DE60305745T2

DE60305745T2 - Vorrichtung mit photonischer Kristallstruktur

Info

Publication number: DE60305745T2
Application number: DE60305745T
Authority: DE
Inventors: c/o Alps Electric Co. Hitoshi Kitagawa; c/o Alps Electric Co. Naoki Ito
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2002-01-08
Filing date: 2003-01-07
Publication date: 2007-05-24
Anticipated expiration: 2023-01-08
Also published as: DE60305745D1; EP1326132B1; JP2003202439A; JP3828426B2; EP1326132A3; US20030128949A1; EP1326132A2; US6931191B2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Photonenkristall-Vorrichtung zum Steuern der optischen Transmission und Reflexion durch Variieren der dielektrischen Konstante auf der Basis der Anwesenheit oder des Fehlens eines elektrischen Feldes, und einen optischen Wellenleiter und eine optische Multiplex/Demultiplex-Schaltung, die die Photonenkristall-Vorrichtung enthält.
2. Beschreibung des Stands der Technik
Materialien mit einer periodischen Brechungsindex-Struktur mit einer Periode, die im Wesentlichen gleich einer optischen Wellenlänge ist, sind als Photonenkristalle bekannt. Photonenkristalle haben eine Photonen-Bandlücke, in der Licht mit einer Wellenlänge, die der Periode der Struktur entspricht, nicht vorhanden sein kann, wodurch sie folglich die Anwesenheit und die Transmission von Licht mit einer spezifischen Wellenlänge verhindern. Es wird daher in Betracht gezogen, dass die Photonenkristalle die Möglichkeit bieten, die Licht-Transmission leicht zu steuern. Ein derartiger Photonenkristall war für ein elektronisches und optoelektronisches Material der nächsten Generation von Interesse und wurde erwogen.
Die Theorie dieses neuen Konzepts, des Photonenkristalls, wurde erstmals 1987 von S. John und E. Yablonovitch eingeführt, und es wurden verschiedene Verfahren zur Herstellung von Photonenkristallen erforscht.
Zur Bildung eines dreidimensionalen periodischen Aufbaus wurden Mikrobearbeitungs- und Abscheidungs-Techniken zur Herstellung von, ursprünglich, Halbleiter-Elementen und -Vorrichtungen studiert. Bei derartigen Techniken werden Partikel mit einer Größe, die im Wesentlichen gleich einer optischen Wellenlänge ist, die als eine Baueinheit des Photonenkristalls verwendet werden, in zwei oder drei Di mensionen geschichtet. Beispielsweise ist ein Photonenkristall bekannt, der durch Schichtung von kugelförmigen SiO₂-Partikeln von mehreren hundert Nanometern Größe gebildet wird. Ein derartiger Kristall mit einem periodischen Aufbau wird auch als ein künstlicher Opal bezeichnet, weil er ein ausgesprochen hübsches Irisieren subtil unterschiedlicher Farben, abhängig vom Winkel, aufweist.
Anordnungen des Stands der Technik sind aus US 2001/026 659 und US 6 175 671 bekannt, wobei jedes Dokument eine Photonenkristall-Vorrichtung, die einen Körper mit periodischem Aufbau mit einer Mehrzahl getrennter dielektrischer Elemente, die in Intervallen angeordnet sind, aufweist, offenbart. Die dielektrischen Elemente sind aus einem stark dielektrischen Material gebildet. Die Photonenkristall-Vorrichtung enthält auch ein Material mit variabler Dielektrizitätskonstante, dessen Dielektrizitätskonstante durch ein elektrisches Feld variiert wird. Das Material mit variabler Dielektrizitätskonstante ist in die Räume zwischen den dielektrischen Elementen gefüllt. Elektroden sind ebenfalls angebracht, um ein elektrisches Feld an das Material mit variabler Dielektrizitätskonstante anzulegen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben Forschung zu Photonenkristallen durchgeführt. Die vorliegende Erfindung basiert auf den Ergebnissen der Forschung, und durch Anwendung einiger von den Erfindern gefundener Techniken auf einen Photonenkristall mit einem zweidimensionalen oder dreidimensionalen periodischen Aufbau wurde ein völlig neuer Typ von Photonenkristall-Vorrichtung erzielt.
Speziell haben die Erfinder gefunden, dass sich in einer Kombination von einem zweidimensionalen oder dreidimensionalen periodischen Aufbau und einem Material, dessen Dielektrizitätskonstante von einem elektrischen Feld variiert wird, die Wellenlängen-Bande einer Photonen-Bandlücke auf der Basis der Anwesenheit oder des Fehlens eines elektrischen Felds verschiebt. Die vorliegende Erfindung wurde auf der Basis dieses Befundes vollbracht.
Dementsprechend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Photonenkristall-Vorrichtung zum Umschalten zwischen Transmission und Unterbrechung von Licht mit einer spezifischen Wellenlänge durch Steuern der Wellenlängen-Bande einer Photonen-Bandlücke der Vorrichtung bereitzustellen, und einen optischen Wellenleiter und eine optische Multiplex/Demultiplex-Vorrichtung mit der Photonenkristall-Vorrichtung bereitzustellen.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine optische Photonenkristall-Wellenleitervorrichtung mit einer variablen Bandlücke bereitgestellt, die aufweist: ein Paar einander gegenüber liegende Substrate; ein Dichtmittel zum Verbinden der Substrate an den Rändern der Substrate; einen Flüssigkristall, der in dem von den Substraten und dem Dichtmittel umgebenen Bereich dicht eingeschlossen ist; auf den Substraten vorgesehene Elektroden; und eine Mehrzahl von Stäben, die in dem Bereich zwischen den Substraten angeordnet sind; dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil des Dichtmittels lichtdurchlässig ist; und durch Trennwände zum Unterteilen des Bereichs zwischen den Substraten, um eine Mehrzahl von Konversionsbereichen zu definieren, wobei mindestens ein Teil jeder der Trennwände lichtdurchlässig ist, wobei die Elektroden an Stellen an den Substraten vorgesehen sind, die den Konversionsbereichen entsprechen, und wobei die Mehrzahl von Stäben in jedem Konversionsbereich mit einer Periode angeordnet ist, die einer optischen Wellenlänge entspricht, wodurch sie einen Körper mit periodischem Aufbau bilden, worin die dielektrische Konstante des Flüssigkristalls in jedem Konversionsbereich durch Anlegen eines elektrischen Feldes an den entsprechenden Konversionsbereich willkürlich variiert wird.
So wird ein zweidimensionaler oder dreidimensionaler periodischer Aufbau gebildet, der eine Mehrzahl dielektrischer Elemente und ein Material mit variabler Dielektrizitätskonstante zwischen den dielektrischen Elementen besitzt: Durch Wählen, ob von den Elektroden ein elektrisches Feld an das Material mit variabler Dielektrizitätskonstante angelegt wird oder nicht, wird die Dielektrizitätskonstante des Materials mit variabler Dielektrizitätskonstante variiert, und dementsprechend kann die Wellenlängen-Bande der Photonen-Bandlücke verschoben werden. Durch Verwenden von Licht mit einer Wellenlänge, die einer Wellenlängen-Bande entspricht, in der wegen der Photonen-Bandlücke kein Licht vorhanden ist, können die Transmissions-Eigenschaften für das Licht leicht gesteuert werden.
Speziell wird die Wellenlängen-Bande einer Photonen-Bandlücke durch Variieren der Dielektrizitätskonstante des Materials mit variabler Dielektrizitätskonstante auf der Basis der Wahl, ob eine Spannung an den Elektroden angelegt wird oder nicht, verschoben, und so können die Transmissionseigenschaften für Licht mit einer spezifischen Wellenlänge gesteuert werden.
Die dielektrischen Elemente oder der Hauptkörper können aus einem Material gebildet werden, das aus der Gruppe, die aus Si, GaP, GaAs, InP und ZnTe besteht, ausgewählt ist.
Da diese Materialien eine hohe Dielektrizitätskonstante haben und durch Ionen-Dotierung leicht leitfähig gemacht werden, können die dielektrischen Elemente eine Doppelfunktion als Elektroden haben, so dass sie einen Aufbau bilden, der hilft, ein elektrisches Feld an das Material mit variabler Dielektrizitätskonstante anzulegen. So wird die Verschiebung einer Photonen-Bandlücke sichergestellt, und die optischen Transmissionseigenschaften können gesteuert werden.
Durch Wählen, ob ein elektrisches Feld an den Flüssigkristall angelegt wird oder nicht, kann eine Photonen-Bandlücke verschoben werden, und dementsprechend können die Lichttransmissionseigenschaften gesteuert werden. Der Flüssigkristall kann wegen seiner hervorragenden Durchlässigkeitseigenschaft die Lichttransmissions-Effizienz erhöhen. Außerdem kann die Dielektrizitätskonstante des Flüssigkristalls auf der Basis der Anwesenheit oder des Fehlens eines elektrischen Feldes variiert werden. So erleichtert der Flüssigkristall eine klare Verschiebung von Photonen-Bandlücken.
Bevorzugt erfolgt die Wahl, ob der Körper mit periodischem Aufbau Licht mit einer spezifischen Wellenlänge durchlässt oder nicht, auf der Basis der entsprechend der dielektrischen Konstante der dielektrischen Elemente oder des Hauptkörpers gebildeten Bandlücke und Veränderungen der Dielektrizitätskonstante des Materials mit variabler Dielektrizitätskonstante. Die Veränderungen ergeben sich aus der Anwesenheit oder dem Fehlen eines elektrischen Feldes.
So wird ein optischer Verschluss zum Umschalten zwischen Licht-Transmission und -Unterbrechung bereitgestellt.
Bevorzugt werden mindestens einige der im Körper mit periodischem Aufbau angeordneten dielektrischen Elemente weggelassen. Der Bereich, in dem die dielektrischen Elemente weggelassen sind, definiert einen optischen Wellenleiter.
Durch Weglassen einiger der dielektrischen Elemente wird in den Photonenkristall ein Defekt eingeführt. Der Defektbereich zieht die Enden der Photonen-Bandlücke in die Photonen-Bandlücke, was eine Eingrenzung in der Nähe der Enden der Photonen-Bandlücke bewirkt, so dass Licht in der Eingrenzung eingefangen wird. Folglich wird das Licht entlang dem Defektbereich geleitet, und so kann der Defektbereich, in dem die dielektrischen Elemente weggelassen sind, als ein optischer Wellenleiter dienen. So wird auf der Basis der Anwesenheit oder des Fehlens eines elektrischen Feldes bestimmt, ob Licht durchgelassen wird oder nicht, und das Licht kann so geleitet werden, dass es den optischen Wellenleiter entlang wandert.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine optische Multiplex/Demultiplex-Vorrichtung, die die oben beschriebene Photonenkristall-Vorrichtung aufweist, bereitgestellt. So hat die optische Multiplex/Demultiplex-Vorrichtung die charakteristischen Merkmale, die die Photonenkristall-Vorrichtung hat.
Durch Anlegen eines elektrischen Felds an den Flüssigkristall in gewünschten Konversionsbereichen von Elektroden, kann die Wellenlängen-Bande der Photonen-Bandlücke, die in den gewünschten Konversionsbereichen des Körpers mit periodischem Aufbau ausgebildet ist, willkürlich verschoben werden. So kann Licht in einer gewünschten Richtung durch die gewünschten Konversionsbereiche durchgelassen werden. So kann eine optische Wellenleitervorrichtung erzielt werden, die in der Lage ist, Licht in eine gewünschte Richtung zu leiten.
Bevorzugt hat mindestens ein Teil des Dichtmittels einen Lichteinlass und einen Lichtauslass.
So wird Licht in den Körper mit periodischem Aufbau von gewünschten Konversionsbereichen durch den Lichteinlass eingeführt. Durch Anlegen eines elektrischen Feldes an den Flüssigkristall in einem Konversionsbereich, in den Licht ein geführt wird, und danach den benachbarten Konversionsbereich, nacheinander, kann ein Wellenleiter gebildet werden, der den Konversionsbereichen, in denen das elektrische Feld angelegt wird, entspricht.
Da die Trennwände aus einem lichtdurchlässigen Material gebildet sind und die Elektroden, die den gewünschten Konversionsbereichen entsprechen, ein elektrisches Feld an die gewünschten Konversionsbereiche anlegen, wird Licht durch die gewünschten Konversionsbereiche geleitet.
So kann die Wellenleitervorrichtung Licht in einer beliebigen Richtung entlang dem Substrat durchlassen.
Nun werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nur beispielhaft, unter Bezugnahme auf die begleitenden schematischen Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 eine Schnittansicht einer Photonenkristall-Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
2 eine perspektivische Explosionsansicht eines Substrats der in 1 gezeigten Photonenkristall-Vorrichtung ist;
3 eine perspektivische Explosionsansicht des anderen Substrats der in 1 gezeigten Photonenkristall-Vorrichtung ist;
4 eine Abbildung ist, die die Bildung einer Photonen-Bandlücke zeigt;
5 eine Draufsicht auf einen optischen Wellenleiter gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
6 eine perspektivische Explosionsansicht eines optischen Wellenleiters gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
7 eine Schnittansicht einer Photonenkristall-Vorrichtung, die nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist, ist;
8 eine perspektivische Ansicht einer planaren Lichtwellen-Schaltung mit einer Photonenkristall-Vorrichtung der vorliegenden Erfindung ist;
9 eine perspektivische Ansicht eines Strahlenteilers mit einer Photonenkristall-Vorrichtung der vorliegenden Erfindung ist;
10 eine perspektivische Explosionsansicht eines optischen Wellenleiters gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
11 eine fragmentarische Schnittansicht des in 10 gezeigten optischen Wellenleiters ist,
12 eine schematische Abbildung einer Steuereinheit ist, die den in 10 gezeigten optischen Wellenleiter und einen Treiber aufweist;
13 eine grafische Darstellung ist, die die Beziehung zwischen der normierten Lichtenergie und dem r/a-Wert einer Photonenkristall-Vorrichtung, die an den Ecken in einem tetragonalen Gitter angeordnete zylindrische Si-Stäbe und einen zwischen die Stäbe gefüllten Flüssigkristall aufweist, zeigt;
14 eine grafische Darstellung ist, die die Beziehung zwischen der normierten Lichtenergie und dem r/a-Wert einer Photonenkristall-Vorrichtung, die an den Ecken in einem trigonalen Gitter angeordnete zylindrische Si-Stäbe und einen zwischen die Stäbe gefüllten Flüssigkristall aufweist, zeigt;
15 eine grafische Darstellung ist, die die Beziehung zwischen der normierten Lichtenergie und dem r/a-Wert einer Photonenkristall-Vorrichtung, die an Stellen in einem Si-Substrat, die den Ecken in einem tetragonalen Gitter entsprechen, ausgebildete Löcher und einen in die Löcher gefüllten Flüssigkristall aufweist, zeigt; und
16 eine grafische Darstellung ist, die die Beziehung zwischen der normierten Lichtenergie und dem r/a-Wert einer Photonenkristall-Vorrichtung, die an Stellen in einem Si-Substrat, die den Ecken in einem trigonalen Gitter entsprechen, ausgebildete Löcher und einen in die Löcher gefüllten Flüssigkristall aufweist, zeigt.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nun werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Der Umfang der vorliegenden Erfindung ist nicht auf die Ausführungsformen beschränkt, und zur Einfachheit der Darstellung werden die Maßstäbe von Teilen in den Zeichnungen von einem Bauteil-Teil zu einem anderen variiert. 1 zeigt eine Photonenkristall-Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Photonenkristall-Vorrichtung A weist zwei leitfähige Substrate 1 und 2 auf, die im Wesentlichen parallel zueinander getrennt angebracht sind, ein transparentes Dichtmittel 5, das den Raum zwischen den Substraten 1 und 2 umgibt, eine Mehrzahl zylindrischer Stäbe (dielektrischer Elemente) 3, die zwischen den Substraten 1 und 2 mit einer Periode, die im Wesentlichen gleich einer optischen Wellenlänge ist, angeordnet sind, und einen Flüssigkristall 6, der eines der Materialien ist, deren Dielektrizitätskonstante durch ein elektrisches Feld verändert wird, der in den von dem Dichtmittel 5 umgebenen Raum zwischen den Substraten 1 und 2 gefüllt ist.
Auch ist eine Lichtquelle 4, die zum Emittieren von Licht mit einer gewünschten Wellenlänge in der Lage ist, außerhalb des transparenten Dichtmittels 5 unabhängig von der Photonenkristall-Vorrichtung A vorgesehen. In der Photonenkristall-Vorrichtung A tritt Licht mit einer spezifischen Wellenlänge (beispielsweise 1550 nm), das von der Lichtquelle 4 emittiert wurde, durch das transparente Dichtmittel 5 in den Raum zwischen den Substraten 1 und 2 ein.
Die Substrate 1 und 2 sind aus einem Ionen-dotierten, hochgradig leitfähigen dielektrischen Material, wie Si, ausgebildet und sind an ihren gegenüber liegenden Oberflächen, beispielsweise durch Oberflächenoxidation der Substrate, mit Oxidschichten 7 und 8 ausgestattet. Für die Substrate 1 und 2 kann irgendein Material verwendet werden, vorausgesetzt, dass es hochgradig dielektrisch ist, und andere leitfähige, dielektrische Materialien, wie GaP, GaAs, InP, ZnTe und Ge können anstelle von Si verwendet werden.
Wenn angenommen wird, dass in diesen Materialien die Dielektrizitätskonstante ε dem Quadrat des Brechungsindexes n äquivalent ist, bestimmen sich die Dielektrizitätskonstanten wie folgt:GaP: (3,45)² = 11,90, GaAs: (3,5)² = 12,25, InP: (3,29)² = 10,82, ZnTe: (3,1)² = 9,61 und Ge: (4,1)² = 16,81. Jedes dieser Materialien weist eine hohe Dielektrizitätskonstante auf. Bevorzugt hat das Material der dielektrischen Substrate eine Dielektrizitätskonstante in dem Bereich von 8 bis 13.
Da die oben beschriebenen dielektrischen Materialien ursprünglich für Halbleiter verwendet wurden und ihnen durch Ionen-Dotierung oder dergleichen Leitfähigkeit verliehen werden kann, können sie auch für Elektroden verwendet werden.
Die Stäbe 3, die als dielektrische Elemente wirken, werden durch Ätzen oder Gravieren eines der Substrate 1 und 2 gebildet. Bei der vorliegenden Erfindung sind diese Stäbe in Intervallen angeordnet, die gleich oder mehrere Male größer sind als eine spezifische Wellenlänge von Licht, das von der Lichtquelle 4 emittiert wird, um einen Körper 3A mit periodischem Aufbau zu definieren. Wenn beispielsweise die Transmission und Reflexion von Licht mit einer Wellenlänge von 1550 nm gesteuert wird, bestimmt sich der Abstand zwischen den Mittelpunkten zweier benachbarter Stäbe 3 in dem Bereich von 0,3 bis 1,1 μm, und der Radius der Stäbe bestimmt sich in dem Bereich von 0,07 bis 0,25 μm.
Die Substrate 1 und 2 sind durch Verbindungsleitungen 9A und 9B mit einem Stromversorgungsteil 10 verbunden. Wenn eine Schaltvorrichtung 11, die in die Verbindungsleitung 9B eingebaut ist, eingeschaltet wird, werden die Substrate 1 und 2 mit Energie beaufschlagt, um an den Flüssigkristall 6 zwischen den Substraten 1 und 2 eine vorbestimmte Spannung anzulegen; und wenn die Schaltvorrichtung 11 ausgeschaltet wird, wird die angelegte Spannung beseitigt.
Die Dielektrizitätskonstante des Flüssigkristalls 6 ist unterschiedlich zwischen einem Zustand, wenn ein elektrisches Feld angelegt ist, und wenn keines angelegt ist. Beispielsweise kann ein nematischer Flüssigkristall mit einer Dielektrizitätskonstante von 2 bis 3 verwendet werden. Wenn beispielsweise ein elektrisches Feld an den nematischen Flüssigkristall, der normalerweise eine Dielektrizitätskonstante von 2,34 hat, angelegt wird, ändert sich die Dielektizitätskonstante zu 2,56.
Zur Herstellung der in 1 gezeigten Photonenkristall-Vorrichtung A wird ein Si-Substrat 1, das mit Ionen dotiert wurde, um leitfähig zu sein, einer Oberflächenoxidation unterzogen, um die Oberflächenoxidationsschicht 7 zu bilden. Dann wird das transparente Dichtmittel 5 in einer Schleife entlang den Seiten und auf der Oberfläche der Oberflächenoxidschicht 7 angebracht, wie in 2 gezeigt. Auch die Oberfläche des anderen Si-Substrats 2, das ebenfalls mit Ionen dotiert wurde, um leitfähig zu sein, wird einem chemischen Ätzen oder einem physikalischen Ätzen, wie Ionenstrahl-Ätzen, unterzogen, um eine große Anzahl von Stäben (dielektrischen Elementen) 3 zu bilden, wie in 3 gezeigt.
Im Falle eines chemischen Ätzens wird ein Resist auf die Oberfläche des Substrats 2 aufgetragen und danach einer Exposition, die dem periodischen Aufbau der Stäbe 3 entspricht, unterzogen. Der exponierte Bereich des Resists wird entfernt, um durch Entwicklung eine große Anzahl an Löchern zu bilden. Dann wird ein chemisches Ätzen mit Hilfe dieser Löcher durchgeführt. Im Falle eines physikalischen Ätzens wird das Si-Substrat 2 unter Verwendung von SF₆-Plasma oder dergleichen geätzt, um die Stäbe 3 zu bilden.
Alternativ können zylindrische Si-Stäbe in der folgenden Weise vertikal ausgeschnitten werden.
Zuerst wird ein Resist, der für Elektronenstrahl-Exposition empfindlich ist, beispielsweise Polymethyl-methacrylat (PMMA), auf einen Si-Wafer aufgetragen und einem Elektronenstrahl ausgesetzt, um eine periodische Struktur zu zeichnen. Nachdem der exponierte Bereich des Resists entfernt wurde, um Öffnungen zu bilden, werden Eisenatome in einer Dicke von etwa 1 nm abgeschieden, und dann wird der verbleibende Resist durch Abheben entfernt. So werden die Eisenatome auf der Oberfläche des Substrats aggregiert, um in den Öffnungen Eisen-Cluster zu bilden. Als Nächstes wird die Oberfläche des Substrats einem Ätzen unter Verwendung von SF₆-Plasma unterzogen. Durch passendes Einstellen der Ätz-Bedingungen einschließlich Temperatur und Gasdruck wird die Umgebung der Eisen-Cluster davor bewahrt, geätzt zu werden, so dass sie erhalten bleibt, und so können Si-Stäbe gleichmäßiger Größe gebildet werden. In diesem Fall dienen die Eisen-Cluster nicht als Ätzmasken, sondern als Kerne zum Aggregieren der Produkte aus dem Plasma, wie S_xF_x, um die Ätzmasken gleichmäßiger Größe zu bilden. Ein derartiger Eisen-Cluster kann eine Maske mit erhöhter Ätzbeständigkeit bilden, und diese Funktion der Eisen-Cluster hilft, Si-Stäbe gleichmäßiger Größe zu bilden. Unter Verwendung dieser Funktion kann der Körper 3A mit periodischem Aufbau, in dem Si-Stäbe von, beispielsweise, 40 nm Durchmes ser und 1 μm Höhe, von oben gesehen, in Intervallen von 270 nm an den Ecken eines tetragonalen oder trigonalen Gitters angeordnet werden können, zuverlässig gebildet werden.
In der in 1 gezeigten Photonenkristall-Vorrichtung A bilden der Körper 3A mit periodischem Aufbau, der durch die Mehrzahl an Stäben 3 definiert wird, und der zwischen die Stäbe 3 gefüllte Flüssigkristall 6 einen Photonenkristall. Wenn Licht mit einer Wellenlänge von beispielsweise 1550 nm von der Lichtquelle 4 in die Photonenkristall-Vorrichtung A emittiert wird, wird in dem Photonenkristall eine Photonen-Bandlücke gebildet. Diese Bandlücke verschiebt sich auf der Basis der Anwesenheit oder des Fehlens eines elektrischen Felds in dem Flüssigkristall 6. Die Photonen-Bandlücke hierin betrifft ein Frequenzband, in dem Licht mit einer spezifischen Frequenz nicht durchgelassen werden kann.
4 zeigt Lichtenergiezustände in der Photonen-Bandlücke, durch die horizontale Achse angegeben, zwischen Γ und χ (Γ und χ repräsentieren typische Punkte in dem reziproken Gitter des Photonenkristalls), wenn die optische Schwingung im TE-Modus stattfindet. Der TE-Modus hierin bezieht sich auf einen Modus, in dem der elektrische Vektor von einfallendem Licht L senkrecht zu den Stäben 3 ist, wie in 3 gezeigt; und ein TM-Modus bezieht sich auf einen Modus, in dem der elektrische Vektor von einfallendem Licht parallel zu den Stäben 3 ist.
Wenn beispielsweise die Ausrichtung eines nematischen Flüssigkristalls, dessen Brechungsindex n_LC 1,53 ist, regellos ist, d.h. wenn kein elektrisches Feld an den Flüssigkristall angelegt ist, ist die Dielektrizitätskonstante des Flüssigkristalls ε_LC 2,34, was von der Beziehung ε_LC = n_LC ² abgeleitet ist. Die Photonen-Bandlücke am Punkt χ wird daher aus 4 als in dem Bereich von 1517 bis 1708 nm (0,82 bis 0,73 eV) befindlich bestimmt. Daher reflektiert der Photonenkristall mit dem periodischen Aufbau, der die Stäbe 3 und den Flüssigkristall 6 aufweist, Licht mit einer Wellenlänge in dem Bereich von 1517 bis 1708 nm und lässt es nicht durch.
Andererseits ist, wenn der Flüssigkristall in der Richtung parallel zu dem elektrischen Vektor von einfallendem Licht ausgerichtet ist, d.h. wenn die Hauptachse der Flüssigkristall-Moleküle in der Richtung senkrecht zu den Substraten 1 und 2 ausgerichtet ist, der Brechungsindex n_LC ist 1,6, und daher ist die Dielektrizitäts konstante des Flüssigkristalls ε_LC 2,56, was aus der Beziehung ε_LC = n_LC ² abgeleitet ist. Die Photonen-Bandlücke am Punkt χ wird daher als in dem Bereich von 1580 bis 1776 nm (0,78 bis 0,70 eV) befindlich bestimmt, und ist so gegenüber dem vorstehenden Band verschoben. Als ein Ergebnis kann der Photonenkristall anderes Licht als das Licht mit einer Wellenlänge in dem Bereich von 1580 bis 1776 nm, beispielsweise Licht mit einer Wellenlänge von 1550 nm, durchlassen.
Daher reflektiert der Körper 3A mit periodischem Aufbau, der die Stäbe 3 und den Flüssigkristall 6 aufweist, das Licht mit der Wellenlänge von 1550 nm, wenn kein elektrisches Feld an den Flüssigkristall 6 angelegt ist; und wenn das elektrische Feld angelegt ist, lässt der Körper 3A mit periodischem Aufbau dasselbe Licht durch.
Wie oben beschrieben, bestimmt sich in der in 1 gezeigten Photonenkristall-Vorrichtung A auf der Basis des Ein/Aus-Zustands des Schalters 11, ob von der Lichtquelle 4 emittiertes Licht zu der der Lichtquelle 4 entgegengesetzten Seite des Körpers 3A mit periodischem Aufbau durchgelassen wird, wie durch den Pfeil a angegeben, oder ob es unterbrochen bzw. abgeblockt wird. So kann die Photonenkristall-Vorrichtung A als ein optischer Verschluss für Licht mit einer Wellenlänge von 1550 nm dienen.
Dementsprechend muss in dem Dichtmittel 5 zumindest der Bereich, durch den Licht aus der Lichtquelle 4 eintritt, transluzent, und bevorzugt transparent, sein. Auch muss mindestens der Bereich des Dichtmittels 5, der Licht emittiert (die Seite des Dichtmittels 5, die der Seite, an der die Lichtquelle 4 angebracht ist, entgegengesetzt ist), transluzent, und bevorzugt transparent, sein. Bevorzugter ist das Dichtmittel 5 vollständig transparent.
Die Substrate 1 und 2 brauchen nicht vollständig aus einem Material mit hoher Dielektrizitätskonstante ausgebildet zu sein, solange die Stäbe 3 aus einem Material mit hoher Dielektrizitätskonstante ausgebildet sind. Die Substrate 1 und 2 können aus einem gewöhnlichen Substratmaterial, verschieden von Materialien mit hoher Dielektrizitätskonstante, ausgebildet sein, und nur die Stäbe 3 sind aus einem Material mit hoher Dielektrizitätskonstante ausgebildet. Auch können die Substrate 1 und 2 an ihren Oberflächen an den Seiten des Flüssigkristalls mit Elektrodenschichten ausgestattet sein, die als metallische Elektroden oder trans parente Elektroden dienen, so dass ein elektrisches Feld von den Elektrodenschichten an den Flüssigkristall 6 angelegt wird. In diesem Fall brauchen die Substrate 1 und 2 nicht aus mit Ionen dotierten leitfähigen Si-Substraten ausgebildet zu sein. So kann die Photonenkristall-Vorrichtung A Substrate 1 und 2, die aus einem isolierenden Material, das keine hohe Dielektrizitätskonstante hat, ausgebildet sind, Elektrodenschichten, wie Indiumzinnoxid- (ITO – indium tin Oxide) Schichten und metallische Schichten, die an den gegenüber liegenden Oberflächen der Substrate angebracht sind, und eine Mehrzahl von aus einem Material mit einer hohen Dielektrizitätskonstante ausgebildeten Stäben, die zwischen den isolierenden Substraten angeordnet sind, aufweisen.
In der Ausführungsform hat der Körper 3A mit periodischem Aufbau eine zweidimensionale Struktur, in der die Stäbe 3 gruppiert sind, aber er kann eine dreidimensionale Struktur haben. Beispielsweise kann der Körper 3A mit periodischem Aufbau anstelle der einfachen Stab-Gruppierung (rod array) eine Stab-Anordnung haben, in der Stäbe einander kreuzen und sich häufen. Die dreidimensionale Struktur kann eine räumlich verzweigte oder ineinander greifende Anordnung, eine räumliche Anordnung dielektrischer Elemente, die gestaltmäßig unbestimmt ist, oder andere räumliche Anordnungen haben.
Die 5 und 6 zeigen eine optische Wellenleitervorrichtung der vorliegenden Erfindung. Die optische Wellenleitervorrichtung B hat im Wesentlichen denselben Aufbau wie bei der Photonenkristall-Vorrichtung A, mit der Ausnahme, dass sie eine Unvollkommenheit in ihrem periodischen Aufbau hat. Dieselben Teile wie in der Photonenkristall-Vorrichtung A werden mit denselben Ziffern bezeichnet, und die Beschreibung wird nicht wiederholt.
Bei der optischen Wellenleitervorrichtung B weist der Körper 3A mit periodischem Aufbau die Stäbe (dielektrischen Elemente) 3, die von den Substraten 1 und 2 und dem Dichtmittel 5 umgeben und mit dem Flüssigkristall 6 aufgefüllt sind, auf, wie bei der Photonenkristall-Vorrichtung A.
Einige aus der Mehrzahl der Stäbe 3 sind jedoch weggelassen, um einen L-förmigen Wellenleiter L zu bilden. Der Wellenleiter L hat einen Lichteinlass L1 in der Mitte der Schmalseite des Substrats 2 und einen Lichtauslass L2 an einer Stelle der Längsseite des Substrats 2. Der Einlass L1 erstreckt sich in Längsrichtung zum Mittelpunkt des Substrats 2 und wendet sich in einem Winkel von 90° nach rechts zu dem Auslass L2, so dass der L-förmige Wellenleiter L gebildet wird.
Bei diesem Aufbau bedeutet das Weglassen der Stäbe 3 aus dem Körper 3A mit periodischem Aufbau, dass eine Unvollkommenheit in den Körper 3A mit periodischem Aufbau eingeführt wird. Der Bereich mit der Unvollkommenheit wird durch irgendeine Photonen-Bandlücke nicht beeinflusst.
Speziell befindet sich, wenn die Ausrichtung des nematischen Flüssigkristalls regellos ist, d.h. wenn kein elektrisches Feld angelegt ist, die Photonen-Bandlücke in dem Bereich von 1517 bis 1708 nm, und der Photonenkristall reflektiert folglich Licht mit einer Wellenlänge in dem Bereich von 1517 bis 1708 nm. In dem Wellenleiter L kann das Licht jedoch anwesend sein, d.h. es kann durchgelassen werden. Während also das Licht, das von dem Einlass L1 einfällt, entlang dem Wellenleiter L durchgelassen werden kann, ist das Licht in dem Bereich außerhalb des Wellenleiters L nicht anwesend. Auch wird das Licht sicher nur entlang dem Wellenleiter L durchgelassen und aus dem Auslass L2 emittiert, da Licht, das von dem Wellenleiter L abweicht, an den Wänden des Wellenleiters L, die von dem Körper 3A mit periodischem Aufbau definiert werden, reflektiert wird. So kann der Wellenleiter L als ein optischer Wellenleiter dienen.
Andererseits wird, wenn die Flüssigkristall-Moleküle in der Richtung parallel zu dem elektrischen Vektor von einfallendem Licht ausgerichtet sind, d.h. wenn die Hauptachsen der Flüssigkristall-Moleküle in der Richtung senkrecht zu den Substraten 1 und 2 ausgerichtet sind, die Photonen-Bandlücke zu dem Bereich von 1580 bis 1776 nm verschoben, und folglich lässt der Photonenkristall Licht mit einer Wellenlänge in diesem Bereich nicht durch, kann aber Licht mit irgendeiner anderen Wellenlänge, beispielsweise 1550 nm, durchlassen.
Dann wandert das Licht von 1550 nm, das an dem Einlass L1 eintritt, geradewegs in der Einfallsrichtung entlang dem gesamten Körper 3A mit periodischem Aufbau sowie entlang dem Wellenleiter L. Mit anderen Worten, das Licht von 1550 nm wandert geradewegs von dem Einlass L1 zu der entgegengesetzten Seite des Substrats 2. Wenn das Dichtmittel 5 transparent ist, wird das Licht zur Außenseite des Substrats 2 emittiert; wenn das Dichtmittel 5 opak ist, wird das Licht nicht zur Außenseite emittiert.
So wird der optische Welleneiter B durch Weglassen einiger der Stäbe 3 aus dem Körper mit periodischem Aufbau erzielt. Darüber hinaus kann der Welleneiter L so gebildet werden, dass er den Intervallen in der Größenordnung von Mikrometern oder Submikrometern (beispielsweise 270 nm, wie oben erwähnt), in denen die Stäbe angeordnet sind, entspricht. Andererseits hat in einem bekannten Quarz-Wellenleiter, der eine optische Faser aufweist, die optische Faser eine Biegeradiusgrenze und braucht daher einen Biegeradius von mehreren 100 μm. Der Aufbau der vorliegenden Ausführungsform erleichtert jedoch einen gebogenen Wellenleiter in der Größenordnung von Mikrometern oder Submikrometern.
Darüber hinaus kann nur durch Weglassen einiger der Stäbe 3 nach Bedarf der Wellenleiter in einer gewünschten Gestalt ausgebildet werden, und so kann ein komplizierter Wellenleiter erzielt werden.
7 zeigt eine andere Photonenkristall-Vorrichtung, die nicht durch die Ansprüche gedeckt ist. Die Photonenkristall-Vorrichtung C weist Substrate 21 und 22 auf, die getrennt einander im Wesentlichen parallel gegenüber liegen, einen plattenförmigen Hauptkörper 25, der aus einem hochgradig dielektrischen Material wie Si gebildet ist, zwischen den Substraten 21 und 22, eine Mehrzahl von Löchern 23, die in dem Hauptkörper 25 mit einer Periode, die im Wesentlichen gleich einer optischen Wellenlänge ist, ausgebildet sind, und einen in die Löcher gefüllten Flüssigkristall 26, der ein Material mit variabler Dielektrizitätskonstante ist.
Zusätzlich ist eine Elektrodenschicht 27 zwischen dem Substrat 21 und dem Hauptkörper 25 angebracht, und eine andere Elektrodenschicht 28 ist ebenfalls zwischen dem Substrat 22 und dem Hauptkörper 25 angebracht. Diese zwei Elektroden 27 und 28 sind durch Verbindungsleitungen 8 und 9 mit einem Stromversorgungsteil 10 und einer Schaltvorrichtung 11 verbunden, wie in der vorhergehenden Ausführungsform.
Eine Lichtquelle 24, wie ein Laser, die zum Emittieren von Licht mit einer gewünschten Wellenlänge in der Lage ist, ist unabhängig von der Photonenkristall-Vorrichtung C außerhalb des Hauptkörpers 25 vorgesehen.
In der Photonenkristall-Vorrichtung C wird ein Körper 25A mit periodischem Aufbau dadurch erzielt, dass die Mehrzahl von Löchern 23 in dem Hauptkörper 25 mit einer Periode, die im Wesentlichen gleich einer optischen Wellenlänge ist, ausgebildet wird. Die Löcher sind mit dem Flüssigkristall 26 gefüllt, wodurch ein Photonenkristall gebildet wird.
Die Photonenkristall-Vorrichtung C führt auch zu derselben Wirkung wie in der vorstehenden Photonenkristall-Vorrichtung A und kann daher als ein optischer Verschluss für Licht mit einer spezifischen Wellenlänge verwendet werden. Außerdem kann durch Weglassen einiger der Löcher 23 aus der Photonenkristall-Vorrichtung C eine Unvollkommenheit eingeführt werden, um als ein optischer Wellenleiter zu dienen, und so kann auch eine optische Wellenleitervorrichtung erzielt werden.
8 zeigt eine planare Lichtwellen-Schaltung mit einer Photonenkristall-Vorrichtung der vorliegenden Erfindung. Die planare Lichtwellen-Schaltung (optische Multiplex/Demultiplex-Vorrichtung) D hat Ω-förmige Wellenleiter 32 und 33 mit einer in Draufsicht Ω-artigen Gestalt zwischen den Substraten 30 und 31. Die Ω-förmigen Wellenleiter 32 und 33 sind in Längsrichtung der Ω-Form teilweise zueinander versetzt. Bei diesem Aufbau wird, wenn zusammengesetztes Licht mit den Wellenlängen λ1 und λ2 von einem Einlass 32a an einem Ende des optischen Wellenleiters 32 eingeführt wird, das Licht in zwei Leitungen auf der Basis der Wellenlängen λ1 und λ2 aufgeteilt und aus den Auslassen 32b bzw. 33b an dem anderen Ende emittiert. Hier dient der Bereich, in dem die Ω-förmigen optischen Wellenleiter 32 und 33 einander überlappen, als das Mach-Zehnder-Interferenzgerät.
Die planare Lichtwellen-Schaltung D enthält denselben Körper 3A mit periodischem Aufbau wie diejenige der ersten Ausführungsform mit der Ausnahme, dass einige aus der Mehrzahl von Stäben 3 so weggelassen sind, dass die Ω-Form gebildet wird. Die optischen Wellenleiter 32 und 33 entsprechen den Bereichen, in denen die Stäbe 3 weggelassen sind. Alternativ kann der Körper 25A mit periodischem Aufbau der dritten Ausführungsform mit der Mehrzahl der Löcher 23 auf die Ω-förmigen Wellenleiter 32 und 33 angewendet werden.
9 zeigt einen optischen Teiler, der eine Photonenkristall-Vorrichtung der vorliegenden Erfindung enthält. Der optische Teiler (optische Multiplex/Demultiplex-Vorrichtung) E besitzt einen verzweigten optischen Wellenleiter 42 zwischen den Substraten 40 und 41. Bei diesem Aufbau wird, wenn zusammengesetztes Licht mit den Wellenlängen λ1 und λ2 von einem Einlass 42a an einem Ende des optischen Wellenleiters 42 eingeführt wird, das Licht auf der Basis der Wellenlängen aufgeteilt und getrennt aus Auslassen 42b emittiert.
In diesem Fall enthält der optische Teiler E denselben Körper 3A mit periodischem Aufbau wie denjenigen der Photonenkristall-Vorrichtung A der ersten Ausführungsform mit der Ausnahme, dass einige der Stäbe 3 weggelassen sind.
Die 10 bis 12 zeigen einen optischen Mehrkanal-Wellenleiter der vorliegenden Erfindung. Der optische Welleneiter F enthält ein Paar Substrate 50 und 51, die einander mit einem vorbestimmten Raum dazwischen gegenüber liegen, ein Dichtmittel 52 zum Verbinden der Seiten der Substrate 50 und 51, und einen in den Raum, der von den Substraten 50 und 51 und dem Dichtmittel 52 umgeben ist, gefüllten Flüssigkristall 53, der eines der variierbar dielektrischen Materialien ist.
Ein Substrat 50 ist ein Dünnfilmtransistor-Array-Substrat, in dem sich eine Mehrzahl von Gate-Leitungen G und eine Mehrzahl von Source-Leitungen 5 in Draufsicht auf dem Hauptsubstrat 50A, das aus Si oder dergleichen ausgebildet ist, in einer Matrix erstrecken. Die von den Gate-Leitungen G und den Source-Leitungen S umgebenen Bereiche definieren jeweils einen Steuerbereich K. Jeder Steuerbereich K hat eine aus einem leitfähigen Material, wie ITO oder einem Metall, ausgebildete Steuerelektrode 55 auf dem Substrat 50. Dünnfilmtransistorelemente T sind in den jeweiligen Steuerbereichen K angebracht, um als Schaltelemente mit drei Anschlüssen an den Grenzen zwischen den Steuerelektroden 55 und den Gate-Leitungen G und zwischen den Steuerelektroden 55 und den Source-Leitungen S zu dienen. Zusätzlich sind diese Elemente und Leitungen mit einer Planarisierungsschicht 56 bedeckt.
Das andere Substrat 51 wird für eine gewöhnliche Elektrode verwendet und ist mit einer Elektrodenschicht 57 mit einer Größe, die alle der Steuerbereiche K an ihrer Oberfläche an der Flüssigkristall-Seite bedeckt, ausgestattet. Trennwände 58 sind in Draufsicht gitterartig auf der Elektrodenschicht 57 ausgebildet, um die auf dem Substrat 50 angebrachten Steuerbereiche K abzuteilen. Auch ist eine Mehrzahl zylindrischer Stäbe (dielektrische Elemente) 59 in den von den Trennwänden 58 umgebenen Räumen durch Ätzen des Si-Substrats ausgebildet, wodurch ein Körper 60 mit periodischem Aufbau definiert wird.
Die Trennwände 58 sind in Kontakt mit der Planarisierungsschicht 56 auf dem Substrat 50, so dass sie mit den Grenzen zwischen den Steuerbereichen K ausgerichtet sind, und das Dichtmittel 52 ist in Kontakt mit den Rändern des Substrats 50. So werden die Substrate 50 und 51 dergestalt miteinander verbunden, dass Konversionsbereiche H gebildet werden, die den Steuerbereichen K in den Räumen, die von den Trennwänden 58 umgeben werden, entsprechen. Die Konversionsbereiche sind mit einem Flüssigkristall 53 gefüllt. So wird ein Photonenkristall gebildet, der die Konversionsbereiche H mit der Mehrzahl an zylindrischen Stäben 59 und den zwischen die Stäbe 59 gefüllten Flüssigkristall 53 zwischen den Substraten 50 und 51 aufweist.
10 zeigt neun Steuerbereiche K mit drei Reihen und drei Spalten; in der Praxis wird jedoch für eine optische Mehrkanal-Wellenleitervorrichtung eine gewünschte Anzahl der Steuerbereiche K vorgesehen.
12 zeigt einen Gesamtaufbau einer Mehrkanal-Steuereinheit U mit einem Steuer-LSI, der an den Seiten der in den 10 und 11 gezeigten Substrate 50 und 51 angebracht ist. Die Steuereinheit U besitzt die Substrate 50 und 51 und gewünschte Anzahlen an Steuerbereichen K, Source-Leitungen S1 bis Sn und Gate-Leitungen G1 bis Gn. Eine Mehrzahl an Gate-Treibern Gd1 bis Gd2 zum Ansteuern von Rasterleitungen (Gate-Leitungen) ist an der linken Seite der Substrate 50 und 51 angebracht. Eine Mehrzahl von Source-Treibern Sd1 bis Sd8 zum Ansteuern von Signal-Leitungen (Source-Leitungen) ist an der oberen und der unteren Seite der Substrate 50 und 51 angebracht.
Diese Gate- und Source-Treiber haben mehrere hundert Anschlüsse, so dass jeder Source-Treiber mehrere hundert Source-Leitungen ansteuert und jeder Gate-Treiber mehrere hundert Gate-Leitungen ansteuert.
Die Steuereinheit U besitzt auch eine Lichtquelle 40 an der rechten Seite der Substrate 50 und 51. Die Lichtquelle 40 emittiert Licht mit einer Wellenlänge von, beispielsweise, 1550 nm aus Licht-Emittern 41 mit einer Gesamtlänge, die im Wesentlichen gleich der vertikalen Breite der Substrate 50 und 51 ist.
In der in 12 gezeigten Mehrkanal-Steuereinheit U beaufschlagen einige der Gate-Treiber Gd1 und Gd2 und der Source-Treiber Sd1 bis Sd8 gewünschte Konversionsbereiche H mit Energie, um zu wählen, ob ein elektrisches Feld an den Flüssigkristall 53 in den Konversionsbereichen H angelegt wird oder nicht.
Um beispielsweise Licht, das von dem der Verlängerung der Gate-Leitung G1 entsprechenden Emitter 41 emittiert wird, in der Emmissionsrichtung entlang der Gate-Leitung G1 zu leiten, werden die Gate-Elektroden des Dünnfilmtransistors T in allen Konversionsbereichen, die entlang der Gate-Leitung G1 vorhanden sind, durch den Gate-Treiber Gd1 mit Energie beaufschlagt bzw. aktiviert, und die Source-Elektroden desselben Dünnfilmtransistors T werden gleichzeitig von den Source-Treibern Sd1 bis Sd8 aktiviert, wobei die Elektrodenschicht 57 an der Seite des Substrats 51 aktiviert ist. Als ein Ergebnis werden alle Photonen-Bandlücken in den Konversionsbereichen H verschoben, um das Licht durchzulassen. Im Gegensatz dazu wird, wenn der Strom weggenommen wird, das Licht unterbrochen.
Um von den Lichtemittern 41 emittiertes Licht in eine gewünschte Richtung zu leiten, werden die Elektroden in den Konversionsbereichen H, die entlang der gewünschten Richtung vorhanden sind, mit Energie beaufschlagt, um ein elektrisches Feld an den Flüssigkristall 53 in denselben Konversionsbereichen H anzulegen. So kann jedes Licht aus den Emittern 41 der Lichtquelle 40, die an einer Seite der Substrate 50 und 51 angebracht ist, in jeder beliebigen Richtung zu jeder der anderen Seiten geleitet werden.
So kann die in 12 gezeigte Steuereinheit U einen optischen Wellenleiter erzielen, der in der Lage ist, willkürlich Licht von der Lichtquelle 40 mit einer spezifischen Wellenlänge in jeder beliebigen Richtung zu jeder der drei Seiten des Paars der Substrate 50 und 51 zu leiten.
In der vorliegenden Ausführungsform werden die Dünnfilmtransistoren T als Elemente mit drei Anschlüssen verwendet, um die Aktivierung bzw. Energiebeaufschlagung der Steuerelektroden 55 umzuschalten. Es können jedoch Dünnfilm-Dioden-Umschaltelemente, die wohl bekannt sind als Elemente mit zwei Anschlüssen, die von einer Isolierschicht getrennte Metallschichten besitzen, als die Umschaltelemente für die Steuerelektroden 55 verwendet werden.
Die Steuereinheit U kann auch einen Aufbau haben, in dem sich ein Paar von Substraten dergestalt gegenüber liegt, dass sich eine Mehrzahl zueinander paralleler streifenförmiger Elektroden auf einem Substrat mit einer anderen Mehrzahl zueinander paralleler streifenförmiger Elektroden auf dem anderen Substrat in einem Winkel von 90° schneidet. Die Schnittpunkte der oberen Elektroden und der unteren Elektroden definieren Konversionsbereiche. Die Konversionsbereiche sind jeweils von Trennwänden umgeben. Die oberen Elektroden und die unteren Elektroden werden selektiv aktiviert, um die Dielektrizitätskonstante der Bereiche zwischen den aktivierten oberen und unteren Elektroden zu verändern. So wird Licht durch Kontrollieren der Photonen-Bandlücke in jedem Konversionsbereich geleitet.
Beispiele
Eine Oberfläche eines Si-Substrats wurde durch Photolithografie geätzt, um eine große Anzahl zylindrischer Stäbe zu bilden. Ein nematischer Flüssigkristall mit einem Brechungsindex von 1,53 und einer Dielektrizitätskonstante von 2,34 wurde zwischen die Stäbe gefüllt, und so wurde eine Photonenkristall-Vorrichtung mit einem Körper mit periodischem Aufbau hergestellt. Der Brechungsindex und die Dielektrizitätskonstante des nematischen Flüssigkristalls verändern sich zu 1,6 bzw. 2,56, wenn die Flüssigkristall-Moleküle so ausgerichtet werden, dass sie zu dem Vektor des einfallenden Lichts parallel sind.
13 zeigt die Beziehung zwischen der normierten Lichtenergie und dem Verhältnis (r/a) des Radius r der zylindrischen Si-Stäbe, die in Draufsicht in einem tetragonalen Gitter angeordnet sind, zu dem Abstand (a) zwischen den Mittelpunkten der Stäbe, im TM-Modus. In diesem Fall wurde der Abstand (a) auf einen angemessenen Wert in dem Bereich von 0,350 bis 1,032 μm eingestellt, und der Radius (r) wurde ebenfalls auf einen angemessenen Wert in dem Bereich von 0,076 bis 0,236 μm eingestellt. Die Messung wurde sowohl wenn ein elektrisches Feld an den Flüssigkristall angelegt war, als auch wenn kein elektrisches Feld angelegt war, durchgeführt.
13 zeigt, dass die Photonen-Bandlücke auf der Basis, ob ein elektrisches Feld an den Flüssigkristall angelegt ist oder nicht, variiert. Wenn die liegenden Schleifenlinien, die in 13 Photonen-Bandlücken repräsentieren, vertikal durch eine zur vertikalen Achse parallele zusätzliche Linie J geteilt werden, werden die unteren Schnittpunkte der Schleifenlinien und der zusätzlichen Linie J durch λ_long ausgedrückt, und die oberen Schnittpunkte werden durch λ_short ausgedrückt. Wenn ein elektrisches Feld an den Flüssigkristall angelegt ist, wird jeder Schnittpunkt durch λ_long (ON) oder λ_short (ON) ausgedrückt; wenn kein elektrisches Feld angelegt ist, wird jeder Schnittpunkt durch λ_long (OFF) oder λ_short (OFF) ausgedrückt. Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse, wenn eine erste Bandlücke λ_midgap (die einfallende optische Wellenlänge entspricht der Mitte der Bandlücke, wenn der Flüssigkristall abgeschaltet (OFF) ist) als 1,630 μm definiert ist.
Tabelle 1
Wie in Tabelle 1 gezeigt ist, ist in dem Fall von, beispielsweise, Licht mit einer Wellenlänge von 1550 nm, diese Wellenlänge zwischen λ_long (OFF) und λ_short (OFF) vorhanden, wenn a 0,449 μm und 0,413 μm ist. So wirkt eine Photonen-Bandlücke auf Licht mit einer Wellenlänge zwischen λ_long (OFF) und λ_short (OFF).
Folglich kann das Licht von 1550 nm in dem Photonenkristall nicht vorhanden sein und daher nicht durchgelassen werden.
Im Gegensatz dazu ist die Wellenlänge von 1550 nm außerhalb der Wellenlängen-Bande zwischen λ_long (ON) und λ_short (ON). Daher kann das Licht von 1550 nm durchgelassen werden, wenn ein elektrisches Feld an den Flüssigkristall angelegt wird. So wird die Aufgabe der vorliegenden Erfindung erreicht.
Wenn sich die in Tabelle 1 gezeigte Wellenlängen-Bande zwischen λ_long (OFF) und λ_short (OFF) von der in Tabelle 1 gezeigten Wellenlängen-Bande zwischen λ_long (ON) und λ_short (ON) verschiebt, indem man Licht mit einer Wellenlänge verwendet, die der verschobenen Wellenlängen-Bande entspricht, kann die Transmission und die Unterbrechung von Licht auf der Basis der Anwesenheit oder des Fehlens eines elektrischen Felds in dem Flüssigkristall umgeschaltet werden.
Tabelle 2 zeigt die Ergebnisse, wenn eine zweite Bandlücke (es wird eine Mehrzahl von Bandlücken gebildet und hierin in der Reihenfolge steigender Energie als eine erste Bandlücke, eine zweite Bandlücke, usw. bezeichnet) als 1,550 μm definiert wird.
Tabelle 2
Wenn sich die in Tabelle 2 gezeigte Wellenlängen-Bande zwischen λ_long (OFF) und λ_short (OFF) von der in Tabelle 2 gezeigten Wellenlängen-Bande zwischen λ_long (ON) und λ_short (ON) verschiebt, indem man Licht mit einer Wellenlänge verwendet, die der verschobenen Wellenlängen-Bande entspricht, kann die Transmission und die Unterbrechung von Licht auf der Basis der Anwesenheit oder des Fehlens eines elektrischen Felds in dem Flüssigkristall umgeschaltet werden.
Beispielsweise ist in dem Fall von Licht mit einer Wellenlänge von 1550 nm diese Wellenlänge zwischen λ_long (OFF) und λ_short (OFF) vorhanden, wenn a 0,664 μm und 0,604 μm ist. So wirkt eine Photonen-Bandlücke auf Licht mit einer Wellenlänge zwischen λ_long (OFF) und λ_short (OFF). Folglich kann das Licht von 1550 nm in dem Photonenkristall nicht vorhanden sein und daher nicht durchgelassen werden. Im Gegensatz dazu ist die Wellenlänge von 1550 nm außerhalb der Wellenlängen-Bande zwischen λ_long (ON) und λ_short (ON) vorhanden. Daher kann das Licht von 1550 nm durchgelassen werden, wenn ein elektrisches Feld an den Flüssigkristall angelegt wird. So wird die Aufgabe der vorliegenden Erfindung erreicht.
3 zeigt die Ergebnisse, wenn eine dritte Bandlücke (es ist eine Mehrzahl von Bandlücken vorhanden, und sie werden hierin in der Reihenfolge steigender Energie als eine erste Bandlücke, eine zweite Bandlücke, eine dritte Bandlücke, usw. bezeichnet) als 1,570 μm definiert wird.
Tabelle 3
Wenn sich die in Tabelle 3 gezeigte Wellenlängen-Bande zwischen λ_long (OFF) und λ_short (OFF) von der in 3 gezeigten Wellenlängen-Bande zwischen λ_long (ON) und λ_short (ON) verschiebt, indem man Licht mit einer Wellenlänge, die der verschobenen Wellenlängen-Bande entspricht, verwendet, kann die Transmission und Unterbrechung von Licht auf der Basis der Anwesenheit oder des Fehlens eines elektrischen Felds in dem Flüssigkristall umgeschaltet werden.
Beispielsweise ist in dem Fall von Licht mit einer Wellenlänge von 1550 nm diese Wellenlänge zwischen λ_long (OFF) und λ_short (OFF) verhandeln, wenn a 0,948 μm und 0,931 μm ist. So wirkt eine Photonen-Bandlücke auf Licht mit einer Wellenlänge zwischen λ_long (OFF) und λ_short (OFF). Folglich kann das Licht von 1550 nm in dem Photonenkristall nicht vorhanden sein und daher nicht durchgelassen werden. Im Gegensatz dazu ist die Wellenlänge von 1550 nm außerhalb der Wellenlängen-Bande zwischen λ_long (ON) und λ_short (ON) vorhanden. Daher kann das Licht von 1550 nm durchgelassen werden, wenn ein elektrisches Feld an den Flüssigkristall angelegt wird. So wird die Aufgabe der vorliegenden Erfindung erreicht.
14 zeigt die Beziehung zwischen der normierten Lichtenergie und dem Verhältnis(r/a) des Radius (r) der zylindrischen Si-Stäbe, die in Draufsicht in einem trigonalen Gitter angeordnet sind, zu dem Abstand (a) zwischen den Mittelpunkten der Stäbe, im TM-Modus. In diesem Fall wurde der Abstand (a) auf einen angemessenen Wert in dem Bereich von 0,514 bis 0,561 μm eingestellt, und der Radius (r) wurde ebenfalls auf einen angemessenen Wert in dem Bereich von 0,056 bis 0,103 μm eingestellt. Die Messung wurde durchgeführt sowohl wenn ein elektrisches Feld an den Flüssigkristall angelegt war, als auch wenn kein elektrisches Feld angelegt war.
14 zeigt, dass die Photonen-Bandlücke variiert auf der Basis, ob ein elektrisches Feld an den Flüssigkristall angelegt ist oder nicht.
Tabelle 4 zeigt die Ergebnisse, wenn die erste Bandlücke λ_midgap als 1,660 μm definiert wird, wie in 13.
Tabelle 4
Wenn sich die in Tabelle 4 gezeigte Wellenlängen-Bande zwischen λ_long (OFF) und λ_short (OFF) von der in 4 gezeigten Wellenlängen-Bande zwischen λ_long (ON) und λ_short (ON) verschiebt, indem man Licht mit einer Wellenlänge verwendet, die der verschobenen Wellenlängen-Bande entspricht, kann die Transmission und die Unterbrechung von Licht auf der Basis der Anwesenheit oder des Fehlens eines elektrischen Felds in dem Flüssigkristall umgeschaltet werden.
Beispielsweise ist in dem Fall von Licht mit einer Wellenlänge von 1550 nm diese Wellenlänge zwischen λ_long (OFF) und λ_short (OFF) vorhanden, wenn a 0,561μm ist. So wirkt eine Photonen-Bandlücke auf Licht mit einer Wellenlänge zwischen λ_long (OFF) und λ_short (OFF). Folglich kann das Licht von 1550 nm in dem Photonenkristall nicht vorhanden sein und daher nicht durchgelassen werden. Im Gegensatz dazu liegt die Wellenlänge von 1550 nm außerhalb der Wellenlängen-Bande zwischen λ_long (ON) und λ_short (ON). Daher kann das Licht von 1550 nm durchgelassen werden, wenn ein elektrisches Feld an den Flüssigkristall angelegt wird. So wird die Aufgabe der vorliegenden Erfindung erreicht.
Eine Oberfläche eines Si-Substrats wurde durch Photolithografie geätzt, um eine große Anzahl von Löchern zu bilden. Ein nematischer Flüssigkristall mit einem Brechungsindex von 1,53 und einer Dielektrizitätskonstante von 2,34 wurde in die Löcher gefüllt, und so wurde eine Photonenkristall-Vorrichtung mit einem Körper mit periodischem Aufbau hergestellt.
Der Brechungsindex und die Dielektrizitätskonstante des nematischen Flüssigkristalls verändern sich zu 1,6 bzw. zu 2,56, wenn die Flüssigkristall-Moleküle so ausgerichtet werden, dass sie parallel zu dem Vektor von einfallendem Licht sind.
15 zeigt die Beziehung zwischen der normierten Lichtenergie und dem Verhältnis (r/a) des Radius (r) der Löcher, die in Draufsicht in einem tetragonalen Gitter angeordnet sind, zu dem Abstand (a) zwischen den Mittelpunkten der Löcher, im TM-Modus. In diesem Fall wurde der Abstand (a) auf einen angemessenen Wert in dem Bereich von 0,384 bis 0,439μm eingestellt, und der Radius (r) wurde ebenfalls auf einen angemessenen Wert in dem Bereich von 0,173 bis 0,220 μm eingestellt. Die Messung wurde durchgeführt sowohl wenn ein elektrisches Feld an den Flüssigkristall angelegt war, als auch wenn kein elektrisches Feld angelegt war.
15 zeigt, dass die Photonen-Bandlücke variiert wird auf der Basis, ob ein elektrisches Feld an den Flüssigkristall angelegt ist oder nicht. Wenn die liegenden Linien in 15, die Photonen-Bandlücken repräsentieren, vertikal durch eine zusätzliche, zur vertikalen Achse parallele Linie J geteilt werden, werden die unteren Schnittpunkte der Schleifenlinien und der zusätzlichen Linie J durch λ_long ausgedrückt, und die oberen Schnittpunkte werden durch λ_short ausgedrückt. Wenn ein elektrisches Feld an den Flüssigkristall angelegt wird, wird jeder Schnittpunkt durch λ_long (ON) oder λ_short (ON) ausgedrückt; wenn kein elektrisches Feld angelegt ist, wird jeder Schnittpunkt durch λ_long (OFF) oder λ_short (OFF) ausgedrückt. Tabelle 5 zeigt die Ergebnisse, wenn die erste Bandlücke λ_midgap als 1,630 μm definiert ist.
Tabelle 5
Wenn sich die in Tabelle 5 gezeigte Wellenlängen-Bande zwischen λ_long (OFF) und λ_short (OFF) von der in Tabelle 5 gezeigten Wellenlängen-Bande zwischen λ_long (ON) und λ_short (ON) verschiebt, indem man Licht mit einer Wellenlänge verwendet, die der verschobenen Wellenlängen-Bande entspricht, kann die Transmission und die Unterbrechung von Licht in der Photonenkristall-Vorrichtung mit Löchern in einem Substrat, die mit einem Flüssigkristall gefüllt sind, auf der Basis der Anwesenheit oder des Fehlens eines elektrischen Felds in dem Flüssigkristall umgeschaltet werden.
Beispielsweise ist in dem Fall von Licht mit einer Wellenlänge von 1550 nm diese Wellenlänge zwischen λ_long (OFF) und λ_short (OFF) vorhanden, wenn a 0,428 μm und 0,439 μm ist. So wirkt eine Photonen-Bandlücke auf Licht mit einer Wellenlänge zwischen λ_long (OFF) und λ_short (OFF). Folglich kann das Licht von 1550 nm in dem Photonenkristall nicht vorhanden sein und daher nicht durchgelassen werden. im Gegensatz dazu liegt die Wellenlänge von 1550 nm außerhalb des Wellenlängen-Bands zwischen λ_long (ON) und λ_short (ON). Daher kann das Licht von 1550 nm durchgelassen werden, wenn ein elektrisches Feld an den Flüssigkristall angelegt wird. So wird die Aufgabe der vorliegenden Erfindung erreicht.

Claims

Optische Photonenkristall-Wellenleitervorrichtung (A) mit einer variablen Bandlücke, aufweisend: ein Paar einander gegenüber liegende Substrate (1, 2); ein Dichtmittel (5) zum Verbinden der Substrate an den Rändern der Substrate; einen Flüssigkristall (6), der in dem von den Substraten und dem Dichtmittel umgebenen Bereich dicht eingeschlossen ist; auf den Substraten vorgesehene Elektroden (55, 57); und eine Mehrzahl von Stäben, die in dem Bereich zwischen den Substraten angeordnet sind; dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil des Dichtmittels lichtdurchlässig ist; und durch Trennwände (58) zum Unterteilen des Bereichs zwischen den Substraten, um eine Mehrzahl von Konversionsbereichen (H) zu definieren, wobei mindestens ein Teil jeder der Trennwände lichtdurchlässig ist, wobei die Elektroden (55, 57) an Stellen an den Substraten vorgesehen sind, die den Konversionsbereichen entsprechen, und wobei die Mehrzahl an Stäben (3) in jedem Konversionsbereich mit einer Periode angeordnet ist, die einer optischen Wellenlänge entspricht, wodurch sie einen Körper mit periodischem Aufbau bilden, worin die dielektrische Konstante des Flüssigkristalls in jedem Konversionsbereich durch Anlegen eines elektrischen Felds an den entsprechenden Konversionsbereich willkürlich variiert wird.
Photonenkristall-Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der mindestens ein Teil des Dichtmittels einen Lichteinlass und einen Lichtauslass hat.
Photonenkristall-Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Trennwände ein lichtdurchlässiges Material aufweisen und die Elektroden, die gewünschten, aus den Konversionsbereichen ausgewählten Konversionsbereichen entsprechen, an den gewünschten Konversionsbereichen ein elektrisches Feld anlegen, wodurch sie Licht durch die gewünschten Konversionsbereiche leiten.
Photonenkristall-Vorrichtung mit einer variablen Bandlücke nach Anspruch 1, bei der die Stäbe ein Material aufweisen, dass ausgewählt ist aus der Gruppe, die aus Si, GaP, GaAs, InP und ZnTe besteht.
Photonenkristall-Vorrichtung mit einer variablen Bandlücke nach Anspruch 1, bei der die Wahl, ob der Körper mit periodischem Aufbau Licht mit einer spezifischen Wellenlänge durchlässt oder nicht, auf der Basis der entsprechend der dielektrischen Konstante der Stäbe gebildeten Bandlücke und Veränderungen der dielektrischen Konstante des Flüssigkristalls erfolgt, wobei sich die Veränderungen aus der Anwesenheit oder dem Fehlen eines elektrischen Feldes ergeben.
Photonenkristall-Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der mindestens einige der Stäbe des Körpers mit periodischem Aufbau weggelassen sind und der Bereich, in dem die dielektrischen Elemente weggelassen sind, einen optischen Wellenleiter definiert.
Optische Multiplex-/Demultiplex-Vorrichtung aufweisend eine Photonenkristall-Vorrichtung mit einer variablen Bandlücke wie in Anspruch 1 dargelegt.