JP5299290B2 - 光スイッチ及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は光スイッチ及びその製造方法に関し、特に、導波路を用いた光スイッチ及びその製造方法に関する。

電子部品が集積されたトランジスタ集積回路のように、光部品が集積された光集積回路を実現する技術が望まれている。現在、光スイッチ、波長フィルタ、３ｄＢ結合器（光カプラ）などの光部品を光ファイバなどの光導波路を介して接続して光回路を組んでいる。しかし、複数の光部品を小さなチップの中に集積化させることができれば、光回路の体積、消費電力、製造コストを飛躍的に低減させることが可能である。

光集積回路の実現を目指した技術はこれまでにも多々開発されており、その一つに、フォトニック結晶技術がある。フォトニック結晶体或いはフォトニック結晶とは、広義には、屈折率を周期的に変化させた構造体の総称である。本明細書では、特に断らない限り、「フォトニック結晶体」と「フォトニック結晶」とは同義語として用いる。

フォトニック結晶は、屈折率分布の周期構造に起因して種々の特殊な光学的特徴を有する。最も代表的な特徴はフォトニック・バンド・ギャップ（Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｂａｎｄ Ｇａｐ（ＰＢＧ））である。光はフォトニック結晶中を透過することができるが、フォトニック結晶中の周期的な屈折率変化が十分に大きいと、ある特定の周波数帯域の光はフォトニック結晶中を伝搬することができない。フォトニック結晶を透過することができる光の周波数帯域（あるいは、波長帯域）をフォトニック・バンド（Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｂａｎｄ）と呼ぶ。それに対して、透過することができない光の帯域は、フォトニック・バンドの間に存在するギャップということで、フォトニック・バンド・ギャップ（ＰＢＧ）と呼ばれている。ＰＢＧは異なった周波数帯に複数存在することもある。ＰＢＧによって分断されたフォトニック・バンドは、周波数の小さい方から、第１バンド、第２バンド、第３バンドなどと呼ばれることがある。

フォトニック結晶中に、屈折率分布の周期構造（屈折率分布の周期性）を崩すような微小な欠陥が存在すると、ＰＢＧ内の周波数の光は、その微小欠陥に閉じ込められる。その場合、欠陥の大きさに対応した周波数の光のみが閉じ込められるので、フォトニック結晶が光共振器として働く。よって、このようなフォトニック結晶は、周波数（波長）フィルタとして利用することができる。

また、フォトニック結晶中に微小な欠陥が連続的に並んで列を成し、結晶中に線欠陥が形成されると、ＰＢＧ内の周波数の光は、線欠陥内に閉じ込められ、線欠陥に沿って伝搬する。よって、このようなフォトニック結晶は、光導波路として利用することができる。フォトニック結晶中に形成されるこのような光導波路は、線欠陥導波路と呼ばれている。

光フィルタや光導波路が形成されれば、それらの一方または組み合わせによって、光変調器や光スイッチなどの光機能素子を構成することができる。フォトニック結晶中に主要な光機能素子を形成し、それら光機能素子を接続して光回路を構成することができる。このような理由から、フォトニック結晶が光集積回路のプラットフォームとして期待されている。

ここで、ＰＢＧの効果を互いに垂直なｘ、ｙ、ｚの３方向で利用するためには、フォトニック結晶の屈折率分布が３次元周期構造を有することが必要である。しかし、３次元周期構造は複雑なため、製造コストが高くなる。そこで、屈折率分布が２次元周期構造を有するフォトニック結晶（以下「２次元フォトニック結晶」と呼ぶ場合もある。）が利用されることが多い。具体的には、屈折率分布が基板面内では周期性を有するが、厚み方向には周期性を有さない有限の厚みの２次元フォトニック結晶が用いられる。その場合、基板の厚み方向における光の閉じ込めは、ＰＢＧの効果ではなく、屈折率差に起因する全反射によって実現される。

もっとも、有限の厚みの２次元フォトニック結晶の特性は、無限の厚みの２次元フォトニック結晶の特性と完全には一致しない。しかし、有限の厚みの２次元フォトニック結晶の厚み方向における屈折率分布が、光が伝搬する領域において鏡映対称であれば、無限の厚みの２次元フォトニック結晶の光学特性とほぼ一致する。無限の厚みの２次元フォトニック結晶によるデバイスの動作予測は、有限の厚みを考慮した動作予測に比べて格段に容易である。そこで、屈折率分布が鏡映対称の２次元フォトニック結晶を利用することができれば、それを用いたデバイスの設計も容易になる。

有限の厚みの２次元フォトニック結晶としてこれまで実現された具体的な構造はいくつかある。その中で柱（ピラー）型正方格子フォトニック結晶は、線欠陥導波路における光の伝搬速度が広い帯域で遅いという特徴を有する。すなわち、低群速度である。一般に、伝搬速度の遅い導波路を用いると、同じ機能の光回路を短い導波路長で作ることができる。よって、柱型正方格子フォトニック結晶を用いた線欠陥導波路は、光集積回路に適している。

図８は、有限の厚みの柱型正方格子フォトニック結晶の線欠陥導波路の構造を示す模式図である。図示されている柱型正方格子フォトニック結晶では、低誘電率材料１の中に、高誘電率材料でできた高さが有限の円柱５２ａと、円柱５２ａよりも直径の小さな円柱５２ｂとが正方格子状に配置されている。これらの円柱が正方格子状に配置されている様子が、シリコンや水晶などの結晶中に原子が格子状に配置されている様子に似ており、光学用途であることから、「フォトニック結晶」と呼ばれるのである。従って、低誘電率材料１や円柱の材料は結晶である必要はなく、アモルファスでもよい。

図８に示すフォトニック結晶の場合、円柱５２ａが完全なフォトニック結晶の円柱であるのに対し、円柱５２ｂは円柱５２ａよりも直径が小さい。そこで、円柱５２ｂを完全結晶に導入された欠陥であると見なす。以下の説明では、完全結晶の円柱と欠陥に相当する円柱とを区別するために、前者を「非線欠陥柱」、後者を「欠陥柱」、「欠陥円柱」又は「線欠陥柱」と呼ぶ場合がある。もっとも、線欠陥柱自体に特に欠陥があるわけではないことに注意すべきである。

図８に示すフォトニック結晶の線欠陥柱５２ｂは、ある直線上に一列に並べられて列を成しており、この線欠陥柱５２ｂの列とその周囲の非線欠陥柱５２ａによって線欠陥導波路が形成されている。図８に示した円柱型正方格子フォトニック結晶の線欠陥導波路は、線欠陥柱の列が、光ファイバなどの全反射閉じ込め型の導波路におけるコアに相当し、その両側の非線欠陥柱の格子や周囲の誘電体材料がクラッドに相当する。全反射閉じ込め型導波路の場合、コアとクラッドが存在して初めて導波路として働くように、線欠陥導波路の場合も、線欠陥とその周囲の非線欠陥柱や誘電体材料が存在して初めて導波路として動作する。

柱型正方格子フォトニック結晶を用いた光回デバイスや光回路は、小型、高集積が期待されているが、本発明で取り扱う１×２光スイッチに関して、フォトニック結晶を用いることを効果的に活かした構造はこれまで無かった。

さて、関連する１×２光スイッチの１つに導波路によるマッハツェンダー干渉計を用いた光スイッチがある。図９はその構成を示す模式図である。
図９の光スイッチの構造と動作は次の通りである。

図９の光スイッチ７２は、３ｄＢ分岐導波路６０と３ｄＢ方向性結合器６１とそれらの間の導波路６２と導波路６３とから構成される。入力ポート７０から入射した光は、導波路７１を伝搬し、３ｄＢ分岐導波路６０に入射する。３ｄＢ分岐導波路６０は入射光パワーを半分ずつに分ける。分けられた光は、それぞれ、導波路６２と導波路６３とを伝搬し、３ｄＢ方向性結合器６１を構成する２本の導波路６４と導波路６５とに入射する。そして、導波路６８、６９を介して、出射ポート６６、６７から光が出射される。導波路６４と導波路６５に入射した光の位相の関係（どちらがどれだけ位相が進んでいるか、または遅れているか）によって、方向性結合器の出射ポート６６と出射ポート６７に出射される光パワーの割合が変化する。この現象を利用すると、導波路６２と導波路６３を光が伝搬する間に、光の位相差を調節することよって、光の出口を出射ポート６６と出射ポート６７の間で切り換えることができる。

導波路６２と導波路６３を光が伝搬する間の光の位相差の調節は、一方の導波路、例えば導波路６３だけの有効屈折率を変化させることで行われる。有効屈折率の変化は、熱や電界を用いて導波路の材料の屈折率を変化させることで行われる。

導波路の長さに比例して、導波路を伝搬する光の位相の変化量が大きい。そのため、導波路材料の小さな屈折率変化でも光スイッチの動作を容易にするために、導波路６２と導波路６３の両方の導波路を同じ長さにしたまま長くしたり、有効屈折率を変化させたい導波路６３だけ長くしたりすることもある。

尚、導波路６２と導波路６３が同じ長さの場合を対称マッハツェンダー型の１×２光スイッチと呼び、導波路６２と導波路６３が異なる長さの場合を対称マッハツェンダー型の１×２光スイッチと呼ぶこともある。

特許文献１には、フォトニック結晶を用いて小型化を試みた１×２光スイッチの構造が開示されている。
特許文献１の図２の番号に従うと、２次元フォトニック結晶スラブ（３１）の中には、分岐導波路である導波路（２０）がある。また、２次元フォトニック結晶スラブ（３１）は、「干渉チャネル」（３５）と「共振部材」（３７）を含んでいる。
特開２００３−１６１９７１公報

図９の通常の導波路を用いた１×２光スイッチの場合、導波路材料の小さな屈折率変化でも光スイッチの動作を容易にするために、導波路を長くすると、導波路の屈折率を変化させるための電気や光などの制御信号のパワーを大きくする必要がある。

また、光スイッチの全長が長くなると、それに応じて、光スイッチの動作速度が低下することがある。

一方、特許文献１に開示されたフォトニック結晶を用いた１×２光スイッチの場合、「共振部材」で共振を生じる周波数の近傍に、適用できる周波数が限られるという課題がある。

本発明は上記状況に鑑みてなされたものであり、効率的に動作させることができる光スイッチ及びその製造方法を提供することを目的としている。

本発明にかかる光スイッチは、フォトニック結晶の線欠陥導波路で構成されたマッハツェンダー干渉計型の光スイッチであって、分岐と方向性結合器と、それらの間の２経路の導波路を有し、上記２経路の内、第１経路の導波路と第２経路の導波路とでは、導波光の群速度が異なることを特徴とするものである。

また、本発明にかかる光スイッチは、ピラー型フォトニック結晶の線欠陥導波路で構成されたマッハツェンダー干渉計型の光スイッチであって、分岐と方向性結合器と、それらの間の２経路の導波路を有し、上記２経路の内、少なくとも１経路の導波路の線欠陥を成す欠陥ピラーの断面積が、前記分岐及び前記方向性結合器を構成する導波路の線欠陥を成す欠陥ピラーの断面積よりも小さいことを特徴とするものである。

そして、本発明にかかる光スイッチは、フォトニック結晶の線欠陥導波路で構成されたマッハツェンダー干渉計型の光スイッチであって、分岐と方向性結合器と、それらの間の２経路の導波路を有し、上記２経路の少なくとも一方の経路の導波路の一部または全部が、前記方向性結合器を構成する導波路の導波帯域以外の周波数の光に対して共振する共振器として動作することを特徴とするものである。

他方、本発明にかかる光スイッチの製造方法は、フォトニック結晶の線欠陥導波路で構成されたマッハツェンダー干渉計型の光スイッチの製造方法であって、分岐と方向性結合器と、それらの間の２経路の導波路を形成し、上記２経路の内、第１経路の導波路と第２経路の導波路とでは、導波光の群速度が異なることを特徴とするものである。

本発明によれば、効率的に動作させることができる光スイッチ及びその製造方法を提供することができる。

実施の形態１に係る光スイッチの模式的断面図である。 図１に示す光スイッチの構造の透過スペクトルを示す図である。 図１に示す光スイッチの一方の出力ポートから出射する場合の光の電磁界分布を示す図である。 図１に示す光スイッチの他方の出力ポートから出射する場合の光の電磁界分布を示す図である。 実施の形態１に係る屈折率チューナを含むフォトニック結晶体の模式的断面図である。 実施の形態２に係る光スイッチの構成を示す模式的断面図である。 実施の形態２に係る制御光の入力部を含む光スイッチの構成を示す模式的断面図である。 線欠陥を含む正方格子ピラー型フォトニック結晶の立体図である。 導波路による１×２光スイッチの模式図である。

符号の説明

７ 分岐、８ 第１経路の導波路、９ 線欠陥ピラー、１０ 第２経路の導波路、
１１ 接続導波路、１２ 線欠陥ピラー、１３ テーパー導波路、
１４ テーパー導波路、１５ 方向性結合器１６ 線欠陥ピラー、１７ 線欠陥ピラー、
１８ 線欠陥ピラー、１９ 出力端、２０ 出力端、２１ 線欠陥ピラー、
２２ 線欠陥ピラー、２３ 線欠陥ピラー、８０ ヒータ、
９０ 第１経路の導波路、９１ 第２経路の導波路、１００ テーパー導波路、
１０１ 線欠陥ピラー、１０２ テーパー導波路、１０３ 線欠陥ピラー、
１０４ テーパー導波路、１０５ 線欠陥ピラー、１０６ テーパー導波路、
１０７ 線欠陥ピラー、１１０ 接続導波路、１１１ 線欠陥ピラー、
１１２ 接続導波路、１１３ 線欠陥ピラー、１２０ 近接導波路、
１２１ 線欠陥ピラー、１２２ 近接導波路、１２３ 線欠陥ピラー

実施の形態１．
本発明の実施の形態１にかかる光スイッチを、図面を用いて詳細に説明する。本実施の形態にかかる光スイッチは、例えば、ｍ個の入力ポート（入力端）とｎ個の出力ポート（出力端）を有するマッハツェンダー型の干渉計を用いたｍ×ｎ光スイッチである（ｍは１以上の整数、ｎは２以上の整数）。なお、マッハツェンダー型の干渉計とは、非対称マッハツェンダー型の干渉計及び対称マッハツェンダー型の干渉計を含むものとする。まず、図１を参照して、本実施の形態にかかる光スイッチの一例として非対称マッハツェンダー干渉計型の１×２光スイッチについて説明する。すなわち、１個の入力端と２個の出力端を有する１×２光スイッチについて説明する。図１は、本実施の形態にかかる１×２光スイッチ５の構成を示す模式図である。

本実施の形態にかかる１×２光スイッチ５は、多くの場合、任意のピラー（柱）型正方格子フォトニック結晶に一部として含まれる。フォトニック結晶の周期的な格子は、相対的に低屈折率の媒質中に配置された高屈折率の誘電体柱の格子である。すなわち、１×２光スイッチ５は、フォトニック結晶の線欠陥導波路によって構成された非対称マッハツェンダー干渉計型の光スイッチである。

本実施の形態にかかる１×２光スイッチ５は、分岐７と方向性結合器１５を有する。分岐７とは、Ｔ字型に線欠陥導波路が設けられたＴ分岐であり、１つの入力端から入射した光パワーを半分ずつに分けて２つの出力端から出射させる。方向性結合器１５とは、２つの導波路が近接して設けられ、例えば２つの入力端から入射した光パワーを結合及び分岐させて２つの出力端から出射させる。

また、１×２光スイッチ５は、それらの間に、第１経路の導波路８と第２経路の導波路１０を有する。これら２経路の内、第１経路の導波路８と第２経路の導波路１０とでは、導波光の群速度が異なる。ここでは、一例として、それぞれの経路の導波路８、１０の線欠陥ピラーの断面積を異ならせることにより、導波光の群速度を異ならせている。なお、線欠陥ピラーとは、線欠陥を成す欠陥ピラーのことである。具体的には、第１経路の導波路８の線欠陥ピラー９の断面積に比べて、第２経路の導波路１０の線欠陥ピラー１２、２２、２３の断面積の方が大きい。また、第１経路の導波路長より、第２経路の導波路長のほうが長くなっている。

また、第２経路の導波路１０の両端にはテーパー導波路１３、１４が設けられている。そして、２つのテーパー導波路１３、１４の間に、接続導波路１１が設けられている。すなわち、接続導波路１１は、テーパー導波路１３を介して、分岐７の導波路と接続される。また、接続導波路１１は、テーパー導波路１４を介して、方向性結合器１５の導波路と接続される。テーパー導波路１３、１４の線欠陥ピラー２２、２３の断面積は、一端から他端に向かって、徐々に増加、或いは減少している。具体的には、テーパー導波路１３、１４の線欠陥ピラー２２、２３の断面積は、接続導波路１１から離れるにつれて徐々に減少する。また、方向性結合器１５を構成する２つの導波路の線欠陥ピラー１６、１７の断面積は、両方の導波路で同じである。

動作原理は次の通りである。
本発明の１×２光スイッチ５の中で、第２経路の導波路１０は群速度分散が大きい。群速度分散の大きな導波路は僅かな屈折率変化でも大きな位相変化を生じる。本実施の形態における導波路の場合、屈折率の変化率の数倍から１０数倍以上の位相変化を生じる効果がある。その結果、第２経路の導波路１０の０．１％のオーダーの屈折率変化でも、光の出力を出力端１９と出力端２０の間で切り替えることができる。

すなわち、関連する１×２光スイッチに比べて、約１／１０の屈折率変化で光の出口を切り替えることができる。このため、１×２光スイッチ５の導波路長を長くすることなく、１×２光スイッチ５の動作を容易とすることができる。これにより、導波路の屈折率を変化させるための電気や光などの制御信号のパワーを抑えることができる。すなわち、制御信号のパワーに対して効率的に動作することができる。従って、低パワーで動作させることができ、省エネルギーを実現することができる。さらに、１×２光スイッチ５の動作速度を向上することができる。そして、導波路長を長くする必要がないため、１×２光スイッチ５を小型化することができる。また、フォトニック結晶光集積回路に組み込み可能なため、高集積な光スイッチ回路が実現できる。このように、本実施の形態によれば、フォトニック結晶導波路の新規な特徴を活用して、光スイッチを効率的に動作させることができる。

群速度分散が大きいのは第２経路の導波路１０のみであるため、他の導波路部分を伝搬する光は群速度分散の影響をあまり受けない。そのため、高速な光信号が本発明の光スイッチを透過する場合でも、その光信号はほとんど歪まない。すなわち、１×２光スイッチ５の性能が劣化しにくい。

次に、本例のフォトニック結晶体の製法について概説する。本例のフォトニック結晶体は、ＳＯＩウエハ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ Ｗａｆｅｒ）を基板として作製することができる。ＳＯＩウエハとして、埋め込み酸化膜の厚みが２．０μｍ、シリコン活性層の厚みが１．０μｍのものを使用する。シリコン活性層はノン・ドープとする。

初めに、電子線露光技術を使って、図１に示すパターンを描画する。光通信用に導波光の波長を１．５５μｍとする場合は、格子定数を０．４μｍ、非線欠陥ピラー６の直径は、０．２４μｍとする。線欠陥ピラーの直径は、導波路部分において、０．１６μｍとする。ここでの導波路部分とは、スタブ導波路以外の部分、すなわち第２経路の導波路１０以外の部分をいう。すなわち、線欠陥ピラー９、１６、１７、１８、２１の直径は、０．１６μｍとする。スタブ導波路部分において、導波路との接続点から遠ざかる方向に０．２２μｍまで徐々に増加させる。そして、導波路スタブの長さを１５μｍとする。

次に、異方性ドライエッチングによって、描画されたレジストパターンの通りにてシリコン活性層を垂直に加工する。

その後、残ったレジストパターンをアセトンで除去し、最後に埋め込み酸化膜と同じ１．４５の屈折率を有する紫外線効果樹脂を塗布し、紫外線で硬化させると完成する。

図２の透過スペクトルは、簡単のため、上記の構造でシリコンのピラーが厚み方向に無限であると仮定した場合の計算結果である。

図２において、波長に応じて大きく振動している太い曲線と細い曲線は２つの出力端１９、２０からの光の出力強度を表している。広い周波数範囲に渡って交互に光が出ている。この１×２光スイッチ５に熱や電界を印加すると、屈折率の変化によって、これらの曲線が同時に長波長側、或いは短波長側にシフトする。そのため、ある波長の光にとっては、屈折率の変化によって、出力端１９、２０が入れ替わりことになる。光波長範囲で、出力光強度の振動があることから、１×２光スイッチ５としては、広い波長範囲で用いることができる。すなわち、１×２光スイッチ５の動作周波数が限定されない。

尚、図２で広い波長範囲で一番上に見られる破線は、入力光の光強度である。

図３と図４はそれぞれ、異なった出力ポートに光が出る場合の光スイッチの電界分布の計算結果である。

以上、本発明のフォトニック結晶体の実施形態の一例について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、フォトニック結晶体を構成している線欠陥ピラー以外の円柱を変位させたり、その断面積を増減させたりすることもできる。また、本実施の形態では、非線欠陥ピラー６及び線欠陥ピラー９、１２、１６、１７、１８、２１、２２、２３を円柱としたがこれに限られない。これらは、四角柱や八角柱など、他の形状であってもよい。

図５は、屈折率変化を生じるための温度調節器としてヒータ８０を装着した光スイッチである。ヒータ８０が加熱すると、第２経路の導波路１０の屈折率が変化し、フォトニック結晶体の透過スペクトルが長波長側、或いは短波長側にシフトする。その結果、特定波長では、光の透過率が変化し、１×２光スイッチ５として動作する。

屈折率を変化させるためのチューナが電界強度調節器や電流調節器である場合も同じように動作する。

実施の形態２．
次に本発明の実施の形態２にかかる光スイッチについて説明する。
実施の形態１は、分岐と方向性結合器の間の２つの経路の導波路が短くても、効率的に光の出力端の切り替えができる１×２光スイッチを提供するものであった。これから説明する本実施の形態は、制御光の入力によって、分岐と方向性結合器の間の経路の屈折率を変化させる場合に、特に効率的な構造を提供する。本実施の形態では、分岐と方向性結合器の間の２つの経路の導波路の内の少なくとも１つが共振器を含み、選択した経路の屈折率のチューニングをその共振器で共振した光で行う。

図６を参照して、本実施の形態にかかる光スイッチの構成について説明する。ここでは、光スイッチの一例として、１×２光スイッチについて説明する。図６は、本実施の形態にかかる１×２光スイッチ５の構成を示す模式図である。なお、実施の形態１と共通する部分は、説明を省略又は簡略化する。

図６に示された１×２光スイッチ５は、任意のピラー（柱）型正方格子フォトニック結晶に一部として含まれる。１×２光スイッチ５は、分岐７と方向性結合器１５と、それらの間の２経路の導波路９０、９１を有している。そして、マッハツェンダー干渉計を構成している。具体的には、実施の形態１と同様、分岐７は１×２光スイッチ５の入力側、方向性結合器１５は１×２光スイッチ５の出力側に配置される。そして、分岐７と方向性結合器１５は、第１経路の導波路９０及び第２経路の導波路９１によって接続される。

上記２経路の内、少なくとも１経路の導波路の線欠陥を成す欠陥ピラーの断面積が、分岐７及び方向性結合器１５を構成する導波路の線欠陥を成す欠陥ピラーの断面積よりも小さい。図６では、第１経路の導波路９０の線欠陥ピラー１０１、１０３、１１１の断面積が、分岐７及び方向性結合器１５を構成する導波路の線欠陥ピラー１６、２１の断面積よりも小さい。同様に、第２経路の導波路９１の線欠陥ピラー１０５、１０７、１１３の断面積が、分岐７及び方向性結合器１５を構成する導波路の線欠陥ピラー１７、２１の断面積よりも小さい。なお、簡単のため、以下の説明では、導波路の線欠陥、すなわち線欠陥ピラーが並んだ部分を単に導波路と称すことがある。また、図６、７において符号１００等によって示された導波路の線欠陥を、明細書中において単に導波路と称することがある。

欠陥ピラーの断面積が小さい経路の導波路は、両端に１つずつ設けられた２つのテーパー導波路を有する。また、この２つのテーパー導波路の間に設けられ、これらのテーパー導波路を介して分岐７と方向性結合器１５とに接続された接続導波路を有する。具体的には、第１経路の導波路９０は、２つのテーパー導波路１００、１０２と、２つのテーパー導波路１００、１０２の間に設けられた接続導波路１１０を有する。また、第２経路の導波路９１は、２つのテーパー導波路１０４、１０６と、２つのテーパー導波路１０４、１０６の間に設けられた接続導波路１１２を有する。

第１経路の導波路９０において、テーパー導波路１００、１０２を成すフォトニック結晶導波路の線欠陥ピラー１０１、１０３の断面積は、接続導波路１１０から離れるにつれて徐々に増加する。同様に、第２経路の導波路９１において、テーパー導波路１０４、１０６を成すフォトニック結晶導波路の線欠陥ピラー１０５、１０７の断面積は、接続導波路１１２から離れるにつれて徐々に増加する。テーパー導波路の線欠陥ピラーの断面積は、一端に接続された分岐７又は方向性結合器１５の線欠陥ピラーの断面積より小さく、他端に接続された接続導波路の線欠陥ピラーの断面積より大きくなっている。

このようにテーパー導波路１００、１０２、１０４、１０６で滑らかに線欠陥ピラー１０１、１０３、１０５、１０７の断面積を変化させる。これにより、導波路を透過する光は、導波路の突然の形状変化を感じないので、無用な反射を生じない。本実施の形態にかかる１×２光スイッチ５は、以上のように構成される。

上記のように、接続導波路１１０、１１２の線欠陥ピラー１１１、１１３の断面積が、分岐７及び方向性結合器１５の線欠陥ピラー１６、１７、２１の断面積よりも小さい。このため、接続導波路１１０、１１２は、分岐７及び方向性結合器１５の透過帯域の上限よりも高い周波数の光を導波することができる。ここで、分岐７及び方向性結合器１５の透過帯域の上限の周波数をｆ１とし、接続導波路１１０、１１２の透過帯域の上限の周波数をｆ２とする。この場合、接続導波路１１０、１１２の長さを適当に調節することによって、ｆ１〜ｆ２の間の周波数、例えばｆ３の周波数を有する光が接続導波路１１０、１１２の部分で共振を起こす。

このように、接続導波路１１０、１１２は共振器として働く。このため、本実施の形態にかかる１×２光スイッチ５は、換言すれば、次のように言うこともできる。分岐７及び方向性結合器１５の間の２経路の導波路９０、９１の少なくとも一方の経路の導波路の一部または全部が共振器として動作する。また、この共振器は、分岐７及び方向性結合器１５を構成する導波路の導波帯域以外の周波数の光に対して共振する。

具体的には、この共振を起こす光は、分岐７及び方向性結合器１５の透過帯域の上限よりも高い周波数を有する。このため、この共振を起こす光は、分岐７及び方向性結合器１５を構成する導波路を透過できず、分岐７や方向性結合器１５には漏れない。そして、安定した１×２光スイッチ５の動作を実現することができる。

そして、共振器に強い光が存在することになる結果、接続導波路１１０、１１２では、３次の非線形効果が大きくなる。これにより、無視できない程度に接続導波路１１０、１１２の屈折率が変化する。または、接続導波路１１０、１１２が光を僅かでも吸収する場合には、接続導波路１１０、１１２に蓄積された高強度の光のエネルギーの一部が吸収されて熱に変わる。そして、接続導波路１１０、１１２が加熱されることによって、熱光学効果により屈折率が変化する。以上のように、接続導波路１１０、１１２の屈折率を変調させることができる。

制御光と導波光とを結合させることにより、接続導波路１１０、１１２の屈折率を選択的に変化させる。そして、接続導波路１１０、１１２の透過特性を短波長側、または長波長側にシフトさせることができる。周波数ｆ１以下の光は、方向性結合器１５を透過し、１×２光スイッチ５によって、スイッチングすることができる。すなわち、本実施の形態によれば、光で制御できる光スイッチを効率的に動作させることができる。

また、本実施の形態にかかる１×２光スイッチ５の場合、接続導波路１１０、１１２の導波光は、分岐７や方向性結合器１５の導波光に比べて、群速度が大きくなる。このため、実施の形態１のように、２経路の導波路９０、９１を小さくできる効果は利用できない。しかし、周波数ｆ３の制御光によって、効率的に接続導波路１１０、１１２の屈折率を変化させることができる。そして、本実施の形態にかかる光スイッチは、光制御が可能な光スイッチとして動作させることができる。

次に、図７を参照して、制御光の入力部を含む１×２光スイッチについて説明する。図７は、本実施の形態にかかる制御光の入力部を含む１×２光スイッチ５の構成を示す模式図である。なお、制御光の入力部以外の構成は、図６に示す１×２光スイッチ５の構成と同様である。

近接導波路１２０は、接続導波路１１０の近傍に設けられている。同様に、近接導波路１２２は、接続導波路１１２の近傍に設けられている。近接導波路１２０、１２２の線欠陥ピラー１２１、１２３は、近傍の接続導波路１１０又は接続導波路１１２の線欠陥ピラー１１１、１１３の断面積以下の断面積を有する。接続導波路１１０と近接導波路１２０、及び接続導波路１１２と近接導波路１２２とはそれぞれ光学的に結合している。近接導波路１２０、１２２は、例えば、近傍の接続導波路１１０又は接続導波路１１２側に約９０°折れ曲がったＬ字型を有する。これにより、効果的に近接導波路１２０、１２２を接続導波路１１０又は接続導波路１１２に近接させることが可能である。近接導波路１２０、１２２は、制御光の入力部となり、制御用導波路として働く。

換言すると、制御用導波路は、共振器の近傍にそれぞれ設けられている。制御用導波路は、フォトニック結晶のバンドギャップ内に周波数を有する光を導波可能である。さらに、制御用導波路は、２つの接続導波路１１０、１１２のそれぞれの共振器の共振周波数の光を導波可能である。それぞれの共振器と制御用導波路は光学的に結合している。

制御用導波路、すなわち近接導波路１２０、１２２を接続導波路１１０、１１２から適当に離すことによって、Ｑ（キュー）値を十分に大きくすることができる。ここで、Ｑ値とは、共振器が光を閉じ込める強さの目安となる値である。即ち、接続導波路１１０、１１２に蓄積される光の強度を近接導波路１２０、１２２を導波されてくる周波数ｆ３の光のＱ倍とすることができる。Ｑ値は数千から数万以上にもすることができるので、小さな強度の周波数ｆ３の光を入射すれば、高強度の光エネルギーが接続導波路１１０、１１２に蓄積されることになる。そして、上記のように、屈折率を効率的に変化させることができる。これにより、光制御が可能な光スイッチとして動作させることができる。

分岐７や方向性結合器１５の導波光は、接続導波路１１０、１１２まで侵入する。しかし、それらの間にテーパー導波路１００、１０２、１０４、１０６があるため、急激な導波路構造の変化に起因する反射が生じることは無い。そのため、周波数ｆ１以下の光は、この１×２光スイッチ５を透過する過程で共振を生じない。従って、接続導波路１１０、１１２内の周波数ｆ１以下の光の強度は、分岐７や方向性結合器１５内を通過するときの強度と同程度である。そのため、接続導波路１１０から近接導波路１２０、及び接続導波路１１２から近接導波路１２２への、周波数ｆ１以下の漏れ光の強度は、接続導波路１１０又は接続導波路１１２を透過する光の強度の１／Ｑ程度に止まり、無視できる程度となる。

なお、テーパー導波路１００、１０２、１０４、１０６において、線欠陥の欠陥を構成する誘電体柱の断面積が、接続導波路１１０、１１２から遠ざかる向きに、階段状に増加してもよい。すなわち、テーパー導波路１００、１０２、１０４、１０６において、線欠陥ピラー１０１、１０３、１０５、１０７の断面積が接続導波路１１０、１１２から遠ざかる向きに、階段状に増加してもよい。また、徐々に減少する部分と階段状に増加する部分とを含んでもよい。

分岐７と方向性結合器１５の間の２経路の導波路９０、９１は、同じ長さでも、異なった長さでもよい。すなわち、２経路の導波路９０、９１を同じ長さにして対称マッハツェンダー干渉計としてもよいし、２経路の導波路９０、９１を異なった長さにして非対称マッハツェンダー干渉計としてもよい。

１×２光スイッチ５が対称マッハツェンダー干渉計の場合に、例えば、図７に示されるように、両方の接続導波路１１０、１１２に近接導波路１２０、１２２を近接させておく。この場合、２つの近接導波路１２０、１２２の内のどちらか一方にのみ制御光が入力されると、光の出力端１９、２０が切り替わる。そして、制御光が共に無しか、或いは、共に入力されたときには、光の出力端１９、２０が切り替わらない、といった論理回路の動作を１×２光スイッチ５にさせることができる。

また、１×２光スイッチ５が非対称マッハツェンダー干渉計の場合に、上記と同様、両方の接続導波路１１０、１１２に近接導波路１２０、１２２を近接させておく。これにより、対称な場合と異なる論理回路の動作を１×２光スイッチ５にさせることができる。また、これらの組み合わせも可能である。

図６、７の場合、フォトニック結晶は、正方格子ピラー型フォトニック結晶であるが、三角格子孔型フォトニック結晶であってもよい。もちろん、実施の形態１においても同様である。このような１×２光スイッチ５は、２つ以上並べられ、それらの個々の１×２光スイッチ５に含まれるそれぞれの近接導波路（制御用導波路）１２０、１２２が同一であるか、または互いに接続されている場合もある。

さらに、本発明は上述した実施の形態のみに限定されるものではなく、既に述べた本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることは勿論である。

この出願は、２００８年２月７日に出願された日本出願特願２００８−２７５４５、及び２００８年８月１４日に出願された日本出願特願２００８−２０８９２７を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

本発明は、光スイッチ及びその製造方法に適用され、特に、導波路を用いた光スイッチ及びその製造方法に適用される。

Claims (8)

1. フォトニック結晶の線欠陥導波路で構成されたマッハツェンダー干渉計型の光スイッチであって、
   1つの入力端から入射した光を2つの出力端に出射させる分岐と、
   方向性結合器と、
   それらの間の２経路の導波路を有し、
   上記２経路の内、第１経路の導波路と第２経路の導波路とでは、導波光の群速度が異なることを特徴とする光スイッチ。
2. 前記第１経路の導波路と前記第２経路の導波路とでは、線欠陥を成す欠陥ピラーの断面積が前記第２経路の導波路のほうが大きいことを特徴とする請求項１に記載の光スイッチ。
3. 前記第１経路の導波路長より、前記第２経路の導波路長のほうが長いことを特徴とする請求項２に記載の光スイッチ。
4. 前記方向性結合器を構成する２つの導波路の線欠陥を成す欠陥ピラーの断面積は、両方の導波路で同じであることを特徴とする請求項２又は３に記載の光スイッチ。
5. 前記第２経路の導波路は、
   両端に１つずつ設けられた２つのテーパー導波路と、
   ２つの前記テーパー導波路の間に設けられ、前記テーパー導波路を介して前記分岐と前記方向性結合器とに接続された接続導波路とを有する請求項２乃至４のいずれか１項に記載の光スイッチ。
6. ピラー型フォトニック結晶の線欠陥導波路で構成されたマッハツェンダー干渉計型の光スイッチであって、
   1つの入力端から入射した光を2つの出力端に出射させる分岐と、
   方向性結合器と、
   それらの間の２経路の導波路を有し、
   上記２経路の内、少なくとも１経路の導波路の線欠陥を成す欠陥ピラーの断面積を前記分岐及び前記方向性結合器を構成する導波路の線欠陥を成す欠陥ピラーの断面積よりも小さくすることで、上記２経路の内、第１経路の導波路と第２経路の導波路とで導波光の群速度が異なるようにしたことを特徴とする光スイッチ。
7. 前記欠陥ピラーの断面積が小さい経路の導波路は、
   両端に１つずつ設けられた２つのテーパー導波路と、
   ２つの前記テーパー導波路の間に設けられ、前記テーパー導波路を介して前記分岐と前記方向性結合器とに接続された接続導波路とを有する請求項６に記載の光スイッチ。
8. フォトニック結晶の線欠陥導波路で構成されたマッハツェンダー干渉計型の光スイッチの製造方法であって、
   1つの入力端から入射した光を2つの出力端に出射させる分岐と、
   方向性結合器と、
   それらの間の２経路の導波路を形成し、
   上記２経路の内、第１経路の導波路と第２経路の導波路とでは、導波光の群速度が異なることを特徴とする光スイッチの製造方法。

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