JP2002296628A - フォトニックバンドギャップ構造光機能素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 フォトニックバンドギャップ構造光機能素子
に関し、設計自由度が大きく、且つ、光スイッチングエ
ネルギーを低減する。 【解決手段】 相対的に高誘電率の層１と相対的に低誘
電率の層２の少なくとも二種類の層を周期的に整列させ
た周期構造中に厚さ及び誘電率の少なくとも一方が相対
的に高誘電率の層１と異なる光非線形材料或いは光に応
じて屈折率が変化する光感応性材料のいずれかからなる
欠陥層３を挿入するとともに、欠陥層３に起因して形成
される欠陥準位のエネルギーに相当する波長の光を信号
光として入射させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、フォトニックバン
ドギャップ構造全光機能素子に関するものであり、特
に、ピコ秒〜フェムト秒の超高速光パルス信号を制御光
によって変調、スイッチング、遅延することのできる光
機能素子における光欠陥層の構成に特徴のあるフォトニ
ックバンドギャップ構造全光機能素子に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、通信手段の高速化の進展に伴い光
通信システムが採用されており、それに伴って光通信シ
ステムに用いる光スイッチング素子等の光機能素子に対
してもさらなる高速化が求められている。

【０００３】この様な高速化の要請に応えるために、従
来の電気制御光スイッチング素子に代わって制御を光で
行う全光スイッチング素子等の全光機能素子が注目を集
めており、この様な全光機能素子としては、各種の構造
及び各種の材料を用いた全光機能素子が提案されてい
る。

【０００４】この様な従来の全光機能素子としては、半
導体や有機材料からなる光非線形材料に対して垂直に光
を照射する面型構造や、さらに、光の損失を低減し高効
率な光スイッチングを実現するために導波路構造の光ス
イッチング構造が提案されているので、ここで、図２５
を参照して、従来の導波路構造の全光スイッチング素子
を説明する。

【０００５】図２５参照 図２５は、従来提案されているリブガイド構造全光スイ
ッチング素子の概略的斜視図である。図に示すように、
ＧａＡｓ基板９１上に、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成
長）法によって、ＡｌＧａＡｓガイド層９２、ＧａＡｓ
コア層９３、及び、ＡｌＧａＡｓガイド層９４を順次成
長させたのち、ＡｌＧａＡｓガイド層９４の一部をスト
ライプ状に残存するようにエッチングしてストライプ状
のリブガイド部９５を形成し、このリブガイド部９５の
存在による実効屈折率分布により光をリブガイド部９５
の直下のＧａＡｓコア層９３に閉じ込めて導波させるも
のである。

【０００６】このリブガイド構造全光スイッチング素子
の光入射端面９６側から信号パルス光９８を入射すると
ともに、制御光９９によって、信号パルス光９８のオン
─オフを制御するものである。例えば、制御光９９がな
い状態で光出射端面９７側から信号パルス光１００とし
て出射される波長の信号パルス光９８を入射させるとと
もに、制御光９９を入射させた場合、ＧａＡｓコア層９
３における光非線形作用によって、光出射端面９７側か
ら出射されることがなく、それによって、オン→オフの
スイッチングが行われる。

【０００７】逆に、制御光９９がない状態で光出射端面
９７側から信号パルス光１００として出射されない波長
の信号パルス光９８を入射させた状態で、制御光９９を
入射させると、ＧａＡｓコア層９３における光非線形作
用によって、光出射端面９７側から信号パルス光１００
が出射されることになり、オフ→オンのスイッチングが
行われる。

【０００８】この様なリブガイド構造等を利用した従来
の全光スイッチング素子においては、多層構造薄膜の成
膜工程或いは屈折率差により光閉じ込め構造を形成する
際に、高精度の製造技術が必要であり、安定した全光ス
イッチング素子の製造が困難であるという問題があっ
た。

【０００９】例えば、高精度のリブガイド構造を形成す
るためには、格子整合条件を満たす半導体ヘテロ接合の
形成が不可欠になるが、この様な半導体ヘテロ接合を形
成するためには半導体材料の組合せに制限があり、さら
に、この様な構成においては、光スイッチングエネルギ
ーを十分低減できないという問題がある。

【００１０】即ち、従来のリブガイド構造全光スイッチ
ング素子においては、光スイッチング原理としての非線
形効果としてバンド充填効果を用いており、この様なバ
ンド充填効果を用いた全光スイッチング素子においては
ピコ秒（ｐｓ）スイッチング、即ち、１００ＧＨｚに対
応する高速スイッチングが可能であるが、１ピコジュー
ル（ｐＪ）〜１００ｐＪのエネルギーが必要であり、１
Ｔｂ／ｓの速度では発熱のために使用困難になる。

【００１１】一方、近年、信号光の波長オーダーの周期
の誘電率分布を形成することにより形成される信号光に
対する非透過帯、即ち、フォトニックバンドギャップを
利用することが一般論的に提案されている。従来の一般
論的な提案においては、具体的構成が必ずしも開示され
ていないので、ここで、図２６を参照して、具体的構成
を限定したフォトニックバンドギャップ構造全光スイッ
チング素子の一例を説明する。

【００１２】図２６（ａ）参照 図２６（ａ）は、厚さｄ₁ が、ｄ₁ ＝２０５ｎｍのＧａ
Ａｓ層（屈折率ｎ₁ ＝３．４）をａ＝４１０ｎｍの周期
で配列したものであり、ＧａＡｓ層の間は、厚さｄ
₂ が、ｄ₂ ＝ｄ₁ の空気層（屈折率ｎ₂ ＝１）で挟まれ
た構造となる。この様な周期的な誘電率分布による光の
干渉作用によって、所定の光周波数帯において光の入射
・透過が禁止される非透過帯、即ち、フォトニックバン
ド（Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｂａｎｄｇｙａｐ）が形成され
る。

【００１３】図２６（ｂ）参照 図２６（ｂ）は、この様なフォトニックバンドギャップ
構造全光スイッチング素子のスイッチング原理の説明図
であり、制御光が入射されない状態でフォトニックバン
ドの端部の波長に相当する二つの波長の光λ_s1，λ_s2を
入射し、λ_s1が透過、λ_s2が非透過になるように条件を
設定する。

【００１４】この様な状態において、ＧａＡｓ層におい
て吸収可能な波長の制御光を照射すると、ＧａＡｓ層の
屈折率ｎ、したがって、誘電率εが低下し、フォトニッ
クバンドが高周波数側、即ち、短波長側にシフトし、λ
_s1がオン→オフになり、λ_s2がオフ→オンになり、スイ
ッチングが行われることになる。

【００１５】この様なフォトニックバンドギャップ構造
を利用した全光スイッチング素子においては、従来の光
非線形効果を用いた全光スイッチング素子に比べて制御
光のエネルギーの大幅な低下が可能になるという特徴が
ある。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述の様なフ
ォトニックバンドギャップ構造の端部（ｅｄｇｅ）を利
用したバンド端光スイッチング素子においては、一つの
信号パルス光を構成する波長の分布の範囲内においても
群速度の変動が大きく、信号光のパルス波形が素子内を
伝搬中に劣化するという問題があり、長距離光通信への
適用において障害になる。

【００１７】図２７参照 図２７は、バンド端光スイッチング素子における信号パ
ルス光の群速度の周波数依存性の説明図であり、所定の
周波数幅を有する信号パルス光がバンド端スイッチング
素子に入射している場合、制御光の入射によりフォトニ
ックバンド端が変化してオフからオンに変化した場合
に、信号パルス光の波形が信号光の群速度の周波数依存
性によって劣化する。

【００１８】この様な信号光の群速度の周波数依存性
は、図に示すようにバンド端近傍において大きいので、
信号パルス光の波形の劣化を低減するためには、バンド
端を大きくシフトすれば良いが、そのためには制御光の
エネルギーを大きくする必要があり、低エネルギー駆動
が困難になるという問題がある。

【００１９】また、この様な規則的な周期構造によるフ
ォトニックバンドギャップ構造全光スイッチング素子に
おいては、光スイッチングを行うためのバンド端が規則
的な周期構造に依存するので、スイッチングする光信号
の周波数が規則的な周期構造によって決定され、設計自
由度が小さいという問題がある。

【００２０】したがって、本発明は、設計自由度が大き
く、且つ、光スイッチングエネルギーを低減することを
目的とする。

【００２１】

【課題を解決するための手段】図１は本発明の原理的構
成の説明図であり、この図１を参照して本発明における
課題を解決するための手段を説明する。 図１参照 上述の目的を解決するために、本発明は、相対的に高誘
電率の層１と相対的に低誘電率の層２の少なくとも二種
類の層を周期的に整列させた周期構造からなるフォトニ
ックバンドギャップ構造全光機能素子において、周期構
造中に厚さ及び誘電率の少なくとも一方が相対的に高誘
電率の層１と異なる光非線形材料或いは光に応じて屈折
率が変化する光感応性材料のいずれかからなる欠陥層３
を挿入するとともに、欠陥層３に起因して形成される欠
陥準位のエネルギーに相当する波長の光を信号光として
入射させることを特徴とする。

【００２２】この様に、欠陥層３を挿入することによっ
て、フォトニックバンドギャップ構造の中に光透過帯、
即ち、欠陥準位を形成することができ、この様な欠陥準
位を利用することによって全光スイッチング素子或いは
全光変調素子を構成することができる。

【００２３】特に、欠陥層３の挿入周期を考慮すること
によって光透過周波数の帯域の拡がりを制御することが
でき、信号パルス光の周波数帯域幅とパルス幅との積は
一定であるので、短い信号パルス光を用いる場合には、
広い光透過周波数帯域を必要とすることになり、したが
って、使用する信号パルス光のパルス幅に応じて欠陥層
３の挿入周期を制御すれば良い。

【００２４】また、この様な構成のフォトニックバンド
ギャップ構造全光機能素子においては、信号パルス光の
群速度は、光速ｃのほぼ０．０７倍であり、空気中に比
べて１４倍、ＧａＡｓ等の半導体に比べても５倍以上大
きいので高速光パルスに対する超小型の遅延素子を構成
することができる。

【００２５】また、欠陥層３として、互いに誘電率及び
厚さが異なる二種類の欠陥層３を交互に配列し、且つ、
前記二種類の欠陥層３に起因する欠陥準位波長を等しく
することによって、制御光の入射により光透過周波数帯
域中に光不透過帯が形成されるので、この光不透過帯を
光スイッチングに利用することによって、波形劣化の少
ない全光スイッチング素子等を構成することができる。

【００２６】即ち、光透過周波数帯域の端部から離れた
光周波数透過帯においては、光信号の群速度がほぼ等し
いので、低エネルギーの制御光によって波形の劣化の少
ない全光スイッチング素子等を実現することができる。

【００２７】また、互いに隣接する欠陥層３間の相対的
に高誘電率の層１の数ｐを偶数にするとともに、最端部
の欠陥層３より端部側に設ける相対的に高誘電率の層１
の数ｑを、ｑ＝ｐ／２にすることによって、欠陥層３の
周期とは別の観点から光透過周波数帯域の低損失領域を
広帯域化することができ、それによって、超高速光パル
スに対しても波形劣化の少ない全光機能素子を実現する
ことができる。

【００２８】この様な周期構造は、多層積層膜による単
純一次元構造としても良いし、周期構造を光軸に沿った
ストライプ状に配列して一次元構造としても良いし、或
いは、周期構造を二次元的に配列させた二次元構造とし
ても良いものである。なお、この場合の次元は、フォト
ニックバンドギャップ構造としての次元であり、ストラ
イプ状の配置は、屈折率的には二次元であるが、フォト
ニックバンドギャップ構造としては一次元である。な
お、フォトニックバンドギャップ構造としての三次元構
造は、光の閉じ込めとしては最適であるが、光の結合が
困難であるので、光の入出力を伴う全光機能素子として
使用する場合には、１次元構造或いは二次元構造が好適
である。

【００２９】また、この様な相対的に低誘電率の層２
は、欠如部、即ち、空気層や真空層として構成するのが
望ましく、それによって二種類の層の誘電率差Δεを大
きくすることができるので、フォトニックバンドギャッ
プ幅を広くすることができる。

【００３０】また、相対的に高誘電率の層１は、誘電率
の大きな半導体、特に、Ａｌ_x Ｇａ _1-x Ａｓ（但し、０
≦ｘ≦１）で構成することが望ましく、それによって、
二種類の欠陥層３の一方を前記Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ａｓと組
成比の異なるＡｌ_y Ｇａ_1-yＡｓ（但し、０≦ｙ≦１）
で構成することができるので、素子の製造が容易にな
る。

【００３１】また、この様な全光スイッチング素子を製
造する際に、周期構造を構成する相対的に低誘電率の層
２は、選択酸化によって形成した酸化物によって形成し
ても良いし、或いは、選択エッチングによって形成した
欠如部、即ち、空気層或いは真空層によって形成しても
良いものである。

【００３２】また、この様な周期的構造は、選択エッチ
ングによって形成した柱状構造或いは凹部を利用して形
成しても良いものであり、或いは、選択成長によって形
成しても良いものである。

【００３３】なお、実現容易な製造方法としては、基板
上に第１の層を介して第１の層よりエッチング特性の異
なる第２の層を形成したのち、第２の層を第１の周期で
周期的に選択的に除去して、除去部に第２の層と誘電率
の異なる部材からなる第３の層で埋め込み、次いで、第
２の層を再び第１の周期と異なる第２の周期で周期的に
選択的に除去する方法が挙げられ、通常の化合物半導体
素子の製造工程をそのまま利用することができる。ま
た、この場合、基板に向けた放射による損失を低減する
ために、第１の層を選択的にエッチング或いは酸化する
ことが望ましい。

【００３４】

【発明の実施の形態】ここで、図２乃至図５を参照し
て、本発明の第１の実施の形態のフォトニックバンドギ
ャップ構造全光機能素子を説明するが、まず、図２及び
図３を参照して本発明の第１の実施の形態のフォトニッ
クバンドギャップ構造全光機能素子の製造工程を説明す
る。

【００３５】図２（ａ）参照 まず、ＧａＡｓ基板１１上に、ＭＯＣＶＤ法を用いて、
厚さｄ₂ が、例えば、１８０ｎｍのＡｌＡｓ層１２、及
び、厚さｄ₁ が、例えば、１８０ｎｍで、Ａｌ組成比が
０．１のＡｌ_0.1 Ｇａ_0.9 Ａｓ層１３を交互に設けると
ともに、Ａｌ_{0. 1} Ｇａ_0.9 Ａｓ層１３の一部を周期的に
厚さｄ₃ が、例えば、２７０ｎｍのＧａＡｓ欠陥層１４
に置き換える。したがって、この周期構造の周期ａは、
ａ＝３６０ｎｍとなり、ｄ₁ ＝ｄ₂ ＝０．５ａ、ｄ₃ ＝
０．７５ａとなる。

【００３６】図２（ｂ）参照 次いで、ＡｌＡｓ層１２を選択的にエッチングするエッ
チャントを用いてＡｌＡｓ層１２の側端部をエッチング
除去して、除去部、即ち、空気層を第２の誘電率（ε₂
＝１）を有する層とし、Ａｌ_0.1 Ｇａ_0.9 Ａｓ層１３を
第１の誘電率（ε₁ ＝１１．１６）を有する層とし、こ
の二種類の層によって基本的な周期構造を構成する。

【００３７】図３参照 次いで、ＧａＡｓ基板１１の一端部を劈開等によって選
択的に除去することによって、フォトニックバンドギャ
ップ構造全光機能素子の基本構成が完成する。この様な
フォトニックバンドギャップ構造においてはフォトニッ
クバンド構造の中間領域に欠陥層に起因する欠陥準位、
即ち、光透過帯が形成されることが知られているが、本
発明の第１の実施の形態は、この様な欠陥準位を利用し
て全光スイッチング素子を実現するものである。

【００３８】図４参照 図４は、フォトニックバンドギャップ構造全光機能素子
のスイッチング原理の説明図であり、欠陥準位に相当す
る波長の信号パルス光λ_s を入射させた初期状態におい
ては、入射した信号パルス光は反射されることなく透過
することになるが、ＧａＡｓ欠陥層１４で吸収される波
長の制御光を入射させると、制御光はＧａＡｓ欠陥層１
４で吸収されて誘電率が変化し、それによって、欠陥準
位が短波側にシフトし、信号パルス光の波長が光不透過
帯に入ることによってオンからオフへのスイッチングが
行われる。なお、図はフォトニックバンドギャップの中
央部のみを示しており、この両側にフォトニックバンド
ギャップ端が存在する。

【００３９】図５参照 図５は、上述のフォトニックバンドギャップ構造全光機
能素子の欠陥準位の帯域の広さの周波数依存性をシミュ
レーションしたものであり、周波数は実際の周波数νを
周期ａと光束ｃを用いて規格化した規格化周波数ｆ′
（＝ν／（ｃ／ａ））として示しており、光の波長λは
λ＝ｃ／ν＝ａ／ｆ′として表される。なお、ＧａＡｓ
欠陥層１４の誘電率ε₃ は、ε₃ ＝１１．５６である。

【００４０】図５においては、ＧａＡｓ欠陥層１４を５
周期毎（Ｌ＝５ａ）に設けた場合と、７周期毎（Ｌ＝７
ａ）に設けた場合を示しており、ＧａＡｓ欠陥層１４を
短周期で設けた場合に、欠陥準位に基づく光周波数透過
帯の帯域が広くなることが理解される。これは、欠陥が
多く入ることによって、光周波数透過帯の基となる欠陥
準位が多く形成されるためと考えられる。なお、この場
合も、図はフォトニックバンドギャップの中央部のみを
示しており、この両側にフォトニックバンドギャップ端
が存在する。

【００４１】また、信号パルス光の周波数とパルス幅の
積は一定であるので、超高速パルス光をスイッチングす
るためには、広い光周波数透過帯の帯域が必要であり、
そのためには、欠陥層を短周期で多数挿入する必要があ
る。

【００４２】この様に、本発明の第１の実施の形態にお
いては、周期的誘電率分布構造に周期的に欠陥層を挿入
することによって欠陥準位を利用したフォトニックバン
ドギャップ構造全光機能素子を構成しているので、低入
射光エネルギーでの高速スイッチング動作等が可能にな
る。

【００４３】なお、第１の実施の形態においては欠陥層
をＡｌＧａＡｓ層と組成の異なるＧａＡｓ層で構成して
いるが、同じ組成で構成しても良いものであり、この様
な第１の誘電率を有する層と欠陥層とを同じ半導体で形
成した本発明の第２の実施の形態のフォトニックバンド
ギャップ構造全光機能素子を図６乃至図８を参照して説
明する。

【００４４】図６参照 図６は、本発明の第２の実施の形態のフォトニックバン
ドギャップ構造全光機能素子の概念的構成図であり、上
記の第１の実施の形態におけるＡｌ_0.1 Ｇａ_{0. 9} Ａｓ層
をＧａＡｓ層に置き換えたものに相当する。この場合、
厚さが０．７５ａのＧａＡｓ欠陥層２３の間に設ける厚
さが０．５ａのＧａＡｓ層２１の層数をｐとし、最端部
のＧａＡｓ欠陥層２３より端部側に設けるＧａＡｓ層２
１の層数をｑとし、それらの間を厚さが０．５ａの空気
層２２とする。

【００４５】図７（ａ）乃至（ｄ）参照 図７は、欠陥層となるＧａＡｓ層２３の層数ＮをＮ＝１
０とし、ｐ＝４とした場合の光周波数透過帯域の端部構
造依存性をシミュレーションしたものであり、図７
（ａ），（ｃ），（ｄ）に示すように、ｑ＝１，３，４
の場合には透過特性の周波数依存性は大きいものの、図
７（ｂ）に示すように、ｑ＝２の場合には、光周波数透
過帯を広帯域化できることが理解される。

【００４６】即ち、光周波数透過帯を広帯域化するため
には、欠陥層の間に設ける高誘電率層の層数ｐを偶数と
し、端部に設ける高誘電率層の層数ｑをｑ＝ｐ／２とす
れば良いことを意味している。

【００４７】図８参照 図８は、上記図７（ｂ）の構成と図７（ｃ）の構成にお
ける信号パルス光のスイッチング動作をシミュレーショ
ンしたものであり、パルス幅Δｔが、Δｔ＝１．８７８
ｐｓ（ピコ秒）の信号パルス光は、光周波数透過帯が広
帯域である図７（ｂ）の場合には、ほとんど波形が劣化
することなく透過するが、図７（ｃ）の場合には、波形
が非常に劣化することが理解される。

【００４８】この様に、光周波数透過帯の広帯域化は、
欠陥層を設ける周期Ｌ以外に、端部の窓構造によっても
得られるものであり、両者を組み合わせることによって
さらなる広帯域化が可能になり、１ｐｓ幅の超高速パル
スのスイッチング動作が可能になる。

【００４９】上記の構成は上述の単純積層構造ではな
く、積層構造を用いることなく選択エッチング或いは選
択成長を用いても形成することが可能であるので、次
に、図９及び図１１を参照して、本発明の第３の実施の
形態のフォトニックバンドギャップ構造全光機能素子を
説明する。 図９参照 図９は、本発明の第３の実施の形態のフォトニックバン
ドギャップ構造全光機能素子の概念的構成図であり、斜
視図として示している。

【００５０】この第３の実施の形態のフォトニックバン
ドギャップ構造全光機能素子においては、ＧａＡｓ層３
１に選択的エッチングを施すことによって周期的に凹部
３２を構成し、ＧａＡｓ層３１の残存部と凹部３２とに
よって基本的なフォトニックバンドギャップ構造を形成
するとともに、凹部３２の間隔を変えた部分のＧａＡｓ
層を欠陥層部３３としたものであり、全体を信号パルス
光３４の進行方向に沿ったストライプ構造としている。
なお、この場合にも、広帯域化のために、端部における
凹部３２の数ｑ₁ ，ｑ ₂ を欠陥層部３３の間に設けた凹
部３２の数ｐに対して、ｑ₁ ＝ｑ₂ ＝ｐ／２としてい
る。

【００５１】図１０参照 図１０は、上記の第３の実施の形態のフォトニックバン
ドギャップ構造全光機能素子の具体的構成図であり、Ｇ
ａＡｓ基板３５上にＡｌＡｓ層３６を介してＧａＡｓ層
３１を設けたのち、ＧａＡｓ層３１上にＳｉＯ₂ 膜（図
示せず）を設け、フォトリソグラフィー工程によってＳ
ｉＯ₂ 膜をストライプ状にするとともに、周期的な開口
部を形成し、この周期的な開口部を有するＳｉＯ₂ 膜を
マスクとして露出するＧａＡｓ層３１を選択的にエッチ
ングすることによって、図９に示した構成と同等のスト
ライプ構成が得られる。なお、この場合、欠陥層部３３
を形成する部分には開口部を形成しないものである。

【００５２】次いで、ＳｉＯ₂ 膜を除去したのち、Ｇａ
Ａｓ基板３５の周辺部を覆う形状のマスク（図示せず）
を利用してＡｌＡｓ層３６を選択的に除去することによ
って、ＡｌＡｓ層３６のフレーム部に指示されたストラ
イプ状のＧａＡｓ層３１からなる全光スイッチング素子
の基本構成が完成する。なお、この場合、ストライプ状
のＧａＡｓ層３１の両側からもエッチングが進行するの
で、ストライプ状のＧａＡｓ層３１の直下のＡｌＡｓ層
３６も除去される。

【００５３】この第３の実施の形態においては、選択エ
ッチングを利用して一度に周期的構造を形成しているの
で、多層膜の積層工程が不要になり、工程が簡素化され
る。また、ストライプ構造を採用しているので、光が二
次元的に閉じ込められ、それによって、放射損失を低減
することができ、特に、ＧａＡｓ層３１の直下のＡｌＡ
ｓ層３６を除去しているのでＧａＡｓ基板３５側に向け
た光による放射損失も低減することができる。なお、こ
の場合、形状はストライプ構造であっても、フォトニッ
クバンドギャップ構造としては一次元構造である。

【００５４】次に、この様な構成のフォトニックバンド
ギャップ構造における光信号の群速度を調べたので、図
１１を参照して説明する。なお、この場合には、欠陥層
部３３の数ＮをＮ＝１０とし、欠陥層部３３に挟まれる
凹部３２の数ｐをｐ＝４とし、両端部の凹部３２の数ｑ
を、ｑ＝２としたものであり、比較のためにｑ＝３の例
も合わせ示している。

【００５５】図１１参照 図から明らかな様に、ｑ＝２とした場合には、群速度は
光速ｃに対してほぼ０．０７ｃの平坦な分布となり群速
度の周波数依存性が小さくなり、一方、ｑ＝３の場合に
は、群速度が大きく周期的に変動することが理解され
る。この様な０．０７ｃの群速度は、空気中に比べ約１
４倍であり、ＧａＡｓ等の半導体と比べても５倍以上大
きいので、従来に比べて大幅に光導波路長の短い遅延素
子を構成することができる。

【００５６】次に、図１２を参照して、選択成長を用い
た本発明の第４の実施の形態のフォトニックバンドギャ
ップ構造全光機能素子を説明する。 図１２（ａ）参照 まず、ＧａＡｓ基板４１上にＭＯＣＶＤ法を用いて、Ａ
ｌＡｓ層４２及びＡｌＧａＡｓ層４３を順次成長させ
る。

【００５７】図１２（ｂ）参照 次いで、ＳｉＯ₂ 膜４４を介して電子線レジストを塗布
して、所定の周期の凹部４６を形成するように電子線で
露光したのち現像することによってレジストパターン４
５を形成し、ＳｉＯ₂ 膜４４にも開口部を形成する。

【００５８】図１２（ｃ）参照 次いで、レジストパターン４５をマスクとして反応性イ
オンエッチングを施すことによって露出するＡｌＧａＡ
ｓ層４３を選択的に除去して凹部４７を形成する。

【００５９】図１２（ｄ）参照 次いで、レジストパターン４５を除去したのち、ＳｉＯ
₂ 膜４４を選択成長マスクとして用いて、ＭＯＣＶＤ法
によって凹部４７をＧａＡｓ層で埋め込んでＧａＡｓ欠
陥層４８を形成する。

【００６０】図１２（ｅ）参照 次いで、ＳｉＯ₂ 膜４４を除去したのち、再び、第１の
周期と異なった周期の凹部４９を形成し、次いで、周辺
部の除いてＡｌＡｓ層４２の除去することによってフォ
トニックバンドギャップ構造全光機能素子の基本的構成
が完成する。なお、この場合、凹部４９、即ち、空気層
とＡｌＧａＡｓ層４３の残存部によって基本的な周期構
造が構成される。

【００６１】この様に、本発明の第４の実施の形態にお
いては、通常の化合物半導体デバイスの製造工程に用い
る成膜工程、選択エッチング工程、或いは、選択成長工
程を用いているだけなので、再現性良く、且つ、精度良
くフォトニックバンドギャップ構造全光機能素子を製造
することができる。

【００６２】上記の第４の実施の形態においては、基板
側への光の放出による損失を低減するために、ＡｌＡｓ
層４２を選択エッチングによって除去しているが、除去
する代わりに酸化しても良いものであり、この様な本発
明の第５の実施の形態を図１３を参照して説明する。

【００６３】図１３（ａ）乃至（ｅ）参照 即ち、上記の図１２（ａ）乃至（ｄ）の工程まで全く同
様にして、ＡｌＧａＡｓ層４３に形成した凹部４７をＧ
ａＡｓ欠陥層４８で埋め込んだのち、再び、第１の周期
と異なった周期の凹部４９を形成し、次いで、周辺部を
除いてＡｌＡｓ層４２を選択酸化しても良いものであ
る。

【００６４】上記の第５の実施の形態においては、基板
側への光の放出による損失を低減するために、ＡｌＡｓ
層４２を選択酸化して酸化膜５０を形成しており、この
低屈折率の酸化膜５０によって基板側へ透過しようとす
る光は閉じ込められるので、放射損失を低減することが
できる。

【００６５】また、上述の様なフォトニックバンドギャ
ップ構造は、一次元構造に限られるものではなく、二次
元構造でも実現することができるので、この様な二次元
構造のフォトニックバンドギャップ構造全光機能素子
を、図１４を参照して説明する。

【００６６】図１４（ａ）参照 図１４（ａ）は、本発明の第６の実施の形態の二次元構
造のフォトニックバンドギャップ構造全光機能素子の概
念的平面図であり、ＧａＡｓ基板５１上に、直径ｒの開
口部を周期ａで設けたＳｉＯ₂ 膜からなるを選択成長マ
スク（図示せず）を形成し、この選択成長マスクを利用
して選択成長することによってＧａＡｓピラー５２を形
成するものであり、最後にＳｉＯ₂ 膜を除去することに
よって、二次元構造のフォトニックバンドギャップ構造
全光機能素子が得られる。なお、光ビームはＧａＡｓ基
板５１の基板面に平行に且つピラー部の高さに入射され
て伝搬・出射される。また、この場合も、欠陥層部５３
を形成する部分においては、選択成長マスクに開口部を
形成せず、ＧａＡｓ基板５１のままでピラー５２が形成
されていない状態とする。

【００６７】この場合、ＧａＡｓピラー５２の直径ｒと
周期ａの関係をｒ／ａ＝０．２０とし、欠陥層部５３の
数ＮをＮ＝５とし、欠陥層部５３に挟まれるＧａＡｓピ
ラー５２の数ｐをｐ＝２とし、両端部のＧａＡｓピラー
５２の数ｑを、ｑ＝１としたものである。

【００６８】図１４（ｂ）参照 図１４（ｂ）は、比較のために、この第６の実施の形態
における両端部のＧａＡｓピラー５２の数ｑを、ｑ＝２
としたものであり、その他の構成は図１４（ａ）の構成
と全く同様である。

【００６９】図１５（ａ）乃至（ｄ）参照 図１５は、第６の実施の形態及び比較例における欠陥準
位に起因する光周波数透過帯における信号パルス光の透
過状態をそれぞれ、５００ｆｓ（フェムト秒）、２００
ｆｓ、１００ｆｓ、及び、５０ｆｓの４つのパルス幅に
ついて示している。図から明らかなように、二次元のフ
ォトニックバンド構造においても、端部をｑ＝ｐ／２と
することによって、光周波数透過帯の広帯域化が可能に
なることが理解される。

【００７０】また、既述のように、信号パルス光の周波
数帯域幅とパルス幅の積は一定であるので、図１５
（ｄ）に示す５０ｆｓの入力信号パルス光の帯域幅は、
図１５（ａ）に示す５００ｆｓの信号パルス光の帯域幅
に比べて大幅に拡がっているが、光周波数透過帯を広帯
域化することによって、５０ｆｓの超高速の信号パルス
光も波形が劣化することなくスイッチすることが可能で
あることが理解される。

【００７１】次に、この様な二次元のフォトニックバン
ドギャップ構造についても信号パルス光の遅延を調べた
ので、図１６及び図１７を参照して説明する。なお、各
図における上図は、波長λがλ＝１．５３μｍの入力光
パルスの波形であり、下図は出力光パルスの波形であ
り、図（ａ）乃至（ｄ）は、それぞれ、５００ｆｓ、２
００ｆｓ、１００ｆｓ、及び、５０ｆｓの４つの入力信
号パルス光幅について示したものである。なお、この場
合の周期ａは、ａ＝６００ｎｍとしている。

【００７２】図１６（ａ）乃至（ｄ）参照 図から明らかなように、図１４（ａ）に示した構成のよ
うに、端部の構造をｑ＝ｐ／２とした場合、所定の遅延
時間をもって光パルスが出力されるが、パルス波形の劣
化がほとんど見られないことが理解される。但し、パル
ス幅が小さくなるにしたがって、反射に起因するノイズ
パルスが見られる。

【００７３】また、この遅延時間は、入射光パルスの高
速化とともに増大する傾向にあり、一方、その強度は入
射光パルスの高速化とともに大きく減少する傾向が見ら
れる。なお、各図においては、出力パルスの大きさを等
しくするために、所定の倍率を掛けて図示している。

【００７４】図１７（ａ）乃至（ｄ）参照 一方、図１４（ｂ）に示した構成のように、端部の構造
をｑ≠ｐ／２とした場合にも、所定の遅延時間をもって
光パルスが出力されるが、パルス波形に大きな劣化が見
られ、且つ、パルス幅の減少とともに、反射に起因する
ノイズパルスの影響も大きくなることが理解される。な
お、この場合も、各図における出力パルスの大きさを等
しくするために、所定の倍率を掛けて図示している。

【００７５】この様に、第６の実施の形態のフォトニッ
クバンドギャップ構造は、全光スイッチング素子のみな
らず、全光遅延素子としても使用できるものであり、全
光遅延素子として使用した場合には、制御光を用いない
場合には、単なる光遅延素子として動作し、制御光を用
いる場合には、全光スイッチング素子を兼ねる全光遅延
素子として動作することになる。

【００７６】次に、図１８及び図１９を参照して、本発
明の第７の実施の形態を説明する。 図１８参照 図１８は、本発明の第７の実施の形態のフォトニックバ
ンドギャップ構造光機能素子の概念的構成図であり、図
６に示した第２の実施の形態のフォトニックバンドギャ
ップ構造光機能素子における単一の欠陥層を誘電率が異
なる二種類の層に置き換えたものである。なお、製造工
程としては、第１の実施の形態のフォトニックバンドギ
ャップ構造光機能素子における欠陥層を一層おきに誘電
率異なる第２の欠陥層に置き換えるだけで良い。

【００７７】この第７の実施の形態においては、厚さｄ
₁ が、ｄ₁ ＝０．５ａのＧａＡｓ層６１と厚さｄ₂ が、
ｄ₂ ＝０．５ａの空気層６２とを周期ａで配置するとも
に、周期Ｌで厚さｄ₃ が、ｄ₃ ＝０．７５ａのＧａＡｓ
欠陥層６３（ε₃ ＝１１．５６）と、厚さがｄ₄ で、誘
電率がε₄ のＡｌ_x Ｇａ_1-x Ａｓ欠陥層６４を交互に挿
入したものであり、この場合には、制御光が入射されな
い場合における各欠陥層における欠陥準位が等しくなる
ように、ｄ₃ ×ε₃ ＝ｄ₄ ×ε₄ になるように、Ａｌ_x
Ｇａ_1-x Ａｓ欠陥層６４の層厚ｄ₄ 及びＡｌ組成比ｘを
設定するものである。

【００７８】図１９（ａ）乃至（ｄ）参照 図１９（ａ）乃至（ｄ）は、、周期ａをａ＝３５８μ
ｍ、欠陥層を設ける周期ＬをＬ＝６ａとし、欠陥層の層
数ＮをＮ＝２⁸ ＝２５６とした場合の欠陥準位に起因す
る光周波数透過帯域の誘電率差Δε（＝ε₃ −ε₄ ）依
存性のシミュレーション結果を示す図である。

【００７９】図１９（ａ）に示すように、ＧａＡｓ層６
３とＡｌ_x Ｇａ_1-x Ａｓ欠陥層６４の誘電率差Δε＝０
の場合、即ち、ｘ＝０の場合には、図６の場合と同様の
構造となるので、図７（ｂ）の場合と同様のブロードな
光周波数透過帯が形成される。

【００８０】しかし、図１９（ｂ）乃至（ｄ）に示すよ
うに、誘電率差Δεがあると、ＧａＡｓ層６３で吸収で
き、Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ａｓ欠陥層６４で吸収できないエネ
ルギーの制御光を入射させた場合、欠陥準位が分離して
ブロードな光周波数透過帯の中にさらにバンドギャップ
（サブバンドギャップ）が形成され、このサブバンドギ
ャップの幅及び深さはΔεの増大とともに大きくなる。

【００８１】因に、図１９（ｂ）に示す、Δε＝０．０
１の場合にも、波長が１．５５μｍの信号パルス光に対
する透過率の変化は１００ｄＢ以上であり、極めて効率
の高い全光スイッチング素子を構成することができるこ
とが理解される。

【００８２】ここで、図２０を参照して、二種類の欠陥
層を用いることによって、ブロードな光周波数透過帯域
の中にさらにサブバンドギャップが形成され理由を考察
する。 図２０（ａ）参照 図２０（ａ）は、制御光が入射しない場合の誘電体周期
構造を障壁高さとして図示したもので、ＧａＡｓ欠陥層
とＡｌ_x Ｇａ_1-x Ａｓ欠陥層とが周期的に挿入された状
態を示している。

【００８３】この場合、上述のように、ＧａＡｓ欠陥層
とＡｌ_x Ｇａ_1-x Ａｓ欠陥層とにおける、層厚ｄ×誘電
率εが等しくなるように設計しているので、欠陥準位は
等しく、したがって、右側の図に示すようにフォトニッ
クバンドギャップの中央部にブロードな光周波数透過帯
域が形成される。

【００８４】図２０（ｂ）参照 一方、このフォトニックバンドギャップ構造にＧａＡｓ
欠陥層においてのみ吸収される波長の制御光を入射させ
た場合、光吸収によってＧａＡｓ欠陥層の誘電率が変化
し、それによって、層厚ｄ×誘電率εも変化するので、
ＧａＡｓ欠陥層における欠陥準位がシフトして、二つの
欠陥準位の間が光学的禁制帯となり、ブロードな光周波
数透過帯の中央にサブバンドギャップが形成されるもの
と考えられる。

【００８５】次に、この様なフォトニックバンドギャッ
プ構造におけるサブバンドギャップの深さの欠陥層の層
数Ｎ依存性を調べたので、図２１を参照して説明する。 図２１（ａ）乃至（ｄ）参照 図２１（ｂ）乃至（ｄ）は、、欠陥層を設ける周期Ｌを
Ｌ＝６ａとし、誘電率差Δεを、Δε＝０．０２とした
場合の、サブバンドの深さの欠陥層の層数Ｎ依存性のシ
ミュレーション結果を示す図である。

【００８６】図から明らかなように、欠陥層の層数Ｎが
増加するにつれて、サブバンドギャップの深さが深くな
り、光透過の完全な抑止が可能になることが理解され
る。なお、図２１（ａ）は、Δε＝０、Ｎ＝２⁸ の場合
を参考として示したものである。

【００８７】次に、この様なフォトニックバンドギャッ
プ構造における光周波数透過帯域幅及びサブバンドギャ
ップの深さの欠陥層を挿入する周期Ｌ依存性を調べたの
で、図２２を参照して説明する。 図２２参照 図２２は、Δε＝０．０１、Ｎ＝２⁸ とした場合の光周
波数透過帯域幅及びサブバンドギャップの深さの欠陥層
を挿入する周期Ｌ依存性のシミュレーション結果を示す
図である。

【００８８】図から明らかなように、光周波数透過帯域
幅は、欠陥層を挿入する周期Ｌの増加、即ち、長周期化
とともに、狭くなり、これは、図５に示した傾向と同じ
傾向を示している。一方、サブバンドギャップの深さ
は、欠陥層を挿入する周期Ｌの増加とともに深くなって
いるのが理解される。

【００８９】したがって、欠陥層を挿入する周期Ｌ、誘
電率差Δε、及び、欠陥層の層数Ｎを適宜選択して組み
合わせることによって、必要とする所望の光透過−非透
過特性をえることが可能になる。

【００９０】次に、この様なフォトニックバンドギャッ
プ構造における光信号の群速度を調べたので、図２３を
参照して説明する。 図２３参照 図２３の上部の実線の矩形は、制御光が入射しない場合
の欠陥準位による光周波数透過帯域を示すもので、ま
た、４本の縦の破線は、制御光が入射した場合の光周波
数透過帯域及びサブバンドギャップを示すもので、中央
よりの２本の縦の破線がサブバンドギャップに相当す
る。

【００９１】図から明らかなように、光信号の群速度
は、対称的で且つ大きな周波数依存性を有しているもの
の、光スイッチングは光周波数透過帯の中央部のサブバ
ンドギャップを利用して行うものであり、中央部におけ
る群速度の周波数依存性は非常に小さいのでパルス波型
の劣化が非常に少なくなり、長距離光通信にも適用が可
能になる。

【００９２】この様に、本発明の第７の実施の形態のフ
ォトニックバンドギャップ構造全光機能素子において
は、誘電率及び光吸収エネルギーが互いに異なる二種類
の欠陥層を交互に周期的に挿入しているので、欠陥層の
誘電率、即ち、屈折率の変調を効率良く、低照射エネル
ギーで行うことができる。

【００９３】また、二種類の欠陥層の内の一方のみにお
いて光吸収が発生するようにしているので、欠陥準位の
分離によって光周波数透過帯域の中央部にサブバンドギ
ャップが形成され、このサブバンドギャップを利用して
光スイッチングを行うことによって群速度の変化の少な
い、したがって、パルス波形の劣化の少ない光スイッチ
ングが可能になる。

【００９４】また、この様な第７の実施の形態において
は、サブバンドギャップの深さを浅くすることによって
全光変調素子としても使用できるものであり、さらに
は、スイッチング素子を兼ねる全光遅延素子としても使
用できるものである。

【００９５】次に、図２４を参照して、この様な二種類
の欠陥層を用いた二次元構造のフォトニックバンドギャ
ップ構造全光機能素子を説明する。 図２４参照 図２４は、本発明の第８の実施の形態の概念的構成図で
あり、フォトニックバンドギャップ構造全光機能素子自
体については平面図で示している。図に示すように、Ｇ
ａＡｓ基板（図示を省略）上に成長させたＡｌ_x Ｇａ
_1-xＡｓ層７１に二次元的に凹部７２を形成し、この凹
部７２を空気層からなる低誘電率層部とし、凹部７２を
形成しないＡｌ_x Ｇａ_1-x Ａｓ層７１の残部を高誘電率
層部として、二次元的な周期的誘電率分布を形成する。

【００９６】この場合、第２の欠陥層部であるＡｌ_x Ｇ
ａ_1-x Ａｓ欠陥層部７４を形成する部分には凹部７２を
周期的に設けないようにし、第１の欠陥層部であるＧａ
Ａｓ欠陥層部７３は、所定の位置の凹部７２を周期的に
ＧａＡｓで埋め込んで形成するものである。なお、この
場合の凹部７２の直径ｒは、凹部７２を設ける周期ａ
（＝４１８．５ｎｍ）に対して、例えば、ｒ／ａ＝０．
３８とする。

【００９７】この様なフォトニックバンドギャップ構造
全光機能素子に、図に示すように４つの入力信号パルス
光７５が入射した場合、最初の一個のパルスの入射した
のち、制御光７６を入射させると、サブバンドギャップ
が形成され、２個目のパルスは反射されて透過すること
ができないので、残りの３つのパルスのみが出力信号パ
ルス光７７として出射されることになる。なお、制御光
７６がない場合に、サブバンドギャップが形成されてお
り、制御光７６が照射されるとサブバンドギャップが消
滅するように設計すれば、２つ目のパルスのみを出射さ
せる動作も可能である。

【００９８】以上、本発明の各実施の形態を説明してき
たが、本発明は各実施の形態に記載された構成・条件に
限られるものではなく、各種の変更が可能である。例え
ば、上記の各実施の形態においては、高誘電率の層をＡ
ｌＧａＡｓ或いはＧａＡｓで形成しているが、ＩｎＰ、
ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＡｌＡｓ、ＡｌＡｓＳｂ、ＩｎＡ
ｌＡｓＳｂ等の他のIII-Ｖ族化合物半導体を用いても良
いものである。

【００９９】また、上記の各実施の形態においては、低
誘電率の層として空気、真空、或いは、酸化膜を用いて
いるが、有機絶縁膜等の他の低誘電率の絶縁体を用いて
も良いものである。

【０１００】また、上記の第６の実施の形態において
は、ＧａＡｓピラーを選択成長によって形成している
が、選択成長に限られるものではなく、ＧａＡｓ基板を
選択的にエッチングしてＧａＡｓピラーを構成しても良
いものである。

【０１０１】また、上記各実施の形態におけるピラー或
いは凹部は、円柱状或いは円柱状溝である必要はなく、
四角柱状或いは四角柱状溝等の多角柱状或いは多角柱状
溝であっても良いものである。

【０１０２】ここで、再び、図１を参照して、本発明の
詳細な特徴を説明する。 図１参照 （付記１） 相対的に高誘電率の層１と相対的に低誘電
率の層２の少なくとも二種類の層を周期的に整列させた
周期構造からなるフォトニックバンドギャップ構造全光
機能素子において、前記周期構造中に厚さ及び誘電率の
少なくとも一方が前記相対的に高誘電率の層１と異なる
光非線形材料或いは光に応じて屈折率が変化する光感応
性材料のいずれかからなる欠陥層３を挿入するととも
に、前記欠陥層３に起因して形成される欠陥準位波長に
相当する波長の光を信号光として入射させることを特徴
とするフォトニックバンドギャップ構造全光機能素子。
（１） （付記２） 上記欠陥層３として、互いに誘電率及び厚
さが異なる二種類の欠陥層３を交互に配列し、且つ、前
記二種類の欠陥層３に起因して形成される欠陥準位波長
を等しくするとともに、光吸収エネルギーの小さな欠陥
層３においてのみ吸収されるエネルギーの光を制御光と
して入射することを特徴とする付記１記載のフォトニッ
クバンドギャップ構造全光機能素子。（２） （付記３） 上記欠陥層３を挿入する周期により、欠陥
準位による光透過周波数の帯域を制御することを特徴と
する付記１または２に記載のフォトニックバンドギャッ
プ構造全光機能素子。 （付記４） 上記互いに隣接する欠陥層３間の上記相対
的に高誘電率の層１の数ｐを偶数にするとともに、最端
部の欠陥層３より端部側に設ける前記相対的に高誘電率
の層１の数ｑを、ｑ＝ｐ／２にしたことを特徴とする付
記２または３に記載のフォトニックバンドギャップ構造
全光機能素子。（３） （付記５） 上記相対的に高誘電率の層１と相対的に低
誘電率の層２の少なくとも二種類の層からなる周期構造
を光軸に沿ったストライプ状構造によって形成すること
を特徴とする付記１乃至４のいずれか１に記載のフォト
ニックバンドギャップ構造全光機能素子。（４） （付記６） 上記相対的に高誘電率の層１と相対的に低
誘電率の層２の少なくとも二種類の層からなる周期構造
を二次元的に配列させたことを特徴とする付記１乃至４
のいずれか１に記載のフォトニックバンドギャップ構造
全光機能素子。（５） （付記７） 上記相対的に低誘電率の層２を、前記相対
的に高誘電率の層１の欠如部として形成することを特徴
とする付記５または６に記載のフォトニックバンドギャ
ップ構造全光機能素子。 （付記８） 上記欠陥層３の一方を、前記相対的に高誘
電率の層１と誘電率の異なる部材によって構成すること
を特徴とする付記７に記載のフォトニックバンドギャッ
プ構造全光機能素子。 （付記９） 上記相対的に低誘電率の層２を、気体或い
は真空によって構成するとともに、上記相対的に高誘電
率の層１を半導体によって構成することを特徴とする付
記１乃至８のいずれか１に記載のフォトニックバンドギ
ャップ構造全光機能素子。 （付記１０） 上記相対的に高誘電率の層１をＡｌ_x Ｇ
ａ_1-x Ａｓ（但し、０≦ｘ≦１）で構成するとともに、
上記二種類の欠陥層３の一方を前記Ａｌ_x Ｇａ _1-x Ａｓ
と組成比の異なるＡｌ_y Ｇａ_1-y Ａｓ（但し、０≦ｙ≦
１）で構成することを特徴とする付記９記載のフォトニ
ックバンドギャップ構造全光機能素子。 （付記１１） 上記フォトニックバンドギャップ構造全
光機能素子が、フォトニックバンドギャップ構造全光ス
イッチング素子であることを特徴とする付記１乃至１０
のいずれか１に記載のフォトニックバンドギャップ構造
全光機能素子。 （付記１２） 上記フォトニックバンドギャップ構造全
光機能素子が、フォトニックバンドギャップ構造全光遅
延素子であることを特徴とする付記１乃至１０のいずれ
か１に記載のフォトニックバンドギャップ構造全光機能
素子。 （付記１３） 相対的に高誘電率の層１と相対的に低誘
電率の層２の少なくとも二種類の層を周期的に整列させ
た周期構造からなるとともに、前記周期構造中に厚さ及
び誘電率の少なくとも一方が前記相対的に高誘電率の層
１と異なる光非線形材料からなる欠陥層３を挿入したフ
ォトニックバンドギャップ構造全光機能素子の製造方法
において、互いに酸化特性の異なる二種類の層及前記欠
陥層３を周期的に堆積させたのち、前記互いに酸化特性
の異なる二種類の層の内の酸化性の高い層を選択的に酸
化して、誘電率が互いに異なる周期的構造を形成するこ
とを特徴とするフォトニックバンドギャップ構造全光機
能素子の製造方法。 （付記１４） 相対的に高誘電率の層１と相対的に低誘
電率の層２の少なくとも二種類の層を周期的に整列させ
た周期構造からなるとともに、前記周期構造中に厚さ及
び誘電率の少なくとも一方が前記相対的に高誘電率の層
１と異なる光非線形材料からなる欠陥層３を挿入したフ
ォトニックバンドギャップ構造全光機能素子の製造方法
において、互いにエッチング特性の異なる二種類の層及
前記欠陥層３を周期的に堆積させたのち、前記互いにエ
ッチング特性の異なる二種類の層の内のエッチング性の
高い層を選択的にエッチングして、誘電率が互いに異な
る周期的構造を形成することを特徴とするフォトニック
バンドギャップ構造全光機能素子の製造方法。 （付記１５） 相対的に高誘電率の層１と相対的に低誘
電率の層２の少なくとも二種類の層を周期的に整列させ
た周期構造からなるとともに、前記周期構造中に欠陥層
３を挿入したフォトニックバンドギャップ構造全光機能
素子の製造方法において、平坦基板を選択的にエッチン
グして、二次元的に周期的に配列させた柱状構造体を形
成するとともに、前記柱状構体の一部を周期的に形成し
ない領域を前記欠陥部としたことを特徴とするフォトニ
ックバンドギャップ構造全光機能素子の製造方法。 （付記１６） 相対的に高誘電率の層１と相対的に低誘
電率の層２の少なくとも二種類の層を周期的に整列させ
た周期構造からなるとともに、前記周期構造中に欠陥層
３を挿入したフォトニックバンドギャップ構造全光機能
素子の製造方法において、平坦基板を選択的にエッチン
グして、二次元的に周期的に配列した凹部を形成し、前
記凹部の一部を周期的に前記平坦基板と異なった誘電率
の第１の部材で埋め込むともに、前記凹部の他の一部を
前記第１の部材と異なる誘電率の第２の部材で埋め込む
ことを特徴とするフォトニックバンドギャップ構造全光
機能素子の製造方法。 （付記１７） 相対的に高誘電率の層１と相対的に低誘
電率の層２の少なくとも二種類の層を周期的に整列させ
た周期構造からなるとともに、前記周期構造中に欠陥層
３を挿入したフォトニックバンドギャップ構造全光機能
素子の製造方法において、平坦基板上に選択成長法によ
って二次元的に周期的に配列させた柱状構造体を形成す
るとともに、前記柱状構体の一部を周期的に形成しなか
った領域を前記欠陥部としたことを特徴とするフォトニ
ックバンドギャップ構造全光機能素子の製造方法。 （付記１８） 相対的に高誘電率の層１と相対的に低誘
電率の層２の少なくとも二種類の層を周期的に整列させ
た周期構造からなるとともに、前記周期構造中に欠陥層
３を挿入したフォトニックバンドギャップ構造全光機能
素子の製造方法において、平坦基板上に選択成長法によ
って二次元的に周期的に配列させた柱状構造体を形成す
る際に、前記柱状構体の一部を前記柱状構造体と屈折率
の異なる第２の部材或いは寸法の異なる柱状構造のいず
れかからなる第２の柱状構造体とするとともに、前記柱
状構造の一部を欠如部として前記欠陥部としたことを特
徴とするフォトニックバンドギャップ構造全光機能素子
の製造方法。 （付記１９） 基板上に第１の層を介して前記第１の層
より酸化性の低い第２の層を形成したのち、前記第２の
層を第１の周期で周期的に選択的に除去して、除去部に
前記第２の層と誘電率の異なる部材からなる第３の層で
埋め込み、次いで、前記第２の層を再び前記第１の周期
と異なる第２の周期で周期的に選択的に除去したのち、
前記第１の層を選択的に酸化することを特徴とするフォ
トニックバンドギャップ構造全光機能素子の製造方法。 （付記２０） 基板上に第１の層を介して前記第１の層
よりエッチング特性の異なる第２の層を形成したのち、
前記第２の層を第１の周期で周期的に選択的に除去し
て、除去部に前記第２の層と誘電率の異なる部材からな
る第３の層で埋め込み、次いで、前記第２の層を再び前
記第１の周期と異なる第２の周期で周期的に選択的に除
去したのち、前記第１の層を選択的にエッチング除去す
ることを特徴とするフォトニックバンドギャップ構造全
光機能素子の製造方法。

【０１０３】

【発明の効果】本発明によれば、周期的誘電率分布に挿
入した欠陥層による光周波数透過帯を利用して信号パル
ス光のスイッチング、変調、或いは、遅延を行っている
ので、低エネルギー駆動が可能になり、且つ、波形の劣
化の少ない超高速パルスのスイッチング、変調、或い
は、遅延が可能になり、それによって、ピコ秒級の超高
速通信システムの構築に寄与するところが大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理的構成の説明図である。

【図２】本発明の第１の実施の形態のフォトニックバン
ドギャップ構造全光機能素子の途中までの製造工程の説
明図である。

【図３】本発明の第１の実施の形態のフォトニックバン
ドギャップ構造全光機能素子の図２以降の製造工程の説
明図である。

【図４】本発明の第１の実施の形態のフォトニックバン
ドギャップ構造全光機能素子のスイッチング原理の説明
図である。

【図５】本発明の第１の実施の形態のフォトニックバン
ドギャップ構造全光機能素子の欠陥準位の帯域の広さの
周期長依存性の説明図である。

【図６】本発明の第２の実施の形態のフォトニックバン
ドギャップ構造全光機能素子の概念的構成図である。

【図７】本発明の第２の実施の形態のフォトニックバン
ドギャップ構造全光機能素子の光周波数透過帯域の端部
構造依存性の説明図である。

【図８】本発明の第２の実施の形態のフォトニックバン
ドギャップ構造全光機能素子の信号パルス光波形の光周
波数透過帯域依存性の説明図である。

【図９】本発明の第３の実施の形態のフォトニックバン
ドギャップ構造全光機能素子の概念的構成図である。

【図１０】本発明の第３の実施の形態のフォトニックバ
ンドギャップ構造全光機能素子の具体的構成図である。

【図１１】本発明の第３の実施の形態のフォトニックバ
ンドギャップ構造全光機能素子における光信号の群速度
の周波数依存性の説明図である。

【図１２】本発明の第４の実施の形態のフォトニックバ
ンドギャップ構造全光機能素子の製造工程の説明図であ
る。

【図１３】本発明の第５の実施の形態のフォトニックバ
ンドギャップ構造全光機能素子の製造工程の説明図であ
る。

【図１４】本発明の第６の実施の形態の二次元構造のフ
ォトニックバンドギャップ構造全光機能素子の概念的平
面図である。

【図１５】本発明の第６の実施の形態及び比較例におけ
る光周波数透過帯における信号パルス光の透過状態の説
明図である。

【図１６】本発明の第６の実施の形態の二次元のフォト
ニックバンドギャップ構造における信号パルス光の遅延
特性の説明図である。

【図１７】比較例の二次元のフォトニックバンドギャッ
プ構造における信号パルス光の遅延特性の説明図であ
る。

【図１８】本発明の第７の実施の形態のフォトニックバ
ンドギャップ構造全光機能素子の概念的構成図である。

【図１９】本発明の第７の実施の形態における光周波数
透過帯域の誘電率差依存性の説明図である。

【図２０】サブバンドギャップの形成理由の説明図であ
る。

【図２１】サブバンドギャップの深さの欠陥層の層数Ｎ
依存性の説明図である。

【図２２】光周波数透過帯域及びサブバンドギャップの
深さの欠陥層の挿入周期Ｌ依存性の説明図である。

【図２３】本発明の第７の実施の形態のフォトニックバ
ンドギャップ構造における信号パルス光の遅延特性の説
明図である。

【図２４】本発明の第８の実施の形態のフォトニックバ
ンドギャップ構造全光機能素子の概念的構成図である。

【図２５】従来のリブガイド構造全光スイッチング素子
の概略的斜視図である。

【図２６】従来のフォトニックバンドギャップ構造全光
スイッング素子の説明図である。

【図２７】従来のバンド端光スイッチング素子における
信号パルス光の群速度の周波数依存性の説明図である。

【符号の説明】

１ 相対的に高誘電率の層 ２ 相対的に低誘電率の層 ３ 欠陥層 １１ ＧａＡｓ基板 １２ ＡｌＡｓ層 １３ Ａｌ_0.1 Ｇａ_0.9 Ａｓ層 １４ ＧａＡｓ欠陥層 ２１ ＧａＡｓ層 ２２ 空気層 ２３ ＧａＡｓ欠陥層 ３１ ＧａＡｓ層 ３２ 凹部 ３３ 欠陥層部 ３４ 信号パルス光 ３５ ＧａＡｓ基板 ３６ ＡｌＡｓ層 ４１ ＧａＡｓ基板 ４２ ＡｌＡｓ層 ４３ ＡｌＧａＡｓ層 ４４ ＳｉＯ₂ 膜 ４５ レジストパターン ４６ 凹部 ４７ 凹部 ４８ ＧａＡｓ欠陥層 ４９ 凹部 ５０ 酸化膜 ５１ ＧａＡｓ基板 ５２ ＧａＡｓピラー ５３ 欠陥層部 ６１ ＧａＡｓ層 ６２ 空気層 ６３ ＧａＡｓ欠陥層 ６４ Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ａｓ欠陥層 ７１ Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ａｓ層 ７２ 凹部 ７３ ＧａＡｓ欠陥層部 ７４ Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ａｓ欠陥層部 ７５ 入力信号パルス光 ７６ 制御光 ７７ 出力信号パルス光 ９１ ＧａＡｓ基板 ９２ ＡｌＧａＡｓガイド層 ９３ ＧａＡｓコア層 ９４ ＡｌＧａＡｓガイド層 ９５ リブガイド部 ９６ 光入射端面 ９７ 光出射端面 ９８ 信号パルス光 ９９ 制御光 １００ 信号パルス光

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 藍 勝 茨城県つくば市東光台５丁目５番地 技術 研究組合 フェムト秒テクノロジー研究機 構内 (72)発明者 和田 修 神奈川県川崎市中原区上小田中４丁目１番 １号 富士通株式会社内 Ｆターム(参考） 2H047 KA03 LA02 NA01 PA05 PA11 PA21 PA24 QA02 RA08 TA13 2H079 AA08 AA14 BA01 CA05 DA16 2K002 AA02 AB04 AB09 AB40 BA02 CA13 CA30 HA13 HA16

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 相対的に高誘電率の層と相対的に低誘電
   率の層の少なくとも二種類の層を周期的に整列させた周
   期構造からなるフォトニックバンドギャップ構造全光機
   能素子において、前記周期構造中に厚さ及び誘電率の少
   なくとも一方が前記相対的に高誘電率の層と異なる光非
   線形材料或いは光に応じて屈折率が変化する光感応性材
   料のいずれかからなる欠陥層を挿入するとともに、前記
   欠陥層に起因して形成される欠陥準位波長に相当する波
   長の光を信号光として入射させることを特徴とするフォ
   トニックバンドギャップ構造全光機能素子。
2. 【請求項２】 上記欠陥層として、互いに誘電率及び厚
   さが異なる二種類の欠陥層を交互に配列し、且つ、前記
   二種類の欠陥層に起因して形成される欠陥準位波長を等
   しくするとともに、光吸収エネルギーの小さな欠陥層に
   おいてのみ吸収されるエネルギーの光を制御光として入
   射することを特徴とする請求項１記載のフォトニックバ
   ンドギャップ構造全光機能素子。
3. 【請求項３】 上記互いに隣接する欠陥層間の上記相対
   的に高誘電率の層の数ｐを偶数にするとともに、最端部
   の欠陥層より端部側に設ける前記相対的に高誘電率の層
   の数ｑを、ｑ＝ｐ／２にしたことを特徴とする請求項２
   記載のフォトニックバンドギャップ構造全光機能素子。
4. 【請求項４】 上記相対的に高誘電率の層と相対的に低
   誘電率の層の少なくとも二種類の層からなる周期構造を
   光軸に沿ったストライプ状構造によって形成することを
   特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のフォ
   トニックバンドギャップ構造全光機能素子。
5. 【請求項５】 上記相対的に高誘電率の層と相対的に低
   誘電率の層の少なくとも二種類の層からなる周期構造を
   二次元的に配列させたことを特徴とする請求項１乃至３
   のいずれか１項に記載のフォトニックバンドギャップ構
   造全光機能素子。