JP2007199222A - 光デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】消費電力が少なく、簡単な構成により、光伝播特性を変更させることが可能な光デバイスを提供する。
【解決手段】仕切部材１１Ａ，１１Ｂおよび側壁部１４，１５，２４によって区画された第２，第３の２次元フォトニック結晶部１２Ｂ，１２Ｃに、真空とは異なる屈折率を有する溶液２０を選択的に導入することにより、第２の２次元フォトニック結晶部１２Ｂの第２の導波路１３Ｂまたは第３の２次元フォトニック結晶部１２Ｃの第３の導波路１３Ｃを第１の導波路１３Ａに選択的に光結合させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、フォトニック結晶（photonic crystals）を用いて光導波路が構成された光デバイスに関する。

光通信においては、光伝送路中で光路をオン／オフする光スイッチ、１つの入射光路を一方の出射光路から他方の出射光路に切り替える光スイッチ、ｍ個の入射光路に対してｎ個の出射光路を有して、入射と出射間の組み合わせをｍ×ｎの中から選択することのできる光マトリクススイッチ等が使用されている。

また、光スイッチは、動作原理の面から、機械的に光路を切り替える機械型、電子的に光路を切り替える電子型、及び光で光路を切り替える全光型等に分けることができ、こらは従来より用いられてきた。

近年、上記のような光スイッチとは動作原理の異なるフォトニック結晶を用いた光スイッチが注目されている。内部に周期的な屈折率分布を持つフォトニック結晶は、１００μｍのオーダーで製作できることから、従来は個別に製作されていた光合分波器、光フィルタ、レーザー、光導波路、カプラ等を１つに集積化した超小型の光デバイスを得ることができるという特長がある。また、光以外の電磁波への応用も期待されている。

フォトニック結晶を用いた光スイッチとして、例えば、特許文献１に示す光スイッチが知られている。この光スイッチは、フォトニック結晶構造が線欠陥導波路を有するフォトニック結晶構造を、コアの表面に電極を有するスラブ型光導波路内に設け、電流注入または電圧印加を行って線欠陥導波路の屈折率を変化させて光路を閉じ、或いは、入射光とは別の制御光をフォトニック結晶に照射して屈折率を変化させて出射光をオン／オフさせることによりスイッチ動作を行っている。
特開２０００−３０３８３６号公報

しかし、フォトニック結晶を用いた従来の光スイッチによると、光スイッチの動作を保持し続けるためには電圧や電流を加え続ける必要があり、待機中でも電力を消費するため、スイッチング速度の遅いシステムへの適用には不向きである。また、制御光を用いる構成では、制御光を別途用意する必要があり、構成が複雑になる。

従って、本発明の目的は、消費電力が少なく、簡単な構成により、光伝播特性を変更させることが可能な光デバイスを提供することにある。

本発明の一態様は、上記目的を達成するため、以下の光デバイスを提供する。

［１］孔または柱を周期的に配列してなる周期構造を有する２次元フォトニック結晶部と、前記周期構造の空隙に対して真空とは異なる屈折率を有する流体を入出する流体制御手段とを備えたことを特徴とする光デバイス。

２次元フォトニック結晶部のバンド構造を決定する主な要因は、格子構造（三角格子、正方格子）、格子点間距離Ｌ、格子を構成する孔または柱の直径Ｒ、孔内または柱の周囲の材料の屈折率ｎ１、孔の周辺または柱の材料の屈折率ｎ２である。従って、周期構造の空隙に流体を入出することにより、屈折率ｎ１が空気又は真空と流体との間で変化し、バンド構造を変化させることができ、これにより光伝播特性を変更することができる。

上記孔には、円形、多角形、四角形等が含まれる。上記柱は、円柱、多角柱、四角柱等が含まれる。上記流体は、溶液、粘弾性を有する連続体等が含まれる。また、周期構造が孔からなるとき、２次元フォトニック結晶部の骨格の屈折率は、２次元フォトニック結晶部の骨格の屈折率は、２．６以上、流体の屈折率は、１．７以下が好ましい。また、周期構造が柱からなるとき、２次元フォトニック結晶部の骨格の屈折率は、例えば、１．４〜５．５を用いることができ、流体の屈折率は、例えば、１．３〜１．７を用いることができる。

［２］前記２次元フォトニック結晶部は、前記周期構造中に欠陥による複数の導波路を有し、前記流体制御手段は、前記複数の導波路の周辺領域の空隙に選択的に前記流体を入出
して光路を切り換えることを特徴とする前記［１］に記載の光デバイス。この構成によれば、導波路の周辺領域の空隙に流体を注入することにより、周期構造が無いのと実質的に同じ状態になり、光路が周辺領域の空隙に流体を注入していない導波路に切り換わる。

［３］前記２次元フォトニック結晶部は、前記複数の導波路の周辺領域を前記導波路毎に前記流体を貯留可能に区画する区画部材を備えたことを特徴とする前記［２］に記載の光デバイス。この構成によれば、区画毎に一括して流体を入出することができる。

［４］前記流体制御手段は、複数の前記孔に前記流体を注入して導波路を形成することを特徴とする前記［１］に記載の光デバイス。この構成によれば、任意の２次元パターンの導波路を形成することができる。

［５］前記流体制御手段は、複数の前記孔の両端に設けられた複数の一対の弁と、前記複数の一対の弁を開閉駆動する駆動部とを備え、前記駆動部を制御して前記導波路を形成することを特徴とする前記［４］に記載の光デバイス。一対の弁を開閉駆動することにより流体を孔に個別に入出することができる。

［６］前記流体制御手段は、前記空隙に前記流体を供給するポンプと、前記空隙に注入された前記流体を蒸発させるヒータとを備えたことを特徴とする前記［１］に記載の光デバイス。

［７］前記周期構造の周期は、伝播光の波長の２０〜８０％であることを特徴とする前記［１］に記載の光デバイス。

［８］前記２次元フォトニック結晶部は、Ｓｉ、ＳｉＯ₂、Ｇｅ、ＴｉＯ₂、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＧａＮ、ＺｎＳ、ＩｎＰ、ＩＴＯ、ＺｎＯ、またはポリエチレンからなることを特徴とする前記［１］に記載の光デバイス。

［９］前記流体は、水、イソキノリン、エタノール、エチレンジアミン、エチルベンゼン、またはアセチルアセトンからなることを特徴とする前記［１］に記載の光デバイス。

［１０］前記流体は、透過率が７５（−１２ｄＢ）％以上となる波長領域で動作することを特徴とする前記[１]に記載の光デバイス。

本発明の光デバイスによれば、消費電力が少なく、簡単な構成により、光伝播特性を変更させることが可能となる。

［第１の実施の形態］
（光デバイスの構成）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る光デバイスを示す。同図中、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。なお、図１の（ａ）においては、蓋の図示を省略している。

この光デバイス１は、Ｓｉからなる板状の基板１０と、基板１０上に設けられ、透明な仕切部材１１Ａ，１１Ｂによって仕切られた第１，第２，第３の２次元フォトニック結晶部１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃと、第１の２次元フォトニック結晶部１２Ａの中央部に設けられた第１の導波路１３Ａと、光入射面を第１の２次元フォトニック結晶部１２Ａの端面に光結合させた状態で第２の２次元フォトニック結晶部１２Ｂ内に設けられた第２の導波路１３Ｂと、光入射面を第１の２次元フォトニック結晶部１２Ａの端面に光結合させた状態で第３の２次元フォトニック結晶部１２Ｃ内に設けられた第３の導波路１３Ｃと、基板１０の両側に立設された側壁部１４，１５と、第１〜第３の２次元フォトニック結晶部１２Ａ〜１２Ｃの上方を覆うようにして側壁部１４，１５の上面に取り付けられた蓋１６と、第２，第３の２次元フォトニック結晶部１２Ｂ，１２Ｃに面して基板１０の裏面に設けられたヒータ１８Ａ，１８Ｂと、第２，第３の２次元フォトニック結晶部１２Ｂ，１２Ｃの光出射面に設けられた側壁部２４とを備えている。

第１〜第３の２次元フォトニック結晶部１２Ａ〜１２Ｃは、Ｓｉ、ＳｉＯ₂、Ｇｅ、ＴｉＯ₂、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＧａＮ、ＺｎＳ、ＩｎＰ、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）、ＺｎＯ、ポリエチレン等からなり、孔１７を正方格子状に配置して構成されている。なお、孔１７のピッチは、例えば、伝播光の波長の２０〜８０％にする。

仕切部材１１Ａ，１１Ｂおよび側壁部１４，１５，２４は、第２および第３の導波路１３Ｂ，１３Ｃの周辺領域を導波路１３Ｂ，１３Ｃ毎に液体を貯留可能に区画する区画部材としての機能を有する。すなわち、第２，第３の２次元フォトニック結晶部１２Ｂ，１２Ｃは、仕切部材１１Ａ，１１Ｂ及び側壁部１４，１５，２４によって区画され、その内部には選択的にバンド構造を制御するための溶液（流体）の供給が行えるように構成されている。上記バンド構造を制御する溶液として、例えば、水、イソキノリン、エタノール、エチレンジアミン、エチルベンゼン、アセチルアセトン等がある。

第１〜第３の導波路１３Ａ〜１３Ｃは、全体がＹ字形を成し、第１の導波路１３ＡはＩ字形部分を構成し、第２，第３の導波路１３Ｂ，１３ＣはＶ字形部分を構成している。なお、第１の導波路１３Ａから分岐した導波路１３Ｂ，１３Ｃは、２つに限定されず、３つ以上でもよい。この場合も、３つ以上に分岐した導波路の周辺領域を導波路毎に液体を貯留可能に区画部材によって区画する。

蓋１６は、例えば、Ｓｉからなり、２次元フォトニック結晶部１２Ｂ，１２Ｃに連通する部位に上記溶液を入出させるための開口１６ａ，１６ｂが、図１の（ｃ）に示すように設けられている。開口１６ａ，１６ｂには、図示しない液供給／回収用の配管（パイプ）が接続される。

ヒータ１８Ａ，１８Ｂは、通電により発熱する発熱体を用いて構成されている。

（光デバイスの製造方法）
図２（ａ）〜（ｄ）は、光デバイス１の製造方法を示す。なお、図２の（ａ）〜（ｄ）の断面位置は、図１（ａ）のＢ−Ｂ線断面の位置に相当する。ここでは、側壁部１４，１５，２４、第１〜第３の導波路１３Ａ〜１３Ｃを有する第１〜第３の２次元フォトニック結晶部１２Ａ〜１２Ｃ、及び蓋１６を個別にドナー基板として用意しておき、これらをターゲット基板である基板１０上に順次転写及び常温接合して光デバイス１を製作する。

常温接合とは、高い平坦度に形成されている表面にイオンや中性原子を照射して表面の酸化膜、不純物等を除去して清浄化（この清浄化処理をＦＡＢ（First Atom Beam）という。）した表面同士を常温雰囲気で接触させ、原子同士を直接結合させる接合方法をいう。

まず、図２の（ａ）に示すように、Ｓｉからなる基板１０上に側壁部１４，１５の下側側壁１４ａ，１５ａ、第２の仕切部材１１Ｂの下側部分１１Ｂａ、第１の仕切部材１１Ａの下側部分（図示せず）、及び側壁部２４の下側部分（図示せず）を常温接合する。

次に、図２の（ｂ）に示すように、下側側壁１４ａ，１５ａ、第２の仕切部材１１Ｂの下側部分１１Ｂａ、及び側壁部２４の下側部分（図示せず）上に第１〜第３の導波路１３Ａ〜１３Ｃを有する１枚の板状の第１〜第３の２次元フォトニック結晶部１２Ａ〜１２Ｃを常温接合する。

次に、図２の（ｃ）に示すように、第１〜第３の２次元フォトニック結晶部１２Ａ〜１２Ｃ上に側壁部１４，１５の上側側壁１４ｂ，１５ｂ、第２の仕切部材１１Ｂの上側部分１１Ｂｂ、及び図示しない第１の仕切部材１１Ａの上側部分を常温接合する。

次に、図２の（ｄ）に示すように、上側側壁１４ｂ，１５ｂ、第２の仕切部材１１Ｂの上側部分１１Ｂｂ、第１の仕切部材１１Ａの上側部分及び側壁部２４の上面に蓋１６を常温接合する。

最後に、基板１０の下面の所定の位置にヒータ１８Ａ，１８Ｂを装着する。以上により、光デバイス１が完成する。

なお、第２，第３の２次元フォトニック結晶部１２Ｂ，１２ＣにＳｉを用いた場合、Ｓｉは撥水性であるため、数μｍ〜数十μｍ径の孔１７に溶液を導入するのは困難であることが多い。このような場合、孔１７のＳｉの表面の数ｎｍの深さに対して酸化処理を行い、親水性に改質してもよい。

（光デバイスの動作）
図３（ａ）は、第３の導波路１３Ｃに溶液２０を供給した状態を示し、（ｂ）はそのときの光伝搬経路を示す。図４（ａ）は、第２の導波路１３Ｂに溶液２０を供給した状態を示し、（ｂ）はそのときの光伝搬経路を示す。なお、図３（ａ）、図４（ａ）は、図１（ａ）のＢ−Ｂ線断面に相当する。

まず、第２の導波路１３Ｂを機能させたい場合について説明する。予め、光デバイス１の開口１６ａ，１６ｂに配管３１の分岐側端を接続する。配管３１の開口１６ａ，１６ｂ側には、バルブ３２Ａ，３２Ｂが設けられている。また、配管３１の溶液供給源側には、ポンプ３３が配設され、更に、配管３１の他端には、溶液２０を貯留しているタンク（図示せず）が接続されている。なお、配管３１、バルブ３２Ａ，３２Ｂ、ポンプ３３、ヒータ１８Ａ，１８Ｂ等は、流体制御手段を構成する。

次に、第２の導波路１３Ｂ側のバルブ３２Ａを閉じて第３の導波路１３Ｃ側のバルブ３２Ｂを開け、ついでポンプ３３を稼動させ、溶液２０（例えば、水）を開口１６ｂから図３の（ａ）に示すように注入する。第３の２次元フォトニック結晶部１２Ｃに注入された溶液２０は、毛細管現象により第３の２次元フォトニック結晶部１２Ｃの全ての孔１７内に注入され、担持される。

次に、通信波長帯の光（例えば、波長１．５μｍ）を第１の導波路１３Ａから入射すると、図３の（ｂ）に示すように、第１の導波路１３Ａから第２の導波路１３Ｂへ光が伝搬する。このとき、第３の導波路１３Ｃが２次元フォトニック結晶として機能しないのは、溶液２０の注入によって孔１７とその周囲との間に屈折率の差が小さくなり、孔１７が設けられていないのと実質的に同じ状態が生じたためである。

次に、第２の導波路１３Ｂから第３の導波路１３Ｃに切り替えて光伝搬を行う場合、第３の２次元フォトニック結晶部１２Ｃに設けられているヒータ１８Ｂに所定時間通電する。ヒータ１８Ｂの通電によって第３の２次元フォトニック結晶部１２Ｃにおける溶液２０が加熱され、その蒸発によって溶液２０は開口１６ｂから排出され、第３の２次元フォトニック結晶部１２Ｃが２次元フォトニック結晶として機能できるようになる。このとき、ポンプ３３を逆転させるか、バルブ３２Ｂ側の配管３１を開口１６ｂから取り外し、溶液２０の排出が容易になるようにする。

次に、第３の導波路１３Ｃ側のバルブ３２Ｂを閉じて第２の導波路１３Ｂ側のバルブ３２Ａを開け、図４の（ａ）に示すように、第２の２次元フォトニック結晶部１２Ｂの開口１６ａに溶液２０を注入する。第２の２次元フォトニック結晶部１２Ｂに注入された溶液２０は、毛細管現象により第２の２次元フォトニック結晶部１２Ｂの全ての孔１７内に注入され、担持される。これにより、第２の２次元フォトニック結晶部１２Ｂは、フォトニック結晶として機能しなくなる。

次に、通信波長帯の光を第１の導波路１３Ａから入射すると、図４の（ｂ）に示すように、光は第１の導波路１３Ａから第３の導波路１３Ｃへ伝搬する。

以上のように、第２の２次元フォトニック結晶部１２Ｂまたは第３の２次元フォトニック結晶部１２Ｃの一方に溶液２０を選択的に注入することにより、光デバイス１を光スイッチとして動作させることができる。

（第１の実施の形態の効果）
第１の実施の形態によれば、下記の効果を奏する。
（イ）第２，第３の導波路１３Ｂ，１３Ｃの動作状態をパッシブに保持できる光デバイス１（光スイッチ、光リレー等）を小型に作製することができるため、保持用電力を消費せず、かつ外部からの制御光を不要にすることができる。
（ロ）常温接合を用いたＦＯＲＭＵＬＡ（Formation of μ-Structure by-Lamination）等の微細加工技術を用いて作製できるため、微小な光デバイス１を作製することができる。
(ハ)第１〜第３の２次元フォトニック結晶部１２Ａ〜１２Ｃ、及び溶液２０の材料を適宜選択することにより、近赤外から可視光の領域をカバーする光デバイス１を構成することができる。

図５は、２次元フォトニック結晶部１２（１２Ａ〜１２Ｃ）の他の格子形状を示す。上記実施の形態においては、図１の（ａ）に示したように、孔１７の配列を正方格子にしたが、図５のように、三角格子の配列にすることもできる。

また、第１の実施の形態において、溶液２０が排出され易くなるように、専用の排出口を側壁部１４，１５、蓋１６等に設ける構成にしてもよい。

［第２の実施の形態］
図６は、本発明の第２の実施の形態に係る光デバイスを示す。同図中、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ線断面図、（ｃ）は（ａ）のＤ−Ｄ線断面図である。なお、図６の（ａ）においては、蓋の図示を省略している。

本実施の形態は、第１の実施の形態において、第１〜第３の２次元フォトニック結晶部１２Ａ〜１２Ｃを孔１７に代えて柱状体１９からなる構成にしたものであり、その他の構成及び動作は第１の実施の形態と同様である。なお、柱状体１９の配列は、同図では正方格子状であるが、図５に示すように、三角格子状であってもよい。

柱状体１９の作製は、ＭＥＭＳ（Micro Electro-Mechanical System）の一般的な手法であるウェハ接合と犠牲層エッチングを用いてもよいし、薄膜の常温接合による積層造形法を用いてもよい。柱状体１９の配列は、図６では、正方格子状であるが、図５に示したように、三角格子状でもよい。ＭＥＭＳプロセスは、例えば、薄膜形成、フォトリソグラフィ、ドライエッチング、ダイシング等からなる。

上述した第２の実施の形態によれば、基板１０上に第１〜第３の２次元フォトニック結晶部１２Ａ〜１２Ｃを直に接合できるため、蓋１６の接合に至るまでの工程数を減らすことができる。

［第３の実施の形態］
（光デバイスの構成）
図７は、本発明の第３の実施の形態に係る光デバイスの平面図、図８は、図７のＥ−Ｅ線断面図であり、同図中、（ａ）は動作前の状態を示し、（ｂ）は動作後の状態を示す。

第３の本実施の形態は、第１の実施の形態において、第２，第３の２次元フォトニック結晶部１２Ｂ，１２Ｃの第２，第３の導波路１３Ｂ．１３Ｃにも孔１７を正方格子状に形成して、図７に示す構成としたものであり、その他の構成は第１の実施の形態と同様である。第２，第３の２次元フォトニック結晶部１２Ｂ，１２Ｃは、例えば、ＭＥＭＳプロセスにより作製することができる。

なお、本実施の形態においては、ヒータ１８Ａ，１８Ｂは、蓋１６側に設けている。また、基板１０は、第２，第３の２次元フォトニック結晶部１２Ｂ，１２Ｃに面して排出口１０ａ，１０ｂを有している。排出口１０ａ，１０ｂと開口１６ａ，１６ｂには、溶液２０を出し入れするためのバルブが介装された配管が接続されるが、ここでは図示を省略している。

第２，第３の２次元フォトニック結晶部１２Ｂ，１２Ｃは、それぞれの孔１７の開口下部に１ウェイの弁２１を設けるとともに、それぞれの孔１７内の上方に１ウェイの弁２２を設け、更に、弁２１，２２を駆動する駆動部としての圧電素子２３をそれぞれの孔１７の開口上部に設けた構成の流体制御手段としての複数のポンプ２５を有している。

弁２１，２２は、弁２１，２２間に密封空間を形成可能なように、ゴム等の弾性体からなる材料により構成されている。

圧電素子２３は、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等の強誘電体からなり、一対の電極に電圧を印加すると電歪による厚み変化が発生する特性を有している。

（光デバイスの動作）
第３の実施の形態において、例えば、第１の導波路１３Ａから第２の２次元フォトニック結晶部１２Ｂ側へ光を伝搬させたい場合、第２の２次元フォトニック結晶部１２Ｂ側の排出口１０ａを閉じると共に開口１６ａを開ける。次に、溶液２０（例えば、水）を開口１６ａから第２の２次元フォトニック結晶部１２Ｂ上に供給する。

次に、第２の２次元フォトニック結晶部１２Ｂの第２の導波路領域１３Ｂ’に対応する複数の孔１７の圧電素子２３ａにのみ電圧を印加する。電圧が印加された圧電素子２３ａは、直下の弁２１ａ，２２ａを回動させ、図７の（ｂ）のように、孔１７の内部を上下の空間に連通させる。

弁２１ａ，２２ａが開いている孔１７には、溶液２０が毛細管現象により注入して第２の２次元フォトニック結晶１２Ｂに第２の導波路領域１３Ｂ’に欠陥が生じて第２の導波路が構成される。一方、第３の２次元フォトニック結晶１２Ｃにおいては、溶液２０が供給されないため、第３の導波路は構成されない。従って、第１の導波路１３Ａには、第２の導波路領域１３Ｂ’が光結合する。この状態で、第１の導波路１３Ａに光を入射すると、第１の導波路１３Ａから第２の導波路領域１３Ｂ’に光が伝搬される。

次に、光伝搬を第２の導波路領域１３Ｂ’から第３の２次元フォトニック結晶部１２Ｃの第３の導波路領域１３Ｃ’に切り替えたい場合、排出口１０ａを開くと共にヒータ１８Ａに所定時間通電し、第２の２次元フォトニック結晶１２Ｂにおける溶液２０を加熱して溶液２０を蒸発させ、排出口１０ａから排出する。

次に、第３の２次元フォトニック結晶１２Ｃ側の排出口１０ｂを閉じると共に開口１６ｂを開け、溶液２０を開口１６ｂから第３の２次元フォトニック結晶部１２Ｃ上に供給する。次に、第３の２次元フォトニック結晶部１２Ｃの第３の導波路領域１３Ｃ’に対応する圧電素子２３にのみ電圧を印加し、対応する弁２１、２２を開いて溶液２０を孔１７に注入し、第３の導波路領域１３Ｃ’に欠陥を生じさせ、第３の導波路を構成する。これにより、第１の導波路１３Ａと第３の導波路領域１３Ｃ’が光結合し、第１の導波路１３Ａから第３の導波路領域１３Ｃ’へ光が伝搬する。

（第３の実施の形態の効果）
第３の実施の形態によれば、下記の効果を奏する。
（イ）第２の２次元フォトニック結晶１２Ｂまたは第３の２次元フォトニック結晶部１２Ｃの圧電素子２３及び弁２１，２２を部分的に駆動することにより、任意の経路（導波路形状）の導波路を構成することができる。
（ロ）第２，第３の２次元フォトニック結晶部１３Ｂ，１３Ｃにおけるポンプは、個別に制御できるため、プログラマブルな導波路、換言すれば、光ＲＯＭを構成することができる。また、プログラマブルに書き込んだ光路情報をヒータ１８Ａ，１８Ｂによる全面加熱により、一括で消去することができる。
（ハ）ポンプ２５を備えた第２，第３の２次元フォトニック結晶部１２Ｂ，１２Ｃは、ＭＥＭＳプロセスによって作製することができるため、微小な光デバイス１を容易に作製することができる。

次に、本発明の実施例について説明する。

まず、上記第１の実施の形態に示した構成の光デバイス１において、第２，第３の２次元フォトニック結晶部１２Ｂ，１２Ｃの骨格をＳｉとし、第１〜第３の２次元フォトニック結晶部１２Ａ〜１２Ｃは、格子間距離Ｌ＝０．３３μｍ、孔１７の直径Ｒ＝０．２７μｍとし、溶液２０をＨ_２Ｏにして動作させた。その結果、通信波長帯である波長１．５μｍの光に対し、溶液２０の出し入れにより光を開閉できることが確認できた。

次に、上記第１の実施の形態に示した構成の光デバイス１において、第２，第３の２次元フォトニック結晶部１２Ｂ，１２Ｃの孔１７内の屈折率を真空にした場合と、溶液２０を充填した場合とで、光伝播特性をシミュレーションした。その結果、溶液２０を充填した側の導波路は、バンドギャップが消滅しているために光が伝播せず、スイッチとして動作することが確認できた。

表１は、第１〜第３の２次元フォトニック結晶部１２Ａ〜１２Ｃの骨格を形成する骨格材料と溶液２０の溶液材料の組合せ例を示す。実施例２では、屈折率コントラストが大きく取れる表１のＡ群の骨格材料とＣ群の溶液材料を選択すると、バンドを制御しやすい。

次に、図６の第２の実施の形態に示した構成の光デバイス１において、実施例１と同様の条件で動作させたところ、実施例１と同様の効果が得られることを確認した。この場合、表１の屈折率コントラストが大きく取れる材料Ａ群のみならず、溶液材料Ｃ群と同程度の屈折率である材料Ｂ群も柱状体１９として使用することができる。

図９は、表１の材料の組み合わせによる光デバイス１の動作帯域を示す。材料Ｂ群から「ポリエチレン」、溶液材料Ｃ群から「水」を選択した場合、両者の透過率は図９のようになる。有機物などでは、赤外領域に吸収を持つ結合が多いため、この材料の組み合わせで使用できる帯域は、図９の斜線で示すように透過率が７５％（−１．２ｄＢ）以上となる２．０〜２．２μｍと４．４〜４．８μｍの範囲になる。

図１０は、溶液と波長と透過率の関係を示す。この図１０は、光が水の中を進行方向に１ｍｍ進んだ場合と１０ｍｍ進んだ場合の進行方向の長さを示している。光デバイス１のサイズにより光の減衰率は異なるが、図１０に示す透過率の結果から、溶液２０の出し入れが行われる第２，第３の２次元フォトニック結晶部１２Ｂ，１２Ｃは、１ｍｍｍ以下が望ましい。

［他の実施の形態］
なお、本発明は、上記各実施の形態に限定されず、本発明の要旨を変更しない範囲内で種々な変形が可能である。例えば、第３の実施の形態においては、弁２１，２２をダイヤフラムアレイにすることができる。

本発明の第１の実施の形態に係る光デバイスを示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。 （ａ）〜（ｄ）は、第１の実施の形態に係る光デバイスの製造方法を示す工程図である。 図１の第３の導波路に溶液を供給した状態及びそのときの光伝搬経路を示し、（ａ）は部分断面図、（ｂ）は経路図である。 図１の第２の導波路に溶液を供給した状態及びそのときの光伝搬経路を示し、（ａ）は部分断面図、（ｂ）は経路図である。 ２次元フォトニック結晶部の他の格子形状を示す平面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る光デバイスを示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ線断面図、（ｃ）は（ａ）のＤ−Ｄ線断面図である。 本発明の第３の実施の形態に係る光デバイスの平面図である。 本発明の第３の実施の形態に係る光デバイスを示し、（ａ）は動作前の状態を示す図７のＥ−Ｅ線断面図、（ｂ）は動作後の状態を示す図７のＥ−Ｅ線断面図である。 表１の材料の組み合わせによる光デバイスの動作帯域を示す特性図である。 溶液の長さと波長と透過率の関係を示す特性図である。

符号の説明

１ 光デバイス
１０ 基板
１０ａ，１０ｂ 排出口
１１Ａ，１１Ｂ 仕切部材
１１Ｂａ 下側部分
１１Ｂｂ 上側部分
１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ ２次元フォトニック結晶部
１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ 導波路
１３Ｂ’、１３Ｃ’ 導波路領域
１４，１５，２４ 側壁部
１４ａ，１５ａ 下側側壁
１４ｂ，１５ｂ 上側側壁
１６ 蓋
１６ａ，１６ｂ 開口
１７ 孔
１８Ａ，１８Ｂ ヒータ
１９ 柱状体
２０ 溶液
２１，２１ａ，２２，２２ａ 弁
２３ 圧電素子
２５ ポンプ
３１ 配管
３２Ａ，３２Ｂ バルブ
３３ ポンプ

Claims (10)

1. 孔または柱を周期的に配列してなる周期構造を有する２次元フォトニック結晶部と、
   前記周期構造の空隙に対して真空とは異なる屈折率を有する流体を入出する流体制御手段とを備えたことを特徴とする光デバイス。
2. 前記２次元フォトニック結晶部は、前記周期構造中に欠陥による複数の導波路を有し、
   前記流体制御手段は、前記複数の導波路の周辺領域の空隙に選択的に前記流体を入出して光路を切り換えることを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。
3. 前記２次元フォトニック結晶部は、前記複数の導波路の周辺領域を前記導波路毎に前記流体を貯留可能に区画する区画部材を備えたことを特徴とする請求項２に記載の光デバイス。
4. 前記流体制御手段は、複数の前記孔に前記流体を注入して導波路を形成することを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。
5. 前記流体制御手段は、複数の前記孔の両端に設けられた複数の一対の弁と、前記複数の一対の弁を開閉駆動する駆動部とを備え、前記駆動部を制御して前記導波路を形成することを特徴とする請求項４に記載の光デバイス。
6. 前記流体制御手段は、前記空隙に前記流体を供給するポンプと、前記空隙に注入された前記流体を蒸発させるヒータとを備えたことを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。
7. 前記周期構造の周期は、伝播光の波長の２０〜８０％であることを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。
8. 前記２次元フォトニック結晶部は、Ｓｉ、ＳｉＯ₂、Ｇｅ、ＴｉＯ₂、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＧａＮ、ＺｎＳ、ＩｎＰ、ＩＴＯ、ＺｎＯ、またはポリエチレンからなることを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。
9. 前記流体は、水、イソキノリン、エタノール、エチレンジアミン、エチルベンゼン、またはアセチルアセトンからなることを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。
10. 前記流体は、透過率が７５％（−１２ｄＢ）以上となる波長領域で動作することを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。

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