JP2006091862A - フォトニック結晶を用いた光機能素子、光学装置、フォトニック結晶の製造方法、及び光合分波装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 強誘電体材料を用いたフォトニック結晶を有する光機能素子を提供する。
【解決手段】 強誘電体材料からなる第１の層（３１）内に、１次元または２次元方向に周期的に分布し、該第１の層とは屈折率の異なる媒質が充填された周期分布領域（３２）が含まれてコア層（５）が形成される。この周期構造がフォトニック結晶（３３）を構成する。コア層内に電界を印加する電極（３，７）が形成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、フォトニック結晶を用いた光機能素子及び光学装置に関する。さらに、本発明は、フォトニック結晶の製造方法に関する。

近年のインターネットの爆発的な普及に伴い、基幹通信網を支える伝送装置のチャネル数は増加の一途をたどっている。現在の光通信の主流となっている波長分割多重（ＷＤＭ）方式の波長帯域の拡大及び信号波長間隔の短縮化が進んでいる。特に、光通信網のノードとなるクロスコネクト装置に、チャネル数の増加及び信号切換速度の高速化が望まれている。現在使用されているマイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）等のマイクロマシンを利用したミラー型クロスコネクト装置では、この要請に応えることが困難である。この要請に応えるために、導波路偏向型の光クロスコネクト装置の実用化が望まれている。

下記の特許文献１に、フォトニック結晶を用いた光偏向装置が開示されている。この光偏向装置では、フォトニック結晶に入射する光の波長が、フォトニックバンドのバンド端近傍でほんの１％変化すると、屈折角が５０°程度も変化する現象を利用している。このような現象は、「スーパープリズム効果」と呼ばれる。

特許文献１の第１３カラム第３９行に、「ＳｉやＧｅのような集積回路によく用いられる元素をフォトニック結晶の構成材料として使用するので、フォトニック結晶を用いた光線偏向装置を製造するにあたって既存の半導体製造ラインを利用できる」と記載されている。第８カラム第７行に、電気光学材料を用いたフォトニック結晶に関する記載があるが、その製造方法については説明されていない。

下記の特許文献２の図５及び段落３０に、ＳＯＩ基板の主面側のシリコン層をパターニングして、フォトニック結晶及び光導波路を作製する技術が開示されている。段落２３には、光学媒質として、電界の印加によって屈折率が変化する電気光学材料を用いたフォトニック結晶について記載されているが、その製造方法については説明されていない。

近年、フォトニックネットワークのさらなる高速駆動化及び大容量化の要請が高まってきている。この要請に応えるため、光信号が広帯域かつ多重化され、フォトニックネットワークの伝送装置にも、高速駆動化及び多チャネル化が求められている。特に、平面実装を可能にし、微小な導波光制御デバイスについて様々な発明がなされている。

例えば、特許文献３、４及び非特許文献１に、格子状に配置された光導波路の交差点で光路の切り替えを行う光クロスコネクト装置が開示されている。特許文献３に開示された装置においては、光導波路の交差箇所に形成された溝内に注入された屈折率整合液を、熱毛細管力によって移動させることにより、光路の切り替えが行われる。特許文献４に開示された装置においては、屈折率整合液を加熱して泡を発生させることにより、光路の切り替えを行う。

特許文献５、及び非特許文献２に、光アドドロップ機能を有するアレイ導波路格子（AWG(Arrayed Waveguide Grating)）型の合分波器が開示されている。

特開２００２−３５０９０８号公報 特開２００３−２１５６４６号公報 特開２０００−２７５５５２号公報 特開２００１−２４２３９８号公報 特開２００２−１７４７４０号公報 Bistable optical switching using electrochemically generatedbubbles, Janet L. Jackel et al., Optics Lett. 24, 1470 (1990) Arrayed-waveguide grating for wavelength divisionmulti/demultiplexer with nanometer resolutioin, H. Takahashi et al., ElectronLett. 26, 87 (1990)

小型かつ高速の光導波路型光スイッチを実現するために、光導波路構造を持つフォトニック結晶を有する光偏向素子が望まれる。その実現に際して、大きな電気光学効果を示し、かつ材料が持つ固有の光損失を低下させるために、高い耐電圧性を有し、結晶構造の配向性制御を行うことが可能な材料を選定することが望ましい。一般に、大きな電気光学効果を示す物質として、多元素系のＬｉＮｂＯ_３や（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３等の強誘電体酸化物が知られている。これら酸化物強誘電体は、半導体プロセスで一般的に用いられるパターニング法であるドライエッチングでは、垂直加工が困難であり、またエッチング後の再付着のため、再現性よく微細パターンを形成することが困難である。

本発明の目的は、強誘電体材料を用いたフォトニック結晶を有する光機能素子、及びフォトニック結晶を再現性よく製造することが可能な製造方法を提供することである。本発明の他の目的は、同一基板上にフォトニック結晶と光導波路を形成した光学装置を提供することである。

屈折率整合液の移動や泡の発生を利用した光クロスコネクト装置においては、応答速度の向上を図ることが困難である。また、長期間の信頼性が十分ではない。ＡＷＧ型合分波器は、小型化を図ることが困難である。

本発明の一観点によると、強誘電体材料からなる第１の層、及び該第１の層内に１次元または２次元方向に周期的に分布し、該第１の層とは屈折率の異なる媒質が充填された周期分布領域を含み、フォトニック結晶を構成するコア層と、前記コア層内に電界を印加する電極とを有する光機能素子が提供される。

本発明の他の観点によると、主表面を画定する支持基板と、前記支持基板の主表面上に形成されたコア層であって、該コア層は、第１の層、及び該第１の層内に１次元または２次元方向に周期的に分布し、該第１の層とは屈折率の異なる媒質が充填された周期分布領域を含み、該第１の層及び該周期分布領域内の媒質の少なくとも一方は強誘電体であり、該第１の層と該周期分布領域とがフォトニック結晶を構成する前記コア層と、前記コア層内に電界を印加する電極と、前記支持基板の主表面上に形成され、前記コア層に、その端面から光を入射させる光導波路とを有する光学装置が提供される。

本発明のさらに他の観点によると、（ａ）基板の表面上に、１次元または２次元方向に周期的に、かつ島状に分布した複数の凸部を含む第１の鋳型を形成する工程と、（ｂ）前記基板上に、強誘電体材料の前駆体溶液を塗布して前記第１の鋳型の隙間を充填し、乾燥させて、強誘電体材料の前駆体からなる層を形成する工程と、（ｃ）前記第１の鋳型を除去する工程と、（ｄ）前記工程ｂで形成した前駆体からなる層を焼成して、前記第１の鋳型の凸部に対応する位置に穴を有する強誘電体層を形成する工程とを有するフォトニック結晶の製造方法が提供される。

本発明のさらに他の観点によると、第１の光導波路と、前記第１の光導波路の端部以外の位置に接続された第２の光導波路と、前記第１の光導波路と第２の光導波路との接続箇所に配置されたフォトニック結晶とを有する光学装置が提供される。

本発明のさらに他の観点によると、相互に交差しない複数の光チャネル導波路を含む第１の導波路群と、相互に交差せず、各々が、前記第１の導波路群の複数の光チャネル導波路と交差する複数の光チャネル導波路を含む第２の導波路群と、前記第１の導波路群の光チャネル導波路と前記第２の導波路群の光チャネル導波路との交差箇所の各々に配置されたフォトニック結晶とを有する光合分波装置が提供される。

コア層に電界を印加することにより、強誘電体材料の屈折率を変化させ、フォトニック結晶のフォトニックバンド構造を変化させることができる。

光導波路からフォトニック結晶に光を導入する。フォトニックバンド構造を変化させることにより、光の屈折角を変えることができる。これにより、光スイッチが実現される。

鋳型を用いることにより、ドライエッチング等の工程を経ることなく、強誘電体層に微細な周期パターンを形成することができる。

２本の光導波路の交差箇所にフォトニック結晶を配置することにより、光信号の出力先導波路の切り替えを行うことができる。

図１（Ａ）に、第１の実施例による光学装置の平面図を示し、図１（Ｂ）に、図１（Ａ）の一点鎖線Ｂ１−Ｂ１における断面図を示す。

図１（Ａ）に示すように、支持基板の表面に、入射側導波路領域１０、出射側導波路領域２０、及び両者の間に配置されたフォトニック結晶領域３０が画定されている。入射側導波路領域１０に光導波路１１が形成されている。出射側導波路領域２０には、スラブ導波路が形成されている。フォトニック結晶領域３０内にフォトニック結晶３３が形成されている。フォトニック結晶３３は、強誘電体からなる背景媒質層３１、及び背景媒質層３１内に、２次元方向に周期的に分布する周期分布領域３２を含んで構成される。この周期構造の周期は、光の波長のオーダである。周期分布領域３２内に、背景媒質層３１とは屈折率の異なる誘電体部材が充填されている。支持基板の表面に垂直な視線で見たとき、導波路１１は、フォトニック結晶３３の端面に斜めに接続されている。

図１（Ｂ）に示すように、単結晶ＳｒＴｉＯ_３（ＳＴＯ）からなる支持基板１の主面上に、厚さ２００ｎｍの下部電極２が形成されている。支持基板１の主面は、ＳＴＯの（００１）面である。支持基板１として、単結晶ＬａＡｌＯ_３やＭｇＯ等の酸化物誘電体基板を用いてもよい。下部電極２は、例えば白金（Ｐｔ）等の酸化されにくい金属、またはＳｒＲｕＯ_３（ＳＲＯ）等の導電性酸化物で形成される。下部電極２の上に、ＭｇＯからなる厚さ２μｍの下部クラッド層３が形成されている。

下部クラッド層３の上に、厚さ０．５μｍのコア層５が形成されている。コア層５の上に、ＭｇＯからなる厚さ２μｍの上部クラッド層６が形成されている。フォトニック結晶領域３０内の上部クラッド層６の上に、厚さ２００ｎｍの上部電極７が形成されている。上部電極７は、下部電極２と同じ材料で形成される。

入射側導波路領域１０内のコア層５に、強誘電体からなる光導波路１１が形成されている。光導波路１１の側方には、充填材層１２が形成されている。出射側導波路領域２０のコア層５は、強誘電体で形成される。下部クラッド層３と上部クラッド層５で挟まれた強誘電体層がスラブ導波路１３を構成する。フォトニック結晶領域３０内のコア層５は、背景媒質層３１と、基板の主面に平行な２次元方向に周期的に配列した周期分布領域３２とで構成される。背景媒質層３１と、周期分布領域３２内の誘電体部材とがフォトニック結晶３３を構成する。

光導波路１１、スラブ導波路１３、及び背景媒質層３１を形成する強誘電体材料として、例えば、（Ｐｂ_０．９１Ｌａ_０．０９）（Ｚｒ_０．６５Ｔｉ_０．３５）Ｏ_３（ＰＬＺＴ）等の酸化物強誘電体を使用することができる。ＰＬＺＴは、その（００１）面が主面と平行になるように配向している。充填材層１２及び周期分布領域３２ないに充填されている誘電体部材として、例えばフッ素化ポリイミドを用いることができる。コア層５の有効屈折率は、下部クラッド層３及び上部クラッド層６の屈折率よりも高い。

次に、図２（Ａ）〜図２（Ｄ）を参照して、第１の実施例による光学装置の製造方法について説明する。

図２（Ａ）に示すように、主面に（００１）面が露出したＳＴＯからなる下地基板１を準備する。下地基板１の主面上にＰｔからなる厚さ２００ｎｍの下部電極２を形成する。下部電極２は、ターゲットとしてＰｔを用い、スパッタガスとしてＡｒを用いたスパッタリングにより形成することができる。下部電極２を構成するＰｔは、その（００１）面が下地基板１の主面に平行になるように配向する。なお、下部電極２は、ＳＲＯ等の導電性酸化物で形成してもよい。この場合には、ターゲットとしてＳＲＯ焼結体を用い、スパッタガスとしてＡｒとＯ_２とを用いる。

下部電極２の上に、ＭｇＯからなる厚さ２μｍの下部クラッド層３を形成する。下部クラッド層３は、ターゲットとしてＭｇＯ焼結体を用い、スパッタガスとしてＡｒとＯ_２とを用いたスパッタリングにより形成することができる。

下部クラッド層３の上に、厚さ０．７μｍのレジスト鋳型４０を形成する。レジスト鋳型４０は、電子ビーム露光用のレジスト材料を塗布し、電子ビーム直接描画による露光工程、及び現像工程を経て形成される。フォトニック結晶領域３０内においては、レジスト鋳型４０は、２次元方向に周期的に、かつ島状に分布する凸部で構成される。この凸部の形状及び位置は、図１（Ａ）に示した周期分布領域３２の形状及び位置に対応する。入射側導波路領域１０内においては、レジスト鋳型４０は、図１（Ａ）に示した充填材層１２の形状を有する。出射側導波路領域２０内には、レジスト鋳型４０は配置されていない。

図２（Ｂ）に示すように、下部クラッド層３の上に、ＰＬＺＴ前駆体溶液を塗布し、レジスト鋳型４０の隙間を前駆体溶液で充填する。前駆体溶液を乾燥させることにより、ＰＬＺＴ前駆体からなる厚さ０．７μｍの層４１ａが得られる。

図２（Ｃ）に示すように、レジスト鋳型４０を除去し、ＰＬＺＴ前駆体を焼成することにより、ＰＬＺＴの単結晶からなる強誘電体層４１を得る。強誘電体層４１の厚さは０．５μｍになる。強誘電体層４１は、入射側導波路領域１０内においては、図１（Ｂ）に示した光導波路１１を構成し、出射側導波路領域２０内においては、図１（Ｂ）に示したスラブ導波路１３を構成し、フォトニック結晶領域３０内においては、図１（Ｂ）に示した背景媒質層３１を構成する。背景媒質層３１には、図１（Ａ）に示した周期分布領域３２に対応する穴が形成されている。光導波路１１を形成するＰＬＺＴと背景媒質層３１を形成するＰＬＺＴとは、結晶学的に連続している。

図２（Ｄ）に示すように、強誘電体層４１の隙間にフッ素化ポリイミド等の誘電体からなる充填材を、ディップ法またはスピンコーティング法等により充填する。余分な部分の充填材を、化学機械研磨（ＣＭＰ）により取り除く。これにより、フォトニック結晶領域３０の周期分布領域３２内に誘電体部材が充填され、入射側導波路領域１０内に充填材層１２が形成される。ＣＭＰを行っているため、強誘電体層４１、周期分布領域３２内の誘電体部材、及び充填材層１２の上面の高さが揃い、上面はほぼ平坦になる。強誘電体層４１、周期分布領域３２内の誘電体部材、及び充填材層１２が、コア層５を構成する。

図１（Ｂ）に示すように、コア層５の上に、ＭｇＯからなる上部クラッド層６、及びＰｔまたはＳＲＯからなる上部電極７を、スパッタリングにより形成する。上部電極７は、フォトニック結晶領域３０内にのみ配置される。上部電極７のパターニングは、フォトレジストを用いたリフトオフ法により行われる。

上記第１の実施例では、図１（Ａ）に示したように、周期分布領域３２が、三角格子パターンの格子点に相当する位置に配置されているが、その他の周期的パターンを採用することも可能である。例えば、正方格子や六角格子の格子点に相当する位置に周期分布領域３２を配置してもよい。また、周期分布領域３２を、１次元方向に周期的に配列させてもよい。

周期的な格子パターンのある１つの格子点から、それに最近接の格子点に向かうベクトルを第１ベクトルと呼び、２番目に近い格子点に向かうベクトルを第２ベクトルと呼ぶこととする。三角格子の場合には、１つの格子点について、第１ベクトル及び第２ベクトルが、それぞれ６本存在する。第１ベクトル同士のなす最小角は６０°であり、第１ベクトルと第２ベクトルとのなす最小角は３０°である。正方格子の場合には、１つの格子点について、第１ベクトル及び第２ベクトルが、それぞれ４本存在する。第１ベクトル同士のなす最小角は９０°であり、第１ベクトルと第２ベクトルとのなす最小角は４５°である。図１（Ａ）において、光導波路１１が、フォトニック結晶３３の第１ベクトル及び第２ベクトルのいずれとも直交しないように配置されている。

上記第１の実施例では、フォトニック結晶領域３０内のコア層５がフォトニック結晶３３を構成する。フォトニック結晶３３内のフォトニックバンド構造は、強誘電体からなる背景媒質層３１及び周期分布領域３２の屈折率、周期分布領域３２の大きさ及び配列周期に依存する。下部電極２と上部電極７との間に電圧を印加すると、背景媒質層３１の屈折率が変化する。これにより、フォトニックバンド構造が変化する。

フォトニックバンドのバンド端近傍の波長の光が光導波路１１を伝搬し、フォトニック結晶３３に入射すると、フォトニック結晶３３の端面で屈折する。光導波路１１が、フォトニック結晶３３の第１ベクトル及び第２ベクトルのいずれとも直交しない場合、フォトニックバンド構造が変化すると、屈折角が大きく変化する。下部電極２と上部電極７との間に電圧を印加することにより、フォトニック結晶３３内に入射した光の進行方向を変化させることができる。これにより、フォトニック結晶３３に入射した光が、出射側のスラブ導波路１３に到達する状態と、スラブ導波路１３に到達しない状態とを切り替えることができる。これにより、光スイッチが実現される。

上記第１の実施例では、強誘電体材料としてＰＬＺＴを用いたが、他の強誘電体材料を用いてもよい。例えば、正方晶系のＫＨ_２ＰＯ_４（ＫＤＰ：Potassium Dihydrogen Phosphate）、イルメナイト系のＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＴａＯ_３、ペロブスカイト系のＢａＴｉＯ_３、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３（ＰＺＴ）、（Ｐｂ，Ｌａ）ＴｉＯ_３（ＰＬＴ）、タングステンブロンズ系の（Ｓｒ，Ｂａ）Ｎｂ_２Ｏ_６（ＳＢＮ）等を用いることができる。

上記第１の実施例では、（００１）面を主面とするＳＴＯ基板を用いたが、（１１１）面や（１１０）面を主面とする基板を用いてもよい。この場合には、強誘電体層を形成する強誘電体結晶は、その（１１１）面や（１１０）面が基板の主面と平行になるように配向する。

また、上記第１の実施例では、ドライエッチング工程を経ることなく、光の波長程度の寸法の微細なパターンが形成された強誘電体層を形成することができる。

上記第１の実施例では、周期分布領域３２をフッ素化ポリイミドで形成したが、背景媒質層３１を形成する強誘電体材料とは屈折率の異なるその他の誘電体材料または半導体材料で形成してもよい。使用できる低屈折率材料の例として、ＳｉＯ_２、ＭｇＯ等が挙げられ、高屈折率材料の例として、Ｓｉ、ＧａＡｓ等が挙げられる。

また、上記第１の実施例では、出射側導波路としてスラブ導波路を採用したが、通常の直線状の導波路を採用してもよい。

また、上記第１の実施例では、フォトニック結晶３３の背景媒質層３１を強誘電体材料で形成し、周期分布領域３２内に、強誘電体よりも屈折率の小さな誘電体材料を充填したしたが、その逆にしてもよい。すなわち、周期分布領域３２内に強誘電体材料を充填し、背景媒質層３１を、強誘電体とは屈折率の異なる誘電体材料または半導体材料で形成してもよい。

図３に、第２の実施例による光学装置の断面図を示す。第２の実施例による光学装置は、図１（Ｂ）に示した第１の実施例による光学装置の下部クラッド層３と上部クラッド層６とを省いた構造を有する。第２の実施例では、下地基板１が下部クラッド層として作用し、コア層５の上方の大気が上部クラッド層として作用する。

次に、図４（Ａ）〜図４（Ｋ）を参照して、第３の実施例による光学装置の製造方法について説明する。第３の実施例による光学装置の平面形状は図１（Ａ）に示した第１の実施例による光学装置のそれと同一である。

図４（Ａ）に示すように、（００１）面を主面とするＳＴＯ下地基板１の主面上に、ＰｔまたはＳＲＯからなる下部電極２を形成する。下部電極２の上に、厚さ２μｍのレジスト鋳型４５を形成する。レジスト鋳型４５は、第１の実施例による光学装置の図２（Ａ）に示した製造工程で用いたレジスト鋳型４１と同一のパターンを有する。

図４（Ｂ）に示すように、レジスト鋳型４５の隙間に、ＳＴＯの前駆体溶液を、ディップ法またはスピンコート法を用いて充填し、乾燥させる。ＳＴＯの前駆体からなる層４６ａが形成される。

図４（Ｃ）に示すように、レジスト鋳型４５を除去し、焼成を行う。ＳＴＯからなる誘電体層４６が形成される。ＳＴＯは、その（００１）面が下地基板１の主面に平行になるように配向している。誘電体層４６は、図１（Ａ）の周期分布領域３２及び充填材層１２に対応する開口４６ｂを有する。

図４（Ｄ）に示すように、誘電体層４６の開口４６ｂ内に充填されたレジスト鋳型４７を形成する。レジスト鋳型４７の厚さは２．５μｍである。すなわち、レジスト鋳型４７は、開口４６ｂ内に充填されるとともに、誘電体層４６の上面よりも上方まで突出する。突出した部分の高さは０．５μｍである。レジスト鋳型４７は、電子ビーム露光用レジストの塗布、電子ビーム直接描画、及び現像の工程を経て形成される。レジスト塗布後の表面が凹凸を有する場合には、露光前にレジスト膜を研磨して、表面の平坦化を行うことが好ましい。

図４（Ｅ）に示すように、ＰＬＺＴ前駆体溶液を塗布して、レジスト鋳型４７の隙間に充填し、乾燥させる。ＰＬＺＴの前駆体からなる層４８ａが形成される。

図４（Ｆ）に示すように、レジスト鋳型４７を除去し、焼成を行う。誘電体層４６の上に、誘電体層４６と同一パターンを有する強誘電体層４８が形成される。強誘電体層４８を形成するＰＬＺＴは、その（００１）面が下地基板１の主面に平行になるように配向している。

図４（Ｇ）に示すように、誘電体層４６及び強誘電体層４７の開口内に充填されたレジスト鋳型５０を形成する。レジスト鋳型５０の厚さは４．５μｍである。すなわち、レジスト鋳型５０は、開口内に充填されるとともに、強誘電体層４８の上面よりも上方まで突出する。突出した部分の高さは２μｍである。レジスト鋳型４７は、図４（Ｆ）に示したレジスト鋳型４８と同様の方法で形成される。

図４（Ｈ）に示すように、レジスト鋳型５０の隙間に、ＳＴＯの前駆体溶液を、ディップ法またはスピンコート法を用いて充填し、乾燥させる。ＳＴＯの前駆体からなる層５１ａが形成される。

図４（Ｉ）に示すように、レジスト鋳型５０を除去し、焼成を行う。ＳＴＯからなる誘電体層５１が形成される。ＳＴＯは、その（００１）面が下地基板１の主面に平行になるように配向している。誘電体層５１は、その下の強誘電体層４８及び誘電体層４６と同一のパターンを有する。

図４（Ｊ）に示すように、下側の誘電体層４６から上側の誘電体層４８までの３層に形成されている開口内に、フッ素化ポリイミドからなる充填材５３を、スピンコート法により充填する。

図４（Ｋ）に示すように、誘電体層５１の上に、Ｐｔ等の上部電極７を形成する。上部電極７は、フォトニック結晶領域３０内にのみ配置される。

第３の実施例では、下側の誘電体層４６、及びその開口内に充填されている充填材５３が、下部クラッド層３を構成する。上側の誘電体層５１、及びその開口内に充填されている充填材５３が、上部クラッド層６を構成する。強誘電体層４８、及びその開口内に充填されている充填材５３が、コア層５を構成する。下部クラッド層３及び上部クラッド層６の有効屈折率は、コア層５の有効屈折率よりも小さい。

第３の実施例による光学装置においては、フォトニック結晶の上下に配置された下部クラッド層３及び上部クラッド層６も、フォトニック結晶と同一パターンの周期構造を有する。コア層５内を伝搬する光の一部は、上下のクラッド層３及び６内にも染み出している。クラッド層３及び６を、コア層５と同一パターンの周期構造とすることにより、より理想的なフォトニックバンド構造を得ることができる。

図５に、第４の実施例よる光学装置の断面図を示す。図４（Ｋ）に示した第３の実施例では、下部クラッド層３、コア層５、及び上部クラッド層６内の充填材５３が、同一の誘電体材料、具体的にはフッ素化ポリイミドで形成されていた。第４の実施例では、コア層５の開口内に充填された充填材５３Ｂが、下部クラッド層３及び上部クラッド層６の開口内に充填された充填材５３Ａ及び５３Ｃとは異なり、充填材５３Ｂの屈折率が、充填材５３Ａ及び５３Ｃの屈折率より高い。コア層３の充填材５３Ｂは、例えばフッ素化ポリイミドであり、クラッド層３及び６内の充填材５３Ａ及び５３Ｃは、例えばシリカである。

第４の実施例による充填材５３Ａ〜５３Ｃの充填方法について説明する。第３の実施例による光学装置の製造途中である図４（Ｉ）の状態において、下側の誘電体層４６の開口内に、スパッタリングによりシリカからなる充填材５３Ａを充填する。充填材５３Ａの厚さは、誘電体層４６の厚さと同一である。上側の誘電体層５１の上面に付着したシリカ層をＣＭＰにより除去する。

強誘電体層４８の開口内に、フッ素化ポリイミドからなる充填材５３Ｂを、スピンコート法により充填する。充填材５３Ｂの厚さは、強誘電体層４８の厚さと等しい。上側の誘電体層５１の上面に付着したフッ素化ポリイミド層をＣＭＰにより除去する。

上側の誘電体層５１の開口内に、スパッタリングによりシリカからなる充填材５３Ｃを充填する。充填材５３Ｃの厚さは、誘電体層５１の厚さと同一である。上側の誘電体層５１の上面に付着したシリカ層をＣＭＰにより除去する。

第４の実施例による光学装置では、下部クラッド層３及び上部クラッド層６の実効屈折率と、コア層５の実効屈折率との差が、第３の実施例による光学装置のそれよりも大きい。このため、コア層５への光の閉じ込め効果が大きくなる。

充填材５３Ａ〜５３Ｃの材料として、他の誘電体を用いてもよい。このとき、コア層５の充填材５３Ｂの屈折率が、クラッド層３及び６の充填材５３Ａ及び５３Ｃの屈折率よりも大きくなるように、誘電体材料を選択する。

次に、図６（Ａ）〜図６（Ｅ）を参照して、第５の実施例による光学装置の製造方法について説明する。

図６（Ａ）に示すように、下地基板１の主面上に下部電極２を形成する。下地基板１及び下部電極２の構成は、図２（Ａ）に示した第１の実施例のものと同一である。下部電極２の上に、厚さ６．３μｍのレジスト鋳型５５を形成する。レジスト鋳型５５は、図２（Ａ）に示した第１の実施例による光学装置の製造工程で用いたレジスト鋳型４０のフォトニック結晶領域３０内の平面パターンと同一のパターンを有する。

図６（Ｂ）に示すように、レジスト鋳型５５の隙間に、ＰＬＺＴの前駆体溶液を充填し、乾燥させる。ＰＬＺＴの前駆体からなる厚さ６．３μｍの層５６ａが形成される。

図６（Ｃ）に示すように、レジスト鋳型５５を除去し、焼成を行う。ＰＬＺＴからなる厚さ４．５μｍの強誘電体層５６が形成される。焼成時にクラックが発生する場合には、レジスト鋳型５５をもっと薄くして、鋳型の形成、前駆体溶液の充填、鋳型の除去、及び焼成の工程を、３〜４回に分けて行えばよい。

図６（Ｄ）に示すように、強誘電体層５６の開口内に、下地基板１側から順番に、下部充填材５８Ａ、中央部充填材５８Ｂ、及び上部充填材５８Ｃを充填する。下部充填材５８Ａの厚さは２μｍ、中央部充填材５８Ｂの厚さは０．５μｍ、上部充填材５８Ｃの厚さは２μｍである。これらの充填材は、図５に示した第４の実施例による光学装置の充填材５３Ａ〜５３Ｃの充填方法と同様の方法で充填される。

図６（Ｅ）に示すように、強誘電体層６の上に上部電極７を形成する。上部電極７は、フォトニック結晶領域３０内にのみ配置される。

図６（Ｆ）に示すように、入射側導波路領域１０及び出射側導波路領域２０内の強誘電体層５６を除去する。フォトニック結晶領域３０内に、強誘電体層５６、及び充填材５８Ａ〜５８Ｃが残る。下部充填材５８Ａ、及びそれと同じ高さに位置する強誘電体層５６の厚さ部分が、下部クラッド層３を構成する。中央部充填材５８Ｂ、及びそれと同じ高さに位置する強誘電体層５６の厚さ部分が、コア層５を構成する。上部充填材５８Ｃ、及びそれと同じ高さに位置する強誘電体層５６の厚さ部分が、上部クラッド層６を構成する。

入射側導波路領域１０及び出射側導波路領域２０にそれぞれ光導波路を形成することにより、コア層５に光を導入し、コア層５を通過した光を受けることができる。

第５の実施例の場合にも、コア層５の実効屈折率は、下部クラッド層３及び上部クラッド層６の実効屈折率よりも高い。

上記第２〜第５の実施例による光学装置においても、第１の実施例の場合と同様に、フォトニック結晶領域３０内のコア層５がフォトニック結晶として機能し、光スイッチが実現される。

図７（Ａ）に、第６の実施例による光学装置の平面図を示し、図７（Ｂ）に、図７（Ａ）の一点鎖線Ｂ７−Ｂ７における断面図を示す。

図７（Ａ）に示すように、第１の光チャネル導波路６０と第２の光チャネル導波路６１とが交差している。図７（Ａ）において、第１の光チャネル導波路６０の、交差箇所よりも左側の部分を第１の入射側光導波路６０ａと呼び、右側の部分を第１の出射側光導波路６０ｂと呼ぶこととする。同様に、第２の光チャネル導波路６１の、交差箇所よりも左側の部分を第２の入射側光導波路６１ａと呼び、右側の部分を第２の出射側光導波路６１ｂと呼ぶこととする。第１の光チャネル導波路６０と第２の光チャネル導波路６１との交差箇所にフォトニック結晶３３が配置されている。

図７（Ｂ）に示すように、ＳＴＯからなる支持基板１の上に、Ｐｔ等の金属またはＳＲＯ等の導電性酸化物からなる厚さ０．２μｍの下部電極２が形成されている。下部電極２の上に、下部クラッド層３、コア層５、上部クラッド層６がこの順番に積層されている。下部クラッド層３及び上部クラッド層６は、コア層５の有効屈折率よりも小さな屈折率を有する材料、例えばＭｇＯ、Ａｌ_２Ｏ_３等で形成され、その厚さは２μｍである。

コア層５は、背景媒質層３１及び周期分布領域３２で構成される。背景媒質層３１は、例えばＰＬＺＴ等の強誘電体材料で形成される。なお、ＰＬＺＴ以外に、電界の印加によって屈折率が変化する誘電体（電気光学効果を示す材料）、例えば、正方晶系のＫＨ_２ＰＯ_４（ＫＤＰ）、イルメナイト系のＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＴａＯ_３、ＫＮｂＯ_３、ペロブスカイト系のＢａＴｉＯ_３、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３（ＰＺＴ）、（Ｐｂ，Ｌａ）ＴｉＯ_３（ＰＬＴ）、タングステンブロンズ系の（Ｓｒ，Ｂａ）Ｎｂ_２Ｏ_６（ＳＢＮ）等を用いることができる。

周期分布領域３２は、平面視において２次元方向に周期的に分布し、背景媒質層３１を貫通する貫通孔内に充填されたフッ素化ポリイミド等の誘電体材料で形成される。一例として、周期分布領域３２は、正方格子の格子点の位置に配置される。フッ素化ポリイミドの他に、背景媒質層３１とは屈折率の異なる材料、例えばシリカ等を用いることも可能である。周期分布領域３２が分布する領域が、フォトニック結晶３３を構成する。コア層５の厚さは、例えば３μｍである。

下部クラッド層３、コア層５、及び上部クラッド層６の３層は、図７（Ａ）に示した第１の導波路６０及び第２の導波路６１の平面形状と同一の平面形状にパターニングされている。

上部クラッド層６の上面のうち、フォトニック結晶３３の上方の領域に、上部電極７が形成されている。上部電極７は、Ｐｔ等の金属またはＳＲＯ等の導電性酸化物で形成され、その厚さは、例えば０．２μｍである。

次に、図８（Ａ）〜図８（Ｉ）を参照して、第６の実施例による光学装置の製造方法について説明する。

図８（Ａ）に示すように、支持基板１の上に、スパッタリング、パルスレーザデポジション（ＰＬＤ）等により下部電極２を形成する。下部電極２の上に、スパッタリング、ＰＬＤ等により下部クラッド層３を形成する。下部電極２及び下部クラッド層３は、支持基板１の面方位に揃うようにエピタキシャル成長させてもよい。

下部クラッド層３の上に、厚さ１μｍのレジスト鋳型６５ａを形成する。レジスト鋳型６５ａは、電子ビーム露光用レジスト剤を塗布した後、電子ビーム直接描画及び現像を行うことにより形成される。レジスト鋳型６５ａは、図７（Ｂ）に示したフォトニック結晶３３の周期分布領域３２と同一の平面パターンを有する。

図８（Ｂ）に示すように、下部クラッド層３の表面に、ＰＬＺＴ前駆体溶液を塗布し、乾燥させることにより、厚さ１μｍの前駆体層３１ａを形成する。

図８（Ｃ）に示すように、レジスト鋳型６５ａを、化学溶液を用いて除去する。前駆体層３１ａを焼成することにより、厚さ０．７μｍのＰＬＺＴ層３１ｂが得られる。レジスト鋳型６５ａが形成されていた領域に、ＰＬＺＴ層３１ｂを貫通する貫通孔が配置される。

図８（Ｄ）に示すように、レジスト鋳型６５ｂを形成する。レジスト鋳型６５ｂは、ＰＬＺＴ層３１ｂに形成されている貫通孔内に充填され、かつＰＬＺＴ層３１ｂの上面よりも上方に突出する。ＰＬＺＴ層３１ｂの上面から突出した部分の高さは１μｍである。

図８（Ｅ）に示すように、ＰＬＺＴ層３１ｂの表面に、ＰＬＺＴ前駆体溶液を塗布し、乾燥させることにより、前駆体層３１ｃを形成する。レジスト鋳型６５ｂを除去し、前駆体層３１ｃを焼成することにより、ＰＬＺＴ層を得る。ここまでの工程で、厚さ１．４μｍのＰＬＺＴ層が得られる。この工程を繰り返すことにより、図８（Ｆ）に示すように、ＰＬＺＴからなる厚さ３μｍの背景媒質層３１を形成する。背景媒質層３１には、図７（Ｂ）に示した周期分布領域３２に整合する貫通孔が形成されている。

図８（Ｇ）に示すように、フッ素化ポリイミド樹脂を、ディップ法またはスピンコート法により塗布し、余分な部分のフッ素化ポリイミド樹脂を化学機械研磨（ＣＭＰ）して取り除く。これにより、フッ素化ポリイミドからなる周期分布領域３２が形成される。ＣＭＰにより、背景媒質層３１と周期分布領域３２とからなるコア層５の上面が平坦になる。

図８（Ｈ）に示すように、スパッタリング、ＰＬＤ等により上部クラッド層６を形成する。図８（Ｉ）に示すように、下部クラッド層３、コア層５、及び上部クラッド層６の３層を、図７（Ａ）に示した第１の光チャネル導波路６０及び第２の光チャネル導波路６１の平面形状になるようにパターニングする。この３層のエッチングは、ＣＦ_４やＳＦ_６を用いたドライエッチングにより行うことができる。

次に、メタルスルーマスクを配置してスパッタリングまたはＰＬＤにより、図７（Ａ）及び図７（Ｂ）に示した上部電極７を形成する。下部電極２及び上部電極７は、ワイヤボンディング等により制御基板に接続される。

上記方法で作製される光学装置においては、フォトニック結晶３３の背景媒質層３１と、第１及び第２の光チャネル導波路６０及び６１のコア層とが、同一の強誘電体材料で形成される。両者を異なる材料で形成することも可能である。この場合には、まず、光導波路の形成に先立ち、下部クラッド層３の一部の領域上に、フォトニック結晶３３のみを形成する。その後、光導波路のコア層の材料を塗布し、ＣＭＰで平坦化する。このコア層をパターニングすることにより、第１及び第２の光チャネル導波路６０及び６１を形成する。その後、上部クラッド層６及び上部電極７を形成する。

図７（Ａ）及び図７（Ｂ）では、周期分布領域３２を２次元面内に周期的に分布させたが、他の周期構造としてもよい。例えば、多層膜反射鏡を、各層の界面が基板表面に垂直になるように形成した１次元周期構造としてもよい。また、インバースオパール法等を用いて３次元周期構造としてもよい。インバースオパール法では、３次元的に自己配列したポリスチレン等の微小球の間の空隙に強誘電体を埋め込んだ後、この微小球を蒸発させるか、または選択エッチングすることにより、３次元周期構造が形成される。

次に、図９（Ａ）及び図９（Ｂ）を参照して、第６の実施例による光学装置を用いた光クロスコネクトの動作について説明する。フォトニック結晶３３は、電界が印加されていない状態の時に、第１の入射側光チャネル導波路６０ａから入射する波長λ１の光の伝搬を禁止し、電界が印加されている状態のとき、波長λ１の光の伝搬を許容する。

図９（Ａ）に示すように、波長λ１の光信号が、第１の入射側光チャネル導波路６０ａに沿って伝搬し、フォトニック結晶３３に入射する。フォトニック結晶３３に電界が印加されていない状態の時、光信号はフォトニック結晶３３で反射され、第２の出射側光チャネル導波路６１ｂに出力される。

図９（Ｂ）に示すように、フォトニック結晶３３に電界が印加されると、第１の入射側光チャネル導波路６０ａに沿って伝搬した光信号は、フォトニック結晶３３を通過し、第１の出射側光チャネル導波路６０ｂに出力される。

このように、フォトニック結晶３３に印加する電界を制御することにより、光信号の出力先の導波路を切り替えることができる。なお、フォトニック結晶３３が、電界印加状態の時に波長λ１の光の伝搬を禁止し、電界無印加状態の時に波長λ１の光の伝搬を許容するようにしてもよい。

光クロスコネクトとして動作させる場合には、第２の入射側光チャネル導波路６１ａは省略してもよい。この場合、第２の出射側光チャネル導波路６１ｂが、その端部において第１の光チャネル導波路６０の端部以外の位置に接続される。この接続箇所に、フォトニック結晶３３を配置すればよい。

次に、図１０及び図１１を参照して、印加する電界と、フォトニックバンドギャップの変動量との関係について説明する。

図１０（Ａ）に示すような正方格子状の２次元周期構造を持ったフォトニック結晶について考察する。格子点に配置された円柱状の周期分布領域の半径をｒ、配列の周期をａ、屈折率を１．４とし、その周囲のＰＬＺＴからなる背景媒質層の屈折率を２．５とする。ｒ／ａ＝０．３３の場合のＴＥモードの光の伝搬についてシミュレーションを行った。

図１０（Ｂ）に、正方格子の逆格子空間を示す。ブリルアンゾーンの主要な点Γ、Ｘ、及びＭを頂点とする三角形が、既約ブリルアンゾーンと呼ばれる逆格子の最小ユニットである。

図１０（Ｃ）に、フォトニックバンド構造を示す。横軸は、ブリルアンゾーンの主要な点Γ、Ｘ、及びＭを結ぶ線に対応する波数ベクトルを表し、縦軸は規格化周波数（ａ／λ）を表す。ここで、λは波長を示す。最も下のフォトニックバンドと、下から２番目のフォトニックバンドとは、全波数領域において分離しており、いずれの方向から入射する光に対しても、フォトニックバンドギャップが形成されることがわかる。フォトニックバンドギャップ内の波長の光がフォトニック結晶に入射すると、フォトニック結晶により反射される。

図１１に、電界を印加することによるフォトニックバンド構造の変化を示す。図１１においては、図１０（Ｃ）に示したフォトニックバンド構造の最も下のバンドと、下から２番目のバンドとを示している。電界を印加すると、ＰＬＺＴの屈折率が変化する。本シミュレーションでは、G. H. Haertling et al., J. Am. Ceram. Soc. 54 1 (1971)に開示されているＰＬＺＴ（９／６５／３５）の屈折率変化を参照した。

図１１に示した実線が、電界無印加時におけるバンドを示し、破線が、３０ｋＶ／ｃｍの電界を印加した時のバンドを示す。電界の印加により、バンド構造が変化していることがわかる。これは、電界の印加によりＰＬＺＴからなる背景媒質層の屈折率が変化するためである。フォトニック結晶に入射する光の進行方向が、Ｘ点とＭ点とのほぼ中央の波数ｋ_ｉに相当する場合について考える。波数ｋ_ｉの縦線と最も下のバンドとの交点Ｐと、波数ｋ_ｉの縦線と下から２番目のバンドとの交点Ｑとの間が、フォトニックバンドギャップに相当する。

図１２に、電界無印加時、及び３０ｋＶ／ｃｍの電界を印加した時の、波数ｋ_ｉにおける最も下、及び下から２番目のバンドの規格化周波数と波長とを示す。正方格子の周期ａを４６０ｎｍとした。電圧無印加時には、波長１５６２．４０４ｎｍ〜１７６７．１１７ｎｍｎ光が、フォトニック結晶内を伝搬することができない。３０ｋＶ／ｃｍの電界を印加すると、伝搬することのできない波長の範囲が、１５３５．５１９ｎｍ〜１７２７．７００ｎｍに変化する。このように、フォトニックバンドギャップの下端及び上端を、３０〜４０ｎｍ程度変動させることができる。これは、例えば、波長１５５０ｎｍ近傍の光信号の波長多重を行う場合に、４０ｎｍ程度の波長チューニングを行うことができることを意味する。

次に、図１３（Ａ）及び図１３（Ｂ）を参照して、第６の実施例による光学装置を用いたアドドロップ装置の動作について説明する。フォトニック結晶３３は、電界が印加されていない状態の時、第１及び第２の入射側光チャネル導波路６０ａ及び６１ａから入射する波長λ１の光の伝搬を禁止し、波長λ２の光の伝搬を許容する。図１３（Ａ）及び図１３（Ｂ）に示したアドドロップ装置においては、フォトニック結晶３３に電界が印加されない状態で使用される。

図１３（Ａ）に示すように、第１の入射側光チャネル導波路６０ａに沿って波長λ１の光信号が伝搬し、第２の入射側光チャネル導波路６１ａに沿って波長λ２の光信号が伝搬する。波長λ１の光信号は、フォトニック結晶３３で反射され、第２の出射側光チャネル導波路６１ｂに出力される。波長λ２の光信号は、フォトニック結晶３３を通過して、第２の出射側光チャネル導波路６１ｂに出力される。このように、波長λ１及びλ２の波長の異なる光信号を、第２の出射側光チャネル導波路６１ｂ内に合波することができる。

図１３（Ｂ）に示すように、第１の入射側光チャネル導波路６０ａに沿って、波長λ１及びλ２の２つの光信号が伝搬する。波長λ１の光信号は、フォトニック結晶３３で反射され、第２の出射側光チャネル導波路６１ｂに出力される。波長λ２の光信号は、フォトニック結晶３３を通過し、第１の出射側光チャネル導波路６０ｂに出力される。このように、波長λ１及びλ２の光信号を分波することができる。

上述のように、第６の実施例による光学装置は、アドドロップ装置として動作する。この場合、電界を印加する必要が無いため、図７（Ｂ）に示した下部電極２及び上部電極７を省略することができる。

次に、図１４（Ａ）及び図１４（Ｂ）を参照して、第６の実施例による光学装置を用いた動的アドドロップ装置の動作について説明する。フォトニック結晶３３は、電界が印加されていない状態の時、波長λ１及びλ２の光の伝搬を許容する。電界を印加した状態の時、波長λ１の光の伝搬を禁止し、波長λ２の光の伝搬を許容する。

図１４（Ａ）に示すように、電界が印加されていない状態の時、第１の入射側光チャネル導波路６０ａに沿って伝搬する波長λ１の光信号は、フォトニック結晶３３を通過し、第１の出射側光チャネル導波路６０ｂに出力される。第２の入射側光チャネル導波路６１ａに沿って伝搬する波長λ２の光信号は、フォトニック結晶３３を通過し、第２の出射側光チャネル導波路６１ｂに出力される。

図１４（Ｂ）に示すように、電界を印加すると、波長λ１の光信号がフォトニック結晶３３で反射され、第２の出射側光チャネル導波路６１ｂに出力される。電界が印加されても、波長λ２の光信号はフォトニック結晶３３を通過し、第２の出射側光チャネル導波路６１ｂに出力される。このように、２つの光信号を合波させる状態と、合波させない状態とを、動的に切り替えることができる。同様に、波長多重された光信号が分波される状態と、分波されない状態とを切り替えることができる。

図１５に、第６の実施例による光学装置をマトリクス状に多段接続した光回路を示す。相互に交差しない４本の光チャネル導波路７０ａ〜７０ｄが、基板上に配置され、第１の導波路群７０を構成している。同様に、相互に交差しない４本の光チャネル導波路７１ａ〜７１ｄが、基板上に配置され、第２の導波路群７１を構成している。第１の導波路群７０の光チャネル導波路７０ａ〜７０ｄの各々が、第２の導波路群７１の光チャネル導波路７１ａ〜７１ｄと交差する。１６個の交差箇所の各々に、第６の実施例による光学装置７２が配置されている。

光信号の入力端から延びる第１の導波路群７０の各チャネル光導波路７０ａ〜７０ｄは、第２の導波路群７１の光チャネル導波路７１ａ〜７１ｄを、この順番に横切る。また、第２の導波路群７１の各光チャネル導波路７１ａ〜７１ｄは、第１の導波路群７０の光チャネル導波路７０ａ〜７０ｄをこの順番に横切って出力端まで延びる。光学装置７２が、第１の導波路群７０の光チャネル導波路から入射する光信号を反射する状態に設定されている時、反射した光信号は、第２の導波路群７１の対応する光チャネル導波路に出力される。

例えば、第１の導波路群７０の光チャネル導波路７０ａから光信号が入射する場合を考える。光チャネル導波路７０ａ上に配置された４つの光学装置７２の１つを反射状態にし、他の３つの光学装置７２を透過状態にする。このとき、反射状態にされた光学装置７２に接続された第２の導波路群７１の光チャネル導波路に光信号が出力される。同様に、第１の導波路群の他の光チャネル導波路７０ｂ〜７０ｄを伝搬する光信号も、第２の導波路群７１の任意の光チャネル導波路に出力させることができる。

次に、第１の導波路群７０の光チャネル導波路７０ａに、波長λ１〜λ４の４つの光が多重された光信号が入力された場合を考える。光チャネル導波路７０ａと第２の導波路群７１の光チャネル導波路７１ａとの交差箇所に配置された光学装置７２が、波長λ１の光を反射し、波長λ２〜λ４の光を透過させるように設定されている。光信号入力側の光チャネル導波路７０ａと第２の導波路群７１の光チャネル導波路７１ｂとの交差箇所に配置された光学装置７２が、波長λ２の光を反射し、波長λ３及びλ４の光を透過させるように設定されている。光信号入力側の光チャネル導波路７０ａと第２の導波路群７１の光チャネル導波路７１ｃとの交差箇所に配置された光学装置７２が、波長λ３の光を反射し、波長λ４の光を透過させるように設定されている。光信号入力側の光チャネル導波路７０ａと第２の導波路群７１の光チャネル導波路７１ｄとの交差箇所に配置された光学装置７２が、波長λ４の光を反射するように設定されている。

このとき、波長λ１の光信号が第２の導波路群７１の光チャネル導波路７１ａに出力され、波長λ２の光信号が第２の導波路群７１の光チャネル導波路７１ｂに出力され、波長λ３の光信号が第２の導波路群７１の光チャネル導波路７１ｃに出力され、波長λ４の光信号が第２の導波路群７１の光チャネル導波路７１ｄに出力される。このように、波長多重された光信号を、波長ごとに分波することができる。同様に、複数の波長が多重化された光信号から、一つの波長の光信号を分離（ドロップ）することも可能である。

逆に、第１の導波路群７０の光チャネル導波路７０ａ〜７０ｄに、それぞれ波長λ１〜λ４の光信号が入力される場合を考える。光チャネル導波路７０ａと第２の導波路群７１の光チャネル導波路７１ａとの交差箇所に配置された光学装置７２が、波長λ１の光を反射し、波長λ２〜λ４の光を透過させるように設定されている。第２の導波路群７０の光チャネル導波路７０ｂと第２の導波路群７１の光チャネル導波路７１ａとの交差箇所に配置された光学装置７２が、波長λ２の光を反射し、波長λ３及びλ４の光を透過させるように設定されている。第１の導波路群７０の光チャネル導波路７０ｃと第２の導波路群７１の光チャネル導波路７１ａとの交差箇所に配置された光学装置７２が、波長λ３の光を反射し、波長λ４の光を透過させるように設定されている。第１の導波路群７０の光チャネル導波路７０ｄと第２の導波路群７１の光チャネル導波路７１ａとの交差箇所に配置された光学装置７２が、波長λ４の光を反射するように設定されている。

このとき、波長λ１〜λ４のすべての光信号が、第２の導波路群の光チャネル導波路７１ａに出力される。このように、波長の異なる４つの光信号を合波することができる。同様に、複数の波長が多重化された光信号に、さらにもう一つ別の波長の光信号を合波（アド）することができる。

なお、光信号が入射する第１の導波路群及び光信号が出力される第２の導波路群の各々の導波路の数は４本に限らない。２本及び３本でもよいし、５本以上でもよい。

上述のように、格子状に配置された光導波路の交差箇所に、第６の実施例による光学装置を配置することにより、小型の光信号アドドロップ装置を得ることができる。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

上記実施例から、以下の付記に示す発明が導出される。

（付記１） 強誘電体材料からなる第１の層、及び該第１の層内に１次元または２次元方向に周期的に分布し、該第１の層とは屈折率の異なる媒質が充填された周期分布領域を含み、フォトニック結晶を構成するコア層と、
前記コア層内に電界を印加する電極と
を有する光機能素子。
（付記２） 前記第１の層を構成する強誘電体材料の（００１）面、（１１１）面、または（１１０）面が、該第１の層の表面に平行になるように、該強誘電体材料が配向している付記１に記載の光機能素子。

（付記３） さらに、前記コア層をその厚さ方向に挟むように配置され、該コア層の有効屈折率よりも小さな有効屈折率を有する一対のクラッド層を有する付記１または２に記載の光機能素子。
（付記４） 前記一対のクラッド層の一方が、前記コア層を支持する支持基板を兼ねる付記３に記載の光機能素子。

（付記５） 前記一対のクラッド層は、第２の層と、該第２の層内に１次元または２次元方向に周期的に分布し、該第１の層とは屈折率の異なる媒質が充填された周期分布領域とを含む付記３に記載の光機能素子。
（付記６） 前記クラッド層の周期分布領域の周期パターンは、前記コア層の周期分布領域の周期パターンと同一である付記３に記載の光機能素子。

（付記７） 前記クラッド層の周期分布領域内に充填された媒質は、前記コア層の周期分布領域内に充填された媒質と同一である付記６に記載の光機能素子。

（付記８） 前記第２の層は、前記第１の層と同一の材料で形成されている付記６に記載の光機能素子。

（付記９） 前記第２の層の屈折率は、前記第１の層の屈折率よりも小さく、前記クラッド層の周期分布領域に充填されている媒質の屈折率は、前記コア層の周期分布領域に充填されている媒質の屈折率よりも小さい付記６に記載の光機能素子。

（付記１０） 主表面を画定する支持基板と、
前記支持基板の主表面上に形成されたコア層であって、該コア層は、第１の層、及び該第１の層内に１次元または２次元方向に周期的に分布し、該第１の層とは屈折率の異なる媒質が充填された周期分布領域を含み、該第１の層及び該周期分布領域内の媒質の少なくとも一方は強誘電体であり、該第１の層と該周期分布領域とがフォトニック結晶を構成する前記コア層と、
前記コア層内に電界を印加する電極と、
前記支持基板の主表面上に形成され、前記コア層に、その端面から光を入射させる光導波路と
を有する光学装置。
（付記１１） 前記支持基板の主表面の法線に平行な視線で見たとき、前記フォトニック結晶の周期構造が格子パターンを有し、該格子パターンの一つの格子点から、該格子点に最近接の格子点に向かうベクトルを第１ベクトルとし、２番目に近い格子点に向かうベクトルを第２ベクトルとしたとき、前記光導波路が該第１ベクトル及び第２ベクトルのいずれとも直交しないように配置されている付記１０に記載の光学装置。
（付記１２） 前記光導波路と前記第１の層とは、同一の強誘電体材料で形成されており、該光導波路を形成する材料と、前記第１の層を形成する材料とは、結晶学的に連続している付記１０または１１に記載の光学装置。

（付記１３） （ａ）基板の表面上に、１次元または２次元方向に周期的に、かつ島状に分布した複数の凸部を含む第１の鋳型を形成する工程と、
（ｂ）前記基板上に、強誘電体材料の前駆体溶液を塗布して前記第１の鋳型の隙間を充填し、乾燥させて、強誘電体材料の前駆体からなる層を形成する工程と、
（ｃ）前記第１の鋳型を除去する工程と、
（ｄ）前記工程ｂで形成した前駆体からなる層を焼成して、前記第１の鋳型の凸部に対応する位置に穴を有する強誘電体層を形成する工程と
を有するフォトニック結晶の製造方法。
（付記１４） さらに、（ｅ）前記強誘電体層に形成された穴に、該強誘電体とは屈折率の異なる第１の充填材を充填する工程を有する付記１３に記載のフォトニック結晶の製造方法。
（付記１５） 前記工程ａの前に、
前記基板の表面上に、１次元または２次元方向に周期的に、かつ島状に分布する凸部を含む第２の鋳型を形成する工程と、
前記基板の上に、前記第２の鋳型の隙間を充填するように、前記強誘電体層よりも屈折率の小さな材料からなる第１の層を形成する工程と、
前記第２の鋳型を除去する工程と
を含み、
前記工程ａで形成される前記第１の鋳型の凸部は、前記第２の鋳型を除去することによって形成された穴を充填し、かつ前記第１の層の上面よりも上方に突き出ており、
前記工程ｄと工程ｅとの間に、さらに、
前記第１の鋳型を除去することによって形成された穴を充填し、かつ前記強誘電体層の上面よりも上方に突き出た凸部からなる第３の鋳型を形成する工程と、
前記強誘電体層の上に、前記第３の鋳型の隙間を充填するように、前記強誘電体層よりも屈折率の小さな材料からなる第２の層を形成する工程と、
前記第３の鋳型を除去する工程と
を含む付記１４に記載のフォトニック結晶の製造方法。
（付記１６） 前記工程ｅにおいて、前記第１の層の底面から、前記第２の層の上面までの部分を、前記第１の充填材で充填する付記１５に記載のフォトニック結晶の製造方法。

（付記１７） 前記工程ｅが、
前記第１の層に形成されている穴内に、前記第１の充填材よりも屈折率の小さな第２の充填材を充填する工程を含み、該工程ｅにおいて、前記第１の充填材を前記第２の充填材の上に堆積させ、さらに、該工程ｅが、前記第２の層に形成されている穴内に、前記第１の充填材よりも屈折率の低い第３の充填材を充填する工程を含む付記１４に記載のフォトニック結晶の製造方法。

（付記１８） さらに、前記工程ｄの後に、
前記強誘電体層に形成されている穴内の基板側の一部の領域に、第１の充填材を充填する工程と、
前記第１の充填材の上に、該第１の充填材よりも屈折率の高い第２の充填材を充填する工程と、
前記第２の充填材の上に、該第２の充填材よりも屈折率の低い第３の充填材を充填する工程と
を含む付記１３に記載のフォトニック結晶の製造方法。

（付記１９） 第１の光導波路と、
前記第１の光導波路の端部以外の位置に接続された第２の光導波路と、
前記第１の光導波路と第２の光導波路との接続箇所に配置されたフォトニック結晶と
を有する光学装置。
（付記２０） 前記フォトニック結晶のフォトニックバンドギャップ内の波長の光が前記第１の光導波路の一方の端部から前記フォトニック結晶に入射したとき、入射した光が該フォトニック結晶で反射されて前記第２の光導波路を伝搬するように、前記第１及び第２の光導波路、及び前記フォトニック結晶が配置されている付記１９に記載の光学装置。

（付記２１） さらに、前記フォトニック結晶に電界を印加する電極を有し、
前記フォトニック結晶は、電界の印加によって屈折率の変化する材料で形成された周期構造を含み、印加される電界の有無によって、第１の波長の光の伝搬を許容する透過状態と、該第１の波長の光の伝搬を禁止する反射状態とを示し、
前記フォトニック結晶が透過状態のとき、前記第１の光導波路を伝搬する光が該フォトニック結晶を透過して第１の光導波路を伝搬し、該フォトニック結晶が反射状態のとき、該第１の光導波路を伝搬する光が、フォトニック結晶で反射されて、前記第２の光導波路を伝搬するように、前記第１及び第２の光導波路、及びフォトニック結晶が配置されている付記１９に記載の光学装置。

（付記２２） 相互に交差しない複数の光チャネル導波路を含む第１の導波路群と、
相互に交差せず、各々が、前記第１の導波路群の複数の光チャネル導波路と交差する複数の光チャネル導波路を含む第２の導波路群と、
前記第１の導波路群の光チャネル導波路と前記第２の導波路群の光チャネル導波路との交差箇所の各々に配置されたフォトニック結晶と
を有する光合分波装置。
（付記２３） さらに、前記フォトニック結晶の各々に電界を印加する電極を有する付記２２に記載の光合分波装置。

（付記２４） 前記第１の導波路群の光チャネル導波路を経由して前記フォトニック結晶に入射する光信号の波長が、該フォトニック結晶のフォトニックバンドギャップ内に位置するとき、該フォトニック結晶で反射された光信号が、該フォトニック結晶に接続された第２の導波路群の光チャネル導波路に出力される付記２２に記載の光合分波装置。

（Ａ）は、第１の実施例による光学装置の平面図であり、（Ｂ）は、その断面図である。 第１の実施例による光学装置の製造途中の装置の断面図（その１）である。 第１の実施例による光学装置の製造途中の装置の断面図（その２）である。 第１の実施例による光学装置の製造途中の装置の断面図（その３）である。 第１の実施例による光学装置の製造途中の装置の断面図（その４）である。 第２の実施例による光学装置の断面図である。 第３の実施例による光学装置の製造途中の装置の断面図（その１）である。 第３の実施例による光学装置の製造途中の装置の断面図（その２）である。 第３の実施例による光学装置の製造途中の装置の断面図（その３）である。 第３の実施例による光学装置の製造途中の装置の断面図（その４）である。 第３の実施例による光学装置の製造途中の装置の断面図（その５）である。 第３の実施例による光学装置の製造途中の装置の断面図（その６）である。 第３の実施例による光学装置の製造途中の装置の断面図（その７）である。 第３の実施例による光学装置の製造途中の装置の断面図（その８）である。 第３の実施例による光学装置の製造途中の装置の断面図（その９）である。 第３の実施例による光学装置の製造途中の装置の断面図（その１０）である。 第３の実施例による光学装置の断面図である。 第４の実施例による光学装置の断面図である。 第５の実施例による光学装置の製造途中の装置の断面図（その１）である。 第５の実施例による光学装置の製造途中の装置の断面図（その２）である。 第５の実施例による光学装置の製造途中の装置の断面図（その３）である。 第５の実施例による光学装置の製造途中の装置の断面図（その４）である。 第５の実施例による光学装置の製造途中の装置の断面図（その５）である。 第５の実施例による光学装置の断面図である。 第６の実施例による光学装置の平面図である。 第６の実施例による光学装置の断面図である。 第６の実施例による光学装置の製造途中の装置の断面図（その１）である。 第６の実施例による光学装置の製造途中の装置の断面図（その２）である。 第６の実施例による光学装置の製造途中の装置の断面図（その３）である。 第６の実施例による光学装置の製造途中の装置の断面図（その４）である。 第６の実施例による光学装置の製造途中の装置の断面図（その５）である。 第６の実施例による光学装置の製造途中の装置の断面図（その６）である。 第６の実施例による光学装置の製造途中の装置の断面図（その７）である。 第６の実施例による光学装置の製造途中の装置の断面図（その８）である。 第６の実施例による光学装置の製造途中の装置の断面図（その９）である。 第６の実施例による光学装置を利用した光クロスコネクトの動作を説明するための図である。 第６の実施例による光学装置を利用した光クロスコネクトの動作を説明するための図である。 （Ａ）は、正方格子状のフォトニック結晶の模式図であり、（Ｂ）は、その逆格子を示す図であり、（Ｃ）は、そのフォトニックバンゴ構造を示す図である。 電界無印加時と、印加時との、フォトニックバンドの変化を示すバンド図である。 電界印加と無印加時とにおけるフォトニックバンドギャップの下端及び上端の規格化周波数と波長とを示す図表である。 第６の実施例による光学装置を利用した光アドドロップ装置の動作を説明するための図である。 第６の実施例による光学装置を利用した光アドドロップ装置の動作を説明するための図である。 第６の実施例による光学装置を利用した動的光クロスコネクトの動作を説明するための図である。 第６の実施例による光学装置を利用した動的光クロスコネクトの動作を説明するための図である。 第６の実施例による光学装置を、マトリクス状に多段接続した光回路を示す図である。

符号の説明

１ 支持基板
２ 下部電極
３ 下部クラッド層
５ コア層
６ 上部クラッド層
７ 上部電極
１０ 入射側導波路領域
１１ 光導波路
１２ 充填材層
１３ スラブ導波路
２０ 出射側導波路領域
３０ フォトニック結晶領域
３１ 背景媒質層
３２ 周期分布領域
３３ フォトニック結晶
４０、４５、４７、５０、５５、６５ａ、６５ｂ レジスト鋳型
４１、４８、５６ 強誘電体層
４６、５１ 誘電体層
５３、５３Ａ、５３Ｂ、５３Ｃ、５８Ａ、５８Ｂ、５８Ｃ 充填材
６０ 第１の光導波路
６１ 第２の光導波路
７０ 第１の導波路群
７１ 第２の導波路群
７２ 光学装置

Claims (10)

1. 強誘電体材料からなる第１の層、及び該第１の層内に１次元または２次元方向に周期的に分布し、該第１の層とは屈折率の異なる媒質が充填された周期分布領域を含み、フォトニック結晶を構成するコア層と、
   前記コア層内に電界を印加する電極と
   を有する光機能素子。
2. さらに、前記コア層をその厚さ方向に挟むように配置され、該コア層の有効屈折率よりも小さな有効屈折率を有する一対のクラッド層を有する請求項１に記載の光機能素子。
3. 前記一対のクラッド層は、第２の層と、該第２の層内に１次元または２次元方向に周期的に分布し、該第１の層とは屈折率の異なる媒質が充填された周期分布領域とを含む請求項２に記載の光機能素子。
4. 主表面を画定する支持基板と、
   前記支持基板の主表面上に形成されたコア層であって、該コア層は、第１の層、及び該第１の層内に１次元または２次元方向に周期的に分布し、該第１の層とは屈折率の異なる媒質が充填された周期分布領域を含み、該第１の層及び該周期分布領域内の媒質の少なくとも一方は強誘電体であり、該第１の層と該周期分布領域とがフォトニック結晶を構成する前記コア層と、
   前記コア層内に電界を印加する電極と、
   前記支持基板の主表面上に形成され、前記コア層に、その端面から光を入射させる光導波路と
   を有する光学装置。
5. 前記支持基板の主表面の法線に平行な視線で見たとき、前記フォトニック結晶の周期構造が格子パターンを有し、該格子パターンの一つの格子点から、該格子点に最近接の格子点に向かうベクトルを第１ベクトルとし、２番目に近い格子点に向かうベクトルを第２ベクトルとしたとき、前記光導波路が該第１ベクトル及び第２ベクトルのいずれとも直交しないように配置されている請求項４に記載の光学装置。
6. （ａ）基板の表面上に、１次元または２次元方向に周期的に、かつ島状に分布した複数の凸部を含む第１の鋳型を形成する工程と、
   （ｂ）前記基板上に、強誘電体材料の前駆体溶液を塗布して前記第１の鋳型の隙間を充填し、乾燥させて、強誘電体材料の前駆体からなる層を形成する工程と、
   （ｃ）前記第１の鋳型を除去する工程と、
   （ｄ）前記工程ｂで形成した前駆体からなる層を焼成して、前記第１の鋳型の凸部に対応する位置に穴を有する強誘電体層を形成する工程と
   を有するフォトニック結晶の製造方法。
7. さらに、（ｅ）前記強誘電体層に形成された穴に、該強誘電体とは屈折率の異なる第１の充填材を充填する工程を有する請求項６に記載のフォトニック結晶の製造方法。
8. 前記工程ａの前に、
   前記基板の表面上に、１次元または２次元方向に周期的に、かつ島状に分布する凸部を含む第２の鋳型を形成する工程と、
   前記基板の上に、前記第２の鋳型の隙間を充填するように、前記強誘電体層よりも屈折率の小さな材料からなる第１の層を形成する工程と、
   前記第２の鋳型を除去する工程と
   を含み、
   前記工程ａで形成される前記第１の鋳型の凸部は、前記第２の鋳型を除去することによって形成された穴を充填し、かつ前記第１の層の上面よりも上方に突き出ており、
   前記工程ｄと工程ｅとの間に、さらに、
   前記第１の鋳型を除去することによって形成された穴を充填し、かつ前記強誘電体層の上面よりも上方に突き出た凸部からなる第３の鋳型を形成する工程と、
   前記強誘電体層の上に、前記第３の鋳型の隙間を充填するように、前記強誘電体層よりも屈折率の小さな材料からなる第２の層を形成する工程と、
   前記第３の鋳型を除去する工程と
   を含む請求項７に記載のフォトニック結晶の製造方法。
9. 第１の光導波路と、
   前記第１の光導波路の端部以外の位置に接続された第２の光導波路と、
   前記第１の光導波路と第２の光導波路との接続箇所に配置されたフォトニック結晶と
   を有する光学装置。
10. 相互に交差しない複数の光チャネル導波路を含む第１の導波路群と、
    相互に交差せず、各々が、前記第１の導波路群の複数の光チャネル導波路と交差する複数の光チャネル導波路を含む第２の導波路群と、
    前記第１の導波路群の光チャネル導波路と前記第２の導波路群の光チャネル導波路との交差箇所の各々に配置されたフォトニック結晶と
    を有する光合分波装置。

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