JP2003050325A

JP2003050325A - 波長分波器

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Publication number: JP2003050325A
Application number: JP2001237974A
Authority: JP
Inventors: Masatoshi Tokushima; 正敏徳島
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2001-08-06
Filing date: 2001-08-06
Publication date: 2003-02-21
Anticipated expiration: 2021-08-06
Also published as: US20030035227A1; JP4557119B2; US6621644B2

Abstract

(57)【要約】【課題】フォトニック結晶を通過する光ビームの広が
りを解決することによって波長分解能の高い波長分波器
を提供する。【解決手段】波数分散面の、レンズ効果を得る対象と
する角振動数（または波長）における断面が楕円であ
り、且つ、群速度の方向が楕円の内側に向かっている媒
質であり、有限の厚みであり、更に２つの表面が互いに
平行な平面であり、レンズの中の焦点と更にレンズの外
に焦点を有するレンズであり、そのレンズを有する波長
分波器であって、前記レンズの表面に波長多重光を照射
する光導波路を有し、前記波長多重光の波長毎の焦点位
置に受光用導波路の端が配列されていることを特徴とす
る波長分波器。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は分波器の構造に関
し、特に波長分波器に用いるレンズと波長分波器の構造
に関する。

【０００２】

【従来の技術】光ファイバーのような光導波路で信号を
大量に伝送するための波長多重光通信方式においては、
一本の光導波路の中に波長の異なる信号光を多重化して
伝送する。受信側では信号光を処理するとき、先ず、波
長多重化された信号光を波長毎に分けるが、そのための
装置を波長分波器と呼ぶことがある。波長分波器の光の
出入りを逆にして、複数の波長の信号光を多重化する用
途に用いれば、波長合波器になる。従って、ここで波長
分波器と言うとき、波長合波器も含むものとする。

【０００３】波長分波器として現在有力視されているも
のにアレイ導波路格子（Arrayed Waveguide Grating
（ＡＷＧ））を用いた波長分波器がある。ＡＷＧ波長分
波器はＳｉ基板上に所望のチャンネル数、言い換えれば
多重化する光の波長の数だけ、あるいはそれ以上の数の
シリカ系光導波路を互いに接近させて形成した導波路格
子である。ＡＷＧの内の１つの導波路に波長多重光を導
波させると、隣接する導波路に伝搬光のエネルギーが徐
々に移行していく。このとき、完全に光のエネルギーが
隣の導波路に移行するのに要する伝搬距離（結合長）が
光の波長に依存するため、ＡＷＧの各導波路の長さに変
化をつけることによって波長分波を行うことができる。

【０００４】しかしながら、このＡＷＧ波長分波器は大
きさを数センチメートル角以下にはできないという欠点
を持っている。その理由は、ＡＷＧは通常、シリカ系の
導波路を用いるが、導波路の曲げ半径を１ｃｍ程度以下
にできないことにある。波長毎の結合長に応じて導波路
の長さに変化を付けるにはＡＷＧの導波路を途中で曲げ
た構造にする必要があるが、曲げの最小半径が１ｃｍ程
度以上に制限されるため、デバイスサイズを小さくでき
ない。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頁には高橋らによって作製されたＡ
ＷＧ波長分波器が開示されている。高橋らは、４１本の
導波路からなるＡＷＧを用い、１．５μｍ波長帯におい
て、周波数間隔１０ＧＨｚ、チャンネル数１１の合分波
器を作製した。基板サイズは４ｃｍ×６ｃｍである。

【０００５】デバイスサイズを小さくできないという問
題を解決する新たな波長合分波器として、フォトニック
結晶を用いた波長合分波器が小坂等によって提案され
た。特開平１１−２７１５４１号公報に「波長分波回
路」として開示されている。フォトニック結晶は誘電率
が周期的に変化した人工光学結晶である。ある種のフォ
トニック結晶は、僅かの波長変化で屈折角が大きく変化
する波長帯域を有する。小坂等はフォトニック結晶のこ
の性質を利用した。即ち、波長が異なる光が多重化され
た信号光をフォトニック結晶に入射することによって、
波長の異なる光をそれぞれ異なった方向に屈折させ、別
々の導波路で受光することによって波長分波器を構成し
ている。

【０００６】小坂等は、長さ１ｍｍのフォトニック結晶
を用いれば、１．５μｍ帯で２０ｎｍの波長帯域をフォ
トニック結晶の出射側端面で距離５００μｍにわたって
分布、即ちスペクトル分解させることができ、出射側端
面に１２５μｍピッチの光ファイバーを配列した場合で
５波、２５μｍピッチの光導波路を配列する場合で２５
波の波長分波器を実現できるとしている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述の小坂等によるフ
ォトニック結晶を用いた波長分波器は、ある種のフォト
ニック結晶の特定条件において生じる性質、即ち、波長
の異なる光の屈折角が大きく異なる性質のみを利用して
いる。図１２は小坂らの波長分波器の動作原理を説明す
る模式図である。導波路６８から出射された光ビーム６
９はフォトニック結晶６７に入射する。異なる波長毎に
屈折される方向が異なるので、透過光７０と透過光７１
のように光ビームは分かれるが、同時に個々に分離され
た光ビームはフォトニック結晶中を伝搬するにつれてビ
ーム径（または幅）が大きくなっていく。そのため、進
行方向としては分離されたはずの光ビームが隣同士で互
いに重なり合うことになる。このような状態でフォトニ
ック結晶出射側端面において導波路を用いて光ビームを
受光しようとすると、目的の波長の光だけでなく、隣接
する波長の光も一部受光することになり、いわゆるクロ
ストークが大きくなってしまうという課題があった。

【０００８】本発明の目的はフォトニック結晶を通過す
る光ビームの広がりの問題を解決することによって波長
分解能の高い波長分波器を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明による波長分波器
には、レンズ効果を得る対象とする角振動数（または波
長）における波数分散面の断面が楕円であり、且つ、群
速度の方向が楕円の内側に向かっている媒質であり、更
にその媒質の表面が平面であるレンズで、そのレンズの
中に焦点を有することを特徴とするレンズを有する。

【００１０】またそのレンズは、有限の厚みで、２つの
表面が互いに平行な平面で、レンズの中の焦点と更にレ
ンズの外に焦点を有することを特徴とする。

【００１１】このようなレンズは、誘電率が周期的に変
化したフォトニック結晶であり、そのフォトニック結晶
の波数分散曲線と、そのフォトニック結晶と実体が存在
する周辺媒質の波数分散曲線との２つの波数分散曲線の
交差する角振動数（または波長）の近傍の範囲において
動作するレンズであってもよい。

【００１２】その場合、角振動数（または波長）の近傍
の範囲が、前記２つの波数分散曲線の交差する角振動数
（または波長）から±１５％以内であることによって、
ぼけの少ないレンズを構成できる。

【００１３】そして、そのレンズが、楕円の波数分散面
断面の短軸と長軸の比が角振動数（または波長）に依存
して変化することを特徴とするレンズとすることによ
り、小型で且つ、波長により焦点位置の依存性の大きい
レンズ、即ち色収差の大きいレンズが得られる。

【００１４】このレンズを有する波長分波器であって、
そのレンズの表面に波長多重光を照射する光導波路を有
し、前記波長多重光の波長毎の焦点位置に受光用導波路
の端が配列されていることを特徴とする波長分波器を基
本構成とすることにより、小型で、波長選択性の高い波
長分波器が得られる。

【００１５】また、波長分波器のレンズと受光用導波路
の端との間にプリズムを配置することにより、更に波長
選択性の高い波長分波器が得られる。

【００１６】更に、波長分波器の多重光を照射する光導
波路の外部光学系と結合する側の端と、受光用導波路の
外部と光結合を行う端が、導波路よりも幅が広い構成に
することにより、波長分波器の入出力部の結合損失が低
減できる。

【００１７】このとき、導波路よりも幅の広い終端部の
長さが導波路の幅以下であるとき、結合損失が最も小さ
くできる。

【００１８】更に、導波路の終端部の端面が導波路の長
手方向に垂直な平面から傾いていることを特徴とする波
長分波器にすることにより、入出力用導波路に外部から
斜めに結合する場合も低損失を得ることができる。

【００１９】また、隣り合う導波路の終端部が連続した
共有終端部構造であることを特徴とする波長分波器にす
ることにより、配列した導波路の密度が高くなっても、
導波路終端部の幅を導波路幅よりも大きくすることがで
き、導波路密度が低い場合と同様に、外部と高い効率で
結合することができる。

【００２０】波長分波器の応用として、小型で高波長選
択性を有する可変波長選択フィルターを構成できる。即
ち、レンズ効果を得る対象とする角振動数（または波
長）における波数分散面の断面が楕円であり、且つ、群
速度の方向が楕円の内側に向かっている媒質であり、有
限の厚みであり、更に２つの表面が互いに平行な平面で
あり、レンズの中の焦点と更にレンズの外に焦点を有す
るレンズであり、そのレンズを有する可変波長選択フィ
ルターであって、前記レンズの表面に波長多重光を照射
する光導波路を有し、前記波長多重光の波長毎の焦点位
置に受光用導波路の端が配列されており、前記レンズの
焦点位置を能動的に変化させることによって波長選択を
行うことを特徴とする可変波長選択フィルターが提供さ
れる。

【００２１】

【発明の実施の形態】本発明の上記および他の目的、特
徴および利点を明確にすべく、添付した図面を参照しな
がら、本発明の実施の形態を以下に詳述する。

【００２２】本発明の波長分波器では、色収差の大きい
レンズ、即ち、焦点位置の波長依存性の大きいレンズを
用いるので、先ず、このレンズについて説明する。

【００２３】今、図２のように、媒質１の表面４から距
離aの位置にある実体A（→）２の実像A'３がフォトニッ
ク結晶内の表面から距離bの位置に結像し、実像A'３が
実体A２と同じ大きさ、同じ向きである場合を考える。
媒質１の表面４は平面である。実体A２から発される光
の波数の大きさをk（=|k|、k は実体A２が存在する媒質
内での波数ベクトル）、媒質１の表面での入射角と屈折
角をそれぞれθ₁、−θ₂とすると、媒質１の波数分散面
の断面（角振動数ωが一定）がとるべき形状は（１）式
で表される。

【００２４】

【数１】

【００２５】ただし、p = b/a（即ち、楕円の長軸と短
軸の比）であり、q は任意の定数である。一般には、波
数k とp とq は角振動数（または、波長）の関数であ
る。図３は（１）式で表される波数分散面の形状を図示
したものである。図３から判るように、（１）式は、波
数分散面の角振動数一定断面５の形状が楕円（特殊な場
合として円を含む）であることを示している。その楕円
の１つの軸は媒質１の表面と平行であり、その媒質１の
表面と平行な方向の楕円の軸の長さは入射する光の波数
（波数ベクトルの大きさ）の２倍に等しい。従って、円
の断面の場合は、その半径と入射する光の波数は同じに
なる。媒質中で光が伝搬する方向は波数分散面の接線に
垂直な方向として得られる。例えば、波数分散面断面５
上の１つの点（状態）に向かう波数ベクトル８の光が進
む方向、即ち群速度の進行方向は矢印１１で示される。
楕円の波数分散面断面５の接線に垂直な方向と向きは、
矢印１１の他に、矢印１１と逆の向きが考えられるが、
図３の矢印１１のように群速度が波数分散面断面５の楕
円の内側に向かっているときのみ、媒質１はレンズ効果
を示す。媒質１の波数分散面の断面（角振動数ωが一
定）５の形状が（１）式で表される楕円であり、その波
数分散面断面５上の状態の群速度が波数分散面５の楕円
の内側に向かっていれば、波数kを有する光に関して、
媒質１の外の実体は媒質１の中に同じ大きさ、同じ向き
の実像A'３を結像するのである。

【００２６】次に、図３の媒質１を有限の厚みにした場
合について考える。図４は媒質１が有限の厚みになった
光学素子１２の光学的性質を説明する模式図である。光
学素子１２の表面１３と表面１４は互いに平行な平面で
ある。図３の媒質１のレンズ効果は媒質１の表面で生じ
るので、図４に示したように光学素子１２が有限の厚さ
であれば、実体A１５の実像A'１６を第１焦点１９に結
像後、光学素子１２の裏面で再度レンズ効果を生じ、光
学素子１２の外に第２の実像A"１７を第２焦点２０に結
像する。実像A"１７も実体A１５と同じ大きさ、同じ向
きである。ただし、光学素子１２の厚みは表面４から第
１焦点１９までの距離より大きくなければならない。

【００２７】さて、この第２焦点２０に実像A"１７が結
像される現象を利用して波長分波器を構成することがで
きる。実体A１５の位置に導波路の出射口を配置して、
その導波路からの出射光が光学素子１２にあたるように
しておく。光学素子１２の表面１３と表面１４は平行で
ある。この導波路から出射された光は一旦広がるが、光
学素子１２の中の第１焦点１９で一度集光された後にま
た広がり、そして再び第２焦点２０の位置で集光されて
ビームウエストを形成する。このときのビームウエスト
径は実体A１５の位置に置いた導波路の出射光のビーム
ウエスト径と同じになる。従って、第２焦点２０の位置
に、実体A１５の位置に置いた受光用導波路と同程度の
径（または幅）を有する導波路を配置すれば、第２焦点
位置に集光された光ビームを損失無く受光することが可
能となる。

【００２８】波長分波器を構成するには、第２焦点位置
が波長毎に異なった位置になければならない。次に、そ
れが実現される仕組みを説明する。スラブ１２の厚みを
t、実体A１５から実像A"１７までの距離をs とすると、

【００２９】

【数２】

【００３０】が成り立つ。（２）式と（３）式は、実像
A"７の位置がp の値に応じて変化し、その位置の変化、
即ちs の変化の割合は、p が小さいほど、また、光学素
子１２の厚みt が大きいほど大きくなることを示してい
る。従って、光学素子１２のpの値が波長に依存して大
きく変化すれば、波長毎に第２焦点位置は異なる。p の
値は波長に依存して変化するから、光学素子１２は結
局、波長、即ち色による収差の大きいレンズであると言
うことができる。色収差の大きいレンズである光学素子
１２の、波長毎に異なったそれぞれの第２焦点位置に受
光用導波路を配置することによって波長分波器を構成で
きる。この場合、光ビームが波長毎に集光された状態に
より導波路で受光できるため、光ビームの広がりに起因
する波長分解能の低下は起こらない。

【００３１】図１は、上述の動作原理を適用した波長分
波器の構成を示す模式図である。光学素子２１は色収差
の大きいレンズである。光学素子２１の表面２２から離
れた位置に導波路２４の出射端を配置し、導波路２４の
出射光２８が光学素子２１の表面に当たるようにする。
導波路２４からの出射光２８が波長多重光であるとき、
光学素子２２を透過後、焦点２９と焦点３２のように波
長毎に異なった位置に焦点が結ばれるので、それぞれの
波長光の焦点位置に受光用の導波路を導波路２５、２
６、２７のように配置する。出射光２８の光線軸は光学
素子２１の表面２２の法線方向から傾けると、透過光３
０、３１の光線軸も傾くので、受光用の導波路２５、２
６、２７が重ならないように配置することができる。

【００３２】波長の異なる光に対する第２焦点の間隔が
大きければ、それだけ多くの受光用導波路を並べられる
ので、波長分波器の波長分解能が向上する。図５は、プ
リズムを用いて第２焦点の間隔を広げる方法である。即
ち、色収差の大きいレンズである光学素子３３を透過し
た分波光をプリズム４３に通すと、分波光のビームの向
きが変わると同時に、分波された光ビーム毎の第２焦点
の間隔も広がり、受光用として並べる導波路３９、４
０、４１、４２の間隔が広くなる。従って、受光用導波
路の間隔に余裕がある分、多重化する光の波長間隔を狭
くすることが可能になる。プリズム４３は光学素子３３
の表面３５に張り付けた形で一体形成してもよい。

【００３３】先の（１）式で表される楕円形（または円
形）の分散面断面形状は、フォトニック結晶を用いて実
現することができる。図６は、三角格子フォトニック結
晶の断面図である。フォトニック結晶４７は、シリコン
４５にピッチaで直径D=0.9aの円孔４６を三角格子状に
形成した構造である。フォトニック結晶４７の、TEモー
ドの波数分散曲線を代表的な対称点の方向について図７
に示した。図７に実線で示した分散曲線４８がフォトニ
ック結晶４７の波数分散曲線である。フォトニック結晶
の分散曲線はフォトニックバンドとも呼ばれる。TEモー
ドでは電界の方向は、図６のフォトニック結晶４７の断
面と垂直（即ち、紙面と垂直）方向である。図７の縦軸
は正規化した角振動数 ωａ／（２πｃ）である。ただ
し、ωは角振動数、ａは三角格子フォトニック結晶４７
の格子ピッチ、ｃは真空中の光速度である。角振動数
ωと波長λ の間には ω＝２πｃ／λ の関係があるの
で、角振動数ωと波長 λは反比例する。

【００３４】今、実像と、レンズ作用をする光学素子が
空気中にある場合を考える。図７のフォトニックバンド
図には空気の光の波数分散曲線（破線）４９も同時に示
してある。もし、実像とレンズ作用をするスラブが空気
とは異なる媒質中にあるなら、空気の替わりにその媒質
の波数分散曲線を用いる。図７において、（ωａ／２π
ｃ）が０．３５５辺りの帯域、即ち、一点鎖線５０の
近傍ではフォトニック結晶４７の波数分散曲線４８と空
気の波数分散曲線４９が交差している。この交差してい
る角振動数帯域におけるフォトニック結晶４７の波数分
散面の断面形状は円（楕円の特殊な場合）に近く、しか
もその半径は空気中の波数と等しくなる。従って、その
波数分散面断面形状は式（１）をほぼ満足する。また、
光の群速度ｖはｖ＝ｄω／ｄｋで与えられるが、一点
鎖線５０の位置の角振動数におけるフォトニック結晶４
７の分散曲線の傾きは負（ただし、図７のフォトニック
バンド図のΓ点を原点とする）なので、群速度の向きは
Γ点に近づく向きである。従って、群速度の向きは、楕
円形の波数分散面断面の内側を向くことになり、レンズ
効果を生じるための条件を全て満たすことがわかる。

【００３５】このように、フォトニック結晶と実像が置
かれている周辺媒質の波数分散曲線と、フォトニック結
晶自身の波数分散曲線との２つが交差する角振動数（ま
たは波数）の近傍において、フォトニック結晶の波数分
散曲線が負の傾き（ただし、Γ点を原点とする）を有す
るとき、そのフォトニック結晶は、その角振動数近傍で
レンズ効果を示す。

【００３６】一点鎖線５０の位置から角振動数が変化す
ると、フォトニック結晶４７の波数分散面断面である楕
円の半径と、（フォトニック結晶４７と実像が置かれて
いる）空気の波数分散面の断面である円の半径は異なっ
てくる。その結果としてフォトニック結晶４７のレンズ
効果による像はぼけ始めるが、一点鎖線５０の位置、即
ち、フォトニック結晶と周辺媒質の波数分散曲線の交差
する角振動数（波長）から±１５％（波長の場合も±１
５％）以内であれば、像のぼけは小さい。一方、波数分
散面の半径が異なると、近似的に（１）式の変数p が変
化するのと同じ効果を生むことが証明される。変数p の
変化は焦点位置の変化を意味するので、結果として、角
振動数（または波長）が変化すると焦点位置が変化する
ことになる。即ち、フォトニック結晶４７は色収差の大
きいレンズとして働き、波長分波器に用いることができ
ることがわかる。

【００３７】フォトニック結晶４７と周辺媒質の波数分
散曲線の交差する角振動数（または波長）においては、
フォトニック結晶４７の波数分散曲面の角振動数一定に
おける断面形状はほぼ円に近く、p〜１である。しか
し、デバイスの設計によってはp〜１以外の値、例え
ば、p〜２やp〜０．５などの値を用いたい場合もある。
その場合には、フォトニック結晶の波数分散面の断面形
状を円から、短軸と長軸の比の大きい楕円に歪ませれば
よい。その方法として、フォトニック結晶を一方向に伸
張、または圧縮する方法がある。図８は、図６の三角格
子フォトニック結晶をΓ−Ｍ方向に１．５倍に伸張した
フォトニック結晶である。こうすることで、フォトニッ
ク結晶５１の波数分散面の角振動数（または波長）一定
の断面形状はΓ−Ｍ方向に約１／１．５に縮小された楕
円となり、変数p の値は約１／１．５となる。

【００３８】本発明の実施の形態は三角格子フォトニッ
ク結晶について述べたが、格子の構造が三角格子だけで
なく、正方格子または面心立方格子または体心立方格子
またはその他の格子、及びスラブ構造を含むそれらの疑
似構造である格子のフォトニック結晶についても適用で
きる。また、フォトニック結晶は、２次元だけでなく３
次元の結晶であってもよく、どのような対称性の格子で
もよい。２次元の近似的な構造であるスラブ型フォトニ
ック結晶でも良いことは言うまでもない。

【００３９】また、波長分波器に用いる色収差の大きい
レンズとしてはフォトニック結晶に限定されないことに
留意すべきである。更に、色収差の大きいレンズの焦点
位置を能動的に変化させることにより、受光側の導波路
に入射する光の波長が変化することになるので、このと
き、波長分波器は可変波長選択フィルターとして動作す
ることは明らかである。フォトニック結晶を用いた色収
差の大きいレンズの場合、焦点位置を能動的に変化させ
る方法として、フォトニック結晶を加熱したり、圧力を
かけて機械的に圧縮、伸張するなどしてフォトニック結
晶の格子定数を変化させる方法や、フォトニック結晶を
構成する物質の屈折率を電気的、磁気的、光学的に変化
させる方法などがある。

【００４０】

【実施例】図９はＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板
上に形成した波長分波器の実施例である。ＳＯＩウエハ
はＳｉ基板の上にＳｉＯ₂とＳｉの薄膜を順次積層した
構造で、最上層のＳｉ膜をコア層、また上の空気層と下
のＳｉＯ₂をクラッド層とするスラブ（板）型導波路と
して用いることができる。Ｓｉ層に三角格子状に孔を形
成したフォトニック結晶５６のレンズにＳｉのプリズム
６２が接合して形成されている。フォトニック結晶レン
ズ５６の大きさは５００μｍ×３００μｍである。フォ
トニック結晶５６の結晶構造は格子ピッチ０．７μｍ
、孔径０．６３μｍである。フォトニック結晶５６か
ら１０μｍ離れた位置に、フォトニック結晶の端面の
法線方向と３０°を成す角で幅０．６μｍのＳｉチャ
ネル導波路５７を配置する。また、フォトニック結晶５
６の波長毎の焦点位置に幅０．６μｍ受光用Ｓｉチャ
ネル導波路６０のアレイを配置する。フォトニック結晶
５６とプリズム６２とチャネル導波路５７と受光用チャ
ネル導波路６０のアレイ以外のところはエッチングによ
ってＳｉは除去されているが、ＣＶＤによるＳｉＮｘの
堆積と平坦化工程によってＳｉ層と、ＣＶＤで堆積した
ＳｉＮｘ層は同じ厚みになっている。ＳｉまたはＳｉＮ
ｘ層の上に更にＳｉＯ₂層を堆積してもよい。ＳｉＮｘ
はＳｉＯ₂や空気よりも屈折率が大きいため、ＳｉＯ₂／
ＳｉＮｘ／空気（またはＳｉＯ₂）構造はＳｉＮｘをコ
ア層とする板型導波路として働く。従って、チャネル導
波路５７から出射された光５５やフォトニック結晶レン
ズ５６を通過した光ビーム６２はＳｉ層の厚み方向に広
がることなく、ＳｉＮｘ層の閉じこめられて伝搬し、
フォトニック結晶５６や受光用導波路６０に導入され
る。この波長分波器では、波長λ=１．５μｍ帯で５０
ＧＨｚピッチで５０チャンネル確保できる。また、波長
分波器全体の大きさは０．７ｍｍ×１ｍｍ程度である。
フォトニック結晶５６の大きさを１ｍｍ×０．６ｍｍに
すると、同じ帯域で５００チャンネル確保でき、波長分
波器全体としての大きさは、２ｍｍ×１．２ｍｍと、面
積比で従来の波長分波器の１／１００程度になる。

【００４１】尚、ＳｉＮｘの替わりにＳｉＯＮ膜を使っ
てもよい。ＳｉＯＮ膜も屈折率がＳｉＯ₂や空気よりも
大きいので、導波路のコアとして機能するからである。
図９の波長分波器に用いたチャネル導波路５７の入射端
５８は光結合効率の高い構造に工夫されている。図１０
は入射端５８を拡大したものである。チャネル導波路６
４の幅ｘよりも大きい幅ｙを有し、長さｚがチャネル
導波路６４の幅ｘ以下の終端構造６３が、チャネル導波
路６４に付加されている。チャネル導波路６４は通常、
導波する光の波長程度に幅が狭く、その終端面の平坦性
を確保するのは困難であるが、終端構造６３を取り付け
ることによって、終端面の平坦部の幅が広がり、加工精
度低下による角の丸まりの影響を受けにくくなる。

【００４２】図１１はチャネル導波路の終端面を斜めに
する場合である。終端面が斜めの場合、入射光の光軸は
チャネル導波路６６の長手方向からある角度を持ってそ
れる。このとき、チャネル導波路の終端面の角で光が散
乱されやすくなるが、チャネル導波路６６に終端構造６
５が付加されていることにより、終端面の角は入射光か
ら遠ざかり、光結合における散乱損失が減少する。

【００４３】複数のチャネル導波路の終端同士が接近し
ている場合は、図９の共通終端構造５９のように、終端
構造を共通にしてもよい。

【００４４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
波数分散面の角振動数（または波長）一定の断面が楕円
で、且つ、群速度の方向が楕円の内側に向かい、更に表
面が平面であるという媒質であるとの基本構成により、
波数分散面の断面に対応する角振動数（または波長）に
対して、その媒質中に焦点（第１焦点）を形成するレン
ズが提供される。

【００４５】また、上記媒質を有限の厚みにし、その両
面を互いに平行な平面にするとの基本構成により、その
有限媒質の内部の焦点（第１焦点）だけでなく、その有
限媒質の外部にもう一つの焦点（第２焦点）を有するレ
ンズが提供される。

【００４６】また、フォトニック結晶で、そのフォトニ
ック結晶の波数分散曲線と、フォトニック結晶と実体が
存在する周辺媒質の波数分散曲線の交差する角振動数
（または波長）の近傍において、上記の第１焦点と第２
焦点を有するレンズが提供される。

【００４７】また、上記有限媒質レンズの楕円の波数分
散面断面短軸と長軸の比が角振動数（または波長）に依
存して変化する構成により、色収差の大きいレンズが提
供される。

【００４８】また、フォトニック結晶で、そのフォトニ
ック結晶の波数分散曲線と、フォトニック結晶と実体が
存在する周辺媒質の波数分散曲線の交差する角振動数
（または波長）の近傍において、色収差の大きいレンズ
が提供される。

【００４９】また、上記色収差の大きいレンズに波長多
重化された光の導波路出射光を照射し、波長毎の焦点に
受光用の導波路を配置するとの構成により、小型の高性
能の波長分波器が提供される。

【００５０】また、上記波長分波器の光色収差レンズに
プリズムを付加する構成にすることにより、波長分波器
の波長分解能を向上できる。

【００５１】また、上記波長分波器に用いる導波路の終
端に導波路よりも幅の広い終端構造を付加するとの構成
により、導波路への光結合構造を向上できる。

【００５２】以上の効果により、従来のＡＷＧを用いた
波長分波器、及び、フォトニック結晶の屈折率の大きな
波長依存性のみを用いた波長分波器よりも小型で高性能
な波長分波器が提供される。

【００５３】また、用いる光色収差レンズの焦点位置を
能動的に変化させる構成により、可変波長選択フィルタ
ーが提供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態の、波長分波器の構成を示す
模式図である。

【図２】本発明の実施形態のレンズ効果を説明する模式
図である。

【図３】本発明の実施形態のレンズ効果示す波数分散面
断面を説明する模式図である。

【図４】本発明の実施形態のレンズ効果を説明する模式
図である。

【図５】本発明に実施形態のプリズム付き波長分波器を
説明する模式図である。

【図６】本発明の実施形態の、フォトニック結晶の構造
を説明する断面図である。

【図７】本発明の実施形態の、フォトニック結晶のフォ
トニックバンド図である。

【図８】本発明の実施形態の、フォトニック結晶の構造
を説明する断面図である。

【図９】本発明の実施例の構成を示す模式図である。

【図１０】本発明の実施例で用いる導波路の終端構造を
説明する模式図である。

【図１１】本発明の実施例で用いる導波路の終端構造を
説明する模式図である。

【図１２】本発明に関わる従来技術の問題点を説明する
模式図である。

【符号の説明】

１媒質２，１５実体３，１６，１７実像４，１３，１４，２２、３５表面５波数分散面の角振動数一定の断面８波数ベクトル１０矢印１２，２１，３３光学素子１９第１焦点２０第２焦点２５，２６，２７，３９，４０，４１，４２，６８
導波路２８出射光２９，３２焦点３０，３１，７０，７１透過光４３，６２プリズム４５シリコン４６円孔４７，５６，６７フォトニック結晶４８，４９波数分散曲線５０一点鎖線５７，６０，６４，６６チャネル導波路５８入射端５９共通終端構造６３，６５終端構造６２，６９光ビーム

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レンズ効果を得る対象とする角振動数
（または波長）における波数分散面の断面が楕円であ
り、且つ、群速度の方向が楕円の内側に向かっている媒
質であり、更に前記媒質の表面が平面であるレンズであ
って、前記レンズの中に焦点を有することを特徴とする
レンズ。
【請求項２】有限の厚みであって、前記厚みの２つの
表面が互いに平行な平面であり、レンズの中の焦点と更
にレンズの外にも焦点を有することを特徴とする請求項
１記載のレンズ。
【請求項３】誘電率が周期的に変化したフォトニック
結晶であって、前記フォトニック結晶の波数分散曲線
と、前記フォトニック結晶と実体が存在する周辺媒質の
波数分散曲線との２つの波数分散曲線の交差する角振動
数（または波長）の近傍の範囲において動作することを
特徴とする請求項１または請求項２に記載のレンズ。
【請求項４】動作する角振動数（または波長）の範囲
が、前記２つの波数分散曲線の交差する角振動数（また
は波長）から±１５％以内であることを特徴とする請求
項３記載のレンズ。
【請求項５】楕円の波数分散面断面の短軸と長軸の比
が角振動数（または波長）に依存して変化することを特
徴とする請求項２乃至請求項４の何れか１項に記載のレ
ンズ。
【請求項６】格子の構造が三角格子または正方格子ま
たは面心立方格子または体心立方格子、及びスラブ構造
を含むそれらの疑似構造であることを特徴とする請求項
３乃至請求項５の何れか１項に記載のレンズ。
【請求項７】格子が一方向に圧縮または伸張された請
求項３乃至請求項６の何れか１項に記載のレンズ。
【請求項８】レンズ効果を得る対象とする角振動数
（または波長）における波数分散面の断面が楕円であ
り、且つ、群速度の方向が楕円の内側に向かっている媒
質であり、有限の厚みであり、更に２つの表面が互いに
平行な平面であり、レンズの中の焦点と更にレンズの外
に焦点を有するレンズであり、前記レンズを有する波長
分波器であって、前記レンズの表面に波長多重光を照射
する光導波路を有し、前記波長多重光の波長毎の焦点位
置に受光用導波路の端が配列されていることを特徴とす
る波長分波器。
【請求項９】波長分波器を構成するレンズと受光用導
波路の端との間にプリズムを配置したことを特徴とする
請求項８記載の波長分波器。
【請求項１０】導波路の終端が導波路よりも幅が広い
ことを特徴とする導波路の終端部構造を有する請求項８
記載の波長分波器。
【請求項１１】導波路よりも幅の広い終端部の長さが
前記導波路の幅以下であることを特徴とする導波路の終
端部構造を有する請求項１０記載の波長分波器。
【請求項１２】導波路の終端部の端面が前記導波路の
長手方向に垂直な平面から傾いていることを特徴とする
導波路の終端部構造を有する請求項１０または請求項１
１記載の波長分波器。
【請求項１３】隣り合う導波路の終端部が連続した共
有終端部構造であることを特徴とする請求項１０乃至請
求項１２の何れか１項に記載の波長分波器。
【請求項１４】多重光を照射する光導波路の端の内、
外部光学系と光結合を行う側の端と、受光用導波路の外
部光学系と光結合を行う側の端が、共に導波路よりも幅
が広いことを特徴とする請求項９記載の波長分波器。
【請求項１５】導波路よりも幅の広い終端部の長さが
前記導波路の幅以下であることを特徴とする請求項１４
記載の波長分波器。
【請求項１６】導波路の終端部の端面が前記導波路の
長手方向に垂直な平面から傾いていることを特徴とする
請求項１４または請求項１５に記載の波長分波器。
【請求項１７】隣り合う導波路の終端部が連続した共
有終端部構造であることを特徴とする請求項１４乃至請
求項１６の何れか１項に記載の波長分波器。
【請求項１８】レンズ効果を得る対象とする角振動数
（または波長）における波数分散面の断面が楕円であ
り、且つ、群速度の方向が楕円の内側に向かっている媒
質であり、有限の厚みであり、更に２つの表面が互いに
平行な平面であり、レンズの中の焦点と更にレンズの外
に焦点を有するレンズであり、前記レンズを有する可変
波長選択フィルターであって、前記レンズの表面に波長
多重光を照射する光導波路を有し、前記波長多重光の波
長毎の焦点位置に受光用導波路の端が配列されており、
前記レンズの焦点位置を能動的に変化させることによっ
て波長選択を行うことを特徴とする可変波長選択フィル
ター。