JP2003185864A

JP2003185864A - フォトニック結晶光機能素子

Info

Publication number: JP2003185864A
Application number: JP2001387078A
Authority: JP
Inventors: Masaru Ai; 勝藍; Hiroshi Ishikawa; 石川　　浩
Original assignee: GIJUTSU KENKYU KUMIAI FUEMUTOB; GIJUTSU KENKYU KUMIAI FUEMUTOBYOU TECHNOLOGY KENKYU KIKO; Fujitsu Ltd
Current assignee: GIJUTSU KENKYU KUMIAI FUEMUTOB; GIJUTSU KENKYU KUMIAI FUEMUTOBYOU TECHNOLOGY KENKYU KIKO; Fujitsu Ltd
Priority date: 2001-12-20
Filing date: 2001-12-20
Publication date: 2003-07-03

Abstract

(57)【要約】【課題】フォトニック結晶光機能素子に関し、光の群
速度を低下させて光を閉じ込めることによって光非線型
性を増強し、５０ｆＪ以下の低エネルギーで高速・高効
率の光スイッチあるいは光遅延線を実現する。【解決手段】光非線型媒質からなるポール１或いは光
非線型媒質からなる板状部材に設けられた穴４が周期的
に配置されて周期的屈折率分布を構成する二次元フォト
ニック結晶に、同一透過波長を有するポール或いは穴か
らなるサイズｒ₁を大きくした欠陥２，５とサイズｒ₂
（但し、０≦ｒ₂≦ｒ₁）を小さくした欠陥３，６を交
互配置する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、フォトニック結晶
光機能素子に関するものであり、特に、今後の光通信シ
ステムでのノードで重要な役割を果たすピコ秒〜フェム
ト秒の超高速光パルス信号に遅延を与えたり、超高速の
光パルスを制御光によってスイッチングすることのでき
る全光機能素子における新規な光欠陥部の構成に特徴の
あるフォトニック結晶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強く要請
されており、これを実現するために、半導体量子構造や
有機・無機材料の３次非線型性を用いた全光スイッチの
研究開発が進められてきた。

【０００４】上述の高速の光スイッチングを実現するた
めには、応答速度が速い大きな非線型感受率を有する量
子構造や材料が必要であるが、高速性と大きな非線型性
を同時にみたすのは困難なのが現状であり、従来技術で
全光スイッチングを行おうとすると最低でも数１ｐＪ
（ピコジュー）のエネルギーが必要であり、１Ｔｂ／ｓ
の速度では発熱のために使用困難になる。

【０００５】そこで、近年、光非線形効果によるバンド
充填効果を用いることなく、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
（ＰｈｏｔｏｎｉｃＢａｎｄｇｙａｐ）を利用するこ
とが提案されている。

【０００６】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等の全光機能素子にお
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。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述のフォト
ニックバンドギャップ構造を利用した光スイッチング素
子に関しては、原理的な構成はともかく、具体的な素子
構造が殆ど提示されていないのが現状である。なお、本
発明者は、フォトニックバンドギャップ構造を利用した
全光機能素子について、既に幾つかの提案をしている
（必要ならば、特願２００１−９６１２１号参照）。

【０００８】したがって、本発明は、光の群速度を低下
させて光を閉じ込めることによって光非線型性を増強
し、５０ｆＪ（フェムトジュール）以下の低エネルギー
で高速・高効率の光スイッチ或いは光遅延線を実現する
ことを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】ここで、図１乃至図４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。なお、図１（ａ）は、周期的にポールを配置
した場合の二次元フォトニック結晶であり、図１（ｂ）
は、周期的に穴を配置した場合の二次元フォトニック結
晶である。図１（ａ）及び（ｂ）参照本発明は、上記の目的を達成するために、フォトニック
結晶光機能素子において、光非線型媒質からなるポール
１或いは光非線型媒質からなる板状部材７に設けられた
穴４が周期的に配置されて周期的屈折率分布を構成する
二次元フォトニック結晶に、前記ポール或いは穴からな
るサイズｒ₁を大きくした欠陥２，５とサイズｒ₂（但
し、０≦ｒ₂≦ｒ₁）を小さくした欠陥３，６が交互配
置されるとともに、これら欠陥が単独の欠陥の場合に同
一透過波長を有する大きさを有することを特徴とする。

【００１０】本発明は、２次元フォトニック結晶におい
て、サイズを小さくした欠陥３，６とサイズを大きくし
た欠陥２，５が異なる空間光分布を持ちながら、同一の
パスバンドの波長を持つように設計が可能なことを、見
出し、この特徴を利用したものである。

【００１１】図２参照図２は、光非線型媒質からなるポール（ピラー）を二次
元正方格子状に配列したフォトニック結晶に置ける欠陥
のペアの周波数（ｃ／ａ）と欠陥の半径ｒとの関係を示
す図であり、この場合には、各欠陥２，３当たり両側に
それぞれ４個のポールを設けた場合、即ち、ｍ＝４の場
合を示している。

【００１２】図に示すように、エア・バンドとダイエレ
クトリック・バンドとの間に形成される禁制帯中に、欠
陥の大きさに応じた透過波長が存在し、例えば、欠陥半
径ｒがポールの周期ａの０倍である場合と、約０．２８
１８倍の場合に、規格周波数（ｃ／ａ）が０．３８弱の
位置にパスバンド波長を有することが理解される。

【００１３】また、欠陥の半径ｒがポールの周期ａの
０．１５倍である場合と、約０．４１４倍の場合に、規
格周波数（ｃ／ａ）が０．２９強の位置にパスバンド波
長を有することが理解される。

【００１４】したがって、本発明は、欠陥の半径は異な
るが同一のパスバンド波長を有する欠陥を組み合わせる
ことによって、例えば、ｒ／ａが０と０．２８１８との
ペア、或いは、ｒ／ａが０．１５と０．４１４のペアに
よって、各種の透過帯特性を形成することを可能にした
ものである。

【００１５】図３（ａ）及び（ａ）′参照図３（ａ）は、二次元フォトニック結晶に半径ｒ＝０の
欠陥２を設けた場合の、即ち、本来、ポール１がある場
所にポールが存在しない場合の状態を示す平面図であ
り、図３（ａ）′は、図３（ａ）に示す二次元フォトニ
ック結晶に光が入射した場合の欠陥２における光の空間
分布を示した図である。

【００１６】図において、黒く見える部分は負の電界強
度が大きな領域で、白く見える部分は正の電界強度が強
い部分である。図から明らかな様に欠陥２に対して４回
線対称的に分布していることが理解される。

【００１７】図３（ｂ）及び（ｂ）′参照図３（ｂ）は、二次元フォトニック結晶に半径ｒ＝０．
２８１８ａの欠陥３を設けた場合の、即ち、本来、ポー
ル１がある場所にポール１より半径の大きなポールから
なる欠陥３を設けた場合の状態を示す平面図であり、図
３（ｂ）′は、図３（ｂ）に示す二次元フォトニック結
晶に光が入射した場合の欠陥３における光の空間分布を
示した図である。

【００１８】この場合も、図において、黒く見える部分
は負の電界強度が大きな領域で、白く見える部分は正の
電界強度が強い部分である。図から明らかな様に欠陥３
に対しては、１回線対称的に分布していることが理解さ
れ、上記のｒ＝０ａの場合と電場分布の状態が全く異な
っていることが理解される。

【００１９】図４（ａ）参照図４（ａ）は、ｒ／ａが０の欠陥と０．２８１８の欠陥
を組み合わせた場合のフォトニック結晶の光透過特性を
示す図であり、実線で示す０と０．２８１８のペア、破
線で示す０同士のペア、及び、点線で示す０．２８１８
同士のペアのいずれの場合も、規格化周波数が０．３８
弱の周波数の光に対して比較的平坦な光透過特性が得ら
れる。

【００２０】図４（ｂ）参照図４（ｂ）は、ｒ／ａが０．１５の欠陥と０．４１４の
欠陥を組み合わせた場合のフォトニック結晶の光透過特
性を示す図であり、実線で示す０．１５と０．４１４の
ペア及び点線で示す０．４１４同士のペアの場合には、
規格化周波数が０．２９強の周波数の光に対して比較的
窪みの少ない光透過特性が得られるが、破線で示す０．
１５同士のペアの場合には、平坦な光透過特性が得られ
ないことが理解される。これは、光の強度分布が、欠陥
で逆位相で分布するために、所謂アンチボンディング状
態が形成されるためと考えられる、このような窪みが大
きくなると、信号光には周波数の拡がりがあるので、透
過後のパルス波形が歪むことになる。

【００２１】即ち、本発明は、同一の波長の異なる電場
分布の欠陥２，３を組み合わせることで欠陥導波路を形
成して平坦な光透過特性を実現し、さらに、この導波路
に弱い信号光と強い制御光を光スイッチング機能を実現
しようというものである。この場合、強い制御光を入射
させたとき、半径が小さいかあるいはゼロの欠陥２は光
に対して応答しないが、大きな半径の欠陥３は３次の光
非線型性を有する誘電体材料でできており、光の入射に
よって、入射した光は欠陥部分に集中しているため、わ
ずかな屈折率の変換が大きな透過特性の変化になり、こ
の屈折率変化を利用してスイッチングが可能になる。

【００２２】また、この様な欠陥部において、入射した
信号光は閉じ込められて多重反射するので、出力光には
遅延が発生するので、光遅延素子としても使用できるも
のである。なお、この様な現象は、光非線型媒質からな
る板状部材７に周期的に穴を設けたフォトニック結晶に
おいても同様である。

【００２３】再び、図１（ａ）及び（ｂ）参照また、ポール１或いは板状部材７を、スラブ型導波路構
造或いは板状の導波路構造とすることによって、光の閉
じ込め効果を高めることができ、それによって導波損失
を低減することができる。

【００２４】また、光非線型媒質としては、バルク半導
体、或いは、量子井戸構造半導体のいずれかが望ましい
が、無機絶縁体或いは有機絶縁体でも良く、特に、量子
井戸構造を用いる場合には、歪量子井戸構造が望まし
く、それによって、屈折率変化を大きく取ることができ
るので、光スイッチング特性が向上する。

【００２５】また、二次元フォトニック結晶の欠陥２，
３，５，６の部分にのみ、周囲より相対的に非線型感受
率の高い光非線型媒質を配置しても良いものであり、そ
れによって、より、光非線型効果を高めることができ
る。

【００２６】また、周期的屈折率分布を形成するための
二次元フォトニック結晶におけるポール或いは穴の配置
構造は、正方格子構造或いは三角格子構造のいずれでも
良く、特に、穴を設ける場合には、フォトニック・バン
ドギャップに十分な禁制帯を持たせるために三角格子構
造が望ましい。

【００２７】また、二次元フォトニック結晶に、外部光
を結合させるための光導波路を設ても良く、二次元フォ
トニック結晶が三角格子構造からなる場合には、斜め後
方に反射されて光結合効率が低下するのを防止するため
に、格子を一つ取り除いた欠陥の列からなる欠陥導波路
を用いることが望ましい。

【００２８】

【発明の実施の形態】ここで、図５及び図８を参照し
て、本発明の第１の実施の形態のフォトニック結晶光機
能素子を説明する。図５（ａ）参照図５（ａ）は、本発明の第１の実施の形態のフォトニッ
ク結晶光機能素子の概念的要部平面図であり、例えば、
ＧａＡｓ基板１１上に、半径ｒ＝０．２ａで、周期ａで
正方格子状に配置された開口部と、光導波方向に沿って
周期的に配置された半径ｒ＝０．２８１８ａの開口部と
を有するＳｉＯ₂膜パターン（図示を省略）を設け、有
機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）を用いてＳｉＯ₂膜
パターンをマスクとして選択成長することによって、ポ
ール１２と半径がｒ＝０．２８１８ａからなる欠陥１４
を設けたものである。なお、周期的なポール１２の欠如
部が半径がｒ＝０のポールに相当する欠陥部１３とな
り、したがって、ポール１２は、各欠陥１３，１４に対
して光の進行方向に対して前後に１個存在しているので
ｍ＝１となる。

【００２９】図５（ｂ）参照図５（ｂ）は、図５（ａ）の左側から光を入射させた場
合の光の電場分布を示す図、即ち、ｒ／ａ＝０の欠陥１
３とｒ／ａ＝０．２８１８の欠陥１４をペアで組み合わ
せた場合の光の電場分布を示す図であり、図３に示した
各電場分布が欠陥２，３の列に沿って交互に形成されて
いることが理解される。

【００３０】図６参照図６は、図５（ａ）に示した構造を拡張して、ｒ／ａ＝
０の欠陥１３を８個、及び、ｒ／ａ＝０．２８１８の欠
陥１４を７個交互に配列された場合の光透過特性を示す
図であり、平坦な帯域の光透過特性が得られていること
が理解される。

【００３１】図７参照図７は、図６に示した特性を有するフォトニック結晶
に、半値幅が５００ｆｓ（フェムト秒）の光パルスを入
れた時の、パルスの出力波形を示す図であり、透過帯域
が平坦であるために、パルスの波形は歪むことなく透過
し、また、１．３ｐｓ（ピコ秒）の光遅延が生じること
が理解される。この様に、欠陥を組み合わせた平坦な透
過特性のフォトニック結晶は光遅延線として使用するこ
とができる。

【００３２】図８参照図８は、このフォトニック結晶に平坦な透過帯域の中心
周波数より少し高周波側（高エネルギー側）の波長の制
御光を照射した場合の、透過帯域の変化を示す図であ
り、照射した光は欠陥部分に集中し、照射光量に応じて
欠陥部分の屈折率が変化し、光透過特性が変化する。

【００３３】図においては、屈折率変化Δｎが、Δｎ＝
０．０１、Δｎ＝０．０２、及び、Δｎ＝０．０３の３
つのケースについて示しており、上述の図６に示したΔ
ｎ＝０の場合に比較して、屈折率が１％変化すると約
１．５ｄＢの透過率の変化が生じ、屈折率が２％変化す
ると約６ｄＢの透過率の変化が生じ、また、屈折率が３
％変化すると約１２ｄＢの透過率の変化が生じることが
理解される。

【００３４】したがって、フォトニック結晶に平坦な透
過帯域の中心周波数より少し高周波側の波長の制御光を
照射して屈折率を変化させることによって、屈折率変化
によって透過率の変化が大きい平坦な透過帯域の中心周
波数近傍の周波数の信号光のスイッチングが可能にな
る。この場合、スイッチングに必要な制御光のエネルギ
ーは５０ｆＪ以下と見積もられる。

【００３５】この様に、第１の実施の形態においては、
ｒ／ａ＝０の欠陥１３とｒ／ａ＝０．２８１８の欠陥１
４をペアで組み合わせることによって、平坦な光透過帯
域と屈折率変化を得ることができ、また、ピコ秒オーダ
ーの光遅延線を構成することが可能になる。

【００３６】次に、図９を参照して、本発明の第２の実
施の形態のフォトニック結晶光機能素子を説明する。図９参照図９は、本発明の第２の実施の形態のフォトニック結晶
光機能素子の概念的要部平面図であり、まず、ＧａＡｓ
基板１１上に、半径ｒ₁で、周期ａで正方格子状に配置
された開口部と、光導波方向に沿って周期的に配置され
た半径ｒ₂の開口部とを有するＳｉＯ₂膜パターン（図
示を省略）を設け、このＳｉＯ₂膜パターンを選択成長
マスクとしてＭＯＶＰＥ法によって、ＧａＡｓ／ＡｌＧ
ａＡｓ構造の多重量子井戸構造からなる量子井戸ポール
１５と半径ｒ₂の円柱状の量子井戸ポールからなる欠陥
１７を設けたものである。なお、周期的な量子井戸ポー
ル１５の欠如部が半径がｒ＝０の穴に相当する欠陥部１
６となる。この様に、ポール及び欠陥を量子井戸構造と
することによって、屈折率変化を大きくすることができ
る。

【００３７】次に、図１０を参照して、本発明の第３の
実施の形態のフォトニック結晶光機能素子を説明する。図１０参照図１０は、本発明の第３の実施の形態のフォトニック結
晶光機能素子の概念的要部平面図であり、まず、ＧａＡ
ｓ基板２１上に、半径ｒ₁で、周期ａで正方格子状に配
置された開口部と、周期的に配置された半径ｒ₂の開口
部とを有するＳｉＯ₂膜パターン（図示を省略）を設
け、このＳｉＯ₂膜パターンをマスクとして異方性エッ
チングを施すことによって、周期的な円柱状の穴２２
と、半径ｒ₂の円柱状の穴からなる欠陥２４を設けたも
のである。なお、周期的な穴２２の欠如部が半径がｒ＝
０の穴に相当する欠陥部２３となり、したがって、穴２
２は、各欠陥２３，２４に対して光の進行方向に対して
前後に１個存在しているのでｍ＝１となる。

【００３８】この第３の実施の形態においては、平板の
ＧａＡｓ基板２１が厚み方向の光の閉じ込めを与えるた
め、上記の第１の実施の形態に比べて光導波性は良好に
なるとともに、第１の実施の形態と同様の平坦な光透過
特性と、光遅延特性を得ることができる。但し、穴２２
で正方格子のフォトニック結晶を構成する場合には、偏
波の効果で、ポールによってフォトニック結晶を構成す
る場合に比べて十分な禁制帯を持つことができない。

【００３９】また、ＧａＡｓ基板２１で吸収される波長
の制御光を入射した場合、欠陥部分以外でも光の吸収が
起こるが、光は欠陥部分に集中するので、欠陥部分での
吸収による非線型効果の影響が大きく、第１の実施の形
態と同様の光スイッチング特性を得ることができる。

【００４０】次に、図１１を参照して、本発明の第４の
実施の形態のフォトニック結晶光機能素子を説明する。図１１参照図１１は、本発明の第４の実施の形態のフォトニック結
晶光機能素子の概念的要部平面図であり、まず、ＧａＡ
ｓ基板３１上に、半径ｒ₃で、周期ｂで三角格子状に配
置された開口部と、周期的に配置された半径ｒ₄の開口
部とを有するＳｉＯ₂膜パターン（図示を省略）を設
け、このＳｉＯ₂膜パターンをマスクとして異方性エッ
チングを施すことによって、周期的な円柱状の穴３２
と、半径ｒ₄の円柱状の穴からなる欠陥３４を設けたも
のである。なお、この場合も、周期的な穴３２の欠如部
が半径がｒ＝０の穴に相当する欠陥部３３となり、した
がって、穴３２は、各欠陥３３，３４に対して光の進行
方向に対して前後に１個存在しているのでｍ＝１とな
る。

【００４１】この本発明の第４の実施の形態において
は、フォトニック結晶構造を三角格子状に配置される穴
３２で形成しているので、シミュレーションの結果、正
方格子に比べて十分な禁制帯を持つことが判明した。

【００４２】次に、図１２を参照して、本発明の第５の
実施の形態のフォトニック結晶光機能素子を説明する。図１２参照図１２は、本発明の第５の実施の形態のフォトニック結
晶光機能素子の概念的要部平面図であり、まず、ＧａＡ
ｓ基板３１上に、半径ｒ₃で、周期ｂで三角格子状に配
置された開口部と、光導波路３５に沿って、周期的な欠
如部を有するＳｉＯ₂膜パターン（図示を省略）を設
け、このＳｉＯ₂膜パターンをマスクとして異方性エッ
チングを施すことによって、周期的な円柱状の穴３２か
らなるフォトニック結晶を構成したものである。

【００４３】この場合、光導波路３５に沿って形成した
穴３２の欠如部が欠陥３６となる欠陥導波路が形成され
ることになり、この様な三角格子状のフォトニック結晶
においては、正方格子に較べて入射光が斜め後方に反射
されて、光結合の効率が低くなるが、穴３２を光導波路
３５に沿って周期的に１つ除去することによって、高い
結合効率が得られる。なお、この光導波路は、上述の光
スイッチ素子や光遅延素子の入出力部として設けるもの
である。

【００４４】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、材料系として、Ｇ
ａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系で構成しているが、ＧａＡｓ／
ＡｌＧａＡｓ系に限られるものではなく、ＩｎＰ、Ｉｎ
ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＡｌＡ
ｓＳｂ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。

【００４５】さらに、材料系はIII-Ｖ族化合物半導体に
限られるものではなく、II−VI族化合物半導体やＳｉ等
の他の半導体でも良く、さらには、有機材料、無機材料
等、制御光を吸収することのできる光吸収材を欠陥部分
に導入できる任意の材料系を用いても良いものである。

【００４６】また、上記の第１及び第２の実施の形態に
おいては、ポール及び欠陥を同一の選択成長工程で形成
しているが、別工程で形成しても良いものであり、その
場合には、欠陥部をポールより非線型感受率の大きな光
吸収部材、例えば、他の半導体材料、量子井戸構造、歪
量子井戸構造、量子細線、或いは、量子ドットで形成し
ても良いものである。

【００４７】また、上記の第２の実施の形態において
は、ポール及び欠陥を通常の一次元閉じ込め量子井戸構
造で形成しているが、歪み量子井戸構造、量子細線、或
いは、量子ドットで形成しても良いものである。

【００４８】また、上記の第１及び第２の実施の形態に
おいては、ポール及び欠陥を選択成長で形成している
が、選択成長法に限られるものではなく、基板或いは基
板上に設けたエピタキシャル層を選択エッチングするこ
とによってポールとしても良いものである。

【００４９】また、上記の第１及び第２の実施の形態に
おいては、ポールを正方格子状に配列してフォトニック
結晶を構成しているが、上記の第４の実施の形態に示す
ようにポールを三角格子状に配置して構成しても良いも
のである。

【００５０】また、上記の第３乃至第５の実施の形態に
おいては、穴を選択エッチングによって形成している
が、ＧａＡｓ基板上に、円形のパターンのＳｉＯ₂マス
クを正方形格子状或いは三角格子状に周期的に配置し、
このＳｉＯ₂マスクを選択成長マスクとして選択成長法
によって形成しても良いものである。

【００５１】また、上記の各実施の形態においては、特
段の光導波のための構成を採用していないが、選択成長
するポール或いは穴を形成するための半導体層を低屈折
率層／高屈折率層／低屈折率層からなるスラブ型導波路
構造としても良いものであり、それによって、光の伝播
損失を低減することができる。

【００５２】また、上記各実施の形態におけるポール或
いは、製造容易性を考えて円柱状としているが、必ずし
も円柱状である必要はなく、四角柱状等の多角柱状であ
っても良いものであり、円柱状のポール或いは穴と同様
の特性が得られる。

【００５３】また、上記の第１の実施の形態等において
は、ｒ／ａ＝０の欠陥とｒ／ａ＝０．２８１８の欠陥の
組合せとして示しているが、欠陥の組み合わせはこの様
な組合せに限られるものではなく、使用する信号光の波
長（周波数）に応じて図２を参照して適宜ペアを決定す
れば良いものであり、例えば、図４（ｂ）に示したよう
に多少透過帯域に窪みがあってもパルス波形が多少歪む
だけで、光機能素子として使用可能である。

【００５４】ここで、再び、図１を参照して、改めて本
発明の詳細な特徴を説明する。図１（ａ）及び（ｂ）参照（付記１）光非線型媒質からなるポール１が周期的に
配置されて周期的屈折率分布を構成する二次元フォトニ
ック結晶に、前記ポールからなるサイズｒ₁を大きくし
た欠陥２とサイズｒ₂（但し、０≦ｒ₂≦ｒ₁）を小さ
くした欠陥３が交互配置されるとともに、これら欠陥
２，３が単独の欠陥の場合に同一透過波長を有する大き
さを有することを特徴とするフォトニック結晶光機能素
子。（付記２）上記ポール１が、スラブ型導波路構造或い
は板状の導波路構造のいずれかを有することを特徴とす
る付記１記載のフォトニック結晶光機能素子。（付記３）光非線型媒質からなる板状部材７に設けら
れた穴４が周期的に配置されて周期的屈折率分布を構成
する二次元フォトニック結晶に、前記穴からなるサイズ
ｒ₁を大きくした欠陥５とサイズｒ₂（但し、０≦ｒ₂
≦ｒ₁）を小さくした欠陥６が交互配置されるととも
に、これら欠陥５，６が単独の欠陥の場合に同一透過波
長を有する大きさを有することを特徴とするフォトニッ
ク結晶光機能素子。（付記４）上記板状部材７が、スラブ型導波路構造或
いは板状の導波路構造のいずれかを有することを特徴と
する付記３記載のフォトニック結晶光機能素子。（付記５）上記光非線型媒質が、バルク半導体、或い
は、量子井戸構造半導体のいずれかであることを特徴と
する付記１乃至４のいずれか１に記載のフォトニック結
晶光機能素子。（付記６）上記光非線型媒質が、無機絶縁体或いは有
機絶縁体のいずれかであ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結晶光機能素子。（付記７）上記二次元フォトニック結晶の欠陥２，
３，５，６の部分にのみ、周囲より相対的に非線型感受
率の高い光非線型媒質を配置したことを特徴とする付記
１乃至６のいずれか１に記載のフォトニック結晶光機能
素子。（付記８）上記二次元フォトニック結晶が、正方格子
構造或いは三角格子構造のいずれかであることを特徴と
する付記１乃至７のいずれか１に記載のフォトニック結
晶光機能素子。（付記９）上記二次元フォトニック結晶に、外部光を
結合させるための光導波路が設けられていることを特徴
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
結晶光機能素子。（付記１０）上記二次元フォトニック結晶が三角格子
構造からなり、且つ、上記光導波路が欠陥導波路である
ことを特徴とする付記９記載のフォトニック結晶光機能
素子。

【００５５】

【発明の効果】本発明によれば、ポール或いは穴によっ
て形成した周期的屈折率分布の中に、異なった空間光分
布を持ちながら、同一のパスバンド波長を有する欠陥の
ペアを組み合わせることによって、５０ｆＪ以下の低エ
ネルギーで消光比１２ｄＢの光スイッチングを起こすこ
とができるとともに、光遅延線を構成することができ、
ひいては、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】フォトニック結晶における欠陥のペアの周波数
と欠陥の半径との関係を示す図である。

【図３】フォトニック結晶における各欠陥における光の
空間分布の説明図である。

【図４】フォトニック結晶における光透過特性の各欠陥
ペア依存性の説明図である。

【図５】本発明の第１の実施の形態のフォトニック結晶
光機能素子の説明図である。

【図６】本発明の第１の実施の形態のフォトニック結晶
光機能素子の光透過特性の説明図である。

【図７】本発明の第１の実施の形態のフォトニック結晶
光機能素子の光遅延特性の説明図である。

【図８】本発明の第１の実施の形態のフォトニック結晶
光機能素子の光スイッチング特性の説明図である。

【図９】本発明の第２の実施の形態のフォトニック結晶
光機能素子の概念的要部平面図である。

【図１０】本発明の第３の実施の形態のフォトニック結
晶光機能素子の概念的要部平面図である。

【図１１】本発明の第４の実施の形態のフォトニック結
晶光機能素子の概念的要部平面図である。

【図１２】本発明の第５の実施の形態のフォトニック結
晶光機能素子の概念的要部平面図である。

【符号の説明】

１ポール２欠陥３欠陥４穴５欠陥６欠陥７板状部材１１ＧａＡｓ基板１２ポール１３欠陥１４欠陥１５量子井戸ポール１６欠陥１７欠陥２１ＧａＡｓ基板２２穴２３欠陥２４欠陥３１ＧａＡｓ基板３２穴３３欠陥３４欠陥３５光導波路３６欠陥

───────────────────────────────────────────────────── 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)発明者石川浩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 NA01 PA06 PA21 PA24 QA02 RA08 TA11 2K002 AA02 AB06 BA06 CA14 DA14 EA07 EB07 HA03

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光非線型媒質からなるポールが周期的に
配置されて周期的屈折率分布を構成する二次元フォトニ
ック結晶に、前記ポールからなるサイズｒ₁を大きくし
た欠陥とサイズｒ₂（但し、０≦ｒ₂≦ｒ₁）を小さく
した欠陥が交互配置されるとともに、これら欠陥が単独
の欠陥の場合に同一透過波長を有する大きさを有するこ
とを特徴とするフォトニック結晶光機能素子。
【請求項２】光非線型媒質からなる板状部材に設けら
れた穴が周期的に配置されて周期的屈折率分布を構成す
る二次元フォトニック結晶に、前記穴からなるサイズｒ
₁を大きくした欠陥とサイズｒ₂（但し、０≦ｒ₂≦ｒ
₁）を小さくした欠陥が交互配置されるとともに、これ
ら欠陥が単独の欠陥の場合に同一透過波長を有する大き
さを有することを特徴とするフォトニック結晶光機能素
子。
【請求項３】上記光非線型媒質が、バルク半導体、或
いは、量子井戸構造半導体のいずれかであることを特徴
とする請求項１または２に記載のフォトニック結晶光機
能素子。
【請求項４】上記二次元フォトニック結晶の欠陥部分
にのみ、周囲より相対的に非線型感受率の高い光非線型
媒質を配置し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結晶光機能素子。
【請求項５】上記二次元フォトニック結晶が、正方格
子構造或いは三角格子構造のいずれかであることを特徴
とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のフォトニ
ック結晶光機能素子。