JP2005274927A - フォトニック結晶デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】 フォトニック結晶を用いた光合分波器や波長可変フィルタ、光スイッチにおいて、導波面内で光を出力することを可能にし、低損失かつ小型とすることを課題とする。これにより、光集積回路の高機能化・低コスト化が実現できる。
【解決手段】 二次元的な屈折率の周期構造を波長オーダで有するフォトニック結晶（１）を用いたフォトニック結晶デバイスにおいて、前記フォトニック結晶（１）中に線欠陥型導波路を複数有し、前記線欠陥型導波路の一つ（３）はその一端に光入射部を備えた入力導波路として機能し、他の線欠陥型導波路（４）はその一端に光出射部を備えた出力導波路として機能し、前記入力導波路（３）と、前記出力導波路（４）の間に、線欠陥が環状又は多角形状に設けられてなるリング状共振器（８）を備えたことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光通信に用いられるフォトニック結晶デバイス、特に、光合分波器、波長可変フィルタ及び光スイッチ等に関するものである。

インターネット・トラフィックの爆発的増大に伴い、光通信における伝送容量の大容量化が要求されている。この要求に応えるため、波長多重通信（ＷＤＭ、wavelength division multiplex）が採用され、１テラビット／秒を超える超大容量化が商用レベルで可能になりつつある。高速・大容量のＷＤＭシステムを構成する光集積回路には、ＷＤＭ光から所定波長の光を取り出したり、逆にＷＤＭ光に所定波長の光を加えたりする光合分波器・波長可変フィルタや、高速にパケット処理を行うための光スイッチが必要とされている。これらのデバイスにおいては、広波長帯域化・低損失化といった高性能化や、小型化・低コスト化などが重要となる。

近年、このような光集積回路を実現するためのキーとなる技術として、フォトニック結晶が注目を集めており、多くの研究機関により理論・実験の両面から精力的な研究が行われている。このフォトニック結晶とは、光の波長オーダの周期で屈折率が変調された構造を有するもので、周期場中のマクスウェル方程式の解に従って、結晶中に光に対するフォトニックバンドギャップ（ＰＢＧ）が形成されるため、ＰＢＧに相当する周波数の光は、結晶中のいかなる方向にも伝搬することができない。このようなフォトニック結晶に適切な設計によって結晶欠陥を導入すると、ＰＢＧに相当する周波数の光は、この欠陥以外の場所には存在できないため、欠陥に光が局在することになる。このような性質を利用して、点欠陥による光の捕捉や線欠陥による光導波路などの実現が可能になる。

厳密な意味でのＰＢＧは、三次元フォトニック結晶によってのみ実現されるが、三次元フォトニック結晶の製造プロセスは極めて複雑かつ困難である。一方、ある一方向については周期構造を持たない二次元フォトニック結晶においても、ある程度のＰＢＧによる効果が現れることが知られている。一般的に、二次元フォトニック結晶においては、二次元面に垂直な方向への光閉じこめには屈折率差による全反射閉じ込めが用いられる。フォトニック結晶を屈折率の高い導波路コア層に作製し、このフォトニック結晶を屈折率の低いクラッド層で挟んだ構造は、二次元フォトニック結晶スラブ構造などと呼ばれ、たとえばシリコン・オン・インシュレータ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ；ＳＯＩ）基板上に作製されたものや、クラッド層を空気としたもの（エアブリッジ構造）などがある。

フォトニック結晶中の線欠陥型光導波路では、従来の光導波路では困難であった、光を低損失で急角度（たとえば垂直など）に曲げることも可能になる。このような特性を利用し、フォトニック結晶を光合分波器に応用したものが非特許文献１に示されている。この光合分波器は、図７に示すように、フォトニック結晶４４中に設けた線欠陥導波路４５の近傍に点欠陥４６を導入し、線欠陥導波路４５中を伝搬してきた波長λ_１、λ_２・・・、λ_ｉ、・・・の波長多重光のうち点欠陥４６の持つ共振条件を満たす特定波長λ_ｉの光のみを基板に垂直方向に分波する面出力型の光合分波器である。この光合分波器においては、１５５０ｎｍ帯において数１０％以上の光の取出し光率が実現されている。
Susumu Noda, Alongkarn Chutinan and Masahiro Imada, ''Trapping and emission of photons by a single defect in a photonic bandgap structure'', Nature, Vol.407,5 October 2000, p.608-610

しかしながら、上記の非特許文献１に記載された光合分波器は、面出力型であるため、出力された光の取り回しが困難であること、また、出射されるビームパターンと光ファイバとのマッチングが悪く、合分波する光の導波が容易でないことから、今後の様々な機能を持つ光デバイスを集積した光集積回路の実現には不十分であった。

これに対し、導波面内で光を取り出すことができれば、出射された光を扱いやすく、光合分波器を小型にできるというメリットが生まれる。そこで、本発明では、フォトニック結晶を用いた光合分波器や波長可変フィルタ、光スイッチにおいて、導波面内で光を出力することを可能にし、低損失かつ小型とすることによって、光集積回路の高機能化・低コスト化を実現することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明は、二次元的な屈折率の周期構造を波長オーダで有するフォトニック結晶を用いたフォトニック結晶デバイスにおいて、前記フォトニック結晶中に線欠陥型導波路を複数有し、前記線欠陥型導波路の一つはその一端に光入射部を備えた入力導波路として機能し、他の線欠陥型導波路はその一端に光出射部を備えた出力導波路として機能し、前記入力導波路と、前記出力導波路の間に、線欠陥が環状又は多角形状に設けられてなるリング状共振器を備えたことを特徴とするフォトニック結晶デバイスである。

一般に共振器の共振条件は、共振波長をλ_０、共振器長をＬとして、
λ_０＝ｎ_ｅｆｆ・Ｌ／ｍ 式（１）
で表され、リング状の共振器の場合は、リングの長さが共振器長となる。ここで、ｎ_ｅｆｆは媒質の実効屈折率、ｍは任意の整数である。

光合分波器を上記の構成とすることにより、一つの導波路を伝搬してきた波長多重光のうち、リング状共振器の共振条件を満たす波長の光のみを他の導波路へ伝搬させることができるため、合分波された光を導波面内において取り出すことができる。また、合分波された光が導波路端から出射されるため、従来の面出力型の光合分波器に比べてビームパターンが良好なものとなり、光ファイバとのマッチングにも優れる。

また、一般に、リング型共振器の共振周波数間隔（Free Spectral Range；ＦＳＲ）は、
ＦＳＲ＝ｃ_０／（Ｎ_ｅｆｆ・Ｌ） 式（２）
で表される。フォトニック結晶では、線欠陥を利用して非常に小さなリング状共振器が実現でき、共振器長Ｌを短くすることができる。よって、フォトニック結晶を利用することで、大きなＦＳＲが得られ、広波長帯域の光合分波器等を構成することができる。

上記のフォトニック結晶デバイスにおいて、前記フォトニック結晶は、ＳＯＩ基板上に形成され、空気孔ロッドが周期配列をなすことにより形成されているものとすると、ＳＯＩ基板における空気／Ｓｉ層／ＳｉＯ_２の屈折率差を利用して導波方向に垂直な方向への光の閉じ込めを行うことができる。

また、前記フォトニック結晶は、半導体基板上に形成され、空気孔ロッドが周期配列をなすことにより形成されているものとすると、半導体基板上に積層したバンドギャップの異なる半導体多層膜の屈折率差を利用して、導波方向に垂直な方向への光閉じ込めを行うことができる。

また、上記のフォトニック結晶デバイスにおいて、前記フォトニック結晶に電圧あるいは電流を印加する電極が設けられたものとすると、前記電極への電圧あるいは電流の印加によって、フォトニック結晶の実効屈折率が変化することにより、前記リング状共振器の共振条件が変化し、光のスイッチングや波長フィルタリングの機能を持たせることができる。屈折率変化を得るためには、電気光学効果、電界吸収効果、量子閉じ込めシュタルク効果（Quantum Confined Stark Effect, ＱＣＳＥ）、プラズマ効果、自由キャリア吸収効果などを利用することができる。屈折率がΔｎ_ｅｆｆ変化したときの共振波長変化をΔλとすると
Δλ／λ_０＝Δｎ_ｅｆｆ／ｎ_ｅｆｆ 式（３）
が成り立つ。

以上のフォトニック結晶デバイスを、半導体レーザあるいは半導体フォトダイオードと共に半導体基板上にモノリシックに形成することもでき、これにより光合分波機能を備えた高性能かつ小型の半導体フォトニック結晶集積デバイスを得ることができる。

本発明によれば、合分波された光を導波面内において良好なビームパターンで取り出すことができる低損失・広波長帯域かつ小型の光合分波器、波長可変フィルタや光スイッチを実現することができる。また、これらを用いて高性能かつ小型の半導体フォトニック結晶集積デバイスを得ることができ、高速・大容量のＷＤＭシステムを低コストに構成可能となる。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を用いて説明する。

本発明のフォトニック結晶デバイスの概念図を図１に示す。フォトニック結晶１は、高屈折率媒質Ｍ_Ｈ中に、紙面に垂直方向に伸びたロッド状の低屈折率媒質Ｍ_Ｌが、光の波長オーダで周期的に配列した二次元周期構造をしている。ここでは、配列の最小単位が正三角形である場合について示しているが、厳密な正三角形でなくてもよいし、また、最小単位が正方形（または略正方形）などでもよい。フォトニック結晶１は、配列から空気孔ロッドが欠落した領域を所定の幅で線状に設けた線欠陥型の導波路３及び４を有している。また、この導波路３、４に挟まれた領域に、配列から空気孔ロッドが欠落した領域が環状に形成されてなる線欠陥型のリング状共振器８が設けられている。このリング状共振器８は、ここでは周囲のロッドの配列に沿うように六角形状に形成されており、この六角形の周の長さが共振器長となる。しかし、リング共振器の形状は六角形に限らず、式（１）を持たす共振器長で形成されてさえいれば、任意の形状でよい。

一方の導波路３の入射端に波長λ_１、λ_２、・・・λ_ｎの波長多重光を入射させると、式（１）で表される共振条件を満たす波長λ_１の光のみが、リング状共振器８を介して他方の導波路４に分波される。この波長λ_ｉの光を導波路４に出射端から取り出すことによって、このフォトニック結晶１を導波面内で出力する光合分波器として用いることができる。

なお、導波路３、４の幅は、波長λ_１〜λ_ｎの光が伝搬可能な条件を満たすような導波路幅となるように設計する。

導波路３の入力端及び導波路４の出力端においては、光の反射の影響を小さくするために、誘電体等からなる反射膜を設けることが望ましい。また、外部の光ファイバとの結合のために、スポットサイズ変換の手段を設けることが望ましい。

なお、導波路３、４と共振器８との間で光のやり取りが行われるためには、導波路３、４と共振器８がその一部分を共有することなく、間に一列以上のロッドの格子列を持つことが必要である。図１には、この格子列が一列の場合が示されている。なお、格子列が四列以上になると、フォトニック結晶の強い光閉じ込めのために光の損失が大きくなるので、格子列は三列以下であることが望ましい。

また、リング状共振器８の上下（空気孔ロッドの延びている方向を上下方向とする）に電極（図示せず）を設けたものとすると、リング状共振器８に電圧又は電流を印加することによって、リング状共振器８に電界が加えられ又は電流や熱が注入され、屈折率を変化させることができる。この屈折率の変化は、式（１）に従ってリング状共振器８の共振器長を変化させることになるので、フォトニック結晶デバイスへの印加電圧又は印加電流に応じて、導波路４から出射する光の波長λを変えることができ、波長可変フィルタとして機能することになる。

導波路の数は上記のように２本に限られるものではなく、３本以上であってもよい。すなわち、フォトニック結晶中において、一本の入力導波路に対し、複数のリング状共振器とそれらに対応した導波路を設けることとしてもよい。このような例を図２に示す。図２において、高屈折率媒質中Ｍ_Ｈ中に低屈折率媒質Ｍ_Ｌが周期的に配列したフォトニック結晶１に、線欠陥型の導波路３及び導波路４〜６が形成されている。導波路３と４の間、導波路３と５の間及び導波路３と６の間に、それぞれ線欠陥型のリング状共振器８、９及び１０が形成されている。これらのリング状共振器８、９及び１０は、式（１）に従って、共振波長がλ_１、λ_２及びλ_３となるような共振器長で形成されている。また、図２では導波路３が入力導波路、導波路４〜６が出力導波路として用いられる場合を示しているが、これとは逆に、導波路４〜６を出力導波路、導波路３を入力導波路としてもよい。このフォトニック結晶デバイスは、波長λ_１〜λ_ｎの波長多重光から波長λ_１、λ_２及びλ_３の光を取り出す、あるいは波長λ_１、λ_２及びλ_３の光を波長λ_１〜λ_ｎの波長多重光に加える光合分波器として機能する。

本発明の実施例１として、ＳＯＩ基板を用いて形成される光合分波器について説明する。図３は、実施例１に係る光合分波器を表す斜視図である。ＳＯＩ基板２０は、Ｓｉ基板２１上に、厚さ約３μｍのＳｉＯ_２層２２、厚さ約０．２μｍのＳｉ層２３が積層されたものである。Ｓｉ層２３に、基板面に垂直な空気孔ロッド２４が正三角形を最小単位として周期的に配列し、基板に平行な面内における二次元周期構造をなすフォトニック結晶となっている。フォトニック結晶の格子定数（隣接する空気孔の中心から中心までの距離）ａは約４００ｎｍであり、空気孔ロッド２４の直径は約２２０ｎｍである。空気孔ロッド２４は、電子線ビームリソグラフィと誘電体マスクを用いてパターニングを行い、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）などのドライエッチングにより形成することができる。

フォトニック結晶中に、配列から空気孔ロッドが欠落した線欠陥型の導波路２５、２６及び線欠陥型のリング状共振器２７が形成されている。一方の導波路２５の一端を入力ポートＰ_ｉｎとする。また、他方の導波路２６の一端を出力ポートＰ_ｏｕｔとする。

このフォトニック結晶は、ＳＯＩ基板２０の基板面に対して垂直な方向については、Ｓｉ（屈折率ｎ＝３．４６）をコア層とし、ＳｉＯ_２（ｎ＝１．４５）及び空気（ｎ＝１）をクラッドとする高屈折率差光閉じ込め構造となっている。

ここで、導波路２５、２６の幅は、使用する光の波長帯に応じて適切に設計することが必要である。１５００ｎｍ〜１６００ｎｍの波長帯の光を使用する場合は、導波路２５、２６の幅は、４７３ｎｍ程度とする。更に、リング共振器２７の共振器長Ｌを、共振波長がたとえば１５５０ｎｍとなるように、フォトニック結晶の実効屈折率ｎ_ｅｆｆを考慮して式（１）に従って設定することにより、導波路２５を伝搬している波長多重光から波長１５５０ｎｍの光のみがリング共振器２７を介して導波路２６に分波され、出力ポートＰ_ｏｕｔから取り出される（ドロップ機能）。また、一方の導波路２５に波長１５５０ｎｍの光を入射させ、他方の導波路２６を伝搬している波長多重光に加えることも可能である（アッド機能）。

この光合分波器は、式（２）より、ＦＳＲが約６．６ＴＨｚであり、広波長帯域の光合分波器となる。また、リング状共振器の直径を約５μｍと小さくできるため、従来の石英系材料や半導体材料で形成した場合に比べて、放射損を大きくすることなく、格段の小型化を図ることができる。

本発明の光合分波器は、他の波長帯の光に対しても、導波路２５、２６の幅や、リング状共振器２７の共振器長を適切に設定することにより、適用可能である。

本発明の実施例２として、半導体基板上に形成され、印加電圧によって出力波長が選択される波長可変フィルタとして使用可能なフォトニック結晶デバイスについて説明する。使用する光の波長帯は１５００〜１６００ｎｍとする。図４は、実施例２に係る波長可変フィルタを表す部分断面斜視図である。波長可変フィルタ３０は、低屈折率媒質Ｍ_Ｌと高屈折率媒質Ｍ_Ｈからなるフォトニック結晶により構成されている。高屈折率媒質Ｍ_Ｈは、ｎ−ＩｎＰ基板３１上に、ｎ−ＩｎＰ下部クラッド層３２、ノンドープＧａＩｎＡｓＰ光閉じ込め層３３、ノンドープＧａＩｎＡｓＰ多重量子井戸活性層３４、ノンドープＧａＩｎＡｓＰ光閉じ込め層３５、ノンドープＩｎＰ薄層（図示せず）、ｐ−ＩｎＰ上部クラッド層３６、ｐ−ＧａＩｎＡｓＰコンタクト層３７が順に積層された構造である。ノンドープＧａＩｎＡｓＰ多重量子井戸活性層３４は、量子井戸数が１０で、量子井戸の発光波長が１．４５μｍであるような組成に設計されている。

低屈折率媒質Ｍ_Ｌは、高屈折率媒質Ｍ_Ｈ中に開けられた直径２１０ｎｍの空気孔ロッドとして形成されている。この空気孔が高屈折率媒質Ｍ_Ｈ中に周期的に配列し、基板に平行な面内に広がる二次元周期構造をなしている。フォトニック結晶の格子定数（空気孔の配列周期）ａは、３６０ｎｍである。なお、空気孔ロッドは、電子線ビームリソグラフィと誘電体マスクを用いてパターニングを行い、ＲＩＥなどのドライエッチングにより形成することができる。このフォトニック結晶中に、幅４１３ｎｍの線欠陥型の導波路３９及び４０、線欠陥型のリング状共振器４１が形成されている。リング状共振器４１の共振器長は、式（１）に従って設計し、２２．８μｍとする。なお、基板に垂直な方向への光閉じ込めは、上記層構造による屈折率閉じ込め構造を利用している。

一方の導波路３９の一端を入力ポートＰ_ｉｎとする。また、他方の導波路４０の一端を出力ポートＰ_ｏｕｔとする。Ｐ_ｉｎ及びＰ_ｏｕｔには、適切な反射率を持つ誘電体反射膜がコーティングされている。

上記のフォトニック結晶の上面には上部電極４２が、下面には下部電極４３が形成されている。可変電源５０から上部電極４２・下部電極４３間に電圧が印加されると、ノンドープＧａＩｎＡｓＰ多重量子井戸活性層３４におけるＱＣＳＥにより屈折率変化が生じ、リング状共振器４１の共振器長が変化する。このため、電圧値に応じてリング状共振器４１により分波される光の波長を変えることができ、波長のフィルタリングを行うことができる。

本実施例の構造では、リング状共振器４１の屈折率は、電界によって最大で約０．２％変化させることができる。したがって、１５００ｎｍ帯の入射光に対して、この波長可変フィルタの波長可変幅は約３ｎｍとなる。
。

このフォトニック結晶デバイスのＦＳＲは、式（２）より約３．９ＴＨｚとなり、波長に換算して約３０ｎｍの波長帯域の光に対して有効な広波長帯域のフィルタとして機能する。

上の波長可変フィルタ３０における可変電源５０に代えて、固定電源及びスイッチを使用することにより、フォトニック結晶デバイスを光スイッチや光変調器として使用することができる。このような光スイッチを図５に示す。光スイッチ６０は、図４に示した可変電源５０に代えて、直列配置された固定電源６１とスイッチ６２とを設け、このスイッチ６２を制御部６３がオンオフ制御するようにしている。スイッチ６２がオンのときには上部電極４２から下部電極４３へ電流が流れ、ノンドープＧａＩｎＡｓＰ多重量子井戸活性層３４におけるＱＣＳＥにより屈折率変化が生じ、リング状共振器４１の共振条件を満たす光の波長がシフトするので、オフ時に導波路３９から導波路４０へ流れることができた波長の光の通過が遮断される。これによって、所望の波長の光のオンオフを行う光スイッチが実現される。なお、光変調器を実現する場合には、制御部６３がオンオフ指示する信号が変調信号に対応していればよい。

入射光の波長を他の波長帯とした場合には、使用する波長帯の光に合わせて多重量子井戸活性層の発光波長を設計すればよい。

次に、実施例３として、本発明のフォトニック結晶デバイスを半導体レーザと共に同一半導体基板上にモノリシックに集積したフォトニック結晶集積デバイスについて説明する。

図６に、このフォトニック結晶デバイスの上面模式図を示す。このフォトニック結晶集積デバイス７０は、共通の半導体基板上に、フォトニック結晶領域７１、半導体レーザ領域７２及びスポットサイズ変換領域７３を有している。

フォトニック結晶領域７１は、実施例１に示したフォトニック結晶デバイスと同様の構造を用いることができる。あるいは、実施例２において説明した波長可変フィルタ、光スイッチ／光変調器を用いることができる。半導体レーザ領域７２には、ＤＦＢレーザやＤＢＲレーザなどのへき開による反射鏡形成が不要なタイプの半導体レーザが形成されており、その活性層７４は、フォトニック結晶領域７１における導波路３９と同軸をなすように配置されている。

スポットサイズ変換領域７３は、厚さ又は幅が伝搬方向においてなだらかに変化する垂直テーパ状又は水平テーパ状の導波路７７を有している。導波路７７は、フォトニック結晶領域７１における導波路４０と同軸をなすように配置されている。フォトニック結晶領域７１の導波路４０におけるスポットサイズは１μｍ以下と小さいが、スポットサイズ変換領域７３によって通常のシングルモードファイバ等に結合できるスポットサイズに変換されて、出力ポートＰ_ｏｕｔから出射する。

このフォトニック結晶集積デバイス７０は、図６に示されているように、たとえば波長λ_１〜λ_ｎの波長多重光の伝送途中に配置され、波長λ_ｉの光を加えるものである。波長多重光は、入力ポートＰ_ｉｎからフォトニック結晶集積デバイス７０に入射し、導波路４０、導波路７７を経て出力ポートＰ_ｏｕｔから出射する。一方、半導体レーザ領域７２から波長λ_ｉのレーザ光が、フォトニック結晶領域７１の導波路３９に入射する。この波長λ_ｉのレーザ光は、導波路３９を伝搬中に、リング状共振器４１を介して導波路４０に分波され、前記波長多重光と共に導波路７７を経て出力ポートＰ_ｏｕｔから出射することになる。

なお、上記のフォトニック結晶集積デバイスにおける半導体レーザに代えて、半導体フォトダイオードを集積したものとすると、波長多重光から特定の波長の光を取り出して電気信号に変換する機能を備えた受光型の半導体フォトニック結晶集積デバイスとなる。

本実施例に示したような半導体レーザ集積型、あるいはフォトダイオード集積型のフォトニック結晶集積デバイスを、図２に示したような複数のリング状共振器を有するものとしても良い。

なお、本実施例において集積される半導体レーザや半導体フォトダイオードを、導波路型の欠陥を有するフォトニック結晶を用いて構成すれば、より一層小型の集積型フォトニック結晶デバイスを得ることができる。

本発明の実施形態に係るフォトニック結晶デバイスの概念図である。 本発明の実施形態に係るフォトニック結晶デバイスの変形例を示す概念図である。 本発明の実施例１に係る光合分波器の斜視図である。 本発明の実施例２に係る波長可変フィルタの部分断面斜視図である。 本発明の実施例２の他の例である光スイッチの部分断面斜視図である。 本発明の実施例３に係るフォトニック結晶集積デバイスの上面模式図である。 従来の光合分波器を示す概念図である。

符号の説明

１ フォトニック結晶
３〜７ 導波路
８〜１０ リング状共振器
２０ ＳＯＩ基板
２１ Ｓｉ基板
２２ ＳｉＯ_２層
２３ Ｓｉ層
２４ 空気孔ロッド
２５、２６ 導波路
２７ リング状共振器
３０ 波長可変フィルタ
３１ ｎ−ＩｎＰ基板
３２ ｎ−ＩｎＰ下部クラッド層
３３ ノンドープＧａＩｎＡｓＰ光閉じ込め層
３４ ノンドープＧａＩｎＡｓＰ多重量子井戸活性層
３５ ノンドープＧａＩｎＡｓＰ光閉じ込め層
３６ ｐ−ＩｎＰ上部クラッド層
３７ ｐ−ＧａＩｎＡｓＰコンタクト層
３９、４０ 導波路
４１ リング状共振器
４２ 上部電極
４３ 下部電極
４４ フォトニック結晶
４５ 線欠陥導波路
４６ 点欠陥
５０ 可変電源
６０ 光スイッチ
６１ 固定電源
６２ スイッチ
６３ 制御部
７０ フォトニック結晶集積デバイス
７１ フォトニック結晶領域
７２ 半導体レーザ領域
７３ 領域
Ｍ_Ｈ 高屈折率媒質
Ｍ_Ｌ 低屈折率媒質
Ｐ_ｉｎ 入力ポート
Ｐ_ｏｕｔ 出力ポート

Claims (10)

1. 二次元的な屈折率の周期構造を光の波長オーダで有するフォトニック結晶を用いたフォトニック結晶デバイスにおいて、
   前記フォトニック結晶中に線欠陥型導波路を複数有し、
   前記線欠陥型導波路の一つは、その一端に光入射部を備えた入力導波路として機能し、
   他の線欠陥型導波路は、その一端に光出射部を備えた出力導波路として機能し、
   前記入力導波路と前記出力導波路の間に、線欠陥が環状又は多角形状に設けられてなるリング状共振器を備えたことを特徴とするフォトニック結晶デバイス。
2. 前記フォトニック結晶は、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）基板上に形成され、空気孔ロッドが周期配列をなすことにより形成されていることを特徴とする請求項１に記載のフォトニック結晶デバイス。
3. 前記フォトニック結晶は、半導体基板上に形成され、前記半導体基板に垂直な空気孔ロッドが周期配列をなすことにより形成されていることを特徴とする請求項１に記載のフォトニック結晶デバイス。
4. 前記空気孔ロッドの周期配列が、略正三角形を最小単位とすることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載のフォトニック結晶デバイス。
5. 前記空気孔ロッドの周期配列が、略正方形を最小単位とすることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載のフォトニック結晶デバイス。
6. 前記フォトニック結晶に電圧あるいは電流を印加する電極が設けられ、前記電極への電圧あるいは電流の印加によって前記リング状共振器の共振条件が変化することを特徴とする請求項３乃至５のいずれか一項に記載のフォトニック結晶デバイス。
7. 請求項６に記載のフォトニック結晶デバイスと、
   前記電極に接続された可変電源と、
   を備え、前記光入射部から入射した光のフィルタリングを行うことを特徴とする波長可変フィルタ。
8. 請求項６に記載のフォトニック結晶デバイスと、
   前記電極に接続された電源と、
   前記電源から前記フォトニック結晶デバイスへの電源供給をスイッチングするスイッチと、
   前記スイッチのスイッチング制御を行う手段と、
   を備え、前記光入射部から入射した光のオンオフを行うことを特徴とする光スイッチ／光変調器。
9. 半導体基板上に、請求項６に記載のフォトニック結晶デバイス、請求項７に記載の波長可変フィルタ又は請求項８に記載の光スイッチ／光変調器のいずれかと共に、半導体レーザがモノリシックに形成されていることを特徴とする半導体フォトニック結晶集積デバイス。
10. 半導体基板上に、請求項６に記載のフォトニック結晶デバイス、請求項７に記載の波長可変フィルタ又は請求項８に記載の光スイッチ／光変調器のいずれかと共に、半導体フォトダイオードがモノリシックに形成されていることを特徴とする半導体フォトニック結晶集積デバイス。
    

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