JP2003215367A - 光デバイス - Google Patents

光デバイス

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JP2003215367A
JP2003215367A JP2002016659A JP2002016659A JP2003215367A JP 2003215367 A JP2003215367 A JP 2003215367A JP 2002016659 A JP2002016659 A JP 2002016659A JP 2002016659 A JP2002016659 A JP 2002016659A JP 2003215367 A JP2003215367 A JP 2003215367A
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waveguide
light
photonic crystal
nonlinear medium
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Atsushi Sugidachi
厚志 杉立
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Mitsubishi Electric Corp
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    • G02F1/3515—All-optical modulation, gating, switching, e.g. control of a light beam by another light beam
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    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 フォトニック結晶に特有な性質を利用してフ
ォトニック結晶中に特殊な機能もたせた導波路を形成し
た光デバイスを提供する。 【解決手段】 ２種類以上の光の媒質が周期構造を形成
してなるフォトニック結晶１の中に、フォトニック結晶
のフォトニックバンドギャップ域の周波数を有する光を
通すように上記周期構造の配列を満たさないように形成
された導波路２を有する導波路装置であって、導波路の
所定部分に、光電界の入射エネルギーに対して線形な応
答のみではなく２次以上の高次の非線形応答性を有する
光学媒質（光学非線形媒質）３，４，５，６，７が配置
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、フォトニック結晶
を用いた光デバイスに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】フォトニック結晶(Photonic Crystal)と
は、周期的な屈折率分布を有する構造体であり、空間に
おける周期を光の波長程度にしたものである。このた
め、結晶中の電子エネルギ構造解析に用いられたバンド
理論を適用して、結晶中の光について各種の光学特性の
解明が試みられている。とくに近年の微細加工技術の進
展により光の波長のオーダーの微細加工が可能となり、
理論だけでなく、理論の実証や実験から理論へのフィー
ドバックを行うことができるようになった。このため、
理論と実験とが活発に刺激しあい世界的に研究開発が盛
んになってきた。
【０００３】フォトニック結晶においては、結晶中の電
子のバンド構造との類似性から光の分散関係を意味する
フォトニックバンドという概念が非常に重要である。こ
れは、電子の（e1)エネルギーＥと、(e2)運動量ｐと、
(e3)シュレディンガー方程式とに対して、光の(w1)周波
数ωと、(w2)波数ｋと、(w3)波動方程式とを対応させる
ことによって、ＵＣＬＡ(University of California L
A)のＹａｂｌｏｎｏｖｉｔｃｈによって導入された概念
である。この概念を用いて、あらゆる方向に光の伝播が
禁止される禁制帯、すなわちフォトニックバンドギャッ
プ(ＰＢＧ:Photonic Band Gap)が予測され、その予測に
基いてフォトニック結晶が作製され、ＰＢＧの存在が実
証されている。
【０００４】上記のようなフォトニック結晶中に周期構
造を乱す欠陥を導入すれば、周囲のフォトニック結晶で
は許容されないＰＢＧに含まれる波数ベクトルの光がそ
の欠陥部に局在することが可能となる。その結果、たと
えば、欠陥部を線状に構成することにより導波路として
機能させることができる。このような導波路は、従来の
導波路と異なり、大きな分散特性を示したり、一部の材
料の誘電率を変えることにより導波機構を変えることが
できる。また、従来の導波路と異なり、ロスの少ない直
角曲げ導波構造を実現することができる。さらに、導波
光を電磁界により制御できる自由度が大きいため、モー
ド断面の形状を任意に変えたり、モード断面のサイズの
大型化や小型化等が可能である。これらの性質を利用し
て、非線形効果を増大させたり、既存の光学非線形媒質
をフォトニック結晶と組み合わせることにより、フォト
ニック結晶に高度の可変性および制御性を持たせること
ができる。この結果、従来と異なる光デバイスが実現す
ることが期待されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、フォト
ニック結晶を用いて発光、増幅および変調の機能を持た
せた光デバイスを構成した例（特開平１１−３３０６１
９号公報）はあるが、フォトニック結晶中に形成された
導波路において、フォトニック結晶に特有の性質を利用
して導波路に光学非線形性を持たせた例、または非線形
性を増強した例は知られていない。
【０００６】本発明は、フォトニック結晶に特有な性質
を利用してフォトニック結晶中に特殊な機能もたせた導
波路を形成した光デバイスを提供することを目的とす
る。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明の光デバイスは、
２種類以上の光の媒質が周期構造を形成してなるフォト
ニック結晶の中に、フォトニック結晶のフォトニックバ
ンドギャップ域の周波数を有する光を通すように上記周
期構造の配列を満たさないように形成された導波路を有
する導波路装置である。この導波路装置には、導波路の
所定部分に、光電界（電場）の入射エネルギーに対して
線形（１次）な応答のみではなく２次以上の高次の非線
形応答性を有する光学媒質（光学非線形媒質）が配置さ
れている（請求項１）。
【０００８】この光学非線形媒質によって光の波長を変
化させたり、光学非線形媒質とそれに連続する上記導波
路との界面における屈折角が波長ごとに相違するので、
光路も変化させることができる。このため、フォトニッ
ク結晶内の導波路に波長変換装置や光路変換装置をモノ
リシックに造り込むことができるので、小型化、および
仕様を規格化することにより大量生産化が可能となる。
なお、フォトニック結晶は、周波数と波長との関係にお
いて非線形関係を有することは周知のことである。本発
明は、このようなフォトニック結晶に特徴的な非線形関
係を利用することは当然予定しているが、その他に上記
の光学非線形媒質を備えるものである。
【０００９】なお、上記周期構造の配列を満たさないよ
うに形成された導波路とは、フォトニック結晶の周期性
を乱す構造であれば何でもよく、たとえば母材のフォト
ニック結晶に格子欠陥が導入されたものでもよいし、他
の元素からなる材料であってもよい。
【００１０】本発明の光デバイスでは、光学非線形媒質
が、導波路を伝播する光の波長を変換する波長変換器と
して機能することができる（請求項２）。
【００１１】本発明の光デバイスでは、フォトニック結
晶がフォトニック結晶ファイバ（ＰＣファイバ）として
形成されており、導波路がそのＰＣファイバのコアとし
て配置されることができる（請求項３）。
【００１２】この構成により、各種の機能を一体化され
た機能性光ファイバを得ることが可能となる。
【００１３】本発明の光デバイスでは、光学非線形媒質
は、導波路が単純直線連続部以外の特異部、またはその
特異部の前段部に位置して、その光学非線形媒質に向っ
て入射してくる光の光路を変えて出射させる光路変換装
置として機能することができる（請求項４）。
【００１４】上記の単純直線連続部以外の特異部とは、
導波路の屈曲部、１本の導波路が複数本の導波路に分岐
する分岐部、逆に複数本の導波路がそれより少ない数、
とくに１本の導波路にまとめられる合流部、複数の導波
路が交差する交差部などが該当する。この構成により、
上記の特異部で、光の光路を任意に変化させることが可
能となる。この結果、導波路に論理性の機能をもたせた
り、複雑な通信信号処理を行なうことが可能となる。
【００１５】本発明の光デバイスでは、光学非線形媒質
は、導波路が単純直線連続部以外の特異部、またはその
前段部に位置して、その光学非線形媒質に向って入射し
てくる光の光束を変化させて出射させる光束変換装置と
して機能することができる（請求項５）。
【００１６】この構成により、光束を拡大したり縮小し
たり導波路の構造に合わせて光束を変化させることがで
きる。
【００１７】本発明の光デバイスでは、光学非線形媒質
は、２つ以上の導波路が会合してそれより少ない数の導
波路が出て行く会合部に配置され、２つ以上の導波路を
伝播してきた光を、出て行く導波路へと曲げて出射する
ことができる（請求項６）。
【００１８】この構成により、導波路内にモノリシック
に合波部を容易に小型化して形成することができる。
【００１９】本発明の光デバイスでは、光学非線形媒質
は、１つの導波路が２つ以上の導波路に分かれて出て行
く分岐部に配置されることができる（請求項７）。
【００２０】この構成により、導波路内にモノリシック
に分岐部を容易に小型化して形成することができる。
【００２１】本発明の光デバイスでは、光学非線形媒質
を、外部からの制御手段によって非線形の度合いを制御
して変化させることができる媒質とすることができる
（請求項８）。
【００２２】この構成により、外部から非線形の程度を
制御して変えることができるので、この光デバイスが発
現する機能や、この光デバイスが用いられる用途の範囲
を大きく拡大させることが可能となる。
【００２３】本発明の光デバイスでは、非線形性媒質
が、電気光学材料、音響光学材料、温度駆動性材料およ
び応力駆動性材料のいずれかによって構成されることが
できる（請求項９）。
【００２４】この構成により、電圧印加、音波印加、電
流印加などを用いて非線形性を高速でかつ高信頼の応答
性をもって制御することが可能となる。
【００２５】本発明の光デバイスでは、光学非線形媒質
が外部からの制御手段によって光路切換および波長変換
の少なくとも一方を制御して行う光スイッチとして機能
することができる（請求項１０）。
【００２６】この構成により、外部から光学非線形媒質
に信号を印加して非線形性を発現させ任意の方向に光の
進路を切り換え、光スイッチとして用いることができ
る。この構成によれば、光の進路の切り換えに機械的な
機構を介在させることがないので、高速化、小型化、高
信頼性化、生産性向上などを得ることができる。
【００２７】本発明の光デバイスでは、光学非線形媒質
が外部からの制御手段によって光路切換および波長変換
の少なくとも一方を制御して行う光ルーターとして機能
することができる（請求項１１）。
【００２８】この光ルーターについても、機械的な機構
を介在させることがないので、高速化、小型化、高信頼
性化、生産性向上などを得ることができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】次に図面を用いて本発明の実施の
形態について説明する。
【００３０】（実施の形態１）図１は、本発明の実施の
形態１におけるフォトニック結晶構造を集積化した光デ
バイスである。図１に示す結晶体の全体が、フォトニッ
ク結晶を構成する屈折率が周期的に変化する構造体１で
あり、その構造体１の中に線状の欠陥を形成して導波路
２として機能させている。導波路２に対して、入射信号
チャンネルｎか入射した信号光２１は、導波路内部また
は隣接する部位３の非線形効果を用いて波長変換され
る。この際、フォトニック結晶の高い分散性を用いて位
相整合条件を満たす構造とする。または、導波光の断面
形状を小さくしたり、導波方向で光電界分布を局在化す
ることにより電界強度を上げて波長変換効率を高める。
【００３１】波長変換材料としては、ＧａＡｓやＧａＰ
等の半導体材料や、ＬｉＮｂＯ3、ＬｉＴａＯ3、ＫＴＰ
（ＫＴｉＯＰＯ4）、ＫＤＰ（ＫＨ2ＰＯ4）、ＢＢＯ
（β−ＢａＢ2Ｏ４）、ＬＢＯ（ＬｉＢ3Ｏ5）、ＰＢ
Ｏ、ＣＬＢＯ（ＣｓＬｉＢ6Ｏ10）等の誘電体材料、ま
たは従来は非線形効果が非常に小さいために非線形材料
としては注目されていなかったＳｉ、ＳｉＯ2などの各
種材料を用いることができる。また、フォトニック結晶
１自身も上記の材料以外にＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ、Ｉｎ
ＧａＡｓＰ、ＧａＮ、ＩｎＧａＡｓＮなどの半導体材料
や各種の誘電体、および空孔を導入することによる空気
を含む各種気体、ポリマー類の有機材料など、透光体で
あって屈折率を周期的に変えることができればどのよう
な材料でも用いることができる。
【００３２】上記の構成により、従来のバルク材料では
難しかった導波路と位相整合がとれる非線形光学材料の
選択が可能となる。また、導波光の電界分布を局在化す
ることにより波長変換効率を向上させることができる。
さらに、このようなフォトニック結晶を用いて波長変換
デバイスを形成することにより、従来の波長変換デバイ
スに比べて大幅な小型化を達成することができる。
【００３３】（実施の形態２）本発明の実施の形態２で
は、上記の実施の形態１の光デバイスにおいて、非線形
光学材料部３の電気光学的性質、音響光学的性質、また
は材料の光学特性の温度依存性や応力依存性を用いて、
波長変換のオンとオフとを実現する。具体的には、電気
光学効果、音響光学効果、または温度や応力を変化させ
て屈折率を変化させることにより、位相整合条件のオン
とオフとを行う。または、ビームスポットサイズを拡大
または縮小して非線形効果のオンとオフとを行う。
【００３４】この結果、上記した実施の形態１における
効果に加えて、可変機能をもつ波長変換デバイスを得る
ことが可能となる。
【００３５】（実施の形態３）本発明の実施の形態３で
は、実施の形態１および２において、波長変換部位３の
導波路断面を通常の導波構造よりも小さくすることによ
り、非線形光学効果を増強する。この結果、より少ない
屈折率変調により、同程度の非線形光学効果を得ること
ができる。
【００３６】（実施の形態４）本発明の実施の形態４で
は、フォトニック結晶の大きな分散性を利用した光路変
更部位４を、フォトニック結晶中に設けた点に特徴があ
る。図１において、インプットチャンネルｎから入射し
た信号光は、波長変換部位３を通過した後、波長変換の
有無に関係なく、光路変更部位４で光路変更を受ける。
この光路変更は、フォトニック結晶の大きい分散特性を
生かし、屈折率が周期変化する構造体の一部の屈折率を
変化させることにより実現される。このようなフォトニ
ック結晶の一部の屈折率の変化は、局所的にフォトニッ
ク結晶構造を変えることに相当する。わずかな屈折率の
変化、すなわちこの部位における信号光の波長の変化に
よって光路が大きく変わる現象は、フォトニック結晶に
おけるスーパープリズム現象として知られている。本実
施の形態では、このスーパープリズム現象を利用してい
る。したがって、本実施の形態では、この光路変更部位
４にとくに非線形光学材料を含んでいる必要はなく、電
気光学効果、音響光学効果、または温度変化や応力変化
のうちのいずれかにより屈折率を変化することができれ
ばよい。
【００３７】本実施の形態における光路変更構造を用い
ることにより、屈折率の変調のみで光路を大きく変更で
きる機能、すなわち光の分波を容易に実現することがで
きるようになる。さらに、本実施の形態における光路変
更構造を、上記のような屈折率変調による波長変換デバ
イスと一体化することにより、従来の光デバイスに比較
して大幅な小型化を実現することができる。
【００３８】（実施の形態５）本発明の実施の形態５で
は、実施の形態４における光路変更部位４を固定した材
料としておき、実施の形態２において説明した波長変換
部位３において所望の波長に変換する。この波長変換に
より波長を変換された信号光は、光路変換部位４の高い
分散性により、波長に応じた光路変更性能を実現して光
路を変更する。
【００３９】この結果、屈折率の変調による波長変換機
構と、フォトニック結晶の高分散性とを用いて光の分波
を実現することができる。さらに、上記のような屈折率
の変調による光路変換デバイスを一体的に形成すること
により、従来に比べて大幅な小型化を実現することがで
きる。
【００４０】（実施の形態６）本発明の実施の形態６で
は、光路変更部位５において光を合波するためにフォト
ニック結晶の高分散性を用いる。これは、実施の形態４
における光の分波と逆の用い方である。
【００４１】本実施の形態では、入射信号チャンネル１
〜ｎの各信号光路が光路変更部５に到達した後、出射信
号チャンネルＢに出射されるように、光路変更部５の屈
折率を変化させ、したがって分散特性を変化させる。こ
の場合も電気光学効果、音響光学効果、温度変化および
応力変化のいずれかにより屈折率をわずかに変化させて
フォトニック結晶の高分散特性を用いて、出射信号チャ
ンネルＢへ導光する。波数の異なる光、したがって波長
が異なり、光路変更部位では光路の異なる光、をコリメ
ートするフォトニック結晶のスーパーコリメータ現象と
して知られる特性も活用することができる。このスーパ
ーコリメータ現象の活用により、小さい屈折率変化によ
り光の合波機能を実現することができる。
【００４２】この結果、屈折率の変調のみで光路を大き
く変える機能、すなわち光の合波を実現することができ
る。さらに、このような屈折率変調による光路変更デバ
イスを一体的に形成することにより、従来に比べて大幅
な小型化を実現することが可能となる。
【００４３】（実施の形態７）本発明の実施の形態７で
は、光路変更部位５を可変ではなく固定した屈折率とす
る。そして、所望の光路変更が光路変更部位５で得られ
るような波数ベクトルとなるように、前段の波長変更部
４で波長変更を行う。
【００４４】この結果、屈折率の変調のみで光路を大き
く変化させる機能、すなわち光の分波を実現することが
できる。さらに、このような屈折率変調による光路変更
デバイスを一体的に形成することにより、従来に比べて
大幅な小型化を実現することができる。
【００４５】（実施の形態８）本発明の実施の形態８で
は、上記の各実施の形態における光路変更機能や波長変
換機能を総合した光信号切換装置または光ルーターにつ
いて説明する。入射信号チャンネル１に複数の波長信号
が入力し、光路変更部６により波長に応じて光路を切り
換えられる。また、出射信号チャンネルＢに示すよう
に、所望のポートに出力したい信号光が、もし所望の波
長と異なる場合には波長変換部７により所望の波長に変
換した上で出力する。
【００４６】この結果、屈折率の変調のみで光信号の進
路を切り換える光デバイスを実現することができる。さ
らに、このような屈折率変調による光デバイスを一体的
に設けることにより従来に比べて大幅な小型化を実現す
ることが可能となる。
【００４７】上記において、本発明の実施の形態につい
て説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形
態は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発
明の実施の形態に限定されない。
【００４８】たとえば、光学非線形媒質による光路変換
部は、波長変換を大なり小なり伴うものであり、上記の
光学非線形媒質は一方の機能のみを発現するわけでなは
ない。現に本発明の実施の形態では、波長変換機能と光
路変換機能との両方を発揮させるように光学非線形媒質
を配置した光デバイスも紹介した。上記の一方の機能の
みを説明した本発明の実施の形態においては、その機能
のみをもっぱら利用したのであって、他方の機能が少し
も現れなかったということを意味しない。本発明の範囲
は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許
請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべて
の変更を含むものである。
【００４９】
【発明の効果】本発明の光デバイスを用いることによ
り、光信号の導波路に非線形性を示す媒質を配置して波
長変換や光路変更の機能を持たせることができる。この
ような光学非線形媒質は外部から電圧印加などにより非
線形性を制御して変えることができ、機械的な機構を介
在させることがないので、小型、高速、高信頼性の光ス
イッチや光ルーターとして用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態における光デバイスのフ
ォトニック結晶中に配置された光学非線形媒質を示す構
成図である。
【符号の説明】
１ フォトニック結晶、２ 導波路、３ 波長変換部
（光学非線形媒質）、４光路変更部（分波部）、５ 光
路変更部（合波部）、６ 光路変更部（分波部）、７
複数光路の導波路部、２１ 信号光（入射光）、２２
信号光（出射光）。

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ２種類以上の光の媒質が周期構造を形成
    してなるフォトニック結晶の中に、前記フォトニック結
    晶のフォトニックバンドギャップ域の周波数を有する光
    を通すように前記周期構造の配列を満たさないように形
    成された導波路を有する導波路装置であって、 前記導波路の所定部分に、光電界の入射エネルギーに対
    して線形な応答のみではなく２次以上の高次の非線形応
    答性を有する光学媒質（光学非線形媒質）が配置されて
    いる、光デバイス。
  2. 【請求項２】 前記光学非線形媒質が、前記導波路を伝
    播する光の波長を変換する波長変換器として機能する、
    請求項１に記載の光デバイス。
  3. 【請求項３】 前記フォトニック結晶がフォトニック結
    晶ファイバ（ＰＣファイバ）として形成されており、前
    記導波路がそのＰＣファイバのコアとして配置されてい
    る、請求項１または２に記載の光デバイス。
  4. 【請求項４】 前記光学非線形媒質は、前記導波路が単
    純直線連続部以外の特異部、またはその特異部の前段部
    に位置して、その光学非線形媒質に向って入射してくる
    光の光路を変えて出射させる光路変換装置として機能す
    る、請求項１〜３のいずれかに記載の光デバイス。
  5. 【請求項５】 前記光学非線形媒質は、前記導波路が単
    純直線連続部以外の特異部、またはその特異部の前段部
    に位置して、その光学非線形媒質に向って入射してくる
    光の光束を変化させて出射させる光束変換装置として機
    能する、請求項１〜４のいずれかに記載の光デバイス。
  6. 【請求項６】 前記光学非線形媒質は、２つ以上の導波
    路が会合してそれより少ない数の導波路が出て行く会合
    部に配置され、前記２つ以上の導波路を伝播してきた光
    を、前記出て行く導波路へと曲げて出射する、請求項１
    〜５のいずれかに記載の光デバイス。
  7. 【請求項７】 前記光学非線形媒質は、１つの導波路が
    ２つ以上の導波路に分かれて出て行く分岐部に配置され
    ている、請求項１〜５のいずれかに記載の光デバイス。
  8. 【請求項８】 前記光学非線形媒質は、外部からの制御
    手段によって非線形の度合いを制御して変化させること
    ができる媒質である、請求項１〜７のいずれかに記載の
    光デバイス。
  9. 【請求項９】 前記非線形性媒質が、電気光学材料、音
    響光学材料、温度駆動性材料および応力駆動性材料のい
    ずれかによって構成されている、請求項８に記載の光デ
    バイス。
  10. 【請求項１０】 前記光学非線形媒質が前記外部からの
    制御手段によって光路切換および波長変換の少なくとも
    一方を制御して行う光スイッチとして機能する、請求項
    ８または９に記載の光デバイス。
  11. 【請求項１１】 前記光学非線形媒質が前記外部からの
    制御手段によって光路切換および波長変換の少なくとも
    一方を制御して行う光ルーターとして機能する、請求項
    ８または９に記載の光デバイス。
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