JP2004109947A - フォトニック結晶導波路デバイス - Google Patents
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Abstract
【課題】導波路間のクロストークを防止したフォトニック結晶導波路デバイス、あるいはクロストークを制御し、積極的に利用したフォトニック結晶導波路デバイスを提供すること。
【解決手段】フォトニック結晶１０中に、欠陥を利用した導波路（１１〜１３）が複数形成されており、隣接する導波路の間にクロストークを防止するためのクロストーク防止領域１４が設けられている。このクロストーク防止領域１４は、金属であるか外場により金属的性質を有することができる材料を使用する。このクロストーク防止領域１４の存在により、隣接する導波路間のクロストークが防止でき、複数の導波路が近接してコンパクトに集積された導波路デバイスを実現することが可能となる。
【選択図】 図１
【解決手段】フォトニック結晶１０中に、欠陥を利用した導波路（１１〜１３）が複数形成されており、隣接する導波路の間にクロストークを防止するためのクロストーク防止領域１４が設けられている。このクロストーク防止領域１４は、金属であるか外場により金属的性質を有することができる材料を使用する。このクロストーク防止領域１４の存在により、隣接する導波路間のクロストークが防止でき、複数の導波路が近接してコンパクトに集積された導波路デバイスを実現することが可能となる。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フォトニック結晶を利用した導波路デバイス技術に関するものであり、特にクロストークの少ないフォトニック結晶導波路デバイスに関するものである。本発明の導波路デバイスは、光集積回路、光通信装置、光インターコネクションなどに適用可能である。
【０００２】
【従来の技術】
近年、フォトニック結晶を利用した導波路デバイスが将来の有効な光学デバイスとして盛んに研究されている。コンパクト化のためには複数の導波路を接近して設ける必要があるが、その場合、隣接した導波路間のクロストークが問題になる。隣接した導波路間のクロストークに関する公知文献としては、例えば次のようなものがある。
【０００３】
（ａ）特開平９−３２９７２０号公報は、ひとつの平板透光体中にそれぞれ独立した導波路が形成されている集積型導波路において、隣り合う導波路の中間にダミー導波路を形成することにより、導波路間のクロストークを低減させた集積型導波路を実現するという発明である。
【０００４】
（ｂ）特開平１０−４８４４０号公報は、光波長合分波器において、アレイ導波路の入射側のスラブ導波路に接する領域の各導波路のコア中心軸と入射側スラブ導波路の対称軸とでなす角が所定の関係式を満たすように形成し、アレイ導波路回折格子の隣接する導波路の間隔が広い領域では、ダミー導波路を設けることにより、低損失、低クロストーク、中心波長付近で平坦な波長損失特性を有する光波長合分波器を得るという発明である。
【０００５】
（ｃ）特開平１０−２２７９３３号公報は、アレイ導波路回折格子の両端に所定のコア幅を有する所定本数の擬似導波路を複数のチャネル導波路に添って形成することにより、クロストーク特性のよい光合分波器を得るという発明である。
【０００６】
（ｄ）特開平１０−２８２３５１号公報は、クラッド内にコア部を有し、クラッド部の外表面を金属膜で覆うことにより、クロストークの発生を防止した光導波路を得る。また、この導波路と光電子変換素子と電子回路を組み合わせて、光電子混在基板を得るという発明である。
【０００７】
（ｅ）特開平１１−２６４９１２号公報は、基板上に下部クラッド層を形成し、この上に複数の導波路コア層を形成し、この上に上部クラッド層が形成されて成る導波路において、隣接するコアの間に上部クラッド層に等しいか、それ以上の屈折率を有する第二のクラッドを設けることにより、隣接間のクロストークを抑制した光配線を実現するという発明である。
【０００８】
（ｆ）特開平１１−３５２３４４号公報は、コア層よりも低い屈折率を有するクラッド層内に、複数のコアを同一平面内に並列させた光配線において、コア間のクラッド層内に漏洩する光をコアの外側に放射させる溝を設けることにより、配線間のクロストークが小さい光配線を実現するという発明である。
【０００９】
（ｇ）特開２０００−２８８３７号公報は、個々の導波路は、高分子材料からなるコアとこれを包囲する高分子材料のクラッド層からなる。個々の導波路の光入射端および光出射端を除く部位を光吸収層で覆うことにより、光導波路間のクロストークを低減するという発明である。
【００１０】
（ｈ）特開２０００−３３８３４３号公報は、光合分波器中のアレイ導波路群の各導波路を隔てるクラッドを信号光波長帯の光を吸収する元素を含む材料で構成することにより、導波路間のクロストークを低減した光合分波器を実現するという発明である。
【００１１】
（ｉ）特開２００１−３３７２３８号公報は、狭小間隔で並んでいる導波路間において、互いに隣り合うコアを伝播する導波光の伝播定数が異なっていることにより、導波路間のクロストークを低減した導波路デバイスに関する発明である。
【００１２】
【特許文献１】
特開平９−３２９７２０号公報
【特許文献２】
特開平１０−４８４４０号公報
【特許文献３】
特開平１０−２２７９３３号公報
【特許文献４】
特開平１０−２８２３５１号公報
【特許文献５】
特開平１１−２６４９１２号公報
【特許文献６】
特開平１１−３５２３４４号公報
【特許文献７】
特開２０００−２８８３７号公報
【特許文献８】
特開２０００−３３８３４３号公報
【特許文献９】
特開２００１−３３７２３８号公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
フォトニック結晶は、屈折率の異なった二つ以上の材料（一方は空気でも可）が、空間的な対称性・規則性を有して、配置された周期構造を有する材料である。フォトニック結晶は、この規則構造・周期構造を有することにより、従来の光学材料では得られなかった特性を発揮するようになる。
【００１４】
そのもっとも特徴的なものは、フォトニックバンドギャップ（ＰＢＧ）の発現である。フォトニック結晶では、ＰＢＧに対応した波長の光は完全に通さないが、その他の波長は透過させることができる。完全（無欠陥）なフォトニック結晶では、ＰＢＧの波長の光は完全に通さない。図９は、フォトニック結晶の光透過スペクトルを示す図であり、ＰＢＧに対応した波長の光を通さないことを示している。
【００１５】
しかしながら、フォトニック結晶に欠陥を導入すると、欠陥位置で、ＰＢＧの波長を有する光でも、フォトニック結晶中で光が存在しえるようになる。この性質を利用して、フォトニック結晶中に線状の欠陥を導入したり、連続的に配置された点欠陥を導入することにより、光の欠陥伝播を利用した光導波路への応用が提案されている。
【００１６】
図１０は、フォトニック結晶に欠陥を導入した場合に、その欠陥に沿って光が通過することを示す図であり、同図（ａ）は、フォトニック結晶中に線状欠陥９３を導入した場合に、入射光９１が線状欠陥９３を通って出射光９２として出力され、同図（ｂ）は、フォトニック結晶中に連続的に配置された点欠陥９６を導入することにより、入射光９４が連続した点状欠陥９６を通って出射光９５として出力される状態を示している。
【００１７】
こうしたフォトニック結晶導波路では、上述したＰＢＧの性質により、光を完全に閉じ込めることができることにより、従来材料の導波路では実現できなかった低損失の導波路や急峻に光を曲げる導波路が可能になるものと考えられている。
【００１８】
しかしながら、フォトニック結晶において、ＰＢＧの波長位置で光を完全に通さないという性質は、無限サイズの完全結晶によってのみ得られる性質であり、実際の有限サイズの結晶では、図１１に示すように、ＰＢＧの波長位置でも光を若干透過させる。
【００１９】
ＰＢＧの波長位置で、どのぐらい光を通すのか（漏れ光）は、フォトニック結晶を構成する材料間の屈折率差がどれぐらいあるのかということと、結晶系に依存しているが、ＰＢＧ波長位置での漏れ光が存在するため、図１２に示すように、複数の導波路を接近させてコンパクトに集積させようとすると、隣接する導波路間でクロストークが発生してしまい、入射光１がそのままの強度で出射光１’に出力されず、また入射光２がそのままの強度で出射光２’に出力されず、出力の低下をまねく。
【００２０】
本発明の目的は、上記問題点を解消し、導波路間のクロストークを防止したフォトニック結晶導波路デバイスを提供すること、あるいは、クロストークを制御し、積極的に利用したフォトニック結晶導波路デバイスを提供することである。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、次のような構成を採用した。以下、請求項毎にその構成を述べる。
【００２２】
ａ）請求項１記載の発明は、フォトニック結晶中に、線状あるいは、点状欠陥が線状に連続して形成されている導波路を有し、且つ、フォトニック結晶中の導波路は複数存在し、且つ、該複数の導波路の隣接する導波路の間に金属領域が設けられていることを特徴としている。
【００２３】
ｂ）請求項２記載の発明は、フォトニック結晶中に、線状あるいは、点状欠陥が線状に連続して形成されている導波路を有し、且つ、フォトニック結晶中の導波路は複数存在し、且つ、複数の導波路の隣接する導波路の間に、外場により絶縁体金属転移を起こす絶縁体金属転移領域が設けたことを特徴としている。
【００２４】
ｃ）請求項３記載の発明は、請求項２に記載するフォトニック結晶導波路デバイスおいて、絶縁体金属転移領域を絶縁体金属転移させる外場が熱であることを特徴としている。
【００２５】
ｄ）請求項４記載の発明は、請求項３に記載するフォトニック結晶導波路デバイスおいて、絶縁体金属転移領域に隣接した加熱機構を具備することを特徴としている。
【００２６】
ｅ）請求項５記載の発明は、請求項２に記載するフォトニック結晶導波路デバイスおいて、絶縁体金属転移領域を絶縁体金属転移させる外場が磁場であることを、請求項６記載の発明は、絶縁体金属転移領域を絶縁体金属転移させる外場が電場であることを特徴としている。
【００２７】
ｆ）請求項７記載のはつめいは、請求項６に記載するフォトニック結晶導波路デバイスおいて、絶縁体金属転移領域に隣接した電荷注入発生機構を具備することを特徴としている。
【００２８】
ｇ）請求項８記載の発明は、請求項２に記載するフォトニック結晶導波路デバイスおいて、絶縁体金属転移領域を絶縁体金属転移させる外場が光であることを特徴としている。
【００２９】
ｈ）請求項９記載の発明は、請求項１から８のいずれか１項に記載のフォトニック結晶導波路デバイスおいて、隣接する導波路間に設けられている金属領域あるいは絶縁体金属転移領域の表面を折り返し面として、金属あるいは絶縁体金属転移材料の表面に接しているフォトニック結晶の周期構造を折り返す操作をしたときに、折り返し操作により得られる像の周期構造と実際のフォトニック結晶の周期構造とを重ね合わせてつくられる周期構造に、欠陥が生じないように金属領域あるいは絶縁体金属転移材料の表面を位置させることを特徴としている。
【００３０】
【発明の実施の形態】
本発明に係るフォトニック結晶導波路デバイスの基本構成を、図１を用いて説明する。
【００３１】
同図において、１０はフォトニック結晶、１１〜１３は導波路、１４はクロストーク防止領域を示している。
【００３２】
同図に示すように、本発明のフォトニック結晶導波路デバイスは、フォトニック結晶１０中に、欠陥を利用した導波路（１１〜１３）が複数形成されており、隣接する導波路の間にクロストークを防止するためのクロストーク防止領域１４が設けられている。このクロストーク防止領域１４は、金属であるか外場により金属的性質を有することができる材料を使用する。このクロストーク防止領域１４の存在により、隣接する導波路間のクロストークが防止でき、複数の導波路が近接してコンパクトに集積された導波路デバイスを実現することが可能となる。
【００３３】
また、クロストーク防止領域１４に、外場により金属的性質を有することができる材料を用いれば、クロストーク防止領域１４が金属的性質を有している際には、隣接している導波路間のクロストークはないが、外場によりクロストーク防止領域１４の性質を絶縁体にすることにより、隣接する導波路間でクロストークを発生させるように制御することができる。
【００３４】
これにより、外場の制御によって、ひとつの光を分岐したり、させなかったり、あるいは、二つの光を独立に導光したり、干渉させて取り出したり、といった導波路スイッチングデバイスが実現できる。
【００３５】
次に、請求項９に関わる構成について説明を行う。
請求項９は、フォトニック結晶の周期構造とクロストーク防止領域の表面の位置関係について述べたものである。
【００３６】
上述したように、有限のフォトニック結晶では、ＰＢＧの波長位置でも、漏れ光が存在する。この漏れ光は、結晶サイズが大きくなればなるほど小さくなるので、隣接する導波路間の距離を充分にとればクロストークを発生しなくなるが、実用上、複数の導波路はなるべく小さな空間に集積したいという要求がある。請求項９は、複数の導波路をなるべくコンパクトに集積しながら、所定の光だけを低損失で導光するというフォトニック結晶の利点を両立させるための条件である。
【００３７】
図２はクロストーク防止領域１４の表面付近の拡大図である。
同図において、２１はフォトニック結晶の周期構造、２２はクロストーク防止領域、２３は実際の周期構造、２４は折り返し操作により得られた鏡像であり、同図（ａ）はフォトニック結晶周期構造とクロストーク防止領域の実際の配置図を示し、同図（ｂ）は実際の周期構造と折り返し操作により得られた鏡像を示している。
【００３８】
以下、図２を用いて請求項９の条件を説明する。
実際のクロストーク防止領域２２とフォトニック結晶の周期構造２１は、図２（ａ）に示すがごとき配置となっている。クロストーク防止領域２２の表面を折り返し面として、フォトニック結晶の周期構造を折り返した鏡像は、図２（ｂ）のようなる。図２（ｂ）の場合には、フォトニック結晶の周期構造２３と鏡像を合わせて作られる周期構造には欠陥が生じていない。
【００３９】
請求項９に述べるこの条件に従えば、クロストーク防止領域の表面で、フォトニック結晶の周期構造の鏡像射影をとったときに、射影像と実際の周期構造とで構成される仮想の周期構造に欠陥がないため、実際のフォトニック結晶の周期構造の厚みよりも２倍の厚みの効果が得られる。こうして、フォトニック結晶導波路の利点とコンパクト性を両立させることが可能となる。
【００４０】
これに対して、請求項９の条件に従わないフォトニック結晶の周期構造とクロストーク防止領域の表面の位置関係とは、図３に示すような状態である。
【００４１】
同図において、３１はフォトニック結晶の周期構造、３２はクロストーク防止領域、３３は実際の周期構造、３４は折り返し操作により得られた鏡像であり、同図（ａ）はフォトニック結晶周期構造とクロストーク防止領域の実際の配置図を示し、同図（ｂ）は実際の周期構造と折り返し操作により得られた鏡像を示している。請求項９の条件に従わない場合は、同図（ｂ）に示すように、見かけ上結晶欠陥３５を生じることとなる。
【００４２】
以下、図面を用いて、本発明の実施例を詳細に説明する。
（実施例１）
本実施例は、請求項１および請求項９記載の発明に係る実施例である。
本実施例において、フォトニック結晶として、シリカ粒子のオパール結晶の粒子間にシリコンナノ粒子を充填して固めた後、シリカ粒子をエッチング除去したものを使用する。このフォトニック結晶に、フォトリソ・エッチングの手法により、導波路とクロストーク防止材を充填するための溝を形成し、クロストーク防止材用の溝にアルミを充填してクロストーク防止領域を形成する。
【００４３】
図４は、このようにして得られたフォトニック結晶導波路デバイスを示す図である。本実施例では、フォトニック結晶の周期構造とクロストーク防止領域の表面は、請求項９の条件にしたがっている。
【００４４】
同図において、４１〜４３は導波路、４４はアルミ領域（クロストーク防止領域）、４５はシリコン、４６はエアーを示している。
【００４５】
本実施例に示すフォトニック結晶導波路デバイスは、導波路間クロストークを防止して、フォトニック結晶導波路の利点とコンパクト性を両立させたものとなっている。
【００４６】
（実施例２）
本実施例は、請求項２、請求項３、請求項４、および請求項９記載の発明に係る実施例である。
【００４７】
本実施例において、フォトニック結晶として、ＳｒＴｉＯ３ 単結晶基板上に形成したシリカ粒子のオパール結晶の粒子間にシリコンナノ粒子を充填して固めた後、シリカ粒子をエッチング除去したものを使用する。このフォトニック結晶に、フォトリソ・エッチングの手法により、導波路とクロストーク防止材を充填するための溝を形成する。
【００４８】
このときにクロストーク防止材を充填するための溝は、ＳｒＴｉＯ３単結晶基板面まで達している。このクロストーク防止材用の溝に、熱により絶縁体金属転移を発生させる材料を充填してクロストーク制御領域を形成する。
【００４９】
本実施例では、絶縁体金属転移材として、Ｐｒ０．６Ｃａ０．４Ｍｎ１．０５Ｏ３を用いた。Ｐｒ０．６Ｃａ０．４Ｍｎ１．０５Ｏ３ の上に、酸化シリコンの絶縁層と Ｐｔ によるヒーター配線を設けてフォトニック結晶導波路デバイスを形成した。
【００５０】
図５は、このようにして得られたフォトニック結晶導波路デバイスを示す図である。同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）は断面図を示している。
同図において、５１〜５２は導波路、５３はクロストーク制御領域、５４はシリコン、５５はエアー、５６はＳｒＴｉＯ３単結晶基板、５７はフォトニック結晶領域、５８は酸化絶縁層、５９はＰｔ（ヒーター配線）を示している。
【００５１】
本実施例では、フォトニック結晶の周期構造とクロストーク防止領域の表面は、請求項９の条件にしたがっている。
【００５２】
本実施例に示すフォトニック結晶導波路デバイスは、ヒーターのオン・オフにより、隣接する導波路間でのクロストークのオン・オフを可能にし、フォトニック結晶導波路の利点とコンパクト性を両立させたものとなっている。
【００５３】
本実施例では、絶縁体金属転移材として、Ｐｒ０．６Ｃａ０．４Ｍｎ１．０５Ｏ３ を用いたが、熱により絶縁体金属転移を発生させる材料であれば、何でも良い。このような材料として、一般的には、Ｐｒ１−ｘＣａｘＭｎ１＋ｙＯ３（ｘ＝０．３〜０．５、ｙ＝０．０〜０．１）、Ｐｒ１−ｘＣａｘＭｎ１＋ｙＯ３（Ｓｒ ドープ）、Ｌａ１−ｘＣａｘＭｎ１＋ｙＯ３（ｘ＝０．６〜０．７、ｙ＝０．０〜０．１）、（Ｖ１−ｘＣｒｘ） ２Ｏ３（ｘ〜０．５１）、Ｌａ１−ｘＳｒｘＭｎ１＋ｙＯ３（ｘ＝０．２〜０．４、ｙ＝０．０１〜０．１）などを用いることができる。
【００５４】
（実施例３）
本実施例は、請求項２、請求項５、および請求項９記載の発明に係る実施例である。
【００５５】
本実施例において、フォトニック結晶として、ＬａＡｌＯ３単結晶基板上に形成したシリカ粒子のオパール結晶の粒子間にシリコンナノ粒子を充填して固めた後、シリカ粒子をエッチング除去したものを使用する。
【００５６】
このフォトニック結晶に、フォトリソ・エッチングの手法により、導波路とクロストーク防止材を充填するための溝を形成する。このときにクロストーク防止材を充填するための溝は、ＬａＡｌＯ３単結晶基板面まで達している。このクロストーク防止材用の溝に、磁場により絶縁体金属転移を発生させる材料を充填してクロストーク制御領域を形成する。
【００５７】
本実施例では、絶縁体金属転移材として、Ｐｒ０．５Ｓｒ０．５ＭｎＯ３を用いた。Ｐｒ０．５Ｓｒ０．５ＭｎＯ３の上に、酸化シリコンの保護層を設けてフォトニック結晶導波路デバイスを形成した。
【００５８】
図６は、このようにして得られたフォトニック結晶導波路デバイスである。同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）は断面図を示している。
同図において、６１〜６２は導波路、６３はクロストーク制御領域（Ｐｒ０．５Ｓｒ０．５ＭｎＯ３）、６４はシリコン、６５はエアー、６６はＬａＡｌＯ３単結晶基板、６７はフォトニック結晶領域、６８は酸化シリコン（保護層）を示している。
【００５９】
本実施例では、フォトニック結晶の周期構造とクロストーク防止領域の表面は、請求項９の条件にしたがっている。
【００６０】
本実施例に示すフォトニック結晶導波路デバイスは、磁気記録などで用いている磁場の書き込み機構を用いることにより、隣接する導波路間でのクロストークのオン・オフを可能にし、フォトニック結晶導波路の利点とコンパクト性を両立させたものとなっている。
【００６１】
本実施例では、絶縁体金属転移材として、Ｐｒ０．５Ｓｒ０．５ＭｎＯ３ を用いたが、磁場により絶縁体金属転移を発生させる材料であれば、何でも良い。このような材料として、一般的には、Ｎｄ０．５Ｓｒ０．５ＭｎＯ３、Ｐｒ１−ｘ ＣａｘＭｎＯ３（０．３≦ｘ≦０．７）、Ｎｄ１−ｘＣａｘＭｎＯ３（０．３≦ｘ≦０．７）、Ｓｍ１−ｘＣａｘＭｎＯ３（０．１５≦ｘ≦０．８５）などを用いることができる。
【００６２】
（実施例４）
本実施例は、請求項２、請求項６、請求項７および請求項９記載の発明に係る実施例である。
【００６３】
本実施例において、フォトニック結晶として、Ｓｉ 基板表面にＩＴＯ が形成された基板上に、形成したシリカ粒子のオパール結晶の粒子間にシリコンナノ粒子を充填して固めた後、シリカ粒子をエッチング除去したものを使用する。ＩＴＯ は、共通電極となる。このフォトニック結晶に、フォトリソ・エッチングの手法により、導波路とクロストーク防止材を充填するための溝を形成する。
【００６４】
このときにクロストーク防止材を充填するための溝は、ＩＴＯ まで達している。このクロストーク防止材用の溝に、電場により絶縁体金属転移を発生させる材料を充填してクロストーク制御領域を形成する。
【００６５】
本実施例では、絶縁体金属転移材として、Ｃａ０．６Ｙ０．４ＴｉＯ３を用いた。Ｃａ０．６Ｙ０．４ＴｉＯ３の上に、酸化シリコンのバリア層とアルミによる個別電極を設けてフォトニック結晶導波路デバイスを形成した。
【００６６】
図７は、このようにして得られたフォトニック結晶導波路デバイスを示す図である。同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）は断面図を示している。
同図において、７１〜７２は導波路、７３はクロストーク制御領域（Ｃａ０．６Ｙ０．４ＴｉＯ３）、７６はＳｉ基板、７７はフォトニック結晶領域、７８は酸化シリコン（バリア層）、７９はＡｌ（個別電極）を示している。
【００６７】
本実施例では、フォトニック結晶の周期構造とクロストーク防止領域の表面は、請求項９の条件にしたがっている。
【００６８】
本実施例に示すフォトニック結晶導波路デバイスは、電極への電圧印加のオン・オフにより、隣接する導波路間でのクロストークのオン・オフを可能にし、フォトニック結晶導波路の利点とコンパクト性を両立させたものとなっている。
本実施例では、絶縁体金属転移材として、Ｃａ０．６Ｙ０．４ＴｉＯ３を用いたが、電荷注入により絶縁体金属転移を発生させる材料であれば、何でも良い。
【００６９】
このような材料として、一般的には、Ｃａ１−ｘＹｘＴｉＯ３、Ｓｒ１−ｘＬａｘＶＯ３、Ｓｒ１−ｘＬａｘＭｎＯ３、Ｂａ１−ｘＬａｘＭｎＯ３、Ｓｒ１−ｘＬａｘＣｏＯ３、Ｓｒ１−ｘＬａｘＲｕＯ３、Ｂａ１−ｘＬａｘＲｕＯ３、ＳｒＴｉ１−ｘＮｂｘＯ３、アモルファスシリコン（ヒ素、リン、あるいは、アンチモンがドープ）、アモルファスゲルマニウム（ヒ素、リン、あるいは、アンチモンがドープ）、アモルファス硫化カドミウム（ヒ素、リン、あるいは、アンチモンがドープ）、アモルファスガリウムヒ素（ヒ素、リン、あるいは、アンチモンがドープ）などを用いることができる。
【００７０】
（実施例５）
本実施例は、請求項２、請求項８、および請求項９記載の発明に係る実施例である。
【００７１】
本実施例において、フォトニック結晶として、ＳｒＴｉＯ３ 単結晶基板上に形成したシリカ粒子のオパール結晶の粒子間にシリコンナノ粒子を充填して固めた後、シリカ粒子をエッチング除去したものを使用する。このフォトニック結晶に、フォトリソ・エッチングの手法により、導波路とクロストーク防止材を充填するための溝を形成する。このときにクロストーク防止材を充填するための溝は、ＳｒＴｉＯ３ 単結晶基板面まで達している。このクロストーク防止材用の溝に、光により絶縁体金属転移を発生させる材料を充填してクロストーク制御領域を形成する。
【００７２】
本実施例では、絶縁体金属転移材として、Ｐｒ０．７Ｃａ０ ． ３ＭｎＯ３を用いた。Ｐｒ０．７Ｃａ０ ． ３ＭｎＯ３の上に、酸化シリコンの保護層を設けてフォトニック結晶導波路デバイスを形成した。
【００７３】
図８はこのようにして得られたフォトニック結晶導波路デバイスを示す図である。同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）は断面図を示している。
同図において、８１〜８２は導波路、８３はクロストーク制御領域（Ｃａ０．６Ｙ０．４ＴｉＯ３）、８４はシリコン、８５はエアー、８６はＳｒＴｉＯ３ 単結晶基板、８７はフォトニック結晶領域、８８は酸化シリコン（保護層）を示している。
【００７４】
本実施例では、フォトニック結晶の周期構造とクロストーク防止領域の表面は、請求項９の条件にしたがっている。
【００７５】
本実施例に示すフォトニック結晶導波路デバイスは、制御光により、隣接する導波路間でのクロストークのオン・オフを可能にし、フォトニック結晶導波路の利点とコンパクト性を両立させたものとなっている。
【００７６】
本実施例では、絶縁体金属転移材として、Ｐｒ０．７Ｃａ０ ． ３ＭｎＯ３を用いたが、光により絶縁体金属転移を発生させる材料であれば、何でも良い。このような材料として、一般的には、Ｌａ１−ｘＣａｘＭｎＯ３、Ｌａ１−ｘＳｒｘＭｎＯ３、Ｌａ１−ｘＢａｘＭｎＯ３、Ｎｄ１−ｘＳｒｘＭｎＯ３、Ｓｒ２ＭｏＦｅＯ６などを用いることができる。
【００７７】
以上、本発明の実施例を説明したが、本発明の導波路デバイスは、クロストークを防止したり、あるいはくロストーク量を制御することができ、光集積回路、光通信装置、光インターコネクションなどに適用した場合に有効である。
【００７８】
【発明の効果】
以下、本発明の効果を各請求項毎に記す。
請求項１に記載するフォトニック結晶導波路デバイスは、フォトニック結晶導波路間のクロストークを防止し、コンパクトなフォトニック結晶導波路デバイスを可能にする。
【００７９】
請求項２に記載するフォトニック結晶導波路デバイスは、外場の制御により、絶縁体金属転移領域の物性を絶縁体と金属の間で転移を生じさせ、フォトニック結晶導波路間の結合を開閉させることにより、コンパクトなフォトニック結晶導波路スイッチング・デバイスを可能にする。
【００８０】
請求項３に記載するフォトニック結晶導波路デバイスは、熱により、絶縁体金属転移領域の物性を絶縁体と金属の間で転移を生じさせ、フォトニック結晶導波路間の結合を開閉させることにより、コンパクトなフォトニック結晶導波路スイッチング・デバイスを可能にする。
【００８１】
請求項４に記載するフォトニック結晶導波路デバイスは、熱により、絶縁体金属転移領域の物性を絶縁体と金属の間で転移を生じさせ、フォトニック結晶導波路間の結合を開閉させることにより、コンパクトなフォトニック結晶導波路スイッチング・デバイスを可能にする。
【００８２】
請求項５に記載するフォトニック結晶導波路デバイスは、磁場の制御により、絶縁体金属転移領域の物性を絶縁体と金属の間で転移を生じさせ、フォトニック結晶導波路間の結合を開閉させることにより、コンパクトなフォトニック結晶導波路スイッチング・デバイスを可能にする。
【００８３】
請求項６に記載するフォトニック結晶導波路デバイスは、電場の制御により、絶縁体金属転移領域の物性を絶縁体と金属の間で転移を生じさせ、フォトニック結晶導波路間の結合を開閉させることにより、コンパクトなフォトニック結晶導波路スイッチング・デバイスを可能にする。
【００８４】
請求項７に記載するフォトニック結晶導波路デバイスは、電場の制御により、絶縁体金属転移領域の物性を絶縁体と金属の間で転移を生じさせ、フォトニック結晶導波路間の結合を開閉させることにより、コンパクトなフォトニック結晶導波路スイッチング・デバイスを可能にする。
【００８５】
請求項８に記載するフォトニック結晶導波路デバイスは、光の制御により、絶縁体金属転移領域の物性を絶縁体と金属の間で転移を生じさせ、フォトニック結晶導波路間の結合を開閉させることにより、コンパクトなフォトニック結晶導波路スイッチング・デバイスを可能にする。
【００８６】
請求項９に記載するフォトニック結晶導波路デバイスは、フォトニック結晶導波路間のクロストークを防止し、コンパクトなフォトニック結晶導波路デバイスを可能にする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るフォトニック結晶導波路デバイスの基本構成を説明するための図である。
【図２】請求項９に述べる条件を説明するための図である
【図３】請求項９に述べる条件に従わない場合の例を示す図である。
【図４】実施例１を説明するための図である。
【図５】実施例２を説明するための図である。
【図６】実施例３を説明するための図である。
【図７】実施例４を説明するための図である。
【図８】実施例５を説明するための図である。
【図９】フォトニック結晶の光透過スペクトルを示す図である。
【図１０】フォトニック結晶光導波路を示す図である。
【図１１】実際のフォトニック結晶の光透過スペクトルを示す図である。
【図１２】集積させたフォトニック結晶導波路（クロストークの発生）を示す図である。
【符号の説明】
１０：フォトニック結晶、
１１〜１３：導波路、
１４：クロストーク防止領域、
２１：フォトニック結晶の周期構造、
２２：クロストーク防止領域、
２３：実際の周期構造、
２４：折り返し操作により得られた鏡像、
３１：フォトニック結晶の周期構造、
３２：クロストーク防止領域、
３３：実際の周期構造、
３４：折り返し操作により得られた鏡像、
４１〜４３：導波路、
４４：アルミ領域（クロストーク防止領域）、
４５：シリコン、
４６：エアー、
５１〜５２：導波路、
５３：クロストーク制御領域、
５４：シリコン、
５５：エアー、
５６：ＳｒＴｉＯ３単結晶基板、
５７：フォトニック結晶領域、
５８：酸化絶縁層、
５９：Ｐｔ（ヒーター配線）、
６１〜６２：導波路、
６３：クロストーク制御領域（Ｐｒ０．５Ｓｒ０．５ＭｎＯ３）、
６４：シリコン、
６５：エアー、
６６：ＬａＡｌＯ３単結晶基板、
６７：フォトニック結晶領域、
６８：酸化シリコン（保護層）、
７１〜７２：導波路、
７３：クロストーク制御領域（Ｃａ０．６Ｙ０．４ＴｉＯ３）、
７６：Ｓｉ基板、
７７：フォトニック結晶領域、
７８：酸化シリコン（バリア層）、
７９：Ａｌ（個別電極）、
８１〜８２：導波路、
８３：クロストーク制御領域（Ｃａ０．６Ｙ０．４ＴｉＯ３）、
８４：シリコン、
８５：エアー、
８６：ＳｒＴｉＯ３単結晶基板、
８７：フォトニック結晶領域、
８８：酸化シリコン（保護層）、
９１，９４：入射光、
９２，９５：出射光、
９３：線状欠陥、
９６：点状欠陥。
【発明の属する技術分野】
本発明は、フォトニック結晶を利用した導波路デバイス技術に関するものであり、特にクロストークの少ないフォトニック結晶導波路デバイスに関するものである。本発明の導波路デバイスは、光集積回路、光通信装置、光インターコネクションなどに適用可能である。
【０００２】
【従来の技術】
近年、フォトニック結晶を利用した導波路デバイスが将来の有効な光学デバイスとして盛んに研究されている。コンパクト化のためには複数の導波路を接近して設ける必要があるが、その場合、隣接した導波路間のクロストークが問題になる。隣接した導波路間のクロストークに関する公知文献としては、例えば次のようなものがある。
【０００３】
（ａ）特開平９−３２９７２０号公報は、ひとつの平板透光体中にそれぞれ独立した導波路が形成されている集積型導波路において、隣り合う導波路の中間にダミー導波路を形成することにより、導波路間のクロストークを低減させた集積型導波路を実現するという発明である。
【０００４】
（ｂ）特開平１０−４８４４０号公報は、光波長合分波器において、アレイ導波路の入射側のスラブ導波路に接する領域の各導波路のコア中心軸と入射側スラブ導波路の対称軸とでなす角が所定の関係式を満たすように形成し、アレイ導波路回折格子の隣接する導波路の間隔が広い領域では、ダミー導波路を設けることにより、低損失、低クロストーク、中心波長付近で平坦な波長損失特性を有する光波長合分波器を得るという発明である。
【０００５】
（ｃ）特開平１０−２２７９３３号公報は、アレイ導波路回折格子の両端に所定のコア幅を有する所定本数の擬似導波路を複数のチャネル導波路に添って形成することにより、クロストーク特性のよい光合分波器を得るという発明である。
【０００６】
（ｄ）特開平１０−２８２３５１号公報は、クラッド内にコア部を有し、クラッド部の外表面を金属膜で覆うことにより、クロストークの発生を防止した光導波路を得る。また、この導波路と光電子変換素子と電子回路を組み合わせて、光電子混在基板を得るという発明である。
【０００７】
（ｅ）特開平１１−２６４９１２号公報は、基板上に下部クラッド層を形成し、この上に複数の導波路コア層を形成し、この上に上部クラッド層が形成されて成る導波路において、隣接するコアの間に上部クラッド層に等しいか、それ以上の屈折率を有する第二のクラッドを設けることにより、隣接間のクロストークを抑制した光配線を実現するという発明である。
【０００８】
（ｆ）特開平１１−３５２３４４号公報は、コア層よりも低い屈折率を有するクラッド層内に、複数のコアを同一平面内に並列させた光配線において、コア間のクラッド層内に漏洩する光をコアの外側に放射させる溝を設けることにより、配線間のクロストークが小さい光配線を実現するという発明である。
【０００９】
（ｇ）特開２０００−２８８３７号公報は、個々の導波路は、高分子材料からなるコアとこれを包囲する高分子材料のクラッド層からなる。個々の導波路の光入射端および光出射端を除く部位を光吸収層で覆うことにより、光導波路間のクロストークを低減するという発明である。
【００１０】
（ｈ）特開２０００−３３８３４３号公報は、光合分波器中のアレイ導波路群の各導波路を隔てるクラッドを信号光波長帯の光を吸収する元素を含む材料で構成することにより、導波路間のクロストークを低減した光合分波器を実現するという発明である。
【００１１】
（ｉ）特開２００１−３３７２３８号公報は、狭小間隔で並んでいる導波路間において、互いに隣り合うコアを伝播する導波光の伝播定数が異なっていることにより、導波路間のクロストークを低減した導波路デバイスに関する発明である。
【００１２】
【特許文献１】
特開平９−３２９７２０号公報
【特許文献２】
特開平１０−４８４４０号公報
【特許文献３】
特開平１０−２２７９３３号公報
【特許文献４】
特開平１０−２８２３５１号公報
【特許文献５】
特開平１１−２６４９１２号公報
【特許文献６】
特開平１１−３５２３４４号公報
【特許文献７】
特開２０００−２８８３７号公報
【特許文献８】
特開２０００−３３８３４３号公報
【特許文献９】
特開２００１−３３７２３８号公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
フォトニック結晶は、屈折率の異なった二つ以上の材料（一方は空気でも可）が、空間的な対称性・規則性を有して、配置された周期構造を有する材料である。フォトニック結晶は、この規則構造・周期構造を有することにより、従来の光学材料では得られなかった特性を発揮するようになる。
【００１４】
そのもっとも特徴的なものは、フォトニックバンドギャップ（ＰＢＧ）の発現である。フォトニック結晶では、ＰＢＧに対応した波長の光は完全に通さないが、その他の波長は透過させることができる。完全（無欠陥）なフォトニック結晶では、ＰＢＧの波長の光は完全に通さない。図９は、フォトニック結晶の光透過スペクトルを示す図であり、ＰＢＧに対応した波長の光を通さないことを示している。
【００１５】
しかしながら、フォトニック結晶に欠陥を導入すると、欠陥位置で、ＰＢＧの波長を有する光でも、フォトニック結晶中で光が存在しえるようになる。この性質を利用して、フォトニック結晶中に線状の欠陥を導入したり、連続的に配置された点欠陥を導入することにより、光の欠陥伝播を利用した光導波路への応用が提案されている。
【００１６】
図１０は、フォトニック結晶に欠陥を導入した場合に、その欠陥に沿って光が通過することを示す図であり、同図（ａ）は、フォトニック結晶中に線状欠陥９３を導入した場合に、入射光９１が線状欠陥９３を通って出射光９２として出力され、同図（ｂ）は、フォトニック結晶中に連続的に配置された点欠陥９６を導入することにより、入射光９４が連続した点状欠陥９６を通って出射光９５として出力される状態を示している。
【００１７】
こうしたフォトニック結晶導波路では、上述したＰＢＧの性質により、光を完全に閉じ込めることができることにより、従来材料の導波路では実現できなかった低損失の導波路や急峻に光を曲げる導波路が可能になるものと考えられている。
【００１８】
しかしながら、フォトニック結晶において、ＰＢＧの波長位置で光を完全に通さないという性質は、無限サイズの完全結晶によってのみ得られる性質であり、実際の有限サイズの結晶では、図１１に示すように、ＰＢＧの波長位置でも光を若干透過させる。
【００１９】
ＰＢＧの波長位置で、どのぐらい光を通すのか（漏れ光）は、フォトニック結晶を構成する材料間の屈折率差がどれぐらいあるのかということと、結晶系に依存しているが、ＰＢＧ波長位置での漏れ光が存在するため、図１２に示すように、複数の導波路を接近させてコンパクトに集積させようとすると、隣接する導波路間でクロストークが発生してしまい、入射光１がそのままの強度で出射光１’に出力されず、また入射光２がそのままの強度で出射光２’に出力されず、出力の低下をまねく。
【００２０】
本発明の目的は、上記問題点を解消し、導波路間のクロストークを防止したフォトニック結晶導波路デバイスを提供すること、あるいは、クロストークを制御し、積極的に利用したフォトニック結晶導波路デバイスを提供することである。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、次のような構成を採用した。以下、請求項毎にその構成を述べる。
【００２２】
ａ）請求項１記載の発明は、フォトニック結晶中に、線状あるいは、点状欠陥が線状に連続して形成されている導波路を有し、且つ、フォトニック結晶中の導波路は複数存在し、且つ、該複数の導波路の隣接する導波路の間に金属領域が設けられていることを特徴としている。
【００２３】
ｂ）請求項２記載の発明は、フォトニック結晶中に、線状あるいは、点状欠陥が線状に連続して形成されている導波路を有し、且つ、フォトニック結晶中の導波路は複数存在し、且つ、複数の導波路の隣接する導波路の間に、外場により絶縁体金属転移を起こす絶縁体金属転移領域が設けたことを特徴としている。
【００２４】
ｃ）請求項３記載の発明は、請求項２に記載するフォトニック結晶導波路デバイスおいて、絶縁体金属転移領域を絶縁体金属転移させる外場が熱であることを特徴としている。
【００２５】
ｄ）請求項４記載の発明は、請求項３に記載するフォトニック結晶導波路デバイスおいて、絶縁体金属転移領域に隣接した加熱機構を具備することを特徴としている。
【００２６】
ｅ）請求項５記載の発明は、請求項２に記載するフォトニック結晶導波路デバイスおいて、絶縁体金属転移領域を絶縁体金属転移させる外場が磁場であることを、請求項６記載の発明は、絶縁体金属転移領域を絶縁体金属転移させる外場が電場であることを特徴としている。
【００２７】
ｆ）請求項７記載のはつめいは、請求項６に記載するフォトニック結晶導波路デバイスおいて、絶縁体金属転移領域に隣接した電荷注入発生機構を具備することを特徴としている。
【００２８】
ｇ）請求項８記載の発明は、請求項２に記載するフォトニック結晶導波路デバイスおいて、絶縁体金属転移領域を絶縁体金属転移させる外場が光であることを特徴としている。
【００２９】
ｈ）請求項９記載の発明は、請求項１から８のいずれか１項に記載のフォトニック結晶導波路デバイスおいて、隣接する導波路間に設けられている金属領域あるいは絶縁体金属転移領域の表面を折り返し面として、金属あるいは絶縁体金属転移材料の表面に接しているフォトニック結晶の周期構造を折り返す操作をしたときに、折り返し操作により得られる像の周期構造と実際のフォトニック結晶の周期構造とを重ね合わせてつくられる周期構造に、欠陥が生じないように金属領域あるいは絶縁体金属転移材料の表面を位置させることを特徴としている。
【００３０】
【発明の実施の形態】
本発明に係るフォトニック結晶導波路デバイスの基本構成を、図１を用いて説明する。
【００３１】
同図において、１０はフォトニック結晶、１１〜１３は導波路、１４はクロストーク防止領域を示している。
【００３２】
同図に示すように、本発明のフォトニック結晶導波路デバイスは、フォトニック結晶１０中に、欠陥を利用した導波路（１１〜１３）が複数形成されており、隣接する導波路の間にクロストークを防止するためのクロストーク防止領域１４が設けられている。このクロストーク防止領域１４は、金属であるか外場により金属的性質を有することができる材料を使用する。このクロストーク防止領域１４の存在により、隣接する導波路間のクロストークが防止でき、複数の導波路が近接してコンパクトに集積された導波路デバイスを実現することが可能となる。
【００３３】
また、クロストーク防止領域１４に、外場により金属的性質を有することができる材料を用いれば、クロストーク防止領域１４が金属的性質を有している際には、隣接している導波路間のクロストークはないが、外場によりクロストーク防止領域１４の性質を絶縁体にすることにより、隣接する導波路間でクロストークを発生させるように制御することができる。
【００３４】
これにより、外場の制御によって、ひとつの光を分岐したり、させなかったり、あるいは、二つの光を独立に導光したり、干渉させて取り出したり、といった導波路スイッチングデバイスが実現できる。
【００３５】
次に、請求項９に関わる構成について説明を行う。
請求項９は、フォトニック結晶の周期構造とクロストーク防止領域の表面の位置関係について述べたものである。
【００３６】
上述したように、有限のフォトニック結晶では、ＰＢＧの波長位置でも、漏れ光が存在する。この漏れ光は、結晶サイズが大きくなればなるほど小さくなるので、隣接する導波路間の距離を充分にとればクロストークを発生しなくなるが、実用上、複数の導波路はなるべく小さな空間に集積したいという要求がある。請求項９は、複数の導波路をなるべくコンパクトに集積しながら、所定の光だけを低損失で導光するというフォトニック結晶の利点を両立させるための条件である。
【００３７】
図２はクロストーク防止領域１４の表面付近の拡大図である。
同図において、２１はフォトニック結晶の周期構造、２２はクロストーク防止領域、２３は実際の周期構造、２４は折り返し操作により得られた鏡像であり、同図（ａ）はフォトニック結晶周期構造とクロストーク防止領域の実際の配置図を示し、同図（ｂ）は実際の周期構造と折り返し操作により得られた鏡像を示している。
【００３８】
以下、図２を用いて請求項９の条件を説明する。
実際のクロストーク防止領域２２とフォトニック結晶の周期構造２１は、図２（ａ）に示すがごとき配置となっている。クロストーク防止領域２２の表面を折り返し面として、フォトニック結晶の周期構造を折り返した鏡像は、図２（ｂ）のようなる。図２（ｂ）の場合には、フォトニック結晶の周期構造２３と鏡像を合わせて作られる周期構造には欠陥が生じていない。
【００３９】
請求項９に述べるこの条件に従えば、クロストーク防止領域の表面で、フォトニック結晶の周期構造の鏡像射影をとったときに、射影像と実際の周期構造とで構成される仮想の周期構造に欠陥がないため、実際のフォトニック結晶の周期構造の厚みよりも２倍の厚みの効果が得られる。こうして、フォトニック結晶導波路の利点とコンパクト性を両立させることが可能となる。
【００４０】
これに対して、請求項９の条件に従わないフォトニック結晶の周期構造とクロストーク防止領域の表面の位置関係とは、図３に示すような状態である。
【００４１】
同図において、３１はフォトニック結晶の周期構造、３２はクロストーク防止領域、３３は実際の周期構造、３４は折り返し操作により得られた鏡像であり、同図（ａ）はフォトニック結晶周期構造とクロストーク防止領域の実際の配置図を示し、同図（ｂ）は実際の周期構造と折り返し操作により得られた鏡像を示している。請求項９の条件に従わない場合は、同図（ｂ）に示すように、見かけ上結晶欠陥３５を生じることとなる。
【００４２】
以下、図面を用いて、本発明の実施例を詳細に説明する。
（実施例１）
本実施例は、請求項１および請求項９記載の発明に係る実施例である。
本実施例において、フォトニック結晶として、シリカ粒子のオパール結晶の粒子間にシリコンナノ粒子を充填して固めた後、シリカ粒子をエッチング除去したものを使用する。このフォトニック結晶に、フォトリソ・エッチングの手法により、導波路とクロストーク防止材を充填するための溝を形成し、クロストーク防止材用の溝にアルミを充填してクロストーク防止領域を形成する。
【００４３】
図４は、このようにして得られたフォトニック結晶導波路デバイスを示す図である。本実施例では、フォトニック結晶の周期構造とクロストーク防止領域の表面は、請求項９の条件にしたがっている。
【００４４】
同図において、４１〜４３は導波路、４４はアルミ領域（クロストーク防止領域）、４５はシリコン、４６はエアーを示している。
【００４５】
本実施例に示すフォトニック結晶導波路デバイスは、導波路間クロストークを防止して、フォトニック結晶導波路の利点とコンパクト性を両立させたものとなっている。
【００４６】
（実施例２）
本実施例は、請求項２、請求項３、請求項４、および請求項９記載の発明に係る実施例である。
【００４７】
本実施例において、フォトニック結晶として、ＳｒＴｉＯ３ 単結晶基板上に形成したシリカ粒子のオパール結晶の粒子間にシリコンナノ粒子を充填して固めた後、シリカ粒子をエッチング除去したものを使用する。このフォトニック結晶に、フォトリソ・エッチングの手法により、導波路とクロストーク防止材を充填するための溝を形成する。
【００４８】
このときにクロストーク防止材を充填するための溝は、ＳｒＴｉＯ３単結晶基板面まで達している。このクロストーク防止材用の溝に、熱により絶縁体金属転移を発生させる材料を充填してクロストーク制御領域を形成する。
【００４９】
本実施例では、絶縁体金属転移材として、Ｐｒ０．６Ｃａ０．４Ｍｎ１．０５Ｏ３を用いた。Ｐｒ０．６Ｃａ０．４Ｍｎ１．０５Ｏ３ の上に、酸化シリコンの絶縁層と Ｐｔ によるヒーター配線を設けてフォトニック結晶導波路デバイスを形成した。
【００５０】
図５は、このようにして得られたフォトニック結晶導波路デバイスを示す図である。同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）は断面図を示している。
同図において、５１〜５２は導波路、５３はクロストーク制御領域、５４はシリコン、５５はエアー、５６はＳｒＴｉＯ３単結晶基板、５７はフォトニック結晶領域、５８は酸化絶縁層、５９はＰｔ（ヒーター配線）を示している。
【００５１】
本実施例では、フォトニック結晶の周期構造とクロストーク防止領域の表面は、請求項９の条件にしたがっている。
【００５２】
本実施例に示すフォトニック結晶導波路デバイスは、ヒーターのオン・オフにより、隣接する導波路間でのクロストークのオン・オフを可能にし、フォトニック結晶導波路の利点とコンパクト性を両立させたものとなっている。
【００５３】
本実施例では、絶縁体金属転移材として、Ｐｒ０．６Ｃａ０．４Ｍｎ１．０５Ｏ３ を用いたが、熱により絶縁体金属転移を発生させる材料であれば、何でも良い。このような材料として、一般的には、Ｐｒ１−ｘＣａｘＭｎ１＋ｙＯ３（ｘ＝０．３〜０．５、ｙ＝０．０〜０．１）、Ｐｒ１−ｘＣａｘＭｎ１＋ｙＯ３（Ｓｒ ドープ）、Ｌａ１−ｘＣａｘＭｎ１＋ｙＯ３（ｘ＝０．６〜０．７、ｙ＝０．０〜０．１）、（Ｖ１−ｘＣｒｘ） ２Ｏ３（ｘ〜０．５１）、Ｌａ１−ｘＳｒｘＭｎ１＋ｙＯ３（ｘ＝０．２〜０．４、ｙ＝０．０１〜０．１）などを用いることができる。
【００５４】
（実施例３）
本実施例は、請求項２、請求項５、および請求項９記載の発明に係る実施例である。
【００５５】
本実施例において、フォトニック結晶として、ＬａＡｌＯ３単結晶基板上に形成したシリカ粒子のオパール結晶の粒子間にシリコンナノ粒子を充填して固めた後、シリカ粒子をエッチング除去したものを使用する。
【００５６】
このフォトニック結晶に、フォトリソ・エッチングの手法により、導波路とクロストーク防止材を充填するための溝を形成する。このときにクロストーク防止材を充填するための溝は、ＬａＡｌＯ３単結晶基板面まで達している。このクロストーク防止材用の溝に、磁場により絶縁体金属転移を発生させる材料を充填してクロストーク制御領域を形成する。
【００５７】
本実施例では、絶縁体金属転移材として、Ｐｒ０．５Ｓｒ０．５ＭｎＯ３を用いた。Ｐｒ０．５Ｓｒ０．５ＭｎＯ３の上に、酸化シリコンの保護層を設けてフォトニック結晶導波路デバイスを形成した。
【００５８】
図６は、このようにして得られたフォトニック結晶導波路デバイスである。同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）は断面図を示している。
同図において、６１〜６２は導波路、６３はクロストーク制御領域（Ｐｒ０．５Ｓｒ０．５ＭｎＯ３）、６４はシリコン、６５はエアー、６６はＬａＡｌＯ３単結晶基板、６７はフォトニック結晶領域、６８は酸化シリコン（保護層）を示している。
【００５９】
本実施例では、フォトニック結晶の周期構造とクロストーク防止領域の表面は、請求項９の条件にしたがっている。
【００６０】
本実施例に示すフォトニック結晶導波路デバイスは、磁気記録などで用いている磁場の書き込み機構を用いることにより、隣接する導波路間でのクロストークのオン・オフを可能にし、フォトニック結晶導波路の利点とコンパクト性を両立させたものとなっている。
【００６１】
本実施例では、絶縁体金属転移材として、Ｐｒ０．５Ｓｒ０．５ＭｎＯ３ を用いたが、磁場により絶縁体金属転移を発生させる材料であれば、何でも良い。このような材料として、一般的には、Ｎｄ０．５Ｓｒ０．５ＭｎＯ３、Ｐｒ１−ｘ ＣａｘＭｎＯ３（０．３≦ｘ≦０．７）、Ｎｄ１−ｘＣａｘＭｎＯ３（０．３≦ｘ≦０．７）、Ｓｍ１−ｘＣａｘＭｎＯ３（０．１５≦ｘ≦０．８５）などを用いることができる。
【００６２】
（実施例４）
本実施例は、請求項２、請求項６、請求項７および請求項９記載の発明に係る実施例である。
【００６３】
本実施例において、フォトニック結晶として、Ｓｉ 基板表面にＩＴＯ が形成された基板上に、形成したシリカ粒子のオパール結晶の粒子間にシリコンナノ粒子を充填して固めた後、シリカ粒子をエッチング除去したものを使用する。ＩＴＯ は、共通電極となる。このフォトニック結晶に、フォトリソ・エッチングの手法により、導波路とクロストーク防止材を充填するための溝を形成する。
【００６４】
このときにクロストーク防止材を充填するための溝は、ＩＴＯ まで達している。このクロストーク防止材用の溝に、電場により絶縁体金属転移を発生させる材料を充填してクロストーク制御領域を形成する。
【００６５】
本実施例では、絶縁体金属転移材として、Ｃａ０．６Ｙ０．４ＴｉＯ３を用いた。Ｃａ０．６Ｙ０．４ＴｉＯ３の上に、酸化シリコンのバリア層とアルミによる個別電極を設けてフォトニック結晶導波路デバイスを形成した。
【００６６】
図７は、このようにして得られたフォトニック結晶導波路デバイスを示す図である。同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）は断面図を示している。
同図において、７１〜７２は導波路、７３はクロストーク制御領域（Ｃａ０．６Ｙ０．４ＴｉＯ３）、７６はＳｉ基板、７７はフォトニック結晶領域、７８は酸化シリコン（バリア層）、７９はＡｌ（個別電極）を示している。
【００６７】
本実施例では、フォトニック結晶の周期構造とクロストーク防止領域の表面は、請求項９の条件にしたがっている。
【００６８】
本実施例に示すフォトニック結晶導波路デバイスは、電極への電圧印加のオン・オフにより、隣接する導波路間でのクロストークのオン・オフを可能にし、フォトニック結晶導波路の利点とコンパクト性を両立させたものとなっている。
本実施例では、絶縁体金属転移材として、Ｃａ０．６Ｙ０．４ＴｉＯ３を用いたが、電荷注入により絶縁体金属転移を発生させる材料であれば、何でも良い。
【００６９】
このような材料として、一般的には、Ｃａ１−ｘＹｘＴｉＯ３、Ｓｒ１−ｘＬａｘＶＯ３、Ｓｒ１−ｘＬａｘＭｎＯ３、Ｂａ１−ｘＬａｘＭｎＯ３、Ｓｒ１−ｘＬａｘＣｏＯ３、Ｓｒ１−ｘＬａｘＲｕＯ３、Ｂａ１−ｘＬａｘＲｕＯ３、ＳｒＴｉ１−ｘＮｂｘＯ３、アモルファスシリコン（ヒ素、リン、あるいは、アンチモンがドープ）、アモルファスゲルマニウム（ヒ素、リン、あるいは、アンチモンがドープ）、アモルファス硫化カドミウム（ヒ素、リン、あるいは、アンチモンがドープ）、アモルファスガリウムヒ素（ヒ素、リン、あるいは、アンチモンがドープ）などを用いることができる。
【００７０】
（実施例５）
本実施例は、請求項２、請求項８、および請求項９記載の発明に係る実施例である。
【００７１】
本実施例において、フォトニック結晶として、ＳｒＴｉＯ３ 単結晶基板上に形成したシリカ粒子のオパール結晶の粒子間にシリコンナノ粒子を充填して固めた後、シリカ粒子をエッチング除去したものを使用する。このフォトニック結晶に、フォトリソ・エッチングの手法により、導波路とクロストーク防止材を充填するための溝を形成する。このときにクロストーク防止材を充填するための溝は、ＳｒＴｉＯ３ 単結晶基板面まで達している。このクロストーク防止材用の溝に、光により絶縁体金属転移を発生させる材料を充填してクロストーク制御領域を形成する。
【００７２】
本実施例では、絶縁体金属転移材として、Ｐｒ０．７Ｃａ０ ． ３ＭｎＯ３を用いた。Ｐｒ０．７Ｃａ０ ． ３ＭｎＯ３の上に、酸化シリコンの保護層を設けてフォトニック結晶導波路デバイスを形成した。
【００７３】
図８はこのようにして得られたフォトニック結晶導波路デバイスを示す図である。同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）は断面図を示している。
同図において、８１〜８２は導波路、８３はクロストーク制御領域（Ｃａ０．６Ｙ０．４ＴｉＯ３）、８４はシリコン、８５はエアー、８６はＳｒＴｉＯ３ 単結晶基板、８７はフォトニック結晶領域、８８は酸化シリコン（保護層）を示している。
【００７４】
本実施例では、フォトニック結晶の周期構造とクロストーク防止領域の表面は、請求項９の条件にしたがっている。
【００７５】
本実施例に示すフォトニック結晶導波路デバイスは、制御光により、隣接する導波路間でのクロストークのオン・オフを可能にし、フォトニック結晶導波路の利点とコンパクト性を両立させたものとなっている。
【００７６】
本実施例では、絶縁体金属転移材として、Ｐｒ０．７Ｃａ０ ． ３ＭｎＯ３を用いたが、光により絶縁体金属転移を発生させる材料であれば、何でも良い。このような材料として、一般的には、Ｌａ１−ｘＣａｘＭｎＯ３、Ｌａ１−ｘＳｒｘＭｎＯ３、Ｌａ１−ｘＢａｘＭｎＯ３、Ｎｄ１−ｘＳｒｘＭｎＯ３、Ｓｒ２ＭｏＦｅＯ６などを用いることができる。
【００７７】
以上、本発明の実施例を説明したが、本発明の導波路デバイスは、クロストークを防止したり、あるいはくロストーク量を制御することができ、光集積回路、光通信装置、光インターコネクションなどに適用した場合に有効である。
【００７８】
【発明の効果】
以下、本発明の効果を各請求項毎に記す。
請求項１に記載するフォトニック結晶導波路デバイスは、フォトニック結晶導波路間のクロストークを防止し、コンパクトなフォトニック結晶導波路デバイスを可能にする。
【００７９】
請求項２に記載するフォトニック結晶導波路デバイスは、外場の制御により、絶縁体金属転移領域の物性を絶縁体と金属の間で転移を生じさせ、フォトニック結晶導波路間の結合を開閉させることにより、コンパクトなフォトニック結晶導波路スイッチング・デバイスを可能にする。
【００８０】
請求項３に記載するフォトニック結晶導波路デバイスは、熱により、絶縁体金属転移領域の物性を絶縁体と金属の間で転移を生じさせ、フォトニック結晶導波路間の結合を開閉させることにより、コンパクトなフォトニック結晶導波路スイッチング・デバイスを可能にする。
【００８１】
請求項４に記載するフォトニック結晶導波路デバイスは、熱により、絶縁体金属転移領域の物性を絶縁体と金属の間で転移を生じさせ、フォトニック結晶導波路間の結合を開閉させることにより、コンパクトなフォトニック結晶導波路スイッチング・デバイスを可能にする。
【００８２】
請求項５に記載するフォトニック結晶導波路デバイスは、磁場の制御により、絶縁体金属転移領域の物性を絶縁体と金属の間で転移を生じさせ、フォトニック結晶導波路間の結合を開閉させることにより、コンパクトなフォトニック結晶導波路スイッチング・デバイスを可能にする。
【００８３】
請求項６に記載するフォトニック結晶導波路デバイスは、電場の制御により、絶縁体金属転移領域の物性を絶縁体と金属の間で転移を生じさせ、フォトニック結晶導波路間の結合を開閉させることにより、コンパクトなフォトニック結晶導波路スイッチング・デバイスを可能にする。
【００８４】
請求項７に記載するフォトニック結晶導波路デバイスは、電場の制御により、絶縁体金属転移領域の物性を絶縁体と金属の間で転移を生じさせ、フォトニック結晶導波路間の結合を開閉させることにより、コンパクトなフォトニック結晶導波路スイッチング・デバイスを可能にする。
【００８５】
請求項８に記載するフォトニック結晶導波路デバイスは、光の制御により、絶縁体金属転移領域の物性を絶縁体と金属の間で転移を生じさせ、フォトニック結晶導波路間の結合を開閉させることにより、コンパクトなフォトニック結晶導波路スイッチング・デバイスを可能にする。
【００８６】
請求項９に記載するフォトニック結晶導波路デバイスは、フォトニック結晶導波路間のクロストークを防止し、コンパクトなフォトニック結晶導波路デバイスを可能にする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るフォトニック結晶導波路デバイスの基本構成を説明するための図である。
【図２】請求項９に述べる条件を説明するための図である
【図３】請求項９に述べる条件に従わない場合の例を示す図である。
【図４】実施例１を説明するための図である。
【図５】実施例２を説明するための図である。
【図６】実施例３を説明するための図である。
【図７】実施例４を説明するための図である。
【図８】実施例５を説明するための図である。
【図９】フォトニック結晶の光透過スペクトルを示す図である。
【図１０】フォトニック結晶光導波路を示す図である。
【図１１】実際のフォトニック結晶の光透過スペクトルを示す図である。
【図１２】集積させたフォトニック結晶導波路（クロストークの発生）を示す図である。
【符号の説明】
１０：フォトニック結晶、
１１〜１３：導波路、
１４：クロストーク防止領域、
２１：フォトニック結晶の周期構造、
２２：クロストーク防止領域、
２３：実際の周期構造、
２４：折り返し操作により得られた鏡像、
３１：フォトニック結晶の周期構造、
３２：クロストーク防止領域、
３３：実際の周期構造、
３４：折り返し操作により得られた鏡像、
４１〜４３：導波路、
４４：アルミ領域（クロストーク防止領域）、
４５：シリコン、
４６：エアー、
５１〜５２：導波路、
５３：クロストーク制御領域、
５４：シリコン、
５５：エアー、
５６：ＳｒＴｉＯ３単結晶基板、
５７：フォトニック結晶領域、
５８：酸化絶縁層、
５９：Ｐｔ（ヒーター配線）、
６１〜６２：導波路、
６３：クロストーク制御領域（Ｐｒ０．５Ｓｒ０．５ＭｎＯ３）、
６４：シリコン、
６５：エアー、
６６：ＬａＡｌＯ３単結晶基板、
６７：フォトニック結晶領域、
６８：酸化シリコン（保護層）、
７１〜７２：導波路、
７３：クロストーク制御領域（Ｃａ０．６Ｙ０．４ＴｉＯ３）、
７６：Ｓｉ基板、
７７：フォトニック結晶領域、
７８：酸化シリコン（バリア層）、
７９：Ａｌ（個別電極）、
８１〜８２：導波路、
８３：クロストーク制御領域（Ｃａ０．６Ｙ０．４ＴｉＯ３）、
８４：シリコン、
８５：エアー、
８６：ＳｒＴｉＯ３単結晶基板、
８７：フォトニック結晶領域、
８８：酸化シリコン（保護層）、
９１，９４：入射光、
９２，９５：出射光、
９３：線状欠陥、
９６：点状欠陥。
Claims (9)
- フォトニック結晶中に、線状あるいは、点状欠陥が線状に連続して形成されている導波路を有し、且つ、フォトニック結晶中の導波路は複数存在し、且つ、該複数の導波路の隣接する導波路の間に金属領域が設けられていることを特徴とするフォトニック結晶導波路デバイス。
- フォトニック結晶中に、線状あるいは、点状欠陥が線状に連続して形成されている導波路を有し、且つ、フォトニック結晶中の導波路は複数存在し、且つ、該複数の導波路の隣接する導波路の間に、外場により絶縁体金属転移を起こす絶縁体金属転移領域が設けられていることを特徴とするフォトニック結晶導波路デバイス。
- 請求項２に記載するフォトニック結晶導波路デバイスおいて、前記絶縁体金属転移領域を絶縁体金属転移させる外場が熱であることを特徴とするフォトニック結晶導波路デバイス。
- 請求項３に記載するフォトニック結晶導波路デバイスおいて、前記絶縁体金属転移領域に隣接した加熱機構を具備することを特徴とするフォトニック結晶導波路デバイス。
- 請求項２に記載するフォトニック結晶導波路デバイスおいて、前記絶縁体金属転移領域を絶縁体金属転移させる外場が磁場であることを特徴とするフォトニック結晶導波路デバイス。
- 請求項２に記載するフォトニック結晶導波路デバイスおいて、前記絶縁体金属転移領域を絶縁体金属転移させる外場が電場であることを特徴とするフォトニック結晶導波路デバイス。
- 請求項６に記載するフォトニック結晶導波路デバイスおいて、前記絶縁体金属転移領域に隣接した電荷注入発生機構を具備することを特徴とするフォトニック結晶導波路デバイス。
- 請求項２に記載するフォトニック結晶導波路デバイスおいて、前記絶縁体金属転移領域を絶縁体金属転移させる外場が光であることを特徴とするフォトニック結晶導波路デバイス。
- 請求項１から８のいずれか１項に記載のフォトニック結晶導波路デバイスおいて、
前記隣接する導波路間に設けられている金属領域あるいは絶縁体金属転移領域の表面を折り返し面として、前記金属あるいは前記絶縁体金属転移材料の表面に接しているフォトニック結晶の周期構造を折り返す操作をしたときに、折り返し操作により得られる像の周期構造と実際のフォトニック結晶の周期構造とを重ね合わせてつくられる周期構造に、欠陥が生じないように金属領域あるいは絶縁体金属転移材料の表面を位置させることを特徴とするフォトニック結晶導波路デバイス。
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