WO2005022220A1

WO2005022220A1 - ２次元フォトニック結晶共振器

Info

Publication number: WO2005022220A1
Application number: PCT/JP2004/012115
Authority: WO
Inventors: Susumu Noda; Takashi Asano; Bong-Shik Song; Yoshihiro Akahane
Original assignee: Kyoto University; Sumitomo Electric Industries, Ltd.
Priority date: 2003-08-29
Filing date: 2004-08-24
Publication date: 2005-03-10
Also published as: JP4054348B2; EP1666939A4; US20070297722A1; KR20060123706A; CN1842732A; EP1666939A1; TW200519434A; CN100426025C; JPWO2005022220A1; EP1666939B1; US7957620B2

Abstract

　本発明は、高いQ値を実現することができる２次元フォトニック結晶共振器を提供することを目的として成されたものである。スラブ状の本体２１に空孔２２を周期的に配列する。本体２１を３つの領域３１～３３に分け、空孔２２の配列周期を、領域３１内ではa1とし、領域３２及び３３ではa1よりも小さいa2とする。また、空孔２２を線状に欠損させることにより、これら３つの領域を通過する導波路２３を設ける。これにより、導波路２３は空孔２２の周期に依存した波長帯域の光を伝播させることができる。領域３１と領域３２及び３３では、空孔の周期が異なるため導波路を伝播する光の波長帯域が異なる。そのため、領域３１の導波路透過波長帯域には含まれるが領域３２及び３３の導波路透過波長帯域には含まれない波長の光は、領域３１の導波路に閉じこめられて共振する。このように領域３１の導波路が共振器として機能する。

Description

明細書

2次元フォトニック結晶共振器

技術分野

[0001] 本発明は、波長分割多重通信用波長分合波器等に用レ、られる 2次元フォトニック結晶に関し、特に、所定の波長の光を共振させる共振器に関する。

背景技術

[0002] 近年、光学機能材料であるフォトニック結晶が注目されている。フォトニック結晶は、それが有する周期により光や電磁波のエネルギーに対してバンド構造が形成され、光や電磁波の伝播が不可能となるエネルギー領域 (フォトニックバンドギャップ)が形成されるという特徴を有する。なお、本明細書において用いる「光」には、電磁波を含むものとする。

[0003] フォトニック結晶中に適切な欠陥を導入することにより、エネルギー準位 (欠陥準位）がフォトニックバンドギャップ中に形成される。これにより、フォトニックバンドギャップ中のエネルギーに対応する波長 (周波数)範囲のうち、欠陥準位のエネルギーに対応する波長の光のみがその欠陥の位置において存在可能になる。この欠陥を線状に設けることにより導波路が形成され、点状に設けることにより光共振器が形成される。この点状欠陥において共振する光の波長 (共振波長)はその形状や屈折率に依存する

[0004] この共振器及び導波路を用いて様々な光デバイスを作製することが検討されている。例えば、この共振器を導波路の近傍に配置することにより、導波路内を伝播する様々な波長の光のうち共振器の共振波長に一致する波長の光を導波路から共振器を介して外部へ取り出す光分波器として機能すると共に、共振器の共振波長を有する光を外部から共振器を介して導波路に導入する光合波器としても機能する光分合波器となる。このような光分合波器は、例えば光通信の分野において、一本の導波路に複数の波長の光を伝播させてそれぞれの波長の光に別個の信号を乗せる波長分割多重方式通信に用いることができる。

[0005] フォトニック結晶には 2次元結晶と 3次元結晶がある力 S、このうち 2次元フォトニック結晶は製造が比較的容易であるという利点を有する。その一例として、特許文献 1には

、高屈折率の板材 (スラブ)に、その材料よりも屈折率の低い物質を周期的に配列した

2次元フォトニック結晶であって、その周期的配列を線状に欠陥させた導波路と、周期的配列を乱す点状欠陥 (共振器)を導波路に隣接して設けた 2次元フォトニック結晶及び光分合波器が記載されている。ここでは、低屈折率物質の周期的な配列は、スラブに周期的に孔を開けて形成されている。

[0006] 特許文献 1 :特開 2001-272555号公報（[0019]— [0032]、 [0055]、 [0056]、図 1、図 22、図 23)

[0007] このような 2次元フォトニック結晶を用いた共振器では、できるだけ Q値を高くすることが重要である。 Q値は共振器の性能を表す値であり、 Q値が大きいほど共振器から外部への光の漏れが小さくなることを意味する。また、 Q値を高くすることは、共振器自体の性能を高くするのみならず、このような共振器を用いた光分合波器の精度を高くすることをも意味する。具体的には、光分合波器では、共振器の Q値が大きいほど波長分解能が高くなり、共振波長以外の波長の光 (ノイズ光)が分合波される確率が小さくなるため、分合波の精度がよくなる。

[0008] しかし、 2次元フォトニック結晶ではスラブ面に垂直な方向の光の閉じ込めが弱いため、一般に 3次元フォトニック結晶よりも Q値が小さい。特許文献 1に記載の光分合波器では、共振器の Q値はおよそ 500であり、その共振器から分合波される光のスぺタトルの半値全幅はおよそ 3nmである。これらの値は、高密度波長分割多重方式の光通信に用いるためには不十分であり、波長分解能をおよそ 0.8nm以下、 Q値をおよそ 2000以上にすることが望ましい。そのため、更に Q値の高い 2次元フォトニック結晶共振器を実現することが求められる。

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0009] 本発明が解決しょうとする課題は、高い Q値を実現することができるような、新しい形態の 2次元フォトニック結晶共振器、及びこのような共振器を用いた分合波器を提供することである。

課題を解決するための手段 [0010] 上記課題を解決するために成された本発明に係る 2次元フォトニック結晶共振器は a)第 1透過波長帯域を有する導波路を備えた 2次元フォトニック結晶力成る第 1領域と、

b)第 1領域に隣接して設けた領域であって、第 1領域の導波路と接続され第 2透過波長帯域を有する導波路を備えた 2次元フォトニック結晶から成る第 2領域と、 c)第 1領域に隣接して設けた領域であって、第 1領域の導波路と接続され第 3透過波長帯域を有する導波路を備えた 2次元フォトニック結晶から成る第 3領域と、を備え、第 1透過波長帯域の一部が第 2透過波長帯域及び第 3透過波長帯域に含まれないようにすることにより、第 1領域の導波路内の光を第 2領域及び第 3領域との境界において反射させ、共振させることを特徴とする。

[0011] 本発明に係る 2次元フォトニック結晶共振器の他の態様のものは、

a)第 1透過波長帯域を有する導波路を備えた 2次元フォトニック結晶力成る第 1領域と、

b)第 1領域を取り囲むように設けた領域であって、第 1領域の導波路の両端と接続され第 2透過波長帯域を有する導波路を備えた 2次元フォトニック結晶から成る第 2 領域と、

を備え、第 1透過波長帯域の一部が第 2透過波長帯域に含まれないようにすることにより、第 1領域の導波路内の光を第 2領域との 2つの境界において反射させ、共振させることを特徴とする。

[0012] 上記 2次元フォトニック結晶共振器は、具体的には以下に挙げる第 1一第 4の態様のものとすることが望ましい。

[0013] 本発明に係る 2次元フォトニック結晶共振器の第 1の態様のものは、

a)第 1周期を有する 2次元フォトニック結晶力成る第 1領域と、

b)第 1領域に隣接して設けた 2つの領域であって、第 1周期とは異なる第 2周期及び第 3周期を有する 2次元フォトニック結晶力成る第 2領域及び第 3領域と、

c)第 2領域、第 1領域、第 3領域の順に通過する導波路と、

を備え、第 1領域の導波路内の光を第 2領域及び第 3領域との境界において反射させることにより共振させることを特徴とする。

[0014] 本発明に係る 2次元フォトニック結晶共振器の第 2の態様のものは、

b)第 1領域を取り囲むように設けた、第 1周期とは異なる第 2周期を有する 2次元フォトニック結晶力成る第 2領域と、

c)第 2領域、第 1領域、第 2領域の順に通過する導波路と、

を備え、第 1領域の導波路内の光を第 2領域との 2つの境界において反射させることにより共振させることを特徴とする。

[0015] 本発明に係る 2次元フォトニック結晶共振器の第 3の態様のものは、

a)スラブ状の本体と、

b)前記本体に該本体とは屈折率の異なる所定の大きさの異屈折率部を周期的に設けて成る第 1領域と、

c)第 1領域に隣接して設けた 2つの領域であって、第 1領域のものとは大きさの異なる異屈折率部を周期的に設けて成る第 2領域及び第 3領域と、

d)第 2領域、第 1領域、第 3領域の順に通過する導波路と、

を備え、第 1領域の導波路内の光を第 2領域及び第 3領域との境界において反射させることで共振させることを特徴とする。

[0016] 本発明に係る 2次元フォトニック結晶共振器の第 4の態様のものは、

a)スラブ状の本体と、

c)第 1領域を取り囲むように設けた、第 1領域のものとは大きさの異なる異屈折率部を周期的に設けて成る第 2領域と、

d)第 2領域、第 1領域、第 2領域の順に通過する導波路と、

[0017] 第 1及び第 2の態様の 2次元フォトニック結晶共振器では、第 1周期を他の周期よりも大きくすることが望ましい。ここで、「他の周期」とは、第 1の態様においては第 2周期及び第 3周期を指し、第 2の態様においては第 2周期を指す。また、第 3及び第 4 の態様の 2次元フォトニック結晶共振器では、第 1領域の異屈折率部の大きさを他の領域の異屈折率部の大きさよりも小さくすることが望ましい。

[0018] 本発明に係る 2次元フォトニック結晶共振器は、少なくとも第 1領域と、それぞれ第 1 領域に隣接する第 2領域及び第 3領域を有する。第 1一第 3の各領域にそれぞれ導波路を形成する。このような導波路は、例えば各領域中の線状の範囲内の周期を乱すことにより形成することができる。第 2領域の導波路及び第 3領域の導波路はそれぞれ第 1領域の導波路に接続される。即ち、第 2領域、第 1領域、第 3領域の順に通過する導波路が形成される。

[0019] 導波路中を透過することができる光の波長帯域 (透過波長帯域）は、 2次元フォト二ック結晶が有する周期や、その周期構造を構成する部材の大きさ '形状'材料、あるいは導波路の幅 ·材料等をパラメータとして、適宜設定することができる。本発明では、第 1領域の導波路の透過波長帯域 (第 1透過波長帯域)の一部が第 2及び第 3領域の導波路の透過波長帯域 (第 2透過波長帯域及び第 3透過波長帯域)の双方に含まれなレ、ようにする。このような一部波長帯域の光が後述のように本発明の共振器において共振するため、以下、この一部波長帯域を「共振波長帯域」と呼ぶ。

[0020] 図 1(a)に示すように、第 1透過波長帯域 11(図の太枠内)よりも短波長側に第 2透過波長帯域 12及び第 3透過波長帯域 13を形成することにより、第 1透過波長帯域 11 の長波長側に共振波長帯域 11 la (図の斜線部)を形成する。逆に、図 1(b)に示すように第 1透過波長帯域 11よりも長波長側に第 2及び第 3透過波長帯域 12及び 13を形成することにより、透過波長帯域 11の短波長側に共振波長帯域 11 lbを形成する。

[0021] この 2次元フォトニック結晶共振器の作用について説明する。上記のように第 1一第 3透過波長帯域を設定することにより、共振波長帯域に含まれる波長の光は、第 1領域の導波路を伝播することはできるが、第 2及び第 3領域の導波路を伝播することはできない。そのため、この波長の光が第 1領域の導波路内に存在する場合、この光は第 1領域と第 2領域の境界及び第 1領域と第 3領域の境界において反射される。これにより、第 1領域の導波路が共振器として作用する。 [0022] 本発明の 2次元フォトニック結晶共振器では、上記のように第 1領域に隣接した 2つの領域を設ける代わりに、第 1領域を取り囲むような第 2領域を 1つ設けてもよい。この場合、第 2領域の導波路は第 1領域の導波路の両端に接続する。即ち、第 2領域、第 1領域、第 2領域の順に通過するような導波路が形成される。第 1領域の導波路の透過波長帯域の一部が第 2領域の導波路の透過波長帯域に含まれないようにすることにより、上記と同様に、第 1領域の導波路内の光を第 2領域の導波路との 2つの境界において反射させ、共振させることができる。

[0023] 共振波長帯域は、 2次元フォトニック結晶の周期や、この周期を形成する異屈折率部の大きさ等を調節することにより設定することができる。以下、そのような共振波長帯域の調節が成された構成を有する 4つの態様の 2次元フォトニック結晶共振器について説明する。第 1及び第 2の態様のものは周期を、第 3及び第 4の態様のものは異屈折率部の大きさを調節したものである。

[0024] 第 1の態様の 2次元フォトニック結晶共振器について説明する。

この 2次元フォトニック結晶共振器は、第 1領域と、それぞれ第 1領域に隣接する第 2領域及び第 3領域を有する。これら第 1一第 3領域はそれぞれ第 1一第 3周期を有する。第 2周期と第 1周期、及び第 3周期と第 1周期は異なる値とする。各領域が有する周期により、各領域においてフォトニックバンドギャップが形成され、そのバンドギヤップ内の波長の光はフォトニック結晶中に存在できなくなる。

[0025] 第 2領域、第 1領域、第 3領域の順に、これら 3つの領域を導波路が通過する。導波路透過波長帯域は各領域の周期に依存するため、第 1領域の導波路透過波長帯域の一部は第 2領域及び第 3領域における導波路透過波長帯域に含まれないようになる。

[0026] このような導波路は、例えば各領域中の線状の範囲内の周期を乱すことにより形成すること力 Sできる。この線状範囲内では、フォトニックバンドギャップ中の一部の波長範囲の光が存在可能となり、その波長範囲の光が伝播可能となる。このように形成される導波路は、透過波長帯域に含まれる波長の光を導波路を伝播させることができるのに対して、透過波長帯域に含まれない波長の光を伝播させることができない。 2 次元フォトニック結晶の周期が大きくなるほど、透過波長帯域は長波長側にシフトする。そのため、第 1周期を第 2周期及び第 3周期よりも大きくすることにより、図 1(a)に示すように、第 1透過波長帯域 11(図の太枠内)の長波長側に、第 2及び第 3透過波長帯域 12及び 13に含まれない共振波長帯域 11 laを形成することができる。逆に、第 1周期を第 2周期及び第 3周期よりも小さくすることにより、図 1(b)に示すように、第 1 透過波長帯域 11の短波長側に、第 2及び第 3透過波長帯域 12及び 13に含まれなレ、共振波長帯域 11 lbを形成することができる。

[0027] 第 1の態様の 2次元フォトニック結晶の共振器としての作用について説明する。共振波長帯域に含まれる波長の光が第 1領域の導波路に存在する場合、この光は第 2 領域及び第 3領域の導波路透過波長帯域に含まれないため、第 2領域及び第 3領域の導波路を伝播することができず、第 1領域と第 2領域の境界及び第 1領域と第 3領域の境界において反射される。そのため、この光が第 1領域の導波路内で共振し、第 1領域の導波路が共振器として作用する。

[0028] 2次元フォトニック結晶の周期の構成によっては、導波路透過波長帯域の一部に、結晶の面の外に光が漏れる波長帯域が形成されてしまう場合がある。本発明では、このような漏れの生じる波長帯域が共振波長帯域内に形成されないようにすることが望ましい。例えば、結晶本体とは異なる屈折率を有する物質を三角格子状に配置した 2次元フォトニック結晶の場合、この物質を線状に欠損させて形成される導波路は、その導波路透過波長帯域中の短波長側に、結晶面の外に光が漏れる波長帯域を有する。この場合、第 1周期を第 2周期及び第 3周期よりも小さくすると図 1(b)に示す共振波長帯域 11 lb内の光が共振器から結晶面の外に漏れる。図 1(a)の場合にはそのような漏れは生じない。従って、この例の 2次元フォトニック結晶では、第 1周期を第 2周期及び第 3周期よりも大きくすることが望ましい。

[0029] 次に、第 2の態様の 2次元フォトニック結晶共振器について説明する。

この共振器は、第 1周期を有する 2次元フォトニック結晶から成る第 1領域を有し、その第 1領域を取り囲むように、第 1周期とは異なる第 2周期を有する 2次元フォトニック結晶力成る第 2領域を有する。そして第 2領域、第 1領域、第 2領域の順に通過する導波路を有する。従って、第 1領域の導波路はその両端が第 2領域に接する。第 1周期と第 2周期とが異なることにより、上記と同様に、第 1領域の導波路透過波長帯域の一部が第 2領域に含まれないようになり、第 1領域の導波路に共振波長帯域が形成される。

[0030] 第 2の態様の 2次元フォトニック結晶では、前記第 1の態様のものと同様の理由により第 1領域の導波路が共振器として機能する。即ち、共振波長帯域に含まれる波長の光が第 1領域の導波路に存在する場合、この光は第 1領域の導波路の両端で反射され、共振する。

[0031] 共振波長帯域と第 2又は第 3領域の透過波長帯域との境界付近の波長の光は、その一部が第 1領域の導波路から第 2又は第 3領域の導波路への漏れが生じる。従つて、このような漏れの生じない波長帯域を形成するために、共振波長帯域の幅を一定以上広くすることが望ましい。そのために、第 1及び第 2の態様のものでは、第 1周期とそれ以外の周期の差を 0.1%以上設けることが望ましい。一方、第 1透過波長帯域又は第 2 ·第 3透過波長帯域の双方をフォトニックバンドギャップ内に形成する必要がある。第 1及び第 2の態様のものにおいて、第 1周期とそれ以外の周期の差が 10%以下であれば、いずれの領域の透過波長帯域もフォトニックバンドギャップ内に収めることが可能である。

[0032] 第 1及び第 2の態様の 2次元フォトニック結晶共振器において、各領域の周期は、典型的には、 2次元フォトニック結晶を面内に拡大又は縮小することにより設定することができる。一方、面内の特定の方向にのみ拡大又は縮小することにより設定してもよレ、。本発明者が時間領域差分法 (Finite Difference Time Domain method; FDTD法 )により計算を行ったところ、導波路に平行な方向にのみ拡大 ·縮小を行い、導波路に垂直な方向には拡大 ·縮小しないことにより Q値をより高くすることができることが明らかになつた。この場合、導波路の幅は周期の拡大 '縮小に合わせて拡大 '縮小してもよい。しかし、更に Q値を高くするためには、導波路の幅は周期に合わせた拡大-縮小をせず、第 1領域と他の領域の導波路の幅を等しくすることが望ましい。

[0033] 次に、第 3及び第 4の態様の 2次元フォトニック結晶共振器について説明する。

これらの 2次元フォトニック結晶共振器では、スラブ状の本体にそれとは屈折率が異なる領域 (異屈折率部）を周期的に設けることにより形成される 2次元フォトニック結晶を用いる。第 3の態様では第 1領域に隣接して第 2領域及び第 3領域を設け、第 4の態様では第 1領域を取り囲むように第 2領域を設ける。ここで、第 1領域の異屈折率部の大きさを他の領域と異なるものとする。そして、第 1及び第 2の態様のものと同様に、各領域を通過する導波路を形成する。

[0034] この 2次元フォトニック結晶に導波路を設けた時、異屈折率部を小さくすると、その導波路の透過波長帯域はより長波長側に形成される。これを利用して上記と同様に、図 1(a)又は (b)に示すような透過波長帯域 11一 13及び共振波長帯域 11 la又は 11 lbを形成し、それにより第 1領域の導波路を共振器とすることができる。また、上記の理由により、図 1(b)の場合よりも (a)の場合の方が望ましいため、第 1領域の異屈折率部は他の領域の異屈折率部よりも小さくすることが望ましい。

[0035] これらのフォトニック結晶共振器はいずれも、第 1領域と他の領域の導波路とのわず力、な周期或いは異屈折率部の大きさの差によって、その境界において共振波長の光がゆるやかに、しかし (すなわち、或る程度の範囲まで浸み出しは生ずるものの)、 100%反射される。このため、導波路長手方向の光強度の変化が緩やかになり、その結果、面外方向への光の閉じ込め効果が大きくなる。この閉じ込め効果により、本発明の 2次元フォトニック結晶共振器では高い Q値を得ることができる。特に、各領域の周期がスラブ状の本体に空孔を周期的に配置することにより形成され、導波路が該空孔を線状に欠損させることにより形成された 2次元フォトニック結晶では、後述のように、本発明に係る共振器は、従来の点状欠陥による共振器の数百倍一数千倍の高い Q値を有する。

[0036] 第 2領域と第 3領域の周期（第 1及び第 2の態様の場合)或いは異屈折率部の大きさ（第 3及び第 4の態様）は異なるものとしてもよいが、両者を同じものとすることにより結晶の対称性を高くした方が望ましい。

[0037] 導波路長手方向の光強度の変化を更にゆるやかにして面外方向への光の閉じ込め効果をより大きくするために、第 1及び第 2の態様の 2次元フォトニック結晶共振器では、第 1領域と第 2領域との間に第 1周期と第 2周期の間の周期を有する領域を 1 つ以上設け、第 1領域と第 3領域との間に第 1周期と第 3周期の間の周期を有する領域を 1つ以上設けることが望ましい。同様に、第 3及び第 4の態様のものでは、第 1領域と他の領域との間に、第 1領域の異屈折率部と当該他の領域の異屈折率部の中間の大きさを有する異屈折率部を周期的に配置した領域を 1つ以上設けることが望ましレ、。このような領域は第 1領域第 2領域間、第 1領域第 3領域間にそれぞれ複数個設けてもよい。このような領域を設けることにより、隣接領域同士の周期又は異屈折率部の大きさの差がより小さくなるため、各境界において共振波長の光がよりゆるやかに反射される。そのため、面外方向への光の閉じ込め効果をより大きくすることができる。

[0038] 第 1領域の導波路の共振器の近傍に別途導波路 (入出力用導波路)を設けることにより、入出力用導波路を伝播する様々な波長の光 (重畳光)のうち共振器の共振波長に一致する波長の光を入出力用導波路から共振器を介して外部へ取り出したり、共振器の共振波長を有する光を外部から共振器を介して入出力用導波路に導入する光分合波器が形成される。また、この第 1領域の導波路の共振器を挟んで入出力用導波路を 1本ずつ設けることにより、一方の入出力用導波路中の重畳光のうち共振器の共振波長に一致する波長の光を共振器を介して他方の入出力用導波路へ取り出したり、共振器の共振波長に一致する波長の光を一方の入出力用導波路から共振器を介して他方の入出力用導波路に導入することができる。この 2本の入出力用導波路の間で分合波を行う場合には、入出力用導波路の近傍に更に、前記共振波長に一致する共振波長を有する点状欠陥を設けて、入出力用導波路において分合波された光をこの点状欠陥と結晶外部との間で取り出し又は導入を行うようにしてもよレ、。ここで、共振器の共振波長の光を入出力用導波路に通すために、入出力用導波路の幅は、共振器の属する導波路の幅と異なるようにする。

[0039] また、このように入出力用導波路と共振器の属する導波路を異なる幅にすることにより、これらの導波路に共通の導波路透過波長帯域を狭くして、共振波長以外の波長を有する光がこれらの導波路の間で導入 '導出されること (クロストーク)を抑制することができる。また、入出力用導波路を曲げ、共振器から離れるに従って共振器と導波路の間の距離が大きくなるようにすることによつても、クロストークを抑制することができる。

[0040] 本発明の 2次元フォトニック結晶では、少なくとも第 1領域の導波路を含む領域に発光媒質を含有させておくことにより、第 1領域の導波路の共振器を光源とすることができる。このような発光媒質には例えば InGaAsP等がある。

図面の簡単な説明

[0041] [図 1]本発明の 2次元フォトニック結晶共振器における共振波長帯域を説明する図。

[図 2]本発明の 2次元フォトニック結晶共振器の第 1実施例を示す斜視図及び平面図

[図 3]本発明の 2次元フォトニック結晶共振器の第 2実施例を示す平面図。

[図 4]本発明の 2次元フォトニック結晶共振器の他の実施例を示す平面図。

[図 5]比較例である点状欠陥共振器を示す平面図。

[図 6]本発明の 2次元フォトニック結晶共振器において、導波路に垂直な方向の空孔の周期を各領域で等しくした実施例を示す平面図。

[図 7]本発明の 2次元フォトニック結晶共振器において、導波路に垂直な方向の空孔の周期及び導波路の幅を各領域で等しくした実施例を示す平面図。

[図 8]多段構造を有する 2次元フォトニック結晶共振器の実施例を示す平面図。

[図 9]多段構造を有する 2次元フォトニック結晶共振器において、（a)導波路に垂直な方向の空孔の周期を各領域で等しくした実施例、及び (b)それに加えて導波路の幅を各領域で等しくした実施例を示す平面図。

[図 10]図 6の構成において空孔の径を変化させた場合の周波数、 Q値及び導波モードとの分離幅の変化を示すグラフ。

[図 11]空孔の径を各領域で異なるものとした 2次元フォトニック結晶共振器の実施例を示す平面図。

[図 12]本発明の 2次元フォトニック結晶分合波器の一実施例を示す平面図。

[図 13]本発明の 2次元フォトニック結晶分合波器の一実施例を示す平面図。

[図 14]本発明の 2次元フォトニック結晶分合波器の一実施例を示す平面図。

符号の説明

[0042] 11、 12、 13…導波路透過波長帯域

111a, 11 lb…共振波長帯域

21…本体

22、 961、 962、 963…空孑し 23、 24、 25、 75、 97…導波路

231、 241、 251、 252、 261、 76、 98…共振器

31、 41、 51、 71、 91…第 1領域

32、 42、 52、 72、 92…第 2領域

43、 53、 73、 93…第 3領域

54、 745、 94…第 4領域

55、 746、 95…第 5領域

61 · · ·点状欠陥

741、 742、 743、 744…中間領域

81、 82、 83…入出力用導波路

発明を実施するための最良の形態

[0043] 本発明の 2次元フォトニック結晶共振器の第 1実施例の斜視図 (a)及び平面図 (b)を図 2に示す。本実施例は上記第 1の態様のものである。スラブ状の本体 21は、三角格子状に周期的に配置された空孔 22を有する。本体 21は、第 1領域 31と、第 1領域 31を挟んで配置される第 2領域 32及び第 3領域 33の 3つの領域から成る。本実施例では、第 2領域 32及び第 3領域 33の空孔 22の周期は共に aとした。第 1領域 31の

2

空孔 22の周期は、 aよりも大きレ、 aとした。第 1領域 31、第 2領域 32及び第 3領域 33

2 1

を通過するように導波路 23が設けられている。導波路 23は、三角格子の格子点 1列分だけ空孔 22が欠損した、即ち空孔 22が存在しないように形成される。

[0044] 本発明の 2次元フォトニック結晶共振器の第 2実施例の平面図を図 3に示す。本実施例は上記第 2の態様のものである。本実施例では、第 1領域 41を取り囲むような第 2領域 42を有する。第 1領域 41及び第 2領域 42における空孔 22の周期はそれぞれ a及び aであり、 a >aである。第 2領域 42、第 1領域 41、第 2領域 42の順に通過する

1 2 1 2

導波路 24が設けられる。導波路 24の形成方法は上記と同様である。

[0045] 次に、これら 2つの 2次元フォトニック結晶共振器の作用について説明する。 2つの実施例の共振器は同じ作用を有するため、ここでは第 1実施例に基づいて説明する。第 1領域 31が第 2領域 32及び第 3領域 33よりも空孔の周期が大きいことにより、第 1領域の導波路透過波長帯域には、図 1に示すような共振波長帯域 111aが形成される。この波長帯域内の波長を有する光が、例えば結晶表面から導波路 23のうち第 1領域 31の部分の導波路 231(図 2の斜線部)に導入されると、この光は第 2領域 32 及び第 3領域 33の導波路を伝播することができず、これらの領域同士の境界、即ち導波路 231の両端において反射され、導波路 231内で共振する。従って、導波路 23 1が共振器として機能する。また、導波路 231を含む本体 21の一部、或いは本体 21 全体を InGaAsP等の発光媒質を含む材料で作製することにより、この導波路 231を光？原とすることができる。

[0046] また、図 4に示すように、第 1領域 51—第 5領域 55の 5つの領域とこれら各領域を束する導波路 25を設けて、各領域の空孔 22の周期 a aを、 a〉a、 a >a、 a〉a、 a〉a

1 5 1 2 1 3 4 3 4 5 とすることにより、第 1領域 51及び第 4領域 54に各 1個ずつ、合わせて 2つの共振器 251及び 252を形成することができる。同様の方法により 3個以上の共振器を形成することができること、及び第 2の態様のものでも同様の方法により 2個以上の共振器を形成することができることは言うまでもない。

[0047] 以下に、上記のように形成される共振器の Q値を FDTD法により計算した結果を示す。

まず、比較例として、図 5に示すように、空孔を全て等しい周期 aで配置した 2次元

1

フォトニック結晶において、空孔 22を直線状に 3個欠損させることにより形成される点状欠陥 61の Q値を計算したところ、 Q=5，300であった。

[0048] 次に、図 2の構成において、（i)a =1.023a、及び (ii)a =1.0175aとした場合の Q値を

1 2 1 2

計算したところ、（i)では Q=530,000、（ii)では Q=1，000，000となる。これらの値は、図 5の点状欠陥における Q値の 100倍以上である。

[0049] 図 2では、空孔の周期は面内に等方的に変化させている。更に、図 6に示すように、基本的に空孔の周期を導波路に垂直な方向では各領域で等しく (3°'⁵a )、導波路に

2

平行な方向では領域毎に異なる (a及び a )ようにした場合について検討した。ここで

1 2

はまず、導波路の幅は図 2の場合と同様とし (そのため、図中の矢印 34のように、共振器 261に最近接の空孔のみを外側に (3°'⁵/2) X (a -a )だけシフトさせる）、導波路に

1 2

平行な方向の周期を (iii)a =1.023a、 (iv)a =1.0175a、及び (v)a =1.015aとした場合に

1 2 1 2 1 2

ついて Q値を計算した。その結果、（iii)では Q=l，760，000、（iv)では Q=3， 100,000、（v)では Q=8, 100,000となり、従来の点状欠陥の数百から 1000倍以上の Q値が得られた。

[0050] 導波路に垂直な方向の空孔の周期を各領域で等しくすることに加えて、図 7に破線 35で示すように導波路の幅 (3°'⁵a _b : bは空孔の径)を各領域で等しくした場合につい

2

て Q値を計算した。ここでは、 a =1.024a (a =420nm、 a =410nm)の場合について Q値を

1 2 1 2

計算した。このパラメータ a及び aの場合において、導波路の幅を図 6のように領域毎

1 2

に異なるようにすると Q値は 1，700，000となるのに対して、導波路の幅を上記のように各領域で等しくすると Q値は 2,400,000に向上する。

[0051] 次に、導波路長手方向の光強度の変化を更にゆるやかにして面外方向への光の閉じ込め効果をより大きくする構成について説明する。図 8はその一実施例である。空孔 22が周期 a で配置された第 1領域 71と、同様に周期 a を有する第 2領域 72の

11 14 間に、第 1領域 71側から順に、周期 a を有する中間領域 741及び周期 a を有する

12 13 中間領域 742を設ける。同様に、第 1領域 71と、周期 a を有する第 3領域 73の間に

14

、第 1領域 71側から順に、周期 a を有する中間領域 743及び周期 a を有する中間

12 13

領域 744を設ける。これらの周期 a — a は、 a >a >a >a の関係を満たす。また、こ

11 14 11 12 13 14

れら全ての領域を通過する導波路 75を設ける。このように周期の異なる領域を多段に設けることにより、第 1領域 71と第 2領域 72、及び第 1領域 71と第 3領域 73とが直接隣接する場合よりも、各境界における空孔 22の周期の差が小さくなるため、共振波長を有する光は、各領域の境界で第 1領域 71側に、よりゆるやかに反射される。そのため、第 2領域 72と第 3領域 73との間に形成される共振器 76の面外方向への光の閉じ込め効果をより大きくすることができる。

[0052] このような多段構成の場合においても、導波路に垂直な方向の周期は各領域で等しくすることが望ましい。更に、この場合において、導波路の幅を各領域で等しくすることがより望ましい。図 9に、導波路 75に平行な方向の空孔 22の周期が a である第 1

11 領域 711と、その両側に同方向の周期が a である第 2領域 721及び第 2領域 731を

13

設け、第 1領域 711-第 2領域 721間及び第 1領域 711-第 3領域 731間に、同方向の周期が a である第 4領域 745及び第 5領域 746をそれぞれ設けた例を示す。いず

12

れの領域においても、導波路 75に垂直な方向の空孔の周期（空孔 2列分の距離）は 3°'⁵a であり等しい。そして、導波路 75の幅を、（a)では各領域毎に 3°'⁵a _b(aはその領

13 域における導波路 75に平行な方向の周期)とし、（b)ではいずれの領域においても 3°·⁵ a — とした。

13

[0053] これら図 9(a)、（b)について、各周期を a =420nm

11 、 a =415nm

12 、 a =410nmとして Q値

13

を計算した。なお、これらのパラメータは、第 1一第 3領域については図 7のものと等しレ、。（a)では Q=5,500,000、（b)では Q=l 1,000,000となった。まず、これらの Q値は図 7で得られた Q値よりも向上している。即ち、多段構成とすることにより Q値が向上する。そして、（a)よりも (b)の方が Q値が高いことから、導波路の幅は各領域で等しくすることがより望ましいといえる。

[0054] ここまでは空孔の周期により透過波長帯域を制御して導波路に共振器を形成する例を示したが、併せて空孔の径を制御してもよい。図 10に、図 6の構成において全ての領域の径を変化させた場合の周波数 (波長)、 Q値及び導波モードの分離幅の変化を計算した結果を示す。ここで空孔の径 (横軸）は、第 1領域の空孔の周期 aに対す

1 る割合で示す。周波数は c/a (cは光速)で規格化して示す。「導波モードの分離幅」

1

は、共振波長と第 2領域又は第 3領域の透過波長帯域のうち最も該共振波長に近い波長との差により定義される。図 10(a)から明らかなように、空孔の径により異なる共振周波数が得られる。また、空孔の径が小さくなるほど Q値が大きくなることから、この点では空孔の径は小さい方が望ましいといえる。一方、導波モードの分離幅は空孔の径が大きい方がより広くなる。共振波長が第 2領域及び第 3領域の導波路透過波長帯域から離れてレ、る方が望ましレ、ため、この点では空孔の径が大きレ、方が望ましいといえる。従って、 Q値及び導波モードの分離幅の双方を考慮して空孔の径を適宜設定することが望ましい。

[0055] 更に、各領域の空孔の周期は等しくし、空孔の大きさのみが領域毎に異なるようにしてもよレ、。そのような 2次元フォトニック結晶共振器の例を図 11に示す。（a)は、第 1 領域 91に径 bの空孔 961を三角格子状に周期 aで配置し、第 1領域 91の両隣に、径

1

b ( >b )の空孔 962を第 1領域 91と同じ周期 aで三角格子状に配置した第 2領域 92

2 1

及び第 3領域 93を設けたものである。（b)は、第 1領域 91一第 2領域 92間及び第 1領域 91—第 3領域 93間に、 bよりも大きく bよりも小さレ、径 bの空孔 963を他の領域と同

1 2 3

じ周期 aで三角格子状に配置した第 4領域 94及び第 5領域 95を設けたものである。いずれの場合も上記各実施例と同様に、各領域を貫くように導波路 97を設ける。これにより、（a)、（b)いずれの場合にも第 2領域 92と第 3領域 93の間の導波路 97に共振器 98が形成される。本実施例では導波路に最近接の空孔を三角格子の格子点上に配置しているため、領域毎の空孔の径の違いにより、第 1領域の方が他の領域よりも導波路の幅が広い。更に、導波路に最近接の空孔の位置を移動させて導波路の幅を調節することにより、 Q値等を設定することもできる。

[0056] 空孔の径が小さい程、図 1(a)のように共振波長帯域が長波長側にシフトするため、第 1領域 91の導波路透過波長帯域の長波長側に共振波長帯域が形成される。そのため、上記各実施例の場合と同様に第 1領域内の導波路が共振器として作用する。また、（b)のように多段構造とすることにより得られる効果も上記図 8の場合と同様である。

[0057] 図 11(a)の構成において b =0.62aとし、 (i)b =0.54a, (ii)b =0.58aとした場合について

2 1 1

それぞれ計算した。その結果、いずれも第 1領域の導波路が共振器として機能することが確認された。計算値は、（a)では共振周波数が 0.266c/a、 Q値が 34000、導波モードとの分離幅が 20nm(a=420nmの場合)、（b)では共振周波数力 S0.267c/a、 Q値が 76000 、導波モードとの分離幅力 Sl3nm (同上)であった。

[0058] 次に、本発明の 2次元フォトニック結晶共振器を用いた分合波器の実施例について説明する。

図 12は、図 6の 2次元フォトニック結晶共振器から空孔 3列分だけ離れた位置に、三角格子の 1列だけ空孔 22を欠損させた入出力用導波路 81を設けた例を示す。また、この例では、入出力用導波路 81から見て導波路 26とは反対側にある空孔 22を入出力用導波路 81から離れる方向にシフトさせることにより、入出力用導波路 81の幅を導波路 26の幅の 1.1倍とした。これは、入出力用導波路 81の導波路透過波長帯域に共振波長が含まれるようにするためである。図 12では、図 6の構成を用いて導波路 26に垂直な方向の空孔の周期を各領域で等しくしたことにより、入出力用導波路 81が各領域の境界でスムーズにつながる。図 12の構成により、入出力用導波路 81 を流れる重畳光から共振器 261の共振波長の光を該共振器が結晶外部に取り出す分波器として、及び該共振波長の波長の光を該共振器が結晶外部から入出力用導波路 81に導入する合波器として機能する。

[0059] 図 13は、導波路 26を挟んで入出力用導波路 81及び 82を 1本ずつ設けたものである。この構成により、例えば入出力用導波路 81に重畳光を伝播させた場合、共振器 261の共振波長の光を入出力用導波路 81から入出力用導波路 82へ取り出す分波器として、及び入出力用導波路 82から入出力用導波路 81に導入する合波器として機能する。

[0060] 図 14は、入出力用導波路 83を曲げることにより、共振器 261から遠ざかるに従って導波路 26と入出力用導波路 83との間隔を大きくしたものである。これにより、共振器 261と入出力用導波路 83との間では共振器 261の共振波長の光の取り出し及び導入が行われやすぐそれ以外の領域では導波路 26と入出力用導波路 83との間で該共振波長以外の波長の光が流出入し難くすることができる。

Claims

請求の範囲

[1] a)第 1透過波長帯域を有する導波路を備えた 2次元フォトニック結晶から成る第 1領域と、

b)第 1領域に隣接して設けた領域であって、第 1領域の導波路と接続され第 2透過波長帯域を有する導波路を備えた 2次元フォトニック結晶から成る第 2領域と、 c)第 1領域に隣接して設けた領域であって、第 1領域の導波路と接続され第 3透過波長帯域を有する導波路を備えた 2次元フォトニック結晶から成る第 3領域と、を備え、第 1透過波長帯域の一部が第 2透過波長帯域及び第 3透過波長帯域に含まれないようにすることにより、第 1領域の導波路内の光を第 2領域及び第 3領域との境界にぉレ、て反射させ、共振させることを特徴とする 2次元フォトニック結晶共振器。

[2] a)第 1透過波長帯域を有する導波路を備えた 2次元フォトニック結晶から成る第 1領域と、

を備え、第 1透過波長帯域の一部が第 2透過波長帯域に含まれないようにすることにより、第 1領域の導波路内の光を第 2領域との 2つの境界において反射させ、共振させることを特徴とする 2次元フォトニック結晶共振器。

[3] a)第 1周期を有する 2次元フォトニック結晶力成る第 1領域と、

c)第 2領域、第 1領域、第 3領域の順に通過する導波路と、

を備え、第 1領域の導波路内の光を第 2領域及び第 3領域との境界において反射させることで共振させることを特徴とする 2次元フォトニック結晶共振器。

[4] 第 2周期と第 3周期が等しいことを特徴とする請求項 3に記載の 2次元フォトニック結晶共振器。

[5] 第 1領域と第 2領域との間に第 1周期と第 2周期の間の周期を有する領域を 1っ以上設け、第 1領域と第 3領域との間に第 1周期と第 3周期の間の周期を有する領域を 1つ以上設けたことを特徴とする請求項 3又は 4に記載の 2次元フォトニック結晶共振

[6] a)第 1周期を有する 2次元フォトニック結晶力成る第 1領域と、

c)第 2領域、第 1領域、第 2領域の順に通過する導波路と、

を備え、第 1領域の導波路内の光を第 2領域との 2つの境界において反射させることにより共振させることを特徴とする 2次元フォトニック結晶共振器。

[7] 第 1領域と第 2領域との間に第 1周期と第 2周期の間の周期を有する領域を 1っ以上設けたことを特徴とする請求項 6に記載の 2次元フォトニック結晶共振器。

[8] 第 1周期が他の周期よりも大きいことを特徴とする請求項 3 7のいずれかに記載の

2次元フォトニック結晶共振器。

[9] 第 1周期と他の周期の差が第 1周期の 0.1%— 10%であることを特徴とする請求項 8に記載の 2次元フォトニック結晶共振器。

[10] 前記導波路に平行な方向の周期を第 1領域と他の領域で異なるようにし、導波路に垂直な方向の周期を第 1領域と他の領域で等しくすることを特徴とする請求項 3—

9のいずれかに記載の 2次元フォトニック結晶共振器。

[11] 前記導波路の幅が第 1領域と他の領域で等しいことを特徴とする請求項 10に記載の 2次元フォトニック結晶共振器。

[12] 各領域の周期がスラブ状の本体に空孔を周期的に配置することにより形成され、導波路が該空孔を線状に欠損させることにより形成されることを特徴とする請求項 3— 1

1のいずれかに記載の 2次元フォトニック結晶共振器。

[13] a)スラブ状の本体と、

d)第 2領域、第 1領域、第 3領域の順に通過する導波路と、を備え、第 1領域の導波路内の光を第 2領域及び第 3領域との境界において反射させることで共振させることを特徴とする 2次元フォトニック結晶共振器。

[14] 前記第 2領域と第 3領域の異屈折率部の大きさが等しいことを特徴とする請求項 13 に記載の 2次元フォトニック結晶共振器。

[15] 第 1領域と第 2領域との間に、第 1領域の異屈折率部と第 2領域の異屈折率部の中間の大きさを有する異屈折率部を周期的に配置した領域を 1つ以上設け、第 1領域と第 3領域との間に、第 1領域の異屈折率部の大きさと第 3領域の異屈折率部の大きさの中間の大きさを有する異屈折率部を周期的に配置した領域を 1つ以上設けたことを特徴とする請求項 13又は 14に記載の 2次元フォトニック結晶共振器。

[16] a)スラブ状の本体と、

d)第 2領域、第 1領域、第 2領域の順に通過する導波路と、

[17] 第 1領域と第 2領域との間に、第 1領域の異屈折率部と第 2領域の異屈折率部の中間の大きさを有する異屈折率部を周期的に配置した領域を 1つ以上設けたことを特徴とする請求項 16に記載の 2次元フォトニック結晶共振器。

[18] 第 1領域の異屈折率部の大きさが他の領域の異屈折率部の大きさよりも小さいことを特徴とする請求項 13 17に記載の 2次元フォトニック結晶共振器。

[19] 異屈折率部が空孔により形成され、導波路が該空孔を線状に欠損させることにより形成されることを特徴とする請求項 13 18のいずれかに記載の 2次元フォトニック結晶共振器。

[20] 少なくとも第 1領域の導波路を含む領域が発光媒質を含有することを特徴とする請求項 1一 19のいずれかに記載の 2次元フォトニック結晶共振器。

[21] 請求項 1一 20に記載の 2次元フォトニック結晶共振器の第 1領域の導波路の近傍に更に導波路を備えることを特徴とする 2次元フォトニック結晶分合波器。