JPWO2004081625A1 - フォトニック結晶を用いた導波路素子 - Google Patents
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Abstract
Description
(a)フォトニックバンドギャップによる光の閉じ込め
(b)特異なバンド構造による非常に大きな波長分散
(c)伝搬光の群速度異常
といった特徴的な性質があることがよく知られている。このような性質を利用した数多くの光学素子が提案あるいは研究されている。
本発明者らは、伝搬方向に周期性のない1次元または2次元フォトニック結晶内部の電磁波伝搬について研究してきた。例えば、特開2002−236206号公報等により、その内容を開示している。入射光の伝搬方向に周期性のないフォトニック結晶の端面から入射光として平面波を入射すると、その入射光の周波数によっては複数のフォトニックバンドによる伝搬光が発生する。このうち、最低次ではないバンドによる伝搬光(以下、高次バンド伝搬光と呼ぶ)は、上述した「非常に大きな波長分散」や「群速度異常」などの特徴を有するので各種光学素子に応用することができる。
しかし、周波数にかかわらず入射光のエネルギーの一部は必ず最低次のバンドによる伝搬光(以下、第1バンド伝搬光と呼ぶ)となって伝搬する。この第1バンド伝搬光には、上述した「非常に大きい波長分散」「群速度異常」といった効果がほとんどみられない。そのため、高次バンド伝搬光を利用する場合には第1バンド伝搬光は、単なる損失でしかない。つまり、第1バンド伝搬光は、その素子の入射光エネルギーの利用効率を大きく低下させてしまうのみならず、迷光として素子のS/N比を低下させる原因ともなる。
ところが、本発明者らの研究によると、フォトニック結晶の端面と同じ周期の位相変調を加えた入射光を、フォトニック結晶に入射させることによって、単一の高次バンド伝搬光によるフォトニック結晶内の伝搬光を得ることができることがわかった。これにより、波長分散や群速度異常などの特徴を利用する各種光学素子の効率を飛躍的に高めることができる。入射光の位相変調は、たとえば平面波を位相格子に通すといった簡便な方法によって実現することができる。
伝搬方向に周期性のないフォトニック結晶内の高次バンド伝搬光の電場は、そのフォトニック結晶の屈折率周期性の1周期内にある2箇所の節によって2つの領域に分割される。また、フォトニック結晶のそれぞれの領域で伝搬光の位相は半周期ずれているという特徴がある。このような伝搬光を得るために、入射光を位相変調するための位相格子は、フォトニック結晶と周期と同じ方向に同じ周期を有するものとなる。
ところが、フォトニック結晶の屈折率の周期は、通常光の波長以下なので、位相格子の周期も光の波長以下となり、製作に困難が伴う。例えば、フォトニック結晶に溝を形成することで、一部を切り離し、フォトニック結晶を導波路部と位相格子部に分ける方法が考えられるが、幅が狭くアスペクト比の大きい溝を精度良く形成するのは技術的に難しい。
さらに、第1バンド伝搬光の割合を減らして、高次バンド伝搬光の割合を大きくするためには、位相格子による0次回折光強度と±1次回折光強度の配分比と位相を調整する必要があり、そのための最適化設計が必要となる。
本発明は、1方向に屈折率周期性を有するフォトニック結晶を用いた導波路素子であって、前記フォトニック結晶中にブリルアンゾーン境界上のバンドによる伝搬光を生じさせる入力部を備えたことを特徴とする。
図2は、図1に示したフォトニック結晶のバンド図である。
図3Aは、図1に示したフォトニック結晶への入射光も含むバンド図である。
図3Bは、図3Aのバンド図をZ軸方向に限定して示したバンド図である。
図4Aは、図1で示したフォトニック結晶内での、Z軸方向における第1バンド伝搬光の電場の強さを模式的に表した断面図である。
図4Bは、図1で示したフォトニック結晶内での、Z軸方向における高次バンド伝搬光の電場の強さを模式的に表した断面図である。
図5は、位相格子とフォトニック結晶とを備えた導波路素子における、伝搬光のZ軸方向における電場の強さを模式的に表した断面図である。
図6は、図1に示したフォトニック結晶に入射光を入射角θの斜め入射とした場合のバンド図である。
図7Aは、図1に示したフォトニック結晶に入射光を所定の入射角θで入射した場合のバンド図である。
図7Bは、図7Aのブリルアンゾーン境界上のバンド図をZ軸方向に限定して示したバンド図である。
図8Aは、図1に示したフォトニック結晶の第1バンドによる伝搬形状を模式的に示す断面図である。
図8Bは、図1に示したフォトニック結晶の第2バンドによる伝搬形状を模式的に示す断面図である。
図8Cは、図8Aおよび図8Bに示したフォトニック結晶の第1バンドおよび第2バンドによる伝搬形状を重ねあわせた伝搬形状を模式的に示した断面図である。
図9は、第2の方法におけるバンド図である。
図10は、第3の方法を説明するための図1に示したフォトニック結晶の断面図である。
図11は、第4の方法を説明するための図1に示したフォトニック結晶の断面図である。
図12Aは、第1バンドおよび第2バンドのブリルアンゾーン境界上で電磁波が伝搬するフォトニック結晶における伝搬光の電場パターンを示す断面図である。
図12Bは、図12Aに示す各個所を出射端とした場合に、出射する光の伝搬形状のシミュレーション結果を示す図である。
図13Aは、本実施の形態に係るフォトニック素子を用いた光導波路素子の構成を示す斜視図である。
図13Bは、本実施の形態の他のフォトニック結晶を用いた導波路素子の構成を示す斜視図である。
図13Cは、本実施の形態の他のフォトニック結晶を用いた導波路素子の構成を示す斜視図である。
図13Dは、本実施の形態の他のフォトニック結晶を用いた導波路素子の構成を示す斜視図である。
図14Aは、反射層を設けたフォトニック結晶の構造を示す断面図である。
図14Bは、フォトニック結晶クラッドを設けたフォトニック結晶の構造を示す断面図である。
図15は、互いに隣接する1次元フォトニック結晶と、1次元フォトニック結晶クラッドとの特定の波長に対するバンド図である。
図16Aは、フォトニック結晶のTE偏光に対するバンド図である。
図16Bは、計算例1におけるシミュレーション結果である電場の強度分布を示す図である。
図17Aは、計算例2におけるバンド図である。
図17Bは、計算例2におけるシミュレーション結果である電場の強度分布を示す図である。
図18は、計算例3におけるシミュレーション結果である電場の強度分布を示す図である。
図19は、計算例4におけるシミュレーション結果である電場の強度分布を示す図である。
図20Aは、計算例5におけるシミュレーション結果である電場の強度分布を示す図である。
図20Bは、位相格子の構成を示す断面図である。
図21は、位相格子に斜め入射した光のシミュレーションによる電場の強度を示す図である。
図22は、計算例6におけるシミュレーション結果である電場の強度分布を示す図である。
図23は、計算例7におけるシミュレーション結果である電場の強度分布を示す図である。
図24Aは、計算例8で用いる導波路素子の構成を示すXZ平面断面図である。
図24Bは、計算例8で用いる導波路素子の構成を示すYZ平面断面図である。
図24Cは、図24Bの一部拡大図である。
図25Aは、導波路部分の中央断面の電場の強度分布を示す図である。
図25Bは、高屈折率層中心の電場の強度分布を示す図である。
図25Cは、低屈折層中心の電場の強度分布を示す図である。
また、好ましくは、前記入力部は、前記屈折率周期の方向と略平行である前記フォトニック結晶の端面から、前記端面に対して入射角θで、略平面波状の電磁波を少なくとも一つ入射させ、nは前記フォトニック結晶の前記端面に接している媒体の屈折率とし、λ0は前記電磁波の真空中における波長とし、aは前記フォトニック結晶の周期とした場合に、前記入射角θは、
n・sinθ・(a/λ0)=±0.5
の関係を満たす。それにより、フォトニック結晶中にブリルアンゾーン境界上のバンドによる伝搬を実現できる。そのため、高次バンド伝搬光の群速度異常に起因する分散補償、光学非線形性の増強効果などを利用した素子として広く応用することができる。
また、好ましくは、前記入力部は、前記屈折率周期性の方向と略平行である前記フォトニック結晶の端面に近接または接触して設置され、略平面波状の電磁波を位相変調して、前記フォトニック結晶の前記端面から入射させる入射側位相変調部と、前記電磁波を前記入射側位相変調部に入射させる入射部とを備えている。それにより、フォトニック結晶中にブリルアンゾーン境界上のバンドによる伝搬を実現できる。そのため、高次バンド伝搬光の群速度異常に起因する分散補償、光学非線形性の増強効果などを利用した素子として広く応用することができる。
また、好ましくは、前記入射側位相変調部は、前記フォトニック結晶の屈折率周期の方向と同一方向である屈折率周期を有し、かつ、前記フォトニック結晶の屈折率周期の整数倍である屈折率周期を有する位相格子である。それにより、フォトニック結晶中にブリルアンゾーン境界上のバンドによる伝搬を実現できる。そのため、高次バンド伝搬光の群速度異常に起因する分散補償、光学非線形性の増強効果などを利用した素子として広く応用することができる。
また、好ましくは、前記入射側位相変調部は、前記フォトニック結晶の屈折率周期の方向と同一方向である屈折率周期を有し、かつ、前記フォトニック結晶の屈折率周期の2倍である屈折率周期を有する位相格子であり、前記入射部は、前記電磁波を前記位相格子に前記位相格子の屈折率周期の方向に対して略垂直入射させる。そのため、高次バンド伝搬光の群速度異常に起因する分散補償、光学非線形性の増強効果などを利用した素子として広く応用することができる。それにより、フォトニック結晶中の高次バンド伝搬光を利用した導波路素子を実現することができる。
また、好ましくは、前記入射側位相変調部は、前記フォトニック結晶の屈折率周期の方向と同一方向である屈折率周期を有し、かつ、前記フォトニック結晶の屈折率周期の2倍の屈折率周期を有する位相格子であり、前記位相格子の屈折率周期の方向と前記屈折率周期の方向と垂直な方向とを含む面上に含まれ、かつ、前記屈折率周期の方向と垂直な方向に対して角度θとなるよう、前記入射部は前記電磁波を前記位相格子に入射させ、nは前記位相格子の入射端面に接している媒体の屈折率とし、λ0は前記電磁波の真空中における波長とし、aは前記フォトニック結晶の周期とした場合に、前記角度θは、
n・sinθ・(a/λ0)=±0.5
の関係を満たす。それにより、位相格子の周期がフォトニック結晶周期の2倍となるので作製しやすくなる。さらに、位相格子は±1次回折波の強度をできるだけ大きくすればよいので、最適化設計が単純化される。
また、好ましくは、前記入射側位相変調部は、前記フォトニック結晶の屈折率周期の方向と同一方向である屈折率周期を有し、かつ、前記フォトニック結晶の屈折率周期と同一の屈折率周期を有する位相格子であり、前記位相格子の屈折率周期の方向と前記屈折率周期の方向と垂直な方向とを含む面上に含まれ、かつ、前記屈折率周期の方向と垂直な方向に対して角度θとなるよう、前記入射部は前記電磁波を前記位相格子に入射させ、nは前記位相格子の入射端面に接している媒体の屈折率とし、λ0は前記電磁波の真空中における波長とし、aは前記フォトニック結晶の周期とした場合に、前記角度θは、
n・sinθ・(a/λ0)=±0.5
の関係を満たす。それにより、フォトニック結晶中の高次バンド伝搬光を利用した導波路素子を実現することができる。そのため、高次バンド伝搬光の群速度異常に起因する分散補償、光学非線形性の増強効果などを利用した素子として広く応用することができる。
また、好ましくは、前記入射側位相変調部は、前記フォトニック結晶と一体形成されている。それにより、容易に作製することができる。
また、好ましくは、前記フォトニック結晶中を、前記フォトニック結晶の屈折率周期の方向と垂直な方向に電磁波が伝搬している場合に、前記フォトニック結晶の屈折率周期の方向に、前記フォトニック結晶中を伝搬している電磁波が漏れないように閉じ込める閉じ込め部をさらに備えている。それにより、導波光が漏れることがなく、低損失の導波路素子を実現できる。
また、前記閉じ込め部は、前記フォトニック結晶の屈折率周期の方向と垂直となる前記フォトニック結晶の側面の少なくとも一方に設置された、反射層としてもよい。
また、前記閉じ込め部は、前記フォトニック結晶の屈折率周期の方向と垂直となる前記フォトニック結晶の側面の少なくとも一方に設置された、前記フォトニック結晶が有する屈折率周期と同一方向に屈折率周期性を有するフォトニック結晶としてもよい。
また、好ましくは、入射側位相変調部が設置された前記フォトニック結晶の端面の逆の端面に近接または接触している出射側位相変調部をさらに備えている。それにより、平面波を出射することができる。
また、前記出射側位相変調部は、前記フォトニック結晶の屈折率周期と同一方向に屈折率周期性を有する位相格子としてもよい。
また、好ましくは、前記出射側位相変調部が、前記フォトニック結晶の屈折率周期の方向と同一方向である屈折率周期を有し、かつ、前記フォトニック結晶の屈折率周期と同一の屈折率周期を有する位相格子であり、前記フォトニック結晶と一体形成されている。それにより、容易に作製することができる。
また、前記出射側位相変調部は、前記入射側位相変調部とは、同一の屈折率周期構造としてもよい。
また、前記出射側位相変調部は、入射端と出射端の方向が、前記入射側位相変調部とは逆になるように設置されていてもよい。
また、好ましくは、前記フォトニック結晶内部を伝搬する電磁波は、最低次および低次側から2番目のフォトニックバンドどちらかもしくは両方に属する波動である。それにより、群速度異常に起因する分散補償、光学非線形性の増強効果などを利用した素子として広く応用することができる。
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて具体的に説明する。
図1は、一方向に屈折率周期性を有するフォトニック結晶1の電磁波伝搬を示す断面図である。図1において、電磁波の伝搬方向をZ軸方向とし、電磁波の伝搬方向に対して垂直な方向をY軸方向とする。フォトニック結晶1は、Y軸方向にのみ屈折率周期性を有する1次元フォトニック結晶である。物質5aおよび物質5bとが、交互にY軸方向に積層されて、多層構造5を形成している。物質5aの厚さはtAであり、屈折率はnAとする。また、物質5bの厚さはtBであり、屈折率はnBとする。フォトニック結晶1は、物質5aおよび物質5bが交互に積層された周期aの多層構造5である。なお、周期aは、(tA+tB)である。
図1において、フォトニック結晶1がコアであり、フォトニック結晶1の周りの空気(図示せず)がクラッドとなり、光導波路を構成している。フォトニック結晶1の入射端である端面1aから、真空中の波長がλ0の平面波を入射光2として入射させると、伝搬光4としてフォトニック結晶1内を伝搬する。伝搬光4は、入射端とは反対側の出射端である端面1bから出射光3として出射される。この伝搬光4がフォトニック結晶1内の物質5aおよび物質5bの多層膜内でどのように伝搬するかは、フォトニックバンドを計算し図示することにより知ることができる。バンド計算の方法は、例えば“Photonic Crystals”,Princeton University Press(1995)あるいは、Physical Review B 44巻、16号、p.8565、1991年、などに詳しく述べられている。
バンド計算に際しては、図1に示すフォトニック結晶1はY方向(積層方向)には無限に続く周期構造を有し、XおよびZ方向(層面の広がる方向)には無限に広がっているものと仮定する。以下で、図2、図3Aおよび図3Bについて説明するが、これらは図1のフォトニック結晶1に関するものなので、図1を参照しながら説明する。
図2は、図1に示したフォトニック結晶1のバンド図である。このときのフォトニック結晶1の条件は、まず物質5aは屈折率nAが2.1011であり、厚さtAが周期aを用いて表すと、tA=0.3aである。また、物質5bは、屈折率nBが1.4578であり、厚さtBが周期aを用いて表すと、tB=0.7aである。このような物質1aおよび物質1bを交互に重ねた周期aの多層構造体であるフォトニック結晶1の、Y軸およびZ軸方向におけるバンド計算の結果を図2に示している。なお、図2は、TE偏光の第1、第2および第3バンドについて第1ブリルアンゾーンの範囲内で示したものである。図2は、規格化周波数ωa/2πcが同じ値となる点を結んだもので、等高線状である。なお、この等高線状の線のことを、以下では等周波数線という。各線の添字は規格化周波数ωa/2πcの値を表している。なお、規格化周波数ωa/2πcは、入射光2の角振動数ω、構造の周期aおよび真空中での光速cを用いて表している。また、規格化周波数は、入射光2の真空中の波長λ0を用いて、a/λ0と表わすこともできる。以下では簡単に規格化周波数a/λ0と記述する。
図2において、ブリルアンゾーンのY軸方向の幅は2π/aであるが、Z軸方向には周期性がないので横方向にはブリルアンゾーンの境界が存在せず、どこまでも広がっている。なお、TE偏光とは電場の向きがX軸方向である偏光を表わしている。また、磁場の向きがX軸方向の偏光であるTM偏光のバンド図は、TE偏光のバンド図に類似しているが幾分異なった形状となる。
フォトニック結晶1の端面1aに入射した平面波(入射光2)に対応するフォトニック結晶1内での伝搬光4について検討する。
図3Aは、図1に示したフォトニック結晶1への入射光も含むバンド図である。
具体的には、図1のフォトニック結晶1の端面1aから、特定の周波数a/λ0の平面波(TE偏光)を、Z軸方向に入射させた場合のバンド図である。なお、端面1aはZ軸に対して垂直である。この端面1aに接している媒体の屈折率をnとする。図1の場合は、この媒体は例えば空気であり、屈折率が一様である均質媒体である。
図3Aにおいて、右側がフォトニック結晶1中のバンド図であり、左側がフォトニック結晶1の外側である均質媒体(空気)のバンド図である。図3Aにおいて、上段が入射光と第1バンドとの結合を表し、下段が入射光と第2バンドとの結合を表している。図1において、入射光2は空気中から端面1aに入射しているので、入射光2のバンド図は、空気中でのバンド図となる。
ここで、均質媒体のバンド図は、半径rが下記式で表される球(YZ平面においては円)となる。
r=n・(a/λ0)・(2π/a)
なお、上式の右辺の(2π/a)は、フォトニック結晶のバンド図に対応させるための係数である。
これにより、作図によってフォトニック結晶1側の結合バンドを求めることができる。
図3Aにおいて、第1および第2バンド上に規格化周波数a/λ0が入射光と一致する対応点305および対応点306があるので、フォトニック結晶1内はそれぞれのバンドに対応した波動が伝搬することになる。なお、図3Aにおいて、入射光の波面の方向と周期は、波数ベクトルである矢印300の向きと大きさの逆数により表され、伝搬光の波面方向と周期は同様に波数ベクトルである矢印303(第1バンド)および矢印304(第2バンド)で表される。また、伝搬光の波動エネルギーの進行方向は各等周波数線の法線方向となり、矢印301および矢印302で表されている。このように、いずれのバンドによる伝搬光もZ軸方向に進行している。
図3Aのバンド図をZ軸方向に限定して示したのものが図3Bである。図3Bに示しているように、入射光2の真空中の波長がλ0の場合、フォトニック結晶1内では各バンドに対応する波数ベクトルk1、k2が存在する。換言すると、伝搬光4が波長λ1=2π/k1および波長λ2=2π/k2の波動としてフォトニック結晶1内をZ軸方向に伝搬する(図1参照)。
ここで、真空中の光の波長λ0を、フォトニック結晶1中を伝搬する場合の波長(例えば、λ1、λ2など)で除した数値を「実効屈折率」と定義する。図3Bから理解できるように、第1バンドの規格化周波数a/λ0(縦軸)と波数ベクトルkz(横軸)はほぼ比例するため、実効屈折率もλ0の変化に対してほとんど不変である。しかし、高次伝搬バンド(図3Bにおいては、第2バンドおよび第3バンド)では実効屈折率がλ0により大きく変化し、図3Bより、kzが0に近づいてもa/λ0の値はほぼ一定値である。つまり、実効屈折率が1未満になることもある。
また、図3Bに示すバンド曲線をkzで微分した値(すなわち接線の傾き)が伝搬光の群速度となることはよく知られている。図3Bの場合、第2および第3バンド(高次バンド)では、kzの値が小さくなるにつれてバンド曲線の接線の傾きは急速に小さくなり、kz=0のとき0となる。これが、フォトニック結晶に特有の群速度異常である。フォトニック結晶における群速度異常は極めて大きく、かつ通常の均質物質の分散とは逆(入射光の波長が長くなるにつれて群速度が遅くなる)である。したがって、高次伝搬バンド光を利用することができる光導波路は、光遅延素子や光通信における分散補償素子などの光制御素子に用いることができる。
本発明者らの研究により、「周期aの多層膜層(1次元のフォトニック結晶)に対して、同じ方向に周期aを有する適当な位相変調波を入射させると、特定の高次バンドに属する伝搬光のみを得ることができる」ということが明らかになっている。また、光路を逆方向に折り返して考えると、高次バンド伝搬光4がフォトニック結晶1の端面1b(図1参照)から出射された後に、その出射光3を適当な位相変調手段により平面波に戻すこともできることも容易に理解できる。
以下に、位相変調波により高次バンド伝搬光4のみをフォトニック結晶中1に伝搬させる方法について説明する。
図4Aおよび図4Bは、図1に示すフォトニック結晶1内での伝搬光の電場の強さを模式的に表した断面図である。図4Aは、図1で示したフォトニック結晶1内での、Z軸方向における第1バンド伝搬光の電場の強さを模式的に表した断面図である。また、図4Bは、図1で示したフォトニック結晶1内での、Z軸方向における高次バンド伝搬光(例えば図3Aに示す第2バンドの伝搬光)の電場の強さを模式的に表した断面図である。図4Aおよび図4Bの説明においては、図1も参照する。
フォトニック結晶1は、物質5aおよび物質5bからなる周期的多層体である。フォトニック結晶1は、物質5aと物質5bとが交互に積層されていて、いわゆる1次元フォトニック結晶であり、物質5aの厚さと物質5bの厚さとの和が、多層構造5の周期aである。その屈折率周期方向はY軸方向であり、伝搬光の伝搬方向であるZ軸方向には屈折率は一様である。
光の電場は波で表わされる。図4Aおよび図4Bにおいて、電場の山4aは実線、電場の谷4bは破線で表わしている。また、振幅の大きさはそれぞれの線の太さで表わされ、線が太い方が振幅は大きいことを表している。なお、伝搬光の波長はλである。
図4Aに示すように、第1バンド伝搬光は、電場の振幅が物質5a内と物質5b内で異なるものの、電場の山4aと谷4bはそれぞれZ軸と垂直な平面となるので、平面波に近い伝搬となる。
それに比べて、高次バンド伝搬光は、例えば、図4Bに示すように電場振幅が0となる「節4c」が物質5aおよび物質5bの境界付近に生じる。そのため、隣接する物質5aおよび物質5bで形成される積層構造の1周期は山と谷の2つの領域に分割される。隣り合う領域(物質5aおよび物質5b)では波動の位相が半波長ずれているため、山と谷が入れ違いに現われる。このように1周期あたり2個の節4cが生じるのは第2もしくは第3バンドの場合である。さらに高次のバンドによる導波光では、1周期内の節の数がさらに増えて、1周期内での半波長ずれが何回も起こるようになる。
したがって、第1バンドと高次バンドとがともに関与する波長の入射光2に対する伝搬光4は両者が重なって、複雑な電場パターンを示すこととなる。
しかし、位相変調手段である位相格子を介した光をフォトニック結晶1に入射させることで、フォトニック結晶中に高次バンド伝搬光のみを伝搬させることが、本発明者らのシミュレーションで明らかになっている。図5は、位相格子とフォトニック結晶とを備えた導波路素子における、伝搬光のZ軸方向における電場の強さを模式的に表した断面図である。具体的には、図5の導波路素子10は、図1に示すフォトニック結晶1の端面1a側に位相変調手段である位相格子6を設けている。位相格子6は、Y方向に周期aで略半波長差を生じる位相変調手段であり、この位相格子6に平面波7を入射させると、図4Bにおける高次バンド伝搬光に類似した電場パターンがフォトニック結晶1と位相格子6との間にできた空間18に生じる。この電場パターンを有する光8がフォトニック結晶1の端面1aから入射すると、フォトニック結晶1内には、第1バンド伝搬光は発生せず、高次バンド伝搬光のみが生じる。
また、光路を逆方向に折り返して考えると、高次バンド伝搬光がフォトニック結晶1の端面1bから出射された後に適当な位相変調手段を設置することにより平面波に戻すことができることがわかる。
ここで、高次バンド伝搬光に対応する位相変調を得るための位相格子6は、フォトニック結晶1と同じ方向に同じ屈折率周期を有するものとなる。しかし、高次バンド伝搬光において大きい波長分散や群速度異常を得るためには、周期aを光の波長λ0より小さくすることが望ましい。そのような場合には、位相格子6の屈折率周期も同様に波長以下になり、製作に困難が伴うことになる。フォトニック結晶1に空間18となる溝を形成し、一部を切り離し位相格子として用いる方法が考えられるが、幅が狭くアスペクト比の大きい溝を精度良く形成する必要があり、技術的に難しい。さらに、第1バンド伝搬光を減らして高次バンド伝搬光の割合を大きくするためには、位相格子による0次回折光と±1次光強度の配分比を調整するための最適化設計が必要となる。
本実施の形態では、このような問題点を解決するために、ブリルアンゾーン境界上のバンドを利用している。以下に、具体的に説明する。
図6は、図1に示したフォトニック結晶1に入射光を入射角θの斜め入射とした場合のバンド図である。なお、入射角θは、入射面に対して垂直な方向つまりZ軸と入射光とがなす角度である。また、入射光の傾きはYZ平面内に限られるものとする。なお、フォトニック結晶1の入射端面1aは、Z軸に対して垂直である。この場合、フォトニック結晶1内を伝搬する波動の進行方向は等周波数線の法線方向となるので2種類となり、Z軸とは垂直にならないことがわかる。なお、第1および第2バンド上に規格化周波数a/λ0が入射光と一致する対応点605および対応点606があるので、フォトニック結晶1内はそれぞれのバンドに対応した波動が伝搬することになる。入射光の波数ベクトルは矢印600であり、伝搬光の波数ベクトルは矢印603(第1バンド)および矢印604(第2バンド)であり、伝搬光の第1バンドのエネルギー進行方向は矢印601であり、伝搬光の第2バンドのエネルギー進行方向は矢印602で表すことができる。
図7Aは、図1に示したフォトニック結晶1に入射光を所定の入射角θで入射した場合のバンド図である。具体的には、入射角θを下記(1)式を満たすように設定している。なお、端面1aが光の伝搬方向であるZ軸方向に対して垂直であるので、入射角θで入射するとは、Z軸に対してθ傾いた光が入射することである。
n・sinθ・(a/λ0)=±0.5 (1)
なお、nはフォトニック結晶1の端面1aに接する媒体の屈折率、λ0は入射光2の真空中における波長、aはフォトニック結晶1の周期である。フォトニック結晶1の端面1aが空気に接していて、空気中から光が入射してくる場合は、nは空気の屈折率(=1)である。
(1)式を満たす入射角θでフォトニック結晶1に対して入射光2を入射すると、図7Aよりわかるように、ブリルアンゾーン境界608上に第1および第2の伝搬バンドが存在する。図7Aにおいて、入射光2の波数ベクトルは矢印607で表され、フォトニック結晶中1の伝搬光4のエネルギー進行方向は矢印609(第1バンド)および矢印610(第2バンド)で表されている。なお、613および614は、それぞれ第1および第2バンド上の規格化周波数a/λ0が入射光と一致する対応点であり、伝搬光の波数ベクトルは矢印611(第1バンド)および矢印612(第2バンド)である。
ブリルアンゾーン境界608での対称性より、波動エネルギーの進行方向はZ軸に一致しているので、伝搬光4はZ軸方向に進行する。Z軸方向への伝搬を実現するためには、入射角θが満たす条件は、ブリルアンゾーンのY方向の周期性を考慮すると、例えば,
n・sinθ・(a/λ0)=±1.0,±1.5,±2.0,・・・
としてもよいが、右辺の値(絶対値)が増加するにつれて、nおよびθは大きい値とする必要があるので実現が難しくなる。
図7Aのブリルアンゾーン境界上のバンド図をZ軸方向に限定して示したのものが図7Bである。図7Bからわかるように、ブリルアンゾーン境界上では第1バンドを含むすべてのバンドが、図3Bに示した高次バンドと同様な変化を呈する。つまり、すべてのバンドにおいて「実効屈折率の波長による大きな変化」や「群速度異常」が起こるので、光制御素子などに応用することができる。本発明者らの研究により、図7Aに示す「ブリルアンゾーン境界における伝搬」をいくつかの方法により実現できることが明らかになったので、以下にそれらについて説明する。
ブリルアンゾーン境界における伝搬を実現する第1の方法(斜め入射による複数バンド伝搬)について説明する。
図7Aおよび図7Bに示すように、第1バンドおよび第2バンドの両方が存在する周波数域の光を、前述の(1)式
n・sinθ・(a/λ0)=±0.5
の条件を満たすような入射角θでフォトニック結晶1に入射すれば、第1と第2のバンドによる伝搬を重ね合わせた波動を得ることができる。なお、第1の方法による具体的な計算例は後から示す。第1の方法により、フォトニック結晶1中での伝搬光4は、図12Aに示すように、電場振幅のパターンがジグザグ状になる極めて特異な電場パターンを示す。この理由は図8A、図8Bおよび図8Cを用いて、以下のように模式的に説明することができる。図8Aは、図1に示したフォトニック結晶1の第1バンドによる伝搬形状を模式的に示す断面図である。図8Bは、図1に示したフォトニック結晶1の第2バンドによる伝搬形状を模式的に示す断面図である。図8Cは、図8Aおよび図8Bに示したフォトニック結晶の第1バンドおよび第2バンドによる伝搬形状を重ねあわせた伝搬形状を模式的に示した断面図である。図8Aおよび図8B中において、伝搬光の山801(電場振幅がプラス側の極大となる位置)および谷802(マイナス側の極大となる位置)がそれぞれ図示されている。図8A、図8Bおよび図8Cにおいて、フォトニック結晶1は、図1で用いているものと同一である。
第1バンドによる伝搬光は、高屈折率層(例えば、物質5a)を腹、低屈折率層(例えば、物質5b)を節とする(図8A)。ここで、隣接する高屈折率層(物質5a)間では位相が半周期ずれている。
また、第2バンドによる伝搬光は、低屈折率層(物質5b)を腹、高屈折率層(物質5a)を節とし、周期は第1バンドによる伝搬光よりも長い(図8B)。ここで、隣接する低屈折率層(物質5b)間では位相が半周期ずれている。
図8Cは、フォトニック結晶1に、第1バンドおよび第2バンドの両方が存在する周波数域の光を、(1)式の条件を満たす入射角θで入射させた場合の伝搬形状である。図8Cは、図8Aおよび図8Bを重ねて電場のピークを線で繋いだものである。図8Cにおいて、実線811でつないだ個所は伝搬光の山であり、破線812でつないだ個所は伝搬光の谷である。図8Cからわかるように、フォトニック結晶1中の光は、山谷のラインがジグザグに並ぶパターンとなっている。
つまり、フォトニック結晶1に、第1バンドおよび第2バンドの両方が存在する周波数域の光を、(1)式の条件を満たす入射角θで入射させることで、「実効屈折率の波長による大きな変化」や「群速度異常」といった現象を生じさせることができる。
この方法は、入射光(平面波)を傾けるだけなので最も簡便である。また、「第1バンドと第2バンドとの両方が存在する周波数域」は広いので、入射角θと屈折率nは実施しやすい範囲に選ぶことができる。
後述の、計算例1に示されているようにフォトニック結晶1の端面1aでの反射率も小さく、入射光の大部分がフォトニック結晶内の伝搬光となっている。さらに、a/λ0の値を大きくすれば第3以上の高次バンドによる伝搬光も加えることができる。
しかし、この方法では、2種類もしくはそれ以上のバンドによる伝搬光が混合してしまう。異なるバンドによる伝搬光はフォトニック結晶内の波長や群速度が異なるので、これらの特性が単一であることが必要な素子では大きな支障となる。したがって、この方法(斜め入射による複数バンド伝搬による方法)は「伝搬光の群速度が遅くなって非線形作用が大きくなるだけで良い」といった用途には特に好適である。
なお、入射角θを変化させずに入射光2の波長を変えると、(1)式が完全には成り立たなくなるので、エネルギー伝搬の方向もZ軸からずれてしまう。したがって、光学素子としての特性が維持できる波長域に制限が生じることもある。
次に、ブリルアンゾーン境界における伝搬を実現する第2の方法(斜め入射による第1バンドの単独の伝搬)について説明する。
図9は、第2の方法におけるバンド図である。図9は、第1バンド上にのみ規格化周波数a/λ0が入射光と一致する対応点903があるので、第1バンドの伝搬光のみが存在し、それ以外のバンドが存在していない周波数域におけるバンド図を示している。なお、図9において、矢印900は入射光の波数ベクトルであり、矢印902は伝搬光の波数ベクトルであり、矢印901はエネルギー進行方向である。
図9に示すように、第1バンドの伝搬光のみが存在する周波数域において、(1)式の条件を満たすように入射角θを設定すれば、単一のバンドによる伝搬を得ることができる。
このような条件において、フォトニック結晶中を伝搬する伝搬光は、図8Aに示すような伝搬形状になる。すなわち、高屈折率層(物質5a)が腹、低屈折率層(物質5b)が節となっており、隣接する高屈折率層(物質5a)間では位相が半周期ずれている。すなわち、第1バンドの伝搬であるにもかかわらず高次の伝搬の特徴を備えている(後述する計算例2および図17B参照)。
第2の方法(斜め入射による第1バンドの伝搬)では、入射光(平面波)の入射角度を傾けるだけなので、第1の方法と同様に簡単に実現できる。しかし、「第1バンドのみが存在する周波数域」はa/λ0の値が小さいので、入射角θと屈折率nをともに大きくする必要があり、フォトニック結晶端面での反射率が相当大きくなり損失が増える点が問題となる。また、入射角θが同じままで入射光の波長を変えると(1)式が完全には成り立たなくなるので、エネルギー伝搬の方向がZ軸からずれてしまう点も第1の方法と同様である。
次に、ブリルアンゾーン境界における伝搬を実現する第3の方法(平面波の干渉による入射光の位相変調)について説明する。図10は、第3の方法を説明するための図1に示したフォトニック結晶1の断面図である。図10において、フォトニック結晶1は、図1で用いているものと同一である。
図10に示すように、同一波長の平面波21および22を、それぞれ入射角±θとして交差させて、フォトニック結晶1に入射させる。なお、図10において、平面波21および22のうち、実線で示しているのは電場の山21aおよび22aの部分で、破線で示しているのは電場の谷21bおよび22bの部分である。
このような、入射角がそれぞれ±θであり互いに交差する平面波21および22を入射させることで、フォトニック結晶1の入射端1aには、二つの平面波21および22の干渉によりY方向に節と腹のある電場パターンが形成される。そこで、腹の部分に高屈折率層(物質5a)がくるようにフォトニック結晶1を配置する。なお、伝搬光の山111と谷112が図示されている。それにより、第1バンドによる伝搬光のみが発生する(後述の計算例3および図18参照)。なお、腹の部分に低屈折率層がくるようにフォトニック結晶1を配置すると、第2バンドによる伝搬光のみが発生する(後述の計算例4および図19参照)。
このときの入射角θの値は、第1および第2の方法と同様に(1)式を満たしていなければならない。
この方法も、入射角を固定して入射光の波長を変えると(1)式が完全には成り立たなくなりフォトニック結晶側との周期ピッチズレが起こるので、光学素子としての特性が維持できる波長域に制限が生じることになる。
次に、ブリルアンゾーン境界における伝搬を実現する第4の方法(周期2aの位相格子による入射光の位相変調)について説明する。
図11は、第4の方法を説明するための図1に示したフォトニック結晶1の断面図である。第4の方法は、フォトニック結晶1の入射端1aおよび出射端1bに接触または近接させて、フォトニック結晶1の屈折率周期aの2倍の屈折率周期(2a)を有する位相格子6aおよび6bを設置する。このとき、位相格子6aおよび6bの入射端および出射端は、伝搬方向(Z軸方向)に対して垂直である。この位相格子6aに平面波7を垂直入射させると、+1次および−1次回折光の干渉により図10に示した「平面波による干渉」と同様な節と腹のある電場パターンをつくることができる。すなわち、入射光である平面波7が位相格子6aを通過することで、図10の平面波21および22と同様の光8aとなる。つまり、(1)式を満たす入射角で、交差する二つの平面波が生じる。そこで、腹の部分に高屈折率層がくるようにフォトニック結晶1を配置すると、第1バンドによる伝搬光のみが発生する(後述の計算例5および図20A参照)。また、腹の部分に低屈折率層がくるようにフォトニック結晶1を配置すると、第2バンドによる伝搬光のみが発生する(後述の計算例6および図22参照)。
位相格子6aによる0次光や2次以上の回折光が混合するとフォトニック結晶の特定バンドと結合できないので、+1次光と−1次光がともに50%の回折効率となることが理想的である。したがって、位相格子6aは±1次回折光ができるだけ強くなるように最適化した形状であることが望ましい。
また、特定の波長で最適化した位相格子は、波長が多少変わっても1次回折光の効率は急激には低下せず、高いレベルに留まる。そのため、第4の方法(周期2aの位相格子による入射光の位相変調)では使用できる波長域を他の方法よりも広くとることができる。また、フォトニック結晶1の出射端1b側に位相格子6aと同じ周期の位相格子6bを配置することにより、フォトニック結晶1から出射された光8bを平面波である出射光71に変換することができる。
次に、ブリルアンゾーン境界における伝搬を実現する第5の方法(周期aの位相格子と斜め入射光による干渉波の利用)について説明する。
第1の方法により第1および第2バンドによる伝搬光が共存するフォトニック結晶1内の伝搬光(図8C参照)は、出射側端面の位置によって出射する回折光の強度を変えることができる。図12Aは、第1の方法により生じた第1バンドおよび第2バンドのブリルアンゾーン境界上で電磁波が伝搬するフォトニック結晶における伝搬光の電場パターンを示す断面図である。図12Aは、図8Cをシミュレーションによって求めた図であり、黒または灰色で塗りつぶされた個所が電場の強い個所(振幅の山または谷)である。また、図12Bは、図12Aに示す各個所(S1、S2、P)を出射端とした場合に、出射する光の伝搬形状のシミュレーション結果を示す図である。
図12Aにおいて、位置S1またはS2のようにジグザグパターンの斜面にある個所が出射端であった場合、図12Bに示すように片側の回折光が強くなる。また、図12Aにおいて、位置Pのように頂点あるいは底にある個所が出射端であった場合、図12Bに示すように両側回折光の強度がほぼ等しくなる。
両側回折光の強度がほぼ等しくなる出射光による干渉パターンは、第4の方法の場合に位相格子により作り出した干渉波と同様なものなので、その直後に同じ周期aのフォトニック結晶を配置すると、そのフォトニック結晶中に特定のバンドによる高次伝搬光を得ることができる。したがって、このような、両側回折光の強度がほぼ等しくなる出射光を出射するようにした、フォトニック結晶を位相格子として用いることで、第4の方法に用いた位相格子と同様の干渉パターンを形成することができる。第5の方法では、位相格子に対して、(1)式を満たす入射角θで光を入射させることが必要である。なお、(1)式におけるnは、位相格子の入射端と隣接する媒体の屈折率である。
第5の方法では、位相格子およびフォトニック結晶には、同じ構造(当然周期はともにa)の、例えば多層膜等を用いることができる。しかし、干渉波による電場の腹と節の位置をフォトニック結晶側と合わせるための調整は必要となる。また、式(1)の条件を満たすことが好ましい。
ブリルアンゾーン境界における伝搬を実現する第6の方法(周期2aの位相格子と斜め入射による干渉波の利用)について説明する。
上記図11を用いて説明した第4の方法では、a/λ0の値が0.5未満になると、例えば、石英や空気等の低屈折率物質による位相格子6aおよび6bでは±1次回折光の強度を大きくするのが困難になってくる。シリコンなどの高屈折率材料を用いて、位相格子6aおよび6bを形成すれば、±1次回折光を強くすることができるが、反射光が多くなる、あるいは位相格子6aおよび6bの作製が困難になるといった問題が生じる。
しかし、位相格子6aの周期を2aとして、かつ、(1)式の条件を満たす斜め入射光(入射角θ)を用いれば、a/λ0の値が0.5未満の小さい値であっても、図10に示すような干渉波を生じる回折光のペアを強くすることができるので、その直後に周期aのフォトニック結晶を配置すると、特定のバンドによる高次伝搬光を得ることができる(後述する計算例6および図22参照)。第6の方法は、第5の方法に類似しているが、位相格子の周期が2a(フォトニック結晶の周期の2倍)である点が大きく異なっている。なお、(1)式におけるnは、位相格子の入射端と隣接する媒体の屈折率である。
なお、第4〜第6の方法において、用いる位相格子としては、フォトニック結晶1の屈折率周期aと同じか、あるいは2倍の屈折率周期を有する位相格子としたが、屈折率周期aの整数倍の屈折率周期を有する位相格子を用いてもよい。
以上述べたブリルアンゾーン境界における伝搬を実現する第1〜第6の方法により、1次元フォトニック結晶内に高次バンド伝搬光を効率よく形成することができる。これらの方法を実現する光学素子である本実施の形態のフォトニック結晶を用いた導波路素子について説明する。例えば、図13Aに模式的に示すような光導波路形状とすると、光ファイバとの接続や電極の配置などが容易になるので望ましい。図13Aは、本実施の形態に係るフォトニック素子を用いた光導波路素子100の構成を示す斜視図である。図13Aにおいて、適当な基板20上に図1で示した、一方向に屈折率周期を有する1次元フォトニック結晶1を形成している。図13Aにおいて、X方向の伝搬モードを減らしてシングルモード化するためには、1次元フォトニック結晶1は線状導波路に加工されていることが望ましい。このフォトニック結晶1の両端に第4の方法による位相変調部である位相格子16aおよび16bが設置されている。さらに、位相格子16aに入射光2を入射するロッドレンズ12a等の入射手段が設置されている。このロッドレンズ12aにより位相格子16aの端面に入射光23が集光される。このようにすることで、位相格子16aに対して、光を垂直入射させることができる。位相格子16aとフォトニック結晶1との関係を、上記第4の方法で示した構成にすることで、フォトニック結晶1において、ブリルアンゾーン境界における伝搬が実現される。それにより、「非常に大きい波長分散」「群速度異常」などを生じさせることができる。したがって、導波路素子100は、光遅延素子や光通信における分散補償素子などの光制御素子として用いることができる。
また、図13Bは、本実施の形態の他のフォトニック結晶を用いた導波路素子110の構成を示す斜視図である。図13Bに示すように、ロッドレンズ13aは、位相格子16aに対して、光を垂直入射(光がZ軸方向に進む)させるだけでなく、例えば、入射角θとなるように斜めに光を入射させてもよい。入射光23は位相格子16aを介して、端面1aからフォトニック結晶1に結合する。フォトニック結晶1は、光導波路であり、結合された光は、フォトニック結晶1中を伝搬する。フォトニック結晶1中を伝搬した後、光は出射端面1bから出射され、例えば第4の方法による位相格子16bを介して、出射部であるロッドレンズ12bに入射し、出射光33として出射される。
位相格子16aとフォトニック結晶1との配置、および、それぞれの屈折率周期は、上述の第5および第6の方法に記載したようにすればよい。すなわち、ロッドレンズ12aから出射される光23が位相格子16aに(1)式を満たすような入射角θで入射される。それにより、フォトニック結晶1中では、ブリルアンゾーン境界における伝搬を実現することができる。そのため、「非常に大きい波長分散」「群速度異常」などを生じさせることができる。したがって、導波路素子110は、光遅延素子や光通信における分散補償素子などの光制御素子として用いることができる。
また、導波路素子100および110において、出射端面1bには、第4、第5、第6の方法による位相格子16bを設置すればよい。ただし、図13Aおよび図13Bは共に第4の方法による場合である。これにより、端面1bから出射された光が位相変調されるので、出射光が著しい回折を生じることを防ぐことができる。位相格子16bを介して、位相変調を加えると平面波状の出射光とすることができる。位相格子16bは、例えば入射側の位相格子16aとは入射端および出射端の向きを逆にして設置すればよい。すなわち、位相格子16aにおけるフォトニック結晶1側の端面が、位相格子16bでも、フォトニック結晶1側の端面になるようにすればよい。
また、図13Aに示すように、フォトニック結晶1の入射側と出射側の両方に同じ位相格子を対称に配置すれば、どちらの方向の伝搬光に対しても同じ作用となるので、それぞれの位相格子16aおよび16bに光ファイバなどをそのまま結合させることができる。すなわち、フォトニック結晶1の両端のどちらを入射側としてもよい。(後述する計算例5および図20A参照)。
図13Aおよび図13Bに示した導波路素子100および110において、位相格子16aおよび16bは、フォトニック結晶1の端面1aおよび1bの近傍または、端面1aおよび1bに接触させて設置すればよい。また、フォトニック結晶1と位相格子16aおよび16bとの構造が同一である場合には、それらを一体形成してもよい。
また、図13Cは、本実施の形態の他のフォトニック結晶を用いた導波路素子200の構成を示す斜視図である。図13Cの導波路素子200には、図13Aの位相格子16aが設置されておらず、ロッドレンズ12aの代わりに、端面1aに対して、(1)式の条件を満たす入射角θで光を入射させるロッドレンズ13a(入力部)が設置されている。これにより、上記第1の方法および第2の方法を用いた、本実施の形態に係るフォトニック結晶を用いた導波路素子が実現できる。
また、図13Dは、本実施の形態の他のフォトニック結晶を用いた導波路素子210の構成を示す斜視図である。図13Dの導波路素子210は、図13Cの導波路素子200に、さらに、入射角(−θ)で端面1aから光を入射させるロッドレンズ13b(入力部)を備えている。これにより、上記第3の方法を用いた、本実施の形態に係るフォトニック結晶を用いた導波路素子が実現できる。
ここで、図13A〜図13Dにおいて、フォトニック結晶1を光導波路として機能させるには、上下方向(Y軸方向)および左右方向(X軸方向)への、光の閉じ込めが必要となる。以下に両方向における閉じ込め手段について説明する。
まず、上下方向の光の閉じ込めについて説明する。上下方向とは、フォトニック結晶1が有する屈折率周期の方向である。
高次伝搬バンド光のZ方向(光の伝搬方向)における実効屈折率が、フォトニック結晶1部分と接する周囲の媒体の屈折率よりも大きい場合は、そのまま屈折率差による閉じ込めが行われる。しかし、実効屈折率が周囲の媒体の屈折率よりも小さければ屈折により伝搬光が媒体側に漏れてしまう。すなわち、フォトニック結晶1中を光が伝搬しない。なお、図13A〜図13Dに示す本実施の形態では、フォトニック結晶1の周りには、何も設置していないため、周囲の媒体は空気もしくは基板20となる。ここで、特に、高次伝搬バンド光の実効屈折率が基板20の屈折率未満になると、周囲の媒体が空気であっても伝搬光の漏れを防ぐことができなくなる。
図14Aは、反射層32を設けたフォトニック結晶1の構造を示す断面図である。また、図14Bは、フォトニック結晶クラッド11を設けたフォトニック結晶1の構造を示す断面図である。伝搬光の漏れを防ぐために、例えば図14Aに示すようにフォトニック結晶1の上下に金属膜などの反射層32を設ければよい。しかし、このような構成にした場合には、反射層32による多層膜の強度の低下や反射層の反射率の不足による伝搬光の減衰等の問題が生じる場合がある。その場合には、例えば、図14Bに示すように、フォトニック結晶1とは異なる屈折率周期あるいは異なる構造のフォトニック結晶クラッド11を、フォトニック結晶1の上下に設置すればよい。フォトニック結晶11の構造については、フォトニック結晶1の構造に応じて、適宜設計すればよい。なお、反射層32およびフォトニック結晶クラッド11は、フォトニック結晶1の上下両方に設置せずに、どちらか片方でもかまわない。
図15は、互いに隣接する周期aの1次元フォトニック結晶1と、周期bの1次元フォトニック結晶クラッド11との特定の波長λ0に対するバンド図(b>aとする)を模式的に示したものである(図14B参照)。
第1バンド上に規格化周波数a/λ0が入射光と一致する対応点503がある。したがって、フォトニック結晶1の内部には、ブリルアンゾーン境界におけるZ方向の伝搬光(第1バンドによる)が伝搬しているものとする。図15において、矢印500は伝搬光のエネルギー進行方向を示す。また、波長λ0に対するバンド501も図示されている。フォトニック結晶クラッド11においては、Z方向にバンドの存在しない領域(バンドギャップ502)が生じており、フォトニック結晶1内部の伝搬に対応するバンドが存在しない。したがって、フォトニック結晶1の伝搬光はフォトニック結晶クラッド11に結合しない。すなわち、閉じ込めがなされていることになる。
閉じ込め用フォトニック結晶クラッド11の材料や構造は、伝搬用フォトニック結晶1と異なったものであっても構わない。1次元フォトニック結晶である多層膜の作製の効率を考えれば同じ材料を用いて周期を小さくすることが望ましい。なお、フォトニック結晶1側で使用する波長域と伝搬バンドとにおける伝搬光の波数ベクトルに対応するバンドが、フォトニック結晶クラッド11側に存在しないことを、バンド計算によって確認して設計すればよい(後述する計算例7および図23参照)。
なお、図15に示したバンド図による光の閉じ込めの判定は、フォトニック結晶クラッド11が無限周期構造を有することを前提としたものであるから、閉じ込め用フォトニック結晶の周期数がたとえば3周期くらいであると、閉じ込めが不充分となり伝搬光が外部に漏れてしまうことはあり得る。また、不必要に周期数を多くすることはコストと多層膜の耐久性や精度の点から好ましくない。そこで、実際に必要な最低限の周期数は、実験や電磁波シミュレーションにより決定することが望ましい。
次に、横方向の閉じ込めについて説明する。フォトニック結晶1は、横方向(X方向)には屈折率が一様である。
図13A〜図13Dに示す導波路素子100、110、200および210のフォトニック結晶1の横方向(X軸方向)の側面は、フォトニック結晶によるコア部分が空気層に露出した状態としている。本発明者らのシミュレーションによると、フォトニック結晶1の側面は「互い違いの電場パターン」が露出しており、かつ電場のピークでの振幅はすべて等しいことがわかっている。したがって、フォトニック結晶1の側表面からの回折波は互いに打ち消しあい、空気側には伝搬しないため、そのままでも閉じ込めが行われている(後述する計算例8および図25参照)。
図13A〜図13Dに示している本実施の形態に係るフォトニック結晶を用いた導波路素子において、高次バンド伝搬光は前述したように入射光の波長によって群速度が大きく変化するので、「光通信用信号光の分散補償」および「光遅延素子」などの用途に用いることができる。
また、前述したように群速度の遅い伝搬光には非線形光学効果を増強する作用があるので、
・フォトニック結晶(導波路)部分に、非線形光学作用を示す物質を微粒子状にしてドープする、
・フォトニック結晶(導波路)部分の1周期ごとに、非線形光学作用を示す物質を含む薄膜層を設置する、
・フォトニック結晶(導波路)を形成する物質そのものを、非線型作用のあるものとする、
などの手段により、従来あるものよりもはるかに非線形光学効果の大きい導波路状の光学素子を実現できる。
図13A〜図13D本実施の形態に係るフォトニック結晶を用いた導波路素子100、110、200および210のフォトニック結晶1の材料としては、使用波長域における透明性が確保できるものであれば特に限定はない。一般的に多層膜の材料として用いられていて耐久性や成膜コストの点で優れたシリカ、シリコン、酸化チタン、酸化タンタル、酸化ニオブ、フッ化マグネシウムおよび窒化シリコンなどが適する材料である。これらの材料は、スパッタリング、真空蒸着、イオンアシスト蒸着およびプラズマCVDなどの良く知られた方法により、容易に多層膜とすることができる。
フォトニック結晶を構成する複数の材料間の屈折率比は大きくなるほど、波長分散なども大きくなる傾向があるので、そのような特性が必要な用途に対してはお互いの屈折率差の大きい高屈折率材料と低屈折率材料とを組合せることが望ましい。すなわち、図1のフォトニック結晶1において、例えば、物質5aを高屈折率材料とし、物質5bを低屈折率材料とすればよい。つまり、物質5aと物質5bとの屈折率比を大きくすればよい。実用的に実現できる屈折率比は、例えば低屈折率材料として空気(屈折率1)、高屈折率材料としてInSb(屈折率n=4.21)を用いると屈折率比は4以上にすることができる(「微小光学ハンドブック」224頁、朝倉書店、1995年、参照)。
フォトニック結晶1を構成する材料(物質5aおよび物質5b)の屈折率比が小さくなると、偏光方向による特性の違いが小さくなる傾向がある。したがって、本実施の形態に係るフォトニック結晶を用いた導波路素子においては、偏波無依存を実現するためには、物質5aおよび物質5bの屈折率比を小さくすることが有用である。
また、図13A〜図13Dでは、基板20上にフォトニック結晶1を設置しているが、基板20を用いず、いわゆるエアーブリッジ構造としてもよい。
材料を適切に選定すれば、本実施の形態に係るフォトニック結晶を用いた導波路素子の作用は通常使用される200nm〜20μm程度の波長範囲すなわち光を用いる場合に、特に発揮される。しかし、フォトニック結晶の原理は電磁波一般に適用できるので、本実施の形態に係るフォトニック結晶を用いた導波路素子をより波長の長い電波や、波長の短いX線やガンマ線に応用することもできる。本実施の形態に係るフォトニック結晶を用いた導波路素子は、光素子として説明したが、光に限定されるわけではなく、設計に応じて、あらゆる波長の電磁波に用いることができる。つまり、本実施の形態に係るフォトニック結晶を用いた導波路素子は、電磁波制御素子として用いることができる。
なお、本実施の形態のフォトニック結晶を用いた導波路素子は、フォトニック結晶の屈折率周期が1方向のみしか存在しない場合に限定されるわけではない。フォトニック結晶の一部に他の方向への屈折率周期性を有するようにし、新たな機能を加えることもできる。例えば、図13A〜図13Dに示したフォトニック結晶1の一部にZ方向に周期を有する溝を形成することで、ブラッグ反射により特定の周波数域の伝搬光を反射させる導波路素子を作製することができる。
以下に、前述の説明における計算例を示す。
まず、周期的多層膜構造の端面に平面波を入射させた場合について、以下の条件での電磁波シミュレーションを実施した。電磁波シミュレーションは、有限要素法(Finite Element Method、以下、FEM法という)を用いている。以下の計算例および比較例では、長さはすべてフォトニック結晶1における屈折率周期の周期aを基準として規格化している。
(計算例1)
計算例1においては、図1を参照して説明する。
(1)フォトニック結晶1の構造条件
フォトニック結晶1は、物質5aと物質5bとが周期的に交互に重ねたものである(図1参照)。
(物質5a) 厚さtA=0.50a 屈折率nA=1.4578
(物質5b) 厚さtB=0.50a 屈折率nB=1.00
フォトニック結晶1の両端は、屈折率n=1.0の空気層とした。
このフォトニック結晶1のTE偏光に対するバンド図は、図16Aに示している。なお、図16Aにおいて矢印510は入射光2の波数ベクトルを示し、矢印511は第1バンドにおける伝搬光4のエネルギー進行方向を示し、矢印512は第2バンドにおける伝搬光4のエネルギー進行方向を示している。また、対応点515および対応点516は、第1および第2バンド上の規格化周波数a/λ0が入射光と一致する個所であり、矢印513および矢印514は、伝搬光4の波数ベクトルである。
(2)入射光2の条件
(真空中の波長) λ0=0.9091a(a/λ0=1.100)
(偏光) TE偏光(電場の向きがX軸方向)
(入射角) θ=27.04°
すなわち、次式を満足する。
n・sinθ・(a/λ0)=0.5
よって、(1)式の条件を満たしている。ただし、計算は有限な領域で行ない、フォトニック結晶1の端面1aの入射部分の幅は約12周期とした。
図16Bは、計算例1におけるシミュレーション結果である電場の強度分布を示している。図16Bにおいて、黒く塗りつぶされた個所が電場の強いところ(振幅の山と谷)を示している。バンド図(図16A)からも判断できるように、計算例1の条件では第1バンドと第2バンドによるブリルアンゾーン境界での伝搬が起こるので、特異なジグザグ状の電場パターンが出現している。すなわち、「非常に大きい波長分散」および「群速度異常」などを生じさせ得る。
これは、前述の第1の方法(斜め入射による複数バンド伝搬)の例である。
(計算例2)
計算例2においては、図1を参照して説明する。
(1)フォトニック結晶1の構造条件
フォトニック結晶1は、物質5aと物質5bとが周期的に交互に重ねたものである(図1参照)。
(物質5a) 厚さtA=0.50a 屈折率nA=1.4578
(物質5b) 厚さtB=0.50a 屈折率nB=1.00
フォトニック結晶1の両端は、屈折率n=2.5の媒体とした。
図17Aは、計算例2におけるバンド図である。なお、図17Aにおいて矢印520は入射光2の波数ベクトルを示し、矢印521は第1バンドにおける伝搬光4のエネルギー進行方向を示し、対応点523は第1バンド上の規格化周波数a/λ0が入射光と一致する個所であり、矢印522は伝搬光4の波数ベクトルである。図17Aおよび図16Aのバンドは同じであるが、a/λ0の値が異なるので、対応点523が第1バンドにのみ存在する。
(2)入射光2の条件
(真空中の波長) λ0=2.3256a(a/λ0=0.43)
(偏光) TE偏光(電場の向きがX軸方向)
(入射角) θ=27.72°
すなわち、次式を満足する。
n・sinθ・(a/λ0)=0.5
よって、(1)式の条件を満たしている。ただし、計算は有限な領域で行ない、フォトニック結晶1の端面1aの入射部分の幅は約12周期とした。
図17Bは、計算例2におけるシミュレーション結果である電場の強度分布を示している。図17Bにおいて、黒く塗りつぶされた個所が電場の強いところ(振幅の山と谷)を示している。バンド図(図9)からも判断できるように、計算例2の条件では第1バンドのみによるブリルアンゾーン境界での伝搬が起こるので、高屈折率層を腹、低屈折率層を節とし、隣接する高屈折率層では電場の位相が半周期ずれる、という高次バンド伝搬のパターンが出現している。これは、第2の方法(斜め入射による第1バンド伝搬)の例である。
なお、a/λ0の値が小さいので、フォトニック結晶1の両端の媒体の屈折率は2.5と大きい値に設定した。
(計算例3)
計算例3においては、図10を参照して説明する。
(1)フォトニック結晶1の構造条件
フォトニック結晶1は、物質5aと物質5bとが周期的に交互に重ねたものである(図1参照)。
(物質5a) 厚さtA=0.50a 屈折率nA=1.4578
(物質5b) 厚さtB=0.50a 屈折率nB=1.00
フォトニック結晶1の両端は、屈折率n=1.0の空気層とした。
このフォトニック結晶1のTE偏光に対するバンド図は、図16Aに示しているものと同じである。
(2)入射光21および22の条件
(真空中の波長) λ0=0.9091a(a/λ0=1.100)
(偏光) TE偏光(電場の向きがX軸方向)
(入射角) θ=±27.04°
すなわち、次式を満足する。
n・sinθ・(a/λ0)=0.5
よって、(1)式の条件を満たしている。入射光21および22は2方向から入射され、それぞれ交差している。また、干渉波の腹を高屈折率層と一致させた。ただし、計算は有限な領域で行ない、フォトニック結晶1の端面1aの入射部分の幅は約13周期とした。
図18は、計算例3におけるシミュレーション結果である電場の強度分布を示している。図18において、黒く塗りつぶされた個所が電場の強いところ(振幅の山と谷)を示している。これは、第3の方法(平面波の干渉による入射光の位相変調)の例である。図18に示すように、フォトニック結晶1中では高屈折率層に電場が局在している。したがって、第1バンドによる伝搬光のみが発生していることがわかる。
(計算例4)
計算例4においては、図10を参照して説明する。計算例4は、計算例3と同じ条件であるが、干渉波の腹を低屈折率層と一致させた場合である。
図19は、計算例4におけるシミュレーション結果である電場の強度分布を示している。図19において、黒く塗りつぶされた個所が電場の強いところ(振幅の山と谷)を示している。これも、第3の方法(平面波の干渉による入射光の位相変調)の例である。フォトニック結晶1中では低屈折率層に電場が局在する。また、第2バンドによる伝搬光のみが発生していることがわかる。なお、計算例4の場合は、低屈折率層に電場が局在している
(計算例5)
計算例5においては、図11を参照して説明する。
フォトニック結晶1の端面に位相格子6aおよび6bを設置して、平面波である入射光である平面波7を垂直入射させた場合の計算例である。
(1)フォトニック結晶1の構造条件
フォトニック結晶1は、物質5aと物質5bとが周期的に交互に重ねたものである(図1参照)。
(物質5a) 厚さtA=0.30a 屈折率nA=2.1011
(物質5b) 厚さtB=0.70a 屈折率nB=1.4578
このフォトニック結晶1のTE偏光に対するバンド図は、図2に示すものと同じである。
(2)位相格子6aおよび6bの構造
図20Bは、位相格子6aの構成を示す断面図である。位相格子6aは、物質6cおよび物質6dを矩形状に配置した構造である。なお、図11における位相格子6aおよび6bは、物質6cおよび物質6dのどちらかが、空気となっている構成であり、物質と空気とが交互に積層された構成である。図20Bは、位相格子6aの構成を示す断面図である。図20Bに示すように、位相格子6a(位相格子6b)は物質6cおよび物質6dが交互に積層された構成である。物質6cは、Y軸方向の厚さがtCで、屈折率がnCである。また、物質6dは、Y軸方向の厚さがtDで、屈折率がnDである。位相格子6bの構成は、位相格子6aと同一である。
入射光である平面波7は、空気中から屈折率が1.45の層6eを介して、位相格子6aに入射する。また、位相格子6bからの出射光71も、屈折率が1.45の層6eを介して空気中に出射される。なお、この層6eのZ軸方向の厚さはtEである。
(物質6c) Y軸方向厚さtC=0.7358a 屈折率nC=1.45
(物質6d) Y軸方向厚さtD=1.2642a 屈折率nD=1.00
位相格子の周期(tC+tD) 2a
位相格子のZ軸方向厚さtZ 1.5094a
位相格子と空気層の間隔tE(層6eの幅) 0.9434a
以上、位相格子6aおよび6bの形状は、±1次回折光が強くなるように最適化した。
(3)入射光(平面波7)の条件
(真空中の波長) λ0=1.321a(a/λ0=0.7571)
(偏光) TE偏光(電場の向きがX軸方向)
(4)位相格子6aおよび6bの配置
入射側の位相格子6aの各層である物質6cおよび6dの中心がフォトニック結晶1の高屈折率層の中心と一致するように、配置している。入射光である平面波7は、屈折率1の自由空間から入射する。
また、フォトニック結晶1の出射側にも、入射側と同じ位相格子6bを配置して、フォトニック結晶1からの出射光を平面波に変換した。ただし、出射側の位相格子6bのY軸方向位置は、入射側と半周期aだけずらしている。これは、Z軸方向の光路長差を一定にするためである。
ただし、計算は有限な領域で行ない、フォトニック結晶1の端面1aの入射部分の幅は約9周期とした。
計算例5は、第4の方法(位相格子の設置による入射光の位相変調)の場合であり、図20Aは、計算例5におけるシミュレーション結果である電場の強度分布を示している。図20Aにおいて、黒く塗りつぶされた個所が電場の強いところ(振幅の山と谷)を示している。伝搬光の腹の部分に高屈折率層がくるようにフォトニック結晶1を設置しているので、図20Aに示すように第1バンドによる伝搬光のみが発生している。また、出射側位相格子6bによる平面波の復元も達成している。
(計算例6)
計算例6においては、図13Bを参照して説明する。
a/λ0の値を非常に小さくして、周期2aの位相格子の斜め入射により位相変調を行ない、フォトニック結晶1と結合させた場合の計算例である。
(1)フォトニック結晶1の構造条件
フォトニック結晶1は、物質5aと物質5bとが周期的に交互に重なったものである(図1参照)。
(物質5a) 厚さtA=0.30a 屈折率nA=2.1011
(物質5b) 厚さtB=0.70a 屈折率nB=1.4578
このフォトニック結晶1に対するバンド図は、図2に示すものと同じである。
(2)位相格子6aの構造条件(図20B参照)
位相格子6aは、物質6cおよび物質6dを矩形状に配置した構造である。
(物質6c) Y軸方向厚さtC=1.6a 屈折率nC=2.00
(物質6d) Y軸方向厚さtD=0.4a 屈折率nD=1.00
位相格子の周期(tC+tD) 2a
位相格子部分のZ軸方向厚さtZ 1.5642a
以上、位相格子6aの形状は、特定の回折光が強くなるように最適化した。
(3)入射光23の条件
(真空中の波長) λ0=2.941a(a/λ0=0.340)
(偏光) TE偏光(電場の向きがX軸方向)
(入射角) θ=47.332°
すなわち、次式を満足する。
n・sinθ・(a/λ0)=0.5
よって、(1)式の条件を満たしている。
(4)位相格子6aの配置
図21は、位相格子6aに斜め入射した光のシミュレーションによる電場の強度を示している。図21において、黒く塗りつぶされた個所が電場の強いところ(振幅の山と谷)を示している。図21において、各領域における屈折率について説明する。まず入射光23は屈折率が1.0の領域から屈折率が2.0の領域に進み、位相格子6aに入射する。位相格子6aから屈折率が2.0の領域に出射される。図21に示すように、入射角θで位相格子6aに入射した光は、両側に広がる干渉波が強く、位相格子6aに対して、垂直に進む干渉波は弱いので、互い違いの干渉パターンとなっていることがわかる。
図22は、計算例6におけるシミュレーション結果である電場の強度分布を示している。図22において、黒く塗りつぶされた個所が電場の強いところ(振幅の山と谷)を示している。なお、図22に示すように、位相格子6aとフォトニック結晶1との間隔uは0.90909aとし、その個所の屈折率は、2.0として、フォトニック結晶1の高屈折率層の中心に干渉波の腹が来るようY軸方向の位置を調整した。なお、フォトニック結晶1の端面1aの入射部分の幅は約24周期とした。
計算例6は、第6の方法(周期2aの位相格子と斜め入射による干渉波の利用)の場合である。この方法では、a/λ0の値が小さいので、フォトニック結晶1中を伝播する電磁波の波長は非常に長くなっている。また、Y方向への広がりが著しいこともわかる。
(計算例7)
計算例7は、計算例6におけるフォトニック結晶1の上下に、周期の異なるフォトニック結晶11を設けて、閉じ込めを行なった場合の計算例である。計算例7においては、図14Bを参照して説明する。
(1)フォトニック結晶1の構造条件
フォトニック結晶1の端面の入射部分の幅は約13周期とした以外は、計算例6と同じである。
(2)フォトニック結晶クラッド11の構造条件
フォトニック結晶クラッド11は、厚さtFで屈折率がnFの物質および厚さtGで屈折率がnGの物質を交互に重ねたものであり、フォトニック結晶1とは異なる構造であるとする。
ここで、
厚さtF=0.2673a 屈折率nF=2.1011
厚さtG=0.6236a 屈折率nG=1.4578
とする。フォトニック結晶11のバンド図は図2に示すものと同じである。また、フォトニック結晶11は、上下それぞれ5周期とした。
(3)位相格子6aの構造条件
計算例6と同じ。
(4)入射光23の条件
計算例6と同じ。
(5)位相格子6aの配置
計算例6と同じ。
図23は、計算例7におけるシミュレーション結果である電場の強度分布を示している。図23において、黒く塗りつぶされた個所が電場の強いところ(振幅の山と谷)を示している。図23よりわかるように、閉じ込め層であるフォトニック結晶11にはほとんど電場が存在せず、電磁波エネルギーはY方向に閉じ込められた状態でZ方向に伝搬していることがわかる。
(計算例8)
計算例8は、横方向(X軸方向)閉じ込めの計算例である。計算例においては、図24A、図24Bおよび図24Cを参照して説明する。図24Aは、計算例8で用いる導波路素子240の構成を示すXZ平面断面図である。図24Aにおいて、フォトニック結晶1は、XおよびZ軸方向には、屈折率が一様である。また、図24Aは、導波路素子240の半面のみ示している。フォトニック結晶1の周りは、空気層241である。導波路素子240は、位相格子6aを入射端側に備えている。入射光242は、空気中から、屈折率が1.45の層6eを通り、位相格子6aを介して、フォトニック結晶1に入射する。図24Bは、計算例8で用いる導波路素子240の構成を示すYZ平面断面図である。図24Bは、導波路素子240の一部のみ図示している。図24Cは、図24Bの一部C拡大図である。
(1)フォトニック結晶1の構造条件
フォトニック結晶1は、物質5aと物質5bとが周期的に交互に重なったものである(図1参照)。
(物質5a) 厚さtA=0.30a 屈折率nA=2.1011
(物質5b) 厚さtB=0.70a 屈折率nB=1.4578
このフォトニック結晶1に対するバンド図は、図2に示すものと同じである。なお、フォトニック結晶1の計算範囲は2周期であるが、Y軸方向に周期境界条件を設定して計算したので、無限周期構造と同じ結果が得られている。
(2)位相格子6aの構造(図24C参照)
位相格子6aは、物質6cおよび物質6dを矩形状に配置した構造である。
(物質6c) Y軸方向厚さtC=0.7358a 屈折率nC=1.4578
(物質6d) Y軸方向厚さtD=1.2642a 屈折率nD=1.00
位相格子の周期(tC+tD) 2a
位相格子のZ軸方向厚さtZ 1.5642a
位相格子と空気層の間隔tE(層6eの幅) 0.4717a
以上、位相格子6aおよび6bの形状は、±1次回折光が強くなるように最適化した。
(3)入射光242の条件
(真空中の波長) λ0=1.4151a(a/λ0=0.7067)
(偏光) TE偏光(電場の向きがX軸方向)
(入射角) 垂直入射(n=1.00の空気層241から入射)
(4)X軸方向の構造
フォトニック結晶1の幅(X軸方向の長さ)を9.434aとして、その両側を屈折率1.0の空気層とした。図25A、図25Bおよび図25Cに示した、実際の計算では、フォトニック結晶1のX軸方向の中央で分割して反射面として、半分の領域について表示を行なっている。
入射光242が入射した場合の、FEM法による電場強度分布の計算結果を図25A、図25Bおよび図25Cに示す。図25Aは導波路部分の中央断面の電場の強度分布を示していて、図25Bは高屈折率層中心の電場の強度分布を示していて、図25Cは低屈折層中心の電場の強度分布を示している。図25A、図25Bおよび図25Cにおいて、黒く塗りつぶされた個所が電場の強いところ(振幅の山と谷)を示している。フォトニック結晶1の周りの空気層では電場強度がほとんど0となり、伝搬光がフォトニック結晶1内に閉じ込められていることがわかる。
以上説明したように、本実施の形態によれば、フォトニック結晶中の高次バンド伝搬光を利用した導波路素子を実現することができる。したがって、高次バンド伝搬光の群速度異常に起因する分散補償、光学非線形性の増強効果などを利用した素子として広く応用することができる。
合を大きくするためには、位相格子による0次回折光強度と±1次回折光強度の配分比と位相を調整する必要があり、そのための最適化設計が必要となる。
【発明の開示】
本発明は、このような従来技術における問題に鑑みなされたもので、フォトニック結晶独特の機能を生かすことができ、かつ容易に作製することができるフォトニック結晶を用いた導波路素子を提供することを目的とする。
本発明は、1方向に屈折率周期性を有するフォトニック結晶を用いた導波路素子であって、前記屈折率周期の方向と略平行である前記フォトニック結晶の端面に対して、電磁波を斜めに入射させ、前記フォトニック結晶中にブリルアンゾーン境界上のバンドによる伝搬光を生じさせる入力部を備えたことを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
図1は、一方向に屈折率周期性を有するフォトニック結晶の電磁波伝搬を示す断面図である。
図2は、図1に示したフォトニック結晶のバンド図である。
図3Aは、図1に示したフォトニック結晶への入射光も含むバンド図である。
図3Bは、図3Aのバンド図をZ軸方向に限定して示したバンド図である。
図4Aは、図1で示したフォトニック結晶内での、Z軸方向における第1バンド伝搬光の電場の強さを模式的に表した断面図である。
図4Bは、図1で示したフォトニック結晶内での、Z軸方向における高次バンド伝搬光の電場の強さを模式的に表した断面図である。
図5は、位相格子とフォトニック結晶とを備えた導波路素子における、
Claims (17)
- 1方向に屈折率周期性を有するフォトニック結晶を用いた導波路素子であって、
前記フォトニック結晶中にブリルアンゾーン境界上のバンドによる伝搬光を生じさせる入力部を備えたことを特徴とするフォトニック結晶を用いた導波路素子。 - 前記入力部は、前記屈折率周期の方向と略平行である前記フォトニック結晶の端面から、前記端面に対して入射角θで、略平面波状の電磁波を少なくとも一つ入射させ、
nは前記フォトニック結晶の前記端面に接している媒体の屈折率とし、λ0は前記電磁波の真空中における波長とし、aは前記フォトニック結晶の周期とした場合に、前記入射角θは、
n・sinθ・(a/λ0)=±0.5
の関係を満たす請求の範囲1に記載のフォトニック結晶を用いた導波路素子。 - 前記入力部は、前記屈折率周期性の方向と略平行である前記フォトニック結晶の端面に近接または接触して設置され、略平面波状の電磁波を位相変調して、前記フォトニック結晶の前記端面から入射させる入射側位相変調部と、
前記電磁波を前記入射側位相変調部に入射させる入射部とを備えた請求の範囲1に記載のフォトニック結晶を用いた導波路素子。 - 前記入射側位相変調部は、前記フォトニック結晶の屈折率周期の方向と同一方向である屈折率周期を有し、かつ、前記フォトニック結晶の屈折率周期の整数倍である屈折率周期を有する位相格子である請求の範囲3に記載のフォトニック結晶を用いた導波路素子。
- 前記入射側位相変調部は、前記フォトニック結晶の屈折率周期の方向と同一方向である屈折率周期を有し、かつ、前記フォトニック結晶の屈折率周期の2倍である屈折率周期を有する位相格子であり、
前記入射部は、前記電磁波を前記位相格子に前記位相格子の屈折率周期の方向に対して略垂直入射させる請求の範囲3に記載のフォトニック結晶を用いた導波路素子。 - 前記入射側位相変調部は、前記フォトニック結晶の屈折率周期の方向と同一方向である屈折率周期を有し、かつ、前記フォトニック結晶の屈折率周期の2倍の屈折率周期を有する位相格子であり、
前記位相格子の屈折率周期の方向と前記屈折率周期の方向と垂直な方向とを含む面上に含まれ、かつ、前記屈折率周期の方向と垂直な方向に対して角度θとなるよう、前記入射部は前記電磁波を前記位相格子に入射させ、
nは前記位相格子の入射端面に接している媒体の屈折率とし、λ0は前記電磁波の真空中における波長とし、aは前記フォトニック結晶の周期とした場合に、前記角度θは、
n・sinθ・(a/λ0)=±0.5
の関係を満たす請求の範囲3に記載のフォトニック結晶を用いた導波路素子。 - 前記入射側位相変調部は、前記フォトニック結晶の屈折率周期の方向と同一方向である屈折率周期を有し、かつ、前記フォトニック結晶の屈折率周期と同一の屈折率周期を有する位相格子であり、
前記位相格子の屈折率周期の方向と前記屈折率周期の方向と垂直な方向とを含む面上に含まれ、かつ、前記屈折率周期の方向と垂直な方向に対して角度θとなるよう、前記入射部は前記電磁波を前記位相格子に入射させ、
nは前記位相格子の入射端面に接している媒体の屈折率とし、λ0は前記電磁波の真空中における波長とし、aは前記フォトニック結晶の周期とした場合に、前記角度θは、
n・sinθ・(a/λ0)=±0.5
の関係を満たす請求の範囲3に記載のフォトニック結晶を用いた導波路素子。 - 前記入射側位相変調部は、前記フォトニック結晶と一体形成されている請求の範囲7に記載のフォトニック結晶を用いた導波路素子。
- 前記フォトニック結晶中を、前記フォトニック結晶の屈折率周期の方向と垂直な方向に電磁波が伝搬している場合に、前記フォトニック結晶の屈折率周期の方向に、前記フォトニック結晶中を伝搬している電磁波が漏れないように閉じ込める閉じ込め部をさらに備えた請求の範囲1に記載のフォトニック結晶を用いた導波路素子。
- 前記閉じ込め部は、前記フォトニック結晶の屈折率周期の方向と垂直となる前記フォトニック結晶の側面の少なくとも一方に設置された、反射層である請求の範囲9に記載のフォトニック結晶を用いた導波路素子。
- 前記閉じ込め部は、前記フォトニック結晶の屈折率周期の方向と垂直となる前記フォトニック結晶の側面の少なくとも一方に設置された、前記フォトニック結晶が有する屈折率周期と同一方向に屈折率周期性を有するフォトニック結晶である請求の範囲9に記載のフォトニック結晶を用いた導波路素子。
- 入射側位相変調部が設置された前記フォトニック結晶の端面の逆の端面に近接または接触している出射側位相変調部をさらに備えた請求の範囲3に記載のフォトニック結晶を用いた導波路素子。
- 前記出射側位相変調部は、前記フォトニック結晶の屈折率周期と同一方向に屈折率周期性を有する位相格子である請求の範囲12に記載のフォトニック結晶を用いた導波路素子。
- 前記出射側位相変調部が、前記フォトニック結晶の屈折率周期の方向と同一方向である屈折率周期を有し、かつ、前記フォトニック結晶の屈折率周期と同一の屈折率周期を有する位相格子であり、前記フォトニック結晶と一体形成されている請求の範囲12に記載のフォトニック結晶を用いた導波路素子。
- 前記出射側位相変調部は、前記入射側位相変調部とは、同一の屈折率周期構造である請求の範囲12に記載のフォトニック結晶を用いた導波路素子。
- 前記出射側位相変調部は、入射端と出射端の方向が、前記入射側位相変調部とは逆になるように設置されている請求の範囲15に記載のフォトニック結晶を用いた導波路素子。
- 前記フォトニック結晶内部を伝搬する電磁波は、最低次および低次側から2番目のフォトニックバンドどちらかもしくは両方に属する波動である請求の範囲1に記載のフォトニック結晶を用いた導波路素子。
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