JP3586635B2

JP3586635B2 - 光デバイスおよび基板

Info

Publication number: JP3586635B2
Application number: JP2000319375A
Authority: JP
Inventors: 智之浜田; 俊夫勝山
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2000-10-19
Filing date: 2000-10-19
Publication date: 2004-11-10
Anticipated expiration: 2020-10-19
Also published as: WO2002033478A1; JP2002131715A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信システム、光情報システムに用いられる光素子および光集積回路に関する
【０００２】
【従来の技術】
近年、光の波動状態を波長オーダで制御できる人工結晶としてフォトニック結晶が注目を集めており、その研究が数多くなされている。
【０００３】
フォトニック結晶とは、光に対して透明な媒質中に、媒質中光波長の２分の１程度の周期の屈折率変化を形成して得られる材料である。
【０００４】
フォトニック結晶中での光波の挙動は、半導体結晶中での電子波の挙動のアナロジーとして理解できることが良く知られている。半導体結晶中での電子波が、周期的な結晶構造によりブラッグ反射されて電子バンド構造ができるのと同様に、フォトニック結晶中の光波は、媒質中の周期的な屈折率変化に散乱されてフォトニックバンドを形成する。フォトニック結晶は、光に対する禁制帯であるフォトニックバンドギャップ、光に対する高い分散性等、ユニークな光学的性質を有するため、超小型光集積回路への応用が期待されている。
【０００５】
２次元フォトニック結晶の作成法としては、スラブ光導波路に２次元周期的に空孔を開ける方法が知られている。この方法は、導波路と空孔がそれぞれ異なる屈折率を有することを利用する方法である。特開平１１−３３０６１９号公報は、この方法により光共振器として作用する２次元フォトニック結晶を作成し、超小型極低しきい値レーザを実現する方法を開示している。同公報の提案は、フォトニックバンド中の波長の光がフォトニック結晶により強く反射されることを利用したものである。また、応用物理学会誌第６８巻１３３５頁〜１３４５頁には、上記方法により作成される２次元フォトニック結晶を利用したＬ字型急峻曲がり導波路が紹介されている。この導波路は、フォトニックバンド中の波長の光がフォトニック結晶により強く反射されることを利用して、フォトニック結晶をクラッドとして用い、従来は不可能であった急峻曲がり導波を実現しようとするものである。特開平１１−３３０６１９号公報は、上記方法により２次元フォトニック結晶を作成し、超小型波長分波回路を実現する方法を提案している。これは、フォトニック結晶が、従来の光学結晶よりもはるかに高い光分散性を示すことを利用した提案である。
【０００６】
３次元フォトニック結晶の作成法としては、（ａ）半導体多層膜に２次元周期的に空孔を開ける方法、（ｂ）半導体多層膜の特定層を２次元周期的に酸化する方法、（ｃ）半導体多層膜の層構造を３次元周期的に変動させる方法が知られている。（ａ）の方法は、特開平１１−３１６１５４号公報に開示されている。この方法は、屈折率が異なる２種類の半導体を交互積層して半導体多層膜を作成し、多層膜に２次元周期的に空孔を開けることにより３次元周期的な屈折率変化を形成してフォトニック結晶を作る方法である。特開平１１−１８６６５７号公報には、この方法により３次元フォトニック結晶を作成し、作成した結晶を光共振器とする超小型極低しきい値レーザを実現する方法が開示されている。（ｂ）の方法は、特開２０００−３１５８７号公報に開示されている。この方法は、半導体多層膜を構成する特定層を２次元周期的に酸化して、フォトニック結晶を作成する方法である。（ｃ）の方法は、応用物理学会誌第６８巻１３３５−１３４５ページに説明されている。この方法は、２次元周期的な凹凸を有する基板上に、屈折率の異なる２種類の半導体を交互積層し、基板の凹凸を層構造に反映させて３次元周期的な凹凸を有する層構造を形成して、３次元フォトニック結晶を得る方法である。
【０００７】
そのほか、特開平１０−８３００５公報には、表面に金属膜が形成された回折格子を対向させ、回折格子の間に光機能性有機材料を挟みこむことによりフォトニック結晶を作成する方法が提案されている。
【０００８】
さらに、米国特許６，０６４，５０６号には、電圧印加により屈折率が変化する非線形光学材料を用いて電圧印加時にフォトニックバンドが変化するフォトニック結晶を構成する方法が示されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の技術では、光集積回路をフォトニック結晶により形成することが困難であった。光集積回路は、複雑な形状の光導波路からなるが、前記の従来方法では、複雑な形状のフォトニック結晶導波路を容易に作成できないからである。
【００１０】
たとえば、スラブ型導波路あるいは半導体多層膜に２次元周期的に空孔を開けてＬ字型光導波路を作成する場合、Ｌ字型の導波路コアを除く材料部分に、波長の２分の１程度の周期で２次元周期的に空孔を開ける必要があるが、このように空孔を機械的に開けるのは困難である。従って、この方法では、より複雑な形状の導波路を有する光集積回路を作成することは難しい。
【００１１】
また、半導体多層膜の特定層を２次元周期的に酸化してフォトニック結晶を作成する特開平２０００−３１５８７号公報の方法は、フォトニック結晶の母体となる材料が限定されるという欠点がある。
【００１２】
一方、表面に金属膜を形成した回折格子の間に光機能性有機材料を挟みこむ特開平１０−８３００５号公報の方法は、有機膜厚を一定の値に保つことが困難であるという問題点を有し、均一なフォトニック結晶を作成するのに適さない。
【００１３】
また、上述の米国特許６，０６４，５０６号で開示された方法は、高い屈折率を有する材料より、リソグラフィー技術を用いて、柱状構造が光波長の半分程度の間隔で２次元あるいは３次元に配列した構造を作り、構造の間に形成された空間を非線形光学材料あるいは液晶材料で満たすものとなっている。このようなきわめて狭い空間を液体で満たす場合には必然的に空孔が発生するので、光学的に均一なフオトニツク結晶を得ることはきわめて困難である。
【００１４】
このように、従来法では、フォトニック結晶を用いて超小型光集積回路を作るのは困難であった。
【００１５】
本発明の目的は、容易に光集積回路を形成できる固体材料によるフォトニック結晶構造の光デバイスを提供することにある。
【００１６】
本発明の目的は、フォトニックバンド構造およびフォトニックバンドギャップが変化できることを特徴とするフォトニック結晶構造の光デバイスを提供することにある。
【００１７】
本発明の他の目的は、光導波路として作用することを特徴とするフォトニック結晶構造の光デバイスの提供にある。
【００１８】
本発明の他の目的は、電気光学スイッチとして作用することを特徴とするフォトニック結晶構造の光デバイスの提供にある。
【００１９】
本発明の他の目的は、直線型、Ｌ字型、Ｓ字型、およびＴ字型光導波路として作用することを特徴とするフォトニック結晶構造の光デバイスの提供にある。
【００２０】
本発明の他の目的は、光導波路および電気光学スイッチからなる光集積回路として作用することを特徴とするフォトニック結晶構造の光デバイスの提供にある。
【００２１】
本発明の他の目的は、波長選択回路として作用することを特徴とするフォトニック結晶構造の光デバイスの提供にある。
【００２２】
本発明の他の目的は、交差型光スイッチとして作用することを特徴とするフォトニック結晶構造の光デバイスの提供にある。
【００２３】
本発明の他の目的は、光交換器として作用することを特徴とするフォトニック結晶構造の光デバイスの提供にある。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、固体材料よりなる電気光学基板中に形成された固体材料よりなるフォトニック結晶の両面に電極を配置して、これに電圧を印加することにより、電極で挟まれた領域のフォトニック結晶領域の基板の屈折率を変化させることにより光デバイスを実現するものである。
【００２５】
【発明の実施の形態】
従来技術は、フォトニック結晶の形状を機械的あるいは化学的に変えて、必要とされるフォトニックバンドを有するフォトニック結晶を作成していた。このため、従来技術により複雑な形状の光導波路からなる光集積回路を作成する場合、工程が複雑となるという問題点があった。
【００２６】
ところで、フォトニックバンド構造は、フォトニック結晶の母体となる材料の屈折率によっても変化する。これは、材料の屈折率が材料中を進行する光の波長に影響することから容易に理解できる。
【００２７】
そこで、本発明では、フォトニック結晶の両面に電極を配置して電圧を加えることにより、フォトニック結晶領域の基板の屈折率が、電気光学効果により変化させるようにするものであるから、一方の電極を共通電極としてフォトニック結晶を形成する基板の一つの面の全面に設け、他の電極をフォトニック結晶を形成する基板の他の面上に光デバイスに対応するパターンとして形成することにより、任意の光デバイスデバイスを容易に得ることができる。以下、全面に設けた電極を第１の電極、光デバイスに対応するパターンとして形成された電極を第２の電極ということにする。
【００２８】
本発明では、第１の電極と第２の電極の間に電圧を印加することにより、第２の電極が設置してある２次元フォトニック結晶領域のフォトニックバンド構造を電気光学効果により変化させることができる。
【００２９】
第２の電極は、半導体素子作成に用いられるフォトリソグラフィー技術を用いて任意の形状にパターン形成できる。したがって本発明では、第２の電極形状を適宜設定することにより、光集積回路に必要なフォトニックバンド及び形状を有するフォトニック結晶を、電気光学効果により形成できる。
【００３０】
例えば、本発明により、光導波路として作用することを特徴とする光デバイスを作成することができる。このデバイスは、第１の電極と第２の電極の間に電圧を印加した場合に、第２の電極が設置してある２次元フォトニック結晶領域のフォトニックバンドギャップが変化することを利用したものであり、電圧印加時に導波光が第２の電極が設置してある部分のみを透過するようにフォトニックバンドギャップを変化させることにより実現される。
【００３１】
この場合の光導波路形状は、第２の電極形状となるので、本発明によれば任意形状の光導波路を形成することができる。例えば、第２の電極形状を、直線形、Ｌ字形、Ｓ字形、およびＴ形とした場合には、それぞれ直線形、Ｌ字形、Ｓ字形、およびＴ字形の導波路が形成される。なお、本発明による光導波路では、フォトニック結晶導波路に特有な急峻曲がり導波が可能であり、導波光の進路を９０度曲げることができる。
【００３２】
本発明では、第２の電極の設置してある２次元フォトニック結晶中に光が進行できるように、第２の電極の幅を、電気光学基板２中を導波する光の波長の１／２以上としてある。
【００３３】
本発明によれば、電気光学スイッチとして作用する光デバイスを作成できる。本発明による上記導波路デバイスは、第１の電極と第２の電極の間に電圧を印加した場合にのみ形成されるので、印加電圧を０とした場合には、導波路は消滅する。このように本発明の光導波路は、フォトニック結晶に電圧を印加した場合にのみ光を透過する電気光学スイッチとして作用する。
【００３４】
さらに、本発明によれば、光導波路および電気光学スイッチからなる光集積回路として作用することを特徴とする光デバイスを作成できる。この光デバイスは、電極上の単一の２次元フォトニック結晶表面上に複数の独立した第２のを連続的に設置し、第１と第２の電極の間に電圧を印加した場合に形成される光導波路の１部分が電気光学スイッチとして作用するようにすることにより実現される。
【００３５】
また、本発明によれば、波長分波光回路として作用することを特徴とする光デバイスを提供できる。この光デバイスは、第１の電極上の単一の２次元フォトニック結晶表面上に複数の独立した第２の電極を連続的に設置し、電極とそれぞれのパターン電極の間に印加する電圧が異なるようにすることにより実現される。
【００３６】
さらに、本発明によれば、交差型光スイッチとして作用することを特徴とする光デバイスを提供できる。このデバイスは、上記光導波路形成法により交差型光回路を形成し、交差部分のフォトニックバンドギャップを変化できるようにすることにより実現される。
【００３７】
この交差型光スイッチを複数組み合わせた光回路を単一の２次元フォトニック結晶中に形成することにより、光交換器が実現される。
【００３８】
本発明を構成する電気光学効果を示す基板としては何を用いてもよいが、安定性の観点から無機材料を用いることが好ましく、例えば、従来より、光回路基板として用いられているニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）を基板として用いることができる。
【００３９】
このように本発明によれば、単一の２次元フォトニック結晶より、フォトニック結晶構造の光集積回路を電気的に形成的に作成でき、複雑な工程を要する従来技術と比較してすぐれている。
【００４０】
以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。図中、同一の機能を有するものには同一の符号をつけてある。なお、以下の実施例では、空孔が正方格子状に配置されている２次元フォトニック結晶を用いた例を示すが、本発明は２次元フォトニック結晶の空孔格子形状に制限されない。
（第１の実施例）
図１は、本発明の最も単純な実施例１を上面側からの斜視図の形で示す模式図、図２は、図１のＡＡ位置で矢印方向に見た面断面図である。図２では、さらに、第１の電極と第２の電極の間に電圧を印加するための構成も示した。図中、１は第１の電極、２は電極１上の電気光学基板、３は空孔、４は基板２中に形成された２次元フォトニック結晶領域、５は第２の電極、６はフォトニック結晶領域４の内、電極１、５間に電圧が印加されることにより屈折率が変化する修飾された２次元フォトニック結晶領域、７は電極１、５間に電圧を印加するための直流電源、８は開閉スイッチである。この実施例１では、図２に示すように、空孔３は、電極１、電極５及び電気光学基板２を貫通するように形成されているが、これは、電極１、電気光学基板２及び電極５を所定の形に形成した上で、空孔３を形成する方が製作しやすいからこうしたのであって、電極１及び電極５に空孔３を形成することは必然ではない。
【００４１】
空孔３の配列周期は、縦横ともにａである。ａの値は、電気光学基板２中を導波する光の波長の１／２程度である。例えば、電気光学基板２を光ファイバー通信で用いられる波長１．５μｍ帯用のフォトニック結晶とする場合には、ａの値は０．５μｍ程度である。
【００４２】
本実施例１では、電極１、５間に電源７により電圧を印加した場合に、２次元フォトニック結晶領域４の内、電場が印加された部分は修飾された２次元フォトニック結晶領域６となり、この領域は電気光学効果により屈折率が変化する。
【００４３】
電気光学による屈折率変化δｎは（１）式で与えられる。
δｎ＝ｚＥ（１）
ここで、ｚは電気光学定数、Ｅは電場強度である。ｚは、正または負の値であるが、多くの電気光学材料ではｚの値が正であることが知られている。本実施例では、ｚが正である電気光学材料を電気光学基板２に用い、電極１、５間に電圧を印加した場合に修飾された２次元フォトニック結晶領域６の屈折率がフォトニック結晶領域４の部分の屈折率よりも大きくなるようにした。
【００４４】
図３（ａ）は、２次元フォトニック結晶領域４のフォトニックバンド構造の模式図である。光に対する禁制帯であるフォトニックバンドギャップの位置を太線でしめす。修飾された２次元フォトニック結晶領域６はフォトニック結晶領域４の１部分であるので、電極１、５間に電圧を印加しない場合、すなわち、修飾されていない場合には、この領域のフォトニックバンド構造も図３（ａ）である。
【００４５】
電極１、５間に電圧を印加すると、修飾された２次元フォトニック結晶領域６の部分の屈折率が電気光学効果により増加する。一般に屈折率がｍ倍になった場合、電極５の存在する領域のフォトニック結晶領域４内部を導波する光の波長は１／ｍとなり、その波数ｋはｍ倍となる。一方、光のエネルギーは屈折率変化の前後で変化しないので、電極１、５間に電圧を印加した場合のフォトニックバンドは、縦軸のスケールを１／ｍ倍した構造となる。本実施例では、電極１、５間に電圧Ｖを印加した場合、修飾された２次元フォトニック結晶領域６の屈折率が１．１８倍となるようにした。電極１、５間に電圧Ｖを印加した場合の修飾された２次元フォトニック結晶領域６のフォトニックバンド構造を図３（ｂ）に示す。
【００４６】
このよように、本実施例１では、電極１、５間に電圧を印加することにより、修飾された２次元フォトニック結晶領域６のフォトニックバンド構造を変化させることができる。
【００４７】
図３（ｂ）のフォトニックバンドギャップは、図３（ａ）のそれと比較して、バンドギャップ上端および下端のエネルギが大きく、バンドギャプ幅が広い。このように、本実施例では、電極１、５間に電圧を印加することにより、６のフォトニックバンドギャップを変化させることができる。
【００４８】
このように、本実施例では、第１の電極と第２の電極の間に電圧を印加することにより、パターン電極が設置してあるフォトニック結晶領域のフォトニックバンド構造およびフォトニックバンドギャップを変化させることができる。なお、電気光学効果による屈折率変化δｎは印加電場に比例して増大する（（１）式）ので、本実施例では、電極１、５間の印加電圧を変えることにより、６のフォトニックバンド構造およびフォトニックバンドギャップを連続的に変化させることが可能である。図４に、電極１、５間に印加する電圧を０、１．０Ｖ、１．２Ｖ、１．３Ｖ、１．５Ｖと変えた場合の修飾された２次元フォトニック結晶領域６のフォトニックバンドギャップの位置の変化を示す。印加する電圧を高くすることにより、バンドギャップの上端および下端のエネルギーが上昇し、バンドギャップの幅がひろくなる。
【００４９】
図５、６、及び７に、本実施例１の光デバイスの作成手順を断面図で示す。最初に電気光学基板２の両面に電極１、電極５を形成する。電気光学基板２としては、例えば、ニオブ酸リチウムＬｉＮｂＯ３を用い、電極１、電極５は、アルミニウム等の金属を電気光学基板２表面に蒸着して形成する。続いて、半導体素子作成に用いられている光リソグラフィー技術により、電極５をパターン形成する（図６）。なお、現在の光リソグラフィー技術によれば、０．１μｍ程度の線幅のパターン電極を形成できる。最後に、電子ビームリソグラフィーと反応性イオンビームエッチングを用いて、空孔３を電極５、電気光学基板２、電極１を貫通するように周期的に形成することにより、本実施例１の光デバイスが得られる（図７）。
【００５０】
電極１及び５がアルミニウムであり、電気光学基板２がニオブ酸リチウムである場合、空孔３は、半導体素子作成に用いられる光フォトリソグラフィー技術及びプラズマエッチング技術を用い、空孔部分を選択的にエッチングして形成できる。ＣＨ４及びＯ２を用いるプラズマエッチングでは下記（化１）に示す化学反応が進行し活性種Ｆが生じる。
【００５１】
ＣＦ４＋Ｏ２→ＣＯＦ２＋Ｆ＋ＣＯ（化１）
この反応条件下では、アルミニウムは酸化されては酸化アルミニウムとなり、活性種Ｆによりエッチッグ可能となる。またニオブ酸リチウムは、活性種Ｆによりエッチング可能である。したがって、上記プラズマエッチングによれば電極１及び５、ならびに電気光学基板２をエッチングして空孔３を形成できる。
【００５２】
図８（ａ），（ｂ）に、電極１、５間に電圧を印加する方法の例を示す。（ａ）において、７は電圧源としての電気回路、８は金属基板、９は電圧源７の電極、１０は電極５と電極９を接続する金属ワイヤーである。電極１は電圧源７の他の電極に接続された金属基板８と接触するとともに電気的に接続されて配置されている。電圧源７は金属基板８と電極９の間に所定の直流電圧を発生させ、金属基板８と金属ワイヤー１０とにより電極１、５間に電圧を印加できる。このように、本実施例を電気回路と組み合わせて構成することにより、電極１、５間に電圧が印加するようにできる。
【００５３】
（ｂ）は、電気光学基板２の上面に、たとえば、ＳｉＯ２による絶縁層１００を形成して、その上に、金属ワイヤー１０に代わる配線層１０’を形成し、この配線層１０’を絶縁層１００に形成したスルーホールを介して電極５と接続するとともに、金属ワイヤー１０１によって電極９と接続したものである。このように電気光学基板２の上面に配線層１０’を形成する場合、電気光学基板２の厚さの３倍程度の絶縁層を設ければ、この配線層１０’が２次元フォトニック結晶領域４に影響を及ぼすことはない。
（第２の実施例）
図９は直線型光導波路として作用する本発明の光デバイスの実施例の上面側から見た斜視図である。１は第１の電極、２は電気光学基板、３は空孔、４は電気光学基板２中の２次元フォトニック結晶領域、５は第２の電極である。本実施例では、直線状の電極５を用いた。電極５の幅は空孔３の配列周期ａの２倍よりやや大きくした。すなわち、本実施例で構成される導波路に導入される光の波長よりやや長いものとした。以下の実施例でも同様とする。電極１、５間の電圧印加により２次元フォトニック結晶領域４の内、電極５で覆われた領域は修飾された２次元フォトニック結晶領域となる。電極１、５間に電圧を印加することにより、修飾された２次元フォトニック結晶領域の屈折率が電気光学効果により増大するようにした。１１と１２は光ファイバーであり、それぞれが電気光学基板２の端面で、電極５で覆われた領域の部分と光学的に接続されるようにした。
【００５４】
電極１、電気光学基板２、空孔３及び空孔３の配列周期ａは第１の実施例の場合と同じである。本実施例は、電極５および６の形状は直線状である点が、第１の実施例と異なる。従って、２次元フォトニック結晶領域４のフォトニックバンド構造は図３（ａ）である。電極１、５間への電圧印加による修飾された２次元フォトニック結晶領域のフォトニックバンド構造は、電極１、５間の印加電圧により変化し、印加電圧が０である場合のフォトニックバンド構造は図３（ａ）、印加電圧がＶを印加した場合のフォトニックバンド構造は図３（ｂ）である。
【００５５】
電極１、５間に電圧を印加せずに、光ファイバー１１により光エネルギーがＡの光を電極５で覆われた領域の電気光学基板２の端面に入射すると、入射光はフォトニックバンドギャップ中の光であるので（図３（ａ）参照）２次元フォトニック結晶領域４を透過できず、光ファイバー１２へ光は出力されない。一方、電極１、５間に電圧Ｖを印加した場合、修飾された２次元フォトニック結晶領域のフォトニックバンド構造は図３（ｂ）となるので、入射光は修飾された２次元フォトニック結晶領域を透過できるようになる。修飾された２次元フォトニック結晶領域を除く２次元フォトニック結晶領域４の部分のフォトニックバンド構造は印加電圧に関係なく図３（ａ）である。このため、入射光は修飾された２次元フォトニック結晶領域を除く２次元フォトニック結晶領域４に進行できず、修飾された２次元フォトニック結晶領域内部を導波して光ファイバー１２へと出力される。このように、本実施例は、電極１、５間に電圧Ｖを印加した場合、直線型光導波路として作用する。
【００５６】
これに対して、電極１、５間に電圧を印加しない場合、本実施例は導波路として作用しない。従って、本実施例は、電極１、５間の電圧により６の光の透過状態をコントロールすることができる。即ち、電極１、５間に電圧を印加しない場合、光ファイバー１１と光ファイバー１２は光学的に接続されないが、電極１、５間に電圧Ｖを印加した場合には、光ファイバー１１と光ファイバー１２は修飾された２次元フォトニック結晶領域により光学的に接続される。このように、本実施例は、電極１、５間の電圧を変化させることにより、電気光学スイッチとして作用する。
【００５７】
なお、本実施例でも、図８（ａ），（ｂ）で説明したと同様の配線が設けられるが、図が煩雑となるだけなので、表記を省略した。以下の実施例についても配線の表記は省略する。
（第３の実施例）
図１０はＬ字型光導波路として作用する本発明の実施例の上面側から見た斜視図である。１は第１の電極、２は電気光学基板、３は空孔、４は電気光学基板２中の２次元フォトニック結晶領域、５は第２の電極である。本実施例３では、電極５をＬ字型とした点において実施例２と異なるのみで、他は同じである。本実施例でも、電極１、５に電圧が印加されると、２次元フォトニック結晶領域４の内、電極５に覆われた部分は修飾された２次元フォトニック結晶領域となり、第２の実施例と同様に、光ファイバー１１から入射された光は光ファイバー１２に出力される。このように、本実施例はＬ字型急峻導波路として作用し、フォトニック結晶構造の光導波路に特徴的な急峻曲がり導波が可能である。
【００５８】
電極１、５間に電圧を印加しない場合には、第２の実施例同様、本実施例３は光導波路として作用しない。従って本実施例３は、電極１、５間の電圧を変化させることにより、光ファイバー１１と光ファイバー１２の間の光学的接続状態を変えることができ、電気光学スイッチとして作用する。
（第４の実施例）
図１１はＳ字型光導波路として作用する本発明の実施例の上面側から見た斜視図である。１は第１の電極、２は電気光学基板、３は空孔、４は電気光学基板２中の２次元フォトニック結晶領域、５は第２の電極である。本実施例４では、電極５をＳ字型とした点において実施例２、３と異なるのみで、他は同じである。
【００５９】
本実施例４においても、Ｓ字型電極５で覆われた領域は、電極１、５間に電圧を印加されると、修飾された２次元フォトニック結晶領域となる。２次元フォトニック結晶領域４のフォトニックバンド構造および電圧印加による修飾された２次元フォトニック結晶領域のフォトニックバンド構造は、第１の実施例の場合と同じである（図３、４参照）。
【００６０】
第２、３の実施例同様、本実施例は光導波路として作用する。即ち、電極１、５間に電圧Ｖを印加して、光ファイバー１１により光エネルギーがＡの光を入射させると、入射光は修飾された２次元フォトニック結晶領域を導波して光ファイバー１２へと出力される。このように、本実施例は、フォトニック結晶構造の光導波路に特徴的な急峻曲がり導波を利用するＳ字型急峻導波路として作用する。
【００６１】
一方、電極１、５間に電圧を印加しない場合には、第２、３の実施例同様、本実施例は導波路として作用しない。従って本実施例４は、電極１、５間の電圧を変化させることにより、光ファイバー１１と光ファイバー１２の間の光学的接続状態を変えることができ、電気光学スイッチとして作用する。
（第５の実施例）
図１２はＴ字型光導波路として作用する本発明の実施例の上面側から見た斜視図である。１は第１の電極、２は電気光学基板、３は空孔、４は電気光学基板２中の２次元フォトニック結晶領域、５は第２の電極である。本実施例５では、電極５をＴ字型とした点において実施例２−４と異なるのみで、他は同じである。
【００６２】
本実施例５においても、Ｔ字型電極５で覆われた領域は、電極１、５間に電圧を印加されると、修飾された２次元フォトニック結晶領域となる。２次元フォトニック結晶領域４のフォトニックバンド構造および電圧印加による修飾された２次元フォトニック結晶領域のフォトニックバンド構造は、第１の実施例の場合と同じである（図３、４参照）。
【００６３】
第２−４の実施例同様、本実施例は光導波路として作用する。即ち、電極１、５間に電圧Ｖを印加して、光ファイバー１１により光エネルギーがＡの光を入射させると、入射光は修飾された２次元フォトニック結晶領域を導波し、Ｔ字交差部で分岐されて光ファイバー１２、１３へと出力される。このように、本実施例は、フォトニック結晶構造の光導波路に特徴的な急峻曲がり導波を利用するＴ字型急峻導波路として作用する。
【００６４】
一方、電極１、５間に電圧を印加しない場合には、第２−４の実施例同様、本実施例は導波路として作用しない。従って本実施例５は、電極１、５間の電圧を変化させることにより、光ファイバー１１と光ファイバー１２、１３の間の光学的接続状態を変えることができ、電気光学スイッチとして作用する。
【００６５】
上述した第２〜５の実施例で示したように、本発明は、２次元フォトニック結晶４中に第２の電極形状に対応した光導波路を形成でき、形成された導波路は電気光学スイッチとして動作可能である。本発明によれば、第２の電極形状を適宜変えることにより、任意形状のフォトニック結晶導波路及び電気光学スイッチを作成でき、複雑な光集積回路を作ることができる。
（第６の実施例）
図１３は、光導波路および電気光学スイッチからなる光集積回路として作用する本発明の実施例の上面側から見た斜視図である。１は第１の電極、２は電気光学基板、３は空孔、４は電気光学基板２中の２次元フォトニック結晶領域、５および１４は第２の電極である。本実施例６では、第２の電極を電極５と電極１４に分割し、両者を間隔ｄだけ離して配置した点において実施例２−５と異なるのみで、他は同じである。従って、電極１、５間および電極１、１４間に電圧を印加した場合に、２次元フォトニック結晶領域４の電極５、１４に対応する領域が修飾された２次元フォトニック結晶領域６となること、また、２次元フォトニック結晶領域４および修飾された２次元フォトニック結晶領域のフォトニックバンド構造は、第１の実施例の場合と同じである（図３、４）。ここで、電極５と電極１４の間隔ｄを２次元フォトニック結晶領域４の空孔周期ａよりも小さくするとともに、その位置に２次元フォトニック結晶を形成する空孔３を含まないようにして、この領域が光を散乱あるいは反射しないようにされている。
【００６６】
本実施例６では、光ファイバー１１−１３が実施例５と同様に設けられているが、電極５と電極１４とは分離されるとともに、これに加えられる電圧は独立して制御される。従って、光ファイバー１１、１２間は、電極１、５間に電圧Ｖを印加することにより、修飾された２次元フォトニック結晶領域を介して導波されるが、光ファイバー１１、１３間は、これだけでは、電極１４に対応する領域が修飾された２次元フォトニック結晶領域とならないので、導波されない。電極１と電極５、及び電極１と電極１４の間にともに電圧Ｖを印加し、光ファイバー１１により光エネルギーがＡの光を、修飾された２次元フォトニック結晶領域に入射すると、入射光はこの領域を導波され、電極５のＴ字部で分岐され、光ファイバー１２へ導かれるとともに、光ファイバー１３へも導かれる。
【００６７】
このように、本実施例６は、電極５と電極１４にかける電圧を独立に制御することにより、光ファイバー１１から導入された光の透過を光ファイバー１２のみ、あるいは光ファイバー１２と１３の両方のいずれかに制御することができる電気光学スイッチおよび光導波路からなる光集積回路として機能させることができる。
（第７の実施例）
図４で説明したように、２次元フォトニック結晶領域４の電圧印加部のフォトニックバンドは、印加電圧に依存して変化する。このことを利用して、上述した第６の実施例（図１３）を波長選択回路として機能するものとすることができる。図１４は、電極１、１４の間の印加電圧を変化させた場合の電極１４の位置に対応する修飾された２次元フォトニック結晶領域のフォトニックバンドギャップを示す。印加電圧がＶの場合、この領域はエネルギーＥの光は通しても、エネルギーがＤの光を通さない。印加電圧が１．２Ｖの場合には、この領域はエネルギーがＥの光およびＤの両方の光を通す。同様に、電極５の位置に対応する修飾された２次元フォトニック結晶領域の場合にも、電極１、５間の印加電圧がＶの場合、この領域はエネルギーＥの光は通しても、エネルギーがＤの光を通さない。印加電圧が１．２Ｖの場合、この領域はエネルギーがＥの光およびＤの光の両方を通す。
【００６８】
従って、電極１、５間に１．２Ｖの電圧、電極１、１４間にＶの電圧を印加し、光ファイバー１１によりエネルギーがＥの光およびエネルギーがＤの両方の光を修飾された２次元フォトニック結晶領域に入射すると、これらの光は電極５に対応する修飾された２次元フォトニック結晶領域を導波して電極５のＴ字部で分岐され、光ファイバー１２導かれるとともに、電極１４に対応する修飾された２次元フォトニック結晶領域にも導かれる。電極１、５間には１．２Ｖの電圧が印加されているから、光ファイバー１２はエネルギーがＥの光およびエネルギーがＤの両方の光を受光できるが、電極１、１４間には電圧Ｖが印加されているので、光ファイバー１３はエネルギーがＥの光のみしか受光できない。このように本実施例７は、電極５、１４に加える電圧を制御することで、波長選択回路として機能するものとできる。
（第８の実施例）
図１５は、交差型光スイッチとして作用する本発明の実施例の上面側から見た斜視図である。１は第１の電極、２は電気光学基板、３は空孔、４は電気光学基板２中の２次元フォトニック結晶領域、５１，５２は第２の電極、１８は第３の電極である。本実施例８では、第２の電極を底部が対向したＶ字型の電極５１，５２に分割し、第３の電極１８をＶ字型の電極５１，５２の対向した底部の間にそれぞれ間隔ｄだけ離して配置したこと、およびＶ字型の電極５１，５２の端部に光を授受するための光ファイバーを配置したことにおいて実施例２−６と異なるのみで、他は同じである。電極５１，５２に印加される電圧と電極１８に印加される電圧は独立に制御される。ここで、電極５１，５２と電極１８の間隔ｄを２次元フォトニック結晶領域４の空孔周期ａよりも小さくするとともに、その位置に２次元フォトニック結晶を形成する空孔３を含まないようにして、この領域が光を散乱あるいは反射しないようにされていることは実施例６と同じである。
【００６９】
本実施例８においても、Ｖ字型電極５で覆われた領域は、電極１、５１間、電極１、５２間に電圧を印加されると、修飾された２次元フォトニック結晶領域となる。２次元フォトニック結晶領域４のフォトニックバンド構造および電圧印加による修飾された２次元フォトニック結晶領域のフォトニックバンド構造は、第１の実施例の場合と同じである（図３、４参照）。実施例２−６と同様、本実施例でも、修飾された２次元フォトニック結晶領域は光導波路として作用する。即ち、電極１、５１間に電圧Ｖを印加して、光ファイバー１１により光エネルギーがＡの光を入射させると、入射光は修飾された２次元フォトニック結晶領域を導波して光ファイバー１２へと出力される。
【００７０】
ところで、本実施例８では、Ｖ字型の電極５１，５２の対向した底部の間には第３の電極１８をそれぞれ間隔ｄだけ離して配置するとともに、電極５１，５２に印加される電圧と電極１８に印加される電圧は独立に制御されるものとしたので、電極１、５１間、電極１、５２間にのみ電圧を印加して光ファイバー１１により光エネルギーがＡの光を入射させても、この光は光ファイバー１２に導波されるのみである。なぜなら、電極１８には電圧が印加されていないから、電極１８に対応する２次元フォトニック結晶領域は、修飾された２次元フォトニック結晶領域とはならず、光導波路として機能しない。それゆえ、Ｖ字型の電極５１に対応する２次元フォトニック結晶領域が、修飾された２次元フォトニック結晶領域となって光を導波しても、電極１８に対応する２次元フォトニック結晶領域で、この光は阻止されてしまい、Ｖ字型の電極５２に対応する修飾された２次元フォトニック結晶領域には伝播されないからである。
【００７１】
一方、電極１、５１間、電極１、５２間に電圧を印加するとともに、電極１、１８間にも電圧Ｖを印加した場合には、電極５１、電極５２に対応する２次元フォトニック結晶領域が、修飾された２次元フォトニック結晶領域になるとともに、電極１８に対応する領域も修飾された２次元フォトニック結晶領域になる。したがって、光ファイバー１１により光エネルギーがＡの光を入射されると、入射光は電極１８に対応する領域を導波されて光ファイバー１３、１７に出力されることになる。
【００７２】
この機能は可逆的であり、光ファイバー１３から光エネルギーがＡの光が入射される場合においても同様である。すなわち、電極１、５１間、電極１、５２間にのみ電圧を印加した場合には、入射光は光ファイバー１７にのみ伝播され、電極１、５１間、電極１、５２間に電圧を印加するとともに、電極１、１８間にも電圧Ｖを印加した場合には、入射光は光ファイバー１１、１２にも伝播される。
【００７３】
このように、本実施例８は、電極１、１８間への電圧印加を制御することにより光の出力状態を変化させることができ、バー状態、クロス状態を選択できる交差型光スイッチとして機能させることができる。
（第９の実施例）
図１６は、４×４の光交換器として作用する本発明の実施例の平面図である。本実施例は、第８の実施例の交差型光スイッチを４つ組み合わせて４×４の光交換器を構成したものである。本実施例は図を簡便化するために平面図で示し、光ファイバーは図示を省略したが、構造の基本とする点は上述の実施例と同じである。１は第１の電極、２は電気光学基板、３は空孔、４は電気光学基板２中の２次元フォトニック結晶領域、５１，５２、５３および５４は第２の電極、１８１−１８４は第３の電極である。本実施例９では、第２の電極を底部が対向したＷ字型の電極５１−５２および底部が対向したＷ字型の電極５３−５４とし、電極５１および５３の中央部は一体化した。第３の電極１８１−１８４をＷ字型の電極５１−５２の対向した底部の間およびＷ字型の電極５３−５４の対向した底部の間にそれぞれ間隔ｄ（図示は省略）だけ離して配置したこと、およびＷ字型の電極５１−５４の端部に光を授受するための光ファイバーを配置した（ただし図示は省略９）ことにおいて実施例２−６および８と異なるのみで、他は同じである。電極５１−５４に印加される電圧と電極１８１−１８４に印加される電圧は独立に制御されるとともに、選択的に行われる。ここで、電極５１，５２と電極１８の間隔ｄを２次元フォトニック結晶領域４の空孔周期ａよりも小さくするとともに、その位置に２次元フォトニック結晶を形成する空孔３を含まないようにして、この領域が光を散乱あるいは反射しないようにされていることは実施例６と同じである。。
【００７４】
本実施例では、第２の電極５１，５２、５３および５４の両端部の２次元フォトニック結晶領域４に対応する位置に、光ファイバーで入射光Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３およびＳ４を加えるが、第３の電極１８１−１８４と電極１の間に選択的に電圧を加えることにより、出力光Ｓ１’、Ｓ２’、Ｓ３’およびＳ４’のいずれかに切り替えられる。
【００７５】
例えば、電極１と電極５１，５２、５３および５４の間に電圧Ｖを印加し、電極１と電極１８１−１８４の間のいずれにも電圧を印加しない状態で、エネルギーがＡの入射光Ｓ１−Ｓ４を入射すると、電極５１，５２、５３および５４に対応する位置の２次元フォトニック結晶領域のみが修飾された２次元フォトニック結晶領域となるだけなので、入射光Ｓ１−Ｓ４は電極１８１−１８４に対応する位置で導波を阻止される結果、それぞれ出力光Ｓ１’、Ｓ２’、Ｓ３’およびＳ４’として出力される。
【００７６】
一方、電極１と電極５１，５２、５３および５４の間に電圧Ｖを印加するとともに、電極１と電極１８１−１８４の間にも電圧を印加した状態で、エネルギーがＡの入射光Ｓ１−Ｓ４を入射すると、電極５１，５２、５３および５４に対応する位置の２次元フォトニック結晶領域のみが修飾された２次元フォトニック結晶領域となるのみならず、電極１８１−１８４に対応する位置でも２次元フォトニック結晶領域が修飾された２次元フォトニック結晶領域となるので、入射光Ｓ１−Ｓ４は電極１８１−１８４に対応する位置で導波されることとなる。その結果、入射光Ｓ１は出力光Ｓ４’に、入射光Ｓ２は出力光Ｓ２’に、入射光Ｓ３は出力光Ｓ３’に、入射光Ｓ４は出力光Ｓ１’に、それぞれ出力される。
（その他の実施例）
上述の実施例では、電極１は２次元フォトニック結晶領域４を形成する電気光学基板２の全面をカバーするものとしたが、修飾された２次元フォトニック結晶領域６を形成するためには、電極１もパターン電極５に対応する部分にのみ有れば良いわけであるから、たとえば、適当な半導体基板面にパターン電極５に対応するパターン電極をリソグラフィ技術により形成して、この上に電気光学基板２を形成しても良いわけである。
【００７７】
また、第１の実施例において、空孔３は周期的に形成されていればよく、図７に示すように電気光学基板２に対して垂直に形成されている必要はない。これは、空孔が周期的に形成されてさえいれば、領域４および６はフォトニック結晶と作用するからである。第２〜９の実施例に関しても同様である。
【００７８】
【発明の効果】
本発明により、任意形状のフォトニック結晶構造の光導波路、電気光学スイッチ、それらからなる光集積回路、波長選択回路、交差型光スイッチ、及び光交換器を単一の２次元フォトニック結晶を用いて容易に作成できる。本発明によれば、フォトニック結晶の特徴を生かした超小型光集積回路を電気的に形成することができる。本発明は、光信号と電気信号が共存するオプトエレクトロニクス技術、例えばオプテイカルインターコネクション技術に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の最も単純な実施例１を上面側からの斜視図の形で示す模式図。
【図２】図１のＡＡ位置で矢印方向に見た面断面図。
【図３】（ａ）は、２次元フォトニック結晶領域のフォトニックバンド構造の模式図、（ｂ）は修飾されたフォトニック結晶領域のフォトニックバンド構造の模式図。
【図４】２次元フォトニック結晶領域を挟む電極間に印加する電圧を変えた場合の修飾された２次元フォトニック結晶領域のフォトニックバンドギャップの位置の変化を示す図。
【図５】実施例１の光デバイスの作成手順の一つを示す断面図。
【図６】図５に続く実施例１の光デバイスの作成手順を示す断面図。
【図７】図６に続く実施例１の光デバイスの作成手順を示す断面図。
【図８】（ａ），（ｂ）は実施例１の２次元フォトニック結晶領域を挟む電極間に電圧を印加する方法の例を示す図。
【図９】直線型光導波路として作用する本発明の光デバイスの実施例２の上面側から見た斜視図。
【図１０】Ｌ字型光導波路として作用する本発明の実施例３の上面側から見た斜視図。
【図１１】Ｓ字型光導波路として作用する本発明の実施例４の上面側から見た斜視図。
【図１２】Ｔ字型光導波路として作用する本発明の実施例５の上面側から見た斜視図。
【図１３】光導波路および電気光学スイッチからなる光集積回路として作用する本発明の実施例６の上面側から見た斜視図。
【図１４】図１３の電気光学スイッチを実施例７の波長選択回路として機能させるための修飾された２次元フォトニック結晶領域のフォトニックバンドギャップを示す図。
【図１５】交差型光スイッチとして作用する本発明の実施例８の上面側から見た斜視図。
【図１６】４×４の光交換器として作用する本発明の実施例９の平面図。
【符号の説明】
１：第１の電極、２：電気光学基板、３：空孔、４：２次元フォトニック結晶領域、５，５１−５４：第２の電極、６：修飾された２次元フォトニック結晶領域、７：電気回路、８：金属基板、９：電気回路７の電極、１０：金属ワイヤー、１１−１３，１７：光ファイバー、１８，１８１−１８４：第３の電極。

Claims

第１の電極と、前記第１の電極の片面に形成された固体材料よりなる電気光学基板と、前記電気光学基板中に形成され、且つ、周期的に均質に配列された空孔よりなり、前記第１の電極の片面の全域の光学的なバンドギャップが均質に作られているフォトニック結晶領域と、前記フォトニック結晶領域の前記第１の電極の片面と対向する面に前記電気光学基板中を導波する光の波長の１／２以上の幅をもつようにパターン形成された第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極の間に電圧を印加する手段と、前記第２の電極下のフォトニック結晶領域に光を入射する照射器および前記第２の電極下のフォトニック結晶領域で導波された光を受光する受光器とを備えるとともに、前記第１の電極と前記第２の電極の間に電圧を印加したときに前記第２の電極下のフォトニック結晶領域のみが光を透過するようにバンドギャップを変化させ、導波路形状を前記第２の電極形状とすることを特徴とする光デバイス。
前記第２の電極が二つ以上に分離され、かつ、分離された電極が前記第２の電極下のフォトニック結晶領域に入射される光の波長の１／２程度に近接して配置されるとともに、それぞれの電極に加える電圧が独立に制御される請求項１記載の光デバイス。
前記分離された二つの第２の電極の間に第３の独立した電極を前記第２の電極下のフォトニック結晶領域に入射される光の波長の１／２程度に近接して配置するとともに、前記第２の電極に加える電圧と前記第３の独立した電極に加える電圧とが独立に制御され、且つ、前記第１の電極と前記第３の電極の間に電圧を印加したときに前記第３の電極下のフォトニック結晶領域のみが光を透過するようにバンドギャップを変化させ、前記第２の電極形状とされた導波路形状間で光が透過できるようにした請求項２記載の光デバイス。
前記電気光学基板上面に絶縁材料の層が形成されるとともに、前記第２または第３の電極が前記絶縁材料の層に形成されたスルーホールを介して導出された導体を利用して電圧が印加される請求項３に記載の光デバイス。
固体材料よりなる電気光学基板と、前記電気光学基板中に周期的に空孔を均質に配列して形成され、光学的なバンドギャップが均質に作られているフォトニック結晶領域と、前記フォトニック結晶領域の両面に同一のパターンで形成され、且つ、前記フォトニック結晶領域中を導波する光の波長の１／２以上の幅をもつ第１の電極および第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極の間に電圧を印加する手段と、前記第２の電極下のフォトニック結晶領域に光を入射する照射器および前記第２の電極下のフォトニック結晶領域で導波された光を受光する受光器とを備えるとともに、前記第１の電極と前記第２の電極の間に電圧を印加したときに前記第２の電極下のフォトニック結晶領域のみが光を透過するようにバンドギャップを変化させ、導波路形状を前記第２の電極形状とすることを特徴とする光デバイス。
前記電極のパターンに対応するフォトニック結晶領域が、直線型、Ｌ字型、Ｓ字型、およびＴ字型光導波路、電気光学スイッチ、波長選択回路、交差型光スイッチ、光交換器あるいは光導波路および電気光学スイッチからなる光集積回路として機能する請求項１ないし５のいずれかに記載の光デバイス。
第１の電極と、前記第１の電極の片面に形成された固体材料よりなる電気光学基板と、前記電気光学基板中に形成され、且つ、周期的に均質に配列された空孔よりなり、前記第１の電極の片面の全域の光学的なバンドギャップが均質に作られているフォトニック結晶領域と、前記フォトニック結晶領域の前記第１の電極の片面と対向する面に前記電気光学基板中を導波する光の波長の１／２以上の幅をもつようにパターン形成された第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極の間に電圧を印加する手段とよりなるとともに、前記第１の電極と前記第２の電極の間に電圧を印加したときに前記第２の電極下のフォトニック結晶領域のみが光を透過するようにバンドギャップを変化させ、導波路形状を前記第２の電極形状とすることを特徴とする光デバイス用基板。
前記第２の電極が二つ以上に分離され、かつ、分離された電極が前記第２の電極下のフォトニック結晶領域に入射される光の波長の１／２程度に近接して配置されるとともに、それぞれの電極に加える電圧が独立に制御される請求項７記載の光デバイス用基板。
前記分離された二つの第２の電極の間に第３の独立した電極を前記第２の電極下のフォトニック結晶領域に入射される光の波長の１／２程度に近接して配置するとともに、前記第２の電極に加える電圧と前記第３の独立した電極に加える電圧とが独立に制御され、且つ、前記第１の電極と前記第３の電極の間に電圧を印加したときに前記第３の電極下のフォトニック結晶領域のみが光を透過するようにバンドギャップを変化させ、前記第２の電極形状とされた導波路形状間で光が透過できるようにした請求項８記載の光デバイス用基板。
前記電気光学基板上面に絶縁材料の層が形成されるとともに、前記第２または第３の電極が前記絶縁材料の層に形成されたスルーホールを介して導出された導体を利用して電圧が印加される請求項９に記載の光デバイス用基板。
固体材料よりなる電気光学基板と、前記電気光学基板中に周期的に空孔を均質に配列して形成され、光学的なバンドギャップが均質に作られているフォトニック結晶領域と、前記フォトニック結晶領域の両面に同一のパターンで形成され、且つ、前記フォトニック結晶領域中を導波する光の波長の１／２以上の幅をもつ第１の電極および第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極の間に電圧を印加する手段とよりなるとともに、前記第１の電極と前記第２の電極の間に電圧を印加したときに前記第２の電極下のフォトニック結晶領域のみが光を透過するようにバンドギャップを変化させ、導波路形状を前記第２の電極形状とすることを特徴とする光デバイス。
前記電気光学基板上面に絶縁材料の層が形成されるとともに、前記第２の電極が前記絶縁材料の層に形成されたスルーホールを介して導出された導体を利用して電圧が印加される請求項１または２に記載の光デバイス。
前記電気光学基板上面に絶縁材料の層が形成されるとともに、前記第２の電極が前記絶縁材料の層に形成されたスルーホールを介して導出された導体を利用して電圧が印加される請求項７または８に記載の光デバイス用基板。