JP2002169048A - 自己導波光回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】小型・軽量化、高集積化、及び高速化が可能で
あり、良好な伝送効率を示す自己導波光回路を提供する
ことである。 【解決手段】本自己導波光回路は、光又は電磁波を空間
内で自己導波的に伝播させて光路を構成するようにした
光回路であって、光路を伝播する伝播光の波長に実質的
に相当する周期の誘電率周期構造又は準周期構造を持つ
フォトニック結晶２、３、４を用い、フォトニック結晶
の分散面が平坦になる方向に結晶方位を設定して光路を
形成し、自己導波的に平行度の高い平行光線束を得る。
光回路基板５内に部分的にフォトニック結晶２、３およ
び４が形成され、この光回路基板５の端面にレーザ１、
受光素子６、光ファイバ７が接続されている。これら３
つのフォトニック結晶はそれぞれ平行光線束、分岐、屈
曲を得るように結晶方位を選んで配置されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、自己導波光回路に
関し、更に詳細には、容易に、小型・軽量化、高集積
化、及び高速化でき、かつ良好な伝送効率を有し、特に
光通信、光制御、光情報処理等の分野の使用に最適な自
己導波光回路に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、光回路は、自由空間伝播型光回路
と導波路型光回路とに大別される。自由空間伝播型光回
路は、導波路を形成することなく、自由空間内でコリメ
ータ、レンズ、反射鏡などの個別光部品を組み合わせて
光の経路を規定して光回路を構成したものである。個別
光部品のうち平行光線束を得るためのコリメータには、
レンズ又は凹面鏡を用い、レンズまたは凹面鏡の焦点位
置に小さい光源又はスリットやピンホールを置き、これ
らの位置を微妙に調整することにより、平行光線束を得
ている。

【０００３】導波路型光回路は、一般的には、屈折率の
異なる材料を線路状に埋め込んで導波路を形成し、屈折
率の異なる材料の光の全反射条件を用いて光を導波して
光回路を構成したものである。この導波路型光回路の一
例として、高橋らによって、１９９２年発行の電子情報
通信学会春季大会予稿第４分冊の第２７２頁に、開示さ
れたアレイ導波路格子（ＡＷＧ）の平面構造図を図３に
示す。この例では、Ｓｉ基板からなる導波路基板５１上
に石英系の光導波路を形成しており、導波路型光回路
は、１１本の入力光導波路５２、凹面構造のスラブ導波
路からなる入力側スターカップラ５３、アレイ導波路格
子５４、出力側スターカップラ５５、及び出力導波路５
６からなる。

【０００４】また、導波路型光回路の別の例として、フ
ォトニック結晶に線状の欠陥構造を意図的に導入し、こ
の線状欠陥に沿って光を導波又は屈曲させる可能性が報
告されている。例えば、Ａ．Ｍｅｋｉｓらによって、１
９９６年にＰｈｙｓｉｃａｌＲｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅ
ｒｓのｖｏｌ．２８、第３７８７頁に、開示されたフォ
トニック結晶による光導波路回路の平面構造図を図４に
示す。尚、図４は本願の親出願（平成１０年特許願第２
２１２４３号）に添付して提出した第１参考写真を複写
したものである。この導波原理を簡単に説明すると、完
全結晶では光伝播状態の存在しなかった波長帯に、導波
モードが線状欠陥の導入によって形成され、このモード
を選択的に励起する入射光は、この線状欠陥に沿って導
波されるものである。また、この屈曲の原理を簡単に説
明すると、光の伝播モードは、屈曲部においても、上述
した線状欠陥内の導波モードしか存在せず、従って、入
射側導波路から屈曲部に入射した光は、出射側導波路以
外に出口を持たないため、急峻な屈曲が、放射損失なく
実現できるものである。

【０００５】更に、構造的な導波路を必要とせず自己的
に導波伝播する効果として自己集束（セルフフォーカシ
ング）現象の利用が考えられる。この現象は、例えばＰ
ｒｏｇｒｅｓｓ ｉｎ Ｏｐｔｉｃｓ（Ｅ．Ｗｏｌｆ編
集）の第ＸＩＩ巻の第６頁に記載されている。この現象
を簡単に説明すると、以下のようになる。媒質内での光
の屈折率は、光が強くなるにつれて、僅かながら大きく
なる。このため、強い光束が媒質を通過すると、強度の
大きい中心部の位相速度が、強度の小さい周辺部より遅
くなるため、波面が内部に湾曲してくる。一方、光束
は、回折のため広がろうとするが、もし十分に光が強く
て、屈折率の影響の方が大きいときには、この光束はあ
る距離を伝播したところで、一点に集束してしまう。従
って、屈折率の影響のと回折の影響が、丁度、釣り合っ
た状況を考えれば、この光束は、一定の広がり幅を保っ
たまま平行束として伝播することになる。この屈折率の
光強度依存性は、カー効果と呼ばれる媒質の持つ３次の
非線型屈折率の効果であり、光強度の２乗に比例した依
存性を示す。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述した従来
の自由空間伝播光回路及び導波路型光回路には、それぞ
れ、以下のような課題がある。先ず、自由空間伝播光回
路には、コリメータに付随する問題がある。第１の問題
点は、光源又はピンホールの位置の位置決め精度、すな
わち入射光の発散角に厳しい条件が課せられることであ
る。これは、光部品の位置合わせに高い精度を要求し、
実装コストを高くする要因となる。第２の問題点は、コ
リメータ自身が大きく、このために大きな設置容積を要
することである。それは、光源又はピンホールが点光源
とみなせる程度に大きなレンズを使用する必要があるか
らである。また、この結果、出射光のスポットサイズ
は、光源又はピンホールのサイズよりかなり大きくなっ
てしまうという副次的な問題も生じる。

【０００７】導波路型光回路では、急峻な角度で導波路
を屈曲させることが難しく、現状ではｃｍオーダーの曲
率半径が必要となるために、回路全体がｃｍオーダーの
大きさになって小型化が難しいという問題がある。それ
は、前述のように光の導波原理として光の全反射条件を
用いており、急激な曲げは、大きな放射損失を招くこと
になるからである。

【０００８】フォトニック結晶を用いた光導波回路で
は、先ず、光の伝播状態の全く存在しない波長帯を持つ
完全結晶を形成し、次いで線状の欠陥構造を導入する必
要があるものの、現状では完全結晶を実現することは、
技術的に難しい。特に、完全結晶中に意図的に欠陥構造
を導入して、線状又は屈曲導波路を形成することは、技
術的に極めて難しい。例えば、現在、光通信に用いられ
ている光の波長帯である１．５μｍ付近では、このよう
な線状又は屈曲導波路構造を構成するには、少なくとも
０．１μｍオーダーの加工制御性と高いアスペクト比が
必要となり、現状の技術では極めて困難である。

【０００９】セルフフォーカシングを用いた自己導波回
路では、同効果が光の強度の２乗に比例しているため、
回折広がりとの均衡を得るためには、光強度の精密な制
御が必要である。更に、この均衡条件を保つためには、
光強度の定常性を保証する必要があるが、一般的に、非
線型性の大きな波長帯では、共鳴効果のために吸収も大
きく、伝播方向に沿って光の強度が減衰する現象を避け
ることは難しい。もちろん、この吸収効果の少ない非共
鳴域でも、ある程度の非線形定数を持つが、この場合に
は、光強度を十分大きくする必要があり、情報処理又は
短距離の光接続を目的とする光回路においては、非現実
的な値（ワット級）となる。

【００１０】以上の説明から判るように、コリメータを
必要とする自由空間伝播光回路は大型になり、また導波
路型光回路では、大きな曲率半径を必要とするために大
型になり、従来の光回路では、いずれも、小型・軽量
化、高集積化、及び高速化が難しく、また従って、伝送
効率の向上も難しかった。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上記
課題の克服して、小型・軽量化、高集積化、及び高速化
が可能であり、良好な伝送効率を示す光回路を提供する
ことである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明者は、目的の光回
路を実現するには、次の要件が、必要であると考えた。
（１）先ず、第１に条件は、レンズの様な個別部品を使
うことなく、ｍｍサイズ以下に小型化できることであ
る。（２）また、第２の条件は、実装に伴う位置合わせ
の工程を不要とすることである。（３）第３の条件は、
微弱な入射光においても、平行光線束が得られ、その状
態が媒質の吸収の影響を受けることなく保存されること
である。しかも、その平行度が、入射光の広がり角に大
きく依存せず一定で、光回路に適用できる程度に十分小
さなビーム幅を得ることである。このような直進性の導
波機能に合せて、放射損失を伴わず急峻な屈曲を可能と
することにより、結果的に、回路全体を小型化、高集積
化して、目的の光回路を得ることができる。また、これ
らの小型化、集積化によって、光回路の総合的な製造コ
ストを大幅に低減できることになる。

【００１３】上記目的を達成するために、本発明に係る
自己導波光回路は、光又は電磁波を空間内で自己導波的
に伝播させて光路を構成するようにした光回路であっ
て、光路を伝播する伝播光の波長に実質的に相当する周
期の誘電率周期構造又は準周期構造を持つフォトニック
結晶を用い、フォトニック結晶の分散面が平坦になる方
向に結晶方位を設定して光路を形成し、自己導波的に平
行度の高い平行光線束を得るようにしたことを特徴とし
ている。

【００１４】好適には、フォトニック結晶の誘電率周期
構造を変化させることにより、平行光線束を維持しなが
らフォトニック結晶内の光路を所定の曲率半径で屈曲さ
せる。また、意図的に平行光線条件からずらし、かつ分
散面が凸状となる結晶方位を選ぶことにより所定の光線
広がりを形成し、光を広範囲に分配する。更には、意図
的に平行光線条件からずらし、かつ分散面が凹状となる
結晶方位を選ぶことにより所定の光線集束を形成し、光
を集束する。好適には、フォトニック結晶が光回路基板
に形成されている。また、フォトニック結晶の入射端か
らレーザ、ＬＥＤ、光ファイバなどの光素子を直接自己
導波光回路に接続することにより、低発散角の伝播光を
フォトニック結晶の出射端から出射する。本発明は、次
に説明するように、フォトニック結晶の特異的な分散面
を利用することによって、本発明の目的を達成してい
る。

【００１５】本発明で使用するフォトニック結晶は、相
互に異なる誘電率を持つ２種類以上の媒質が周期的又は
準周期的に配置されたものである。その一例として、面
内方向に３角格子配置、層方向に２層交代周期を持つ３
次元フォトニック結晶を図５に示す。図５に示したフォ
トニック結晶のある波長に対応する分散面の一つは、図
６の右側の図形に示すような形状となることが、フォト
ニックバンド計算から分かる。結晶内の伝播光は、入射
光の結晶面に対して横方向の波数ｋを保存し、この分散
面における法線方向に向かうことが分かっている。とこ
ろで、入射光の横方向波数ｋには、ある程度の広がりΔ
ｋがあり、この広がりに応じて結晶内での伝播方向に分
布が生じる。今、図６に示すａの波数に対応する入射光
を入射したとすると、図６から判るように、分散面に大
きな曲率を持っているため、伝播方向には大きな広がり
が生じる。

【００１６】ところが、ｂの波数では、分散面の曲率
が、下に凸から上に凸へと変化する変曲点に対応してお
り、局所的に直線的な分散面となっている。従って、こ
のｂに対応する波数の入射光が入射すると、伝播光の広
がりは、近似的にゼロとなり、平行束となることが分か
る。仮に、入射光の角度広がりを４°としたときの、結
晶内伝播角広がりの入射角依存性を図７に示す。入射角
８°では、結晶内伝播角広がりは約７０°と大きく広が
るが、入射角１５°においてはほぼ０°と平行光線束と
なることが分かる。この状況を実際に作り出し、測定し
た結果は、図８に示す通りである。入射光の広がり角４
°に対して明らかに平行化されていることが分かる。
尚、図８（ａ）及び（ｂ）は本願の親出願（平成１０年
特許願第２２１２４３号）に添付して提出した第２参考
写真（ａ）及び（ｂ）をそれぞれ複写したものである。

【００１７】また、上述の屈曲については、次に説明す
る実施形態例１で、図１に示したように、光導波基板内
にフォトニック結晶領域を分割して配置することによ
り、任意の方向に制御することが可能となる。このこと
は、図６に示した分散面が、入射端面の回転によって相
対的に回転して見えることから理解できる。つまり、入
射面の平行な方向のｋ保存則が、結晶面の回転により制
御できることを示している。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下に、実施形態例を挙げ、添付
図面を参照して、本発明の実施の形態を具体的かつ詳細
に説明する。 実施形態例１ 本実施形態例は、本発明に係る自己導波光回路の実施形
態の一例であって、図１は本実施形態例と自己導波光回
路の構造を示す模式図である。本実施形態例の自己導波
光回路は、図１に示すように、光回路基板５と、それぞ
れ、光回路基板５の端面に接続されたレーザ１、受光素
子６、及び光ファイバ７とから構成される。光回路基板
５内には部分的にフォトニック結晶２、３及び４が形成
されている。後述するように、光は、レーザ１からフォ
トニック結晶２、３及び４を介して受光素子に伝播し、
また、フォトニック結晶３から分岐して光ファイバ７に
入る構造となっている。

【００１９】フォトニック結晶２、３及び４の具体的な
構成及び構造は、図５に示し、前述した構成及び構造を
有するフォトニック結晶であって、Ｓｉ基板上にＳｉＯ
2 バッファが堆積されており、この上面の三角格子状の
凹凸を反映してＳｉＯ2 層とアモルファスＳｉ（ａ−Ｓ
ｉ）層が交互に３次元周期的に積層されている。但し、
これら３つのフォトニック結晶は、それぞれ平行光線
束、分岐、屈曲を得るように結晶方位を選んで配置され
ている。ＳｉＯ2 の屈折率は１．４６、ａ−Ｓｉの屈折
率は３．２４であり、それぞれ、０．１６μｍの層厚で
２０対が積層されている。面内の格子定数（格子間ピッ
チ）は０．３３μｍとなっている。入射光の波長は０．
９５６μｍであり、これらの構造定数から規格化周波数
は、０．３３となる。この時の分散面は、図６に示すよ
うになっており、この分散面から図７ような伝播光の発
散角と入射角の関係が得られる。従って、入射光の発散
角を４°とすると、伝播光は、入射角が８°のとき、図
８（ａ）に示すように、約７０°で扇状に発散し、入射
角１５°のとき、図８（ｂ）に示すように、ほぼ平行光
線束となって伝播する。

【００２０】以下に、図１を参照して実施形態例１の自
己導波光回路の動作を説明する。レーザ１からの出射光
は、フォトニック結晶２に入射する。この結晶方位は図
６に示すｂの方位に選んである。レーザからの出射角
は、４°としてあるので、前述したように、結晶内での
伝播光は、平行光線束となっている。その後、光は、フ
ォトニック結晶３に入射し、ここで互いに約６０°の角
をなす二つの光線に分岐する。この条件は、図６に示す
ｃに対応するものである。２本の出射光のうち一方は、
光ファイバ７に直接入射する。他方は、フォトニック結
晶４に入射し、ここで再度約６０°の角度に戻され、受
光素子６に入射する。このフォトニック結晶４は、図６
に示すｂの条件を用いながらも、結晶方位をフォトニッ
ク結晶２に対して６０°回転させてあるために、このよ
うな屈曲が得られる。

【００２１】このような構成により、レーザ１からの入
射光は、光路８のように光回路基板５内を伝播し、受光
素子６と光ファイバ７に分離入射される。従って、レー
ザ１の出力強度を部分的に受光素子６でモニターしなが
ら光ファイバ７に入射することが可能となる。フォトニ
ック結晶２、３および４は、説明上距離を離して配置さ
れているが、実際には間隙なく接続されている。

【００２２】実施形態例２ 本実施形態例は、本発明に係る自己導波光回路の実施形
態の別の例であって、図２は本実施形態例の自己導波光
回路の構造を示す模式図である。本実施形態例の自己導
波光回路は、図２に示すように、全面的にフォトニック
結晶１２が形成されている光回路基板１３を備え、光回
路基板１３の端面に入射側光ファイバ１１と、出射側光
ファイバ１４とが接続された構造となっている。フォト
ニック結晶１２の構成は、図５に示し、前述したものと
同じものである。但し、このフォトニック結晶１２の方
位は、図６に示すａの条件となるよう選んである。

【００２３】以下に、図２を参照して実施形態例２の自
己導波光回路の動作を説明する。入射側光ファイバ１１
からの出射光は、フォトニック結晶１２に入射する。こ
の結晶方位は、図６に示すａの方位に選んであるので、
図８（ａ）に示すように扇状に広がることになる。扇状
に広げられた伝播光は、反対面に複数配置された出射側
光ファイバ１４に分割して入射することになる。フォト
ニック結晶からの出射光は、入射光の伝播角を保存して
いるため、出射側ファイバとの光結合が良好であること
がこの構成の利点である。

【００２４】実施形態例１及び２では、３次元周期構造
のフォトニック結晶を用いたが、スラブ構造の光回路基
板に２次元周期アレイ状に屈折率分布を設けた２次元周
期フォトニック結晶を用いても同様の効果が期待でき
る。また、三角格子の代わりに正方格子など他の周期構
造でも、同様の効果が期待でき、更に、周期構造の代わ
りに、ペンローズタイリングなどの準周期構造又は液晶
などを用いたモザイク構造（アモルファス構造）でも、
同様の効果が期待できる。実施形態例１では、フォトニ
ック結晶をブロック状に分けて配置したが、段階的に分
布を変化することによっても、同様の効果が期待でき
る。また、実施形態例２では、段階的な分布を持たせる
ことにより、又は凸レンズの効果を組み合わせることに
より、出射側光ファイバ１４に効率的に光を導入するこ
とも可能である。また、実施形態例１及び２では、Ｓｉ
層とＳｉＯ2層の周期構造を用いているが、誘電率の大
きく異なる２種類以上の媒質を用いることにより、同様
の効果が期待できる。例えば実施形態例の構造でも、Ｓ
ｉＯ2の層のみを選択的にエッチングして、Ｓｉ層と空
気層の周期構造にしても、同様の効果が得られる。

【００２５】

【発明の効果】本発明によれば、光又は電磁波を空間的
に伝播させて回路を構成する光回路において、伝播光の
波長に実質的に相当する周期の誘電率周期構造又は準周
期構造を持つフォトニック結晶を用い、その分散面が平
坦になる方向に結晶方位を採ることにより、自己導波的
に平行度の高い平行光線束を得るようにしている。これ
により、以下の効果を奏することができる。第１の効果
は、小型・軽量化、高集積化、高速化、伝送効率向上な
どの特性・性能の向上挙げられる。その理由は、レンズ
等の個別光学部品を使用する必要がなく平行光線束が得
られ、また伝播光の大きな屈折角が得られるため、余分
な曲率半径を持つ屈曲部を設ける必要がないからであ
る。第２の効果は、生産性の向上である。その理由は、
第一の効果により、素子サイズが小さくなり、同一面積
のウエハから取れる素子数が多くなるからである。ま
た、個別光学部品の実装に伴う位置合わせ工程が不要と
なることによっても、生産性が向上する。第３の効果
は、微弱な入射光であっても、平行光線束が得られ、基
板材料の吸収の影響を受けず、この平行光線束が保存さ
れることである。しかも、その平行度が入射光の広がり
角に大きく依存せず一定で、光回路に適用できる程度に
十分小さなビーム幅を得ることである。本発明に係る自
己導波光回路を適用することにより、低い生産コストで
良好な光装置を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態例１の自己導波光回路の構成を示す模
式図である。

【図２】実施形態例２の自己導波光回路の構成を示す模
式図である。

【図３】従来例のアレイ導波路格子の構造概略図であ
る。

【図４】従来例のフォトニック結晶による光導波路回路
の平面構造を示す概略図である。

【図５】本発明に係る自己導波光回路に使用するフォト
ニック結晶の構成を示す斜視図である。

【図６】実施形態例で使用したフォトニック結晶の分散
面を示す図面である。

【図７】実施形態例で使用したフォトニック結晶の内部
伝播光の発散角の入射角依存性を示すグラフである。

【図８】図８（ａ）及び（ｂ）は、実施形態例で使用し
たフォトニック結晶の内部伝播光のＣＣＤ観測像を示す
図面である。

【符号の説明】

１ レーザ ２ フォトニック結晶 ３ フォトニック結晶 ４ フォトニック結晶 ５ 光回路基板 ６ 受光素子 ７ 光ファイバ ８ 光路 １１ 入射側光ファイバ １２ フォトニック結晶 １３ 光回路基板 １４ 出射側光ファイバ １５ 光路 ５１ 導波路基板 ５２ 入力光導波路 ５３ 入力側スターカップラ ５４ アレイ導波路格子 ５５ 出力側スターカップラ ５６ 出力導波路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 川上 彰二郎 宮城県仙台市青葉区荒巻青葉 東北大学未 来科学技術共同研究センター内 Ｆターム(参考） 2H047 KA02 KA11 LA12 TA01

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光又は電磁波を空間内で自己導波的に伝播
   させて光路を構成するようにした光回路であって、光路
   を伝播する伝播光の波長に実質的に相当する周期の誘電
   率周期構造又は準周期構造を持つフォトニック結晶を用
   い、フォトニック結晶の分散面が平坦になる方向に結晶
   方位を設定して光路を形成し、自己導波的に平行度の高
   い平行光線束を得るようにしたことを特徴とする自己導
   波光回路。