JP4878210B2 - 光導波路構造 - Google Patents

Description

本発明は、スラブ型２次元フォトニック結晶を利用した光導波路構造に関するものである。

従来の技術

誘電率の異なる２種類の誘電体の繰返し構造を有する、フォトニック結晶を用いた光デバイスは、その内部多重反射現象を用いることによって、種々の高機能・超小形デバイスを実現できる。本デバイスの動作原理が多重反射現象に基づくために、フォトニック結晶基板の材質（屈折率N）と、フォトニック結晶構造の繰返し周期長ｄでほぼ決まる周波数付近で、デバイス特性は強い周波数（波長）依存性を持つ。この周波数依存性が本デバイスの特長になる。しかし、広い波長域で使用する場合には、この特長が逆に欠点にもなっていた。

スラブ型２次元フォトニック結晶を利用した光導波路は、例えば以下の文献に記載されている。
特開２００５−１７２９３２ 特開２００３−１５６６４２ 特開２００５−７０１６３ 特開２００２−３５０６５７ 第５３回応用物理学関係連合講演会 講演予稿集 （２００６春 武蔵工業大学） １１２１頁 ２３ａ−Ｌ−４ 「偏波変換器をもつ２次元フォトニック結晶波長合分波デバイス」 田中 良典他 電子情報通信学会論文誌 Ｃ Ｖｏｌ． Ｊ８７−Ｃ Ｎｏ． １ １２３〜１３１頁 ２００４年１月 「非相反性光導波路不連続問題のための有限要素法と磁性フォトニック結晶導波路を用いた光アイソレターの解析」 河野他 2001 The American Physical Society「PHYSICAL REVIEW LETTERS」 Vol.87, No. 25 「Extremely Large Group-Velosity dispersionof Line-Defect Waveguides in Photonic Crystal Stabs」

例えば、図１に模式的に示すような２次元3角格子フォトニック結晶光導波路構造は、作成が比較的容易である事から、実用化が盛んに進められている。このタイプのデバイスの光遅延特性と実効的な電気光学特性を、図３〜図６に例示する。ここに示す電気光学特性は、誘電体基板の屈折率変化に伴う導波光の等価屈折率変化量である。

通常の３角格子形フォトニック結晶のバンド特性（導波モード）を図３に示す。ただし、誘電体基板はｘカットのニオブ酸リチウム単結晶によって形成する。偶モード、ＴＥ光、周期長ｄ＝０．４２５μｍ、ｒ０／ｄ＝０．３５、Ｗ／Ｗｏ＝１．０とした。縦軸は規格化波数ＮＦとし、横軸は規格化波数ＷＮとする。ここで、フォトニックバンド（NF=0.39−0.47程度）内にある偶モード（通常導波路の基本モードに相当する）は、図３に示す「ＰＣ−１モード」「ＰＣ−２モード」であり、材質（基板屈折率の大きさ）や空孔の径ｒ０によってバンド幅やモード特性が変化する。

図４は、図３のＰＣ−１モードの拡大図である。また、図５は、図３のＰＣ−１モードにおける群屈折率GNeffの波長λ依存性を示し、図６は、実効EO定数の波長λ依存性を示す。

図４中のバンド特性の傾き（1次微分値：「δNF1」と表記）が小さいほど、導波特性の群屈折率GNeff，実効EO定数が大きくなる関係がある。

また、図３、図４から分かるように、ＮＦのＷＮ依存性の2次微分値（「δNF2」と表記）は、WNが0.3以下では、ほぼ０になり、したがってGNeff，実効EO定数の波長λ依存性が小さい。しかし、ＷＮが0.3以上になると、「δNF2」は正の値をとる。言い換えると、「δNF1」の大きさ｜δNF1｜が徐々に小さくなる。この場合、波長λが長くなる程、GNeff，実効EO定数は単調に大きくなる。

図５、図６から分かるように、特に長波長側のフォトニックバンド端近傍において、群屈折率GＮeffや実効電気光学（EO）定数は極めて大きくなるが、それと共に僅かな波長変化によって特性が大きく異なる傾向を示す。言い換えると、群屈折率GＮeffや実効電気光学（EO）定数が大きくなる領域では、特性の波長依存性もきわめて大きくなるために、広帯域で使用することが難しい。

本発明の課題は、誘電体膜スラブと、誘電体柱によって形成されている複数列の格子列とを備えているスラブ型２次元フォトニック結晶に設けられている光導波路構造において、優れたフォトニック結晶特性を発現すると共に、その波長依存性を小さくして広帯域な波長域で使用可能な光機能デバイスを提供することである。

本発明は、誘電体膜スラブと、誘電体柱によって形成されている複数列の格子列とを備えているスラブ型２次元３角格子フォトニック結晶に設けられているＰＣ−１モードで作動する光導波路構造であって、
少なくとも光導波路から見てn番目（ｎは１〜５）の全格子列に含まれる誘電体柱の平面形状が等辺多角形または真円形であり、光導波路から見て１番目の格子列に含まれる全誘電体柱の径ｒ１が、光導波路から見て６番目以降の格子列に含まれる全誘電体柱の基本径ｒ０より小さく、ｒ１／ｒ０が０．８以上、０．９８以下であり、光導波路から見て２番目の格子列に含まれる全誘電体柱の径ｒ２の基本径ｒ０に対する比率ｒ２／ｒ０が１．０１以上、１．５以下であり、光導波路の幅Ｗの格子列の基本ピッチＷｏに対する比率Ｗ／Ｗｏが０．７以上、１．３以下であり、かつ光導波路の幅Ｗが格子列の基本ピッチＷｏと異なっていることを特徴とする。

本発明者は、スラブ型２次元フォトニック結晶デバイスの導波特性について、導波光の電界分布を詳細に調べた。この結果、波長ごとに、光導波路領域の外側への光の広がり方に相違があることを発見した。

具体的には、図７に示すように、フォトニックギャップの短波長域（図７でλ＝０．９５μｍ）では、光波は光導波（コア）部近傍に集中し、外部への広がりがほとんどない。中間波長域（λ＝１．００μｍ）では、光閉じ込めが相対的に弱くなり、光が周辺部まで広がっている。長波長域（λ＝１．０３μｍ）では，光がコア部の外側に一層広がる傾向を示すことが分かった。

一方、光強度は、コア部から離れるほど弱くなる。しかし、空孔部の光強度は、非空孔部よりも相対的には強くなる。したがって、空径の大きさによって、光のコア部外への広がり方は変化することになる。この原理を応用することで、特にコア部近傍の空径を適当に変化させることによって、光強度分布を変えられることを見出した。この現象に伴って、導波光の伝搬定数（等価屈折率Neff）などの特性の波長依存性を制御できることが分かった。

すなわち、誘電体柱の平面形状を等辺多角形または真円形とする条件下で、光導波路から見て２番目の格子列に含まれる全誘電体柱の径ｒ２を基本径ｒ０よりも大きくし、光導波路の幅Ｗを、格子列の基本ピッチＷｏと異ならせることで、前記の波長依存性を低減できることを見いだした。

フォトニック結晶とは、屈折率の異なる複数種の媒質によって、光の波長と同程度の周期性を形成した多次元周期構造体であり、電子のバンド構造に似た光のバンド構造を有する。そのため、特定の構造には光の禁制帯（フォトニックバンドギャップ）が表れる。禁制帯を有するフォトニック結晶は、光の絶縁体として機能する。

フォトニックバンドギャップを有するフォトニック結晶に、周期性を乱す線欠陥を導入すると、バンドギャップの周波数領域内に導波モードが形成され、光を閉じ込める光導波路を実現できる。

スラブ型２次元フォトニック結晶とは、誘電体薄膜スラブに誘電体薄膜スラブよりも低い屈折率の円柱状又は多角柱状の低屈折率柱を適当な２次元周期間隔で設け、さらに誘電体薄膜スラブの上下を誘電体薄膜スラブよりも低い屈折率を持つ上部クラッド層と下部クラッド層とで挟んだフォトニック結晶のことである。

２次元フォトニック結晶を導波路として用いる場合、２次元面に垂直な方向の光の閉じ込めが必要になる。このため、光導波路を形成する方法はいくつか提案されているが、いずれも本発明において使用できる。

例えば、低屈折率の誘電体（酸化物又はポリマー）の上に高屈折率の半導体（屈折率３から３．５程度）の薄膜を付けた構造に２次元フォトニック結晶を作り込んだ構造（酸化物クラッド２次元スラブ型フォトニック結晶）は、最も容易に大面積のものが作製可能であり、好ましい。

また、Silicon-On-Insulator（ＳＯＩ）と呼ばれる、二酸化珪素（ＳｉＯ２）上に珪素（Ｓｉ）薄膜がついた基板を用いることにより、高品質の酸化物クラッド型２次元スラブフォトニック結晶を作製することができる。

例えばフォトニック結晶の上下のクラッドを空気にしたエアブリッジ型２次元スラブフォトニック結晶も採用できる。

誘電体薄膜スラブ材料に、珪素、ゲルマニウム、ガリウム・砒素系化合物、インジウム・燐系化合物、又は、インジウム・アンチモン系化合物を添加することができる。また、誘電体柱の材料に、二酸化珪素、ポリイミド系有機化合物、エポキシ系有機化合物、アクリル系有機化合物、空気、又は、真空を用いることができる。

また、誘電体柱は、規則的な三角格子を形成する。

以下、適宜図面を参照しつつ説明する。
本発明においては（図１参照）、少なくとも光導波路１から見てn番目（ｎは１〜５）の全格子列Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４、Ｔ５に含まれる誘電体柱Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３、Ｈ４、Ｈ５の平面形状が等辺多角形または真円形である。ここでいう等辺多角形の角数は限定されないが、正三角形、正方形、正五角形、正六角形，正八角形が好ましい。また、誘電体柱の平面形状は真円とするが、製造上の誤差は許容される。具体的には、測定限界や誤差、材料の物性値あるいは加工エッチング速度の異方性を考慮すると、長径／短径比が１．００±０．１以内であることが好ましく、１．００±０．０５以内であることが更に好ましい。

本発明においては、光導波路１から見てn番目（ｎは６以上）の格子列Ｔ６、Ｔ７・・・・・・に含まれる誘電体柱Ｈ６、Ｈ７・・・・・・の平面形状は、等辺多角形または真円形であることが好ましいが、楕円形などの異形の誘電体柱が含まれていても良い。

本発明においては、光導波路から見てｎ番目の格子列に含まれる全誘電体柱の径ｒｎ（ｎ＝２、３、４または５）のうち少なくとも一つが、基本径ｒ０よりも大きい。特にｒ２が基本径ｒ０よりも大きい。

基本径とは、スラブ型２次元フォトニック結晶において規則的に配列された誘電体柱の通常の径を意味している。本発明では、光導波路１から６番目以遠の格子列Ｔ６、Ｔ７・・・・に属する誘電体柱Ｈ６、Ｈ７・・・・の径はｒ０である。

光導波路から見てn番目の格子列に含まれる誘電体柱の径ｒn（ｎ＝２、３、４または５）は、基本径ｒ０よりも大きい。

ｒｎのｒ０に対する比率ｒｎ／ｒ０は、本発明の観点からは、１．０１以上であり、１．０３以上であることが更に好ましい。また、ｒｎ／ｒ０が大きくなりすぎると、今度は一定の周期を保つのが難しくなるので、ｒｎ／ｒ０は１．５以下であり、１．２以下であることが更に好ましい。

また、本発明においては、光導波路から見て２番目の格子列に含まれる誘電体柱の径ｒ２が、光導波路から見て１番目の格子列に含まれる前記誘電体柱の径ｒ１より大きい。つまり、光導波路からみて外側の格子列に属する誘電体柱の径を、その内側の誘電体柱の径よりも大きくすることによって、特性の波長依存性を一層低減できる。

この観点からは、ｒ２／ｒ１は、１．０２以上とすることが好ましく、１．０５以上とすることが更に好ましい。しかし、ｒ２／ｒ１が大きくなりすぎると、今度は一定の規則性を保つのが難しくなるので、ｒ２／ｒ１は１．８以下であることが好ましく、１．４以下であることが更に好ましい。

光導波路の幅Ｗは格子列の基本ピッチＷｏと異ならせる。格子列の基本ピッチＷｏは、スラブ型２次元フォトニック結晶においてベースとなる格子列基本ピッチを意味している。光導波路の幅Ｗを格子列の基本ピッチＷｏと異ならせることによって、特性の波長依存性を一層低減できる。

Ｗ／Ｗｏの値は、０．７以上とすることが好ましく、０．８以上とすることが更に好ましい。また、Ｗ／Ｗｏの値が大きくなりすぎると、今度は一定の規則性を保つのが難しくなるので、Ｗ／Ｗｏは１．３以下であることが好ましく、１．１５以下であることが更に好ましい。

光導波路から見て１番目の格子列に含まれる誘電体柱の径ｒ１が基本径ｒ０より小さく、そのｒ１のｒ０に対する比率ｒ１／ｒ０は、本発明の観点からは、０．９８以下であることが好ましく、０．９５以下であることが更に好ましい。また、ｒ１／ｒ０が小さくなりすぎると、今度は一定の周期を保つのが難しくなるので、ｒ１／ｒ０は０．６以上であることが好ましく、０．８以上であることが更に好ましい。

本発明においては、光導波路の幅Ｗは格子列の基本ピッチＷｏと異ならせる。格子列の基本ピッチＷｏは、スラブ型２次元フォトニック結晶においてベースとなる格子列基本ピッチを意味している。光導波路の幅Ｗを格子列の基本ピッチＷｏと異ならせることによって、特性の波長依存性を一層低減できる。

以下、本発明の作用について更に詳細に述べる。
本発明は、ＰＣ−１モードを利用しており、ＰＣ−１モードがフォトニックバンド内もしくはその近傍にある場合が対象になる。

図８は、Ｗ／Ｗｏ＝１．０の場合のバンド特性を示す。ｒ０／ｄ＝０．３５とする。第１列目の格子列Ｔ１に属する誘電体柱Ｈ１の径ｒ１をｒ０に対して変化させた。ｒ１／ｄ＝０．３５の場合は従来例である。

図８からわかるように、ｒ１／ｄを０．３１あるいは０．３９へと変化させても、バント特性の形状の変化は小さい。しかし、ｒ１／ｄが０．３１である場合に、WN＝0.40前後において、｜δNF１｜がWN＜0.3のそれより小さくなり、かつ2次微分値δNF2が０近辺になることがわかる。つまり、この領域においてはGNeff（実効EO定数）の波長λ依存性が０になることが判明した。

図９は、光導波路から見て第1列目の格子列の誘電体柱の径ｒ１／ｄを０．３１に固定し、第２列目の格子列に属する誘電体柱のｒ２／ｄを変化させた場合を示す。ＷＮ＝０．３５〜０．４５付近で傾きの2次微分値が０もしくは負の値になることが顕著に発現することを見出した。

図１０は、Ｗ／Ｗｏを０．８まで低くした場合を示す。第１列目の格子列の誘電体柱の径ｒ１を変化させると、特にｒ１／ｄが０．３５より小さいときに（ｒ１／ｄ＝０．３１）、傾きの2次微分値が大きく負の方向に移行することを見出した。

図１１は、Ｗ／Ｗｏを１．１と大きくした場合を示す。第１列目の格子列の誘電体柱の径ｒ１を変化させると、特にｒ１／ｄが０．３５より小さいときに（ｒ１／ｄ＝０．３１）、傾きの2次微分値が大きく負の方向に移行することを見出した。

以上の効果によって、導波特性の群屈折率GNeff，実効EO定数が大きく、かつ波長依存性が小さくなる現象が生ずる。

なお、特許文献２では、曲げ導波路でのモード変換損失低減を目的に単一モード性を確保する観点から、ＰＣ−２モードを利用しており、実施例で示されているように、Ｗ/W0が１から大きく異なった場合（W/W0＝0.7）を実施例としている。ＰＣ−１モードでは、フォトニックバンド外になり、あるいは多モード性になるために、第一および第二の発明におけるような前記作用効果はない。また、特許文献２の図７、図１２には、ＰＣ−１モードが「従来技術」として示されているが、これは誘電体柱の平面形状を楕円形にしており、また、孔の周期長ｄ，孔間隔Ｗを等間隔Ｗｏからずらしていることに起因するものである。

なお、群屈折率GNeff、実効ＥＯ定数は以下のように定義されるものである。
GNeff＝ｃ／［Neff−λ・（ΔＮeff／Δλ）］
（ｃ：真空中の光速， λ：波長， Neff：導波光の実効屈折率）
実効EO定数＝導波光の実効屈折率の変化量／基板（バルク）の屈折率変化量
基板（パルク）の屈折率変化は、例えばポッケルス効果，ＴＯ効果（温度変化に伴う屈折率変化），プラズマ効果（半導体への電流注入に伴う屈折率変化）等により発現できる。

本発明の光導波路構造は、種々の機能デバイスに対して適用可能である。
すなわち、この光導波路構造は、通常の光導波路の他、ポッケルス効果を利用したデバイス、電流注入によるプラズマ効果を利用したデバイス、量子井戸構造によるＥＯ効果を利用したデバイス、ヒータ温度変化によるTO効果を利用したデバイス、方向性結合器、マッハツェンダー光導波路および光変調器などに利用できる。

例えば、図２は、外部電圧印加構造のフォトニック結晶光機能デバイスを示す斜視図である。基板２の表面側に一対の電極６を形成し、この間に電源５から電圧を印加する。光導波路部分１へと矢印Ａのように光を入射させ、矢印Ｂのように出射させる。

例えば、図１２は、外部電圧印加構造のフォトニック結晶光機能デバイスを示す斜視図である。基板２の表面側と背面側とに一対の電極８Ａ、８Ｂを形成し、この間に電源５から電圧を印加する。光導波路部分１へと矢印Ａのように光を入射させ、矢印Ｂのように出射させる。

図１２のデバイスの場合には、基板２を例えばニオブ酸リチウム単結晶やタンタル酸リチウム単結晶のような圧電単結晶のｚ板から形成し、ポッケルス効果を利用する。あるいは、基板２を半導体によって形成し、電流注入によるプラズマ効果、あるいは量子井戸構造によるEO効果を利用して光を変調できる。また、この構造は、方向性結合器やマッハツェンダー型導波路の光回路にも利用できる。

図１３は、外部電圧印加構造のフォトニック結晶光機能デバイスを示す斜視図である。基板２の表面側に膜ヒーター９を形成し、この膜ヒーター９に電源５から電圧を印加する。光導波路部分１へと矢印Ａのように光を入射させ、矢印Ｂのように出射させる。基板２はポリマーから形成し、膜ヒーター９によるＴＯ効果を利用して光を変調する。

本発明の光導波路構造は、電磁波に対して効果があるために、基板材質・周期長ｄを適当に設定すれば、光波以外の電磁波に対しても同様の効果が得られる。このような電磁波としては、マイクロ波、テラヘルツ波を例示できる。

本発明の光導波路構造の平面形状を模式的に示す平面図である。 本発明の一実施形態に係るデバイスを模式的に示す斜視図である。 従来設計の光導波路構造において、偶モード、ＴＭ光を利用したときの各モードの特性の周波数変化を示すグラフである。 従来設計の光導波路構造において、ＰＣ−１モードを利用したときの特性の周波数変化を示すグラフである。 従来設計の光導波路構造において、群屈折率の周波数変化を示すグラフである。 従来設計の光導波路構造において、実効ＥＯ定数の周波数変化を示すグラフである。 光導波路からの距離と光電界強度との関係を示すグラフである。 ＰＣ−１モードにおいて、Ｗ＝Ｗｏとし、ｒ１／ｄをｒ０に対して変化させたときの特性の周波数変化を示すグラフである。 ＰＣ−１モードにおいて、Ｗ＝Ｗｏとし、ｒ１／ｄを０．３１に固定し、ｒ２／ｄを変化させたときの特性の周波数変化を示すグラフである。 ＰＣ−１モードにおいて、Ｗ／Ｗｏ＝０．８とし、ｒ１／ｄを変化させたときの特性の周波数変化を示すグラフである。 ＰＣ−１モードにおいて、Ｗ／Ｗｏ＝１．１とし、ｒ１／ｄを変化させたときの特性の周波数変化を示すグラフである。 本発明の光導波路構造を適用可能なデバイスの一例を模式的に示す斜視図である。 本発明の光導波路構造を適用可能な他のデバイスの一例を模式的に示す斜視図である。

１ 光導波路 ２ 基板 ｒ０ 誘電体柱の基本径 ｒｎ 光導波路構造からｎ番目の格子列に属する誘電体柱の径 Ａ 入射光 Ｂ 出射光 Ｈｎ 光導波路からｎ番目の格子列Ｔｎに属する誘電体柱 Ｔｎ 光導波路からｎ番目の格子列 Ｗｏ 格子列の基本ピッチ Ｗ 光導波路の幅

Claims (2)

1. 誘電体膜スラブと、誘電体柱によって形成されている複数列の格子列とを備えているスラブ型２次元３角格子フォトニック結晶に設けられているＰＣ−１モードで作動する光導波路構造であって、
   少なくとも光導波路から見てn番目（ｎは１〜５）の全格子列に含まれる前記誘電体柱の平面形状が等辺多角形または真円形であり、前記光導波路から見て１番目の前記格子列に含まれる前記全誘電体柱の径ｒ１が前記光導波路から見て６番目以降の前記格子列に含まれる全誘電体柱の基本径ｒ０より小さく、ｒ１／ｒ０が０．８以上、０．９８以下であり、前記光導波路から見て２番目の前記格子列に含まれる前記全誘電体柱の径ｒ２の基本径ｒ０に対する比率ｒ２／ｒ０が１．０１以上、１．５以下であり、前記光導波路の幅Ｗの前記格子列の基本ピッチＷｏに対する比率Ｗ／Ｗｏが０．７以上、１．３以下であり、かつ前記光導波路の幅Ｗが前記格子列の基本ピッチＷｏと異なっていることを特徴とする、光導波路構造。
2. 前記誘電体膜スラブがニオブ酸リチウム単結晶からなることを特徴とする、請求項１記載の光導波路構造。
   

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