WO2006070868A1 - ２次元フォトニック結晶及びそれを用いた光機能素子 - Google Patents

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WO2006070868A1
WO2006070868A1 PCT/JP2005/024067 JP2005024067W WO2006070868A1 WO 2006070868 A1 WO2006070868 A1 WO 2006070868A1 JP 2005024067 W JP2005024067 W JP 2005024067W WO 2006070868 A1 WO2006070868 A1 WO 2006070868A1
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frequency band
waveguide
photonic crystal
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Susumu Noda
Takashi Asano
Bong-Shik Song
Seiichi Takayama
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Kyoto University
Tdk Corporation
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    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/29—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the position or the direction of light beams, i.e. deflection
    • G02F1/31—Digital deflection, i.e. optical switching
    • G02F1/313—Digital deflection, i.e. optical switching in an optical waveguide structure
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
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    • G02—OPTICS
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    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/122—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths
    • G02B6/1225—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths comprising photonic band-gap structures or photonic lattices
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F2202/00—Materials and properties
    • G02F2202/32—Photonic crystals

Definitions

  • the present invention relates to a two-dimensional photonic crystal used for an optical device such as an optical switch or an electro-optic modulator.
  • light used in the present application includes electromagnetic waves other than visible light.
  • optical communication is a communication method that will play a central role in future broadband communication, in order to popularize it, the performance and size of optical components used in optical communication systems will be further improved. There is a need for low prices.
  • An optical communication device optical functional device
  • This is already partly in practical use, and photonic crystal fibers for polarization dispersion compensation are in practical use.
  • optical multiplexers / demultiplexers used for wavelength division multiplexing (WDM), electro-optic modulators that convert between electrical signals and optical signals, and light ON / OFF control Development of optical functional elements such as optical switches is being promoted for practical use.
  • a photonic crystal is a dielectric in which a periodic structure is formed.
  • This periodic structure is generally formed by periodically arranging regions having different refractive indexes from the dielectric body (different refractive index regions) in the dielectric body. Due to the periodic structure, a band structure related to the energy of light is formed in the crystal, and an energy region in which light cannot be propagated is formed. Such an energy region is called a “photonic band gap (PBG)”.
  • PBG photonic band gap
  • Patent Document 1 discloses that a refractive index region is periodically arranged in a body (slab) made of a material having a refractive index higher than that of air, and the periodic arrangement is defective.
  • a two-dimensional photonic crystal is described in which a waveguide is formed by providing a linear shape and a point defect is formed adjacent to the waveguide.
  • This two-dimensional photonic crystal functions as a demultiplexer that extracts light with a frequency that matches the resonant frequency of the resonator out of various frequencies propagating in the waveguide, and is introduced into the external force waveguide. It also functions as a multiplexer.
  • the main body is divided into a plurality of regions, a waveguide that passes through the plurality of regions is formed, and the period and size of the different refractive index regions are different for each region.
  • Two-dimensional photonic crystals with different frequency bands of light that can pass through the waveguides in each region are described. In this configuration, it is included in the waveguide pass frequency band of a certain region (referred to as the first region) and is not included in the waveguide pass frequency band of the region adjacent to that region (referred to as the second region). Frequency light cannot propagate to the waveguide force of the first region, but is reflected at the boundary of these regions.
  • Patent Document 3 light having a predetermined frequency propagates through the waveguide by performing Z without injecting current into the two-dimensional photonic crystal in which the waveguide is formed by the same method as Patent Document 1.
  • the operation principle of this optical switch is as follows. When no current is injected, light of the frequency in the PBG cannot be present in the main body, so it is confined in the waveguide and propagates in the waveguide (ON state). When current is injected, the PBG changes due to the change in the refractive index of the main body, so that light with that frequency also leaks into the surrounding main body and cannot propagate through the waveguide (OFF) Status). By adjusting the period of the different refractive index region, the main body material (refractive index) can be turned off when no current is injected into the two-dimensional photonic crystal and turned on when it is injected.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-272555 ([0023] to [0027], [0032], FIG. 1, FIGS. 5 to 6)
  • Patent Document 2 Japanese Patent Laid-Open No. 2004-233941 ([0050] to [0053], FIG. 3)
  • Patent Document 3 Japanese Patent Laid-Open No. 2002-303836 ([0022], [0028] to [0043], FIGS. 3 to 4)
  • the problem to be solved by the present invention is to provide a two-dimensional photonic crystal that can be used in an optical path switching switch that can perform path switching.
  • the first region has a first pass frequency band and the second region has a second pass frequency band, and the first pass frequency band and the second pass frequency are obliquely crossing the boundary between the two regions.
  • a trunk waveguide whose band has a common pass frequency band;
  • refractive index changing means for changing the refractive index distribution of the first region or the second region so that the common pass frequency band changes
  • a trunk waveguide having a first pass frequency band in the first region and a second pass frequency band in the second region, which obliquely cross the boundary between the two regions;
  • a refractive index changing means for changing the refractive index distribution of the first region or the second region so that the first pass frequency band and the second pass frequency band have a common pass frequency band; It is characterized by providing.
  • the region where the refractive index distribution is changed is preferably the second region U.
  • the refractive index distribution of the second region may be a proportion of the refractive index distribution of the first region that is proportionally enlarged or reduced.
  • the first pass frequency band and the second pass frequency band can be set as described above.
  • the refractive index changing means may use any one of a thermo-optic effect, an electro-optic effect, a magneto-optic effect, a nonlinear optical effect, and a stress effect.
  • the thermo-optic effect refers to an effect that the refractive index distribution of the region is changed by the application of heat, and as a result, the optical characteristics of the region are changed.
  • the refractive index changing means used include one that heats the second region by irradiating the second region with laser light, and one that includes a heating member in the vicinity of the second region.
  • the electro-optic effect and the magneto-optic effect are a change in the refractive index distribution of the region by applying an electrostatic field, an oscillating electric field, or a static magnetic field or an oscillating magnetic field. It means the effect that the characteristics change.
  • the non-linear optical effect is an effect in which the refractive index usually changes independent of light intensity when strong light is incident.
  • the stress effect means that the stress distribution inside the region changes due to the application of mechanical force from the outside and the refractive index distribution changes, and as a result, the optical characteristics of the region change. Say effect.
  • the two-dimensional photonic crystal of the present invention can be used as an optical switch, an electro-optic modulator, or a light intensity modulator.
  • an element that generates an electric field that changes in accordance with an electric signal from the outside and changes the refractive index distribution of the second region is used as the refractive index changing means.
  • the light intensity modulator includes a band in which the light pass intensity does not have the maximum value in the second pass frequency band in the one or both before and after changing the refractive index distribution. Two-dimensional photonic crystal containing is used.
  • FIG. 1 is a plan view showing a first embodiment of a two-dimensional photonic crystal according to the present invention.
  • FIG. 2 is a plan view showing a second embodiment of the two-dimensional photonic crystal according to the present invention.
  • FIG. 3 is a graph showing a frequency band passing through the waveguide of the two-dimensional photonic crystal of this example.
  • FIG. 4 A graph showing the frequency band that passes through the waveguide of the two-dimensional photonic crystal of this example (when the common frequency band is not present when the control light is OFF).
  • FIG. 5 is a graph showing the frequency band that passes through the waveguide of the two-dimensional photonic crystal of this example (when controlling the intensity of light extracted from the trunk waveguide).
  • FIG. 6 is a graph showing the experimental results of the waveguide passing frequency band of the two-dimensional photonic crystal of this example.
  • FIG. 7 is a plan view showing a modification of the two-dimensional photonic crystal of the first embodiment.
  • Second pass frequency band 32a, 32a ', 32b, 32b', 32c, 32c ', 32d .
  • two regions of a first region and a second region having different refractive index profiles are formed in the main body.
  • a flat slab is used for the main body, and as a refractive index distribution, for example, a region having a different refractive index from the main body (different refractive index region) is periodically arranged in the main body.
  • the main body is provided with a waveguide that obliquely intersects the boundary between the first region and the second region.
  • This waveguide is called a trunk waveguide.
  • a trunk waveguide can be formed by providing a refractive index distribution defect in a linear manner, as in the case of a conventional two-dimensional photonic crystal.
  • the parameters of the main body such as the period of the refractive index distribution of the main body can propagate (pass) the light that can propagate through the waveguide.
  • the frequency band (pass frequency band) changes.
  • the first pass frequency band that is the pass frequency band of the first region is generally different from the second pass frequency band that is the pass frequency band of the second region.
  • the above parameters in the first region and the second region are set so that the first pass frequency band and the second pass frequency band have a common band (common pass frequency band). .
  • the first pass frequency band and the second pass frequency band do not have a common pass frequency band. In other respects, it is the same as the two-dimensional photonic crystal of the first embodiment.
  • Both the first and second embodiments of the photonic crystal are provided with a waveguide that branches into the first region from the intersection of the trunk waveguide and the boundary. This waveguide is called a branch waveguide.
  • refractive index changing means for changing the refractive index distribution of the first region or the second region so that the common pass frequency band changes.
  • the refractive index distribution may change the refractive index (having the distribution) of the entire first region or the second region! / ⁇ , and only a part of the elements constituting the refractive index distribution may be used. It may be changed.
  • a refractive index distribution is formed by periodically embedding different members in the main body, both the refractive index of the main body and the refractive index of the member may be changed. Only change it.
  • the refractive index distribution is formed by periodically providing holes in the main body, it is only necessary to change the refractive index of the main body. A specific example of the refractive index changing means will be described later.
  • the two-dimensional photonic crystal according to the present invention configured as described above acts as an optical switch for light propagating from the first region side to the second region side of the trunk waveguide.
  • the frequency of light to be switched (hereinafter referred to as “switch frequency”) is (1) the first region or The case where the refractive index distribution of the second region is included in the common pass frequency band before the change and (2) the case where it is not included in the common pass frequency band before the change of the refractive index distribution will be described separately. .
  • the switch frequency is included in the common pass frequency band before the refractive index distribution change
  • the light of the switch frequency is the first region side and the second region of the trunk waveguide. Because the light can pass through both sides, the light propagating in the first region force through the trunk waveguide can take out the second region side force.
  • the common pass frequency band is changed by changing the refractive index distribution of the first region or the second region, a part of the first pass frequency band before the change is deviated from the common pass frequency band. If the switch frequency is set within the common pass frequency band of the changing portion, the light of the switch frequency cannot propagate through the second region side of the trunk waveguide and is reflected at the boundary.
  • This reflected light is introduced into the branch waveguide instead of returning directly to the first region side of the trunk waveguide because the boundary and the trunk waveguide cross each other.
  • the switch frequency light propagating from the first region side to the second region side of the trunk waveguide passes through the second region side of the trunk waveguide before and after the change of the refractive index distribution. Switching between the branch waveguides on the first region side is switched.
  • each of these two-dimensional photonic crystals is an optical path switching switch that can switch the path between the branch waveguide and the second region of the trunk waveguide. In addition, it becomes a light ON / OFF switch that can switch whether to block the force that allows light to pass through either the branch waveguide or the second region side of the trunk waveguide.
  • the two-dimensional photonic crystal of the present invention uses the refractive index changing means for changing the refractive index of the first region or the second region in accordance with ON / OFF of an electric signal from the outside, thereby
  • the electro-optic modulator converts signal ON / OFF into light ON / OFF.
  • the first pass frequency band and a part of the second pass frequency band are obtained.
  • a common frequency band can be formed.
  • variable band the intensity of light propagating through the waveguide can be modulated. That is, the common frequency band includes the variable band and the switch frequency is included in either or both of the front and rear before the refractive index distribution change. In this case, the intensity of the switch frequency light changes on the second region side or the branch waveguide side of the trunk waveguide before and after changing the refractive index distribution of the first region or the second region. Therefore, the two-dimensional photonic crystal of this aspect can be used as a light intensity modulator capable of controlling the light intensity by changing the refractive index distribution of the first region or the second region.
  • thermo-optic effect electro-optic effect
  • magneto-optic effect magneto-optic effect
  • nonlinear optical effect nonlinear optical effect
  • stress effect can be used.
  • the refractive index changing means using the thermo-optic effect there can be mentioned one that irradiates a region where the refractive index is changed with strong light.
  • a laser light source as the light source of the irradiation light so that the temperature of the region not irradiated with light does not change.
  • a low temperature heat bath may be brought into contact with that area.
  • the refractive index changing means using the thermo-optic effect there can be mentioned one in which a heating member is provided in the vicinity of the region where the refractive index is changed.
  • a heating member such as a probe of an atomic force microscope is disposed immediately above a region where the refractive index is changed, and by heating this micro member, only the region where the refractive index is changed in the vicinity of the micro member is heated. It is possible to suppress changes in the temperature of the region where the refractive index away from the micro member force is not changed.
  • thermo-optic effect As another example of the refractive index changing means using the thermo-optic effect, a heater provided outside the part where the periodic refractive index distribution of the region where the refractive index is changed is formed.
  • the thermo-optic effect occurs in common with materials used for two-dimensional photonic crystals, such as Si and InGaAsP, and it is not necessary to use special materials to make use of them.
  • the refractive index changing means using the electro-optic effect there can be cited one in which an electric field is applied to a region where the refractive index is changed and the electric field is turned ON / OFF according to an external signal.
  • an electric field is applied to a region where the refractive index is changed and the electric field is turned ON / OFF according to an external signal.
  • materials with electro-optic effect LiNbO
  • the present invention can be realized by using 3 as the material of the main body.
  • the refractive index changing means using the magneto-optic effect a means for applying a magnetic field to a region where the refractive index is changed and turning the magnetic field on / off according to an external signal can be used.
  • the material having a magneto-optic effect include yttrium iron garnet, and the present invention can be realized by using this as a material for the main body.
  • the refractive index changing means using the nonlinear optical effect a means for irradiating light to a region where the refractive index is changed according to an external signal can be used.
  • materials with nonlinear optical effects include LiTaO, and the present invention can be realized by using this as the material for the main body.
  • the refractive index changing means using the stress effect
  • a microactuator that applies a force to a region where the refractive index is changed such as the micro member, can be used. Since the stress effect generally occurs in materials used for 2D photonic crystals, it is not necessary to use a special material to take advantage of this effect.
  • the region where the refractive index is changed may be either the first region or the second region. However, the second region that does not form the branch waveguide can be made smaller than the first region. It is better to change the refractive index of the region.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of the two-dimensional photonic crystal according to the present invention.
  • the plate-like main body 11 is divided into three regions 121, 122, and 123.
  • the main body is made of the same material as the conventional two-dimensional photonic crystal, such as Si or InGaAsP.
  • the region 121 corresponds to the first region
  • the region 122 corresponds to the second region.
  • the region 123 is referred to as a third region.
  • a large number of circular holes 131 having the same diameter are formed in the first region 121 and the third region 123 in a triangular lattice pattern with the same period.
  • the second region 122 In the second region 122, many holes 132 smaller than the holes 131 are formed in a triangular lattice pattern with a period smaller than that of the first region 121 and the third region 123. The size and period of the holes in the second region 122 are proportionally reduced from those in the first region 121.
  • the laser beam (control) in the control light irradiation region 18 (within the broken circle in the figure) that is in the second region 122 and has the same diameter as the length of the trunk waveguide 15 in that region.
  • Control for irradiating light Light irradiating means (not shown) is provided. This control light irradiation means changes the refractive index of the main body 11 in the region by turning on / off the control light irradiation to the control light irradiation region 18 to control the temperature of the region.
  • the refractive index of the second region 122 can be increased by increasing the temperature by irradiating the control light irradiation region 18 with the control light. it can.
  • the diameter of the control light irradiation region 18 is about eight periods of holes, and the period of the holes is determined so that light in the 1.5 / zm band propagates through the trunk waveguide 15. Is about 300 m. Since the third region 123 has the same configuration as the first region 121, it has the same pass frequency band as the trunk waveguide 15 of the first region 121.
  • the third region 123 serves as an extraction port for light that has passed through the trunk waveguide 15 in the second region 122.
  • FIG. 2 shows a second embodiment of the two-dimensional photonic crystal according to the present invention.
  • the main body 21 is divided into three regions (first region 221, second region 222, and third region 223), and the first region 221 and the third region 223 are divided.
  • Each has a large number of circular holes 231 having the same diameter, and is formed in a triangular lattice pattern with the same period.
  • a large number of holes 232 larger than those holes 231 are formed in a triangular lattice pattern with a period larger than that of the first region 221 and the third region 223.
  • the size and period of the holes in the second region 222 are proportionally enlarged from those in the first region 222.
  • a trunk waveguide 25, a branch waveguide 27, and control light irradiation means are provided.
  • FIG. (a-1) and (a-2) show the operation of the two-dimensional photonic crystal of the first embodiment
  • (b-1) and (b-2) show the operation of the two-dimensional photonic crystal of the second embodiment. The operation is shown.
  • the period and size of the holes in the first region 121 and the second region 122 are different as described above, so that the second region of the trunk waveguide 15 is
  • the pass frequency band on the 122 side (second pass frequency band) 32a is formed on the higher frequency (short wavelength) side than the pass frequency band on the first region 121 side of the trunk waveguide 15 (first pass frequency band) 31a.
  • the first frequency band 31a and the second frequency band 32a have a common frequency band 33a.
  • the refractive index of the main body 11 of the second region 122 is increased, so that the second pass frequency band 32a is on the low frequency (long wavelength) side. (Second pass frequency band 32a ', Fig. 3 (a-2)).
  • the first passing frequency band 31a does not change.
  • the common frequency band becomes larger than before the control light irradiation (common frequency band 33a ′).
  • the frequency 34a which is not included in the common frequency band 33a but is included in the common frequency band 33a ′ is defined as a switch frequency.
  • the light having the switch frequency 34a is in the first region 1 When introduced into the trunk waveguide 15 from the 21 side, it propagates through the waveguide (the trunk waveguide 15 and the branch waveguide 17) as follows. Prior to the control light irradiation, this light cannot pass through the second region 122 side of the trunk waveguide 15 because the switch frequency 34a is not included in the common frequency band 33a. Therefore, this light is reflected at the boundary 14 and introduced into the branch waveguide 17.
  • the switch frequency 34a is included in the common frequency band 33a, this light passes through the boundary 14 and is introduced into the trunk waveguide 15 in the second region 122 and extracted from the third region 123 side. It is.
  • the path of the light having the switch frequency 34a is switched from the branch waveguide 17 to the third region 123 side of the trunk waveguide 15 by irradiating the control light. Functions as a switching switch. Further, when viewed from any force on the third region 123 side of the branch waveguide 17 or the trunk waveguide 15, it functions as an optical ON / OFF switch.
  • the second pass frequency band 32b is formed on the lower frequency (long wavelength) side than the first pass frequency band 31b (FIG. 3 (b-l)).
  • the second pass frequency band 32b is shifted to the low frequency (long wavelength) side (second pass frequency band 32b ′, FIG. 3 (b-2)).
  • the common frequency band 33b becomes smaller (common frequency band 33b ′).
  • the two-dimensional photonic crystal of the first embodiment switches the path of the light having the switch frequency 34b by switching to the branch waveguide 17 in the third region 123 of the trunk waveguide 15 by irradiating the control light.
  • the first pass frequency band 31c and the second pass frequency band 32c may be V without a common frequency band.
  • the light introduced into the main waveguide and having the switch frequency 34c within the common frequency band 33c ′ is turned on or off by the control light ON / OFF as in the first embodiment.
  • the light in the third region 1 23 can be turned on / off.
  • variable bands 35d and 36d which are the frequency bands near the ends on the high frequency side and the low frequency side, are affected by a change in frequency.
  • the intensity of light passing through the waveguide changes.
  • the control light is applied to the second region, and the second pass frequency band 32d is moved so that the variable band 35d or 36d reaches the switch frequency 34d within the first pass frequency band 31d. .
  • the intensity of light extracted from the third region side of the trunk waveguide or the branch waveguide can be controlled.
  • FIG. 6 shows the results of measuring the pass wavelength band for the waveguides in the first region 121 and the second region 122, respectively.
  • Spectrum 41 is the spectrum of light in the trunk waveguide 15 in the first region 121
  • spectrum 42 is the spectrum of light in the trunk waveguide 15 in the second region 122 before irradiation with laser light
  • spectrum 43 is irradiated with laser light. This is the spectrum of light in the trunk waveguide 15 in the second region 122 at the time.
  • the passband 44 of the trunk waveguide 15 in the first region 121 is 1505 ⁇ ! ⁇ 1568nm
  • wavelength band 45 of trunk waveguide 15 in second region 122 before laser light irradiation 45 is 1501 ⁇ ! ⁇ 1560nm. Therefore, the common wavelength band is 1505 nm to 1560 nm.
  • the wavelength band below 1550 nm is not shown.
  • a laser beam having a center wavelength of 1560 nm and a half-value width of 0.2 nm was introduced from the first region 121 side of the trunk waveguide 15, and an optical switch experiment was performed.
  • This laser light was extracted from the branch waveguide when the control light was OFF and from the third region 123 side of the trunk waveguide 15 when the control light was ON.
  • the time required for switching was about 20 sec. This is about 1/100 of the switching speed of the conventional Balta-type thermo-optic optical switch.
  • the trunk waveguide 15 may be bent in the second region 122 so as to be parallel to the branch waveguide 17. Accordingly, light can be extracted from the branch waveguide 17 and the trunk waveguide 15 in the vicinity.
  • the description has been given by taking as an example the case where the refractive index is changed by irradiating the second region with laser light.
  • the refractive index of the first region is changed, it is the same as the above embodiment. It is possible to switch light.

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Abstract

　本発明の課題は、進路切り替えを行うことができる光進路切替スイッチ等に用いることができる２次元フォトニック結晶を提供することにある。本体１１上に空孔１３１及び１３２の周期や大きさが異なる第１領域１２１及び第２領域１２２を形成し、これらの領域の境界１４に斜めに交差するように幹導波路１５を形成する。また、幹導波路１５と境界１４の交点を起点として幹導波路１５から第１領域１２１側に分岐する枝導波路１７を形成する。第２領域１２２を加熱して該領域内の本体の屈折率を変化させることにより、第２領域１２２の幹導波路１５を通過することのできる周波数帯域が変化する。特定の周波数を有し幹導波路１５の第１領域１２１側から伝播する光は、上記加熱の有無により、幹導波路１５の第２領域１２２側から取り出されるか、第２領域１２２の幹導波路１５を伝播できずに枝導波路１７から取り出されるか、が切り替えられる。

Description

2次元フォトニック結晶及びそれを用いた光機能素子
技術分野
[0001] 本発明は、光スィッチや電気光学変調器等の光デバイスに用いられる 2次元フォト ニック結晶に関する。なお、本願において用いる「光」には、可視光以外の電磁波も 含むものとする。
背景技術
[0002] 光通信は今後のブロードバンド通信の中心的役割を担う通信方式であることから、 その普及のために、光通信システムに使用される光部品類に対して更なる高性能化 、小型化、低価格ィ匕が求められている。このような要求を満たす次世代光通信部品 の有力候補のひとつとして、フォトニック結晶を利用した光通信用デバイス (光機能素 子）がある。これは既に一部で実用段階に入っており、偏波分散補償用フォトニック 結晶ファイバーなどが実用に供されている。現在では更に、波長分割多重通信 (Wav elength Division Multiplexing:WDM)に使用される光合分波器、電気信号と光信号と の間の変換を行う電気光学変調器、光の ON/OFFを制御する光スィッチ等の光機能 素子の開発が実用化に向けて進められている。
[0003] フォトニック結晶は、誘電体に周期構造を形成したものである。この周期構造は一 般に、誘電体本体とは屈折率が異なる領域 (異屈折率領域)を誘電体本体内に周期 的に配置することにより形成される。その周期構造により、結晶中に光のエネルギー に関するバンド構造が形成され、光の伝播が不可能となるエネルギー領域が形成さ れる。このようなエネルギー領域は「フォトニックバンドギャップ」（Photonic Band Gap:P BG)と呼ばれる。
[0004] このフォトニック結晶中に適切な欠陥を設けることにより、 PBG中にエネルギー準位
(欠陥準位)が形成され、その欠陥準位に対応する周波数 (波長）の光のみがその欠 陥の近傍に存在できるようになる。点状に形成された欠陥はその周波数の光の光共 振器として使用することができ、線状に形成された欠陥は導波路として使用すること ができる。 [0005] 上記技術の一例として、特許文献 1には、空気よりも屈折率が高!ヽ材料から成る本 体 (スラブ）に異屈折率領域を周期的に配置し、その周期的配置に欠陥を線状に設 けることにより導波路を形成するとともに、その導波路に隣接して点状欠陥を形成し た 2次元フォトニック結晶が記載されている。この 2次元フォトニック結晶は、導波路内 を伝播する様々な周波数の光のうち共振器の共振周波数に一致する周波数の光を 外部へ取り出す分波器として機能すると共に、外部力 導波路に導入する合波器と しても機能する。
[0006] 特許文献 2には、本体を複数の領域に分け、複数の領域を通過する導波路を形成 し、領域毎に異屈折率領域の周期や大きさ等を異なるものとすることにより、各領域 の導波路を通過することができる光の周波数帯域を異なるものとした 2次元フォトニッ ク結晶が記載されている。この構成では、ある領域 (第 1領域とする）の導波路通過周 波数帯域には含まれ、その領域に隣接する領域 (第 2領域とする)の導波路通過周 波数帯域には含まれない周波数の光は、第 1領域の導波路力 第 2領域の導波路に 伝播することができず、これらの領域の境界において反射される。上記周波数の光に 共振する共振器を第 1領域の導波路の近傍に設けることにより、導波路を伝播するこ の周波数の光は、たとえ共振器に導入されずに通過したとしても、上記境界におい て反射され、上記共振器により取り出される。これにより、分波の効率が高くなる。
[0007] 特許文献 3には、特許文献 1と同様の方法により導波路を形成した 2次元フォト-ッ ク結晶に電流を注入しない Zすることにより、所定の周波数の光が導波路を伝播す る Zしな ヽ（光を ON/OFFする）ように制御することができる光スィッチが記載されて!ヽ る。この光スィッチの動作原理は次の通りである。電流が注入されない時には、 PBG 内の周波数の光は本体内で存在することができないため導波路内に閉じ込められ、 導波路内を伝播する（ON状態)。電流が注入された時には、本体の屈折率が変化す ることにより PBGが変化するため、その周波数の光は導波路力も周囲の本体に漏れ 出してしまい、導波路を伝播することができない（OFF状態)。本体の材料 (屈折率） ゃ異屈折率領域の周期を調整することにより、 2次元フォトニック結晶に電流を注入し な!ヽ時を OFF、注入した時を ONとすることもできる。
[0008] 特許文献 1 :特開 2001- 272555号公報（[0023]〜[0027]、 [0032]、図 1、図 5〜6) 特許文献 2：特開 2004-233941号公報（[0050]〜[0053]、図 3)
特許文献 3 :特開 2002-303836号公報（[0022]、 [0028]〜[0043],図 3〜4)
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0009] 特許文献 3の光スィッチの構成では、光の進路を切り替える光スィッチには用いるこ とができない。
[0010] 本発明が解決しょうとする課題は、進路切り替えを行うことができる光進路切替スィ ツチに用いることができる 2次元フォトニック結晶を提供することである。
課題を解決するための手段
[0011] 上記課題を解決するために成された本発明に係る 2次元フォトニック結晶の第 1の 態様のものは、
a)スラブ状の本体内に互いに隣接して形成された、異なる屈折率分布を有する第 1 領域及び第 2領域と、
b)前記両領域の境界を斜交する、第 1領域においては第 1通過周波数帯域を、第 2 領域においては第 2通過周波数帯域をそれぞれ有し、第 1通過周波数帯域と第 2通 過周波数帯域が共通通過周波数帯域を有する幹導波路と、
c)幹導波路と前記境界の交点から第 1領域内に分岐する枝導波路と、
d)前記共通通過周波数帯域が変化するように第 1領域又は第 2領域の屈折率分布 を変化させる屈折率変化手段と、
を備えることを特徴とする。
[0012] 本発明に係る 2次元フォトニック結晶の第 2の態様のものは、
a)スラブ状の本体内に互いに隣接して形成された、異なる屈折率分布を有する第 1 領域及び第 2領域と、
b)前記両領域の境界を斜交する、第 1領域においては第 1通過周波数帯域を、第 2 領域においては第 2通過周波数帯域をそれぞれ有する幹導波路と、
c)幹導波路と前記境界の交点から第 1領域内に分岐する枝導波路と、
d)第 1通過周波数帯域と第 2通過周波数帯域が共通通過周波数帯域を有するよう に第 1領域又は第 2領域の屈折率分布を変化させる屈折率変化手段と、 を備えることを特徴とする。
[0013] 屈折率分布を変化させる領域は第 2領域であることが望ま U、。
[0014] 第 2領域の屈折率分布は第 1領域の屈折率分布を比例拡大又は比例縮小したも のとすることができる。これにより、第 1通過周波数帯域及び第 2通過周波数帯域を上 記のように設定することができる。
[0015] 前記屈折率変化手段は、熱光学効果、電気光学効果、磁気光学効果、非線形光 学効果、応力効果のいずれかを利用したものとすることができる。ここで熱光学効果 とは、熱が加わることによりその領域の屈折率分布が変化し、その結果、その領域の 光学的特性が変化するという効果をいい、具体的には、例えば熱光学効果を利用し た屈折率変化手段としては、第 2領域にレーザ光を照射することにより該領域を加熱 するものや、第 2領域の近傍に加熱用部材を設けたものを挙げることができる。同様 に、電気光学効果、磁気光学効果とは、静電界や振動電界或いは静磁界や振動磁 界が印加されることによりその領域の屈折率分布が変化し、その結果、その領域の光 学的特性が変化するという効果をいう。更に、非線形光学効果とは、強い光が入射す ると、通常は光強度に依存しない屈折率が変化をする効果をいう。応力効果とは、外 部から力学的な力が印加されることによりその領域の内部に生じる応力が変化して屈 折率分布が変化し、その結果、その領域の光学的特性が変化するという効果をいう。
[0016] 本発明の 2次元フォトニック結晶は、光スィッチ、電気光学変調器、光強度変調器と して用いることができる。このうち電気光学変調器では、前記屈折率変化手段には外 部からの電気信号に応じて変化する電界を生成し、それにより第 2領域の屈折率分 布を変化させるものを用いる。また、光強度変調器には、前述の、屈折率分布を変化 させる前後のいずれか一方又は双方において、共通周波数帯域が第 2通過周波数 帯域のうち、光の通過強度が最大値を持たない帯域を含む 2次元フォトニック結晶を 用いる。
図面の簡単な説明
[0017] [図 1]本発明に係る 2次元フォトニック結晶の第 1実施例を示す平面図。
[図 2]本発明に係る 2次元フォトニック結晶の第 2実施例を示す平面図。
[図 3]本実施例の 2次元フォトニック結晶の導波路通過周波数帯域を示すグラフ。 [図 4]本実施例の 2次元フォトニック結晶の導波路通過周波数帯域を示すグラフ（制 御光が OFFの時に共通周波数帯域がな 、場合)。
[図 5]本実施例の 2次元フォトニック結晶の導波路通過周波数帯域を示すグラフ（幹 導波路から取り出す光の強度制御を行う場合)。
[図 6]本実施例の 2次元フォトニック結晶の導波路通過周波数帯域の実験結果を示 すグラフ。
[図 7]第 1実施例の 2次元フォトニック結晶の変形例を示す平面図。
符号の説明
[0018] 11、 21· "本体
121、 221…第 1領域
122、 222···第 2領域
123、 223···第 3領域
131、 132···空孔
14、 24…第 1領域と第 2領域の境界
15、 25…幹導波路
16、 26···境界と幹導波路の交点
17、 27···枝導波路
18、 28···制御光照射領域
31a、 31b、 31c、 31d…第 1通過周波数帯域
32a, 32a'、 32b、 32b'、 32c、 32c'、 32d…第 2通過周波数帯域
33a, 33a'、 33b、 33b'、 33c'…共通周波数帯域
34a, 34b、 34c、 34d…スィッチ周波数
35d、 36d…可変帯域
発明の実施の形態及び効果
[0019] 本発明に係る 2次元フォトニック結晶には、本体に、相異なる屈折率分布を有する 第 1領域及び第 2領域の 2つの領域を形成する。従来の 2次元フォトニック結晶と同 様、本体には平板状のスラブを用い、屈折率分布としては、例えば本体とは屈折率 の異なる領域 (異屈折率領域)を本体に周期的に配置することにより形成することが できる。この異屈折率領域は、本体に空孔を設けることにより形成することが、作製が 容易であり本体との屈折率の差を大きく取ることができるため望ましい。
[0020] この本体に、第 1領域と第 2領域の境界を斜めに交差する導波路を設ける。この導 波路を幹導波路と呼ぶ。幹導波路は、従来の 2次元フォトニック結晶と同様に、屈折 率分布の欠陥を線状に設けることにより形成することができる。 2次元フォトニック結晶 では、導波路の幅等の導波路自体のパラメータの他に、本体の屈折率分布の周期 等の本体側のパラメータによっても導波路を伝播 (通過）することができる光の周波数 帯域 (通過周波数帯域)が変化する。そのため、本発明の 2次元フォトニック結晶では 第 1領域の通過周波数帯域である第 1通過周波数帯域と第 2領域の通過周波数帯 域である第 2通過周波数帯域は一般に異なるものとなる。第 1態様の 2次元フォトニッ ク結晶では、第 1通過周波数帯域と第 2通過周波数帯域が共通の帯域 (共通通過周 波数帯域)を有するように第 1領域及び第 2領域における上記パラメータを設定する。
[0021] 第 2の態様の 2次元フォトニック結晶は、第 1通過周波数帯域と第 2通過周波数帯 域が共通通過周波数帯域を持たない。それ以外の点では、上記第 1の態様の 2次元 フォトニック結晶と同様である。
[0022] 第 1、第 2の両態様のフォトニック結晶とも、幹導波路と前記境界の交点から第 1領 域内に分岐する導波路を設ける。この導波路を枝導波路と呼ぶ。
[0023] そして、前記共通通過周波数帯域が変化するように第 1領域又は第 2領域の屈折 率分布を変化させる屈折率変化手段を設ける。ここで、屈折率分布は第 1領域又は 第 2領域全体の（分布を有する)屈折率を変化させるものであってもよ!/ヽし、屈折率分 布を構成する要素の一部のみを変化させるものであってもよい。例えば、本体に別異 の部材を周期的に埋め込んで屈折率分布を形成した場合には、本体の屈折率と該 部材の屈折率の双方を変化させてもょ 、し、 V、ずれか一方のみを変化させてもょ 、。 本体に空孔を周期的に設けて屈折率分布を形成した場合には、本体のみ屈折率を 変化させればよい。屈折率変化手段の具体例については後述する。
[0024] このように構成された本発明に係る 2次元フォトニック結晶は、幹導波路の第 1領域 側から第 2領域側に向けて伝播する光に対して、光スィッチとして作用する。以下で は、スィッチされる光の周波数 (以下、「スィッチ周波数」とする）が、（1)第 1領域又は 第 2領域の屈折率分布が変化する前の共通通過周波数帯域に含まれる場合、及び 、（2)該屈折率分布が変化する前の共通通過周波数帯域に含まれない場合、に分け て説明する。
[0025] (1)スィッチ周波数が屈折率分布変化前の共通通過周波数帯域に含まれる場合 この場合、屈折率変化前には、スィッチ周波数の光は幹導波路の第 1領域側と第 2 領域側の双方を通過することができるため、幹導波路を第 1領域力 伝播してくる光 は第 2領域側力 取り出すことができる。第 1領域又は第 2領域の屈折率分布を変化 させることにより共通通過周波数帯域が変化すると、変化前の第 1通過周波数帯域 の一部が共通通過周波数帯域から外れる。スィッチ周波数を、その変化する部分の 共通通過周波数帯域内に設定しておくと、スィッチ周波数の光は幹導波路の第 2領 域側を伝播することができなくなり、前記境界において反射される。この反射光は、前 記境界と幹導波路が斜交していることから、幹導波路の第 1領域側にそのまま戻るの ではなぐ枝導波路に導入される。このように、幹導波路の第 1領域側から第 2領域側 に向けて伝播するスィッチ周波数の光は、屈折率分布の変化の前後で、幹導波路の 第 2領域側を通過するか、第 1領域側の枝導波路を通過するかが切り替えられる。
[0026] (2)スィッチ周波数が屈折率分布変化前の共通通過周波数帯域に含まれない場合 この場合、屈折率分布の変化前には、スィッチ周波数の光は幹導波路の第 2領域 側を通過することができず、枝導波路に導入される。第 1領域又は第 2領域の屈折率 分布を変化させることにより共通通過周波数帯域が変化すると、変化前には共通通 過周波数帯域に含まれていなかった第 1通過周波数帯域の一部が共通通過周波数 帯域に含まれるようになる。スィッチ周波数がその帯域に含まれるように設定しておく ことにより、スィッチ周波数の光は変化後に幹導波路の第 2領域側を伝播することが できるようになる。このように、幹導波路の第 1領域側から第 2領域側に向けて伝播す るスィッチ周波数の光が、屈折率分布の変化の前後で、枝導波路を通過するか、幹 導波路の第 2領域側を通過するかが切り替えられる。
[0027] 第 1の態様の 2次元フォトニック結晶では上記 (1)(2)のいずれの場合でもスィッチン グが生じ、第 2の態様の 2次元フォトニック結晶は上記 (2)の場合に（この場合、屈折率 分布が変化する前には、共通通過周波数帯域が存在せず、変化後に共通通過周波 数帯域が生成する)スイッチングが生じる。これらの 2次元フォトニック結晶はいずれも 、枝導波路と幹導波路の第 2領域側の間で進路切り替えを行うことができる光進路切 替スィッチとなる。また、枝導波路又は幹導波路の第 2領域側のいずれか一方にお V、て、光を通過させる力遮断するかを切り替えることができる光 ON/OFFスィッチとな る。
[0028] また、本発明の 2次元フォトニック結晶は、外部からの電気信号の ON/OFFに応じ て第 1領域又は第 2領域の屈折率を変化させる屈折率変化手段を用いることにより、 電気信号の ON/OFFを光の ON/OFFに変換する電気光学変調器となる。
[0029] 第 2領域の屈折率分布及び幹導波路を、第 1領域のそれらを比例拡大又は比例縮 小したものとすることにより、第 1通過周波数帯域と第 2通過周波数帯域の一部に共 通周波数帯域を形成することができる。
[0030] 第 1及び第 2通過周波数帯域内では、その帯域内のほとんどの周波数において、 導波路の光をほぼ 100%通過させることができる。しかし、通過周波数帯域の端付近の 一部の帯域 (以下、これを「可変帯域」という）においては、導波路の伝播効率が 100% 以下となる。この可変帯域を用いることにより、導波路を伝播する光の強度変調を行う ことができる。すなわち、屈折率分布変化の前後のいずれか一方又は双方において 、共通周波数帯域が可変帯域を含むようにし、スィッチ周波数がその中に含まれるよ うにする。この場合、スィッチ周波数の光は、第 1領域又は第 2領域の屈折率分布を 変化させる前と後で、幹導波路の第 2領域側又は枝導波路側においてその強度が 変化する。従って、この態様の 2次元フォトニック結晶は、第 1領域又は第 2領域の屈 折率分布を変化させることにより光の強度を制御することのできる光強度変調器とし て使用することができる。
[0031] 次に、屈折率変化手段について説明する。第 1領域又は第 2領域の屈折率分布を 変化させるために、前述の熱光学効果、電気光学効果、磁気光学効果、非線形光学 効果又は応力効果を利用することができる。
[0032] 熱光学効果を利用した屈折率変化手段の一例として、屈折率を変化させる領域に 強い光を照射するものを挙げることができる。この場合、光を照射しない方の領域の 温度が変化しないように、照射光の光源にはレーザ光源を用いることが望ましい。な お、照射光を OFFにした時に光を照射した領域の温度を素早く元に戻すために、そ の領域に低温熱浴を接触させてもょ ヽ。
[0033] 熱光学効果を利用した屈折率変化手段の他の例として、屈折率を変化させる領域 の近傍に加熱用部材を設けたものを挙げることができる。例えば原子間力顕微鏡の 探針のような微小部材を屈折率を変化させる領域の直上に配置し、この微小部材を 加熱することにより、微小部材の近傍の屈折率を変化させる領域のみを加熱し、微小 部材力 離れた屈折率を変化させない領域の温度が変化することを抑えることができ る。
熱光学効果を利用した屈折率変化手段の他の例として、屈折率を変化させる領域 の周期屈折率分布を形成した部分の外側に設けたヒータを挙げることができる。 熱光学効果は、 Siや InGaAsP等、 2次元フォトニック結晶に用いられる材料に共通し て生じ、それを利用するために特別な材料を用いる必要がな 、。
[0034] 電気光学効果を利用した屈折率変化手段の一例として、屈折率を変化させる領域 に電界を印加し、外部信号に応じてその電界を ON/OFFするものを挙げることができ る。電気光学効果を有する材料には、 LiNbO
3等がありこれを本体の材料に用いること により、本発明を実現することができる。同様に、磁気光学効果を利用した屈折率変 化手段として、屈折率を変化させる領域に磁界を印加し、外部信号に応じてその磁 界を ON/OFFするものを用いることができる。磁気光学効果を有する材料には、イット リウム鉄ガーネット等があり、これを本体の材料に用いることにより、本発明を実現する ことができる。
[0035] 非線形光学効果を利用した屈折率変化手段としては、外部信号に応じて、屈折率 を変化させる領域に光を照射するものを用いることができる。非線形光学効果を有す る材料には、 LiTaO等があり、これを本体の材料に用いることにより、本発明を実現
3
することができる。
[0036] 応力効果を利用した屈折率変化手段としては、マイクロアクチユエータゃ前記微小 部材等、屈折率を変化させる領域に力を印加するものを用いることができる。応力効 果は 2次元フォトニック結晶に用いられる材料に一般的に生ずるものであるため、この 効果を利用するために特別な材料を用いる必要はな 、。 [0037] 屈折率を変化させる領域は前述の通り第 1領域、第 2領域のいずれでもよいが、枝 導波路を形成しない第 2領域は第 1領域よりも小さくすることができるため、第 2領域 の屈折率を変化させる方が望まし 、。
実施例
[0038] 本発明に係る 2次元フォトニック結晶の第 1の実施例を図 1に示す。本実施例では、 板状の本体 11を 3個の領域 121、 122、 123に分ける。本体の材料には Siや InGaAs P等、従来の 2次元フォトニック結晶の材料と同じものを用いる。領域 121は上記第 1 領域に該当し、領域 122は第 2領域に該当する。また、領域 123を第 3領域と呼ぶ。 第 1領域 121と第 3領域 123にはそれぞれ同一の径を持つ円形の空孔 131を多数、 同一の周期で三角格子状に形成する。第 2領域 122にはそれらの空孔 131よりも小 さい空孔 132を多数、第 1領域 121及び第 3領域 123よりも小さい周期で三角格子状 に形成する。この第 2領域 122の空孔の大きさ及び周期は、第 1領域 121のそれらを 比例縮小したものとなって 、る。
[0039] 第 1領域 121、第 2領域 122及び第 3領域 123を通り、第 1領域 121と第 2領域 122 の境界 14に対して斜交する（すなわち、 90° 以外の角度をなして通過する）ように、 空孔 131及び 132による周期構造を設けない線状の空間を形成する。この線状の空 間 (線状欠陥）が幹導波路 15となる。上記角度は、本実施例では 60° とした。また、 幹導波路 15と境界 14の交点 16から第 1領域 121側に、幹導波路 15及び境界 14〖こ 対して 60° の角度で伸びる枝導波路 17を形成する。
[0040] また、第 2領域 122内にあって、その領域の幹導波路 15の長さと同程度の径を有 する制御光照射領域 18 (図中の破線の円内）にレーザ光 (制御光）を照射する制御 光照射手段（図示せず)を設ける。この制御光照射手段は、制御光照射領域 18への 制御光の照射を ON/OFFして該領域の温度を制御することにより、該領域内の本体 11の屈折率を変化させるものである。本体 11の材料が Si (室温での屈折率 =3.4)で ある場合、制御光照射領域 18に制御光を照射して温度を上昇させることにより、第 2 領域 122の屈折率を大きくすることができる。制御光照射領域 18の径は、例えば図 1 に示したように空孔 8周期分程度であって幹導波路 15を 1.5 /z m帯の光が伝播するよ うに空孔の周期を定めた場合には、約 300 mとなる。 [0041] 第 3領域 123は第 1領域 121と同じ構成を有するため、第 1領域 121の幹導波路 15 と同じ通過周波数帯域を有する。従って、第 1領域 121の幹導波路 15を通過するこ とができる光は、第 2領域 122の幹導波路 15を通過することができれば、そのまま第 3領域 123の幹導波路 15を通過することができる。この第 3領域 123は、第 2領域 12 2の幹導波路 15を通過した光の取り出し口としての役割を有する。
[0042] 本発明に係る 2次元フォトニック結晶の第 2の実施例を図 2に示す。第 2実施例では 、第 1実施例と同様に本体 21を 3個の領域 (第 1領域 221、第 2領域 222、第 3領域 2 23)に分け、第 1領域 221と第 3領域 223にはそれぞれ同一の径を持つ円形の空孔 231を多数、同一の周期で三角格子状に形成する。第 2領域 222にはそれらの空孔 231よりも大きい空孔 232を多数、第 1領域 221及び第 3領域 223よりも大きい周期 で三角格子状に形成する。この第 2領域 222の空孔の大きさ及び周期は、第 1領域 2 21のそれらを比例拡大したものとなっている。また、第 1実施例の場合と同様に、幹 導波路 25、枝導波路 27、制御光照射手段を設ける。
[0043] 第 1及び第 2実施例の 2次元フォトニック結晶の動作を、図 3を用いて説明する。 (a- 1)及び (a-2)は第 1実施例の 2次元フォトニック結晶の動作を示し、（b-1)及び (b- 2)は 第 2実施例の 2次元フォトニック結晶の動作を示す。
[0044] 第 1実施例の 2次元フォトニック結晶では、第 1領域 121と第 2領域 122の空孔の周 期及び大きさが上記のように異なることにより、幹導波路 15の第 2領域 122側の通過 周波数帯域 (第 2通過周波数帯域) 32aは幹導波路 15の第 1領域 121側の通過周 波数帯域 (第 1通過周波数帯域) 31aよりも高周波数 (短波長)側に形成される（図 3(a -1))。第 1通過周波数帯域 31aと第 2通過周波数帯域 32aには共通の周波数帯域 3 3aが存在する。第 2領域 122に制御光を照射し該領域を加熱することにより、第 2領 域 122の本体 11の屈折率が大きくなり、それにより第 2通過周波数帯域 32aは低周 波数 (長波長)側にシフトする (第 2通過周波数帯域 32a'、図 3(a- 2))。一方、第 1通 過周波数帯域 31aは変化しない。これにより、共通周波数帯域は制御光照射前より も大きくなる（共通周波数帯域 33a' )。
ここで、共通周波数帯域 33aには含まれず、共通周波数帯域 33a'には含まれる周 波数 34aをスィッチ周波数とする。このスィッチ周波数 34aを有する光は、第 1領域 1 21側から幹導波路 15に導入されると、以下のように導波路 (幹導波路 15及び枝導 波路 17)を伝播する。制御光照射前には、この光はそのスィッチ周波数 34aが共通 周波数帯域 33aに含まれないため、幹導波路 15の第 2領域 122側を通過することが できない。そのため、この光は境界 14において反射されて枝導波路 17に導入される 。制御光照射後には、スィッチ周波数 34aが共通周波数帯域 33aに含まれるため、こ の光は境界 14を通過して第 2領域 122内の幹導波路 15に導入され、第 3領域 123 側から取り出される。このように、第 1実施例の 2次元フォトニック結晶は、制御光を照 射することによりスィッチ周波数 34aの光の進路が枝導波路 17から幹導波路 15の第 3領域 123側に切り替わる進路切替スィッチとして機能する。また、枝導波路 17又は 幹導波路 15の第 3領域 123側のいずれ力から見れば、光 ON/OFFスィッチとして機 能する。
[0045] 第 2実施例の 2次元フォトニック結晶では、第 2通過周波数帯域 32bは第 1通過周 波数帯域 31bよりも低周波数 (長波長)側に形成される（図 3(b-l))。第 2領域 122に 制御光を照射することにより、第 2通過周波数帯域 32bは低周波数 (長波長)側にシ フトする（第 2通過周波数帯域 32b'、図 3(b-2))。これにより、共通周波数帯域 33bは 小さくなる（共通周波数帯域 33b ' )。
共通周波数帯域 33bには含まれ、共通周波数帯域 33b'には含まれないスィッチ 周波数 34bを有する光は、第 1領域 121側から幹導波路 15に導入されると、以下の ように導波路 (幹導波路 15及び枝導波路 17)を伝播する。制御光照射前には、スィ ツチ周波数 34bが共通周波数帯域 33bに含まれるため、この光は境界 14を通過して 幹導波路 15の第 2領域 122側に導入され、第 3領域 123側力も取り出される。一方、 制御光照射後には、スィッチ周波数 34bが共通周波数帯域 33b'には含まれないた め、この光は境界 14において反射されて枝導波路 17に導入される。このように、第 1 実施例の 2次元フォトニック結晶は、制御光を照射することによりスィッチ周波数 34b の光の進路が幹導波路 15の第 3領域 123側力も枝導波路 17に切り替わる進路切替 スィッチとして機能する。この動作は第 1実施例の場合とはちょうど反対となる。また、 光 ON/OFFスィッチとしての動作も第 1実施例の場合とはちょうど反対となる。
[0046] 第 1領域と第 2領域の空孔の周期及び大きさの差が大きい場合、図 4(1)に示すよう に、第 1通過周波数帯域 31cと第 2通過周波数帯域 32cが共通周波数帯域を持たな V、ことがある。この場合にお 、て第 2領域の屈折率分布を変化させて第 2通過周波数 帯域を移動させることにより、第 1通過周波数帯域 31cと第 2通過周波数帯域 32c'が 共通周波数帯域 33c'を持つようにすることができる（図 4(2))。この場合、幹導波路に 導入され共通周波数帯域 33c'内のスィッチ周波数 34cを有する光は、上記第 1実施 例と同様に制御光の ON/OFFにより枝導波路 17又は幹導波路 15の側の第 3領域 1 23の光を ON/OFFすることができる。
[0047] 図 5に示すように、第 2通過周波数帯域 32dのうち、高周波数側及び低周波数側の 端付近の周波数帯域である可変帯域 35d及び 36dでは、わず力な周波数の変化に より、導波路を通過する光の強度が変化する。これを利用して、制御光を第 2領域に 照射し、第 1通過周波数帯域 31d内にあるスィッチ周波数 34dに可変帯域 35d又は 36dが差し掛カるように第 2通過周波数帯域 32dを移動させる。これにより、幹導波路 の第 3領域側又は枝導波路から取り出される光の強弱を制御することができる。
[0048] 次に、第 1実施例（図 1)に対して光スィッチとしての動作実験を行った結果につい て述べる。なお、以下では周波数の代わりに真空中における波長で表す。
本体 11には厚さ 250nmの Si (屈折率 =3.4、温度による屈折率の変化率 =1.86 X 10— 4 K 1)製スラブを用いた。第 1領域 121及び第 3領域 123の空孔 131の周期は 410.0應 、直径は 238nmとした。また、第 2領域 122の空孔 132の周期は 413.0nm、直径は 240 nmとした。図 6に、第 1領域 121及び第 2領域 122の導波路について、それぞれ通過 波長帯域を測定した結果を示す。スペクトル 41は第 1領域 121の幹導波路 15内の 光のスペクトル、スペクトル 42はレーザ光を照射する前における第 2領域 122の幹導 波路 15内の光のスペクトル、スペクトル 43はレーザ光を照射した時における第 2領域 122の幹導波路 15内の光のスペクトルである。第 1領域 121内の幹導波路 15の通 過波長帯域 44は 1505ηπ！〜 1568nm、レーザ光照射前の第 2領域 122内の幹導波路 15の通過波長帯域 45は 1501ηπ！〜 1560nmである。従って、共通波長帯域は 1505nm 〜1560nmとなる。なお、 1550nm以下の波長帯域は図示を省略した。
[0049] 制御光照射領域 18に制御光を照射することなぐ幹導波路 15に第 1領域 121側か ら波長 1400nm〜1600nmの光を導入し、第 3領域 123側から取り出される光の強度を 測定したところ、上記共通波長帯域の光が検出され、それ以外の波長の光は検出さ れな力つた。次に、制御光照射領域 18 (直径約 3 m)に波長 405nm、強度 3mWの Ga Nレーザ光 (制御光)を照射して同様の測定を行ったところ、幹導波路 15の第 3領域 123側力ら、上記共通波長帯域に加えて、 1560nm〜1563nmの波長帯 46の光が検 出された。これは、第 2領域の通過波長帯域がレーザ光照射により長波長側に移動 した (移動後の帯域 47)ことによる。
[0050] 次に、幹導波路 15の第 1領域 121側から中心波長 1560nm、半値幅 0.2nmのレーザ 光を導入し、光スィッチ実験を行った。このレーザ光は、制御光が OFFの時には枝導 波路に、制御光が ONの時には幹導波路 15の第 3領域 123側から取り出された。この 時、切り替えに要した時間 (スイッチング速度）は約 20 secであった。これは、従来の バルタ型熱光学光スィッチのスイッチング速度の約 1/100である。
[0051] 制御光の照射による共通波長帯域の増加量と Siの温度による屈折率の変化率から 、この実験において第 2領域 122の温度は制御光の照射により 60°C上昇した、と見積 もられる。更に制御光の出力を大きくして第 2領域 122の温度変化を大きくすれば、 光のスイッチングが可能な波長帯域を更に広くすることができる。
[0052] 図 7に示すように、本実施例の 2次元フォトニック結晶において、幹導波路 15を第 2 領域 122内で枝導波路 17と平行になるように曲げてもよい。これにより、枝導波路 17 及び幹導波路 15から、互いに近傍に光を取り出すことができる。
[0053] なお、本実施例では第 2領域にレーザ光を照射して屈折率を変化させることを例に 挙げて説明したが、第 1領域の屈折率を変化させても上記実施例と同様に光のスイツ チングを行うことができる。

Claims

請求の範囲
[1] a)スラブ状の本体内に互いに隣接して形成された、異なる屈折率分布を有する第 1 領域及び第 2領域と、
b)前記両領域の境界を斜交する、第 1領域においては第 1通過周波数帯域を、第 2 領域においては第 2通過周波数帯域をそれぞれ有し、第 1通過周波数帯域と第 2通 過周波数帯域が共通通過周波数帯域を有する幹導波路と、
c)幹導波路と前記境界の交点から第 1領域内に分岐する枝導波路と、
d)前記共通通過周波数帯域が変化するように、第 1領域又は第 2領域の屈折率分 布を変化させる屈折率変化手段と、
を備えることを特徴とする 2次元フォトニック結晶。
[2] a)スラブ状の本体内に互いに隣接して形成された、異なる屈折率分布を有する第 1 領域及び第 2領域と、
b)前記両領域の境界を斜交する、第 1領域においては第 1通過周波数帯域を、第 2 領域においては第 2通過周波数帯域をそれぞれ有する幹導波路と、
c)幹導波路と前記境界の交点から第 1領域内に分岐する枝導波路と、
d)第 1通過周波数帯域と第 2通過周波数帯域が共通通過周波数帯域を有するよう に第 1領域又は第 2領域の屈折率分布を変化させる屈折率変化手段と、
を備えることを特徴とする 2次元フォトニック結晶。
[3] 屈折率分布を変化させる領域が第 2領域であることを特徴とする請求項 1又は 2〖こ 記載の 2次元フォトニック結晶。
[4] 第 2領域の屈折率分布が第 1領域の屈折率分布を比例拡大又は比例縮小したも のであることを特徴とする請求項 1又は 2に記載の 2次元フォトニック結晶。
[5] 前記屈折率変化手段が熱光学効果、電気光学効果、磁気光学効果、非線形光学 効果、応力効果のいずれかを利用したものであることを特徴とする請求項 1又は 2に 記載の 2次元フォトニック結晶。
[6] 前記屈折率変化手段が第 2領域にレーザ光を照射することにより該領域を加熱す るものであることを特徴とする請求項 5に記載の 2次元フォトニック結晶。
[7] 前記屈折率変化手段が第 2領域の近傍に加熱用部材を設けたものであることを特 徴とする請求項 5に記載の 2次元フォトニック結晶。
[8] 請求項 1又は 2に記載の 2次元フォトニック結晶から成る光スィッチ。
[9] 請求項 1又は 2に記載の 2次元フォトニック結晶から成り、前記屈折率変化手段が 外部からの電気信号の変化により第 2領域の屈折率分布を変化させるものであること を特徴とする電気光学変調器。
[10] 請求項 3に記載の 2次元フォトニック結晶から成る光強度変調器。
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