光学素子、波長分散補正素子および位相変調素子
【課題】電気光学効果を利用した光学素子において、消費電力の低減、電気光学応答の高速化、低電圧化、広帯域化を図ることが可能な光学素子を提供する。
【解決手段】光導波路コアが平板状のフォトニック結晶層１１およびその面の片側にリブ状に設けられた矩形導波路１４からなる光学素子１０において、フォトニック結晶層１１は、Ｐ極性の導電性を有するＰ型領域１１Ａと、Ｎ極性の導電性を有するＮ型領域１１Ｂとを有し、フォトニック結晶層１１の面内には、Ｐ型領域１１ＡとＮ型領域１１Ｂとを隔てる絶縁媒質からなるギャップ領域１３が、矩形導波路１４の中心線と重なる線に沿って設けられる。
【解決手段】光導波路コアが平板状のフォトニック結晶層１１およびその面の片側にリブ状に設けられた矩形導波路１４からなる光学素子１０において、フォトニック結晶層１１は、Ｐ極性の導電性を有するＰ型領域１１Ａと、Ｎ極性の導電性を有するＮ型領域１１Ｂとを有し、フォトニック結晶層１１の面内には、Ｐ型領域１１ＡとＮ型領域１１Ｂとを隔てる絶縁媒質からなるギャップ領域１３が、矩形導波路１４の中心線と重なる線に沿って設けられる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光導波路部に印加する電圧または電流の印加により波長分散補正や位相変調が可能な光学素子と、このような光学素子を用いた波長分散補正素子および位相変調素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
フォトニック結晶を含む光導波路において波長分散補正や位相変調等を行うための構造が、下記の特許文献１〜３に記載されている。
【０００３】
特許文献１（特に第１図）には、異なる屈折率を有する媒質がナノメートルスケールで周期配列して構成されるフォトニック結晶層を含む波長分散を利用し、光導波路に印加する電圧または電流を変化させて波長分散を制御する小型の波長分散補正素子が記載されている。この波長分散補正素子においては、穴が周期的に配列されたフォトニック結晶層の上にコア層が設けられ、コア層の上部になる内部電極に電圧を印加するか、またはフォトニック結晶層に接したターミナル電極間に電流もしくは電圧を印加することにより、波長分散を電気的に制御することができる。材料は、例えばフォトニック結晶層の母体がシリコン（Ｓｉ）、穴が二酸化シリコン（ＳｉＯ２）、コア層が窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）、上部クラッドおよび下部クラッドがＳｉＯ２である。
【０００４】
特許文献２（特に図１）には、光の伝送路に対して所定の位相変調を付与するフォトニック結晶部と、当該フォトニック結晶部にエネルギー（電圧、電流等）を付与するエネルギー付与部を有し、フォトニック結晶部は、伝送路の上または下に形成された光学素子が記載されている。また、この光学素子を利用し、小型かつ低電圧で動作可能な光変調器として、マッハツェンダー型導波路の分岐した各々の導波路のコア下部にフォトニック結晶部が配された構成例が示されている。マッハツェンダー型導波路を構成する材料は例えばＳｉ３Ｎ４であり、フォトニック結晶部は、Ｓｉ膜中にＳｉＯ２円板を三角格子状に配列したものである。フォトニック結晶部はＳｉ母材に不純物を添加して導電性を有するので、印加電圧を変化させると母材中の電子または正孔の濃度の変化により屈折率が変化する。これにより、フォトニック結晶部の特性を支配する分散曲線を変化させ、その結果として位相シフトを発生させることができる。
【０００５】
特許文献３（特に第３図）には、フォトニック結晶のバンドギャップ領域のスペクトル帯を利用し、フォトニック結晶をクラッドとして利用した波長分散補正素子が記載されている。バンドギャップ条件にあるフォトニック結晶の中に線状欠陥を設けると、フォトニックバンド内のスペクトル領域にギャップモードが発生する。すなわち、光が線状欠陥に閉じ込められ、その線状欠陥に沿って導波される。フォトニック結晶の周期の異なる領域を導波方向に複数接続することにより、波長分散の符号および最低次と高次の波長分散を、電気や熱等の作用によって可変とすることができる。
【０００６】
フォトニック結晶を含まないシリコン系の光導波路において屈折率を変化させて位相変調を発生させるための構造が、下記の特許文献４〜６に記載されている。
【０００７】
特許文献４（特に第５図）には、光導波路の一部を構成するＳＯＩ層（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ：絶縁膜上に形成したシリコン層）の面内にＰ−Ｎ接合を形成した構造が記載されている。ＳＯＩ層は、絶縁層の上に位置し、その上には酸化層およびＳｉＮリブが形成される。Ｐ−Ｎ接合の両端には、Ｎ型Ｓｉ領域への電気接触部およびＰ型Ｓｉ領域への電気接触部がそれぞれ設けられている。
【０００８】
特許文献５（特に第１図）には、ＳＯＩ層及びその上にシリコン層を形成し、それぞれのシリコン層が各々極性の異なる導電性（Ｐ型またはＮ型）を有し、両者の間に誘電体膜を挟むことにより、Ｐ−Ｎ接合を形成した構造が記載されている。Ｐ型導電層とＮ型導電層との間に誘電体層を設けることによりＰ−Ｎ接合間の電流が遮断され、消費電力が低減される。同時に正孔および電子の拡散も遮断され、正孔および電子の密度変化に基づく電気光学効果の応答速度は正孔および電子の拡散速度で律速されないものとなる。
【０００９】
特許文献６（特に第１図）には、Ｐ−Ｎ接合が上下に積層された半導体膜（例えば上側がＮ型で下側がＰ型）により形成され、その中間に絶縁層が介在する構造が記載されている。下型の半導体層の材料の例はＳＯＩ層であり、絶縁層の例はＳｉＯＮあるいはＳｉＯ２である。Ｐ型半導体層とＮ型半導体層との間に絶縁層を設けることによりＰ−Ｎ接合間の電流が遮断され、消費電力が低減される。同時に正孔および電子の拡散も遮断され、正孔および電子の密度変化に基づく電気光学効果の応答速度は正孔および電子の拡散速度で律速されないものとなる。
【００１０】
非特許文献１では、Ｐ極性およびＮ極性の導電性を持つシリコンにおいて、自由キャリア吸収による屈折率の波長依存性が吸収スペクトルデータに基づいて導出されている。また、キャリア濃度が変化した際、波長１５５０ｎｍおよび１３００ｎｍにおいて屈折率がどの程度変化するか、経験式が与えられている。
非特許文献２では、フォトニックギャップ導波路を位相変調部に用いて、それをマッハ−ツェンダー型導波路の両分岐部分に組み込んだ光強度変調器が記載されている。ここでフォトニックギャップ導波路は、フォトニック結晶のバンドギャップ領域のスペクトル帯を利用し、フォトニック結晶中に設けた線状欠陥をコア、フォトニック結晶をクラッドとしたものである。導波路をはさんでＰ−Ｉ−Ｐ接合を形成し、電気的に位相変調を行う。ギャップモードの分散曲線の傾きが水平に近くなっているため、位相変化が大きくなり、短い導波路長での光強度変調が可能になる。
【特許文献１】米国特許第７０６５２８０号明細書
【特許文献２】特開２００７−１７１４２２号公報
【特許文献３】国際公開第２００４／０６３７９７号
【特許文献４】米国特許出願公開第２００６／０１３３７５４号明細書
【特許文献５】米国特許第７０６５３０１号明細書
【特許文献６】米国特許第７０３５４８７号明細書
【非特許文献１】Ｒ．Ａ．ＳｏｒｅｆおよびＢ．Ａ．Ｂａｎｎｅｔｔ、“Ｅｌｅｃｔｒｏｏｐｔｉｃ ｅｆｆｅｃｔｓ ｉｎ ｓｉｌｉｃｏｎ”、ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ、１９８７年、第１号，ｐ．１２３−１２９
【非特許文献２】Ｙ．Ｊｉａｎｇら、“８０−ｍｉｃｒｏｎ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｌｅｎｇｔｈ ｓｉｌｉｃｏｎ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ ｗａｖｇｕｉｄｅ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ”、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、２００５年、第８７巻、第２２号，ｐ．２２１１０５−１から２２１１０５−３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
特許文献１に記載された技術においては、電圧を印加する内部電極はコア層の上部にある。また、フォトニック結晶が形成された母体媒質は、Ｐ型またはＮ型の片方のみの導電性を有する。したがって、コア層上部の内部電極またはフォトニック結晶層の両端のターミナル電極に電圧を印加して、正孔（Ｐ型の場合）または電子（Ｎ型の場合）の密度変化に伴う母体材料の屈折率変化を電気光学素子に利用しようとする場合、次のような問題がある。
・上部電極とフォトニック結晶層とが離れているため、電界効果が弱くなり、低電圧化することができない。
・母体媒質がＰ型またはＮ型の片方のみの導電性を有するため、電圧を印加すると常に電流が流れ、消費電力を低減できない。また、電圧をゼロにした後も正孔または電子の拡散により密度変化の速度が遅くなる。よって正孔または電子の密度変化に伴う屈折率変化の速度が遅くなってしまう。
【００１２】
特許文献２に記載された技術においては、フォトニック結晶が形成された母体媒質は、Ｐ型またはＮ型の片方のみの導電性を有する。したがって、フォトニック結晶の両端の電極に電圧を印加して、正孔または電子の密度変化に伴う母体材料の屈折率変化を電気光学素子に利用しようとする場合、次のような問題がある。
・母体媒質がＰ型またはＮ型の片方のみの導電性を有するため、電圧を印加すると常に電流が流れ、消費電力を低減できない。また、電圧をゼロにした後も正孔または電子の拡散により密度変化の速度が遅くなる。よって正孔または電子の密度変化に伴う屈折率変化の速度が遅くなってしまう。
【００１３】
特許文献３に記載された技術においては、フォトニックギャップのスペクトル領域内に発生するギャップモードを利用しているため、次のような問題がある。
・分散特性におけるライトラインより低周波側でしか導波モードは存在せず、帯域幅は０．３ＴＨｚ程度と見込まれる。一方、光通信で使用する周波数帯としてＣバンドを例にとると、その帯域幅は４ＴＨｚである。よって、ごく限られたスペクトル領域でしか使用できない。
また、電気制御に関する接合構造が明示されていない。そのため、次のような問題がある。
・電流を低減することができず、消費電力を低減できない。
・正孔、電子または両方の拡散により密度変化の速度は遅くなる。よって、正孔、電子または両方の密度変化に伴う屈折率変化を利用した電気光学応答を高速化することはできない。
【００１４】
特許文献４に記載された技術においては、ＳＯＩ層にフォトニック結晶が形成されていない。また、ＳＯＩ層の面内に形成されたＰ−Ｎ接合では、接合バイアスがゼロでのＰ領域およびＮ領域の境界は、正孔および電子の密度が相互に次第に入れ替わる遷移領域となる。このため、次のような問題がある。
・フォトニック結晶が形成されていないため、電気光学効果の効率を上昇することができず、小型化（例えば位相変調部を１ｍｍ以下）することができない。
・Ｐ領域とＮ領域の境界は遷移領域であるため正孔および電子が分布している。よって、正孔および電子の密度変化による屈折率変化を発生させる場合、接合電流を低減することができず、消費電力を低減できない。また、Ｐ−Ｎ接合に印加する電圧を順バイアス条件から逆バイアス条件に高速に変化させても、正孔および電子の拡散により密度変化の速度は遅くなる。よって、正孔および電子の密度変化に伴う屈折率変化を利用した電気光学応答を高速化することはできない。
【００１５】
特許文献５および６に記載された技術においては、電気光学効果を発生させる領域（Ｐ領域およびＮ領域）にフォトニック結晶が形成されていない。またＰ−Ｎ接合は上下方向（基板面に垂直な方向）に形成されている。基板面に垂直に接合を形成する場合、シリコン系の材料で素子を作製することを前提とすると、上側の導電層はポリシリコンを積層し熱処理によって形成されることになる。以上により、次のような問題がある。
・フォトニック結晶が形成されていないため、電気光学効果の効率を上昇することができず、小型化（例えば位相変調部を１ｍｍ以下）することができない。
・上側の導電層内での粒界による光散乱が大きく、導波路の光損失を低減できない。波長分散補正素子では、補正料を増大するには導波路長を増す必要があるが、損失が大きいため、波長分散補正素子に応用することはできない。
【００１６】
非特許文献１に記載された技術においては、シリコンにおいて、電子または正孔の密度が変化した場合の屈折率変化が与えられているのみであり、いかなる構成を用いていかなる機能を実現するか、一切記載されていない。
【００１７】
非特許文献２に記載された技術においては、フォトニックギャップのスペクトル領域内に発生するギャップモードを利用しているため、次のような問題がある。
・分散特性におけるライトラインより低周波側でしか導波モードは存在せず、帯域幅は０．３ＴＨｚ程度と見込まれる。一方、光通信で使用する周波数帯としてＣバンドを例にとると、その帯域幅は４ＴＨｚである。よって、ごく限られたスペクトル領域でしか使用できない。
・導波モードの分散曲線の傾きは上記０．３ＴＨｚ内でも大きく変化する。そのため波長分散が大きく、伝送信号の波形を歪ませ、伝送品質を低下させる。
また、Ｐ−Ｉ−Ｐ接合またはＰ−Ｉ−Ｎ接合を利用しているため、次のような問題がある。
・Ｐ領域とＰ領域の境界、またはＰ領域とＮ領域の境界は遷移領域であるため正孔、電子または両方が分布している。よって、バイアスを高速に変化させても、正孔、電子または両方の拡散により密度変化の速度は遅くなる。よって、正孔、電子または両方の密度変化に伴う屈折率変化を利用した電気光学応答を高速化することはできない。
【００１８】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、電気光学効果を利用した光学素子において、消費電力の低減、電気光学応答の高速化、印加電圧の低電圧化、使用波長の広帯域化を図ることが可能な光学素子と、このような光学素子を用いた波長分散補正素子および位相変調素子を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
前記課題を解決するため、本発明は、光導波路コアが平板状のフォトニック結晶層およびその面の片側にリブ状に設けられた矩形導波路からなる光学素子であって、前記フォトニック結晶層は、Ｐ極性の導電性を有するＰ型領域と、Ｎ極性の導電性を有するＮ型領域とを有し、前記フォトニック結晶層の面内には、前記Ｐ型領域とＮ型領域とを隔てる絶縁媒質からなるギャップ領域が、前記矩形導波路の中心線と重なる線に沿って設けられていることを特徴とする光学素子を提供する。
【００２０】
前記フォトニック結晶層は、母体媒質中に、前記母体媒質と異なる屈折率を有する円柱部が周期的に配列されたものであり、前記ギャップ領域は、前記フォトニック結晶層中の円柱部と同じ周期で配置された円柱部を含み、前記ギャップ領域中の円柱部は、その中心軸がギャップ領域の中心線と交差するように配されているものとすることができる。
【００２１】
前記フォトニック結晶層中の円柱部が、前記ギャップ領域を構成する絶縁媒質と同じ材料からなるものとすることができる。
前記フォトニック結晶層は、前記光導波路コアに導波される光の周波数帯域より高周波側に、フォトニックギャップを有するものとすることができる。
前記フォトニック結晶層は、前記ギャップ領域を介して面内にＰ−Ｎ接合を有するものとすることができる。
【００２２】
前記光導波路コアは、シリコン基板上に絶縁層として設けられた酸化膜を下部クラッドとし、前記下部クラッドの上に前記フォトニック結晶層および前記ギャップ領域が設けられ、前記矩形導波路は、前記フォトニック結晶層および前記ギャップ領域の上に設けられ、前記光導波路コアの上には上部クラッドが設けられ、前記フォトニック結晶層の母体媒質がシリコンからなり、前記フォトニック結晶層中の円柱部および前記ギャップ領域を構成する絶縁媒質がＳｉＯ２からなり、前記矩形導波路がＳｉ３Ｎ４からなり、前記上部クラッドがＳｉＯ２からなるものとすることができる。
【００２３】
また、本発明は、上述の光学素子を有することを特徴とする波長分散補正素子を提供する。
また、本発明は、上述の光学素子を有することを特徴とする位相変調素子を提供する。
【００２４】
また、本発明は、光導波路コアが平板状のスラブ部およびその面の片側にリブ状に設けられた矩形導波路からなる光学素子であって、前記スラブ部は、Ｐ極性の導電性を有するＰ型領域と、Ｎ極性の導電性を有するＮ型領域とを有し、前記スラブ部の面内には、前記Ｐ型領域とＮ型領域とを隔てる絶縁媒質からなるギャップ領域が、前記矩形導波路の中心線と重なる線に沿って設けられていることを特徴とする光学素子を提供する。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、光導波路部に印加する電圧または電流の印加により媒質の屈折率変化を生じる光学素子において、消費電力の低減、電気光学応答の高速化、印加電圧の低電圧化、使用波長の広帯域化を図ることが可能になる。本発明の光学素子は、波長分散補正素子、位相変調素子、光強度変調素子などに応用することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、最良の形態に基づき、図面を参照して本発明を説明する。
＜第１実施形態例＞
図１に本発明の光学素子の第１実施形態例を示す。この図においては、光導波路の長手方向の一部における中央近傍部のみを示し、光導波路コアの幅方向の両端部にある電圧印加用電極（図５参照）と、長手方向の両端部にある入射部および出射部は、図示を省略してある。また、図１（ａ）においては、矩形導波路は輪郭のみ示すとともに、クラッドの図示を省略してある。
【００２７】
本形態例に係る光学素子１０は、光導波路コアが平板状のフォトニック結晶層１１およびその面の片側にリブ状に設けられた矩形導波路１４からなり、フォトニック結晶層１１は、Ｐ極性の導電性を有するＰ型領域１１Ａと、Ｎ極性の導電性を有するＮ型領域１１Ｂとを有し、さらにフォトニック結晶層１１の面内には、Ｐ型領域１１ＡとＮ型領域１１Ｂとを隔てる絶縁媒質からなるギャップ領域１３が、矩形導波路１４の中心線と重なる線に沿って設けられたものである。
【００２８】
図１（ｂ）に示す例では、光導波路構造が基板１７上に形成されている。具体的には、基板１７上に下部クラッド１５が設けられ、この下部クラッド１５の上にフォトニック結晶層１１およびギャップ領域１３が設けられ、さらにその上に矩形導波路１４が設けられ、フォトニック結晶層１１および矩形導波路１４上には上部クラッド１６が設けられている。矩形導波路１４は、フォトニック結晶層１１の下部に配されても良いが、フォトニック結晶層１１の上部に矩形導波路１４を配すれば、フォトニック結晶層１１の平坦性を確保するのが容易である。
【００２９】
フォトニック結晶は、屈折率が異なる二つの物質を周期的に配列した構造を有している。フォトニック結晶層１１を構成するＰ型領域１１ＡおよびＮ型領域１１Ｂは、フォトニック結晶の媒質中に適宜の不純物を添加することにより、それぞれＰ型またはＮ型の導電性を付与したものである。
【００３０】
フォトニック結晶層１１の母体媒質としては、導波される光の波長帯において下部クラッド１５および上部クラッド１６よりも屈折率が高く、かつ不純物の添加によってＰ極性またはＮ極性の導電性を付与された材料が用いられる。
Ｐ型領域１１ＡとＮ型領域１１Ｂは、光導波路コアで導波される光の伝搬方向によらず、互いに極性が逆であれば良い。したがって、図１では左側の領域をＰ型、右側の領域をＮ型としたが、極性が互いに反転して左側の領域をＮ型、右側の領域をＰ型としても、光学素子１０の特性に影響を与えない。
【００３１】
導電性を付与する不純物（ドーパント）は、母体媒質に応じて適宜選択して用いることができる。例えば、母体媒質がシリコン等のＩＶ族半導体である場合は、Ｐ型極性を与える添加物としてホウ素（Ｂ）等のＩＩＩ族元素が、また、Ｎ型極性を与える添加物としてリン（Ｐ）や砒素（Ａｓ）等のＶ族元素が挙げられる。
【００３２】
フォトニック結晶層１１の母体媒質内に周期的に配列された部分１２は、母体媒質とは異なる屈折率を有する材料からなるものであればよく、導電性を有する材料でも絶縁媒質でも構わない。この周期配列部分の形状は、特に限定されるものではないが、円柱状（円柱部１２）であることが好ましい。以下、当該部分を円柱部１２と称して説明する。
円柱部１２の配列は、適宜の二次元格子を構成するものであれば良いが、例えば図１（ａ）、図２に示すように正三角形を単位胞としたものが挙げられる。二次元格子は、Ｐ型領域１１ＡとＮ型領域１１Ｂにまたがって連続的に配置される。
また、円柱部１２は、ギャップ領域１３を構成する絶縁媒質と異なる材料から構成することもできるが、ギャップ領域１３を構成する絶縁媒質と同じ材料から構成することが好ましい。
【００３３】
ギャップ領域１３は、矩形導波路１４の中心線と重なる線に沿って設けられる。ここで矩形導波路１４の中心線とは、矩形導波路１４の断面（図１（ｂ）参照の）の中心点を、矩形導波路１４の長手方向に沿って連ねてなる線である。同様に、ギャップ領域１３の中心線は、ギャップ領域１３の断面（図１（ｂ）参照）の中心点を、ギャップ領域１３の長手方向に沿って連ねてなる線として定義される。
このとき、矩形導波路１４の中心線とギャップ領域１３の中心線とは互いに長手方向に沿って平行に配され、かつフォトニック結晶層１１の面に対して垂直（図１（ｂ）の上下方向）に重なる配置となる。したがって、図１（ａ）においては、ギャップ領域１３が矩形導波路１４の幅方向中央に重なって配される。
【００３４】
ギャップ領域１３は、導波される光の波長帯においてフォトニック結晶層１１および矩形導波路１４よりも屈折率が低く、かつＰ型領域１１ＡとＮ型領域１１Ｂとを隔てるため絶縁媒質（誘電体）からなる。フォトニック結晶層１１は、ギャップ領域１３を介して面内にＰ−Ｎ接合を有する。また、ギャップ領域１３は、フォトニック結晶層１１の面内に配され、かつフォトニック結晶層１１と同じ厚みを有する。
【００３５】
本形態例においては、ギャップ領域１３は、フォトニック結晶層１１中の円柱部１２と同じ周期で配置された円柱部１８を含んでいる。また、図１（ｂ）に示すように、ギャップ領域１３中の円柱部１８は、その中心軸がギャップ領域１３の中心線と交差するように配されている。好ましくは、円柱部１８の中心軸はフォトニック結晶層１１の面に対して垂直に配される。
【００３６】
矩形導波路１４は、断面が矩形状で、ギャップ領域１３と上下に重なる位置に配されている。矩形導波路１４の構成材料としては、導波される光の波長帯において下部クラッド１５および上部クラッド１６よりも屈折率が高い材料が用いられる。上部クラッド１６は、矩形導波路１４が存在する領域においては矩形導波路１４の上、矩形導波路１４が存在しない領域においてはＰ型領域１１ＡまたはＮ型領域１１Ｂの上に設けられる。
矩形導波路１４、下部クラッド１５および上部クラッド１６は、絶縁媒質から構成される。
【００３７】
本実施形態の光学素子１０においては、光を閉じ込めて伝搬させる複合コアが、平板状（スラブ状）のフォトニック結晶層１１および断面矩形状の矩形導波路１４とから構成される。すなわち、本発明においては、フォトニック結晶層１１がコアの一部として用いられるので、フォトニック結晶層１１のフォトニックギャップは、光導波路コアに導波される光の周波数帯域よりも低周波側また高周波側となるようにする必要がある。しかし、後述するように、フォトニック結晶層に導波される光の分散曲線の周波数領域は、高次モードほど周波数が高くなるという傾向を持つ。したがって、基本モードによる単一モード伝搬を行うためには、光導波路コアに導波される光の周波数帯域は、フォトニック結晶層のフォトニックギャップよりも低周波側となることが必要である。換言すれば、フォトニック結晶層は、そのフォトニックギャップが、光導波路コアに導波される光の周波数帯域よりも高周波側となるように設計されるのである。これにより、後述するように、フォトニック結晶層１１への電圧等の印加による屈折率変化によって、光導波路コアに導波される光をより効果的に変調することができる。
【００３８】
ただし、フォトニック結晶層１１の閉じ込め効率は低く、スラブモードとなる。すると、光は主に矩形導波路１４に導波されるので、フォトニック結晶層１１の屈折率変化に基づき、より大きな変調を付与するためには、矩形導波路１４はフォトニック結晶層１１の上に直接積層されることが望ましい。
なお、フォトニック結晶層１１の幅は、ギャップ領域１３の両側に円柱部１２が数個またはそれ以上配されれば良い。図１（ａ）には、ギャップ領域１３の両側に円柱部１２が３．５周期分図示されているが、特にこの数に限定されるものではない。
【００３９】
各部分を構成する材料および各部分の寸法について、シリコンに基づく実施例を挙げる。本実施例において、フォトニック結晶層１１を構成する母体材料はシリコン（Ｓｉ）で、その屈折率の設計値を３．４５とした。円柱部１２およびギャップ領域１３（円柱部１８を含む。）の材料は酸化シリコン（ＳｉＯ２）で、その屈折率の設計値を１．４５とした。単位胞である正三角形（図１の右上に示す。）の一辺の長さ、すなわちピッチａは４０３ｎｍとし、円柱部１２の直径２ｒは２５０ｎｍ（半径ｒは１２５ｎｍ）とした。
【００４０】
Ｐ型領域１１ＡにＰ型極性の導電性を生じるには、シリコンの母体媒質にホウ素（Ｂ）をイオン注入して正孔を発生させた。Ｎ型領域１１ＢにＮ型極性の導電性を生じるには、シリコンの母体媒質にリン（Ｐ）をイオン注入して電子を発生させた。正孔および電子の密度は、それぞれ室温で１０19／ｃｍ3とした。Ｐ型領域１１Ａ、ギャップ領域１３およびＮ型領域１１Ｂの厚みは１００ｎｍとした。
矩形導波路１４の材料は窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）とし、幅は１０００ｎｍ、厚みは４００ｎｍとした。下部クラッド１５の厚みは２０００ｎｍ、上部クラッド１６の厚みは矩形導波路１４の直上で４００ｎｍとした。
【００４１】
ギャップ領域１３のギャップ幅Ｗgapを決定する要因は、Ｐ型導電層とＮ型導電層との間に絶縁ギャップを設けることによりＰ−Ｎ接合間の電流が遮断される限り、Ｗgapを狭くすることが好ましい。Ｗgapが大きくなるほど電界効果は弱まり、動作電圧が上昇するため、Ｗgapを加工寸法の限界まで小さくすることが好ましい。シリコンデバイス製造プロセスにおいては、一般に光描画の分解能で加工寸法の限界値が規定され、約１８０ｎｍである。そこで、本実施例ではＷgapを１８０ｎｍとした。
【００４２】
絶縁ギャップ領域１３が存在することにより、光導波路の波長分散にどのような影響を生じるかは、本発明者らの知る限りでは未知であった。そこで、上述の実施例において、時間領域差分法（ｆｉｎｉｔｅ−ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｔｉｍｅ−ｄｏｍａｉｎ法）に基づき、ギャップ領域１３を含む導波路構造の光パルス伝搬解析を行い、波長分散への影響を解明した。その結果、ギャップ領域１３が存在することにより、ギャップ領域１３が存在しない場合（Ｐ型領域とＮ型領域が直接接合した場合）に比べて、波長分散の符号は変化しないことを確認した。また、そのときの波長分散の絶対値は減少するが、Ｗgap＝１８０ｎｍでは、波長分散の減少率は３０％以内であった。すると、導波路長を、ギャップ領域１３が存在しない場合と比べて最大で約３０％延長して設計することにより、ギャップ領域１３が存在しない場合と同等の波長分散を発生し、波長分散補正素子として利用することができる。
【００４３】
本実施例では、矩形導波路１４の長手方向は、図２の単位ベクトル１に平行である。ここで、単位ベクトル１は、単位胞を構成する正三角形のいずれか一つの頂点３から、その頂点３に相対する底辺の中点５に向かう。なお、単位ベクトル１の向きを反転して定義しても、光学素子１０の特性には影響を与えない。
なお、正三角形を単位胞とする二次元格子では、もう一つの単位ベクトル２が存在する。単位ベクトル２は、頂点３から別の頂点４に向かう。本形態例においては、矩形導波路１４の長手方向は、単位ベクトル２に平行としても良い。
【００４４】
上述のピッチａおよび円柱の直径２ｒに対して得られる導波モードの特性を計算により求めた結果を図３のグラフに示す。この分散曲線は、光導波路コアをスラブ（平板）とみなし、平面波展開法で求めたものである。図３のグラフの縦軸は光の周波数、横軸は波数である。横軸の両端は、波数がゼロの点（ｋΓ）に対応し、ｋＭは単位ベクトル２の終点に対応する波数空間上の点を指し、ｋＫは単位ベクトル１の終点に対応する波数空間上の点を指す。光の伝搬方向は、図３の領域（Ｉ）では単位ベクトル２に平行であり、領域（ＩＩＩ）では単位ベクトル１に平行である。
【００４５】
したがって、光導波路コアが単位ベクトル１に平行である本実施例では、領域（ＩＩＩ）が該当する波数領域であり、フォトニックギャップは、領域（ＩＩ）と領域（ＩＩＩ）の境界線ｋＫ上で、基本モードの分散曲線と一次モードの分散曲線との間隙の周波数領域に対応する。フォトニックギャップより低周波数側では、一次モードに対して全反射条件が満たされず、光学素子１０の光導波路は単一モード導波路となる。基本モードで伝搬する光の場合、周波数がフォトニックギャップに近いほど、波長分散および位相変化が大きくなるため、所望の波長分散補正や位相変調に要する導波路長を短くし、または印加電圧を低減することができる。
【００４６】
よって、対象とする周波数帯域（例えばＣバンド）全体がフォトニックギャップより低波長側に存在するためには、フォトニック結晶層のフォトニックギャップが、光導波路コアに導波される光の周波数帯域より高周波側に存在するように、ピッチａまたは直径２ｒを決める。例えばａ＝４０３ｎｍとすると、２ｒ≧２４０ｎｍとなる。また、ｒ／ａ＝０．３１とすると、ａ≧３９０ｎｍとなる。
【００４７】
フォトニックギャップの周波数は、波長分散補正や位相変調などの光学機能実現に要する導波路長の短縮化の観点から適宜設定すれば良い。例えば使用する光の波長帯域がＣバンド（１５３０〜１５６０ｎｍ）である場合は、周波数帯域に換算すると約１９２〜１９６ＴＨｚであるので、フォトニックギャップの周波数が例えば約２００ＴＨｚ付近にあるのが好ましい。Ｃバンド用素子について導波路長を従来の半分程度に小型化できる目安としては、フォトニックギャップの周波数が約２０８ＴＨｚ（波長では約１４４０ｎｍ）程度までの近さにあるのが例示できる。使用する光の帯域とフォトニックギャップとの差としては、周波数で約１２ＴＨｚ以内（波長では約９０ｎｍ以内）が目安になる。
【００４８】
また、光導波路コアが単位ベクトル２に平行である場合は、領域（Ｉ）が該当する波数領域であり、フォトニックギャップは、領域（Ｉ）と領域（ＩＩ）の境界線ｋＭ上で、基本モードの分散曲線と一次モードの分散曲線との間隙の周波数領域に対応する。この場合、図３の結果によれば、ｋＭ上のフォトニックギャップがｋＫ上の場合よりも低周波数側に位置する。このため、対象とする周波数帯域（例えばＣバンド）全体がフォトニックギャップより低波長側に存在するためには、ｋＫ上の場合に比べて、ピッチａまたは直径２ｒを小さくすれば良い。しかし寸法が小さくなると、加工技術の制約により寸法誤差や欠陥の影響が強くなる。ピッチａと直径２ｒとの比率（ｒ／ａ）は、いずれの円柱部１２も、隣接する円柱部１２やギャップ領域１３に重ならない範囲から選択する。
【００４９】
図４に、フォトニック結晶層１１に電圧を印加する方法の説明図を示す。なお、図４では、円柱部１２，１８、下部クラッド１５、上部クラッド１６、および基板１７の図示を省略してある。
本実施形態において、フォトニック結晶層１１に電圧を印加するには、図４に示すように、Ｐ型領域１１ＡおよびＮ型領域１１Ｂの両端部にそれぞれ電極１９Ａ，１９Ｂを設け、各電極１９Ａ，１９Ｂを電圧印加用の電源２０Ａ，２０Ｂに接続して、電極１９Ａ，１９Ｂ間に電位差を生じさせれば良い。電極１９Ａ，１９Ｂを構成する材料はアルミニウム（Ａｌ）などの良導体が挙げられ、接触抵抗を低減するため、熱処理による合金化を施しているものが好ましい。電源２０Ａ，２０Ｂは、電極１９Ａ，１９Ｂに電圧Ｖ１およびＶ２を各々印加する。
【００５０】
Ｐ型領域１１Ａ側の電圧Ｖ１が正で、Ｎ型領域１１Ｂ側の電圧Ｖ２が負の場合、順バイアス条件となり、正孔ｈはＰ型領域１１Ａ側からＮ型領域１１Ｂ側に向かって、電子ｅはＮ型領域１１Ｂ側からＰ型領域１１Ａ側に向かって流れようとする。しかし、ギャップ領域１３に阻止されるため、その反対側の領域まで流れることができない。その結果、矩形導波路１４の真下の領域に、ギャップ領域１３を挟んで正孔および電子が蓄積され、各々の密度が増大する。正孔、電子または両方の密度が増すと、非特許文献１に記載されているように、経験則に従い、屈折率が減少する。矩形導波路１４の真下の領域は導波光が存在する領域であるため、順バイアス条件で電圧を印加すると、導波光が存在する領域の屈折率を減少することができる。
【００５１】
一方、Ｐ型領域１１Ａ側の電圧Ｖ１が負で、Ｎ型領域１１Ｂ側の電圧Ｖ２が正の場合、逆バイアス条件となり、正孔ｈおよび電子ｅはギャップ領域１３から遠ざかる傾向を示し、矩形導波路１４の真下の領域において、正孔、電子または両方の密度が減少し、屈折率は増加する。すなわち、逆バイアス条件で電圧を印加すると、導波光が存在する領域の屈折率を増加することができる。
【００５２】
以上により、電極１９Ａ，１９Ｂに印加する電圧値を変えることにより、光が導波する領域に存在するフォトニック結晶層１１の母体媒質の屈折率を増減することができる。その結果、基本モードの分散曲線の傾きおよび曲率が変化し、位相や波長分散を可変とすることができる。なお、電圧Ｖ１、Ｖ２のいずれかをゼロとしてもＰ型領域１１ＡとＮ型領域１１Ｂとの間に電位差を生じさせることができるので、いずれかの電源２０Ａ，２０Ｂを省略しても良い。例えばＮ型領域１１Ｂ側の電源２０Ｂを省略した場合には、Ｐ型領域１１Ａ側の電圧Ｖ１の絶対値を必要なだけ増大させることにより、両方の電極１９Ａ，１９Ｂで電圧を印加した場合と同等の屈折率の増減分を得ることができる。逆にＰ型領域１１Ａ側の電源２０Ａを省略した場合には、Ｎ型領域１１Ｂ側の電圧Ｖ２の絶対値を必要なだけ増大させる。なお、電源のうちの一方を省略した場合、電源を省略した側の電極が接地されていても良く、あるいは、電源を省略した側の電極を省略することもできる。
【００５３】
このように、フォトニック結晶層１１が、Ｐ極性およびＮ極性という、極性が異なる二つの領域から構成されていると、単極性の場合に比べて、キャリアが正孔および電子の二種類があるため、各領域の電圧を変化させてキャリアを導波領域に引き寄せたり引き離したりすることが容易になるため、単極性の場合と同じ屈折率変化を生じる電圧を下げることができ、低電圧化が容易になる。
【００５４】
シリコン系の材料を用いて光学素子１０を作製する場合、基板１７上に絶縁層として設けられた酸化膜を下部クラッド１５とし、この下部クラッド１５の上にＳＯＩ層として形成されたシリコン層を用いてフォトニック結晶層１１を形成することが好ましい。この場合、フォトニック結晶層１１の母体媒質としてポリシリコン膜を積層する必要はないので、ポリシリコン膜内における粒界での光散乱がなく、光損失を増大するおそれはない。
【００５５】
また、絶縁ギャップ領域１３をフォトニック結晶層１１内の円柱部１２と同じ材料から構成するのであれば、これらを同時に形成することができる。例えば、ＳＯＩ層に光学描画およびドライエッチングを施して溝状および円柱状にシリコンを取り除き、気相化学成長法によってＳｉＯ２等の絶縁媒質を溝および円柱に埋め込む。絶縁媒質がシリコン層よりも厚く積層された部分は、同じ高さにまで平坦化する。
【００５６】
その他の製法は、特許文献１またはそのファミリー特許である日本国特許第３９１７１７０号公報を参照することができる。例えば基板１７は、例えばシリコン（Ｓｉ）によって形成され、導電性を持たせるため不純物が添加されたものが挙げられる。
矩形導波路１４は、フォトニック結晶層１１の上部に窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）の層を積層したのち、所定の幅および高さでパターニングし、ギャップ領域１３と重なる位置にＳｉ３Ｎ４層を残すことで形成できる。上部クラッド１６は、フォトニック結晶層１１および矩形導波路１４の上側にシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）を積層した後、矩形導波路１４上で隆起した形状となった場合には、不要部分をＣＭＰ研磨等によって除去してＳｉＯ２膜を平坦化することで形成できる。
【００５７】
本実施形態において、フォトニック結晶層１１が「平板状である」とは、フォトニック結晶層１１が製造工程において曲面状または平面と曲面とが組み合わされた形状となった場合も含み、二次元格子とは、当該フォトニック結晶層１１の形状に沿った配列も含むものとする。しかし、伝搬する光の直線性を考慮すると、フォトニック結晶層１１は平板状の一例として、平面状に形成されることが望ましい。
また、電極１９Ａ，１９Ｂは、フォトニック結晶層１１との接触面を比較的硬い合金であるチタン／ニッケル合金（ＴｉＮｉ）で形成し、図示しないリード線等との接触面を比較的柔らかいアルミ／カッパー合金（ＡｌＣｕ）で形成することも好ましい。この場合、フォトニック結晶層１１と電極１９Ａ，１９Ｂとの接着、および電極１９Ａ，１９Ｂとリード線等との接着の確実性を向上することができる。
【００５８】
図５に、本実施例の光学素子１０の模式的斜視図を示す。なお、図５では、下部クラッド１５、上部クラッド１６、および基板１７の図示を省略してある。電極１９Ａ，１９Ｂは、光導波路の長さ全体にわたって存在しているものとする。
【００５９】
本実施例において、波長分散の変化については上述したが、本実施例の光学素子１０は、下記に示すように印加電圧の変化によって位相変化を生じることができるので、位相変調素子にも応用が可能である。
Ｐ型領域１１Ａ側に印加する電圧Ｖ１を＋ＶＡとし、Ｎ型領域１１Ｂ側に印加する電圧Ｖ２を−ＶＡとしたとき（すなわちＶ１＝−Ｖ２）、導波路を伝搬した光の位相の変化を電圧ＶＡに対してプロットした結果を図６に示す。図６（ａ）には、波長１５３０ｎｍ（□）、１５４５ｎｍ（○）、および１５６０ｎｍ（△）での位相の電圧依存性を示してある。ＶＡが大きくなるほど位相は減少する。これは図４に関する説明で上述したとおり、ＶＡが大きくなるほど媒質の屈折率が減少するためである。各々の波長に対し、ＶＡを−５Ｖから＋５Ｖまでの範囲で変化させると、位相の変化分は絶対値で３．１４ｒａｄ以上となり、光強度変調に必要とされる半波長分以上の位相変化が得られた。１５６０ｎｍでの位相変化が最も小さいので、１５３０〜１５６０ｎｍのＣバンド全域で、光強度変調器としての動作が可能である。フォトニック結晶層１１を導波路コアの一部に用いることにより、フォトニック結晶のない導波路と比較して、位相の変化分が約一桁程度大きくなる。
【００６０】
図６（ａ）に示す位相の電圧依存性は、図６（ｂ）に示す位相の波長依存性から求めたものである。位相の波長依存性は、有限要素法（ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ、ＦＥＭ）に基づいてキャリア密度分布を計算し、さらに有限差分時間領域法（ｆｉｎｉｔｅ−ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｔｉｍｅ−ｄｏｍａｉｎ ｍｅｔｈｏｄ、ＦＤＴＤ）に基づいて伝搬光の位相変化を算出することによって求めた。図６（ｂ）には、ＶＡを−５Ｖから＋５Ｖまでの範囲で２．５Ｖ間隔で変化させ、各々のＶＡの値についてプロットした。この場合、位相の波長依存性は、正の曲率を有する放物線形となる。これは、フォトニック結晶の分散特性を反映した結果である。電圧ＶＡを変化させると、放物線の曲率が変化する。ＶＡが大きくなるほど媒質の屈折率が減少するため、放物線の曲率が減少する。波長分散量は位相の波長依存性を表す放物線の曲率に比例するため、印加電圧を変化させることにより波長分散を変化させることができ、波長分散の電圧による制御が可能になる。
なお、図６（ａ）、（ｂ）において、位相の原点は絶対位相の原点ではなく、任意である。
【００６１】
以上より、本実施例において、各電極１９Ａ，１９Ｂに印加する電圧を変化させることにより、位相および波長分散を変化させることが可能であることが示された。次に、電圧印加時に流れる電流が低く、低電圧・低電流動作、すなわち低電力動作が可能であることを、図７に示す直流電流−電圧特性の実験結果に基づいて説明する。図７の横軸は電極１９Ａ，１９Ｂ間の電位差（Ｖ１−Ｖ２）であり、電極１９Ｂに印加した電圧Ｖ２を基準としたものである。上述したようにＶ１＝ＶＡ、Ｖ２＝−ＶＡとしたので、横軸は２ＶＡとなる。電位差が−３０Ｖから＋３０Ｖまで変化しても、流れる電流は絶対値で最大０．２ｎＡであった。図６（ａ）の横軸に示した電圧範囲（−５〜＋５Ｖ）では、最大の電位差は１０Ｖであり、電流は絶対値にして０．０３ｎＡ以下である。よってこの電圧範囲における消費電力は０．３ｎＷ以下となり、非常に低電力での動作が可能であることが分かる。
【００６２】
＜第２実施形態例＞
図８に本発明の光学素子の第２実施形態例を示す。第２実施形態例の光学素子２０は、ギャップ領域２８から円柱部を省略した他は第１実施形態例の光学素子１０と同様の構成を有しており、図８は、図１と同様に表してある。例えば第１実施形態例においてギャップ幅Ｗgapを１８０ｎｍ、円柱部１８の直径２ｒを２６０ｎｍとすると、円柱部１８の断面積の約８０％がギャップ領域１３のギャップ幅Ｗgap内に含まれる。よって、製造過程における光描画装置の露光分解能や加工精度等によっては、ギャップ領域１３とＰ型またはＮ型領域１１Ａ，１１Ｂとの境界部における円柱部１８の形状が明確にならず、円柱部１８の有無が波長分散に大きな影響を与えない。その場合、図８に示すように、ギャップ領域２３から円柱部を除いても良い。
【００６３】
＜第３、第４実施形態例＞
フォトニック結晶によれば位相変化は増大するが、位相の波長依存性も大きくなる。光変調器への応用では、電源の構成を簡素化する目的で、波長の違いによる印加電圧の変動を避けるため、位相の波長依存性を低減することが必要になる場合がある。この場合には、印加電圧の変動による位相の変化量を減少させたとしても、フォトニック結晶の影響を低減したい場合がある。それには図３に示すように、フォトニック結晶を構成する円柱の数を減少させるのがひとつの方法である。
【００６４】
図９に示す第３実施形態例の光学素子３０は、ギャップ領域３８に隣接する円柱部３２を省略した他は第２実施形態例の光学素子２０と同様の構成を有する。なお、図９は、図１と同様に表してある。この場合でも、フォトニック結晶は矩形導波路１４の真下の領域まで存在している。波長依存性をさらに低減したい場合には、さらに外側の円柱部３２をもう一列除けば良い。
【００６５】
図１０に示す第４実施形態例の光学素子４０は、円柱部をすべて省略した他は第３実施形態例の光学素子３０と同様の構成を有する。この光学素子４０では、フォトニック結晶の代わりに、Ｐ極性またはＮ型の導電性を有する均質な層が設けられる。すなわち、光学素子４０の光導波路コアが平板状のスラブ部４１およびその面の片側にリブ状に設けられた矩形導波路４４からなり、スラブ部４１は、Ｐ極性の導電性を有するＰ型領域４１Ａと、Ｎ極性の導電性を有するＮ型領域４１Ｂとを有し、スラブ部４１の面内には、Ｐ型領域４１ＡとＮ型領域４１Ｂとを隔てる絶縁媒質からなるギャップ領域４３が、矩形導波路４４の中心線と重なる線に沿って設けられたものとなる。この場合は、波長依存性を最低限にすることができる。
【００６６】
＜波長分散補正素子の構成例＞
図１１に、本発明の光学素子を利用した本発明の波長分散補正素子の構成例を示す。この波長分散補正素子５０は、上述の光学素子５１がパッケージに封入された形態で設けられ、該光学素子５１の入射側には入力用光ファイバ５２が接続され、出射側には出力用光ファイバ５３が接続されている。長距離の光ファイバ伝送路を伝搬する間にその波長分散によって時間幅が広がった光パルス５４が入力用光ファイバ５２を通じて光学素子５１に入射される。光学素子５１には、その波長分散を制御するための電源５６Ａ，５６Ｂが接続されている。これらの電源は、図４の電源２０Ａ，２０Ｂに対応するものであり、一方の電源５６Ａは、光学素子５１のＰ型領域側の電極に電圧Ｖ１を印加し、他方の電源５６Ｂは、光学素子５１のＮ型領域側の電極に電圧Ｖ２を印加する。それぞれの電圧Ｖ１，Ｖ２は互いに異符号とすると、電圧Ｖ１，Ｖ２の絶対値を大きくすることなく、電位差（Ｖ１−Ｖ２）を大きくすることができる。２つの電源５６Ａ，５６Ｂは単一の電源装置に組み込まれたものであっても良い。また、２つの電源５６Ａ，５６Ｂのうち一方が省略され、接地されていても良い。第１実施形態例の光学素子１０を光学素子５１として用いた場合、光学素子５１の導波路長を１００ｍｍとすると、電圧変化により波長分散が変化するのに要する時間は０．１ｍｓ以下とすることができる。
【００６７】
＜位相変調素子および光強度変調素子の構成例＞
図１２に、本発明の光学素子を利用した本発明の位相変調素子および光強度変調素子の構成例を示す。図１２に示す光強度変調素子６０は、マッハツェンダー型干渉導波路の片方の分岐導波路６１Ａには実施例１〜３の光学素子を設け、第１の位相変調部（位相変調素子）６２とする。また、他方の分岐導波路６１Ｂには、実施例１〜３の光学素子を設け、第２の位相変調部（位相変調素子）６３とする。マッハツェンダー型干渉導波路および両位相変調部は同一の基板上に構成される。マッハツェンダー型干渉導波路の部分の光導波路は、実施例４に示すようにフォトニック結晶を構成する円柱部がないものが用いられる。
【００６８】
第１の位相変調部６２には、第１の電気信号源６４により電気信号が印加され、第２の位相変調部６３には、第２の電気信号源６５により電気信号が印加される。電気信号の印加は、位相変調部を構成する光学素子の両方の電極に印加するのでも良く、一方の電極にのみ印加するのでも良い。
マッハツェンダー型干渉導波路の入力用導波路６０Ａに連続光を入射すると、各々の
分岐導波路６１Ａ，６１Ｂに光が分岐され、それぞれが電気信号により強度変調される。第１の電気信号源６４と第２の電気信号源６５との間で電気信号の符号を反転させると、出力用導波路６０Ｂから出射する出射光にはチャープが発生せず、ひずみのない強度変調光が生成される。両位相変調部６２，６３の導波路長を１ｍｍとすると、電気信号として印加する電圧が最大４Ｖ以下で、４０Ｇｂｐｓ（ギガビット毎秒）の伝送レートで強度変調を行うことができる。
【００６９】
これに対して、上記特許文献６に関連する文献（Ｌ．Ｌｉａｏら、“Ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｓｉｌｉｃｏｎ Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ”、Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ、２００５年、第１３巻、ｐ．３１２９−３１３５）では、位相変調部が３．４５ｍｍ以上とされている。これと比較すると、導波路長が１ｍｍである本実施例によれば、導波路長を３分の１以下に小型化できることになる。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
本発明の光学素子は、波長分散補正素子、位相変調素子、光強度変調素子などに応用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本発明の光学素子の第１実施形態例を示す図面であって、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）のＰ１−Ｐ１線に沿う断面図である。
【図２】フォトニック結晶の単位胞を規定する単位ベクトルの説明図である。
【図３】本発明の第１実施形態例における導波モードの分散特性の一例を示すグラフである。
【図４】フォトニック結晶への電圧印加によるキャリアの密度変化の説明図である。
【図５】フォトニック結晶に電圧を印加するための電極の配置例を示す斜視図である。
【図６】本発明の第１実施形態例における（ａ）位相の電圧依存性、および（ｂ）位相の波長依存性の一例を示すグラフである。
【図７】本発明の第１実施形態例における直流電流−電圧特性の一例を示すグラフである。
【図８】本発明の光学素子の第２実施形態例を示す図面であって、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）のＰ２−Ｐ２線に沿う断面図である。
【図９】本発明の光学素子の第３実施形態例を示す図面であって、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）のＰ３−Ｐ３線に沿う断面図である。
【図１０】本発明の光学素子の第４実施形態例を示す断面図である。
【図１１】本発明の波長分散補正素子の一例を示す概略構成図である。
【図１２】本発明の位相変調素子の一例を示す概略構成図である。
【符号の説明】
【００７２】
１０，２０，３０，４０…光学素子、１１，２１，３１…フォトニック結晶層、４１…スラブ部、１１Ａ，２１Ａ，３１Ａ，４１Ａ…Ｐ型領域、１１Ｂ，２１Ｂ，３１Ｂ，４１Ｂ…Ｎ型領域、１２，２２，３２…円柱部、１３，２３，３３，４３…ギャップ領域、１４，２４，３４，４４…矩形導波路、１５，２５，３５，４５…下部クラッド、１６，２６，３６，４６…上部クラッド、１７，２７，３７，４７…基板、１８…円柱部、１９Ａ，１９Ｂ…電極、２０Ａ，２０Ｂ…電源、５０…波長分散補正素子、６０…光強度変調素子。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光導波路部に印加する電圧または電流の印加により波長分散補正や位相変調が可能な光学素子と、このような光学素子を用いた波長分散補正素子および位相変調素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
フォトニック結晶を含む光導波路において波長分散補正や位相変調等を行うための構造が、下記の特許文献１〜３に記載されている。
【０００３】
特許文献１（特に第１図）には、異なる屈折率を有する媒質がナノメートルスケールで周期配列して構成されるフォトニック結晶層を含む波長分散を利用し、光導波路に印加する電圧または電流を変化させて波長分散を制御する小型の波長分散補正素子が記載されている。この波長分散補正素子においては、穴が周期的に配列されたフォトニック結晶層の上にコア層が設けられ、コア層の上部になる内部電極に電圧を印加するか、またはフォトニック結晶層に接したターミナル電極間に電流もしくは電圧を印加することにより、波長分散を電気的に制御することができる。材料は、例えばフォトニック結晶層の母体がシリコン（Ｓｉ）、穴が二酸化シリコン（ＳｉＯ２）、コア層が窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）、上部クラッドおよび下部クラッドがＳｉＯ２である。
【０００４】
特許文献２（特に図１）には、光の伝送路に対して所定の位相変調を付与するフォトニック結晶部と、当該フォトニック結晶部にエネルギー（電圧、電流等）を付与するエネルギー付与部を有し、フォトニック結晶部は、伝送路の上または下に形成された光学素子が記載されている。また、この光学素子を利用し、小型かつ低電圧で動作可能な光変調器として、マッハツェンダー型導波路の分岐した各々の導波路のコア下部にフォトニック結晶部が配された構成例が示されている。マッハツェンダー型導波路を構成する材料は例えばＳｉ３Ｎ４であり、フォトニック結晶部は、Ｓｉ膜中にＳｉＯ２円板を三角格子状に配列したものである。フォトニック結晶部はＳｉ母材に不純物を添加して導電性を有するので、印加電圧を変化させると母材中の電子または正孔の濃度の変化により屈折率が変化する。これにより、フォトニック結晶部の特性を支配する分散曲線を変化させ、その結果として位相シフトを発生させることができる。
【０００５】
特許文献３（特に第３図）には、フォトニック結晶のバンドギャップ領域のスペクトル帯を利用し、フォトニック結晶をクラッドとして利用した波長分散補正素子が記載されている。バンドギャップ条件にあるフォトニック結晶の中に線状欠陥を設けると、フォトニックバンド内のスペクトル領域にギャップモードが発生する。すなわち、光が線状欠陥に閉じ込められ、その線状欠陥に沿って導波される。フォトニック結晶の周期の異なる領域を導波方向に複数接続することにより、波長分散の符号および最低次と高次の波長分散を、電気や熱等の作用によって可変とすることができる。
【０００６】
フォトニック結晶を含まないシリコン系の光導波路において屈折率を変化させて位相変調を発生させるための構造が、下記の特許文献４〜６に記載されている。
【０００７】
特許文献４（特に第５図）には、光導波路の一部を構成するＳＯＩ層（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ：絶縁膜上に形成したシリコン層）の面内にＰ−Ｎ接合を形成した構造が記載されている。ＳＯＩ層は、絶縁層の上に位置し、その上には酸化層およびＳｉＮリブが形成される。Ｐ−Ｎ接合の両端には、Ｎ型Ｓｉ領域への電気接触部およびＰ型Ｓｉ領域への電気接触部がそれぞれ設けられている。
【０００８】
特許文献５（特に第１図）には、ＳＯＩ層及びその上にシリコン層を形成し、それぞれのシリコン層が各々極性の異なる導電性（Ｐ型またはＮ型）を有し、両者の間に誘電体膜を挟むことにより、Ｐ−Ｎ接合を形成した構造が記載されている。Ｐ型導電層とＮ型導電層との間に誘電体層を設けることによりＰ−Ｎ接合間の電流が遮断され、消費電力が低減される。同時に正孔および電子の拡散も遮断され、正孔および電子の密度変化に基づく電気光学効果の応答速度は正孔および電子の拡散速度で律速されないものとなる。
【０００９】
特許文献６（特に第１図）には、Ｐ−Ｎ接合が上下に積層された半導体膜（例えば上側がＮ型で下側がＰ型）により形成され、その中間に絶縁層が介在する構造が記載されている。下型の半導体層の材料の例はＳＯＩ層であり、絶縁層の例はＳｉＯＮあるいはＳｉＯ２である。Ｐ型半導体層とＮ型半導体層との間に絶縁層を設けることによりＰ−Ｎ接合間の電流が遮断され、消費電力が低減される。同時に正孔および電子の拡散も遮断され、正孔および電子の密度変化に基づく電気光学効果の応答速度は正孔および電子の拡散速度で律速されないものとなる。
【００１０】
非特許文献１では、Ｐ極性およびＮ極性の導電性を持つシリコンにおいて、自由キャリア吸収による屈折率の波長依存性が吸収スペクトルデータに基づいて導出されている。また、キャリア濃度が変化した際、波長１５５０ｎｍおよび１３００ｎｍにおいて屈折率がどの程度変化するか、経験式が与えられている。
非特許文献２では、フォトニックギャップ導波路を位相変調部に用いて、それをマッハ−ツェンダー型導波路の両分岐部分に組み込んだ光強度変調器が記載されている。ここでフォトニックギャップ導波路は、フォトニック結晶のバンドギャップ領域のスペクトル帯を利用し、フォトニック結晶中に設けた線状欠陥をコア、フォトニック結晶をクラッドとしたものである。導波路をはさんでＰ−Ｉ−Ｐ接合を形成し、電気的に位相変調を行う。ギャップモードの分散曲線の傾きが水平に近くなっているため、位相変化が大きくなり、短い導波路長での光強度変調が可能になる。
【特許文献１】米国特許第７０６５２８０号明細書
【特許文献２】特開２００７−１７１４２２号公報
【特許文献３】国際公開第２００４／０６３７９７号
【特許文献４】米国特許出願公開第２００６／０１３３７５４号明細書
【特許文献５】米国特許第７０６５３０１号明細書
【特許文献６】米国特許第７０３５４８７号明細書
【非特許文献１】Ｒ．Ａ．ＳｏｒｅｆおよびＢ．Ａ．Ｂａｎｎｅｔｔ、“Ｅｌｅｃｔｒｏｏｐｔｉｃ ｅｆｆｅｃｔｓ ｉｎ ｓｉｌｉｃｏｎ”、ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ、１９８７年、第１号，ｐ．１２３−１２９
【非特許文献２】Ｙ．Ｊｉａｎｇら、“８０−ｍｉｃｒｏｎ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｌｅｎｇｔｈ ｓｉｌｉｃｏｎ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ ｗａｖｇｕｉｄｅ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ”、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、２００５年、第８７巻、第２２号，ｐ．２２１１０５−１から２２１１０５−３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
特許文献１に記載された技術においては、電圧を印加する内部電極はコア層の上部にある。また、フォトニック結晶が形成された母体媒質は、Ｐ型またはＮ型の片方のみの導電性を有する。したがって、コア層上部の内部電極またはフォトニック結晶層の両端のターミナル電極に電圧を印加して、正孔（Ｐ型の場合）または電子（Ｎ型の場合）の密度変化に伴う母体材料の屈折率変化を電気光学素子に利用しようとする場合、次のような問題がある。
・上部電極とフォトニック結晶層とが離れているため、電界効果が弱くなり、低電圧化することができない。
・母体媒質がＰ型またはＮ型の片方のみの導電性を有するため、電圧を印加すると常に電流が流れ、消費電力を低減できない。また、電圧をゼロにした後も正孔または電子の拡散により密度変化の速度が遅くなる。よって正孔または電子の密度変化に伴う屈折率変化の速度が遅くなってしまう。
【００１２】
特許文献２に記載された技術においては、フォトニック結晶が形成された母体媒質は、Ｐ型またはＮ型の片方のみの導電性を有する。したがって、フォトニック結晶の両端の電極に電圧を印加して、正孔または電子の密度変化に伴う母体材料の屈折率変化を電気光学素子に利用しようとする場合、次のような問題がある。
・母体媒質がＰ型またはＮ型の片方のみの導電性を有するため、電圧を印加すると常に電流が流れ、消費電力を低減できない。また、電圧をゼロにした後も正孔または電子の拡散により密度変化の速度が遅くなる。よって正孔または電子の密度変化に伴う屈折率変化の速度が遅くなってしまう。
【００１３】
特許文献３に記載された技術においては、フォトニックギャップのスペクトル領域内に発生するギャップモードを利用しているため、次のような問題がある。
・分散特性におけるライトラインより低周波側でしか導波モードは存在せず、帯域幅は０．３ＴＨｚ程度と見込まれる。一方、光通信で使用する周波数帯としてＣバンドを例にとると、その帯域幅は４ＴＨｚである。よって、ごく限られたスペクトル領域でしか使用できない。
また、電気制御に関する接合構造が明示されていない。そのため、次のような問題がある。
・電流を低減することができず、消費電力を低減できない。
・正孔、電子または両方の拡散により密度変化の速度は遅くなる。よって、正孔、電子または両方の密度変化に伴う屈折率変化を利用した電気光学応答を高速化することはできない。
【００１４】
特許文献４に記載された技術においては、ＳＯＩ層にフォトニック結晶が形成されていない。また、ＳＯＩ層の面内に形成されたＰ−Ｎ接合では、接合バイアスがゼロでのＰ領域およびＮ領域の境界は、正孔および電子の密度が相互に次第に入れ替わる遷移領域となる。このため、次のような問題がある。
・フォトニック結晶が形成されていないため、電気光学効果の効率を上昇することができず、小型化（例えば位相変調部を１ｍｍ以下）することができない。
・Ｐ領域とＮ領域の境界は遷移領域であるため正孔および電子が分布している。よって、正孔および電子の密度変化による屈折率変化を発生させる場合、接合電流を低減することができず、消費電力を低減できない。また、Ｐ−Ｎ接合に印加する電圧を順バイアス条件から逆バイアス条件に高速に変化させても、正孔および電子の拡散により密度変化の速度は遅くなる。よって、正孔および電子の密度変化に伴う屈折率変化を利用した電気光学応答を高速化することはできない。
【００１５】
特許文献５および６に記載された技術においては、電気光学効果を発生させる領域（Ｐ領域およびＮ領域）にフォトニック結晶が形成されていない。またＰ−Ｎ接合は上下方向（基板面に垂直な方向）に形成されている。基板面に垂直に接合を形成する場合、シリコン系の材料で素子を作製することを前提とすると、上側の導電層はポリシリコンを積層し熱処理によって形成されることになる。以上により、次のような問題がある。
・フォトニック結晶が形成されていないため、電気光学効果の効率を上昇することができず、小型化（例えば位相変調部を１ｍｍ以下）することができない。
・上側の導電層内での粒界による光散乱が大きく、導波路の光損失を低減できない。波長分散補正素子では、補正料を増大するには導波路長を増す必要があるが、損失が大きいため、波長分散補正素子に応用することはできない。
【００１６】
非特許文献１に記載された技術においては、シリコンにおいて、電子または正孔の密度が変化した場合の屈折率変化が与えられているのみであり、いかなる構成を用いていかなる機能を実現するか、一切記載されていない。
【００１７】
非特許文献２に記載された技術においては、フォトニックギャップのスペクトル領域内に発生するギャップモードを利用しているため、次のような問題がある。
・分散特性におけるライトラインより低周波側でしか導波モードは存在せず、帯域幅は０．３ＴＨｚ程度と見込まれる。一方、光通信で使用する周波数帯としてＣバンドを例にとると、その帯域幅は４ＴＨｚである。よって、ごく限られたスペクトル領域でしか使用できない。
・導波モードの分散曲線の傾きは上記０．３ＴＨｚ内でも大きく変化する。そのため波長分散が大きく、伝送信号の波形を歪ませ、伝送品質を低下させる。
また、Ｐ−Ｉ−Ｐ接合またはＰ−Ｉ−Ｎ接合を利用しているため、次のような問題がある。
・Ｐ領域とＰ領域の境界、またはＰ領域とＮ領域の境界は遷移領域であるため正孔、電子または両方が分布している。よって、バイアスを高速に変化させても、正孔、電子または両方の拡散により密度変化の速度は遅くなる。よって、正孔、電子または両方の密度変化に伴う屈折率変化を利用した電気光学応答を高速化することはできない。
【００１８】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、電気光学効果を利用した光学素子において、消費電力の低減、電気光学応答の高速化、印加電圧の低電圧化、使用波長の広帯域化を図ることが可能な光学素子と、このような光学素子を用いた波長分散補正素子および位相変調素子を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
前記課題を解決するため、本発明は、光導波路コアが平板状のフォトニック結晶層およびその面の片側にリブ状に設けられた矩形導波路からなる光学素子であって、前記フォトニック結晶層は、Ｐ極性の導電性を有するＰ型領域と、Ｎ極性の導電性を有するＮ型領域とを有し、前記フォトニック結晶層の面内には、前記Ｐ型領域とＮ型領域とを隔てる絶縁媒質からなるギャップ領域が、前記矩形導波路の中心線と重なる線に沿って設けられていることを特徴とする光学素子を提供する。
【００２０】
前記フォトニック結晶層は、母体媒質中に、前記母体媒質と異なる屈折率を有する円柱部が周期的に配列されたものであり、前記ギャップ領域は、前記フォトニック結晶層中の円柱部と同じ周期で配置された円柱部を含み、前記ギャップ領域中の円柱部は、その中心軸がギャップ領域の中心線と交差するように配されているものとすることができる。
【００２１】
前記フォトニック結晶層中の円柱部が、前記ギャップ領域を構成する絶縁媒質と同じ材料からなるものとすることができる。
前記フォトニック結晶層は、前記光導波路コアに導波される光の周波数帯域より高周波側に、フォトニックギャップを有するものとすることができる。
前記フォトニック結晶層は、前記ギャップ領域を介して面内にＰ−Ｎ接合を有するものとすることができる。
【００２２】
前記光導波路コアは、シリコン基板上に絶縁層として設けられた酸化膜を下部クラッドとし、前記下部クラッドの上に前記フォトニック結晶層および前記ギャップ領域が設けられ、前記矩形導波路は、前記フォトニック結晶層および前記ギャップ領域の上に設けられ、前記光導波路コアの上には上部クラッドが設けられ、前記フォトニック結晶層の母体媒質がシリコンからなり、前記フォトニック結晶層中の円柱部および前記ギャップ領域を構成する絶縁媒質がＳｉＯ２からなり、前記矩形導波路がＳｉ３Ｎ４からなり、前記上部クラッドがＳｉＯ２からなるものとすることができる。
【００２３】
また、本発明は、上述の光学素子を有することを特徴とする波長分散補正素子を提供する。
また、本発明は、上述の光学素子を有することを特徴とする位相変調素子を提供する。
【００２４】
また、本発明は、光導波路コアが平板状のスラブ部およびその面の片側にリブ状に設けられた矩形導波路からなる光学素子であって、前記スラブ部は、Ｐ極性の導電性を有するＰ型領域と、Ｎ極性の導電性を有するＮ型領域とを有し、前記スラブ部の面内には、前記Ｐ型領域とＮ型領域とを隔てる絶縁媒質からなるギャップ領域が、前記矩形導波路の中心線と重なる線に沿って設けられていることを特徴とする光学素子を提供する。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、光導波路部に印加する電圧または電流の印加により媒質の屈折率変化を生じる光学素子において、消費電力の低減、電気光学応答の高速化、印加電圧の低電圧化、使用波長の広帯域化を図ることが可能になる。本発明の光学素子は、波長分散補正素子、位相変調素子、光強度変調素子などに応用することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、最良の形態に基づき、図面を参照して本発明を説明する。
＜第１実施形態例＞
図１に本発明の光学素子の第１実施形態例を示す。この図においては、光導波路の長手方向の一部における中央近傍部のみを示し、光導波路コアの幅方向の両端部にある電圧印加用電極（図５参照）と、長手方向の両端部にある入射部および出射部は、図示を省略してある。また、図１（ａ）においては、矩形導波路は輪郭のみ示すとともに、クラッドの図示を省略してある。
【００２７】
本形態例に係る光学素子１０は、光導波路コアが平板状のフォトニック結晶層１１およびその面の片側にリブ状に設けられた矩形導波路１４からなり、フォトニック結晶層１１は、Ｐ極性の導電性を有するＰ型領域１１Ａと、Ｎ極性の導電性を有するＮ型領域１１Ｂとを有し、さらにフォトニック結晶層１１の面内には、Ｐ型領域１１ＡとＮ型領域１１Ｂとを隔てる絶縁媒質からなるギャップ領域１３が、矩形導波路１４の中心線と重なる線に沿って設けられたものである。
【００２８】
図１（ｂ）に示す例では、光導波路構造が基板１７上に形成されている。具体的には、基板１７上に下部クラッド１５が設けられ、この下部クラッド１５の上にフォトニック結晶層１１およびギャップ領域１３が設けられ、さらにその上に矩形導波路１４が設けられ、フォトニック結晶層１１および矩形導波路１４上には上部クラッド１６が設けられている。矩形導波路１４は、フォトニック結晶層１１の下部に配されても良いが、フォトニック結晶層１１の上部に矩形導波路１４を配すれば、フォトニック結晶層１１の平坦性を確保するのが容易である。
【００２９】
フォトニック結晶は、屈折率が異なる二つの物質を周期的に配列した構造を有している。フォトニック結晶層１１を構成するＰ型領域１１ＡおよびＮ型領域１１Ｂは、フォトニック結晶の媒質中に適宜の不純物を添加することにより、それぞれＰ型またはＮ型の導電性を付与したものである。
【００３０】
フォトニック結晶層１１の母体媒質としては、導波される光の波長帯において下部クラッド１５および上部クラッド１６よりも屈折率が高く、かつ不純物の添加によってＰ極性またはＮ極性の導電性を付与された材料が用いられる。
Ｐ型領域１１ＡとＮ型領域１１Ｂは、光導波路コアで導波される光の伝搬方向によらず、互いに極性が逆であれば良い。したがって、図１では左側の領域をＰ型、右側の領域をＮ型としたが、極性が互いに反転して左側の領域をＮ型、右側の領域をＰ型としても、光学素子１０の特性に影響を与えない。
【００３１】
導電性を付与する不純物（ドーパント）は、母体媒質に応じて適宜選択して用いることができる。例えば、母体媒質がシリコン等のＩＶ族半導体である場合は、Ｐ型極性を与える添加物としてホウ素（Ｂ）等のＩＩＩ族元素が、また、Ｎ型極性を与える添加物としてリン（Ｐ）や砒素（Ａｓ）等のＶ族元素が挙げられる。
【００３２】
フォトニック結晶層１１の母体媒質内に周期的に配列された部分１２は、母体媒質とは異なる屈折率を有する材料からなるものであればよく、導電性を有する材料でも絶縁媒質でも構わない。この周期配列部分の形状は、特に限定されるものではないが、円柱状（円柱部１２）であることが好ましい。以下、当該部分を円柱部１２と称して説明する。
円柱部１２の配列は、適宜の二次元格子を構成するものであれば良いが、例えば図１（ａ）、図２に示すように正三角形を単位胞としたものが挙げられる。二次元格子は、Ｐ型領域１１ＡとＮ型領域１１Ｂにまたがって連続的に配置される。
また、円柱部１２は、ギャップ領域１３を構成する絶縁媒質と異なる材料から構成することもできるが、ギャップ領域１３を構成する絶縁媒質と同じ材料から構成することが好ましい。
【００３３】
ギャップ領域１３は、矩形導波路１４の中心線と重なる線に沿って設けられる。ここで矩形導波路１４の中心線とは、矩形導波路１４の断面（図１（ｂ）参照の）の中心点を、矩形導波路１４の長手方向に沿って連ねてなる線である。同様に、ギャップ領域１３の中心線は、ギャップ領域１３の断面（図１（ｂ）参照）の中心点を、ギャップ領域１３の長手方向に沿って連ねてなる線として定義される。
このとき、矩形導波路１４の中心線とギャップ領域１３の中心線とは互いに長手方向に沿って平行に配され、かつフォトニック結晶層１１の面に対して垂直（図１（ｂ）の上下方向）に重なる配置となる。したがって、図１（ａ）においては、ギャップ領域１３が矩形導波路１４の幅方向中央に重なって配される。
【００３４】
ギャップ領域１３は、導波される光の波長帯においてフォトニック結晶層１１および矩形導波路１４よりも屈折率が低く、かつＰ型領域１１ＡとＮ型領域１１Ｂとを隔てるため絶縁媒質（誘電体）からなる。フォトニック結晶層１１は、ギャップ領域１３を介して面内にＰ−Ｎ接合を有する。また、ギャップ領域１３は、フォトニック結晶層１１の面内に配され、かつフォトニック結晶層１１と同じ厚みを有する。
【００３５】
本形態例においては、ギャップ領域１３は、フォトニック結晶層１１中の円柱部１２と同じ周期で配置された円柱部１８を含んでいる。また、図１（ｂ）に示すように、ギャップ領域１３中の円柱部１８は、その中心軸がギャップ領域１３の中心線と交差するように配されている。好ましくは、円柱部１８の中心軸はフォトニック結晶層１１の面に対して垂直に配される。
【００３６】
矩形導波路１４は、断面が矩形状で、ギャップ領域１３と上下に重なる位置に配されている。矩形導波路１４の構成材料としては、導波される光の波長帯において下部クラッド１５および上部クラッド１６よりも屈折率が高い材料が用いられる。上部クラッド１６は、矩形導波路１４が存在する領域においては矩形導波路１４の上、矩形導波路１４が存在しない領域においてはＰ型領域１１ＡまたはＮ型領域１１Ｂの上に設けられる。
矩形導波路１４、下部クラッド１５および上部クラッド１６は、絶縁媒質から構成される。
【００３７】
本実施形態の光学素子１０においては、光を閉じ込めて伝搬させる複合コアが、平板状（スラブ状）のフォトニック結晶層１１および断面矩形状の矩形導波路１４とから構成される。すなわち、本発明においては、フォトニック結晶層１１がコアの一部として用いられるので、フォトニック結晶層１１のフォトニックギャップは、光導波路コアに導波される光の周波数帯域よりも低周波側また高周波側となるようにする必要がある。しかし、後述するように、フォトニック結晶層に導波される光の分散曲線の周波数領域は、高次モードほど周波数が高くなるという傾向を持つ。したがって、基本モードによる単一モード伝搬を行うためには、光導波路コアに導波される光の周波数帯域は、フォトニック結晶層のフォトニックギャップよりも低周波側となることが必要である。換言すれば、フォトニック結晶層は、そのフォトニックギャップが、光導波路コアに導波される光の周波数帯域よりも高周波側となるように設計されるのである。これにより、後述するように、フォトニック結晶層１１への電圧等の印加による屈折率変化によって、光導波路コアに導波される光をより効果的に変調することができる。
【００３８】
ただし、フォトニック結晶層１１の閉じ込め効率は低く、スラブモードとなる。すると、光は主に矩形導波路１４に導波されるので、フォトニック結晶層１１の屈折率変化に基づき、より大きな変調を付与するためには、矩形導波路１４はフォトニック結晶層１１の上に直接積層されることが望ましい。
なお、フォトニック結晶層１１の幅は、ギャップ領域１３の両側に円柱部１２が数個またはそれ以上配されれば良い。図１（ａ）には、ギャップ領域１３の両側に円柱部１２が３．５周期分図示されているが、特にこの数に限定されるものではない。
【００３９】
各部分を構成する材料および各部分の寸法について、シリコンに基づく実施例を挙げる。本実施例において、フォトニック結晶層１１を構成する母体材料はシリコン（Ｓｉ）で、その屈折率の設計値を３．４５とした。円柱部１２およびギャップ領域１３（円柱部１８を含む。）の材料は酸化シリコン（ＳｉＯ２）で、その屈折率の設計値を１．４５とした。単位胞である正三角形（図１の右上に示す。）の一辺の長さ、すなわちピッチａは４０３ｎｍとし、円柱部１２の直径２ｒは２５０ｎｍ（半径ｒは１２５ｎｍ）とした。
【００４０】
Ｐ型領域１１ＡにＰ型極性の導電性を生じるには、シリコンの母体媒質にホウ素（Ｂ）をイオン注入して正孔を発生させた。Ｎ型領域１１ＢにＮ型極性の導電性を生じるには、シリコンの母体媒質にリン（Ｐ）をイオン注入して電子を発生させた。正孔および電子の密度は、それぞれ室温で１０19／ｃｍ3とした。Ｐ型領域１１Ａ、ギャップ領域１３およびＮ型領域１１Ｂの厚みは１００ｎｍとした。
矩形導波路１４の材料は窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）とし、幅は１０００ｎｍ、厚みは４００ｎｍとした。下部クラッド１５の厚みは２０００ｎｍ、上部クラッド１６の厚みは矩形導波路１４の直上で４００ｎｍとした。
【００４１】
ギャップ領域１３のギャップ幅Ｗgapを決定する要因は、Ｐ型導電層とＮ型導電層との間に絶縁ギャップを設けることによりＰ−Ｎ接合間の電流が遮断される限り、Ｗgapを狭くすることが好ましい。Ｗgapが大きくなるほど電界効果は弱まり、動作電圧が上昇するため、Ｗgapを加工寸法の限界まで小さくすることが好ましい。シリコンデバイス製造プロセスにおいては、一般に光描画の分解能で加工寸法の限界値が規定され、約１８０ｎｍである。そこで、本実施例ではＷgapを１８０ｎｍとした。
【００４２】
絶縁ギャップ領域１３が存在することにより、光導波路の波長分散にどのような影響を生じるかは、本発明者らの知る限りでは未知であった。そこで、上述の実施例において、時間領域差分法（ｆｉｎｉｔｅ−ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｔｉｍｅ−ｄｏｍａｉｎ法）に基づき、ギャップ領域１３を含む導波路構造の光パルス伝搬解析を行い、波長分散への影響を解明した。その結果、ギャップ領域１３が存在することにより、ギャップ領域１３が存在しない場合（Ｐ型領域とＮ型領域が直接接合した場合）に比べて、波長分散の符号は変化しないことを確認した。また、そのときの波長分散の絶対値は減少するが、Ｗgap＝１８０ｎｍでは、波長分散の減少率は３０％以内であった。すると、導波路長を、ギャップ領域１３が存在しない場合と比べて最大で約３０％延長して設計することにより、ギャップ領域１３が存在しない場合と同等の波長分散を発生し、波長分散補正素子として利用することができる。
【００４３】
本実施例では、矩形導波路１４の長手方向は、図２の単位ベクトル１に平行である。ここで、単位ベクトル１は、単位胞を構成する正三角形のいずれか一つの頂点３から、その頂点３に相対する底辺の中点５に向かう。なお、単位ベクトル１の向きを反転して定義しても、光学素子１０の特性には影響を与えない。
なお、正三角形を単位胞とする二次元格子では、もう一つの単位ベクトル２が存在する。単位ベクトル２は、頂点３から別の頂点４に向かう。本形態例においては、矩形導波路１４の長手方向は、単位ベクトル２に平行としても良い。
【００４４】
上述のピッチａおよび円柱の直径２ｒに対して得られる導波モードの特性を計算により求めた結果を図３のグラフに示す。この分散曲線は、光導波路コアをスラブ（平板）とみなし、平面波展開法で求めたものである。図３のグラフの縦軸は光の周波数、横軸は波数である。横軸の両端は、波数がゼロの点（ｋΓ）に対応し、ｋＭは単位ベクトル２の終点に対応する波数空間上の点を指し、ｋＫは単位ベクトル１の終点に対応する波数空間上の点を指す。光の伝搬方向は、図３の領域（Ｉ）では単位ベクトル２に平行であり、領域（ＩＩＩ）では単位ベクトル１に平行である。
【００４５】
したがって、光導波路コアが単位ベクトル１に平行である本実施例では、領域（ＩＩＩ）が該当する波数領域であり、フォトニックギャップは、領域（ＩＩ）と領域（ＩＩＩ）の境界線ｋＫ上で、基本モードの分散曲線と一次モードの分散曲線との間隙の周波数領域に対応する。フォトニックギャップより低周波数側では、一次モードに対して全反射条件が満たされず、光学素子１０の光導波路は単一モード導波路となる。基本モードで伝搬する光の場合、周波数がフォトニックギャップに近いほど、波長分散および位相変化が大きくなるため、所望の波長分散補正や位相変調に要する導波路長を短くし、または印加電圧を低減することができる。
【００４６】
よって、対象とする周波数帯域（例えばＣバンド）全体がフォトニックギャップより低波長側に存在するためには、フォトニック結晶層のフォトニックギャップが、光導波路コアに導波される光の周波数帯域より高周波側に存在するように、ピッチａまたは直径２ｒを決める。例えばａ＝４０３ｎｍとすると、２ｒ≧２４０ｎｍとなる。また、ｒ／ａ＝０．３１とすると、ａ≧３９０ｎｍとなる。
【００４７】
フォトニックギャップの周波数は、波長分散補正や位相変調などの光学機能実現に要する導波路長の短縮化の観点から適宜設定すれば良い。例えば使用する光の波長帯域がＣバンド（１５３０〜１５６０ｎｍ）である場合は、周波数帯域に換算すると約１９２〜１９６ＴＨｚであるので、フォトニックギャップの周波数が例えば約２００ＴＨｚ付近にあるのが好ましい。Ｃバンド用素子について導波路長を従来の半分程度に小型化できる目安としては、フォトニックギャップの周波数が約２０８ＴＨｚ（波長では約１４４０ｎｍ）程度までの近さにあるのが例示できる。使用する光の帯域とフォトニックギャップとの差としては、周波数で約１２ＴＨｚ以内（波長では約９０ｎｍ以内）が目安になる。
【００４８】
また、光導波路コアが単位ベクトル２に平行である場合は、領域（Ｉ）が該当する波数領域であり、フォトニックギャップは、領域（Ｉ）と領域（ＩＩ）の境界線ｋＭ上で、基本モードの分散曲線と一次モードの分散曲線との間隙の周波数領域に対応する。この場合、図３の結果によれば、ｋＭ上のフォトニックギャップがｋＫ上の場合よりも低周波数側に位置する。このため、対象とする周波数帯域（例えばＣバンド）全体がフォトニックギャップより低波長側に存在するためには、ｋＫ上の場合に比べて、ピッチａまたは直径２ｒを小さくすれば良い。しかし寸法が小さくなると、加工技術の制約により寸法誤差や欠陥の影響が強くなる。ピッチａと直径２ｒとの比率（ｒ／ａ）は、いずれの円柱部１２も、隣接する円柱部１２やギャップ領域１３に重ならない範囲から選択する。
【００４９】
図４に、フォトニック結晶層１１に電圧を印加する方法の説明図を示す。なお、図４では、円柱部１２，１８、下部クラッド１５、上部クラッド１６、および基板１７の図示を省略してある。
本実施形態において、フォトニック結晶層１１に電圧を印加するには、図４に示すように、Ｐ型領域１１ＡおよびＮ型領域１１Ｂの両端部にそれぞれ電極１９Ａ，１９Ｂを設け、各電極１９Ａ，１９Ｂを電圧印加用の電源２０Ａ，２０Ｂに接続して、電極１９Ａ，１９Ｂ間に電位差を生じさせれば良い。電極１９Ａ，１９Ｂを構成する材料はアルミニウム（Ａｌ）などの良導体が挙げられ、接触抵抗を低減するため、熱処理による合金化を施しているものが好ましい。電源２０Ａ，２０Ｂは、電極１９Ａ，１９Ｂに電圧Ｖ１およびＶ２を各々印加する。
【００５０】
Ｐ型領域１１Ａ側の電圧Ｖ１が正で、Ｎ型領域１１Ｂ側の電圧Ｖ２が負の場合、順バイアス条件となり、正孔ｈはＰ型領域１１Ａ側からＮ型領域１１Ｂ側に向かって、電子ｅはＮ型領域１１Ｂ側からＰ型領域１１Ａ側に向かって流れようとする。しかし、ギャップ領域１３に阻止されるため、その反対側の領域まで流れることができない。その結果、矩形導波路１４の真下の領域に、ギャップ領域１３を挟んで正孔および電子が蓄積され、各々の密度が増大する。正孔、電子または両方の密度が増すと、非特許文献１に記載されているように、経験則に従い、屈折率が減少する。矩形導波路１４の真下の領域は導波光が存在する領域であるため、順バイアス条件で電圧を印加すると、導波光が存在する領域の屈折率を減少することができる。
【００５１】
一方、Ｐ型領域１１Ａ側の電圧Ｖ１が負で、Ｎ型領域１１Ｂ側の電圧Ｖ２が正の場合、逆バイアス条件となり、正孔ｈおよび電子ｅはギャップ領域１３から遠ざかる傾向を示し、矩形導波路１４の真下の領域において、正孔、電子または両方の密度が減少し、屈折率は増加する。すなわち、逆バイアス条件で電圧を印加すると、導波光が存在する領域の屈折率を増加することができる。
【００５２】
以上により、電極１９Ａ，１９Ｂに印加する電圧値を変えることにより、光が導波する領域に存在するフォトニック結晶層１１の母体媒質の屈折率を増減することができる。その結果、基本モードの分散曲線の傾きおよび曲率が変化し、位相や波長分散を可変とすることができる。なお、電圧Ｖ１、Ｖ２のいずれかをゼロとしてもＰ型領域１１ＡとＮ型領域１１Ｂとの間に電位差を生じさせることができるので、いずれかの電源２０Ａ，２０Ｂを省略しても良い。例えばＮ型領域１１Ｂ側の電源２０Ｂを省略した場合には、Ｐ型領域１１Ａ側の電圧Ｖ１の絶対値を必要なだけ増大させることにより、両方の電極１９Ａ，１９Ｂで電圧を印加した場合と同等の屈折率の増減分を得ることができる。逆にＰ型領域１１Ａ側の電源２０Ａを省略した場合には、Ｎ型領域１１Ｂ側の電圧Ｖ２の絶対値を必要なだけ増大させる。なお、電源のうちの一方を省略した場合、電源を省略した側の電極が接地されていても良く、あるいは、電源を省略した側の電極を省略することもできる。
【００５３】
このように、フォトニック結晶層１１が、Ｐ極性およびＮ極性という、極性が異なる二つの領域から構成されていると、単極性の場合に比べて、キャリアが正孔および電子の二種類があるため、各領域の電圧を変化させてキャリアを導波領域に引き寄せたり引き離したりすることが容易になるため、単極性の場合と同じ屈折率変化を生じる電圧を下げることができ、低電圧化が容易になる。
【００５４】
シリコン系の材料を用いて光学素子１０を作製する場合、基板１７上に絶縁層として設けられた酸化膜を下部クラッド１５とし、この下部クラッド１５の上にＳＯＩ層として形成されたシリコン層を用いてフォトニック結晶層１１を形成することが好ましい。この場合、フォトニック結晶層１１の母体媒質としてポリシリコン膜を積層する必要はないので、ポリシリコン膜内における粒界での光散乱がなく、光損失を増大するおそれはない。
【００５５】
また、絶縁ギャップ領域１３をフォトニック結晶層１１内の円柱部１２と同じ材料から構成するのであれば、これらを同時に形成することができる。例えば、ＳＯＩ層に光学描画およびドライエッチングを施して溝状および円柱状にシリコンを取り除き、気相化学成長法によってＳｉＯ２等の絶縁媒質を溝および円柱に埋め込む。絶縁媒質がシリコン層よりも厚く積層された部分は、同じ高さにまで平坦化する。
【００５６】
その他の製法は、特許文献１またはそのファミリー特許である日本国特許第３９１７１７０号公報を参照することができる。例えば基板１７は、例えばシリコン（Ｓｉ）によって形成され、導電性を持たせるため不純物が添加されたものが挙げられる。
矩形導波路１４は、フォトニック結晶層１１の上部に窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）の層を積層したのち、所定の幅および高さでパターニングし、ギャップ領域１３と重なる位置にＳｉ３Ｎ４層を残すことで形成できる。上部クラッド１６は、フォトニック結晶層１１および矩形導波路１４の上側にシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）を積層した後、矩形導波路１４上で隆起した形状となった場合には、不要部分をＣＭＰ研磨等によって除去してＳｉＯ２膜を平坦化することで形成できる。
【００５７】
本実施形態において、フォトニック結晶層１１が「平板状である」とは、フォトニック結晶層１１が製造工程において曲面状または平面と曲面とが組み合わされた形状となった場合も含み、二次元格子とは、当該フォトニック結晶層１１の形状に沿った配列も含むものとする。しかし、伝搬する光の直線性を考慮すると、フォトニック結晶層１１は平板状の一例として、平面状に形成されることが望ましい。
また、電極１９Ａ，１９Ｂは、フォトニック結晶層１１との接触面を比較的硬い合金であるチタン／ニッケル合金（ＴｉＮｉ）で形成し、図示しないリード線等との接触面を比較的柔らかいアルミ／カッパー合金（ＡｌＣｕ）で形成することも好ましい。この場合、フォトニック結晶層１１と電極１９Ａ，１９Ｂとの接着、および電極１９Ａ，１９Ｂとリード線等との接着の確実性を向上することができる。
【００５８】
図５に、本実施例の光学素子１０の模式的斜視図を示す。なお、図５では、下部クラッド１５、上部クラッド１６、および基板１７の図示を省略してある。電極１９Ａ，１９Ｂは、光導波路の長さ全体にわたって存在しているものとする。
【００５９】
本実施例において、波長分散の変化については上述したが、本実施例の光学素子１０は、下記に示すように印加電圧の変化によって位相変化を生じることができるので、位相変調素子にも応用が可能である。
Ｐ型領域１１Ａ側に印加する電圧Ｖ１を＋ＶＡとし、Ｎ型領域１１Ｂ側に印加する電圧Ｖ２を−ＶＡとしたとき（すなわちＶ１＝−Ｖ２）、導波路を伝搬した光の位相の変化を電圧ＶＡに対してプロットした結果を図６に示す。図６（ａ）には、波長１５３０ｎｍ（□）、１５４５ｎｍ（○）、および１５６０ｎｍ（△）での位相の電圧依存性を示してある。ＶＡが大きくなるほど位相は減少する。これは図４に関する説明で上述したとおり、ＶＡが大きくなるほど媒質の屈折率が減少するためである。各々の波長に対し、ＶＡを−５Ｖから＋５Ｖまでの範囲で変化させると、位相の変化分は絶対値で３．１４ｒａｄ以上となり、光強度変調に必要とされる半波長分以上の位相変化が得られた。１５６０ｎｍでの位相変化が最も小さいので、１５３０〜１５６０ｎｍのＣバンド全域で、光強度変調器としての動作が可能である。フォトニック結晶層１１を導波路コアの一部に用いることにより、フォトニック結晶のない導波路と比較して、位相の変化分が約一桁程度大きくなる。
【００６０】
図６（ａ）に示す位相の電圧依存性は、図６（ｂ）に示す位相の波長依存性から求めたものである。位相の波長依存性は、有限要素法（ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ、ＦＥＭ）に基づいてキャリア密度分布を計算し、さらに有限差分時間領域法（ｆｉｎｉｔｅ−ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｔｉｍｅ−ｄｏｍａｉｎ ｍｅｔｈｏｄ、ＦＤＴＤ）に基づいて伝搬光の位相変化を算出することによって求めた。図６（ｂ）には、ＶＡを−５Ｖから＋５Ｖまでの範囲で２．５Ｖ間隔で変化させ、各々のＶＡの値についてプロットした。この場合、位相の波長依存性は、正の曲率を有する放物線形となる。これは、フォトニック結晶の分散特性を反映した結果である。電圧ＶＡを変化させると、放物線の曲率が変化する。ＶＡが大きくなるほど媒質の屈折率が減少するため、放物線の曲率が減少する。波長分散量は位相の波長依存性を表す放物線の曲率に比例するため、印加電圧を変化させることにより波長分散を変化させることができ、波長分散の電圧による制御が可能になる。
なお、図６（ａ）、（ｂ）において、位相の原点は絶対位相の原点ではなく、任意である。
【００６１】
以上より、本実施例において、各電極１９Ａ，１９Ｂに印加する電圧を変化させることにより、位相および波長分散を変化させることが可能であることが示された。次に、電圧印加時に流れる電流が低く、低電圧・低電流動作、すなわち低電力動作が可能であることを、図７に示す直流電流−電圧特性の実験結果に基づいて説明する。図７の横軸は電極１９Ａ，１９Ｂ間の電位差（Ｖ１−Ｖ２）であり、電極１９Ｂに印加した電圧Ｖ２を基準としたものである。上述したようにＶ１＝ＶＡ、Ｖ２＝−ＶＡとしたので、横軸は２ＶＡとなる。電位差が−３０Ｖから＋３０Ｖまで変化しても、流れる電流は絶対値で最大０．２ｎＡであった。図６（ａ）の横軸に示した電圧範囲（−５〜＋５Ｖ）では、最大の電位差は１０Ｖであり、電流は絶対値にして０．０３ｎＡ以下である。よってこの電圧範囲における消費電力は０．３ｎＷ以下となり、非常に低電力での動作が可能であることが分かる。
【００６２】
＜第２実施形態例＞
図８に本発明の光学素子の第２実施形態例を示す。第２実施形態例の光学素子２０は、ギャップ領域２８から円柱部を省略した他は第１実施形態例の光学素子１０と同様の構成を有しており、図８は、図１と同様に表してある。例えば第１実施形態例においてギャップ幅Ｗgapを１８０ｎｍ、円柱部１８の直径２ｒを２６０ｎｍとすると、円柱部１８の断面積の約８０％がギャップ領域１３のギャップ幅Ｗgap内に含まれる。よって、製造過程における光描画装置の露光分解能や加工精度等によっては、ギャップ領域１３とＰ型またはＮ型領域１１Ａ，１１Ｂとの境界部における円柱部１８の形状が明確にならず、円柱部１８の有無が波長分散に大きな影響を与えない。その場合、図８に示すように、ギャップ領域２３から円柱部を除いても良い。
【００６３】
＜第３、第４実施形態例＞
フォトニック結晶によれば位相変化は増大するが、位相の波長依存性も大きくなる。光変調器への応用では、電源の構成を簡素化する目的で、波長の違いによる印加電圧の変動を避けるため、位相の波長依存性を低減することが必要になる場合がある。この場合には、印加電圧の変動による位相の変化量を減少させたとしても、フォトニック結晶の影響を低減したい場合がある。それには図３に示すように、フォトニック結晶を構成する円柱の数を減少させるのがひとつの方法である。
【００６４】
図９に示す第３実施形態例の光学素子３０は、ギャップ領域３８に隣接する円柱部３２を省略した他は第２実施形態例の光学素子２０と同様の構成を有する。なお、図９は、図１と同様に表してある。この場合でも、フォトニック結晶は矩形導波路１４の真下の領域まで存在している。波長依存性をさらに低減したい場合には、さらに外側の円柱部３２をもう一列除けば良い。
【００６５】
図１０に示す第４実施形態例の光学素子４０は、円柱部をすべて省略した他は第３実施形態例の光学素子３０と同様の構成を有する。この光学素子４０では、フォトニック結晶の代わりに、Ｐ極性またはＮ型の導電性を有する均質な層が設けられる。すなわち、光学素子４０の光導波路コアが平板状のスラブ部４１およびその面の片側にリブ状に設けられた矩形導波路４４からなり、スラブ部４１は、Ｐ極性の導電性を有するＰ型領域４１Ａと、Ｎ極性の導電性を有するＮ型領域４１Ｂとを有し、スラブ部４１の面内には、Ｐ型領域４１ＡとＮ型領域４１Ｂとを隔てる絶縁媒質からなるギャップ領域４３が、矩形導波路４４の中心線と重なる線に沿って設けられたものとなる。この場合は、波長依存性を最低限にすることができる。
【００６６】
＜波長分散補正素子の構成例＞
図１１に、本発明の光学素子を利用した本発明の波長分散補正素子の構成例を示す。この波長分散補正素子５０は、上述の光学素子５１がパッケージに封入された形態で設けられ、該光学素子５１の入射側には入力用光ファイバ５２が接続され、出射側には出力用光ファイバ５３が接続されている。長距離の光ファイバ伝送路を伝搬する間にその波長分散によって時間幅が広がった光パルス５４が入力用光ファイバ５２を通じて光学素子５１に入射される。光学素子５１には、その波長分散を制御するための電源５６Ａ，５６Ｂが接続されている。これらの電源は、図４の電源２０Ａ，２０Ｂに対応するものであり、一方の電源５６Ａは、光学素子５１のＰ型領域側の電極に電圧Ｖ１を印加し、他方の電源５６Ｂは、光学素子５１のＮ型領域側の電極に電圧Ｖ２を印加する。それぞれの電圧Ｖ１，Ｖ２は互いに異符号とすると、電圧Ｖ１，Ｖ２の絶対値を大きくすることなく、電位差（Ｖ１−Ｖ２）を大きくすることができる。２つの電源５６Ａ，５６Ｂは単一の電源装置に組み込まれたものであっても良い。また、２つの電源５６Ａ，５６Ｂのうち一方が省略され、接地されていても良い。第１実施形態例の光学素子１０を光学素子５１として用いた場合、光学素子５１の導波路長を１００ｍｍとすると、電圧変化により波長分散が変化するのに要する時間は０．１ｍｓ以下とすることができる。
【００６７】
＜位相変調素子および光強度変調素子の構成例＞
図１２に、本発明の光学素子を利用した本発明の位相変調素子および光強度変調素子の構成例を示す。図１２に示す光強度変調素子６０は、マッハツェンダー型干渉導波路の片方の分岐導波路６１Ａには実施例１〜３の光学素子を設け、第１の位相変調部（位相変調素子）６２とする。また、他方の分岐導波路６１Ｂには、実施例１〜３の光学素子を設け、第２の位相変調部（位相変調素子）６３とする。マッハツェンダー型干渉導波路および両位相変調部は同一の基板上に構成される。マッハツェンダー型干渉導波路の部分の光導波路は、実施例４に示すようにフォトニック結晶を構成する円柱部がないものが用いられる。
【００６８】
第１の位相変調部６２には、第１の電気信号源６４により電気信号が印加され、第２の位相変調部６３には、第２の電気信号源６５により電気信号が印加される。電気信号の印加は、位相変調部を構成する光学素子の両方の電極に印加するのでも良く、一方の電極にのみ印加するのでも良い。
マッハツェンダー型干渉導波路の入力用導波路６０Ａに連続光を入射すると、各々の
分岐導波路６１Ａ，６１Ｂに光が分岐され、それぞれが電気信号により強度変調される。第１の電気信号源６４と第２の電気信号源６５との間で電気信号の符号を反転させると、出力用導波路６０Ｂから出射する出射光にはチャープが発生せず、ひずみのない強度変調光が生成される。両位相変調部６２，６３の導波路長を１ｍｍとすると、電気信号として印加する電圧が最大４Ｖ以下で、４０Ｇｂｐｓ（ギガビット毎秒）の伝送レートで強度変調を行うことができる。
【００６９】
これに対して、上記特許文献６に関連する文献（Ｌ．Ｌｉａｏら、“Ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｓｉｌｉｃｏｎ Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ”、Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ、２００５年、第１３巻、ｐ．３１２９−３１３５）では、位相変調部が３．４５ｍｍ以上とされている。これと比較すると、導波路長が１ｍｍである本実施例によれば、導波路長を３分の１以下に小型化できることになる。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
本発明の光学素子は、波長分散補正素子、位相変調素子、光強度変調素子などに応用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本発明の光学素子の第１実施形態例を示す図面であって、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）のＰ１−Ｐ１線に沿う断面図である。
【図２】フォトニック結晶の単位胞を規定する単位ベクトルの説明図である。
【図３】本発明の第１実施形態例における導波モードの分散特性の一例を示すグラフである。
【図４】フォトニック結晶への電圧印加によるキャリアの密度変化の説明図である。
【図５】フォトニック結晶に電圧を印加するための電極の配置例を示す斜視図である。
【図６】本発明の第１実施形態例における（ａ）位相の電圧依存性、および（ｂ）位相の波長依存性の一例を示すグラフである。
【図７】本発明の第１実施形態例における直流電流−電圧特性の一例を示すグラフである。
【図８】本発明の光学素子の第２実施形態例を示す図面であって、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）のＰ２−Ｐ２線に沿う断面図である。
【図９】本発明の光学素子の第３実施形態例を示す図面であって、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）のＰ３−Ｐ３線に沿う断面図である。
【図１０】本発明の光学素子の第４実施形態例を示す断面図である。
【図１１】本発明の波長分散補正素子の一例を示す概略構成図である。
【図１２】本発明の位相変調素子の一例を示す概略構成図である。
【符号の説明】
【００７２】
１０，２０，３０，４０…光学素子、１１，２１，３１…フォトニック結晶層、４１…スラブ部、１１Ａ，２１Ａ，３１Ａ，４１Ａ…Ｐ型領域、１１Ｂ，２１Ｂ，３１Ｂ，４１Ｂ…Ｎ型領域、１２，２２，３２…円柱部、１３，２３，３３，４３…ギャップ領域、１４，２４，３４，４４…矩形導波路、１５，２５，３５，４５…下部クラッド、１６，２６，３６，４６…上部クラッド、１７，２７，３７，４７…基板、１８…円柱部、１９Ａ，１９Ｂ…電極、２０Ａ，２０Ｂ…電源、５０…波長分散補正素子、６０…光強度変調素子。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光導波路コアが平板状のフォトニック結晶層およびその面の片側にリブ状に設けられた矩形導波路からなる光学素子であって、
前記フォトニック結晶層は、Ｐ極性の導電性を有するＰ型領域と、Ｎ極性の導電性を有するＮ型領域とを有し、前記フォトニック結晶層の面内には、前記Ｐ型領域とＮ型領域とを隔てる絶縁媒質からなるギャップ領域が、前記矩形導波路の中心線と重なる線に沿って設けられていることを特徴とする光学素子。
【請求項２】
前記フォトニック結晶層は、母体媒質中に、前記母体媒質と異なる屈折率を有する円柱部が周期的に配列されたものであり、前記ギャップ領域は、前記フォトニック結晶層中の円柱部と同じ周期で配置された円柱部を含み、前記ギャップ領域中の円柱部は、その中心軸がギャップ領域の中心線と交差するように配されていることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
前記フォトニック結晶層中の円柱部が、前記ギャップ領域を構成する絶縁媒質と同じ材料からなることを特徴とする請求項２に記載の光学素子。
【請求項４】
前記フォトニック結晶層は、前記光導波路コアに導波される光の周波数帯域より高周波側に、フォトニックギャップを有するものであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の光学素子。
【請求項５】
前記フォトニック結晶層は、前記ギャップ領域を介して面内にＰ−Ｎ接合を有することを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の光学素子。
【請求項６】
前記光導波路コアは、シリコン基板上に絶縁層として設けられた酸化膜を下部クラッドとし、前記下部クラッドの上に前記フォトニック結晶層および前記ギャップ領域が設けられ、前記矩形導波路は、前記フォトニック結晶層および前記ギャップ領域の上に設けられ、前記光導波路コアの上には上部クラッドが設けられ、
前記フォトニック結晶層の母体媒質がシリコンからなり、前記フォトニック結晶層中の円柱部および前記ギャップ領域を構成する絶縁媒質がＳｉＯ２からなり、前記矩形導波路がＳｉ３Ｎ４からなり、前記上部クラッドがＳｉＯ２からなることを特徴とする請求項３に記載の光学素子。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかに記載の光学素子を有することを特徴とする波長分散補正素子。
【請求項８】
請求項１ないし６のいずれかに記載の光学素子を有することを特徴とする位相変調素子。
【請求項９】
光導波路コアが平板状のスラブ部およびその面の片側にリブ状に設けられた矩形導波路からなる光学素子であって、
前記スラブ部は、Ｐ極性の導電性を有するＰ型領域と、Ｎ極性の導電性を有するＮ型領域とを有し、前記スラブ部の面内には、前記Ｐ型領域とＮ型領域とを隔てる絶縁媒質からなるギャップ領域が、前記矩形導波路の中心線と重なる線に沿って設けられていることを特徴とする光学素子。
【請求項１】
光導波路コアが平板状のフォトニック結晶層およびその面の片側にリブ状に設けられた矩形導波路からなる光学素子であって、
前記フォトニック結晶層は、Ｐ極性の導電性を有するＰ型領域と、Ｎ極性の導電性を有するＮ型領域とを有し、前記フォトニック結晶層の面内には、前記Ｐ型領域とＮ型領域とを隔てる絶縁媒質からなるギャップ領域が、前記矩形導波路の中心線と重なる線に沿って設けられていることを特徴とする光学素子。
【請求項２】
前記フォトニック結晶層は、母体媒質中に、前記母体媒質と異なる屈折率を有する円柱部が周期的に配列されたものであり、前記ギャップ領域は、前記フォトニック結晶層中の円柱部と同じ周期で配置された円柱部を含み、前記ギャップ領域中の円柱部は、その中心軸がギャップ領域の中心線と交差するように配されていることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
前記フォトニック結晶層中の円柱部が、前記ギャップ領域を構成する絶縁媒質と同じ材料からなることを特徴とする請求項２に記載の光学素子。
【請求項４】
前記フォトニック結晶層は、前記光導波路コアに導波される光の周波数帯域より高周波側に、フォトニックギャップを有するものであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の光学素子。
【請求項５】
前記フォトニック結晶層は、前記ギャップ領域を介して面内にＰ−Ｎ接合を有することを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の光学素子。
【請求項６】
前記光導波路コアは、シリコン基板上に絶縁層として設けられた酸化膜を下部クラッドとし、前記下部クラッドの上に前記フォトニック結晶層および前記ギャップ領域が設けられ、前記矩形導波路は、前記フォトニック結晶層および前記ギャップ領域の上に設けられ、前記光導波路コアの上には上部クラッドが設けられ、
前記フォトニック結晶層の母体媒質がシリコンからなり、前記フォトニック結晶層中の円柱部および前記ギャップ領域を構成する絶縁媒質がＳｉＯ２からなり、前記矩形導波路がＳｉ３Ｎ４からなり、前記上部クラッドがＳｉＯ２からなることを特徴とする請求項３に記載の光学素子。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかに記載の光学素子を有することを特徴とする波長分散補正素子。
【請求項８】
請求項１ないし６のいずれかに記載の光学素子を有することを特徴とする位相変調素子。
【請求項９】
光導波路コアが平板状のスラブ部およびその面の片側にリブ状に設けられた矩形導波路からなる光学素子であって、
前記スラブ部は、Ｐ極性の導電性を有するＰ型領域と、Ｎ極性の導電性を有するＮ型領域とを有し、前記スラブ部の面内には、前記Ｐ型領域とＮ型領域とを隔てる絶縁媒質からなるギャップ領域が、前記矩形導波路の中心線と重なる線に沿って設けられていることを特徴とする光学素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００９−２０５０８９（Ｐ２００９−２０５０８９Ａ）
【公開日】平成２１年９月１０日（２００９．９．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−４９８３９（Ｐ２００８−４９８３９）
【出願日】平成２０年２月２９日（２００８．２．２９）
【出願人】（０００００５１８６）株式会社フジクラ (4,463)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年９月１０日（２００９．９．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年２月２９日（２００８．２．２９）
【出願人】（０００００５１８６）株式会社フジクラ (4,463)
【Ｆターム（参考）】
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