JP2004317540A - 光学素子及び光学デバイス - Google Patents
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Abstract
【課題】対象波長以下の周期を持つ凹凸形状からなる微細周期構造を有する光学素子において、特定領域に一定電界を印加でき、安定した屈折率変化が可能な光学素子を提供する。
【解決手段】基板２とこの基板２に形成された微細周期構造３とを有する光学素子１であって、凹凸形状の凹部３ａに電圧が印加される導電性部材４を充填することで、凸部３ｂ部分に大きな電界を印加することができ、凸部３ｂに設けた電気光学効果を有する材料に、大きな電気光学効果を生じさせることができ、これにより、屈折率を大きく変化させることができるようにした。これにより、電気光学効果を用いた小型の光変調器、光アッテネータ等を実現でき、さらに、微細周期構造３全体若しくは一部に、選択的に一定の電界を印加することが可能となり、小型の光ルータ、光偏向器等も実現可能となる。
【選択図】 図１
【解決手段】基板２とこの基板２に形成された微細周期構造３とを有する光学素子１であって、凹凸形状の凹部３ａに電圧が印加される導電性部材４を充填することで、凸部３ｂ部分に大きな電界を印加することができ、凸部３ｂに設けた電気光学効果を有する材料に、大きな電気光学効果を生じさせることができ、これにより、屈折率を大きく変化させることができるようにした。これにより、電気光学効果を用いた小型の光変調器、光アッテネータ等を実現でき、さらに、微細周期構造３全体若しくは一部に、選択的に一定の電界を印加することが可能となり、小型の光ルータ、光偏向器等も実現可能となる。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、対象となる波長以下の周期を持つ凹凸形状からなる微細周期構造を有して、光変調器、光アッテネータ、光ルータ、光偏向器等の各種光学デバイスに利用可能な光学素子及び光学デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
微細周期構造を有する光学部品は様々な面での応用が実現若しくは期待されている。
【０００３】
例えば、分布帰還型（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｆｅｅｄｂａｃｋ：ＤＦＢ）レーザや分布反射型（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ：ＤＢＲ）レーザ、回折格子型光学フィルタによる光の波長程度の周期構造を持つ１次元の微細周期構造を有する光学素子や、人工光学結晶であるフォトニック結晶による２次元、３次元の微細周期構造を持つ光学素子が、微細周期構造を有する光学部品として数多くの研究若しくは実用化がなされている。
【０００４】
このような光学素子は、屈折率が光学性能を決定する大きな要因の一つであるために、屈折率を制御できれば、様々な光制御素子となる可能性がある。
【０００５】
屈折率変化を利用した微細周期構造を有する光学素子の提案は、学術論文、特許出願等により多く発表されている。
【０００６】
１次元の周期構造ではＤＢＲレーザの回折格子部分に電流注入することにより、屈折率変化を生じさせレーザ共振波長を変化させる方法が実用化されている。この方法では回折格子全体の広い面積に電圧を印加することで、屈折率変化をさせている。
【０００７】
また、液晶を反転オパール中に満たし、液晶の屈折率変化を使ったチューナブルなフォトニック結晶が報告されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００８】
実験結果としては、微細円孔でフォトニック結晶を形成し、そこに液晶を充填し、温度変化による液晶の屈折率変化による波長に対する透過率変化の観測に成功している（例えば、非特許文献２参照）。
【０００９】
このように屈折率変化させることで、フォトニックバンドギャップが変化する現象を利用した応用に関して、その他数多くの論文や特許出願等により提案されている。
【００１０】
屈折率変化させるために使う方法として、このような温度変化の他に電界印加による電気光学効果、音響光学効果を用いる方法もある。
【００１１】
例えば、特許文献１によれば、屈折率変化により周期構造の構成を大きく変化させることで、光素子の特性を変化させる光素子が提案されている。この提案例は、フォトニック結晶構造を想定しており、例えば特許文献中の図１等に示されるように、屈折率ｎ１の媒質に対して、屈折率ｎ２，ｎ３を持つ媒質が屈折率変化を起こすことで、フォトニック結晶構造をダイナミックに切り替えるようにしている。この方式を使うことで、チューナブルな光導波路や光スイッチを実現できるとされている。
【００１２】
また、特許文献２によれば、周期構造上に電極を配置して電界を印加する方法が提案されている。即ち、特許文献２中の図９等に示されるように、電気光学材料を電極で挟み込み、上部の電極をパターンニングすることで、電界印加されたところの屈折率変化を用いて、光導波路等の光素子を実現するように構成されている。
【００１３】
【特許文献１】
特開２００１−９１９１２公報
【特許文献２】
特開２００２−１３１７１５公報
【非特許文献１】
Ｅ．Ｙａｂｌｏｎｏｖｉｔｃｈ，Ｎａｔｕｒｅ，ｖｏｌ．４０（７），５３９（１９９９）
【非特許文献２】
Ｓ．Ｗ．Ｌｅｎａｒｄ，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ，ｖｏｌ．６１（４），６１（２０００）
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、特許文献１に示される方式では、電界を利用した電気光学材料を用いる場合の具体的な電圧印加方法が記載されていない。
【００１５】
この点、特許文献２によれば、電圧印加方法が示されているものの、特許文献２に示される構成では電界を広げずに周期構造の特定領域に電界を印加することは困難であり、電界の広がりの影響は微細構造に強電界を加えた場合には、さらに顕著になってしまう。また、光導波路を構成するときに、光導波路となる部分に吸収体である電極が存在すると、光吸収が起こり、導波損失の大きな原因となってしまう。
【００１６】
本発明の目的は、対象波長以下の周期を持つ凹凸形状からなる微細周期構造を有する光学素子において、特定領域に一定電界を印加することができ、安定した屈折率変化を与えることが可能な光学素子を提供することである。
【００１７】
本発明の目的は、加えて、凹凸形状の屈折率差を保つことである。
【００１８】
本発明の目的は、特定領域に対して等電圧を印加することができる微細周期構造を有する光学素子への電圧印加手段を持つ光学デバイスを提供することである。
【００１９】
本発明の目的は、電圧源の両端を割り当てることで特定領域に対して電圧を印加することができる微細周期構造を有する光学素子への電圧印加手段を持つ光学デバイスを提供することである。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、対象となる波長以下の周期を持つ凹凸形状からなる微細周期構造を有する光学素子において、前記微細周期構造の特定部分に電圧が印加される導電性部材を有する。
【００２１】
従って、微細周期構造の特定部分に電圧が印加される導電性部材を有することにより、この導電性部材を介して電界を印加することで微細周期構造の特定部分の電気光学効果による屈折率変調を安定して行わせることができる。
【００２２】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の光学素子において、基板とこの基板に形成された前記微細周期構造とを有する光学素子であって、前記微細周期構造の特定部分が凹凸形状の凹部であり、この凹部に光学的に透明な前記導電性部材が充填されている。
【００２３】
従って、凹凸形状からなる微細周期構造を有する光学素子の凹部に導電性部材を充填しているので、凸部部分に大きな電界を印加することができ、凸部に設けた電気光学効果を有する材料に、大きな電気光学効果を生じさせることができる。これにより、屈折率を大きく変化させることができ、電気光学効果を用いた小型の光変調器、光アッテネータ等を実現できる。さらに、微細周期構造全体若しくは一部に、選択的に一定の電界を印加することが可能となり、小型の光ルータ、光偏向器等も実現可能となる。
【００２４】
請求項３記載の発明は、請求項１記載の光学素子において、基板とこの基板に形成された前記微細周期構造とを有する光学素子であって、前記微細周期構造の特定部分が凹凸形状の凹部内壁面であり、この凹部内壁面を光学的に透明な前記導電性部材が被覆している。
【００２５】
従って、微細周期構造の特定部分を凹凸形状の凹部内壁面として光学的に透明な導電性部材が被覆することにより、凹凸形状の凹部の材料として、導電性部材以外の材料を選ぶことが可能となり、その凹部の屈折率を制御できるようになり、凸部に低屈折率の電気光学材料を用いた場合でも、凹部と凸部との屈折率差を大きくすることにより、フォトニック結晶のバンドを開くことが可能となり、よって、高速の電気光学材料からなるフォトニック結晶の屈折率を変化させることで、小型で高速の光変調器、光アッテネータ等を実現可能となる。さらに、微細周期構造全体若しくは一部に選択的に一定の電界を印加できるようになり、小型の光ルータ、光偏向器等も実現可能となる。
【００２６】
請求項４記載の発明は、請求項１記載の光学素子において、基板とこの基板に形成された前記微細周期構造とを有する光学素子であって、前記微細周期構造の特定部分が凹凸形状の凹部底面と凸部頂面との少なくとも一方であり、これらの凹部底面又は凸部頂面に導電性部材が設けられている。
【００２７】
従って、凹凸形状の凹部底面や凸部頂面なる平坦部に導電性部材を設けているため、スパッタや蒸着等のステップカバレジの低い成膜プロセスにおいても良好な形状の導電部材を設けることができ、品質の安定した歩留まりの高い小型で高速な光変調器、光アッテネータ、さらには、光ルータ、光偏向器等も実現可能となる。
【００２８】
請求項５記載の発明は、請求項１記載の光学素子において、基板とこの基板に形成された前記微細周期構造とを有する光学素子であって、前記微細周期構造の特定部分が凹凸形状の凸部であり、この凸部中に光学的に透明な前記導電性部材が充填された微小細線又は微小孔が設けられている。
【００２９】
従って、凹凸形状の凸部部分を特定部分としてこの凸部中に光学的に透明な導電性部材が充填された微小細線又は微小孔を設けているので、その凹部の屈折率を制御できるようになり、かつ、微小な導電性部材により周期方向に大きな電界強度が印加可能となるため、フォトニック結晶のバンドを大きく変化させることが可能となり、光変調器、光アッテネータ、さらには、光ルータ、光偏向器等に利用可能な波長帯域を大きくすることができる。
【００３０】
請求項６記載の発明は、請求項１記載の光学素子において、基板とこの基板に形成された前記微細周期構造とを有する光学素子であって、前記微細周期構造の特定部分が凹凸形状の凹部及び凸部であり、この凸部中に光学的に透明な前記導電性部材が充填された微小細線又は微小孔が設けられ、かつ、前記凹部に光学的に透明な前記導電性部材が充填されている。
【００３１】
従って、請求項４及び５記載の発明の作用を併せ持つ。
【００３２】
請求項７記載の発明は、請求項１記載の光学素子において、基板とこの基板に形成された前記微細周期構造とを有する光学素子であって、前記凹凸形状の凹部が凸部よりも屈折率が低くて光学的に透明な光学材料により充填され、前記微細周期構造の特定部分が凹凸形状の前記凹部に充填された光学材料頂面であり、この光学材料頂面に前記導電性部材が設けられている。
【００３３】
従って、凹凸形状の凹部が凸部よりも屈折率が低くて光学的に透明な光学材料により充填されているので、当該凹部部分での光吸収が少なくて済み、このような凹部に充填された光学材料頂面に導電性部材が設けられているので、簡単に構成することができる。
【００３４】
請求項８記載の発明は、請求項１記載の光学素子において、基板とこの基板に形成された導電層と対象となる波長とほぼ同一の膜厚を有する薄膜層とを備え、当該薄膜層に前記微細周期構造を有する光学素子であって、前記微細周期構造の特定部分が凸部頂面であり、この凸部頂面に前記導電性部材が設けられている。
【００３５】
従って、薄膜層をその上下に配置した導電層と導電性部材とで挟み込み、電圧を印加することにより、凸部部分に安定した電界を印加させて屈折率変化を生じさせることができる。
【００３６】
請求項９記載の発明は、請求項１記載の光学素子において、基板とこの基板に形成された導電層と対象となる波長とほぼ同一の膜厚を有する薄膜層とを備え、当該薄膜層に前記微細周期構造を有する光学素子であって、前記凹凸形状の凹部が凸部よりも屈折率が低くて光学的に透明な光学材料により充填され、前記微細周期構造の特定部分が凸部頂面であり、この凸部頂面に前記導電性部材が設けられている。
【００３７】
従って、凹凸形状の凹部が凸部よりも屈折率が低くて光学的に透明な光学材料により充填されているので、当該凹部部分での光吸収が少なくて済み、かつ、薄膜層をその上下に配置した導電層と導電性部材とで挟み込み、電圧を印加することにより、凸部部分に安定した電界を印加させて屈折率変化を生じさせることができる。
【００３８】
請求項１０記載の発明の光学デバイスは、請求項１ないし７の何れか一記載の光学素子と、当該光学素子の導電性部材により形成された電極間に各々個別に接続された抵抗と、この抵抗を介して前記各電極間に等電圧を印加する電圧印加手段と、を備える。
【００３９】
従って、導電性部材を通じて特定領域に等電圧を印加させることができる。
【００４０】
請求項１１記載の発明の光学デバイスは、請求項１ないし７の何れか一記載の光学素子と、当該光学素子の導電性部材により形成された各々の電極間に交互に電圧源の両端を割り当てて電圧を印加する電圧印加手段と、を備える。
【００４１】
従って、導電性部材により形成された各々の電極間に交互に電圧源の両端を割り当てて電圧を印加することにより導電性部材を通じて特定領域に電圧を印加することができる。
【００４２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を数例挙げて説明する。
【００４３】
［第一の実施の形態］
本発明の第一の実施の形態を図１及び図２に基づいて説明する。図１及び図２は本実施の形態の光配線基板構成の光学素子１の構成例を示し、図１は拡大して示す原理的な断面図、図２（ａ）は１次元の回折格子による周期構造例を示す概略平面図、図２（ｂ）は２次元のフォトニック結晶による周期構造例を示す概略平面図である。
【００４４】
本実施の形態の光学素子１は、電圧印加により屈折率が変化する材料による基板２と、この基板２表面に対象となる波長以下の周期を持つ凹部３ａと凸部３ｂとの繰返しによる凹凸形状からなる微細周期構造３とを有するものである。このような微細周期構造３は図２（ａ）に示すような１次元の回折格子による周期構造でもよく、図２（ｂ）に示すような２次元のフォトニック結晶による周期構造でもよい。このため、図１は図２（ａ）又は図２（ｂ）のＡ−Ｂ線断面図を拡大して表している。
【００４５】
このような基本構成において、本実施の形態では、微細周期構造３の特定部分として各凹部３ａ内には導電性部材４が各々充填されている。この導電性部材４は各凹部３ａ毎に独立して電圧が印加されるようにその上部側は各々分離されている。また、この導電性部材４としては、光学的に透明な導電性材料によるものであって、光吸収が少ない媒質を用いて光吸収による損失を抑制し得ることが好ましい。これらの導電性部材４の頂面には電源（図示せず）からの電圧をこれらの導電性部材４に個別に供給するための電気配線５による電極処理が施されている。このような電気配線５は、低コストで低抵抗の場合、光吸収があるため、光が透過する部分（図中、微細周期構造３の左右方向）から離すために各凸部３ｂ上に光学材料で構成された保護層６を設けることが好ましい。
【００４６】
このような構成において、例えば、図１中のＸ部分（凸部３ｂの一つ）を微細周期構造３の特定部分としてその両側の凹部３ａに充填された導電性部材４ａ，４ｂ間に電位差を持たせた電圧を印加すると、特定部分Ｘに対して電界を作用させることが可能となる。このように凹凸形状が形成されている方向と平行な方向に電界を印加させることができるので、全体に安定的な電圧印加が可能であり、微細周期構造３の所望の特定部分Ｘに電界印加できれば、光学素子１に関して局所的な屈折率変化を生じさせることが可能となる。特に、このような微細周期構造３を形成する凸部３ｂ同士の間隔（周期）は対象となる光の波長以下であるので、波長以下の領域に電界を印加させることができる。
【００４７】
これは、例えば図２（ｂ）に示すような２次元のフォトニック結晶スラブ導波路のコア部分の屈折率変化をさせる場合でも、点欠陥導波路であれば、少なくとも１０μｍ以下、好ましくは１μｍ以下の領域に電圧を効果的に印加することができる。２次元のフォトニック結晶であれば電界を印加する部分が、ピラー間である場合もあるし、ピラー内である場合もある。
【００４８】
なお、本実施の形態のような光学素子１の作製方法としては、電気光学材料からなる基板２に保護層６となる絶縁膜を塗布し、半導体プロセスによるリソグラフィーとエッチングにより波長と同程度の溝（凹部３ａ）を形成する。形成された溝（凹部３ａ）内に導電性部材４を埋め込み、マスクを剥離することで、個々の溝を独立させる。配線５は用途に応じて再びリソグラフィーとエッチングのパターンニングで行うことで、図１に示すような構造を形成することができる。絶縁膜は電気配線５が光の透過部分にかかることで、光吸収による損失増加を防ぐ役割を果たす。
【００４９】
本実施の形態の場合、電気光学材料としては、ネマッチックやスメクチック構造を有する液晶、アゾ色素、スチルベンゼン色素、ＤＡＳＴ等の有機分子または有機結晶や、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）やニオブ酸チタン（ＬＴ）、ＫＴＰ等の無機結晶、ＰＺＴ、ＰＬＺＴ等のセラミックスを用いることができる。
【００５０】
ちなみに、図１において、導電性部材４ａ，４ｂ間に、０．１８μｍのＣＭＯＳプロセスで駆動可能な１．５Ｖを電位差として印加した場合、その凸部３ｂの厚さを２５０ｎｍに作製した場合、５×１０６（Ｖ／ｍ）なる非常に大きな電界強度を印加することができる。このとき、ＰＬＺＴ（Ｐｂ：Ｚｒ：Ｔｉ組成比＝１０：５３：４７）を、電気光学材料として用いた場合、Δｎとして、約０．０１という非常に大きな屈折率変化が、わずか１．５Ｖで実現できるようになる。
【００５１】
このように、本実施の形態によれば、凹凸形状からなる微細周期構造３を有する光学素子１の凹部３ａに導電性部材４を充填しているので、凸部３ｂ部分に大きな電界を印加することができ、凸部３ｂに設けた電気光学効果を有する材料に、大きな電気光学効果を生じさせることができる。これにより、屈折率を大きく変化させることができ、電気光学効果を用いた小型の光変調器、光アッテネータ等を実現することができる。さらに、微細周期構造３全体若しくは一部に、選択的に一定の電界を印加することが可能となり、小型の光ルータ、光偏向器等も実現可能となる。
【００５２】
［第二の実施の形態］
本発明の第二の実施の形態を図３に基づいて説明する。第一の実施の形態で示した部分と同一又は相当する部分は同一符号を用いて示し、説明も省略する。
【００５３】
図３は本実施の形態の光学素子１１の構成例を拡大して示す原理的な断面図である。本実施の形態の光学素子１１も、基本的には、基板２と微細周期構造３とにより構成されているが（１次元タイプでも２次元タイプでもよい）、微細周期構造３の特定部分を凹部３ａの内壁面３ｃとし、この内壁面３ｃを被覆するように導電性部材１２が設けられている。なお、凸部３ｂの頂部上には保護層６が設けられ、また、その上面には各導電性部材１２毎に独立した電気配線１３が電極処理として施されている。
【００５４】
このように、本実施の形態においては、導電性部材１２が層構成で各凹部３ａの内壁面３ｃに設けられているので、対をなす導電性部材１２間に電圧を印加することによりその間の凸部３ｂ部分を特定部分として電界を作用させ、屈折率変化を生じさせることができる。この際、凹部３ａ内に導電性部材１２を充填させる場合と異なり、内壁面３ｃに層構成で被覆するように設けているので、当該導電性部材１２の材料による屈折率差の低減を防ぐことができる。
【００５５】
図２（ｂ）の場合のように、基板２にフォトニック結晶による微細周期構造３を形成して、フォトニックバンドギャップを利用する光学素子１の場合、凹部３ａと凸部３ｂとの屈折率差がフォトニック結晶の特性を決定する大きな要因である。つまり、フォトニックバンドギャップを大きく開かせるためには、フォトニック結晶を構成する微細周期構造３の屈折率差を十分に取る必要がある。例えば、屈折率３．０程度の半導体基板で微細周期構造を形成し、屈折率２．０の透明電極部材で溝部分（凹部）を埋めると、屈折率差が空気境界面の場合と比較して１／２になる。さらに、屈折率２．２のニオブ酸リチウムと透明電極部材とでは、屈折率差が空気界面との場合と比較して１／６に減少してしまう。
【００５６】
この点、本実施の形態のような導電性部材１２の構成例によれば、空気境界面との屈折率差を保ちながら、局所的な電界印加が可能となる。
【００５７】
凹部３ａの内壁面３ｃを被覆する導電性部材１２の材料としては、光学的に透明であって、光吸収が少ない媒質を用いるが、凹部３ａを覆う導電性部材１２の層厚が凹部３ａの幅よりも十分に狭いので、光吸収による損失増加を抑制できる。さらに、ニオブ酸リチウムを基板２に用いた場合、透明電極（導電性部材１２）とニオブ酸リチウムの屈折率差がほとんど無いことから、透明電極（導電性部材１２）を形成したことによる光原子に与える影響が逆に少なくなり、設計上の不都合も回避することができる。
【００５８】
本実施の形態の光学素子１１の作製方法としては、溝（凹部３ａ）をリソグラフィーとエッチングとにより形成し、溝（凹部３ａ）内に透明電極（導電性部材１２）を充填して、再びわずかに狭い溝のパターンニングをし、透明電極（導電性部材１２）をエッチングすることで作製できる。この際、透明電極（導電性部材１２）を掘り抜いたことにより、幅が狭い構造が溝（凹部３ａ）の底面にできる可能性があるが、光のビーム径よりも深い溝であれば、光信号が受ける影響は少ない。
【００５９】
図２において、凸部３ｂを挟む透明電極（導電性部材１２）間に、０．１８μｍのＣＭＯＳプロセスで駆動可能な１．５Ｖを電位差として印加した場合、その凸部３ｂの厚さを２５０ｎｍに作製した場合、５×１０６（Ｖ／ｍ）の非常に大きな電界強度を印加することができる。このとき、ＰＬＺＴ（Ｐｂ：Ｚｒ：Ｔｉ組成比＝１０：５３：４７）を、電気光学材料として用いた場合、Δｎとして、約０．０１という非常に大きな屈折率変化がわずか１．５Ｖの電圧印加で実現することができる。
【００６０】
この構成を、凹凸形状からなる微細周期構造３としてフォトニック結晶を実現した場合、このｎ＝０．０１の屈折率変化により、波長を固定した場合には、２０ｄＢ以上の消光比の光変調を１μｓ以下の高速で実現することができる。このときの光の進行方向の光路長は、波長の長さの数倍以下でよく、より具体的には、８５０ｎｍの波長の場合では、１０μｍ以内の非常に小さな高速光変調器が実現できる。
【００６１】
このように、本実施の形態によれば、微細周期構造３の特定部分を凹凸形状の凹部３ａの内壁面３ｃとして光学的に透明な導電性部材１２で被覆することにより、凹凸形状の凹部３ａの材料として、導電性部材１２以外の材料を選ぶことが可能となり、その凹部３ａの屈折率を制御することができる。よって、凸部３ｂ（基板２）に低屈折率の電気光学材料を用いた場合でも、凹部３ａと凸部３ｂとの屈折率差を大きくすることにより、フォトニック結晶のバンドを開くことが可能となる。よって、高速の電気光学材料からなるフォトニック結晶の屈折率を変化させることで、小型で高速の光変調器、光アッテネータ等を実現することができる。さらに、微細周期構造３全体若しくは一部に選択的に一定の電界を印加できるようになり、小型の光ルータ、光偏向器等も実現することができる。
【００６２】
［第三の実施の形態］
本発明の第三の実施の形態を図４に基づいて説明する。図４は本実施の形態の光学素子１４の構成例を拡大して示す原理的な断面図である。本実施の形態の光学素子１４も、基本的には、基板２と微細周期構造３とにより構成されているが（１次元タイプでも２次元タイプでもよい）、微細周期構造３の特定部分を凹部３ａの底面３ｄ及び凸部３ｂの頂面３ｅとし、これらの底面３ｄ及び頂面３ｅ上に導電性部材１５，１６が設けられている。
【００６３】
このような構成において、底面３ｄ上の導電性部材１５と頂面３ｅ上の導電性部材１６との間に電位差を持たせた電圧を印加することにより、これらの導電性部材１５，１６間の凸部３ｂに電界を作用させてその屈折率を変化させることができる。この場合、電界方向は凹部３ａや凸部３ｂに平行、つまり凹凸構造が形成されている方向（左右方向）に対して直交する垂直方向に印加されることになる。
【００６４】
なお、電界を作用させる対象が微細周期構造３部分であるので、電極（導電性部材４）としては底面３ｄ上の導電性部材１５のみ、或いは、頂面３ｅ上の導電性部材１６のみとしても、凸部３ｂに対して電界を作用させることができる。
【００６５】
本実施の形態の光学素子１４の作製方法としては、溝（凹部３ａ）をリソグラフィーとエッチングとにより形成し、電極材料（導電性部材１５，１６）を蒸着などにより垂直に堆積することで底面３ｄ上と頂面３ｅ上とに分離して形成することができる。
【００６６】
従って、本実施の形態によれば、凹凸形状の凹部３ａの底面３ｄや凸部３ｂの頂面３ｅなる平坦部に導電性部材１５，１６を設けているため、スパッタや蒸着等のステップカバレジの低い成膜プロセスにおいても良好な形状の導電性部材１５，１６を設けることができ、品質の安定した歩留まりの高い小型で高速な光変調器、光アッテネータ、さらには、光ルータ、光偏向器等も実現可能となる。
【００６７】
［第四の実施の形態］
本発明の第四の実施の形態を図５及び図６に基づいて説明する。図５及び図６は本実施の形態の光配線基板構成の光学素子２１の構成例を示し、図５は拡大して示す原理的な断面図、図６（ａ）は１次元の回折格子による周期構造例を示す水平断面図、図６（ｂ）（ｃ）は２次元のフォトニック結晶による周期構造例を示す水平断面図である。
【００６８】
本実施の形態の光学素子２１は、基板２２と、この基板２２表面に対象となる波長以下の周期を持つ凹部２３ａと凸部２３ｂとの繰返しによる凹凸形状からなる微細周期構造２３とを有するものである。このような微細周期構造２３は図６（ａ）に示すような１次元の回折格子による周期構造でもよく、図６（ｂ）（ｃ）に示すような２次元のフォトニック結晶による周期構造でもよい。このため、図６（ａ）〜（ｃ）は図５のＣ−Ｄ線水平断面図を表している。
【００６９】
このような基本構成において、本実施の形態では、微細周期構造２３の特定部分が凸部２３ｂとされ、この凸部２３ｂ中に光学的に透明な導電性部材２４が充填された微小孔（又は、微小細線）２５が設けられている。また、凸部２３ｂの頂部にはこのような導電性部材２４に電気的に導通させた電気配線２６の電極処理が施されている。また、この凸部２３ｂ・電気配線２６間には、低コストで低抵抗の電気配線２６の場合、光吸収があるため、光が透過する部分から離すために光学材料で構成された保護層２７が設けられている。
【００７０】
なお、本実施の形態の光学素子２１においては、基板２２として電界印加により屈折率が変化する電気光学材料を用いてもよく、或いは、凹部２３ａ内に電界印加により屈折率が変化する電気光学材料２８を充填させてもよい。また、微小孔２５の形状は、その大きさが凹部２３ａよりも小さければ、任意形状でよく、円形でも矩形でもよい。
【００７１】
このような構造をとることで、電界を溝（凹部２３ａ）に垂直に印加することが可能となり、各々の特定部分に対して個別に電界を印加できる。
【００７２】
本実施の形態例は、微細周期構造２３が図６（ａ）に示すような１次元でも、図６（ｂ）（ｃ）に示すような２次元でも適用可能である。ちなみに、図６（ｂ）は基板２２自体が屈折率変化する場合の構成例を示し、図６（ｃ）は凹部２３ａに充填された電気光学材料２８が屈折率変化する場合の構成例を示す。
【００７３】
従って、本実施の形態の光学素子２１によれば、凹凸形状の凸部２３ｂ部分を特定部分としてこの凸部２３ｂ中に光学的に透明な導電性部材２４が充填された微小孔２５を設けているので、その凹部２３ａの屈折率を制御できるようになり、かつ、微小な導電性部材２４により周期方向に大きな電界強度が印加可能となるため、フォトニック結晶のバンドを大きく変化させることが可能となり、光変調器、光アッテネータ、さらには、光ルータ、光偏向器等に利用可能な波長帯域を大きくすることができる。
【００７４】
［第五の実施の形態］
本発明の第五の実施の形態を図７に基づいて説明する。図７は本実施の形態の光学素子３１の構成例を拡大して示す原理的な断面図である。本実施の形態の光学素子３１も、基本的には、基板２２と微細周期構造２３とにより構成され（１次元タイプでも２次元タイプでもよい）、凸部２３ｂ中に導電性部材２４が充填された微小孔２５が形成されているが、加えて、凹部２３ａの内壁面２３ｃが光学的に透明であって光吸収が少ない媒質を用いた導電性部材３２（導電性部材１２と同様）により被覆されている。３３は電極処理された電気配線である。
【００７５】
このような構成において、例えば凸部２３ｂ中のＸ部分を特定部分とした時、電極として作用する導電性部材２４，３２ａ間に電位差を持たせた電圧を印加すると、導電性部材３２ａ，３２ｂ間に電位差を持たせた電圧を印加する場合に比して半分の電圧で同等の電界を作用させることができる。
【００７６】
従って、本実施の形態によれば、第三及び第四の実施の形態の場合の作用・効果を併せ持つ。
【００７７】
［第六の実施の形態］
本発明の第六の実施の形態を図８に基づいて説明する。図８は本実施の形態の光学素子３４の構成例を拡大して示す原理的な断面図である。本実施の形態の光学素子３４は、基本的には、基板２と微細周期構造３とにより構成されているが（１次元タイプでも２次元タイプでもよい）、凹部３ａ内に凸部３ｂ（基板２）よりも屈折率が低くて光学的に透明な光学材料である絶縁材料３５が充填され、この充填された絶縁材料３５の頂面３６を特定部分として、各頂面３６上には導電性部材３７（電気配線兼用）が設けられている。この絶縁材料３５としては光学的に透明であり、光吸収が少ない材料が用いられる。波長８５０ｎｍではエポキシ系材料が好ましく、波長１．３μｍではフッ素化ポリイミド材料が好ましい。導電性部材３７は光吸収が少なく、光学的に透明である導電性材料が好ましいが、光学材料で構成された保護層６を設ければ、光が透過する部分から導電性部材３７を離せるために、低コストで低抵抗な電気配線を導電性部材３７に使うことができる。
【００７８】
このような構成において、電界を作用させる対象が微細周期構造３部分であるので、電極（導電性部材３７）としては絶縁材料３５の頂面３６のみに設けられていても、隣り合う電極（導電性部材３７）間に電位差を持たせた電圧を印加することにより、凸部３ｂに対して電界を作用させることができる。
【００７９】
従って、本実施の形態によれば、凹凸形状の凹部３ａが凸部３ｂよりも屈折率が低くて光学的に透明な光学材料３５により充填されているので、当該凹部３ａ部分での光吸収が少なくて済み、このような凹部３ａに充填された光学材料３５の頂面３６に導電性部材３７を設けているので、簡単に構成することができる。
【００８０】
［第七の実施の形態］
本発明の第七の実施の形態を図９に基づいて説明する。図９は本実施の形態の光学素子４１の構成例を拡大して示す原理的な断面図である。本実施の形態の光学素子４１は、基本的には、台座基板（基板）４２とこの台座基板４２に形成された導電層４３と対象となる波長とほぼ同一の膜厚を有して電界印加により屈折率が変化する材料による薄膜層４４とを備え、当該薄膜層４４に対象となる波長以下の周期を持つ凹部４５ａと凸部４５ｂとの繰返しによる凹凸形状による微細周期構造４５を有する構成とされている。ここに、薄膜層４４は上下の光閉じ込めを大きくするために、波長以下の厚み、好ましくは波長の１／５以下の厚みを持つ。このような薄膜層４４を上下に配置した電極構造（導電性部材）４３，４６で挟み込み、電圧を印加することで、安定した電界を印加することができる。
【００８１】
なお、薄膜層４４の上下両面は接着層４７と保護層４８とで挟み込む構造とされている。接着層４７は薄膜層４４と導電層４３と台座基板４２とを接着するため、及び、電極構造（導電層）４３による光吸収を避けるために設けられている。また、上部の保護層４８も同様に電極構造（導電性部材）４６による光吸収を避けるために設けられている。
【００８２】
本実施の形態の場合、上下への光の滲み出しは波長の１／１０程度であるので、波長程度の間隔に電界を印加することができる。また、電極構造（導電性部材）４６は凸部３ｂ毎に設けられているので、電極構造（導電性部材）４６には電気配線により別々に電圧を印加することができ、微細周期構造に別々に電界印加が可能となる。
【００８３】
従って、本実施の形態によれば、薄膜層４４をその上下に配置した導電層４３と導電性部材４６とで挟み込み、電圧を印加することにより、凸部３ｂ部分に安定した電界を印加させて屈折率変化を生じさせることができる。
【００８４】
［第八の実施の形態］
本発明の第八の実施の形態を図１０に基づいて説明する。図１０は本実施の形態の光学素子５１の構成例を拡大して示す原理的な断面図である。本実施の形態の光学素子５１は、基本的には、図９の場合と同様に、台座基板４２と導電層４３と微細周期構造４５を有する薄膜層４４とにより構成されているが（１次元タイプでも２次元タイプでもよい）、凹部４５ａ中に光学材料５２が充填されるとともに、保護層４８を介して各凸部４５ｂの頂面５３上には導電性部材（電極配線を含む）４６が形成されている。
【００８５】
本実施の形態の場合も、薄膜層４４は上下の光閉じ込めを大きくするために、波長以下の厚み、好ましくは波長の１／５以下の厚みを持つ。また、当該薄膜層４４か電界の作用により屈折率変化を起こす材質であってもよく、或いは、光学材料５２が電界の作用により屈折率変化を起こす材質であってもよい。
【００８６】
従って、本実施の形態によれば、凹凸形状の凹部４５ａが凸部４５ｂよりも屈折率が低くて光学的に透明な光学材料５２により充填されているので、当該凹部４５ａ部分での光吸収が少なくて済み、かつ、薄膜層４４をその上下に配置した導電層４３と導電性部材４６とで挟み込み、電圧を印加することにより、凸部４５ｂ部分に安定した電界を印加させて屈折率変化を生じさせることができる。
【００８７】
［第九の実施の形態］
本発明の第九の実施の形態を図１１に基づいて説明する。本実施の形態は、前述したような各種構成例の光学素子の微細周期構造中の特定部分に対する電圧印加手段を含めた光学デバイス６１の構成例を示すものである。ここでは、その一例として、第一の実施の形態中に示したような光学素子１への適用例として説明する。
【００８８】
まず、導電性部材４により形成された各電極間（電気配線５間）には、各々等しい抵抗値の抵抗Ｒが接続されている。また、このような抵抗Ｒを介して各電極間（電気配線５間）に電圧を印加するための電圧源６２が設けられている。この電圧源６２は直列接続された抵抗Ｒの両端間に接続され、かつ、各抵抗Ｒ毎に個別にオン・オフスイッチングされるアナログスイッチ等によるスイッチ６３が並列に接続され、これらの電圧源６２及びスイッチ６３により各電極間（電気配線５間）に抵抗Ｒにより分圧された等電圧の電位差を持たせた電圧を印加する電圧印加手段６４が構成されている。
【００８９】
このような構成において、例えば全てのスイッチ６３を閉じた場合には、電圧源６２から供給される電圧を、各々の抵抗Ｒで分圧された等電圧が各電極間（電気配線５間＝導電性部材４間）に印加され、電界を作用させて各々の凸部３ｂ部分に屈折率変化を生じさせることができる。また、任意の所望のスイッチ６３のみを閉じ他のスイッチ６３を開放させれば閉じられたスイッチ６３対応部分のみを特定部分として電圧を印加し電界を作用させることができる。
【００９０】
［第十の実施の形態］
本発明の第十の実施の形態を図１２に基づいて説明する。本実施の形態も、前述したような各種構成例の光学素子の微細周期構造中の特定部分に対する電圧印加手段を含めた光学デバイス７１の構成例を示し、その一例として、第一の実施の形態中に示したような光学素子１への適用例として説明する。
【００９１】
本実施の形態の電圧印加手段７２は、電圧源７３とこの電圧源７３の一端側（例えば、＋側）が複数の電極（電気配線５＝導電性部材４）中の１つ置きの奇数番目電極に配線された＋側配線構造７４と、電圧源７３の他端側（例えば、−側）が複数の電極（電気配線５＝導電性部材４）中の１つ置きの偶数番目電極に配線された−側配線構造７５と、により構成されている。ここに、一方の配線構造、例えば＋側配線構造７４の各配線上には個別にオン・オフスイッチングされるアナログスイッチ等によるスイッチ７６が介在されている。
【００９２】
このような構成によれば、例えば全てのスイッチ７６を閉じた場合には、奇数番目と偶数番目とで対をなす電極（電気配線５＝導電性部材４）間は、電圧源７３に対して何れも並列状態となり、一定電圧印加による一定電界を作用させることができる上に、低電圧印加で済むものとなる。また、任意の所望のスイッチ７６のみを閉じ他のスイッチ７６を開放させれば閉じられたスイッチ７６対応部分のみを特定部分として一定電圧を印加し電界を作用させることができる。
【００９３】
なお、光学素子に対する電圧印加方式としては、これらの実施の形態に例示した方式に限らず、例えば、複数個をセットとして非対称に効率よく電界を印加する方式や、交流電圧源の位相ずれを利用した印加方式等であってもよい。
【００９４】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、微細周期構造の特定部分に電圧が印加される導電性部材を有するので、この導電性部材を介して電界を印加することで微細周期構造の特定部分の電気光学効果による屈折率変調を安定して行わせることができる。
【００９５】
請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の光学素子において、基板とこの基板に形成された前記微細周期構造とを有する光学素子であって、凹凸形状からなる微細周期構造を有する光学素子の凹部に導電性部材を充填しているので、凸部部分に大きな電界を印加することができ、凸部に設けた電気光学効果を有する材料に、大きな電気光学効果を生じさせることができ、これにより、屈折率を大きく変化させることができ、電気光学効果を用いた小型の光変調器、光アッテネータ等を実現することができ、さらに、微細周期構造全体若しくは一部に、選択的に一定の電界を印加することが可能となり、小型の光ルータ、光偏向器等も実現することができる。
【００９６】
請求項３記載の発明によれば、請求項１記載の光学素子において、微細周期構造の特定部分を凹凸形状の凹部内壁面として光学的に透明な導電性部材が被覆することにより、凹凸形状の凹部の材料として、導電性部材以外の材料を選ぶことが可能となり、その凹部の屈折率を制御できるようになり、凸部に低屈折率の電気光学材料を用いた場合でも、凹部と凸部との屈折率差を大きくすることにより、フォトニック結晶のバンドを開くことが可能となり、よって、高速の電気光学材料からなるフォトニック結晶の屈折率を変化させることで、小型で高速の光変調器、光アッテネータ等を実現することができ、さらに、微細周期構造全体若しくは一部に選択的に一定の電界を印加できるようになり、小型の光ルータ、光偏向器等も実現することができる。
【００９７】
請求項４記載の発明によれば、請求項１記載の光学素子において、凹凸形状の凹部底面や凸部頂面なる平坦部に導電性部材を設けているので、スパッタや蒸着等のステップカバレジの低い成膜プロセスにおいても良好な形状の導電部材を設けることができ、品質の安定した歩留まりの高い小型で高速な光変調器、光アッテネータ、さらには、光ルータ、光偏向器等も実現することができる。
【００９８】
請求項５記載の発明によれば、請求項１記載の光学素子において、凹凸形状の凸部部分を特定部分としてこの凸部中に光学的に透明な導電性部材が充填された微小細線又は微小孔を設けたので、その凹部の屈折率を制御できるようになり、かつ、微小な導電性部材により周期方向に大きな電界強度が印加可能となるため、フォトニック結晶のバンドを大きく変化させることが可能となり、光変調器、光アッテネータ、さらには、光ルータ、光偏向器等に利用可能な波長帯域を大きくすることができる。
【００９９】
請求項６記載の発明によれば、請求項４及び５記載の発明の効果を併せ持つことができる。
【０１００】
請求項７記載の発明によれば、請求項１記載の光学素子において、凹凸形状の凹部が凸部よりも屈折率が低くて光学的に透明な光学材料により充填されているので、当該凹部部分での光吸収が少なくて済み、このような凹部に充填された光学材料頂面に導電性部材が設けられているので、簡単に構成することができる。
【０１０１】
請求項８記載の発明によれば、請求項１記載の光学素子において、薄膜層をその上下に配置した導電層と導電性部材とで挟み込み、電圧を印加することにより、凸部部分に安定した電界を印加させて屈折率変化を生じさせることができる。
【０１０２】
請求項９記載の発明によれば、請求項１記載の光学素子において、凹凸形状の凹部が凸部よりも屈折率が低くて光学的に透明な光学材料により充填されているので、当該凹部部分での光吸収が少なくて済み、かつ、薄膜層をその上下に配置した導電層と導電性部材とで挟み込み、電圧を印加することにより、凸部部分に安定した電界を印加させて屈折率変化を生じさせることができる。
【０１０３】
請求項１０記載の発明の光学デバイスによれば、導電性部材を通じて特定領域に等電圧を印加させることができる。
【０１０４】
請求項１１記載の発明の光学デバイスによれば、導電性部材により形成された各々の電極間に交互に電圧源の両端を割り当てて電圧を印加することにより導電性部材を通じて特定領域に電圧を印加することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施の形態の光学素子を示すＡ−Ｂ線部分の拡大断面図である。
【図２】（ａ）は１次元の微細周期構造例を示す概略平面図、（ｂ）は２次元の微細周期構造例を示す概略平面図である。
【図３】本発明の第二の実施の形態の光学素子を示す拡大断面図である。
【図４】本発明の第三の実施の形態の光学素子を示す拡大断面図である。
【図５】本発明の第四の実施の形態の光学素子を示す拡大断面図である。
【図６】（ａ）は１次元の微細周期構造例を示すＣ−Ｄ線による水平断面図、（ｂ）（ｃ）は２次元の微細周期構造例を示すＣ−Ｄ線による水平断面図である。
【図７】本発明の第五の実施の形態の光学素子を示す拡大断面図である。
【図８】本発明の第六の実施の形態の光学素子を示す拡大断面図である。
【図９】本発明の第七の実施の形態の光学素子を示す拡大断面図である。
【図１０】本発明の第八の実施の形態の光学素子を示す拡大断面図である。
【図１１】本発明の第九の実施の形態の光学デバイスを示す拡大断面図である。
【図１２】本発明の第十の実施の形態の光学デバイスを示す拡大平面図である。
【符号の説明】
１ 光学素子
２ 基板
３ 微細周期構造
３ａ 凹部
３ｂ 凸部
３ｃ 内壁面
３ｄ 底面
３ｅ 頂面
４ 導電性部材
１１ 光学素子
１２ 導電性部材
１４ 光学素子
１５，１６ 導電性部材
２１ 光学素子
２２ 基板
２３ 微細周期構造
２３ａ 凹部
２３ｂ 凸部
２４ 導電性部材
２５ 微小孔
３１ 光学材料
３２ 導電性部材
３４ 光学素子
３５ 光学材料
３６ 頂面
３７ 導電性部材
４１ 光学素子
４２ 基板
４３ 導電層
４４ 薄膜層
４５ 微細周期構造
４５ａ 凹部
４５ｂ 凸部
４６ 導電性部材
５１ 光学素子
５２ 光学材料
５３ 頂面
６１ 光学デバイス
６４ 電圧印加手段
７１ 光学デバイス
７２ 電圧印加手段
７３ 電圧源
【発明の属する技術分野】
本発明は、対象となる波長以下の周期を持つ凹凸形状からなる微細周期構造を有して、光変調器、光アッテネータ、光ルータ、光偏向器等の各種光学デバイスに利用可能な光学素子及び光学デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
微細周期構造を有する光学部品は様々な面での応用が実現若しくは期待されている。
【０００３】
例えば、分布帰還型（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｆｅｅｄｂａｃｋ：ＤＦＢ）レーザや分布反射型（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ：ＤＢＲ）レーザ、回折格子型光学フィルタによる光の波長程度の周期構造を持つ１次元の微細周期構造を有する光学素子や、人工光学結晶であるフォトニック結晶による２次元、３次元の微細周期構造を持つ光学素子が、微細周期構造を有する光学部品として数多くの研究若しくは実用化がなされている。
【０００４】
このような光学素子は、屈折率が光学性能を決定する大きな要因の一つであるために、屈折率を制御できれば、様々な光制御素子となる可能性がある。
【０００５】
屈折率変化を利用した微細周期構造を有する光学素子の提案は、学術論文、特許出願等により多く発表されている。
【０００６】
１次元の周期構造ではＤＢＲレーザの回折格子部分に電流注入することにより、屈折率変化を生じさせレーザ共振波長を変化させる方法が実用化されている。この方法では回折格子全体の広い面積に電圧を印加することで、屈折率変化をさせている。
【０００７】
また、液晶を反転オパール中に満たし、液晶の屈折率変化を使ったチューナブルなフォトニック結晶が報告されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００８】
実験結果としては、微細円孔でフォトニック結晶を形成し、そこに液晶を充填し、温度変化による液晶の屈折率変化による波長に対する透過率変化の観測に成功している（例えば、非特許文献２参照）。
【０００９】
このように屈折率変化させることで、フォトニックバンドギャップが変化する現象を利用した応用に関して、その他数多くの論文や特許出願等により提案されている。
【００１０】
屈折率変化させるために使う方法として、このような温度変化の他に電界印加による電気光学効果、音響光学効果を用いる方法もある。
【００１１】
例えば、特許文献１によれば、屈折率変化により周期構造の構成を大きく変化させることで、光素子の特性を変化させる光素子が提案されている。この提案例は、フォトニック結晶構造を想定しており、例えば特許文献中の図１等に示されるように、屈折率ｎ１の媒質に対して、屈折率ｎ２，ｎ３を持つ媒質が屈折率変化を起こすことで、フォトニック結晶構造をダイナミックに切り替えるようにしている。この方式を使うことで、チューナブルな光導波路や光スイッチを実現できるとされている。
【００１２】
また、特許文献２によれば、周期構造上に電極を配置して電界を印加する方法が提案されている。即ち、特許文献２中の図９等に示されるように、電気光学材料を電極で挟み込み、上部の電極をパターンニングすることで、電界印加されたところの屈折率変化を用いて、光導波路等の光素子を実現するように構成されている。
【００１３】
【特許文献１】
特開２００１−９１９１２公報
【特許文献２】
特開２００２−１３１７１５公報
【非特許文献１】
Ｅ．Ｙａｂｌｏｎｏｖｉｔｃｈ，Ｎａｔｕｒｅ，ｖｏｌ．４０（７），５３９（１９９９）
【非特許文献２】
Ｓ．Ｗ．Ｌｅｎａｒｄ，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ，ｖｏｌ．６１（４），６１（２０００）
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、特許文献１に示される方式では、電界を利用した電気光学材料を用いる場合の具体的な電圧印加方法が記載されていない。
【００１５】
この点、特許文献２によれば、電圧印加方法が示されているものの、特許文献２に示される構成では電界を広げずに周期構造の特定領域に電界を印加することは困難であり、電界の広がりの影響は微細構造に強電界を加えた場合には、さらに顕著になってしまう。また、光導波路を構成するときに、光導波路となる部分に吸収体である電極が存在すると、光吸収が起こり、導波損失の大きな原因となってしまう。
【００１６】
本発明の目的は、対象波長以下の周期を持つ凹凸形状からなる微細周期構造を有する光学素子において、特定領域に一定電界を印加することができ、安定した屈折率変化を与えることが可能な光学素子を提供することである。
【００１７】
本発明の目的は、加えて、凹凸形状の屈折率差を保つことである。
【００１８】
本発明の目的は、特定領域に対して等電圧を印加することができる微細周期構造を有する光学素子への電圧印加手段を持つ光学デバイスを提供することである。
【００１９】
本発明の目的は、電圧源の両端を割り当てることで特定領域に対して電圧を印加することができる微細周期構造を有する光学素子への電圧印加手段を持つ光学デバイスを提供することである。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、対象となる波長以下の周期を持つ凹凸形状からなる微細周期構造を有する光学素子において、前記微細周期構造の特定部分に電圧が印加される導電性部材を有する。
【００２１】
従って、微細周期構造の特定部分に電圧が印加される導電性部材を有することにより、この導電性部材を介して電界を印加することで微細周期構造の特定部分の電気光学効果による屈折率変調を安定して行わせることができる。
【００２２】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の光学素子において、基板とこの基板に形成された前記微細周期構造とを有する光学素子であって、前記微細周期構造の特定部分が凹凸形状の凹部であり、この凹部に光学的に透明な前記導電性部材が充填されている。
【００２３】
従って、凹凸形状からなる微細周期構造を有する光学素子の凹部に導電性部材を充填しているので、凸部部分に大きな電界を印加することができ、凸部に設けた電気光学効果を有する材料に、大きな電気光学効果を生じさせることができる。これにより、屈折率を大きく変化させることができ、電気光学効果を用いた小型の光変調器、光アッテネータ等を実現できる。さらに、微細周期構造全体若しくは一部に、選択的に一定の電界を印加することが可能となり、小型の光ルータ、光偏向器等も実現可能となる。
【００２４】
請求項３記載の発明は、請求項１記載の光学素子において、基板とこの基板に形成された前記微細周期構造とを有する光学素子であって、前記微細周期構造の特定部分が凹凸形状の凹部内壁面であり、この凹部内壁面を光学的に透明な前記導電性部材が被覆している。
【００２５】
従って、微細周期構造の特定部分を凹凸形状の凹部内壁面として光学的に透明な導電性部材が被覆することにより、凹凸形状の凹部の材料として、導電性部材以外の材料を選ぶことが可能となり、その凹部の屈折率を制御できるようになり、凸部に低屈折率の電気光学材料を用いた場合でも、凹部と凸部との屈折率差を大きくすることにより、フォトニック結晶のバンドを開くことが可能となり、よって、高速の電気光学材料からなるフォトニック結晶の屈折率を変化させることで、小型で高速の光変調器、光アッテネータ等を実現可能となる。さらに、微細周期構造全体若しくは一部に選択的に一定の電界を印加できるようになり、小型の光ルータ、光偏向器等も実現可能となる。
【００２６】
請求項４記載の発明は、請求項１記載の光学素子において、基板とこの基板に形成された前記微細周期構造とを有する光学素子であって、前記微細周期構造の特定部分が凹凸形状の凹部底面と凸部頂面との少なくとも一方であり、これらの凹部底面又は凸部頂面に導電性部材が設けられている。
【００２７】
従って、凹凸形状の凹部底面や凸部頂面なる平坦部に導電性部材を設けているため、スパッタや蒸着等のステップカバレジの低い成膜プロセスにおいても良好な形状の導電部材を設けることができ、品質の安定した歩留まりの高い小型で高速な光変調器、光アッテネータ、さらには、光ルータ、光偏向器等も実現可能となる。
【００２８】
請求項５記載の発明は、請求項１記載の光学素子において、基板とこの基板に形成された前記微細周期構造とを有する光学素子であって、前記微細周期構造の特定部分が凹凸形状の凸部であり、この凸部中に光学的に透明な前記導電性部材が充填された微小細線又は微小孔が設けられている。
【００２９】
従って、凹凸形状の凸部部分を特定部分としてこの凸部中に光学的に透明な導電性部材が充填された微小細線又は微小孔を設けているので、その凹部の屈折率を制御できるようになり、かつ、微小な導電性部材により周期方向に大きな電界強度が印加可能となるため、フォトニック結晶のバンドを大きく変化させることが可能となり、光変調器、光アッテネータ、さらには、光ルータ、光偏向器等に利用可能な波長帯域を大きくすることができる。
【００３０】
請求項６記載の発明は、請求項１記載の光学素子において、基板とこの基板に形成された前記微細周期構造とを有する光学素子であって、前記微細周期構造の特定部分が凹凸形状の凹部及び凸部であり、この凸部中に光学的に透明な前記導電性部材が充填された微小細線又は微小孔が設けられ、かつ、前記凹部に光学的に透明な前記導電性部材が充填されている。
【００３１】
従って、請求項４及び５記載の発明の作用を併せ持つ。
【００３２】
請求項７記載の発明は、請求項１記載の光学素子において、基板とこの基板に形成された前記微細周期構造とを有する光学素子であって、前記凹凸形状の凹部が凸部よりも屈折率が低くて光学的に透明な光学材料により充填され、前記微細周期構造の特定部分が凹凸形状の前記凹部に充填された光学材料頂面であり、この光学材料頂面に前記導電性部材が設けられている。
【００３３】
従って、凹凸形状の凹部が凸部よりも屈折率が低くて光学的に透明な光学材料により充填されているので、当該凹部部分での光吸収が少なくて済み、このような凹部に充填された光学材料頂面に導電性部材が設けられているので、簡単に構成することができる。
【００３４】
請求項８記載の発明は、請求項１記載の光学素子において、基板とこの基板に形成された導電層と対象となる波長とほぼ同一の膜厚を有する薄膜層とを備え、当該薄膜層に前記微細周期構造を有する光学素子であって、前記微細周期構造の特定部分が凸部頂面であり、この凸部頂面に前記導電性部材が設けられている。
【００３５】
従って、薄膜層をその上下に配置した導電層と導電性部材とで挟み込み、電圧を印加することにより、凸部部分に安定した電界を印加させて屈折率変化を生じさせることができる。
【００３６】
請求項９記載の発明は、請求項１記載の光学素子において、基板とこの基板に形成された導電層と対象となる波長とほぼ同一の膜厚を有する薄膜層とを備え、当該薄膜層に前記微細周期構造を有する光学素子であって、前記凹凸形状の凹部が凸部よりも屈折率が低くて光学的に透明な光学材料により充填され、前記微細周期構造の特定部分が凸部頂面であり、この凸部頂面に前記導電性部材が設けられている。
【００３７】
従って、凹凸形状の凹部が凸部よりも屈折率が低くて光学的に透明な光学材料により充填されているので、当該凹部部分での光吸収が少なくて済み、かつ、薄膜層をその上下に配置した導電層と導電性部材とで挟み込み、電圧を印加することにより、凸部部分に安定した電界を印加させて屈折率変化を生じさせることができる。
【００３８】
請求項１０記載の発明の光学デバイスは、請求項１ないし７の何れか一記載の光学素子と、当該光学素子の導電性部材により形成された電極間に各々個別に接続された抵抗と、この抵抗を介して前記各電極間に等電圧を印加する電圧印加手段と、を備える。
【００３９】
従って、導電性部材を通じて特定領域に等電圧を印加させることができる。
【００４０】
請求項１１記載の発明の光学デバイスは、請求項１ないし７の何れか一記載の光学素子と、当該光学素子の導電性部材により形成された各々の電極間に交互に電圧源の両端を割り当てて電圧を印加する電圧印加手段と、を備える。
【００４１】
従って、導電性部材により形成された各々の電極間に交互に電圧源の両端を割り当てて電圧を印加することにより導電性部材を通じて特定領域に電圧を印加することができる。
【００４２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を数例挙げて説明する。
【００４３】
［第一の実施の形態］
本発明の第一の実施の形態を図１及び図２に基づいて説明する。図１及び図２は本実施の形態の光配線基板構成の光学素子１の構成例を示し、図１は拡大して示す原理的な断面図、図２（ａ）は１次元の回折格子による周期構造例を示す概略平面図、図２（ｂ）は２次元のフォトニック結晶による周期構造例を示す概略平面図である。
【００４４】
本実施の形態の光学素子１は、電圧印加により屈折率が変化する材料による基板２と、この基板２表面に対象となる波長以下の周期を持つ凹部３ａと凸部３ｂとの繰返しによる凹凸形状からなる微細周期構造３とを有するものである。このような微細周期構造３は図２（ａ）に示すような１次元の回折格子による周期構造でもよく、図２（ｂ）に示すような２次元のフォトニック結晶による周期構造でもよい。このため、図１は図２（ａ）又は図２（ｂ）のＡ−Ｂ線断面図を拡大して表している。
【００４５】
このような基本構成において、本実施の形態では、微細周期構造３の特定部分として各凹部３ａ内には導電性部材４が各々充填されている。この導電性部材４は各凹部３ａ毎に独立して電圧が印加されるようにその上部側は各々分離されている。また、この導電性部材４としては、光学的に透明な導電性材料によるものであって、光吸収が少ない媒質を用いて光吸収による損失を抑制し得ることが好ましい。これらの導電性部材４の頂面には電源（図示せず）からの電圧をこれらの導電性部材４に個別に供給するための電気配線５による電極処理が施されている。このような電気配線５は、低コストで低抵抗の場合、光吸収があるため、光が透過する部分（図中、微細周期構造３の左右方向）から離すために各凸部３ｂ上に光学材料で構成された保護層６を設けることが好ましい。
【００４６】
このような構成において、例えば、図１中のＸ部分（凸部３ｂの一つ）を微細周期構造３の特定部分としてその両側の凹部３ａに充填された導電性部材４ａ，４ｂ間に電位差を持たせた電圧を印加すると、特定部分Ｘに対して電界を作用させることが可能となる。このように凹凸形状が形成されている方向と平行な方向に電界を印加させることができるので、全体に安定的な電圧印加が可能であり、微細周期構造３の所望の特定部分Ｘに電界印加できれば、光学素子１に関して局所的な屈折率変化を生じさせることが可能となる。特に、このような微細周期構造３を形成する凸部３ｂ同士の間隔（周期）は対象となる光の波長以下であるので、波長以下の領域に電界を印加させることができる。
【００４７】
これは、例えば図２（ｂ）に示すような２次元のフォトニック結晶スラブ導波路のコア部分の屈折率変化をさせる場合でも、点欠陥導波路であれば、少なくとも１０μｍ以下、好ましくは１μｍ以下の領域に電圧を効果的に印加することができる。２次元のフォトニック結晶であれば電界を印加する部分が、ピラー間である場合もあるし、ピラー内である場合もある。
【００４８】
なお、本実施の形態のような光学素子１の作製方法としては、電気光学材料からなる基板２に保護層６となる絶縁膜を塗布し、半導体プロセスによるリソグラフィーとエッチングにより波長と同程度の溝（凹部３ａ）を形成する。形成された溝（凹部３ａ）内に導電性部材４を埋め込み、マスクを剥離することで、個々の溝を独立させる。配線５は用途に応じて再びリソグラフィーとエッチングのパターンニングで行うことで、図１に示すような構造を形成することができる。絶縁膜は電気配線５が光の透過部分にかかることで、光吸収による損失増加を防ぐ役割を果たす。
【００４９】
本実施の形態の場合、電気光学材料としては、ネマッチックやスメクチック構造を有する液晶、アゾ色素、スチルベンゼン色素、ＤＡＳＴ等の有機分子または有機結晶や、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）やニオブ酸チタン（ＬＴ）、ＫＴＰ等の無機結晶、ＰＺＴ、ＰＬＺＴ等のセラミックスを用いることができる。
【００５０】
ちなみに、図１において、導電性部材４ａ，４ｂ間に、０．１８μｍのＣＭＯＳプロセスで駆動可能な１．５Ｖを電位差として印加した場合、その凸部３ｂの厚さを２５０ｎｍに作製した場合、５×１０６（Ｖ／ｍ）なる非常に大きな電界強度を印加することができる。このとき、ＰＬＺＴ（Ｐｂ：Ｚｒ：Ｔｉ組成比＝１０：５３：４７）を、電気光学材料として用いた場合、Δｎとして、約０．０１という非常に大きな屈折率変化が、わずか１．５Ｖで実現できるようになる。
【００５１】
このように、本実施の形態によれば、凹凸形状からなる微細周期構造３を有する光学素子１の凹部３ａに導電性部材４を充填しているので、凸部３ｂ部分に大きな電界を印加することができ、凸部３ｂに設けた電気光学効果を有する材料に、大きな電気光学効果を生じさせることができる。これにより、屈折率を大きく変化させることができ、電気光学効果を用いた小型の光変調器、光アッテネータ等を実現することができる。さらに、微細周期構造３全体若しくは一部に、選択的に一定の電界を印加することが可能となり、小型の光ルータ、光偏向器等も実現可能となる。
【００５２】
［第二の実施の形態］
本発明の第二の実施の形態を図３に基づいて説明する。第一の実施の形態で示した部分と同一又は相当する部分は同一符号を用いて示し、説明も省略する。
【００５３】
図３は本実施の形態の光学素子１１の構成例を拡大して示す原理的な断面図である。本実施の形態の光学素子１１も、基本的には、基板２と微細周期構造３とにより構成されているが（１次元タイプでも２次元タイプでもよい）、微細周期構造３の特定部分を凹部３ａの内壁面３ｃとし、この内壁面３ｃを被覆するように導電性部材１２が設けられている。なお、凸部３ｂの頂部上には保護層６が設けられ、また、その上面には各導電性部材１２毎に独立した電気配線１３が電極処理として施されている。
【００５４】
このように、本実施の形態においては、導電性部材１２が層構成で各凹部３ａの内壁面３ｃに設けられているので、対をなす導電性部材１２間に電圧を印加することによりその間の凸部３ｂ部分を特定部分として電界を作用させ、屈折率変化を生じさせることができる。この際、凹部３ａ内に導電性部材１２を充填させる場合と異なり、内壁面３ｃに層構成で被覆するように設けているので、当該導電性部材１２の材料による屈折率差の低減を防ぐことができる。
【００５５】
図２（ｂ）の場合のように、基板２にフォトニック結晶による微細周期構造３を形成して、フォトニックバンドギャップを利用する光学素子１の場合、凹部３ａと凸部３ｂとの屈折率差がフォトニック結晶の特性を決定する大きな要因である。つまり、フォトニックバンドギャップを大きく開かせるためには、フォトニック結晶を構成する微細周期構造３の屈折率差を十分に取る必要がある。例えば、屈折率３．０程度の半導体基板で微細周期構造を形成し、屈折率２．０の透明電極部材で溝部分（凹部）を埋めると、屈折率差が空気境界面の場合と比較して１／２になる。さらに、屈折率２．２のニオブ酸リチウムと透明電極部材とでは、屈折率差が空気界面との場合と比較して１／６に減少してしまう。
【００５６】
この点、本実施の形態のような導電性部材１２の構成例によれば、空気境界面との屈折率差を保ちながら、局所的な電界印加が可能となる。
【００５７】
凹部３ａの内壁面３ｃを被覆する導電性部材１２の材料としては、光学的に透明であって、光吸収が少ない媒質を用いるが、凹部３ａを覆う導電性部材１２の層厚が凹部３ａの幅よりも十分に狭いので、光吸収による損失増加を抑制できる。さらに、ニオブ酸リチウムを基板２に用いた場合、透明電極（導電性部材１２）とニオブ酸リチウムの屈折率差がほとんど無いことから、透明電極（導電性部材１２）を形成したことによる光原子に与える影響が逆に少なくなり、設計上の不都合も回避することができる。
【００５８】
本実施の形態の光学素子１１の作製方法としては、溝（凹部３ａ）をリソグラフィーとエッチングとにより形成し、溝（凹部３ａ）内に透明電極（導電性部材１２）を充填して、再びわずかに狭い溝のパターンニングをし、透明電極（導電性部材１２）をエッチングすることで作製できる。この際、透明電極（導電性部材１２）を掘り抜いたことにより、幅が狭い構造が溝（凹部３ａ）の底面にできる可能性があるが、光のビーム径よりも深い溝であれば、光信号が受ける影響は少ない。
【００５９】
図２において、凸部３ｂを挟む透明電極（導電性部材１２）間に、０．１８μｍのＣＭＯＳプロセスで駆動可能な１．５Ｖを電位差として印加した場合、その凸部３ｂの厚さを２５０ｎｍに作製した場合、５×１０６（Ｖ／ｍ）の非常に大きな電界強度を印加することができる。このとき、ＰＬＺＴ（Ｐｂ：Ｚｒ：Ｔｉ組成比＝１０：５３：４７）を、電気光学材料として用いた場合、Δｎとして、約０．０１という非常に大きな屈折率変化がわずか１．５Ｖの電圧印加で実現することができる。
【００６０】
この構成を、凹凸形状からなる微細周期構造３としてフォトニック結晶を実現した場合、このｎ＝０．０１の屈折率変化により、波長を固定した場合には、２０ｄＢ以上の消光比の光変調を１μｓ以下の高速で実現することができる。このときの光の進行方向の光路長は、波長の長さの数倍以下でよく、より具体的には、８５０ｎｍの波長の場合では、１０μｍ以内の非常に小さな高速光変調器が実現できる。
【００６１】
このように、本実施の形態によれば、微細周期構造３の特定部分を凹凸形状の凹部３ａの内壁面３ｃとして光学的に透明な導電性部材１２で被覆することにより、凹凸形状の凹部３ａの材料として、導電性部材１２以外の材料を選ぶことが可能となり、その凹部３ａの屈折率を制御することができる。よって、凸部３ｂ（基板２）に低屈折率の電気光学材料を用いた場合でも、凹部３ａと凸部３ｂとの屈折率差を大きくすることにより、フォトニック結晶のバンドを開くことが可能となる。よって、高速の電気光学材料からなるフォトニック結晶の屈折率を変化させることで、小型で高速の光変調器、光アッテネータ等を実現することができる。さらに、微細周期構造３全体若しくは一部に選択的に一定の電界を印加できるようになり、小型の光ルータ、光偏向器等も実現することができる。
【００６２】
［第三の実施の形態］
本発明の第三の実施の形態を図４に基づいて説明する。図４は本実施の形態の光学素子１４の構成例を拡大して示す原理的な断面図である。本実施の形態の光学素子１４も、基本的には、基板２と微細周期構造３とにより構成されているが（１次元タイプでも２次元タイプでもよい）、微細周期構造３の特定部分を凹部３ａの底面３ｄ及び凸部３ｂの頂面３ｅとし、これらの底面３ｄ及び頂面３ｅ上に導電性部材１５，１６が設けられている。
【００６３】
このような構成において、底面３ｄ上の導電性部材１５と頂面３ｅ上の導電性部材１６との間に電位差を持たせた電圧を印加することにより、これらの導電性部材１５，１６間の凸部３ｂに電界を作用させてその屈折率を変化させることができる。この場合、電界方向は凹部３ａや凸部３ｂに平行、つまり凹凸構造が形成されている方向（左右方向）に対して直交する垂直方向に印加されることになる。
【００６４】
なお、電界を作用させる対象が微細周期構造３部分であるので、電極（導電性部材４）としては底面３ｄ上の導電性部材１５のみ、或いは、頂面３ｅ上の導電性部材１６のみとしても、凸部３ｂに対して電界を作用させることができる。
【００６５】
本実施の形態の光学素子１４の作製方法としては、溝（凹部３ａ）をリソグラフィーとエッチングとにより形成し、電極材料（導電性部材１５，１６）を蒸着などにより垂直に堆積することで底面３ｄ上と頂面３ｅ上とに分離して形成することができる。
【００６６】
従って、本実施の形態によれば、凹凸形状の凹部３ａの底面３ｄや凸部３ｂの頂面３ｅなる平坦部に導電性部材１５，１６を設けているため、スパッタや蒸着等のステップカバレジの低い成膜プロセスにおいても良好な形状の導電性部材１５，１６を設けることができ、品質の安定した歩留まりの高い小型で高速な光変調器、光アッテネータ、さらには、光ルータ、光偏向器等も実現可能となる。
【００６７】
［第四の実施の形態］
本発明の第四の実施の形態を図５及び図６に基づいて説明する。図５及び図６は本実施の形態の光配線基板構成の光学素子２１の構成例を示し、図５は拡大して示す原理的な断面図、図６（ａ）は１次元の回折格子による周期構造例を示す水平断面図、図６（ｂ）（ｃ）は２次元のフォトニック結晶による周期構造例を示す水平断面図である。
【００６８】
本実施の形態の光学素子２１は、基板２２と、この基板２２表面に対象となる波長以下の周期を持つ凹部２３ａと凸部２３ｂとの繰返しによる凹凸形状からなる微細周期構造２３とを有するものである。このような微細周期構造２３は図６（ａ）に示すような１次元の回折格子による周期構造でもよく、図６（ｂ）（ｃ）に示すような２次元のフォトニック結晶による周期構造でもよい。このため、図６（ａ）〜（ｃ）は図５のＣ−Ｄ線水平断面図を表している。
【００６９】
このような基本構成において、本実施の形態では、微細周期構造２３の特定部分が凸部２３ｂとされ、この凸部２３ｂ中に光学的に透明な導電性部材２４が充填された微小孔（又は、微小細線）２５が設けられている。また、凸部２３ｂの頂部にはこのような導電性部材２４に電気的に導通させた電気配線２６の電極処理が施されている。また、この凸部２３ｂ・電気配線２６間には、低コストで低抵抗の電気配線２６の場合、光吸収があるため、光が透過する部分から離すために光学材料で構成された保護層２７が設けられている。
【００７０】
なお、本実施の形態の光学素子２１においては、基板２２として電界印加により屈折率が変化する電気光学材料を用いてもよく、或いは、凹部２３ａ内に電界印加により屈折率が変化する電気光学材料２８を充填させてもよい。また、微小孔２５の形状は、その大きさが凹部２３ａよりも小さければ、任意形状でよく、円形でも矩形でもよい。
【００７１】
このような構造をとることで、電界を溝（凹部２３ａ）に垂直に印加することが可能となり、各々の特定部分に対して個別に電界を印加できる。
【００７２】
本実施の形態例は、微細周期構造２３が図６（ａ）に示すような１次元でも、図６（ｂ）（ｃ）に示すような２次元でも適用可能である。ちなみに、図６（ｂ）は基板２２自体が屈折率変化する場合の構成例を示し、図６（ｃ）は凹部２３ａに充填された電気光学材料２８が屈折率変化する場合の構成例を示す。
【００７３】
従って、本実施の形態の光学素子２１によれば、凹凸形状の凸部２３ｂ部分を特定部分としてこの凸部２３ｂ中に光学的に透明な導電性部材２４が充填された微小孔２５を設けているので、その凹部２３ａの屈折率を制御できるようになり、かつ、微小な導電性部材２４により周期方向に大きな電界強度が印加可能となるため、フォトニック結晶のバンドを大きく変化させることが可能となり、光変調器、光アッテネータ、さらには、光ルータ、光偏向器等に利用可能な波長帯域を大きくすることができる。
【００７４】
［第五の実施の形態］
本発明の第五の実施の形態を図７に基づいて説明する。図７は本実施の形態の光学素子３１の構成例を拡大して示す原理的な断面図である。本実施の形態の光学素子３１も、基本的には、基板２２と微細周期構造２３とにより構成され（１次元タイプでも２次元タイプでもよい）、凸部２３ｂ中に導電性部材２４が充填された微小孔２５が形成されているが、加えて、凹部２３ａの内壁面２３ｃが光学的に透明であって光吸収が少ない媒質を用いた導電性部材３２（導電性部材１２と同様）により被覆されている。３３は電極処理された電気配線である。
【００７５】
このような構成において、例えば凸部２３ｂ中のＸ部分を特定部分とした時、電極として作用する導電性部材２４，３２ａ間に電位差を持たせた電圧を印加すると、導電性部材３２ａ，３２ｂ間に電位差を持たせた電圧を印加する場合に比して半分の電圧で同等の電界を作用させることができる。
【００７６】
従って、本実施の形態によれば、第三及び第四の実施の形態の場合の作用・効果を併せ持つ。
【００７７】
［第六の実施の形態］
本発明の第六の実施の形態を図８に基づいて説明する。図８は本実施の形態の光学素子３４の構成例を拡大して示す原理的な断面図である。本実施の形態の光学素子３４は、基本的には、基板２と微細周期構造３とにより構成されているが（１次元タイプでも２次元タイプでもよい）、凹部３ａ内に凸部３ｂ（基板２）よりも屈折率が低くて光学的に透明な光学材料である絶縁材料３５が充填され、この充填された絶縁材料３５の頂面３６を特定部分として、各頂面３６上には導電性部材３７（電気配線兼用）が設けられている。この絶縁材料３５としては光学的に透明であり、光吸収が少ない材料が用いられる。波長８５０ｎｍではエポキシ系材料が好ましく、波長１．３μｍではフッ素化ポリイミド材料が好ましい。導電性部材３７は光吸収が少なく、光学的に透明である導電性材料が好ましいが、光学材料で構成された保護層６を設ければ、光が透過する部分から導電性部材３７を離せるために、低コストで低抵抗な電気配線を導電性部材３７に使うことができる。
【００７８】
このような構成において、電界を作用させる対象が微細周期構造３部分であるので、電極（導電性部材３７）としては絶縁材料３５の頂面３６のみに設けられていても、隣り合う電極（導電性部材３７）間に電位差を持たせた電圧を印加することにより、凸部３ｂに対して電界を作用させることができる。
【００７９】
従って、本実施の形態によれば、凹凸形状の凹部３ａが凸部３ｂよりも屈折率が低くて光学的に透明な光学材料３５により充填されているので、当該凹部３ａ部分での光吸収が少なくて済み、このような凹部３ａに充填された光学材料３５の頂面３６に導電性部材３７を設けているので、簡単に構成することができる。
【００８０】
［第七の実施の形態］
本発明の第七の実施の形態を図９に基づいて説明する。図９は本実施の形態の光学素子４１の構成例を拡大して示す原理的な断面図である。本実施の形態の光学素子４１は、基本的には、台座基板（基板）４２とこの台座基板４２に形成された導電層４３と対象となる波長とほぼ同一の膜厚を有して電界印加により屈折率が変化する材料による薄膜層４４とを備え、当該薄膜層４４に対象となる波長以下の周期を持つ凹部４５ａと凸部４５ｂとの繰返しによる凹凸形状による微細周期構造４５を有する構成とされている。ここに、薄膜層４４は上下の光閉じ込めを大きくするために、波長以下の厚み、好ましくは波長の１／５以下の厚みを持つ。このような薄膜層４４を上下に配置した電極構造（導電性部材）４３，４６で挟み込み、電圧を印加することで、安定した電界を印加することができる。
【００８１】
なお、薄膜層４４の上下両面は接着層４７と保護層４８とで挟み込む構造とされている。接着層４７は薄膜層４４と導電層４３と台座基板４２とを接着するため、及び、電極構造（導電層）４３による光吸収を避けるために設けられている。また、上部の保護層４８も同様に電極構造（導電性部材）４６による光吸収を避けるために設けられている。
【００８２】
本実施の形態の場合、上下への光の滲み出しは波長の１／１０程度であるので、波長程度の間隔に電界を印加することができる。また、電極構造（導電性部材）４６は凸部３ｂ毎に設けられているので、電極構造（導電性部材）４６には電気配線により別々に電圧を印加することができ、微細周期構造に別々に電界印加が可能となる。
【００８３】
従って、本実施の形態によれば、薄膜層４４をその上下に配置した導電層４３と導電性部材４６とで挟み込み、電圧を印加することにより、凸部３ｂ部分に安定した電界を印加させて屈折率変化を生じさせることができる。
【００８４】
［第八の実施の形態］
本発明の第八の実施の形態を図１０に基づいて説明する。図１０は本実施の形態の光学素子５１の構成例を拡大して示す原理的な断面図である。本実施の形態の光学素子５１は、基本的には、図９の場合と同様に、台座基板４２と導電層４３と微細周期構造４５を有する薄膜層４４とにより構成されているが（１次元タイプでも２次元タイプでもよい）、凹部４５ａ中に光学材料５２が充填されるとともに、保護層４８を介して各凸部４５ｂの頂面５３上には導電性部材（電極配線を含む）４６が形成されている。
【００８５】
本実施の形態の場合も、薄膜層４４は上下の光閉じ込めを大きくするために、波長以下の厚み、好ましくは波長の１／５以下の厚みを持つ。また、当該薄膜層４４か電界の作用により屈折率変化を起こす材質であってもよく、或いは、光学材料５２が電界の作用により屈折率変化を起こす材質であってもよい。
【００８６】
従って、本実施の形態によれば、凹凸形状の凹部４５ａが凸部４５ｂよりも屈折率が低くて光学的に透明な光学材料５２により充填されているので、当該凹部４５ａ部分での光吸収が少なくて済み、かつ、薄膜層４４をその上下に配置した導電層４３と導電性部材４６とで挟み込み、電圧を印加することにより、凸部４５ｂ部分に安定した電界を印加させて屈折率変化を生じさせることができる。
【００８７】
［第九の実施の形態］
本発明の第九の実施の形態を図１１に基づいて説明する。本実施の形態は、前述したような各種構成例の光学素子の微細周期構造中の特定部分に対する電圧印加手段を含めた光学デバイス６１の構成例を示すものである。ここでは、その一例として、第一の実施の形態中に示したような光学素子１への適用例として説明する。
【００８８】
まず、導電性部材４により形成された各電極間（電気配線５間）には、各々等しい抵抗値の抵抗Ｒが接続されている。また、このような抵抗Ｒを介して各電極間（電気配線５間）に電圧を印加するための電圧源６２が設けられている。この電圧源６２は直列接続された抵抗Ｒの両端間に接続され、かつ、各抵抗Ｒ毎に個別にオン・オフスイッチングされるアナログスイッチ等によるスイッチ６３が並列に接続され、これらの電圧源６２及びスイッチ６３により各電極間（電気配線５間）に抵抗Ｒにより分圧された等電圧の電位差を持たせた電圧を印加する電圧印加手段６４が構成されている。
【００８９】
このような構成において、例えば全てのスイッチ６３を閉じた場合には、電圧源６２から供給される電圧を、各々の抵抗Ｒで分圧された等電圧が各電極間（電気配線５間＝導電性部材４間）に印加され、電界を作用させて各々の凸部３ｂ部分に屈折率変化を生じさせることができる。また、任意の所望のスイッチ６３のみを閉じ他のスイッチ６３を開放させれば閉じられたスイッチ６３対応部分のみを特定部分として電圧を印加し電界を作用させることができる。
【００９０】
［第十の実施の形態］
本発明の第十の実施の形態を図１２に基づいて説明する。本実施の形態も、前述したような各種構成例の光学素子の微細周期構造中の特定部分に対する電圧印加手段を含めた光学デバイス７１の構成例を示し、その一例として、第一の実施の形態中に示したような光学素子１への適用例として説明する。
【００９１】
本実施の形態の電圧印加手段７２は、電圧源７３とこの電圧源７３の一端側（例えば、＋側）が複数の電極（電気配線５＝導電性部材４）中の１つ置きの奇数番目電極に配線された＋側配線構造７４と、電圧源７３の他端側（例えば、−側）が複数の電極（電気配線５＝導電性部材４）中の１つ置きの偶数番目電極に配線された−側配線構造７５と、により構成されている。ここに、一方の配線構造、例えば＋側配線構造７４の各配線上には個別にオン・オフスイッチングされるアナログスイッチ等によるスイッチ７６が介在されている。
【００９２】
このような構成によれば、例えば全てのスイッチ７６を閉じた場合には、奇数番目と偶数番目とで対をなす電極（電気配線５＝導電性部材４）間は、電圧源７３に対して何れも並列状態となり、一定電圧印加による一定電界を作用させることができる上に、低電圧印加で済むものとなる。また、任意の所望のスイッチ７６のみを閉じ他のスイッチ７６を開放させれば閉じられたスイッチ７６対応部分のみを特定部分として一定電圧を印加し電界を作用させることができる。
【００９３】
なお、光学素子に対する電圧印加方式としては、これらの実施の形態に例示した方式に限らず、例えば、複数個をセットとして非対称に効率よく電界を印加する方式や、交流電圧源の位相ずれを利用した印加方式等であってもよい。
【００９４】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、微細周期構造の特定部分に電圧が印加される導電性部材を有するので、この導電性部材を介して電界を印加することで微細周期構造の特定部分の電気光学効果による屈折率変調を安定して行わせることができる。
【００９５】
請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の光学素子において、基板とこの基板に形成された前記微細周期構造とを有する光学素子であって、凹凸形状からなる微細周期構造を有する光学素子の凹部に導電性部材を充填しているので、凸部部分に大きな電界を印加することができ、凸部に設けた電気光学効果を有する材料に、大きな電気光学効果を生じさせることができ、これにより、屈折率を大きく変化させることができ、電気光学効果を用いた小型の光変調器、光アッテネータ等を実現することができ、さらに、微細周期構造全体若しくは一部に、選択的に一定の電界を印加することが可能となり、小型の光ルータ、光偏向器等も実現することができる。
【００９６】
請求項３記載の発明によれば、請求項１記載の光学素子において、微細周期構造の特定部分を凹凸形状の凹部内壁面として光学的に透明な導電性部材が被覆することにより、凹凸形状の凹部の材料として、導電性部材以外の材料を選ぶことが可能となり、その凹部の屈折率を制御できるようになり、凸部に低屈折率の電気光学材料を用いた場合でも、凹部と凸部との屈折率差を大きくすることにより、フォトニック結晶のバンドを開くことが可能となり、よって、高速の電気光学材料からなるフォトニック結晶の屈折率を変化させることで、小型で高速の光変調器、光アッテネータ等を実現することができ、さらに、微細周期構造全体若しくは一部に選択的に一定の電界を印加できるようになり、小型の光ルータ、光偏向器等も実現することができる。
【００９７】
請求項４記載の発明によれば、請求項１記載の光学素子において、凹凸形状の凹部底面や凸部頂面なる平坦部に導電性部材を設けているので、スパッタや蒸着等のステップカバレジの低い成膜プロセスにおいても良好な形状の導電部材を設けることができ、品質の安定した歩留まりの高い小型で高速な光変調器、光アッテネータ、さらには、光ルータ、光偏向器等も実現することができる。
【００９８】
請求項５記載の発明によれば、請求項１記載の光学素子において、凹凸形状の凸部部分を特定部分としてこの凸部中に光学的に透明な導電性部材が充填された微小細線又は微小孔を設けたので、その凹部の屈折率を制御できるようになり、かつ、微小な導電性部材により周期方向に大きな電界強度が印加可能となるため、フォトニック結晶のバンドを大きく変化させることが可能となり、光変調器、光アッテネータ、さらには、光ルータ、光偏向器等に利用可能な波長帯域を大きくすることができる。
【００９９】
請求項６記載の発明によれば、請求項４及び５記載の発明の効果を併せ持つことができる。
【０１００】
請求項７記載の発明によれば、請求項１記載の光学素子において、凹凸形状の凹部が凸部よりも屈折率が低くて光学的に透明な光学材料により充填されているので、当該凹部部分での光吸収が少なくて済み、このような凹部に充填された光学材料頂面に導電性部材が設けられているので、簡単に構成することができる。
【０１０１】
請求項８記載の発明によれば、請求項１記載の光学素子において、薄膜層をその上下に配置した導電層と導電性部材とで挟み込み、電圧を印加することにより、凸部部分に安定した電界を印加させて屈折率変化を生じさせることができる。
【０１０２】
請求項９記載の発明によれば、請求項１記載の光学素子において、凹凸形状の凹部が凸部よりも屈折率が低くて光学的に透明な光学材料により充填されているので、当該凹部部分での光吸収が少なくて済み、かつ、薄膜層をその上下に配置した導電層と導電性部材とで挟み込み、電圧を印加することにより、凸部部分に安定した電界を印加させて屈折率変化を生じさせることができる。
【０１０３】
請求項１０記載の発明の光学デバイスによれば、導電性部材を通じて特定領域に等電圧を印加させることができる。
【０１０４】
請求項１１記載の発明の光学デバイスによれば、導電性部材により形成された各々の電極間に交互に電圧源の両端を割り当てて電圧を印加することにより導電性部材を通じて特定領域に電圧を印加することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施の形態の光学素子を示すＡ−Ｂ線部分の拡大断面図である。
【図２】（ａ）は１次元の微細周期構造例を示す概略平面図、（ｂ）は２次元の微細周期構造例を示す概略平面図である。
【図３】本発明の第二の実施の形態の光学素子を示す拡大断面図である。
【図４】本発明の第三の実施の形態の光学素子を示す拡大断面図である。
【図５】本発明の第四の実施の形態の光学素子を示す拡大断面図である。
【図６】（ａ）は１次元の微細周期構造例を示すＣ−Ｄ線による水平断面図、（ｂ）（ｃ）は２次元の微細周期構造例を示すＣ−Ｄ線による水平断面図である。
【図７】本発明の第五の実施の形態の光学素子を示す拡大断面図である。
【図８】本発明の第六の実施の形態の光学素子を示す拡大断面図である。
【図９】本発明の第七の実施の形態の光学素子を示す拡大断面図である。
【図１０】本発明の第八の実施の形態の光学素子を示す拡大断面図である。
【図１１】本発明の第九の実施の形態の光学デバイスを示す拡大断面図である。
【図１２】本発明の第十の実施の形態の光学デバイスを示す拡大平面図である。
【符号の説明】
１ 光学素子
２ 基板
３ 微細周期構造
３ａ 凹部
３ｂ 凸部
３ｃ 内壁面
３ｄ 底面
３ｅ 頂面
４ 導電性部材
１１ 光学素子
１２ 導電性部材
１４ 光学素子
１５，１６ 導電性部材
２１ 光学素子
２２ 基板
２３ 微細周期構造
２３ａ 凹部
２３ｂ 凸部
２４ 導電性部材
２５ 微小孔
３１ 光学材料
３２ 導電性部材
３４ 光学素子
３５ 光学材料
３６ 頂面
３７ 導電性部材
４１ 光学素子
４２ 基板
４３ 導電層
４４ 薄膜層
４５ 微細周期構造
４５ａ 凹部
４５ｂ 凸部
４６ 導電性部材
５１ 光学素子
５２ 光学材料
５３ 頂面
６１ 光学デバイス
６４ 電圧印加手段
７１ 光学デバイス
７２ 電圧印加手段
７３ 電圧源
Claims (11)
- 対象となる波長以下の周期を持つ凹凸形状からなる微細周期構造を有する光学素子において、
前記微細周期構造の特定部分に電圧が印加される導電性部材を有することを特徴とする光学素子。 - 基板とこの基板に形成された前記微細周期構造とを有する光学素子であって、
前記微細周期構造の特定部分が凹凸形状の凹部であり、この凹部に光学的に透明な前記導電性部材が充填されていることを特徴とする請求項１記載の光学素子。 - 基板とこの基板に形成された前記微細周期構造とを有する光学素子であって、
前記微細周期構造の特定部分が凹凸形状の凹部内壁面であり、この凹部内壁面を光学的に透明な前記導電性部材が被覆していることを特徴とする請求項１記載の光学素子。 - 基板とこの基板に形成された前記微細周期構造とを有する光学素子であって、
前記微細周期構造の特定部分が凹凸形状の凹部底面と凸部頂面との少なくとも一方であり、これらの凹部底面又は凸部頂面に導電性部材が設けられていることを特徴とする請求項１記載の光学素子。 - 基板とこの基板に形成された前記微細周期構造とを有する光学素子であって、
前記微細周期構造の特定部分が凹凸形状の凸部であり、この凸部中に光学的に透明な前記導電性部材が充填された微小細線又は微小孔が設けられていることを特徴とする請求項１記載の光学素子。 - 基板とこの基板に形成された前記微細周期構造とを有する光学素子であって、
前記微細周期構造の特定部分が凹凸形状の凹部及び凸部であり、
この凸部中に光学的に透明な前記導電性部材が充填された微小細線又は微小孔が設けられ、かつ、前記凹部に光学的に透明な前記導電性部材が充填されていることを特徴とする請求項１記載の光学素子。 - 基板とこの基板に形成された前記微細周期構造とを有する光学素子であって、
前記凹凸形状の凹部が凸部よりも屈折率が低くて光学的に透明な光学材料により充填され、
前記微細周期構造の特定部分が凹凸形状の前記凹部に充填された光学材料頂面であり、この光学材料頂面に前記導電性部材が設けられていることを特徴とする請求項１記載の光学素子。 - 基板とこの基板に形成された導電層と対象となる波長とほぼ同一の膜厚を有する薄膜層とを備え、当該薄膜層に前記微細周期構造を有する光学素子であって、
前記微細周期構造の特定部分が凸部頂面であり、この凸部頂面に前記導電性部材が設けられていることを特徴とする請求項１記載の光学素子。 - 基板とこの基板に形成された導電層と対象となる波長とほぼ同一の膜厚を有する薄膜層とを備え、当該薄膜層に前記微細周期構造を有する光学素子であって、
前記凹凸形状の凹部が凸部よりも屈折率が低くて光学的に透明な光学材料により充填され、
前記微細周期構造の特定部分が凸部頂面であり、この凸部頂面に前記導電性部材が設けられていることを特徴とする請求項１記載の光学素子。 - 請求項１ないし７の何れか一記載の光学素子と、
当該光学素子の導電性部材により形成された電極間に各々個別に接続された抵抗と、
この抵抗を介して前記各電極間に等電圧を印加する電圧印加手段と、
を備える光学デバイス。 - 請求項１ないし７の何れか一記載の光学素子と、
当該光学素子の導電性部材により形成された各々の電極間に交互に電圧源の両端を割り当てて電圧を印加する電圧印加手段と、
を備える光学デバイス。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| KR100888477B1 (ko) | 2007-02-28 | 2009-03-12 | 삼성전자주식회사 | 1차원 광변조기 및 이를 채용한 화상 출력 장치 |
| US7580594B2 (en) | 2007-07-19 | 2009-08-25 | Canon Kabushiki Kaisha | Optical modulation element and optical modulation device having the same |
| WO2017057700A1 (ja) * | 2015-10-01 | 2017-04-06 | 国立大学法人東京大学 | 光変調器及び光変調装置 |
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2003
- 2003-04-11 JP JP2003107335A patent/JP2004317540A/ja active Pending
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