JPWO2006073194A1 - 光導波路、光デバイス及び光通信装置 - Google Patents

Abstract

光の進行方向と直交する２つの光導波モードの利用を可能にして設計の自由度を向上させたフォトニック結晶からなる光導波路及び光デバイスを提供する。フォトニック結晶からなる光導波路において、フォトニック結晶の分散関係において、最低周波数の光導波モードである屈折率ガイドモードを用いて光を伝搬する。または、光の進行方向と直交する２つの光導波モードのうち、第１の光導波モードに、線欠陥導波路モードを用い、第２の光導波モードに上記屈折率ガイドモードを用いて光を伝搬する。または、光の進行方向と直交する２つの光導波モードに、前記フォトニック結晶の分散関係において、最低周波数の光導波モードである屈折率ガイドモードをそれぞれ用いて光を伝搬する。

Description

本発明は、屈折率が異なる２種類以上の物質を、１次元、２次元又は３次元周期で配列して得られるフォトニック結晶からなる光導波路並びにそれを備えた光デバイス及び光通信装置に関する。

屈折率が異なる２種類以上の物質が、光の波長オーダー(通常０．３〜０．７μｍ）で多次元周期に配列されたフォトニック結晶は、フォトニックバンドギャップによる強い光閉じ込め効果が期待でき、これを利用した種々の光デバイス及び微小光回路等への応用が期待されている。また、フォトニック結晶に線状欠陥を設けることにより、フォトニック結晶内部に光導波路が形成されることも知られている（例えば、非特許文献１参照）。

J. D. Joannopoulos, P. R. Villeneuve, and S. Fan Photonic Crystal: putting a new twist on light, Nature 386巻 143頁 1997年 第51回応用物理学関係連合講演会予稿集、北川等、第3巻1169頁、講演番号31a-M-3 フィジカル・レビュー・レターズ（２００１年）、納富等、第８７巻第２５号２５３９０２頁〜２５３９０５頁の図３

フォトニック結晶からなる光導波路内の電磁波（光）には、導波が可能な（光が伝搬する）光導波モードと、導波できない（光が伝搬しない）スラブモード又は放射モードとが存在する。

上述したフォトニック結晶に線状欠陥を設けることで得られる光導波路（以下、線欠陥光導波路と称す）は、線状欠陥を設けることで得られる２つのスラブモード帯に挟まれたフォトニックバンドギャップ中に形成される線欠陥導波路モードを光導波モードとして利用するのが一般的である。

そのため、従来のフォトニック結晶からなる光導波路では、光の進行方向と直交する２つの光導波モードのうち、フォトニックバンドギャップが形成されるような電界ベクトルを持つ一方の偏波光しか伝搬できず、光導波路及びそれを利用した光デバイスを設計する際の自由度が低いという問題点があった。

例えば、非特許文献２には、フォトニックバンドギャップにおける偏波無依存化を実現するフォトニック結晶構造が提案されている。しかしながら、フォトニック結晶からなる光導波路について、光の進行方向と直交する２つの光導波モードのいずれも導波可能な構成は実現されていなかった。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、光の進行方向と直交する２つの光導波モードの利用を可能にして設計の自由度を向上させたフォトニック結晶からなる光導波路及び光デバイスを提供することを目的とする。

本願第１発明に係る光導波路は、屈折率が異なる２種類以上の物質を、１次元、２次元又は３次元周期で配列して得られるフォトニック結晶からなる光導波路において、
前記フォトニック結晶の分散関係において、最低周波数の光導波モードである屈折率ガイドモードを用いて光を伝搬することを特徴とする。（図１及び図３参照）

本願第２発明に係る光導波路は、屈折率が異なる２種類以上の物質を、１次元、２次元又は３次元周期で配列して得られるフォトニック結晶からなる光導波路において、
光の進行方向と直交する２つの光導波モードのうち、
第１の光導波モードに、線欠陥導波路モードを用い、
第２の光導波モードに、前記フォトニック結晶の分散関係において、最低周波数の光導波モードである屈折率ガイドモードを用いて光を伝搬することを特徴とする。（図９及び図１１参照）

本願第３発明に係る光導波路は、屈折率が異なる２種類以上の物質を、１次元、２次元又は３次元周期で配列して得られるフォトニック結晶からなる光導波路において、
光の進行方向と直交する２つの光導波モードに、前記フォトニック結晶の分散関係において、最低周波数の光導波モードである屈折率ガイドモードを夫々用いて光を伝搬することを特徴とする。（図１０参照）

本発明に係る光導波路では、フォトニック結晶の分散関係において、最低周波数の光導波モードである屈折率ガイドモードを光の伝搬に用いることで、光の進行方向にほぼ直交する方向の電界ベクトルを持つ２つの光導波モードの光を夫々伝搬できる。

本発明によれば、フォトニック結晶からなる光導波路において、光の進行方向にほぼ直交する方向の電界ベクトルを持つ２つの光導波モードを夫々利用できる。従って、光導波路及びそれを用いる各種光デバイスを設計する際の自由度が向上する。

フォトニック結晶に設けた線欠陥光導波路の一構成例を示す斜視図である。 図１に示した線欠陥光導波路内を伝搬する光の電界ベクトルの一例を示す斜視図である。 図２に示した光導波モードの分散関係を示すグラフである。 図２に示した光導波モードの光透過特性を示すグラフである。 図１に示した線欠陥光導波路内を伝搬する光の電界ベクトルの第二例を示す斜視図である。 図５に示した光導波モードの分散関係を示すグラフである。 図５に示した光導波モードの光透過特性を示すグラフである。 線欠陥光導波路が形成されるフォトニック結晶の他の構成例を示す斜視図である。 線欠陥光導波路が形成されるフォトニック結晶の他の構成例を示す斜視図である。 線欠陥光導波路が形成されるフォトニック結晶の他の構成例を示す斜視図である。 線欠陥光導波路が形成されるフォトニック結晶の他の構成例を示す斜視図である。 フォトニック結晶に形成した線欠陥光導波路内にＴＥ−ｌｉｋｅモードの光を線欠陥導波路モードにより伝搬するときの光透過特性を示すグラフである。 フォトニック結晶に形成した線欠陥光導波路内にＴＭ−ｌｉｋｅモードの光を屈折率ガイドモードにより伝搬するときの光透過特性を示すグラフである。 フォトニック結晶に形成した線欠陥光導波路内にＴＭ−ｌｉｋｅモードの光を屈折率ガイドモードにより伝搬するときのモードギャップに相当する波長帯を含む光透過特性を示すグラフである。 空孔にＳｉＯ_２を埋め込んだ構造を持つフォトニック結晶に形成した線欠陥光導波路内にＴＭ−ｌｉｋｅモードの光を屈折率ガイドモードにより伝搬するときのモードギャップに相当する波長帯を含む光透過特性を示すグラフである。 三角格子空孔型のフォトニック結晶に形成した線欠陥光導波路において、格子定数と空孔半径の比（ｒ／ａ）をパラメータとして変化させたときのモードギャップの周波数の変化の様子を示すグラフである。 三角格子空孔型のフォトニック結晶に形成した線欠陥光導波路において、格子定数と空孔半径の比（ｒ／ａ）をパラメータとして変化させたときのモードギャップのギャップ幅の変化の様子を示すグラフである。 本発明の光導波路を備えた光デバイスの一構成例を示す平面図である。 本発明の光導波路を備えた光スイッチの一構成例を示す斜視図である。 本発明の光導波路を備えた光合分波デバイスの一構成例を示す平面図である。 本発明の光導波路を備えた光通信装置の一構成例を示す斜視図である。

符号の説明

１、１２、２２、３２１、３２２、４２ フォトニック結晶
２ 線欠陥光導波路
３、５、７、１０ フォトニック結晶領域
４、６、８、１１ 線欠陥領域
１３１、１３２、２３１〜２３４、３３１〜３３４ 細線光導波路
１４１、１４２ インタフェース部
２４１、２４２ スポットサイズ変換器
２５ マイクロヒータ
３４１、３４２ ３ｄＢカプラ
４１ ＳＯＩ基板
４３ チャネル導波路
４４ 光ファイバー

次に、本発明の好適実施形態について添付の図面を参照して説明する。
（光導波路）
先ず、本発明の第１実施形態に係る光導波路について説明する。先ず、本実施形態の光導波路で利用する屈折率ガイドモードについて説明する。この屈折率ガイドモードは、フォトニック結晶に線状欠陥を設けることで形成される屈折率差によって光を導波する光導波モードである。

図１はフォトニック結晶に設けた線欠陥光導波路の一構成例を示す斜視図であり、図２は図１に示した線欠陥光導波路内を伝搬する光の電界ベクトルの一例を示す斜視図である。

図１に示す光導波路は、フォトニック結晶１として、多数の空孔１０が配設されたシリコン（Ｓｉ）からなるスラブ層を備え、その一部に空孔１０が形成されない線状欠陥領域が設けられた構成である。なお、線状欠陥領域の屈折率はフォトニック結晶の平均屈折率よりも大きい値に設定される。この線状欠陥領域が線欠陥光導波路２となり、この線欠陥光導波路２内では、図１の矢印方向（Ｅｉ）に光が進行する。

ここで、線欠陥光導波路２内を進行する光の電界ベクトルの向きは、例えば、図２に示すように、フォトニック結晶１のスラブ面に対して平行であって、光の進行方向と直交する方向（図２のＥｘベクトル）である。以下、フォトニック結晶１内を伝搬する光の電界ベクトルが図２に示すＥｘベクトルの向きにあるとき、その光導波モードをＴＥ−ｌｉｋｅモードと呼ぶ。

図３は図２に示した光導波モードの分散関係を示すグラフである。図３に示すように、図１に示した線欠陥光導波路２内では、規格化波数ｋ＝０の近傍かつｋ≠０において、連続したスラブモード帯の下端周波数よりも更に低い周波数側に存在し、最低周波数の光導波モードである屈折率ガイドモードにより、ＴＥ−ｌｉｋｅモードの光が伝搬する。このフォトニック結晶１に設けた線欠陥光導波路２内で、屈折率ガイドモードにより、ＴＥ−ｌｉｋｅモードの光が伝搬する理由は以下による。

スラブモード帯の最低周波数に線欠陥光導波路の構造に基づく屈折率ガイドモードが存在することは、例えば、非特許文献３により既に明らかにされている。この屈折率ガイドモードは、線欠陥光導波路２の光の進行方向に対して直交する方向に有する屈折率差によって形成される。

線欠陥光導波路の構造に基づく屈折率ガイドモードは、図３のグラフから分かるように周波数帯がスラブモード帯と重なっている。そのため、従来、屈折率ガイドモードは、光（ＴＥ−ｌｉｋｅモード）の伝搬損失が大きく、光導波モードとして利用できないと考えられていた。

しかしながら、この屈折率ガイドモードは、フォトニック結晶１を構成する物質を用いた単純な細線光導波路の分散関係と近い分散関係を備えている。そのため、屈折率ガイドモードの周波数帯がスラブモードに近接に又はスラブモード内に存在していても、光の進行方向と直交する面で弱い屈折率差を感じつつ光が伝搬する。

図４は図１に示した線欠陥導波路２の光透過特性をＦＤＴＤ（Ｆｉｎｉｔｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ）法を用いて算出した結果を示すグラフである。

図４の（ａ）で示す光透過特性が平坦な周波数帯は線欠陥導波路モード領域であり、図４の（ｂ）で示す光透過特性が平坦な周波数帯は屈折率ガイドモード領域である。

図４の（ｂ）に示すように、屈折率ガイドモードは、従来よく知られたフォトニックバンドギャップ内に形成される線欠陥導波路モード（図４（ａ））と同様に、少ない伝搬損失で光を伝搬できる。すなわち、屈折率ガイドモードは、線欠陥導波路モードよりも低い周波数帯で光を伝搬させることが可能である。特に、規格化波数ｋがブリリアンゾーン端に近い領域では、スラブモード帯における波数との差が大きくなるため、両モード間の結合が弱くなって屈折率ガイドモードのみで光が伝搬する。

この屈折率ガイドモードは、フォトニック結晶の分散関係において規格化波数ｋが０．２５以上０．５以下の範囲で光導波モードとして利用することが望ましい。以下、その理由を説明する。

上述したように、フォトニック結晶１中に設けた線欠陥光導波路２内を伝搬する屈折率ガイドモードの光は、その周波数帯がスラブモードに近接あるいはスラブモード内に存在していても、光の進行方向と直交する面で弱い屈折率差を感じつつ伝搬する。この屈折率ガイドモードは規格化波数ｋが０．２５よりも少ない領域ではスラブモード内に存在している場合が多い。また、規格化波数ｋが０．２５よりも少ない領域では屈折率ガイドモードによる光の閉じ込め効果が弱いため、導波光の伝搬損失が非常に大きくなり、数μｍ程度の距離を進行だけで伝搬光の強度が１００分の１から１０００分の１程度以下にまで低下してしまう。これに対して、規格化波数ｋが０．２５以上では屈折率ガイドモードによる光の閉じ込め効果が強くなり、屈折率ガイドモードはスラブモードから離れて低周波数側に存在する。そのため、屈折率ガイドモードとしての性質が強く現れ、より低い損失で光を伝搬できる。この場合、光導波路中を数１００μｍ以上進行した後でも伝搬光に殆ど伝搬損失が無いことを、本願発明者等はシミュレーション等により確認している。なお、規格化波数ｋの値は、第１ブリリアンゾーンである０から０．５までの値を考えれば、全ての波数について考えた場合と等価になる。従って、屈折率ガイドモードの規格化波数ｋは０．２５以上０．５以下であることが望ましい。

次に、図１に示した線欠陥光導波路中を伝搬する他の光導波モードについて説明する。フォトニック結晶に設けた線欠陥光導波路中を伝搬する光の電界ベクトルは、図２に示したＴＥ−ｌｉｋｅモードの向きだけでなく、図５に示すようにフォトニック結晶のスラブ面に対して垂直であり、かつ光の進行方向と直交する（図５のＥｘベクトル）向きもある。このとき、フォトニック結晶１に設けた線欠陥光導波路内では、図６に示すように連続したスラブモード帯の下端周波数よりも更に低周波数側に離れ、線欠陥光導波路の構造に基づいて形成される屈折率ガイドモードによって光を伝搬することができる。以下、線欠陥光導波路２内を伝搬する光の電界ベクトルが図５に示すＥｘベクトルの向きにあるとき、その光導波モードをＴＭ−ｌｉｋｅモードと呼ぶ。屈折率ガイドモードによりＴＭ−ｌｉｋｅモードの光を伝搬できる理由は、上述したＴＥ−ｌｉｋｅモードの光を伝搬できる理由と同様である。

この屈折率ガイドモードにより伝搬するＴＭ−ｌｉｋｅモードの光も、図６に示すようにＴＥ−ｌｉｋｅモードの光と同様に周波数帯がスラブモード帯と重なっている。そのため、屈折率ガイドモードでは、従来、ＴＭ−ｌｉｋｅモードの光も伝搬損失が大きいために光導波モードとして利用できないと考えられていた。

しかしながら、図７に示すＦＤＴＤ法により求めた光透過特性の算出結果で示すように、ＴＭ−ｌｉｋｅモードの伝搬損失も少なく、光導波モードとして利用可能である。

上述したように、従来よく知られた線欠陥導波路モードでは、光の進行方向と直交する２つの光導波モードのうち、フォトニックバンドギャップが形成されるような電界ベクトルを持つ一方の偏波光（ＴＥ−ｌｉｋｅモード）しか伝搬できず、ＴＭ−ｌｉｋｅモードの光を伝搬することができなかった。本発明の特徴である屈折率ガイドモードを用いた光導波路によれば、ＴＥ−ｌｉｋｅモードだけでなくＴＭ−ｌｉｋｅモードの光も伝搬できるようになるため、光導波路及びそれを用いる光デバイスを設計する際の自由度が向上する。

なお、ＴＭ−ｌｉｋｅモードの光を伝搬させる際、上述したＴＥ−ｌｉｋｅモードと同様に、屈折率ガイドモードは、規格化波数ｋが０．２５以上０．５以下の範囲で光導波モードとして利用することが望ましい。

次に、上記ＴＥ−ｌｉｋｅモード及びＴＭ−ｌｉｋｅモードの光を夫々伝搬させる光導波路の具体例について説明する。

上述したように、フォトニック結晶に設けた線欠陥光導波路２内では、従来からよく知られた線欠陥導波路モードを利用することでＴＥ−ｌｉｋｅモードの光を伝搬させることができる。更に、本発明の光導波路では、屈折率ガイドモードを利用することでＴＥ−ｌｉｋｅモード及びＴＭ−ｌｉｋｅモードの光を夫々伝搬させることができる。

その際、フォトニック結晶１の構造、フォトニック結晶１の格子定数、フォトニック結晶１を構成する２種類の物質の屈折率差、周期性（高屈折率物質と低屈折率物質の比率、周期構造）及びスラブ層厚をパラメータとして、フォトニック結晶１のバンド構造を最適に設定することで、ＴＥ−ｌｉｋｅモード及びＴＭ−ｌｉｋｅモードの光を同程度の光強度を保ちながら線欠陥光導波路２内に夫々伝搬させることが可能であり、また、ＴＥ−ｌｉｋｅモード及びＴＭ−ｌｉｋｅモードの光を同周波数帯で夫々伝搬させることも可能である。

具体的には、Ｓｉ／ＳｉＯ_２／Ｓｉ基板（ＳＯＩ基板）を用い、最上層のＳｉ層の厚さを０．２５μｍ程度、ＳｉＯ_２層の厚さを１μｍ程度で形成する。また、上記基板に複数の空孔を三角格子状に形成することで、三角格子空孔型のフォトニック結晶を形成する。この格子定数は０．４μｍ程度とし、空孔径ｒはｒ／ａ＝０．３程度とする。更に、光の進行方向に空孔を形成しない線状欠陥を設けることで、線欠陥光導波路２を形成する。そして、この線欠陥光導波路２の長さを２０μｍから６００μｍ程度にする。このような構造にすると、従来、困難とされてきたフォトニック結晶１からなる光導波路に、ＴＥ−ｌｉｋｅモード及びＴＭ−ｌｉｋｅモードの光を夫々伝搬させることが可能になる。

なお、上記説明では、フォトニック結晶１に設けた線欠陥光導波路２内にＴＥ−ｌｉｋｅモード及びＴＭ−ｌｉｋｅモードの光を夫々同周波数帯で伝搬させる例を示したが、ＴＥ−ｌｉｋｅモード及びＴＭ−ｌｉｋｅモードの光を互いに異なる周波数帯で伝搬させることも可能である。

次に、本実施形態の線欠陥光導波路が形成されるフォトニック結晶の他の構成例について説明する。

図８に示す光導波路は、図１に示した光導波路を含む一般的なフォトニック結晶からなる光導波路の構成を示したものであり、線欠陥領域４を挟んでその両側にフォトニック結晶領域３が夫々形成された構成を有する。このような構成では、光の進行方向が＋ｙ方向になる。また、図８に示す光導波路は、図８のｘ方向の屈折率分布が線欠陥領域４で高くなる構成を有する。更に、フォトニック結晶領域３のスラブ構造とその上下方向（ｚ軸方向）の屈折率分布を見たとき、フォトニック結晶領域３のスラブ面で屈折率が高くなる構造である。

図８に示すように、ｘ軸及びｚ軸の両方向に線欠陥領域４の平均的な屈折率が高くなる構造を設けることで、ｘ方向にほぼ平行な電界ベクトルを持つ光（ＴＥ−ｌｉｋｅモード）とｚ方向にほぼ平行な電界ベクトルを持つ光（ＴＭ−ｌｉｋｅモード）を夫々屈折率ガイドモードにより伝搬できる。

一方、図９に示す光導波路は、線欠陥領域６の幅と高さとを適宜決め、線欠陥領域６に比べてフォトニック結晶領域５のスラブ層を薄く形成した構成を有する。このような構成でも、図８に示す光導波路と同様に、ｘ方向にほぼ平行な電界ベクトルを持つ光とｚ方向にほぼ平行な電界ベクトルを持つ光とを夫々屈折率ガイドモードで伝搬できる。より具体的には、上記三角格子空孔型のフォトニック結晶を用いて線欠陥光導波路を形成する場合、例えば、格子定数を０．３８μｍ、孔径０．１６μｍ、線欠陥領域の幅を０．２５μｍ程度、フォトニック結晶領域のスラブ層厚を０．０５μｍ程度で形成する。

また、図１０に示す光導波路は、線欠陥領域８を挟んでその両側に形成されるフォトニック結晶領域７に、複数の正方格子ロッドを備えた正方格子ロッド型を用いた構成を有する。このような構成でも、図８に示す光導波路と同様に、ｘ方向にほぼ平行な電界ベクトルを持つ光とｚ方向にほぼ平行な電界ベクトルを持つ光を夫々屈折率ガイドモードで伝搬できる。

更に、図１１に示す光導波路は、フォトニック結晶領域１０に、複数のロッド状の物質を所定の空隙を有して積層した３次元フォトニック結晶構造を使用した構成を有する。線欠陥領域１１はフォトニック結晶領域１０で囲まれる位置に、フォトニック結晶領域１０よりも屈折率が高い物質を設けることで形成する。このような構成でも、図８に示す光導波路と同様に、光の進行方向とほぼ直交する方向に電界ベクトルを持つ２つの光を夫々屈折率ガイドモードで伝搬することができる。

次に、第１実施形態で示した光導波路の検証結果について説明する。

以下では、三角格子空孔型のフォトニック結晶に線欠陥光導波路を形成した試料を用いて、この光導波路の光透過特性を測定した結果を示す。なお、測定に用いる試料は、フォトニック結晶のスラブ層としてＳｉを用い、線状欠陥の両側に多数の空孔を有する所謂エアブリッジ構造である。各空孔にＳｉＯ_２からなる絶縁膜を埋め込んだ構成でも、以下に記載する効果と同様の効果を得ることができる。

先ず、波長帯が１５５０ｎｍ付近であり、電界ベクトルの向きがフォトニック結晶のスラブ面に対して平行なＴＥ−ｌｉｋｅモードの光を、線欠陥導波路モードにより試料中を伝搬させる。このときの上記線欠陥光導波路の光透過特性は図１２に示すようになる。なお、図１２では透過光のレベルが全体的に約−２０ｄＢとなっているが、これは線欠陥光導波路と該線欠陥光導波路へ光を入射するための光ファイバーとの結合損失が約−１０ｄＢであり、線欠陥光導波路と該線欠陥光導波路からの出射光を受光する光ファイバーとの結合損失が約−１０ｄＢのためである。従って、フォトニック結晶に形成した線欠陥光導波路自体の伝搬損失はほとんど無い。

次に、入射光の電界ベクトルの向きを９０度回転させてフォトニック結晶のスラブ面に直交するＴＭ−ｌｉｋｅモードの光を試料に入射する。このときの線欠陥光導波路の光透過特性は図１３に示すようになる。

図１３に示すように、入射光の電界ベクトルの向きを９０度回転させ、ＴＭ−ｌｉｋｅモードの光を屈折率ガイドモードで伝搬させても、波長帯が１５５０ｎｍ付近の光の透過特性は図１２に示したグラフと同程度となる。このように、フォトニック結晶に線状欠陥を設けることで形成される線欠陥光導波路は、光の進行方向とほぼ直交する方向に電界ベクトルを持つ２つの光に対して夫々同等の透過特性を有している。

次に、図１に示した線欠陥光導波路の屈折率ガイドモードが有するモードギャップについて説明する。

図３及び図６で示した屈折率ガイドモードの波数空間におけるブリリアンゾーン端では、この屈折率ガイドモードの光が折り返される（反射する）。即ち、ブリリアンゾーン端では、光の進行方向に対する屈折率による周期構造が存在するために、モードギャップが形成される。光導波モードがＴＥ−ｌｉｋｅモードの場合のモードギャップは図３に示すとおりであり、光導波モードがＴＭ−ｌｉｋｅモードの場合のモードギャップは図６に示すとおりである。

フォトニック結晶に形成した線欠陥光導波路内に屈折率ガイドモードにより光を伝搬させる場合、上述したように、フォトニック結晶の分散関係において、規格化波数ｋが０．２５以上０．５以下の範囲では、光が少ない損失で伝搬する。一方、上記モ−ドギャップの周波数帯では、この線欠陥光導波路中を光が伝搬しない。

図１４は、線欠陥光導波路内にスラブ面と直交する電界ベクトルを持つ光を入射した場合の光透過特性について、ＦＤＴＤ法により算出した結果を示す。

図１４に示すように、ＴＭ−ｌｉｋｅモードのモードギャップに相当する波長帯には光の透過率が顕著に低下する領域がある。

次に、フォトニック結晶の空孔にＳｉＯ_２を埋め込んだ構造を持つ試料を用いて光透過特性を測定した結果を図１５に示す。

図１５に示すように、波長１６００ｎｍ近傍に波長幅１０ｎｍ程度で光透過が急激に低下するモードギャップの存在が実際に観測される。

上記モードギャップの周波数及びギャップ幅を制御するためには、フォトニック結晶を構成する物質の屈折率差、フォトニック結晶の格子定数及び周期性を制御する必要がある。

図１６は、モードギャップの周波数及びギャップ幅を制御する例として、三角格子空孔型のフォトニック結晶において、格子定数（ａ）と空孔半径（ｒ）の比（ｒ／ａ）をパラメータとして変化させたときのモードギャップの周波数の変化の様子を示す。図１７は、（ｒ／ａ）をパラメータとして変化させたときのギャップ幅（Δλ）の変化の様子を示す。なお、図１６及び図１７はいずれもＦＤＴＤ法により算出した結果を示している。また、図１６のｂａｎｄ−１は規格化波数ｋ＝０．５におけるモードギャップ（図３参照）の下側の周波数（低周波数側）であり、図１６のｂａｎｄ−２は規格化波数ｋ＝０．５におけるモードギャップの上側の周波数（高周波数側）である。また、図１７は１５５０ｎｍ帯の光を伝搬させたときの格子定数（ａ）と空孔半径（ｒ）の比（ｒ／ａ）の変化に対するギャップ幅（Δλ）の変化を示している。

図１６及び図１７のグラフから分かるように、格子定数（ａ）と空孔半径（ｒ）の比（ｒ／ａ）を変化させることで、モードギャップの周波数とギャップ幅を制御できる。また、ギャップ幅として１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の実用上有効な波長幅が得られることが分かる。

図１８に図１に示したフォトニック結晶からなる線欠陥光導波路への光の挿入損失を低減するため、線欠陥光導波路に対する光の入出力部に周知のチャネル光導波路を設けた構成を示す。

図１８に示す光導波路は、基板にＳｉ／ＳｉＯ_２／Ｓｉ構造を有するＳＯＩウエハ（Ｓｉ層の厚さが０．２５μｍ程度、ＳｉＯ_２層の厚さが１μｍ程度）を用い、Ｓｉ層にフォトニック結晶構造を備えた構成である。

フォトニック結晶１２には、複数の空孔を三角格子状に配列した三角格子空孔型を用い、格子定数ａを０．４μｍ程度、空孔径ｒをｒ／ａ＝０．３程度とし、光の進行方向に空孔を設けないことで線欠陥光導波路を形成する。

また、線欠陥光導波路の光の入出力側には、Ｓｉからなる細線光導波路１３１、１３２を接続する。更に、細線光導波路１３１、１３２と線欠陥光導波路間には、光の結合損失を低減するために、長さ０．３μｍ程度の台形状のインタフェース部１４１、１４２を設ける。

基板に設ける空孔は、例えば空孔の形成領域に開口を有するレジストを電子ビーム露光法により形成し、このレジストをマスクにするドライエッチングによりＳｉ層を除去することにより形成する。その後、空孔内に厚さ１μｍ程度でＳｉＯ_２を埋め込む。

このような構成において、細線光導波路１３１、１３２の端面に先球単一モード光ファイバーを接続し、波長が１５５０ｎｍ帯のＴＥ−ｌｉｋｅモード及びＴＭ−ｌｉｋｅモードの光を屈折率ガイドモードにより伝搬させると、光透過特性として上記図１２〜図１５と同様の結果が得られる。

このように、本発明の特徴である屈折率ガイドモードを利用する光導波路を使用すれば、ＴＥ−ｌｉｋｅモード及びＴＭ−ｌｉｋｅモードの光に対して夫々同等の透過特性が得られるため、この光導波路を備える光デバイスの設計の自由度が向上する。

なお、フォトニック結晶１２の物質には、Ｓｉに代えて、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、これらの化合物（例えば、ＧａＩｎＡｓＰ等）又はＡｌ化合物等の屈折率が３程度以上の物質を選択することも可能である。その場合、光透過波長を１５５０ｎｍ帯に設定するためには、格子定数と空孔径を夫々調整すればよい。

（光スイッチ）
次に、本発明の第１実施形態の屈折率ガイドモードを利用した光導波路を、光スイッチに適用した第２実施形態について、説明する。

図１９に示すように、光スイッチは、フォトニック結晶２２に設けられた２つの線欠陥光導波路と、２つの線欠陥導波路の入出力側に夫々接続される細線光導波路２３１〜２３４とを有する。線欠陥導波路の入出力側に夫々接続される細線光導波路２３１〜２３４の先端には、光のスポットサイズを変換するためのスポットサイズ変換器２４１、２４２が夫々接続される。

線欠陥導波路の入力側に接続される細線光導波路２３１、２３２は、スポットサイズ変換器２４１近傍の入力端で分岐し、線欠陥導波路の出力側に接続される細線光導波路２３３、２３４は、スポットサイズ変換器２４２の直前で合流している。また、線欠陥光導波路の一方の近傍にはマイクロヒータ２５が設けられている。

このような構成において、スポットサイズ変換器２４１を通して入射された光は、細線光導波路２３１、２３２により２方向に分岐され、夫々フォトニック結晶からなる線欠陥光導波路へ入力される。

一方、２つの線欠陥光導波路から出力された光は、細線光導波路２３３、２３４で合波され、スポットサイズ変換器２４２を通して出力される。このとき、一方の線欠陥光導波路をマイクロヒータ２５にて加熱することにより、フォトニック結晶の温度を変化させ、この線欠陥光導波路の実効的な屈折率を変化させる。この屈折率の変化によって２つの線欠陥光導波路から出力される光の位相差を０からπまで変化させることが可能になる。２つの光の位相差が０であるとき線欠陥光導波路の出力光は入力光と同じ光強度となり、位相差がπであるとき線欠陥光導波路の出力光は光強度が０になる。

このように、フォトニック結晶に２つの線欠陥光導波路を形成することで、光スイッチを実現できる。なお、本実施例では、この線欠陥光導波路内の光導波モードとして上述した屈折率ガイドモードを利用することはいうまでもない。

本実施形態によれば、本発明の特徴である屈折率ガイドモードを利用した光導波路を用いることにより、ＴＥ−ｌｉｋｅモード及びＴＭ−ｌｉｋｅモードの光を夫々スイッチングすることが可能になるため、光スイッチを設計する際の自由度が向上する。

（光合分波デバイス）
次に、本発明の第１実施形態の屈折率ガイドモードを利用した光導波路を、光合分波デバイスに適用した第３実施形態について説明する。

図２０に示すように、光合分波デバイスは、並列に配置され、線欠陥光導波路が形成された２つのフォトニック結晶３２１、３２２と、線欠陥導波路の入出力側に夫々接続される細線光導波路３３１〜３３４とを有する。線欠陥導波路の入出力側に夫々接続される細線光導波路３３１〜３３４は、入力側及び出力側でその一部が近接して配置されることで夫々方向性結合器を形成する。

細線光導波路３３１〜３３４のコアの間隔は０．２μｍ程度にし、結合部位の長さは２．５μｍ程度にする。この場合、完全結合長が５μｍ程度となり、方向性結合器として３ｄＢカプラ３４１、３４２が形成される。細線光導波路３３１のポート１から入力された光は３ｄＢカプラ３４１により２方向へ分岐される。このとき、線欠陥光導波路で形成される屈折率ガイドモードのバンドギャップ間に相当する波長では、分岐光が夫々線欠陥光導波路にて反射され、更に３ｄＢカプラ３４１を通過することで合波された光が細線光導波路３３２のポート２よりドロップ光として出力される。

その他の波長光は、出力側の３ｄＢカプラ３４２を通過することで合波され、細線光導波路３３４のポート４より出力される。また、細線光導波路３３３のポート３からポート２と同じ波長の光を入力することでポート４から合波させた光を出力させることも可能である。

本実施形態によれば、本発明の特徴である屈折率ガイドモードを利用した光導波路を用いることでＴＥ−ｌｉｋｅモード及びＴＭ−ｌｉｋｅモードの光を夫々合分波できるため、光合分波デバイスを設計する際の自由度が向上する。

（光通信装置）
次に、本発明の第１実施形態の屈折率ガイドモードを利用する光導波路を、光通信装置に適用した第４実施形態について、説明する。

図２１に示すように、本実施形態の光通信装置は、ＳＯＩ基板４１上にフォトニック結晶４２及びチャネル導波路４３が形成され、フォトニック結晶４２に形成された線欠陥光導波路にチャネル導波路４３を介して光ファイバー４４が接続された構成である。

一般に、光ファイバー４４内では、電界ベクトルの向きが回転しつつ光が伝搬する。そのため、線欠陥光導波路へ入射される光の電界ベクトルの向きは不定となる。すなわち、線欠陥光導波路へ入射される光の電界ベクトルの向きは、図２１の（１）、（２）、（３）で示すいずれの方向（Ｅｘ）も可能性がある。

本発明の実施形態の屈折率ガイドモードを利用した光導波路を使用することにより、どのような向きの電界ベクトルを持つ光が入射されても、伝搬損失を生じることなく線欠陥光導波路により光を伝搬できる。なお、図２１では、フォトニック結晶４２に形成された線欠陥光導波路の光の入力側の構成のみを示しているが、線欠陥光導波路の出力側に光ファイバーを接続した構成でもこの光ファイバーへ供給する光の電界ベクトルの向きを自由に設定することができる。

以上のように、本発明のフォトニック結晶からなる光導波路は、光導波路を備える各種光デバイスに適用して好適である。

Claims (7)

1. 屈折率が異なる２種類以上の物質を、１次元、２次元又は３次元周期で配列して得られるフォトニック結晶からなる光導波路において、
   前記フォトニック結晶の分散関係において、最低周波数の光導波モードである屈折率ガイドモードを用いて光を伝搬することを特徴とする光導波路。
2. 屈折率が異なる２種類以上の物質を、１次元、２次元又は３次元周期で配列して得られるフォトニック結晶からなる光導波路において、
   光の進行方向と直交する２つの光導波モードのうち、
   第１の光導波モードに、線欠陥導波路モードを用い、
   第２の光導波モードに、前記フォトニック結晶の分散関係において、最低周波数の光導波モードである屈折率ガイドモードを用いて光を伝搬することを特徴とする光導波路。
3. 屈折率が異なる２種類以上の物質を、１次元、２次元又は３次元周期で配列して得られるフォトニック結晶からなる光導波路において、
   光の進行方向と直交する２つの光導波モードに、前記フォトニック結晶の分散関係において、最低周波数の光導波モードである屈折率ガイドモードをそれぞれ用いて光を伝搬することを特徴とする光導波路。
4. 前記屈折率ガイドモードは、
   前記フォトニック結晶の分散関係において規格化波数ｋが０．２５以上０．５以下の範囲であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光導波路。
5. 光の進行方向に周期性を持つ請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光導波路。
6. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載のフォトニック結晶からなる光導波路を備えた光デバイス。
7. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載のフォトニック結晶からなる光導波路を備えた光通信装置。

Images