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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023031805
(43)【公開日】2023-03-09
(54)【発明の名称】トポロジカル光スイッチ
(51)【国際特許分類】
G02F 1/313 20060101AFI20230302BHJP
【ＦＩ】
G02F1/313
【審査請求】未請求
【請求項の数】14
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021137523
(22)【出願日】2021-08-25
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成３０年度、国立研究開発法人科学技術振興機構、戦略的創造研究推進事業、チーム型研究（ＣＲＥＳＴ）、「トポロジカル材料科学に基づく革新的機能を有する材料・デバイスの創出」、「人工グラフェンに基づくトポロジカル状態創成と新規特性開発」、「トポロジカルフォトニクスの光通信デバイス応用」委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願
(71)【出願人】
【識別番号】304021417
【氏名又は名称】国立大学法人東京工業大学
(71)【出願人】
【識別番号】301023238
【氏名又は名称】国立研究開発法人物質・材料研究機構
(74)【代理人】
【識別番号】110001807
【氏名又は名称】弁理士法人磯野国際特許商標事務所
(72)【発明者】
【氏名】雨宮 智宏
(72)【発明者】
【氏名】岡田 祥
(72)【発明者】
【氏名】古月 暁
【テーマコード（参考）】
2K102
【Ｆターム（参考）】
2K102AA10
2K102AA21
2K102AA28
2K102BA01
2K102BA08
2K102BB04
2K102BC01
2K102BC04
2K102BC10
2K102BD01
2K102CA00
2K102DA09
2K102DA11
2K102DD07
2K102DD10
(57)【要約】
【課題】光渦モードを維持したまま出力方向の切り替えを行うことができるトポロジカル光スイッチを提供する。
【解決手段】トポロジカル光スイッチ１００は、第１トポロジカルフォトニック構造体１５１と第２トポロジカルフォトニック構造体１５２との交差位置に配置され、No bandgapのフォトニック構造体からなるＸ領域１５０と、第１トポロジカルフォトニック構造体１５１と第１フォトニック構造体１６１および第２フォトニック構造体１６２との境界において光渦伝播が可能なトポロジカルエッジ状態を発現する第１トポロジカルエッジ１７１と、第１トポロジカルフォトニック構造体１５１と第１フォトニック構造体１６１およびＸ領域１５０との境界において光渦伝播が可能なトポロジカルエッジ状態を発現する第２トポロジカルエッジ１７２と、を有する。
【選択図】図８
【解決手段】トポロジカル光スイッチ１００は、第１トポロジカルフォトニック構造体１５１と第２トポロジカルフォトニック構造体１５２との交差位置に配置され、No bandgapのフォトニック構造体からなるＸ領域１５０と、第１トポロジカルフォトニック構造体１５１と第１フォトニック構造体１６１および第２フォトニック構造体１６２との境界において光渦伝播が可能なトポロジカルエッジ状態を発現する第１トポロジカルエッジ１７１と、第１トポロジカルフォトニック構造体１５１と第１フォトニック構造体１６１およびＸ領域１５０との境界において光渦伝播が可能なトポロジカルエッジ状態を発現する第２トポロジカルエッジ１７２と、を有する。
【選択図】図８
【特許請求の範囲】
【請求項1】
内部がエネルギーギャップを持つ絶縁体であり、そのエッジがギャップレスの金属状態である第１トポロジカルフォトニック構造体（Topological photonic structure）と、
前記第１トポロジカルフォトニック構造体に交差するように配置され、内部がエネルギーギャップを持つ絶縁体であり、そのエッジがギャップレスの金属状態である第２トポロジカルフォトニック構造体と、
前記第１トポロジカルフォトニック構造体と前記第２トポロジカルフォトニック構造体との交差位置に配置され、No bandgapのフォトニック構造体からなるＸ領域と、
前記第２トポロジカルフォトニック構造体および前記Ｘ領域の一方の側と前記第１トポロジカルフォトニック構造体との間に配置され、バルクがエネルギーギャップを持つ絶縁体である第１フォトニック構造体（Trivial photonic structure）と、
前記第２トポロジカルフォトニック構造体および前記Ｘ領域の他方の側と前記第１トポロジカルフォトニック構造体との間に配置され、バルクがエネルギーギャップを持つ絶縁体である第２フォトニック構造体と、
前記第１トポロジカルフォトニック構造体と前記第１フォトニック構造体および前記第２フォトニック構造体との境界において光渦伝播が可能なトポロジカルエッジ状態を発現する第１トポロジカルエッジと、
前記第１トポロジカルフォトニック構造体と前記第１フォトニック構造体および前記Ｘ領域との境界において光渦伝播が可能なトポロジカルエッジ状態を発現する第２トポロジカルエッジと、を有する
ことを特徴とするトポロジカル光スイッチ。
前記第１トポロジカルフォトニック構造体に交差するように配置され、内部がエネルギーギャップを持つ絶縁体であり、そのエッジがギャップレスの金属状態である第２トポロジカルフォトニック構造体と、
前記第１トポロジカルフォトニック構造体と前記第２トポロジカルフォトニック構造体との交差位置に配置され、No bandgapのフォトニック構造体からなるＸ領域と、
前記第２トポロジカルフォトニック構造体および前記Ｘ領域の一方の側と前記第１トポロジカルフォトニック構造体との間に配置され、バルクがエネルギーギャップを持つ絶縁体である第１フォトニック構造体（Trivial photonic structure）と、
前記第２トポロジカルフォトニック構造体および前記Ｘ領域の他方の側と前記第１トポロジカルフォトニック構造体との間に配置され、バルクがエネルギーギャップを持つ絶縁体である第２フォトニック構造体と、
前記第１トポロジカルフォトニック構造体と前記第１フォトニック構造体および前記第２フォトニック構造体との境界において光渦伝播が可能なトポロジカルエッジ状態を発現する第１トポロジカルエッジと、
前記第１トポロジカルフォトニック構造体と前記第１フォトニック構造体および前記Ｘ領域との境界において光渦伝播が可能なトポロジカルエッジ状態を発現する第２トポロジカルエッジと、を有する
ことを特徴とするトポロジカル光スイッチ。
【請求項2】
内部がエネルギーギャップを持つ絶縁体であり、そのエッジがギャップレスの金属状態である第１トポロジカルフォトニック構造体（Topological photonic structure）と、
前記第１トポロジカルフォトニック構造体に交差するように配置され、内部がエネルギーギャップを持つ絶縁体であり、そのエッジがギャップレスの金属状態である第２トポロジカルフォトニック構造体と、
前記第１トポロジカルフォトニック構造体と前記第２トポロジカルフォトニック構造体との交差位置に配置され、フォトニック結晶の相状態を変化させる相変化材料が装荷されたフォトニック構造体からなるＸ領域と、
前記第２トポロジカルフォトニック構造体および前記Ｘ領域の一方の側と前記第１トポロジカルフォトニック構造体との間に配置され、バルクがエネルギーギャップを持つ絶縁体である第１フォトニック構造体（Trivial photonic structure）と、
前記第２トポロジカルフォトニック構造体および前記Ｘ領域の他方の側と前記第１トポロジカルフォトニック構造体との間に配置され、バルクがエネルギーギャップを持つ絶縁体である第２フォトニック構造体と、
前記第１トポロジカルフォトニック構造体と前記第１フォトニック構造体および前記第２フォトニック構造体との境界において光渦伝播が可能なトポロジカルエッジ状態を発現する第１トポロジカルエッジと、
前記第１トポロジカルフォトニック構造体と前記第１フォトニック構造体および前記Ｘ領域との境界において光渦伝播が可能なトポロジカルエッジ状態を発現する第２トポロジカルエッジと、を有する
ことを特徴とするトポロジカル光スイッチ。
前記第１トポロジカルフォトニック構造体に交差するように配置され、内部がエネルギーギャップを持つ絶縁体であり、そのエッジがギャップレスの金属状態である第２トポロジカルフォトニック構造体と、
前記第１トポロジカルフォトニック構造体と前記第２トポロジカルフォトニック構造体との交差位置に配置され、フォトニック結晶の相状態を変化させる相変化材料が装荷されたフォトニック構造体からなるＸ領域と、
前記第２トポロジカルフォトニック構造体および前記Ｘ領域の一方の側と前記第１トポロジカルフォトニック構造体との間に配置され、バルクがエネルギーギャップを持つ絶縁体である第１フォトニック構造体（Trivial photonic structure）と、
前記第２トポロジカルフォトニック構造体および前記Ｘ領域の他方の側と前記第１トポロジカルフォトニック構造体との間に配置され、バルクがエネルギーギャップを持つ絶縁体である第２フォトニック構造体と、
前記第１トポロジカルフォトニック構造体と前記第１フォトニック構造体および前記第２フォトニック構造体との境界において光渦伝播が可能なトポロジカルエッジ状態を発現する第１トポロジカルエッジと、
前記第１トポロジカルフォトニック構造体と前記第１フォトニック構造体および前記Ｘ領域との境界において光渦伝播が可能なトポロジカルエッジ状態を発現する第２トポロジカルエッジと、を有する
ことを特徴とするトポロジカル光スイッチ。
【請求項3】
前記Ｘ領域は、入力される制御光と信号光の位相干渉をもとに信号光の出力方向を切り替える
ことを特徴とする請求項１に記載のトポロジカル光スイッチ。
ことを特徴とする請求項１に記載のトポロジカル光スイッチ。
【請求項4】
前記Ｘ領域は、入力される制御光と信号光の位相差に応じて信号光の出力方向を切り替える
ことを特徴とする請求項１に記載のトポロジカル光スイッチ。
ことを特徴とする請求項１に記載のトポロジカル光スイッチ。
【請求項5】
前記第２トポロジカルフォトニック構造体と前記第２フォトニック構造体との境界において光渦伝播が可能なトポロジカルエッジ状態を発現する第３トポロジカルエッジを有し、
前記Ｘ領域は、前記第３トポロジカルエッジに入力され光渦伝播した制御光と、前記第１トポロジカルエッジに入力され光渦伝播した信号光との位相差に応じて信号光の出力方向を切り替える
ことを特徴とする請求項１に記載のトポロジカル光スイッチ。
前記Ｘ領域は、前記第３トポロジカルエッジに入力され光渦伝播した制御光と、前記第１トポロジカルエッジに入力され光渦伝播した信号光との位相差に応じて信号光の出力方向を切り替える
ことを特徴とする請求項１に記載のトポロジカル光スイッチ。
【請求項6】
前記Ｘ領域は、前記第３トポロジカルエッジに入力され光渦伝播した制御光と、前記第１トポロジカルエッジに入力され光渦伝播した信号光とが同位相である場合、この信号光を前記第１トポロジカルエッジの第１ポートに出力し、逆位相である場合、この信号光を前記第２トポロジカルエッジの第２ポートに出力するように信号光の出力方向を切り替える
ことを特徴とする請求項５に記載のトポロジカル光スイッチ。
ことを特徴とする請求項５に記載のトポロジカル光スイッチ。
【請求項7】
トポロジカルフォトニック構造体またはフォトニック構造体は、蜂の巣格子状のセルとセルに配列されたＣ６ｖ対称性を有するナノホールとを有するフォトニック結晶からなり、
蜂の巣格子のセルの中心からナノホールの中心までの距離Ｒと、ナノホールの１辺の長さＬと、を設定する場合、
距離Ｒは、Trivial状態からTopological状態への推移を司る変数であり、
１辺の長さＬは、バンド全体を上下させ、バンドギャップ中心の制御を司る変数であり、
前記フォトニック結晶は、
Ｒ＜Period／３のとき、Trivial状態、
Ｒ＝Period／３のとき、No bandgap状態、
Ｒ＞Period／３のとき、Topological状態である
ことを特徴とする請求項１に記載のトポロジカル光スイッチ。
蜂の巣格子のセルの中心からナノホールの中心までの距離Ｒと、ナノホールの１辺の長さＬと、を設定する場合、
距離Ｒは、Trivial状態からTopological状態への推移を司る変数であり、
１辺の長さＬは、バンド全体を上下させ、バンドギャップ中心の制御を司る変数であり、
前記フォトニック結晶は、
Ｒ＜Period／３のとき、Trivial状態、
Ｒ＝Period／３のとき、No bandgap状態、
Ｒ＞Period／３のとき、Topological状態である
ことを特徴とする請求項１に記載のトポロジカル光スイッチ。
【請求項8】
前記Ｘ領域は、Ｒ＝Period／３のフォトニック結晶である
ことを特徴とする請求項７に記載のトポロジカル光スイッチ。
ことを特徴とする請求項７に記載のトポロジカル光スイッチ。
【請求項9】
前記Ｘ領域は、前記フォトニック結晶のトポロジーに変化を与えるバンドエンジリアリングを用いて入力される信号光の出力方向を切り替える
ことを特徴とする請求項２に記載のトポロジカル光スイッチ。
ことを特徴とする請求項２に記載のトポロジカル光スイッチ。
【請求項10】
前記相変化材料は、前記フォトニック結晶に可逆的に物理特性を変化させる機能性材料である
ことを特徴とする請求項２に記載のトポロジカル光スイッチ。
ことを特徴とする請求項２に記載のトポロジカル光スイッチ。
【請求項11】
前記相変化材料は、光誘起相転移させた場合、前記フォトニック結晶の単位胞において特定箇所の屈折率が、
Topological状態、
バンドギャップが消失するBand inversion状態、
Trivial状態のいずれかに前記フォトニック結晶の相状態が変化する
ことを特徴とする請求項２に記載のトポロジカル光スイッチ。
Topological状態、
バンドギャップが消失するBand inversion状態、
Trivial状態のいずれかに前記フォトニック結晶の相状態が変化する
ことを特徴とする請求項２に記載のトポロジカル光スイッチ。
【請求項12】
トポロジカルフォトニック構造体は、配列されたセル内で対称性を有する誘電体を備える
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のトポロジカル光スイッチ。
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のトポロジカル光スイッチ。
【請求項13】
トポロジカルフォトニック構造体は、Ｃ６ｖ対称性を有するナノホールを含む誘電体が蜂の巣格子状セルに配列される構造を備える
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のトポロジカル光スイッチ。
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のトポロジカル光スイッチ。
【請求項14】
トポロジカルフォトニック構造体は、Ｚ２トポロジーで表わされるトポロジカル構造である
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のトポロジカル光スイッチ。
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のトポロジカル光スイッチ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、トポロジカルフォトニクスを利用したトポロジカル光スイッチに関する。
【背景技術】
【0002】
光ネットワークに用いられている各種光素子には、レーザ、変調器、多重化素子、光スイッチ等がある。光集積回路は、光通信で必須とされる種々の機能をワンチップ上に一括集積したものである。単一機能の光デバイスに比べて、実装コスト・消費電力・サイズなどの低減が可能なことから、数多くのモジュールが実用化されており、現在の光市場を席巻している。
一般的な光集積回路においては、伝播光のモードは、ＴＥモード（Transverse Electric mode）またはＴＭモード（Transverse Magnetic mode）に固定される。そのため、光回路上に集積された各種デバイスは、それらのモードに対して動作するように設計されている。
一般的な光集積回路においては、伝播光のモードは、ＴＥモード（Transverse Electric mode）またはＴＭモード（Transverse Magnetic mode）に固定される。そのため、光回路上に集積された各種デバイスは、それらのモードに対して動作するように設計されている。
【0003】
近年、光の自由度を積極的に利用した通信方式に関心が集まっている。特に、光渦（光の軌道角運動量）には、未開拓の領域が多く残っていることから研究が盛んになっている。光渦は、波面のらせん周期に情報を乗せることで、理論上無限チャネル多重化が可能であり、光通信との親和性が極めて良いとされている。
【0004】
特許文献１には、第１層と、第１層に対向する第２層とを備え、第１層は、各々が光学異方性を有する複数の第１構造体を含み、第２層は、第１層から入射した光を反射する際は、光の入射時と反射時とで光の偏光状態を維持したまま光を反射する、光学素子が記載されている。特許文献１の段落[０２５８]には、「光ＬＴ２は、光渦として出射される。光渦とは、特異点を有し、等位相面が螺旋面を形成する光のことである。」と記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開２０１８－８４６７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
従来型の光回路の一部をトポロジカルフォトニクス系に置き換えることで、光回路内において光渦伝播をはじめとした各種制御を行うことを目指している（TPICs : Topological Photonic Integrated Circuits）。
しかしながら、トポロジカルフォトニクス系において、光渦モードを維持したまま出力方向の切り替えを行う技術は実現されていない。
しかしながら、トポロジカルフォトニクス系において、光渦モードを維持したまま出力方向の切り替えを行う技術は実現されていない。
【0007】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、光渦モードを維持したまま出力方向の切り替えを行うことができるトポロジカル光スイッチ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】
【0008】
前記した課題を解決するため、本発明に係るトポロジカル光スイッチは、内部がエネルギーギャップを持つ絶縁体であり、そのエッジがギャップレスの金属状態である第１トポロジカルフォトニック構造体と、前記第１トポロジカルフォトニック構造体に交差するように配置され、内部がエネルギーギャップを持つ絶縁体であり、そのエッジがギャップレスの金属状態である第２トポロジカルフォトニック構造体と、前記第１トポロジカルフォトニック構造体と前記第２トポロジカルフォトニック構造体との交差位置に配置され、No bandgapのフォトニック構造体からなるＸ領域と、前記第２トポロジカルフォトニック構造体および前記Ｘ領域の一方の側と前記第１トポロジカルフォトニック構造体との間に配置され、バルクがエネルギーギャップを持つ絶縁体である第１フォトニック構造体と、前記第２トポロジカルフォトニック構造体および前記Ｘ領域の他方の側と前記第１トポロジカルフォトニック構造体との間に配置され、バルクがエネルギーギャップを持つ絶縁体である第２フォトニック構造体と、前記第１トポロジカルフォトニック構造体と前記第１フォトニック構造体および前記第２フォトニック構造体との境界において光渦伝播が可能なトポロジカルエッジ状態を発現する第１トポロジカルエッジと、前記第１トポロジカルフォトニック構造体と前記第１フォトニック構造体および前記Ｘ領域との境界において光渦伝播が可能なトポロジカルエッジ状態を発現する第２トポロジカルエッジと、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【0009】
本発明によれば、光渦モードを維持したまま出力方向の切り替えを行うことができるトポロジカル光スイッチを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1】本発明のトポロジカル光スイッチに用いるトポロジカルエッジ伝送路（Topological edge state waveguide）の構造を説明する図である。
【図2】本発明のトポロジカル光スイッチにおけるＣ６ｖ対称性を有するナノホールの構造を示すブリルアンゾーンの図である。
【図3】本発明のトポロジカル光スイッチにおけるトポロジカルフォトニック結晶の特性を説明するためのＣ６ｖ対称性を有するナノホールの構造を示す図である。
【図4】図３に示すトポロジカルフォトニック結晶を用いたトポロジカルエッジ伝送路のフォトニック構造体とトポロジカルフォトニック構造体の、Trivial状態とNo bandgap状態とTopological状態の各フォトニックバンド図である。
【図5】本発明のトポロジカル光スイッチのトポロジカルフォトニック結晶を用いた光渦伝播を説明する図である。
【図6A】本発明のトポロジカル光スイッチのトポロジカルフォトニック結晶を用いた光渦伝播を説明する図である。
【図6B】本発明のトポロジカル光スイッチのトポロジカルフォトニック結晶を用いた光渦伝播を説明する図である。
【図6C】本発明のトポロジカル光スイッチのトポロジカルフォトニック結晶を用いた光渦伝播を説明する図である。
【図6D】本発明のトポロジカル光スイッチのトポロジカルフォトニック結晶を用いた光渦伝播を説明する図である。
【図7A】本発明のトポロジカル光スイッチの外因的手法を用いたトポロジカル光スイッチの概念図である。
【図7B】本発明のトポロジカル光スイッチの内因的手法を用いたトポロジカル光スイッチの概念図である。
【図8】本発明の第１の実施形態に係るトポロジカル光スイッチの素子構造を示す図である。
【図9】本発明の第１の実施形態に係るトポロジカル光スイッチのＦＤＴＤ法により計算されたトポロジカル導波路での位相分布を示す図である。
【図10】本発明の第１の実施形態に係るトポロジカル光スイッチの素子構造を示す図である。
【図11】本発明の第１の実施形態に係るトポロジカル光スイッチのＦＤＴＤ法により計算されたトポロジカル光スイッチの伝播モード分布を示す図であり、左図は、信号光に対し制御光が同位相（位相差０°）の場合の伝播モード分布を示し、右図は、信号光に対し制御光が逆位相（位相差１８０°）の場合の伝播モード分布を示す。
【図12】本発明の第２実施形態に係るトポロジカル光スイッチの素子構造を示す図である。
【図13】本発明の第２実施形態に係るトポロジカル光スイッチの相変化材料を装荷したトポロジカル結晶(PhC)の単位胞の一例を示す図である。
【図14】本発明の第２の実施形態に係るトポロジカル光スイッチのフォトニック結晶(PhC)の単位胞において特定箇所の屈折率を変化させた際のフォトニックバンドギャップ幅の推移のシミュレーション結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
（原理説明）
トポロジカル絶縁体（Topological insulator）やワイル半金属（Weyl Semimetal）などにおける電子系のトポロジーをフォトンの系にトレースする試みは、トポロジカルフォトニクスと呼ばれ、近年急速に進展している。トポロジカル絶縁体は、バルクはエネルギーギャップを持つ絶縁体でありながら、エッジ（２次元系では端、３次元系では表面）にギャップレスの金属状態が生じている物質をいう。
（原理説明）
トポロジカル絶縁体（Topological insulator）やワイル半金属（Weyl Semimetal）などにおける電子系のトポロジーをフォトンの系にトレースする試みは、トポロジカルフォトニクスと呼ばれ、近年急速に進展している。トポロジカル絶縁体は、バルクはエネルギーギャップを持つ絶縁体でありながら、エッジ（２次元系では端、３次元系では表面）にギャップレスの金属状態が生じている物質をいう。
【0012】
特に、Ｃ６ｖ対称性（６０°回転させると重なる対称性）を有する誘電体が蜂の巣格子状に配列された構造におけるＺ２トポロジー（電子波動関数のもつトポロジカルな構造の分類における一つのクラス）の発現は、光渦の伝送が可能なトポロジカルエッジ状態の実現を可能にする。
【0013】
トポロジカルフォトニクスとは、電子系のトポロジー概念をフォトンの系にトレースする試みであり、特に、Ｃ６ｖ対称性を有する誘電体が蜂の巣格子状に配列された構造においては、その「誘電体配置」を変化させることで、トポロジーの異なる２種類のフォトニック結晶（PhC）を作り出すことが可能となる。
【0014】
２種類のフォトニック結晶(PhC)は、Trivial Photonic Crystalと、Topological Photonic Crystalと、である。
Trivial Photonic Crystalは、バルクがエネルギーギャップを持つ絶縁体である「自明な」（普通の）フォトニック構造体である。Topological Photonic Crystalは、内部がエネルギーギャップを持つ絶縁体であるが、そのエッジがバンドギャップレスの金属状態であるフォトニック構造体である。
Trivial Photonic Crystalは、バルクがエネルギーギャップを持つ絶縁体である「自明な」（普通の）フォトニック構造体である。Topological Photonic Crystalは、内部がエネルギーギャップを持つ絶縁体であるが、そのエッジがバンドギャップレスの金属状態であるフォトニック構造体である。
【0015】
これら２つのフォトニック結晶(PhC)のPhC界面（Interface）には、光渦モードが伝播されることが知られており（トポロジカル伝送路）、光回路内において光渦を制御する上で有望な手法となる。
【0016】
<トポロジカルエッジ伝送路の設計>
図１は、本発明の第１の実施形態に係るトポロジカル光スイッチに用いるトポロジカルエッジ伝送路（Topological edge state waveguide）２０の構造を説明する図（Si-based topological edge state waveguide used in simulation）である。
図１に示すように、トポロジカルエッジ伝送路２０は、バルクがエネルギーギャップを持つ絶縁体であるフォトニック構造体（Trivial photonic structure）１１と、トポロジカルエッジ伝送路２０は、内部がエネルギーギャップを持つ絶縁体であり、そのエッジがギャップレスの金属状態であるトポロジカルフォトニック構造体（Topological photonic structure）１２と、フォトニック構造体１１とトポロジカルフォトニック構造体１２の境界において光渦伝播が可能なトポロジカルエッジ状態を発現するトポロジカルエッジ（Topological edge）１３と、を有する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係るトポロジカル光スイッチに用いるトポロジカルエッジ伝送路（Topological edge state waveguide）２０の構造を説明する図（Si-based topological edge state waveguide used in simulation）である。
図１に示すように、トポロジカルエッジ伝送路２０は、バルクがエネルギーギャップを持つ絶縁体であるフォトニック構造体（Trivial photonic structure）１１と、トポロジカルエッジ伝送路２０は、内部がエネルギーギャップを持つ絶縁体であり、そのエッジがギャップレスの金属状態であるトポロジカルフォトニック構造体（Topological photonic structure）１２と、フォトニック構造体１１とトポロジカルフォトニック構造体１２の境界において光渦伝播が可能なトポロジカルエッジ状態を発現するトポロジカルエッジ（Topological edge）１３と、を有する。
【0017】
<フォトニック構造体>
フォトニック構造体（Trivial PhC）１１は、Ｃ６ｖ対称性を有する第１誘電体１１１が蜂の巣格子状（例えば、周期ａ＝８００ｎｍ）に配列された構造である。
トポロジカルフォトニック構造体（Topological PhC）１２は、Ｃ６ｖ対称性を有する第２誘電体１１２が蜂の巣格子状（例えば、周期ａ＝８００ｎｍ）に配列された構造である。
フォトニック構造体（Trivial PhC）１１は、Ｃ６ｖ対称性を有する第１誘電体１１１が蜂の巣格子状（例えば、周期ａ＝８００ｎｍ）に配列された構造である。
トポロジカルフォトニック構造体（Topological PhC）１２は、Ｃ６ｖ対称性を有する第２誘電体１１２が蜂の巣格子状（例えば、周期ａ＝８００ｎｍ）に配列された構造である。
【0018】
第１誘電体１１１は、ＳＯＩ（Silicon-On-Insulator）ウェハ上に、Ｃ６ｖ対称性を有するナノホール１１１ａを蜂の巣格子状（周期ａ＝８００ｎｍ）のセル（unit cell）１２１（単位胞）に配列したナノ（ｎｍ，１ｎｍ＝１０－９ｍ）構造を用いる。
第２誘電体１１２は、ＳＯＩウェハ（例えばＳｉ膜厚２２０ｎｍ）１３１上に、Ｃ６ｖ対称性を有するナノホール１１２ａを蜂の巣格子状（周期ａ＝８００ｎｍ）のセル１２２（単位胞）に配列したナノ構造を用いる。
第１誘電体１１１のナノホール１１１ａと第２誘電体１１２のナノホール１１２ａは、蜂の巣格子のセル１２１，１２２中心からナノホール１１１ａ，１１２ａの中心までの距離Ｒおよびナノホール１辺の長さＬのパラメータがそれぞれ異なる（後記）。
第２誘電体１１２は、ＳＯＩウェハ（例えばＳｉ膜厚２２０ｎｍ）１３１上に、Ｃ６ｖ対称性を有するナノホール１１２ａを蜂の巣格子状（周期ａ＝８００ｎｍ）のセル１２２（単位胞）に配列したナノ構造を用いる。
第１誘電体１１１のナノホール１１１ａと第２誘電体１１２のナノホール１１２ａは、蜂の巣格子のセル１２１，１２２中心からナノホール１１１ａ，１１２ａの中心までの距離Ｒおよびナノホール１辺の長さＬのパラメータがそれぞれ異なる（後記）。
【0019】
トポロジカルフォトニクス系では、誘電体がハチの巣状誘電体部の△の一辺の長さと、セルの中心からの距離がわずかに異なる２種類のフォトニック構造の界面にトポロエッジ状態が発生し、そこを光が伝播する。光渦の回転の向きにより、左か右の一方向のみにしか伝播しない。図１では、フォトニック構造体１１とトポロジカルフォトニック構造体１２の境界のトポロジカルエッジ１３には、トポロジカルエッジモード（Topological edge mode）が発現している。
トポロジカルフォトニック構造体１２によって作られた２つの領域の界面に生じる光状態（トポロジカルエッジ状態）は、特定の偏光・光渦を有する光のみを許容し、これら特定の偏光・光渦は伝播方向依存性を有する。
トポロジカルフォトニック構造体１２によって作られた２つの領域の界面に生じる光状態（トポロジカルエッジ状態）は、特定の偏光・光渦を有する光のみを許容し、これら特定の偏光・光渦は伝播方向依存性を有する。
【0020】
<Ｃ６ｖ対称性を有するナノホールの構造>
図２は、Ｃ６ｖ対称性を有するナノホールの構造を示すブリルアンゾーン（Brillouin Zone）の図（Schematic image of a unit cell in the reciprocal space）である。フォトニック構造体１１の第１誘電体１１１のナノホール１１１ａを例に採る。トポロジカルフォトニック構造体１２の第２誘電体１１２のナノホール１１２ａについても同様の構造である。
図２の右図に示すように、蜂の巣格子のセル１２１の中心をブリルアンゾーンの中心（原点）Γ点とする。また、ブリルアンゾーンの高対称点として、Ｍ点（長方形面の中心）、Ｋ点（２つの長方形面をつなぐ辺の中心）、Ａ点（六角形面の中心）、Ｈ点（端点）、Ｌ点（六角形面と長方形面をつなぐ辺の中心）がある。
図２は、Ｃ６ｖ対称性を有するナノホールの構造を示すブリルアンゾーン（Brillouin Zone）の図（Schematic image of a unit cell in the reciprocal space）である。フォトニック構造体１１の第１誘電体１１１のナノホール１１１ａを例に採る。トポロジカルフォトニック構造体１２の第２誘電体１１２のナノホール１１２ａについても同様の構造である。
図２の右図に示すように、蜂の巣格子のセル１２１の中心をブリルアンゾーンの中心（原点）Γ点とする。また、ブリルアンゾーンの高対称点として、Ｍ点（長方形面の中心）、Ｋ点（２つの長方形面をつなぐ辺の中心）、Ａ点（六角形面の中心）、Ｈ点（端点）、Ｌ点（六角形面と長方形面をつなぐ辺の中心）がある。
【0021】
図２の左図に示すように、Ｓｉ膜１３３は、蜂の巣格子状のセル１２１とセル１２１に配列されたＣ６ｖ対称性を有するナノホール１１１ａとが形成される。残存Ｓｉ膜１３３と当該Ｓｉ膜１３３に開孔したナノホール１１１ａからなるフォトニック構造は、フォトニック構造体１１の第１誘電体１１１を形成する。図２の左図は、フォトニック構造体１１のセル１２１を上面手前の斜め上から見た図であり、開孔したナノホール１１１ａの下のＳｉＯ２絶縁膜１３２が露出している。
図２の左図のナノホール１１１ａは、蜂の巣格子のセル１２１の中心（Γ点）からナノホール１１１ａの中心までの距離Ｒ、ナノホール１１１ａの１辺の長さＬをパラメータとする。隣り合うナノホール１１１ａのセル１２１の中心角は、π／３である。
フォトニック構造体１１のナノホール１１１ａの場合、例えばＲ＝２４０ｎｍ，Ｌ＝２４０ｎｍである。
また、トポロジカルフォトニック構造体１２のナノホール１１２ａの場合、例えばＲ＝２９０ｎｍ，Ｌ＝２５０ｎｍである。
さらに、図２の左図に示すように、隣り合う蜂の巣格子のセル１２１同士の中心（Γ点）間距離ａ１、ａ２は、同じ（ここでは、ａ１＝ａ２＝８００ｎｍ≡ａ）である。
図２の左図のナノホール１１１ａは、蜂の巣格子のセル１２１の中心（Γ点）からナノホール１１１ａの中心までの距離Ｒ、ナノホール１１１ａの１辺の長さＬをパラメータとする。隣り合うナノホール１１１ａのセル１２１の中心角は、π／３である。
フォトニック構造体１１のナノホール１１１ａの場合、例えばＲ＝２４０ｎｍ，Ｌ＝２４０ｎｍである。
また、トポロジカルフォトニック構造体１２のナノホール１１２ａの場合、例えばＲ＝２９０ｎｍ，Ｌ＝２５０ｎｍである。
さらに、図２の左図に示すように、隣り合う蜂の巣格子のセル１２１同士の中心（Γ点）間距離ａ１、ａ２は、同じ（ここでは、ａ１＝ａ２＝８００ｎｍ≡ａ）である。
【0022】
<トポロジカルフォトニック結晶の特性>
図３は、トポロジカルフォトニック結晶の特性を説明するためのＣ６ｖ対称性を有するナノホールの構造を示す図である。図２と同一構成部分には同一符号を付している。
図３に示すように、ナノホール１１１ａは、蜂の巣格子のセル１２１（単位胞）の中心（Γ点）から三角ナノホール１１１ａの中心（重心）までの距離Ｒ、ナノホール１１１ａの１辺の長さＬをパラメータとする。隣り合うナノホール１１１ａのセル１２１の中心角は、π／３である。
フォトニック構造体１１のナノホール１１１ａの場合、例えばＲ＝２１３ｎｍ，Ｌ＝２８１ｎｍである。
また、トポロジカルフォトニック構造体１２のナノホール１１２ａの場合、例えばＲ＝２６４ｎｍ，Ｌ＝２８４ｎｍである。
また、隣り合う蜂の巣格子のセル１２１同士の中心（Γ点）間距離ａ（周期）は、同じ（ここでは、二次元解析のため、ａ＝７３０ｎｍ）である。
図３は、トポロジカルフォトニック結晶の特性を説明するためのＣ６ｖ対称性を有するナノホールの構造を示す図である。図２と同一構成部分には同一符号を付している。
図３に示すように、ナノホール１１１ａは、蜂の巣格子のセル１２１（単位胞）の中心（Γ点）から三角ナノホール１１１ａの中心（重心）までの距離Ｒ、ナノホール１１１ａの１辺の長さＬをパラメータとする。隣り合うナノホール１１１ａのセル１２１の中心角は、π／３である。
フォトニック構造体１１のナノホール１１１ａの場合、例えばＲ＝２１３ｎｍ，Ｌ＝２８１ｎｍである。
また、トポロジカルフォトニック構造体１２のナノホール１１２ａの場合、例えばＲ＝２６４ｎｍ，Ｌ＝２８４ｎｍである。
また、隣り合う蜂の巣格子のセル１２１同士の中心（Γ点）間距離ａ（周期）は、同じ（ここでは、二次元解析のため、ａ＝７３０ｎｍ）である。
【0023】
<トポロジカルフォトニック結晶のフォトニックバンド図>
図４は、図３に示すトポロジカルフォトニック結晶を用いたトポロジカルエッジ伝送路のフォトニック構造体１１とトポロジカルフォトニック構造体１２の、Trivial状態とNo bandgap状態とTopological状態の各フォトニックバンド図（Typical photonic bands for (left) trivial and (right) topological photonic crystals）である。図４の各フォトニックバンド図において、波長λ＝１．５５μｍがバンドギャップ中心である（図４の破線参照）。
図４の各フォトニックバンド図の横軸にWave vector（2■/■）をとり、縦軸にNormalized frequency（ωa/2■c=■/λ）をとる。図４の各バンド図の横軸のWave vector（2■/■）のΓ点は、蜂の巣格子状のセル１２１（図３参照）のブリルアンゾーンの中心、Ｋ点は２つの長方形面をつなぐ辺の中心、Ｍ点は長方形面の中心である（図３参照）。
図４は、図３に示すトポロジカルフォトニック結晶を用いたトポロジカルエッジ伝送路のフォトニック構造体１１とトポロジカルフォトニック構造体１２の、Trivial状態とNo bandgap状態とTopological状態の各フォトニックバンド図（Typical photonic bands for (left) trivial and (right) topological photonic crystals）である。図４の各フォトニックバンド図において、波長λ＝１．５５μｍがバンドギャップ中心である（図４の破線参照）。
図４の各フォトニックバンド図の横軸にWave vector（2■/■）をとり、縦軸にNormalized frequency（ωa/2■c=■/λ）をとる。図４の各バンド図の横軸のWave vector（2■/■）のΓ点は、蜂の巣格子状のセル１２１（図３参照）のブリルアンゾーンの中心、Ｋ点は２つの長方形面をつなぐ辺の中心、Ｍ点は長方形面の中心である（図３参照）。
【0024】
図４はまた、図３に示すトポロジカルフォトニック結晶のフォトニックバンドの推移を表わしている。フォトニックバンドは、変数である、蜂の巣格子のセル１２１（単位胞）の中心（Γ点）から三角ナノホール１１１ａの中心（重心）までの距離Ｒと、ナノホール１１１ａの１辺の長さＬと、により推移させることができる。
【0025】
変数Ｒは、主にTrivial状態からTopological状態への推移を司る。
Ｒ＜Period／３のとき、図３に示すトポロジカルフォトニック結晶は、Trivial状態である（図４のTrivial状態における２つのバンド図参照。図４では「Period」を「ａ」と表記）。
Ｒ＝Period／３のとき、No bandgap状態である（図４のNo bandgap状態におけるバンド図参照）。後記するＸ領域（図８および図１０参照）には”No bandgap”の構造を用いる。
Ｒ＞Period／３のとき、Topological状態である（図４のTopological状態における２つのバンド図参照）。
Ｒ＜Period／３のとき、図３に示すトポロジカルフォトニック結晶は、Trivial状態である（図４のTrivial状態における２つのバンド図参照。図４では「Period」を「ａ」と表記）。
Ｒ＝Period／３のとき、No bandgap状態である（図４のNo bandgap状態におけるバンド図参照）。後記するＸ領域（図８および図１０参照）には”No bandgap”の構造を用いる。
Ｒ＞Period／３のとき、Topological状態である（図４のTopological状態における２つのバンド図参照）。
【0026】
変数Ｌは、主にバンド全体を上下させ、バンドギャップ中心の制御を司る。例えば、変数Ｌを変えると、バンドギャップ中心（バンド形状）は変わらずに、バンド全体を上下させることができる。
【0027】
<トポロジカルフォトニック結晶を用いた光渦伝播>
図５および図６Ａ－Ｄは、トポロジカルフォトニック結晶を用いた光渦伝播を説明する図である。図１～図４と同一構成部分には同一符号を付している。
図５の下図は、ＦＤＴＤ法（Finite-difference time-domain method：有限差分時間領域法）により計算されたトポロジカルエッジ伝送路（フォトニック構造体（Trivial PhC）１１とトポロジカルフォトニック構造体（Topological PhC）１２の境界（Interface））近傍の磁界分布（Ｈｚ）を示す図（Calculated magnetic field Hz）である。横軸にｘ軸（ｘ axis）(μｍ)、縦軸にｙ軸（ｙ axis）(μｍ)をとる。
図５および図６Ａ－Ｄの濃淡は、磁界分布（Ｈｚ）の強度（濃いほど強度が大きい）を表わしている。図５の下図に示すように、電磁場は、フォトニック構造体１１とトポロジカルフォトニック構造体１２の境界のトポロジカルエッジ１３に局在している。
図５および図６Ａ－Ｄは、トポロジカルフォトニック結晶を用いた光渦伝播を説明する図である。図１～図４と同一構成部分には同一符号を付している。
図５の下図は、ＦＤＴＤ法（Finite-difference time-domain method：有限差分時間領域法）により計算されたトポロジカルエッジ伝送路（フォトニック構造体（Trivial PhC）１１とトポロジカルフォトニック構造体（Topological PhC）１２の境界（Interface））近傍の磁界分布（Ｈｚ）を示す図（Calculated magnetic field Hz）である。横軸にｘ軸（ｘ axis）(μｍ)、縦軸にｙ軸（ｙ axis）(μｍ)をとる。
図５および図６Ａ－Ｄの濃淡は、磁界分布（Ｈｚ）の強度（濃いほど強度が大きい）を表わしている。図５の下図に示すように、電磁場は、フォトニック構造体１１とトポロジカルフォトニック構造体１２の境界のトポロジカルエッジ１３に局在している。
【0028】
図５の上図は、図５の下図のトポロジカルエッジ伝送路（フォトニック構造体（Trivial PhC）１１とトポロジカルフォトニック構造体（Topological PhC）１２の境界（Interface））近傍の磁界分布（Ｈｚ）に対応するフォトニックバンド図である。図５の上図は、図４に対応している。
【0029】
図６Ａは、図５の符号Ａに示すTrivial状態におけるｄ±（電磁モード）のバンドギャップ磁界分布（Ｈｚ）を示す図、図６Ｂは、図５の符号Ｂに示すTrivial状態におけるｐ±（電磁モード）のバンドギャップ磁界分布（Ｈｚ）を示す図、図６Ｃは、図５の符号Ｃに示すTopological状態におけるｄ±，ｐ±のバンドギャップ磁界分布（Ｈｚ）を示す図、図６Ｄは、図５の符号Ｄに示すTopological状態におけるｄ±，ｐ±のバンドギャップ磁界分布（Ｈｚ）を示す図である。図６Ａ－Ｄは、横軸にｘ軸（ｘaxis）(μｍ)、縦軸にｚ軸（ｚ axis）(μｍ)をとる。
【0030】
図５の上図に示すように、フォトニック構造体（Trivial PhC）１１とトポロジカルフォトニック構造体（Topological PhC）１２のバンドの概形は、ほぼ同形状である。しかし、Γ点での電磁モードが反転（バンド反転）しており、物理的に異なる。
【0031】
図５の下図に示すように、フォトニック構造体（Trivial PhC）１１とトポロジカルフォトニック構造体（Topological PhC）１２のPhC界面（Interface）、すなわちバンドが閉じる界面（Interface）で、トポロジカル伝送路１３が発現され、光渦モードが伝播される。
【0032】
<２種類のトポロジカル光スイッチのアプローチ>
トポロジカル光スイッチ実現のための２つのアプローチを提案する。光渦伝播の切り替え制御は、報告はなく、本発明者らがはじめて開示するものである。
図７Ａ，Ｂは、２種類のトポロジカル光スイッチの概念図であり、図７Ａは、外因的手法を用いたトポロジカル光スイッチの概念図、図７Ｂは、内因的手法を用いたトポロジカル光スイッチの概念図である。
トポロジカル光スイッチ実現のための２つのアプローチを提案する。光渦伝播の切り替え制御は、報告はなく、本発明者らがはじめて開示するものである。
図７Ａ，Ｂは、２種類のトポロジカル光スイッチの概念図であり、図７Ａは、外因的手法を用いたトポロジカル光スイッチの概念図、図７Ｂは、内因的手法を用いたトポロジカル光スイッチの概念図である。
【0033】
図７Ａに示す外因的手法は、素子の構成要素であるフォトニック結晶(PhC)の外側で制御を行う手法である。外因的手法を用いたトポロジカル光スイッチ（外因性光渦スイッチ）１００は、トポロジカル伝送路における位相干渉を利用する。すなわち、外因的手法は、Inputの部分で位相干渉させることで、OutputをPort１または Port２に切り替える。
外因的手法を用いたトポロジカル光スイッチ１００については、第１実施形態（図８～図１１参照）で説明する。
外因的手法を用いたトポロジカル光スイッチ１００については、第１実施形態（図８～図１１参照）で説明する。
【0034】
ちなみに、通常の光回路で用いられているマッハツェンダー干渉計では、光導波路中を伝播する光ビームを２本の光導波路に分岐させ、位相差を与えてから合流させる。マッハツェンダー干渉計は、２つの伝送路における光の位相差を変化させて、出力の切り替えを行う。図７Ａに示す外因的手法は、トポロジカル伝送路において、マッハツェンダー干渉計と同じ現象を実現する。
【0035】
図７Ｂに示す内因的手法は、素子の構成要素であるフォトニック結晶(PhC)自体に制御を加える手法である。内因的手法を用いたトポロジカル光スイッチ（内因性光渦スイッチ）２００は、相変化材料によりフォトニックバンドを制御し、フォトニック結晶(PhC)のトポロジーに変化を与えるバンドエンジリアリングを利用する。すなわち、内因的手法は、バンドエンジリアリングを用いてInputの１入力を２出力にする。
内因的手法を用いたトポロジカル光スイッチ２００については、第２実施形態（図１２～図１４参照）で説明する。
内因的手法を用いたトポロジカル光スイッチ２００については、第２実施形態（図１２～図１４参照）で説明する。
【0036】
（第１実施形態）
図８～図１１は、本発明の第１実施形態に係るトポロジカル光スイッチ１００の素子構造を示す図（Schematic image of proposed device.）である。図８のトポロジカル光スイッチ１００は、図７Ａに示す外因的手法を用いたトポロジカル光スイッチ（外因性光渦スイッチ）である。
図８～図１１は、本発明の第１実施形態に係るトポロジカル光スイッチ１００の素子構造を示す図（Schematic image of proposed device.）である。図８のトポロジカル光スイッチ１００は、図７Ａに示す外因的手法を用いたトポロジカル光スイッチ（外因性光渦スイッチ）である。
【0037】
［素子構造］
トポロジカル光スイッチ１００は、内部がエネルギーギャップを持つ絶縁体であり、そのエッジがギャップレスの金属状態である第１トポロジカルフォトニック構造体（Topological photonic structure）１５１と、第１トポロジカルフォトニック構造体１５１に交差するように配置され、内部がエネルギーギャップを持つ絶縁体であり、そのエッジがギャップレスの金属状態である第２トポロジカルフォトニック構造体１５２と、第１トポロジカルフォトニック構造体１５１と第２トポロジカルフォトニック構造体１５２との交差位置に配置され、入力される制御光と信号光の位相差に応じて信号光の出力方向を切り替えるNo bandgapのフォトニック構造体からなるＸ領域１５０と、第１トポロジカルフォトニック構造体１５１と第２トポロジカルフォトニック構造体１５２およびＸ領域１５０の一方の側に配置され、バルクがエネルギーギャップを持つ絶縁体である第１フォトニック構造体（Trivial photonic structure）１６１と、第１トポロジカルフォトニック構造体１５１と第２トポロジカルフォトニック構造体１５２およびＸ領域１５０の他方の側に配置され、バルクがエネルギーギャップを持つ絶縁体である第２フォトニック構造体１６２と、第１トポロジカルフォトニック構造体１５１と第１フォトニック構造体１６１および第２フォトニック構造体１６２の境界において光渦伝播が可能なトポロジカルエッジ状態を発現する第１トポロジカルエッジ１７１と、第１トポロジカルフォトニック構造体１５１と第１フォトニック構造体１６１およびＸ領域１５０の境界において光渦伝播が可能なトポロジカルエッジ状態を発現する第２トポロジカルエッジ１７２と、を有する。
トポロジカル光スイッチ１００は、内部がエネルギーギャップを持つ絶縁体であり、そのエッジがギャップレスの金属状態である第１トポロジカルフォトニック構造体（Topological photonic structure）１５１と、第１トポロジカルフォトニック構造体１５１に交差するように配置され、内部がエネルギーギャップを持つ絶縁体であり、そのエッジがギャップレスの金属状態である第２トポロジカルフォトニック構造体１５２と、第１トポロジカルフォトニック構造体１５１と第２トポロジカルフォトニック構造体１５２との交差位置に配置され、入力される制御光と信号光の位相差に応じて信号光の出力方向を切り替えるNo bandgapのフォトニック構造体からなるＸ領域１５０と、第１トポロジカルフォトニック構造体１５１と第２トポロジカルフォトニック構造体１５２およびＸ領域１５０の一方の側に配置され、バルクがエネルギーギャップを持つ絶縁体である第１フォトニック構造体（Trivial photonic structure）１６１と、第１トポロジカルフォトニック構造体１５１と第２トポロジカルフォトニック構造体１５２およびＸ領域１５０の他方の側に配置され、バルクがエネルギーギャップを持つ絶縁体である第２フォトニック構造体１６２と、第１トポロジカルフォトニック構造体１５１と第１フォトニック構造体１６１および第２フォトニック構造体１６２の境界において光渦伝播が可能なトポロジカルエッジ状態を発現する第１トポロジカルエッジ１７１と、第１トポロジカルフォトニック構造体１５１と第１フォトニック構造体１６１およびＸ領域１５０の境界において光渦伝播が可能なトポロジカルエッジ状態を発現する第２トポロジカルエッジ１７２と、を有する。
【0038】
トポロジカル光スイッチ１００は、第２トポロジカルフォトニック構造体１５２と第２フォトニック構造体１６２の境界において光渦伝播が可能なトポロジカルエッジ状態を発現する第３トポロジカルエッジ１７３と、を有し、Ｘ領域１５０は、第３トポロジカルエッジ１７３に入力され光渦伝播した制御光と、第１トポロジカルエッジ１７１に入力され光渦伝播した信号光とが同位相である場合、この信号光を第１トポロジカルエッジ１７１のPort１（第１ポート）に出力し、逆位相である場合、この信号光を第２トポロジカルエッジ１７２のPort２（第２ポート）に出力するように信号光の出力方向を切り替える。
【0039】
Ｘ領域１５０は、フォトニックバンドギャップ幅の閉じるNo bandgapのフォトニック構造体（フォトニック結晶(PhC)）である。
また、別の定義をすれば、Ｘ領域１５０は、図４に示すＲ＝Period／３のときのフォトニック構造体（フォトニック結晶(PhC)）である。Ｘ領域１５０は、例えばフォトニック結晶(PhC)にPhotonic graphene（No bandgap）を用いることができ、図４に示すＲ＝Period／３のとき、例えば（@1550 nm）の大きさである。
また、別の定義をすれば、Ｘ領域１５０は、図４に示すＲ＝Period／３のときのフォトニック構造体（フォトニック結晶(PhC)）である。Ｘ領域１５０は、例えばフォトニック結晶(PhC)にPhotonic graphene（No bandgap）を用いることができ、図４に示すＲ＝Period／３のとき、例えば（@1550 nm）の大きさである。
【0040】
Ｘ領域１５０のフォトニック構造体は、トポロジカルフォトニック構造体１５１，１５２とトリビアルフォトニック構造体１６１，１６２との中間的な構造である。すなわち、トポロジカルフォトニック構造体１５１，１５２とトリビアルフォトニック構造体１６１，１６２とは、例えば単位胞の中心から三角孔の中心までの距離がそれぞれ異なる。Ｘ領域１５０のフォトニック構造体は、トポロジカルフォトニック構造体１５１，１５２とトリビアルフォトニック構造体１６１，１６２の上記距離とはいずれも異なり、その中間的な距離である。
【0041】
Ｘ領域１５０のフォトニック構造体は、図８に示すように、ハニカム構造のセルの縦横４つ分（４×４）である。ここで、Ｘ領域１５０のセルを縦横２つ分（２×２）にすると、フォトニックバンドギャップ幅が完全には閉じきれず、スイッチングがうまくできない。Ｘ領域１５０のセルを縦横４つ分（４×４）より多くすると、トポロジカル伝送路（光渦伝送路）における伝播のロスが生じる。
【0042】
第１トポロジカルフォトニック構造体１５１および第２トポロジカルフォトニック構造体１５２は、例えば図１および図３に示すトポロジカルフォトニック構造体（Topological PhC）１２である。第１トポロジカルフォトニック構造体１５１および第２トポロジカルフォトニック構造体１５２は、図４に示すＲ＞Period／３のときのTopological状態であるバンド図で示される。
【0043】
第１フォトニック構造体１６１および第２フォトニック構造体１６２は、例えば図１および図３に示すフォトニック構造体（Trivial PhC）１１である。第１フォトニック構造体１６１および第２フォトニック構造体１６２は、図４に示すＲ＜Period／３のときのTrivial状態であるバンド図で示される。
【0044】
第１トポロジカルエッジ１７１、第２トポロジカルエッジ１７２および第３トポロジカルエッジ１７３は、例えば図１および図３に示すフォトニック構造体１１とトポロジカルフォトニック構造体１２の境界において光渦伝播が可能なトポロジカルエッジ状態を発現するトポロジカルエッジ１３である。
【0045】
<光の位相差の再現方法>
光の位相差の再現方法について説明する。遅延導波路３０を用いる方法と位相シフタ４０を用いる方法とがある。いずれも、図７Ａに示す外因的手法（素子の構成要素であるPhCの外側で制御を行う手法）であり、トポロジカル伝送路における位相干渉を利用する。
光の位相差の再現方法について説明する。遅延導波路３０を用いる方法と位相シフタ４０を用いる方法とがある。いずれも、図７Ａに示す外因的手法（素子の構成要素であるPhCの外側で制御を行う手法）であり、トポロジカル伝送路における位相干渉を利用する。
【0046】
まず、遅延導波路３０を用いる方法について述べる。
図９は、ＦＤＴＤ法により計算されたトポロジカル導波路での位相分布を示す図である。横軸にｘ軸（ｘ axis）(μｍ)、縦軸にｙ軸（ｙ axis）(μｍ)をとる。図８と同一構成部分には同一符号を付している。
図９の矢印ａに示す光渦伝播方向に光渦（図９のセル内の回転矢印参照）が伝播される。遅延導波路３０を用いることで、トポロジカル導波路中で位相遅延を生じさせることができる。図９の符号ｂで囲んだセルと図９の符号ｃで囲んだセル間は、８セルあり、トポロジカル導波路中での位相遅延が積算され、８セル分の位相差は１８０°（すなわち逆位相）である（180 °phase difference occurs in about 8 cells）。ここでは、８セル分の位相差が１８０°であることが分かっている。図９の遅延導波路３０を用いる方法は、構造的に位相差を設ける方法である。
Ｘ領域１５０（図８参照）で合波する際の片経路に、図９に示す遅延導波路３０を用いることで、光の位相差を再現している。
図９は、ＦＤＴＤ法により計算されたトポロジカル導波路での位相分布を示す図である。横軸にｘ軸（ｘ axis）(μｍ)、縦軸にｙ軸（ｙ axis）(μｍ)をとる。図８と同一構成部分には同一符号を付している。
図９の矢印ａに示す光渦伝播方向に光渦（図９のセル内の回転矢印参照）が伝播される。遅延導波路３０を用いることで、トポロジカル導波路中で位相遅延を生じさせることができる。図９の符号ｂで囲んだセルと図９の符号ｃで囲んだセル間は、８セルあり、トポロジカル導波路中での位相遅延が積算され、８セル分の位相差は１８０°（すなわち逆位相）である（180 °phase difference occurs in about 8 cells）。ここでは、８セル分の位相差が１８０°であることが分かっている。図９の遅延導波路３０を用いる方法は、構造的に位相差を設ける方法である。
Ｘ領域１５０（図８参照）で合波する際の片経路に、図９に示す遅延導波路３０を用いることで、光の位相差を再現している。
【0047】
次に、位相シフタ４０を用いる方法について述べる。
図１０は、トポロジカル光スイッチ１００の素子構造を示す図である。図８と同一構成部分には同一符号を付している。
図１０に示すように、トポロジカル光スイッチ１００は、素子の構成要素であるフォトニック結晶(PhC)の外側で、制御光部分の経路に位相シフタ４０を設ける。
位相シフタ４０は、電気・熱光学効果（例えば、光導波路のｐｎ接合にバイアスを与える／バイアスを与えない）を用いて、制御光の位相差を変化させる。ここでは、位相シフタ４０は、電気・熱光学効果を用いて、制御光の位相差を１８０°（逆位相）または０°に変化させることで、動的に位相差を与えることができる。
図１０は、トポロジカル光スイッチ１００の素子構造を示す図である。図８と同一構成部分には同一符号を付している。
図１０に示すように、トポロジカル光スイッチ１００は、素子の構成要素であるフォトニック結晶(PhC)の外側で、制御光部分の経路に位相シフタ４０を設ける。
位相シフタ４０は、電気・熱光学効果（例えば、光導波路のｐｎ接合にバイアスを与える／バイアスを与えない）を用いて、制御光の位相差を変化させる。ここでは、位相シフタ４０は、電気・熱光学効果を用いて、制御光の位相差を１８０°（逆位相）または０°に変化させることで、動的に位相差を与えることができる。
【0048】
［光渦伝播の切り替え制御］
図１１は、ＦＤＴＤ法により計算されたトポロジカル光スイッチ１００の伝播モード分布（磁界分布（Ｈｚ））を示す図であり、図１１の左図は、信号光に対し制御光が同位相（位相差０°）の場合の伝播モード分布を示し、図１１の右図は、信号光に対し制御光が逆位相（位相差１８０°）の場合の伝播モード分布を示している。横軸にｘ軸（ｘ axis）(μｍ)、縦軸にｙ軸（ｙ axis）(μｍ)をとる。
図１１の左図の符号ｅ（●印）は、信号光の位相を模式的に示しており、符号ｆ（●印）は、制御光の位相を模式的に示している。信号光に対し制御光が同位相（●印同士）である。領域Ｘ１５０に到達する際に信号光と制御光が同位相で重なり合わされる場合は、一方のトポロジカル伝送路１７１が支配的となり、Port１に信号光が出力される。
図１１は、ＦＤＴＤ法により計算されたトポロジカル光スイッチ１００の伝播モード分布（磁界分布（Ｈｚ））を示す図であり、図１１の左図は、信号光に対し制御光が同位相（位相差０°）の場合の伝播モード分布を示し、図１１の右図は、信号光に対し制御光が逆位相（位相差１８０°）の場合の伝播モード分布を示している。横軸にｘ軸（ｘ axis）(μｍ)、縦軸にｙ軸（ｙ axis）(μｍ)をとる。
図１１の左図の符号ｅ（●印）は、信号光の位相を模式的に示しており、符号ｆ（●印）は、制御光の位相を模式的に示している。信号光に対し制御光が同位相（●印同士）である。領域Ｘ１５０に到達する際に信号光と制御光が同位相で重なり合わされる場合は、一方のトポロジカル伝送路１７１が支配的となり、Port１に信号光が出力される。
【0049】
一方、図１１の右図の符号ｇに示すように、領域Ｘ１５０に到達する際に信号光と制御光が互いに逆位相（〇印）の場合は、他方のトポロジカル伝送路１７２が支配的となり、Port２に信号光が出力される。
【0050】
このように、トポロジカル光スイッチ１００は、信号光と制御光が領域Ｘ１５０（図８および図１０参照）に到達する際に同位相であればPort１（図８および図１０参照）に信号光が出力され、逆位相であればPort２（図８および図１０参照）に信号光が出力される。例えば、制御光の位相差を電気・熱光学効果を用いた位相シフタ４０（図１０参照）により変化させることで、光渦モードを維持したまま出力方向の切り替えを行うことが可能となる。
【0051】
以上説明したように、第１の実施形態に係るトポロジカル光スイッチ１００は、内部がエネルギーギャップを持つ絶縁体であり、そのエッジがギャップレスの金属状態である第１トポロジカルフォトニック構造体１５１と、第１トポロジカルフォトニック構造体１５１に交差するように配置され、内部がエネルギーギャップを持つ絶縁体であり、そのエッジがギャップレスの金属状態である第２トポロジカルフォトニック構造体１５２と、第１トポロジカルフォトニック構造体１５１と第２トポロジカルフォトニック構造体１５２との交差位置に配置され、No bandgapのフォトニック構造体からなるＸ領域１５０と、第２トポロジカルフォトニック構造体１５２およびＸ領域１５０の一方の側と第１トポロジカルフォトニック構造体１５１との間に配置され、バルクがエネルギーギャップを持つ絶縁体である第１フォトニック構造体１６１と、第２トポロジカルフォトニック構造体１５２およびＸ領域１５０の他方の側と第１トポロジカルフォトニック構造体１５１との間に配置され、バルクがエネルギーギャップを持つ絶縁体である第２フォトニック構造体１６２と、第１トポロジカルフォトニック構造体１５１と第１フォトニック構造体１６１および第２フォトニック構造体１６２との境界において光渦伝播が可能なトポロジカルエッジ状態を発現する第１トポロジカルエッジ１７１と、第１トポロジカルフォトニック構造体１５１と第１フォトニック構造体１６１およびＸ領域１５０との境界において光渦伝播が可能なトポロジカルエッジ状態を発現する第２トポロジカルエッジ１７２と、を有する。
【0052】
この構成により、光渦モードを維持したまま出力方向の切り替えを行うことができるトポロジカル光スイッチ（外因性光渦スイッチ）を提供することができる。これにより、トポロジカルシリコン光回路（Topological photonic integrated circuits：TPICs）上に集積可能なトポロジカル光スイッチを実現することができる。光渦は、理論的に多重化の制約がないので、大容量伝送向けの光渦通信技術の有力な要素技術である。
トポロジカル光スイッチ１００は、トポロジカル特性の光回路への応用が可能である。光渦の伝送を用いたトポロジカル光スイッチは、半導体基板（シリコン，ＩｎＰなど）上に形成することができ、半導体レーザや大容量伝送のキーコンポーネントであるマルチコアファイバとの整合性にも優れていることから光通信との親和性の向上も期待できる。
トポロジカル光スイッチ１００は、トポロジカル特性の光回路への応用が可能である。光渦の伝送を用いたトポロジカル光スイッチは、半導体基板（シリコン，ＩｎＰなど）上に形成することができ、半導体レーザや大容量伝送のキーコンポーネントであるマルチコアファイバとの整合性にも優れていることから光通信との親和性の向上も期待できる。
【0053】
トポロジカル光スイッチ１００において、Ｘ領域１５０は、入力される制御光と信号光の位相干渉をもとに信号光の出力方向を切り替える。
【0054】
この構成により、位相干渉をもとに信号光の出力方向を切り替えることができ、光渦モードを維持したまま出力方向の切り替えを行うことができる。
【0055】
トポロジカル光スイッチ１００において、Ｘ領域１５０は、入力される制御光と信号光の位相差に応じて信号光の出力方向を切り替える。
【0056】
この位相差は、例えば、素子の構成要素であるフォトニック結晶(PhC)の外側で、制御光部分の経路に位相シフタ４０を設ける。位相シフタ４０は、電気・熱光学効果を用いて、制御光の位相差を１８０°（逆位相）または０°に変化させることで、動的に位相差を与えることができ、光渦モードを維持したまま出力方向を動的に切り替えることができる。
また、トポロジカル導波路中での位相遅延が積算する遅延導波路３０を用いることで、トポロジカル導波路中で位相遅延を生じさせることができる。構造的に位相差を設けることができ、位相シフタ４０が不要である。
また、トポロジカル導波路中での位相遅延が積算する遅延導波路３０を用いることで、トポロジカル導波路中で位相遅延を生じさせることができる。構造的に位相差を設けることができ、位相シフタ４０が不要である。
【0057】
トポロジカル光スイッチ１００において、第２トポロジカルフォトニック構造体１５２と第２フォトニック構造体１６２との境界において光渦伝播が可能なトポロジカルエッジ状態を発現する第３トポロジカルエッジ１７３を有し、Ｘ領域１５０は、第３トポロジカルエッジ１７３に入力され光渦伝播した制御光と、第１トポロジカルエッジ１７１に入力され光渦伝播した信号光との位相差に応じて信号光の出力方向を切り替える。
【0058】
この構成により、第３トポロジカルエッジ１７３に入力され光渦伝播した制御光の位相を変化させることで、光渦モードを維持したまま出力方向の切り替えを行うことができる。
【0059】
トポロジカル光スイッチ１００において、Ｘ領域１５０は、第３トポロジカルエッジ１７３に入力され光渦伝播した制御光と、第１トポロジカルエッジ１７１に入力され光渦伝播した信号光とが同位相である場合、この信号光を第１トポロジカルエッジ１７１のPort１（第１ポート）に出力し、逆位相である場合、この信号光を第２トポロジカルエッジ１７２のPort２（第２ポート）に出力するように信号光の出力方向を切り替える。
【0060】
この構成により、位相差に応じて信号光の出力方向を切り替えることができ、光渦モードを維持したまま出力方向の切り替えを行うことができるトポロジカル光スイッチを提供することができる。
【0061】
トポロジカル光スイッチ１００において、トポロジカルフォトニック構造体またはフォトニック構造体は、蜂の巣格子状のセル１２１とセル１２１に配列されたＣ６ｖ対称性を有するナノホール１１１ａとを有するフォトニック結晶からなり、蜂の巣格子のセル１２１（単位胞）の中心（Γ点）からナノホール１１１ａの中心までの距離Ｒと、ナノホール１１１ａの１辺の長さＬと、を設定する場合、距離Ｒは、Trivial状態からTopological状態への推移を司る変数であり、１辺の長さＬは、バンド全体を上下させ、バンドギャップ中心の制御を司る変数であり、フォトニック結晶は、
Ｒ＜Period／３のとき、Trivial状態、
Ｒ＝Period／３のとき、No bandgap状態、
Ｒ＞Period／３のとき、Topological状態である。
Ｒ＜Period／３のとき、Trivial状態、
Ｒ＝Period／３のとき、No bandgap状態、
Ｒ＞Period／３のとき、Topological状態である。
【0062】
Ｘ領域１５０は、Ｒ＝Period／３のフォトニック結晶である。
【0063】
この構成により、Ｘ領域１５０が、Ｒ＝Period／３のフォトニック結晶であることで、No bandgapのフォトニック構造体を配置することができる。
【0064】
（第２実施形態）
図１２～図１４は、本発明の第２実施形態に係るトポロジカル光スイッチ２００の素子構造を示す図である。図１２のトポロジカル光スイッチ２００は、図７Ｂに示す内因的手法を用いたトポロジカル光スイッチ（内因性光渦スイッチ）である。図８と同一構成部分には同一符号を付している。
図１２～図１４は、本発明の第２実施形態に係るトポロジカル光スイッチ２００の素子構造を示す図である。図１２のトポロジカル光スイッチ２００は、図７Ｂに示す内因的手法を用いたトポロジカル光スイッチ（内因性光渦スイッチ）である。図８と同一構成部分には同一符号を付している。
【0065】
［素子構造］
トポロジカル光スイッチ２００は、内部がエネルギーギャップを持つ絶縁体であり、そのエッジがギャップレスの金属状態である第１トポロジカルフォトニック構造体１５１と、第１トポロジカルフォトニック構造体１５１に交差するように配置され、内部がエネルギーギャップを持つ絶縁体であり、そのエッジがギャップレスの金属状態である第２トポロジカルフォトニック構造体１５２と、第１トポロジカルフォトニック構造体１５１と第２トポロジカルフォトニック構造体１５２との交差位置に配置され、フォトニック結晶(PhC)の相状態を変化させる相変化材料２５０ａが装荷されたフォトニック構造体からなるＸ領域２５０と、第１トポロジカルフォトニック構造体１５１と第２トポロジカルフォトニック構造体１５２およびＸ領域２５０の一方の側に配置され、バルクがエネルギーギャップを持つ絶縁体である第１フォトニック構造体１６１と、第１トポロジカルフォトニック構造体１５１と第２トポロジカルフォトニック構造体１５２およびＸ領域２５０の他方の側に配置され、バルクがエネルギーギャップを持つ絶縁体である第２フォトニック構造体１６２と、第１トポロジカルフォトニック構造体１５１と第１フォトニック構造体１６１および第２フォトニック構造体１６２の境界において光渦伝播が可能なトポロジカルエッジ状態を発現する第１トポロジカルエッジ１７１と、第１トポロジカルフォトニック構造体１５１と第１フォトニック構造体１６１およびＸ領域２５０の境界において光渦伝播が可能なトポロジカルエッジ状態を発現する第２トポロジカルエッジ１７２と、を有する。
トポロジカル光スイッチ２００は、内部がエネルギーギャップを持つ絶縁体であり、そのエッジがギャップレスの金属状態である第１トポロジカルフォトニック構造体１５１と、第１トポロジカルフォトニック構造体１５１に交差するように配置され、内部がエネルギーギャップを持つ絶縁体であり、そのエッジがギャップレスの金属状態である第２トポロジカルフォトニック構造体１５２と、第１トポロジカルフォトニック構造体１５１と第２トポロジカルフォトニック構造体１５２との交差位置に配置され、フォトニック結晶(PhC)の相状態を変化させる相変化材料２５０ａが装荷されたフォトニック構造体からなるＸ領域２５０と、第１トポロジカルフォトニック構造体１５１と第２トポロジカルフォトニック構造体１５２およびＸ領域２５０の一方の側に配置され、バルクがエネルギーギャップを持つ絶縁体である第１フォトニック構造体１６１と、第１トポロジカルフォトニック構造体１５１と第２トポロジカルフォトニック構造体１５２およびＸ領域２５０の他方の側に配置され、バルクがエネルギーギャップを持つ絶縁体である第２フォトニック構造体１６２と、第１トポロジカルフォトニック構造体１５１と第１フォトニック構造体１６１および第２フォトニック構造体１６２の境界において光渦伝播が可能なトポロジカルエッジ状態を発現する第１トポロジカルエッジ１７１と、第１トポロジカルフォトニック構造体１５１と第１フォトニック構造体１６１およびＸ領域２５０の境界において光渦伝播が可能なトポロジカルエッジ状態を発現する第２トポロジカルエッジ１７２と、を有する。
【0066】
Ｘ領域２５０は、No bandgapのフォトニック構造体であり、例えば、図４に示すＲ＝Period／３のときのPhotonic graphene（No bandgap）(@1550 nm)である。
Ｘ領域２５０のフォトニック構造体は、トポロジカルフォトニック構造体１５１，１５２とトリビアルフォトニック構造体１６１，１６２との中間的な構造である。すなわち、トポロジカルフォトニック構造体１５１，１５２とトリビアルフォトニック構造体１６１，１６２とは、例えば単位胞の中心から三角孔の中心までの距離が異なるが、Ｘ領域２５０のフォトニック構造体は、トポロジカルフォトニック構造体１５１，１５２とトリビアルフォトニック構造体１６１，１６２の上記距離とはいずれも異なり、その中間的な距離である。
Ｘ領域２５０のフォトニック構造体は、トポロジカルフォトニック構造体１５１，１５２とトリビアルフォトニック構造体１６１，１６２との中間的な構造である。すなわち、トポロジカルフォトニック構造体１５１，１５２とトリビアルフォトニック構造体１６１，１６２とは、例えば単位胞の中心から三角孔の中心までの距離が異なるが、Ｘ領域２５０のフォトニック構造体は、トポロジカルフォトニック構造体１５１，１５２とトリビアルフォトニック構造体１６１，１６２の上記距離とはいずれも異なり、その中間的な距離である。
【0067】
Ｘ領域２５０のフォトニック構造体上部に、フォトニック結晶(PhC)の相状態を変化させる相変化材料２５０ａ（Functional material）を装荷する。
図１３は、相変化材料２５０ａを装荷したトポロジカル結晶(PhC)の単位胞の一例を示す図である。
相変化材料２５０ａは、フォトニック結晶(PhC)に対して、PhC自体に可逆的に物理特性を変化させる機能性材料の一つである。相変化材料２５０ａは、例えば、Ｇｅ２Ｓｂ２Ｔｅ５をはじめとするＧｅＳｂＴｅ系カルコゲン化合物（ＧＳＴ）が利用される。ＧＳＴは、異なる大きさの電圧パルスを印加してジュール加熱することで可逆的に相変化する相変化材料である。ＧＳＴは、７～８Ｖのパルス電圧印加で結晶化して３ｋΩ程度の低抵抗・リセット状態，２～４Ｖでアモルファス・１０５Ωの高抵抗・セット状態になる。ＧＳＴのメリットは、相変化の高速性（数十ｎｓ）にある。
図１３は、相変化材料２５０ａを装荷したトポロジカル結晶(PhC)の単位胞の一例を示す図である。
相変化材料２５０ａは、フォトニック結晶(PhC)に対して、PhC自体に可逆的に物理特性を変化させる機能性材料の一つである。相変化材料２５０ａは、例えば、Ｇｅ２Ｓｂ２Ｔｅ５をはじめとするＧｅＳｂＴｅ系カルコゲン化合物（ＧＳＴ）が利用される。ＧＳＴは、異なる大きさの電圧パルスを印加してジュール加熱することで可逆的に相変化する相変化材料である。ＧＳＴは、７～８Ｖのパルス電圧印加で結晶化して３ｋΩ程度の低抵抗・リセット状態，２～４Ｖでアモルファス・１０５Ωの高抵抗・セット状態になる。ＧＳＴのメリットは、相変化の高速性（数十ｎｓ）にある。
【0068】
第１トポロジカルフォトニック構造体１５１および第２トポロジカルフォトニック構造体１５２は、例えば図１および図３に示すトポロジカルフォトニック構造体（Topological PhC）１２である。第１トポロジカルフォトニック構造体１５１および第２トポロジカルフォトニック構造体１５２は、図４に示すＲ＞Period／３のときのTopological状態であるバンド図で示される。
【0069】
第１フォトニック構造体１６１および第２フォトニック構造体１６２は、例えば図１および図３に示すフォトニック構造体（Trivial PhC）１１である。第１フォトニック構造体１６１および第２フォトニック構造体１６２は、図４に示すＲ＜Period／３のときのTrivial状態であるバンド図で示される。
【0070】
第１トポロジカルエッジ１７１、第２トポロジカルエッジ１７２および第３トポロジカルエッジ１７３は、例えば図１および図３に示すフォトニック構造体１１とトポロジカルフォトニック構造体１２の境界において光渦伝播が可能なトポロジカルエッジ状態を発現するトポロジカルエッジ１３である。
【0071】
図１４は、フォトニック結晶(PhC)の単位胞において特定箇所の屈折率を変化させた際のフォトニックバンドギャップ幅の推移のシミュレーション結果を示す図である。横軸に屈折率（Refractive index）、縦軸にフォトニックバンドギャップ幅（Photonic bandgap width(△ａ/λ)）をとる。
図１４に示すように、フォトニック結晶(PhC)の単位胞において特定箇所の屈折率４．４０～５．１８辺りがTopological状態のフォトニックバンドギャップ幅をもつ（図１４のTopological state参照）。屈折率が４．４０の状態から徐々にバンドギャップ幅が狭まっていき（図１４のTopological state参照）、屈折率５．１～５．４の辺りでバンドギャップが消失する（図１４のBand inversion参照）。屈折率５．４でバンド反転が発生し、屈折率が５．４から大きくなるに従って再度バンドギャップ幅が拡がっていく（図１４のTrivial state参照）。ここでは、Trivial状態である。
例えば、ＧｅＳｂＴｅ系カルコゲン化合物（ＧＳＴ）に代表される相変化材料を光誘起相転移させた場合、屈折率は約４．４（アモルファス状態）から約７．２（結晶状態）へと可逆的な変化をする。このため、この相変化材料２５０ａを用いた場合、フォトニック結晶(PhC)自体のトポロジーを切り替えることが可能となる。
図１４に示すように、フォトニック結晶(PhC)の単位胞において特定箇所の屈折率４．４０～５．１８辺りがTopological状態のフォトニックバンドギャップ幅をもつ（図１４のTopological state参照）。屈折率が４．４０の状態から徐々にバンドギャップ幅が狭まっていき（図１４のTopological state参照）、屈折率５．１～５．４の辺りでバンドギャップが消失する（図１４のBand inversion参照）。屈折率５．４でバンド反転が発生し、屈折率が５．４から大きくなるに従って再度バンドギャップ幅が拡がっていく（図１４のTrivial state参照）。ここでは、Trivial状態である。
例えば、ＧｅＳｂＴｅ系カルコゲン化合物（ＧＳＴ）に代表される相変化材料を光誘起相転移させた場合、屈折率は約４．４（アモルファス状態）から約７．２（結晶状態）へと可逆的な変化をする。このため、この相変化材料２５０ａを用いた場合、フォトニック結晶(PhC)自体のトポロジーを切り替えることが可能となる。
【0072】
トポロジカル光スイッチ２００は、Ｘ領域２５０（図１２参照）のフォトニック結晶(PhC)に、機能性材料として相変化材料２５０ａを装荷する。ＧｅＳｂＴｅ系カルコゲン化合物（ＧＳＴ）を利用する場合、異なる大きさの電圧パルスを印加してジュール加熱することで、ＧＳＴを可逆的に相変化させ、フォトニック結晶(PhC)自体に変化を与える。例えば、Ｘ領域２５０（図１２参照）をTrivialからTopological構造へ変化させることが可能である。
【0073】
トポロジカル光スイッチ２００は、Ｘ領域２５０（図１２参照）のフォトニック結晶(PhC)の相変化材料２５０ａの相状態が切り替わることで、一方のトポロジカル伝送路が支配的になり、対応する経路に光渦信号が伝送される。
例えば、Ｘ領域２５０が、Trivial（図１４の屈折率５．４～７．２０のTrivial state参照）：InputからPort２へ光渦信号が伝送される。
Ｘ領域２５０が、No Bandgap（図１４の屈折率５．１８～５．２０のBand inversion参照）：InputからPort１とPort２へ光渦信号が伝送される。
Ｘ領域２５０が、Topological（図１４の屈折率４．４０～５．１８のTopological state参照）：InputからPort１へ光渦信号が伝送される。
例えば、Ｘ領域２５０が、Trivial（図１４の屈折率５．４～７．２０のTrivial state参照）：InputからPort２へ光渦信号が伝送される。
Ｘ領域２５０が、No Bandgap（図１４の屈折率５．１８～５．２０のBand inversion参照）：InputからPort１とPort２へ光渦信号が伝送される。
Ｘ領域２５０が、Topological（図１４の屈折率４．４０～５．１８のTopological state参照）：InputからPort１へ光渦信号が伝送される。
【0074】
以上説明したように、第２の実施形態に係るトポロジカル光スイッチ２００は、内部がエネルギーギャップを持つ絶縁体であり、そのエッジがギャップレスの金属状態である第１トポロジカルフォトニック構造体１５１と、第１トポロジカルフォトニック構造体１５１に交差するように配置され、内部がエネルギーギャップを持つ絶縁体であり、そのエッジがギャップレスの金属状態である第２トポロジカルフォトニック構造体１５２と、第１トポロジカルフォトニック構造体１５１と第２トポロジカルフォトニック構造体１５２との交差位置に配置され、フォトニック結晶(PhC)の相状態を変化させる相変化材料２５０ａが装荷されたフォトニック構造体からなるＸ領域２５０と、第２トポロジカルフォトニック構造体１５２およびＸ領域２５０の一方の側と第１トポロジカルフォトニック構造体１５１との間に配置され、バルクがエネルギーギャップを持つ絶縁体である第１フォトニック構造体１６１と、第２トポロジカルフォトニック構造体１５２およびＸ領域２５０の他方の側と第１トポロジカルフォトニック構造体１５１との間に配置され、バルクがエネルギーギャップを持つ絶縁体である第２フォトニック構造体１６２と、第１トポロジカルフォトニック構造体１５１と第１フォトニック構造体１６１および第２フォトニック構造体１６２との境界において光渦伝播が可能なトポロジカルエッジ状態を発現する第１トポロジカルエッジ１７１と、第１トポロジカルフォトニック構造体１５１と第１フォトニック構造体１６１およびＸ領域２５０との境界において光渦伝播が可能なトポロジカルエッジ状態を発現する第２トポロジカルエッジ１７２と、を有する。
【0075】
この構成により、光渦モードを維持したまま出力方向の切り替えを行うことができるトポロジカル光スイッチ（内因性光渦スイッチ）を提供することができる。これにより、トポロジカルシリコン光回路（Topological photonic integrated circuits：TPICs）上に集積可能なトポロジカル光スイッチを実現することができる。
【0076】
トポロジカル光スイッチ２００において、Ｘ領域２５０は、フォトニック結晶(PhC)のトポロジーに変化を与えるバンドエンジリアリングを用いて入力される信号光の出力方向を切り替える。
【0077】
この構成により、バンドエンジリアリングを用いてフォトニック結晶(PhC)のトポロジーに変化を与えることができ、光渦モードを維持したまま出力方向の切り替えを行うことができる。
【0078】
トポロジカル光スイッチ２００において、相変化材料２５０ａは、フォトニック結晶(PhC)に可逆的に物理特性を変化させる機能性材料である。
【0079】
この構成により、相変化材料２５０ａが、フォトニック結晶(PhC)自体に可逆的に物理特性を変化させることができ、光渦モードを維持したまま出力方向の切り替えを行うことができる。例えば、ＧｅＳｂＴｅ系カルコゲン化合物（ＧＳＴ）を用いることで、相変化を高速（数十ｎｓ）に行うことができ、高速なスイッチングを実現することができる。
【0080】
トポロジカル光スイッチ２００において、相変化材料２５０ａは、光誘起相転移させた場合、フォトニック結晶(PhC)の単位胞において特定箇所の屈折率が、Topological状態、バンドギャップが消失するBand inversion状態、Trivial状態のいずれかにフォトニック結晶(PhC)の相状態が変化する。
【0081】
この構成により、フォトニック結晶(PhC)の相状態を変化させることで、単位胞において特定箇所の屈折率を変化させ、これにより、フォトニック結晶(PhC)をTopological状態、Band inversion状態、Trivial状態のいずれかに変化させることができる。これにより、光渦モードを維持したまま出力方向の切り替えを行うことができる。
【0082】
本発明は、上記各実施形態例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、他の変形例、応用例を含む。
【符号の説明】
【0083】
１１ フォトニック構造体（Trivial photonic structure）
１２ トポロジカルフォトニック構造体（Topological photonic structure）
１３ トポロジカルエッジ（Topological edge）
２０ トポロジカルエッジ伝送路
３０ 遅延導波路
４０ 位相シフタ
１００ トポロジカル光スイッチ（外因性光渦スイッチ）
１１１ 第１誘電体
１１１ａ，１１２ａ ナノホール
１１２ 第２誘電体
１２１ フォトニック構造体のセル（単位胞）
１２２ トポロジカルフォトニック構造体のセル（単位胞）
１５１ 第１トポロジカルフォトニック構造体
１５２ 第２トポロジカルフォトニック構造体
１５０，２５０ Ｘ領域
１６１ 第１フォトニック構造体
１６２ 第２フォトニック構造体
１７１ 第１トポロジカルエッジ
１７２ 第２トポロジカルエッジ
１７３ 第３トポロジカルエッジ
２００ トポロジカル光スイッチ（内因性光渦スイッチ）
２５０ａ 相変化材料（機能性材料：Functional material）
１２ トポロジカルフォトニック構造体（Topological photonic structure）
１３ トポロジカルエッジ（Topological edge）
２０ トポロジカルエッジ伝送路
３０ 遅延導波路
４０ 位相シフタ
１００ トポロジカル光スイッチ（外因性光渦スイッチ）
１１１ 第１誘電体
１１１ａ，１１２ａ ナノホール
１１２ 第２誘電体
１２１ フォトニック構造体のセル（単位胞）
１２２ トポロジカルフォトニック構造体のセル（単位胞）
１５１ 第１トポロジカルフォトニック構造体
１５２ 第２トポロジカルフォトニック構造体
１５０，２５０ Ｘ領域
１６１ 第１フォトニック構造体
１６２ 第２フォトニック構造体
１７１ 第１トポロジカルエッジ
１７２ 第２トポロジカルエッジ
１７３ 第３トポロジカルエッジ
２００ トポロジカル光スイッチ（内因性光渦スイッチ）
２５０ａ 相変化材料（機能性材料：Functional material）
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6A】
【図6B】
【図6C】
【図6D】
【図7A】
【図7B】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
