WO2006070867A1 - ２次元フォトニック結晶及びそれを用いた光デバイス - Google Patents

２次元フォトニック結晶及びそれを用いた光デバイス Download PDF

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polarization
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Susumu Noda
Takashi Asano
Seiichi Takayama
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Kyoto University NUC
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TDK Corp
Kyoto University NUC
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    • B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
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    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/122—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths
    • G02B6/1225—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths comprising photonic band-gap structures or photonic lattices
    • G—PHYSICS
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    • G02B6/12007—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind forming wavelength selective elements, e.g. multiplexer, demultiplexer

Definitions

  • the present invention relates to a two-dimensional photonic crystal used in an optical device such as an optical multiplexer / demultiplexer.
  • light used in the present application includes electromagnetic waves other than visible light.
  • optical communication is a communication method that will play a central role in future broadband communication, in order to popularize it, the performance and size of optical components used in optical communication systems will be further improved. There is a need for low prices.
  • One of the promising candidates for next-generation optical communication components that meet these requirements is an optical communication device that uses photonic crystals. This is already partly in practical use, and photonic crystal fibers for polarization dispersion compensation are in practical use.
  • WDM Wavelength Division Multiplexing
  • a photonic crystal is a dielectric in which a periodic structure is formed.
  • This periodic structure is generally formed by periodically arranging regions having different refractive indexes from the dielectric body (different refractive index regions) in the dielectric body. Due to the periodic structure, a band structure related to the energy of light is formed in the crystal, and an energy region in which light cannot be propagated is formed. Such an energy region is called a “photonic band gap (PBG)”.
  • PBG photonic band gap
  • Defect level is formed, and only light having a wavelength corresponding to the defect level can exist in the vicinity of the defect.
  • a defect formed in a dot shape can be used as an optical resonator of light of that wavelength, and a defect formed in a line shape can be used as a waveguide.
  • Patent Document 1 discloses that a waveguide is formed by periodically disposing a different refractive index region in a main body (slab) and providing a defect in a linear shape in the periodic arrangement. Describes a two-dimensional photonic crystal in which point defects are formed adjacent to the waveguide.
  • the This two-dimensional photonic crystal functions as a demultiplexer that extracts light with a wavelength that matches the resonance wavelength of the resonator from various wavelengths propagating in the waveguide, and is introduced into the external force waveguide. It also functions as a multiplexer.
  • the number of multiplexing can be increased by a factor of 2 compared to the case where it is not performed (polarization). Multiple).
  • the conventional optical multiplexer / demultiplexer using a two-dimensional photonic crystal cannot use both TE polarization and TM polarization of the same frequency independently. Difficult to do.
  • Patent Document 2 describes a two-dimensional photonic crystal in which a complete PBG is formed by periodically arranging triangular (triangular prism-like) holes in a triangular lattice pattern in a slab-like body. .
  • light having a frequency within the complete PBG can use TE polarization and TM polarization independently.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-272555 ([0023] to [0027], [0032], FIG. 1, FIGS. 5 to 6)
  • Patent Document 2 Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2004-294517 ([0021] to [0022], [0041] to [0043], FIG. 1, FIGS. 14 to 17)
  • a point-like defect for introducing TE polarized light into the waveguide force extraction Z waveguide and a TM polarization extracted from the waveguide To Z waveguide
  • parameters such as the period (lattice constant) size and shape of the different refractive index region, the thickness of the main body, and the refractive indexes of the main body and the different refractive index region.
  • the parameter is set so that the condition for one polarization is optimal, the condition for the other polarization also changes. Therefore, it is difficult to design to meet the requirements for both polarizations.
  • Such a problem is not limited to the polarization multiplexing optical multiplexer / demultiplexer described above, but photonic crystals using the difference between TE polarization and TM polarization, such as polarization separation elements and polarization dispersion compensators, are used. It occurs in common with the optical devices used.
  • photonic crystals using the difference between TE polarization and TM polarization for example, when light of a specific wavelength is multiplexed / demultiplexed regardless of the difference in polarization, the same problem as above occurs. .
  • the problem to be solved by the present invention is to provide a two-dimensional photonic crystal that can easily satisfy the conditions for both TE polarization and TM polarization, and an optical device using the same. .
  • a two-dimensional photonic crystal according to the present invention which has been made to solve the above problems, is formed by periodically providing a refractive index distribution on a slab-shaped body,
  • the refractive index distribution of the first region is such that circular different refractive index regions are arranged in a triangular lattice pattern, and the refractive index distribution of the second region is an equilateral triangle.
  • the different refractive index regions may be arranged in a triangular lattice shape.
  • the two-dimensional photonic crystal of the present invention can further include a waveguide that passes through both the first region and the second region.
  • the two-dimensional photonic crystal of the present invention provided with the waveguide further has a polarization corresponding to the region in the vicinity of the waveguides in the first region and the second region, that is, photonics in the region. It is possible to provide a resonator that resonates the polarized wave in which the band gap is formed.
  • the two-dimensional photonic crystal of the present invention including the waveguide and the resonator further passes through either the first region or the second region, and the resonator in the one region together with the waveguide.
  • a second waveguide formed so as to sandwich the gap can be provided.
  • the two-dimensional photonic crystal of the present invention including the waveguide and the resonator further passes through both the first region and the second region, and sandwiches the resonator in both regions together with the waveguide.
  • a second waveguide can be provided.
  • the two-dimensional photonic crystal of the present invention including the waveguide is formed as a single structural unit, and a plurality of the structural units are connected to form a two-dimensional structure in which the waveguides of all the structural units are continuous. Photonic crystals can be constructed.
  • the thickness of the main body is equal in all regions.
  • an optical functional element such as a wavelength multiplexer / demultiplexer, a polarization separation element, a polarization dispersion compensator, or the like can be configured.
  • FIG. 1 A schematic diagram of PBG in a conventional two-dimensional photonic crystal.
  • FIG. 2 is a schematic diagram of PBG in a two-dimensional photonic crystal according to the present invention.
  • FIG. 3 is a plan view of one embodiment of a two-dimensional photonic crystal according to the present invention.
  • FIG. 4 is a plan view of a two-dimensional photonic crystal of a comparative example.
  • FIG. 5 is a photonic band diagram of the two-dimensional photonic crystal of the comparative example and this example.
  • FIG. 6 is a plan view of the two-dimensional photonic crystal of this example in which a waveguide and a resonator are formed.
  • FIG. 7 Photonic band diagram of the two-dimensional photonic crystal of Fig. 6.
  • FIG. 11 is a plan view of a two-dimensional photonic crystal having a structure in which two sets of similar polarized heterostructures are connected to each other.
  • the two-dimensional photonic crystal according to the present invention also includes a first region having TE-PBG and a second region force having TM-PBG formed in one two-dimensional photonic crystal.
  • the first region can be the same as a conventional two-dimensional photonic crystal with TE-PBG
  • the second region can be the same as a conventional two-dimensional photonic crystal with TM-PBG. it can.
  • the first region PBG and the second region PBG have a common energy region (frequency region).
  • the parameters such as the period and size of the different refractive index regions in the first region and the second region, the thickness of the main body, and the refractive indexes of the main body and the different refractive index region are set.
  • the common energy region can be formed easily and wider than the conventional one.
  • one PBG in this figure, the PBG in the second region
  • the entire energy region of the one PBG is the common energy region 13.
  • TM-PBG As long as TE-PBG is formed in the first region, more TM-PBG may be formed. Similarly, as long as TM-PBG is formed in the second region, further TE-PBG may be formed. -PBG may be formed. Even if TE-PBG and TM-PBG are formed in one region, TE-PBG is used in the first region rather than using both TE-PBG and TM-PBG in that region. It is desirable to use TM-PBG in the two areas because it has the advantage that a large common energy area can be obtained and that it is easy to set optimal conditions for each polarization. .
  • the first region can be formed by providing a circular different refractive index region in a triangular lattice shape on the main body.
  • the second region can be formed by providing triangular different refractive index regions in a triangular lattice shape on the main body.
  • the first region and the second region can be formed by other configurations.
  • the thickness and refractive index of the main body among the above parameters are First area And it is desirable to be the same in the second area.
  • the first region and the second region are formed by appropriately setting the period 'size and shape of the anomalous refractive index region.
  • the different refractive index region can be formed by embedding a substance having a refractive index different from that of the main body into the main body, but it is easier to manufacture by forming holes in the main body, This is desirable because the difference in refractive index from the main body can be increased.
  • the two-dimensional photonic crystal in which the first region and the second region are formed in this way reflects both TE-polarized light and TM-polarized light having a frequency in the frequency region corresponding to the common energy region. It can be used for a photonic crystal mirror. Furthermore, in order to apply the two-dimensional photonic of the present invention to various optical functional elements, a waveguide or a resonator can be provided in the two-dimensional photonic crystal as described below.
  • a waveguide passing through the first region and the second region can be provided in the two-dimensional photonic crystal in which the first region and the second region are formed. Similar to the conventional two-dimensional photonic crystal, this waveguide can be formed by linearly providing defects with a periodic refractive index distribution. Further, the frequency band (pass frequency band) of light that can pass through the waveguide can be appropriately set by adjusting the width of the waveguide, the parameters of the different refractive index region, and the like. Also in this case, since the parameters can be set independently in the first region and the second region, a waveguide having a predetermined pass frequency band can be easily formed.
  • an optical functional element can be manufactured as follows.
  • the waveguide is formed so that the defect level of the same frequency is set in the PBG for the TE polarization in the first region and for the TM polarization in the second region.
  • the first region parameters are set so that this frequency falls within the TM-photonic band (not PBG), which is the TM polarized wave guide band.
  • the frequency force TE-PBG is included (when the triangular refractive index region is provided in a triangular lattice shape, not only for TM polarization but also for TE polarization). PBG can be formed).
  • both TE polarization and TM polarization of the above frequency are introduced into the first region waveguide, both TE polarization and TM polarization can propagate through the first region waveguide.
  • TE polarization and TM polarization can propagate through the first region waveguide.
  • TM polarization cannot propagate in the waveguide in the second region, since it is in the above-mentioned frequency force TE-PBG, TE polarization cannot propagate, and only TM polarization can propagate. Therefore, The TE polarization of the above frequency is reflected at the boundary between the first region and the second region, whereas the TM polarization having the same frequency can pass through this boundary. Polarization can be separated.
  • a resonator can be further provided in the two-dimensional photonic crystal of the present invention.
  • This resonator can be formed by a point defect in which defects in the different refractive index region are provided in a dot shape.
  • Point-like defects can be formed by changing the diameter of the different refractive index region at the position where the defect is to be provided or by filling the different refractive index region (without providing the different refractive index region).
  • the Point defects include simple point defects that have a force only in one refractive index region and cluster type defects that consist of a plurality of adjacent different refractive index regions. By forming such a point defect, a defect level is formed in the PBG, and light having a frequency corresponding to the defect level resonates in the point defect.
  • the energy value of the defect level is determined by parameters such as the position, shape, and size of the point defect, and the period of the different refractive index region.
  • a resonator that resonates with the TE polarized wave of the desired frequency is resonated in the first region
  • a resonator that resonates with the TM polarized wave of the desired frequency is resonated in the second region.
  • Each can be formed. Details of such a resonator are described in Patent Documents 1 and 2.
  • the resonator can be designed independently without affecting each other in the first region and the second region in one two-dimensional photonic crystal.
  • the two-dimensional photonic crystal of the present invention provided with a resonator as described above can be used for various optical devices.
  • a resonator that resonates with a TE polarized wave having a predetermined frequency is provided in the first region, and a resonator that resonates with a TM polarized wave with the same resonance frequency is provided in the second region.
  • the waveguide should be formed so that both the TE polarization and TM polarization of the above frequency can be passed in the first area, and only the TM polarization of the above frequency can be passed in the second area.
  • the GO second region is formed so that both the TE polarized wave and TM polarized wave can pass through, and the first region is formed so that only the TE polarized wave with the above frequency can pass through.
  • the polarization multiplexing duplexer configured as described above, among the TE polarized wave and TM polarized wave having the above-mentioned frequency propagating through the waveguide, the TE polarized wave is supplied from the resonator in the first region, and the TM polarized wave is supplied to the second polarized wave. Demultiplex from each region's resonator.
  • the TE polarized wave of the above frequency is multiplexed from the first region resonator and the TM polarized wave from the second region resonator to the waveguide.
  • TE polarization and TM polarization having the same frequency can be used independently.
  • a second waveguide may be further provided in the two-dimensional photonic crystal of the present invention.
  • the second waveguide is formed so as to pass through either the first region or the second region and sandwich the resonator in that region together with the first waveguide.
  • light having a wavelength and polarization resonating with the resonator can be extracted to the second waveguide.
  • light having a wavelength and polarization resonating with the resonator can be combined with the second waveguide force through the resonator to the first waveguide.
  • One second waveguide may be provided in each of the first region and the second region.
  • the second waveguide may be formed so as to pass through both the first region and the second region, and to sandwich the resonator together with the first waveguide in both regions! /.
  • This two-dimensional photonic crystal can be used as a polarization-independent frequency (wavelength) multiplexer / demultiplexer that demultiplexes and multiplexes light of a predetermined frequency without depending on the polarization.
  • the periodic structure, waveguide, and resonator have a configuration suitable for only one of TE polarization and TM polarization, and therefore propagate through the waveguide. Part of the other polarized light was lost without being demultiplexed! /.
  • the TE polarized wave of a predetermined frequency is obtained by the resonator in the first region, and the TM polarized wave at the frequency is obtained by the resonator in the second region. Since it is demultiplexed into the second waveguide, no such loss occurs.
  • a two-dimensional photonic crystal can be formed in which the first region and the second region are used as a single structural unit and a plurality of the structural units are connected to each other, and the waveguides of all the structural units are connected.
  • this two-dimensional photonic crystal for example, by providing resonators with different resonance frequencies for each structural unit, TE polarization and TM polarization can be used independently for a plurality of frequencies. Can be formed.
  • TE polarization and TM polarization can be multiplexed and demultiplexed independently for each of these multiple frequencies, so that the number of multiplexing is doubled compared to the case where polarization is not distinguished.
  • An optical multiplexer / demultiplexer can be obtained.
  • FIG. 3 shows an example of the basic structure of the two-dimensional photonic crystal of the present invention.
  • the main body 20 is formed into a plate shape (slab shape) using a material having a refractive index sufficiently higher than that of air, such as Si or InGaAsP.
  • the main body 20 includes a first region 21 and a second region 22.
  • Circular holes 23 (different refractive index regions) are arranged in the first region 21, and equilateral triangular holes 24 are arranged in the second region 22 in a triangular lattice pattern.
  • this configuration forms a TE-PBG force in the first region and a TM-PBG in the second region.
  • polarization heterostructure such a structure in which the region where the TE-PBG is formed and the region where the TM-P BG is formed is referred to as a “polarization heterostructure”.
  • This two-dimensional photonic crystal has regular triangular vacancies arranged in a triangular lattice shape, and has the same configuration as the second region 22 of this embodiment (FIG. 3).
  • This configuration is known to form TE-PBG and TM-PBG in one two-dimensional photonic crystal! (Patent Document 2).
  • the period of the holes is a
  • the thickness of the main body is 0.6a
  • the radius of the circular holes in the first region of this example is 0.35a
  • the equilateral triangle vacancy in the second region and the comparative example The length of one side of the hole was 0.95a.
  • the refractive index of the main body was set to 3.4 (the refractive index of Si).
  • FIGS. 5 (a) and (c) The band diagrams of the two-dimensional photonic crystal of the comparative example are shown in FIGS. 5 (a) and (c), and the band diagrams of the two-dimensional photonic crystal of this example are shown in FIGS. 5 (b) and (d). Each is shown.
  • (c) and (d) are enlarged views of (a) and (b), respectively.
  • Figures 5 (a) and (c) show the band diagram for TE polarization and the band diagram for TM polarization side by side
  • (b) and (d) show the band diagrams for TE polarization in the first region.
  • the band diagram for TM polarization in the second region are shown side by side.
  • the vertical axis shows the normalized frequency divided by c / a (c is the speed of light).
  • c is the speed of light.
  • complete PBG31 which is an energy region where TE-PBG and TM-PBG overlap, is larger in this example than in the comparative example. In this way, it is possible to increase the degree of freedom in designing the optical multiplexer / demultiplexer by increasing the complete PBG31.
  • FIG. 6 shows an example of a polarized heterostructure two-dimensional photonic crystal in which a waveguide and a resonator are formed.
  • a linear defect which is a linear space in which the periodic structure due to the holes 23 is not provided in the first region 21, is formed, and the same is applied to the second region 22 so as to be connected to the linear defect in the first region 21.
  • a line defect is formed.
  • a waveguide 25 that passes through both the first region 21 and the second region 22 is formed.
  • a resonator 26 is formed by providing point-like defects of three holes 23 arranged in a straight line at a position from the waveguide 25 through three rows of holes 23. To do.
  • a resonator 27 is formed in the second region 22.
  • the polarization heterostructure two-dimensional photonic crystal of FIG. 6 will be described using the band diagram of FIG. TE-PBG 41 is formed in the first region 21, and TE-PBG 42 is formed in the second region 22.
  • the TE-PBG41 has a TE polarized wave pass frequency band (TE-WG43) formed in the first region 21 waveguide 25, and the second region 22 waveguide 25 has a TM polarized wave in the TM-PBG41.
  • Pass frequency band (TM-WG44) is formed. Both TE-WG43 and TM-WG44 are formed by forming defect levels in PBG.
  • the TM waveguide mode is obtained as a curve 45 in FIG.
  • the incident TM polarized light is guided by the refractive index difference between the main body 20, the hole 23, and the outside. It is confined inside and can propagate through it. As a result, the light with the frequency ⁇ becomes ⁇ polarized in the waveguide 25 in the first region 21 ⁇
  • Polarization can propagate through the waveguides 25 in both the first region 21 and the second region 22. Set the parameters (shape, size, etc.) of resonator 26 so that it resonates with the TE polarized wave of frequency ⁇ .
  • Resonator 27 parameters are set to resonate with TM polarization of wave number ⁇ . This
  • this polarized heterostructure two-dimensional photonic crystal The polarization of frequency ⁇ passes through resonator 26 and the ⁇ polarization of frequency ⁇ passes through resonator 27.
  • this two-dimensional photonic crystal transmits a ⁇ -polarized wave with a frequency ⁇ from the outside of the crystal through a resonator 26 and has a frequency ⁇ .
  • FIG. 8 shows a waveguide 28 passing through the vicinity of the resonator 26 in the first region 21 and the waveguide passing through the vicinity of the resonator 27 in the second region 22 in the polarization heterostructure two-dimensional photonic crystal.
  • a two-dimensional photonic crystal in which each of the waveguides 29 is formed is shown.
  • the resonator 26 is formed between the waveguide 25 and the waveguide 28, and the resonator 27 is formed between the waveguide 25 and the waveguide 29, respectively.
  • the polarization is demultiplexed, and from the waveguide 28 and the waveguide 29, respectively,
  • ⁇ Polarization is combined into waveguide 25.
  • FIG. 9 shows a two-dimensional photonic crystal in which a waveguide 30 passing through both the first region 21 and the second region 22 is further formed on the polarization heterostructure two-dimensional photonic crystal.
  • the resonators 26 and 27 are both formed so as to be sandwiched between the waveguide 25 and the waveguide 30.
  • the ⁇ polarization of 0 is demultiplexed into the waveguide 30 via the resonator 26, and the ⁇ polarization of the frequency ⁇ that propagates through the waveguide 25 is also resonant.
  • the signal is demultiplexed into the waveguide 30 via the device 27. This allows the frequency ⁇ to propagate through the waveguide 25
  • Zero light can be demultiplexed into the waveguide 30 regardless of its polarization.
  • the operation as a multiplexer is the same.
  • a part of the negative polarization propagating through the waveguide 25 passes through the resonator 27. Therefore, as shown in FIG. 10, it is desirable to provide a reflecting portion 50 that reflects light propagating through the waveguide 25 at the end of the second region 22 opposite to the first region 21. As a result, the light that has passed through the resonator 27 is reflected by the reflecting section 50, and the probability that the light is introduced into the resonator 27 increases, and the demultiplexing efficiency is improved.
  • This reflecting surface can be formed, for example, by connecting a two-dimensional photonic crystal whose polarization and frequency of light propagating through the waveguide 25 are included in the PBG to the end portion.
  • FIG. 11 shows the first region 21 and the second region at the end of the second region 22 opposite to the first region 21.
  • a polarized heterostructure two-dimensional photonic crystal in which the third region 51 and the fourth region 52 connected to each other are shown.
  • the third area 51 and the fourth area 52 are obtained by reducing the first area 21 and the second area at the same rate.
  • a waveguide 53 is formed from the first region 21 to the fourth region 52, and resonators 54, 55, 56, 57 are formed in each region with three rows of holes from the waveguide 53.
  • a waveguide 58 that passes only through the first region 21 and the second region 22 is formed so that the waveguide 53 and the waveguide 58 sandwich the resonator 54 and the resonator 55.
  • a waveguide 59 that passes only through the third region 51 and the fourth region 52 is formed so that the waveguide 53 and the waveguide 59 sandwich the resonator 56 and the resonator 57.
  • the TE polarization is different in the resonator 54 and the resonator 56
  • the TM polarization is different in the resonator 55 and the resonator 57.

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Abstract

　本発明の課題は、TE偏波とTM偏波の双方に対する条件を容易に満たすことができる２次元フォトニック結晶を提供することにある。本体２０に、第１領域２１には円形の空孔２３を三角格子状に、第２領域２２には正三角形の空孔２４を三角格子状に、それぞれ配置する。これにより、第１領域２１にはTE偏波に対するフォトニックバンドギャップ（PBG）であるTE-PBGが、第２領域２２にはTM偏波に対するPBGであるTM-PBGが、それぞれ形成される。第１領域２１と第２領域２２では空孔の周期や大きさ等のパラメータを独立に設定することができるため、TE-PBGとTM-PBGに共通するエネルギー領域（完全PBG）を大きく、且つ容易に形成することができる。この完全PBG内のエネルギーに対応する導波路２５や共振器２６、２７等を形成することにより、偏波分合波器や、偏波に依存しない周波数（波長）分合波器などを形成することができる。

Description

2次元フォトニック結晶及びそれを用いた光デバイス
技術分野
[0001] 本発明は、光分合波器等の光デバイスに用いられる 2次元フォトニック結晶に関す る。なお、本願において用いる「光」には、可視光以外の電磁波も含むものとする。 背景技術
[0002] 光通信は今後のブロードバンド通信の中心的役割を担う通信方式であることから、 その普及のために、光通信システムに使用される光部品類に対して更なる高性能化 、小型化、低価格ィ匕が求められている。このような要求を満たす次世代光通信部品 の有力候補のひとつとして、フォトニック結晶を利用した光通信用デバイスがある。こ れは既に一部で実用段階に入っており、偏波分散補償用フォトニック結晶ファイバー などが実用に供されている。現在では更に、波長分割多重通信 (Wavelength Division Multiplexing: WDM)に使用される光分合波器等の開発が実用化に向けて進められ ている。
[0003] フォトニック結晶は、誘電体に周期構造を形成したものである。この周期構造は一 般に、誘電体本体とは屈折率が異なる領域 (異屈折率領域)を誘電体本体内に周期 的に配置することにより形成される。その周期構造により、結晶中に光のエネルギー に関するバンド構造が形成され、光の伝播が不可能となるエネルギー領域が形成さ れる。このようなエネルギー領域は「フォトニックバンドギャップ」（Photonic Band Gap:P BG)と呼ばれる。
[0004] このフォトニック結晶中に適切な欠陥を設けることにより、 PBG中にエネルギー準位
(欠陥準位)が形成され、その欠陥準位に対応する波長の光のみがその欠陥の近傍 に存在できるようになる。点状に形成された欠陥はその波長の光の光共振器として使 用することができ、線状に形成された欠陥は導波路として使用することができる。
[0005] 上記技術の一例として、特許文献 1には、本体 (スラブ)に異屈折率領域を周期的に 配置し、その周期的配置に欠陥を線状に設けることにより導波路を形成するとともに 、その導波路に隣接して点状欠陥を形成した 2次元フォトニック結晶が記載されてい る。この 2次元フォトニック結晶は、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外部へ取り出す分波器として機能すると共に、 外部力 導波路に導入する合波器としても機能する。
[0006] 特許文献 1に記載のものを含め、多くの 2次元フォトニック結晶では、電場が本体に 平行に振動する TE偏波又は磁場が本体に平行に振動する TM偏波のいずれか一方 の偏波に対して PBGが形成されるように設計される。この場合、他方の偏波に対して は PBGが形成されな ヽ場合や、形成されたとしてもそれが該一方の偏波の PBGとは 異なるエネルギー領域に形成される場合には、同一の周波数 (波長、エネルギー）の TE偏波と TM偏波を一緒に用いることはできな 、。
[0007] 例えば、 WDMにおいて同一の周波数に対して更に TE偏波と TM偏波を独立に用 いることができれば、それを行わない場合よりも多重数を 2倍に増やすことができる（ 偏波多重)。しかし、上記のように、従来の 2次元フォトニック結晶を用いた光合分波 器では、同一周波数の TE偏波と TM偏波の双方を独立に使用することができないた め、偏波多重を行うことが困難である。
[0008] そこで、 TE偏波及び TM偏波の両方に対して PBGを形成し、その両 PBGが共通域を 持つようにした 2次元フォトニック結晶を作製することが検討されている。以下、この共 通域を「完全フォトニックバンドギャップ (完全 PBG)」と呼ぶ。例えば、特許文献 2には 、スラブ状の本体に三角形 (三角柱状)の空孔を三角格子状に周期的に配置するこ とにより完全 PBGが形成される 2次元フォトニック結晶が記載されている。この特許文 献 2に記載の 2次元フォトニック結晶では、完全 PBG内の周波数の光は、 TE偏波及 び TM偏波をそれぞれ独立に用いることができる。
[0009] 特許文献 1 :特開 2001- 272555号公報（[0023]〜[0027]、 [0032]、図 1、図 5〜6)
特許文献 2 :特開 2004-294517号公報（[0021]〜[0022]、 [0041]〜[0043]、図 1、図 14 〜17)
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0010] 偏波多重光合分波器を作製するためには、 TE偏波を導波路力 取り出し Z導波路 へ導入するための点状欠陥 (共振器)と、 TM偏波を導波路から取り出し Z導波路へ 導入するための点状欠陥をそれぞれ導波路の近傍に設け、両者の共振周波数を一 致させる必要がある。そのためには、異屈折率領域の周期 (格子定数） '大きさ及び 形状、本体の厚さ、本体及び異屈折率領域の屈折率等のパラメータを適切に設定す る必要がある。しかし、一方の偏波に対する条件が最適になるようにパラメータを設定 すると、他方の偏波に対する条件も変化してしまう。そのため、両方の偏波に対する 条件を共に満たすように設計することは難 U、。
[0011] 例えば、特許文献 2に記載の 2次元フォトニック結晶では完全 PBGは形成される力 図 1に示すように TE偏波に対する PBG (TE-PBG11)と TM偏波に対する PBG (TM- P BG12)に共通するエネルギー領域（共通エネルギー領域 13)は、双方の PBGのうち のごく一部のエネルギー領域にしか形成されない。仮に、矢印 14で示すように TE- P BG又は TM-PBGのいずれかのエネルギー領域を移動させることができれば共通ェ ネルギー領域 13のエネルギー幅を大きくすることができる力 実際にはいずれか一 方の PBGのエネルギー領域を移動させるために上記パラメータを変更すると、他方の PBGのエネルギー領域も移動してしまう。
[0012] このような問題は、上記偏波多重光合分波器に限らず、偏光分離素子や偏波分散 補償器等の、 TE偏波と TM偏波の違 、を利用するフォトニック結晶を用いた光デバイ スに共通して生じる。また、 TE偏波と TM偏波の違いを利用する場合以外にも、例え ば、偏波の違いに関わらず特定の波長の光を合分波する場合には、上記と同様の 問題が生じる。
[0013] 本発明が解決しょうとする課題は、 TE偏波と TM偏波の双方に対する条件を容易に 満たすことができる 2次元フォトニック結晶及びそれを用いた光デバイスを提供するこ とである。
課題を解決するための手段
[0014] 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は、スラブ 状の本体に周期的に屈折率分布を設けて成るものであって、
a) TE偏波に対するフォトニックバンドギャップを有する第 1領域と、
b)第 1領域に隣接して設けられ、少なくとも一部のエネルギー領域が前記 TE偏波 フォトニックバンドギャップと共通する、 TM偏波に対するフォトニックバンドギャップを 有する第 2領域と、
を備えることを特徴とする。
[0015] 本発明の 2次元フォトニック結晶は、第 1領域の屈折率分布を、円形の異屈折率領 域を三角格子状に配置したものとし、第 2領域の屈折率分布を、正三角形の異屈折 率領域を三角格子状に配置したものとすることができる。
[0016] 本発明の 2次元フォトニック結晶は更に、第 1領域と第 2領域の双方を通る導波路を 備えることができる。
[0017] 前記導波路を備えた本発明の 2次元フォトニック結晶は更に、第 1領域及び第 2領 域の導波路の近傍にそれぞれ、その領域に対応する偏波、即ちその領域において フォトニックバンドギャップが形成される偏波が共振する共振器を備えることができる。
[0018] 前記導波路及び共振器を備えた本発明の 2次元フォトニック結晶は更に、前記第 1 領域又は前記第 2領域のいずれか一方を通り、前記導波路と共に該一方の領域の 共振器を挟むように形成される第 2導波路を備えることができる。
[0019] 前記導波路及び共振器を備えた本発明の 2次元フォトニック結晶は更に、前記第 1 領域及び前記第 2領域の双方を通り、前記導波路と共に双方の領域の共振器を挟 むように形成される第 2導波路を備えることができる。
[0020] 前記導波路を備えた本発明の 2次元フォトニック結晶を 1つの構成単位として、該 構成単位を複数個接続して形成され、全構成単位の導波路が連続して ヽる 2次元フ オトニック結晶を構成することができる。
[0021] 本発明の 2次元フォトニック結晶は、本体の厚さが全ての領域で等しいことが望まし い。
[0022] 本発明の 2次元フォトニック結晶を用いて、波長合分波器、偏光分離素子、偏波分 散補償器等の光機能素子を構成することができる。 図面の簡単な説明
[0023] [図 1]従来の 2次元フォトニック結晶における PBGの模式図。
[図 2]本発明に係る 2次元フォトニック結晶における PBGの模式図。
[図 3]本発明に係る 2次元フォトニック結晶の一実施例の平面図。
[図 4]比較例の 2次元フォトニック結晶の平面図。 [図 5]比較例及び本実施例の 2次元フォトニック結晶のフォトニックバンド図。
[図 6]導波路及び共振器を形成した本実施例の 2次元フォトニック結晶の平面図。
[図 7]図 6の 2次元フォトニック結晶のフォトニックバンド図。
圆 8]各共振器の近傍にそれぞれ更に導波路を形成した 2次元フォトニック結晶の平 面図。
圆 9]第 1領域と第 2領域の双方を通る更に導波路を形成した 2次元フォトニック結晶 の平面図。
圆 10]第 2領域の端部に反射面を形成した 2次元フォトニック結晶の平面図。
[図 11]相似形である 2組の偏波へテロ構造 2次元フォトニック結晶を接続した構造を 有する 2次元フォトニック結晶の平面図。
符号の説明
11、 41- --TE-PBG
12、 42- --TM-PBG
13· ··共通エネルギー領域
20· "本体
21…第 1領域
22…第 2領域
23· ··円形の空孔
24…正三角形の空孔
25、 28、 29、 30、 53、 58、 59· ··導波路
26、 27、 54、 55、 56、 57· ··共振器
31…完全 PBG
43- --TE-WG
44- --TM-WG
50…反射部
51…第 3領域
52…第 4領域
発明の実施の形態及び効果 [0025] 本発明に係る 2次元フォトニック結晶は、 1個の 2次元フォトニック結晶内に形成され た、 TE-PBGを有する第 1領域と、 TM- PBGを有する第 2領域力も成る。第 1領域には 従来の TE-PBGを有する 2次元フォトニック結晶と同様のものを、第 2領域には従来の TM-PBGを有する 2次元フォトニック結晶と同様のものを、それぞれ用いることができ る。
[0026] この 2次元フォトニック結晶において同一の周波数の TE偏波と TM偏波を共に利用 できるようにするために、第 1領域の PBGと第 2領域の PBGが共通のエネルギー領域 ( 周波数領域、波長領域)を持つように第 1領域及び第 2領域の異屈折率領域の周期 •大きさ及び形状、本体の厚さ、本体及び異屈折率領域の屈折率等のパラメータを 設定する。本発明では第 1領域と第 2領域のパラメータを独立に設定することができ るため、共通エネルギー領域を容易に且つ従来よりも広く形成することができる。
[0027] 例えば図 2に示すように、一方の PBG (この図では第 2領域の PBG)が他方の PBGの エネルギー領域に完全に含まれるようにすることができる。この場合、当該一方の PB Gのエネルギー領域の全体が共通エネルギー領域 13となる。
[0028] なお、第 1領域には TE- PBGが形成されさえすれば更に TM- PBGが形成されてもよ く、同様に、第 2領域には TM-PBGが形成されさえすれば更に TE-PBGが形成されて もよい。し力し、一方の領域に TE-PBGと TM-PBGが形成されたとしても、その領域で TE- PBGと TM- PBGの両方を利用するよりも、第 1領域では TE- PBGを、第 2領域では TM- PBGを、それぞれ利用する方力 共通エネルギー領域を大きく取ることができ、 また、各偏波に対して最適な条件を設定することが容易である、という利点があるた め望ましい。
[0029] 第 1領域は、例えば特許文献 1に記載のように、本体に円形の異屈折率領域を三 角格子状に設けることにより形成することができる。第 2領域は、例えば特許文献 2に 記載のように、本体に三角形の異屈折率領域を三角格子状に設けることにより形成 することができる。もちろん、その他の構成により第 1領域及び第 2領域を形成するこ とちでさる。
[0030] 一般的には、 1枚のスラブ状の本体に第 1領域及び第 2領域を形成するのが製造 面等で有利であるため、上記のパラメータのうち本体の厚さ及び屈折率は第 1領域 及び第 2領域で同一とすることが望ましい。この場合、第 1領域及び第 2領域は、異屈 折率領域の周期'大きさ及び形状を適宜設定することにより形成する。
[0031] 異屈折率領域は、本体とは屈折率の異なる物質を本体に埋め込むことにより形成 することも可能ではあるが、本体に空孔を設けて形成する方が、製造が容易であり、 本体との屈折率差を大きくすることができるため望ましい。
[0032] このように第 1領域と第 2領域が形成された 2次元フォトニック結晶は、例えば、共通 エネルギー領域に対応する周波数領域内の周波数を有する TE偏波、 TM偏波を共 に反射するフォトニック結晶ミラーに用いることができる。更に、本発明の 2次元フォト ニックを様々な光機能素子に適用するために、以下に述べるように、 2次元フォト-ッ ク結晶内に導波路や共振器を設けることができる。
[0033] 第 1領域と第 2領域が形成された 2次元フォトニック結晶に、第 1領域と第 2領域を通 る導波路を設けることができる。この導波路は従来の 2次元フォトニック結晶と同様に 、周期屈折率分布の欠陥を線状に設けることにより形成することができる。また、導波 路の幅ゃ異屈折率領域のパラメータ等を調整することにより、導波路を通過すること のできる光の周波数帯域 (通過周波数帯域)を適宜設定することができる。この場合 にも、第 1領域と第 2領域では独立にパラメータを設定することができるため、所定の 通過周波数帯域を有する導波路を容易に形成することができる。
[0034] 上記のように所定の通過周波数帯域を有する導波路を容易に形成することができ るため、例えば、以下のように光機能素子を作製することができる。第 1領域では TE 偏波に対して、第 2領域では TM偏波に対して、同一周波数の欠陥準位が PBG内に 設定されるように導波路を形成する。そして、第 1領域では、 TM偏波の導波帯域であ る TM-フォトニックバンド (PBGではな 、）内にこの周波数が入るようにパラメータを設 定する。一方、第 2領域では、この周波数力TE-PBG内に入るようにする（三角形の異 屈折率領域を三角格子状に設けた場合には、 TM偏波のみならず TE偏波に対しても PBGを形成することができる)。この構成によれば、第 1領域の導波路に上記周波数 の TE偏波と TM偏波を導入した時、第 1領域の導波路では TE偏波、 TM偏波の双方 が伝播することができるのに対して、第 2領域の導波路では上記周波数力TE-PBG内 にあるため TE偏波が伝播することができず、 TM偏波のみ伝播可能である。従って、 上記周波数の TE偏波は第 1領域と第 2領域の境界において反射され、それに対して 、同じ周波数を有する TM偏波はこの境界を通過することができるため、同一周波数 の TE偏波と TM偏波を分離することができる。
[0035] 本発明の 2次元フォトニック結晶に更に共振器を設けることができる。この共振器は 、異屈折率領域の欠陥を点状に設けて成る点状欠陥により形成することができる。点 状欠陥は、それを設けようとする位置の異屈折率領域の径ゃ形状を変化させたり、異 屈折率領域を埋めたりする (異屈折率領域を設けない)ことにより形成することができ る。点状欠陥には、 1個の異屈折率領域のみ力も成る単純な点欠陥や、隣接する複 数の異屈折率領域から成るクラスタ型欠陥がある。このような点状欠陥を形成するこ とにより、 PBG内に欠陥準位が形成され、その欠陥準位に対応する周波数の光がそ の点状欠陥において共振する。欠陥準位のエネルギー値、即ち共振周波数は、点 状欠陥の位置 ·形状 ·大きさゃ異屈折率領域の周期等のパラメータにより定まる。こ れらのパラメータを適切に設定することにより、第 1領域には所望の周波数の TE偏波 が共振する共振器を、第 2領域には所望の周波数の TM偏波が共振する共振器を、 それぞれ形成することができる。このような共振器の詳細は特許文献 1及び 2に記載 されている。本発明の 2次元フォトニック結晶では、 1個の 2次元フォトニック結晶内の 第 1領域及び第 2領域において、互いに影響を及ぼすことなく独立に共振器を設計 することができる。
[0036] このように共振器を設けた本発明の 2次元フォトニック結晶は種々の光デバイスに 用!/、ることができる。
例えば、偏光面の違いにより光を分波し、及び Z又は偏光面の異なる光を合波す る偏波多重合分波器として用いることができる。この偏波多重合分波器にぉ 、ては、 第 1領域には所定の周波数の TE偏波に共振する共振器を設け、第 2領域には同じ 共振周波数の TM偏波に共振する共振器を設ける。導波路は、（0第 1領域では上記 周波数の TE偏波と TM偏波の双方が通過できるように形成し、第 2領域では上記周 波数の TM偏波のみが通過できるように形成するか、 GO第 2領域では上記周波数の T E偏波と TM偏波の双方が通過できるように形成し、第 1領域では上記周波数の TE偏 波のみが通過できるように形成する。 このように構成される偏波多重合分波器では、導波路を伝播する上記周波数の TE 偏波及び TM偏波のうち、 TE偏波を第 1領域の共振器から、 TM偏波を第 2領域の共 振器から、それぞれ分波する。同様に、上記周波数の TE偏波を第 1領域の共振器か ら、 TM偏波を第 2領域の共振器から、導波路へ合波する。この偏波多重合分波器で は、同一の周波数を有する TE偏波と TM偏波を独立に使用することができる。
[0037] 第 1領域及び Z又は第 2領域の共振器から光を取り出す (光分波器の場合)ため又 は第 1領域及び Z又は第 2領域の共振器に光を導入する (光合波器の場合)ため、 本発明の 2次元フォトニック結晶に、上記導波路 (ここでは「第 1導波路」と呼ぶ）に加 えて更に第 2の導波路を設けてもよい。第 2導波路は、第 1領域又は第 2領域のいず れか一方を通り、第 1導波路と共にその領域にある共振器を挟むように形成する。こ れにより、その領域において、その共振器に共振する波長及び偏波の光を第 2導波 路に取り出すことができる。同様に、その共振器に共振する波長及び偏波の光を第 2 導波路力もその共振器を通して第 1導波路に合波することができる。この第 2導波路 は、第 1領域及び第 2領域の双方にそれぞれ 1本ずつ設けてもよい。
[0038] また、第 2導波路は、第 1領域及び前記第 2領域の双方を通るようにし、双方の領域 にお 、て第 1導波路と共に共振器を挟むように形成してもよ!/、。この 2次元フォト-ッ ク結晶は、所定の周波数の光を偏波に依らずに分波及び合波する偏波無依存型周 波数 (波長)合分波器として用いることができる。
従来の 2次元フォトニック結晶周波数 (波長)合分波器では、周期構造、導波路、共 振器は TE偏波又は TM偏波の一方にのみ適した構成であったため、導波路を伝播 する他方の偏波の光の一部は分波されずに損失となって!/、た。それに対してこの偏 波無依存型周波数 (波長)合分波器では、所定周波数の TE偏波は第 1領域の共振 器により、該周波数の TM偏波は第 2領域の共振器により、それぞれ第 2導波路に分 波されるため、このような損失が生じることがない。
[0039] 第 1領域と第 2領域を 1つの構成単位として、それを複数個接続し、全ての構成単 位の導波路を接続した 2次元フォトニック結晶を形成することができる。この 2次元フォ トニック結晶において、例えば、構成単位毎に共振周波数の異なる共振器を設けるこ とにより、複数の周波数についてそれぞれ TE偏波と TM偏波を独立に用いることがで きる光デバイスを形成することができる。また、それら複数の周波数についてそれぞ れ TE偏波と TM偏波を独立に合波 ·分波することができ、それにより、偏波を区別しな い場合と比較して多重数が 2倍になる光合分波器を得ることができる。
実施例
[0040] 本発明の 2次元フォトニック結晶の実施例を、図 3〜図 11を用いて説明する。
図 3に、本発明の 2次元フォトニック結晶の基本的な構造の一例を示す。本体 20は 、 Siや InGaAsP等、空気よりも屈折率が十分に高い材料を用いて板状 (スラブ状）に形 成される。本体 20は第 1領域 21と第 2領域 22から成る。第 1領域 21には円形の空孔 23 (異屈折率領域)が、第 2領域 22には正三角形の空孔 24が、それぞれ三角格子 状に配置される。後に詳述するように、この構成により第 1領域には TE-PBG力 第 2 領域には TM-PBGが形成される。以下、このような TE-PBGが形成される領域と TM-P BGが形成される領域が接続された構造を「偏波へテロ構造」と呼ぶ。
[0041] 本実施例の 2次元フォトニック結晶（図 3)と、比較例として従来の 2次元フォトニック 結晶（図 4)について、フォトニックバンドを計算した結果について述べる。
まず、比較例の 2次元フォトニック結晶について説明する。この 2次元フォトニック結 晶は、正三角形の空孔が三角格子状に配置されたものであり、本実施例（図 3)の第 2領域 22と同様の構成を有する。この構成は 1つの 2次元フォトニック結晶において T E-PBGと TM-PBGが形成されるものであることが知られて!/、る（特許文献 2)。
[0042] 計算に用いたパラメータについて述べる。本実施例及び比較例共に空孔の周期を aとし、本体の厚さを 0.6a、本実施例の第 1領域における円形空孔の半径を 0.35a、第 2領域及び比較例における正三角形空孔の 1辺の長さを 0.95aとした。また、本体の 屈折率を 3.4 (Siの屈折率)とした。
[0043] 比較例の 2次元フォトニック結晶のバンド図を図 5(a)及び (c)に、本実施例の 2次元 フォトニック結晶のバンド図を図 5(b)及び (d)に、それぞれ示す。ここで、（c)及び (d)は、 それぞれ (a)及び (b)の拡大図である。図 5(a), (c)には TE偏波に関するバンド図と TM 偏波に関するバンド図を並べて記載し、 (b), (d)には第 1領域における TE偏波に関す るバンド図と第 2領域における TM偏波に関するバンド図を並べて記載した。縦軸は 周波数を c/a (cは光速)で除した規格化周波数で示した。比較例では TE-PBGと TM- PBGがー部のみ重複するのに対して、本実施例では第 2領域の TM-PBGのエネルギ 一（周波数）領域が全て第 1領域の TE-PBG内に収まる。そのため、 TE-PBGと TM- P BGが重複するエネルギー領域である完全 PBG31は、比較例よりも本実施例の方が 大きい。このように完全 PBG31を大きくすることができることにより、光合分波器の設 計の自由度を高めることができる。
[0044] なお、実際には、第 2領域の TM- PBGの領域の全体が完全 PBG31になるように上 記のパラメータを定めた。このようにパラメータを定めることができるのは、本発明によ り TE- PBGと TM- PBGを独立に調整できるためである。
[0045] 図 6に、導波路と共振器を形成した偏波へテロ構造 2次元フォトニック結晶の一実 施例を示す。第 1領域 21に空孔 23による周期構造を設けない線状の空間である線 状欠陥を形成し、この第 1領域 21の線状欠陥と接続されるように、第 2領域 22に同様 の線状欠陥を形成する。これにより、第 1領域 21と第 2領域の 22の双方を通る導波 路 25を形成する。第 1領域 21中において、導波路 25から 3列の空孔 23を介した位 置に、直線状に並んだ空孔 23の 3個分の点状欠陥を設けることにより共振器 26を形 成する。同様に、第 2領域 22中に共振器 27を形成する。
[0046] 図 6の偏波へテロ構造 2次元フォトニック結晶について、図 7のバンド図を用いて説 明する。第 1領域 21には TE-PBG41が形成され、第 2領域 22には TE-PBG42が形 成される。第 1領域 21の導波路 25には TE-PBG41内に TE偏波の通過周波数帯域（ TE-WG43)が形成され、第 2領域 22の導波路 25には、 TM-PBG41内に TM偏波の 通過周波数帯域（TM-WG44)が形成される。 TE-WG43と TM-WG44はいずれも PB G内に欠陥準位が形成されて成るものである。一方、第 1領域 21の導波路 25では、 T M導波路モードが図 7中の曲線 45として得られ、入射した TM偏波光は本体 20と空 孔 23及び外部との屈折率差により導波路 25内に閉じ込められ、その中を伝播するこ とができる。これにより、周波数 ωの光は、 ΤΕ偏波が第 1領域 21の導波路 25を、 ΤΜ
0
偏波が第 1領域 21及び第 2領域 22の双方の導波路 25を伝播することができる。この 周波数 ωの TE偏波に共振するように共振器 26のパラメータ (形状、大きさ等)を、周
0
波数 ωの TM偏波に共振するように共振器 27のパラメータを、それぞれ設定する。こ
0
れにより、この偏波へテロ構造 2次元フォトニック結晶は、導波路 25内を伝播する光 のうち周波数 ωの ΤΕ偏波を共振器 26を介して、周波数 ωの ΤΜ偏波を共振器 27を
0 0
介して、それぞれ結晶外部へ分波する偏波分波器となる。同様に、この 2次元フォト ニック結晶は、周波数 ωの ΤΕ偏波を結晶外部から共振器 26を介して、周波数 ωの
0 0
ΤΜ偏波を結晶外部力も共振器 27を介して、導波路 25に合波する偏波合波器となる
[0047] 図 8に、偏波へテロ構造 2次元フォトニック結晶に更に、第 1領域 21に共振器 26の 近傍を通る導波路 28を、第 2領域 22に共振器 27の近傍を通る導波路 29を、それぞ れ形成した 2次元フォトニック結晶を示す。共振器 26は導波路 25と導波路 28に、共 振器 27は導波路 25と導波路 29に、それぞれ挟まれるように形成する。この構成によ り、導波路 25から導波路 28及び導波路 29にそれぞれ周波数 ωの ΤΕ偏波及び ΤΜ
0
偏波が分波され、導波路 28及び導波路 29からそれぞれ周波数 ωの ΤΕ偏波及び Τ
0
Μ偏波が導波路 25に合波される。
[0048] 図 9に、偏波へテロ構造 2次元フォトニック結晶に更に、第 1領域 21と第 2領域 22の 双方を通る導波路 30を形成した 2次元フォトニック結晶を示す。共振器 26及び 27は 共に、導波路 25と導波路 30に挟まれるように形成する。この構成により、導波路 25 を伝播する様々な波長及び偏波の光のうち、周波数 ω
0の ΤΕ偏波は共振器 26を介し て導波路 30に分波され、同様に導波路 25を伝播する周波数 ωの ΤΜ偏波は共振
0
器 27を介して導波路 30に分波される。これにより、導波路 25を伝播する周波数 ω
0 の光をその偏波に依らずに導波路 30に分波することができる。合波器としての作用 も同様である。
[0049] 図 9に示した構成では、導波路 25を伝播する ΤΜ偏波の一部は共振器 27を通過す る。そこで、図 10に示すように、第 1領域 21とは反対側の第 2領域 22の端部に、導波 路 25を伝播する光を反射する反射部 50を設けることが望ましい。これにより、共振器 27を通過した光は反射部 50により反射され、共振器 27に導入される確率が高くなり 、分波効率が向上する。この反射面は、例えば導波路 25を伝播する光の偏波及び 周波数が PBGに含まれるような 2次元フォトニック結晶を該端部に接続することにより 形成することができる。
[0050] 図 11に、第 1領域 21とは反対側の第 2領域 22の端部に、第 1領域 21及び第 2領域 と相似形の第 3領域 51及び第 4領域 52を接続した偏波へテロ構造 2次元フォトニック 結晶を示す。第 3領域 51及び第 4領域 52はそれぞれ、同一の割合で第 1領域 21及 び第 2領域を縮小したものである。第 1領域 21から第 4領域 52にかけて導波路 53を 形成し、導波路 53から空孔 3列分を隔てて各領域に共振器 54、 55、 56、 57を形成 する。また、第 1領域 21と第 2領域 22のみを通過する導波路 58を、導波路 53と導波 路 58が共振器 54と共振器 55を挟むように形成する。同様に、第 3領域 51と第 4領域 52のみを通過する導波路 59を、導波路 53と導波路 59が共振器 56と共振器 57を挟 むように形成する。この 2次元フォトニック結晶では、 TE偏波は共振器 54と共振器 56 において、 TM偏波は共振器 55と共振器 57において、それぞれ異なる周波数 ω及
1 び ωで共振する。これにより、第 1領域 21及び第 2領域 22から周波数 ωの光を偏
2 1 波に依らずに導波路 58に分波し、第 3領域 51及び第 4領域 52から周波数 ωの光を
2 偏波に依らずに導波路 59に分波することができる。合波の場合も同様である。更に 3 組以上の相似形の偏波へテロ構造 2次元フォトニック結晶を接続してもよい。

Claims

請求の範囲
[1] スラブ状の本体に周期的に屈折率分布を設けて成る 2次元フォトニック結晶であつ て、
a) TE偏波に対するフォトニックバンドギャップを有する第 1領域と、
b)第 1領域に隣接して設けられ、少なくとも一部のエネルギー領域が前記 TE偏波 フォトニックバンドギャップと共通する、 TM偏波に対するフォトニックバンドギャップを 有する第 2領域と、
を備えることを特徴とする 2次元フォトニック結晶。
[2] 第 1領域の屈折率分布が、円形の異屈折率領域を三角格子状に配置したものであ り、第 2領域の屈折率分布が、正三角形の異屈折率領域を三角格子状に配置したも のであることを特徴とする請求項 1に記載の 2次元フォトニック結晶。
[3] 第 1領域と第 2領域の双方を通る導波路を備えることを特徴とする請求項 1に記載 の 2次元フォトニック結晶。
[4] 第 1領域及び第 2領域の導波路の近傍にそれぞれ、その領域に対応する偏波が共 振する共振器を備える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。
[5] 前記第 1領域又は前記第 2領域のいずれか一方を通り、前記導波路と共に該一方 の領域の共振器を挟むように形成される第 2導波路を備えることを特徴とする請求項
4に記載の 2次元フォトニック結晶。
[6] 前記第 1領域及び前記第 2領域の双方を通り、前記導波路と共に双方の領域の共 振器を挟むように形成される第 2導波路を備えることを特徴とする請求項 4に記載の 2 次元フォトニック結晶。
[7] 請求項 3〜6のいずれかに記載の 2次元フォトニック結晶を 1つの構成単位として、 該構成単位を複数個接続して形成され、全構成単位の導波路が連続して ヽることを 特徴とする 2次元フォトニック結晶。
[8] 本体の厚さが全ての領域で等しいことを特徴とする請求項 1〜6のいずれかに記載 の 2次元フォトニック結晶。
[9] 請求項 3〜6のいずれかに記載の 2次元フォトニック結晶を用いた光機能素子。
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