JP2003215646A

JP2003215646A - 光スイッチ

Info

Publication number: JP2003215646A
Application number: JP2002012142A
Authority: JP
Inventors: 仁路 ▲高▼野; Kimimichi Takano; Yuji Suzuki; 裕二鈴木; Masahiko Suzumura; 正彦鈴村; Takaaki Yoshihara; 孝明吉原
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2002-01-21
Filing date: 2002-01-21
Publication date: 2003-07-30

Abstract

(57)【要約】【課題】応答速度の高速化および小型化が可能で波長選
択性を有する光スイッチを提供する。【解決手段】入力側の光導波路１ａと出力側の光導波路
１ｂとの間に挿入されるスイッチ要素２を備え、スイッ
チ要素２の状態を図示しない制御手段によって電気的に
変化させるようになっている。スイッチ要素２は、フォ
トニック結晶２０と、フォトニック結晶２０を挟むよう
に形成された一対の電極２ａ，２ｂとを備えており、上
記制御手段によって両電極２ａ，２ｂ間に印加する電圧
を制御することで光導波路１ａを伝搬してきた特定波長
の光を透過可能とする状態と阻止する状態との２つの状
態をとれるようになっている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光スイッチに関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、通信容量増加の需要を背景に波長
分割多重方式による光通信システムの普及が進んでい
る。波長分割多重方式では、複数の波長の光を独立の信
号により変調させた後、合波器などで光波長を多重化し
て１本の光ファイバに送り出すので、１本の光ファイバ
の伝送容量を飛躍的に増大させることができる。

【０００３】このような光通信システムに用いられる光
スイッチとしては、プリズム、ミラー、光ファイバなど
の機械的移動を利用した機械式（機械制御型）の光スイ
ッチ、半導体製造技術を用いて作成した数１００μｍ程
度の微小なミラーを機械的に駆動する微小電気機械シス
テム（micro-electro-mechanical system：ＭＥＭＳ）
を採用したミラー式の光スイッチ、光伝送媒質の熱光学
効果による屈折率変化を利用して光を偏向する熱式（熱
制御型）の光スイッチなどが提案されているまた、今後
は常時接続可能な高度情報通信ネットワークインフラが
増加するものと考えられ、光パケット通信などの新しい
通信技術を用いたいわゆる全光ネットワークの確立が期
待されている。全光ネットワークでは、現状の光通信シ
ステムにおいて光信号を電気信号に変換した後に行って
いる信号処理を、光の状態で直接的に行うことができる
ので、ピコ秒〜ナノ秒オーダの高速応答が可能な光スイ
ッチや光波長可変フィルタが必要であるといわれてい
る。さらに、上述の波長分割多重方式の光通信システム
を念頭におくと、複数波長を個別に制御する波長の選択
性が不可欠と考えられる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来の光スイッチでは、応答速度がミリ秒オーダと遅
いので、上述の全光ネットワークに要求される高速性を
満足できないという不具合がある。

【０００５】応答速度が高速な光スイッチとしては、Ｌ
ｉＮｂＯ₃等の媒質の電界による屈折率変化を利用した
いわゆる電気光学効果を用いた電気式の光スイッチや、
半導体材料への電流注入により媒質屈折率を変化させる
電気式の光スイッチも提案されているが、いずれも波長
を選択的に個別制御することは困難であり、一般に電気
光学係数が小さいことに起因し屈折率変化が微小なた
め、ほとんど単一モードでしか動作できないという不具
合や、デバイスサイズが数ｍｍと大きいという不具合が
あった。また、電気光学効果を用いた電気式の光スイッ
チでは、動作電圧が数１０Ｖと高く消費電力が高くなっ
てしまうという不具合や、材料が特殊で加工が難しいた
めコストが高くなってしまうという不具合もある。

【０００６】本発明は上記事由に鑑みて為されたもので
あり、その目的は、応答速度の高速化および小型化が可
能で波長選択性を有する光スイッチを提供することにあ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、上記
目的を達成するために、光の伝搬経路を遮断する若しく
は切り替える光スイッチであって、屈折率の異なる複数
種類の物質の周期構造を有するフォトニック結晶よりな
り光の伝搬経路に挿入されて状態変化によって光の伝搬
経路を遮断する若しくは切り替えるスイッチ要素と、ス
イッチ要素の状態を変化させるようにフォトニック結晶
の構成物質の屈折率を電気的に変化させる制御手段とを
備えてなることを特徴とするものであり、制御手段によ
って、スイッチ要素の状態を変化させるようにフォトニ
ック結晶の構成物質の屈折率を電気的に変化させること
ができるので、応答速度の高速化を図ることができ、ま
た、スイッチ要素としてフォトニック結晶を利用してい
ることで小型化を図ることができ、しかも、フォトニッ
ク結晶の周期構造の周期設計に応じて所望の波長の光を
制御することができるから波長選択性を有することにな
る。

【０００８】請求項２の発明は、請求項１の発明におい
て、前記フォトニック結晶が半導体材料と当該半導体材
料とは屈折率の異なる材料との２種類の物質からなり、
前記制御手段は、前記半導体材料からなる半導体領域の
キャリア濃度を電気的に制御して屈折率を変化させるの
で、半導体領域へのキャリアの注入速度および再結合に
よるキャリアの消滅速度または半導体領域からのキャリ
アの引き抜き速度に応じてスイッチ要素の状態を高速に
変化させることができ、また、比較的安価で加工の容易
な半導体材料を用いているので、従来の電気光学効果を
用いた電気式の光スイッチのように高価で加工の難しい
ＬｉＮｂＯ₃などの材料を用いる必要がなく、低コスト
化を図ることができる。

【０００９】請求項３の発明は、請求項２の発明におい
て、前記スイッチ要素は、前記フォトニック結晶の一端
面に接しｐ形半導体からなる第１のコンタクト領域と、
前記フォトニック結晶の他端面に接しｎ形半導体からな
る第２のコンタクト領域とを備えて前記フォトニック結
晶が空乏領域となり、前記制御手段は、第１のコンタク
ト領域と第２のコンタクト領域との間に第１のコンタク
ト領域を高電位側として順方向バイアス電圧を印加する
電圧印加手段からなるので、前記フォトニック結晶が空
乏領域であるときに前記スイッチ要素の状態をオン状態
とし順方向バイアス電圧を印加したときに前記スイッチ
要素の状態をオフ状態とすることで、伝導性キャリアの
光吸収に起因する光の吸収損失を小さくでき、しかも、
伝導性キャリアの濃度をほぼ０から１０²⁰ｃｍ^-3オーダ
まで変化させることが可能となるから、消光比を高める
ことが可能になる。

【００１０】請求項４の発明は、請求項２の発明におい
て、前記スイッチ要素は、前記フォトニック結晶の一端
面に接し前記フォトニック結晶よりも高不純物濃度の半
導体からなる第１のコンタクト領域と、前記フォトニッ
ク結晶の他端面に接し前記フォトニック結晶よりも高不
純物濃度の半導体からなる第２のコンタクト領域とを備
え、前記制御手段は、第１のコンタクト領域と第２のコ
ンタクト領域との間に電圧を印加する電圧印加手段から
なるので、第１のコンタクト領域と第２のコンタクト領
域との間に電圧を印加した通電時の電流経路である前記
フォトニック結晶のキャリア濃度を請求項３の発明に比
べて高く設定でき、前記フォトニック結晶の抵抗を小さ
くすることが可能で低消費電力化を図ることができる。

【００１１】請求項５の発明は、請求項２の発明におい
て、前記スイッチ要素が、前記フォトニック結晶の一端
面に接しｐ形半導体からなる第１のコンタクト領域と、
前記フォトニック結晶の他端面に接しｎ形半導体からな
る第２のコンタクト領域とを備え、前記制御手段が、第
１のコンタクト領域と第２のコンタクト領域との間に第
２のコンタクト領域を高電位側として逆方向バイアス電
圧を印加する電圧印加手段からなり、スイッチ要素は、
前記逆方向バイアス電圧が印加されたときにフォトニッ
ク結晶が空乏領域となるように前記フォトニック結晶お
よび各コンタクト領域それぞれの不純物濃度が設定され
ているので、前記スイッチ要素の状態を変化させるため
に前記逆方向バイアス電圧を印加したときの電流が空乏
領域を通して流れる微量の電流となり、低消費電力化を
図ることができる。

【００１２】請求項６の発明は、請求項３ないし請求項
５の発明において、前記スイッチ要素は、前記各コンタ
クト領域が前記伝搬経路を遮らないように前記伝搬経路
に挿入されているので、前記各コンタクト領域中の伝導
性キャリアによる光吸収を抑制することができ、吸収損
失を小さくすることができる。

【００１３】請求項７の発明は、請求項１ないし請求項
６の発明において、前記周期構造は１次元の周期性を有
するので、前記フォトニック結晶を比較的容易に形成す
ることができる。

【００１４】請求項８の発明は、請求項１ないし請求項
６の発明において、前記周期構造は２次元の周期性を有
するので、２次元面内における前記フォトニック結晶へ
の光の入射許容角度を請求項７の発明に比べて大きくす
ることができる。

【００１５】請求項９の発明は、請求項１ないし請求項
６の発明において、前記周期構造は３次元の周期性を有
するので、３次元空間における前記フォトニック結晶へ
の光の入射許容角度を大きくすることができる。

【００１６】請求項１０の発明は、請求項７または請求
項８の発明において、前記スイッチ要素は、前記フォト
ニック結晶へ前記フォトニック結晶の周期性を有さない
方向からキャリアが注入されるように形成されているの
で、前記フォトニック結晶における注入キャリアの濃度
が均一になりやすく、屈折率変化の均一性を高めること
ができ、前記フォトニック結晶のフォトニックバンドギ
ャップの変化を得やすくなる。

【００１７】請求項１１の発明は、請求項１ないし請求
項１０の発明において、前記スイッチ要素が光の伝搬経
路に挿入されて状態変化によって光の伝搬経路を遮断す
るものであって、前記制御手段は、伝搬経路が遮断され
るように前記フォトニック結晶の構成物質の屈折率を電
気的に変化させるので、入射光を透過するオン状態と遮
断するオフ状態とを高速で制御することができる。

【００１８】請求項１２の発明は、請求項１ないし請求
項１０の発明において、前記スイッチ要素が光の伝搬経
路に挿入されて状態変化によって光の伝搬経路を切り替
えるものであって、前記制御手段は、伝搬経路が切り替
わるように前記フォトニック結晶の構成物質の屈折率を
電気的に変化させるので、入射光の伝搬経路の切り替え
を高速で制御することができる。

【００１９】請求項１３の発明は、光の伝搬経路を遮断
する若しくは切り替える光スイッチであって、屈折率の
異なる複数種類の物質の周期構造を有するフォトニック
結晶よりなり光の伝搬経路に挿入されて状態変化によっ
て光の伝搬経路を遮断する若しくは切り替えるスイッチ
要素と、スイッチ要素の状態を変化させるようにフォト
ニック結晶の構成物質の屈折率を制御光によって変化さ
せる制御手段とを備えてなることことを特徴とするもの
であり、制御手段によって、スイッチ要素の状態を変化
させるようにフォトニック結晶の構成物質の屈折率を制
御光で変化させることができるので、応答速度の高速化
を図ることができ、また、スイッチ要素としてフォトニ
ック結晶を利用していることで小型化を図ることがで
き、しかも、フォトニック結晶の周期構造の周期設計に
応じて所望の波長の光を制御することができるから波長
選択性を有することになる。

【００２０】

【発明の実施の形態】（実施形態１）本実施形態の光ス
イッチは、図１に示すように、入力側（送信側）の光導
波路１ａと出力側（受信側）の光導波路１ｂとの間に挿
入されるスイッチ要素２（図２参照）を備えており、ス
イッチ要素２の状態を図示しない制御手段によって電気
的に変化させるようになっている。

【００２１】スイッチ要素２は、屈折率の異なる２種類
の光学媒質（以下、説明の便宜上、第１の光学媒質，第
２の光学媒質と称す）からなり全体として直方体状に形
成されたフォトニック結晶２０と、フォトニック結晶２
０を挟むように形成された一対の電極２ａ，２ｂとを備
えており、上記制御手段によって両電極２ａ，２ｂ間に
印加する電圧を制御する（つまり、フォトニック結晶２
０にかかる電界を制御する）ことで光導波路１ａを伝搬
してきた特定波長の光（入射光）を透過可能（伝達可
能）とする状態（オン状態）と阻止する状態（オフ状
態）とが変化するようになっている。要するに、スイッ
チ要素２は、図３（ａ）のように矢印Ａで示す向きの光
（入射光）が同図中に一点鎖線Ｂで示す伝搬経路でフォ
トニック結晶２０を透過する状態と、図３（ｂ）のよう
に矢印Ａで示す向きの光（入射光）がフォトニック結晶
２０で反射される状態とをとれるようになっている。な
お、図３（ａ），（ｂ）中の矢印Ａ’はフォトニック結
晶２０からの出射光の向きを示している。つまり、図３
（ａ）はフォトニック結晶２０への入射光がフォトニッ
ク結晶２０を透過することを示しており、図３（ｂ）は
フォトニック結晶２０への入射光がフォトニック結晶２
０で反射されることを示している。ここに、スイッチ要
素２は入力側の光導波路１ａと出力側の光導波路１ｂと
の間に挿入されているので、つまり、スイッチ要素２は
光の伝搬経路に挿入されているので、図３（ｂ）の状態
は光の伝搬経路を遮断する状態となる。

【００２２】フォトニック結晶２０は、図２に示すよう
に、第１の光学媒質（物質）からなる背景媒質２１中に
第２の光学媒質（物質）からなる球状体（以下、フォト
ニック原子と称す）２２が入射光の波長程度（例えば、
入射光の波長の２分の１程度）の周期間隔で２次元アレ
イ状に配列されており（すなわち、図２における右方向
をｘ方向、上方向をｙ方向とし、ｘ方向の周期間隔をＬ
ｘ、ｙ方向の周期間隔をＬｙとすれば、Ｌｘ，Ｌｙのい
ずれも入射光の波長の２分の１程度の値に設定されてい
る）、２次元面内のあらゆる方向から入射する特定波長
の光を伝搬しない波長帯であるフォトニックバンドギャ
ップを有している。なお、図示例では、フォトニック原
子２２のｘ方向における配列数を４、ｙ方向における配
列数を４としてあるが、ｘ方向の配列数は光の集光径程
度になる数、ｙ方向における配列数は１０程度あればよ
い。

【００２３】ところで、フォトニック結晶２０を構成す
る第１の光学媒質の材料としては、電界の印加によって
屈折率が変化する材料（例えば、ＬｉＮｂＯ₃、ＬｉＴ
ａＯ₃など）を用いればよい。なお、電界の印加によっ
て光学媒質の屈折率が変化する現象としては、シュタル
ク効果、フランツ・ケルディッシュ効果、ポッケルス効
果、カー効果などが知られている。

【００２４】以下、本実施形態の光スイッチの動作につ
いて図４を参照しながら説明する。なお、図４（ａ），
（ｂ）は横軸が光の波長、縦軸が光の透過率である。

【００２５】いま、上記制御手段によってスイッチ要素
２の両電極２ａ，２ｂ間に電圧を印加していない時の背
景媒質２１の屈折率をｎ２１、フォトニック原子２２の
屈折率をｎ２２とし、図４（ａ）に示すように波長λ２
１〜波長λ２２（λ２１＜λ２２）の波長帯に光を透過
しないフォトニックバンドギャップが形成されていると
すれば、フォトニックバンドギャップの波長帯に含まれ
ない波長λ０（λ０＜λ２１）の入射光は図３（ａ）中
に一点鎖線Ｂで示した伝搬経路でフォトニック結晶２０
中を伝搬することになる（光スイッチはオン状態となっ
ている）。一方、上記制御手段によってスイッチ要素２
の両電極２ａ，２ｂ間に所定電圧を印加することで、フ
ォトニック原子２２の直径Ｌ１および屈折率ｎ２２と上
記周期間隔Ｌｘ，Ｌｙは電圧印加前と同じであるが、背
景媒質２１の屈折率がｎ２１’へ変化したとし、図４
（ｂ）に示すように図４（ａ）とは異なる波長λ２１’
〜λ２２’（λ２１’＜λ０＜λ２２’）の波長帯にフ
ォトニックバンドギャップが形成され、フォトニックバ
ンドギャップの波長帯に含まれる波長λ０の入射光は図
３（ｂ）中に矢印Ａ’で示した向きに反射されフォトニ
ック結晶２０を伝搬しない（光スイッチはオフ状態とな
っている）。要するに、上記制御手段によってスイッチ
要素２の両電極２ａ，２ｂ間に上記所定電圧が印加され
ると、光の伝搬経路が遮断されることになる。本実施形
態では、両電極２ａ，２ｂ間に電圧を印加することによ
りフォトニックバンドギャップが短波長側へシフトして
いるが、これは背景媒質２１として、両電極２ａ，２ｂ
間に印加する電圧の値が大きくなるにつれて屈折率が低
下するような材料を採用しているからである。

【００２６】なお、本実施形態の光スイッチは、フォト
ニックバンドギャップに含まれる波長の光の透過を阻止
するものであり、波長選択性を有する光スイッチとして
使用できるものである。また、各光学媒質の材料や、周
期間隔Ｌｘ，Ｌｙ、フォトニック原子２２の直径Ｌ１、
Ｌ１／Ｌｘ、Ｌ１／Ｌｙなどを適宜変更することで、フ
ォトニック結晶２０のフォトニックバンドギャップを任
意の波長帯に設計することが可能であって、任意の波長
の光スイッチとして使用することもできる。また、印加
電圧に応じてフォトニックバンドギャップのシフト量
（変化量）を調整できるので、光波長可変フィルタとし
ても使用可能である。

【００２７】ところで、本実施形態では、上記２次元面
内における単位格子が四角形の２次元四角格子の各格子
点にフォトニック原子２２を配置してあるが、より等方
性の高い配列構造を採用してもよく、例えば、上記２次
元面内における単位格子が三角形の２次元三角格子の各
格子点にフォトニック原子２２を配置するようにしても
よいし、上記２次元面内における単位格子が六角形の２
次元六方格子（蜂の巣構造）の各格子点にフォトニック
原子２２を配置するようにしてもよい。また、フォトニ
ック原子２２の形状も球状以外の形状、例えば、立方体
状の形状にしてもよい。また、本実施形態におけるスイ
ッチ要素２では、２次元の周期構造を有するフォトニッ
ク結晶２０を採用しているが、１次元あるいは３次元の
周期構造を有するフォトニック結晶を採用してもよい。

【００２８】（実施形態２）本実施形態の光スイッチ
は、図５に示すように、入力側（送信側）の光導波路１
ａと出力側（受信側）の光導波路１ｂとの間に挿入され
るスイッチ要素２（図６および図７参照）を備えてお
り、スイッチ要素２の状態を図示しない制御手段によっ
て電気的に変化させるようになっている。

【００２９】スイッチ要素２は、屈折率の異なる２種類
の光学媒質（以下、説明の便宜上、第１の光学媒質，第
２の光学媒質と称す）からなり全体として直方体状に形
成されたフォトニック結晶２０と、フォトニック結晶２
０を挟むように形成された一対のコンタクト領域３ａ，
３ｂと、各コンタクト領域３ａ，３ｂにそれぞれ電気的
に接続された一対のオーミック電極（図示せず）とを備
えており、上記制御手段によって両オーミック電極間に
印加する電圧を制御する（つまり、両コンタクト領域３
ａ，３ｂ間に印加する電圧を制御する）ことで光導波路
１ａを伝搬してきた特定波長の光（入射光）を透過可能
（伝達可能）とする状態（オン状態）と阻止する状態
（オフ状態）とが変化するようになっている。要する
に、スイッチ要素２は、実施形態１と同様に、光の伝搬
経路に挿入されており、光の伝搬経路を遮断することが
できるようになっている。

【００３０】各光導波路１ａ，１ｂおよびフォトニック
結晶２０は、厚み方向の中間にシリコン酸化膜（埋込酸
化膜）からなる絶縁膜１０（図５参照）を有するいわゆ
るＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を用いて形成
してある。すなわち、各光導波路１ａ，１ｂおよびフォ
トニック結晶２０はＳＯＩ基板の主表面側のシリコン層
（活性層）をリソグラフィ技術およびエッチング技術を
利用して加工することによって形成されている。したが
って、各光導波路１ａ，１ｂおよびフォトニック結晶２
０を比較的簡単に形成することができる。例えば、市販
のＳＯＩウェハに所望の形状にパターニングしたレジス
トマスクを形成した後、ドライエッチング装置によって
各光導波路１ａ，１ｂに対応した部分およびフォトニッ
ク結晶２０の後述の半導体領域２３に対応した部分が残
り且つ各光導波路１ａ，１ｂの周囲および後述の円孔２
４に対応する部位が除去されるようにシリコン層をエッ
チングすることによって、各光導波路１ａ，１ｂとフォ
トニック結晶２０とを同時に形成することが可能とな
る。また、光導波路１ａとフォトニック結晶２０と光導
波路１ｂとを連続させることができるので、光損失を少
なくすることができる。ここに、各光導波路１ａ，１ｂ
はシリコンよりも屈折率の低いシリコン酸化膜からなる
絶縁膜１０を下部クラッドとしている。

【００３１】ここにおいて、フォトニック結晶２０は、
上記シリコン層の一部からなる半導体領域２３に円孔２
４が入射光の波長程度（例えば、入射光の波長の２分の
１程度）の周期間隔で２次元アレイ状に配列されており
（すなわち、図７における右方向をｘ方向、上方向をｙ
方向とし、ｘ方向の周期間隔をＬｘ、ｙ方向の周期間隔
をＬｙとすれば、Ｌｘ，Ｌｙのいずれも入射光の波長の
２分の１程度の値に設定されている）、２次元面内のあ
らゆる方向から入射する特定波長の光を伝搬しない波長
帯であるフォトニックバンドギャップを有している。な
お、図示例では、単位格子が四角形の２次元四角格子の
各格子点に円孔２４が形成されており、円孔２４のｘ方
向における配列数を４、ｙ方向における配列数を４とし
てあるが、ｘ方向の配列数は光の集光径程度になる数、
ｙ方向における配列数は１０程度あればよい。

【００３２】以上の説明から分かるように、本実施形態
におけるフォトニック結晶２０を構成する２つの物質は
シリコンと空気である。

【００３３】ところで、半導体材料においては、自由電
子や空孔といったキャリアが半導体内部の分極状態に影
響を及ぼすため、キャリア濃度に応じて屈折率が変化す
ることが知られている。代表的な半導体材料であって本
実施形態におけるフォトニック結晶２０の構成物質の１
つであるシリコンについて、キャリア濃度と波長が１．
５５μｍの光に対する屈折率との関係を図８に示すが、
同図はＳｏｒｅｆらにより実験的に求められた近似式
（R.A.Soref，Journal of Quantum Electronics，vo
l.QE−23，No.1，p123−129，Jan.1987）を用いて計算
した結果を図示したものである。

【００３４】図８から分かるように、シリコンの屈折率
はキャリア濃度が１０¹⁸ｃｍ^-3程度まではほぼ一定であ
り、キャリア濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3を超えると屈折率
の減少が顕著になり、キャリア濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3
から１×１０²⁰ｃｍ^-3まで変化すると、屈折率は約５％
減少する。

【００３５】したがって、本実施形態では、フォトニッ
ク結晶２０における半導体領域２３のキャリア濃度の増
加に伴い屈折率が減少すれば、フォトニックバンドギャ
ップが変化し、入射光の波長とフォトニックバンドギャ
ップの波長帯との関係が変わるので、実施形態１と同様
に、入射光を透過させる状態と反射する状態との２つの
状態をとることが可能になる。ここにおいて、フォトニ
ック結晶２０における半導体領域２３のキャリア濃度が
変化するには、キャリアが注入されたり、キャリアが再
結合により消滅したり、キャリアが引き抜かれたりする
必要がある。

【００３６】そこで、本実施形態では、半導体領域２３
を不純物濃度が非常に低い１０¹³ｃｍ^-3程度のｐ^-形シ
リコンにより構成するとともに、コンタクト領域３ａを
１０¹ ⁹ｃｍ^-3程度の高濃度のｐ⁺形シリコンにより構成
し、コンタクト領域３ｂを１０ ¹⁹ｃｍ^-3程度の高濃度の
ｎ⁺形シリコンにより構成してある。なお、本実施形態
では、コンタクト領域３ａがフォトニック結晶２０の一
端面に接しｐ形半導体からなる第１のコンタクト領域を
構成し、コンタクト領域３ｂがフォトニック結晶２０の
他端面に接しｎ形半導体からなる第２のコンタクト領域
を構成している。また、各コンタクト領域３ａ，３ｂ
は、例えば、高濃度に不純物を添加した多結晶シリコン
を堆積した後で所望の形状に加工することによって形成
することができる。

【００３７】ここに、本実施形態におけるスイッチ要素
２は、ｐ⁺形シリコンからなるコンタクト領域３ａとｐ^-
形シリコンからなる半導体領域２３とｎ⁺形シリコンか
らなるコンタクト領域３ｂとでいわゆるｐｉｎダイオー
ド構造が形成されており、上記オーミック電極間に電圧
が印加されていない状態、つまり、コンタクト領域３
ａ，３ｂ間に電圧が印加されていない状態では、ｐ^-形
シリコンからなる半導体領域２３とｎ⁺形シリコンから
なるコンタクト領域３ｂとの接合部における大きなキャ
リア密度勾配に起因したキャリアの移動により半導体領
域２３は全ての伝導性キャリアが排斥された空乏領域と
なっている。なお、１０¹⁹ｃｍ^-3程度の高濃度のｎ⁺形
シリコンからなるコンタクト領域３ｂと１０¹³ｃｍ^-3程
度のｐ^-形シリコンからなる半導体領域２３との接合部
では１０μｍ程度の空乏層が伸びるので、フォトニック
結晶２０のｙ方向の長さ寸法（つまり、コンタクト領域
３ｂとコンタクト領域３ａとの間の距離）を空乏層幅以
下の長さに設定しておけば、フォトニック結晶２０の半
導体領域２３を全体にわたって空乏化して空乏領域とす
ることができる。

【００３８】これに対して、図９に示すように、ｐ⁺形
シリコンからなるコンタクト領域３ａとｎ⁺形シリコン
からなるコンタクト領域３ｂとの間にコンタクト領域３
ａが高電位側となるようなバイアス電圧（順方向バイア
ス電圧）Ｖｂを上記制御手段によって印加すると、０．
７Ｖ程度で空乏領域は消滅し、半導体領域２３への伝導
性キャリアの注入が行われ、半導体領域２３のキャリア
濃度が増加し屈折率が減少することになる。したがっ
て、ｐ⁺形シリコンからなるコンタクト領域３ａとｎ⁺形
シリコンからなるコンタクト領域３ｂとの間にコンタク
ト領域３ａが高電位側となるような順方向バイアス電圧
Ｖｂを上記制御手段によって印加することによって、フ
ォトニック結晶２０のフォトニックバンドギャップを変
化させることができ、スイッチ要素２の状態をオン状態
からオフ状態へ高速で変化させることができる。つま
り、光の伝播経路を遮断することができる。

【００３９】ここにおいて、本実施形態では、コンタク
ト領域３ａとコンタクト領域３ｂとの間に電圧が印加さ
れておらず半導体領域２３のキャリア濃度が低い状態の
ときにフォトニック結晶２０のフォトニックバンドギャ
ップが実施形態１で説明した図４（ａ）の如く入射光の
波長λ０を含まない波長帯に設計されており、波長λ０
の入射光がフォトニック結晶２０を透過可能となってい
る。一方、ｐ⁺形シリコンからなるコンタクト領域３ａ
とｎ⁺形シリコンからなるコンタクト領域３ｂとの間に
コンタクト領域３ａが高電位側となるような順方向バイ
アス電圧Ｖｂを印加して半導体領域２３にキャリアが注
入されキャリア濃度が高い状態のときにフォトニック結
晶２０のフォトニックバンドギャップが実施形態１で説
明した図４（ｂ）の如く入射光の波長λ０を含む波長帯
へ変化するように設計されており、波長λ０の入射光が
フォトニック結晶２０で反射され光の伝播経路がスイッ
チ要素２によって遮断されることになる。

【００４０】しかして、本実施形態の光スイッチでは、
上記制御手段が半導体材料からなる半導体領域２３のキ
ャリア濃度を電気的に制御して屈折率を変化させるの
で、半導体領域２３へのキャリアの注入速度および再結
合によるキャリアの消滅速度または半導体領域２３から
のキャリアの引き抜き速度に応じてスイッチ要素２の状
態をピコ秒〜ナノ秒オーダで高速に変化させることがで
きる。また、比較的安価で加工の容易な半導体材料を用
いているので、従来の電気光学効果を用いた電気式の光
スイッチのように高価で加工の難しいＬｉＮｂＯ₃など
の材料を用いる必要がなく、低コスト化を図ることがで
きる。

【００４１】また、本実施形態では、フォトニック結晶
２０が空乏領域であるときにスイッチ要素２の状態をオ
ン状態とし順方向バイアス電圧Ｖｂを印加したときにス
イッチ要素の状態２をオフ状態とすることで、スイッチ
要素２の状態がオン状態のときにフォトニック結晶２０
のキャリア濃度が低くなっているので、伝導性キャリア
の光吸収に起因する光の吸収損失を小さくできる。ま
た、フォトニック結晶２０の半導体領域２３のキャリア
濃度は順方向バイアス電圧Ｖｂの大きさにほぼ比例して
増加するので、伝導性キャリアの濃度をほぼ０から１０
²⁰ｃｍ^-3オーダまで変化させることが可能となるから、
フォトニックバンドギャップのシフト量（変化量）を大
きくでき、消光比を高めることが可能となる。

【００４２】ところで、本実施形態におけるスイッチ要
素２はフォトニック結晶２０において光の伝搬経路Ｂと
交差する面以外の２つの端面にそれぞれコンタクト領域
３ａ，３ｂが接するようにしてあるので、言い換えれ
ば、スイッチ要素２はコンタクト領域３ａ，３ｂが光の
伝搬経路Ｂを遮らないように伝搬経路Ｂに挿入されてい
るので、図１０に示すように光の伝搬経路Ｂと交差（直
交）する２つの端面にそれぞれコンタクト領域３ａ，３
ｂが形成されている場合に比べてスイッチ要素２での吸
収損失を小さくすることができる。すなわち、図１０に
示す構成では光がスイッチ要素２を伝搬する際にキャリ
ア濃度の高いコンタクト領域３ａ，３ｂを通過するの
で、高濃度の伝導性キャリアに起因する光の吸収が起こ
り、光スイッチの吸収損失を増大させてしまうが、本実
施形態では、キャリア濃度の高いコンタクト領域３ａ，
３ｂが光の伝搬経路Ｂ上にないので、スイッチ要素２で
の吸収損失を小さくすることが可能となるのである。

【００４３】なお、本実施形態では、上記制御手段がコ
ンタクト領域３ａとコンタクト領域３ｂとの間にコンタ
クト領域３ａを高電位側として順方向バイアス電圧Ｖｂ
を印加する電圧印加手段を構成している。また、本実施
形態では、フォトニック結晶２０の一部を構成する半導
体材料としてシリコンを例示したが、屈折率がキャリア
濃度に依存して変化するものであればシリコン以外の半
導体材料や化合物半導体材料でもよい。

【００４４】（実施形態３）本実施形態の光スイッチの
基本構成は実施形態２と略同じであって、図１１に示す
構成のスイッチ要素２を備えている。ここにおいて、本
実施形態におけるスイッチ要素２は、フォトニック結晶
２０の半導体領域２３を不純物濃度が１０¹⁶ｃｍ^-3程度
のｎ形シリコンにより構成するとともに、コンタクト領
域３ａを１０ ¹⁹ｃｍ^-3程度の高濃度のｎ⁺形シリコンに
より構成し、コンタクト領域３ｂを１０¹⁹ｃｍ^-3程度の
高濃度のｎ⁺形シリコンにより構成している点に特徴が
ある。他の構成は実施形態２と同様であり、各コンタク
ト領域３ａ，３ｂにそれぞれ接続された一対のオーミッ
ク電極（図示せず）と両オーミック電極間に電圧を印加
してスイッチ要素２の状態を変化させる制御手段（図示
せず）とを備えている。なお、実施形態２と同様の構成
要素には同一の符号を付して説明を省略する。

【００４５】本実施形態の光スイッチでは、図１２に示
すように、ｎ⁺形シリコンからなるコンタクト領域３ａ
とｎ⁺形シリコンからなるコンタクト領域３ｂとの間に
コンタクト領域３ａが高電位側となるようなバイアス電
圧Ｖａを上記制御手段によって印加すると、フォトニッ
ク結晶２０の抵抗とバイアス電圧Ｖａとによって決まる
量の電子が半導体領域２３へ注入され、半導体領域２３
のキャリア濃度が増加し屈折率が減少することになる。
したがって、ｎ⁺形シリコンからなるコンタクト領域３
ａとｎ⁺形シリコンからなるコンタクト領域３ｂとの間
にコンタクト領域３ａが高電位側となるようなバイアス
電圧Ｖａを上記制御手段によって印加することによっ
て、フォトニック結晶２０のフォトニックバンドギャッ
プを変化させることができ、スイッチ要素２の状態をオ
ン状態からオフ状態へ高速で変化させることができる。
つまり、光の伝播経路を遮断することができる。

【００４６】ここにおいて、本実施形態では、コンタク
ト領域３ａとコンタクト領域３ｂとの間にバイアス電圧
Ｖａを印加していない状態（半導体領域２３へキャリア
が注入されておらずキャリア濃度が１０¹⁶ｃｍ^-3程度の
比較的低い状態）のときにフォトニック結晶２０のフォ
トニックバンドギャップが実施形態１で説明した図４
（ａ）のように入射光の波長λ０を含まない波長帯に設
計されており、波長λ０の入射光がフォトニック結晶２
０を透過可能となっている。一方、コンタクト領域３ａ
とコンタクト領域３ｂとの間に所定のバイアス電圧Ｖａ
を印加している状態（半導体領域２３にキャリアが注入
されキャリア濃度が高い状態）のときにフォトニック結
晶２０のフォトニックバンドギャップが実施形態１で説
明した図４（ｂ）の如く入射光の波長λ０を含む波長帯
となるように設計されており、波長λ０の入射光がフォ
トニック結晶２０で反射され光の伝播経路がスイッチ要
素２によって遮断されることになる。なお、本実施形態
の光スイッチでは、入射光を透過するオン状態のときの
半導体領域２３のキャリア濃度が１０¹⁶ｃｍ^-3程度であ
って実施形態２で説明した１０¹³ｃｍ^-3に比べてキャリ
ア濃度が高いので、伝導性キャリアの光吸収に起因する
光の吸収損失が実施形態２に比べて大きくなるが、コン
タクト領域３ａ，３ｂ間にバイアス電圧Ｖａを印加した
通電時の電流経路である半導体領域２３のキャリア濃度
を高くできて抵抗を小さくできるので、低消費電力化を
図ることができる。

【００４７】（実施形態４）本実施形態の光スイッチの
基本構成は実施形態２と略同じであって、図１３に示す
構成のスイッチ要素２を備えている。ここにおいて、本
実施形態におけるスイッチ要素２は、フォトニック結晶
２０の半導体領域２３を不純物濃度が１０¹⁵ｃｍ^-3程度
のｐ形シリコンにより構成するとともに、コンタクト領
域３ａを１０ ¹⁵ｃｍ^-3程度のｐ形シリコンにより構成
し、コンタクト領域３ｂを１０¹⁹ｃｍ^-3程度の高濃度の
ｎ⁺形シリコンにより構成している点に特徴がある。す
なわち、本実施形態におけるスイッチ要素２では、コン
タクト領域３ａとフォトニック結晶２０の半導体領域２
３とがキャリア濃度を同濃度に設定してあり、コンタク
ト領域３ａとフォトニック結晶２０とコンタクト領域３
ｂとでｐｎダイオード構造を有していることになる。他
の構成は実施形態２と同様であり、各コンタクト領域３
ａ，３ｂにそれぞれ接続された一対のオーミック電極
（図示せず）と両オーミック電極間に電圧を印加してス
イッチ要素２の状態を電気的に変化させる制御手段（図
示せず）とを備えている。なお、実施形態２と同様の構
成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

【００４８】以下、本実施形態の光スイッチの動作につ
いて図１４を参照しながら説明する。

【００４９】スイッチ要素２のコンタクト領域３ａ，３
ｂ間に電圧が印加されていない状態では、図１４（ａ）
に示すように、ｐ形シリコンからなる半導体領域２３と
ｎ⁺形シリコンからなるコンタクト領域３ｂとの接合部
における大きなキャリア密度勾配に起因したキャリアの
移動により接合部近傍に伝導性キャリアが排斥された空
乏領域２６が形成されている。なお、キャリア濃度が１
０¹⁵ｃｍ^-3のｐ形シリコンとキャリア濃度が１０¹⁹ｃｍ
^-3のｎ⁺形シリコンとの接合部では約１μｍの空乏層が
延びるので、空乏領域２６の幅（空乏層幅）をＬｄ（図
１４（ａ）参照）とすれば、Ｌｄは１μｍ程度の値にな
っている。

【００５０】これに対して、図１４（ｂ）に示すよう
に、ｐ形シリコンからなるコンタクト領域３ａとｎ⁺形
シリコンからなるコンタクト領域３ｂとの間にコンタク
ト領域３ｂが高電位側となるようなバイアス電圧（逆方
向バイアス電圧）Ｖｃを上記制御手段によって印加する
と、空乏領域２６がコンタクト領域３ａ側へ伸びてい
き、空乏層幅Ｌｄ’（図１４（ｂ）参照）が図１４
（ａ）における空乏層幅Ｌｄよりも大きくなる。ここに
おいて、空乏領域２６では伝導性キャリアの排斥が行わ
れるので、フォトニック結晶２０の半導体領域２３のキ
ャリア濃度が減少し屈折率が変化することになる。した
がって、ｐ形シリコンからなるコンタクト領域３ａとｎ
⁺形シリコンからなるコンタクト領域３ｂとの間にコン
タクト領域３ｂが高電位側となるような逆方向バイアス
電圧Ｖｃを上記制御手段によって印加することによっ
て、フォトニックバンドギャップを変化させることがで
き、スイッチ要素２の状態をオフ状態からオン状態へ高
速で変化させることができる。

【００５１】ここにおいて、本実施形態では、コンタク
ト領域３ａとコンタクト領域３ｂとの間に電圧が印加さ
れていない状態（つまり、半導体領域２３のキャリアが
排斥されておらずキャリア濃度が高い状態）のときのフ
ォトニック結晶２０のフォトニックバンドギャップが実
施形態１で説明した図４（ｂ）の如く入射光の波長λ０
を含む波長帯に設計されており、波長λ０の入射光がフ
ォトニック結晶２０で反射され光の伝播経路がスイッチ
要素２によって遮断されることになる。一方、ｐ形シリ
コンからなるコンタクト領域３ａとｎ⁺形シリコンから
なるコンタクト領域３ｂとの間にコンタクト領域３ｂが
高電位側となるような逆方向バイアス電圧Ｖｃを印加し
て半導体領域２３が全体にわたって空乏領域２６となっ
た状態でフォトニック結晶２０のフォトニックバンドギ
ャップが実施形態１で説明した図４（ａ）の如く入射光
の波長λ０を含まない波長帯となるように設計されてお
り、波長λ０の入射光がフォトニック結晶２０を透過可
能となっている。要するに、本実施形態におけるスイッ
チ要素２は、逆方向バイアス電圧Ｖｃが印加されたとき
にフォトニック結晶２０が空乏領域となるようにフォト
ニック結晶２０の半導体領域２３および各コンタクト領
域３ａ，３ｂそれぞれの不純物濃度が設定されているの
で、スイッチ要素２の状態を変化させるために逆方向バ
イアス電圧Ｖｃを印加したときの電流が空乏領域２６を
通して流れる微量の電流となり、低消費電力化を図るこ
とができる。

【００５２】なお、キャリア濃度が１０¹⁵ｃｍ^-3のｐ形
シリコンとキャリア濃度が１０¹⁹ｃｍ^-3のｎ⁺形シリコ
ンとからなるｐｎダイオード構造に逆方向バイアス電圧
を印加した際の空乏層幅は逆方向バイアス電圧が２００
Ｖのときで約５μｍであるので、フォトニック結晶２０
におけるｙ方向の長さ寸法を空乏層幅Ｌｄ’以下に設定
しておけばよい。また、フォトニック結晶２０の半導体
領域２３のキャリア濃度の変化量が十分でない場合に
は、オフ状態とする際に電流を流してキャリア注入を行
うことで半導体領域２３のキャリア濃度をあらかじめ高
くしておいてもよい。

【００５３】また、本実施形態では、上記制御手段が、
第１のコンタクト領域たるコンタクト領域３ａと第２の
コンタクト領域たるコンタクト領域３ｂとの間にコンタ
クト領域３ｂを高電位側として逆方向バイアス電圧Ｖｃ
を印加する電圧印加手段を構成している。

【００５４】（実施形態５）本実施形態の光スイッチの
基本構成は実施形態２と略同じであって、図１５および
図１６に示すように、スイッチ要素２が、フォトニック
結晶２０へフォトニック結晶２０の周期性を有さない方
向からキャリアの注入が行われるようにコンタクト領域
３ａ，３ｂの形成位置が設定されている点に特徴があ
る。すなわち、本実施形態では、フォトニック結晶２０
において周期性を有さない方向に直交する２つの端面に
コンタクト領域３ａ，３ｂを形成してある。図１５に示
した例では、シリコン酸化膜（埋込酸化膜）よりなる絶
縁膜１０上にコンタクト領域３ｂが形成され、コンタク
ト領域３ｂ上にフォトニック結晶２０が形成され、フォ
トニック結晶２０上にコンタクト領域３ａが形成されて
いる。他の構成は実施形態２と同じなので実施形態２と
同じ構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

【００５５】ところで、実施形態２の構成では半導体領
域２３へキャリアが注入された時に周期的に配列されて
いる円孔２４が電流を遮るように形成されているのに対
して、本実施形態では、フォトニック結晶２０の周期性
を有さない方向から半導体領域２３へキャリアの注入が
行われるので、実施形態２に比べて半導体領域２３全体
にわたってのキャリア濃度の均一性を高めることがで
き、フォトニックバンドギャップの変化を得やすくな
る。

【００５６】なお、本実施形態では、キャリアの移動方
向がフォトニック結晶２０の周期性を有さない方向に揃
うようにコンタクト領域３ａ，３ｂの形成位置を設定し
てあるが、この技術思想を他の実施形態２〜４に適用し
てもよいことは勿論である。

【００５７】ところで、上記各実施形態におけるフォト
ニック結晶２０の周期構造は２次元の周期性を有してい
るが、例えば図１７に示すように１次元の周期性を有す
るフォトニック結晶２０を採用してもよいし、例えば図
１８に示すように３次元の周期性を有するフォトニック
結晶２０を採用するようにしてもよい。ここに、図１７
に示したフォトニック結晶２０は、シリコンからなる半
導体領域２３と溝２７とが同図中のｘ方向において交互
に形成することによって１次元の周期構造が形成されて
いる。また、図１８に示したフォトニック結晶２０は、
シリコンからなる直方体状の半導体領域２３に対して同
図中のｘ方向、ｙ方向、ｚ方向それぞれに周期的に球状
の孔２８を形成することによって３次元の周期構造が形
成されている。１次元の周期構造を有するフォトニック
結晶２０は２次元の周期構造を有するフォトニック結晶
２０と同様、３次元の周期構造を有するフォトニック結
晶２０よりも容易に作製することができる。ただし、フ
ォトニック結晶２０では、周期構造の次元数が高くなる
ほど、入射光の広い入射角度を許容することが可能とな
る。すなわち、図１７に示した１次元の周期構造を有す
るフォトニック結晶２０では反射可能な光の入射角度が
周期構造により一義的に決定されるが、２次元の周期構
造を有するフォトニック結晶２０では２次元面内（ｘ−
ｙ平面内）のあらゆる方向からの光を反射するフォトニ
ックバンドギャップを有するので、許容入射角度の大き
な光スイッチとして利用することができる。同様に、図
１８に示した３次元の周期構造を有するフォトニック結
晶２０では３次元空間のあらゆる方向から入射する光を
反射するフォトニックバンドギャップを有するので、３
次元的に広い入射角度を許容する光スイッチとして利用
することができる。

【００５８】また、上記実施形態２〜５で説明したフォ
トニック結晶２０は、上記２次元面内における単位格子
が四角形の２次元四角格子の各格子点に円孔２４を形成
してあるが、より等方性の高い配列構造を採用してもよ
く、例えば、上記２次元面内における単位格子が三角形
の２次元三角格子の各格子点に円孔２４を形成するよう
にしてもよいし、上記２次元面内における単位格子が六
角形の２次元六方格子（蜂の巣構造）の各格子点に円孔
２４を形成するようにしてもよい（図１９参照）。ま
た、フォトニック原子２２の形状も球状以外の形状、例
えば、立方体状の形状にしてもよい。また、本実施形態
におけるスイッチ要素２では、２次元の周期構造を有す
るフォトニック結晶２０を採用しているが、１次元ある
いは３次元の周期構造を有するフォトニック結晶を採用
してもよい。図１８に示した３次元の周期構造では媒質
（半導体領域２３）内に孔２８を設けた構造を例示した
が、３次元の周期構造としては、いわゆるウッドパイル
（woodpile）構造、いゆゆる反転オパール（inverse o
pal）構造などの他の等方性の高い周期構造を採用して
もよい。

【００５９】（実施形態６）本実施形態の光スイッチの
基本構成は実施形態５と略同じであり、図２０に示すよ
うに、１つの入力側（送信側）の光導波路１ａと２つの
出力側（受信側）の光導波路１ｂ，１ｃとの間にスイッ
チ要素２のフォトニック結晶２０を介在させている点に
特徴がある。ここに、各光導波路１ａ〜１ｃはシリコン
よりも屈折率の低いシリコン酸化膜からなる絶縁膜１０
を下部クラッドとしている。なお、実施形態５と同様の
構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。ま
た、各コンタクト領域３ａ，３ｂそれぞれには図示しな
いオーミック電極が接続されている。

【００６０】ところで、本実施形態の光スイッチは、光
導波路１ａを伝搬してきた光を出力側の２つの光導波路
１ｂ，１ｃのうちの一方に選択的に伝搬するように伝搬
経路を切り替える光スイッチであり、コンタクト領域３
ａ，３ｂ間に電圧を印加していない時に光導波路１ａを
伝搬してきた光が光導波路１ｂへ導波され、コンタクト
領域３ａ，３ｂ間に実施形態５と同様の制御手段（図示
せず）によって電圧を印加した時に光導波路１ｂを伝搬
してきた光が光導波路１ｃへ導波されるようなフォトニ
ックバンドギャップが形成されるようにフォトニック結
晶２０を設計してある。

【００６１】しかして、本実施形態の光スイッチでは、
スイッチ要素２が光の伝搬経路に挿入されて状態変化に
よって光の伝搬経路を切り替えるものであって、上記制
御手段が、伝搬経路が切り替わるようにフォトニック結
晶２０の構成物質の屈折率を電気的に変化させるので、
入射光の伝搬経路の切り替えを高速で制御することがで
きる。

【００６２】ところで、上記各実施形態２〜６では、フ
ォトニック結晶２０をシリコンと空気との２種類の物質
の周期構造により構成していたが、円孔２４内をシリコ
ンとは屈折率の異なる誘電体材料により充実してシリコ
ンと誘電体とでフォトニック結晶２０を形成するように
してもよいし、あるいは３種類以上の物質の周期構造と
してもよく、例えば、図２１に示すようにシリコンから
なる半導体領域２３に設けた円孔２４の内周面を被覆す
るＳｉＯ₂（またはＳｉ₃Ｎ₄）からなる絶縁膜２５を形
成することによって、シリコンとＳｉＯ₂（またはＳｉ₃
Ｎ₄）と空気との３種類でフォトニック結晶２０を構成
するようにしてもよい。また、３種類の物質からなり３
次元の周期構造を有するフォトニック結晶として、例え
ば図２２に示すようにＳｉからなる半導体領域３１とＳ
ｉＯ₂からなる絶縁体領域３２とで構成した２次元周期
構造に孔３３を穿孔してＳｉとＳｉＯ₂と空気との３種
類でフォトニック結晶２０を構成するようにしてもよ
い。

【００６３】また、上記各実施形態１〜６における制御
手段は、スイッチ要素２の状態を変化させるようにフォ
トニック結晶２０の構成物質の屈折率を電気的に変化さ
せるものであったが、制御手段がスイッチ要素２の状態
を変化させるようにフォトニック結晶２０の構成物質の
屈折率を制御光によって変化させるようにしても、応答
速度の高速化を図ることができる。なお、上述の制御光
によって屈折率変化を起こす半導体材料としては、種々
の半導体材料（例えば、Ｓｉ、ＧａＡｓ，ＩｎＰ、Ａｌ
ＧａＡｓなど）が考えられるが、例えばＳｉドープＡｌ
ＧａＡｓのような比較的大きな屈折率変化が得られる材
料を採用することが好ましい。

【００６４】

【発明の効果】請求項１の発明は、光の伝搬経路を遮断
する若しくは切り替える光スイッチであって、屈折率の
異なる複数種類の物質の周期構造を有するフォトニック
結晶よりなり光の伝搬経路に挿入されて状態変化によっ
て光の伝搬経路を遮断する若しくは切り替えるスイッチ
要素と、スイッチ要素の状態を変化させるようにフォト
ニック結晶の構成物質の屈折率を電気的に変化させる制
御手段とを備えてなるものであり、制御手段によって、
スイッチ要素の状態を変化させるようにフォトニック結
晶の構成物質の屈折率を電気的に変化させることができ
るので、応答速度の高速化を図ることができるという効
果があり、また、スイッチ要素としてフォトニック結晶
を利用していることで小型化を図ることができるという
効果があり、しかも、フォトニック結晶の周期構造の周
期設計に応じて所望の波長の光を制御することができる
から波長選択性を有することになるという効果がある。

【００６５】請求項２の発明は、請求項１の発明におい
て、前記フォトニック結晶が半導体材料と当該半導体材
料とは屈折率の異なる材料との２種類の物質からなり、
前記制御手段は、前記半導体材料からなる半導体領域の
キャリア濃度を電気的に制御して屈折率を変化させるの
で、半導体領域へのキャリアの注入速度および再結合に
よるキャリアの消滅速度または半導体領域からのキャリ
アの引き抜き速度に応じてスイッチ要素の状態を高速に
変化させることができるという効果があり、また、比較
的安価で加工の容易な半導体材料を用いているので、従
来の電気光学効果を用いた電気式の光スイッチのように
高価で加工の難しいＬｉＮｂＯ₃などの材料を用いる必
要がなく、低コスト化を図ることができるという効果が
ある。

【００６６】請求項３の発明は、請求項２の発明におい
て、前記スイッチ要素は、前記フォトニック結晶の一端
面に接しｐ形半導体からなる第１のコンタクト領域と、
前記フォトニック結晶の他端面に接しｎ形半導体からな
る第２のコンタクト領域とを備えて前記フォトニック結
晶が空乏領域となり、前記制御手段は、第１のコンタク
ト領域と第２のコンタクト領域との間に第１のコンタク
ト領域を高電位側として順方向バイアス電圧を印加する
電圧印加手段からなるので、前記フォトニック結晶が空
乏領域であるときに前記スイッチ要素の状態をオン状態
とし順方向バイアス電圧を印加したときに前記スイッチ
要素の状態をオフ状態とすることで、伝導性キャリアの
光吸収に起因する光の吸収損失を小さくできるという効
果があり、しかも、伝導性キャリアの濃度をほぼ０から
１０²⁰ｃｍ^-3オーダまで変化させることが可能となるか
ら、消光比を高めることが可能になるという効果があ
る。

【００６７】請求項４の発明は、請求項２の発明におい
て、前記スイッチ要素は、前記フォトニック結晶の一端
面に接し前記フォトニック結晶よりも高不純物濃度の半
導体からなる第１のコンタクト領域と、前記フォトニッ
ク結晶の他端面に接し前記フォトニック結晶よりも高不
純物濃度の半導体からなる第２のコンタクト領域とを備
え、前記制御手段は、第１のコンタクト領域と第２のコ
ンタクト領域との間に電圧を印加する電圧印加手段から
なるので、第１のコンタクト領域と第２のコンタクト領
域との間に電圧を印加した通電時の電流経路である前記
フォトニック結晶のキャリア濃度を請求項３の発明に比
べて高く設定でき、前記フォトニック結晶の抵抗を小さ
くすることが可能で低消費電力化を図ることができると
いう効果がある。

【００６８】請求項５の発明は、請求項２の発明におい
て、前記スイッチ要素が、前記フォトニック結晶の一端
面に接しｐ形半導体からなる第１のコンタクト領域と、
前記フォトニック結晶の他端面に接しｎ形半導体からな
る第２のコンタクト領域とを備え、前記制御手段が、第
１のコンタクト領域と第２のコンタクト領域との間に第
２のコンタクト領域を高電位側として逆方向バイアス電
圧を印加する電圧印加手段からなり、スイッチ要素は、
前記逆方向バイアス電圧が印加されたときにフォトニッ
ク結晶が空乏領域となるように前記フォトニック結晶お
よび各コンタクト領域それぞれの不純物濃度が設定され
ているので、前記スイッチ要素の状態を変化させるため
に前記逆方向バイアス電圧を印加したときの電流が空乏
領域を通して流れる微量の電流となり、低消費電力化を
図ることができるという効果がある。

【００６９】請求項６の発明は、請求項３ないし請求項
５の発明において、前記スイッチ要素は、前記各コンタ
クト領域が前記伝搬経路を遮らないように前記伝搬経路
に挿入されているので、前記各コンタクト領域中の伝導
性キャリアによる光吸収を抑制することができ、吸収損
失を小さくすることができるという効果がある。

【００７０】請求項７の発明は、請求項１ないし請求項
６の発明において、前記周期構造は１次元の周期性を有
するので、前記フォトニック結晶を比較的容易に形成す
ることができるという効果がある。

【００７１】請求項８の発明は、請求項１ないし請求項
６の発明において、前記周期構造は２次元の周期性を有
するので、２次元面内における前記フォトニック結晶へ
の光の入射許容角度を請求項７の発明に比べて大きくす
ることができるという効果がある。

【００７２】請求項９の発明は、請求項１ないし請求項
６の発明において、前記周期構造は３次元の周期性を有
するので、３次元空間における前記フォトニック結晶へ
の光の入射許容角度を大きくすることができるという効
果がある。

【００７３】請求項１０の発明は、請求項７または請求
項８の発明において、前記スイッチ要素は、前記フォト
ニック結晶へ前記フォトニック結晶の周期性を有さない
方向からキャリアが注入されるように形成されているの
で、前記フォトニック結晶における注入キャリアの濃度
が均一になりやすく、屈折率変化の均一性を高めること
ができ、前記フォトニック結晶のフォトニックバンドギ
ャップの変化を得やすくなるという効果がある。

【００７４】請求項１１の発明は、請求項１ないし請求
項１０の発明において、前記スイッチ要素が光の伝搬経
路に挿入されて状態変化によって光の伝搬経路を遮断す
るものであって、前記制御手段は、伝搬経路が遮断され
るように前記フォトニック結晶の構成物質の屈折率を電
気的に変化させるので、入射光を透過するオン状態と遮
断するオフ状態とを高速で制御することができるという
効果がある。

【００７５】請求項１２の発明は、請求項１ないし請求
項１０の発明において、前記スイッチ要素が光の伝搬経
路に挿入されて状態変化によって光の伝搬経路を切り替
えるものであって、前記制御手段は、伝搬経路が切り替
わるように前記フォトニック結晶の構成物質の屈折率を
電気的に変化させるので、入射光の伝搬経路の切り替え
を高速で制御することができるという効果がある。

【００７６】請求項１３の発明は、光の伝搬経路を遮断
する若しくは切り替える光スイッチであって、屈折率の
異なる複数種類の物質の周期構造を有するフォトニック
結晶よりなり光の伝搬経路に挿入されて状態変化によっ
て光の伝搬経路を遮断する若しくは切り替えるスイッチ
要素と、スイッチ要素の状態を変化させるようにフォト
ニック結晶の構成物質の屈折率を制御光によって変化さ
せる制御手段とを備えてなるものであり、制御手段によ
って、スイッチ要素の状態を変化させるようにフォトニ
ック結晶の構成物質の屈折率を制御光で変化させること
ができるので、応答速度の高速化を図ることができると
いう効果があり、また、スイッチ要素としてフォトニッ
ク結晶を利用していることで小型化を図ることができる
という効果があり、しかも、フォトニック結晶の周期構
造の周期設計に応じて所望の波長の光を制御することが
できるから波長選択性を有することになるという効果が
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態１の光スイッチの概略構成図である。

【図２】同上におけるスイッチ要素の概略構成図であ
る。

【図３】同上の動作説明図である。

【図４】同上の動作説明図である。

【図５】実施形態２の光スイッチの概略構成図である。

【図６】同上におけるスイッチ要素の概略構成図であ
る。

【図７】同上におけるスイッチ要素の概略構成図であ
る。

【図８】同上におけるスイッチ要素に利用する半導体の
キャリア濃度と屈折率との関係の説明図である。

【図９】同上の動作説明図である。

【図１０】同上の比較例の動作説明図である。

【図１１】実施形態３の光スイッチにおけるスイッチ要
素の概略構成図である。

【図１２】同上の動作説明図である。

【図１３】実施形態４の光スイッチにおけるスイッチ要
素の概略構成図である。

【図１４】同上の動作説明図である。

【図１５】実施形態５の光スイッチの概略構成図であ
る。

【図１６】同上におけるスイッチ要素の概略構成図であ
る。

【図１７】１次元の周期構造を有するフォトニック結晶
の概略構成図である。

【図１８】３次元の周期構造を有するフォトニック結晶
の概略構成図である。

【図１９】２次元の周期構造を有するフォトニック結晶
の概略平面図である。

【図２０】実施形態６の光スイッチの概略構成図であ
る。

【図２１】２次元の周期構造を有するフォトニック結晶
の概略平面図である。

【図２２】３次元の周期構造を有するフォトニック結晶
の概略斜視図である。

【符号の説明】

１ａ光導波路１ｂ光導波路２スイッチ要素２ａ電極２ｂ電極２０フォトニック結晶

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者鈴村正彦大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株式会社内 (72)発明者吉原孝明大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株式会社内Ｆターム(参考） 2H047 KA03 NA02 QA02 RA08 TA01 TA14 2K002 AA02 AB04 BA06 CA03 CA13 DA20 EB02 HA08

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光の伝搬経路を遮断する若しくは切り替
える光スイッチであって、屈折率の異なる複数種類の物
質の周期構造を有するフォトニック結晶よりなり光の伝
搬経路に挿入されて状態変化によって光の伝搬経路を遮
断する若しくは切り替えるスイッチ要素と、スイッチ要
素の状態を変化させるようにフォトニック結晶の構成物
質の屈折率を電気的に変化させる制御手段とを備えてな
ることを特徴とする光スイッチ。
【請求項２】前記フォトニック結晶が半導体材料と当
該半導体材料とは屈折率の異なる材料との２種類の物質
からなり、前記制御手段は、前記半導体材料からなる半
導体領域のキャリア濃度を電気的に制御して屈折率を変
化させることを特徴とする請求項１記載の光スイッチ。
【請求項３】前記スイッチ要素は、前記フォトニック
結晶の一端面に接しｐ形半導体からなる第１のコンタク
ト領域と、前記フォトニック結晶の他端面に接しｎ形半
導体からなる第２のコンタクト領域とを備えて前記フォ
トニック結晶が空乏領域となり、前記制御手段は、第１
のコンタクト領域と第２のコンタクト領域との間に第１
のコンタクト領域を高電位側として順方向バイアス電圧
を印加する電圧印加手段からなることを特徴とする請求
項２記載の光スイッチ。
【請求項４】前記スイッチ要素は、前記フォトニック
結晶の一端面に接し前記フォトニック結晶よりも高不純
物濃度の半導体からなる第１のコンタクト領域と、前記
フォトニック結晶の他端面に接し前記フォトニック結晶
よりも高不純物濃度の半導体からなる第２のコンタクト
領域とを備え、前記制御手段は、第１のコンタクト領域
と第２のコンタクト領域との間に電圧を印加する電圧印
加手段からなることを特徴とする請求項２記載の光スイ
ッチ。
【請求項５】前記スイッチ要素が、前記フォトニック
結晶の一端面に接しｐ形半導体からなる第１のコンタク
ト領域と、前記フォトニック結晶の他端面に接しｎ形半
導体からなる第２のコンタクト領域とを備え、前記制御
手段が、第１のコンタクト領域と第２のコンタクト領域
との間に第２のコンタクト領域を高電位側として逆方向
バイアス電圧を印加する電圧印加手段からなり、スイッ
チ要素は、前記逆方向バイアス電圧が印加されたときに
フォトニック結晶が空乏領域となるように前記フォトニ
ック結晶および各コンタクト領域それぞれの不純物濃度
が設定されてなることを特徴とする請求項２記載の光ス
イッチ。
【請求項６】前記スイッチ要素は、前記各コンタクト
領域が前記伝搬経路を遮らないように前記伝搬経路に挿
入されてなることを特徴とする請求項３ないし請求項５
のいずれかに記載の光スイッチ。
【請求項７】前記周期構造は１次元の周期性を有する
ことを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかに
記載の光スイッチ。
【請求項８】前記周期構造は２次元の周期性を有する
ことを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかに
記載の光スイッチ。
【請求項９】前記周期構造は３次元の周期性を有する
ことを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかに
記載の光スイッチ。
【請求項１０】前記スイッチ要素は、前記フォトニッ
ク結晶へ前記フォトニック結晶の周期性を有さない方向
からキャリアが注入されるように形成されてなることを
特徴とする請求項７または請求項８記載の光スイッチ。
【請求項１１】前記スイッチ要素が光の伝搬経路に挿
入されて状態変化によって光の伝搬経路を遮断するもの
であって、前記制御手段は、伝搬経路が遮断されるよう
に前記フォトニック結晶の構成物質の屈折率を電気的に
変化させることを特徴とする請求項１ないし請求項１０
のいずれかに記載の光スイッチ。
【請求項１２】前記スイッチ要素が光の伝搬経路に挿
入されて状態変化によって光の伝搬経路を切り替えるも
のであって、前記制御手段は、伝搬経路が切り替わるよ
うに前記フォトニック結晶の構成物質の屈折率を電気的
に変化させることを特徴とする請求項１ないし請求項１
０のいずれかに記載の光スイッチ。
【請求項１３】光の伝搬経路を遮断する若しくは切り
替える光スイッチであって、屈折率の異なる複数種類の
物質の周期構造を有するフォトニック結晶よりなり光の
伝搬経路に挿入されて状態変化によって光の伝搬経路を
遮断する若しくは切り替えるスイッチ要素と、スイッチ
要素の状態を変化させるようにフォトニック結晶の構成
物質の屈折率を制御光によって変化させる制御手段とを
備えてなることを特徴とする光スイッチ。