JP6530332B2 - 光導波路およびドロップフィルタ - Google Patents

Description

本発明は、フォトニック結晶による光導波路およびドロップフィルタに関する。

光伝送処理および装置内・装置間光インタコネクトの基盤技術として、近年、シリコンフォトニクスやＩｎＰ系半導体を用いた光（電子）集積回路チップなどの高屈折率半導体を使った光デバイスおよび光信号処理回路が広く普及している。数μｍ程度の断面幅をもつ光配線や、この光配線を用いた光素子を集積した光集積回路ないし光電融合集積回路が現行の商品に採用されている。更なる微細化および低消費電力化を実現する次世代技術として、フォトニック結晶（Photonic Crystal：ＰＣ）が、研究開発されている。

フォトニック結晶は、高屈折率の媒体中に低屈折率の円柱などの格子要素を周期的に配置することで光のバンド構造を生成し、光の伝搬の制御を実現する人工結晶構造である。超小型の光回路の実現には、特に光の絶縁体となるフォトニックバンドギャップ（Photonic Bandgap: ＰＢＧ）を利用することが必須である。ＰＢＧを有するフォトニック結晶の中に、光を波長程度あるいは波長以下のナノスケールの微小体積に閉じ込めるナノ光導波路やナノ共振器が実現されている。また、これらを利用して超低消費パワーで動作するレーザ・メモリ・スイッチ・受光器・変調器などの光部品が試作されている。

ここで、２次元フォトニック結晶は、一般的に円柱ないし多角柱(ピラー)を格子状に配置するか、高屈折率の媒質中により低屈折率な円孔ないし多角形孔を格子状に形成することで実現される。結晶構造として、三角格子または四角格子が代表的であり、加えて高性能な共振器素子や光導波路を配置可能であることを勘案すればこれらの格子にほぼ限定される。

このような２次元フォトニック結晶においては、三角格子および四角格子の特定の１列から数列に対し、取り除くか、ピラーないし孔のサイズを変調するなどの操作を加えることにより、フォトニック結晶中に直線光導波路を形成することができる。四角格子においては、上述したことにより垂直あるいは水平方向に等価な光導波路を形成することができ、特にピラー型フォトニック結晶において有用である（非特許文献１参照）。

一方、孔配列型フォトニック結晶においては、三角格子が有用であることが知られている。特に、孔配列において最近接となるΓ−Ｋ方向においては、広帯域かつ低損失の光導波路が形成され、フォトニック結晶において最も代表的な光導波路として活用されてきた（非特許文献２参照）。

ところで、非特許文献３に示されているようにΓ−Ｋ方向に対し３０度傾斜したΓ−Ｍ方向に光導波路を形成すると、この方向に対してはフォトニック結晶上下への面外放射が発生するライトコーン（波数空間において全反射されない光の領域）の制約が厳しくなり、損失が増大する問題がある（非特許文献４参照）。結晶の六方対称性により、Γ−Ｋ方向の光導波路を６０度毎に６方向に作製することができるため、上述したことにより、フォトニック結晶内の光導波路としてはΓ−Ｋ方向の光導波路が利用されてきた。

四角格子における９０度毎の４方向、三角格子における上記６方向の向きの異なる直線光導波路間で光を伝搬させるためには、光導波路を突き合わせて曲げる必要がある。従来、フォトニック結晶における光導波路の折り曲げは一点で行われてきた。四角格子フォトニック結晶における光導波路９０度曲げ（非特許文献１参照）、三角格子フォトニック結晶における光導波路６０度曲げ（非特許文献５参照）、１２０度曲げ（非特許文献６参照）が、フォトニック結晶の有用性を示す代表的な事例として広く知られている。

しかしながら、一点において光導波路を突き合わせて曲げる場合において、単純な設計では曲げの箇所には、非特許文献７に示されているように高損失の導波モードが形成されるか、非特許文献８に示されているように共振器が形成され、これらの制約を、曲げ部分の透過特性が受けることが知られている。このような不要な導波モードあるいは共振器モードを除去するためには、例えば非特許文献７に報告されているような特殊な設計を採用する必要がある。このため、一点における光導波路折り曲げの反復利用によるジグザグ状の多重曲げ光導波路では、自在な曲線光導波路を実現することは困難であった。

また、２次元フォトニック結晶における曲線光導波路の設計および実験検討結果が、非特許文献９に報告されている。しかし、非特許文献９に報告されている設計では、光導波路の周囲の結晶が大きく曲げられているため、既に報告されている多くの高性能フォトニック結晶デバイスを周辺に配置できない、あるいは集積光回路設計に制約が加わるなどの問題がある。フォトニック結晶最大の特長である超小型かつ高密度の光集積回路の実現に対しては、結晶に大きな曲げや歪の領域を設けることなく、三角格子または四角格子の結晶性を保つことが望ましい。また、非特許文献９の技術は、あくまでも結晶全体を曲線状にして曲線光導波路化する設計であって、光導波路が結晶に対して曲線になる設計では無かった。

非特許文献１０には、フォトニック結晶が有する長距離の結晶規則性を除去し、かつ全面内方向に大きなフォトニックバンドギャップを有する超均一乱雑光固体（hyperuniform disordered photonic solids；ＨＤＰＳ）の設計について記載されている。また、非特許文献１０には、通常のフォトニック結晶を用いる従来手法では前例のないＳ字状の光導波路等の自在な曲線光導波路が実現されうることも報告されている。

しかしながら、ＨＤＰＳ中にフォトニック結晶デバイスを配置することは不可能であり、また原理的にはＨＤＰＳ中への光デバイスや光導波路の実現が可能であっても、規則性を欠くＨＤＰＳ中にリソグラフィの手法により量産性良く光回路を作成することは困難である。

非特許文献１１には、光共振器の規則的な配列を構成し共振器を互いに結合させることにより光導波路が構成されることが示されている。また光共振器配列を一点で折り曲げることが可能であることが示されている。しかしフォトニック結晶内で光共振器配列を連続的に自在に曲げて曲線導波路として利用する先行発明は無かった。

特開２０１５−１５２６８９号公報

M. Tokushima et al., "1.5-mm-wavelength light guiding in waveguides in square-lattice-of-rod photonic crystal slab", Applied Physics Letters, vol.84, no.21, pp.4298-4300, 2004. M. Notomi et al., "Extremely Large Group-Velocity Dispersion of Line-Defect Waveguides in Photonic Crystal Slabs", Physical Review Letters, vol.87, no.25, 253902, 2001. K. Furuya et al., "Novel Ring Waveguide Device in a 2D Photonic Crystal Slab -Transmittance Simulated by Finit-Difference Time-Domain Analysis-", Japanese Journal of Applied Physics, vol.43, no.4B, pp.1995-2001, 2004. Y. Liu et al., "Γ-Μ waveguides in two-dimensionaltriangular-lattice photonic crystal slabs", Optics Express, vol.16, no.26, pp.21483-21490, 2008. T. Baba et al., "Observation of light propagation in photonic crystal optical waveguides with bends", Electronics Letters, vol.35, no.8, 1999. M. Tokushima et al., "Lightwave propagation through a 120° sharply bent single-line-defect photonic crystal waveguide", Applied Physics Letters, vol.76, no.8, pp.952-954, 2000. A. Chutinan et al., "Wider bandwidth with high transmission through waveguide bends in two-dimensional photonic crystal slabs", Applied Physics Letters, vol.80, no.10, pp.1698-1700, 2002. K. Inoshita and T. Baba, "Lasing at bend, branch and intersection of photonic crystal waveguides", Electronics Letters, vol.39, no.11, 2003. J. Sugisaka et al., "Development of curved two-dimensional photonic crystal waveguides", Optics Communications, vol.281, pp.5788-5792, 2008. M. Florescu et al., "Optical cavities and waveguides in hyperuniform disordered photonic solids", Physical Review B, vol.87, no.16, 165116, 2013. A. Yariv et al., "Coupled-resonator optical waveguide: a proposal and analysis", Optics Letters, vol.24, no.11, pp.711-713, 1999. M. Minkov and V. Savona, "Automated optimization of photonic crystal slab cavities", Sci. Rep., vol.4, 5124, 2014. E. Kuramochi et al., "Systematic hole-shifting of L-type nanocavity with an ultrahigh Q factor", Opt. Lett., vol.39, no. 19, pp.5780-5783, 2014.

以上に説明したように、従来の技術では、量産性のいい状態で、結晶に大きな曲げや歪の領域を設けるなどの制約が無い状態で、フォトニック結晶を用いた光導波路の導波方向を自由に変更させることができず、また曲線光導波路の周辺で集積度を向上させることが容易ではないという問題があった。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、様々な制約が無く量産性のいい状態で、フォトニック結晶による光導波路の導波方向を自由に変更できるようにすることを目的とする。

本発明に係る光導波路は、基部および基部に対象とする光の波長以下の間隔で三角格子状に周期的に設けられて基部とは異なる屈折率の柱状の複数の格子要素を備えるフォトニック結晶本体と、フォトニック結晶本体に設けられて、フォトニック結晶の格子要素がない部分から構成された点欠陥による１０万以上のＱ値を有する光共振器が３個以上配列された光結合共振器とを備えている。本発明では隣接する光共振器の中心間隔Ｌをフォトニック結晶の格子定数ａの１０倍以内に設定することとする。Ｌがこれより長くても光結合共振器を形成することは可能であるが、結合共振器モードが連続的ではなくとびとびの離散的なモードに分裂するか、あるいは導波路帯域が極めて狭くなるため、曲線光導波路として実用性の無いものとなる。

従来の技術において、光結合共振器の配置は一点折り曲げがあるものも含め直線的・規則的で間隔は一定であった。これに対し本発明では上記１０ａより小さければＬは一定である必要は無く、不規則であってよい。また結合共振器を構成する任意の連続する２つの光共振器の角度は一定或いは規則的ではなく任意の角度に変わるものとする。基本的に本発明そのものにおいて隣接共振器のなす角度θに制限は無く、また共振器の間隔にも下限はない。但し配置する光共振器（非特許文献１３記載のＬ２，Ｌ３，Ｌ４或いは非特許文献１２記載のＨ０など）のフットプリント（共振器を生成するために除去やシフト等を行う穴をすべて含む）により角度や間隔に制約が生ずる場合がある。

本発明において、基本的に光共振器の間隔Ｌが小さいほど導波路帯域はより広くなり、導波路損失も小さくなる。故に、Ｌは小さければ小さいほど良い。一方で、小さい間隔を実現するためには光共振器のサイズ（フットプリント）が小さいことが要求される。このような光共振器は少数個の点欠陥をベースとしたフォトニック結晶ナノ共振器に限定される。更に光導波路の長さが十分長い場合でも損失を実用上問題ない程度に低く抑えるために、共振器のＱ値は単一共振器の状態で１０万以上である必要がある。

本発明において、光共振器は単一の共振器モードのみを持つシングルモード共振器と、複数の共振器モードを有するマルチモード共振器とのどちらであっても良い。後者の場合は異なるモードからそれぞれ結合共振器モードが発生し、それらが互いにオーバーラップすることで、より広い導波路帯域が構成される場合がある。

フォトニック結晶内に任意の自在な曲線光導波路を配置する場合、その中心の軌跡は一般にフォトニック結晶の穴配列とは整合しない。従って常に自在曲線上に光共振器を配置した結合共振器を構成しようとすると、光共振器をフォトニック結晶に対しずらして配置する必要がある。これをそのまま実行しようとすると、光共振器の形状が損なわれるため性能が大きく損なわれる。またこれを避けて光共振器の形状を保とうとすると周囲の結晶を歪ませる必要を生じる。

これに対し、本発明では各光共振器を常に結晶に合わせて配置し、曲線導波路を実現するために結晶からずらして配置することは無い。即ち実際の光共振器の配置と設計の自在曲線との間にずれが発生することになる。光共振器のサイズが十分小さければ、このずれを概ね格子定数の１倍以内に抑えることが可能である。一般に有用な光波長帯における格子定数は０．５μｍ以下であり、また曲線導波路として有用かつ実用的な曲率半径は数μｍである（１μｍ以下の急激折り曲げに対しては前記一点折り曲げの採用がより適切である）から、共振器の中心を自在曲線上から結晶格子に合わせてずらす「丸め」操作を行ったとしても、曲線導波路のレイアウトの変化は軽微であり、影響はほぼ無視できる。この「丸め」操作に伴うシフト量は光導波路の方向・配置する光共振器のフットプリント・共振器モード形状によっては格子定数の数倍を要する場合がある。

また、本発明に係るドロップフィルタは、上述した光導波路による第１光導波路部および第２光導波路部と、第１光導波路部および第２光導波路部の間のフォトニック結晶本体に配置されたフィルタ共振器とを備える。

上記ドロップフィルタにおいて、フィルタ共振器を構成するフィルタ光閉じ込め部はフォトニック結晶に配置可能な光共振器であって、第１光導波路部および第２光導波路部と結合可能な共振器モードを有すれば良い。所望のフィルタ特性を実現するために、光共振器の波長およびＱ値が所定の値になるよう、共振器の構造は適宜選択・調整される。単一共振器を用いる場合、フィルタのＱ値Ｑ_FはＱ_F ^-1＝Ｑ_I ^-1＋Ｑ₁ ^-1＋Ｑ₂ ^-1により与えられる。ここでは共振器内部Ｑ値、Ｑ₁、Ｑ₂はそれぞれ共振器と第１光導波路部・第２光導波路部との結合Ｑ値である。このように、Ｑ_Fは光共振器の性能のみでは決まらず導波路との結合も含めて設計されるべきものである。ではあるが、非常に広い透過帯域を要する場合を除き、Ｑ_Fは高ければ高いほど設計の自由度は高くなり、また透過波長における挿入損失も低減される。

上記ドロップフィルタの基本動作原理は、フィルタ共振器と第１・第２の直線フォトニック結晶導波路部から構成される既存のドロップフィルタと変わらない。但し光導波路部の物理が既存技術においては通常の光導波路となっているのに対し、本発明では複数の光閉じ込め部からなる光結合共振器となっているところが大きく異なる。本構成においては、第１光導波路部と第２光導波路部とがフィルタ共振器を介さず直接結合することが無いように設計上配慮を行う必要がある。

以上説明したことにより、本発明によれば、様々な制約が無く量産性のいい状態で、フォトニック結晶による光導波路の導波方向を自由に変更できるという優れた効果が得られる。

図１は、本発明の実施の形態１における光導波路の構成を示す構成図である。 図２Ａは、本発明の実施の形態１における光閉じ込め部１０４の構成を示す構成図である。 図２Ｂは、光閉じ込め部１０４による共振器の基底共振器波長を説明するための特性図である。 図３Ａは、本発明の実施の形態１における光導波路の構成を説明するための写真である。 図３Ｂは、本発明の実施の形態１における光導波路の透過スペクトルを示す特性図である。 図４は、本発明の実施の形態２における光導波路の構成を示す構成図である。 図５Ａは、本発明の実施の形態２における光導波路の構成を説明するための写真である。 図５Ｂは、本発明の実施の形態２における光導波路の透過スペクトルを示す特性図である。 図６は、本発明の実施の形態３における光導波路の構成を示す構成図である。 図７は、本発明の実施の形態３における光閉じ込め部（フィルタ光閉じ込め部）６０６による共振器（フィルタ共振器）の構成を示す構成図である。 図８Ａは、本発明の実施の形態３における光導波路の構成を説明するための写真である。 図８Ｂは、本発明の実施の形態３における光導波路の透過スペクトルを示す特性図である。 図８Ｃは、光閉じ込め部（フィルタ光閉じ込め部）６０６による共振器（フィルタ共振器）の基底共振器波長を説明するための特性図である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１について図１を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態１における光導波路の構成を示す構成図（平面図）である。この光導波路は、フォトニック結晶本体１０１と、配列された複数の光閉じ込め部１０４からなる光導波路部とを備える。図１において、点線（仮想線）の矩形により光閉じ込め部１０４のおおよその位置を示している。

フォトニック結晶本体１０１は、基部１０２および基部１０２に対象とする光の波長以下の間隔で三角格子状に周期的に設けられて基部１０２とは異なる屈折率の柱状の複数の格子要素１０３を備える。フォトニック結晶本体１０１は、いわゆる２次元スラブ型のフォトニック結晶であり、格子要素１０３は、例えば円柱状の中空構造である。

光閉じ込め部１０４は、フォトニック結晶の格子要素１０３がない部分から構成された点欠陥により構成されている。５個以上の光閉じ込め部１０４を配列することで、光導波路部を構成する。図１の例では、仮想の円１２１，仮想の円１２２に沿うように光閉じ込め部１０４を配置（配列）している。この例では、仮想の円１２１および仮想の円１２２の半径が４．８μｍであり、光閉じ込め部１０４の中心（共振器中心）の仮想の円１２１および仮想の円１２２からのずれは、フォトニック結晶の格子定数（ａ＝４１０ｎｍ）以下とされている。また、複数の光閉じ込め部１０４による光導波路部の両端は、線状欠陥による直線光導波路１１１，１１２に光接続している。

各光閉じ込め部１０４は、所定の曲線に近い折れ線状に配置されている。また、各光閉じ込め部１０４はフォトニック結晶に整合するように配置されている。また、隣接する光閉じ込め部１０４の間隔が格子定数の１０倍以下であり、各光閉じ込め部１０４は、上述した所定の曲線に対して０のずれをもって配置されている。ここで、光閉じ込め部１０４の基底共振モードＱ値は、１０万以上であるとよい。また、光閉じ込め部１０４の所定の曲線からのずれの量は、格子定数の２倍以内であればよい。

以下、実施の形態１における光閉じ込め部１０４について、図２Ａを用いてより詳細に説明する。光閉じ込め部１０４は、フォトニック結晶共振器を構成しており、フォトニック結晶の格子要素１０３がない部分から構成された２つの点欠陥１０５ａ，点欠陥１０５ｂにより光閉じ込め部１０４が構成されている。実施の形態１では、いわゆるＬ２共振器である。実施の形態１では、基部１０２は、シリコンから構成されている。

このＬ２共振器としたフォトニック結晶結合共振器は、上述した光閉じ込め部１０４を中心としてこの両側において、フォトニック結晶のΓ−Ｋ結晶方位方向の直線上に連続する１０個の格子要素からなる第１格子要素対，第２格子要素対，第３格子要素対，第４格子要素対，第５格子要素対を備える。第１格子要素対は、格子要素１３１ａおよび格子要素１３１ｂから構成されている。第２格子要素対は、格子要素１３２ａおよび格子要素１３２ｂから構成されている。第３格子要素対は、格子要素１３３ａおよび格子要素１３３ｂから構成されている。第４格子要素対は、格子要素１３４ａおよび格子要素１３４ｂから構成されている。第５格子要素対は、格子要素１３５ａおよび格子要素１３５ｂから構成されている。

また、第１格子要素対，第２格子要素対，第３格子要素対，第４格子要素対，第５格子要素対は、Γ−Ｋ結晶方位方向の直線上で、光閉じ込め部１０４の中心（共振器中心）から対称となる外側へのシフト量が、共振器Ｑ値が最大となる状態に最適化されている。ここで、共振器中心は、点欠陥１０５ａと点欠陥１０５ｂとの間となる。

屈折率が３．４６のシリコンから構成された基部１０２の厚さｄを２００ｎｍとし、格子定数ａが４１０ｎｍ、各格子要素の穴半径ｒが９５ｎｍであるとする。このフォトニック結晶共振器においては、第１格子要素対のシフト量ｓ１＝０．３５ａ、第２格子要素対のシフト量ｓ２＝０．８０５×ｓ１（＝０．２８ａ）、第３格子要素対のシフト量ｓ３＝０．５×ｓ１（＝０．１７５ａ）、第４格子要素対のシフト量ｓ４＝０．３３３×ｓ１（≒０．１２ａ）、第５格子要素対のシフト量ｓ５は、０とされている。電磁界シミュレーションにおける本共振器の基底モードはＱ値３００万以上、第一高次モードのＱ値は約１万となる。

上述した実施の形態１によれば、光導波路部を構成する各々の光閉じ込め部１０４を構成する共振器は、１つの部分に当たり、１〜３個の格子要素１０３の除去と、最大でも１０個の格子要素１０３の微小なシフトにより構成できるため、これら周囲のフォトニック結晶の格子に、何ら幾何学上の影響を与えない。

なお、隣り合う光閉じ込め部１０４の中心間の間隔は、所望とする光導波路形状（曲線）およびフォトニック結晶格子に整合して配置を行うため、一般に一定の値にはならず、光導波路部としたい曲線上を進むにつれて変動する。

一般に非特許文献１１を初めとする既存の結合共振器では、共振器を直線上に配置すると共に共振器間隔Ｌを一定としており、光閉じ込め部１０４の中心間の間隔が一定とならない本発明における光導波路は、従来の構成とは全く異なっている。

本発明では、導波方向が自在な曲線導波路を実現するため、隣り合う光閉じ込め部１０４の移動方向の角度が、フォトニック結晶に対して０度から３６０度の範囲で変化することになる。Γ―Ｋ方向を０度とすると、図１に例示した実施の形態１では、図１に示す左の直線光導波路１１１からまず９０度方向に出発し、仮想の円１２１の紙面下側の円弧を進む間に０度を経て−９０度にまで向きを変える。続いて、仮想の円１２２の紙面上側の円弧の部分で０度を経て９０度にまで戻り、右の直線光導波路１１１に接続する。

特許文献１に示されているように、結合共振器の結合は、共振器対の角度θと間隔Ｌとに依存する。本発明においては、隣り合う光閉じ込め部１０４の関係となり、角度θは隣り合う光閉じ込め部１０４の移動方向の角度となる。特に、格子要素を取り除いた点欠陥を直線状に配列した光閉じ込め部１０４によるＬ型共振器の場合においては、θが２５度から５０度の範囲では共振器間の結合が増強されるため、導波路帯域が広く、伝搬損失が小さくなる。一方、θが０度か９０度に近い場合は共振器間の結合が弱くなるため、導波路帯域が狭く、伝搬損失が大きくなる。間隔Ｌについても狭いほど共振器間の結合が増強されるため、導波路帯域が広く、伝搬損失が小さくなる。

複数の光閉じ込め部１０４を曲線上に配列させて構成した光導波路の伝搬特性は、基本的に中途の各部分（光閉じ込め部１０４）のθとＬとに依存することになる。光閉じ込め部１０４による共振器のＱ値については、光導波路の伝搬損失を低減するために高ければ高いほど良い。総合的に本発明においては、非常にＱ値の高い共振器を非常に狭い間隔で配置することが重要であり、前述した実施の形態で説明した超小型超高Ｑ値共振器を用いるのが有効である。

次に、実施の形態１における光導波路の特性について、図３Ａ，図３Ｂを用いて説明する。なお、基部１０２はシリコンから構成し、板厚２００ｎｍとし、格子定数ａ＝４１０ｎｍとしている。また、基部１０２の周囲は空気層であり、円柱状の中空構造とした格子要素１０３の半径は、９５ｎｍとした。また、図２Ｂに示すように、１つの光閉じ込め部１０４による共振器の基底共振器波長は約１５３７ｎｍであり、Ｑ値は６０万である。また第一高次共振器モードが１４９０ｎｍ付近の波長に存在するが、１万程度と推定されるＱ値は計測できなかった。

波長１５２５ｎｍのレーザ光を、直線光導波路１１１より入力すると、図３Ａの（ｂ）に示すように、曲線状の光導波路部に沿った光伝搬を示す明瞭な画像が取得された。この画像は、フォトニック結晶本体１０１の上面側に設けた赤外線カメラにより撮像したものである。なお、図３Ａの（ａ）は、作製した光導波路部を上面から撮影した写真である。

次に、実施の形態１における光導波路の透過スペクトルを図３Ｂの（ａ）に示す。なお、図３Ｂの（ｂ）は、直線状の点欠陥光導波路における透過スペクトルである。１４７５ｎｍ〜１５３０ｎｍの５５ｎｍに及ぶ広い導波路帯域は、基底モードからなる結合共振器モードと第一高次共振器モードからなる結合共振器モードとの重なりにより形成されている。曲線導波路の総延長３０μｍに対し、特に１５２０ｎｍ台の波長帯域ではほぼ０の損失が示されている。他の帯域での透過率の落ち込みは前述の通り、特定のθにおいて制約を受けるためである。規則的なフォトニック結晶中での長大で連続的な曲線光導波路の実現が本発明により初めて実現実証された。

［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２について図４を用いて説明する。図４は、本発明の実施の形態２における光導波路の構成を示す構成図である。この光導波路は、フォトニック結晶本体４０１と、配列された複数の光閉じ込め部４０４からなる光導波路部とを備える。図４において、点線（仮想線）の矩形により光閉じ込め部４０４のおおよその位置を示している。

フォトニック結晶本体４０１は、前述した実施の形態１と同様に複数の格子要素４０３を備える。なお、図４では、基部を省略している。フォトニック結晶本体４０１は、いわゆる２次元スラブ型のフォトニック結晶であり、格子要素４０３は、例えば円柱状の中空構造である。

光閉じ込め部４０４は、フォトニック結晶の格子要素４０３がない部分から構成された点欠陥により構成されている。５個以上の光閉じ込め部４０４を配列することで、光導波路部を構成する。図４の例では、「Ｓ」字状に複数の光閉じ込め部４０４を配列して曲線光導波路としている。また、複数の光閉じ込め部４０４による光導波路部の両端は、線状欠陥による直線光導波路４１１，４１２に光接続している。

ここで、光閉じ込め部４０４においては、ここを中心としてこの両側において、フォトニック結晶のΓ−Ｋ結晶方位方向の直線上に連続する１０個の格子要素４０３からなる第１格子要素４０３対，第２格子要素４０３対，第３格子要素４０３対，第４格子要素４０３対，第５格子要素４０３対の、直線上で中心から対称となる外側へのシフト量が、同一の一次結合関係により共振器Ｑ値が最大となる状態に最適化されている。これらは前述した実施の形態１と同様である。

次に、実施の形態２における光導波路の特性について、図５Ａ，図５Ｂを用いて説明する。なお、基部はシリコンから構成し、板厚２００ｎｍとしている。また、基部の周囲は空気層であり、円柱状の中空構造とした格子要素４０３の半径は、９５ｎｍとした。

波長１５２５ｎｍのレーザ光を、直線光導波路４１１より入力すると、図５Ａの（ｂ）に示すように、曲線状（Ｓ字状）の光導波路部に沿った光伝搬を示す明瞭な画像が取得された。この画像は、フォトニック結晶本体１０１の上面側に設けた赤外線カメラにより撮像したものである。なお、図５Ａの（ａ）は、作製した光導波路部を上面から撮影した写真である。

次に、実施の形態２における光導波路の透過スペクトルを図５Ｂの（ａ）に示す。なお、図５Ｂの（ｂ）は、直線状の点欠陥光導波路における透過スペクトルである。この例においても広い導波路帯域が実測された。図３Ｂを用いて説明した前述の例に比較して全体的に透過率が低下し特性が悪くなっているが、これは主に曲線状（Ｓ字状）の光導波路部の中央領域に、隣り合う光閉じ込め部４０４の移動方向の角度θが小さく、隣り合う光閉じ込め部４０４との間の距離Ｌが大きい部分が存在するためである。θとＬに着目して光閉じ込め部の配列（配置）の最適化を行えば、得られる光導波路においては、透過帯域の広帯域フラット化と低損失化が可能である。

［実施の形態３］
次に、本発明の実施の形態３について図６を用いて説明する。図６は、本発明の実施の形態３における光導波路の構成を示す構成図である。この光導波路は、フォトニック結晶本体６０１と、配列された複数の光閉じ込め部６０４からなる光導波路部とを備える。図６において、点線（仮想線）の矩形により光閉じ込め部６０４のおおよその位置を示している。

フォトニック結晶本体６０１は、前述した実施の形態１と同様に複数の格子要素６０３を備える。なお、図６では、基部を省略している。フォトニック結晶本体６０１は、いわゆる２次元スラブ型のフォトニック結晶であり、格子要素６０３は、例えば円柱状の中空構造である。

光閉じ込め部６０４は、フォトニック結晶の格子要素６０３がない部分から構成された点欠陥により構成されている。５個以上の光閉じ込め部６０４を配列することで、光導波路部を構成する。個々の光閉じ込め部６０４は、前述した実施の形態１の光閉じ込め部１０４，実施の形態２の光閉じ込め部４０４と同様である。

図６の例では、仮想の円６２１に沿うように配列した複数の光閉じ込め部６０４による曲線光導波路（第１光導波路部）と、仮想の円６２２に沿うように配列した複数の光閉じ込め部６０４による曲線光導波路（第２光導波路部）との２つの光導波路部を、同一のフォトニック結晶本体６０１に備える。仮想の円６２１に沿う第１光導波路部の両端は、線状欠陥による直線光導波路６１１，６１２に光接続している。また、仮想の円６２２に沿う第２光導波路部の両端は、線状欠陥による直線光導波路６１３，６１４に光接続している。

上述した構成に加え、仮想の円６２１に沿う第１光導波路部と、仮想の円６２２に沿う第２光導波路部との間のフォトニック結晶本体６０１に、光閉じ込め部（フィルタ光閉じ込め部）６０６による共振器（フィルタ共振器）を配置する。ここでは、仮想の円６２１に沿う第１光導波路部と、仮想の円６２２に沿う第２光導波路部とは、光閉じ込め部６０６を中心に点対称な関係に配置されている。また、仮想の円６２１に沿う曲線状の光導波路部と、仮想の円６２２に沿う曲線上の光導波路部とは、互いに凸部の側が向き合っている。

また、仮想の円６２１に沿う第１光導波路部と、仮想の円６２２に沿う第２光導波路部との距離は、光閉じ込め部６０６がない場合に両者が光結合しない状態となっている。なお、仮想の円６２１に沿う第１光導波路部と光閉じ込め部６０６による共振器とは、光結合可能な間隔とされている。同様に、仮想の円６２２に沿う第２光導波路部と光閉じ込め部６０６による共振器とは、光結合可能な間隔とされている。これらにより、ドロップフィルタ（４端子ドロップフィルタ）が構成されている。光閉じ込め部６０６による共振器（フィルタ共振器）の中心と、上記第１光導波路部および上記第２光導波路部との間隔が最短部分でそれぞれ格子定数の１０倍以内とされていればよい。

光閉じ込め部６０６による共振器は、無点欠陥型と呼ばれ、結晶中から１つも結晶穴を取り除いていない。無点欠陥型の共振器は、周囲より間隔を開けて配置した格子要素よりなる光閉じ込め部を形成し、光閉じ込め部に光を閉じ込める共振器としている。周囲の格子要素は、フォトニック結晶のΓ−Ｋ結晶方位に沿って、互いに遠ざける方向にシフトさせている。無点欠陥型の共振器は、２次元ナノ共振器として最小の０．２（λ／ｎ）³程度のモード体積を実現できる共振器として広く知られている。

実施の形態３における無点欠陥型の光閉じ込め部６０６による共振器は、図７に示すように、第１格子要素６３１，第２格子要素６３２，第３格子要素６３３，第４格子要素６３４，第５格子要素６３５，第６格子要素６３６，第７格子要素６３７，第８格子要素６３８，第９格子要素６３９ａ，および第１０格子要素６３９ｂから構成している。

例えば、格子定数ａ＝４１０ｎｍ、穴半径ｒ＝９５ｎｍ、基部の板厚ｔ＝２００ｎｍにおいて、（第１格子要素対のシフト量、第２格子要素対のシフト量、第３格子要素対のシフト量、第４格子要素対のシフト量、第５格子要素対のシフト量）＝（０．３８５ａ、０．３４７ａ、０．３０８ａ、０．２３１ａ、１０ｎｍ）とすればよい。なお、第５シフト量は、格子定数の０．００１〜０．０３倍となっていればよい。この場合、光閉じ込め部６０６による共振器の規定共振器モードの理論Ｑ値は、８００万以上となる。

次に、実施の形態３における光導波路によるドロップフィルタの特性について、図８Ａ，図８Ｂ，図８Ｃを用いて説明する。なお、基部はシリコンから構成し、板厚２００ｎｍとし、格子定数ａ＝４１０ｎｍとしている。また、基部の周囲は空気層であり、円柱状の中空構造とした格子要素６０３の半径は、９５ｎｍとした。

図８Ａに示すように、波長１５１９ｎｍのレーザ光を左下の導波路入力ポートとなる直線光導波路６１３より入力すると、光は下側の曲線導波路へ伝搬した後、光閉じ込め部６０６による共振器を介して上側の曲線導波路へドロップされ、右上の導波路出力ポートとなる直線光導波路６１３に伝搬する。ここで、図８Ａの（ａ）は、作製した光導波路部を上面から撮影した写真であり、図８Ａの（ｂ）は、フォトニック結晶本体の上面側に設けた赤外線カメラにより撮像した画像である。なお、この例では、図６を用いて説明した例に比較して、各曲線導波路と光閉じ込め部６０６による共振器との距離を縮めてある。

次に、実施の形態３におけるドロップフィルタの透過スペクトルを図８Ｂに示す。図８Ｂの（ａ）は、入力側の直線光導波路６１１および仮想の円６２２に沿う第２光導波路部における透過スペクトルである。また、図８Ｂの（ｂ）は、出力側となる、仮想の円６２２に沿う第２光導波路部および直線光導波路６１２における透過スペクトルである。

入力側においては、図８Ｂの（ａ）に示すように、十分広く高い透過特性を示している。これに対し、出力側においては、図８Ｂの（ａ）に示すように、光閉じ込め部６０６による無点欠陥型の共振器の基底共振器モード波長のみが透過していることが分かる。このように、実施の形態３における構成によれば、明瞭なドロップフィルタ動作が示された。なお、ドロップピークを図８Ｃに示す。図８Ｃに示すドロップピークは、共振器Ｑ値２３万に対応している。

上述したように、本発明による光導波路にフォトニック結晶光共振器を組み合わせることで、ドロップフィルタなどの高性能な光素子および光回路が実現されることが実証された。ドロップピークが示す通り、光閉じ込め部６０６による無点欠陥型の共振器のモード波長は１５１９ｎｍであり、図２Ｂに示した光閉じ込め部１０４によるＬ２共振器のモード波長１５３７ｎｍとは著しく離調している。この２つの大きく離調した異なる設計の共振器同士が直接結合することは原理的にあり得ない。このことより明らかなように、上述した実施の形態３におけるドロップフィルタ構造は、結合共振器の分岐には該当しない。ここで得られた結果は、結合共振器モードが、波長が同調する任意の光共振器に対し通常の光導波路と同様にふるまうことを示している。これは物理的・光学的にも重要な新発見である。

以上に説明したように、本発明によれば、フォトニック結晶の格子要素がない部分から構成された点欠陥による光閉じ込め部を配列することでフォトニック結晶本体に光導波路部を形成するようにしたので、様々な制約が無く量産性のいい状態で、フォトニック結晶による光導波路の導波方向を自由に変更できるようになる。

上述した例では、複数の光閉じ込め部（共振器）を配列した曲線状の部分の曲率半径は数μｍ程度であるが、現実的な共振器を利用する構成において数〜数十μｍの曲率半径の曲線導波路が実現可能である。１μｍ以下の曲げには一点における折り曲げで対応すれば良いので、本発明により超小型平面光回路中の曲線導波路として有用な範囲の曲線がほぼカバーされる。

本発明において初めて、曲線状の間隔が一定でない結合共振器を有用な光導波路とする手法を提示している。非特許文献９，非特許文献１０とは異なり、既存の多くの高性能フォトニック結晶光素子・光電子素子と完全な互換性があり、これらに容易に組み合わせることが可能である。また、非特許文献９とは異なり、曲線導波路の周辺にフォトニック結晶光素子が配置可能であり、超高密度の集積光回路をフォトニック結晶中に実現することが可能であり、有利である。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。本発明は２次元フォトニック結晶中に配置できる任意の光共振器により構成可能である。また前述した板状の基部に形成した複数の中空構造からなる三角格子フォトニック結晶に限らず、四角格子フォトニック結晶やピラー型フォトニック結晶に対しても、本発明は適用可能である。

１０１…フォトニック結晶本体、１０２…基部、１０３…格子要素、１０４…光閉じ込め部、１１１，１１２…直線光導波路、１２１，１２２…仮想の円。

Claims (4)

1. 基部および前記基部に対象とする光の波長以下の間隔で三角格子状に周期的に設けられて前記基部とは異なる屈折率の柱状の複数の格子要素を備えるフォトニック結晶本体と、
   前記フォトニック結晶本体に設けられて、フォトニック結晶の前記格子要素がない部分から構成された点欠陥による光閉じ込め部が３個以上配列された光導波路部と
   を備え、
   各光閉じ込め部が所定の曲線に近い折れ線状に配置され、各光閉じ込め部はフォトニック結晶に整合するように配置され、隣接する光閉じ込め部の中心間の間隔が一定ではなく、かつ格子定数の１０倍以下であって、各光閉じ込め部が前記所定の曲線に対して０または格子定数の２倍以内のずれをもって配置される
   ことを特徴とする光導波路。
2. 請求項１記載の光導波路において、
   前記光閉じ込め部の基底共振モードＱ値が１０万以上であることを特徴とする光導波路。
3. 請求項１または２に記載した光導波路による第１光導波路部および第２光導波路部と、
   前記第１光導波路部および第２光導波路部の間の前記フォトニック結晶本体に配置されたフィルタ共振器と
   を備えることを特徴とするドロップフィルタ。
4. 請求項３記載のドロップフィルタにおいて、
   前記フィルタ共振器の中心と、第１光導波路部および第２光導波路部との間隔が最短部分でそれぞれ格子定数の１０倍以内である
   ことを特徴とするドロップフィルタ。