(57)【要約】【課題】  フォトニックバンドギャップの変化量を大きくすることが可能な光学素子を提供する。【解決手段】  フォトニック結晶構造体（４、５）が、外部場により屈折率が変化する第１の媒質内に、外部場により屈折率が変化する第２の媒質が周期的に分布する構造を有する。このフォトニック結晶構造体に、外部場印加手段（２、９）が外部場を印加する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部場により屈折率が変化する第１の媒質内に、外部場により屈折率が変化する第２の媒質が周期的に分布するフォトニック結晶構造体と、
前記フォトニック結晶構造体に外部場を印加する外部場印加手段と
を有する光学素子。
【請求項２】
前記フォトニック結晶構造体が膜状であり、さらに、該フォトニック結晶構造体の両面に、それぞれ、該フォトニック結晶構造体の実効屈折率よりも小さな屈折率を持つクラッド層が配置されている請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
前記外部場が電界であり、前記外部場印加手段が、前記フォトニック結晶構造体に電界を印加する請求項１または２に記載の光学素子。
【請求項４】
前記外部場がレーザ光であり、前記外部場印加手段が、前記フォトニック結晶構造体にレーザ光を照射する請求項１または２に記載の光学素子。
【請求項５】
前記外部場が熱であり、前記外部場印加手段が、前記フォトニック結晶構造体の温度を変化させる請求項１または２に記載の光学素子。
【請求項６】
前記第１の媒質及び第２の媒質の少なくとも一方が強誘電体である請求項１〜５のいずれかに記載の光学素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学素子に関し、特にフォトニック結晶に外部場を印加してフォトニックバンド構造を変化させることによって光の伝搬特性を変化させる光学素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
背景媒質内に、背景媒質とは屈折率の異なる媒質を周期的に配置したフォトニック結晶内では、電磁波に対して通常の光学結晶とは異なるフォトニックバンド構造が形成されることが知られている。フォトニック結晶内部では、光の伝搬を禁止するフォトニックバンドギャップと呼ばれる周波数帯域の存在（非特許文献１）や、スーパープリズム効果と呼ばれる大きな光偏向の発現（非特許文献２）が報告されている。このような性質を持つフォトニック結晶は、光学素子を小型化するための要素技術として期待されている。
【０００３】
下記の特許文献１に開示されたフォトニック結晶を用いた光学素子について説明する。屈折率不変の背景光学媒質中に、屈折率可変の光学媒質が周期的に分布し、フォトニック結晶が形成されている。このフォトニック結晶に電界を印加することにより、周期的に分布する光学媒質の屈折率を変化させる。その結果、フォトニックバンド構造が変化し、光の伝搬特性が変化する。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−３３３６０２号公報
【非特許文献１】E. Yablonovitch, PhysicalReview Letters, Vol.58, No.20, p.2059-2062, The American Physical Society(1987)
【非特許文献２】H. Kosaka et al., PhysicalReview B Vol.58, No.16, R10 096, The American Physical Society (1998)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
フォトニック結晶を、光フィルタ等の光機能素子に応用するに際しては、フォトニックバンドギャップの変化量を、より大きくすることが望まれる。
【０００６】
本発明の目的は、フォトニックバンド構造の変化量、光フィルタ等への応用の場合ではフォトニックバンドギャップの変化量を大きくすることが可能な光学素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一観点によると、外部場により屈折率が変化する第１の媒質内に、外部場により屈折率が変化する第２の媒質が周期的に分布するフォトニック結晶構造体と、前記フォトニック結晶構造体に外部場を印加する外部場印加手段とを有する光学素子が提供される。
【発明の効果】
【０００８】
第１の媒質及び第２の媒質の屈折率を変化させることにより、一方の媒質のみの屈折率を変化させた場合に比べて、フォトニックバンド構造を大きく変化させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１Ａに、第１の実施例による光学素子のコア層（フォトニック結晶構造体）の概略平面図を示し、図１Ｂに、図１Ａの一点鎖線Ｂ１−Ｂ１における断面図を示す。
【００１０】
図１Ｂに示すように、支持基板１の上に、下部電極２、下部クラッド層３、コア層６、上部クラッド層８、及び上部電極９がこの順番に積層されている。支持基板１は、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＳｒＴｉＯ３（ＳＴＯ）等の単結晶で形成されている。下部電極２は、Ｐｔ等の金属、またはＳｒＲｕＯ３（ＳＲＯ）等の導電性酸化物で形成されており、その厚さは例えば２００ｎｍである。
【００１１】
下部クラッド層３及び上部クラッド層８は、ＭｇＯ等で形成されており、その各々の厚さは例えば５００ｎｍである。上部電極９は、Ｐｔ、Ａｌ等の金属、またはＳｎ添加Ｉｎ２Ｏ３（ＩＴＯ）、ＳＲＯ等の導電性酸化物で形成されており、その厚さは約２００ｎｍである。
【００１２】
コア層６は、背景媒質４内に、柱状媒質５が面内方向に周期的に分布した構成を有する。背景媒質４の厚さ及び柱状媒質５の高さは、約５００ｎｍである。図１Ａでは、柱状媒質５が三角格子の格子点に配置された例を示しているが、その他の周期構造としてもよい。例えば、柱状媒質５を正方格子の格子点の位置に配置してもよい。
【００１３】
下部電極２と上部電極９との間に電圧を印加することにより。コア層６内に、その厚さ方向の電界を発生させることができる。
【００１４】
背景媒質４及び柱状媒質５は、相互に異なる屈折率を持ち、電界の印加によって屈折率が変化する材料で形成されている。例えば、背景媒質４は、ＫＴｉＯＰＯ４（ＫＴＰ）で形成され、柱状媒質５は（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３（ＰＬＺＴ）で形成される。一例として、ＰｂとＬａとの組成比が８６．５：９であり、ＺｒとＴｉとの組成比が６５：３５である。電圧無印化時におけるＫＴＰ及びＰＬＺＴの屈折率は、それぞれ１．７５及び２．５である。コア層６内に電界を発生させると、両者の屈折率は共に低下する。
【００１５】
下部クラッド層３及び上部クラッド層８の材料として、ＭｇＯ以外に、コア層６の実効屈折率よりも小さな屈折率を持つ材料を採用してもよい。また、下部電極２の材料として、ＰｔやＳＲＯ以外に、下部電極２を形成した後の熱処理に耐え得る導電材料を採用することも可能である。
【００１６】
図２Ａ及び図２Ｂに、実施例による光学素子のコア層６のフォトニックバンド構造を示す。柱状媒質５の直径を２００ｎｍとし、最近接の２つの柱状物質５の中心間の距離を５００ｎｍとした。図２Ａは、ＴＥモードの光のフォトニックバンド構造を示し、図２Ｂは、ＴＭモードの光のフォトニックバンド構造を示す。磁界成分が基板面に垂直になるように偏光した導波光がＴＥモードであり、電界成分が基板面に垂直になるように偏光した導波光がＴＭモードである。
【００１７】
横軸に記されたΓ、Ｍ、及びＫは、それぞれブリルアンゾーンのΓ点、Ｍ点、及びＫ点に対応する。縦軸は、柱状媒質５の配列周期で規格化した規格化周波数を示す。図１Ａに示した最近接の２つの柱状媒質５の中心間の距離をａとしたとき、規格化周波数は、ωａ／２πｃで定義される。ここで、ωは導波光の角周波数、ｃは真空中における光速を表す。図中の実線は電界無印加時のフォトニックバンド構造を示し、点線は、コア層６に７００ｋＶ／ｃｍの厚さ方向の電界を印加した時のフォトニックバンド構造を示す。
【００１８】
ブリルアンゾーンのΓ−Ｍを結ぶ線に対応する方向に伝搬する光、Γ−Ｋを結ぶ線に対応する方向に伝搬する光、及びその中間の向きに伝搬する光に対して、フォトニックバンドギャップが形成されていることがわかる。
【００１９】
比較のために、背景媒質４を、屈折率が１．５の屈折率不変の媒質で形成した場合の、ＴＥモード及びＴＭモードのフォトニックバンド構造を、それぞれ図２Ｃ及び図２Ｄに示す。
【００２０】
図３Ａ〜図３Ｄに、それぞれ図２Ａ〜図２Ｄに示したフォトニックバンド構造の最も長波長側に発生する一次のバンドギャップの近傍を拡大したグラフを示す。電界を印加すると、フォトニックバンド構造が短波長側へ変位していることがわかる。
【００２１】
図４に、Γ−Ｍを結ぶ直線に対応する方向へ伝搬する光に対応するフォトニックバンドギャップの中間点の周波数、及びその変位量（チューニング幅）を示す。ＴＥモードの光に対して、比較例による光学素子のチューニング幅が２．０ｎｍであるのに対し、実施例による光学素子のチューニング幅は７．８ｎｍである。ＴＭモードの光に対しては、比較例による光学素子のチューニング幅が５．４ｎｍであるのに対し、実施例による光学素子のチューニング幅は９．７ｎｍである。このように、実施例による構造を採用することにより、大きなチューニング幅が得られることが分かる。
【００２２】
コア層６の実効屈折率は、近似的に（Ｖ１ｎ１＋Ｖ２ｎ２）／（Ｖ１＋Ｖ２）と表すことができる。ここで、Ｖ１は、背景媒質４の体積、Ｖ２は柱状媒質５の合計の体積、ｎ１は背景媒質４の屈折率、ｎ２は柱状媒質５の屈折率である。コア層６の実効屈折率が変化すると、フォトニックバンド構造が変化する。実効屈折率の変化量が大きくなると、フォトニックバンド構造の変化も顕著になる。チューニング幅を大きくするために、背景媒質４及び柱状媒質５の材料として、電界を印加したときに屈折率が同じ方向に変化するようなものを選択することが好ましい。
【００２３】
次に、図５Ａ〜図５Ｆを参照して、第１の実施例による光学素子の製造方法について説明する。
【００２４】
図５Ａに示すように、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＳＴＯ等の単結晶からなる支持基板１の上に、Ｐｔ、ＳＲＯ等からなる厚さ２００ｎｍの下部電極２をスパッタリングにより形成する。下部電極２の上に、ＭｇＯ等からなる厚さ５００ｎｍの下部クラッド層３をスパッタリングにより形成する。
【００２５】
図５Ｂに示すように、下部クラッド層３の上に、電子ビーム露光用のレジスト膜２０を形成する。レジスト膜２０の厚さは１μｍとする。
【００２６】
図５Ｃに示すように、電子ビーム露光及び現像を行い、レジスト膜２０に円柱型の開口２０ａを形成する。開口２０ａは、図１Ａに示した柱状媒質５に対応するパターンを有する。
【００２７】
図５Ｄに示すように、開口２０ａ内に、ＰＬＺＴ前駆体溶液を充填し、乾燥させる。図５Ｅに示すように、レジスト膜２０を除去した後、焼成することにより、ＰＬＺＴからなる柱状媒質５を得る。焼成することにより柱状媒質５の高さは約５００ｎｍになる。
【００２８】
図５Ｆに示すように、柱状媒質５の隙間に、スピンコート法またはディップ法を用いてＫＴＰ前駆体溶液を充填する。ＫＴＰ前駆体溶液の充填後、焼成を行い、ＫＴＰからなる背景媒質４を得る。柱状媒質５の上面よりも上に堆積している背景媒質４は、化学機械研磨（ＣＭＰ）により取り除く。これにより、平坦な上面を有するコア層６が形成される。
【００２９】
図１Ｂに示したように、コア層６の上に、上部クラッド層８を、下部クラッド層３と同じ方法で形成する。さらにその上に、上部電極９を、下部電極２と同じ方法で形成する。
【００３０】
上記実施例では、図５Ｃ及び図５Ｄに示したように、開口２０ａが形成されたレジスト膜２０を鋳型として用いることにより、コア層６の周期構造を形成したが、その他の方法により周期構造を形成することも可能である。例えば、全面に光学媒質を成膜した後、その上にエッチングマスクを形成して光学媒質をドライエッチングしてもよいし、マスクを用いることなく、集束イオンビームを用いて光学媒質を部分的にエッチングしてもよい。また、光学媒質の成膜方法として、ゾルゲル法以外に、スパッタリング法、パルスレーザ蒸着法、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法、水熱合成法等を用いてもよい。
【００３１】
上記実施例では、コア層６の材料として、ＰＬＺＴとＫＴＰとを用いたが、その他に、屈折率が相互に異なり、かつ電界の印加によって屈折率が変化する２種類の材料を用いてもよい。例えば、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、Ｂａ２ＮａＮｂ５Ｏ１５、Ｂａ２（Ｋ０．９Ｎａ０．１）Ｏ１５、ＫＨ２ＰＯ４（ＫＤＰ）、ＫＤ２ＰＯ４、（Ｓｒ０．５Ｂａ０．５）Ｎｂ２Ｏ６、（Ｓｒ０．７５Ｂａ０．２５）Ｎｂ２Ｏ６、ＢａＴｉＯ３、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３、ＰｂＴｉＯ３、（Ｐｂ，Ｌａ）ＴｉＯ３からなる群より選択される２つの材料を用いてもよい。
【００３２】
背景媒質４及び柱状媒質５の少なくとも一方を強誘電体で形成する場合、その結晶方位を揃えることが好ましい。結晶方位の揃った強誘電体は、大きな残留分極、及び高い耐電圧性を持つ。ポッケルス効果等の電気光学効果による屈折率の変化量は、残留分極の大きさに影響される。残留分極が大きくなると、大きな屈折率変化が期待できる。
【００３３】
図６Ａに、第１の実施例による光学素子を用いた光フィルタの平面図を示し、図６Ｂに、図６Ａの一点鎖線Ｂ６−Ｂ６における断面図を示す。図６Ａ及び図６Ｂに示した光フィルタの構成部分には、図１Ａ及び図１Ｂに示した光学素子の対応する構成部分に付された参照符号と同一の参照符号を付している。
【００３４】
光フィルタにおいては、コア層６のうち一部の領域のみが、フォトニック結晶構造を有する。フォトニック結晶構造を有する領域の上にのみ上部電極９が配置されている。フォトニック結晶構造とされている領域に隣接する両側に、それぞれチャネル導波路１３及び１４が形成されている。チャネル導波路１３及び１４は、例えば下部電極上に配置され、その側面及び上面は大気に晒されている。チャネル導波路１３及び１４の先端はレンズ作用を持つ形状とされている。チャネル導波路１３から出射した光がフォトニック結晶構造領域に入射し、そのまま直進した光が、もう一方のチャネル導波路１４に入射する。
【００３５】
光ファイバ１７が、レンズ１５を介してチャネル導波路１３に光学的に結合し、もう一つの光ファイバ１８が、レンズ１６を介してチャネル導波路１４に光学的に結合している。
【００３６】
フォトニック結晶構造領域のフォトニックバンド構造を変化させることにより、光フィルタのオンオフ制御を行うことができる。
【００３７】
図７Ａに、第２の実施例による光学素子の断面図を示す。以下、図１Ａ及び図１Ｂに示した第１の実施例による光学素子との相違点に着目して説明する。第２の実施例による光学素子では、背景媒質４及び柱状媒質５が、レーザビームの照射によって屈折率が変化する材料で形成されている。このような材料として、アゾベンゼンを側鎖に持つポリマ等が挙げられる。フォトニック結晶に電界を印加する必要がないため、図１Ｂに示した下部電極２及び上部電極９は配置されていない。
【００３８】
レーザ光源３０から放射されたレーザビームが、光学素子のフォトニック結晶構造に入射する。レーザ光源３０から放射されるレーザビームの波長は、例えば３００ｎｍ程度である。レーザビームは、コア層６の上面からフォトニック結晶に入射させてもよいし、端面から入射させてもよい。フォトニック結晶にレーザビームを入射させることにより、フォトニックバンド構造を変化させることができる。
【００３９】
図７Ｂに、第３の実施例による光学素子の断面図を示す。以下、図１Ａ及び図１Ｂに示した第１の実施例による光学素子との相違点に着目して説明する。第３の実施例による光学素子では、背景媒質４及び柱状媒質５が、温度変化によって屈折率が変化する材料で形成されている。このような材料として、Ｓｉ、ＳｉＯ２等が挙げられる。フォトニック結晶に電界を印加する必要がないため、図１Ｂに示した下部電極２及び上部電極９は配置されていない。
【００４０】
上部クラッド層８の上に、温度調整器３１が配置されている。温度調整器３１は、ジグザグパターンを有する抵抗線からなるヒータ、及びペルチェ素子を含む。ヒータによりコア層６を加熱し、ペルチェ素子によりコア層６を冷却することができる。フォトニック結晶の温度を変化させることにより、フォトニックバンド構造を変化させることができる。
【００４１】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】図１Ａは、第１の実施例による光学素子のコア層の平面図であり、図１Ｂは、第１の実施例による光学素子の断面図である。
【図２】図２Ａ及び図２Ｂは、それぞれ第１の実施例による光学素子を構成するフォトニック結晶の、ＴＥモード及びＴＭモードの光に対応するフォトニックバンド構造を示すグラフであり、図２Ｃ及び図２Ｄは、それぞれ比較例による光学素子を構成するフォトニック結晶の、ＴＥモード及びＴＭモードの光に対応するフォトニックバンド構造を示すグラフである。
【図３】図３Ａ及び図３Ｂは、それぞれ第１の実施例による光学素子を構成するフォトニック結晶の、ＴＥモード及びＴＭモードの光に対応するフォトニックバンド構造のフォトニックバンドギャップ近傍を示すグラフであり、図３Ｃ及び図３Ｄは、それぞれ比較例による光学素子を構成するフォトニック結晶の、ＴＥモード及びＴＭモードの光に対応するフォトニックバンド構造のフォトニックバンドギャップ近傍を示すグラフである。
【図４】第１の実施例及び比較例の光学素子のフォトニックバンドギャップの中間点の波長、及びチューニング幅を示す図表である。
【図５−１】第１の実施例による光学素子の製造途中段階の断面図である。
【図５−２】第１の実施例による光学素子の製造途中段階の断面図である。
【図６】図６Ａは、第１の実施例による光学素子を用いた光フィルタの平面図であり、図６Ｂは、その断面図である。
【図７】図７Ａは、第２の実施例による光学素子の断面図であり、図７Ｂは、第３の実施例による光学素子の断面図である。
【符号の説明】
【００４３】
１  支持基板
２  下部電極
３  下部クラッド層
４  背景媒質
５  柱状媒質
６  コア層
８  上部クラッド層
９  上部電極
１３、１４  チャネル導波路
１５、１６  レンズ
１７、１８  光ファイバ
２０  レジスト膜
３０  レーザ光源
３１  温度調節器
【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５−１】
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【図５−２】
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【図６】
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【図７】
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