JP2002082239A - フォトニック結晶およびこれを用いた光パルス制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光パルス伝送路において、伝送光信号パルス
に時間遅延を与えたり、光信号パルス幅を圧縮したり、
分散補償を行う光パルス制御装置であって、偏波方向に
依存しない制御特性が得られるようにする。 【解決手段】 入射光パルス１１はレンズ１２ａを介し
て、第１の部材（１５）と第２の部材（１６）を２次元
または３次元周期的に規則正しく配列してなるフォトニ
ック結晶１４に入射され、結晶１４内で遅延を受けた後
レンズ１２ｂを介して出射される。第１の部材（１５）
と第２の部材（１６）の内一方は屈折率が異方性を有す
る材料が用いられる。図示された例では、第１の部材が
１軸性結晶（ＴｉＯ₂）、第２の部材が空気により形成
されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、フォトニック結晶
とこれを用いた光パルス制御装置に関し、特に超高速光
通信システム等において、伝送光信号パルスに時間遅延
を与えたり、光信号パルス幅を圧縮したり、分散補償を
行うことができる光パルス制御装置であって、光パルス
の制御が入射光パルスの偏波方向に依存しない偏波無依
存型の光パルス制御装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年の光通信の大容量化、中継間隔拡大
化の要求に応えるため、光信号パルスに遅延を与えた
り、光ファイバ等の光伝送路の波長分散により生じる光
信号パルスの波形劣化を補償したりする機能を有するデ
バイスが必要とされている。このような光パルスの圧縮
や分散補償による波形整形、さらには時間遅延を齎すも
のとして、フォトニック結晶を用いた光パルス制御デバ
イスが知られている。フォトニック結晶は、母材となる
媒質中にこれとは屈折率の異なる１ないし複数種の媒質
が光の波長オーダ、すなわちμｍ周期ないしサブμｍ周
期で３次元もしくは２次元周期的に規則正しく配列され
たものであるが、その分散特性の設計の自由度が大きい
ことから近年注目を集めている。

【０００３】図６（ａ）にこのフォトニック結晶の構造
の一例として２次元フォトニック結晶示す。これは、第
１の媒質１であるＳｉ（屈折率約３．５）に２次元三角
格子状に穴を開け、これに第２の媒質２である空気（屈
折率１．０）を満たしたものである。このようなフォト
ニック結晶においては、フォトニック結晶中に存在する
光波に対して、エネルギーバンド構造を形成することが
知られている。図７は、三角格子のピッチａに対して、
空気穴の直径ｄ＝０．９ａとして計算したエネルギーバ
ンド構造の例である。ここで、ｃは真空中での光速、ω
は光波の角振動数、ｋは波数ベクトルの大きさを示し、
図７の横軸は規格化された波数を、縦軸は規格化された
エネルギーを表す。この三角格子の周期構造は六方対称
に対応し、そのブリルアンゾーンの逆格子空間は、図６
（ｂ）に示されるように、正六角構造に形成される。Γ
点は、２次元フォトニック結晶構造に対する逆格子空間
での原点であり、Ｊ点とＸ点はブリルアンゾーンの境界
を示し、それぞれ逆格子空間の正六角構造の頂点と辺の
中点に位置している。

【０００４】一般に、媒質中で波束が進行する速度、す
なわち群速度Ｖｇは次の式（１）で表される。 Ｖｇ＝ｄω／ｄｋ＝ｃ・ｄ（ωａ／２πｃ）／ｄ（ｋａ／２π）・・・（１） この値は、図７においてはエネルギー分散曲線の傾きに
光速ｃを掛けた値を意味する。図７でのＴＥモード（実
線）の低エネルギー側から３番目のバンドのエネルギー
分散曲線の傾きは非常に緩やかであり、これは群速度が
非常に小さいことを示している。例えば規格化エネルギ
ーΩが、Ω＝０．４５のときの群速度は、図７の該当個
所の曲線の傾きからｃ／１５と求められる。通常、半導
体の屈折率は３程度であるため、光パルスの伝搬速度は
ｃ／３となり、従ってフォトニック結晶中ではパルスの
伝搬速度は通常の半導体に比べても１／５程度に遅くな
ることが分かる。従って、光パルスの遅延路として用い
る場合、その長さが約１／５程度で済むことになる。格
子ピッチａ＝０．７の時、Ω＝０．４５はλ＝１．５５
μｍに相当するため（Ω＝ωａ／２πｃであるので）、
通信波長帯に適用できることが分かる。

【０００５】このフォトニック結晶内中おいては群速度
が非常に遅くなる特徴を利用したものとして、特開２０
００−１２１９８７号公報により波長分散制御デバイス
が提案されている。この従来例は、波長分散補償器に係
るものであるが、分散補償は入射光パルスの特定の偏波
に対してのみ有効に行われる。その理由は、図７に示さ
れるように、エネルギーバンド構造が偏波方向によって
大きく異なるためである。例えば、上記と同じ波長（λ
＝１．５５μｍ）におけるＴＭモードの群速度はｃ／
２．５であり、ＴＥモードのそれとは大きく異なる。従
って、遅い群速度を利用した光パルス遅延路を実現する
ためには、フォトニック結晶に入射する光パルスの偏波
を常に一定に保っておく手段が必要であり、これは光パ
ルス遅延路のコンパクト化、および低コスト化を妨げる
要因となる。また、もともと光パルスの伝送路である光
ファイバ中を長距離にわたって伝搬してくる光信号の偏
波は、様々な要因により回転し一概にはその方向は決定
できないので、光パルス遅延路のような分散制御デバイ
スとしては、偏波無依存であることが求められる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述したように従来の
フォトニック結晶を用いた光パルス制御デバイスでは、
フォトニック結晶のバンド構造が偏波依存性を有するた
め、偏波無依存型の光パルス遅延デバイスを実現するの
は困難であった。本発明の目的は、このような従来のフ
ォトニック結晶による光パルス制御デバイスの欠点を除
去し、偏波無依存型の光パルス制御デバイスを提供でき
るようにすることである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明によれば、母材媒質内に、これとは屈折率が
異なる一の若しくは前記母材媒質とは屈折率が異なりか
つ相互に屈折率の異なる複数種の媒質を２次元または３
次元周期的に規則正しく配列したフォトニック結晶にお
いて、前記フォトニック結晶を構成する媒質のうち少な
くとも１種類の媒質の屈折率が異方性を有していること
を特徴とするフォトニック結晶、が提供される。

【０００８】また、上記の目的を達成するため、本発明
によれば、母材媒質内にこれとは屈折率が異なる一の若
しくは前記母材媒質とは屈折率が異なりかつ相互に屈折
率の異なる複数種の媒質を２次元または３次元周期的に
規則正しく配列したフォトニック結晶と、前記フォトニ
ック結晶に光パルスを入射する手段と、を備えた光パル
ス制御装置において、前記フォトニック結晶を構成する
媒質のうち少なくとも１種類の媒質の屈折率が異方性を
有していることを特徴とする光パルス制御装置、が提供
される。

【０００９】そして、好ましくは、前記フォトニック結
晶には、該フォトニック結晶内での光波の広がりを防止
する導波構造が備えらる。また、好ましくは、前記フォ
トニック結晶の温度を制御する手段が備えられている。
また、一層好ましくは、前記光パルスを入射する手段に
より入射される光の入射角度と、前記屈折率が異方性を
有している媒質の光学軸の方向と、が適切に選択されて
いることにより、前記照射光の偏波の方向に依存しない
制御特性が得られる。そして、好ましくは、前記フォト
ニック結晶が、光パルスに時間遅延を与える、または、
光パルス幅を圧縮する、または、光伝送路において生じ
た若しくは生じる波長分散を補償する、の中の何れかの
機能を果たす。

【００１０】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照して説明する。図１は、本発明による光
パルス制御装置の第１の実施の形態を示す図である。図
１に示されるように、本実施の形態の光パルス制御装置
は、入射側のレンズ１２ａと、入射光に変調を加えるフ
ォトニック結晶１４と、出力側のレンズ１２ｂにより構
成される。なお、フォトニック結晶１４は、一軸性結晶
１５に２次元三角格子状に第２の材料１６が埋め込まれ
たものである。ここで、コリメート状態の中心波長λの
入射光パルス１１が入射する場合を考える。入射光パル
ス１１はレンズ１２ａによって集光されフォトニック結
晶１４の端面に入射される。波長λの光のフォトニック
結晶１４内での群速度がＶｇ、光の伝搬長をＬとすれ
ば、フォトニック結晶を伝搬するのにＬ／Ｖｇの時間だ
けかかる。入射側とは反対側の端面から出射される光
は、レンズ１２ｂによって再びコリメート光となり、出
射光パルス１３となる。ここで、図１に示すように、光
はｚ方向に入射され、フォトニック結晶１４の光入射面
はｘｙ平面上にあるものとする。

【００１１】図２は、図１におけるフォトニック結晶１
４への光パルスの入射断面図（ｘｙ平面）を表してい
る。一軸性結晶１５の常光線、異常光線に対する屈折率
をそれぞれｎ_a 、ｎ_c とすると、図２に示す屈折率楕円
体が描ける。異常光線に対応する結晶軸（一般にｃ軸と
呼ばれる）に対して角度θをなす平面に光を入射する場
合における、屈折率を示す楕円は、一方の主軸はｎ_a で
あり、他方の主軸は次の式（２）で表されるｎ′とな
る。 ｎ′＝ｎ_a ｎ_c ／√｛（ｎ_a ｃｏｓθ）² ＋（ｎ_c ｓｉｎθ）² ｝・・・（２） ここで１軸性結晶としてＴｉＯ₂を、第２の媒質として
空気を考える。ＴｉＯ₂の屈折率はｎ_a ＝２．６、ｎ_c
＝２．９であり、空気の屈折率は１．０である。また、
格子ピッチａに対して空気穴の直径ｄをｄ＝０．９ａと
する。θ＝９０°の場合、すなわちｎ′＝ｎ_a のとき、
フォトニック結晶１４に対するエネルギーバンドは等方
媒質を用いた場合と同じであるため、図７と同様に、Ｔ
ＥおよびＴＭモードでバンド構造が大きく異なる。

【００１２】今、ｎ′＝２．８５となるように結晶面を
選ぶとする。式２を用いて計算すればθ＝２２．４°が
求まる。この結晶面に設定した場合のフォトニック結晶
のエネルギーバンド構造は図３となる。ＴＥ、ＴＭ各モ
ードにおけるエネルギーが低い方から３番目のバンドに
注目すると、ＴＥ、ＴＭ両モードに対するエネルギーバ
ンドがほぼ一致していることが分かる。これは、ＴＥお
よびＴＭモードに対する屈折率の違いが、図７に見られ
たバンドの偏波依存性を低減する作用をしているためで
ある。

【００１３】例えば、格子定数ａ＝０．６４、エネルギ
ーΩ＝０．４１は、波長λ＝１．５６μｍに対応し、Ｔ
ＥおよびＴＭモードに対する群速度は共に１／１５ｃで
あり、１ｐｓの時間遅延を生じさせるためには２０μｍ
の長さが必要になる。一方、通常の半導体では、屈折率
が３として、約１００μｍの長さが必要である。従っ
て、通常の半導体と比較して１／５の長さで済むことに
なる。また、群速度の偏波依存性がないため、入射光パ
ルスの偏波を制御する手段が必要なく、コンパクトかつ
安価に光パルス遅延装置の実現が可能となる。

【００１４】なお、ここでは光パルス遅延装置における
偏波無依存化の原理と方法について述べたが、光パルス
圧縮デバイスや分散補償デバイスとして用いる場合の偏
波無依存化の方法もこれと同様である。また、群速度は
式（１）で与えられるようにエネルギー分散曲線の傾き
により決まるため、図３のように必ずしもバンドが重な
る必要がなく、動作波長においてＴＥおよびＴＭモード
でのエネルギー分散曲線の傾きが等しければよい。この
ことは、光パルス圧縮器や分散補償器として用いる場合
も同様である。また、本実施の形態では異方性媒質とし
てＴｉＯ₂を用いたが、ＺｎＳなどの化合物半導体、あ
るいはＬｉＮｂＯ₃などの強誘電体を始めとする他の一
軸性結晶、あるいは雲母などの二軸性結晶を用いても構
わない。また、フォトニック結晶として２次元三角格子
を例にとったが、正方格子、六方格子等の他の２次元フ
ォトニック結晶、あるいはダイヤモンド構造等の３次元
フォトニック結晶でも構わない。また、実施の形態で
は、母材となる材料に異方性結晶を用いたが、逆に母材
側を等方性とし格子状に埋め込まれる材料を異方性結晶
としてもよい。また、実施の形態では、格子状に埋め込
まれる媒質は一つのみであったが相互に屈折率の異なる
複数の媒質を格子状に埋め込むようにしてもよい。

【００１５】図４は、本発明による第２の実施の形態と
しての、チャネル導波路構造を有する光パルス遅延装置
の構造を示す断面図である。チャネル導波路を形成する
ことにより、フォトニック結晶内部で光波が広がるのを
防止し、入射光パルスパワーを効率よく出力光パルスに
導くことができる。図４に示すように、基板４１上に、
下部クラッド層４２と上部クラッド層４３とに挟まれ
て、１軸性結晶１５内に規則的に第２の材料１６を配列
してなるフォトニック結晶１４が配置されている。上部
クラッド層４３にはエッチングによりストライプ状にリ
ブ構造が形成されている。フォトニック結晶層および上
下クラッド層の厚さ、ストライプの幅およびリブの高さ
を適切に選ぶことにより、フォトニック結晶層にただ一
つの伝搬モードのみを存在させることができる。これに
より、フォトニック結晶層に光を効率よく閉じこめるこ
とができ、伝搬損失を低く抑えることが可能となる。

【００１６】この時のフォトニック結晶の分散特性はバ
ルクの時のそれとは多少異なるが、１軸性結晶１５に対
する光パルスの入射面、すなわち図２における角度θを
適切に選ぶことにより、第１の実施の形態の時と同様
に、動作波長において群速度が偏波無依存になるように
することができる。このような導波路型の光パルス制御
装置は、実際の光通信用のコンポーネントとして幅広く
用いることができる。

【００１７】図５は、本発明の第３の実施の形態を示す
概略の構成図である。これまでの実施の形態において
は、異方性媒質を含むフォトニック結晶を用いること
で、実際に用いる波長におけるＴＥおよびＴＭモードの
群速度が一致するようにしていたが、実際に試作したデ
バイスではその構造が設計値とは異なってくる場合があ
った。これを補正するために、屈折率は温度に依存する
という性質を利用することができる。すなわち、フォト
ニック結晶１４に熱を加えることにより、それを構成す
る２つの媒質（１５および１６）の屈折率が変化し、そ
れに伴ってエネルギーバンドも変化する。そして、所望
の動作特性が得られるように温度を制御すればよい。

【００１８】図５に示す本発明の第３の実施の形態は、
第１の実施の形態に対して、フォトニック結晶１４の温
度を変化させるヒータ５１と、温度計５２と、温度を制
御する温度コントローラ５３とを加えた構成となってい
る。温度コントローラ５３で温度を設定し、温度計５２
が設定温度を示すようにヒータ５１の熱量を制御する。
温度調節手段として、ヒータ５１の代わりに冷却素子を
用いても構わない。また、加熱と冷却の２つの素子を組
み合わせることにより温度調節をする手段も考えられ
る。

【００１９】ここでは、温度制御によってフォトニック
結晶のエネルギーバンドを変化させる例を示したが、フ
ォトニック結晶に圧力を加える、電界もしくは磁界を印
加する等の手段によってエネルギーバンドを変化させる
こともできる。

【００２０】

【発明の効果】以上で述べたように、本発明による光パ
ルス制御装置は、フォトニック結晶を構成する媒質の少
なくとも一つを屈折率異方性材料としたものであるの
で、偏波の方向に依存しない光パルス制御装置を提供す
ることが可能になる。従って、本発明によれば、基本的
に偏波制御を行う必要がなくなり非常にコンパクトな光
パルス制御装置が実現できる。また、実際の光ファイバ
通信におけるように偏波状態が時々刻々とランダムに変
化しているような場合でも光パルス制御を行うことが可
能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明による光パルス遅延装置の第１の実施
の形態を示す図である。

【図２】 図１中のフォトニック結晶の光パルスの入射
断面図である。

【図３】 図１中のフォトニック結晶構造に対するのエ
ネルギーバンド図である。

【図４】 本発明による光パルス遅延装置の第２の実施
の形態の導波路断面を示す図である。

【図５】 本発明による光パルス遅延装置の第３の実施
の形態を示す図である。

【図６】 従来の２次元フォトニック結晶の構造例を上
面から見た図と、２次元フォトニック結晶構造に対する
逆格子ベクトルの方向を示した図である。

【図７】 図６（ａ）の構造に対するエネルギーバンド
図である。

【符号の説明】

１ 第１の媒質 ２ 第２の媒質 １１ 入射光パルス １２ａ、１２ｂ レンズ １３ 出射光パルス １４ フォトニック結晶 １５ １軸性結晶 １６ 第２の材料 ４１ 基板 ４２ 下部クラッド層 ４３ 上部クラッド層 ５１ ヒータ ５２ 温度計 ５３ 温度コントローラ

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 母材媒質内に、これとは屈折率が異なる
   一の若しくは前記母材媒質とは屈折率が異なりかつ相互
   に屈折率の異なる複数種の媒質を２次元または３次元周
   期的に規則正しく配列したフォトニック結晶において、
   前記フォトニック結晶を構成する媒質のうち少なくとも
   １種類の媒質の屈折率が異方性を有していることを特徴
   とするフォトニック結晶。
2. 【請求項２】 前記屈折率が異方性を有する媒質が、一
   軸性結晶材料であることを特徴とする請求項１記載のフ
   ォトニック結晶。
3. 【請求項３】 前記屈折率が異方性を有する媒質が、母
   材媒質であることを特徴とする請求項１記載のフォトニ
   ック結晶。
4. 【請求項４】 前記母材媒質以外の媒質の一つが、空気
   または真空であることを特徴とする請求項１記載のフォ
   トニック結晶。
5. 【請求項５】 母材媒質内にこれとは屈折率が異なる一
   の若しくは前記母材媒質とは屈折率が異なりかつ相互に
   屈折率の異なる複数種の媒質を２次元または３次元周期
   的に規則正しく配列したフォトニック結晶と、前記フォ
   トニック結晶に光パルスを入射する手段と、を備えた光
   パルス制御装置において、前記フォトニック結晶を構成
   する媒質のうち少なくとも１種類の媒質の屈折率が異方
   性を有していることを特徴とする光パルス制御装置。
6. 【請求項６】 前記フォトニック結晶には、該フォトニ
   ック結晶内での光波の広がりを防止する導波構造が備え
   られていることを特徴とする請求項５記載の光パルス制
   御装置。
7. 【請求項７】 前記導波構造が、前記フォトニック結晶
   に隣接して設けられた、ストライプ状のリブを有するク
   ラッド層を含んでいることを特徴とする請求項６記載の
   光パルス制御装置。
8. 【請求項８】 前記フォトニック結晶を伝搬する光のモ
   ードが一つであることを特徴とする請求項５記載の光パ
   ルス制御装置。
9. 【請求項９】 前記フォトニック結晶の温度を制御する
   手段が備えられていることを特徴とする請求項５記載の
   光パルス制御装置。
10. 【請求項１０】 前記フォトニック結晶の温度を制御す
    る手段が、前記フォトニック結晶の温度を検出する温度
    センサと、フォトニック結晶を加熱するヒータ若しくは
    フォトニック結晶を冷却する冷却手段と、設定温度と前
    記温度センサの検出する温度とを比較して前記ヒータま
    たは前記冷却手段を制御する温度コントローラと、を備
    えていることを特徴とする請求項９記載の光パルス制御
    装置。
11. 【請求項１１】 前記フォトニック結晶に対し、制御さ
    れた圧力を印加する手段、または、制御された電界若し
    くは磁界を印加する手段が備えられていることを特徴と
    する請求項５記載の光パルス制御装置。
12. 【請求項１２】 前記光パルスを入射する手段により入
    射される光の入射角度と、前記屈折率が異方性を有して
    いる媒質の光学軸の方向と、が適切に選択されているこ
    とにより、前記入射光の偏波の方向に依存しない制御特
    性が得られることを特徴とする請求項５〜１１の何れか
    に記載の光パルス制御装置。
13. 【請求項１３】 前記フォトニック結晶が、光パルスに
    時間遅延を与える、または、光パルス幅を圧縮する、ま
    たは、光伝送路において生じた若しくは生じる波長分散
    を補償する、の中の何れかの機能を果たすことを特徴と
    する請求項５〜１２の何れかに記載の光パルス制御装
    置。