次に、本発明に好適な実施の形態につい� ��、図面に基づいて説明する。

 図2は、本発明の第1実施形態を説明する� �式図である。

 図2に示すように、本実施形態のフォトニ ック結晶体19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� �含まれる。前記フォトニック結晶の前記周� �的な格子は、相対的に低屈折率の媒質中に� �置された高屈折率の誘電体柱の格子である� �

 前記フォトニック結晶のバンドギャップ� ��に周波数を有する光を導波可能な前記フォ� ��ニック結晶中の導波路5を含む。すなわち、 前記フォトニック結晶は、周期的な格子を備 える、前記導波路が前記周期的な格子中に、 断面積の小さい誘電体柱である第1の欠陥8を� ��える。

 導波路5は、無欠陥のフォトニック結晶に 、1列の断面積の小さいピラーの列を導入し� �構造を有する。線欠陥の部分がコアに相当� �、その周囲のフォトニック結晶がクラッド� �相当する。

 フォトニック結晶体19は、前記導波路中� �光を制御するために接続された導波路スタ� �18を含む。

 導波路スタブ18は、前記周期的な格子中� �少なくとも1つの、断面積の小さい誘電体柱� ��ある第2の欠陥12及び15を備えている。導波� �スタブ18は、テーパ構造13を含み、導波路5の 側壁から直角に伸びている。テーパ構造13を� ��む導波路の少なくとも一部において、前記� ��2の欠陥を構成する誘電体柱の断面積が、前 記導波路から遠ざかる向きに、徐々に増加す ることを特徴とする。図2に示したフォトニ� �ク結晶体19の場合、テーパ構造13の部分の欠� ��15において、誘電体柱の断面積が、導波路5� ��ら遠ざかる向きに断面積が増加している。

 次に、第1実施形態の動作について説明す る。

 導波路5の左から導波可能な周波数の光を 入射すると、光は、導波路5と導波路スタブ� �の接続点17に達し、一部は導波路スタブ10に� ��また、一部はそのまま導波路5の右側に抜け ていく。

 しかし、導波路スタブ10に入射した光は� �他端で反射して接続点17に戻ってくる。戻っ てきた光は、左右に分かれるが、その時、右 側に分岐した光と先に直接導波路5を通り抜� �た光が干渉を起こす。直接抜けた光と導波� �スタブから戻ってきた光の位相が同位相の� �は、全ての光が導波路5の右側に抜け、位相� ��πだけ異なる場合は、接続点17の位置で全て の光が反射して、導波路5の左側に戻る。

 導波路5を直接抜ける光と、導波路スタブ 5から戻って来る光の位相差は、導波路スタ� �10の中を光が往復する距離が、導波路内にお ける光の波長の整数倍からどれだけずれてい るかで決まる。

 導波路スタブ10にテーパ構造13を導入する ことによって、第2の欠陥15や12では、誘電体� ��14の断面積が導波路5から遠ざかる向きに徐� ��に大きくなる。図1のフォトニック結晶体の 図では、欠陥12の断面積は一定となっている� ��ただし、ピラー型正方格子フォトニック結� ��の線欠陥導波路は、欠陥のピラーの断面積� ��大きいほど周波数の変化に対する導波路内� ��の波長の変化率が大きいという特性を有す� ��。そのため、たとえ導波路スタブ18が短く� �も、僅かな周波数の変化によって、導波路� �で大きな波長の変化が起こり、接続点17での 光の位相差の変化が大きくなる。その結果、 狭い帯域のフィルタ特性を発現するようにな る。尚、欠陥のピラーの断面積が大きいほど 、導波光の群速度が小さい。

 なお、導波路5も、第1の欠陥8の誘電体柱7 の断面積を導波路スタブ18の欠陥の誘電体柱� ��同じく大きくしておくこともできるが、そ� ��場合、導波路5の光の伝搬速度が小さくなる という欠点があり、高速な光信号を処理する 光回路の部品としては不適当である。

 この欠点を回避するために、本発明の第1 実施形態では、テーパ構造13を介して、欠陥� ��断面積の小さい導波路5と欠陥の断面積の大 きい導波路スタブを接続している。テーパ構 造により、導波路構造が急激に変化する部分 で心配される無用な反射が生じない。

 図3は、導波路スタブがテーパ構造を含ま ない場合の、フォトニック結晶体の透過スペ クトルの計算結果である。また、図4は、導� �路スタブがテーパ構造を含む場合の、フォ� �ニック結晶体の透過スペクトルである。

 両者のフォトニック結晶体の導波路スタ� ��の長さは同じであるが、図3と図4の透過ス� �クトルを比較すると、導波路スタブを含む� �合の図4の透過スペクトルの方が、他方に比� ��て、透過帯域の中間位置付近において、高� ��過率の波長(ただし、真空中の波長)の間隔� �狭いことが分かる。すなわち、フリースペ� �トラルレンジ(Free Spectral Range:FSR)が小さい� �それに応じて、図4の透過スペクトルの方が� ��光パワーが半分以上透過する3dB透過帯域を� ��くすることができている。

 テーパ導波路は、テーパ構造を含む導波� ��の少なくとも一部において、第2の欠陥を構 成する誘電体柱の断面積が、前記導波路から 遠ざかる向きに、階段状に増加していてもよ い。

 また、前記テーパ構造を含む導波路の少� ��くとも一部において、前記第2の欠陥を構成 する誘電体柱の断面積が、前記導波路から遠 ざかる向きに、徐々に増加する部分と階段状 に増加する部分とを含んでいてもよい。

 以上のように、本実施形態によれば、小� ��のフォトニック結晶体であっても、周波数� ��性を向上させることができる。よって、第1 実施形態を含む光回路は集積度が向上し、光 集積回路の高集積化や生産性の向上が実現さ れる。

 次に、本実施形態のフォトニック結晶体� ��製法について概説する。

 本実施形態のフォトニック結晶体は、SOI� ��エハ(Silicon On Insulator Wafer)を基板として作 製することができる。SOIウエハとして、埋め 込み酸化膜の厚みが2.0μm、シリコン活性層の 厚みが1.0μmのものを使用する。シリコン活性 層はノン・ドープとする。

 初めに、電子線露光技術を使って、図2に 示すパターンを描画する。光通信用に導波光 の波長を1.55μmとする場合は、格子定数を0.4μ m、円柱の直径は、0.24μmとする。線欠陥柱の� ��径は、導波路部分において、0.16μmとし、ス タブ導波路部分において、導波路との接続点 から遠ざかる方向に0.22μmにまで徐々に増加� �せる。導波路スタブの長さを15μmとする。

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

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

 図3と図4の透過スペクトルは、簡単のた� �、上記の構造で厚み方向にシリコンのピラ� �が厚み方向に無限であると仮定した場合の� �算結果である。

 また、図5は、光が透過する場合の電界分 布の計算結果であり、図6は、光が透過しな� �場合の電界分布の計算結果である。

 なお、本発明のフォトニック結晶体の実� ��形態の一例について説明したが、本発明は� ��記実施形態に限定されるものではない。例� ��ば、フォトニック結晶体を構成している線� ��陥柱以外の円柱を変位させたり、その断面� ��を増減させたりすることもできる。更には� ��柱は必ずしも円柱である必要はなく、四角� ��や八角柱など、他の形状であってもよい。

 また、FSRの異なる本発明のフォトニック� ��晶体を2或いは3というように複数接続すれ� �、透過帯域の重なった周波数の光だけが透� �するようにすることができるため、例えば� �導波路の透過帯域内で、1波だけ透過するよ� ��にすることもできる。

 また、同じFSRの本発明のフォトニック結� ��体を複数接続すれば、透過帯域の透過スペ� ��トルをフラットトップ化することや、阻止� ��長帯域をフラット化することもできる。

 次に、本発明の第2実施形態について説明 する。

 本発明のフォトニック結晶体は、FSRが小� ��いフィルタ特性を有するため、複数の波長� ��動作する1×1光スイッチ、あるいは光強度変 調器として動作させることができる。即ち、 本発明の第2実施形態は、導波路スタブを構� �する材料の屈折率又は吸収係数を調節する� �ューナを有することを特徴とする。なお、� �記チューナは、温度調節器、電界強度調節� �、又は、電流調節器である。

 図7は、温度調節器としてヒータ33を装着� ��たフォトニック結晶体である。

 ヒータ33が加熱すると、導波路スタブ32の 屈折率が変化し、フォトニック結晶体の透過 スペクトルが長波長側、或いは短波長側にシ フトする。その結果、特定波長では、光の透 過率が変化し、1×1光スイッチや光強度変調� �として動作する。なお、チューナが電界強� �調節器や電流調節器である場合も同じよう� �動作する。

 本実施形態のフォトニック結晶体は、FSR� ��小さく、かつ、導波路スタブが小さいため� ��省電力で小型の光スイッチや光強度変調器� ��なる。

 次に、本発明の第3実施形態について説明 する。

 第3実施形態では、導波路スタブが共振器 を含み、導波路スタブ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8は、本発明の第3実施形態を説明する� �めのフォトニック結晶体の模式図である。

 図8に示されたフォトニック結晶体は、導 波路スタブを成し、テーパ構造を含む導波路 の少なくとも一部において、テーパ構造を成 す導波路の欠陥を構成する誘電体柱の断面積 が、前記導波路から遠ざかる向きに、徐々に 減少する。

 具体的には、導波路スタブの一部である� ��ーパ導波路48において、線欠陥50の誘電体柱 49の断面積が、導波路40から遠くなるにつれ� �、小さくなっている。

 導波路45は、テーパ導波路48と構造が連続 している。導波路45の線欠陥47の誘電体柱46の 断面積は、導波路40の線欠陥43の誘電体柱42の 断面積に比べて小さい。そのため、導波路45� ��、導波路40の透過帯域の上限の周波数をf1と すると、周波数f1よりも高い周波数の光を導� ��することができる。導波路45の透過帯域の� �限の周波数をf2とすると、導波路45の長さを� ��当に調節することによって、f1~f2の間の周� �数、例えばf3の周波数を有する光が導波路45� ��で共振を起こす。

 周波数f3の光は、導波路40を透過すること ができないため、周波数f3を透過する導波路5 5を共振器となる導波路45の近傍に設置する。

 導波路55は、導波路45と同じか同程度の断 面積の誘電体柱の線欠陥56を有する。導波路5 5を伝搬して来た光が極僅かに導波路45に漏れ て入り、その光が導波路45の両端で反射され� ��同じ位相で重なり合うことによって、光の� ��ネルギーが導波路45に蓄積される。即ち、� �振が生じる。

 導波路45を導波路40や導波路55から適当に� ��すことによって、共振器が光を閉じ込める� ��さの目安であるQ(キュー)値を十分に大きく� ��ることができる。即ち、導波路45に蓄積さ� �る光の強度を、導波路55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� �、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導波路45に蓄積され� ��ことになる。

 強い光が導波路45に存在することになる� �果、導波路45では、3次の非線形効果が大き� �なって無視できない程度に屈折率が変化す� �。または、導波路45が光を僅かでも吸収する 場合には、導波路45に蓄積された高強度の光� ��エネルギーの一部が吸収されて熱に変わり� ��導波路45を加熱することによって、熱光学� �果により屈折率が変化する。

 一方、導波路40の透過帯域の光は、導波� �48や導波路45も透過するため、導波路45と導� �路48がスタブとして動作し、導波路40は、図3 や図4の透過特性と同様の周期的な透過特性� �示す。

 図8のフォトニック結晶体の場合、導波路 45の導波光は、導波路40の導波光に比べて、� �速度が大きくなるため、第1実施形態の場合� ��ように、導波路スタブを小さくできる効果� ��利用できない。しかし、導波路55から入射� �れた周波数f3の光によって、導波路45の屈折� ��を変調することにより、導波路40の透過特� �を短波長側、又は長波長側にシフトさせる� �とができる。すなわち、図8のフォトニック� ��晶体は、光制御が可能な可変光フィルタと� ��て動作させることができる。また、それを� ��用した光制御の光スイッチとして動作させ� ��ことができる。

 導波路40の導波光は、導波路45まで侵入す るが、導波路48がテーパ導波路となっている� ��め、接続部51や52で反射されることはない。 そのため、導波路40から導波路45にまで侵入� �た光は、その端で反射されると、途中で反� �されて戻ることなく、導波路40まで戻るので 、導波路45で共振を生じず、導波路45から導� �路55への漏れ光の強度は、導波路40を透過す� ��光の強度の1/Q程度に止まる。

 なお、テーパ導波路48は、線欠陥50の欠陥 を構成する誘電体柱49の断面積が、導波路40� �ら遠ざかる向きに、階段状に減少してもよ� �。また、徐々に減少する部分と階段状に増� �する部分とを含んでもよい。

 図8のフォトニック結晶体は、フォトニッ ク結晶を基本とした構造であるが、第3実施� �態は、一般的に、フォトニック結晶体に限� �ず、導波路スタブの一部又は全部が、前記� �波路の導波帯域以外の周波数の光に対して� �振する共振器として動作することを特徴と� �ているということができる。

 第3実施形態では、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 能であって、共振器の共振周波数の光を導波 可能な導波路を共振器の近傍に備え、その近 接する共振器と導波路とは、光学的に結合し ている。

 図8のフォトニック結晶体を2つ以上含み� �それらの個々のフォトニック結晶体に含ま� �るそれぞれの制御光用の導波路(図8の導波路 55に相当する導波路)が同一であるか、又は互 いに接続されているようにすることもできる 。

 このようにすると、同一波長の制御光で� ��数の導波路スタブの屈折率を変化させるこ� ��ができる。

 また、各スタブの共振周波数を別々にし� ��おけば、制御用の導波路に通す光の周波数� ��1つ又は複数選択することにより、屈折率を 変化させる導波路スタブを選択することがで きる。

 なお、図8のフォトニック結晶体では、導 波路スタブが、導波路40から遠くなるにつれ� ��断面積の減少する線欠陥誘電体柱の列のみ� ��含んでいるが、それに限らない。例えば、� ��波路45に続けて、導波路40から遠くなるにつ れて断面積の増加する線欠陥誘電体柱の列を 含むテーパ導波路を加えても良い。当該実施 形態は、第1実施形態と第3実施形態とを組み� ��わせた場合の形態である。

 更に本発明は、上記各実施形態に限定さ� ��るものではない。上記各実施形態は、例示� ��あり、本発明の特許請求の範囲に記載され� ��技術的思想と実質的に同一な構成を有し、� ��様な作用効果を奏するものは、いかなるも� ��であっても本発明の技術的範囲に包含され� ��。

 以上、実施例を参照して本願発明を説明� ��たが、本願発明は上記実施例に限定される� ��のではない。本願発明の構成や詳細には、� ��願発明のスコープ内で当業者が理解し得る� ��々な変更をすることができる。

 この出願は、2008年1月11日に出願された日 本出願特願2008-3856、並びに2008年6月12日に出� �された日本出願特願2008-154136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。