JP4909528B2

JP4909528B2 - 光制御素子

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Publication number: JP4909528B2
Application number: JP2005119907A
Authority: JP
Inventors: 修一鈴木; 篤坂井
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2005-04-18
Filing date: 2005-04-18
Publication date: 2012-04-04
Anticipated expiration: 2025-04-18
Also published as: JP2006301104A

Description

本発明は、フォトニック結晶からなる光制御素子に関するものである。

フォトニック結晶は、光の波長程度の周期的な誘電率分布を持つ光学機能材料である。光の波長と同程度の大きさである誘電率の周期配列構造が１０層程度あると光制御が可能になる。従って、ミクロンオーダーでの微小領域で光制御素子が構成でき、従来の光素子のサイズを劇的に微小化できるものとして注目されている。

フォトニック結晶は、上記周期配列構造を調整することで光子の禁制帯であるフォトニックバンドギャップを形成し、このフォトニックバンドギャップを利用することによって光導波路を形成する。また、この光導波路を光配線とすることで、極微小領域における超高密度光集積回路が可能となる。また、光を極微小領域に閉じ込めることが可能であることを利用して、超小型の共振器構造を形成することができる。共振器構造をもつフォトニック結晶は、光の合波器及び分波器、または波長フィルタ、光スイッチ、光強度変調器等に利用可能であり、光通信における素子サイズの劇的な小型化が実現できる。そのようなフォトニック結晶に関する従来技術の代表的なものとして、特許文献１、２が挙げられる。

特許文献１では、２次元スラブ状三角格子配列フォトニック結晶において、線欠陥からなる共振器を線欠陥導波路で挟み込む構成からなる波長合分波器が記載されている。ここで特許文献１では、結晶配列は同一であるが、格子定数の異なるフォトニック結晶を平面的に接合することにより、導波モードが存在するフォトニック結晶領域と導波モードが存在しないフォトニック結晶領域の界面において生じる境界反射を利用し、波長分波特性を高めている。

特許文献２では特許文献１とは別の共振器構造を有するフォトニック結晶について開示されている。つまり、特許文献１では光の進行方向が、三角格子配列フォトニック結晶において全て空孔が近接して直線を形成するΓ−Ｋ方向であるのに対し、特許文献２ではΓ−Ｋ方向の中間の方向であるΓ−Ｍ方向に光を伝搬させ、フォトニック結晶配列が存在する領域と存在しない領域における界面の反射を利用して共振器構造を形成している。また特許文献２においては、共振器構造を直列に結合し、さらに、フォトニック結晶を構成する材料に対して屈折率変調を行い、波長透過特性を制御する方法を開示している（特許文献２の図２４及び図２５参照）。この構成によって、超小型の波長分波器、光スイッチ、光強度変調器等を実現することができる。
特開２００４−２１２４１６号公報特開２００４−３３４１９０号公報

波長分波器、光スイッチ、光強度変調器等の超小型化を実現するのであれば、波長分波特性、波長透過特性、低損失化などを向上させるためとはいえ、フォトニック結晶配列のうち光の波長を分波、透過などする特徴領域の規模をできるだけ小さくするように設計するべきである。しかし、特許文献１では、所定範囲に欠陥を有する共振器を挟み込む線欠陥導波路の入力導波路と出力導波路は、共振器の所定範囲に対する距離を当該所定範囲以外の範囲に対する距離よりも小さくなるように配置する必要がある。そのため、光制御素子の設計が制限されてしまい、場合によっては特徴領域の規模を大きくしなければならない可能性がある。

また、特許文献２では、波長透過特性を向上させるためには、光路変更を行うフォトニック結晶構造部分の屈折率を変調させる領域を、少なくとも光導波路と同程度の幅を有する面積分は指定する必要がある。そのことに応じて、指定した特徴領域におけるフォトニック結晶配列の設計が制限されてしまう場合がある。また、特許文献２の共振器構造は、光の伝搬方向に対して垂直な方向の線欠陥を有しているため、光の伝搬方向に対して十分に幅のある伝搬光を用いることが好ましい。しかし、そのような伝搬光を受ける特徴領域の規模をその幅に合わせて大きくする必要があり、フォトニック結晶配列の設計が制限されてしまう場合がある。

上記課題を解決するための手段である本発明の態様は、フォトニック結晶配列を有し、該フォトニック結晶配列の第１の線欠陥からなる二以上の導波路と、該フォトニック結晶配列の第２の線欠陥からなる共振器を有する光制御素子において、前記共振器を前記導波路の間に有し、前記第２の線欠陥に係る線欠陥の方向および前記第１の線欠陥のうち前記共振器の近傍に係る線欠陥の方向を各々異ならせ、前記共振器のフォトニック結晶配列の結晶方位を、前記二以上の導波路のフォトニック結晶配列の結晶方位に対して回転させたことを特徴とする。

ここで、前記第２の線欠陥を二以上有することを特徴とする。

また、前記共振器を挟む２以上の導波路の第１の線欠陥のうち当該共振器の近傍に係る線欠陥の方向を各々異なるものにすることを特徴とする。

また、前記第１の線欠陥からなる導波路を三以上有し、該導波路のうち、一つを光入力手段とし、二つを光出力手段とすることを特徴とする。

また、前記フォトニック結晶配列は円形形状からなる配列であって、前記導波路および前記共振器を、該円形形状の半径若しくは中心間隔において各々異なるものにすることを特徴とする。

また、前記フォトニック結晶配列の一部の位置を調節して、前記第１の線欠陥または前記第２の線欠陥の間隔を変更することを特徴とする。

また、前記導波路の屈折率および前記共振器の屈折率を各々異なるものにすることを特徴とする。

また、前記共振器により共振する光の波長を可変制御する手段を有することを特徴とする。

また、前記共振器を多段有し、該共振器の間にフォトニック結晶配列の前記第１の線欠陥からなる導波路をさらに有することを特徴とする。

また、前記導波路または前記共振器の電磁界結合量を制御する手段を有することを特徴とする。

本発明の光制御素子は、導波路の線欠陥の方向と共振器の線欠陥の方向を異なるものにするといった簡易な構成であるため、光の波長を分波、透過などするときは、共振器の線欠陥の方向を変更するだけで良い。共振器の線欠陥の方向の変更は導波路の構造の変化に影響を与えないため、共振器と導波路を各々独立に設計することができ、光制御素子の設計において制限を受けることは無い。

以下、本発明の光制御素子を実施するための最良の形態を説明する。説明する際には、本明細書と同時に提出する図面を適宜参照する。

〈第１の実施形態〉
図１を参照して光制御素子の第１の実施形態について説明する。図１は、スラブ型２次元フォトニック結晶からなる光制御素子を模式的に示した図である。網掛け表示した背景材料において白丸で表示した円孔をある周期を以って配列し、フォトニック結晶配列としている。

１０１はフォトニック結晶からなる共振器を構成する領域であり、共振器として機能する線欠陥１１１（第２の線欠陥）を有している。１０２および１０３は領域１０１との結合部分となる導波路を構成する領域である。１０２は共振器に光信号を入力するための入力素子として機能する領域である。また、１０３は共振器において共振する波長が出力する出力素子として機能する領域である。領域１０２は導波路として機能する線欠陥１１４（第１の線欠陥）を有し、領域１０３は導波路として機能する線欠陥１１５（第１の線欠陥）を有する。ここで、領域１０１は領域１０２、１０３に挟まれており、共振器が導波路に挟まれている状態になっている。また、線欠陥１１１は、線欠陥１１４、１１５のうち領域１０１の近傍にあるものと、その結晶配列方向が互いに異なるようにして設けられている。先述した「線欠陥の方向」とは、フォトニック結晶における欠陥がある線状に連続的に設けられたときに、その線が延びていく方向である。図１を参照すると、線欠陥１１１の線欠陥の方向は上下方向（Ｐ１）であり、線欠陥１１４、１１５のうち領域１０１の近傍にあるものの線欠陥の方向は左右方向（Ｐ２、Ｐ３）であり、Ｐ１と垂直である。また、領域１１２、１１３は共振器を構成するフォトニック結晶と導波路を構成するフォトニック結晶を接合するときに形成される結晶欠陥であり、この面において光が境界反射される。

線欠陥１１１は様々な波長を持つ光信号から、特定の波長の光を選別するための波長選択素子として機能する。λ0からλnのキャリア波長をもつ光信号が、入射光として領域１０２を介して領域１０１に挿入され、共振器となる線欠陥１１１で共振する波長λ0のみが領域１０１を透過し、透過光として領域１０３から出力される。それ以外の波長λ1からλnの光信号は領域１０１において反射され、反射光として領域１０２を入射光とは逆方向に伝搬する。共振器において共振する波長は、フォトニック結晶を構成する円孔の大きさ、円孔間の距離、円孔と背景材料の屈折率差、フォトニック結晶配列の種類、そして線欠陥の数を変化させることなどによって制御することが可能である。またフォトニック結晶配列として正方格子配列を用いてもよい。

図１のように、共振器に対して結晶配列の異なる導波路を結合することにより、低損失な入出力が可能となる。さらに、素子構成は共振器の構造の変化が導波路に影響を与えることがないため、共振器と導波路をそれぞれ独立に最適設計することが可能であり、高精度の共振波長の制御や透過波長スペクトルの制御ができるようになる。このことは、共振器構造と導波路構造を結合することで、光制御素子を超小型で低損失、かつ、多機能なものにすることを意味する。

〈第２の実施形態〉
図２を参照して光制御素子の第２の実施形態について説明する。図２は、スラブ型２次元フォトニック結晶からなる光制御素子を模式的に示した図である。第１の実施形態と異なり、領域２０１〜２０３にあるフォトニック結晶が近接して結合しており、共振器として機能する線欠陥を２１１〜２１３にように複数有している。導波路として機能する線欠陥２１４、２１５が共振器を挟んでいる構造は第１の実施形態と同様である。

この構成によりスペクトルの合成によってスペクトル特性の形状が箱型に近づく。すなわち透過帯域は平坦となり、阻止帯域減衰量を増加させることができる。この様子を図３のグラフを参照して説明する。図３において、（ａ）は共振器が一つだけである場合の透過光の強度を表すグラフであり、（ｂ）は共振器が多段に結合した場合の透過光の強度を表すグラフである。

透過帯域の平坦化とは、共振器における共振波長の光信号透過率と、共振波長近傍の波長における透過率がほぼ等しくなることを意味する。このため、素子の製作誤差によって生じる共振波長のずれに対する許容量が増大し、また光信号を発生する光源の波長の変動に対しても許容量が増大する。また、阻止帯域とは光信号が共振器を透過することを望まない波長帯域のことであり、阻止帯域減衰量はその阻止帯域における透過光の強度の減衰量を意味する。

共振器の数が１つの場合（図３（ａ））、その波長透過特性はローレンツ関数型となり、透過帯域における波長許容誤差が小さい。一方、阻止帯域すなわち共振器を透過すべきではない波長帯域に対する光減衰量も十分ではないが、本構成により共振器を多段に結合させ（図３（ｂ））、波長透過スペクトルを合成することが可能となる。つまり、透過帯域を平坦化し、阻止帯域減衰量を大きくして波長許容トレランスおよび消光比を向上させた光制御素子を設計することが可能になる。

〈第３の実施形態〉
図４を参照して光制御素子の第３の実施形態について説明する。図４は、スラブ型２次元フォトニック結晶からなる光制御素子を模式的に示した図である。第１の実施形態と異なり、透過光（波長λ０）の出力先が図４の右上方向になっている。つまり、入射光（λ０、…、λｎ）の入射方向と同一ではない。共振器として機能する線欠陥３１１を挟む導波路（線欠陥３１２、３１３）は、共振器の構造に依拠せず、光信号の伝搬方向は容易に変化させることができる。従って、光信号の入出力レイアウト設計における制約を低減させ、より小型の光制御素子を実現できる。

〈第４の実施形態〉
図５を参照して光制御素子の第４の実施形態について説明する。図５は、スラブ型２次元フォトニック結晶からなる光制御素子を模式的に示した図である。第１の実施形態と異なり、共振器として機能する線欠陥４１１を挟む線欠陥４１２〜４１４が導波路として領域４０１に接続されている。そして、線欠陥４１２、４１４は領域４１５において接近しており、光の伝搬時において互いに光信号のパワーの授受を行うことができる。

第１の実施形態のようにλ０〜λｎの入射光が線欠陥４１２を介して共振器に入射される。λ０だけが透過光として線欠陥４１３より出力されるが、領域４１５は方向性結合器として機能し、λ１〜λｎは反射光として線欠陥４１４から出力される。

本構成により、入力信号と共振器からの反射信号を分離することができる。また、共振器の数や構成に依存せず、また導波路を任意の場所に設定することができるため、光信号の入出力レイアウトに対する自由度の大きい高密度集積化が可能な光制御素子を設計できる。共振器の入力側に設けた少なくとも２つの導波路のうち、少なくとも１つの導波路の結晶欠陥の方向が、共振器の出力側に設けた導波路の結晶欠陥の方向と異なる点も有効であり、透過光と反射光の両方を利用できる。

〈第５の実施形態〉
図６を参照して光制御素子の第５の実施形態について説明する。図６は、スラブ型２次元フォトニック結晶からなる光制御素子を模式的に示した図である。第１の実施形態と異なり、第２の実施形態のように共振器として機能する線欠陥５１１〜５１３を設け、それらを挟む線欠陥５１４、５１５が導波路として領域５０１、５０３に接続されている。第５の実施形態において領域５０１、５０３、５０４、５０５は三角格子構造のフォトニック結晶であり、領域５０２は正方格子構造のフォトニック結晶である。また、領域５０１、５０３のフォトニック結晶は他の領域に比べて結晶方位を３０°回転させている。このようにフォトニック結晶配列を変形させることにより、非常に低損失の光制御素子を設計できる。

〈第６の実施形態〉
図７を参照して光制御素子の第６の実施形態について説明する。図７は、スラブ型２次元フォトニック結晶からなる光制御素子を模式的に示した図である。第１の実施形態と異なり、共振器として機能する線欠陥６１１を有する領域６０１のフォトニック結晶配列の結晶方位を領域６０２、６０３に比べて３０°回転させている。これは、第５の実施形態において正方格子構造のフォトニック結晶配列を持つ領域５０２を除いた構成に実質的に等しい。このような構成であっても極めて高効率な光信号パワーの授受が可能となり、非常に低損失である。

第６の実施形態のフォトニック結晶配列の構成に対して透過率の変化を確認した。その結果を図８〜図１１に示した図面を参照して説明する。

図８は、透過率の変化を波長ごとに表したグラフである。共振器として機能する線欠陥６１１より出力された透過光の光信号強度の波長依存性を実線で、また、共振器より反射された反射光の光信号強度の波長依存性を破線で示す。共振器および導波路は円孔三角配列のフォトニック結晶からなり、ともにピッチa = 340nm、半径r = 0.35aである。背景材料の屈折率は2.0とし、円孔部分の屈折率を1.0とした。計算による確認方法としては2次元FDTD法を用いた。共振器は1列の線欠陥からなり、欠陥数を２とした。共振器を透過することによる損失ほぼゼロであり、非常に低損失の光制御素子を構成できる。

図９は、フォトニック結晶線欠陥からなる共振器において、欠陥列数を変化させた場合の損失の変化を計算した結果を表すグラフである。図９において横軸は共振器を構成する線欠陥の欠陥列数であり、縦軸は共振器において共振する波長をもつ光信号が共振器を通過することによって被る過剰損失である。フォトニック結晶共振器における欠陥数を増加させても、例えば欠陥数が6程度までの場合であれば損失の増加は１dB以下となる。結果として共振器の欠陥数は６以下がより好ましく、また欠陥数としては偶数の方が好ましい。

ここで、導波路と共振器の接続構成は図１０（イ）〜（ニ）に示した４種類が効果的である。共振器についてはその最も外側の列が線欠陥導波路と接する位置によって２種類が適用でき、線欠陥導波路については共振器に最も近接する円孔が線欠陥の次隣接の円孔に属しているか線欠陥に隣接した円孔に属しているかで２種類を用いることができる。これらの構成のうち図１０（ロ）〜（ニ）について共振器の波長透過特性を２次元FDTD計算により確認した結果が図１１〜図１３の（ロ）〜（ニ）のグラフである。図１１〜図１３の(ロ)〜(ニ)おいて横軸は波長であり、縦軸は共振器を透過した光信号のパワーである。接続損失を最小にする共振器と導波路との間隔を最適化することにより低損失の光制御素子が実現できる。また、グラフよりその間隔は0.1a以内のずれにすることが好ましいといえる。

〈第７の実施形態〉
図１４を参照して光制御素子の第７の実施形態について説明する。図１４は、スラブ型２次元フォトニック結晶からなる光制御素子を模式的に示した図である。第１の実施形態と異なり、共振器として機能する線欠陥７１１を有する領域６０１のフォトニック結晶配列は正方格子構造であり、領域７０２、７０３の三角格子構造に比べ、結晶系を異ならせたものにしてある。これは、第５の実施形態において結晶方位を３０°回転させたフォトニック結晶配列を持つ領域５０１、５０３を除いた構成に実質的に等しい。

本構成により、導波路（線欠陥７１２、７１３）としての性能を最適化する構造と、共振器（線欠陥７１１）としての性能を最適化する構造を、異なる結晶配列をもつフォトニック結晶を用いて両立できるため、より高精度に透過波長特性を制御することが可能な光制御素子を実現できる。

〈第８の実施形態〉
図１５を参照して光制御素子の第８の実施形態について説明する。図１５は、スラブ型２次元フォトニック結晶からなる光制御素子を模式的に示した図である。第１の実施形態と異なり、共振器として機能する線欠陥８１１を有する領域８０１のフォトニック結晶の円孔の大きさを小さくした構造を有している。共振器を構成するフォトニック結晶の円孔半径を変化させることにより、共振波長を変化させることができる。本構成により、高精度に波長特性を制御する光制御素子を実現できる。

フォトニック結晶の線欠陥からなる共振器において、円孔の半径を変化させたときの共振波長の変化を計算した結果を図１６のグラフに示す。図１６において、横軸は円孔の半径をフォトニック結晶におけるピッチaとの比で表しており、縦軸は共振器における共振波長である。

共振器は円孔三角配列のフォトニック結晶からなり、 a = 340nmとした。また半径r を0.30aから0.36aまで変化させた。背景材料の屈折率は2.0とし、円孔部分の屈折率を1.0として2次元FDTDシミュレーションにより計算した。このグラフより、円孔の大きさを変化させることで、50nm以上の広帯域にわたって共振波長の制御が可能となることがわかる。

ここで図１７に、図１５の構成を利用したフォトニック結晶配列の構成を示す。共振器として機能し、その円孔半径を変化させた線欠陥８２１〜８２３を並列に設置しており、それぞれの共振器には、線欠陥８２４〜８３１が導波路として接続される。導波路８２６から８２８は共振器を透過する波長に対する出力経路であり、導波路８２９から８３１はそれぞれの共振器において反射された光信号を隣接する共振器に入力する役割を担う。波長λ0からλn+1の光信号が導波路８２４から入力され、共振器８２１において共振する波長λ0は共振器を透過して導波路８２６から出力される。共振器８２１における共振波長以外の信号、すなわちλ1からλn+1は共振器８２１によって反射され、導波路８２９に出力される。この信号は８２９を経由して共振器８２２に入力される。以下同様の原理によって、共振器８２２において共振する波長λ1は導波路８２７から出力され、残りの信号は導波路８３０に出力される。これを繰り返し、最終的にはいずれかの共振器おける共振波長をもつ光信号は透過ポート、すなわち導波路８２６〜８２８のいずれかから出力され、あらゆる共振器の共振波長に一致しない波長λn+1を持つ光信号が導波路８２５から出力される。

以上の原理により、波長の異なる光信号をそれぞれ異なる導波路から取り出すことが可能になり、多チャネルの波長分波器として機能する。本構成において共振器の数を任意に選択でき、またそれに付随した導波路をも結合できることはいうまでもない。また図１７では共振器を１段としているが、第２の実施形態に記したように共振器を多重結合しても同様の効果が得られ、光制御素子の飛躍的な性能向上が可能になる。

〈第９の実施形態〉
図１８を参照して光制御素子の第９の実施形態について説明する。図１８は、スラブ型２次元フォトニック結晶からなる光制御素子を模式的に示した図である。第１の実施形態と異なり、共振器として機能する線欠陥９１１を有する領域９０１のフォトニック結晶の円孔間の距離が領域９０２および９０３を構成するフォトニック結晶の円孔間の距離より大きな構成を示している。本構成により、導波路の構成に依存せずに共振器の透過特性の最適化が可能となる。また図示しないが、本構成を利用してフォトニック結晶の円孔間の距離をわずかずつ変化させた共振器を複数配置し、図１７のような多段の出力をもつ光制御素子をも構成することが可能である。

〈第１０の実施形態〉
図１９を参照して光制御素子の第１０の実施形態について説明する。図１９は、スラブ型２次元フォトニック結晶からなる光制御素子を模式的に示した図である。第１の実施形態と異なり、共振器として機能する線欠陥１０１１を有する領域１００１において、円孔群１００４および１００５の位置のみを本来の共振器の結晶配列からずらして移動させている。これにより共振器を構成するフォトニック結晶の欠陥部分の間隔を、フォトニック結晶配列の列を除いたことによって形成される間隔とは異なる値に設計し、波長トレランスを拡大することが可能となる。

そのように設計したときの効果を図２０に示す。図２０は、第１０の実施形態の構成において、波長に対する共振器を透過した光信号の強度を表すグラフである。共振器内の欠陥長の値を変化させることにより、共振器の透過波長特性を変化させることが可能となる。具体的には、共振器の欠陥長がフォトニック結晶の配列を除いたことによって構成される間隔に等しい場合には図８に示すように波長透過特性の透過帯域が急峻となるが、共振器の欠陥長を適切に制御することにより、透過帯域を平坦化することが可能となる。これにより、波長ずれに対する性能の劣化を低減でき、波長トレランスをより拡大できる。なお、このような円孔群の位置をずらして移動する方法は共振器に対してだけでなく、導波路、つまり、領域１００２、１００３に対しても行うことができる。

〈第１１の実施形態〉
図２１を参照して光制御素子の第１１の実施形態について説明する。図２１は、スラブ型２次元フォトニック結晶からなる光制御素子を模式的に示した図である。第１の実施形態と異なり、共振器として機能する線欠陥１１１１を有する領域１１０１のフォトニック結晶の屈折率を領域１１０２、１１０３のそれと異なる構成を有している。共振器を構成するフォトニック結晶の屈折率を変化させることにより、共振器の波長特性すなわち共振波長、帯域幅等を変化させることができる波長フィルタ、光スイッチ、光強度変調器等の光制御素子が可能になる。

このような特定部位のみの屈折率変化は、その部位に特定元素を拡散させたり、光または電磁波によって屈折率の変化する材料に対して特定部位にのみ光または電磁波照射させたりすることによって実現できる。また等価的に屈折率を変化させる方法として、２次元スラブ型フォトニック結晶の膜厚を共振器部と導波路部で異ならせることも有効である。これは共振器あるいは導波路部をマスクしてエッチング等によってマスクが存在しない部分の膜厚を薄くすることによって容易に実現可能である。

〈第１２の実施形態〉
さらにここでは図示しないが、図２１の共振器部分の上下に透明電極等の電圧印加手段を形成して、屈折率等を可変制御する手段を設けることで、共振器の特性を能動的に変化させることで、超小型の波長可変フィルタ、光スイッチや光変調器が可能となる。

例えば、フォトニック結晶を半導体や光学結晶、あるいは磁気光学材料により形成する。さらに、共振器部分のみに電極を設け、熱、電圧等を印加することで熱光学効果、電気光学効果、磁気光学効果を利用して共振器の屈折率を変化させることができる。共振器に直接パルス光を照射し非線形光学効果による共振器の屈折率変調も有効である。また、屈折率変調以外にも、共振器特性を時間的に可変にする手段として、機械的にフォトニック結晶配列を歪ませることも有効である。共振器部分にアクチュエータ等を用いて応力を加えることにより、円孔および円孔間距離を歪ませ、波長透過特性を変化させることで波長可変機能をもつ光制御素子が可能になる。

図２２は屈折率変調による共振波長変化を計算した結果を表すグラフである。図２２において横軸は波長であり、縦軸は共振器を透過した光信号のパワーである。共振器は円孔三角配列のフォトニック結晶からなり、 a = 340nm、半径r =0.35aとした。共振器を構成するフォトニック結晶の結晶列数を6列とした。また、フォトニック結晶を構成する円孔部分の屈折率を1.0、基板の屈折率を2.0から1.99に変化させ、2次元FDTDシミュレーションにより計算した。

-0.01の屈折率変化により、共振波長は約2nmだけ短波長側に移動した。これは屈折率が下がることにより共振器内の光路長が短くなり、したがって共振器において共振する波長も短くなるためである。また、本素子を光スイッチに適用した場合、18dBの消光比をとることができる。消光比は共振器を構成するフォトニック結晶の列数を増やすほど大きくできる。また第２の実施形態の構成を適用することにより、図３に示すように透過波長帯域が平坦化され、さらに阻止帯域における消光比を大幅に改善できるため、光制御素子の飛躍的な性能向上が可能となる。

〈第１３の実施形態〉
図２３を参照して光制御素子の第１３の実施形態について説明する。図２３は、スラブ型２次元フォトニック結晶からなる光制御素子を模式的に示した図である。第１の実施形態と異なり、共振器として機能する線欠陥１３１１、１３１２を有する領域１３０１、１３０２のフォトニック結晶配列の間に、導波路として機能する線欠陥１３１５を有する領域１３０５のフォトニック結晶配列を設置したことである。本構成では波長透過特性が複数の共振器の単純な積で与えられるため、例えば、両共振器で共振波長を等しくすることにより、波長透過帯域幅を狭めることができる。したがって、共振器を構成するフォトニック結晶の列数による波長透過帯域幅の変化と組み合わせて、任意の波長帯域幅を実現することができる。なお、共振器の数は２つに限定されることはなく多段であって良いし、また、導波路の数も共振器の数に応じて増やして良い。

本構成の別の応用として、両共振器の共振波長をわずかに異ならせて結合させると、素子全体の透過特性は両者の透過特性の積で与えられるため、透過帯域を平坦化することが可能となる。複数の共振器の共振波長を異ならせる方法として、第８、第９の実施形態で示したように、円孔の大きさや円孔間の距離を各々の共振器で変化させることが有効である。また、第１２の実施形態で示した共振波長の制御方法を利用して共振波長を複数の共振器の共振波長を異ならせることなども有効である。

〈第１４の実施形態〉
図２４を参照して光制御素子の第１４の実施形態について説明する。図２４は、スラブ型２次元フォトニック結晶からなる光制御素子を模式的に示した図である。第１の実施形態と異なり、共振器として機能する線欠陥１４１１を有する領域１４０１と、導波路として機能する線欠陥を有する領域１４０２、１４０３との結合部に屈折率変調部１４０４、１４０５を設けてある。共振器の波長透過特性は、導波路と共振器の結合部における電磁界結合の強さに依存する。本構成は導波路と共振器の結合部に屈折率変調を可能にする方法を採り、微小な領域において共振器と導波路の電磁界結合の結合量を可変にすることにより、共振器を透過する波長特性を調整可能にする。具体的な方法としては、結合部に電極を設け、熱または電圧等を加えることで熱光学効果または電気光学効果を利用して屈折率変調を実現できる。

なお、上述した形態は本発明を実施するための最良のものであるが、これに限定する趣旨ではない。従って、本発明の要旨を変更しない範囲において種々変形することが可能である。

例えば、上記第１〜第１４の実施形態の構成を適宜組み合せたものを設計することにより、微小な領域で多機能の光制御素子を構成することができる。領域が微小であるため設計上の制限は無い。

本発明の光制御素子を適用した光スイッチ、光強度変調器、波長フィルタ、波長合波・分波素子、アド・ドロップ素子、波長可変フィルタ、レーザ発振器等の開発が望まれる。

第１の実施形態におけるスラブ型２次元フォトニック結晶からなる光制御素子を模式的に示した図である。第２の実施形態におけるスラブ型２次元フォトニック結晶からなる光制御素子を模式的に示した図である。共振器が１つの場合（ａ）と多段の場合（ｂ）の場合のスペクトル特性の形状を表すグラフである。第３の実施形態におけるスラブ型２次元フォトニック結晶からなる光制御素子を模式的に示した図である。第４の実施形態におけるスラブ型２次元フォトニック結晶からなる光制御素子を模式的に示した図である。第５の実施形態におけるスラブ型２次元フォトニック結晶からなる光制御素子を模式的に示した図である。第６の実施形態におけるスラブ型２次元フォトニック結晶からなる光制御素子を模式的に示した図である。第６の実施形態において、透過率の変化を波長ごとに表したグラフである。第６の実施形態において、フォトニック結晶線欠陥からなる共振器において、欠陥列数を変化させた場合の損失の変化を計算した結果を表すグラフである。導波路と共振器の接続構成を表す図（イ）〜（ニ）である。図１０（ロ）について共振器の波長透過特性を表すグラフである。図１０（ハ）について共振器の波長透過特性を表すグラフである。図１０（ニ）について共振器の波長透過特性を表すグラフである。第７の実施形態におけるスラブ型２次元フォトニック結晶からなる光制御素子を模式的に示した図である。第８の実施形態におけるスラブ型２次元フォトニック結晶からなる光制御素子を模式的に示した図である。第８の実施形態において、円孔の半径を変化させたときの共振波長の変化を計算した結果を表すグラフである。第８の実施形態におけるスラブ型２次元フォトニック結晶からなる光制御素子を模式的に示した別の図である。第９の実施形態におけるスラブ型２次元フォトニック結晶からなる光制御素子を模式的に示した図である。第１０の実施形態におけるスラブ型２次元フォトニック結晶からなる光制御素子を模式的に示した図である。第１０の実施形態の構成において、波長に対する共振器を透過した光信号の強度を表すグラフである。第１１の実施形態におけるスラブ型２次元フォトニック結晶からなる光制御素子を模式的に示した図である。第１２の実施形態において、屈折率変調による共振波長変化を計算した結果を表すグラフである。第１３の実施形態におけるスラブ型２次元フォトニック結晶からなる光制御素子を模式的に示した図である。第１４の実施形態におけるスラブ型２次元フォトニック結晶からなる光制御素子を模式的に示した図である。

符号の説明

１０１（共振器用）領域
１０２、１０３（導波路用）領域
１１１（共振器用）線欠陥
１１２、１１３（導波路用）線欠陥

Claims

フォトニック結晶配列を有し、該フォトニック結晶配列の第１の線欠陥からなる二以上の導波路と、該フォトニック結晶配列の第２の線欠陥からなる共振器を有する光制御素子において、
前記共振器を前記導波路の間に有し、前記第２の線欠陥に係る線欠陥の方向および前記第１の線欠陥のうち前記共振器の近傍に係る線欠陥の方向を各々異ならせ、
前記共振器のフォトニック結晶配列の結晶方位を、前記二以上の導波路のフォトニック結晶配列の結晶方位に対して回転させたことを特徴とする光制御素子。
前記第２の線欠陥を二以上有することを特徴とする請求項１に記載の光制御素子。
前記共振器を挟む２以上の導波路の第１の線欠陥のうち当該共振器の近傍に係る線欠陥の方向を各々異なるものにすることを特徴とする請求項１または２に記載の光制御素子。
前記第１の線欠陥からなる導波路を三以上有し、該導波路のうち、一つを光入力手段とし、二つを光出力手段とすることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の光制御素子。
前記フォトニック結晶配列は円形形状からなる配列であって、前記導波路および前記共振器を、該円形形状の半径において各々異なるものにすることを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の光制御素子。
前記フォトニック結晶配列は円形形状からなる配列であって、前記導波路および前記共振器を、該円形形状の中心間隔において各々異なるものにすることを特徴とする請求項１から５の何れかに記載の光制御素子。
前記フォトニック結晶配列の一部の位置を調節して、前記第１の線欠陥または前記第２の線欠陥の間隔を変更することを特徴とする請求項１から６の何れかに記載の光制御素子。
前記導波路の屈折率および前記共振器の屈折率を各々異なるものにすることを特徴とする請求項１から７の何れかに記載の光制御素子。
前記共振器により共振する光の波長を可変制御する手段を有することを特徴とする請求項１から８の何れかに記載の光制御素子。
前記共振器を多段有し、該共振器の間にフォトニック結晶配列の前記第１の線欠陥からなる導波路をさらに有することを特徴とする請求項１から９の何れかに記載の光制御素子。
前記導波路または前記共振器の電磁界結合量を制御する手段を有することを特徴とする請求項１から１０の何れかに記載の光制御素子。