JP4121409B2 - 光出力装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、光出力装置に関し、特に、光出力部としての結晶欠陥を有する光出力装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、エレメント（光出力部）を介して光を出力する光出力装置が知られている。その光出力装置の１つとして、光を通したり、または、光を通さなかったりする機能を有するエレメント（光出力部）をマトリックス状に配置した光空間変調器型の光出力装置が知られている。
【０００３】
従来の光空間変調器型の光出力装置としては、液晶を含むエレメントを用いる液晶光空間変調器が知られている（たとえば、非特許文献１参照）。この液晶光空間変調器は、直視型ディスプレイ装置、投影型ディスプレイ装置や、光信号で動作させるコンピュータとしての並列光演算装置などに用いられている。また、液晶光空間変調器を動画ホログラム装置として用いる試みもなされている。
【０００４】
図１７は、従来の液晶光空間変調器の１つのエレメントを示した等価回路図である。図１８は、図１７に示した従来の液晶光空間変調器のエレメントをアレイ化した場合の等価回路図である。図１７を参照して、従来の液晶光空間変調器を構成する各エレメント１００は、液晶１０１と、スイッチングのためのトランジスタ１０２とを備えている。トランジスタ１０２のゲートは、ゲート線１０３に接続されている。また、トランジスタ１０２のドレインは、ソース線１０４に接続されており、トランジスタ１０２のソースは、液晶１０１に接続されている。このトランジスタ１０２は、ゲート線１０３に入力される信号によってオンオフ制御される。また、図１８に示すように、液晶１０１に電圧を印加するための電極１０５が、液晶１０１に接続されている。
【０００５】
図１８に示した従来の液晶光空間変調器の動作としては、選択されたゲート線１０３の信号がＨレベルになることによって、トランジスタ１０２がオンする。そして、選択されたゲート線１０３の信号がＨレベルになることと同期して、選択されたソース線１０４に信号が与えられる。そして、ソース線１０４の信号がトランジスタ１０２を介して液晶１０１に供給されることによって、選択された液晶１０１が駆動される。
【０００６】
【非特許文献１】
「ＬＣＤの製造技術と大容量ＬＣＤの開発」、トリケップス企画部編集、１９８７年２月２０日
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１８に示した従来の液晶光空間変調器では、エレメント１００の光出力部分として液晶１０１を用いているので、液晶１０１の透過率を変化させてエレメント１００を駆動するために電力を供給する必要がある。このため、マトリックス状に配置された各エレメント１００を駆動するためには、各エレメント１００毎に電力を供給するためのゲート線１０３およびソース線１０４などの配線を接続する必要があるので、エレメント１００を小さくするのが困難であるという不都合があった。
【０００７】
また、従来、マトリックス状に配置されたエレメント（光出力部）として、液晶１０１に代えて、発光素子を用いる自発光型の光出力装置が知られている。しかし、この自発光型の光出力装置についても、図１８に示した従来の液晶光空間変調器と同様、各エレメント毎に電力を供給するための配線を接続する必要があるので、エレメントを小さくするのが困難であった。
【０００８】
上記のように、従来では、エレメントを小さくすることが困難であるため、基板上に多数のエレメントを配置するのは困難であった。このため、高精細な光出力装置を提供するのが困難であるという問題点があった。
【０００９】
また、従来では、基板上の任意の位置を発光させる方法として、フォトニック結晶を用いる方法が提案されている。図１９、図２１および図２２は、従来のフォトニック結晶の光導波路を説明するための平面図である。図２０は、図１９に示したフォトニック結晶の透過率と波長との関係を示した相関図である。図２０の縦軸には、透過率がとられており、横軸には、波長がとられている。
【００１０】
まず、図１９を参照して、従来のフォトニック結晶は、薄膜状の光学媒質１１１の表面に、サブミクロン周期で三角格子状に配列された凹部または凸部からなる格子１１１ａによって構成されている。この光学媒質１１１に波長Ｐを有する光１１２ａを入射すると、図１９に示すように、光１１２ａは反射する。その一方、光学媒質１１１に波長Ｐ以外の波長を有する光１１２ｂを入射すると、図１９に示すように、光１１２ｂは透過する。すなわち、図１９に示したフォトニック結晶では、図２０に示すように、波長Ｐの光１１２ａの透過率をほぼ０にすることができる。このため、図１９に示したフォトニック結晶には、波長Ｐの光１１２ａが存在することができない。また、周期および格子サイズを変えたフォトニック結晶を用いることによって、波長Ｐの光１１２ａを存在させることもできる。このように、フォトニック結晶は、フォトニック結晶の周期および格子サイズを変えることによって、任意の波長を有する光を存在させたり、または、存在させなくすることができるという性質を有する。
【００１１】
このフォトニック結晶の性質を利用して、任意の波長の光のみを導波させることが可能な導波路を形成することができる。たとえば、図２１に示すように、波長Ｐの光１１２ａが存在することができないフォトニック結晶に格子１１１ａが欠落した領域１１３を形成すると、波長Ｐの光１１２ａは、領域１１３のみに存在することができる。これにより、領域１１３を波長Ｐの光１１２ａの導波路として用いることができる。また、領域１１３の近傍に、波長Ｐの光１１２ａが存在することができる欠陥１１４を形成すると、光のトンネル効果によって、波長Ｐの光１１２ａを欠陥１１４に局在させることができる。このことは、たとえば、「Ｎａｔｕｒｅ」、Ｖｏｌ．４０７、２０００年１０月５日、ｐｐ．６０８−６１０などに開示されている。
【００１２】
また、図２２に示すように、欠陥１１４ａを格子１１１ａよりも大きいサイズの２つの格子１１１ｂにより構成することによって、２つの格子１１１ｂが他の格子１１１ａとは異質になるので、２つの格子１１１ｂからなる欠陥１１４ａを共振器として機能させることができる。このことは、たとえば、「Ｓｃｉｅｎｃｅ」、Ｖｏｌ．２８４、１９９９年６月１１日、ｐｐ．１８１９−１８２１などに開示されている。これにより、欠陥１１４ａを構成する２つの格子１１１ｂのサイズを調整することによって、光学媒質１１１の表面に対して垂直方向に光を放出することができる。このように、フォトニック結晶を用いれば、基板上の任意の位置に形成された欠陥１１４または１１４ａを発光させることができるとともに、欠陥１１４または１１４ａを発光させるための配線を接続する必要がない。このため、発光部の小型化が可能である。
【００１３】
従来では、上記したフォトニック結晶の欠陥１１４または１１４ａをマトリックス状に配置して光出力装置として用いることは試みられていなかった。また、たとえ、フォトニック結晶を含む光出力装置を実用化しようとしても、マトリックス状に配置された欠陥１１４または１１４ａを選択的に発光させることは困難であるため、フォトニック結晶を用いた光出力装置を実現するのは困難であると考えられていた。
【００１４】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、フォトニック結晶を用いた高精細な光出力装置を提供することである。
【００１５】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
上記目的を達成するために、この発明の第１の局面による光出力装置は、基板上に、第１の方向に形成され、第１の波長の光が導波可能で、かつ、第２の波長の光が実質的に導波できない第１フォトニック結晶構造を含む第１導波路を構成する第１領域と、基板上に、第１の方向に交差する方向に形成され、第２の波長の光が導波可能で、かつ、第１の波長の光が実質的に導波できない第２フォトニック結晶構造を含む第２導波路を構成する第２領域と、第１導波路と第２導波路とが交差する領域に形成され、第１の波長の光と第２の波長の光との両方が存在可能な第３領域と、第１導波路を構成する第１領域および第２導波路を構成する第２領域以外の領域に形成され、第１の波長の光と第２の波長の光との両方が実質的に存在できない第４領域と、第４領域内の第３領域の近傍に設けられ、第１の波長の光と第２の波長の光との両方が存在可能な欠陥とを備えている。
【００１６】
上記第１の局面による光出力装置では、上記のように、第１の波長の光が導波可能な第１導波路を構成する第１領域と、第２の波長の光が導波可能な第２導波路を構成する第２領域とを設けるとともに、第１導波路と第２導波路とが交差する第３領域の近傍に、第１の波長の光と第２の波長の光との両方が存在可能な欠陥を設けることによって、第１導波路と第２導波路とに、それぞれ、第１の波長の光と第２の波長の光とを導波させれば、第１導波路と第２導波路とが交差する第３領域の近傍に位置する欠陥において、第１の波長の光と第２の波長の光とを同時に局在させることができる。そして、欠陥を共振器構造にすれば、欠陥から光を放出することができるので、自発光型の光出力装置として用いることができる。その結果、フォトニック結晶を用いた光出力装置を得ることができる。また、第１の波長の光と第２の波長の光とを用いて、欠陥を発光などさせるので、欠陥に電力を供給する必要がない。これにより、欠陥に電力を供給する配線などが不要となるので、装置の小型化を図ることができる。また、第１導波路および第２導波路をアレイ化することにより欠陥をマトリックス状に配置する場合に、一定の面積に多数の欠陥をマトリックス状に形成することができるので、高精細な光出力装置を得ることができる。
【００１７】
上記第１の局面による光出力装置において、好ましくは、第１導波路を構成する第１領域の一方端に配置され、第１の波長の光を出射する第１発光素子と、第２導波路を構成する第２領域の一方端に配置され、第２の波長の光を出射する第２発光素子とをさらに備える。このように構成すれば、第１発光素子および第２発光素子により、容易に、第１導波路および第２導波路を介して、第１の波長の光と第２の波長の光とを導波させることができるので、第１導波路と第２導波路とが交差する第３領域の近傍に形成された欠陥に、容易に、第１の波長の光と第２の波長の光とを局在させることができる。また、第１導波路および第２導波路をアレイ化することにより欠陥をマトリックス状に配置した場合に、任意の第１発光素子および任意の第２発光素子を選択的に発光させることによって、任意の欠陥に、選択的に、第１の波長の光と第２の波長の光とを局在させることができる。
【００１８】
上記第１の局面による光出力装置において、好ましくは、欠陥は、第１の波長の光の光子エネルギと第２の波長の光の光子エネルギとの和にほぼ等しい光子エネルギを有する第３の波長の近傍の波長を有する光に対して共振器となり、欠陥の中には、第１の波長の光と第２の波長の光とを吸収し、かつ、第３の波長近傍の波長を有する光を放出する材料が含まれている。このように構成すれば、容易に、欠陥において、光を発振するとともに、光を放出することができるので、容易に、自発光型の光出力装置として機能させることができる。
【００１９】
上記第１の局面による光出力装置において、好ましくは、欠陥は、第１の波長の光と第２の波長の光とを吸収して屈折率が変化するフォトリフラクティブ材料を含む。このように構成すれば、容易に、外部から欠陥に入射する光の位相を空間変調することができるので、容易に、光空間変調器型の光出力装置として機能させることができる。
【００２０】
上記第１の局面による光出力装置において、好ましくは、基板は、第１の波長の光と第２の波長の光とを吸収して屈折率が変化するフォトリフラクティブ材料を含む。このように構成すれば、欠陥にフォトリフラクティブ材料を充填する場合に比べて、より容易に、フォトリフラクティブ材料からなる欠陥を形成することができる。
【００２１】
上記第１の局面による光出力装置において、好ましくは、第１領域は、第２の波長に対する第１フォトニック結晶構造の格子の間隔の比率がフォトニックバンドギャップの幅の範囲内の値になるとともに、第２領域は、第１の波長に対する第２フォトニック結晶構造の格子の間隔の比率がフォトニックバンドギャップの幅の範囲内の値になり、第４領域は、第１の波長に対する第４領域の格子の間隔の比率および第２の波長に対する第４領域の格子の間隔の比率が、共にフォトニックバンドギャップの幅の範囲内の値になる。このように構成すれば、容易に、第１領域にのみ第１の波長近傍の光を導波させることができるとともに、第２領域にのみ第２の波長近傍の光を導波させることができる。
【００２２】
この発明の第２の局面による光出力装置は、基板上に、第１の方向に所定の間隔を隔てて形成され、第１の波長の光が導波可能で、かつ、第２の波長の光が実質的に導波できない第１フォトニック結晶構造を含む第１導波路アレイを構成する第１領域と、基板上に、第１の方向に交差する方向に所定の間隔を隔てて形成され、第２の波長の光が導波可能で、かつ、第１の波長の光が実質的に導波できない第２フォトニック結晶構造を含む第２導波路アレイを構成する第２領域と、第１導波路アレイと第２導波路アレイとが交差する領域に形成され、第１の波長の光と第２の波長の光との両方が存在可能な第３フォトニック結晶構造を含む第３領域と、第１導波路アレイを構成する第１領域および第２導波路アレイを構成する第２領域以外の領域に形成され、第１の波長の光と第２の波長の光との両方が実質的に存在できない第４領域と、第４領域内の第３領域の近傍に設けられ、第１の波長の光と第２の波長の光との両方が存在可能な欠陥とを備えている。
【００２３】
上記第２の局面による光出力装置では、上記のように、第１の波長の光が導波可能な第１導波路アレイを構成する第１領域と、第２の波長の光が導波可能な第２導波路アレイを構成する第２領域とを設けるとともに、第１導波路アレイと第２導波路アレイとが交差する第３領域の近傍に、第１の波長の光と第２の波長の光との両方が存在可能な欠陥を設けることによって、所定の第１導波路と所定の第２導波路とを選択して、それぞれ、第１の波長の光と第２の波長の光とを導波させれば、選択した第１導波路と第２導波路とが交差する第３領域の近傍に位置する欠陥において、第１の波長の光と第２の波長の光とを同時に局在させることができる。そして、マトリックス状に配置された欠陥を共振器構造にすれば、マトリックス状に配置された欠陥から光を選択的に放出することができるので、自発光型の光出力装置として用いることができる。その結果、フォトニック結晶を用いた光出力装置を得ることができる。また、第１の波長の光と第２の波長の光とを用いて、マトリックス状に配置された欠陥を発光などさせるので、マトリックス状に配置された欠陥に電力を供給する必要がない。これにより、マトリックス状に配置された各欠陥に電力を供給する配線などが不要となるので、装置の小型化を図ることができる。これにより、一定の面積に多数の欠陥をマトリックス状に形成することができるので、高精細な光出力装置を得ることができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２５】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態による光出力装置の平面図であり、図２は、図１に示した第１実施形態による光出力装置の６０−６０線に沿った断面の一部を示した断面図である。図３は、図１および図２に示した第１実施形態による光出力装置の欠陥内の状態を示した模式図である。まず、図１および図２を参照して、第１実施形態による光出力装置の構造について説明する。
【００２６】
第１実施形態による光出力装置では、図１に示すように、波長Ｐ１の光のみが導波可能なフォトニック結晶からなる導波路２ａと、波長Ｐ２の光のみが導波可能なフォトニック結晶からなる導波路２ｂと、波長Ｐ１の光と波長Ｐ２の光との両方が存在可能なフォトニック結晶からなる導波路交差部２ｃと、波長Ｐ１の光と波長Ｐ２の光との両方が実質的に存在できないフォトニック結晶からなる導波不可能部２ｄと、波長Ｐ１の光と波長Ｐ２の光との両方が存在可能なフォトニック結晶からなる欠陥２ｅとが設けられている。
【００２７】
そして、導波路２ａは、所定の方向（図１では縦方向）に所定の間隔を隔てて形成されているとともに、導波路２ｂは、導波路２ａと直交する方向（図１では横方向）に所定の間隔を隔てて形成されている。また、導波路交差部２ｃは、導波路２ａと導波路２ｂとが交差する領域であり、導波不可能部２ｄは、導波路２ａ、導波路２ｂおよび導波路交差部２ｃ以外の領域である。また、欠陥２ｅは、導波路交差部２ｃの近傍に形成されている。すなわち、欠陥２ｅは、マトリックス状に配置されている。また、欠陥２ｅは、図２２に示した従来例と同様、格子サイズの大きな２つの格子によって構成されている。なお、図１では、図面を簡略化するため、欠陥２ｅは１つの格子として図示されている。また、欠陥２ｅには、図３に示すように、少なくとも基底状態１１と励起状態１２との２つのエネルギ準位を有する材料がドープされている。
【００２８】
欠陥２ｅにドープする材料としては、半導体、色素または有機系材料が考えられる。たとえば、長波長を２光子吸収して短波長を出力する色素としては、Ｉｎｄｏ−１、ＲＯＸ、Ｒｈｏｄａｍｉｎｅ（ローダミン）、ＸＲＩＴＣ、ＮＫＸ−２１９７、ＹＯＹＯ−１、ＣｏｕｍａｒｉｎｅおよびＥｘａｌｉｔｅなどがあり、励起波長や出力波長に合わせて数１００種類の中から適宜選択できる。なお、色素レーザでは、通常、紫外域光で励起して、それよりも波長の長い可視域光を出力するが、Ｒｈｏｄａｍｉｎｅ、ＣｏｕｍａｒｉｎｅおよびＥｘａｌｉｔｅなどの色素レーザ用色素においても、赤外光で２光子励起して、それよりも波長の短い可視域光を出力できる。これらは、たとえば、「レーザ研究」、Ｖｏｌ．２７、Ｎｏ．１０、１９９９年１０月、ｐ．７１２−ｐ．７１４などに開示されている。また、有機系材料としては、ビス（ベンジリデン）シクロアルカノン、Ｕｒｅａ、ｍ−ＭＡ、ＭＮＡ、ＭＡＰおよびＮＰＰなどがあり、２次の非線形光学効果により波長の長い２光子から短波長を発生させることができる。
【００２９】
また、各導波路２ａの一方端には、それぞれ、波長Ｐ１の光を発光する発光素子３ａが設けられており、各導波路２ｂの一方端には、それぞれ、波長Ｐ２の光を発光する発光素子３ｂが設けられている。
【００３０】
なお、波長Ｐ１は、本発明の「第１の波長」の一例であり、波長Ｐ２は、本発明の「第２の波長」の一例である。また、導波路２ａは、本発明の「第１領域」の一例であり、導波路２ｂは、本発明の「第２領域」の一例である。また、導波路交差部２ｃは、本発明の「第３領域」の一例であり、導波不可能部２ｄは、本発明の「第４領域」の一例である。また、発光素子３ａは、本発明の「第１発光素子」の一例であり、発光素子３ｂは、本発明の「第２発光素子」の一例である。
【００３１】
なお、図１に示した発光素子３ａおよび導波路２ａ部分の断面構造としては、図２に示すように、ガラス基板１上に、ＩｎＧａＡｓＰからなる多重量子井戸構造（ＭＱＷ：Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）を有する導波路２ａと、ＩｎＧａＡｓＰからなるＭＱＷ構造を有する発光素子３ａとが形成されている。この発光素子３ａの上面の一部領域上には、下層のＡｕ層と上層のＡｕＺｎ層とからなる電極３１が形成されている。また、発光素子３ａの一部領域が除去されており、この除去されて露出している領域上には、下層のＡｕＧｅＮｉ層と上層のＡｕ層とからなる電極３２が形成されている。また、導波路２ａと発光素子３ａとの間には、電気的に分離するための分離溝４が形成されている。この分離溝４によって分離された発光素子３ａの側面が共振器端面となる。なお、ガラス基板１は、本発明の「基板」の一例である。
【００３２】
図４は、図１および図２に示した第１実施形態による光出力装置の動作を説明するための斜視図である。次に、図３および図４を参照して、第１実施形態による光出力装置の動作について説明する。まず、図４に示すように、選択された発光素子３ａが発光する。そして、選択された発光素子３ａが発光することと同期して、選択された発光素子３ｂも発光する。このとき、発光素子３ａが発光する波長Ｐ１の光は、導波路２ａおよび導波路交差部２ｃのみにしか存在できないので、導波路２ａを途中で分岐することなく直進する。また、発光素子３ｂが発光する波長Ｐ２の光は、導波路２ｂおよび導波路交差部２ｃのみにしか存在できないので、導波路２ｂを途中で分岐することなく直進する。そして、光のトンネル効果によって、波長Ｐ１の光と波長Ｐ２の光とが交差する選択された導波路交差部２ｃの近傍に形成された選択された欠陥２ｅに、波長Ｐ１の光と波長Ｐ２の光とが局在することになる。
【００３３】
ここで、第１実施形態による各欠陥２ｅは、上記したように、２つの格子のサイズを大きくすることにより構成されているため、図２２に示した従来例と同様、欠陥２ｅを共振器として機能させることができる。具体的には、光のトンネル効果によって、欠陥２ｅ内に波長Ｐ１の光と波長Ｐ２の光とが混ざって局在すると、上記した色素などがドープされた欠陥２ｅは、図３に示したように、基底状態１１および励起状態１２の２つのエネルギ準位をもつので、波長Ｐ１の光と波長Ｐ２の光とを２光子吸収して波長Ｐ３の光を放出する。そして、各欠陥２ｅは、波長Ｐ３の光に対して共振器となるので、波長Ｐ３の光を発振するとともに、波長Ｐ３の光を放出することができる。なお、欠陥２ｅのサイズなどを最適設計することによって、容易に、ガラス基板１の表面に対して垂直方向に光を放出することができる。
【００３４】
第１実施形態では、上記のように、導波路２ａを導波する発光素子３ａから発光される波長Ｐ１の光と、導波路２ｂを導波する発光素子３ｂから発光される波長Ｐ２の光とが交差する導波路交差部２ｃの近傍に、欠陥２ｅを設けることによって、所定の導波路２ａと所定の導波路２ｂとを選択して、それぞれ、波長Ｐ１の光と波長Ｐ２の光とを導波させれば、選択した導波路２ａと導波路２ｂとが交差する導波路交差部２ｃの近傍に位置する欠陥２ｅにおいて、波長Ｐ１の光と波長Ｐ２の光とを同時に局在させることができる。そして、マトリックス状に配置された欠陥２ｅを共振器構造にすれば、マトリックス状に配置された欠陥２ｅから光を選択的に放出することができるので、自発光型の光出力装置として用いることができる。これにより、フォトニック結晶を用いた光出力装置を得ることができる。また、波長Ｐ１の光と波長Ｐ２の光とを用いて、マトリックス状に配置された欠陥２ｅを発光させるので、マトリックス状に配置された欠陥２ｅに電力を供給する必要がない。これにより、各欠陥２ｅに電力を供給する配線などが不要となるので、装置の小型化を図ることができる。その結果、一定の面積に多数の欠陥２ｅをマトリックス状に形成することができるので、高精細な光出力装置を得ることができる。
【００３５】
また、第１実施形態では、上記のように、各導波路２ａの一方端に、それぞれ、発光素子３ａを配置するとともに、各導波路２ｂの一方端に、それぞれ、発光素子３ｂを配置することによって、発光素子３ａおよび３ｂを用いて、容易に、波長Ｐ１の光と波長Ｐ２の光とを導波させることができる。
【００３６】
なお、上記した第１実施形態による光出力装置は、ディスプレイ装置、光メモリ装置、光インターコネクション、光マトリックススイッチおよびレーザビームプリンタ用光源などに応用することができる。
【００３７】
図５〜図７は、図２に示した第１実施形態による光出力装置の製造プロセスを説明するための断面図である。次に、図２および図５〜図７を参照して、第１実施形態による光出力装置の製造プロセスについて説明する。
【００３８】
まず、図５に示すように、有機金属気相堆積法（ＭＯＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）を用いて、ＩｎＰ基板５上に、ＩｎＧａＡｓＰからなるＭＱＷ層６を形成する。次に、図６に示すように、ＩｎＰ基板５上に形成されたＭＱＷ層６を、ガラス基板１上に融着する。この後、エッチング技術または研磨技術を用いて、ＩｎＰ基板５を除去することによって、図７に示すような構造が得られる。この後、図２に示したように、ＭＱＷ層６に分離溝４を形成することによって、ガラス基板１上に、ＩｎＧａＡｓＰからなるＭＱＷ層により構成される導波路２ａと発光素子３ａとを形成する。最後に、発光素子３ａの上面の一部領域上に、下層のＡｕ層と上層のＡｕＺｎ層とからなる電極３１を形成する。また、発光素子３ａの一部領域を除去した後、除去されて露出している領域上に、下層のＡｕＧｅＮｉ層と上層のＡｕ層とからなる電極３２を形成する。このようにして、図２に示した第１実施形態による光出力装置が形成される。
【００３９】
図８は、図２に示した第１実施形態の変形例による光出力装置の断面図である。図８を参照して、この第１実施形態の変形例による光出力装置では、ガラス基板１上に、ガラス基板１よりも高い屈折率を有するＴｉＯ2からなる透明導波路２０ａを形成する。このように構成しても、透明導波路２０ａを光の導波路として用いることができる。なお、この場合には、分離溝を形成する必要がない。
【００４０】
（第２実施形態）
図９は、本発明の第２実施形態による光出力装置の平面図である。図１０は、図９に示した光出力装置の欠陥内の屈折率と時間との関係を示した相関図である。図１０の縦軸には、屈折率がとられており、横軸には、時間がとられている。図９および図１０を参照して、この第２実施形態では、上記第１実施形態と異なり、フォトリフラクティブ材料を含む欠陥２２ｅを形成する例について説明する。なお、第２実施形態のその他の構造、動作および製造プロセスは、第１実施形態と同様である。
【００４１】
すなわち、この第２実施形態による光出力装置では、図９に示すように、フォトニック結晶にフォトリフラクティブ材料が充填された各欠陥２２ｅが、各導波路交差部２ｃの近傍にマトリックス状に配置されている。なお、フォトリフラクティブ材料とは、光を吸収することにより屈折率が変化する性質を有する材料である。また、光を吸収することにより変化したフォトリフラクティブ材料の屈折率は、図１０に示すように、時間が経過すれば、元の屈折率に戻る性質を有する。
【００４２】
また、フォトリフラクティブ材料としては、ＬｉＮｂＯ3、ＢａＴｉＯ3、Ｋｔａ1-XＮｂXＯ3（ＫＴＮ）およびＳｒ1-XＢａXＮｂ2Ｏ6（ＳＢＮ）などの強誘電性酸化物、Ｂｉ12ＳｉＯ20（ＢＳＯ）、Ｂｉ12ＧｅＯ20（ＢＧＯ）およびＢｉ12ＴｉＯ20（ＢＴＯ）などの常誘電性酸化物、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＰおよびＣｄＴｅなどの半導体、または、ＤＡＮＳ／ＭＭＡ、ＮＮＤＮ−ＮＡＮ：ＤＥＨ、ＤＲ１／ＰＶＫ：ＴＮＦ、ｂｉａｓ−ＮＰＤＡ：ＤＥＨ、ＰＭＭＡ−ＰＮＡ：ＤＥＨ、ｂｉａｓ−ＮＡＳ：ＤＥＨ、ＰＶＫ：ＤＥＡＮＳＴ：Ｃ60、ＰＶＫ：ＦＤＥＡＮＳＴ：ＴＮＦ、ｂｉａｓ−ＮＡＴ：ＤＥＨおよびＰＭＭＡ−ＰＮＡ：ＤＥＨ：Ｃ60などの有機系材料を用いることができる。なお、材料の形態および性質を考慮すると、欠陥２２ｅにドープする場合は、有機系材料が適している。
【００４３】
第２実施形態では、上記のように、フォトリフラクティブ材料を含む欠陥２２ｅを導波路交差部２ｃの近傍に設けることによって、欠陥２２ｅが波長Ｐ１の光と波長Ｐ２の光とを２光子吸収する際に、欠陥２２ｅの屈折率を変化させることができる。このとき、外部から欠陥２２ｅに光を入射すると、位相が変調された光を放出することができる。これにより、光空間変調型の光出力装置として機能させることができる。
【００４４】
たとえば、図１０に示したような屈折率が変化した後元に戻る前の期間Ｘの間に、ガラス基板１上にマトリックス状に配置された欠陥２２ｅを順次選択し、かつ、外部から全ての欠陥２２ｅに光を入射することによって、全ての欠陥２２ｅから位相が変調された光が放出されるので、ホログラム映像の再生が可能となる。また、期間Ｘの間に、ガラス基板１上にマトリックス状に配置された全ての欠陥２２ｅを１フレーム毎に異なる屈折率になるように順次選択し、かつ、外部から全ての欠陥２２ｅに光を入射することによって、全ての欠陥２２ｅから１フレーム毎に異なる位相の光が放出されるので、動画ホログラム映像の再生も可能となる。
【００４５】
また、第２実施形態による光出力装置は、光信号を用いて動作させるコンピュータとしての光並列演算処理装置用の光空間変調器または同心円の周期を変化させることにより焦点を変化させる焦点可変レンズなどに応用することができる。
【００４６】
なお、第２実施形態のその他の効果は、第１実施形態と同様である。
【００４７】
（第３実施形態）
図１１は、本発明の第３実施形態による光出力装置の構造を示した平面図である。図１２は、図１１に示した第３実施形態による光出力装置を構成するフォトニック結晶の拡大平面図である。図１３は、図１１に示した第３実施形態による光出力装置内を導波する光の透過率と波長との関係を示したグラフである。図１１〜図１３を参照して、この第３実施形態では、色素レーザ用色素の１つであるローダミン６Ｇがドープされた欠陥を有するとともに、１．０４５μｍの波長λ1の光と１．０８２μｍの波長λ2の光とを２光子吸収して光を出力する光出力装置について説明する。なお、波長λ1は、本発明の「第１の波長」の一例であり、波長λ2は、本発明の「第２の波長」の一例である。
【００４８】
この第３実施形態による光出力装置では、図１１に示すように、ガラス基板（図示せず）上に、約１μｍの厚みを有するＴｉＯ2膜４２が形成されている。このＴｉＯ2膜４２には、導波路４２ａと、導波路４２ｂと、導波路交差部４２ｃと、導波不可能部４２ｄと、欠陥４２ｅとが設けられている。なお、導波路４２ａは、本発明の「第１領域」の一例であり、導波路４２ｂは、本発明の「第２領域」の一例である。また、導波路交差部４２ｃは、本発明の「第３領域」の一例であり、導波不可能部４２ｄは、本発明の「第４領域」の一例である。そして、導波路４２ａは、所定の方向（図１１では横方向）に延びるように形成されているとともに、導波路４２ｂは、導波路４２ａと直交する方向（図１１では縦方向）に延びるように形成されている。また、導波路交差部４２ｃは、導波路４２ａと導波路４２ｂとが交差する領域であり、導波不可能部４２ｄは、導波路４２ａ、導波路４２ｂおよび導波路交差部４２ｃ以外の領域である。また、欠陥４２ｅは、導波路交差部４２ｃの近傍の導波不可能部４２ｄ中に形成されている。
【００４９】
ここで、第３実施形態では、導波路４２ａ、導波路４２ｂ、導波不可能部４２ｄおよび欠陥４２ｅは、フォトニック結晶構造を有している。この導波路４２ａ、導波路４２ｂ、導波不可能部４２ｄおよび欠陥４２ｅのフォトニック結晶は、図１２に示すように、格子点となる円形状（円柱状）の孔４２ｆが正方形を構成するように配列された正方格子２次元フォトニック結晶構造を有している。そして、図１１に示した導波路４２ａ、導波路４２ｂ、導波不可能部４２ｄおよび欠陥４２ｅのフォトニック結晶には、規則的に並ぶ格子の間隔（格子定数）ａおよび格子のサイズ（半径）ｒを調整することにより、所定の波長の光が存在できないフォトニックバンドギャップが設けられている。すなわち、フォトニックバンドギャップに該当する波長の光は、そのフォトニックバンドギャップを有するフォトニック結晶を導波することができない。なお、図１１に示した導波路交差部４２ｃは、格子を有しない薄膜導波路であり、すべての波長の光が導波可能である。
【００５０】
そして、この第３実施形態では、図１３に示すように、導波路４２ａのフォトニック結晶には、波長λ2の光の透過率がほぼ０になるようなフォトニックバンドギャップが設けられており、導波路４２ｂのフォトニック結晶には、波長λ1の光の透過率がほぼ０になるようなフォトニックバンドギャップが設けられている。また、導波不可能部４２ｄのフォトニック結晶には、波長λ1の光および波長λ2の光を含む広い波長領域で透過率がほぼ０になるようなフォトニックバンドギャップが設けられている。なお、導波路交差部４２ｃは、格子を有しない薄膜導波路にすることによって、波長λ1の光および波長λ2の光の透過率がほぼ１となる。具体的な各フォトニック結晶の格子の間隔（格子定数）ａおよび格子のサイズ（半径）ｒ（図１２参照）としては、導波路４２ａでは、ａ：約０．３３０μｍおよびｒ：約０．１１６μｍである。導波路４２ｂでは、ａ：約０．３１９μｍおよびｒ：約０．１１２μｍである。導波不可能部４２ｄでは、ａ：約０．３６５μｍおよびｒ：０．１４６μｍである。
【００５１】
また、図示しないが、導波路交差部４２ｃの近傍の導波不可能部４２ｄ中に形成されている欠陥４２ｅのフォトニック結晶には、波長λ1の光および波長λ2の光が存在可能なフォトニックバンドギャップが設けられている。欠陥４２ｅのフォトニック結晶の格子の間隔（格子定数）ａおよび格子のサイズ（半径）ｒとしては、ａ：約０．３６５μｍおよびｒ：約０．１６４μｍである。なお、欠陥４２ｅを構成する孔４２ｆ（図１２参照）の数は、複数でもよいし、１つでもよい。また、欠陥４２ｅには、色素レーザ用色素の１つであるローダミン６Ｇがドープされている。ここで、ローダミン６Ｇは、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第２高調波（波長：５３２ｎｍ）の光を吸収して、５５０ｎｍ〜５９０ｎｍの光を出力することが知られている。また、第２高調波の代わりに、１．０６４μｍの光を２光子吸収して、５５０ｎｍ〜５９０ｎｍの光を出力することも知られている。
【００５２】
また、図１１に示すように、導波路４２ａの一方端には、波長λ1の光を発光する発光素子４３ａが設けられており、導波路４２ｂの一方端には、波長λ2の光を発光する発光素子４３ｂが設けられている。なお、発光素子４３ａは、本発明の「第１発光素子」の一例であり、発光素子４３ｂは、本発明の「第２発光素子」の一例である。
【００５３】
第３実施形態では、上記のように、波長λ1の光が導波可能なフォトニック結晶からなる導波路４２ａと、波長λ2の光が導波可能なフォトニック結晶からなる導波路４２ｂとを設けるとともに、導波路４２ａと導波路４２ｂとが交差する導波路交差部４２ｃの近傍に、波長λ1の光と波長λ2の光との両方が存在可能な欠陥４２ｅを設けることによって、導波路４２ａと導波路４２ｂとに、それぞれ、波長λ1の光と波長λ2の光とを導波させれば、導波路４２ａと導波路４２ｂとが交差する導波路交差部４２ｃの近傍に位置する欠陥４２ｅにおいて、波長λ1の光と波長λ2の光とを光のトンネル効果により同時に局在させることができる。そして、欠陥４２ｅを共振器構造にすれば、欠陥４２ｅから光を放出することができるので、自発光型の光出力装置として用いることができる。その結果、フォトニック結晶を用いた光出力装置を得ることができる。また、波長λ1の光と波長λ2の光とを用いて、欠陥４２ｅを発光させるので、欠陥４２ｅに電力を供給する必要がない。これにより、欠陥４２ｅに電力を供給する配線などが不要となるので、装置の小型化を図ることができる。
【００５４】
また、第３実施形態では、上記のように、２光子吸収して光を出力するローダミン６Ｇを欠陥４２ｅにドープすることによって、容易に、欠陥４２ｅにおいて、光を発振するとともに、光を放出することができるので、容易に、自発光型の光出力装置として機能させることができる。
【００５５】
なお、第３実施形態のその他の効果は、上記第１実施形態と同様である。
【００５６】
図１４は、所定の波長の光が存在できないフォトニックバンドギャップの分布領域を示したグラフである。図１５は、２光子吸収の概念を説明するための模式図である。次に、図１１〜図１５を参照して、第３実施形態による光出力装置を構成する各フォトニック結晶の製造プロセスについて説明する。
【００５７】
第３実施形態の各フォトニック結晶の製造プロセスとしては、たとえば、平面波展開法を用いて計算した所定の波長の光が存在できないフォトニックバンドギャップの分布領域（図１４参照）を考慮して、フォトニック結晶の格子の間隔（格子定数）ａおよび格子サイズ（半径）ｒ（図１２参照）を決定する。なお、図１４中の横軸には、ｒ／ａがとられており、縦軸には、ａ／λ（λ：入射光の波長）がとられている。また、図１４中の斜線部分は、ＴｉＯ2膜に設けられた正方格子２次元フォトニック結晶に入射したＴＭモード（電界ベクトルがＴｉＯ2膜の表面に垂直）の光に対するフォトニックバンドギャップの分布領域である。すなわち、所定の波長の光が存在できないフォトニックバンドギャップは、図１４中の斜線部分の条件領域で存在するとともに、その斜線部分の縦方向の幅が、フォトニックバンドギャップの幅（存在できない光の波長領域の幅）である。
【００５８】
したがって、所定の波長λの光が存在できないフォトニック結晶を得るには、ａ／λの値がフォトニックバンドギャップの幅の範囲内の値になるように、格子の間隔（格子定数）ａおよび格子のサイズ（半径）ｒを決定すればよい。また、所定の波長λの光が存在することができるフォトニック結晶を得るには、ａ／λの値がフォトニックバンドギャップの幅の範囲外の値になるように、格子の間隔（格子定数）ａおよび格子のサイズ（半径）ｒを決定すればよい。また、フォトニック結晶の格子の間隔（格子定数）ａおよび格子のサイズ（半径）ｒを調整することにより、存在できない光の波長領域の幅であるフォトニックバンドギャップの幅を制御することができる。なお、格子を設けなければ、すべての波長の光が存在することができる。
【００５９】
上記した平面波展開法は、たとえば、「ＯＰＴＩＣＳ ＣＯＭＭＵＮＩＣＡＴＩＯＮＳ」、Ｖｏｌ．８０、Ｎｏ．３，４、１９９１年１月１日、ｐｐ．１９９−２０４などに開示されている。
【００６０】
そして、具体的な各フォトニック結晶の製造プロセスとしては、まず、第１ステップとして、２光子のそれぞれの波長を決定する。ここで、２光子吸収は、図１５に示すように、２光子のそれぞれのエネルギ４０ａおよび４０ｂの和が、単光子のエネルギ４０にほぼ等しいときに生じる。この２光子のそれぞれのエネルギ４０ａおよび４０ｂと単光子のエネルギ４０との関係は、次式（１）のように表される。
【００６１】
ｈｆ0＝ｈｆ1＋ｈｆ2 …（１）
ここで、ｈはプランク定数、ｆ0は単光子の周波数、ｆ1およびｆ2は２光子のそれぞれの周波数である。
【００６２】
また、真空中の光速をｃとすると、波長λと周波数ｆとの関係は、ｆ＝ｃ／λとなるので、上記式（１）は、次式（２）のように表すことができる。
【００６３】
１／λ0＝１／λ1＋１／λ2 …（２）
ここで、λ0は単光子の波長、λ1およびλ2は２光子のそれぞれの波長である。
【００６４】
そして、この第３実施形態では、２光子が局在する領域である欠陥４２ｅ（図１１参照）に５３２ｎｍの波長の光を吸収するローダミン６Ｇがドープされているので、上記式（２）において、λ0＝５３２ｎｍとなる。これにより、上記式（２）を満たす２光子の波長として、１．０４５μｍ（λ1）および１．０８２μｍ（λ2）を採用する。なお、波長λ1およびλ2の光は、ＴＭモードとする。
【００６５】
次に、第２ステップとして、図１４に示した平面波展開法を用いて、各フォトニック結晶の格子の間隔（格子定数）ａを決定する。具体的には、導波路４２ａおよび４２ｂ（図１１参照）のフォトニック結晶におけるｒ／ａを、ｒ／ａ＝０．３５とする。このときのフォトニックバンドギャップの幅Ｗ１の中心は、ａ／λ＝０．３０４９となる。そして、導波路４２ａでは、波長λ2の光が存在できないように、λ＝１．０８２μｍ（λ2）にする。これにより、導波路４２ａのフォトニック結晶の格子の間隔（格子定数）ａは、ａ＝０．３０４９×１．０８２＝約０．３３０μｍとなる。また、導波路４２ｂでは、波長λ1の光が存在できないように、λ＝１．０４５μｍ（λ1）にする。これにより、導波路４２ｂのフォトニック結晶の格子の間隔（格子定数）ａは、ａ＝０．３０４９×１．０４５＝約０．３１９μｍとなる。
【００６６】
また、導波不可能部４２ｄ（図１１参照）のフォトニック結晶におけるｒ／ａを、ｒ／ａ＝０．４０とする。このときのフォトニックバンドギャップの幅Ｗ２の中心は、ａ／λ＝０．３４３２となる。そして、導波不可能部４２ｄでは、波長λ1の光および波長λ2の光が存在できないように、λ＝１．０６４μｍ（波長λ1と波長λ2との平均波長）にする。これにより、導波不可能部４２ｄのフォトニック結晶の格子の間隔（格子定数）ａは、ａ＝０．３４３２×１．０６４＝約０．３６５μｍとなる。この場合、ａ／λ1およびａ／λ2の値は、共にフォトニックバンドギャップの幅の範囲内の値になる。なお、欠陥４２ｅのフォトニック結晶の間隔（格子定数）ａも、導波不可能部４２ｄと同様、ａ＝約０．３６５μｍとする。
【００６７】
次に、第３ステップとして、各フォトニック結晶の格子のサイズ（半径）ｒを決定する。具体的には、導波路４２ａでは、ｒ／ａ＝０．３５およびａ＝０．３３０μｍより、ｒ＝０．３５×０．３３０＝約０．１１６μｍとなり、導波路４２ｂでは、ｒ／ａ＝０．３５およびａ＝０．３１９μｍより、ｒ＝０．３５×０．３１９＝約０．１１２μｍとなる。また、導波不可能部４２ｄでは、ｒ／ａ＝０．４０およびａ＝０．３６５μｍより、ｒ＝０．４０×０．３６５＝約０．１４６μｍとなる。また、導波不可能部４２ｄ中に形成される欠陥４２ｅでは、欠陥４２ｅのフォトニック結晶におけるｒ／ａを、ｒ／ａ＝０．４５として設計する。これにより、導波不可能部４２ｄのａ＝０．３６５μｍより、ｒ＝０．４５×０．３６５＝約０．１６４μｍとなる。
【００６８】
なお、導波路交差部４２ｃは、格子を有さない薄膜導波路にする。
【００６９】
このようにして、第３実施形態の各フォトニック結晶における格子の間隔（格子定数）ａおよび格子のサイズ（半径）ｒが決定される。
【００７０】
（第４実施形態）
図１６は、本発明の第４実施形態による光出力装置の構造を示した平面図である。図１６を参照して、この第４実施形態では、上記第３実施形態と異なり、フォトリフラクティブ材料がドープされた欠陥を有するとともに、１．２７２μｍの波長λ3の光と１．３１６μｍの波長λ4の光とを２光子吸収して入射光の位相を空間変調する光出力装置について説明する。なお、波長λ3は、本発明の「第１の波長」の一例であり、波長λ4は、本発明の「第２の波長」の一例である。
【００７１】
この第４実施形態による光出力装置では、図１６に示すように、ガラス基板（図示せず）上に、約１μｍの厚みを有するＴｉＯ2膜５２が形成されている。このＴｉＯ2膜５２には、導波路５２ａと、導波路５２ｂと、導波路交差部５２ｃと、導波不可能部５２ｄと、欠陥５２ｅとが設けられている。なお、導波路５２ａは、本発明の「第１領域」の一例であり、導波路５２ｂは、本発明の「第２領域」の一例である。また、導波路交差部５２ｃは、本発明の「第３領域」の一例であり、導波不可能部５２ｄは、本発明の「第４領域」の一例である。そして、導波路５２ａは、所定の方向（図１６では横方向）に延びるように形成されているとともに、導波路５２ｂは、導波路５２ａと直交する方向（図１６では縦方向）に延びるように形成されている。また、導波路交差部５２ｃは、導波路５２ａと導波路５２ｂとが交差する領域であり、導波不可能部５２ｄは、導波路５２ａ、導波路５２ｂおよび導波路交差部５２ｃ以外の領域である。また、欠陥５２ｅは、導波路交差部５２ｃの近傍の導波不可能部５２ｄ中に形成されている。
【００７２】
ここで、第４実施形態では、導波路５２ａ、導波路５２ｂ、導波不可能部５２ｄおよび欠陥５２ｅは、フォトニック結晶構造を有している。この導波路５２ａ、導波路５２ｂ、導波不可能部５２ｄおよび欠陥５２ｅのフォトニック結晶は、図１２に示した第３実施形態と同様、格子点となる円形状（円柱状）の孔（図示せず）が正方形を構成するように配列された正方格子２次元フォトニック結晶構造を有している。そして、導波路５２ａ、導波路５２ｂ、導波不可能部５２ｄおよび欠陥５２ｅのフォトニック結晶には、規則的に並ぶ格子の間隔（格子定数）および格子のサイズ（半径）を調整することにより、所定の波長の光が存在できないフォトニックバンドギャップが設けられている。なお、導波路交差部５２ｃは、格子を有しない薄膜導波路であり、すべての波長の光が導波可能である。
【００７３】
そして、この第４実施形態では、導波路５２ａのフォトニック結晶には、波長λ4の光の透過率がほぼ０になるようなフォトニックバンドギャップが設けられており、導波路５２ｂのフォトニック結晶には、波長λ3の光の透過率がほぼ０になるようなフォトニックバンドギャップが設けられている。また、導波不可能部５２ｄのフォトニック結晶には、波長λ3の光および波長λ4の光を含む広い波長領域で透過率がほぼ０になるようなフォトニックバンドギャップが設けられている。なお、導波路交差部５２ｃは、格子を有しない薄膜導波路にすることによって、波長λ3の光および波長λ4の光の透過率がほぼ１となる。具体的な各フォトニック結晶の格子の間隔（格子定数）ａおよび格子のサイズ（半径）ｒとしては、導波路５２ａでは、ａ：約０．４０１μｍおよびｒ：約０．１４０μｍである。導波路５２ｂでは、ａ：約０．３８８μｍおよびｒ：約０．１３６μｍである。導波不可能部５２ｄでは、ａ：約０．４４４μｍおよびｒ：０．１７８μｍである。
【００７４】
また、導波路交差部５２ｃの近傍の導波不可能部５２ｄ中に形成される欠陥５２ｅのフォトニック結晶には、波長λ3の光および波長λ4の光が存在可能なフォトニックバンドギャップが設けられている。欠陥５２ｅのフォトニック結晶の格子の間隔（格子定数）ａおよび格子のサイズ（半径）ｒとしては、ａ：約０．４４４μｍおよびｒ：約０．２０μｍである。なお、欠陥５２ｅを構成する孔の数は、複数でもよいし、１つでもよい。また、欠陥５２ｅには、ＰＶＫ、７−ＤＣＳＴ、ＢＢＰおよびＣ60を含むフォトリフラクティブ材料がドープされている。このフォトリフラクティブ材料を構成するＰＶＫ、７−ＤＣＳＴ、ＢＢＰおよびＣ60の比率は、ＰＶＫ：７−ＤＣＳＴ：ＢＢＰ：Ｃ60＝４９．５：３５：１５：０．５（ｗｔ％）である。ここで、ＰＶＫ、７−ＤＣＳＴ、ＢＢＰおよびＣ60を含むフォトリフラクティブ材料は、６４７ｎｍの光を吸収することにより、フォトリフラクティブ効果が生じることが知られている。このことは、たとえば、「レーザ研究」、Ｖｏｌ．３０、Ｎｏ．４、２００２年４月１５日、ｐｐ．１６６−１７０などに開示されている。
【００７５】
また、導波路５２ａの一方端には、波長λ3の光を発光する発光素子５３ａが設けられており、導波路５２ｂの一方端には、波長λ4の光を発光する発光素子５３ｂが設けられている。なお、発光素子５３ａは、本発明の「第１発光素子」の一例であり、発光素子５３ｂは、本発明の「第２発光素子」の一例である。
【００７６】
第４実施形態では、上記のように、波長λ3の光が導波可能なフォトニック結晶からなる導波路５２ａと、波長λ4の光が導波可能なフォトニック結晶からなる導波路５２ｂとを設けるとともに、導波路５２ａと導波路５２ｂとが交差する導波路交差部５２ｃの近傍に、波長λ3の光と波長λ4の光との両方が存在可能な欠陥５２ｅを設けることによって、上記第３実施形態と同様、欠陥５２ｅにおいて、波長λ3の光と波長λ4の光とを同時に局在させることができる。そして、第４実施形態では、欠陥５２ｅに、ＰＶＫ、７−ＤＣＳＴ、ＢＢＰおよびＣ60を含むフォトリフラクティブ材料をドープすることによって、容易に、外部から欠陥５２ｅに入射する光の位相を空間変調することができるので、容易に、光空間変調器型の光出力装置として機能させることができる。また、波長λ3の光と波長λ4の光とを用いて、欠陥５２ｅの屈折率を変化させるので、欠陥５２ｅに電力を供給する必要がない。これにより、欠陥５２ｅに電力を供給する配線などが不要となるので、装置の小型化を図ることができる。
【００７７】
なお、第４実施形態のその他の効果は、上記第２実施形態と同様である。
【００７８】
次に、第４実施形態の各フォトニック結晶の製造プロセスとしては、上記第３実施形態と同様、たとえば、平面波展開法により計算したフォトニックバンドギャップ分布領域図（図１４参照）を用いて、各フォトニック結晶の格子の間隔（格子定数）および格子のサイズ（半径）を決定する。
【００７９】
具体的には、まず、第１ステップとして、２光子のそれぞれの波長を決定する。この際、第４実施形態では、２光子が局在する領域である欠陥５２ｅに６４７ｎｍの波長の光を吸収するフォトリフラクティブ材料がドープされているので、上記第３実施形態で示した式（２）において、λ0＝６４７ｎｍとなる。これにより、式（２）を満たす２光子の波長として、１．２７２μｍ（λ3）および１．３１６μｍ（λ4）を採用する。なお、波長λ3およびλ4の光は、ＴＭモードとする。
【００８０】
次に、第２ステップとして、図１４に示したように、フォトニックバンドギャップが存在する条件領域を考慮して、フォトニック結晶の格子の間隔（格子定数）ａを決定する。具体的には、図１６に示した導波路５２ａおよび５２ｂのフォトニック結晶におけるｒ／ａを、ｒ／ａ＝０．３５とする。このときのフォトニックバンドギャップの幅Ｗ１の中心は、ａ／λ＝０．３０４９となる。そして、導波路５２ａでは、波長λ4の光が存在できないように、λ＝１．３１６μｍ（λ4）にする。これにより、導波路５２ａのフォトニック結晶の格子の間隔（格子定数）ａは、ａ＝０．３０４９×１．３１６＝約０．４０１μｍとなる。また、導波路５２ｂでは、波長λ3の光が存在できないように、λ＝１．２７２μｍ（λ3）にする。これにより、導波路５２ｂのフォトニック結晶の格子の間隔（格子定数）ａは、ａ＝０．３０４９×１．２７２＝約０．３８８μｍとなる。
【００８１】
また、図１６に示した導波不可能部５２ｄのフォトニック結晶におけるｒ／ａを、ｒ／ａ＝０．４０とする。このときのフォトニックバンドギャップの幅Ｗ２の中心は、ａ／λ＝０．３４３２となる。そして、導波不可能部５２ｄでは、波長λ3および波長λ4の光が存在できないように、λ＝１．２９４μｍ（波長λ3と波長λ4との平均波長）にする。これにより、導波不可能部５２ｄのフォトニック結晶の格子の間隔（格子定数）ａは、ａ＝０．３４３２×１．２９４＝約０．４４４μｍとなる。この場合、ａ／λ3およびａ／λ4の値は、共にフォトニックバンドギャップの幅の範囲内の値になる。なお、欠陥５２ｅのフォトニック結晶の間隔（格子定数）ａも、導波不可能部５２ｄと同様、ａ＝約０．４４４μｍとする。
【００８２】
次に、第３ステップとして、各フォトニック結晶の格子のサイズ（半径）ｒを決定する。具体的には、導波路５２ａでは、ｒ／ａ＝０．３５およびａ＝０．４０１μｍより、ｒ＝０．３５×０．４０１＝約０．１４０μｍとなり、導波路５２ｂでは、ｒ／ａ＝０．３５およびａ＝０．３８８μｍより、ｒ＝０．３５×０．３８８＝約０．１３６μｍとなる。また、導波不可能部５２ｄでは、ｒ／ａ＝０．４０およびａ＝０．４４４μｍより、ｒ＝０．４０×０．４４４＝約０．１７８μｍとなる。また、導波不可能部５２ｄ中に形成される欠陥５２ｅでは、欠陥５２ｅのフォトニック結晶におけるｒ／ａを、ｒ／ａ＝０．４５として設計する。これにより、導波不可能部５２ｄのａ＝０．４４４μｍより、ｒ＝０．４５×０．４４４＝約０．２０μｍとなる。
【００８３】
なお、導波路交差部５２ｃは、格子を有さない薄膜導波路にする。
【００８４】
このようにして、第４実施形態の各フォトニック結晶における格子の間隔（格子定数）ａおよび格子のサイズ（半径）ｒが決定される。
【００８５】
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
【００８６】
たとえば、上記第１〜第４実施形態では、同一ガラス基板上に、導波路と発光素子とを形成するモノリシック集積化構造にしたが、本発明はこれに限らず、発光素子チップを基板上に実装するハイブリッド集積化構造にしてもよい。さらに、モノリシック集積化構造において、発光素子の共振器をフォトニック結晶のブラッグ反射効果そのものを用いて構成してもよい。
【００８７】
また、上記第２および第４実施形態では、欠陥のみにフォトリフラクティブ材料を充填するようにしたが、本発明はこれに限らず、光出力装置の基板自体をフォトリフラクティブ材料にしてもよい。この場合、欠陥のみにフォトリフラクティブ材料を充填する場合に比べて、より容易に、フォトリフラクティブ材料を含む欠陥を形成することができる。なお、基板にフォトリフラクティブ材料を用いる場合は、無機系材料を用いるのが好ましい。
【００８８】
また、上記第３および第４実施形態では、ＴｉＯ2膜に、フォトニック結晶を設けるようにしたが、本発明はこれに限らず、ＴｉＯ2膜以外の他の材料に、フォトニック結晶を設けるようにしてもよい。
【００８９】
また、上記第３および第４実施形態では、円形状の孔が正方形を構成するように配列された正方格子２次元フォトニック結晶を設けるようにしたが、本発明はこれに限らず、円形状の孔が三角形を構成するように配列された三角格子２次元フォトニック結晶を設けるようにしてもよい。
【００９０】
また、上記第３および第４実施形態では、ＴＭモードの光に対応したフォトニック結晶を設けるようにしたが、本発明はこれに限らず、ＴＥモード（電界ベクトルがＴｉＯ2膜の表面に平行）の光にも適用可能である。
【００９１】
また、上記第３および第４実施形態では、２種類の波長の光が存在することが可能な導波路交差部を、格子を有さない薄膜導波路にするようにしたが、本発明はこれに限らず、導波路交差部を、２種類の波長の光が存在することが可能なフォトニック結晶を有する構造にしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態による光出力装置の平面図である。
【図２】図１に示した第１実施形態による光出力装置の６０−６０線に沿った断面の一部を示した断面図である。
【図３】図１および図２に示した第１実施形態による光出力装置の欠陥内の状態を示した模式図である。
【図４】図１および図２に示した第１実施形態による光出力装置の動作を説明するための斜視図である。
【図５】図２に示した第１実施形態による光出力装置の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図６】図２に示した第１実施形態による光出力装置の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図７】図２に示した第１実施形態による光出力装置の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図８】図２に示した第１実施形態の変形例による光出力装置の断面図である。
【図９】本発明の第２実施形態による光出力装置の平面図である。
【図１０】図９に示した光出力装置の欠陥内の屈折率と時間との関係を示した相関図である。
【図１１】本発明の第３実施形態による光出力装置の構造を示した平面図である。
【図１２】図１１に示した第３実施形態による光出力装置を構成するフォトニック結晶の拡大平面図である。
【図１３】図１１に示した第３実施形態による光出力装置内を導波する光の透過率と波長との関係を示したグラフである。
【図１４】所定の波長の光が存在できないフォトニックバンドギャップの分布領域を示したグラフである。
【図１５】２光子吸収の概念を説明するための模式図である。
【図１６】本発明の第３実施形態による光出力装置の構造を示した平面図である。
【図１７】従来の液晶光空間変調器の１つのエレメントを示した等価回路図である。
【図１８】図１７に示した従来の液晶光空間変調器のエレメントをアレイ化した場合の等価回路図である。
【図１９】従来のフォトニック結晶の光導波路を説明するための平面図である。
【図２０】図１９に示したフォトニック結晶の透過率と波長との関係を示した相関図である。
【図２１】従来のフォトニック結晶の光導波路を説明するための平面図である。
【図２２】従来のフォトニック結晶の光導波路を説明するための平面図である。
【符号の説明】
Ｐ１、λ1、λ3 波長（第１の波長）
Ｐ２、λ2、λ4 波長（第２の波長）
１ ガラス基板（基板）
２ａ、４２ａ、５２ａ 導波路（第１領域）
２ｂ、４２ｂ、５２ｂ 導波路（第２領域）
２ｃ、４２ｃ、５２ｃ 導波路交差部（第３領域）
２ｄ、４２ｄ、５２ｄ 導波不可能部（第４領域）
２ｅ、２２ｅ、４２ｅ、５２ｅ 欠陥
３ａ、４３ａ、５３ａ 発光素子（第１発光素子）
３ｂ、４３ｂ、５３ｂ 発光素子（第２発光素子）
【発明の属する技術分野】
この発明は、光出力装置に関し、特に、光出力部としての結晶欠陥を有する光出力装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、エレメント（光出力部）を介して光を出力する光出力装置が知られている。その光出力装置の１つとして、光を通したり、または、光を通さなかったりする機能を有するエレメント（光出力部）をマトリックス状に配置した光空間変調器型の光出力装置が知られている。
【０００３】
従来の光空間変調器型の光出力装置としては、液晶を含むエレメントを用いる液晶光空間変調器が知られている（たとえば、非特許文献１参照）。この液晶光空間変調器は、直視型ディスプレイ装置、投影型ディスプレイ装置や、光信号で動作させるコンピュータとしての並列光演算装置などに用いられている。また、液晶光空間変調器を動画ホログラム装置として用いる試みもなされている。
【０００４】
図１７は、従来の液晶光空間変調器の１つのエレメントを示した等価回路図である。図１８は、図１７に示した従来の液晶光空間変調器のエレメントをアレイ化した場合の等価回路図である。図１７を参照して、従来の液晶光空間変調器を構成する各エレメント１００は、液晶１０１と、スイッチングのためのトランジスタ１０２とを備えている。トランジスタ１０２のゲートは、ゲート線１０３に接続されている。また、トランジスタ１０２のドレインは、ソース線１０４に接続されており、トランジスタ１０２のソースは、液晶１０１に接続されている。このトランジスタ１０２は、ゲート線１０３に入力される信号によってオンオフ制御される。また、図１８に示すように、液晶１０１に電圧を印加するための電極１０５が、液晶１０１に接続されている。
【０００５】
図１８に示した従来の液晶光空間変調器の動作としては、選択されたゲート線１０３の信号がＨレベルになることによって、トランジスタ１０２がオンする。そして、選択されたゲート線１０３の信号がＨレベルになることと同期して、選択されたソース線１０４に信号が与えられる。そして、ソース線１０４の信号がトランジスタ１０２を介して液晶１０１に供給されることによって、選択された液晶１０１が駆動される。
【０００６】
【非特許文献１】
「ＬＣＤの製造技術と大容量ＬＣＤの開発」、トリケップス企画部編集、１９８７年２月２０日
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１８に示した従来の液晶光空間変調器では、エレメント１００の光出力部分として液晶１０１を用いているので、液晶１０１の透過率を変化させてエレメント１００を駆動するために電力を供給する必要がある。このため、マトリックス状に配置された各エレメント１００を駆動するためには、各エレメント１００毎に電力を供給するためのゲート線１０３およびソース線１０４などの配線を接続する必要があるので、エレメント１００を小さくするのが困難であるという不都合があった。
【０００７】
また、従来、マトリックス状に配置されたエレメント（光出力部）として、液晶１０１に代えて、発光素子を用いる自発光型の光出力装置が知られている。しかし、この自発光型の光出力装置についても、図１８に示した従来の液晶光空間変調器と同様、各エレメント毎に電力を供給するための配線を接続する必要があるので、エレメントを小さくするのが困難であった。
【０００８】
上記のように、従来では、エレメントを小さくすることが困難であるため、基板上に多数のエレメントを配置するのは困難であった。このため、高精細な光出力装置を提供するのが困難であるという問題点があった。
【０００９】
また、従来では、基板上の任意の位置を発光させる方法として、フォトニック結晶を用いる方法が提案されている。図１９、図２１および図２２は、従来のフォトニック結晶の光導波路を説明するための平面図である。図２０は、図１９に示したフォトニック結晶の透過率と波長との関係を示した相関図である。図２０の縦軸には、透過率がとられており、横軸には、波長がとられている。
【００１０】
まず、図１９を参照して、従来のフォトニック結晶は、薄膜状の光学媒質１１１の表面に、サブミクロン周期で三角格子状に配列された凹部または凸部からなる格子１１１ａによって構成されている。この光学媒質１１１に波長Ｐを有する光１１２ａを入射すると、図１９に示すように、光１１２ａは反射する。その一方、光学媒質１１１に波長Ｐ以外の波長を有する光１１２ｂを入射すると、図１９に示すように、光１１２ｂは透過する。すなわち、図１９に示したフォトニック結晶では、図２０に示すように、波長Ｐの光１１２ａの透過率をほぼ０にすることができる。このため、図１９に示したフォトニック結晶には、波長Ｐの光１１２ａが存在することができない。また、周期および格子サイズを変えたフォトニック結晶を用いることによって、波長Ｐの光１１２ａを存在させることもできる。このように、フォトニック結晶は、フォトニック結晶の周期および格子サイズを変えることによって、任意の波長を有する光を存在させたり、または、存在させなくすることができるという性質を有する。
【００１１】
このフォトニック結晶の性質を利用して、任意の波長の光のみを導波させることが可能な導波路を形成することができる。たとえば、図２１に示すように、波長Ｐの光１１２ａが存在することができないフォトニック結晶に格子１１１ａが欠落した領域１１３を形成すると、波長Ｐの光１１２ａは、領域１１３のみに存在することができる。これにより、領域１１３を波長Ｐの光１１２ａの導波路として用いることができる。また、領域１１３の近傍に、波長Ｐの光１１２ａが存在することができる欠陥１１４を形成すると、光のトンネル効果によって、波長Ｐの光１１２ａを欠陥１１４に局在させることができる。このことは、たとえば、「Ｎａｔｕｒｅ」、Ｖｏｌ．４０７、２０００年１０月５日、ｐｐ．６０８−６１０などに開示されている。
【００１２】
また、図２２に示すように、欠陥１１４ａを格子１１１ａよりも大きいサイズの２つの格子１１１ｂにより構成することによって、２つの格子１１１ｂが他の格子１１１ａとは異質になるので、２つの格子１１１ｂからなる欠陥１１４ａを共振器として機能させることができる。このことは、たとえば、「Ｓｃｉｅｎｃｅ」、Ｖｏｌ．２８４、１９９９年６月１１日、ｐｐ．１８１９−１８２１などに開示されている。これにより、欠陥１１４ａを構成する２つの格子１１１ｂのサイズを調整することによって、光学媒質１１１の表面に対して垂直方向に光を放出することができる。このように、フォトニック結晶を用いれば、基板上の任意の位置に形成された欠陥１１４または１１４ａを発光させることができるとともに、欠陥１１４または１１４ａを発光させるための配線を接続する必要がない。このため、発光部の小型化が可能である。
【００１３】
従来では、上記したフォトニック結晶の欠陥１１４または１１４ａをマトリックス状に配置して光出力装置として用いることは試みられていなかった。また、たとえ、フォトニック結晶を含む光出力装置を実用化しようとしても、マトリックス状に配置された欠陥１１４または１１４ａを選択的に発光させることは困難であるため、フォトニック結晶を用いた光出力装置を実現するのは困難であると考えられていた。
【００１４】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、フォトニック結晶を用いた高精細な光出力装置を提供することである。
【００１５】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
上記目的を達成するために、この発明の第１の局面による光出力装置は、基板上に、第１の方向に形成され、第１の波長の光が導波可能で、かつ、第２の波長の光が実質的に導波できない第１フォトニック結晶構造を含む第１導波路を構成する第１領域と、基板上に、第１の方向に交差する方向に形成され、第２の波長の光が導波可能で、かつ、第１の波長の光が実質的に導波できない第２フォトニック結晶構造を含む第２導波路を構成する第２領域と、第１導波路と第２導波路とが交差する領域に形成され、第１の波長の光と第２の波長の光との両方が存在可能な第３領域と、第１導波路を構成する第１領域および第２導波路を構成する第２領域以外の領域に形成され、第１の波長の光と第２の波長の光との両方が実質的に存在できない第４領域と、第４領域内の第３領域の近傍に設けられ、第１の波長の光と第２の波長の光との両方が存在可能な欠陥とを備えている。
【００１６】
上記第１の局面による光出力装置では、上記のように、第１の波長の光が導波可能な第１導波路を構成する第１領域と、第２の波長の光が導波可能な第２導波路を構成する第２領域とを設けるとともに、第１導波路と第２導波路とが交差する第３領域の近傍に、第１の波長の光と第２の波長の光との両方が存在可能な欠陥を設けることによって、第１導波路と第２導波路とに、それぞれ、第１の波長の光と第２の波長の光とを導波させれば、第１導波路と第２導波路とが交差する第３領域の近傍に位置する欠陥において、第１の波長の光と第２の波長の光とを同時に局在させることができる。そして、欠陥を共振器構造にすれば、欠陥から光を放出することができるので、自発光型の光出力装置として用いることができる。その結果、フォトニック結晶を用いた光出力装置を得ることができる。また、第１の波長の光と第２の波長の光とを用いて、欠陥を発光などさせるので、欠陥に電力を供給する必要がない。これにより、欠陥に電力を供給する配線などが不要となるので、装置の小型化を図ることができる。また、第１導波路および第２導波路をアレイ化することにより欠陥をマトリックス状に配置する場合に、一定の面積に多数の欠陥をマトリックス状に形成することができるので、高精細な光出力装置を得ることができる。
【００１７】
上記第１の局面による光出力装置において、好ましくは、第１導波路を構成する第１領域の一方端に配置され、第１の波長の光を出射する第１発光素子と、第２導波路を構成する第２領域の一方端に配置され、第２の波長の光を出射する第２発光素子とをさらに備える。このように構成すれば、第１発光素子および第２発光素子により、容易に、第１導波路および第２導波路を介して、第１の波長の光と第２の波長の光とを導波させることができるので、第１導波路と第２導波路とが交差する第３領域の近傍に形成された欠陥に、容易に、第１の波長の光と第２の波長の光とを局在させることができる。また、第１導波路および第２導波路をアレイ化することにより欠陥をマトリックス状に配置した場合に、任意の第１発光素子および任意の第２発光素子を選択的に発光させることによって、任意の欠陥に、選択的に、第１の波長の光と第２の波長の光とを局在させることができる。
【００１８】
上記第１の局面による光出力装置において、好ましくは、欠陥は、第１の波長の光の光子エネルギと第２の波長の光の光子エネルギとの和にほぼ等しい光子エネルギを有する第３の波長の近傍の波長を有する光に対して共振器となり、欠陥の中には、第１の波長の光と第２の波長の光とを吸収し、かつ、第３の波長近傍の波長を有する光を放出する材料が含まれている。このように構成すれば、容易に、欠陥において、光を発振するとともに、光を放出することができるので、容易に、自発光型の光出力装置として機能させることができる。
【００１９】
上記第１の局面による光出力装置において、好ましくは、欠陥は、第１の波長の光と第２の波長の光とを吸収して屈折率が変化するフォトリフラクティブ材料を含む。このように構成すれば、容易に、外部から欠陥に入射する光の位相を空間変調することができるので、容易に、光空間変調器型の光出力装置として機能させることができる。
【００２０】
上記第１の局面による光出力装置において、好ましくは、基板は、第１の波長の光と第２の波長の光とを吸収して屈折率が変化するフォトリフラクティブ材料を含む。このように構成すれば、欠陥にフォトリフラクティブ材料を充填する場合に比べて、より容易に、フォトリフラクティブ材料からなる欠陥を形成することができる。
【００２１】
上記第１の局面による光出力装置において、好ましくは、第１領域は、第２の波長に対する第１フォトニック結晶構造の格子の間隔の比率がフォトニックバンドギャップの幅の範囲内の値になるとともに、第２領域は、第１の波長に対する第２フォトニック結晶構造の格子の間隔の比率がフォトニックバンドギャップの幅の範囲内の値になり、第４領域は、第１の波長に対する第４領域の格子の間隔の比率および第２の波長に対する第４領域の格子の間隔の比率が、共にフォトニックバンドギャップの幅の範囲内の値になる。このように構成すれば、容易に、第１領域にのみ第１の波長近傍の光を導波させることができるとともに、第２領域にのみ第２の波長近傍の光を導波させることができる。
【００２２】
この発明の第２の局面による光出力装置は、基板上に、第１の方向に所定の間隔を隔てて形成され、第１の波長の光が導波可能で、かつ、第２の波長の光が実質的に導波できない第１フォトニック結晶構造を含む第１導波路アレイを構成する第１領域と、基板上に、第１の方向に交差する方向に所定の間隔を隔てて形成され、第２の波長の光が導波可能で、かつ、第１の波長の光が実質的に導波できない第２フォトニック結晶構造を含む第２導波路アレイを構成する第２領域と、第１導波路アレイと第２導波路アレイとが交差する領域に形成され、第１の波長の光と第２の波長の光との両方が存在可能な第３フォトニック結晶構造を含む第３領域と、第１導波路アレイを構成する第１領域および第２導波路アレイを構成する第２領域以外の領域に形成され、第１の波長の光と第２の波長の光との両方が実質的に存在できない第４領域と、第４領域内の第３領域の近傍に設けられ、第１の波長の光と第２の波長の光との両方が存在可能な欠陥とを備えている。
【００２３】
上記第２の局面による光出力装置では、上記のように、第１の波長の光が導波可能な第１導波路アレイを構成する第１領域と、第２の波長の光が導波可能な第２導波路アレイを構成する第２領域とを設けるとともに、第１導波路アレイと第２導波路アレイとが交差する第３領域の近傍に、第１の波長の光と第２の波長の光との両方が存在可能な欠陥を設けることによって、所定の第１導波路と所定の第２導波路とを選択して、それぞれ、第１の波長の光と第２の波長の光とを導波させれば、選択した第１導波路と第２導波路とが交差する第３領域の近傍に位置する欠陥において、第１の波長の光と第２の波長の光とを同時に局在させることができる。そして、マトリックス状に配置された欠陥を共振器構造にすれば、マトリックス状に配置された欠陥から光を選択的に放出することができるので、自発光型の光出力装置として用いることができる。その結果、フォトニック結晶を用いた光出力装置を得ることができる。また、第１の波長の光と第２の波長の光とを用いて、マトリックス状に配置された欠陥を発光などさせるので、マトリックス状に配置された欠陥に電力を供給する必要がない。これにより、マトリックス状に配置された各欠陥に電力を供給する配線などが不要となるので、装置の小型化を図ることができる。これにより、一定の面積に多数の欠陥をマトリックス状に形成することができるので、高精細な光出力装置を得ることができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２５】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態による光出力装置の平面図であり、図２は、図１に示した第１実施形態による光出力装置の６０−６０線に沿った断面の一部を示した断面図である。図３は、図１および図２に示した第１実施形態による光出力装置の欠陥内の状態を示した模式図である。まず、図１および図２を参照して、第１実施形態による光出力装置の構造について説明する。
【００２６】
第１実施形態による光出力装置では、図１に示すように、波長Ｐ１の光のみが導波可能なフォトニック結晶からなる導波路２ａと、波長Ｐ２の光のみが導波可能なフォトニック結晶からなる導波路２ｂと、波長Ｐ１の光と波長Ｐ２の光との両方が存在可能なフォトニック結晶からなる導波路交差部２ｃと、波長Ｐ１の光と波長Ｐ２の光との両方が実質的に存在できないフォトニック結晶からなる導波不可能部２ｄと、波長Ｐ１の光と波長Ｐ２の光との両方が存在可能なフォトニック結晶からなる欠陥２ｅとが設けられている。
【００２７】
そして、導波路２ａは、所定の方向（図１では縦方向）に所定の間隔を隔てて形成されているとともに、導波路２ｂは、導波路２ａと直交する方向（図１では横方向）に所定の間隔を隔てて形成されている。また、導波路交差部２ｃは、導波路２ａと導波路２ｂとが交差する領域であり、導波不可能部２ｄは、導波路２ａ、導波路２ｂおよび導波路交差部２ｃ以外の領域である。また、欠陥２ｅは、導波路交差部２ｃの近傍に形成されている。すなわち、欠陥２ｅは、マトリックス状に配置されている。また、欠陥２ｅは、図２２に示した従来例と同様、格子サイズの大きな２つの格子によって構成されている。なお、図１では、図面を簡略化するため、欠陥２ｅは１つの格子として図示されている。また、欠陥２ｅには、図３に示すように、少なくとも基底状態１１と励起状態１２との２つのエネルギ準位を有する材料がドープされている。
【００２８】
欠陥２ｅにドープする材料としては、半導体、色素または有機系材料が考えられる。たとえば、長波長を２光子吸収して短波長を出力する色素としては、Ｉｎｄｏ−１、ＲＯＸ、Ｒｈｏｄａｍｉｎｅ（ローダミン）、ＸＲＩＴＣ、ＮＫＸ−２１９７、ＹＯＹＯ−１、ＣｏｕｍａｒｉｎｅおよびＥｘａｌｉｔｅなどがあり、励起波長や出力波長に合わせて数１００種類の中から適宜選択できる。なお、色素レーザでは、通常、紫外域光で励起して、それよりも波長の長い可視域光を出力するが、Ｒｈｏｄａｍｉｎｅ、ＣｏｕｍａｒｉｎｅおよびＥｘａｌｉｔｅなどの色素レーザ用色素においても、赤外光で２光子励起して、それよりも波長の短い可視域光を出力できる。これらは、たとえば、「レーザ研究」、Ｖｏｌ．２７、Ｎｏ．１０、１９９９年１０月、ｐ．７１２−ｐ．７１４などに開示されている。また、有機系材料としては、ビス（ベンジリデン）シクロアルカノン、Ｕｒｅａ、ｍ−ＭＡ、ＭＮＡ、ＭＡＰおよびＮＰＰなどがあり、２次の非線形光学効果により波長の長い２光子から短波長を発生させることができる。
【００２９】
また、各導波路２ａの一方端には、それぞれ、波長Ｐ１の光を発光する発光素子３ａが設けられており、各導波路２ｂの一方端には、それぞれ、波長Ｐ２の光を発光する発光素子３ｂが設けられている。
【００３０】
なお、波長Ｐ１は、本発明の「第１の波長」の一例であり、波長Ｐ２は、本発明の「第２の波長」の一例である。また、導波路２ａは、本発明の「第１領域」の一例であり、導波路２ｂは、本発明の「第２領域」の一例である。また、導波路交差部２ｃは、本発明の「第３領域」の一例であり、導波不可能部２ｄは、本発明の「第４領域」の一例である。また、発光素子３ａは、本発明の「第１発光素子」の一例であり、発光素子３ｂは、本発明の「第２発光素子」の一例である。
【００３１】
なお、図１に示した発光素子３ａおよび導波路２ａ部分の断面構造としては、図２に示すように、ガラス基板１上に、ＩｎＧａＡｓＰからなる多重量子井戸構造（ＭＱＷ：Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）を有する導波路２ａと、ＩｎＧａＡｓＰからなるＭＱＷ構造を有する発光素子３ａとが形成されている。この発光素子３ａの上面の一部領域上には、下層のＡｕ層と上層のＡｕＺｎ層とからなる電極３１が形成されている。また、発光素子３ａの一部領域が除去されており、この除去されて露出している領域上には、下層のＡｕＧｅＮｉ層と上層のＡｕ層とからなる電極３２が形成されている。また、導波路２ａと発光素子３ａとの間には、電気的に分離するための分離溝４が形成されている。この分離溝４によって分離された発光素子３ａの側面が共振器端面となる。なお、ガラス基板１は、本発明の「基板」の一例である。
【００３２】
図４は、図１および図２に示した第１実施形態による光出力装置の動作を説明するための斜視図である。次に、図３および図４を参照して、第１実施形態による光出力装置の動作について説明する。まず、図４に示すように、選択された発光素子３ａが発光する。そして、選択された発光素子３ａが発光することと同期して、選択された発光素子３ｂも発光する。このとき、発光素子３ａが発光する波長Ｐ１の光は、導波路２ａおよび導波路交差部２ｃのみにしか存在できないので、導波路２ａを途中で分岐することなく直進する。また、発光素子３ｂが発光する波長Ｐ２の光は、導波路２ｂおよび導波路交差部２ｃのみにしか存在できないので、導波路２ｂを途中で分岐することなく直進する。そして、光のトンネル効果によって、波長Ｐ１の光と波長Ｐ２の光とが交差する選択された導波路交差部２ｃの近傍に形成された選択された欠陥２ｅに、波長Ｐ１の光と波長Ｐ２の光とが局在することになる。
【００３３】
ここで、第１実施形態による各欠陥２ｅは、上記したように、２つの格子のサイズを大きくすることにより構成されているため、図２２に示した従来例と同様、欠陥２ｅを共振器として機能させることができる。具体的には、光のトンネル効果によって、欠陥２ｅ内に波長Ｐ１の光と波長Ｐ２の光とが混ざって局在すると、上記した色素などがドープされた欠陥２ｅは、図３に示したように、基底状態１１および励起状態１２の２つのエネルギ準位をもつので、波長Ｐ１の光と波長Ｐ２の光とを２光子吸収して波長Ｐ３の光を放出する。そして、各欠陥２ｅは、波長Ｐ３の光に対して共振器となるので、波長Ｐ３の光を発振するとともに、波長Ｐ３の光を放出することができる。なお、欠陥２ｅのサイズなどを最適設計することによって、容易に、ガラス基板１の表面に対して垂直方向に光を放出することができる。
【００３４】
第１実施形態では、上記のように、導波路２ａを導波する発光素子３ａから発光される波長Ｐ１の光と、導波路２ｂを導波する発光素子３ｂから発光される波長Ｐ２の光とが交差する導波路交差部２ｃの近傍に、欠陥２ｅを設けることによって、所定の導波路２ａと所定の導波路２ｂとを選択して、それぞれ、波長Ｐ１の光と波長Ｐ２の光とを導波させれば、選択した導波路２ａと導波路２ｂとが交差する導波路交差部２ｃの近傍に位置する欠陥２ｅにおいて、波長Ｐ１の光と波長Ｐ２の光とを同時に局在させることができる。そして、マトリックス状に配置された欠陥２ｅを共振器構造にすれば、マトリックス状に配置された欠陥２ｅから光を選択的に放出することができるので、自発光型の光出力装置として用いることができる。これにより、フォトニック結晶を用いた光出力装置を得ることができる。また、波長Ｐ１の光と波長Ｐ２の光とを用いて、マトリックス状に配置された欠陥２ｅを発光させるので、マトリックス状に配置された欠陥２ｅに電力を供給する必要がない。これにより、各欠陥２ｅに電力を供給する配線などが不要となるので、装置の小型化を図ることができる。その結果、一定の面積に多数の欠陥２ｅをマトリックス状に形成することができるので、高精細な光出力装置を得ることができる。
【００３５】
また、第１実施形態では、上記のように、各導波路２ａの一方端に、それぞれ、発光素子３ａを配置するとともに、各導波路２ｂの一方端に、それぞれ、発光素子３ｂを配置することによって、発光素子３ａおよび３ｂを用いて、容易に、波長Ｐ１の光と波長Ｐ２の光とを導波させることができる。
【００３６】
なお、上記した第１実施形態による光出力装置は、ディスプレイ装置、光メモリ装置、光インターコネクション、光マトリックススイッチおよびレーザビームプリンタ用光源などに応用することができる。
【００３７】
図５〜図７は、図２に示した第１実施形態による光出力装置の製造プロセスを説明するための断面図である。次に、図２および図５〜図７を参照して、第１実施形態による光出力装置の製造プロセスについて説明する。
【００３８】
まず、図５に示すように、有機金属気相堆積法（ＭＯＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）を用いて、ＩｎＰ基板５上に、ＩｎＧａＡｓＰからなるＭＱＷ層６を形成する。次に、図６に示すように、ＩｎＰ基板５上に形成されたＭＱＷ層６を、ガラス基板１上に融着する。この後、エッチング技術または研磨技術を用いて、ＩｎＰ基板５を除去することによって、図７に示すような構造が得られる。この後、図２に示したように、ＭＱＷ層６に分離溝４を形成することによって、ガラス基板１上に、ＩｎＧａＡｓＰからなるＭＱＷ層により構成される導波路２ａと発光素子３ａとを形成する。最後に、発光素子３ａの上面の一部領域上に、下層のＡｕ層と上層のＡｕＺｎ層とからなる電極３１を形成する。また、発光素子３ａの一部領域を除去した後、除去されて露出している領域上に、下層のＡｕＧｅＮｉ層と上層のＡｕ層とからなる電極３２を形成する。このようにして、図２に示した第１実施形態による光出力装置が形成される。
【００３９】
図８は、図２に示した第１実施形態の変形例による光出力装置の断面図である。図８を参照して、この第１実施形態の変形例による光出力装置では、ガラス基板１上に、ガラス基板１よりも高い屈折率を有するＴｉＯ2からなる透明導波路２０ａを形成する。このように構成しても、透明導波路２０ａを光の導波路として用いることができる。なお、この場合には、分離溝を形成する必要がない。
【００４０】
（第２実施形態）
図９は、本発明の第２実施形態による光出力装置の平面図である。図１０は、図９に示した光出力装置の欠陥内の屈折率と時間との関係を示した相関図である。図１０の縦軸には、屈折率がとられており、横軸には、時間がとられている。図９および図１０を参照して、この第２実施形態では、上記第１実施形態と異なり、フォトリフラクティブ材料を含む欠陥２２ｅを形成する例について説明する。なお、第２実施形態のその他の構造、動作および製造プロセスは、第１実施形態と同様である。
【００４１】
すなわち、この第２実施形態による光出力装置では、図９に示すように、フォトニック結晶にフォトリフラクティブ材料が充填された各欠陥２２ｅが、各導波路交差部２ｃの近傍にマトリックス状に配置されている。なお、フォトリフラクティブ材料とは、光を吸収することにより屈折率が変化する性質を有する材料である。また、光を吸収することにより変化したフォトリフラクティブ材料の屈折率は、図１０に示すように、時間が経過すれば、元の屈折率に戻る性質を有する。
【００４２】
また、フォトリフラクティブ材料としては、ＬｉＮｂＯ3、ＢａＴｉＯ3、Ｋｔａ1-XＮｂXＯ3（ＫＴＮ）およびＳｒ1-XＢａXＮｂ2Ｏ6（ＳＢＮ）などの強誘電性酸化物、Ｂｉ12ＳｉＯ20（ＢＳＯ）、Ｂｉ12ＧｅＯ20（ＢＧＯ）およびＢｉ12ＴｉＯ20（ＢＴＯ）などの常誘電性酸化物、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＰおよびＣｄＴｅなどの半導体、または、ＤＡＮＳ／ＭＭＡ、ＮＮＤＮ−ＮＡＮ：ＤＥＨ、ＤＲ１／ＰＶＫ：ＴＮＦ、ｂｉａｓ−ＮＰＤＡ：ＤＥＨ、ＰＭＭＡ−ＰＮＡ：ＤＥＨ、ｂｉａｓ−ＮＡＳ：ＤＥＨ、ＰＶＫ：ＤＥＡＮＳＴ：Ｃ60、ＰＶＫ：ＦＤＥＡＮＳＴ：ＴＮＦ、ｂｉａｓ−ＮＡＴ：ＤＥＨおよびＰＭＭＡ−ＰＮＡ：ＤＥＨ：Ｃ60などの有機系材料を用いることができる。なお、材料の形態および性質を考慮すると、欠陥２２ｅにドープする場合は、有機系材料が適している。
【００４３】
第２実施形態では、上記のように、フォトリフラクティブ材料を含む欠陥２２ｅを導波路交差部２ｃの近傍に設けることによって、欠陥２２ｅが波長Ｐ１の光と波長Ｐ２の光とを２光子吸収する際に、欠陥２２ｅの屈折率を変化させることができる。このとき、外部から欠陥２２ｅに光を入射すると、位相が変調された光を放出することができる。これにより、光空間変調型の光出力装置として機能させることができる。
【００４４】
たとえば、図１０に示したような屈折率が変化した後元に戻る前の期間Ｘの間に、ガラス基板１上にマトリックス状に配置された欠陥２２ｅを順次選択し、かつ、外部から全ての欠陥２２ｅに光を入射することによって、全ての欠陥２２ｅから位相が変調された光が放出されるので、ホログラム映像の再生が可能となる。また、期間Ｘの間に、ガラス基板１上にマトリックス状に配置された全ての欠陥２２ｅを１フレーム毎に異なる屈折率になるように順次選択し、かつ、外部から全ての欠陥２２ｅに光を入射することによって、全ての欠陥２２ｅから１フレーム毎に異なる位相の光が放出されるので、動画ホログラム映像の再生も可能となる。
【００４５】
また、第２実施形態による光出力装置は、光信号を用いて動作させるコンピュータとしての光並列演算処理装置用の光空間変調器または同心円の周期を変化させることにより焦点を変化させる焦点可変レンズなどに応用することができる。
【００４６】
なお、第２実施形態のその他の効果は、第１実施形態と同様である。
【００４７】
（第３実施形態）
図１１は、本発明の第３実施形態による光出力装置の構造を示した平面図である。図１２は、図１１に示した第３実施形態による光出力装置を構成するフォトニック結晶の拡大平面図である。図１３は、図１１に示した第３実施形態による光出力装置内を導波する光の透過率と波長との関係を示したグラフである。図１１〜図１３を参照して、この第３実施形態では、色素レーザ用色素の１つであるローダミン６Ｇがドープされた欠陥を有するとともに、１．０４５μｍの波長λ1の光と１．０８２μｍの波長λ2の光とを２光子吸収して光を出力する光出力装置について説明する。なお、波長λ1は、本発明の「第１の波長」の一例であり、波長λ2は、本発明の「第２の波長」の一例である。
【００４８】
この第３実施形態による光出力装置では、図１１に示すように、ガラス基板（図示せず）上に、約１μｍの厚みを有するＴｉＯ2膜４２が形成されている。このＴｉＯ2膜４２には、導波路４２ａと、導波路４２ｂと、導波路交差部４２ｃと、導波不可能部４２ｄと、欠陥４２ｅとが設けられている。なお、導波路４２ａは、本発明の「第１領域」の一例であり、導波路４２ｂは、本発明の「第２領域」の一例である。また、導波路交差部４２ｃは、本発明の「第３領域」の一例であり、導波不可能部４２ｄは、本発明の「第４領域」の一例である。そして、導波路４２ａは、所定の方向（図１１では横方向）に延びるように形成されているとともに、導波路４２ｂは、導波路４２ａと直交する方向（図１１では縦方向）に延びるように形成されている。また、導波路交差部４２ｃは、導波路４２ａと導波路４２ｂとが交差する領域であり、導波不可能部４２ｄは、導波路４２ａ、導波路４２ｂおよび導波路交差部４２ｃ以外の領域である。また、欠陥４２ｅは、導波路交差部４２ｃの近傍の導波不可能部４２ｄ中に形成されている。
【００４９】
ここで、第３実施形態では、導波路４２ａ、導波路４２ｂ、導波不可能部４２ｄおよび欠陥４２ｅは、フォトニック結晶構造を有している。この導波路４２ａ、導波路４２ｂ、導波不可能部４２ｄおよび欠陥４２ｅのフォトニック結晶は、図１２に示すように、格子点となる円形状（円柱状）の孔４２ｆが正方形を構成するように配列された正方格子２次元フォトニック結晶構造を有している。そして、図１１に示した導波路４２ａ、導波路４２ｂ、導波不可能部４２ｄおよび欠陥４２ｅのフォトニック結晶には、規則的に並ぶ格子の間隔（格子定数）ａおよび格子のサイズ（半径）ｒを調整することにより、所定の波長の光が存在できないフォトニックバンドギャップが設けられている。すなわち、フォトニックバンドギャップに該当する波長の光は、そのフォトニックバンドギャップを有するフォトニック結晶を導波することができない。なお、図１１に示した導波路交差部４２ｃは、格子を有しない薄膜導波路であり、すべての波長の光が導波可能である。
【００５０】
そして、この第３実施形態では、図１３に示すように、導波路４２ａのフォトニック結晶には、波長λ2の光の透過率がほぼ０になるようなフォトニックバンドギャップが設けられており、導波路４２ｂのフォトニック結晶には、波長λ1の光の透過率がほぼ０になるようなフォトニックバンドギャップが設けられている。また、導波不可能部４２ｄのフォトニック結晶には、波長λ1の光および波長λ2の光を含む広い波長領域で透過率がほぼ０になるようなフォトニックバンドギャップが設けられている。なお、導波路交差部４２ｃは、格子を有しない薄膜導波路にすることによって、波長λ1の光および波長λ2の光の透過率がほぼ１となる。具体的な各フォトニック結晶の格子の間隔（格子定数）ａおよび格子のサイズ（半径）ｒ（図１２参照）としては、導波路４２ａでは、ａ：約０．３３０μｍおよびｒ：約０．１１６μｍである。導波路４２ｂでは、ａ：約０．３１９μｍおよびｒ：約０．１１２μｍである。導波不可能部４２ｄでは、ａ：約０．３６５μｍおよびｒ：０．１４６μｍである。
【００５１】
また、図示しないが、導波路交差部４２ｃの近傍の導波不可能部４２ｄ中に形成されている欠陥４２ｅのフォトニック結晶には、波長λ1の光および波長λ2の光が存在可能なフォトニックバンドギャップが設けられている。欠陥４２ｅのフォトニック結晶の格子の間隔（格子定数）ａおよび格子のサイズ（半径）ｒとしては、ａ：約０．３６５μｍおよびｒ：約０．１６４μｍである。なお、欠陥４２ｅを構成する孔４２ｆ（図１２参照）の数は、複数でもよいし、１つでもよい。また、欠陥４２ｅには、色素レーザ用色素の１つであるローダミン６Ｇがドープされている。ここで、ローダミン６Ｇは、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第２高調波（波長：５３２ｎｍ）の光を吸収して、５５０ｎｍ〜５９０ｎｍの光を出力することが知られている。また、第２高調波の代わりに、１．０６４μｍの光を２光子吸収して、５５０ｎｍ〜５９０ｎｍの光を出力することも知られている。
【００５２】
また、図１１に示すように、導波路４２ａの一方端には、波長λ1の光を発光する発光素子４３ａが設けられており、導波路４２ｂの一方端には、波長λ2の光を発光する発光素子４３ｂが設けられている。なお、発光素子４３ａは、本発明の「第１発光素子」の一例であり、発光素子４３ｂは、本発明の「第２発光素子」の一例である。
【００５３】
第３実施形態では、上記のように、波長λ1の光が導波可能なフォトニック結晶からなる導波路４２ａと、波長λ2の光が導波可能なフォトニック結晶からなる導波路４２ｂとを設けるとともに、導波路４２ａと導波路４２ｂとが交差する導波路交差部４２ｃの近傍に、波長λ1の光と波長λ2の光との両方が存在可能な欠陥４２ｅを設けることによって、導波路４２ａと導波路４２ｂとに、それぞれ、波長λ1の光と波長λ2の光とを導波させれば、導波路４２ａと導波路４２ｂとが交差する導波路交差部４２ｃの近傍に位置する欠陥４２ｅにおいて、波長λ1の光と波長λ2の光とを光のトンネル効果により同時に局在させることができる。そして、欠陥４２ｅを共振器構造にすれば、欠陥４２ｅから光を放出することができるので、自発光型の光出力装置として用いることができる。その結果、フォトニック結晶を用いた光出力装置を得ることができる。また、波長λ1の光と波長λ2の光とを用いて、欠陥４２ｅを発光させるので、欠陥４２ｅに電力を供給する必要がない。これにより、欠陥４２ｅに電力を供給する配線などが不要となるので、装置の小型化を図ることができる。
【００５４】
また、第３実施形態では、上記のように、２光子吸収して光を出力するローダミン６Ｇを欠陥４２ｅにドープすることによって、容易に、欠陥４２ｅにおいて、光を発振するとともに、光を放出することができるので、容易に、自発光型の光出力装置として機能させることができる。
【００５５】
なお、第３実施形態のその他の効果は、上記第１実施形態と同様である。
【００５６】
図１４は、所定の波長の光が存在できないフォトニックバンドギャップの分布領域を示したグラフである。図１５は、２光子吸収の概念を説明するための模式図である。次に、図１１〜図１５を参照して、第３実施形態による光出力装置を構成する各フォトニック結晶の製造プロセスについて説明する。
【００５７】
第３実施形態の各フォトニック結晶の製造プロセスとしては、たとえば、平面波展開法を用いて計算した所定の波長の光が存在できないフォトニックバンドギャップの分布領域（図１４参照）を考慮して、フォトニック結晶の格子の間隔（格子定数）ａおよび格子サイズ（半径）ｒ（図１２参照）を決定する。なお、図１４中の横軸には、ｒ／ａがとられており、縦軸には、ａ／λ（λ：入射光の波長）がとられている。また、図１４中の斜線部分は、ＴｉＯ2膜に設けられた正方格子２次元フォトニック結晶に入射したＴＭモード（電界ベクトルがＴｉＯ2膜の表面に垂直）の光に対するフォトニックバンドギャップの分布領域である。すなわち、所定の波長の光が存在できないフォトニックバンドギャップは、図１４中の斜線部分の条件領域で存在するとともに、その斜線部分の縦方向の幅が、フォトニックバンドギャップの幅（存在できない光の波長領域の幅）である。
【００５８】
したがって、所定の波長λの光が存在できないフォトニック結晶を得るには、ａ／λの値がフォトニックバンドギャップの幅の範囲内の値になるように、格子の間隔（格子定数）ａおよび格子のサイズ（半径）ｒを決定すればよい。また、所定の波長λの光が存在することができるフォトニック結晶を得るには、ａ／λの値がフォトニックバンドギャップの幅の範囲外の値になるように、格子の間隔（格子定数）ａおよび格子のサイズ（半径）ｒを決定すればよい。また、フォトニック結晶の格子の間隔（格子定数）ａおよび格子のサイズ（半径）ｒを調整することにより、存在できない光の波長領域の幅であるフォトニックバンドギャップの幅を制御することができる。なお、格子を設けなければ、すべての波長の光が存在することができる。
【００５９】
上記した平面波展開法は、たとえば、「ＯＰＴＩＣＳ ＣＯＭＭＵＮＩＣＡＴＩＯＮＳ」、Ｖｏｌ．８０、Ｎｏ．３，４、１９９１年１月１日、ｐｐ．１９９−２０４などに開示されている。
【００６０】
そして、具体的な各フォトニック結晶の製造プロセスとしては、まず、第１ステップとして、２光子のそれぞれの波長を決定する。ここで、２光子吸収は、図１５に示すように、２光子のそれぞれのエネルギ４０ａおよび４０ｂの和が、単光子のエネルギ４０にほぼ等しいときに生じる。この２光子のそれぞれのエネルギ４０ａおよび４０ｂと単光子のエネルギ４０との関係は、次式（１）のように表される。
【００６１】
ｈｆ0＝ｈｆ1＋ｈｆ2 …（１）
ここで、ｈはプランク定数、ｆ0は単光子の周波数、ｆ1およびｆ2は２光子のそれぞれの周波数である。
【００６２】
また、真空中の光速をｃとすると、波長λと周波数ｆとの関係は、ｆ＝ｃ／λとなるので、上記式（１）は、次式（２）のように表すことができる。
【００６３】
１／λ0＝１／λ1＋１／λ2 …（２）
ここで、λ0は単光子の波長、λ1およびλ2は２光子のそれぞれの波長である。
【００６４】
そして、この第３実施形態では、２光子が局在する領域である欠陥４２ｅ（図１１参照）に５３２ｎｍの波長の光を吸収するローダミン６Ｇがドープされているので、上記式（２）において、λ0＝５３２ｎｍとなる。これにより、上記式（２）を満たす２光子の波長として、１．０４５μｍ（λ1）および１．０８２μｍ（λ2）を採用する。なお、波長λ1およびλ2の光は、ＴＭモードとする。
【００６５】
次に、第２ステップとして、図１４に示した平面波展開法を用いて、各フォトニック結晶の格子の間隔（格子定数）ａを決定する。具体的には、導波路４２ａおよび４２ｂ（図１１参照）のフォトニック結晶におけるｒ／ａを、ｒ／ａ＝０．３５とする。このときのフォトニックバンドギャップの幅Ｗ１の中心は、ａ／λ＝０．３０４９となる。そして、導波路４２ａでは、波長λ2の光が存在できないように、λ＝１．０８２μｍ（λ2）にする。これにより、導波路４２ａのフォトニック結晶の格子の間隔（格子定数）ａは、ａ＝０．３０４９×１．０８２＝約０．３３０μｍとなる。また、導波路４２ｂでは、波長λ1の光が存在できないように、λ＝１．０４５μｍ（λ1）にする。これにより、導波路４２ｂのフォトニック結晶の格子の間隔（格子定数）ａは、ａ＝０．３０４９×１．０４５＝約０．３１９μｍとなる。
【００６６】
また、導波不可能部４２ｄ（図１１参照）のフォトニック結晶におけるｒ／ａを、ｒ／ａ＝０．４０とする。このときのフォトニックバンドギャップの幅Ｗ２の中心は、ａ／λ＝０．３４３２となる。そして、導波不可能部４２ｄでは、波長λ1の光および波長λ2の光が存在できないように、λ＝１．０６４μｍ（波長λ1と波長λ2との平均波長）にする。これにより、導波不可能部４２ｄのフォトニック結晶の格子の間隔（格子定数）ａは、ａ＝０．３４３２×１．０６４＝約０．３６５μｍとなる。この場合、ａ／λ1およびａ／λ2の値は、共にフォトニックバンドギャップの幅の範囲内の値になる。なお、欠陥４２ｅのフォトニック結晶の間隔（格子定数）ａも、導波不可能部４２ｄと同様、ａ＝約０．３６５μｍとする。
【００６７】
次に、第３ステップとして、各フォトニック結晶の格子のサイズ（半径）ｒを決定する。具体的には、導波路４２ａでは、ｒ／ａ＝０．３５およびａ＝０．３３０μｍより、ｒ＝０．３５×０．３３０＝約０．１１６μｍとなり、導波路４２ｂでは、ｒ／ａ＝０．３５およびａ＝０．３１９μｍより、ｒ＝０．３５×０．３１９＝約０．１１２μｍとなる。また、導波不可能部４２ｄでは、ｒ／ａ＝０．４０およびａ＝０．３６５μｍより、ｒ＝０．４０×０．３６５＝約０．１４６μｍとなる。また、導波不可能部４２ｄ中に形成される欠陥４２ｅでは、欠陥４２ｅのフォトニック結晶におけるｒ／ａを、ｒ／ａ＝０．４５として設計する。これにより、導波不可能部４２ｄのａ＝０．３６５μｍより、ｒ＝０．４５×０．３６５＝約０．１６４μｍとなる。
【００６８】
なお、導波路交差部４２ｃは、格子を有さない薄膜導波路にする。
【００６９】
このようにして、第３実施形態の各フォトニック結晶における格子の間隔（格子定数）ａおよび格子のサイズ（半径）ｒが決定される。
【００７０】
（第４実施形態）
図１６は、本発明の第４実施形態による光出力装置の構造を示した平面図である。図１６を参照して、この第４実施形態では、上記第３実施形態と異なり、フォトリフラクティブ材料がドープされた欠陥を有するとともに、１．２７２μｍの波長λ3の光と１．３１６μｍの波長λ4の光とを２光子吸収して入射光の位相を空間変調する光出力装置について説明する。なお、波長λ3は、本発明の「第１の波長」の一例であり、波長λ4は、本発明の「第２の波長」の一例である。
【００７１】
この第４実施形態による光出力装置では、図１６に示すように、ガラス基板（図示せず）上に、約１μｍの厚みを有するＴｉＯ2膜５２が形成されている。このＴｉＯ2膜５２には、導波路５２ａと、導波路５２ｂと、導波路交差部５２ｃと、導波不可能部５２ｄと、欠陥５２ｅとが設けられている。なお、導波路５２ａは、本発明の「第１領域」の一例であり、導波路５２ｂは、本発明の「第２領域」の一例である。また、導波路交差部５２ｃは、本発明の「第３領域」の一例であり、導波不可能部５２ｄは、本発明の「第４領域」の一例である。そして、導波路５２ａは、所定の方向（図１６では横方向）に延びるように形成されているとともに、導波路５２ｂは、導波路５２ａと直交する方向（図１６では縦方向）に延びるように形成されている。また、導波路交差部５２ｃは、導波路５２ａと導波路５２ｂとが交差する領域であり、導波不可能部５２ｄは、導波路５２ａ、導波路５２ｂおよび導波路交差部５２ｃ以外の領域である。また、欠陥５２ｅは、導波路交差部５２ｃの近傍の導波不可能部５２ｄ中に形成されている。
【００７２】
ここで、第４実施形態では、導波路５２ａ、導波路５２ｂ、導波不可能部５２ｄおよび欠陥５２ｅは、フォトニック結晶構造を有している。この導波路５２ａ、導波路５２ｂ、導波不可能部５２ｄおよび欠陥５２ｅのフォトニック結晶は、図１２に示した第３実施形態と同様、格子点となる円形状（円柱状）の孔（図示せず）が正方形を構成するように配列された正方格子２次元フォトニック結晶構造を有している。そして、導波路５２ａ、導波路５２ｂ、導波不可能部５２ｄおよび欠陥５２ｅのフォトニック結晶には、規則的に並ぶ格子の間隔（格子定数）および格子のサイズ（半径）を調整することにより、所定の波長の光が存在できないフォトニックバンドギャップが設けられている。なお、導波路交差部５２ｃは、格子を有しない薄膜導波路であり、すべての波長の光が導波可能である。
【００７３】
そして、この第４実施形態では、導波路５２ａのフォトニック結晶には、波長λ4の光の透過率がほぼ０になるようなフォトニックバンドギャップが設けられており、導波路５２ｂのフォトニック結晶には、波長λ3の光の透過率がほぼ０になるようなフォトニックバンドギャップが設けられている。また、導波不可能部５２ｄのフォトニック結晶には、波長λ3の光および波長λ4の光を含む広い波長領域で透過率がほぼ０になるようなフォトニックバンドギャップが設けられている。なお、導波路交差部５２ｃは、格子を有しない薄膜導波路にすることによって、波長λ3の光および波長λ4の光の透過率がほぼ１となる。具体的な各フォトニック結晶の格子の間隔（格子定数）ａおよび格子のサイズ（半径）ｒとしては、導波路５２ａでは、ａ：約０．４０１μｍおよびｒ：約０．１４０μｍである。導波路５２ｂでは、ａ：約０．３８８μｍおよびｒ：約０．１３６μｍである。導波不可能部５２ｄでは、ａ：約０．４４４μｍおよびｒ：０．１７８μｍである。
【００７４】
また、導波路交差部５２ｃの近傍の導波不可能部５２ｄ中に形成される欠陥５２ｅのフォトニック結晶には、波長λ3の光および波長λ4の光が存在可能なフォトニックバンドギャップが設けられている。欠陥５２ｅのフォトニック結晶の格子の間隔（格子定数）ａおよび格子のサイズ（半径）ｒとしては、ａ：約０．４４４μｍおよびｒ：約０．２０μｍである。なお、欠陥５２ｅを構成する孔の数は、複数でもよいし、１つでもよい。また、欠陥５２ｅには、ＰＶＫ、７−ＤＣＳＴ、ＢＢＰおよびＣ60を含むフォトリフラクティブ材料がドープされている。このフォトリフラクティブ材料を構成するＰＶＫ、７−ＤＣＳＴ、ＢＢＰおよびＣ60の比率は、ＰＶＫ：７−ＤＣＳＴ：ＢＢＰ：Ｃ60＝４９．５：３５：１５：０．５（ｗｔ％）である。ここで、ＰＶＫ、７−ＤＣＳＴ、ＢＢＰおよびＣ60を含むフォトリフラクティブ材料は、６４７ｎｍの光を吸収することにより、フォトリフラクティブ効果が生じることが知られている。このことは、たとえば、「レーザ研究」、Ｖｏｌ．３０、Ｎｏ．４、２００２年４月１５日、ｐｐ．１６６−１７０などに開示されている。
【００７５】
また、導波路５２ａの一方端には、波長λ3の光を発光する発光素子５３ａが設けられており、導波路５２ｂの一方端には、波長λ4の光を発光する発光素子５３ｂが設けられている。なお、発光素子５３ａは、本発明の「第１発光素子」の一例であり、発光素子５３ｂは、本発明の「第２発光素子」の一例である。
【００７６】
第４実施形態では、上記のように、波長λ3の光が導波可能なフォトニック結晶からなる導波路５２ａと、波長λ4の光が導波可能なフォトニック結晶からなる導波路５２ｂとを設けるとともに、導波路５２ａと導波路５２ｂとが交差する導波路交差部５２ｃの近傍に、波長λ3の光と波長λ4の光との両方が存在可能な欠陥５２ｅを設けることによって、上記第３実施形態と同様、欠陥５２ｅにおいて、波長λ3の光と波長λ4の光とを同時に局在させることができる。そして、第４実施形態では、欠陥５２ｅに、ＰＶＫ、７−ＤＣＳＴ、ＢＢＰおよびＣ60を含むフォトリフラクティブ材料をドープすることによって、容易に、外部から欠陥５２ｅに入射する光の位相を空間変調することができるので、容易に、光空間変調器型の光出力装置として機能させることができる。また、波長λ3の光と波長λ4の光とを用いて、欠陥５２ｅの屈折率を変化させるので、欠陥５２ｅに電力を供給する必要がない。これにより、欠陥５２ｅに電力を供給する配線などが不要となるので、装置の小型化を図ることができる。
【００７７】
なお、第４実施形態のその他の効果は、上記第２実施形態と同様である。
【００７８】
次に、第４実施形態の各フォトニック結晶の製造プロセスとしては、上記第３実施形態と同様、たとえば、平面波展開法により計算したフォトニックバンドギャップ分布領域図（図１４参照）を用いて、各フォトニック結晶の格子の間隔（格子定数）および格子のサイズ（半径）を決定する。
【００７９】
具体的には、まず、第１ステップとして、２光子のそれぞれの波長を決定する。この際、第４実施形態では、２光子が局在する領域である欠陥５２ｅに６４７ｎｍの波長の光を吸収するフォトリフラクティブ材料がドープされているので、上記第３実施形態で示した式（２）において、λ0＝６４７ｎｍとなる。これにより、式（２）を満たす２光子の波長として、１．２７２μｍ（λ3）および１．３１６μｍ（λ4）を採用する。なお、波長λ3およびλ4の光は、ＴＭモードとする。
【００８０】
次に、第２ステップとして、図１４に示したように、フォトニックバンドギャップが存在する条件領域を考慮して、フォトニック結晶の格子の間隔（格子定数）ａを決定する。具体的には、図１６に示した導波路５２ａおよび５２ｂのフォトニック結晶におけるｒ／ａを、ｒ／ａ＝０．３５とする。このときのフォトニックバンドギャップの幅Ｗ１の中心は、ａ／λ＝０．３０４９となる。そして、導波路５２ａでは、波長λ4の光が存在できないように、λ＝１．３１６μｍ（λ4）にする。これにより、導波路５２ａのフォトニック結晶の格子の間隔（格子定数）ａは、ａ＝０．３０４９×１．３１６＝約０．４０１μｍとなる。また、導波路５２ｂでは、波長λ3の光が存在できないように、λ＝１．２７２μｍ（λ3）にする。これにより、導波路５２ｂのフォトニック結晶の格子の間隔（格子定数）ａは、ａ＝０．３０４９×１．２７２＝約０．３８８μｍとなる。
【００８１】
また、図１６に示した導波不可能部５２ｄのフォトニック結晶におけるｒ／ａを、ｒ／ａ＝０．４０とする。このときのフォトニックバンドギャップの幅Ｗ２の中心は、ａ／λ＝０．３４３２となる。そして、導波不可能部５２ｄでは、波長λ3および波長λ4の光が存在できないように、λ＝１．２９４μｍ（波長λ3と波長λ4との平均波長）にする。これにより、導波不可能部５２ｄのフォトニック結晶の格子の間隔（格子定数）ａは、ａ＝０．３４３２×１．２９４＝約０．４４４μｍとなる。この場合、ａ／λ3およびａ／λ4の値は、共にフォトニックバンドギャップの幅の範囲内の値になる。なお、欠陥５２ｅのフォトニック結晶の間隔（格子定数）ａも、導波不可能部５２ｄと同様、ａ＝約０．４４４μｍとする。
【００８２】
次に、第３ステップとして、各フォトニック結晶の格子のサイズ（半径）ｒを決定する。具体的には、導波路５２ａでは、ｒ／ａ＝０．３５およびａ＝０．４０１μｍより、ｒ＝０．３５×０．４０１＝約０．１４０μｍとなり、導波路５２ｂでは、ｒ／ａ＝０．３５およびａ＝０．３８８μｍより、ｒ＝０．３５×０．３８８＝約０．１３６μｍとなる。また、導波不可能部５２ｄでは、ｒ／ａ＝０．４０およびａ＝０．４４４μｍより、ｒ＝０．４０×０．４４４＝約０．１７８μｍとなる。また、導波不可能部５２ｄ中に形成される欠陥５２ｅでは、欠陥５２ｅのフォトニック結晶におけるｒ／ａを、ｒ／ａ＝０．４５として設計する。これにより、導波不可能部５２ｄのａ＝０．４４４μｍより、ｒ＝０．４５×０．４４４＝約０．２０μｍとなる。
【００８３】
なお、導波路交差部５２ｃは、格子を有さない薄膜導波路にする。
【００８４】
このようにして、第４実施形態の各フォトニック結晶における格子の間隔（格子定数）ａおよび格子のサイズ（半径）ｒが決定される。
【００８５】
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
【００８６】
たとえば、上記第１〜第４実施形態では、同一ガラス基板上に、導波路と発光素子とを形成するモノリシック集積化構造にしたが、本発明はこれに限らず、発光素子チップを基板上に実装するハイブリッド集積化構造にしてもよい。さらに、モノリシック集積化構造において、発光素子の共振器をフォトニック結晶のブラッグ反射効果そのものを用いて構成してもよい。
【００８７】
また、上記第２および第４実施形態では、欠陥のみにフォトリフラクティブ材料を充填するようにしたが、本発明はこれに限らず、光出力装置の基板自体をフォトリフラクティブ材料にしてもよい。この場合、欠陥のみにフォトリフラクティブ材料を充填する場合に比べて、より容易に、フォトリフラクティブ材料を含む欠陥を形成することができる。なお、基板にフォトリフラクティブ材料を用いる場合は、無機系材料を用いるのが好ましい。
【００８８】
また、上記第３および第４実施形態では、ＴｉＯ2膜に、フォトニック結晶を設けるようにしたが、本発明はこれに限らず、ＴｉＯ2膜以外の他の材料に、フォトニック結晶を設けるようにしてもよい。
【００８９】
また、上記第３および第４実施形態では、円形状の孔が正方形を構成するように配列された正方格子２次元フォトニック結晶を設けるようにしたが、本発明はこれに限らず、円形状の孔が三角形を構成するように配列された三角格子２次元フォトニック結晶を設けるようにしてもよい。
【００９０】
また、上記第３および第４実施形態では、ＴＭモードの光に対応したフォトニック結晶を設けるようにしたが、本発明はこれに限らず、ＴＥモード（電界ベクトルがＴｉＯ2膜の表面に平行）の光にも適用可能である。
【００９１】
また、上記第３および第４実施形態では、２種類の波長の光が存在することが可能な導波路交差部を、格子を有さない薄膜導波路にするようにしたが、本発明はこれに限らず、導波路交差部を、２種類の波長の光が存在することが可能なフォトニック結晶を有する構造にしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態による光出力装置の平面図である。
【図２】図１に示した第１実施形態による光出力装置の６０−６０線に沿った断面の一部を示した断面図である。
【図３】図１および図２に示した第１実施形態による光出力装置の欠陥内の状態を示した模式図である。
【図４】図１および図２に示した第１実施形態による光出力装置の動作を説明するための斜視図である。
【図５】図２に示した第１実施形態による光出力装置の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図６】図２に示した第１実施形態による光出力装置の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図７】図２に示した第１実施形態による光出力装置の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図８】図２に示した第１実施形態の変形例による光出力装置の断面図である。
【図９】本発明の第２実施形態による光出力装置の平面図である。
【図１０】図９に示した光出力装置の欠陥内の屈折率と時間との関係を示した相関図である。
【図１１】本発明の第３実施形態による光出力装置の構造を示した平面図である。
【図１２】図１１に示した第３実施形態による光出力装置を構成するフォトニック結晶の拡大平面図である。
【図１３】図１１に示した第３実施形態による光出力装置内を導波する光の透過率と波長との関係を示したグラフである。
【図１４】所定の波長の光が存在できないフォトニックバンドギャップの分布領域を示したグラフである。
【図１５】２光子吸収の概念を説明するための模式図である。
【図１６】本発明の第３実施形態による光出力装置の構造を示した平面図である。
【図１７】従来の液晶光空間変調器の１つのエレメントを示した等価回路図である。
【図１８】図１７に示した従来の液晶光空間変調器のエレメントをアレイ化した場合の等価回路図である。
【図１９】従来のフォトニック結晶の光導波路を説明するための平面図である。
【図２０】図１９に示したフォトニック結晶の透過率と波長との関係を示した相関図である。
【図２１】従来のフォトニック結晶の光導波路を説明するための平面図である。
【図２２】従来のフォトニック結晶の光導波路を説明するための平面図である。
【符号の説明】
Ｐ１、λ1、λ3 波長（第１の波長）
Ｐ２、λ2、λ4 波長（第２の波長）
１ ガラス基板（基板）
２ａ、４２ａ、５２ａ 導波路（第１領域）
２ｂ、４２ｂ、５２ｂ 導波路（第２領域）
２ｃ、４２ｃ、５２ｃ 導波路交差部（第３領域）
２ｄ、４２ｄ、５２ｄ 導波不可能部（第４領域）
２ｅ、２２ｅ、４２ｅ、５２ｅ 欠陥
３ａ、４３ａ、５３ａ 発光素子（第１発光素子）
３ｂ、４３ｂ、５３ｂ 発光素子（第２発光素子）
Claims (7)
- 基板上に、第１の方向に形成され、第１の波長の光が導波可能で、かつ、第２の波長の光が実質的に導波できない第１フォトニック結晶構造を含む第１導波路を構成する第１領域と、
前記基板上に、前記第１の方向に交差する方向に形成され、前記第２の波長の光が導波可能で、かつ、前記第１の波長の光が実質的に導波できない第２フォトニック結晶構造を含む第２導波路を構成する第２領域と、
前記第１導波路と前記第２導波路とが交差する領域に形成され、前記第１の波長の光と前記第２の波長の光との両方が存在可能な第３領域と、
前記第１導波路を構成する第１領域および前記第２導波路を構成する第２領域以外の領域に形成され、前記第１の波長の光と前記第２の波長の光との両方が実質的に存在できない第４領域と、
前記第４領域内の前記第３領域の近傍に設けられ、前記第１の波長の光と前記第２の波長の光との両方が存在可能な欠陥とを備えた、光出力装置。 - 前記第１導波路を構成する第１領域の一方端に配置され、前記第１の波長の光を出射する第１発光素子と、
前記第２導波路を構成する第２領域の一方端に配置され、前記第２の波長の光を出射する第２発光素子とをさらに備える、請求項１に記載の光出力装置。 - 前記欠陥は、前記第１の波長の光の光子エネルギと前記第２の波長の光の光子エネルギとの和にほぼ等しい光子エネルギを有する第３の波長の近傍の波長を有する光に対して共振器となり、
前記欠陥の中には、前記第１の波長の光と前記第２の波長の光とを吸収し、かつ、前記第３の波長近傍の波長を有する光を放出する材料が含まれている、請求項１または２に記載の光出力装置。 - 前記欠陥は、前記第１の波長の光と前記第２の波長の光とを吸収して屈折率が変化するフォトリフラクティブ材料を含む、請求項１または２に記載の光出力装置。
- 前記基板は、前記第１の波長の光と前記第２の波長の光とを吸収して屈折率が変化するフォトリフラクティブ材料を含む、請求項１または２に記載の光出力装置。
- 前記第１領域は、前記第２の波長に対する第１フォトニック結晶構造の格子の間隔の比率がフォトニックバンドギャップの幅の範囲内の値になるとともに、
前記第２領域は、前記第１の波長に対する第２フォトニック結晶構造の格子の間隔の比率がフォトニックバンドギャップの幅の範囲内の値になり、
前記第４領域は、前記第１の波長に対する前記第４領域の格子の間隔の比率および前記第２の波長に対する前記第４領域の格子の間隔の比率が、共にフォトニックバンドギャップの幅の範囲内の値になる、請求項１〜５のいずれか１項に記載の光出力装置。 - 基板上に、第１の方向に所定の間隔を隔てて形成され、第１の波長の光が導波可能で、かつ、第２の波長の光が実質的に導波できない第１フォトニック結晶構造を含む第１導波路アレイを構成する第１領域と、
前記基板上に、前記第１の方向に交差する方向に所定の間隔を隔てて形成され、前記第２の波長の光が導波可能で、かつ、前記第１の波長の光が実質的に導波できない第２フォトニック結晶構造を含む第２導波路アレイを構成する第２領域と、
前記第１導波路アレイと前記第２導波路アレイとが交差する領域に形成され、前記第１の波長の光と前記第２の波長の光との両方が存在可能な第３フォトニック結晶構造を含む第３領域と、
前記第１導波路アレイを構成する第１領域および前記第２導波路アレイを構成する第２領域以外の領域に形成され、前記第１の波長の光と前記第２の波長の光との両方が実質的に存在できない第４領域と、
前記第４領域内の前記第３領域の近傍に設けられ、前記第１の波長の光と前記第２の波長の光との両方が存在可能な欠陥とを備えた、光出力装置。
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