JP4278597B2

JP4278597B2 - 光制御素子

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Publication number: JP4278597B2
Application number: JP2004314918A
Authority: JP
Inventors: 篤坂井; 幾雄加藤; 俊彦馬場
Original assignee: Ricoh Co Ltd; Yokohama National University NUC
Current assignee: Ricoh Co Ltd; Yokohama National University NUC
Priority date: 2004-10-29
Filing date: 2004-10-29
Publication date: 2009-06-17
Anticipated expiration: 2024-10-29
Also published as: JP2006126518A; US7215861B2; US20070160336A1; US7369734B2; EP1653261B1; US20060110116A1; DE602005005601T2; DE602005005601D1; EP1653261A1

Description

この発明は、フォトニック結晶からなる光制御素子、より具体的には光伝送分野における高速大容量光通信、高速光信号処理に用いる小型高機能な光制御素子、さらに極めて小型で大きな群速度遅延効果を有する光パルス遅延素子や大きな効果を有する分散補償素子、高効率な非線形素子、高効率レーザ、光ルーティング装置や高度な光情報処理装置、光バッファ装置等に適用される光制御素子に関するものである。

高速大容量光通信や高速光信号処理を行うため、その伝送路となる光ファイバ中での光パルス広がりを起こす分散効果や信号ごとの到着時間がばらつくスキュー効果は、通信の高速化を妨げている。このような問題を解決するためには、分散効果や信号到着時間を決定する光エネルギーの伝送速度、すなわち光パルスの群速度の遅延量を制御できる素子が必要となる。

この光パルスの群速度の遅延量制御として、特異な分散特性を持たせた光ファイバを利用する方法がある。この方法は、特異な分散を有する光ファイバ内を群速度の遅延量が適切になるように長さを調整して光を伝播させることにより実現される。しかしながら、光ファイバの分散効果は小さいため、光ファイバ自体は巻いてはいるが、それでも長い光ファイバを利用する必要があり、素子自体が非常に大きくなる。さらに、光ファイバの分散特性に自由度が小さいため、高度の信号処理や多くの伝送路の並列処理を実現するだけの装置の小型化や集積化を実現することができない。

また、分散補償に関しては、グレーティング間隔が徐々に変化するチャープ構造ファイバグレーティングを利用して、精密な分散制御や分散補償量の調整を可能としている。しかし、分散を補償するためには、この光ファイバの分散特性が小さいために、メートルオーダの光ファイバを用いる必要があり、装置の小型化や集積化を実現することはできない。さらに、チャープ構造ファイバグレーティング素子は、入射光に対して反射光を用いるために、高効率動作のためには入出力信号を分離する構成が必要となり、この点でも装置の小型化と集積化を妨げている。

また、光の低群速度を実現する他の方法として、多層膜を構成して光の多重反射により光を閉じ込める方式がある。しかしながら、多層膜を使用して光の低群速度や分散制御を実現するためには、その閉じ込め効果が小さいため、素子自体が極めて大きなものとなり、光を伝搬させる間に回折により光が広がってしまうという問題や、柔軟に分散を制御することが困難であるという問題がある。

これらの問題を解決するために、素子の小型化を目的とした技術として、異なる屈折率を組み合わせた多次元周期構造であるフォトニック結晶を用いた分散補償素子が、特許文献１や特許文献２などに開示されている。特許文献１に示された波長分散補償素子は、波長分散が生じているチャープのついた入射パルス光を、屈折率の異なる媒質を２次元格子状に周期的に配列したフォトニック結晶の端面に入射し、入射したパルス光がフォトニック結晶を伝播するとき、フォトニック結晶の分散特性によりチャープを低減させている。また、特許文献２に示された波長分散補償素子は、フォトニック結晶の欠陥導波路を伝播する光の分散特性を利用して波長分散を補償するようにしている。

フォトニック結晶自体、若しくは、それに線状の欠陥を導入した欠陥導波路と呼ばれる光導波路では、周波数と波数の関係を表す分散特性に大きな特異性が現れる。特許文献１に示された波長分散補償素子は、フォトニック結晶中で導波路構造に伝搬光を閉じ込めていないので、角度依存性が大きく信頼性に問題がある点と、装置の小型化が困難な点とから実用的ではない。

これに対し、欠陥を連続的に線状に形成した線欠陥導波路ではバンド端と呼ばれるブリリュアンゾーン端ではゼロ群速度となることが理論的に予測され、非特許文献１では、実際にこのバンド端付近で光の速度が真空中の光速と比較して１/９０の低群速度が観察されている。しかしながら、線欠陥導波路は、一般に非常に大きな波長分散を有し、スペクトル幅に広がりを有する短パルスを入射すると、群速度を遅くすることができるが、スペクトル幅の広がりのため、パルスが広がってしまうという分散効果による問題が生じる。

また、特許文献２に示されているような、点状の欠陥を飛び飛びに連続させた結合欠陥導波路と呼ばれる構造では、比較的大きな分散が比較的広い帯域で得られ、これらの分散値は光ファイバが持つ値と比較して６桁程度大きいため、ｋｍオーダで必要であったファイバ型分散補償素子が、ｍｍオーダにまで縮小できる可能性がある。

しかしながら、製作が比較的容易なスラブ型フォトニック結晶においては、このような結合欠陥導波路を製作すると、光の進行方向に対する周期が長くなるために、フォトニック結晶による回折の影響を受けて、光はフォトニック結晶が形成されている面内から垂直方向に散乱されてしまうという原理的な問題があり、損失が非常に大きくなるために実用的ではないという短所がある。
特開２０００−１２１９８７公報特開２００２−３３３５３６公報 Physical Review Letters vol.８７, ２５３９０２, (２００１)

この発明は、前記問題を解消し、極めて小さい群速度を持ち、その群速度を与える周波数に対して、群速度の周波数分散がゼロ分散を有する超小型で、群速度と分散量を可変制御でき、かつ容易に製作することができる光制御素子を提供することを目的とするものである。

より詳細には、極めて小さい群速度を持ち、その群速度を与える周波数に対して、群速度の周波数分散がゼロ分散を有する偶モードバンドを有する光制御素子を提供することを目的とする。

また、前記偶モードバンドを制御することにより、群速度を制御することができる光制御素子を提供することを目的とする。

さらに、低群速度を保ちつつ分散制御を効果的に行う光制御素子を提供することを目的とする。

また、低群速度とゼロ分散を両立させ、アクティブに制御可能であるとともに容易に製作することができる光制御素子を提供することを目的とする。

この発明の光制御素子は、２次元フォトニック結晶配列中に形成された線欠陥導波路に対する導波バンドである偶モードバンドと奇モードバンドの交差点を与える波数よりも大きな波数を有する導波光を導波可能な光制御素子において、前記線欠陥導波路は、偶モードバンドと奇モードバンドの交差点を与える波数よりも大きな波数の領域において２つ以上の変曲点を有する偶モードバンドを有し、該２つ以上の変曲点のうちいずれか一つの変曲点近傍の周波数を有する導波光を導波し、前記２次元フォトニック結晶配列は、円形形状のパターンで形成され、該円形形状の半径と円形形状の中心間隔との比が0.35以上0.50未満であり、かつ前記線欠陥導波路の欠陥部分の屈折率は、前記２次元フォトニック結晶配列が形成されている部分の屈折率とは異なるとともに、該屈折率の±２０％の範囲内にあることを特徴とする。

さらに、前記フォトニック結晶配列は、線欠陥導波路近傍の形状をそれ以外の部分と異ならせると良い。

また、線欠陥導波路の光が伝搬する欠陥部分の間隔を、フォトニック結晶配列の列を除いたことで形成される間隔とは異ならせて群速度を制御する。

さらに、線欠陥導波路の光が伝搬する欠陥部分の間隔を、フォトニック結晶配列の列を除いたことで形成される間隔に対して0.70以上1.00未満にして、群速度をより小さくする。

また、線欠陥導波路を、光の伝搬方向に対して屈折率が連続的に変化する屈折率分布を有するように形成し、低群速度を保ちながら分散制御を効果的に行う。

また、線欠陥導波路を、フォトニック結晶配列の１列を除いて形成し、低群速度とゼロ分散を有する光制御素子の製作を容易にする。

さらに、フォトニック結晶配列を、２次元面内で低屈折率の円孔を三角格子状に配列して光制御素子の製作を容易にする。

また、フォトニック結晶配列を、線欠陥導波路で屈折率差によって光を閉じ込めることができる半導体材料や電気光学材料又は非線形光学材料の誘電体薄膜に形成して、群速度とその周波数分散の可変を容易にする。

この発明は、フォトニック結晶の線欠陥導波路を構成するフォトニック結晶配列の低屈折率部分の半径と周期の比率を制御したり、線欠陥導波路に屈折率分布を持たせたり、フォトニック結晶配列の線欠陥導波路近傍にある低屈折率部分の形状や大きさを変え、線欠陥導波路の偶モードバンドと奇モードバンドの交差点を与える波数よりも大きな波数の領域における偶モードバンドに２つ以上の変曲点を持たせるようにしたから、通常の線欠陥導波路では実現することができなかった低群速度でゼロ分散点を有する線欠陥導波路を実現することができる。

また、フォトニック結晶スラブ構造の、損失増加も単純な線欠陥導波路であることにより回避でき、損失がほとんどない領域を利用できる光制御素子を提供することができる。

さらに、屈折率分布型線欠陥導波路に適用すれば、1本の線欠陥導波路で機能が実現でき、複数のバンドを合成させるために緻密な設計が必要でないとともに高密度化を容易にした光制御素子を提供することができる。

また、この発明の光制御素子を利用することにより、これまでに実現できなかった極めて小型で大きな群速度遅延効果を有する光パルス遅延素子や、大きな効果を有する分散補償素子、高効率な非線形素子、高効率レーザなどを実現することができる。さらに、屈折率を制御することにより、群速度やその周波数分散をアクティブに制御することができ、光ルーティング装置や高度な光情報処理装置あるいは光バッファ装置に適用することができ、多様な機能を発現することができる。

図１はこの発明の光制御素子の構成を模式的に示す平面図である。図に示す光制御素子１は、２次元フォトニック結晶スラブ構造の線欠陥導波路２を有する。ここで２次元フォトニック結晶スラブの上下を全反射ではない反射構造で挟み込んでも、本質的な部分は変化しないので、２次元フォトニック結晶スラブ構造に代表させて説明する。

フォトニック結晶配列３は、図１に示すように、高屈折率媒質４の薄膜に空気孔（ホール）５が円孔で三角格子状に配列されている。このフォトニック結晶配列３は、高屈折率媒質４にホール５を形成した構造であれば、２次元フォトニック結晶を形成したときに、上下方向への光閉じ込めが屈折率による全反射で比較的容易に実現できるために、この構造が用いられることが多い。なお、上下方向への閉じ込めを実現できれば、ピラー型のフォトニック結晶でも良い。ここでホール５の形状が等方的な円孔であるが、用途に応じて多角形などの形状を周期的に配列したものでも良い。また、周期性は三角格子状、正方配列状、蜂の巣配列状などを取り得る。但し、必ずしも周期的な構成である必要はなく、フォトニック結晶の特性もしくはフォトニック結晶に近似した特性を示す配列であれば、特殊な配列をとっても良い。以下では、図１に示すように、フォトニック結晶配列３のホール５が円孔で三角格子状に配列され、フォトニック結晶が機能している部分の下部は空気層であるエアーブリッジ型の形状を基本とし、高屈折率媒質４の屈折率が、比較的大きな屈折率3.0及び中程度の屈折率2.0の場合について説明する。

フォトニック結晶スラブの場合、屈折率が大きい媒質を屈折率が小さい媒質で挟み込む構造になっており、その屈折率が大きい部分にフォトニック結晶が構成されている。この屈折率が大きい媒質にシリコンなどの半導体を想定した場合に、その等価屈折率は約３になる。この屈折率が３の２次元面内に、三角配列の屈折率が１のホール５が配置されて１列の線欠陥導波路２を形成している場合について、３次元形状を等価屈折率近似により２次元近似をして、２次元の平面波展開法で解析した線欠陥導波路２の計算結果を図２に示す。ここでホール５の半径ｒと周期（格子定数）ａにはｒ／ａ＝0.30として計算している。

図２に示すフォトニックバンド図は、線欠陥導波路２の進行方向に対して正射影したときのバンド曲線を示しており、フォトニックバンドギャップ内に存在するバンド曲線が光の伝搬モードのバンドを示している。図２において、横軸が波数ベクトルに対応し、規格化された波数であり、（２π／ａ）という単位をもつ。縦軸は規格化周波数であり、（ωａ／２πｃ_０）から計算される無次元量である。ここで、ωは各周波数、ｃ_０は真空中の光速である。この図２は面垂直方向のみ磁界成分が存在する電気的横波モード（ＴＥモード）のバンド図を示し、グレーの領域で示されている部分Ｃは、スラブモード領域と呼ばれ、フォトニック結晶による閉じ込め効果がなく、光が材質内を伝搬してしまう領域であり、フォトニック結晶としての効果を得ることができない領域である。このスラブモード領域の間に存在するのがフォトニックバンドギャップであり、光の閉じ込めを与える領域である。図２ではフォトニックバンドギャップ内に光の伝搬モードが２本存在し、これらの導波バンドをバンド曲線Ｂ０１、Ｂ０２とする。このバンド曲線Ｂ０１とバンド曲線Ｂ０２がフォトニックバンドギャップ内で最近接する点Ａよりも、波数が大きい領域のバンド曲線Ｂ０１に着目する。ここでバンド曲線Ｂ０１の伝搬モードは、図３（ａ）に示すように、線欠陥導波路２の中心に電磁界強度のピークＤが存在する偶モードであり、バンド曲線Ｂ０２の伝播モードは、図３（ｂ）に示すように、線欠陥導波路２の中心が電磁界強度ゼロになる奇モードとなる。フォトニック結晶に光を伝搬させるためには、偶モードの方が扱いやすいのでバンド曲線Ｂ０１で素子を構成することが望ましい。

このバンド曲線Ｂ０１の導波バンドから周波数ωの波数ベクトルｋに対する勾配である群速度を算出することができる。図２に示すフォトニックバンド図は規格化波数と規格化周波数との分散関係を示すので、群速度ｖｇは下記式となり、フォトニックバンド図の傾きから算出できる。

すなわち、フォトニック結晶の線欠陥導波路２内を伝搬する光の伝搬速度は、バンド曲線Ｂ０１を微分することにより、真空中の光速で規格化された値として算出される。この群速度は、バンド端では、バンド曲線Ｂ０１の傾きがゼロに近くなるので、極端に遅くなることが予想される。

図２に示すバンド曲線Ｂ０１の点Ａよりも大きな波数に対して拡大したものを図４（ａ）に示し、このバンド曲線Ｂ０１に対する群速度曲線を図４（ｂ）に示す。図４（ａ）に示すように、波数が大きくなるにつれて、バンド曲線Ｂ０１の傾きが小さくなるので群速度ｖｇも単調に小さくなり、波数ｋがほぼ0.50のバンド端では群速度ｖｇは0.01ｃ_０以下と、光速の１／100以下になる。この群速度ｖｇが小さい領域を用いると、光遅延線、大きな非線形効果の発現などの利用方法がある。しかしながらバンド端では群速度ｖｇの分散値が大きくなるため制御が困難となる。そこで、バンド端ではない領域で、群速度ｖｇが遅く、分散値がゼロとなるバンドを有する構造について説明する。

背景屈折率が3.0の媒質４に屈折率が1.0で半径ｒのホール５を周期ａで形成し、周期ａと半径ｒとの比率をｒ／ａ＝0.394としたとき、３角配列フォトニック結晶の１列の線欠陥導波路２に対して、同様に平面波展開法で計算した結果を図５に示す。図５（ａ）はフォトニックバンドギャップ内のバンド曲線を示している。このバンドギャップ内の最も低周波数側にあるバンド曲線Ｂ１１の導波バンドに注目する。このバンド曲線Ｂ１１の規格化周波数ωを拡大した図を図５（ｂ）に示す。図５（ｂ）に示すように、バンド曲線の傾きがほぼ一定値なる点が２点存在する。図５（ｂ）に示すバンド曲線Ｂ１１から算出される群速度曲線を図５（ｃ）に示す。図５（ｃ）に示すように、群速度ｖｇの傾きがゼロとなるゼロ分散点が２点存在し、このバンド曲線Ｂ１１は波数ｋ＝0.330とｋ＝0.375の２つの変曲点を持つ。このような変曲点はｒ／ａ＝0.300以下では存在せず、ｒ／ａ＞0.300の特定のｒ／ａの範囲に関して屈折率バンドと導波管バンドの影響を受けて現れる。ここで屈折率バンドとは線欠陥導波路２を形成するフォトニック結晶配列３により等価的な屈折率が導波路部分の屈折率よりも低くなったことにより生じるバンドである。また、導波管バンドとはフォトニック結晶のブラッグ反射により生じるバンドのことである。この２種類のバンドの相互作用により、導波バンドが形成される。それぞれのバンドはホール５の周期ａと半径ｒとの比率ｒ／ａの大きさによりバンドギャップ内で変化するために、ｒ／ａを変えることにより、２つの変曲点を有するバンド曲線Ｂ１１を発生させることができる。このバンド曲線Ｂ１１の変曲点近傍の周波数を有する導波光を線欠陥導波路２に導波することにより、極めて小さい群速度にするとともに、群速度の周波数分散をゼロ分散にすることができる。

これらの変曲点を与える波数は、それぞれ低群速度、ゼロ分散を有する点であるが、性質が若干異なる。波数ｋ＝0.330における群速度は極めて小さく、真空中の１／1000以下になる。すなわち、ほとんどゼロ群速度が実現されているが、ゼロ分散を与える帯域はきわめて狭い問題がある。しかしながらこのバンド曲線Ｂ１１を、本出願人により特願２００３−３９４５３６号で提案されている屈折率分布型フォトニック結晶に適用すれば、屈折率変化によりわずかにバンドを上下させるだけで、提案されている効果を得ることが可能となる。

この原理を図６と図７を参照して説明する。図６に示すように、光の伝搬方向に対して屈折率が徐々に減少する屈折率分布を設けた線欠陥導波路２にある特定の周波数範囲を有する光パルスを伝搬させることを想定する。線欠陥導波路２の屈折率が徐々に変化するにしたがって、図７に示すように、光パルス帯域で導波バンドが上下し、各周波数に対してゼロ群速度領域を横切り、かつ分散が補償されて伝搬していくので、光パルスの広がりがほとんどなく、極めてパルス伝搬速度を遅くすることができる。これまでは２本の異なった分散を有する導波バンドを合成させることにより、この機能は実現できることが数値計算により実証されてきたが、１本の同一構成の導波バンドで、この機能を実現する例はこれまで提案されていなかったが、前記バンド曲線Ｂ１１を用いれば、１本の線欠陥導波路２で実現でき、複数の導波バンドを合成させるために緻密な設計が必要となくなる。また、１本の線欠陥導波路２であれば、高密度化がさらに容易になる利点もある。

また、波数ｋ＝0.375ではゼロ分散を持つが、群速度は波数ｋ＝0.330と比較してそれほど遅くない。それでも群速度は真空中の光速ｃ_０の１／25（0.04ｃ_０）であり、この点ではゼロ分散領域がｋ＝0.330と比較して広く取れることが特徴である。この波数ｋ＝0.375の部分は結合欠陥導波路を用いなくても、大きな分散効果や光パルス遅延効果を得ることが可能となる。さらに、この構造であれば、結合欠陥導波路で最大の問題であったスラブ型における光伝搬損失の問題も生じることがない。すなわち、線欠陥導波路と同様に、光を導波路内に閉じ込めて伝搬させることが可能であり、容易な構成で結合欠陥導波路の効果を十分に発現させることができる。

さらに、これらの群速度が遅い領域を利用することで、コンパクトな光遅延線、分散補償素子などを構成することが可能となる。また、非線形効果を非常に局所的に発現させることも可能である。

次に、この波数ｋ＝0.375の部分の大きな分散効果や光パルス遅延効果をほぼ保ちながら、群速度を減少させる構成について図８を参照して説明する。

図８（ａ）は、図１に示すような１列抜き線欠陥導波路２の幅を｛（sqrt３−２ｓ）ａ｝と変化した線欠陥導波路２を模式的に示す平面図である。ここで変化量ｓ＝0.01とし、通常の1列抜き線欠陥導波路２から0.01ａだけ中心方向に両側のフォトニック結晶を移動させた場合のバンド曲線を図８（ｂ）に示す。図８（ｂ）に示すように、導波バンドは線欠陥導波路２の幅を変える前よりも高い規格化周波数で実現することが可能となる。このバンド曲線から算出される群速度曲線は、図８（ｃ）に示すように、群速度の傾きがゼロであるゼロ分散点を２つ有し、波数ｋ＝0.375における群速度はゼロ分散を有し、真空中の光速の１／40（0.025ｃ_０）であり、線欠陥導波路２の幅を変化させることにより群速度を１/２程度にすることができる。

この場合、波数ｋ＝0.330の部分で群速度は0.01ｃ_０であり、図５に示すように極端に小さくはならないが、十分に大きな効果を得るだけの群速度であり、かつ、線欠陥導波路２の幅を変えない場合と比べてゼロ分散の領域が広くなっており、制御を比較的容易に行うことができる。

また、ホール５の周期ａと半径ｒとの比率ｒ／ａと線欠陥導波路２の幅を制御することにより、群速度を適切に可変することができる。すなわち、バンドを制御することにより、所望の群速度や規格化周波数に合わせた線欠陥導波路２を設計することが可能となる。

次に屈折率＝2.0の高屈折率媒質の媒質４に、周期ａと半径ｒとの比率ｒ／ａ＝0.400のホール５が形成された場合の例について説明する。この場合の２次元の平面波展開法で解析した線欠陥導波路２の計算結果を図９に示す。図９（ａ）に示すフォトニックバンド図は、導波路の進行方向に対して正射影したときのバンド曲線を示し、図９（ｂ）は偶モードのバンド曲線Ｂ２１に注目した拡大図、図９（ｃ）はバンド曲線Ｂ２１に対する群速度曲線である。バンド曲線２１は変曲点を２点有し、それらの点では光の群速度は極めて小さくなり、同時にゼロ分散領域でもある。

高屈折率媒質の媒質４の屈折率が2.0であるとき、２次元フォトニック結晶によりスラブ構造を形成した場合に、光を閉じ込める必要があるが、上下を空気の境界にした場合の閉じ込め領域のなかに群速度が遅い領域を閉じ込めることも、バンド操作することによって可能となる。図１０は線欠陥導波路２の幅を変化させたときの計算結果を示す。図１０（ａ）が偶モードのバンド曲線であり、図１０（ｂ）はその群速度曲線である。線欠陥導波路２の幅は導波路の中心に向かって0.10ａ（ｓ＝0.10）狭めた結果である。図１０においてグレー部分は放射モード領域である。この場合、バンド曲線の２つの変曲点に対して群速度が遅い領域があり、点Ｅは放射モード領域に入っているが、点Ｆは閉じ込め領域に入っているので、特別な工夫をする必要なく線欠陥導波路２内を低損失で伝搬させることが可能となる。点Ｆにおける群速度は0.01ｃ_０であり、真空中の光速の１／100程度であるので、極めてコンパクトな群速度遅延素子や非線形素子を構成することが可能である。また、群速度の分散もゼロ分散付近で符号が逆転するので、大きく分散量を変化させることが可能であり、分散補償素子などに利用することができる。

この線欠陥導波路２の幅を変える場合、変化量ｓは、ｓ＜0.30以下が好ましく、より好ましくは、ｓ＜0.25以下が好ましい。変化量ｓが0.30以上であると、注目している導波バンド曲線がバンドギャップ内から外れてしまうために、本発明の効果を期待することが困難となるからである。

前記説明では、ホール５の周期ａと半径ｒとの比率ｒ／ａや線欠陥導波路２の幅を制御することにより、群速度を適切に可変し、群速度の周波数分散をゼロ分散にする場合について説明したが、線欠陥導波路２の欠陥部分の屈折率をフォトニック結晶配列３が形成されている部分の屈折率と異ならせても、群速度を適切に可変し、群速度の周波数分散をゼロ分散にすることができる。

例えば図１１（ａ）に示すように、フォトニック結晶配列３が形成される部分を屈折率2.0の媒質４とし、この部分に屈折率1.0のホール５を形成し、線欠陥導波路２の屈折率を2.1とした。この屈折率が変化した部分の幅は１列欠陥部分の線欠陥導波路２の幅からホール半径ａを差し引いた間隔を変化幅とした。この場合の偶モードのバンド曲線を図１１（ｂ）に示し、その群速度曲線を図１１（ｃ）に示す。図１１（ｂ）に示すように、バンド曲線は変曲点を２点有し、群速度曲線は変曲点に対応した波数に対して低群速度でゼロ分散である点が存在し、群速度は0.04ｃ_０と0.08ｃ_０になる。このフォトニック結晶配列３が形成される部分に対する線欠陥導波路２の屈折率変化範囲は±20％以内が好ましく、より好ましくは±５％から±10％である。20％以上変化させると、導波バンドがバンドギャップ内から外れてしまい、上記の効果を発現させることが困難になるためである。

また、線欠陥導波路２近傍のフォトニック結晶配列３の形状を変化させることによっても同様な効果を得ることができる。このフォトニック結晶配列３の形状は、必ずしもホール５である必要は無く、長方形の線状や楕円構造、三角構造、多角形構造、円形構造と多角形構造の組合せでもバンドを歪ませる効果を発現させることが可能となる。

さらに、線欠陥導波路２近傍のホール５の形状を変化させても、同様な効果を得ることができる。例えば図１２（ａ）に示すように、線欠陥導波路２に近接しているホール５１の半径を小さくしたときに計算した結果を図１２（ｂ）と図１２（ｃ）に示す。図１２（ｂ）は、線欠陥導波路２の光伝搬領域に近接している１列分のホール５１の半径を他のホール５の半径ｒに対して0.80倍としたときの偶モードのバンド曲線を示し、図１２（ｃ）は、その群速度曲線を示す。図１２（ｂ），（ｃ）に示すように、バンド曲線に変曲点が２点存在し、それぞれに対してゼロ分散を有する低群速度を有する。このホール半径の変化量は0.60倍以上が好ましく、より好ましくは0.70倍から0.90倍である。0.60倍以下であると、導波バンドがバンドギャップ内から外れてしまい、0.90倍以上であるとホール半径を変化させない場合と同一になって、上記の効果を発現させることが困難となるからである。

さらに、線欠陥導波路２の部分の幅や屈折率、線欠陥導波路２近傍のフォトニック結晶配列３の形状やホール５の形状を組み合わせて調整することにより、群速度とゼロ分散帯域を制御したフォトニック結晶の線欠陥導波路２を構成することができ、群速度の周波数分散がゼロ分散を有する超小型で、群速度と分散量を制御でき、かつ可変可能な光制御素子１を提供することができる。

次に、この光制御素子１の作製方法について説明する。２次元フォトニック結晶はＳＯＩ基板と、半導体微細加工技術を用いれば作製可能である。現在のＳＯＩ技術であれば、シリコン層厚0.2μｍのＳＯＩ基板は市販されているので、それを用いることができる。円孔三角配列は、リソグラフィーとドライエッチングにより作製できる。

例えば、基板上に電子ビームレジストを塗布し、電子ビーム露光により直径400ｎｍの円孔を描画することによりパターンニングをする。この円孔の直径は目的のフォトニック結晶の利用波長で決定される。このレジストパターンをマスクとして、フロン系のドライエッチングにより、円孔パターンをシリコン層に転写した後、電子ビームレジストを除去することにより、２次元フォトニック結晶スラブ構造を作製することができる。さらに、ＳＯＩ基板のＳｉＯ_２層をフッ化水素により除去することにより、シリコン層が空気中に露出されエアーブリッジ構造を構成でき、光閉じ込めをより強力にすることができる。

また、半導体へテロ基板を用いても良い。ＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ基板、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ基板と酸化クラッド層の組合せなどの選択酸化性があるヘテロ基板を用いてエアーブリッジ構造を構成しても良い。

さらに、電気光学材料又は非線形光学材料の薄膜を、融着、結晶成長、低温接合などの技術を用いて犠牲層上に形成し、犠牲層を選択エッチングしてエアーブリッジ構造を構成してもよい。例えば、あらかじめイオン打ち込みによりニオブ酸リチウム基板に分離層を形成しておき、そのニオブ酸リチウム基板とＳＯＩ基板を接合し、分離層からニオブ酸リチウムを剥がしてニオブ酸リチウム薄膜を形成する。その基板にレジスト塗布後、電子ビーム描画によりパターンニングし、レジストマスクを形成し、ドライエッチングによりパターンをニオブ酸リチウム薄膜に転写する。その後、Ｓｉ層を選択エッチングすることにより、ニオブ酸リチウム薄膜のエアーブリッジ構造を形成することができる。ドライエッチングの選択性が採れない場合は、金属マスク層を使うことも考えられる。この場合では、基板上に予め金属膜を蒸着などにより形成しておき、リソグラフィーによりパターンニングしてマスクを形成する。なお、イオン打ち込みをした基板を必ずしも用いる必要はなく、接合された基板を研磨によりサブミクロンの厚みにすることにより、犠牲層上の薄膜基板としても良い。さらに、犠牲層ではなく、低屈折率媒質上に形成し、エアーブリッジではない構成でも良い。

また、型による転写でフォトニック結晶を構成することも可能である。例えば、反転形状であるピラー型のフォトニック結晶が構成された型を形成し、その部分に液体状の材料を流し込み台座基板上に接合する。その後、焼成などにより形状を固定化し、型を取り外すことによりフォトニック結晶配列を形成でき、この型をもとに複製を大量生産することが可能である。この型は、電子ビーム露光やドライエッチングにより形成でき、焼成により収縮するような材料を選定すると、型からの乖離が比較的容易にできる。設計ではこれらの収縮を加味したサイズを想定して形成することで調整可能である。このように型を用いると、真空装置を繰り返し用いずに製作することが可能となり、低コスト化を図ることができる。

前記プロセスでは、作製した基板は空気中に晒されているが、当然、薄膜層の上部を低屈折率媒質で覆う構造も可能である。この場合、クラッド層に酸化物層を堆積したり、あるいは、ポリマーをスピンコートで塗布することにより容易に実現することができる。

また、半導体のような光通信波長帯で屈折率が大きい材質を用いると、フォトニック結晶のバンドギャップの範囲を大きく取ることができ、高精度な半導体加工プロセスを利用して精度の高いフォトニック結晶を形成することができるために、比較的容易に２つの変曲点を有する偶モードバンドがあるバンドギャップを持った線欠陥導波路２を形成することができる。

さらに、電気光学材料や非線形材料を用いると、アクティブに前述の効果を実現できる。例えば、電気光学材料で構成されたフォトニック結晶に電圧を印可することで屈折率変化を起こし、バンドを変化させることで、群速度やその速度分散量を変化させることができる。この電力印加部分の体積はきわめて小さくすることが可能であるので、低消費電力で済む素子を構成できる。また、非線形材料で形成すれば、大きな群速度遅延効果から得られる非線形効果はきわめて大きくなることが期待でき、これまでであれば極めて大きな素子サイズが必要であった素子を、コンパクトな形にすることが可能となる。さらに、光照射などにより屈折率を変化させる方式を取るときにも、極めて小さな部分に光を照射するだけで済むため、低消費電力動作を行わせることができる。

この発明の光制御素子の構成を模式的に示す平面図である。フォトニックバンドギャップを示すフォトニックバンド図である。偶モードと奇モードの電磁界強度分布を示す模式図である。偶モードのバンド曲線と群速度曲線の変化特性図である。この発明のフォトニックバンドギャップとバンド曲線及び群速度曲線を示す図である。光の伝搬方向に屈折率分布を有する光制御素子の構成図である。光の伝搬方向に屈折率分布を有する線欠陥導波路の導波バンドを示す図である。線欠陥導波路の幅を変えた場合のバンド曲線及び群速度曲線を示す図である。薄膜の屈折率及びホールの周期と半径の比率を変えた場合のフォトニックバンドギャップとバンド曲線及び群速度曲線を示す図である。薄膜の屈折率及びホールの周期と半径の比率並びに線欠陥導波路の幅を変えた場合のバンド曲線及び群速度曲線を示す図である。フォトニック結晶配列の部分と線欠陥導波路の屈折率を変えた場合のバンド曲線及び群速度曲線を示す図である。線欠陥導波路近傍のフォトニック結晶配列を他の部分と異ならせた場合のバンド曲線及び群速度曲線を示す図である。

符号の説明

１；光制御素子、２；線欠陥導波路、３；フォトニック結晶配列、
４；高屈折率媒質、５；ホール。

Claims

２次元フォトニック結晶配列中に形成された線欠陥導波路に対する導波バンドである偶モードバンドと奇モードバンドの交差点を与える波数よりも大きな波数を有する導波光を導波可能な光制御素子において、
前記線欠陥導波路は、偶モードバンドと奇モードバンドの交差点を与える波数よりも大きな波数の領域において２つ以上の変曲点を有する偶モードバンドを有し、該２つ以上の変曲点のうちいずれか一つの変曲点近傍の周波数を有する導波光を導波し、
前記２次元フォトニック結晶配列は、円形形状のパターンで形成され、該円形形状の半径と円形形状の中心間隔との比が0.35以上0.50未満であり、かつ前記線欠陥導波路の欠陥部分の屈折率は、前記２次元フォトニック結晶配列が形成されている部分の屈折率とは異なるとともに、該屈折率の±２０％の範囲内にある、
ことを特徴とする光制御素子。
前記フォトニック結晶配列は、線欠陥導波路近傍の形状がそれ以外の部分と異なる請求項１記載の光制御素子。
前記線欠陥導波路の光が伝搬する欠陥部分の間隔は、フォトニック結晶配列の列を除いたことで形成される間隔とは異なる請求項１又は２に記載の光制御素子。
前記線欠陥導波路の光が伝搬する欠陥部分の間隔は、フォトニック結晶配列の列を除いたことで形成される間隔に対して0.70以上1.00未満である請求項１乃至３のいずれかに記載の光制御素子。
前記線欠陥導波路は、光の伝搬方向に対して屈折率が連続的に変化する屈折率分布を有する請求項１乃至４のいずれかに記載の光制御素子。
前記線欠陥導波路は、フォトニック結晶配列の１列を除いて形成された請求項１乃至５のいずれかに記載の光制御素子。
前記フォトニック結晶配列は、２次元面内で低屈折率の円孔を三角格子状に配列した請求項１乃至６のいずれかに記載の光制御素子。
前記フォトニック結晶配列は、線欠陥導波路で屈折率差によって光を閉じ込めることができる誘電体薄膜に形成された請求項１乃至７のいずれかに記載の光制御素子。
前記誘電体薄膜が半導体材料である請求項８記載の光制御素子。
前記誘電体薄膜が電気光学材料である請求項８記載の光制御素子。
前記誘電体薄膜が非線形光学材料である請求項８記載の光制御素子。