォトニック結晶部１２をそれぞれ形成したが、本発明はこの形態に限定されるものではなく、一方の経路下にのみフォトニック結晶部１２を形成して、一方の経路を伝搬する光のみ位相制御を行なってもよい。
【０１０３】
更に伝送路１１の下に、換言すれば、ＳＯＩ基板上面を加工してフォトニック結晶部１２を配置させたが、本発明はこの形態に限定されるものではなく、フォトニック結晶部１２を伝送路１１の近傍に配置させて伝送路１１を伝搬する光に対して位相変調を付与できればよく、例えば、伝送路１１の上にフォトニック結晶部１２を積層してもよい。なお、幾つかの変形形態についてはこの後に図を用いて詳細に説明する。
【０１０４】
なお、上述した説明において、伝送路１１のサイズ、Ｙ分岐部１１ａの分岐角θ１、結合部１１ｂの結合角θ２、伝送路１１の分岐後の各経路の間隔Ｗ、伝送路１１の位相変調部の長さＬ、フォトニック結晶部１２の誘電体円柱の数などの設計例を示したが、本発明における光学素子は、これら各構成部材のサイズ等は当該設計例に限られるものではなく、入射する光のビーム径や、各構成部材に用いる材料が有する屈折率（より具体的には、各構成部材に用いる材料が有する屈折率の比）に応じて最適な大きさに設定することができる。
【０１０５】
また、本発明の光学素子１には、上述の層以外にさらに他の層を設けてもよい。
【０１０６】
＜５．光学素子の変形形態＞
続いて、光学素子１の他の変形形態について説明する。
【０１０７】
５−１−１．ＳＯＩ基板を用いた光学素子の他の形態
図５は光学素子１ｂの説明図である。図１等を用いて上記説明した実施形態では、各フォトニック結晶部１２への電流又は電圧の印加のための電極１３ｃを、各フォトニック結晶部１２共通としたが、本実施形態における光学素子１ｂは、図１における電極１３ｃの代わりに、フォトニック結晶部１２ａ及び１２ｂに夫々独立した電極１３ｄ、電極１３ｅを設けた。その他の構成は図１と同様である。
【０１０８】
電極１３ａと電極１３ｄの間に印加される電流又は電圧によって、フォトニック結晶部１２ａの母材の屈折率を変化させ、電極１３ｂと電極１３ｅの間に印加される電流又は電圧によって、フォトニック結晶部１２ｂの母材の屈折率を変化させることができる。なお、電極１３ｄと電極１３ｅはグランド接続とし、電極１３ａ及び電極１３ｂに対して電流又は電圧を印加してもよい。
【０１０９】
これによれば、各フォトニック結晶部１２に印加する電圧を完全に独立させることができるので、動作をより安定化させることができる。
【０１１０】
５−１−２．ＳＯＩ基板を用いた光学素子の他の形態
図６（Ａ）は光学素子１ｃの説明図である。図６（Ｂ）は図６（Ａ）のフォトニック結晶部１２ａの出射端側の要部拡大図である。
【０１１１】
図７に光学素子１ｃの光の入射端側からの側面図、図８に図６（Ａ）におけるＥ−Ｅ面の断面図、図９に図６（Ａ）におけるＦ−Ｆ面の断面図を示した。本実施形態における光学素子１ｃは、伝送路１１の入射端側と出射端側の形状を夫々逆テーパー形状及び順テーパー形状として形成し、フォトニック結晶部１２の入射端と出射端を母材であるシリコン（Ｓｉ）のみのテーパー形状を更に形成するよう構成した。
【０１１２】
図６（Ａ）及び図７に示すように、伝送路１１は、光の入射端側には、光の進行方向に対して垂直な面の断面積が、光の進行方向に連続的に緩やかに増大していく逆テーパー形状に形成されたＳｉＮテーパー部１１ｃを有し、出射端側には、上記断面積が光の進行方向に連続的に緩やかに減少していく順テーパー形状に形成されたＳｉＮテーパー部１１ｄを有する。
【０１１３】
このＳｉＮテーパー部１１ｃ及び１１ｄは、ＳｉＯＮ層１８上に積層される。このＳｉＮテーパー部１１ｃ及び１１ｄにより、入射された光に対する有効屈折率の変化を緩やかにして、より一層低損失かつ高効率に光を取り入れ、また光学素子１ｃから出射させることができる。
【０１１４】
そして、図６（Ｂ）及び図８に示すように、フォトニック結晶部１２の端部（入射端及び出射端）を母材部分のみでテーパー形状（Ｓｉテーパー）が形成される。図６（Ｂ）は一例としてフォトニック結晶部１２ａの出射端の要部拡大図を示したが、フォトニック結晶部１２ａの入射端及びフォトニック結晶部１２ｂの入射端、出射端も夫々同様に母材部分のみでテーパー形状（Ｓｉテーパー）を形成する。従って、有効屈折率の変化を緩やかにして、より一層低損失かつ高効率に光をフォトニック結晶部１２へと導き、フォトニック結晶部１２から導出することができる。
【０１１５】
また図６（Ａ）及び図９に示すように、フォトニック結晶部１２の両側にバリア領域１４ａを設けて光の閉じ込めを行なう。このバリア領域１４ａは、フォトニック結晶部１２と同様にシリコン（Ｓｉ）母材に複数の孔を形成し、当該孔に母材の屈折率と異なる屈折率を有する酸化シリコン（ＳｉＯ2）等を充填して誘電体円柱を形成して作製される。
【０１１６】
ここで、本実施形態における光学素子１ｃのバリア領域１４ａについて具体的に説明する。
【０１１７】
先ず、フォトニック結晶部１２が、光伝搬領域に下肢分枝となるフォトニックバンド領域に対応する場合について説明するものとする。
【０１１８】
フォトニック結晶部１２における孔の半径をｒR1、バリア領域１４ａにおける孔の半径をｒR2、バリア領域１４ａとフォトニック結晶部１２との境界で隣接する孔の中心間隔をｄｘとすると、当該バリア領域１４ａをフォトニックバンドギャップ領域とするためには、フォトニック結晶部１２における孔の半径ｒR1とバリア領域１４ａにおける孔の半径ｒR2との関係が、ｒR1 ＜ｒR2となるよう構成する。
【０１１９】
このとき、バリア領域１４ａとフォトニック結晶部１２との境界で隣接する孔の中心間隔ｄｘは、式（４）で示す条件を満たすよう構成する。なお、孔の中心間隔ｄｘの下限を設定するのは、バリア領域１４ａとフォトニック結晶部１２との境界で隣接する孔同士が重ならないようにするためであり、上限を設定するのは、境界に光が閉じ込められることを避けるためである。当該条件を満たすよう各領域の孔を形成する。
【０１２０】
【数４】
2007171422.tif 000006
【０１２１】
また、フォトニック結晶部１２とバリア領域１４ａの孔の間隔（それぞれａR1、ａR2）が等しくても（つまり、ａR1 =ａR2）、フォトニック結晶部１２における孔の半径がｒR1、バリア領域１４ａにおける孔の半径がｒR2である場合に、これらの関係がｒR1 ＞ｒR2となるよう構成することにより、バリア領域１４ａをフォトニックギャップとすることができる。この場合、各領域で孔の間隔（ピッチ）は変化しない（均一である）ため、バリア領域１４ａとフォトニック結晶部１２との境界で隣接する孔の中心の距離（以下、中心間隔と言う。）ｄｘの条件設定をする必要はない。
【０１２２】
他方、フォトニック結晶部１２が、光伝搬領域に上肢分枝となるフォトニックバンド領域に対応する場合について説明する。バリア領域１４ａをフォトニックバンドギャップ領域とするためには、各領域の孔の間隔（ピッチ）の相関関係がａR1 ＞ａR2となるように、又は、各領域の孔の半径の相関関係が各ｒR1 ＜ｒR2となるよう構成する。このとき、バリア領域１４ａとフォトニック結晶部１２との境界で隣接する孔の中心間隔ｄｘは、上述の場合と同様に式（４）で示す条件を満たすよう構成する。
【０１２３】
また、フォトニック結晶部１２とバリア領域１４ａの孔の間隔が等しくても（つまり、ａR1 =ａR2）、フォトニック結晶部１２における孔の半径がｒR1とバリア領域１４ａにおける孔の半径がｒR2の相関関係がｒR1 ＜ｒR2となるよう構成することにより、バリア領域１４ａをフォトニックギャップとすることができる。
【０１２４】
なお、図６（Ｂ）ではフォトニック結晶部１２及びバリア領域１４ａに形成される孔（誘電体円柱）の数は省略して図示しているが、例えば、入射端側にてフォトニック結晶部１２に形成される孔を、伝送路１１の光の伝搬と直行する方向に所定の個数まで徐々に１個ずつ増加させた場合における当該所定の個数が、１２個のときには、バリア領域１４ａに形成される孔の個数は例えば５個〜６個程度であることが好ましい。
【０１２５】
また、バリア領域１４ａを、バリア領域１４と同様に、フォトニック結晶部１２の母材の屈折率より小さい屈折率を有する材料で形成してもよい。例えば、フォトニック結晶部１２の母材がシリコンである場合には、当該シリコンの屈折率よりも小さい屈折率を有するＳｉＯ2やＳｉＯＮ等を用いて形成すればよい。
【０１２６】
５−１−３．ＳＯＩ基板を用いた光学素子の他の形態
図１０は、光学素子１ｄの説明図である。
【０１２７】
図１や図６等を用いて説明した実施形態における光学素子は、フォトニック結晶部１２ａと１２ｂによって、伝送路１１の分岐後の各経路を伝搬する光に対して、それぞれ独立した位相変調を付与するよう構成したが、本実施形態における光学素子１ｄは、図１０に示す如く伝送路１１の分岐後の経路のうち一方の経路を伝搬する光に対してのみフォトニック結晶部１２ｂを配置させ、両端の電極１３ｂ及び１３ｃによって電流又は電圧を印加して、当該一方の経路を伝搬する光にのみ位相変調を付与する構成とした。
【０１２８】
このように、伝送路１１の分岐後の一方の経路を伝搬する光のみ位相を制御することにより、他方の経路を伝搬する光の位相との差を変化させることができるので、上記実施形態と同様に効率の高い光学素子を提供することができる。
【０１２９】
５−２．Ｓｉ基板を用いた光学素子の他の形態
図１１は、Ｓｉ基板を用いた光学素子１ｅの説明図である。
【０１３０】
上記説明した実施形態では、ＳＯＩ基板を用いて、ＳＯＩ層を加工し、フォトニック結晶部１２を当該ＳＯＩ基板上に配置させて、光学素子１を作製したが、ここでは、光学素子１をシリコン（Ｓｉ）基板を用いて作製する場合について説明する。
【０１３１】
光学素子１ｅは、伝送路１１、フォトニック結晶部１２、電極１３ａ、１３ｂ及び１３ｃ、Ｓｉ（シリコン）基板１５、ＳｉＯ2(酸化シリコン) 層１６、ＳｉＯＮ（酸窒化シリコン）層１９を備えて構成される。なお、同図は伝送路１１及びフォトニック結晶部１２を覆う酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）層は省略している。フォトニック結晶部１２は、伝送路１１上に積層される点で上記説明した実施形態と相違する。なお、各部材の機能及び動作は上記説明した実施形態と同様である。
【０１３２】
Ｓｉ基板１５上にＳｉＯ2層１６を蒸着し、更にＳｉＯＮ層１９を積層した上に、ＳｉＮ（窒化シリコン）により伝送路１１を形成する。そして、伝送路１１の上にフォトニック結晶部１２を積層する
なお、フォトニック結晶部１２の母材となるＳｉ層は、基板貼付技術により形成してもよいし、化学気相堆積法により形成してもよい。
【０１３３】
また、図１２に示す光学素子１ｆのように、伝送路１１の分岐後の経路のうち一方の経路を伝搬する光に対してのみフォトニック結晶部１２ｂを配置させ、両端の電極１３ｂ及び１３ｃによって電流又は電圧を印加して、当該一方の経路を伝搬する光にのみ位相変調を付与する構成としてもよい。
【０１３４】
このように、ＳＯＩ基板を用いずとも、従来公知のＳｉ基板１５上にＳｉＯ2層１６及びＳｉＯＮ層１９を積層することにより、光学素子１ｅを作製することができる。
【０１３５】
＜６．光学素子の各デバイスへの応用例＞
６−１．光変調器への応用例
続いて、光学素子を光変調器として用いる場合の例について説明する。
【０１３６】
図１３は本発明の光学素子を光変調器として用いる場合の概略説明図である。図１３（Ａ）はフォトニック結晶部１２を伝送路１１の分岐後の経路のうち一方の経路にのみ設けた場合の例であり、図１３（Ｂ）はフォトニック結晶部１２を伝送路１１の分岐後の双方の経路に設けた場合の例である。
【０１３７】
半導体レーザ等からの連続光を光変調器に入射させ、伝送路１１の分岐後の各経路を伝搬する光の位相シフト量Δφに基づいて、出射光（変調光）が変調用電気信号のビット列波形と同じビット列波形となるように構成する。すなわち、各フォトニック結晶部１２ａ及び１２ｂにて生ずる位相シフト量Δφの差をπの偶数倍からπの奇数倍に変化させれば、光学素子１から出射される光のパワーをオンからオフへと変化させることができ、変調信号として光を出射させることができる。
【０１３８】
図１３（Ａ）に示すようにフォトニック結晶部１２を伝送路１１の分岐後の経路のうち一方の経路にのみ設けた場合には、電極１３ｂに、位相変調のベース電圧を設定するための直流電源と高周波の変調用電気信号とをバイアスティーを介して接続し、電極１３ｃをグランド接続する。
【０１３９】
図１３（Ｂ）に示すようにフォトニック結晶部１２を伝送路１１の分岐後の双方の経路に設けた場合には、電極１３ａ及び電極１３ｂに、位相変調のベース電圧を設定するための直流電源と高周波の変調用電気信号とをバイアスティーを介して接続し、電極１３ｃをグランド接続する。
【０１４０】
そして、電極１３ａ及び電極１３ｂに接続される直流電源の電圧Ｖ２およびＶ１を共通として、単一の電源を電極１３ａ及び電極１３ｂに接続すれば、電源電圧変動などによるノイズはキャンセルされるのでノイズの低い光変調が可能となる。
【０１４１】
一方、電極１３ａ及び電極１３ｂに入力される変調用電気信号を、共通の変調用電気信号を用いて、互いに位相反転（符号反転）させて各電極１３ａ、電極１３ｂへと入力すれば、変調電圧振幅が倍となるので、より変調効率が高まると同時に、チャープ現象を抑制することができる。
【０１４２】
なお、変調用電気信号のパワーが比較的小さい場合は、電極１３ａ及び電極１３ｂのいずれかに入力するだけでも良い。
【０１４３】
また、電極１３ａ及び電極１３ｂが高周波伝送回路と接続されるような場合には、バイアスティーは不要である。
【０１４４】
以上説明した光変調器は、１つ光学素子自体の大きさが小さいため、複数個の光変調器を同一基板上に集積させることも容易にできる。例えば、ウェハの大きさが８インチである場合には、３２個の光変調器同一基板上に集積して３２ｃｈの入射光に対応可能な小型光変調器を実現できる。
【０１４５】
更に、変調信号用電気増幅回路等をも光変調器と同一基板上に集積することも可能である。なお、上記説明した光変調器に用いる光学素子は、ＳＯＩ基板を用いたものであっても、Ｓｉ基板を用いたものであってもよい。また、フォトニック結晶部１２は伝送路１１の上下何れに形成されていてもよい。
【０１４６】
６−２．光減衰器への応用例
次に、光学素子を光減衰器として用いる場合の例について説明する。
【０１４７】
図１４は本発明の光学素子を光減衰器として用いる場合の概略説明図である。
【０１４８】
光減衰器は、電極１３ａ及び電極１３ｂに印加すべき電圧を制御する制御部と、当該光減衰器を構成する光学素子からの光を方向性結合器（図示せず）にて分波してその一部（例えば１〜１０％程度）をモニター光として検出する検出部としての外部光検出部と、を備えて構成される。なお、電極１３ｃはグランド接続とする。
【０１４９】
そして、外部光検出部にて検出されたモニター光の電圧信号（強度）を制御部にて受信し、制御部は、外部光検出部から送信された光の電圧信号が安定するように電極１３ａ及び電極１３ｂへ印加すべき直流電圧に対してフィードバック制御を行なう。このとき、電極１３ａ及び電極１３ｂへフィードバックされる電圧は、電極１３ａ及び電極１３ｂに対して互いに位相を反転させる。外部光検出部にて検出されるモニター光の電圧信号の変動は、数パーセント程度と考えられるので、位相シフト量Δφは微小となり、結果としてフィードバック電圧も微小であると考えられる。
【０１５０】
以上説明した光減衰器も、１つ光学素子自体の大きさが小さいため、複数個の光変調器を同一基板上に集積させて複数チャネルに対応可能な小型光減衰器を実現することができる。また、制御用回路をシリコン電子回路で構成する場合は、制御用回路をも光変調器と同一基板上に集積することができる。
【０１５１】
なお、上記説明した光減衰器に用いる光学素子は、ＳＯＩ基板を用いたものであっても、Ｓｉ基板を用いたものであってもよい。また、フォトニック結晶部１２が伝送路１１の分岐後の一方の経路にのみ配置される構成であってもよく、更に、フォトニック結晶部１２は伝送路１１の上下何れに形成されていてもよい。
【０１５２】
６−３．無線−光変換器への応用例
続いて、光学素子を無線−光変換器として用いる場合の例について説明する。
【０１５３】
図１５（Ａ）は本発明の光学素子を無線−光変換器として用いる場合の概略説明図であり、図１５（Ｂ）は図１５（Ａ）のＥ−Ｅ面における断面図である。
【０１５４】
無線−光変換器は、同一基板上にループアンテナが作製されている。このとき、アンテナでの電波の受信効率を増すため、比較的屈折率の高いシリコン（Ｓｉ）基板への電波の浸透を防止すべく、図１５（Ａ）において点線で図示するアンテナ下部のシリコン（Ｓｉ）基板はエッチングにより除去して構成される。
【０１５５】
電極１３ａ及び電極１３ｂには位相変調のベース電圧を設定するための直流電源が接続されると共に、ループアンテナを介して電波として受信した電界振動（変調用電気信号）も、金属薄膜により構成された高周波伝送線路を通じて接続される。なお、電極１３ｃはグランド接続する。
【０１５６】
そして、半導体レーザ等からの連続光を無線−光変換器に入射させ、伝送路１１の分岐後の各経路を伝搬する光の位相シフト量Δφに基づいて、ループアンテナを介して電波として受信した変調用電気信号により、各フォトニック結晶部１２ａ及び１２ｂにて生ずる位相シフト量Δφの差を変動させることにより、変調用電気信号に応じて光強度変調された出射光（変調光）が得られる。このとき、互いに位相反転させた変調電圧を電極１３ａ及１３ｂに加えれば、電圧差を倍にすることができ、変調効率を増すことができると同時にチャープ現象を抑制することができる。
【０１５７】
なお、上記説明した無線−光変換器に用いる光学素子は、ＳＯＩ基板を用いたものであっても、Ｓｉ基板を用いたものであってもよい。更に、フォトニック結晶部１２が伝送路１１の分岐後の一方の経路にのみ配置される構成であってもよい。
【０１５８】
以上説明した無線−光変換器は、情報処理を短時間に実行することができるので、例えば、無線・マイクロ波などの電波を光信号へ変換するデバイスに特に有用に用いることができる。例えば、ＩＴＳシステム、テレマティクス用フォトニックネットワーク（ビークル用）のデバイス、ＥＴＣ（登録商標）にて受信した信号を光に変換して伝送する場合、車載された衝突防止システムにおいて、周辺車両から反射したレーダー信号を受信し光に変換して伝送する場合など、１０ＧＨｚを超える領域での光変換に対応できる。また、無線信号から光信号への変換を伴う通信ネットワークにも用いることができる。
【０１５９】
光ネットワークによる伝送は、電気ノイズの影響を受けることがないという特性を有するため、各種システムの安定性の向上を実現することができる。
【０１６０】
さらに、電気信号の伝送に用いられていた金属配線の代わりに光ファイバーを用いることで、デバイスの軽量化、コスト低減化が図れる。更に、無線−光変換器の材料としてリサイクルが容易なシリコンを用いるので、環境上も好ましい。
【０１６１】
なお、上記説明した無線−光変換器に用いる光学素子は、ＳＯＩ基板を用いてもＳｉ基板を用いてもよく、また、フォトニック結晶部１２が伝送路１１の分岐後の一方の経路にのみ配置される構成であってもよく、更に、フォトニック結晶部１２は伝送路１１の上下何れに形成されていてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１６２】
【図１】本実施形態にかかる光学素子を模式的に表した図である。
【図２】本実施形態にかかる光学素子１ａの断面図である。
【図３】光の伝搬特性を周波数ｆ（Ｈｚ）と波数ｋの分散曲線で表したグラフである。
【図４】フォトニックバンド構造におけるダイポール層の分布である。
【図５】変形形態にかかる光学素子１ｂの説明図である。
【図６】（Ａ）変形形態にかかる光学素子１ｃの説明図である。（Ｂ）図６（Ａ）のフォトニック結晶部１２ａの要部拡大図である。
【図７】図６（Ａ）における光学素子１ｃの光の入射端側からの側面図である。
【図８】図６（Ａ）における光学素子１ｃのＥ−Ｅ面の断面図である。
【図９】図６（Ａ）における光学素子１ｃのＦ−Ｆ面の断面図である。
【図１０】変形形態にかかる光学素子１ｄの説明図である。
【図１１】変形形態にかかるＳｉ基板を用いた光学素子１ｅの説明図である。
【図１２】変形形態にかかるＳｉ基板を用いた光学素子１ｆの説明図である。
【図１３】本発明の光学素子を光変調器として用いる場合の概略説明図である。
【図１４】本発明の光学素子を光減衰器として用いる場合の概略説明図である。
【図１５】（Ａ）本発明の光学素子を無線−光変換器として用いる場合の概略説明図である。（Ｂ）図１５（Ａ）のＥ−Ｅ面の断面図である。
【符号の説明】
【０１６３】
１（１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ）  光学素子
１１  伝送路
１１ａ  Ｙ分岐部
１１ｂ  結合部
１１ｃ、１１ｄ  ＳｉＮテーパー部
１２（１２ａ、１２ｂ）  フォトニック結晶部
１３（１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、電極１３ｄ、電極１３ｅ、１３ｓ、１３ｔ）
１４、１４ａ  バリア領域
１５  Ｓｉ（シリコン）基板
１６  ＳｉＯ2(酸化シリコン)層
１７  ＳＯＩ（Silicon-On-Insulator）層
１８、１９  ＳｉＯＮ（酸窒化シリコン）層
【図１】
2007171422.tif 000007
【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】
2007171422.tif 000019
【図１４】
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【図１５】
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