WO2009110262A1 - 光スイッチ及びその製造方法 - Google Patents

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WO2009110262A1
WO2009110262A1 PCT/JP2009/051201 JP2009051201W WO2009110262A1 WO 2009110262 A1 WO2009110262 A1 WO 2009110262A1 JP 2009051201 W JP2009051201 W JP 2009051201W WO 2009110262 A1 WO2009110262 A1 WO 2009110262A1
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optical switch
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徳島　正敏
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日本電気株式会社
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    • G02F2202/00—Materials and properties
    • G02F2202/32—Photonic crystals

Definitions

  • the present invention relates to an optical switch and a manufacturing method thereof, and more particularly, to an optical switch using a waveguide and a manufacturing method thereof.
  • optical circuits such as optical switches, wavelength filters, and 3 dB couplers (optical couplers) are connected via an optical waveguide such as an optical fiber to form an optical circuit.
  • optical waveguide such as an optical fiber
  • photonic crystal is a general term for structures in which the refractive index is periodically changed.
  • photonic crystal and “photonic crystal” are used as synonyms.
  • Photonic crystals have various special optical characteristics due to the periodic structure of the refractive index distribution.
  • the most representative feature is the photonic band gap (PBG).
  • PBG photonic band gap
  • Light can pass through the photonic crystal, but if the periodic refractive index change in the photonic crystal is sufficiently large, light in a specific frequency band cannot propagate through the photonic crystal.
  • the frequency band (or wavelength band) of light that can be transmitted through the photonic crystal is called a photonic band.
  • the band of light that cannot be transmitted is a gap existing between photonic bands, and is called a photonic band gap (PBG).
  • a plurality of PBGs may exist in different frequency bands.
  • the photonic bands divided by the PBG may be called a first band, a second band, a third band, etc. from the smaller frequency.
  • Such a photonic crystal can be used as an optical waveguide.
  • Such an optical waveguide formed in a photonic crystal is called a line defect waveguide.
  • an optical functional element such as an optical modulator or an optical switch can be configured by one or a combination thereof. It is possible to form an optical circuit by forming main optical functional elements in the photonic crystal and connecting the optical functional elements. For these reasons, photonic crystals are expected as an optical integrated circuit platform.
  • the refractive index distribution of the photonic crystal has a three-dimensional periodic structure.
  • a photonic crystal whose refractive index distribution has a two-dimensional periodic structure (hereinafter sometimes referred to as “two-dimensional photonic crystal”) is often used.
  • a two-dimensional photonic crystal having a finite thickness that has a periodicity in the refractive index distribution in the substrate plane but does not have a periodicity in the thickness direction is used. In that case, confinement of light in the thickness direction of the substrate is realized not by the effect of PBG but by total reflection due to the difference in refractive index.
  • the characteristics of a two-dimensional photonic crystal having a finite thickness do not completely match those of a two-dimensional photonic crystal having an infinite thickness.
  • the refractive index distribution in the thickness direction of a two-dimensional photonic crystal having a finite thickness is mirror-symmetric in a region where light propagates, the optical characteristics of the two-dimensional photonic crystal having an infinite thickness almost coincide with each other.
  • the operation prediction of a device using a two-dimensional photonic crystal having an infinite thickness is much easier than the operation prediction considering a finite thickness. Therefore, if a two-dimensional photonic crystal with a refractive index distribution that is mirror-symmetric can be used, a device using the two-dimensional photonic crystal can be easily designed.
  • a pillar-type square lattice photonic crystal has a feature that light propagation speed in a line defect waveguide is slow in a wide band. That is, a low group velocity.
  • an optical circuit having the same function can be formed with a short waveguide length. Therefore, a line defect waveguide using a columnar square lattice photonic crystal is suitable for an optical integrated circuit.
  • FIG. 9 is a schematic diagram showing the structure of a line defect waveguide of a columnar square lattice photonic crystal having a finite thickness.
  • cylinders 52 a and 52 b are arranged in a square lattice shape in a low dielectric constant material 51.
  • the cylinders 52a and 52b are cylinders having a finite height made of a high dielectric constant material.
  • the cylinder 52b has a smaller diameter than the cylinder 52a.
  • the state in which these cylinders 52a and 52b are arranged in a square lattice shape is similar to the state in which atoms are arranged in a lattice shape in a crystal such as silicon or quartz crystal. It is called a “nick crystal”. Therefore, the material of the low dielectric constant material 51 and the cylinders 52a and 52b does not need to be crystalline, and may be amorphous.
  • the cylinder 52a is a complete photonic crystal cylinder, whereas the cylinder 52b is smaller in diameter than the cylinder 52a. Therefore, the cylinder 52b is regarded as a defect introduced into the complete crystal.
  • the former is “non-linear defect column”, the latter is “defect column”, “defect column”, or “line defect column”.
  • the line defect column itself is not particularly defective.
  • the line defect columns 52b of the photonic crystal shown in FIG. 9 are arranged in a line on a certain straight line. That is, a line defect waveguide is formed by the row of the line defect pillars 52b and the surrounding non-line defect pillars 52a.
  • the line defect column 52b corresponds to the core of a total reflection confinement waveguide such as an optical fiber.
  • the lattice of the non-linear defect pillars 52a on both sides and the surrounding low dielectric constant material 51 correspond to the cladding. In the case of the total reflection confinement type waveguide, it works as a waveguide only when the core and the clad exist.
  • the line defect column 52b, the non-linear defect column 52a around the line defect column 52a, and the low dielectric constant material 51 are present to operate as a waveguide.
  • Optical devices and optical circuits using columnar square lattice photonic crystals are expected to be small and highly integrated.
  • the 2 ⁇ 2 optical switch handled in the present invention there has been no structure that effectively utilizes the use of a photonic crystal.
  • FIG. 10 is a schematic diagram showing the configuration.
  • the structure and operation of the optical switch 72 in FIG. 10 are as follows.
  • the 10 includes a 3 dB directional coupler 60 and a 3 dB directional coupler 61, and a waveguide 62 and a waveguide 63 between them.
  • Light incident from either the input port 70 or the input port 73 propagates through the waveguide 71 or the waveguide 74 and enters the 3 dB directional coupler 60.
  • the 3 dB directional coupler 60 divides this incident light power in half.
  • the divided lights propagate through the waveguide 62 and the waveguide 63, respectively, and are incident on the two waveguides 64 and 65 constituting the 3 dB directional coupler 61. Then, light is emitted from the emission ports 66 and 67 through the waveguides 68 and 69.
  • the ratio of the optical power emitted to the exit port 66 and the exit port 67 of the 3 dB directional coupler 61 varies depending on the phase relationship between the light incident on the waveguide 64 and the waveguide 65. That is, the ratio of the optical power emitted to the exit port 66 and the exit port 67 varies depending on how much the phase of the light incident on the waveguide 64 and the waveguide 65 is advanced or delayed. By utilizing this phenomenon, the light exit can be switched between the emission port 66 and the emission port 67 by adjusting the phase difference of the light while the light propagates through the waveguide 62 and the waveguide 63.
  • the adjustment of the phase difference of light during the propagation of light through the waveguide 62 and the waveguide 63 is performed by changing the effective refractive index of only one waveguide, for example, the waveguide 63.
  • the effective refractive index is changed by changing the refractive index of the waveguide material using heat or an electric field.
  • both the waveguide 62 and the waveguide 63 may be lengthened while keeping the same length, or may be lengthened only by the waveguide 63 whose effective refractive index is to be changed. Thereby, the operation of the optical switch can be facilitated even with a small refractive index change of the waveguide material.
  • Patent Document 1 discloses a photonic crystal coupling defect waveguide using a photonic crystal line defect as a waveguide. Further, it is disclosed that the size of the photonic crystal element is partially changed outside the waveguide. As a result, the refractive index of each mode propagating in the coupling waveguide is changed to shorten the coupling length.
  • Patent Document 1 does not suggest any point that the waveguide is constituted by a line defect column and the size of the line defect column is changed. For this reason, even if the technique of Patent Document 1 is used for the 2 ⁇ 2 switch, it cannot be operated efficiently with respect to the power of the control signal.
  • the present invention has been made in view of the above situation, and an object thereof is to provide an optical switch capable of operating efficiently with respect to the power of a control signal and a method for manufacturing the same.
  • An optical switch according to the present invention is a Mach-Zehnder interferometer type optical switch composed of a photonic crystal line defect waveguide, and includes two directional couplers and a two-path waveguide between them. Among the two paths, the first path waveguide and the second path waveguide have different group velocities of guided light.
  • An optical switch according to the present invention is a Mach-Zehnder interferometer-type optical switch composed of a line-defect waveguide of a pillar-type photonic crystal, and includes two directional couplers and two paths between them.
  • the cross-sectional area of a defect pillar that forms a line defect in at least one of the two paths is a breakage of a defect pillar that forms a line defect in the waveguide constituting the directional coupler. It is smaller than the area.
  • An optical switch according to the present invention is a Mach-Zehnder interferometer type optical switch composed of a photonic crystal line defect waveguide, and includes two directional couplers and two path guides between them.
  • a resonator having a waveguide, and a part or all of the waveguide of at least one of the two paths resonates with light having a frequency other than the waveguide band of the waveguide constituting the directional coupler. It is characterized by operation.
  • the manufacturing method of the optical switch according to the present invention is a manufacturing method of a Mach-Zehnder interferometer type optical switch composed of a photonic crystal line defect waveguide, and includes two directional couplers and their directional couplers. Between the two paths, the first path waveguide and the second path waveguide have different group velocities of the guided light.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing a configuration of a 2 ⁇ 2 optical switch according to Embodiment 1.
  • FIG. FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing a specific example of the configuration of the 2 ⁇ 2 optical switch according to the first embodiment. It is a figure which shows the transmission spectrum of the structure of 2 * 2 optical switch shown in FIG. It is a figure which shows the electromagnetic field distribution of the light in the case of radiate
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing a configuration of a 2 ⁇ 2 optical switch 1 including a refractive index tuner according to Embodiment 1.
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing a configuration of a 2 ⁇ 2 optical switch according to a second embodiment.
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view illustrating a configuration of a 2 ⁇ 2 optical switch including a control light input unit according to a second embodiment. It is a three-dimensional view of a square lattice pillar type photonic crystal including a line defect. It is a schematic diagram of the 2 * 2 optical switch by a waveguide.
  • 1 2 ⁇ 2 optical switch 10 first input port, 11 second input port, 12 1st output port, 13 2nd output port, 14 line defect pillar, 20 first directional coupler, 21 line defect pillar, 22 line defect pillar, 23 second directional coupler, 24 line defect pillar, 25 line defect pillar, 30 first path waveguide, 31 line defect pillar, 32 second path waveguide, 33 first taper waveguide, 34 line defect pillar, 35 second taper waveguide, 36 line defect pillars, 37 connecting waveguides, 38 line defect pillars, 40 non line defect pillars, 51 low dielectric constant material, 52b line defect column, 52a non-line defect column, 60 3 dB directional coupler, 61 3 dB directional coupler, 62 waveguide, 63 waveguide, 64 waveguides, 65 waveguides, 66 exit ports, 67 exit ports, 68 waveguides, 69 waveguide, 70 input port, 71 waveguide, 72 optical switch, 73 input port, 74 waveguide, 80 heater, 90 first path waveguide
  • the optical switch according to the first embodiment of the present invention is, for example, an m ⁇ n optical switch using a Mach-Zehnder interferometer having m input ports and n output ports (m and n are integers of 2 or more).
  • the Mach-Zehnder interferometer includes an asymmetric Mach-Zehnder interferometer and a symmetric Mach-Zehnder interferometer.
  • a 2 ⁇ 2 optical switch will be described as an example of the optical switch according to the present embodiment with reference to FIG.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the 2 ⁇ 2 optical switch 1. In FIG. 1, only the main part is shown for simplification.
  • the 2 ⁇ 2 optical switch 1 is included as part of the photonic crystal.
  • the 2 ⁇ 2 optical switch 1 has a first directional coupler 20 on the input side and a second directional coupler 23 on the output side.
  • the directional couplers 20 and 23 are capable of coupling and / or branching optical power.
  • the directional couplers 20 and 23 have, for example, two input ends and two output ends. Then, the optical power incident from the two input ends is combined, and the optical power is branched to the two output ends.
  • a two-path waveguide is provided between the directional couplers 20 and 23, a two-path waveguide is provided. Specifically, a first-path waveguide 30 and a second-path waveguide 32 are provided between the directional couplers 20 and 23.
  • one output end of the first directional coupler 20 and one input end of the second directional coupler 23 are connected by the waveguide 30 of the first path.
  • the other output end of the first directional coupler 20 and the other input end of the second directional coupler 23 are connected by the waveguide 32 of the second path.
  • These waveguides 30 and 32 are line defect waveguides in the photonic crystal.
  • the defect is a minute defect in the periodic structure of the photonic crystal.
  • the line defect waveguide is a waveguide in which the minute defects are arranged in a line.
  • pillars (not shown) having the same shape are periodically arranged in the photonic crystal. This pillar is a non-defect pillar.
  • a pillar having a cross-sectional area smaller than that of the non-defect pillar is disposed in a part of the photonic crystal. This is a defect pillar, and a portion corresponding to the core of the line defect waveguide is formed by arranging the defect pillars in a line.
  • the portion corresponding to the core of the line defect waveguide is constituted by a defect pillar (line defect pillar) that forms a line defect.
  • the portion corresponding to the cladding of the line defect waveguide is a lattice of non-defect pillars on both sides of the line defect pillar array.
  • a line defect waveguide is constituted by a line defect pillar”.
  • the non-defect pillar (non-line defect pillar) and the line defect pillar have different cross-sectional areas, but the distribution interval (lattice constant) is constant. That is, the center interval between adjacent pillars is constant.
  • the waveguide speed 30 of the first path and the waveguide 32 of the second path differ in the group velocity of the guided light.
  • the group velocities of the guided light are made different by making the cross-sectional areas of the line defect pillars of the waveguides of the respective paths different. That is, the cross-sectional area of the line defect pillar of one waveguide is larger than the cross-sectional area of the line defect pillar of the other waveguide.
  • the cross-sectional area of the line defect pillar 38 of the waveguide 32 of the second path shown on the lower side is larger than the cross-sectional area of the line defect pillar 31 of the waveguide 30 of the first path shown on the upper side. It has become.
  • the 2 ⁇ 2 optical switch 1 according to the present embodiment is configured as described above.
  • the operation principle of the 2 ⁇ 2 optical switch 1 will be described.
  • light is incident on the input port, and the light is branched by the first directional coupler 20 at a predetermined branching ratio.
  • the first directional coupler 20 For example, light is emitted from each output end of the first directional coupler 20 with a branching ratio of 1: 1.
  • One branched light propagates through the waveguide 30 of the first path.
  • the other branched light propagates through the waveguide 32 of the second path.
  • the light propagated through these is incident on the two input ends of the second directional coupler 23.
  • the ratio of the optical power emitted from the output end of the second directional coupler 23 changes according to the phase difference between the light propagated through the two waveguides 30 and 32.
  • the ratio of the optical power emitted from the two output ports can be changed.
  • the output port from which light is emitted can be switched.
  • the phase difference of these lights changes by changing the refractive index of one waveguide according to the power of a control signal such as electricity or light.
  • the refractive index of the waveguide 32 of the second path is changed. That is, of the two waveguides 30 and 32, the refractive index of the waveguide having a line defect pillar having a large cross-sectional area is changed. Thereby, the phase of the light propagating through the waveguide 32 of the second path is changed, and the phase difference of the light propagating through the two waveguides 30 and 32 is changed.
  • the output port from which light is emitted can be switched.
  • the defect pillars that form the line defects of the other waveguide are compared with the cross-sectional areas of the defect pillars that form the line defects of the one waveguide.
  • the area is larger.
  • the cross-sectional area of the line defect pillar 38 of the waveguide 32 of the second path is larger than the cross-sectional area of the line defect pillar 31 of the waveguide 30 of the first path.
  • the group velocity dispersion of the waveguide 32 of the second path becomes large, and a large change in phase difference occurs with a slight change in refractive index. That is, the 2 ⁇ 2 optical switch 1 can operate efficiently with respect to the power of the control signal.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing a specific example of the configuration of the 2 ⁇ 2 optical switch 1.
  • the 2 ⁇ 2 optical switch 1 of the present invention is often included as a part in an arbitrary pillar-shaped square lattice photonic crystal.
  • the photonic crystal has high refractive index dielectric columns arranged in a periodic lattice pattern in a relatively low refractive index medium.
  • This high refractive index dielectric pillar is the non-line defect pillar 40 or the line defect pillar.
  • Various line defect waveguides (hereinafter referred to as waveguides) are constituted by the line defect pillars.
  • the 2 ⁇ 2 optical switch 1 includes a first directional coupler 20, a second directional coupler 23, a first path waveguide 30, and a second path guide.
  • a waveguide 32 is provided.
  • the first directional coupler 20 is disposed on the input side of the 2 ⁇ 2 optical switch 1.
  • the two input ends of the first directional coupler 20 and the two input ports 10 and 11 are connected by a waveguide.
  • the second directional coupler 23 is disposed on the output side of the 2 ⁇ 2 optical switch 1.
  • the two output ends of the second directional coupler 23 and the two output ports 12 and 13 are connected by a waveguide.
  • the first directional coupler 20 has two waveguides in the photonic crystal. A part of these two waveguides are provided close to each other in parallel. Thereby, the optical power propagating through the two waveguides is coupled and branched.
  • the second directional coupler 23 has the same configuration.
  • the two waveguides of the first directional coupler 20 are constituted by line defect pillars 21 and line defect pillars 22 arranged in a line. Moreover, the cross-sectional areas of the line defect pillars 21 and 22 constituting the two waveguides are the same.
  • the two waveguides of the second directional coupler 23 are respectively constituted by line defect pillars 24 and line defect pillars 25 arranged in a line.
  • the cross-sectional areas of the line defect pillars 24 and 25 constituting the two waveguides are the same.
  • the first directional coupler 20 and the second directional coupler 23 are connected by a first path and a second path different from the first path.
  • a first path waveguide 30 is provided in the first path
  • a second path waveguide 32 is provided in the second path. That is, the two waveguides 30 and 32 are provided between the first directional coupler 20 and the second directional coupler 23.
  • one output end of the first directional coupler 20 and one input end of the second directional coupler 23 are connected by the waveguide 30 of the first path.
  • the other output end of the first directional coupler 20 and the other input end of the second directional coupler 23 are connected by the waveguide 32 of the second path.
  • the waveguide length is longer in the second path than in the first path.
  • the waveguide length of the second path waveguide 32 is longer than that of the first path waveguide 30.
  • the waveguide 30 of the first path and the waveguide 32 of the second path are asymmetric. That is, the 2 ⁇ 2 optical switch 1 in the present embodiment is a 2 ⁇ 2 optical switch using an asymmetric Mach-Zehnder interferometer.
  • the cross-sectional areas of the line defect pillars 34, 36, and 38 of the waveguide 32 of the second path are larger.
  • the diameters of the line defect pillars 34, 36, and 38 of the waveguide 32 of the second path are larger than the diameter of the line defect pillar 31 of the waveguide 30 of the first path.
  • the cross-sectional areas of the line defect pillars 34, 36, and 38 are large.
  • the second waveguide 32 has tapered waveguides 33 and 35 and a connection waveguide 37.
  • Each of the tapered waveguides 33 and 35 is provided at both ends of the waveguide 32 of the second path, and is constituted by the line defect pillars 34 and 36.
  • the connection waveguide 37 is provided between the two tapered waveguides 33 and 35 and is constituted by a line defect pillar 38.
  • Tapered waveguides 33 and 35 are connected to both ends of the connection waveguide 37, respectively. That is, the first directional coupler 20 and one end of the connection waveguide 37 are connected via the first taper waveguide 33.
  • the other end of the connection waveguide 37 and the second directional coupler 23 are connected via a second tapered waveguide 35.
  • the waveguide 32 of the second path is bent. Specifically, the connection waveguide 37 of the waveguide 32 of the second path is bent. That is, the connection waveguide 37 is formed in a U shape.
  • the tapered waveguides 33 and 35 are formed linearly.
  • the cross-sectional areas of the line defect pillars 34 and 36 of the tapered waveguides 33 and 35 are gradually increased or decreased from one end to the other end. Further, the cross-sectional area of the line defect pillar 38 of the connection waveguide 37 is substantially constant.
  • the cross-sectional area of the line defect pillar 34 gradually increases from one end on the first directional coupler 20 side to the other end on the connection waveguide 37 side.
  • the cross-sectional area of the line defect pillar 36 gradually decreases from one end on the connection waveguide 37 side to the other end on the second directional coupler 23 side.
  • the cross-sectional areas of the line defect pillars 34 of the first taper waveguide 33 and the line defect pillars 36 of the second taper waveguide 35 gradually decrease as the distance from the connection waveguide 37 increases.
  • the cross-sectional areas of the line defect pillar 34 of the first taper waveguide 33 and the line defect pillar 36 of the second taper waveguide 35 gradually increase from the directional couplers 20 and 23 toward the connection waveguide 37. .
  • the cross-sectional area of the line defect pillar 34 of the first tapered waveguide 33 is larger than the cross-sectional area of the line defect pillars 21 and 22 of the first directional coupler 20 and smaller than the cross-sectional area of the line defect pillar 38 of the connection waveguide 37. It has become.
  • the cross-sectional area of the line defect pillar 36 of the second tapered waveguide 35 is larger than the cross-sectional area of the line defect pillars 24 and 25 of the second directional coupler 23, and the cross section of the line defect pillar 38 of the connection waveguide 37 is broken. It is smaller than the area.
  • the line defect pillars of the waveguides other than the waveguide 32 of the second path have a substantially constant cross-sectional area. That is, the line defect pillars 14, 21, 22, 31, 24, and 25 have a substantially constant cross-sectional area.
  • the 2 ⁇ 2 optical switch 1 according to the present embodiment is configured as described above.
  • the operation principle of the 2 ⁇ 2 optical switch 1 will be described.
  • light is incident on one of the two input ports 10 and 11.
  • the first directional coupler 20 branches at a predetermined branching ratio. For example, light is emitted from each output end of the first directional coupler 20 with a branching ratio of 1: 1.
  • One branched light propagates through the waveguide 30 of the first path.
  • the other branched light propagates through the waveguide 32 of the second path.
  • the other branched light propagates in the order of the first tapered waveguide 33, the connection waveguide 37, and the second tapered waveguide 35.
  • phase difference There is a phase difference between the two lights propagating through these. These lights having a phase difference from each other enter the input terminal of the second directional coupler 23. Due to this phase difference, the ratio of the optical power emitted from the output end of the second directional coupler 23 changes. That is, the light output can be switched between the two output ports 12 and 13 by adjusting the phase difference of the light while each light propagates. Note that the power of a control signal such as electricity or light is used for adjusting the phase difference. Details of the phase difference adjustment will be described later.
  • the second path waveguide 32 has a large group velocity dispersion. This is because the cross-sectional area of the line defect pillars 34, 36, and 38 of the waveguide 32 of the second path is larger than the cross-sectional area of the line defect pillar 31 of the waveguide 30 of the first path.
  • a waveguide with large group velocity dispersion causes a large phase change even with a slight change in refractive index.
  • the waveguide 32 of the second path of the present embodiment there is an effect of causing a phase change that is several times to ten times or more times the change rate of the refractive index. As a result, the light exit can be switched between the first output port 12 and the second output port 13 even with a refractive index change of the order of 0.1% of the waveguide 32 of the second path.
  • the light exit can be switched with a refractive index change of about 1/10 compared to the related 2 ⁇ 2 optical switch. Therefore, the operation of the 2 ⁇ 2 optical switch 1 can be facilitated without increasing the waveguide length of the 2 ⁇ 2 optical switch 1. Thereby, the power of control signals such as electricity and light for changing the refractive index of the waveguide can be suppressed. That is, it can operate efficiently with respect to the power of the control signal. Accordingly, it is possible to operate with low power and to realize energy saving. Furthermore, the operation speed of the 2 ⁇ 2 optical switch 1 can be improved. And since it is not necessary to lengthen the waveguide length, the 2 ⁇ 2 optical switch 1 can be miniaturized. Further, since it can be incorporated into a photonic crystal optical integrated circuit, a highly integrated optical switch circuit can be realized.
  • the group velocity dispersion is large only in the waveguide 32 of the second path, the light propagating through other waveguide portions is not significantly affected by the group velocity dispersion. Therefore, even when a high-speed optical signal passes through the 2 ⁇ 2 optical switch 1 of the present invention, the optical signal is hardly distorted. That is, the performance of the 2 ⁇ 2 optical switch is improved.
  • the cross-sectional areas of the line defect pillars 21, 22, 24, and 25 of the directional couplers 20 and 23 and the line defect pillar 38 of the connection waveguide 37 are different.
  • the cross-sectional area of the line defect pillar may be the same as the cross-sectional area of the line defect pillar 31 of the waveguide 30 of the first path in a part of both ends of the second path. That is, a waveguide other than the waveguide 32 of the second path in which the cross-sectional area of the line defect pillar is large may be provided in a part of the second path.
  • the cross-sectional area of all the line defect pillars 34, 36, and 38 in the second path is larger than the cross-sectional area of the line defect pillar 31 in the first path. That is, it is better to provide only the waveguide 32 of the second path in the second path. Thereby, the waveguide length of the second path can be shortened, and the operation can be efficiently performed with respect to the power of the control signal.
  • a 2 ⁇ 2 optical switch using a symmetric Mach-Zehnder interferometer may be used, it is preferable to use a 2 ⁇ 2 optical switch 1 using an asymmetric Mach-Zehnder interferometer as in this embodiment. That is, it is preferable to lengthen the waveguide length only for the path that changes the refractive index. Thereby, size reduction of the 2 ⁇ 2 optical switch 1 can be realized.
  • the photonic crystal body of the present embodiment can be manufactured using an SOI wafer (Silicon On Insulator Wafer) as a substrate.
  • SOI wafer Silicon On Insulator Wafer
  • the SOI wafer has a structure in which a buried oxide film and a thin silicon active layer (SOI layer) are sequentially formed on a silicon substrate.
  • SOI wafer having a buried oxide film thickness of 2.0 ⁇ m and a silicon active layer thickness of 1.0 ⁇ m is used.
  • the silicon active layer is non-doped.
  • the pattern shown in FIG. 2 is drawn using an electron beam exposure technique. Specifically, a resist is first applied on an SOI wafer. Then, the pattern is exposed with an electron beam. As a result, a resist pattern is drawn on the outside of the non-line defect pillar and line defect pillar formation region of FIG. Next, the silicon active layer is vertically processed in accordance with the drawn resist pattern by anisotropic dry etching. Thereby, a plurality of circular holes are formed in the silicon active layer. Then, the remaining resist pattern is removed with acetone. Finally, an ultraviolet curable resin having a refractive index of 1.45, which is the same as that of the buried oxide film, is applied and cured with ultraviolet rays. Thereby, the 2 ⁇ 2 optical switch 1 according to the present embodiment is completed.
  • the lattice constant is set to 0.4 ⁇ m
  • the diameter of the non-linear defect pillar 40 is set to 0.24 ⁇ m.
  • the diameter of the line defect pillar is 0.16 ⁇ m in the waveguide portion.
  • the waveguide portion here means a portion other than the stub waveguide portion, that is, a portion other than the waveguide 32 of the second path. That is, the diameters of the line defect pillars 14, 21, 22, 24, 25, and 31 such as the first path waveguide 30 and the directional couplers 20 and 23 are 0.16 ⁇ m.
  • the distance is gradually increased to 0.22 ⁇ m in a direction away from the connection point with the waveguide portion.
  • the diameters of the line defect pillars 34 and 36 of the tapered waveguides 33 and 35 are gradually increased or decreased in the range of 0.16 ⁇ m to 0.22 ⁇ m.
  • the diameter of the line defect pillar 38 of the connection waveguide 37 is 0.22 ⁇ m.
  • the length of the waveguide stub, that is, the length of the waveguide 32 of the second path is 15 ⁇ m.
  • FIG. 3 shows a transmission spectrum of the 2 ⁇ 2 optical switch 1 according to the present embodiment.
  • the horizontal axis represents wavelength ( ⁇ m), and the vertical axis represents light intensity (au).
  • FIG. 3 shows a calculation result when it is assumed that silicon pillars are infinite in the thickness direction in the above structure.
  • a curve represented by a one-dot chain line and a fine dotted line that are greatly oscillating according to the wavelength represent the output intensity of light from the two output ports 12 and 13.
  • the curve seen at the top in a wide wavelength range in FIG. 3 is the light intensity of the input light incident from one input port.
  • a curved line represented by a dotted line is the light intensity of light leaking from the other input port where no light is incident.
  • the output intensity of the light from the two output ports 12 and 13 is alternately increased. That is, light is emitted alternately from the two output ports 12 and 13 over a wide frequency range.
  • the refractive index of the waveguide partially changes. Specifically, the refractive index of the waveguide 32 of the second path changes. By changing the refractive index, these curves are simultaneously shifted to the long wavelength side or the short wavelength side. That is, when comparing at a specific wavelength, the refractive index changes and the curve shifts, so that the output ports 12 and 13 with high output intensity are switched. In other words, the refractive index changes, and the phase difference of light propagating through the first path waveguide 30 and the second path waveguide 32 is adjusted. Then, the output ports 12 and 13 having high output intensity are switched. That is, the light exit can be switched between the output ports 12 and 13 by changing the refractive index. Since there is oscillation of the output light intensity in the optical wavelength range, the 2 ⁇ 2 optical switch 1 can be used in a wide wavelength range. That is, the operating frequency of the 2 ⁇ 2 optical switch 1 is not limited.
  • 4 and 5 are calculation results of the electric field distribution of the optical switch 1 when light is output to different output ports 12 and 13, respectively.
  • the left side is the input ports 10 and 11, and the right side is the output ports 12 and 13.
  • 4 and 5 light is incident from the lower second input port 11.
  • FIG. 4 light is emitted from the upper first output port 12, and almost no light is emitted from the lower second output port 13.
  • FIG. 5 light is emitted from the lower second output port 13, and almost no light is emitted from the upper first output port 12.
  • the state of FIG. 4 and the state of FIG. 5 are switched by changing the refractive index. That is, the light exit is switched between the output ports 12 and 13.
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the 2 ⁇ 2 optical switch 1 including the refractive index tuner.
  • a waveguide through which light propagates is indicated by a broken line for easy understanding.
  • the directional couplers 20 and 23 are shown with a dashed-dotted line.
  • the 2 ⁇ 2 optical switch 1 shown in FIG. 6 is equipped with a temperature controller as a refractive index tuner. Specifically, the 2 ⁇ 2 optical switch 1 is equipped with a heater 80 as a temperature controller. The heater 80 is mounted in the vicinity of the waveguide 32 of the second path, particularly the connection waveguide 37. The other configuration is the same as that shown in FIG. When the heater 80 is heated, the refractive index of the waveguide stub, that is, the waveguide 32 of the second path changes. In particular, the refractive index of the connection waveguide 37 changes. Then, the transmission spectrum of the photonic crystal shown in FIG. 3 is shifted to the long wavelength side or the short wavelength side. As a result, at a specific wavelength, the light transmittance (output intensity) changes, and the light exit is switched between the output ports 12 and 13. Accordingly, the 2 ⁇ 2 optical switch 1 operates. And the above effects can be produced.
  • a temperature controller (specifically, heater 80) is used to change the refractive index
  • the present invention is not limited to this.
  • the same operation is performed when the refractive index tuner is an electric field strength adjuster or a current adjuster.
  • Embodiment 2 an optical switch according to a second embodiment of the present invention will be described.
  • the first embodiment provides an optical switch that can efficiently switch the output port of light even if the waveguides of the two paths between the directional couplers are short.
  • a particularly efficient structure is provided when the refractive index of the path between the directional couplers is changed by the input of the control light.
  • at least one of the waveguides of the two paths between the directional couplers includes a resonator, and the refractive index of the selected path is tuned with light resonated by the resonator.
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing the configuration of the 2 ⁇ 2 optical switch 1 according to the present embodiment. Note that description of parts common to the first embodiment is omitted or simplified.
  • the 2 ⁇ 2 optical switch 1 shown in FIG. 7 is included as a part in an arbitrary pillar-shaped square lattice photonic crystal.
  • the 2 ⁇ 2 optical switch 1 includes two directional couplers 20 and 23 and two waveguides 90 and 91 between them.
  • a Mach-Zehnder interferometer is formed.
  • the first directional coupler 20 is disposed on the input side of the 2 ⁇ 2 optical switch 1
  • the second directional coupler 23 is disposed on the output side of the 2 ⁇ 2 optical switch 1.
  • the first directional coupler 20 and the second directional coupler 23 are connected by the waveguide 90 of the first path and the waveguide 91 of the second path.
  • the cross-sectional area of the defect pillar forming the line defect of the waveguide of at least one path is smaller than the cross-sectional area of the defect pillar forming the line defect of the waveguide constituting the directional couplers 20 and 23.
  • the cross-sectional areas of the line defect pillars 101, 103, and 111 of the waveguide 90 of the first path are smaller than the cross-sectional areas of the line defect pillars 21 and 24 of the waveguides that constitute the directional couplers 20 and 23. .
  • the cross-sectional areas of the line defect pillars 105, 107, and 113 of the waveguide 91 of the second path are smaller than the cross-sectional areas of the line defect pillars 22 and 25 of the waveguides that constitute the directional couplers 20 and 23.
  • a waveguide line defect that is, a portion where line defect pillars are arranged may be simply referred to as a waveguide.
  • the line defect of the waveguide indicated by reference numeral 100 and the like in FIGS. 7 and 8 may be simply referred to as a waveguide in the specification.
  • the waveguide having a path with a small cross-sectional area of the defect pillar has two tapered waveguides provided at both ends.
  • a waveguide having a path with a small cross-sectional area of the defect pillar is provided between the two tapered waveguides, and a connection waveguide connected to the directional couplers 20 and 23 via these tapered waveguides is provided.
  • the waveguide 90 of the first path includes two tapered waveguides 100 and 102 and a connection waveguide 110 provided between the two tapered waveguides 100 and 102.
  • the waveguide 91 of the second path includes two tapered waveguides 104 and 106 and a connection waveguide 112 provided between the two tapered waveguides 104 and 106.
  • the cross-sectional areas of the line defect pillars 101 and 103 of the photonic crystal waveguide forming the tapered waveguides 100 and 102 gradually increase as the distance from the connection waveguide 110 increases.
  • the cross-sectional areas of the line defect pillars 105 and 107 of the photonic crystal waveguide forming the tapered waveguides 104 and 106 gradually increase as the distance from the connection waveguide 112 increases.
  • the cross-sectional area of the line defect pillar of the tapered waveguide is smaller than the cross-sectional area of the line defect pillar of the directional coupler connected to one end, and larger than the cross-sectional area of the line defect pillar of the connection waveguide connected to the other end. ing.
  • the 2 ⁇ 2 optical switch 1 is configured as described above.
  • connection waveguides 110 and 112 can guide light having a frequency higher than the upper limit of the transmission band of the directional couplers 20 and 23.
  • the upper limit frequency of the transmission band of the directional couplers 20 and 23 is f1
  • the upper limit frequency of the transmission band of the connection waveguides 110 and 112 is f2.
  • light having a frequency between f1 and f2 for example, a frequency of f3, causes resonance in the connection waveguides 110 and 112.
  • connection waveguides 110 and 112 function as resonators.
  • the 2 ⁇ 2 optical switch 1 according to the present embodiment can be said as follows.
  • a part or all of the waveguides of at least one of the two-way waveguides 90 and 91 between the directional couplers 20 and 23 operate as a resonator. Further, this resonator resonates with respect to light having a frequency other than the waveguide band of the waveguides constituting the directional couplers 20 and 23.
  • the light causing this resonance has a frequency higher than the upper limit of the transmission band of the directional couplers 20 and 23. For this reason, the light causing this resonance cannot be transmitted through the waveguides constituting the directional couplers 20 and 23 and does not leak into the directional couplers 20 and 23. A stable operation of the 2 ⁇ 2 optical switch 1 can be realized.
  • connection waveguides 110 and 112 change to an extent that cannot be ignored.
  • the connection waveguides 110 and 112 absorb even a small amount of light, a part of the energy of the high-intensity light accumulated in the connection waveguides 110 and 112 is absorbed and changed to heat.
  • the refractive index changes due to the thermo-optic effect.
  • the refractive indexes of the connection waveguides 110 and 112 can be modulated.
  • connection waveguides 110 and 112 By combining the control light and the guided light, the refractive indexes of the connection waveguides 110 and 112 are selectively changed.
  • the transmission characteristics of the connection waveguides 110 and 112 can be shifted to the short wavelength side or the long wavelength side.
  • Light having a frequency f1 or less passes through the directional coupler 23 and can be switched by the 2 ⁇ 2 optical switch 1. That is, according to the present embodiment, an optical switch that can be controlled by light can be efficiently operated.
  • the group light of the waveguide light of the connection waveguides 110 and 112 becomes larger than the waveguide light of the directional couplers 20 and 23. For this reason, the effect which can make a waveguide stub small like Embodiment 1 cannot be utilized.
  • the refractive index of the connection waveguides 110 and 111 can be efficiently changed by the control light having the frequency f3. And the optical switch concerning this Embodiment can be operated as an optical switch in which optical control is possible.
  • FIG. 8 is a schematic diagram illustrating the configuration of the 2 ⁇ 2 optical switch 1 including the control light input unit according to the present embodiment.
  • the configuration other than the control light input unit is the same as the configuration of the 2 ⁇ 2 optical switch 1 shown in FIG.
  • the proximity waveguide 120 is provided in the vicinity of the connection waveguide 110.
  • the proximity waveguide 122 is provided in the vicinity of the connection waveguide 112.
  • the line defect pillars 121 and 123 of the adjacent waveguides 120 and 122 have a cross-sectional area equal to or less than the cross-sectional area of the line defect pillars 111 and 113 of the nearby connection waveguide 110 or the connection waveguide 112.
  • the connection waveguide 110 and the proximity waveguide 120, and the connection waveguide 112 and the proximity waveguide 122 are optically coupled to each other.
  • the adjacent waveguides 120 and 122 have, for example, an L-shape bent about 90 ° toward the connection waveguide 110 or the connection waveguide 112 in the vicinity. Thereby, the proximity waveguides 120 and 122 can be effectively brought close to the connection waveguide 110 or the connection waveguide 112.
  • the proximity waveguides 120 and 122 serve as control light input portions and function as control waveguides.
  • control waveguide is provided in the vicinity of the resonator.
  • the control waveguide can guide light having a frequency within the band gap of the photonic crystal. Further, the control waveguide can guide light having the resonance frequency of each resonator of the two connection waveguides 110 and 112. Each resonator and the control waveguide are optically coupled.
  • the Q (queue) value can be sufficiently increased by appropriately separating the control waveguides, that is, the adjacent waveguides 120 and 122 from the connection waveguides 110 and 112.
  • the Q value is a value that is a measure of the strength with which the resonator confines light. That is, the intensity of the light accumulated in the connection waveguides 110 and 112 can be Q times that of the light having the frequency f3 guided through the adjacent waveguides 120 and 122. Since the Q value can be several thousand to several tens of thousands or more, if light having a low intensity frequency f3 is incident, high intensity optical energy is accumulated in the connection waveguides 110 and 112. As described above, the refractive index can be changed efficiently. Thereby, it can be operated as an optical switch capable of optical control.
  • connection waveguides 110 and 111 The guided light from the directional coupler 20 and the directional coupler 23 enters the connection waveguides 110 and 111.
  • connection waveguides 110 and 111 since there are tapered waveguides 100, 102, 104, and 106 between them, there is no reflection caused by a sudden change in the waveguide structure. Therefore, light having a frequency of f1 or less does not resonate in the process of passing through the 2 ⁇ 2 optical switch 1. Therefore, the intensity of light having a frequency f1 or less in the connection waveguides 110 and 111 is approximately the same as the intensity when passing through the directional couplers 20 and 23.
  • the intensity of leakage light having a frequency f1 or less from the connection waveguide 110 to the proximity waveguide 120 and from the connection waveguide 111 to the proximity waveguide 122 is the intensity of light transmitted through the connection waveguide 110 or the connection waveguide 112. It is only about 1 / Q of that and can be ignored.
  • the cross-sectional area of the dielectric pillars that constitute the defect of the line defect may increase stepwise in a direction away from the connection waveguides 110 and 112. That is, in the tapered waveguides 100, 102, 104, 106, the cross-sectional areas of the line defect pillars 101, 103, 105, 107 may increase stepwise in a direction away from the connection waveguides 110, 112. Further, a part that gradually decreases and a part that increases stepwise may be included.
  • the two-way waveguides 90 and 91 between the two directional couplers 20 and 23 may have the same length or different lengths. That is, the two-path waveguides 90 and 91 may be the same length to be a symmetric Mach-Zehnder interferometer, or the two-path waveguides 90 and 91 may be different to be an asymmetric Mach-Zehnder interferometer.
  • the 2 ⁇ 2 optical switch 1 is a symmetric Mach-Zehnder interferometer, for example, as shown in FIG. 8, the adjacent waveguides 120 and 122 are placed close to both connection waveguides 110 and 112. In this case, when the control light is input to only one of the two adjacent waveguides 120 and 122, the light output port is switched. Then, the operation of the logic circuit can be performed by the 2 ⁇ 2 optical switch 1 such that the light output port is not switched when both the control lights are not input or are input together.
  • the 2 ⁇ 2 optical switch 1 is an asymmetric Mach-Zehnder interferometer
  • the proximity waveguides 120 and 122 are placed close to both the connection waveguides 110 and 112 as described above.
  • the 2 ⁇ 2 optical switch 1 can operate the logic circuit different from the symmetrical case. A combination of these is also possible.
  • the photonic crystal is a square lattice pillar type photonic crystal, but may be a triangular lattice hole type photonic crystal.
  • two or more such 2 ⁇ 2 optical switches 1 are arranged, and the adjacent waveguides (control waveguides) 120 and 122 included in the individual 2 ⁇ 2 optical switches 1 are the same. Or they may be connected to each other.
  • the example of embodiment of the optical switch of this invention was demonstrated, this invention is not limited to the said embodiment.
  • pillars other than the line defect pillars constituting the optical switch can be displaced, or the cross-sectional area thereof can be increased or decreased.
  • the pillar does not necessarily have to be a cylinder, and may have another shape such as a quadrangular column or an octagonal column.
  • the periodic structure of the photonic crystal is a square lattice because it is slow in a wide band, but the propagation speed of light in the line defect waveguide is not limited to this. Other periodic structures such as a hexagonal lattice may be used as the periodic structure of the photonic crystal.
  • a 2 ⁇ 2 optical switch has been described as an example of an optical switch, but the present invention is not limited to this.
  • the optical switches according to the present embodiment it is generally applicable to m ⁇ n optical switches (m and n are integers of 2 or more) such as 2 ⁇ 4 optical switches and 2 ⁇ 8 optical switches.
  • the present invention is applied to an optical switch and a manufacturing method thereof, and in particular, to an optical switch using a waveguide and a manufacturing method thereof.

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Abstract

　効率的に動作す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する。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る。また、本発明にかかる光スイッチは、２つの方向性結合器２０、２３と、それらの間の２経路の導波路３０、３２を有する。そして、上記２経路の内、第１経路の導波路３０と第２経路の導波路３２とでは、導波光の群速度が異なる。

Description

光スイッチ及びその製造方法
　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る。そして、ＰＢＧ内の周波数の光は、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９は、有限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５１の中に、円柱５２ａ、５２ｂが正方格子状に配置されている。円柱５２ａ、５２ｂは、高誘電率材料でできた高さが有限の円柱である。また、円柱５２ｂは、円柱５２ａよりも直径の小さくなっている。これらの円柱５２ａ、５２ｂ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５１や円柱５２ａ、５２ｂ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９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５２ａと欠陥に相当する円柱５２ｂ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９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いる。すなわち、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９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５２ｂ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する。そして、その両側の非線欠陥柱５２ａの格子や周囲の低誘電率材料５１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。これと同様に、線欠陥導波路の場合も、線欠陥柱５２ｂとその周囲の非線欠陥柱５２ａや低誘電率材料５１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デバイスや光回路は、小型、高集積が期待されている。しかし、本発明で取り扱う２×２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２×２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１０はその構成を示す模式図である。図１０の光スイッチ７２の構造と動作は次の通りである。
　図１０の光スイッチ７２は、３ｄＢ方向性結合器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及び入力ポート７３のいずれか一方から入射した光は、導波路７１又は導波路７４を伝搬し、３ｄＢ方向性結合器６０に入射する。３ｄＢ方向性結合器６０は、この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によって、３ｄＢ方向性結合器６１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。すなわち、導波路６４と導波路６５に入射した光のうち、どちらがどれだけ位相が進んでいるか、又は遅れているかにより、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。このため、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。これにより、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ことができる。
　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２×２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非対称マッハツェンダー型の２×２光スイッチと呼ぶこともある。
再特ＷＯ２００５／０８５９２１号公報
　上記のように、図１０に示された通常の導波路を用いた２×２光スイッチの場合、導波路材料の小さな屈折率変化でも２×２光スイッチの動作を容易にするためには、導波路を長くする必要がある。このようにすると、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。従って、制御信号のパワーに対して効率的に動作させることが出来なかった。さらには、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った。
　また、特許文献１には、フォトニック結晶の線欠陥を導波路として用いたフォトニック結晶結合欠陥導波路が開示されている。また、導波路の外側において、フォトニック結晶要素の大きさを部分的に変化させる点が開示されている。これにより、結合導波路中を伝搬する各モードの屈折率を変化させ、結合長を短くしている。
　しかし、特許文献１には、導波路を線欠陥柱によって構成し、線欠陥柱の大きさを変化させる点については一切示唆されていない。このため、特許文献１の技術を２×２スイッチに用いたとしても、制御信号のパワーに対して効率的に動作させることが出来なかった。
　本発明は上記状況に鑑みてなされたものであり、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光スイッチ及びその製造方法を提供することを目的とする。
　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、２つの方向性結合器と、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、２つの方向性結合器と、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、２つの方向性結合器と、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、２つの方向性結合器と、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、効率的に動作す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にかかる２×２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１にかかる２×２光スイッチの構成の具体例を示す模式的断面図である。 図２に示す２×２光スイッチの構造の透過スペクトルを示す図である。 図２に示す２×２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２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にかかる屈折率チューナを含む２×２光スイッチ１の構成を示す模式断面図である。 実施の形態２にかかる２×２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にかかる制御光入力部を含む２×２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２×２光スイッチの模式図である。
符号の説明
１　２×２光スイッチ、１０　第１入力ポート、１１　第２入力ポート、
１２　第１出力ポート、１３　第２出力ポート、１４　線欠陥ピラー、
２０　第１方向性結合器、２１　線欠陥ピラー、２２　線欠陥ピラー、
２３　第２方向性結合器、２４　線欠陥ピラー、２５　線欠陥ピラー、
３０　第１経路の導波路、３１　線欠陥ピラー、３２　第２経路の導波路、
３３　第１テーパー導波路、３４　線欠陥ピラー、３５　第２テーパー導波路、
３６　線欠陥ピラー、３７　接続導波路、３８　線欠陥ピラー、４０　非線欠陥ピラー、
５１　低誘電率材料、５２ｂ　線欠陥柱、５２ａ　非線欠陥柱、
６０　３ｄＢ方向性結合器、６１　３ｄＢ方向性結合器、６２　導波路、６３　導波路、
６４　導波路、６５　導波路、６６　出射ポート、６７　出射ポート、６８　導波路、
６９　導波路、７０　入力ポート、７１　導波路、７２　光スイッチ、
７３　入力ポート、７４　導波路、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．
　まず、本発明の実施の形態１にかかる光スイッチについて説明する。
　本実施の形態にかかる光スイッチは、例えば、ｍ個の入力ポートとｎ個の出力ポート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、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２×２光スイッチについて説明する。すなわち、２個の入力ポートと２個の出力ポートを有するマッハツェンダー型の干渉計による２×２光スイッチについて説明する。図１は、２×２光スイッチ１の構成を示す模式的断面図である。なお、図１では、簡略化のため、要部のみを示す。
　２×２光スイッチ１は、フォトニック結晶に一部として含まれる。２×２光スイッチ１は、入力側に第１方向性結合器２０、出力側に第２方向性結合器２３を有する。方向性結合器２０、２３とは、光パワーを結合及び／又は分岐させることができるものである。方向性結合器２０、２３は、例えば２つの入力端と２つの出力端を有する。そして、２つの入力端から入射した光パワーを結合させて、２つの出力端に光パワーを分岐させる。方向性結合器２０、２３の間には、２経路の導波路を有する。具体的には、方向性結合器２０、２３の間には、第１経路の導波路３０と第２経路の導波路３２を有する。例えば、第１経路の導波路３０によって、第１方向性結合器２０の一方の出力端と、第２方向性結合器２３の一方の入力端とを接続する。第２経路の導波路３２によって、第１方向性結合器２０の他方の出力端と、第２方向性結合器２３の他方の入力端とを接続する。
　これらの導波路３０、３２とは、フォトニック結晶中の線欠陥導波路である。ここで、欠陥とは、フォトニック結晶が有する周期構造中の微小欠陥のことである。そして、線欠陥導波路とは、この微小欠陥が線状に並んだ導波路である。具体的には、フォトニック結晶には、同一形状のピラー（不図示）が周期的に配置されている。このピラーは、非欠陥ピラーである。そして、このフォトニック結晶中の一部に、非欠陥ピラーの断面積より小さい断面積を有するピラーが配置される。これが欠陥ピラーであり、この欠陥ピラーが線状に配置されることにより、線欠陥導波路のコアに相当する部分が構成される。すなわち、線欠陥導波路のコアに相当する部分は、線欠陥を成す欠陥ピラー（線欠陥ピラー）によって構成される。線欠陥導波路のクラッドに相当する部分は、線欠陥ピラーの列の両側の非欠陥ピラーの格子である。ただし、本明細書では、簡単のため、「線欠陥ピラーによって線欠陥導波路が構成される」などと表現することもある。なお、非欠陥ピラー（非線欠陥ピラー）と線欠陥ピラーとは、断面積は異なるが、分布間隔（格子定数）は一定である。すなわち、隣接するピラーの中心間隔は一定である。
　また、２経路の内、第１経路の導波路３０と第２経路の導波路３２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。すなわち、一方の導波路の線欠陥ピラーの断面積は、他方の導波路の線欠陥ピラーの断面積より大きくなっている。図１においては、下側に示された第２経路の導波路３２の線欠陥ピラー３８の断面積は、上側に示された第１経路の導波路３０の線欠陥ピラー３１の断面積より大きくなっている。本実施の形態にかかる２×２光スイッチ１は、以上のように構成される。
　次に、本実施の形態にかかる２×２光スイッチ１の動作原理について説明する。まず、入力ポートに光を入射させ、第１方向性結合器２０によって、所定の分岐比で光を分岐される。例えば、１：１の分岐比で、第１方向性結合器２０のそれぞれの出力端から光が出射する。分岐された一方の光は、第１経路の導波路３０を伝搬する。そして、分岐された他方の光は、第２経路の導波路３２を伝搬する。これらを伝搬した光は、第２方向性結合器２３の２つの入力端に入射する。そして、２つの導波路３０、３２を伝搬した光の位相差に応じて、第２方向性結合器２３の出力端から出射される光パワーの割合が変化する。すなわち、２つの導波路３０、３２を伝搬する光の位相差を変化させることにより、２つの出力ポートから出射される光パワーの割合を変化させることができる。換言すると、２つの出力ポートのうち、光が出射する出力ポートを切り替えることができる。
　これらの光の位相差は、電気や光などの制御信号のパワーよって、一方の導波路の屈折率を変化させることにより変化する。ここでは、第２経路の導波路３２の屈折率を変化させる。すなわち、２つの導波路３０、３２のうち、断面積が大きい線欠陥ピラーを有する導波路の屈折率を変化させる。これにより、第２経路の導波路３２を伝搬する光の位相が変化し、２つの導波路３０、３２を伝搬する光の位相差が変化する。そして、２つの出力ポートのうち、光が出射する出力ポートを切り替えられる。
　以上のように、本実施の形態にかかる２×２光スイッチ１では、一方の導波路の線欠陥を成す欠陥ピラーの断面積に比べて、他方の導波路の線欠陥を成す欠陥ピラーの断面積の方が大きい。具体的には、第２経路の導波路３２の線欠陥ピラー３８の断面積は、第１経路の導波路３０の線欠陥ピラー３１の断面積より大きくなっている。このため、第２経路の導波路３２の群速度分散が大きくなり、僅かな屈折率変化で大きな位相差変化が生じる。すなわち、２×２光スイッチ１は、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。
　次に、図２を参照して、本実施の形態にかかる光スイッチの構成の具体例について説明する。ここでは、光スイッチの一例として、２×２光スイッチについて説明する。図２は、２×２光スイッチ１の構成の具体例を示す模式的断面図である。
　本発明の２×２光スイッチ１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。フォトニック結晶は、相対的に低屈折率の媒質中に、周期的な格子状に配置された高屈折率の誘電体柱を有する。この高屈折率の誘電体柱が、非線欠陥ピラー４０あるいは線欠陥ピラーである。線欠陥ピラーによって種々の線欠陥導波路（以下、導波路と称す）が構成される。
　図２を参照すると、本実施の形態にかかる２×２光スイッチ１は、第１方向性結合器２０、第２方向性結合器２３、第１経路の導波路３０、及び第２経路の導波路３２を有する。第１方向性結合器２０は、２×２光スイッチ１の入力側に配置される。第１方向性結合器２０の２つの入力端と、２つの入力ポート１０、１１とは、導波路によって接続される。第２方向性結合器２３は、２×２光スイッチ１の出力側に配置される。第２方向性結合器２３の２つの出力端と、２つの出力ポート１２、１３とは、導波路によって接続される。
　第１方向性結合器２０は、フォトニック結晶中の２つの導波路を有する。この２つの導波路の一部は、互いに平行に近接して設けられる。これにより、この２つの導波路を伝搬する光パワーが結合して分岐する。また、第２方向性結合器２３も同様の構成を有する。第１方向性結合器２０の２つの導波路は、線状に並んだ線欠陥ピラー２１及び線欠陥ピラー２２によって構成される。また、２つの導波路を構成する線欠陥ピラー２１、２２の断面積は同じである。第２方向性結合器２３の２つの導波路は、線状に並んだ線欠陥ピラー２４及び線欠陥ピラー２５によりそれぞれ構成される。また、２つの導波路を構成する線欠陥ピラー２４、２５の断面積は同じである。
　第１方向性結合器２０と第２方向性結合器２３とは、第１経路、及び第１経路と異なる第２経路とによって接続される。第１経路には第１経路の導波路３０、第２経路には第２経路の導波路３２が設けられる。すなわち、２経路の導波路３０、３２は、第１方向性結合器２０及び第２方向性結合器２３の間に設けられる。ここでは、第１経路の導波路３０によって、第１方向性結合器２０の一方の出力端と、第２方向性結合器２３の一方の入力端とを接続する。そして、第２経路の導波路３２によって、第１方向性結合器２０の他方の出力端と、第２方向性結合器２３の他方の入力端とを接続する。
　第１経路より第２経路のほうが、導波路長が長くなっている。具体的には、第１経路の導波路３０より第２経路の導波路３２のほうが、導波路長が長くなっている。換言すると、第１経路の導波路３０と第２経路の導波路３２は非対称になっている。すなわち、本実施の形態における２×２光スイッチ１は、非対称マッハツェンダー型の干渉計による２×２光スイッチとなっている。第１経路の導波路３０の線欠陥ピラー３１の断面積に比べて、第２経路の導波路３２の線欠陥ピラー３４、３６、３８の断面積の方が大きい。換言すると、第１経路の導波路３０の線欠陥ピラー３１の直径に比べて、第２経路の導波路３２の線欠陥ピラー３４、３６、３８の直径の方が大きい。このように、導波路長が長い第２経路の導波路３２において、線欠陥ピラー３４、３６、３８の断面積が大きくなっている。
　第２経路の導波路３２は、テーパー導波路３３、３５、及び接続導波路３７を有する。テーパー導波路３３、３５は、第２経路の導波路３２の両端に１つずつ設けられ、線欠陥ピラー３４、３６によって構成される。接続導波路３７は、２つのテーパー導波路３３、３５の間に設けられ、線欠陥ピラー３８によって構成される。接続導波路３７の両端にテーパー導波路３３、３５がそれぞれ接続されている。すなわち、第１方向性結合器２０と接続導波路３７の一端とは、第１テーパー導波路３３を介して接続される。そして、接続導波路３７の他端と第２方向性結合器２３とは、第２テーパー導波路３５を介して接続される。第２経路の導波路３２は屈曲している。具体的には、第２経路の導波路３２の接続導波路３７は屈曲している。すなわち、接続導波路３７は、コの字型に形成される。なお、テーパー導波路３３、３５は、直線状に形成される。
　テーパー導波路３３、３５の線欠陥ピラー３４、３６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。また、接続導波路３７の線欠陥ピラー３８の断面積は、略一定になっている。第１テーパー導波路３３では、第１方向性結合器２０側の一端から接続導波路３７側の他端に向かって、線欠陥ピラー３４の断面積が徐々に増加している。第２テーパー導波路３５では、接続導波路３７側の一端から第２方向性結合器２３側の他端に向かって、線欠陥ピラー３６の断面積が徐々に減少している。すなわち、第１テーパー導波路３３の線欠陥ピラー３４及び第２テーパー導波路３５の線欠陥ピラー３６の断面積は、接続導波路３７から離れるにつれて徐々に減少する。換言すると、第１テーパー導波路３３の線欠陥ピラー３４及び第２テーパー導波路３５の線欠陥ピラー３６の断面積は、方向性結合器２０、２３から接続導波路３７に向けて徐々に増加する。
　第１テーパー導波路３３の線欠陥ピラー３４の断面積は、第１方向性結合器２０の線欠陥ピラー２１、２２の断面積より大きく、接続導波路３７の線欠陥ピラー３８の断面積より小さくなっている。同様に、第２テーパー導波路３５の線欠陥ピラー３６の断面積は、第２方向性結合器２３の線欠陥ピラー２４、２５の断面積より大きく、接続導波路３７の線欠陥ピラー３８の断面積より小さくなっている。なお、第２経路の導波路３２以外の導波路の線欠陥ピラーは、略一定の断面積を有する。すなわち、線欠陥ピラー１４、２１、２２、３１、２４、２５は、略一定の断面積を有する。本実施の形態にかかる２×２光スイッチ１は、以上のように構成される。
　次に、本実施の形態にかかる２×２光スイッチ１の動作原理について説明する。まず、２つの入力ポート１０、１１のうち、いずれか一方に光を入射させる。そして、第１方向性結合器２０によって、所定の分岐比で分岐される。例えば、１：１の分岐比で、第１方向性結合器２０のそれぞれの出力端から光が出射する。分岐された一方の光は、第１経路の導波路３０を伝搬する。そして、分岐された他方の光は、第２経路の導波路３２を伝搬する。具体的には、分岐された他方の光は、第１テーパー導波路３３、接続導波路３７、第２テーパー導波路３５の順で伝搬する。
　これらを伝搬した２つの光には、位相差が生じている。互いに位相差が生じたこれらの光は、それぞれ第２方向性結合器２３の入力端に入射する。この位相差によって、第２方向性結合器２３の出力端から出射される光パワーの割合が変化する。すなわち、それぞれの光が伝搬する間に、光の位相差を調節することで、光の出口を２つの出力ポート１２、１３で切り替えることができる。なお、位相差の調整には、電気や光などの制御信号のパワーを用いる。また、位相差の調整の詳細は後述する。
　本実施の形態の２×２光スイッチ１の中で、第２経路の導波路３２は群速度分散が大きい。これは、第２経路の導波路３２の線欠陥ピラー３４、３６、３８の断面積が、第１経路の導波路３０の線欠陥ピラー３１の断面積より大きいためである。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。本実施の形態の第２経路の導波路３２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３２の０．１％のオーダーの屈折率変化でも、光の出口を第１出力ポート１２と第２出力ポート１３の間で切り替えることができる。
　すなわち、関連する２×２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、２×２光スイッチ１の導波路長を長くすることなく、２×２光スイッチ１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、低パワーで動作することができ、省エネルギーを実現することができる。さらに、２×２光スイッチ１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、２×２光スイッチ１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。
　群速度分散が大きいのは第２経路の導波路３２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２×２光スイッチ１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、２×２光スイッチの性能が向上する。
　また、上記のように、方向性結合器２０、２３の線欠陥ピラー２１、２２、２４、２５と、接続導波路３７の線欠陥ピラー３８の断面積は異なる。このため、方向性結合器２０、２３と接続導波路３７の間に、徐々に断面積が変化するテーパー導波路３３、３５を設けることが好ましい。これにより、第１方向性結合器２０から接続導波路３７、及び接続導波路３７から第２方向性結合器２３への光の伝搬が容易になる。
　また、例えば第２経路の両端部の一部において、線欠陥ピラーの断面積を、第１経路の導波路３０の線欠陥ピラー３１の断面積と同一としてもよい。すなわち、第２経路の一部に、線欠陥ピラーの断面積が大きい第２経路の導波路３２以外の導波路を設けてもよい。しかし、本実施の形態のように、第２経路における全ての線欠陥ピラー３４、３６、３８の断面積を第１経路の線欠陥ピラー３１の断面積より大きくすることが好ましい。すなわち、第２経路には、第２経路の導波路３２のみを設けるほうがよい。これにより、第２経路の導波路長を短くし、かつ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。
　また、対称マッハツェンダー型の干渉計による２×２光スイッチとしてもよいが、本実施の形態のように非対称マッハツェンダー型の干渉計による２×２光スイッチ１とするのが好ましい。すなわち、屈折率を変化させる経路のみ導波路長を長くすることが好ましい。これにより、２×２光スイッチ１の小型化を実現することができる。
　次に、本実施の形態のフォトニック結晶体の製法について概説する。本実施の形態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ウエハとは、シリコン基板上に、埋め込み酸化膜、薄いシリコン活性層（ＳＯＩ層）が順次形成された構造を有する。ここでは、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。また、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２に示すパターンを描画する。具体的には、まずＳＯＩウエハ上に、レジストを塗布する。そして、電子ビームでパターンを露光する。これにより、図２の非線欠陥ピラー及び線欠陥ピラーの形成領域の外側に、レジストパターンが描画される。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。これにより、シリコン活性層に複数の円孔が形成される。そして、残ったレジストパターンをアセトンで除去する。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硬化樹脂を塗布し、紫外線で硬化させる。これにより、本実施の形態にかかる２×２光スイッチ１が完成する。
　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４０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、スタブ導波路部分以外、すなわち第２経路の導波路３２以外の部分をいう。すなわち、第１経路の導波路３０、方向性結合器２０、２３等の線欠陥ピラー１４、２１、２２、２４、２５、３１の直径は０．１６μｍとする。また、スタブ導波路部分において、導波路部分との接続点から遠ざかる方向に０．２２μｍにまで徐々に増加させる。すなわち、テーパー導波路３３、３５の線欠陥ピラー３４、３６の直径は、０．１６μｍ～０．２２μｍの範囲で徐々に大きく、又は小さくなる。そして、接続導波路３７の線欠陥ピラー３８の直径は、０．２２μｍとする。導波路スタブの長さ、すなわち第２経路の導波路３２の長さを１５μｍとする。
　図３は、本実施の形態にかかる２×２光スイッチ１の透過スペクトルを表す。図３において、横軸が波長（μｍ）、縦軸が光強度（ａ．ｕ．）である。図３においては、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を示す。
　図３において、波長に応じて大きく振動している一点鎖線と細かい点線で表される曲線は、２つの出力ポート１２、１３からの光の出力強度を表している。なお、図３で広い波長範囲で一番上に見られる曲線は、一方の入力ポートから入射された入力光の光強度である。そして、あらい点線で表される曲線は、光が入射されない他方の入力ポートから漏れてくる光の光強度である。広い周波数範囲に渡って、２つの出力ポート１２、１３からの光は、交互に出力強度が強くなっている。すなわち、広い周波数範囲に渡って、２つの出力ポート１２、１３から交互に光が出ている。
　この２×２光スイッチ１に熱や電界を印加すると、部分的に導波路の屈折率が変化する。具体的には、第２経路の導波路３２の屈折率が変化する。屈折率が変化することにより、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。すなわち、特定の波長で比較する場合、屈折率が変化し、曲線がシフトすることにより、出力強度が強い出力ポート１２、１３が切り替わる。換言すると、屈折率が変化し、第１経路の導波路３０と第２経路の導波路３２とを伝搬する光の位相差が調整される。そして、出力強度が強い出力ポート１２、１３が切り替わる。すなわち、屈折率の変化によって、光の出口を出力ポート１２、１３の間で切り替えることができる。光波長範囲で、出力光強度の振動があることから、２×２光スイッチ１としては、広い波長範囲で用いることができる。すなわち、２×２光スイッチ１の動作周波数が限定されない。
　図４及び図５はそれぞれ、異なった出力ポート１２、１３に光が出る場合の光スイッチ１の電界分布の計算結果である。図４及び図５において、左側が入力ポート１０、１１、右側が出力ポート１２、１３である。図４、５では、下側の第２入力ポート１１から光が入射される。そして、図４では、上側の第１出力ポート１２から光が出射し、下側の第２出力ポート１３からはほとんど光が出射しない。反対に、図５では、下側の第２出力ポート１３から光が出射し、上側の第１出力ポート１２からはほとんど光が出射しない。上記のように、屈折率を変化させることにより、図４の状態と図５の状態とが切り替わる。すなわち、光の出口が出力ポート１２、１３の間で切り替わることになる。
　次に、図６を参照して、屈折率チューナを含む他の２×２光スイッチ１について説明する。屈折率チューナとは、導波路において、屈折率変化を生じるためのチューナである。図６は、屈折率チューナを含む２×２光スイッチ１の構成を示す模式断面図である。なお、図６においては、理解しやすいように、光が伝搬する導波路を破線で示す。また、方向性結合器２０、２３を一点鎖線で示す。
　図６に示される２×２光スイッチ１は、屈折率チューナとして温度調節器が装着される。具体的には、２×２光スイッチ１は、温度調節器としてヒータ８０が装着される。ヒータ８０は、第２経路の導波路３２、特に接続導波路３７の近傍に装着される。なお、それ以外の構成は、図２に示された構成と同様である。ヒータ８０を加熱すると、導波路スタブ、すなわち第２経路の導波路３２の屈折率が変化する。特に、接続導波路３７の屈折率が変化する。そして、図３に示した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（出力強度）が変化し、光の出口が出力ポート１２、１３で切り替わる。これにより、２×２光スイッチ１として動作する。そして、上記のような効果を奏することができる。
　なお、屈折率を変化させるために、温度調節器（具体的にはヒータ８０）を用いたがこれに限らない。屈折率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では、方向性結合器の間の２つの経路の導波路が短くても、効率的に光の出力ポートの切り替えができる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では、制御光の入力によって、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、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７を参照して、本実施の形態にかかる光スイッチについて説明する。ここでは、光スイッチの一例として、２×２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２×２光スイッチ１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７に示した２×２光スイッチ１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。２×２光スイッチ１は、２つの方向性結合器２０、２３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、第１方向性結合器２０は２×２光スイッチ１の入力側、第２方向性結合器２３は２×２光スイッチ１の出力側に配置される。そして、第１方向性結合器２０と第２方向性結合器２３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、方向性結合器２０、２３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７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、方向性結合器２０、２３を構成する導波路の線欠陥ピラー２１、２４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、方向性結合器２０、２３を構成する導波路の線欠陥ピラー２２、２５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７、８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、欠陥ピラーの断面積が小さい経路の導波路は、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方向性結合器２０、２３と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、一端に接続された方向性結合器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２×２光スイッチ１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、方向性結合器２０、２３の線欠陥ピラー２１、２２、２４、２５の断面積よりも小さい。このため、接続導波路１１０、１１２は、方向性結合器２０、２３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、方向性結合器２０、２３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２×２光スイッチ１は、換言すれば、次のように言うこともできる。方向性結合器２０、２３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、方向性結合器２０、２３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、方向性結合器２０、２３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、方向性結合器２０、２３を構成する導波路を透過できず、方向性結合器２０、２３には漏れない。そして、安定した２×２光スイッチ１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２３を透過し、２×２光スイッチ１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光スイッチの場合、接続導波路１１０、１１２の導波光は、方向性結合器２０、２３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、導波路スタブ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、１１１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８を参照して、制御光の入力部を含む２×２光スイッチ１について説明する。図８は、本実施の形態にかかる制御光の入力部を含む２×２光スイッチ１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７に示す２×２光スイッチ１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。
　方向性結合器２０や方向性結合器２３の導波光は、接続導波路１１０、１１１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２×２光スイッチ１を透過する過程で共振を生じない。従って、接続導波路１１０、１１１内の周波数ｆ１以下の光の強度は、方向性結合器２０、２３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１１１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。
　２つの方向性結合器２０、２３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。
　２×２光スイッチ１が対称マッハツェンダー干渉計の場合に、例えば、図８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、光の出力ポートが切り替わる。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、光の出力ポートが切り替わらない、といった論理回路の動作を２×２光スイッチ１にさせることができる。
　また、２×２光スイッチ１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２×２光スイッチ１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７、８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。また、このような２×２光スイッチ１は、２つ以上が並べられ、それらの個々の２×２光スイッチ１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てもよい。
　以上、本発明の光スイッチの実施の形態の例について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。例えば、光スイッチを構成している線欠陥ピラー以外のピラーを変位させたり、その断面積を増減させたりすることもできる。さらには、ピラーは必ずしも円柱である必要はなく、四角柱や八角柱など、他の形状であってもよい。また、フォトニック結晶の周期構造は、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点から正方格子としたがこれに限らない。フォトニック結晶の周期構造を六方格子等、他の周期構造を用いてもよい。
　なお、本実施の形態では、光スイッチの一例として、２×２光スイッチを説明したがこれに限らない。本実施の形態にかかる光スイッチを組み合わせることにより、２×４光スイッチ、２×８光スイッチ等、一般にｍ×ｎ光スイッチ（ｍ、ｎは２以上の整数）に応用可能である。
　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３月７日に出願された日本出願特願２００８－５７９３２、及び２００８年８月１４日に出願された日本出願特願２００８－２０８９２６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 (16)

  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、
    　２つの方向性結合器と、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経路の導波路の方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経路の導波路長の方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２つの方向性結合器と接続された接続導波路とを有する請求項１乃至３のいずれか1項に記載の光スイッチ。
  5. 　２つの前記テーパー導波路を成すフォトニック結晶導波路の欠陥ピラーの断面積は、前記接続導波路から離れるにつれて徐々に減少することを特徴とする請求項４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、
    　２つの方向性結合器と、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光スイッチ。
  7. 　前記２経路の導波路のうち、一方の経路の導波路長が他方の経路の導波路長より長いことを特徴とする請求項６に記載の光スイッチ。
  8. 　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２つの方向性結合器と接続された接続導波路とを有する請求項６又は７に記載の光スイッチ。
  9. 　２つの前記テーパー導波路を成すフォトニック結晶導波路の欠陥ピラーの断面積は、前記接続導波路から離れるにつれて徐々に増加することを特徴とする請求項８に記載の光スイッチ。
  10. 　前記接続導波路の線欠陥を成す欠陥ピラーの断面積以下の断面積をもつ欠陥ピラーを有する近接導波路を、前記接続導波路の近傍に備え、前記接続導波路と前記近接導波路は光学的に結合していることを特徴とする請求項８又は９に記載の光スイッチ。
  11. 　請求項１０に記載の光スイッチを２つ以上含み、それらの個々の光スイッチに含まれるそれぞれの前記近接導波路が同一であるか、または互いに接続されていることを特徴とする光スイッチ。
  12. 　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、
    　２つの方向性結合器と、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光スイッチ。
  13. 　前記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り、かつ前記共振器の共振周波数の光を導波可能な制御用導波路を、前記共振器の近傍に備え、前記共振器と前記制御用導波路は光学的に結合していることを特徴とする請求項１２に記載の光スイッチ。
  14. 　請求項１３に記載の光スイッチを２つ以上含み、それらの個々の光スイッチに含まれるそれぞれの前記制御用導波路が同一であるか、または互いに接続されていることを特徴とする光スイッチ。
  15. 　前記フォトニック結晶が正方格子を有することを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の光スイッチ。
  16. 　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、
    　２つの方向性結合器と、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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