JP3739328B2 - フォトニック結晶素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フォトニック結晶、あるいは導波路を作りこんだフォトニック結晶を構成要素に持つ光素子の技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
屈折率の異なる２つの部材の界面に電磁波が入射するとき、一般に、その一部は反射する。この反射波は、反射防止膜をコーティングすることにより低減できることは知られている。
【０００３】
屈折率ｎ0の部材０（空気中、あるいは真空中を含む）から屈折率ｎ2の部材２に電磁波が入射する場合を考えれば、ｎ0＜ｎ1 ＜ｎ2を満たす屈折率ｎ1の部材１を部材２の部材０との界面にコーティングし、入射させる電磁波の真空中の波長をλ0として、部材１の厚さｈ1を、ｎ1ｈ1＝（２ｍ＋１）λ0／４（ただし、ｍ＝０、１、２、...）の関係を満たすようにすれば、部材０と部材１との界面での反射波と、部材１と部材２の界面での反射波が干渉した結果、入力部での反射率は、Ｒ＝（ｎ0ｎ2−ｎ1 2）2／（ｎ0ｎ2＋ｎ1 2）2になる（例えば、鶴田匡夫著「応用光学II」（培風館、１９９０年）の１１６ページ参照）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
フォトニック結晶は、微細加工技術等により使用する電磁波の波長程度の周期構造が作られている部材で、電磁波の伝搬特性が周期構造に依存する。電磁波がフォトニック結晶に入射すると、フォトニック結晶内外の屈折率差のために一部が反射する。
【０００５】
通常の部材と同様に、反射防止膜がコーティング可能ならば反射損失を低減できるが、フォトニック結晶の特徴的な構造のため通常のコーティングプロセスを実施できない場合もあり、光ファイバ等からの入力光を直接フォトニック結晶素子に入力させているのが実態である（例えば、特開平１１−２１８６２７号公報、ＵＳＰ６,０７５,９１５、ＵＳＰ６,０９３,２４６、ＵＳＰ６,０２８,６９３、ＵＳＰ５,９０７,４２７、ＵＳＰ５,７５１,４６６参照）。
【０００６】
また、フォトニック結晶素子を連続的に配置したフォトニック結晶集積素子（例えば、特開２０００−５６１４６号公報、ＵＳ６,２７８,１０５ Ｂ１参照）では、素子間の接続部において一般に反射が起こるが、それを防ぐことは、集積素子間に通常の反射防止膜コーティングができないために不可能である。
【０００７】
本発明は、上記のような反射防止膜をコーティングできない様々な場合において、反射損失を低減させ得るフォトニック結晶部材及びフォトニック結晶導波路に係る技術を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では、反射防止膜に変わってフォトニック結晶により反射防止層を形成することにより反射損失を低減するという、新しい知見に基づくものである。
【０００９】
フォトニック結晶は、使用する電磁波の波長程度の周期構造になっているため、フォトニック結晶内ではその電磁波は干渉を起こし、電磁波の伝搬特性は周期構造を形成している母材の伝搬特性とは異なるものになる。伝搬特性を記述する方法として、電磁波の波数ｋに対して角振動数ωをプロットした図がよく用いられる。
【００１０】
この図を用いてフォトニック結晶の屈折率を定義すると、角周波数ωの電磁波がフォトニック結晶内で波数ｋであるとき、そのフォトニック結晶が角振動数ωの電磁波に対して振舞う有効屈折率ｎは、ω＝ｃｋ/ｎの関係式から与えられる。ここで、ｃは真空中の光速である。有効屈折率は、フォトニック結晶の構造に大きく依存するため、フォトニック結晶の構造の設計により広範囲にわたって有効屈折率を設定可能である。
【００１１】
電磁波を伝搬させるフォトニック結晶の有効屈折率がｎ2ならば、入力部にｎ0＜ｎ1＜ｎ2を満たす有効屈折率ｎ1のフォトニック結晶を配置し、長さｈ1をｎ1ｈ1＝（２ｍ＋１）λ0/４（ただし、ｍ＝０、１、２、...）に設定すれば反射率を低減できる。
【００１２】
以下、本発明による代表的な構成例を挙げる。
【００１３】
本発明は、電磁波を伝播させるフォトニック結晶部材にあって、その電磁波の反射防止用にフォトニック結晶を設けてなることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明は、フォトニック結晶部材を用いて電磁波を伝播させ導波するフォトニック結晶導波路にあって、前記結晶部材の電磁波入力側もしくは出力側に前記結晶部材とは構造の異なるフォトニック結晶の領域を配設し、前記結晶部材からの出力強度を前記領域がない場合に比べて大きくするよう構成したことを特徴とする。
【００１５】
また、前記構成において、導波する電磁波に対して前記入力側もしくは出力側の前記領域に配置されたフォトニック結晶が実効的に示す屈折率は、前記結晶部材が実効的に示す屈折率よりも小さいことを特徴とする。
【００１６】
また、前記構成において、前記結晶部材、または前記結晶部材の入力側もしくは出力側の前記領域に配置された前記フォトニック結晶は、１次元もしくは２次元もしくは３次元フォトニック結晶であることを特徴とする。
【００１７】
また、前記構成において、前記結晶部材に伝播させる電磁波は、光、紫外光、可視光、赤外光、ミリ波、マイクロ波のうち何れか一つであることを特徴とする。
【００１８】
また、前記構成において、前記結晶部材は、線欠陥導波路を含み、前記結晶部材の入力側もしくは出力側の領域に配置された前記フォトニック結晶の導波部分は、空洞部が設けられているか、または該空洞部に導波路を構成する部材よりも低い屈折率を有する部材を埋め込んだ構造をしていることを特徴とする。
【００１９】
また、前記構成において、前記結晶部材は、点欠陥導波路を含み、前記結晶部材の入力側もしくは出力側の前記領域に配置された前記フォトニック結晶の導波部分は、線欠陥導波路であることを特徴とする。
【００２０】
また、前記構成において、前記結晶部材は、点欠陥導波路を含み、前記結晶部材の入力側もしくは出力側の前記領域に配置されたフォトニック結晶の導波部分は、空洞部が設けられているか、または該空洞部に導波路を構成する部材とは異なる屈折率を持った部材を埋め込んだ構造をしていることを特徴とする。
【００２１】
また、前記構成において、前記結晶部材は周期的な構造からなり、前記電磁波入力側もしくは出力側の前記領域では、その周期、またはその周期性を形作る構造の大きさが前記結晶部材とは異なることを特徴とする。
【００２２】
また、前記構成において、前記結晶部材および前記結晶部材の入力側もしくは出力側の前記領域に配置された前記フォトニック結晶は、所定の容器内に配置されていることを特徴とする。
【００２３】
さらに、本発明は、２個以上のフォトニック結晶部材を直列に配置し、電磁波を伝播させ導波するフォトニック結晶導波路にあって、前記結晶部材それぞれの間に前記結晶部材とは構造の異なるフォトニック結晶を配置し、前記直列の結晶部材からの出力強度を該フォトニック結晶がない場合に比べて大きくなるよう構成したことを特徴とする。
【００２４】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
図１は、本発明の第１の実施例の基本的構成を示す上面図である。図２は、電磁波を透過させるフォトニック結晶２００の伝搬特性を模式的に図示したものである。
【００２５】
図２において、横軸ｋは波数、縦軸ωは角振動数を示し、ａはフォトニック結晶の周期構造の周期である。実線は、電磁波がフォトニック結晶の内部にいるときのｋとωの関係を与えている。角振動数ω2の電磁波に対してこのフォトニック結晶が示す有効屈折率ｎ2は、図２の（ｋ2，ω2）の組み合わせから、関係式ω2＝ｃｋ2/ｎ2を用いて与えられ、図２の点線の傾きがｃ/ｎ2を示す。ここで、ｃは真空中の光速である。図２の特性は、フォトニック結晶の構造、材料等に大きく依存する。
【００２６】
角振動数ω2の電磁波を屈折率ｎ0の部材０（空気中、あるいは真空中を含む）から有効屈折率ｎ2のフォトニック結晶２００に入射させる場合に、フォトニック結晶２００とは構造が異なるフォトニック結晶１００を部材０とフォトニック結晶２００の間に配置する。このとき、フォトニック結晶１００の有効屈折率ｎ1はｎ0＜ｎ1＜ｎ2になるような構造にし、長さｈ1はｎ1ｈ1＝（２ｍ＋１）λ0/４に設定する。ここで、λ0は角振動数ω2の真空中での波長である。具体的な構成例は、後述の実施例で述べる。
【００２７】
フォトニック結晶１００を配置したことにより、入射波は界面１１０と２１０の２箇所で反射する成分が現れるが、それらは互いに打ち消すように干渉するため全反射率はフォトニック結晶１００がない場合に比べて減少する。
【００２８】
出力側も入力側と同様で、フォトニック結晶２００から部材０に直接出力すれば反射成分が多いが、入力側と同様な設計でフォトニック結晶３００を配置することにより、界面２１１と界面３１０からの反射波が打ち消しあって反射損失が低減する。
【００２９】
（実施例２）
先に従来技術として示したように、１枚の基板上に複数のフォトニック結晶素子を配置した集積フォトニック結晶素子の提案（例えば、特開２０００−５６１４６号公報、ＵＳ６,２７８,１０５ Ｂ１）では、入出力部での反射損失を考慮していない。また、一枚の基板上に集積されたフォトニック結晶素子群のそれぞれの素子での伝搬特性は一般には互いに異なるが、その接続点での反射の問題に対しても何らの考慮も為されていない。
【００３０】
本発明を用いれば、この反射を低減できる。それに対する実施例を示したのが図３である。図１と異なる点は、電磁波を透過させるフォトニック結晶素子本体がフォトニック結晶２００だけでなく、フォトニック結晶４００を含むことである。フォトニック結晶２００と４００は、一般的には異なる伝搬特性を持つので有効屈折率も異なる。したがって、フォトニック結晶２００と４００を直接接続すると、一般的には界面で反射を生ずる。これを低減するためには、フォトニック結晶２００と有効屈折率ｎ4の４００の間にフォトニック結晶３５０を配置し、有効屈折率ｎ35が可能な限りｎ35 2＝ｎ2ｎ4を満たすように設計して、フォトニック結晶３５０の長さｈ35がｎ35ｈ35＝（２ｍ＋１）λ0/４を満たすようにすれば良い。
【００３１】
フォトニック結晶４００からの出力部もまったく同様で、フォトニック結晶４００と部材０の間にフォトニック結晶３６０を配置し、有効屈折率ｎ36が可能な限りｎ36 2＝ｎ0ｎ4を満たすように設計して、フォトニック結晶３６０の長さｈ36がｎ36ｈ36＝（２ｍ＋１）λ0/４を満たすようにすれば良い。
【００３２】
本実施例では、２個のフォトニック結晶素子を直列に接続した場合に反射波を低減する方法を述べたが、まったく同様にして３個以上のフォトニック結晶素子を直列接続した場合でも反射波を低減できる。
【００３３】
（実施例３）
上記実施例１においては、フォトニック結晶２００とは構造の異なるフォトニック結晶１００を配置することにより反射損失を低減できることを述べたが、フォトニック結晶１００の実際の構造は様々なものが考えられ、また最適な構造はフォトニック結晶２００の構造にも依存する。
【００３４】
したがって、フォトニック結晶１００の構造・材料を一意的に限定することはできない。本実施例では、２次元フォトニック結晶の線欠陥導波路に対する反射防止層の一例を述べる。
【００３５】
２次元フォトニック結晶の線欠陥導波路の一例は、「M. Notomi他著、Electronics Letters、Vol.37、No.5、pp.293296（2001）」に示されているが、反射損失低減のための処置は施されていない。２次元フォトニック結晶の線欠陥導波路に対する反射損失低減のための構造を、図４に示す。図中、（ａ）は上面図、（ｂ）はＡ−Ａ断面図である。
【００３６】
図４の（ａ）において、２２１が２次元フォトニック結晶２００の領域での線欠陥導波路である。本構造は、図４の（ｂ）に示すように、基板４１１上に積層されたコア層４１２、例えば、ＳiＯ2基板とそれに積層されたＳi膜からなる。フォトニック結晶構造は、Ｓi膜に穴を開けることにより作製される。波長１.５５μｍの光の伝搬を考えた場合は、Ｓi膜の厚さと穴のピッチが数百ｎｍ程度になる。Ｓi膜面内で線欠陥に垂直な方向は穴の周期配列のためバンドギャップが形成され、１.５５μｍの光は伝搬できない。線欠陥に沿っては周期構造がなくなっているので導波可能である。
【００３７】
この２次元フォトニック結晶線欠陥導波路の入力損失を低減するため、フォトニック結晶１００の領域における線欠陥導波路上に半径ｒ1の穴をコア層に開ける。半径ｒ1の穴の開いた導波部１２１は、領域２００の導波路２２１よりも穴を開けた分だけ平均として屈折率が小さくなるので、ｎ0＜ｎ1＜ｎ2の関係を満たすことが可能になり、領域１００の長さｈ1をｎ1ｈ1＝（２ｍ＋１）λ0/４になるように設定すれば入射損失を低減できる。半径ｒ1の大きさは、可能な限りｎ1 2＝ｎ0ｎ2を満たすように決定する。
【００３８】
有効屈折率ｎ1を所望の値にするために、導波部１２１に開けた穴にコア層よりも小さい屈折率の材料を埋め込むことも可能である。本例ではコア層に屈折率約３.４のＳiを用いており、埋め込み材料としては屈折率２.０〜２.３のＴiＯ2、Ｔa2Ｏ5、ＺnＳ等を挙げることが出来る。
【００３９】
以上、入力部側について述べたが、出力部側のフォトニック結晶３００についても、入力部側と同様な処理をすればよい。
【００４０】
なお、図４中、２１０はフォトニック結晶１００と２００の界面、２１１はフォトニック結晶２００と３００の界面を示すが、必ずしも物理的に明確に存在するものでなく、説明の便宜上に設けた線である。また、１１０はフォトニック結晶１００と入力側媒体の界面、３１０はフォトニック結晶３００と出力側の媒体の界面を示す。
【００４１】
（実施例４）
フォトニック結晶２００が点欠陥導波路を持った２次元フォトニック結晶の例を、図５に示す。
【００４２】
本実施例では、例えば、基板にＳiＯ2、コア層にＴiＯ2、Ｔa2Ｏ5、ＺnＳ等を選ぶことが可能である。図５中の黒丸（●）で示す部分は、コア層に穴を開けた後にコア層よりも屈折率が高い材料を埋め込んだ状態を示す。コア層に屈折率が約３.４のＳiを選んだ場合は、それよりも屈折率の高いＧaＡsやポリマーを埋め込み材に用いる。コア層にＴiＯ2、Ｔa2Ｏ5、ＺnＳ等の屈折率が２.０〜２.３のものを選んだ場合は、埋め込み材にはＳi, ＧaＡs, ポリマー等を用いる。
【００４３】
フォトニック結晶２００の導波部２２１には、図５に示すように、丸印（●）の部分がない点欠陥が周期３ａで形成されており、この点欠陥を伝わって導波が可能である。この伝搬特性をｋ（波数）−ω（角周波数）の分散関係で模式的に示したものが、図６である。ｘ方向（太い実線）とｙ方向（細い実線）の特性を同じ軸に示す。
【００４４】
ｙ方向に関しては周期ａなので、フォトニック結晶の一般的性質として、ｋｙ＝ｎπ/ａにバンドギャップが現れ（図６の細い実線）、また、ｘ方向には周期が３ａなのでバンドギャップは、ｋｘ＝ｎπ/３ａに現れる（図６の太い実線）。ただし、ｎ＝±１、±２、±３、．．．である。
【００４５】
その結果、角振動数ω0周辺のように、ｙ方向には伝搬できなくてｘ方向には伝搬できる周波数領域が存在する。
【００４６】
領域１００は、領域２００への入射波の損失を低減するためのもので、導波部１２１は丸印の高屈折材料がない。その結果、導波部１２１のｘ方向に対する有効屈折率は、高屈折率材料を含んだ導波部２２１のｘ方向の有効屈折率よりも小さくなる。導波部１２１のｘ方向に対する伝搬特性は、図６の太い点線で模式的に示されている。以上の条件から、ｎ0＜ｎ1＜ｎ2の関係を満たすことが可能になり反射防止層を形成できる。
【００４７】
以上、入力部側について述べたが、出力部側についても同様な構造にすればよい。
【００４８】
（実施例５）
全反射率を最低にするための最適条件はｎ1 2＝ｎ0ｎ2であるため、領域１００の有効屈折率ｎ1を調整する必要がある。図７に示すように、領域１００の導波部分に半径ｒ1の穴をコア層に開けて、コア層よりも屈折率が高い材料を埋め込んで有効屈折率を上げる、あるいは何も埋め込まないか低屈折材料を埋め込んで有効屈折率を下げるといったことも可能である。
【００４９】
コア層にＴiＯ2やＺnＳに選んだ場合は、高屈折材料にＳi等を、低屈折材料にＴa2Ｏ5等を用いることが出来る。コア層にＳiを選んだ場合は、高屈折材にＧaＡsやポリマー等を、低屈折材にＴiＯ2、Ｔa2Ｏ5、ＺnＳ等を用いることができる。
【００５０】
以上、入力部について述べたが、出力部についても同様な構造にすればよい。
【００５１】
（実施例６）
反射損失を低減するために配置する領域１００は、フォトニック結晶素子の本体である領域２００よりも有効屈折率が小さい必要がある。そのための一つの方法として、領域１００の周期構造のピッチを領域２００のピッチよりも小さくすることによって達成することが可能である。点欠陥導波路の場合の一例を、図８に示す。
【００５２】
導波路部分の周期は、領域２００では３ａ、領域１００では２ａである。領域１００では領域２００に比べて屈折率の高い（黒丸印（●）で示す）部分の割合が減るので、領域１００での有効屈折率は領域２００よりも低く、反射防止層を形成するための条件が満たされる。
【００５３】
（実施例７）
実施例４では、周期構造を作るための埋め込み材料にコア層よりも屈折率が高い材料を用いたが、逆に埋め込み材料にコア材よりも屈折率の低いものを用いることも可能である。例えば、基板を屈折率約１.５のＳiＯ2、コア材に屈折率約３.４のＳi等を用いて、埋め込み材に屈折率が２.０〜２.３程度のＴiＯ2、Ｔa2Ｏ5、ＺnＳ等、あるいはＳiＯ2を用いることができる。また、埋め込み材の部分はコア層に穴を開けるだけで何も埋め込まない方法もある。
【００５４】
本実施例を模式的に示したものが、図９である。図中、コア層に黒丸（●）で示す部分が埋め込み材を表している。導波部２２１は、黒丸（●）で示す部分が抜けており点欠陥導波路になっている。図中、反射防止層１００及び３００の導波部１２１、３２１の白丸（〇）で示す部分は、黒丸（●）で示す部分の材料よりも小さい屈折率の材料を用いて導波部１２１、３２１の有効屈折率が２２１の有効屈折率よりも小さくなるようにする。例えば、コア層にＳi、黒丸（●）で示す部分の材料にＴiＯ2、白丸（〇）で示す部分の材料にＴa2Ｏ5を用いる。
【００５５】
（実施例８）
フォトニック結晶は、微細な構造からなり、塵やほこりは大敵である。図１０に示すように、本発明によるフォトニック結晶素子２００を含む光モジュールを容器５００の中に固定し密閉することにより、この問題を排除する。
【００５６】
図１０に示すように、容器内に装填された光モジュールにおいて、光ファイバ６２１からの入力光をレンズ６１１により収束してフォトニック結晶素子２００に入力し、フォトニック結晶２００からの出力光は、レンズ６１２により光ファイバ６２２に導かれる。このような構成にすることにより、塵埃等の問題を排除することができる。
【００５７】
（実施例９）
フォトニック結晶の、ある電磁波に対する実効的な屈折率は、フォトニック結晶を形作る材料及び構造により決定される。したがって、設計により所望の屈折率を得ることが原理的に可能である。実施例７までは、この原理を用いて、フォトニック結晶素子に屈折率の設計を施したフォトニック結晶からなる反射防止層を配置した。しかしながら、本発明はさらに広範囲に適用可能で、任意の光学素子の反射防止層にフォトニック結晶を用いることができる。
【００５８】
図１１は、任意の部材２５０にフォトニック結晶からなる反射防止層１００と３００を配置したものである。この配置は基本的に実施例１と同様であるが、反射防止層を付ける部材２５０がフォトニック結晶に限定せず、一般の部材を表している。フォトニック結晶１００と３００の構造は実施例７までに示した様に色々な方法で適用可能である。
【００５９】
以上、２次元スラブ型導波路に穴を開けた円孔型のフォトニック結晶を例に反射防止層の設計指針を述べたが、円柱型や３次元のウッドパイル型といった他のあらゆるフォトニック結晶に対しても、上記の方法はそのまま適用される。
【００６０】
本発明は、フォトニック結晶の伝搬特性および有効屈折率が設計可能である性質を利用して反射防止層を構成しようとするものである。通常用いられる反射防止膜は、材料固有の屈折率を用いるためこのような自由度はない。フォトニック結晶は特徴的な構造をしているため、あるいは集積されている等の理由で通常の反射防止膜をコーティングできない場合がある。
【００６１】
本発明では、反射防止層をフォトニック結晶素子本体に直接作りこむため、通常の反射防止膜コーティングが出来ない場合でも作製可能であり、この点と有効屈折率が設計可能な点が従来からよく知られている反射防止膜とは異なる。
【００６２】
以上、本発明を整理すると、次のようになる。
【００６３】
（１） 電磁波を伝搬するフォトニック結晶部材において、入力部または出力部に構造の異なるフォトニック結晶の領域を配置し、該フォトニック結晶部材本体からの出力強度を該領域がない場合に比べて大きくすることを特徴とするフォトニック結晶部材。
【００６４】
（２） 前記（１）のフォトニック結晶部材本体は、１次元あるいは２次元あるいは３次元フォトニック結晶であることを特徴とするフォトニック結晶部材。
【００６５】
（３） 前記（１）のフォトニック結晶部材の入出力に配置されたフォトニック結晶は、１次元あるいは２次元あるいは３次元フォトニック結晶であることを特徴とするフォトニック結晶部材。
【００６６】
（４） 前記（１）のフォトニック結晶部材に伝搬させる電磁波は、光、紫外光、可視光、赤外光、ミリ波、マイクロ波であることを特徴とするフォトニック結晶部材。
【００６７】
（５） 前記（１）のフォトニック結晶部材において、導波する電磁波に対して入力部または出力部に配置されたフォトニック結晶が実効的に示す屈折率は、フォトニック結晶部材本体が実効的に示す屈折率よりも小さいことを特徴とするフォトニック結晶部材。
【００６８】
（６） 前記（１）のフォトニック結晶部材は、線欠陥導波路を含むことを特徴とするフォトニック結晶部材。
【００６９】
（７） 前記（６）のフォトニック結晶部材の入出力部に配置されたフォトニック結晶の導波部分は、空洞部が設けられているか、あるいは該空洞部に導波路を構成する部材よりも低い屈折率を持った部材を埋め込んだ構造をしていることを特徴とするフォトニック結晶部材。
【００７０】
（８） 前記（１）のフォトニック結晶部材は、点欠陥導波路を含むことを特徴とするフォトニック結晶部材。
【００７１】
（９） 前記（８）のフォトニック結晶部材の入出力部に配置されたフォトニック結晶の導波部分は、線欠陥導波路であることを特徴とするフォトニック結晶部材。
【００７２】
（１０） 前記（８）のフォトニック結晶部材の入出力部に配置されたフォトニック結晶の導波部分は、空洞部が設けられているか、あるいは該空洞部に導波路を構成する部材とは異なる屈折率を持った部材を埋め込んだ構造をしていることを特徴とするフォトニック結晶部材。
【００７３】
（１１） 前記（１）のフォトニック結晶部材本体は、周期的な構造からなり、前記入力部または出力部の領域ではその周期が該本体とは異なることを特徴とするフォトニック結晶部材。
【００７４】
（１２） 前記（１）のフォトニック結晶部材本体は、周期的な構造からなり、前記入力部または出力部の領域ではその周期性を形作る構造の大きさが該本体とは異なることを特徴とするフォトニック結晶部材。
【００７５】
（１３） 前記（１）のフォトニック結晶部材本体は、周期的な構造からなり、前記入力部または出力部の領域ではその周期性を形作る構造の材料の少なくともひとつが該本体とは異なることを特徴とするフォトニック結晶部材。
【００７６】
（１４） 前記（１）のフォトニック結晶部材本体において、周期的な構造中に周期性を中断する部分があることを特徴とするフォトニック結晶部材。
【００７７】
（１５） 前記（１）のフォトニック結晶部材は、それ全体を被う容器に固定されていることを特徴とするフォトニック結晶部材。
【００７８】
（１６） 電磁波を伝搬する部材において、入力部または出力部にフォトニック結晶の領域を配置し、該部材本体からの出力強度を該フォトニック結晶領域がない場合に比べて大きくすることを特徴とする部材。
【００７９】
（１７） 前記（１６）の部材の入出力に配置されたフォトニック結晶は、１次元あるいは２次元あるいは３次元フォトニック結晶であることを特徴とする部材。
【００８０】
（１８） 前記（１６）の部材に伝搬させる電磁波は、光、紫外光、可視光、赤外光、ミリ波、マイクロ波であることを特徴とする部材。
【００８１】
（１９） 前記（１６）の部材において、導波する電磁波に対して入力部または出力部に配置されたフォトニック結晶が実効的に示す屈折率は、該部材本体が示す屈折率よりも小さいことを特徴とする部材。
【００８２】
（２０） 前記（１６）の部材の入出力部に配置されたフォトニック結晶の導波部分は、空洞部が設けられているか、あるいは該空洞部に導波路を構成する部材とは異なる部材を埋め込んだ構造をしていることを特徴とするフォトニック結晶部材。
【００８３】
（２１） 前記（１６）の部材の入出力部に配置されたフォトニック結晶の導波部分は、線欠陥導波路であることを特徴とする部材。
【００８４】
（２２） 前記（１６）の部材は、それ全体を被う容器に固定されていることを特徴とする部材。
【００８５】
（２３） ２個以上のフォトニック結晶を直列に配置した集積素子において、それぞれのフォトニック結晶の間に構造の異なるフォトニック結晶を配置し、該配置したフォトニック結晶がない場合に比べて出力強度が大きくなることを特徴とするフォトニック結晶集積素子。
【００８６】
【発明の効果】
本発明によれば、フォトニック結晶の入出力部にフォトニック結晶からなる反射防止層を配置することにより、反射損失を大幅に低減可能なフォトニック結晶部材を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に関わる実施例１の反射防止層を有するフォトニック結晶部材を示す図。
【図２】フォトニック結晶の特性を模式的に示す図。
【図３】本発明に関わる実施例２の反射防止層を有する直列のフォトニック結晶群を示す図。
【図４】本発明に関わる実施例３の線欠陥導波路を含んだフォトニック結晶に反射防止層を配置した部材を示す図。
【図５】本発明に関わる実施例４の点欠陥導波路を含んだフォトニック結晶に反射防止層を配置した部材を示す図。
【図６】図５のフォトニック結晶の特性を模式的に示す図。
【図７】本発明に関わる実施例５の点欠陥導波路を含んだフォトニック結晶に反射防止層を配置した部材を示す図。
【図８】本発明に関わる実施例６の点欠陥導波路を含んだフォトニック結晶に反射防止層を配置した部材を示す図。
【図９】本発明に関わる実施例７の点欠陥導波路を含んだフォトニック結晶に反射防止層を配置した部材を示す図。
【図１０】本発明に関わる実施例８のフォトニック結晶素子を容器の中に配置した構成を示す図。
【図１１】本発明に関わる実施例９のフォトニック結晶からなる反射防止層を有する部材を示す図。
【符号の説明】
１００：フォトニック結晶、１１０：フォトニック結晶１００と入力側媒体の界面、１２１：フォトニック結晶１００内に設けられた導波路、２００：フォトニック結晶、２１０：フォトニック結晶１００と２００の界面、２１１：フォトニック結晶２００と３００の界面、２２１：フォトニック２００結晶内に設けられた導波路、２５０：任意の部材、３００：フォトニック結晶、３１０：フォトニック結晶３００と出力側の媒体の界面、３２１：フォトニック結晶３００内に設けられた導波路、３５０：フォトニック結晶、３６０：フォトニック結晶、４００：フォトニック結晶、４１１：基板、４１２：コア層、５００：フォトニック結晶素子全体を被う容器、６１１：レンズ、６１２：レンズ、６２１：光ファイバ、６２２：光ファイバ。
【発明の属する技術分野】
本発明は、フォトニック結晶、あるいは導波路を作りこんだフォトニック結晶を構成要素に持つ光素子の技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
屈折率の異なる２つの部材の界面に電磁波が入射するとき、一般に、その一部は反射する。この反射波は、反射防止膜をコーティングすることにより低減できることは知られている。
【０００３】
屈折率ｎ0の部材０（空気中、あるいは真空中を含む）から屈折率ｎ2の部材２に電磁波が入射する場合を考えれば、ｎ0＜ｎ1 ＜ｎ2を満たす屈折率ｎ1の部材１を部材２の部材０との界面にコーティングし、入射させる電磁波の真空中の波長をλ0として、部材１の厚さｈ1を、ｎ1ｈ1＝（２ｍ＋１）λ0／４（ただし、ｍ＝０、１、２、...）の関係を満たすようにすれば、部材０と部材１との界面での反射波と、部材１と部材２の界面での反射波が干渉した結果、入力部での反射率は、Ｒ＝（ｎ0ｎ2−ｎ1 2）2／（ｎ0ｎ2＋ｎ1 2）2になる（例えば、鶴田匡夫著「応用光学II」（培風館、１９９０年）の１１６ページ参照）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
フォトニック結晶は、微細加工技術等により使用する電磁波の波長程度の周期構造が作られている部材で、電磁波の伝搬特性が周期構造に依存する。電磁波がフォトニック結晶に入射すると、フォトニック結晶内外の屈折率差のために一部が反射する。
【０００５】
通常の部材と同様に、反射防止膜がコーティング可能ならば反射損失を低減できるが、フォトニック結晶の特徴的な構造のため通常のコーティングプロセスを実施できない場合もあり、光ファイバ等からの入力光を直接フォトニック結晶素子に入力させているのが実態である（例えば、特開平１１−２１８６２７号公報、ＵＳＰ６,０７５,９１５、ＵＳＰ６,０９３,２４６、ＵＳＰ６,０２８,６９３、ＵＳＰ５,９０７,４２７、ＵＳＰ５,７５１,４６６参照）。
【０００６】
また、フォトニック結晶素子を連続的に配置したフォトニック結晶集積素子（例えば、特開２０００−５６１４６号公報、ＵＳ６,２７８,１０５ Ｂ１参照）では、素子間の接続部において一般に反射が起こるが、それを防ぐことは、集積素子間に通常の反射防止膜コーティングができないために不可能である。
【０００７】
本発明は、上記のような反射防止膜をコーティングできない様々な場合において、反射損失を低減させ得るフォトニック結晶部材及びフォトニック結晶導波路に係る技術を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では、反射防止膜に変わってフォトニック結晶により反射防止層を形成することにより反射損失を低減するという、新しい知見に基づくものである。
【０００９】
フォトニック結晶は、使用する電磁波の波長程度の周期構造になっているため、フォトニック結晶内ではその電磁波は干渉を起こし、電磁波の伝搬特性は周期構造を形成している母材の伝搬特性とは異なるものになる。伝搬特性を記述する方法として、電磁波の波数ｋに対して角振動数ωをプロットした図がよく用いられる。
【００１０】
この図を用いてフォトニック結晶の屈折率を定義すると、角周波数ωの電磁波がフォトニック結晶内で波数ｋであるとき、そのフォトニック結晶が角振動数ωの電磁波に対して振舞う有効屈折率ｎは、ω＝ｃｋ/ｎの関係式から与えられる。ここで、ｃは真空中の光速である。有効屈折率は、フォトニック結晶の構造に大きく依存するため、フォトニック結晶の構造の設計により広範囲にわたって有効屈折率を設定可能である。
【００１１】
電磁波を伝搬させるフォトニック結晶の有効屈折率がｎ2ならば、入力部にｎ0＜ｎ1＜ｎ2を満たす有効屈折率ｎ1のフォトニック結晶を配置し、長さｈ1をｎ1ｈ1＝（２ｍ＋１）λ0/４（ただし、ｍ＝０、１、２、...）に設定すれば反射率を低減できる。
【００１２】
以下、本発明による代表的な構成例を挙げる。
【００１３】
本発明は、電磁波を伝播させるフォトニック結晶部材にあって、その電磁波の反射防止用にフォトニック結晶を設けてなることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明は、フォトニック結晶部材を用いて電磁波を伝播させ導波するフォトニック結晶導波路にあって、前記結晶部材の電磁波入力側もしくは出力側に前記結晶部材とは構造の異なるフォトニック結晶の領域を配設し、前記結晶部材からの出力強度を前記領域がない場合に比べて大きくするよう構成したことを特徴とする。
【００１５】
また、前記構成において、導波する電磁波に対して前記入力側もしくは出力側の前記領域に配置されたフォトニック結晶が実効的に示す屈折率は、前記結晶部材が実効的に示す屈折率よりも小さいことを特徴とする。
【００１６】
また、前記構成において、前記結晶部材、または前記結晶部材の入力側もしくは出力側の前記領域に配置された前記フォトニック結晶は、１次元もしくは２次元もしくは３次元フォトニック結晶であることを特徴とする。
【００１７】
また、前記構成において、前記結晶部材に伝播させる電磁波は、光、紫外光、可視光、赤外光、ミリ波、マイクロ波のうち何れか一つであることを特徴とする。
【００１８】
また、前記構成において、前記結晶部材は、線欠陥導波路を含み、前記結晶部材の入力側もしくは出力側の領域に配置された前記フォトニック結晶の導波部分は、空洞部が設けられているか、または該空洞部に導波路を構成する部材よりも低い屈折率を有する部材を埋め込んだ構造をしていることを特徴とする。
【００１９】
また、前記構成において、前記結晶部材は、点欠陥導波路を含み、前記結晶部材の入力側もしくは出力側の前記領域に配置された前記フォトニック結晶の導波部分は、線欠陥導波路であることを特徴とする。
【００２０】
また、前記構成において、前記結晶部材は、点欠陥導波路を含み、前記結晶部材の入力側もしくは出力側の前記領域に配置されたフォトニック結晶の導波部分は、空洞部が設けられているか、または該空洞部に導波路を構成する部材とは異なる屈折率を持った部材を埋め込んだ構造をしていることを特徴とする。
【００２１】
また、前記構成において、前記結晶部材は周期的な構造からなり、前記電磁波入力側もしくは出力側の前記領域では、その周期、またはその周期性を形作る構造の大きさが前記結晶部材とは異なることを特徴とする。
【００２２】
また、前記構成において、前記結晶部材および前記結晶部材の入力側もしくは出力側の前記領域に配置された前記フォトニック結晶は、所定の容器内に配置されていることを特徴とする。
【００２３】
さらに、本発明は、２個以上のフォトニック結晶部材を直列に配置し、電磁波を伝播させ導波するフォトニック結晶導波路にあって、前記結晶部材それぞれの間に前記結晶部材とは構造の異なるフォトニック結晶を配置し、前記直列の結晶部材からの出力強度を該フォトニック結晶がない場合に比べて大きくなるよう構成したことを特徴とする。
【００２４】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
図１は、本発明の第１の実施例の基本的構成を示す上面図である。図２は、電磁波を透過させるフォトニック結晶２００の伝搬特性を模式的に図示したものである。
【００２５】
図２において、横軸ｋは波数、縦軸ωは角振動数を示し、ａはフォトニック結晶の周期構造の周期である。実線は、電磁波がフォトニック結晶の内部にいるときのｋとωの関係を与えている。角振動数ω2の電磁波に対してこのフォトニック結晶が示す有効屈折率ｎ2は、図２の（ｋ2，ω2）の組み合わせから、関係式ω2＝ｃｋ2/ｎ2を用いて与えられ、図２の点線の傾きがｃ/ｎ2を示す。ここで、ｃは真空中の光速である。図２の特性は、フォトニック結晶の構造、材料等に大きく依存する。
【００２６】
角振動数ω2の電磁波を屈折率ｎ0の部材０（空気中、あるいは真空中を含む）から有効屈折率ｎ2のフォトニック結晶２００に入射させる場合に、フォトニック結晶２００とは構造が異なるフォトニック結晶１００を部材０とフォトニック結晶２００の間に配置する。このとき、フォトニック結晶１００の有効屈折率ｎ1はｎ0＜ｎ1＜ｎ2になるような構造にし、長さｈ1はｎ1ｈ1＝（２ｍ＋１）λ0/４に設定する。ここで、λ0は角振動数ω2の真空中での波長である。具体的な構成例は、後述の実施例で述べる。
【００２７】
フォトニック結晶１００を配置したことにより、入射波は界面１１０と２１０の２箇所で反射する成分が現れるが、それらは互いに打ち消すように干渉するため全反射率はフォトニック結晶１００がない場合に比べて減少する。
【００２８】
出力側も入力側と同様で、フォトニック結晶２００から部材０に直接出力すれば反射成分が多いが、入力側と同様な設計でフォトニック結晶３００を配置することにより、界面２１１と界面３１０からの反射波が打ち消しあって反射損失が低減する。
【００２９】
（実施例２）
先に従来技術として示したように、１枚の基板上に複数のフォトニック結晶素子を配置した集積フォトニック結晶素子の提案（例えば、特開２０００−５６１４６号公報、ＵＳ６,２７８,１０５ Ｂ１）では、入出力部での反射損失を考慮していない。また、一枚の基板上に集積されたフォトニック結晶素子群のそれぞれの素子での伝搬特性は一般には互いに異なるが、その接続点での反射の問題に対しても何らの考慮も為されていない。
【００３０】
本発明を用いれば、この反射を低減できる。それに対する実施例を示したのが図３である。図１と異なる点は、電磁波を透過させるフォトニック結晶素子本体がフォトニック結晶２００だけでなく、フォトニック結晶４００を含むことである。フォトニック結晶２００と４００は、一般的には異なる伝搬特性を持つので有効屈折率も異なる。したがって、フォトニック結晶２００と４００を直接接続すると、一般的には界面で反射を生ずる。これを低減するためには、フォトニック結晶２００と有効屈折率ｎ4の４００の間にフォトニック結晶３５０を配置し、有効屈折率ｎ35が可能な限りｎ35 2＝ｎ2ｎ4を満たすように設計して、フォトニック結晶３５０の長さｈ35がｎ35ｈ35＝（２ｍ＋１）λ0/４を満たすようにすれば良い。
【００３１】
フォトニック結晶４００からの出力部もまったく同様で、フォトニック結晶４００と部材０の間にフォトニック結晶３６０を配置し、有効屈折率ｎ36が可能な限りｎ36 2＝ｎ0ｎ4を満たすように設計して、フォトニック結晶３６０の長さｈ36がｎ36ｈ36＝（２ｍ＋１）λ0/４を満たすようにすれば良い。
【００３２】
本実施例では、２個のフォトニック結晶素子を直列に接続した場合に反射波を低減する方法を述べたが、まったく同様にして３個以上のフォトニック結晶素子を直列接続した場合でも反射波を低減できる。
【００３３】
（実施例３）
上記実施例１においては、フォトニック結晶２００とは構造の異なるフォトニック結晶１００を配置することにより反射損失を低減できることを述べたが、フォトニック結晶１００の実際の構造は様々なものが考えられ、また最適な構造はフォトニック結晶２００の構造にも依存する。
【００３４】
したがって、フォトニック結晶１００の構造・材料を一意的に限定することはできない。本実施例では、２次元フォトニック結晶の線欠陥導波路に対する反射防止層の一例を述べる。
【００３５】
２次元フォトニック結晶の線欠陥導波路の一例は、「M. Notomi他著、Electronics Letters、Vol.37、No.5、pp.293296（2001）」に示されているが、反射損失低減のための処置は施されていない。２次元フォトニック結晶の線欠陥導波路に対する反射損失低減のための構造を、図４に示す。図中、（ａ）は上面図、（ｂ）はＡ−Ａ断面図である。
【００３６】
図４の（ａ）において、２２１が２次元フォトニック結晶２００の領域での線欠陥導波路である。本構造は、図４の（ｂ）に示すように、基板４１１上に積層されたコア層４１２、例えば、ＳiＯ2基板とそれに積層されたＳi膜からなる。フォトニック結晶構造は、Ｓi膜に穴を開けることにより作製される。波長１.５５μｍの光の伝搬を考えた場合は、Ｓi膜の厚さと穴のピッチが数百ｎｍ程度になる。Ｓi膜面内で線欠陥に垂直な方向は穴の周期配列のためバンドギャップが形成され、１.５５μｍの光は伝搬できない。線欠陥に沿っては周期構造がなくなっているので導波可能である。
【００３７】
この２次元フォトニック結晶線欠陥導波路の入力損失を低減するため、フォトニック結晶１００の領域における線欠陥導波路上に半径ｒ1の穴をコア層に開ける。半径ｒ1の穴の開いた導波部１２１は、領域２００の導波路２２１よりも穴を開けた分だけ平均として屈折率が小さくなるので、ｎ0＜ｎ1＜ｎ2の関係を満たすことが可能になり、領域１００の長さｈ1をｎ1ｈ1＝（２ｍ＋１）λ0/４になるように設定すれば入射損失を低減できる。半径ｒ1の大きさは、可能な限りｎ1 2＝ｎ0ｎ2を満たすように決定する。
【００３８】
有効屈折率ｎ1を所望の値にするために、導波部１２１に開けた穴にコア層よりも小さい屈折率の材料を埋め込むことも可能である。本例ではコア層に屈折率約３.４のＳiを用いており、埋め込み材料としては屈折率２.０〜２.３のＴiＯ2、Ｔa2Ｏ5、ＺnＳ等を挙げることが出来る。
【００３９】
以上、入力部側について述べたが、出力部側のフォトニック結晶３００についても、入力部側と同様な処理をすればよい。
【００４０】
なお、図４中、２１０はフォトニック結晶１００と２００の界面、２１１はフォトニック結晶２００と３００の界面を示すが、必ずしも物理的に明確に存在するものでなく、説明の便宜上に設けた線である。また、１１０はフォトニック結晶１００と入力側媒体の界面、３１０はフォトニック結晶３００と出力側の媒体の界面を示す。
【００４１】
（実施例４）
フォトニック結晶２００が点欠陥導波路を持った２次元フォトニック結晶の例を、図５に示す。
【００４２】
本実施例では、例えば、基板にＳiＯ2、コア層にＴiＯ2、Ｔa2Ｏ5、ＺnＳ等を選ぶことが可能である。図５中の黒丸（●）で示す部分は、コア層に穴を開けた後にコア層よりも屈折率が高い材料を埋め込んだ状態を示す。コア層に屈折率が約３.４のＳiを選んだ場合は、それよりも屈折率の高いＧaＡsやポリマーを埋め込み材に用いる。コア層にＴiＯ2、Ｔa2Ｏ5、ＺnＳ等の屈折率が２.０〜２.３のものを選んだ場合は、埋め込み材にはＳi, ＧaＡs, ポリマー等を用いる。
【００４３】
フォトニック結晶２００の導波部２２１には、図５に示すように、丸印（●）の部分がない点欠陥が周期３ａで形成されており、この点欠陥を伝わって導波が可能である。この伝搬特性をｋ（波数）−ω（角周波数）の分散関係で模式的に示したものが、図６である。ｘ方向（太い実線）とｙ方向（細い実線）の特性を同じ軸に示す。
【００４４】
ｙ方向に関しては周期ａなので、フォトニック結晶の一般的性質として、ｋｙ＝ｎπ/ａにバンドギャップが現れ（図６の細い実線）、また、ｘ方向には周期が３ａなのでバンドギャップは、ｋｘ＝ｎπ/３ａに現れる（図６の太い実線）。ただし、ｎ＝±１、±２、±３、．．．である。
【００４５】
その結果、角振動数ω0周辺のように、ｙ方向には伝搬できなくてｘ方向には伝搬できる周波数領域が存在する。
【００４６】
領域１００は、領域２００への入射波の損失を低減するためのもので、導波部１２１は丸印の高屈折材料がない。その結果、導波部１２１のｘ方向に対する有効屈折率は、高屈折率材料を含んだ導波部２２１のｘ方向の有効屈折率よりも小さくなる。導波部１２１のｘ方向に対する伝搬特性は、図６の太い点線で模式的に示されている。以上の条件から、ｎ0＜ｎ1＜ｎ2の関係を満たすことが可能になり反射防止層を形成できる。
【００４７】
以上、入力部側について述べたが、出力部側についても同様な構造にすればよい。
【００４８】
（実施例５）
全反射率を最低にするための最適条件はｎ1 2＝ｎ0ｎ2であるため、領域１００の有効屈折率ｎ1を調整する必要がある。図７に示すように、領域１００の導波部分に半径ｒ1の穴をコア層に開けて、コア層よりも屈折率が高い材料を埋め込んで有効屈折率を上げる、あるいは何も埋め込まないか低屈折材料を埋め込んで有効屈折率を下げるといったことも可能である。
【００４９】
コア層にＴiＯ2やＺnＳに選んだ場合は、高屈折材料にＳi等を、低屈折材料にＴa2Ｏ5等を用いることが出来る。コア層にＳiを選んだ場合は、高屈折材にＧaＡsやポリマー等を、低屈折材にＴiＯ2、Ｔa2Ｏ5、ＺnＳ等を用いることができる。
【００５０】
以上、入力部について述べたが、出力部についても同様な構造にすればよい。
【００５１】
（実施例６）
反射損失を低減するために配置する領域１００は、フォトニック結晶素子の本体である領域２００よりも有効屈折率が小さい必要がある。そのための一つの方法として、領域１００の周期構造のピッチを領域２００のピッチよりも小さくすることによって達成することが可能である。点欠陥導波路の場合の一例を、図８に示す。
【００５２】
導波路部分の周期は、領域２００では３ａ、領域１００では２ａである。領域１００では領域２００に比べて屈折率の高い（黒丸印（●）で示す）部分の割合が減るので、領域１００での有効屈折率は領域２００よりも低く、反射防止層を形成するための条件が満たされる。
【００５３】
（実施例７）
実施例４では、周期構造を作るための埋め込み材料にコア層よりも屈折率が高い材料を用いたが、逆に埋め込み材料にコア材よりも屈折率の低いものを用いることも可能である。例えば、基板を屈折率約１.５のＳiＯ2、コア材に屈折率約３.４のＳi等を用いて、埋め込み材に屈折率が２.０〜２.３程度のＴiＯ2、Ｔa2Ｏ5、ＺnＳ等、あるいはＳiＯ2を用いることができる。また、埋め込み材の部分はコア層に穴を開けるだけで何も埋め込まない方法もある。
【００５４】
本実施例を模式的に示したものが、図９である。図中、コア層に黒丸（●）で示す部分が埋め込み材を表している。導波部２２１は、黒丸（●）で示す部分が抜けており点欠陥導波路になっている。図中、反射防止層１００及び３００の導波部１２１、３２１の白丸（〇）で示す部分は、黒丸（●）で示す部分の材料よりも小さい屈折率の材料を用いて導波部１２１、３２１の有効屈折率が２２１の有効屈折率よりも小さくなるようにする。例えば、コア層にＳi、黒丸（●）で示す部分の材料にＴiＯ2、白丸（〇）で示す部分の材料にＴa2Ｏ5を用いる。
【００５５】
（実施例８）
フォトニック結晶は、微細な構造からなり、塵やほこりは大敵である。図１０に示すように、本発明によるフォトニック結晶素子２００を含む光モジュールを容器５００の中に固定し密閉することにより、この問題を排除する。
【００５６】
図１０に示すように、容器内に装填された光モジュールにおいて、光ファイバ６２１からの入力光をレンズ６１１により収束してフォトニック結晶素子２００に入力し、フォトニック結晶２００からの出力光は、レンズ６１２により光ファイバ６２２に導かれる。このような構成にすることにより、塵埃等の問題を排除することができる。
【００５７】
（実施例９）
フォトニック結晶の、ある電磁波に対する実効的な屈折率は、フォトニック結晶を形作る材料及び構造により決定される。したがって、設計により所望の屈折率を得ることが原理的に可能である。実施例７までは、この原理を用いて、フォトニック結晶素子に屈折率の設計を施したフォトニック結晶からなる反射防止層を配置した。しかしながら、本発明はさらに広範囲に適用可能で、任意の光学素子の反射防止層にフォトニック結晶を用いることができる。
【００５８】
図１１は、任意の部材２５０にフォトニック結晶からなる反射防止層１００と３００を配置したものである。この配置は基本的に実施例１と同様であるが、反射防止層を付ける部材２５０がフォトニック結晶に限定せず、一般の部材を表している。フォトニック結晶１００と３００の構造は実施例７までに示した様に色々な方法で適用可能である。
【００５９】
以上、２次元スラブ型導波路に穴を開けた円孔型のフォトニック結晶を例に反射防止層の設計指針を述べたが、円柱型や３次元のウッドパイル型といった他のあらゆるフォトニック結晶に対しても、上記の方法はそのまま適用される。
【００６０】
本発明は、フォトニック結晶の伝搬特性および有効屈折率が設計可能である性質を利用して反射防止層を構成しようとするものである。通常用いられる反射防止膜は、材料固有の屈折率を用いるためこのような自由度はない。フォトニック結晶は特徴的な構造をしているため、あるいは集積されている等の理由で通常の反射防止膜をコーティングできない場合がある。
【００６１】
本発明では、反射防止層をフォトニック結晶素子本体に直接作りこむため、通常の反射防止膜コーティングが出来ない場合でも作製可能であり、この点と有効屈折率が設計可能な点が従来からよく知られている反射防止膜とは異なる。
【００６２】
以上、本発明を整理すると、次のようになる。
【００６３】
（１） 電磁波を伝搬するフォトニック結晶部材において、入力部または出力部に構造の異なるフォトニック結晶の領域を配置し、該フォトニック結晶部材本体からの出力強度を該領域がない場合に比べて大きくすることを特徴とするフォトニック結晶部材。
【００６４】
（２） 前記（１）のフォトニック結晶部材本体は、１次元あるいは２次元あるいは３次元フォトニック結晶であることを特徴とするフォトニック結晶部材。
【００６５】
（３） 前記（１）のフォトニック結晶部材の入出力に配置されたフォトニック結晶は、１次元あるいは２次元あるいは３次元フォトニック結晶であることを特徴とするフォトニック結晶部材。
【００６６】
（４） 前記（１）のフォトニック結晶部材に伝搬させる電磁波は、光、紫外光、可視光、赤外光、ミリ波、マイクロ波であることを特徴とするフォトニック結晶部材。
【００６７】
（５） 前記（１）のフォトニック結晶部材において、導波する電磁波に対して入力部または出力部に配置されたフォトニック結晶が実効的に示す屈折率は、フォトニック結晶部材本体が実効的に示す屈折率よりも小さいことを特徴とするフォトニック結晶部材。
【００６８】
（６） 前記（１）のフォトニック結晶部材は、線欠陥導波路を含むことを特徴とするフォトニック結晶部材。
【００６９】
（７） 前記（６）のフォトニック結晶部材の入出力部に配置されたフォトニック結晶の導波部分は、空洞部が設けられているか、あるいは該空洞部に導波路を構成する部材よりも低い屈折率を持った部材を埋め込んだ構造をしていることを特徴とするフォトニック結晶部材。
【００７０】
（８） 前記（１）のフォトニック結晶部材は、点欠陥導波路を含むことを特徴とするフォトニック結晶部材。
【００７１】
（９） 前記（８）のフォトニック結晶部材の入出力部に配置されたフォトニック結晶の導波部分は、線欠陥導波路であることを特徴とするフォトニック結晶部材。
【００７２】
（１０） 前記（８）のフォトニック結晶部材の入出力部に配置されたフォトニック結晶の導波部分は、空洞部が設けられているか、あるいは該空洞部に導波路を構成する部材とは異なる屈折率を持った部材を埋め込んだ構造をしていることを特徴とするフォトニック結晶部材。
【００７３】
（１１） 前記（１）のフォトニック結晶部材本体は、周期的な構造からなり、前記入力部または出力部の領域ではその周期が該本体とは異なることを特徴とするフォトニック結晶部材。
【００７４】
（１２） 前記（１）のフォトニック結晶部材本体は、周期的な構造からなり、前記入力部または出力部の領域ではその周期性を形作る構造の大きさが該本体とは異なることを特徴とするフォトニック結晶部材。
【００７５】
（１３） 前記（１）のフォトニック結晶部材本体は、周期的な構造からなり、前記入力部または出力部の領域ではその周期性を形作る構造の材料の少なくともひとつが該本体とは異なることを特徴とするフォトニック結晶部材。
【００７６】
（１４） 前記（１）のフォトニック結晶部材本体において、周期的な構造中に周期性を中断する部分があることを特徴とするフォトニック結晶部材。
【００７７】
（１５） 前記（１）のフォトニック結晶部材は、それ全体を被う容器に固定されていることを特徴とするフォトニック結晶部材。
【００７８】
（１６） 電磁波を伝搬する部材において、入力部または出力部にフォトニック結晶の領域を配置し、該部材本体からの出力強度を該フォトニック結晶領域がない場合に比べて大きくすることを特徴とする部材。
【００７９】
（１７） 前記（１６）の部材の入出力に配置されたフォトニック結晶は、１次元あるいは２次元あるいは３次元フォトニック結晶であることを特徴とする部材。
【００８０】
（１８） 前記（１６）の部材に伝搬させる電磁波は、光、紫外光、可視光、赤外光、ミリ波、マイクロ波であることを特徴とする部材。
【００８１】
（１９） 前記（１６）の部材において、導波する電磁波に対して入力部または出力部に配置されたフォトニック結晶が実効的に示す屈折率は、該部材本体が示す屈折率よりも小さいことを特徴とする部材。
【００８２】
（２０） 前記（１６）の部材の入出力部に配置されたフォトニック結晶の導波部分は、空洞部が設けられているか、あるいは該空洞部に導波路を構成する部材とは異なる部材を埋め込んだ構造をしていることを特徴とするフォトニック結晶部材。
【００８３】
（２１） 前記（１６）の部材の入出力部に配置されたフォトニック結晶の導波部分は、線欠陥導波路であることを特徴とする部材。
【００８４】
（２２） 前記（１６）の部材は、それ全体を被う容器に固定されていることを特徴とする部材。
【００８５】
（２３） ２個以上のフォトニック結晶を直列に配置した集積素子において、それぞれのフォトニック結晶の間に構造の異なるフォトニック結晶を配置し、該配置したフォトニック結晶がない場合に比べて出力強度が大きくなることを特徴とするフォトニック結晶集積素子。
【００８６】
【発明の効果】
本発明によれば、フォトニック結晶の入出力部にフォトニック結晶からなる反射防止層を配置することにより、反射損失を大幅に低減可能なフォトニック結晶部材を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に関わる実施例１の反射防止層を有するフォトニック結晶部材を示す図。
【図２】フォトニック結晶の特性を模式的に示す図。
【図３】本発明に関わる実施例２の反射防止層を有する直列のフォトニック結晶群を示す図。
【図４】本発明に関わる実施例３の線欠陥導波路を含んだフォトニック結晶に反射防止層を配置した部材を示す図。
【図５】本発明に関わる実施例４の点欠陥導波路を含んだフォトニック結晶に反射防止層を配置した部材を示す図。
【図６】図５のフォトニック結晶の特性を模式的に示す図。
【図７】本発明に関わる実施例５の点欠陥導波路を含んだフォトニック結晶に反射防止層を配置した部材を示す図。
【図８】本発明に関わる実施例６の点欠陥導波路を含んだフォトニック結晶に反射防止層を配置した部材を示す図。
【図９】本発明に関わる実施例７の点欠陥導波路を含んだフォトニック結晶に反射防止層を配置した部材を示す図。
【図１０】本発明に関わる実施例８のフォトニック結晶素子を容器の中に配置した構成を示す図。
【図１１】本発明に関わる実施例９のフォトニック結晶からなる反射防止層を有する部材を示す図。
【符号の説明】
１００：フォトニック結晶、１１０：フォトニック結晶１００と入力側媒体の界面、１２１：フォトニック結晶１００内に設けられた導波路、２００：フォトニック結晶、２１０：フォトニック結晶１００と２００の界面、２１１：フォトニック結晶２００と３００の界面、２２１：フォトニック２００結晶内に設けられた導波路、２５０：任意の部材、３００：フォトニック結晶、３１０：フォトニック結晶３００と出力側の媒体の界面、３２１：フォトニック結晶３００内に設けられた導波路、３５０：フォトニック結晶、３６０：フォトニック結晶、４００：フォトニック結晶、４１１：基板、４１２：コア層、５００：フォトニック結晶素子全体を被う容器、６１１：レンズ、６１２：レンズ、６２１：光ファイバ、６２２：光ファイバ。
Claims (6)
- 基板に平行な面内にストライプ状に延在したコアが設けられ、前記コアの一端部側に電磁波の入力端があり、前記コアの他端部側に前記電磁波の出力端があり、前記コアとクラッドとの組み合わせにより前記コアに前記電磁波を閉じ込めるように構成され、前記コア部分を中心として前記電磁波を伝搬させるフォトニック結晶素子を有し、
前記フォトニック結晶導波路を前記電磁波入力側領域または出力側領域の部分とそれ以外の部分とに区分した場合に、前記フォトニック結晶導波路の電磁波入力側領域または出力側領域の部分には前記それ以外の部分とは構造の異なるフォトニック結晶導波路の領域を設け、それにより前記フォトニック結晶導波路からの出力強度が前記電磁波入力側領域または出力側領域が存在しない場合に比べて大きくなるように構成され、
前記入力端または前記出力端で前記フォトニック結晶導波路に接する外部領域の屈折率をn0、前記それ以外の部分のフォトニック結晶導波路の有効屈折率をn2とするとき、前記フォトニック結晶導波路の前記電磁波入力側領域または出力側領域の光導波路の有効屈折率をn1、導波路長さをh1としたとき、n ０ ＜ n 1 ＜ n 2 を満たし、かつ、n1h1＝(2m+1)＊λ0/4（但し、m＝0,1,2,…。λ0は前記入力端に入射する電磁波の真空中での波長である。）となるように構成したことを特徴とするフォトニック結晶素子。 - 前記それ以外の部分のフォトニック結晶導波路には線欠陥導波路が設けられ、前記電磁波入力側領域または出力側領域の光導波部分には空洞部が設けられているか、または前記空洞部に導波路を構成する部材よりも低い屈折率を有する部材を埋め込んだ構造を有することを特徴とする請求項１記載のフォトニック結晶素子。
- 前記それ以外の部分のフォトニック結晶導波路には点欠陥導波路部分が設けられ、前記電磁波入力側領域または出力側領域の光導波部分は線欠陥導波路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素子。
- 前記それ以外の部分のフォトニック結晶導波路は周期的な構造からなり、前記電磁波入力側領域または出力側領域の部分では、その周期、またはその周期性を形作る構造の大きさが前記それ以外の部分のフォトニック結晶導波路とは異なることを特徴とする請求項１記載のフォトニック結晶素子。
- 前記電磁波入力側領域及び出力側領域は周期的な構造からなり、前記周期構造の導波方向の周期がコア部とクラッド部で異なることを特徴とする請求項１記載のフォトニック結晶素子。
- 基板に平行な面内にストライプ状に延在したコアが設けられ、前記コアの一端部側に電磁波の入力端があり、前記コアの他端部側に前記電磁波の出力端があり、前記コアとクラッドとの組み合わせにより前記コアに前記電磁波を閉じ込めるように構成され、前記コア部分を中心として前記電磁波を伝搬させるフォトニック結晶素子を有し、
前記フォトニック結晶導波路には第１のフォトニック結晶導波路と、第２のフォトニック結晶導波路と、第３のフォトニック結晶導波路とが設けられ、前記第１のフォトニック結晶導波路の一端と前記第２のフォトニック結晶導波路の一端とが光学的に接続され、前記第２のフォトニック結晶導波路の他端と前記第３のフォトニック結晶導波路の一端とが光学的に接続され、
前記第１のフォトニック結晶導波路の有効屈折率をn1、前記第２のフォトニック結晶導波路の有効屈折率をn２、前記第３のフォトニック結晶導波路の有効屈折率をn3とし、m＝0,1,2,…とし、λ0を伝搬させる電磁波の真空中での波長とし、第２のフォトニック結晶導波路の長さをh2としたとき、(n2)2＝n1＊n3を満たし、かつ、n2＊h2＝(2m+1)＊λ0/4を満たすように構成したことを特徴とするフォトニック結晶素子。
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