(57)【要約】【課題】高速繰り返し動作に適したフォトニック結晶光導波路と光非線形媒質を有する光制御素子を提供すること。【解決手段】  フォトニック結晶光導波路と、前記フォトニック結晶光導波路内を伝搬する電磁波の電磁界が及ぶ範囲内に設けられた光非線形媒質と、を備え、前記フォトニック結晶光導波路のフォトニック結晶部を、当該フォトニック結晶光導波路特有の伝搬モードにおける高フォトン状態密度領域波長を、前記光非線形媒質内の電子準位間のエネルギーに共鳴させるようフォトニックバンドを設定したことを特徴とする光制御素子。【選択図】図１
2009134124.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フォトニック結晶光導波路と、
前記フォトニック結晶光導波路内を伝搬する電磁波の電磁界が及ぶ範囲内に設けられた光非線形媒質と、
を備え、
前記フォトニック結晶光導波路のフォトニック結晶部を、当該フォトニック結晶光導波路特有の伝搬モードにおける高フォトン状態密度領域波長を、前記光非線形媒質内の電子準位間エネルギーに共鳴させるようフォトニックバンドを設定したことを特徴とする光制御素子。
【請求項２】
前記フォトニックバンドの設定が前記フォトニック結晶部の周期構造体の間隔又は大きさを設定することにより、伝搬モードにおける高フォトン状態密度領域波長を、前記光非線形媒質内の電子準位間エネルギーに共鳴させる請求項１に記載の光制御素子。
【請求項３】
フォトニック結晶光導波路と、
前記フォトニック結晶光導波路内を伝搬する電磁波の電磁界が及ぶ範囲内に設けられた光非線形媒質と、
を備え、
前記フォトニック結晶光導波路の高フォトン状態密度領域のエネルギーと、前記光非線形媒質内の電子準位間エネルギー とを共鳴させて、前記光非線形媒質内で励起されたキャリアの緩和を促進することにより高速で動作させることを特徴とする光制御素子。
【請求項４】
前記フォトニック結晶光導波路のフォトニック結晶部が半導体もしくは誘電体薄膜に二次元周期で配置された空気孔を持って形成されており、フォトニックバンドの設定が格子定数又は空気孔半径を設定することにより、伝搬モードにおける高フォトン状態密度領域のエネルギーと、前記光非線形媒質内の基底準位間もしくは励起準位間エネルギーとを共鳴させて前記光非線形媒質内で励起されたキャリアの緩和を促進することにより高速で動作させることを特徴とする請求項３に記載の光制御素子。
【請求項５】
請求項１から４における光非線形媒質が量子ドットであることを特徴とする光制御素子。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかに記載の光制御素子を備えた対称マッハ・ツェンダー型全光スイッチ。
【請求項７】
請求項１から５のいずれかに記載の光制御素子を備えた光フリップ・フロップ素子。
【請求項８】
光制御素子の生産方法であって、
光非線形媒質を生成する工程と、
生成された光非線形媒質の発光又は吸収波長を測定する工程と、
測定された発光又は吸収波長に共鳴するフォトニック結晶光導波路のフォトニック結晶部の仕様を選定する工程と、
選定された仕様により前記光非線形媒質の生成領域内に フォトニック結晶光導波路を生成する工程と、
を有する光制御素子の生産方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光制御素子及びその生産方法に関し、さらに詳しくは高速動作に適したフォトニック結晶光導波路と光非線形媒質を有する光制御素子及びその生産方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
今日では、光情報通信ネットワークは社会にとってなくてはならない存在である。さらに、通信需要は急速に拡大しており、従来より使用されているデジタル信号処理を担う電気素子では、光信号の処理速度に限界があり、さらに高速化に伴い消費電力が肥大化する等の問題がある。つまり、電気で光信号を制御する方式では、消費電力と処理速度に関して問題が生じる。
【０００３】
そこで、光で光信号を制御する全光スイッチング素子が大変期待されている。これらの全光スイッチング素子の例としては、現時点では、以下に示すような対称マッハ・ツェンダー型全光スイッチが提案されている（非特許文献１、非特許文献２等参照）。
【０００４】
〔対称マッハ・ツェンダー型全光スイッチ〕
対称マッハ・ツェンダー型全光スイッチ(Ｐｈｏｔｏｎｉｃ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌ  Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ：ＰＣ−ＳＭＺ)は、図２１に示すように、フォトニック結晶光導波路(Ｐｈｏｔｏｎｉｃ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｗａｖｅ  Ｇｕｉｄｅ：ＰＣ−ＷＧ)と、光導波路中に埋め込まれた量子ドット（Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｄｏｔ：ＱＤ）を基本構成要素とする。フォトニック結晶光導波路を対称マッハ・ツェンダー型に配置し、２本の光非線形アーム内部（斜線部）に量子ドットを埋め込んだ構造を有する。非線形アーム部には、それぞれ量子ドット励起用の制御光（Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｐｕｌｓｅ）を導入する光導波路が設けられる。この素子において量子ドットは、光非線形媒体として用いられ、信号光（Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｕｌｓｅ）の位相を変調させる役割を果たす。
【０００５】
具体的なスイッチ動作を図２２に模式的に示す。信号光は、図２２の左側上から２番目のポートから入射され、初めの方向性結合器(ＤＣ１)により二分割される。分割された信号光はＤＣ２において再び出会い、制御光が導入されない状態においては、両者の位相差は０であるから、図右側の下のポートから出射される。次に、スイッチＯＮ用の制御光を図左側最上部のポートから入射すると、非線形アーム（１）内の量子ドットが励起され、量子ドット内の伝導帯準位をキャリアが満たすことにより、準位間での吸収飽和（３次の光非線形現象）を起こす。
【０００６】
これにより、アーム（１）部の実効的な屈折率が変化するため、アーム（１）を伝播する信号光の位相がシフトする。位相シフト量が１８０度の場合、位相シフトしたアーム（１）伝播光と、位相シフトしていないアーム（２）伝播光がＤＣ２で再び干渉すると、出力ポートが上側に切り替わり、スイッチングが起こる。次に、スイッチＯＦＦ用の制御光を図左側最下部のポートから入射すると、非線形アーム（２）内の量子ドットが励起され、同様にアーム（２）伝播光も位相がシフトされるため、両アームの伝播光の位相差が無くなり、再び下側のポートから信号光が出射する。
【０００７】
このスイッチの特長は、非線形アーム部分での量子ドットによる信号光の位相シフトの緩和時間によらず、急峻な立ち上がりと立ち下りが実現できる点にあり、発明者らはフォトニック結晶・量子ドット融合によるスイッチ動作実証に成功している（非特許文献３等参照）。
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−２５０３９８号公報
【特許文献２】特開２００２−１３１７９４号公報
【非特許文献１】Ｋｉｙｏｓｈｉ  Ａｓａｋａｗａ，“Ｐｈｏｔｏｎｉｃ  ｃｒｙｓｔａｌ  ａｎｄ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｄｏｔ  ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ  ｆｏｒ  ａｌｌ−ｏｐｔｉｃａｌ  ｓｗｉｔｃｈ  ａｎｄ  ｌｏｇｉｃ  ｄｅｖｉｃｅ”Ｎｅｗ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｖｏｌ．８（２００６）２０８ｐ
【非特許文献２】浅川  潔他「超高速信号処理ナノ光制御素子および光集積技術に関する研究」ＴＡＲＡ  ＮＥＷＳ  Ｎｏ．３３  ２００６年９月  １０ｐ  筑波大学先端学際領域研究センター発行
【非特許文献３】浅川  潔他「実用化に向けたフォトニック結晶の構造制御」（社）応用物理学会  第７４巻第号（２００５）１８６ｐ
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、この対称マッハ・ツェンダー型全光スイッチも、超４０ＧＨｚ（周期２５ｐｓ以下）という高速繰り返し動作を行うと、量子ドット内の励起キャリアの蓄積効果により正常なスイッチ動作が確保できなくなる。これは、量子ドットは内部の電子準位が離散しているため、一般的に励起された電子が再び基底準位に緩和するのに時間を要することが要因として挙げられる。
【００１０】
本発明は、以上のような問題点を解決し、高速繰り返し動作に適したフォトニック結晶光導波路と光非線形媒質を有する光制御素子及びその生産方法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】
【００１１】
本発明者らは、フォトニック結晶光導波路モード中の高フォトン状態密度領域波長と量子ドット内電子準位間エネルギーとの共鳴によるキャリア緩和促進することの有用性を見出し、下記の発明を完成するに至った。
【００１２】
（１）  フォトニック結晶光導波路と、前記フォトニック結晶光導波路内を伝搬する電磁波の電磁界が及ぶ範囲内に設けられた光非線形媒質と、を備え、前記フォトニック結晶光導波路のフォトニック結晶部を、当該フォトニック結晶光導波路特有の伝搬モードにおける高フォトン状態密度領域波長を、前記光非線形媒質内の電子準位間エネルギーに共鳴させるようフォトニックバンドを設定したことを特徴とする光制御素子。
【００１３】
（１）の発明に係る光制御素子は、フォトニック結晶光導波路と、フォトニック結晶光導波路内を伝搬する電磁波の電磁界が及ぶ範囲内に設けられた光非線形媒質と、を備える。フォトニック結晶光導波路のフォトニック結晶部を、当該フォトニック結晶光導波路特有の伝搬モードにおける高フォトン状態密度領域波長を、光非線形媒質内の電子準位間のエネルギーに共鳴させるようフォトニックバンドが設定されているので、共鳴することにより光非線形媒質内で励起された電子などのキャリアは、パーセル効果によって自然発光再結合が促進される。この効果により、光非線形媒質内で励起されたキャリア掃引が促進されるので、より短い時間でキャリア緩和される。
【００１４】
ここで、光非線形媒質とは、信号（Ｓｉｇｎａｌ  ｐｕｌｓｅ）の位相を変調させる役割を果たす媒体である。光非線形媒質の例としては、量子ドット、量子井戸、有機ポリマ材料等があり、量子ドットは、半導体材料との融合が容易で光線形効率がよいので望ましい。また、電磁波とは、マクスウェルによって提唱された電磁波であり、マイクロ波、赤外線、可視光線、紫外線、Ｘ線、γ線などが含まれる。
【００１５】
（２）  前記フォトニックバンドの設定が前記フォトニック結晶部の周期構造体の間隔又は大きさを設定することにより、伝搬モードにおける高フォトン状態密度領域波長を、前記光非線形媒質内の電子準位間エネルギーに共鳴させる（１）に記載の光制御素子。
【００１６】
（２）に記載の発明は、（１）の発明の内容を、フォトニックバンドの設定が格子定数又は空気孔半径を設定することにより、伝搬モードにおける高フォトン状態密度領域波長を、前記光非線形媒質内の電子準位間エネルギーに共鳴させることに限定した発明である。この場合は、前記フォトニック結晶部の周期構造体の間隔又は大きさを設定することにより光非線形媒質内の電子準位間のエネルギーに共鳴させる。この結果、共鳴することにより光非線形媒質内に励起された電子などのキャリアは、パーセル効果によって自然発光再結合が促進される。この効果により、光非線形媒質内で励起されたキャリアが掃引されるので、より短い時間でキャリア緩和をすることができる。
【００１７】
（３）  フォトニック結晶光導波路と、前記フォトニック結晶光導波路内を伝搬する電磁波の電磁界が及ぶ範囲内に設けられた光非線形媒質と、を備え、前記フォトニック結晶光導波路の高フォトン状態密度領域のエネルギーと、前記光非線形媒質内の電子準位間エネルギーとを共鳴させて、前記光非線形媒質内で励起されたキャリアの緩和を促進することにより高速で動作させることを特徴とする光制御素子。
【００１８】
（４）  前記フォトニック結晶光導波路のフォトニック結晶部が半導体もしくは誘電体薄膜に二次元周期で配置された空気孔を持って形成されており、フォトニックバンドの設定が格子定数又は空気孔半径を設定することにより、伝搬モードにおける高フォトン状態密度領域のエネルギーと、前記光非線形媒質内の基底準位間もしくは励起準位間エネルギーとを共鳴させて前記光非線形媒質内で励起されたキャリアの緩和を促進することにより高速で動作させることを特徴とする（３）に記載の光制御素子。
【００１９】
（３）と（４）に記載の発明は、（１）と（２）に記載の発明が発明特定事項を別の角度から記載したものである。特に、フォトニック結晶光導波路の高フォトン状態密度領域のエネルギーと、前記光非線形媒質内の自然発光遷移エネルギーとを共鳴させる効果を、キャリア緩和を促進することにより光制御素子を高速で動作させることに注目した内容である。
【００２０】
（５）  （１）から（４）における光非線形媒質が量子ドットであることを特徴とする光制御素子。
【００２１】
（５）の発明は、上記の各発明の光非線形媒質を量子ドットに限定した発明である。
【００２２】
（６）  （１）から（５）のいずれかに記載の光制御素子を備えた対称マッハ・ツェンダー型全光スイッチ。
【００２３】
（６）に記載の発明は、（１）から（５）に記載の光制御素子を備えた対称マッハ・ツェンダー型全光スイッチである。高速で動作する光制御素子を要素として備えるので、対称マッハ・ツェンダー型全光スイッチとしても高速で動作させることができる。
【００２４】
（７）  （１）から（５）のいずれかに記載の光制御素子を備えた光フリップ・フロップ素子。
【００２５】
（７）に記載の発明は、（１）から（７）に記載の光制御素子を備えた光フリップ・フロップ素子である。高速で動作する光制御素子を要素として備えるので、光フリップ・フロップ素子としても高速で動作させることができる。
【００２６】
（８）  光制御素子の生産方法であって、光非線形媒質を生成する工程と、生成された光非線形媒質の発光又は吸収波長を測定する工程と、測定された発光又は吸収波長に共鳴するフォトニック結晶光導波路のフォトニック結晶部の仕様を選定する工程と、選定された仕様により前記光非線形媒質の生成領域内にフォトニック結晶光導波路を生成する工程と、を有する光制御素子の生産方法。
【００２７】
（８）に記載の発明は、光制御素子の生産方法に関する発明である。生成された光非線形媒質の発光又は吸収波長を測定する工程と、測定された発光又は吸収波長に共鳴するフォトニック結晶光導波路の生産仕様を選定する工程と、選定された仕様により前記光非線形媒質の生成領域内にフォトニック結晶光導波路を生成する工程と、を有するので、共鳴を確実に起こさせる光制御素子を生産することができる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、フォトニック結晶光導波路のフォトニック結晶部を、当該フォトニック結晶光導波路特有の伝搬モードにおける高フォトン状態密度領域波長を、光非線形媒質内の電子準位間のエネルギーに共鳴させるようフォトニックバンドが設定されているので、共鳴することにより光非線形媒質内で励起された電子などのキャリアは、パーセル効果によって自然発光再結合が促進される。この効果により、光非線形媒質内で励起されたキャリアが掃引されるので、より短い時間でキャリア緩和をすることができる。キャリア緩和を促進することにより光制御素子を高速で動作させることができる。また、確実に共鳴を起こす光制御素子の生産方法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】
【００２９】
以下、本発明の実施形態について説明する。なお、これはあくまでも一例であって、本発明の技術的範囲はこれに限られるものではない。
【００３０】
＜実施例１＞
図１は、本発明の光制御素子の光非線形媒質内の自然発光遷移エネルギーと、フォトニック結晶光導波路の高フォトン状態密度領域波長のエネルギーとを共鳴させてキャリア緩和を行う原理を説明する図である。図２は、フォトニック結晶部とその構成により現われるフォトニックバンドギャップを説明する図である。図３は、フォトニック結晶部にフォトニック結晶光導波路を設ける場合の原理を説明する図である。図４は、フォトニック結晶部に光導波路を設けた場合の特性を示す図である。図５は、本発明の光制御素子のフォトニック結晶光導波路と量子ドットの試作品の電子顕微鏡写真図であり、図６は、本発明の光制御素子の共鳴時の性能を測定したデータである。図７は、従来の共鳴しない場合の光制御素子の性能を測定したデータである。
【００３１】
フォトニック結晶光導波路は、図１（ａ）に示すように、ｅｖｅｎ（図１（ａ）の△）とｏｄｄ（図１（ａ）の○）との特有の分散関係をもつモードからなり、図１（ａ）の点線の網掛け部分のように、フォトンの状態密度（ＤＯＳ）が高い波長（エネルギー）領域が存在する。
【００３２】
ここで、屈折率が異なる物質を、光の波長程度の大きさの周期で並べたものがフォトニック結晶である。例えば、半導体と空気は屈折率差が３〜４倍程度異なる。これらを２次元周期で配列すると、図２のように、フォトニックバンドギャップと呼ばれる、特定の波長の光を通さない特性をもった物質となる。
【００３３】
フォトニック結晶光導波路は、図３のように、三角格子状に周期的に空孔を配列した構造のうち、一列のみ空孔を排除することで作製する。基本構造となるフォトニック結晶は、半導体薄膜（厚さ２５０ｎｍ程度）に、三角格子状に半径ｒの空孔を間隔ａで周期的に配列して形成する。なお、フォトニック結晶光導波路については、迫田和彰著「フォトニック結晶入門」森北出版株式会社  第５章参照。また、量子ドットについては、大槻義彦編「現代物理最前線  ６  人工原子、量子ドットとはなにか」舛本泰章参照。
【００３４】
この周期構造の中の空気孔一列分をなくしてやると、図４のように、光が透過できなかった領域に、光が透過できる領域（黒の太線間）が生まれる。これが、フォトニック結晶光導波路と呼ばれる構造で、特定の波長の光が光導波路に沿って伝搬する。図４の右のフォトニックバンド図と呼ばれる、光の波数と周波数の関係を見ると、格子定数ａの値によって、波長λが自由に選択できることがわかる。例えば、近赤外光を透過させたければ、格子定数を３６０ｎｍ程度にすれば、ω=ａ/λ=０．２８で、λ=１２８６ｎｍとなる。また、青色波長であれば、ａ＝１１２ｎｍで、λ＝４００ｎｍである。
【００３５】
図１に戻って、一方、量子ドット内の電子準位は、図１（ｂ）に示すように離散的に存在し、量子ドット内で励起された電子は、主に、実線で示す非発光なパス（高速緩和、〜数十ｐｓ）と点線で示す自然発光（ＳＥ）再結合（遅い緩和、数百ｐｓ〜ｎｓ）によって緩和される。
【００３６】
ここで、フォトニック結晶光導波路の高フォトン状態密度領域のエネルギーと、量子ドット内のＳＥ遷移エネルギーを共鳴させると、パーセル（Ｐｕｒｃｅｌｌ）効果によってＳＥ再結合レートが促進され、この効果により、特に量子ドットの励起準位（ＥＳ）のキャリアが掃引されることで、非発光の速い緩和過程を主たる緩和過程とすることができ、結果として数十ｐｓ程度の量子ドットキャリア緩和時間を達成する。
【００３７】
図５に示すような、量子ドットを埋め込んだフォトニック結晶光導波路を作製し、フォトニック結晶の格子定数を変化させることで、高フォトン状態密度領域波長と量子ドット発光波長との共鳴波長をシフトさせた際の緩和時間の変化をポンプ・プローブ法を用いて測定した。結果、図６に示すように量子ドットのＥＳ準位（約１２００ｎｍ）に共鳴波長が合うときに、信号光の位相シフト緩和が、図７に示すように共鳴波長が合はないときと比較して、劇的に短くなる（３７７ｐｓ→４８ｐｓ）ことが実証された。
【００３８】
＜実施例２＞
実施例２は、実施例１で説明したフォトニック結晶光導波路を有する光制御素子を生産する方法について説明をする。図８は、本発明の光制御素子の生産方法の概略を示すブロック図である。図９は、量子ドット光非線形媒質のフォトルミネッセンスによる測定データの一例であり、図１０は、フォトニックバンドの理論計算結果を示す図であり、図１１は、理論計算から求めた格子定数変化に対する高フォトン状態密度領域波長の変化を示す図である。図１２は、フォトニック結晶光導波路を生成する工程を示す図である。
【００３９】
図８に示すように、光非線形媒質を生成する（Ｓ１１０）。実施例では、結晶成長にはＭＢＥ結晶成長法を用いた。半絶縁性ＧａＡｓ基板の上にＧａＡｌＡｓ犠牲層（ＧａＡｓ混晶比＝０．４、膜厚２μｍ）、ＧａＡｓ（膜厚５０ｎｍ）／Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ａｓ（約３ｎｍ）を中間層としてＩｎＡｓ量子ドットを３層（全膜厚２４０ｎｍ）積層した。ＧａＡｌＡｓ犠牲層の成長温度、砒素圧力は５６０℃、１ｘ１０−５Ｔｏｒｒ、量子ドットを含む層の成長温度、砒素圧力は４５０℃、３ｘ１０−６Ｔｏｒｒとした。
【００４０】
次に、生成された光非線形媒質の発光又は吸収波長を測定する（Ｓ１２０）。具体的には、フォトルミネッセンス（ＰＬ）測定によって量子ドットの発光波長を確認する。ＩｎＡｓ-量子ドットの基底準位（ＧＳ）間遷移による発光波長は、量子ドット上に数ｎｍの（Ｉｎ、Ｇａ）Ａｓ薄膜をキャップ層として成長させることにより、１２３０〜１３２０ｎｍ程度の範囲で調整が可能であるが、ＰＣのｅｖｅｎ、ｏｄｄモードの高フォトン状態密度領域波長とより正確に共鳴させるために、ＰＣを作製する前に量子ドットの発光波長、すなわち吸収波長を正確に測定しておく。図９は量子ドットのＰＬ測定結果の一例である。基底準位（ＧＳ）間遷移による１３００ｎｍ付近の発光と第一励起準位（ＥＳ）間遷移による１２００ｎｍ付近の発光が確認できる。
【００４１】
そして、測定された発光波長に共鳴するフォトニック結晶光導波路の生産仕様を選定する（Ｓ１３０）。事前に、フォトニックバンドの理論計算を行うことにより、フォトニック結晶光導波路のｅｖｅｎ、ｏｄｄモードの高フォトン状態密度領域波長を正確に予測し、最適の格子定数を決定する。
【００４２】
３次元ＦＤＴＤ法と呼ばれる計算方法により、フォトニックバンドを正確に計算（シミュレーション）することができる。計算に用いる主なパラメータは、フォトニック結晶を構成する空孔の半径（ｒ）、格子定数（ａ）、ａｉｒ  ｆｉｌｌｉｎｇ  ｆａｃｔｏｒ（ｒ/ａ）、スラブ厚（ｔ）などである。
【００４３】
図１０に計算結果の例として、ｒ/ａ＝０．３０、ａ＝３３９ｎｍ、ｔ＝２５０ｎｍのスラブフォトニック結晶光導波路におけるフォトニックバンド構造を示す。フォトニックバンドギャップ中にフォトニック結晶光導波路に起因するｅｖｅｎ（偶）モードとｏｄｄ（奇）モードが確認でき、フォトンの高状態密度領域（網掛け部分で示す）波長が、それぞれ１３２０ｎｍと１２００ｎｍ付近に発生することがわかる。
【００４４】
また、格子定数ａを変えて同様のバンド計算を行うと、高状態密度波長は連続的にシフトしていくことが分かる。図１１は格子定数を３３０ｎｍから３４８ｎｍに変えて計算を行った結果を纏めたものである。Ｅｖｅｎ、Ｏｄｄともに高フォトン状態密度領域波長が格子定数と共に長波長へシフトしていくことがわかる。図１１を参照して、測定された発光波長に共鳴するフォトニック結晶光導波路の生産仕様を選定する。この高フォトン状態密度領域の波長が、上記で測定した量子ドットのＧＳおよびＥＳの発光波長に合うように格子定数を決定すれば、強いパーセル効果により、キャリア緩和の促進が期待される。
【００４５】
フォトニック結晶光導波路は、図１２のように、三角格子状に周期的に空孔を配列した構造のうち、一列のみ空孔を排除することで作製する。基本構造となるフォトニック結晶は、半導体薄膜（厚さ２５０ｎｍ程度）に、三角格子状に半径ｒの空孔を間隔ａで周期的に配列して形成する。半径と格子定数の比率（ｒ／ａ）は０．３０〜０．３２になるよう設計した。作製は、図１２のように、電子線描画（２）、反応性イオンビームエッチング（３）、プラズマアッシング（４）、選択ウェットエッチング（５）によるナノ加工プロセスを用いた。量子ドットは、（１）のＭＢＥ成長のプロセスで、最上層のＧａＡｓコア層内に埋め込む形で作製しておく。量子ドットの作製される範囲は、コア層全体に渡ってもよいし、光導波路付近のみに選択的に作製しておいてもかまわない。ここで、フォトニック結晶のパターン形成には電子線描画法を用いているため、空気孔の直径、格子位相を十分な精度で形成することができた。
【００４６】
＜実施例３＞
実施例３は、対称マッハ・ツェンダー型全光スイッチに本発明の光制御素子を適用した例を示す。図１３は、本発明の光制御素子を適用した対称マッハ・ツェンダー型全光スイッチであり、図１４は、本発明の光制御素子を適用した対称マッハ・ツェンダー型全光スイッチの動作を説明する図である。図１５は、本発明の光制御素子を適用した対称マッハ・ツェンダー型全光スイッチの高速動作時のデータである。
【００４７】
図１３に示すように、上記で説明した生産方法により、本発明の光制御素子を適用した対称マッハ・ツェンダー型全光スイッチを試作した。光非線形媒質である量子ドット１４０を生成し、生成された量子ドット１４０の発光又は吸収波長を測定し、測定された発光又は吸収波長に共鳴するフォトニック結晶光導波路のフォトニック結晶部の仕様を選定して、選定された仕様により量子ドット１４０の生成領域内に
フォトニック結晶光導波路１５０を生成した。試作した対称マッハ・ツェンダー型全光スイッチは図１３のようにフォトニック結晶光導波路１５０に入力端子１１０、１２０、１３０と出力端子１６０、１７０が設けられている。
【００４８】
動作は、基本的には従来技術のところで説明したのと同様であるが、本発明の共鳴効果の効果を調査するために、４０ＧＨｚ（周期２５ｐｓ以下）という高速繰り返し動作の信号を入力端子１１０、１２０、１３０に入力して出力端子１６０の信号出力を測定した。
【００４９】
その測定データを図１５に示す。図１５の横軸は時間であり、縦軸は出力端子１６０にて測定した透過率である。図１５の１から４に示したサイクルのように２５ｐｓの周期で連続して動作していることが基本的に確かめられ、本発明を対称マッハ・ツェンダー型全光スイッチに適用可能であることが判明した。
【００５０】
＜実施例４＞
実施例４は、光フリップ・フロップ素子に関するものである。図１６は、本発明の光制御素子を有する光フリップ・フロップ・光デジタル信号処理素子を説明する図であり、図１７は、本発明の光フリップ・フロップ・光デジタル信号処理素子の生産方法の工程を表した図である。図１８は、本発明の生産方法に用いられる微細構造素子製造装置による結晶成長を説明する図であり、図１９は、マスクパターンの使用状態を説明する図である。図２０は、本発明により、（ａ）は、作製した試料基板からのＰＬ強度を２次元マッピングしたものである。（ｂ）は、（ａ）のＰＬ発光領域からのＰＬスペクトルを示す図である。
【００５１】
光フリップ・フロップ(Ｐｈｏｔｏｎｉｃ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｆｌｉｐ  Ｆｌｏｐ：ＰＣ−ＦＦ)は、光デジタル信号処理素子であり、図１６のように、前述の対称マッハ・ツェンダー型全光スイッチ（ＰＣ−ＳＭＺ）を２個集積した構造を有する。詳細な動作原理の説明は割愛するが、本素子は異なる２波長の光（λ1、λ2:図中実線と点線）を用いて動作する。すなわち、ＰＣ−ＳＭＺ1とＰＣ−ＳＭＺ２とはそれぞれ異なる吸収波長の量子ドットを非線形アーム部に埋め込んだ構造となっている。そのため、光フリップ・フロップ素子（ＰＣ−ＦＦ）実現のためには２種類の異なる吸収波長を有する量子ドットを、一枚の基板上にモノリシック（ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ）に形成する必要がある。
【００５２】
図１７は、本発明の光フリップ・フロップ・光デジタル信号処理素子の生産方法の工程を表した図である。基板３０が、回転方向の角度を規定することのできる回転規制手段４４を有する試料ホルダ４０に搭載される（Ｓ２１０）。そして、少なくとも１つ以上の開口を有するメタルマスク１０をマスクホルダ２０に搭載する（Ｓ２２０）。さらに、試料ホルダ４０とマスクホルダ２０とを弾性体であるバネ２８を用いて軸方向に位置決めをする（Ｓ２３０）。位置決め後、基板３０に素材を蒸発源６０で蒸発させて基板３０上に選択結晶成長層３２（図１８参照）を選択的に結晶成長させる（Ｓ２４０）。
【００５３】
マスクホルダ２０を試料ホルダ４０に対し、あらかじめ定められた角度回転する（Ｓ２５０）。そして、基板３０上で角度回転前に結晶を成長させた部分に異なる素材を蒸着させて別の結晶を成長させる（Ｓ２６０）。
【００５４】
具体的には、発明者らは、上記微細構造素子製造装置１とＭＢＥ装置を用いてＧａＡｓ基板にＩｎとＡｓを選択領域に照射することにより、歪誘起による自己組織化ＩｎＡｓ量子ドットを成長させた。マスク１０を０度配置でＩｎＡｓ量子ドット（ＱＤ１）を成長後、マスク１０を１８０度回転させ、０度配置と同様にＩｎＡｓ量子ドット（ＱＤ２）を選択領域に成長後、歪緩和層としてＩｎ０．２Ｇａ０．８Ａｓの薄膜を膜厚約３ｎｍ積層させた。この歪緩和層により、ＱＤ２のバンドギャップを縮小させることが可能となる。この後、メタルマスク１０を外し、基板３０全体にＧａＡｓおよびＡｌＧａＡｓ層を成長させて量子ドットを埋め込み、作製試料とした。
【００５５】
次に量子ドットの発光又は吸収波長を測定する（Ｓ２７０）。具体的には、Ｈｅ-Ｎｅレーザー（λ=６３３ｎｍ）励起によるフォトルミネッセンス（ＰＬ）の測定を室温において行った。基板上の任意の位置においてＰＬスペクトルを測定できるよう、試料ステージはステッピングモーターによる高分解能駆動ステージを用いた。また、基板面内での各座標位置においてＰＬ強度をマッピングすることにより、発光位置すなわち量子ドットの成長領域を判別した。
【００５６】
図２０（ａ）は、作製した試料基板からのＰＬ強度を２次元マッピングしたものであり、マスクパターンに対応した数百μｍ２のＰＬ発光領域が確認された。また、図２０（ａ）のＰＬ発光領域からのＰＬスペクトルをそれぞれ図２０（ｂ）に示す。ＱＤ１領域からは中心波長約１２８０ｎｍ、ＱＤ２領域からは中心波長約１３００ｎｍの発光スペクトルが得られた。以上の結果から、光フリップ・フロップ・光デジタル信号処理素子に必要な２種類の発光波長を持った量子ドット（ＱＤ１とＱＤ２）が、一枚の基板上の選択領域にモノリシックに作製されていることが確認された。
【００５７】
引き続き、上記の第２の実施例で説明したのと同様に、２種類の発光波長を持った量子ドット（ＱＤ１とＱＤ２）に対応するフォトニック結晶光導波路の生産仕様を決定し（Ｓ２８０）、フォトニック結晶光導波路を生成する（Ｓ２９０）。
【００５８】
このようにして、高速に動作する光フリップ・フロップ素子を生産することができる。
【００５９】
以上、本発明の実施形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。上記実施形態に、多様な変更又は改良を加えることができる。そのような変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。例えば、近赤外光を透過させるＧａＡｓ基板にＩｎとＡｓを選択領域に照射する自己組織化ＩｎＡｓの光制御素子について主に説明をしたが、ＧａＡｓ基板のみならずその他の基板、例えば窒化ガリウム（ＧａＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）等をもちいて青色波長の光制御素子にも同様に対応することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の光制御素子の光非線形媒質内の自然発光遷移エネルギーと、フォトニック結晶光導波路の高フォトン状態密度領域波長のエネルギーとを共鳴させてキャリア緩和を行う原理を説明する図である。
【図２】フォトニック結晶部とその構成により現われるフォトニックバンドギャップを説明する図である。
【図３】フォトニック結晶部にフォトニック結晶光導波路を設ける場合の原理を説明する図である。
【図４】フォトニック結晶部に光導波路を設けた場合の特性を示す図である。
【図５】本発明の光制御素子のフォトニック結晶光導波路と量子ドットの試作品の電子顕微鏡写真図である。
【図６】本発明の光制御素子の共鳴時の性能を測定したデータである。
【図７】従来の共鳴しない場合の光制御素子の性能を測定したデータである。
【図８】本発明の光制御素子の生産方法の概略を示すブロック図である。
【図９】量子ドットのフォトルミネッセンスによる測定データの一例である。
【図１０】フォトニックバンドの理論計算結果を示す図である。
【図１１】理論計算から求めた格子定数変化に対する高フォトン状態密度領域波長の変化を示す図である。
【図１２】フォトニック結晶光導波路を生成する工程を示す図である。
【図１３】本発明の光制御素子を適用した対称マッハ・ツェンダー型全光スイッチである。
【図１４】本発明の光制御素子を適用した対称マッハ・ツェンダー型全光スイッチの動作を説明する図である。
【図１５】本発明の光制御素子を適用した対称マッハ・ツェンダー型全光スイッチの高速動作時のデータである。
【図１６】本発明の光制御素子を有する光フリップ・フロップ素子を説明する図である。
【図１７】本発明の光フリップ・フロップ素子の生産方法の工程を表した図である。
【図１８】本発明の生産方法に用いられる結晶成長装置を説明する図である。
【図１９】マスクパターンの使用状態を説明する図である。
【図２０】本発明により、（ａ）は、作製した試料基板からのＰＬ強度を２次元マッピングしたものである。（ｂ）は、（ａ）のＰＬ発光領域からのＰＬスペクトルを示す図である。
【図２１】対称マッハ・ツェンダー型全光スイッチを説明する図である。
【図２２】対称マッハ・ツェンダー型全光スイッチの動作を説明する図である。
【符号の説明】
【００６１】
１０  メタルマスク
２０  マスクホルダ
２８  バネ
３０  基板
３２  選択結晶成長層
４０  試料ホルダ
４４  回転規制手段
６０  蒸発源
１１０、１２０、１３０  入力端子
１４０  量子ドット
１５０  フォトニック結晶光導波路
１６０、１７０  出力端子
【図１】
2009134124.tif 000003
【図２】
2009134124.tif 000004
【図３】
2009134124.tif 000005
【図４】
2009134124.tif 000006
【図６】
2009134124.tif 000007
【図７】
2009134124.tif 000008
【図８】
2009134124.tif 000009
【図９】
2009134124.tif 000010
【図１０】
2009134124.tif 000011
【図１１】
2009134124.tif 000012
【図１３】
2009134124.tif 000013
【図１４】
2009134124.tif 000014
【図１５】
2009134124.tif 000015
【図１６】
2009134124.tif 000016
【図１７】
2009134124.tif 000017
【図１８】
2009134124.tif 000018
【図１９】
2009134124.tif 000019
【図２０】
2009134124.tif 000020
【図２１】
2009134124.tif 000021
【図２２】
2009134124.tif 000022
【図５】
2009134124.tif 000023
【図１２】
2009134124.tif 000024