JP2003161971A - フォトニック結晶干渉計型スイッチ - Google Patents
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- G02F2202/00—Materials and properties
- G02F2202/32—Photonic crystals
Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【課題】装置の導波路で光の干渉を制御するフォトニック結晶
干渉計装置の提供。 【解決手段】フォトニック結晶干渉計スイッチ30は、内部に導波路
20を有するフォトニック結晶からなる。導波路20は、少なくと
も1つの入力部分32、少なくとも2つの出力部分33,34、
及び少なくとも2つの出力部分33,34を接続する干渉チャネル
35を有する。導波路20は、フォトニック結晶のハ゛ント゛キ゛ャッフ゜内
の光を伝送することができる。少なくとも1つの出力部
分で光の特性を制御することにより、導波路における光
の干渉を制御するために、少なくとも2つの出力部分の
少なくとも一方に接続された共振部材37が存在する。1
×2光スイッチは、共振部材のハ゜ラメータを光学的に又は電子的
に調整することにより構成され、一方の出力部分から別
の出力部分への光信号のスイッチンク゛を生じる。
干渉計装置の提供。 【解決手段】フォトニック結晶干渉計スイッチ30は、内部に導波路
20を有するフォトニック結晶からなる。導波路20は、少なくと
も1つの入力部分32、少なくとも2つの出力部分33,34、
及び少なくとも2つの出力部分33,34を接続する干渉チャネル
35を有する。導波路20は、フォトニック結晶のハ゛ント゛キ゛ャッフ゜内
の光を伝送することができる。少なくとも1つの出力部
分で光の特性を制御することにより、導波路における光
の干渉を制御するために、少なくとも2つの出力部分の
少なくとも一方に接続された共振部材37が存在する。1
×2光スイッチは、共振部材のハ゜ラメータを光学的に又は電子的
に調整することにより構成され、一方の出力部分から別
の出力部分への光信号のスイッチンク゛を生じる。
Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、一般に、フォトニ
ック結晶の分野に関し、とりわけ、フォトニック結晶干
渉計、及びフォトニック結晶干渉計型スイッチ（photon
ic crystal interferometric switch）の制御方法に関
する。 【０００２】 【従来の技術】フォトニック結晶（ＰＣ）は、特定の周
波数範囲における光の伝搬を禁止することが可能な周期
的誘電体構造である。とりわけ、フォトニック結晶は、
屈折率が空間的に周期変動するように製作されており、
屈折率のコントラストが十分に高い場合、構造の光スペ
クトルにおいて、フォトニックバンドギャップをあける
ことが可能である。これらのバンドギャップには、フォ
トニック結晶を通る光の伝搬が禁止される周波数範囲が
含まれる（本明細書において用いられる用語「光」は、
電磁スペクトル全体にわたる放射線を含むことを意図し
ており、可視光に制限されない）。 【０００３】既知のように、フォトニック結晶の周期構
造に欠陥を導入すると、欠陥部位で捕捉され、周囲のフ
ォトニック結晶材料のバンドギャップ内の共振周波数を
有する、局所化電磁状態を生じさせることができる。フ
ォトニック結晶内に延びるこうした欠陥領域を設けるこ
とによって、光の制御及び誘導に利用可能な導波構造が
形成される。 【０００４】３次元で空間周期性を有するフォトニック
結晶は、結晶のバンドギャップ内におけるあらゆる方向
への光の伝搬を禁止することが可能であるが、こうした
構造の製作は、技術的に困難である。より注目される代
替案は、２次元周期格子が組み込まれた２次元フォトニ
ック結晶スラブを利用することである。この種の構造で
は、スラブ内で伝搬する光が、全内反射によって、スラ
ブの主表面に対して垂直な方向に閉じ込められ、主表面
に対して垂直以外の方向にスラブ内を伝搬する光は、フ
ォトニック結晶スラブの特性によって制御される。２次
元フォトニック結晶スラブには、標準的な半導体処理の
プレーナ技術に適合するという利点があり、さらに、ス
ラブのプレーナ構造によって、スラブ内に形成された導
波路の光信号が、相互作用の影響をより受けやすくな
る。これにより、その構造が能動素子の形成に利用しや
すいという、追加の利点が提供される。 【０００５】理論的研究及び実験に基づく研究の両方に
よって、２次元フォトニック結晶スラブ導波路装置にお
ける効率の良い光の誘導が実証されている（「Demonstr
ation of Highly Efficient Waveguiding in a Photoni
c Crystal Slab at the 1.5μｍ Wavelength」，S.Li
n，E.Chow，S.Johnson and J.Joannopoulos，Opt.Lett.
25，pp.1297-1299，2000を参照）。さらに、実験に基づ
く研究によって、高効率度で光を伝搬することができ
る、こうした装置の製作の可能性が実証されている。結
果として、既に、導波路装置の誘導光モードとの相互作
用について、潜在的用途の調査がなされている。前述の
こうした用途には、静的（固定波長）またはチューナブ
ルチャネルドロップフィルタ、及びチューナブル共振マ
イクロキャビティ欠陥が含まれる（米国特許第６，０５
８，１２７号を参照）。 【０００６】同一の譲受人に譲渡され、参照により本明
細書に組み込まれる、同時係属の米国特許出願第０９／
８４６，８５６号には、横共振スタブチューナを含むフ
ォトニック結晶導波路装置が記載されている。この装置
は、横スタブチューナの共振周波数によって決まる指定
周波数に伝送ゼロがある（「伝送ゼロ」という用語は、
導波路によって伝送可能な光の伝送が阻止される、フォ
トニック結晶のバンドギャップ内の周波数範囲を表して
いる）。本出願は、横共振スタブチューナの電磁特性を
調整して、導波路装置の周波数領域において伝送ゼロを
シフトさせるための技法も開示する。これらの技法によ
れば、導波路装置における光パワーの大きさを修正する
ために横共振スタブチューナの能力に依存して、１×１
光スイッチ及び光変調器のような用途にこの装置を利用
することが可能になる。 【０００７】 【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、装置
の導波路において光の干渉を制御するフォトニック結晶
干渉計装置を提供することである。 【０００８】 【課題を解決するための手段】本発明の実施形態による
例示的なフォトニック結晶干渉計装置は、内部に導波路
を有するフォトニック結晶からなる。導波路は、少なく
とも１つの入力部分、少なくとも２つの出力部分、及び
少なくとも２つの出力部分を接続する干渉チャネルを含
むことができる。導波路は、フォトニック結晶のバンド
ギャップ内の光を伝送することができる。導波路内の光
の特性を制御することにより、導波路における光の干渉
を制御するために、少なくとも２つの出力部分の少なく
とも一方に接続された共振部材が存在する。 【０００９】本発明のもう１つの実施形態によれば、共
振部材には、共振器領域と、共振器領域と少なくとも２
つの出力部分の少なくとも一方とを接続する接続チャネ
ルとが含まれる。共振器領域の共振周波数を設定するこ
とによって、共振器領域及び接続チャネルは、干渉チャ
ネルと協働して、導波路の少なくとも２つの出力部分の
一方における光が、干渉チャネル内の光と強め合う干渉
を生じ、少なくとも２つの出力部分の他方における光
が、干渉チャネル内の光と弱め合う干渉を生じるように
する。 【００１０】本発明の第２の実施形態によれば、導波路
は、フォトニック結晶を通って延びるフォトニック結晶
の周期的な格子に第１の欠陥領域を含み、接続チャネル
は、周期的な格子に少なくとも１つの第２の欠陥を含
む。共振器領域は、周期的な格子が共振器領域を画定す
るように適切な態様で修正された、フォトニック結晶の
領域を含む。 【００１１】本発明の第３の実施形態によれば、導波路
の少なくとも１つの入力部分は、１つの入力部分を含
み、少なくとも２つの出力部分は、２つの出力部分を含
む。フォトニック結晶の周期的な格子は、誘電体ポスト
のアレイを含み、導波路は、複数のポストからなるライ
ンの一部の省略によって形成される。すなわち、入力部
分は、１つのポストラインの一部の省略によって形成さ
れ、２つの出力部分は、それぞれ、互いに垂直で、入力
部分に接続された、２つのポストラインの一部の省略に
よって形成される。干渉チャネルは、２つの出力部分を
接続する１つのポストラインの一部の省略によって形成
される。接続チャネルは、周期的な格子においてもう１
つのポストを省略し、２つの出力部分の一方に接続され
て、一方の出力部分の側壁から垂直に延びる短いチャネ
ルを画定することによって形成される。共振器領域は、
周期的な格子において直径が他のポストよりも大きいポ
ストのサブアレイを備えた、ほぼ正方形の領域を含む。 【００１２】共振器領域内のポスト数及びポストサイズ
といった共振器領域のパラメータを制御することによっ
て、共振部材の共振周波数、従って、導波路の２つの出
力部分の一方における光の位相を有効に制御することが
できる。２つの出力部分の一方における光の位相を制御
することによって、２つの出力部分に光の干渉が生じ
る。干渉は、２つの出力部分の一方において強め合う干
渉と、２つの出力部分の他方において弱め合う干渉とす
ることができ、これによって、フォトニック結晶干渉計
が提供される。 【００１３】本発明の第４の実施形態によれば、フォト
ニック結晶干渉計装置は、フォトニック結晶干渉計型ス
イッチを含む。すなわち、出力部分における強め合う干
渉によって、光はその部分を通って伝搬することが可能
になり、出力部分における弱め合う干渉によって、光が
その部分を通って伝搬できなくなる。本発明では、共振
部材の共振器領域に接続されて、共振器領域の共振周波
数を調整するチューニング部材を設けることによって、
この特徴を利用する。チューニング部材は、共振器領域
において誘電体ポストの誘電率を制御する誘電率チュー
ニング部材を含むのが好ましく、チューニング部材は、
さらに、共振器領域の共振周波数を制御する。チューニ
ング部材の働きによって、２つの出力部分における強め
合う干渉と弱め合う干渉を逆にすることが可能であり、
この結果、光スイッチが形成される。 【００１４】誘電率チューニング部材は、例えば、電荷
担体効果または電気光学効果を利用して誘電率を調整す
るための電子誘電率チューニング部材とすることができ
る。代案として、チューニング部材は、例えば、光屈折
効果を利用して誘電率を調整するための光学誘電率チュ
ーニング部材とするができる。 【００１５】本発明のさらなる実施形態によれば、フォ
トニック結晶干渉計型スイッチは、例えば、ｎ×ｍスイ
ッチとして機能させることができ、この場合、ｎは入力
部分の数であり、ｍは出力部分の数である。さらに、フ
ォトニック結晶干渉計型スイッチは、変調器として機能
させることもできる。 【００１６】一般に、本発明のフォトニック結晶干渉計
型スイッチは、さまざまな用途に利用可能であり、設計
者には、光集積回路における複雑な経路指定アーキテク
チャの設計の能力が提供される。 【００１７】本発明のさらなる利点及び特定の特徴につ
いては、本発明の例示的な実施形態に関する以下の詳細
な説明に関連して、明らかになるであろう。 【００１８】 【発明の実施の形態】図１には、従来技術において知ら
れている２次元フォトニック結晶スラブが例示されてお
り、これは、本発明の解説に役立つように提供されてい
る。フォトニック結晶スラブは、全体が参照番号１０に
よって示されており、内部にポスト１４のアレイを有す
るスラブ本体１２からなる。図１に示すように、ポスト
１４は、互いに平行に配置され、スラブ本体を貫いて、
その上面１６から底面１８まで延びている。 【００１９】２次元フォトニック結晶スラブ１０は、さ
まざまな形態をとることができる。例えば、ポスト１４
は、第１の誘電体材料から形成されたロッドからなるこ
とができ、スラブ本体１２は、誘電率が第１の誘電体材
料の誘電率とは異なる第２の誘電材料から形成された本
体からなることができる。代案として、ポストは、誘電
体材料のスラブ本体に形成された穴からなることもで
き、あるいは、ポストは、誘電体材料のロッドからなる
ことができ、スラブ本体は、空気、別のガス、または真
空とすることができる。さらに、ポストは、正方形のポ
ストアレイを画定するように構成されることもでき、あ
るいは、矩形アレイまたは三角形アレイといった異なる
態様に構成され得る。 【００２０】図１に示すような２次元フォトニック結晶
スラブの場合、スラブ内を伝搬する光は、全内反射によ
って、スラブ面１６及び１８に対して垂直な方向に閉じ
込められる。しかし、スラブ面に対して垂直以外の方向
に、スラブ内を伝搬する光は、スラブの空間的な周期的
構造によって制御される。特に、空間的な周期的構造に
よって、スラブを通る光の伝搬が阻止される構造の伝送
特性にフォトニックバンドギャップがあけられる。すな
わち、スラブ面に対して垂直以外の方向に、図１の２次
元フォトニック結晶スラブ内を伝搬する、スラブのバン
ドギャップ内の周波数を備えた光は、スラブを介して伝
搬しないが、バンドギャップ外の周波数を備えた光は、
妨げられることなく、スラブを通って伝えられる。 【００２１】同一の譲受人に譲渡され、参照により本明
細書に組み込まれる同時係属の米国特許出願第０９／８
４６，７４８号には、フォトニック結晶の周期的な格子
に欠陥を導入して、欠陥部位で捕捉される、周囲のフォ
トニック結晶材料のバンドギャップ内の共振周波数を備
えた、局所化電磁状態を生じさせる方法が記載されてい
る。これらの欠陥を適切な態様で配置することによっ
て、フォトニック結晶のバンドギャップ内の周波数を有
する（従って、通常は、フォトニック結晶を通って伝搬
することができない）光がフォトニック結晶を通って伝
送される導波路を、フォトニック結晶内に形成すること
ができる。欠陥領域は、直線状に広がることもできる
し、あるいは曲がった導波路を画定するために、例えば
９０度の屈曲部といった、１つ以上の屈曲部を含むよう
に構成することも可能である。２次元フォトニック結晶
導波路装置における光の有効な伝搬は、２次元有限差分
時間領域（Finite-Difference Time-Domain：ＦＤＴ
Ｄ）技法（「Computational Electrodynamics，the Fin
ite-Difference Time-Domain Method」，A.Taflove，Ar
tech House，1995を参照）を利用して、既に実証されて
おり、直線導波路及び１つ以上の９０度の屈曲部を備え
た導波路の両方によって、低損失で、効率のよい光の誘
導が可能であることが明らかにされている。 【００２２】図２には、本発明の一実施形態によるフォ
トニック結晶干渉計型スイッチが例示されている。スイ
ッチは、全体が参照番号３０によって示されており、空
気中において正方形アレイをなす誘電体ポスト３９から
構成された２次元フォトニック結晶スラブ３１からな
る。フォトニック結晶スラブにおける欠陥領域は、周囲
のフォトニック結晶材料のバンドギャップ内の周波数を
有する光が伝搬できる導波路２０を形成する。導波路２
０には、入力部分３２、出力部分３３及び３４、及び出
力部分３３及び３４を接続する干渉チャネル３５が含ま
れる。入力部分３２は、１つのポストラインの一部から
ポストを省略することによって形成され、出力部分３３
及び３４は、それぞれ、互いに垂直な２つのポストライ
ンの一部からポストを除去して、出力部分に２つの９０
度屈曲部を生じさせることによって形成される。干渉チ
ャネル３５は、出力部分３３及び３４に対して垂直なポ
ストラインの一部からポストを省略することによって形
成される。 【００２３】さらに、フォトニック結晶スラブ３０は、
導波路の出力部分３４の側壁から延びて、導波路の出力
部分３４における光の位相を制御するための共振部材３
７を含む。共振部材３７は、共振器領域３８と接続チャ
ネル３６を含む。 【００２４】図２に例示した実施形態の場合、接続チャ
ネル３６は、導波路２０の出力部分３４の側壁から出力
部分に対して垂直な方向に延びる短いチャネルからな
り、ポストアレイから１つのポスト３９を省略すること
によって形成される。共振器領域３８は、直径がポスト
３９より大きいポスト２４からなる３×３のサブアレイ
を備えたほぼ正方形領域から構成される。図２に示すよ
うに、接続チャネル３６は、共振器領域３８と出力部分
３４とを接続する短い導波路セクションを構成する。 【００２５】さらに図２に示すように、共振器領域３８
におけるポスト２４の誘電率を制御し、さらには共振部
材３７の共振周波数、ひいては出力部分３４の光の位相
を制御するために、チューニング部材２２が設けられ
る。さらに詳細に後述するように、出力部分３４の光の
位相を制御することによって、出力部分のそれぞれにお
ける干渉を、強め合う干渉から弱め合う干渉に、あるい
は弱め合う干渉から強め合う干渉にスイッチし、これに
よって光スイッチを提供できる。 【００２６】誘電率チューニング部材は、当業者にとっ
て良く知られているため、本明細書での詳述は不要であ
り、誘電率チューニング部材は電子式または光学式とす
ることができる。例えば、電子誘電率チューニング部材
は、電荷担体効果または電子光学効果を利用することが
できる。光学誘電率チューニング部材は、光屈折効果を
利用することができる。これらの効果は全て、光周波数
領域では比較的わずかなものであるが、本発明の装置の
適切なチューニングを実施するには十分な大きさであ
る。 【００２７】図２のフォトニック結晶干渉計型スイッチ
３０の動作は、干渉計型スイッチにおける干渉現象の本
質を示す簡略化された１次元モデルによって最も明確に
説明される。図３は、全体が参照番号４０で示された干
渉計型スイッチの簡略化１次元モデルの図である。フォ
トニック結晶干渉計型スイッチのこのモデルでは、図２
の導波路２０は、１つの入力部分４１、２つの出力部分
４２及び４３、及び２つの出力部分４２及び４３を接続
する干渉チャネル４４を含む理想化された１次元導波路
４９に置き換えられている。光信号は、入力部分４１を
通って位置４８まで伝搬し、等しい振幅の２つの光信号
に分割されて、出力部分４２及び４３に沿って伝搬す
る。入力部分４１における光信号の振幅は、下記の概略
の形式を有する。すなわち、 Ｅ〜ｅｘｐ（ｊｋｘ） ここで、ｋ＝２π／λ、λは光信号の波長であり、ｊは
複素数であり、ｘは入力部分４１に沿った距離である。
それぞれ、９０度屈曲部を含む出力部分４２及び４３を
進んだ後、２つの光信号は、位置４５及び４６において
干渉し、その振幅は下記の形式を有する。すなわち、 Ｅ４５〜ｅｘｐ（ｊｋＬ１）＋ｅｘｐ（ｊｋ［Ｌ１＋Ｌ
２］＋ｊφ） Ｅ４６〜ｅｘｐ（ｊｋＬ１＋ｊφ）＋ｅｘｐ（ｊｋ［Ｌ
１＋Ｌ２］） ここで、Ｅ４５は、位置４５における光信号の振幅であ
り、Ｅ４６は、位置４６における光信号の振幅であり、
Ｌ１は、出力部分４２及び４３の長さであり、Ｌ ２は、
干渉チャネル４４の長さであり、φは、チューニングシ
ステム４７からの追加される位相偏移である。これらの
式は、下記のように書き直すことができる。すなわち、 Ｅ４５〜ｅｘｐ（ｊｋＬ１）［１＋ｅｘｐ（ｊｋＬ２＋
ｊφ）］ Ｅ４６〜ｅｘｐ（ｊｋ［Ｌ１＋Ｌ２］）［１＋ｅｘｐ
（−ｊｋＬ２＋ｊφ） これから、２つの出力部分４２及び４３におけるエネル
ギ密度の大きさを計算することが可能である。すなわ
ち、 ｜Ｅ４５｜２〜ｃｏｓ２（（ｋＬ２＋φ）／２） ｜Ｅ４６｜２〜ｃｏｓ２（（ｋＬ２−φ）／２） ここで、｜Ｅ４５｜２は、位置４５におけるエネルギ密
度の大きさであり、｜Ｅ ４６｜２は、位置４６における
エネルギ密度の大きさである。 【００２８】図４は、上述の位置４５及び４６における
光信号のエネルギ密度対ｋＬ２／２を近似する、ｃｏｓ
２（ｋＬ２／２）のプロットであり、ｋＬ２／２は、干
渉チャネルを通って伝搬する光信号の位相偏移である。
干渉チャネル４４の長さが、チューニングシステム４７
（チューニングシステム４７は、図２の共振部材３７及
びチューニング部材２２に相当する）からの位相偏移φ
が生じないようなｋＬ ２／２＝３π／４に選択される
と、位置４５及び４６における光信号の振幅は、図４の
ポイント５０に相当し、最大出力値の半分であるため、
パワースプリッタが形成される。位置４５及び４６にお
ける光信号パワーは、チューニングシステム４７を利用
して、出力部分４３の光信号に位相偏移を追加すること
によって、増／減できる。周波数領域における付加的な
位相偏移は、相関して時間遅延を生じ、このため、２つ
の信号の位相がずれて、干渉を生じることになる。チュ
ーニングシステム４７を利用して、出力部分４３におけ
る信号の位相を変化させると、光スイッチが形成され
る。従来技術において知られているように、導波路を通
って伝搬し、共振領域を通過した信号の位相偏移は、共
振からほど遠い周波数に関してゼロであり、共振に近い
周波数については非ゼロである。位相偏移は、信号周波
数を高くして、チューニングシステム４７の共振周波数
と整合させなければならない場合には、−π／２にな
り、信号周波数を低くして、チューニングシステム４７
の共振周波数と整合させなければならない場合には、＋
π／２になる。 【００２９】図３を参照すると、チューニングシステム
４７が、図４におけるポイント５０をわずかに超える共
振周波数を有している場合、出力部分４３の光信号は、
−π／２の位相偏移を受け、出力部分４３における光信
号のパワーレベルは、図４の位置５０から位置５１、す
なわち最大出力パワーまでシフトすることになる。同様
に、出力部分４２を通って伝搬する光信号は、位置４５
において、無光信号出力すなわち図４の位置５２に対応
する、弱め合う干渉を受けることになる。従って、チュ
ーニングシステム４７の共振周波数を変更することによ
って、光信号を位置４６にスイッチすることができる。 【００３０】図５は、図２のフォトニック結晶干渉計型
スイッチの出力部分３３及び３４におけるエネルギ密度
のプロットである。エネルギ密度は、上述の２次元有限
差分時間領域（ＦＤＴＤ）技法を用いて計算された。計
算に関して、フォトニック結晶基板３１は、それぞれ、
半径が０．１８ａ０に等しい誘電体ポスト３９の正方形
アレイから構成された（ここで、ａ０は、アレイのポス
ト間の間隔である）。出力部分３３及び３４は、それぞ
れ、互いに垂直な２つのポストラインの一部から誘電体
ポスト３９を省略することによって形成された。入力部
分３２は、１つの誘電体ポストラインの一部から誘電体
ポストを省略することによって形成された。共振部材３
７は、出力部分３４に対して垂直な短い（１つのポスト
の）接続チャネル３６と、直径が０．２５ａ０のポスト
からなる３×３の正方形アレイから構成された共振器領
域３８を含んでいた。ポスト２４の誘電率は、１１．４
に等しくなるように設定されたが、公称値の数パーセン
トだけ調整可能である。チューニング部材２２を用い
て、誘電率の公称値を変化させ、出力部分３４の光の周
波数にわたって、共振部材３７の共振周波数を掃引する
と、入力部分３２の光が、チューニング部材２２によっ
て生じた位相変化によって生じる、所望の出力部分にお
ける干渉の変化に起因して、２つの出力部分３３と３４
の間でスイッチされ、従って、光スイッチが形成され
る。 【００３１】本発明の装置の動作特性は、さまざまなや
り方で修正できるため、上述のシミュレートされた性能
は、単なる例示を意図したものにすぎない。例えば、共
振部材の寸法を縮小することによって、より狭い範囲の
誘電率変動に対して、スイッチングを生じさせることが
可能である。 【００３２】さらに認識されるべきことは、上述のシミ
ュレーションが、構成要素をなす誘電体ポストに対して
平行な次元の効果を無視して、２次元で実施されたとい
う点である。当該技術において知られているように、こ
の種の構造を３次元に一般化すると、計算結果に多少の
量的相違を生じることになるが、質的に有効な物理特性
は維持される。 【００３３】前述の２次元構造に組み込まれたフォトニ
ック結晶格子構造は、いくつかの３次元での実現が可能
である。図６ａ及び図６ｂには、２つの典型的な３次元
の幾何学的形状が示されており、誘電体ポストが有限長
であることが明らかにされている。図６ａに例示された
構造７０では、ポストユニット７１には、上方及び下方
のクラッド層のポスト部分７４と７６との間に挟まれた
フォトニック結晶ポスト部分７２が含まれており、各ポ
ストユニットは、基板７８上に支持されている。図６ｂ
に示す構造８０の場合、ポストユニット７３には、上方
クラッドポスト部分７４がない。 【００３４】前述のように、ポストに対して平行な次元
における光の閉じ込めは、この次元において光の全内反
射を生じることになる、より誘電率の高いフォトニック
結晶領域によって実施される。さらに留意すべきは、誘
電体または金属の、２つの反射表面の間にフォトニック
結晶のポストを「挟んで」、ポストに対して平行な次元
で必要な閉じ込めを行うもう１つの実現例が可能である
という点である。 【００３５】また、言うまでもなく、上述のフォトニッ
ク結晶干渉計型スイッチは、一般に、空気中における誘
電体ロッドのアレイからなるが、フォトニック結晶は、
誘電体基板においてガスまたは真空の「充填された」穴
のアレイから構成されることもでき、あるいは誘電率が
ロッド材料と異なる誘電体材料からなる本体に埋め込ま
れた誘電体ロッドのアレイから構成されることもでき
る。さらに、上述の実施形態は、概して、２次元装置を
説明しているが、本発明は、同種の動作特性を備えた、
完全な３次元フォトニック結晶装置にも適用可能であ
る。 【００３６】本発明のフォトニック結晶干渉計型スイッ
チは、１×２スイッチとして実施可能であり、この場
合、共振部材は、チューナブル遅延機構としての働きを
し、干渉計における２つの対抗伝搬信号によって、スイ
ッチの出力部分において、選択的に強め合う干渉または
弱め合う干渉を生じさせる。スイッチは、１つの出力部
分を分離することによって、変調器として用いることも
可能であり、一般には、信号ルータが役に立つ可能性の
ある任意の用途に利用することができる。 【００３７】説明されてきたことは、本発明の現在のと
ころ好適な実施形態を構成するが、本発明が他の多くの
形態をとることが可能であることは認められるべきであ
る。例えば、本明細書に記載された実施形態には、１つ
の入力部分と２つの出力部分を備えた、単一導波路が含
まれるが、他の実施形態では、導波路は、２つ以上の入
力部分と４つ以上の出力部分を含むことができる。さら
に、フォトニック結晶集積回路を利用して、複雑な経路
指定アーキテクチャを構成する光集積回路へ、いくつか
の導波路を組み込むことも可能である。また、上述の実
施形態の欠陥領域は、選択されたポストを省略すること
によって形成されたが、他の実施形態では、選択された
ポストを修正することによって欠陥領域を形成すること
が可能である。 【００３８】本発明は、さまざまな形態をとることが可
能であるので、本発明は、特許請求の範囲によって必要
とされる限りにおいてのみ制限されるべきであることは
理解されたい。 【００３９】以下においては、本発明の種々の構成要件
の組み合わせからなる例示的な実施形態を示す。 １．フォトニック結晶干渉計装置であって、フォトニッ
ク結晶と、少なくとも１つの入力部分、少なくとも２つ
の出力部分、及び前記少なくとも２つの出力部分を接続
する干渉チャネルからなり、前記フォトニック結晶のバ
ンドギャップ内の光を透過することが可能な、前記フォ
トニック結晶内の導波路と、及び前記少なくとも２つの
出力部分の少なくとも一方に接続されて、前記導波路内
における光の特性を制御することにより、前記導波路内
における光の干渉を制御する共振部材とからなる、フォ
トニック結晶干渉計装置。 ２．前記共振部材が、共振器領域、及び前記共振器領域
と前記少なくとも２つの出力部分の少なくとも一方とを
接続する接続チャネルを含む、上記１に記載のフォトニ
ック結晶干渉計装置。 ３．前記接続チャネルが、前記少なくとも２つの出力部
分の前記少なくとも一方の側壁から垂直に延びている、
上記２に記載のフォトニック結晶干渉計装置。 ４．前記フォトニック結晶が、周期的な格子からなり、
前記導波路が、前記周期的な格子に第１の欠陥領域を含
み、前記接続チャネルが、前記周期的な格子に少なくと
も１つの第２の欠陥を含み、前記共振器領域が、前記周
期的な格子の修正部分を含む、上記２に記載のフォトニ
ック結晶干渉器装置。 ５．前記周期的な格子が、ポストアレイを含み、前記第
１の欠陥領域が、前記ポストアレイの複数ラインの一部
においてポストを省略することによって生じ、前記少な
くとも１つの第２の欠陥が、前記ポストアレイにおいて
１つのポストを省略することによって生じ、前記共振器
領域が、前記ポストアレイのサブアレイを含み、そのサ
ブアレイが、前記ポストアレイにおける他のポストとは
異なる直径のポストからなる、上記４に記載のフォトニ
ック結晶干渉計装置。 ６．前記光の特性が、光の位相を含み、前記共振器領域
の設計パラメータによって、前記少なくとも２つの出力
部分の前記少なくとも一方における光の位相が制御さ
れ、前記共振器領域の前記設計パラメータが、前記共振
器領域におけるポストの数と、前記共振器領域における
前記ポストの直径の少なくとも一方を含む、上記５に記
載のフォトニック結晶干渉計装置。 ７．チューニング部材を更に含み、そのチューニング部
材が、前記共振器領域に接続されて、前記共振部材の共
振周波数を制御することにより、前記少なくとも２つの
出力部分の前記少なくとも一方における光の特性を制御
する、上記２に記載のフォトニック結晶干渉計装置。 ８．前記共振器領域が、誘電体ポストアレイを含み、前
記チューニング部材が、前記共振器領域における前記誘
電体ポストを構成する材料の誘電率を調整するための誘
電率チューナを含む、上記７に記載のフォトニック結晶
干渉計装置。 ９．前記誘電率チューナが、電子誘電率チューナ及び光
学誘電率チューナからなるグループから選択された誘電
率チューナからなる、上記８に記載のフォトニック結晶
干渉計装置。 １０．前記フォトニック結晶干渉計装置が干渉計型スイ
ッチを構成する、上記７に記載のフォトニック結晶干渉
計装置。 １１．前記干渉計型スイッチが、１×２光スイッチと光
変調器からなるグループから選択されたスイッチからな
る、上記１０に記載のフォトニック結晶干渉計装置。 １２．前記フォトニック結晶が２次元フォトニック結晶
スラブからなる、上記１に記載のフォトニック結晶干渉
計装置。 １３．フォトニック結晶干渉計型スイッチであって、フ
ォトニック結晶と、少なくとも１つの入力部分、少なく
とも２つの出力部分、及び前記少なくとも２つの出力部
分を接続する干渉チャネルからなり、前記フォトニック
結晶のバンドギャップ内の周波数を有する光を伝送する
ことが可能な、前記フォトニック結晶内の導波路と、及
び前記導波路の前記少なくとも２つの出力部分の少なく
とも一方の側壁から延び、前記少なくとも２つの出力部
分の前記少なくとも一方において光の位相を制御するこ
とにより、前記導波路における光の経路指定を制御する
チューニングシステムとからなる、フォトニック結晶干
渉計型スイッチ。 １４．前記チューニングシステムが、共振器領域、及び
前記共振器領域と前記少なくとも２つの出力部分の前記
少なくとも一方とを接続する接続チャネルを含む共振部
材と、チューニング部材とを含み、前記チューニング部
材が、前記共振器領域に接続されて、前記共振部材の共
振周波数を制御する、上記１３に記載のフォトニック結
晶干渉計型スイッチ。 １５．前記共振器領域が、誘電体部材のアレイを含み、
前記チューニング部材が、前記誘電体部材の誘電率を制
御するための誘電率チューナを含む、上記１４に記載の
フォトニック結晶干渉計型スイッチ。 １６．前記フォトニック結晶干渉計型スイッチが、光変
調器と、１×２の光干渉計型スイッチとを含むグループ
から選択されたスイッチを含む、上記１４に記載のフォ
トニック結晶干渉計型スイッチ。 １７．フォトニック結晶と、入力部分、２つの出力部
分、及び前記２つの出力部分を接続する干渉チャネルを
含む前記フォトニック結晶内の導波路と、前記２つの出
力部分の一方に接続されて、前記２つの出力部分の前記
一方において光の位相を制御することにより、前記２つ
の出力部分の前記一方に強め合う干渉を生じさせて、光
が前記２つの出力部分の前記一方を通って伝搬するよう
にし、前記２つの出力部分の他方に弱め合う干渉を生じ
させて、光が前記２つの出力部分の前記他方を通って伝
搬するのが禁止されるようにする共振部材とを含む光ス
イッチにおいて、前記スイッチを操作するための方法で
あって、前記共振部材の共振周波数を変更して、前記２
つの出力部分の一方において光の位相を変化させ、前記
２つの出力部分の一方から前記２つの出力部分の他方に
光の伝搬をスイッチすることからなる、方法。 １８．前記共振部材が、誘電体部材アレイを備えた共振
器領域と、前記共振器領域と前記２つの出力部分の前記
一方とを接続する接続チャネルとを含み、前記共振部材
の共振周波数を変更することが、前記共振部材における
前記誘電体部材の誘電率を変更することを含む、上記１
７に記載の方法。 １９．前記誘電体部材の誘電率を変更することが、前記
誘電体部材の前記誘電率を光学的に変更することを含
む、上記１８に記載の方法。 ２０．前記誘電体部材の誘電率を変更することが、前記
誘電体部材の前記誘電率を電子的に変更することを含
む、上記１８に記載の方法。 【００４０】 【発明の効果】本発明により、装置の導波路において光
の干渉を制御するフォトニック結晶干渉計装置が提供さ
れる。
ック結晶の分野に関し、とりわけ、フォトニック結晶干
渉計、及びフォトニック結晶干渉計型スイッチ（photon
ic crystal interferometric switch）の制御方法に関
する。 【０００２】 【従来の技術】フォトニック結晶（ＰＣ）は、特定の周
波数範囲における光の伝搬を禁止することが可能な周期
的誘電体構造である。とりわけ、フォトニック結晶は、
屈折率が空間的に周期変動するように製作されており、
屈折率のコントラストが十分に高い場合、構造の光スペ
クトルにおいて、フォトニックバンドギャップをあける
ことが可能である。これらのバンドギャップには、フォ
トニック結晶を通る光の伝搬が禁止される周波数範囲が
含まれる（本明細書において用いられる用語「光」は、
電磁スペクトル全体にわたる放射線を含むことを意図し
ており、可視光に制限されない）。 【０００３】既知のように、フォトニック結晶の周期構
造に欠陥を導入すると、欠陥部位で捕捉され、周囲のフ
ォトニック結晶材料のバンドギャップ内の共振周波数を
有する、局所化電磁状態を生じさせることができる。フ
ォトニック結晶内に延びるこうした欠陥領域を設けるこ
とによって、光の制御及び誘導に利用可能な導波構造が
形成される。 【０００４】３次元で空間周期性を有するフォトニック
結晶は、結晶のバンドギャップ内におけるあらゆる方向
への光の伝搬を禁止することが可能であるが、こうした
構造の製作は、技術的に困難である。より注目される代
替案は、２次元周期格子が組み込まれた２次元フォトニ
ック結晶スラブを利用することである。この種の構造で
は、スラブ内で伝搬する光が、全内反射によって、スラ
ブの主表面に対して垂直な方向に閉じ込められ、主表面
に対して垂直以外の方向にスラブ内を伝搬する光は、フ
ォトニック結晶スラブの特性によって制御される。２次
元フォトニック結晶スラブには、標準的な半導体処理の
プレーナ技術に適合するという利点があり、さらに、ス
ラブのプレーナ構造によって、スラブ内に形成された導
波路の光信号が、相互作用の影響をより受けやすくな
る。これにより、その構造が能動素子の形成に利用しや
すいという、追加の利点が提供される。 【０００５】理論的研究及び実験に基づく研究の両方に
よって、２次元フォトニック結晶スラブ導波路装置にお
ける効率の良い光の誘導が実証されている（「Demonstr
ation of Highly Efficient Waveguiding in a Photoni
c Crystal Slab at the 1.5μｍ Wavelength」，S.Li
n，E.Chow，S.Johnson and J.Joannopoulos，Opt.Lett.
25，pp.1297-1299，2000を参照）。さらに、実験に基づ
く研究によって、高効率度で光を伝搬することができ
る、こうした装置の製作の可能性が実証されている。結
果として、既に、導波路装置の誘導光モードとの相互作
用について、潜在的用途の調査がなされている。前述の
こうした用途には、静的（固定波長）またはチューナブ
ルチャネルドロップフィルタ、及びチューナブル共振マ
イクロキャビティ欠陥が含まれる（米国特許第６，０５
８，１２７号を参照）。 【０００６】同一の譲受人に譲渡され、参照により本明
細書に組み込まれる、同時係属の米国特許出願第０９／
８４６，８５６号には、横共振スタブチューナを含むフ
ォトニック結晶導波路装置が記載されている。この装置
は、横スタブチューナの共振周波数によって決まる指定
周波数に伝送ゼロがある（「伝送ゼロ」という用語は、
導波路によって伝送可能な光の伝送が阻止される、フォ
トニック結晶のバンドギャップ内の周波数範囲を表して
いる）。本出願は、横共振スタブチューナの電磁特性を
調整して、導波路装置の周波数領域において伝送ゼロを
シフトさせるための技法も開示する。これらの技法によ
れば、導波路装置における光パワーの大きさを修正する
ために横共振スタブチューナの能力に依存して、１×１
光スイッチ及び光変調器のような用途にこの装置を利用
することが可能になる。 【０００７】 【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、装置
の導波路において光の干渉を制御するフォトニック結晶
干渉計装置を提供することである。 【０００８】 【課題を解決するための手段】本発明の実施形態による
例示的なフォトニック結晶干渉計装置は、内部に導波路
を有するフォトニック結晶からなる。導波路は、少なく
とも１つの入力部分、少なくとも２つの出力部分、及び
少なくとも２つの出力部分を接続する干渉チャネルを含
むことができる。導波路は、フォトニック結晶のバンド
ギャップ内の光を伝送することができる。導波路内の光
の特性を制御することにより、導波路における光の干渉
を制御するために、少なくとも２つの出力部分の少なく
とも一方に接続された共振部材が存在する。 【０００９】本発明のもう１つの実施形態によれば、共
振部材には、共振器領域と、共振器領域と少なくとも２
つの出力部分の少なくとも一方とを接続する接続チャネ
ルとが含まれる。共振器領域の共振周波数を設定するこ
とによって、共振器領域及び接続チャネルは、干渉チャ
ネルと協働して、導波路の少なくとも２つの出力部分の
一方における光が、干渉チャネル内の光と強め合う干渉
を生じ、少なくとも２つの出力部分の他方における光
が、干渉チャネル内の光と弱め合う干渉を生じるように
する。 【００１０】本発明の第２の実施形態によれば、導波路
は、フォトニック結晶を通って延びるフォトニック結晶
の周期的な格子に第１の欠陥領域を含み、接続チャネル
は、周期的な格子に少なくとも１つの第２の欠陥を含
む。共振器領域は、周期的な格子が共振器領域を画定す
るように適切な態様で修正された、フォトニック結晶の
領域を含む。 【００１１】本発明の第３の実施形態によれば、導波路
の少なくとも１つの入力部分は、１つの入力部分を含
み、少なくとも２つの出力部分は、２つの出力部分を含
む。フォトニック結晶の周期的な格子は、誘電体ポスト
のアレイを含み、導波路は、複数のポストからなるライ
ンの一部の省略によって形成される。すなわち、入力部
分は、１つのポストラインの一部の省略によって形成さ
れ、２つの出力部分は、それぞれ、互いに垂直で、入力
部分に接続された、２つのポストラインの一部の省略に
よって形成される。干渉チャネルは、２つの出力部分を
接続する１つのポストラインの一部の省略によって形成
される。接続チャネルは、周期的な格子においてもう１
つのポストを省略し、２つの出力部分の一方に接続され
て、一方の出力部分の側壁から垂直に延びる短いチャネ
ルを画定することによって形成される。共振器領域は、
周期的な格子において直径が他のポストよりも大きいポ
ストのサブアレイを備えた、ほぼ正方形の領域を含む。 【００１２】共振器領域内のポスト数及びポストサイズ
といった共振器領域のパラメータを制御することによっ
て、共振部材の共振周波数、従って、導波路の２つの出
力部分の一方における光の位相を有効に制御することが
できる。２つの出力部分の一方における光の位相を制御
することによって、２つの出力部分に光の干渉が生じ
る。干渉は、２つの出力部分の一方において強め合う干
渉と、２つの出力部分の他方において弱め合う干渉とす
ることができ、これによって、フォトニック結晶干渉計
が提供される。 【００１３】本発明の第４の実施形態によれば、フォト
ニック結晶干渉計装置は、フォトニック結晶干渉計型ス
イッチを含む。すなわち、出力部分における強め合う干
渉によって、光はその部分を通って伝搬することが可能
になり、出力部分における弱め合う干渉によって、光が
その部分を通って伝搬できなくなる。本発明では、共振
部材の共振器領域に接続されて、共振器領域の共振周波
数を調整するチューニング部材を設けることによって、
この特徴を利用する。チューニング部材は、共振器領域
において誘電体ポストの誘電率を制御する誘電率チュー
ニング部材を含むのが好ましく、チューニング部材は、
さらに、共振器領域の共振周波数を制御する。チューニ
ング部材の働きによって、２つの出力部分における強め
合う干渉と弱め合う干渉を逆にすることが可能であり、
この結果、光スイッチが形成される。 【００１４】誘電率チューニング部材は、例えば、電荷
担体効果または電気光学効果を利用して誘電率を調整す
るための電子誘電率チューニング部材とすることができ
る。代案として、チューニング部材は、例えば、光屈折
効果を利用して誘電率を調整するための光学誘電率チュ
ーニング部材とするができる。 【００１５】本発明のさらなる実施形態によれば、フォ
トニック結晶干渉計型スイッチは、例えば、ｎ×ｍスイ
ッチとして機能させることができ、この場合、ｎは入力
部分の数であり、ｍは出力部分の数である。さらに、フ
ォトニック結晶干渉計型スイッチは、変調器として機能
させることもできる。 【００１６】一般に、本発明のフォトニック結晶干渉計
型スイッチは、さまざまな用途に利用可能であり、設計
者には、光集積回路における複雑な経路指定アーキテク
チャの設計の能力が提供される。 【００１７】本発明のさらなる利点及び特定の特徴につ
いては、本発明の例示的な実施形態に関する以下の詳細
な説明に関連して、明らかになるであろう。 【００１８】 【発明の実施の形態】図１には、従来技術において知ら
れている２次元フォトニック結晶スラブが例示されてお
り、これは、本発明の解説に役立つように提供されてい
る。フォトニック結晶スラブは、全体が参照番号１０に
よって示されており、内部にポスト１４のアレイを有す
るスラブ本体１２からなる。図１に示すように、ポスト
１４は、互いに平行に配置され、スラブ本体を貫いて、
その上面１６から底面１８まで延びている。 【００１９】２次元フォトニック結晶スラブ１０は、さ
まざまな形態をとることができる。例えば、ポスト１４
は、第１の誘電体材料から形成されたロッドからなるこ
とができ、スラブ本体１２は、誘電率が第１の誘電体材
料の誘電率とは異なる第２の誘電材料から形成された本
体からなることができる。代案として、ポストは、誘電
体材料のスラブ本体に形成された穴からなることもで
き、あるいは、ポストは、誘電体材料のロッドからなる
ことができ、スラブ本体は、空気、別のガス、または真
空とすることができる。さらに、ポストは、正方形のポ
ストアレイを画定するように構成されることもでき、あ
るいは、矩形アレイまたは三角形アレイといった異なる
態様に構成され得る。 【００２０】図１に示すような２次元フォトニック結晶
スラブの場合、スラブ内を伝搬する光は、全内反射によ
って、スラブ面１６及び１８に対して垂直な方向に閉じ
込められる。しかし、スラブ面に対して垂直以外の方向
に、スラブ内を伝搬する光は、スラブの空間的な周期的
構造によって制御される。特に、空間的な周期的構造に
よって、スラブを通る光の伝搬が阻止される構造の伝送
特性にフォトニックバンドギャップがあけられる。すな
わち、スラブ面に対して垂直以外の方向に、図１の２次
元フォトニック結晶スラブ内を伝搬する、スラブのバン
ドギャップ内の周波数を備えた光は、スラブを介して伝
搬しないが、バンドギャップ外の周波数を備えた光は、
妨げられることなく、スラブを通って伝えられる。 【００２１】同一の譲受人に譲渡され、参照により本明
細書に組み込まれる同時係属の米国特許出願第０９／８
４６，７４８号には、フォトニック結晶の周期的な格子
に欠陥を導入して、欠陥部位で捕捉される、周囲のフォ
トニック結晶材料のバンドギャップ内の共振周波数を備
えた、局所化電磁状態を生じさせる方法が記載されてい
る。これらの欠陥を適切な態様で配置することによっ
て、フォトニック結晶のバンドギャップ内の周波数を有
する（従って、通常は、フォトニック結晶を通って伝搬
することができない）光がフォトニック結晶を通って伝
送される導波路を、フォトニック結晶内に形成すること
ができる。欠陥領域は、直線状に広がることもできる
し、あるいは曲がった導波路を画定するために、例えば
９０度の屈曲部といった、１つ以上の屈曲部を含むよう
に構成することも可能である。２次元フォトニック結晶
導波路装置における光の有効な伝搬は、２次元有限差分
時間領域（Finite-Difference Time-Domain：ＦＤＴ
Ｄ）技法（「Computational Electrodynamics，the Fin
ite-Difference Time-Domain Method」，A.Taflove，Ar
tech House，1995を参照）を利用して、既に実証されて
おり、直線導波路及び１つ以上の９０度の屈曲部を備え
た導波路の両方によって、低損失で、効率のよい光の誘
導が可能であることが明らかにされている。 【００２２】図２には、本発明の一実施形態によるフォ
トニック結晶干渉計型スイッチが例示されている。スイ
ッチは、全体が参照番号３０によって示されており、空
気中において正方形アレイをなす誘電体ポスト３９から
構成された２次元フォトニック結晶スラブ３１からな
る。フォトニック結晶スラブにおける欠陥領域は、周囲
のフォトニック結晶材料のバンドギャップ内の周波数を
有する光が伝搬できる導波路２０を形成する。導波路２
０には、入力部分３２、出力部分３３及び３４、及び出
力部分３３及び３４を接続する干渉チャネル３５が含ま
れる。入力部分３２は、１つのポストラインの一部から
ポストを省略することによって形成され、出力部分３３
及び３４は、それぞれ、互いに垂直な２つのポストライ
ンの一部からポストを除去して、出力部分に２つの９０
度屈曲部を生じさせることによって形成される。干渉チ
ャネル３５は、出力部分３３及び３４に対して垂直なポ
ストラインの一部からポストを省略することによって形
成される。 【００２３】さらに、フォトニック結晶スラブ３０は、
導波路の出力部分３４の側壁から延びて、導波路の出力
部分３４における光の位相を制御するための共振部材３
７を含む。共振部材３７は、共振器領域３８と接続チャ
ネル３６を含む。 【００２４】図２に例示した実施形態の場合、接続チャ
ネル３６は、導波路２０の出力部分３４の側壁から出力
部分に対して垂直な方向に延びる短いチャネルからな
り、ポストアレイから１つのポスト３９を省略すること
によって形成される。共振器領域３８は、直径がポスト
３９より大きいポスト２４からなる３×３のサブアレイ
を備えたほぼ正方形領域から構成される。図２に示すよ
うに、接続チャネル３６は、共振器領域３８と出力部分
３４とを接続する短い導波路セクションを構成する。 【００２５】さらに図２に示すように、共振器領域３８
におけるポスト２４の誘電率を制御し、さらには共振部
材３７の共振周波数、ひいては出力部分３４の光の位相
を制御するために、チューニング部材２２が設けられ
る。さらに詳細に後述するように、出力部分３４の光の
位相を制御することによって、出力部分のそれぞれにお
ける干渉を、強め合う干渉から弱め合う干渉に、あるい
は弱め合う干渉から強め合う干渉にスイッチし、これに
よって光スイッチを提供できる。 【００２６】誘電率チューニング部材は、当業者にとっ
て良く知られているため、本明細書での詳述は不要であ
り、誘電率チューニング部材は電子式または光学式とす
ることができる。例えば、電子誘電率チューニング部材
は、電荷担体効果または電子光学効果を利用することが
できる。光学誘電率チューニング部材は、光屈折効果を
利用することができる。これらの効果は全て、光周波数
領域では比較的わずかなものであるが、本発明の装置の
適切なチューニングを実施するには十分な大きさであ
る。 【００２７】図２のフォトニック結晶干渉計型スイッチ
３０の動作は、干渉計型スイッチにおける干渉現象の本
質を示す簡略化された１次元モデルによって最も明確に
説明される。図３は、全体が参照番号４０で示された干
渉計型スイッチの簡略化１次元モデルの図である。フォ
トニック結晶干渉計型スイッチのこのモデルでは、図２
の導波路２０は、１つの入力部分４１、２つの出力部分
４２及び４３、及び２つの出力部分４２及び４３を接続
する干渉チャネル４４を含む理想化された１次元導波路
４９に置き換えられている。光信号は、入力部分４１を
通って位置４８まで伝搬し、等しい振幅の２つの光信号
に分割されて、出力部分４２及び４３に沿って伝搬す
る。入力部分４１における光信号の振幅は、下記の概略
の形式を有する。すなわち、 Ｅ〜ｅｘｐ（ｊｋｘ） ここで、ｋ＝２π／λ、λは光信号の波長であり、ｊは
複素数であり、ｘは入力部分４１に沿った距離である。
それぞれ、９０度屈曲部を含む出力部分４２及び４３を
進んだ後、２つの光信号は、位置４５及び４６において
干渉し、その振幅は下記の形式を有する。すなわち、 Ｅ４５〜ｅｘｐ（ｊｋＬ１）＋ｅｘｐ（ｊｋ［Ｌ１＋Ｌ
２］＋ｊφ） Ｅ４６〜ｅｘｐ（ｊｋＬ１＋ｊφ）＋ｅｘｐ（ｊｋ［Ｌ
１＋Ｌ２］） ここで、Ｅ４５は、位置４５における光信号の振幅であ
り、Ｅ４６は、位置４６における光信号の振幅であり、
Ｌ１は、出力部分４２及び４３の長さであり、Ｌ ２は、
干渉チャネル４４の長さであり、φは、チューニングシ
ステム４７からの追加される位相偏移である。これらの
式は、下記のように書き直すことができる。すなわち、 Ｅ４５〜ｅｘｐ（ｊｋＬ１）［１＋ｅｘｐ（ｊｋＬ２＋
ｊφ）］ Ｅ４６〜ｅｘｐ（ｊｋ［Ｌ１＋Ｌ２］）［１＋ｅｘｐ
（−ｊｋＬ２＋ｊφ） これから、２つの出力部分４２及び４３におけるエネル
ギ密度の大きさを計算することが可能である。すなわ
ち、 ｜Ｅ４５｜２〜ｃｏｓ２（（ｋＬ２＋φ）／２） ｜Ｅ４６｜２〜ｃｏｓ２（（ｋＬ２−φ）／２） ここで、｜Ｅ４５｜２は、位置４５におけるエネルギ密
度の大きさであり、｜Ｅ ４６｜２は、位置４６における
エネルギ密度の大きさである。 【００２８】図４は、上述の位置４５及び４６における
光信号のエネルギ密度対ｋＬ２／２を近似する、ｃｏｓ
２（ｋＬ２／２）のプロットであり、ｋＬ２／２は、干
渉チャネルを通って伝搬する光信号の位相偏移である。
干渉チャネル４４の長さが、チューニングシステム４７
（チューニングシステム４７は、図２の共振部材３７及
びチューニング部材２２に相当する）からの位相偏移φ
が生じないようなｋＬ ２／２＝３π／４に選択される
と、位置４５及び４６における光信号の振幅は、図４の
ポイント５０に相当し、最大出力値の半分であるため、
パワースプリッタが形成される。位置４５及び４６にお
ける光信号パワーは、チューニングシステム４７を利用
して、出力部分４３の光信号に位相偏移を追加すること
によって、増／減できる。周波数領域における付加的な
位相偏移は、相関して時間遅延を生じ、このため、２つ
の信号の位相がずれて、干渉を生じることになる。チュ
ーニングシステム４７を利用して、出力部分４３におけ
る信号の位相を変化させると、光スイッチが形成され
る。従来技術において知られているように、導波路を通
って伝搬し、共振領域を通過した信号の位相偏移は、共
振からほど遠い周波数に関してゼロであり、共振に近い
周波数については非ゼロである。位相偏移は、信号周波
数を高くして、チューニングシステム４７の共振周波数
と整合させなければならない場合には、−π／２にな
り、信号周波数を低くして、チューニングシステム４７
の共振周波数と整合させなければならない場合には、＋
π／２になる。 【００２９】図３を参照すると、チューニングシステム
４７が、図４におけるポイント５０をわずかに超える共
振周波数を有している場合、出力部分４３の光信号は、
−π／２の位相偏移を受け、出力部分４３における光信
号のパワーレベルは、図４の位置５０から位置５１、す
なわち最大出力パワーまでシフトすることになる。同様
に、出力部分４２を通って伝搬する光信号は、位置４５
において、無光信号出力すなわち図４の位置５２に対応
する、弱め合う干渉を受けることになる。従って、チュ
ーニングシステム４７の共振周波数を変更することによ
って、光信号を位置４６にスイッチすることができる。 【００３０】図５は、図２のフォトニック結晶干渉計型
スイッチの出力部分３３及び３４におけるエネルギ密度
のプロットである。エネルギ密度は、上述の２次元有限
差分時間領域（ＦＤＴＤ）技法を用いて計算された。計
算に関して、フォトニック結晶基板３１は、それぞれ、
半径が０．１８ａ０に等しい誘電体ポスト３９の正方形
アレイから構成された（ここで、ａ０は、アレイのポス
ト間の間隔である）。出力部分３３及び３４は、それぞ
れ、互いに垂直な２つのポストラインの一部から誘電体
ポスト３９を省略することによって形成された。入力部
分３２は、１つの誘電体ポストラインの一部から誘電体
ポストを省略することによって形成された。共振部材３
７は、出力部分３４に対して垂直な短い（１つのポスト
の）接続チャネル３６と、直径が０．２５ａ０のポスト
からなる３×３の正方形アレイから構成された共振器領
域３８を含んでいた。ポスト２４の誘電率は、１１．４
に等しくなるように設定されたが、公称値の数パーセン
トだけ調整可能である。チューニング部材２２を用い
て、誘電率の公称値を変化させ、出力部分３４の光の周
波数にわたって、共振部材３７の共振周波数を掃引する
と、入力部分３２の光が、チューニング部材２２によっ
て生じた位相変化によって生じる、所望の出力部分にお
ける干渉の変化に起因して、２つの出力部分３３と３４
の間でスイッチされ、従って、光スイッチが形成され
る。 【００３１】本発明の装置の動作特性は、さまざまなや
り方で修正できるため、上述のシミュレートされた性能
は、単なる例示を意図したものにすぎない。例えば、共
振部材の寸法を縮小することによって、より狭い範囲の
誘電率変動に対して、スイッチングを生じさせることが
可能である。 【００３２】さらに認識されるべきことは、上述のシミ
ュレーションが、構成要素をなす誘電体ポストに対して
平行な次元の効果を無視して、２次元で実施されたとい
う点である。当該技術において知られているように、こ
の種の構造を３次元に一般化すると、計算結果に多少の
量的相違を生じることになるが、質的に有効な物理特性
は維持される。 【００３３】前述の２次元構造に組み込まれたフォトニ
ック結晶格子構造は、いくつかの３次元での実現が可能
である。図６ａ及び図６ｂには、２つの典型的な３次元
の幾何学的形状が示されており、誘電体ポストが有限長
であることが明らかにされている。図６ａに例示された
構造７０では、ポストユニット７１には、上方及び下方
のクラッド層のポスト部分７４と７６との間に挟まれた
フォトニック結晶ポスト部分７２が含まれており、各ポ
ストユニットは、基板７８上に支持されている。図６ｂ
に示す構造８０の場合、ポストユニット７３には、上方
クラッドポスト部分７４がない。 【００３４】前述のように、ポストに対して平行な次元
における光の閉じ込めは、この次元において光の全内反
射を生じることになる、より誘電率の高いフォトニック
結晶領域によって実施される。さらに留意すべきは、誘
電体または金属の、２つの反射表面の間にフォトニック
結晶のポストを「挟んで」、ポストに対して平行な次元
で必要な閉じ込めを行うもう１つの実現例が可能である
という点である。 【００３５】また、言うまでもなく、上述のフォトニッ
ク結晶干渉計型スイッチは、一般に、空気中における誘
電体ロッドのアレイからなるが、フォトニック結晶は、
誘電体基板においてガスまたは真空の「充填された」穴
のアレイから構成されることもでき、あるいは誘電率が
ロッド材料と異なる誘電体材料からなる本体に埋め込ま
れた誘電体ロッドのアレイから構成されることもでき
る。さらに、上述の実施形態は、概して、２次元装置を
説明しているが、本発明は、同種の動作特性を備えた、
完全な３次元フォトニック結晶装置にも適用可能であ
る。 【００３６】本発明のフォトニック結晶干渉計型スイッ
チは、１×２スイッチとして実施可能であり、この場
合、共振部材は、チューナブル遅延機構としての働きを
し、干渉計における２つの対抗伝搬信号によって、スイ
ッチの出力部分において、選択的に強め合う干渉または
弱め合う干渉を生じさせる。スイッチは、１つの出力部
分を分離することによって、変調器として用いることも
可能であり、一般には、信号ルータが役に立つ可能性の
ある任意の用途に利用することができる。 【００３７】説明されてきたことは、本発明の現在のと
ころ好適な実施形態を構成するが、本発明が他の多くの
形態をとることが可能であることは認められるべきであ
る。例えば、本明細書に記載された実施形態には、１つ
の入力部分と２つの出力部分を備えた、単一導波路が含
まれるが、他の実施形態では、導波路は、２つ以上の入
力部分と４つ以上の出力部分を含むことができる。さら
に、フォトニック結晶集積回路を利用して、複雑な経路
指定アーキテクチャを構成する光集積回路へ、いくつか
の導波路を組み込むことも可能である。また、上述の実
施形態の欠陥領域は、選択されたポストを省略すること
によって形成されたが、他の実施形態では、選択された
ポストを修正することによって欠陥領域を形成すること
が可能である。 【００３８】本発明は、さまざまな形態をとることが可
能であるので、本発明は、特許請求の範囲によって必要
とされる限りにおいてのみ制限されるべきであることは
理解されたい。 【００３９】以下においては、本発明の種々の構成要件
の組み合わせからなる例示的な実施形態を示す。 １．フォトニック結晶干渉計装置であって、フォトニッ
ク結晶と、少なくとも１つの入力部分、少なくとも２つ
の出力部分、及び前記少なくとも２つの出力部分を接続
する干渉チャネルからなり、前記フォトニック結晶のバ
ンドギャップ内の光を透過することが可能な、前記フォ
トニック結晶内の導波路と、及び前記少なくとも２つの
出力部分の少なくとも一方に接続されて、前記導波路内
における光の特性を制御することにより、前記導波路内
における光の干渉を制御する共振部材とからなる、フォ
トニック結晶干渉計装置。 ２．前記共振部材が、共振器領域、及び前記共振器領域
と前記少なくとも２つの出力部分の少なくとも一方とを
接続する接続チャネルを含む、上記１に記載のフォトニ
ック結晶干渉計装置。 ３．前記接続チャネルが、前記少なくとも２つの出力部
分の前記少なくとも一方の側壁から垂直に延びている、
上記２に記載のフォトニック結晶干渉計装置。 ４．前記フォトニック結晶が、周期的な格子からなり、
前記導波路が、前記周期的な格子に第１の欠陥領域を含
み、前記接続チャネルが、前記周期的な格子に少なくと
も１つの第２の欠陥を含み、前記共振器領域が、前記周
期的な格子の修正部分を含む、上記２に記載のフォトニ
ック結晶干渉器装置。 ５．前記周期的な格子が、ポストアレイを含み、前記第
１の欠陥領域が、前記ポストアレイの複数ラインの一部
においてポストを省略することによって生じ、前記少な
くとも１つの第２の欠陥が、前記ポストアレイにおいて
１つのポストを省略することによって生じ、前記共振器
領域が、前記ポストアレイのサブアレイを含み、そのサ
ブアレイが、前記ポストアレイにおける他のポストとは
異なる直径のポストからなる、上記４に記載のフォトニ
ック結晶干渉計装置。 ６．前記光の特性が、光の位相を含み、前記共振器領域
の設計パラメータによって、前記少なくとも２つの出力
部分の前記少なくとも一方における光の位相が制御さ
れ、前記共振器領域の前記設計パラメータが、前記共振
器領域におけるポストの数と、前記共振器領域における
前記ポストの直径の少なくとも一方を含む、上記５に記
載のフォトニック結晶干渉計装置。 ７．チューニング部材を更に含み、そのチューニング部
材が、前記共振器領域に接続されて、前記共振部材の共
振周波数を制御することにより、前記少なくとも２つの
出力部分の前記少なくとも一方における光の特性を制御
する、上記２に記載のフォトニック結晶干渉計装置。 ８．前記共振器領域が、誘電体ポストアレイを含み、前
記チューニング部材が、前記共振器領域における前記誘
電体ポストを構成する材料の誘電率を調整するための誘
電率チューナを含む、上記７に記載のフォトニック結晶
干渉計装置。 ９．前記誘電率チューナが、電子誘電率チューナ及び光
学誘電率チューナからなるグループから選択された誘電
率チューナからなる、上記８に記載のフォトニック結晶
干渉計装置。 １０．前記フォトニック結晶干渉計装置が干渉計型スイ
ッチを構成する、上記７に記載のフォトニック結晶干渉
計装置。 １１．前記干渉計型スイッチが、１×２光スイッチと光
変調器からなるグループから選択されたスイッチからな
る、上記１０に記載のフォトニック結晶干渉計装置。 １２．前記フォトニック結晶が２次元フォトニック結晶
スラブからなる、上記１に記載のフォトニック結晶干渉
計装置。 １３．フォトニック結晶干渉計型スイッチであって、フ
ォトニック結晶と、少なくとも１つの入力部分、少なく
とも２つの出力部分、及び前記少なくとも２つの出力部
分を接続する干渉チャネルからなり、前記フォトニック
結晶のバンドギャップ内の周波数を有する光を伝送する
ことが可能な、前記フォトニック結晶内の導波路と、及
び前記導波路の前記少なくとも２つの出力部分の少なく
とも一方の側壁から延び、前記少なくとも２つの出力部
分の前記少なくとも一方において光の位相を制御するこ
とにより、前記導波路における光の経路指定を制御する
チューニングシステムとからなる、フォトニック結晶干
渉計型スイッチ。 １４．前記チューニングシステムが、共振器領域、及び
前記共振器領域と前記少なくとも２つの出力部分の前記
少なくとも一方とを接続する接続チャネルを含む共振部
材と、チューニング部材とを含み、前記チューニング部
材が、前記共振器領域に接続されて、前記共振部材の共
振周波数を制御する、上記１３に記載のフォトニック結
晶干渉計型スイッチ。 １５．前記共振器領域が、誘電体部材のアレイを含み、
前記チューニング部材が、前記誘電体部材の誘電率を制
御するための誘電率チューナを含む、上記１４に記載の
フォトニック結晶干渉計型スイッチ。 １６．前記フォトニック結晶干渉計型スイッチが、光変
調器と、１×２の光干渉計型スイッチとを含むグループ
から選択されたスイッチを含む、上記１４に記載のフォ
トニック結晶干渉計型スイッチ。 １７．フォトニック結晶と、入力部分、２つの出力部
分、及び前記２つの出力部分を接続する干渉チャネルを
含む前記フォトニック結晶内の導波路と、前記２つの出
力部分の一方に接続されて、前記２つの出力部分の前記
一方において光の位相を制御することにより、前記２つ
の出力部分の前記一方に強め合う干渉を生じさせて、光
が前記２つの出力部分の前記一方を通って伝搬するよう
にし、前記２つの出力部分の他方に弱め合う干渉を生じ
させて、光が前記２つの出力部分の前記他方を通って伝
搬するのが禁止されるようにする共振部材とを含む光ス
イッチにおいて、前記スイッチを操作するための方法で
あって、前記共振部材の共振周波数を変更して、前記２
つの出力部分の一方において光の位相を変化させ、前記
２つの出力部分の一方から前記２つの出力部分の他方に
光の伝搬をスイッチすることからなる、方法。 １８．前記共振部材が、誘電体部材アレイを備えた共振
器領域と、前記共振器領域と前記２つの出力部分の前記
一方とを接続する接続チャネルとを含み、前記共振部材
の共振周波数を変更することが、前記共振部材における
前記誘電体部材の誘電率を変更することを含む、上記１
７に記載の方法。 １９．前記誘電体部材の誘電率を変更することが、前記
誘電体部材の前記誘電率を光学的に変更することを含
む、上記１８に記載の方法。 ２０．前記誘電体部材の誘電率を変更することが、前記
誘電体部材の前記誘電率を電子的に変更することを含
む、上記１８に記載の方法。 【００４０】 【発明の効果】本発明により、装置の導波路において光
の干渉を制御するフォトニック結晶干渉計装置が提供さ
れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術において知られている２次元フォトニ
ック結晶スラブの略透視図である。 【図２】本発明の実施形態による２次元フォトニック結
晶干渉計型スイッチの略断面図である。 【図３】図２のフォトニック結晶干渉計型スイッチの１
次元モデルの概略図である。 【図４】図３の１次元フォトニック結晶干渉計型スイッ
チの導波路の出力部分におけるエネルギ密度の大きさを
例示したグラフである。 【図５】図２の２次元フォトニック結晶干渉計型スイッ
チの共振器領域におけるポストの誘電率の変化の結果を
例示したグラフであり、共振器領域における相対誘電率
の関数として、導波路の２つの出力部分におけるエネル
ギ密度を示したグラフである。 【図６ａ】本発明の３次元実施例において利用可能なフ
ォトニック結晶による「誘電体スラブのポスト」に関す
る明白な３次元実現例の典型的な２つの幾何学的形状に
ついて概略を例示した図である。 【図６ｂ】本発明の３次元実施例において利用可能なフ
ォトニック結晶による「誘電体スラブのポスト」に関す
る明白な３次元実現例の典型的な２つの幾何学的形状に
ついて概略を例示した図である。 【符号の説明】 20 導波路 22 チューニング部材 30 スイッチ 31 ２次元フォトニック結晶スラブ 32 入力部分 33、34 出力部分 35 干渉チャネル 36 接続チャネル 37 共振部材 38 共振器領域 39 誘電体ポスト 44 干渉チャネル
ック結晶スラブの略透視図である。 【図２】本発明の実施形態による２次元フォトニック結
晶干渉計型スイッチの略断面図である。 【図３】図２のフォトニック結晶干渉計型スイッチの１
次元モデルの概略図である。 【図４】図３の１次元フォトニック結晶干渉計型スイッ
チの導波路の出力部分におけるエネルギ密度の大きさを
例示したグラフである。 【図５】図２の２次元フォトニック結晶干渉計型スイッ
チの共振器領域におけるポストの誘電率の変化の結果を
例示したグラフであり、共振器領域における相対誘電率
の関数として、導波路の２つの出力部分におけるエネル
ギ密度を示したグラフである。 【図６ａ】本発明の３次元実施例において利用可能なフ
ォトニック結晶による「誘電体スラブのポスト」に関す
る明白な３次元実現例の典型的な２つの幾何学的形状に
ついて概略を例示した図である。 【図６ｂ】本発明の３次元実施例において利用可能なフ
ォトニック結晶による「誘電体スラブのポスト」に関す
る明白な３次元実現例の典型的な２つの幾何学的形状に
ついて概略を例示した図である。 【符号の説明】 20 導波路 22 チューニング部材 30 スイッチ 31 ２次元フォトニック結晶スラブ 32 入力部分 33、34 出力部分 35 干渉チャネル 36 接続チャネル 37 共振部材 38 共振器領域 39 誘電体ポスト 44 干渉チャネル
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 カート・エイ・フロリィ
アメリカ合衆国カリフォルニア州94024,
ロスアルトス，ライムンド・アベニュー・
774
(72)発明者 ミハイル・エム・シガラス
アメリカ合衆国カリフォルニア州95051,
サンタクララ，サウス・ドライブ・2411
Ｆターム(参考） 2H047 KA03 LA12 NA01 RA08
2H079 AA02 AA12 BA03 CA05 DA03
EA03 EA05
2K002 AB04 CA01 DA08 EA15
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 【請求項１】フォトニック結晶干渉計装置であって、 フォトニック結晶と、 少なくとも１つの入力部分、少なくとも２つの出力部
分、及び前記少なくとも２つの出力部分を接続する干渉
チャネルからなり、前記フォトニック結晶のバンドギャ
ップ内の光を透過することが可能な、前記フォトニック
結晶内の導波路と、及び前記少なくとも２つの出力部分
の少なくとも一方に接続されて、前記導波路内における
光の特性を制御することにより、前記導波路内における
光の干渉を制御する共振部材とからなる、フォトニック
結晶干渉計装置。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US09/946,847 US6775430B2 (en) | 2001-09-04 | 2001-09-04 | Photonic crystal interferometric switch |
| US09/946847 | 2001-09-04 |
Publications (2)
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|---|---|
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
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|---|---|
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| EP (1) | EP1296177B1 (ja) |
| JP (1) | JP2003161971A (ja) |
| DE (1) | DE60228033D1 (ja) |
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