(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力導波路の一端側から入射された複数周波数の電磁波のうち入力導波路に並設した出力導波路との間に存在する共振器の共鳴周波数に一致する所定周波数の電磁波が共振器を介して出力導波路へ移行し出力導波路の一端側のドロップポートから出射される電磁波周波数フィルタであって、入力導波路において共振器を基準として前記一端側とは反対側に所定周波数の共鳴周波数の電磁波を反射する入力導波路側反射部を設けるとともに、出力導波路の他端側に所定周波数の電磁波を反射する出力導波路側反射部を設けるようにし、少なくとも２次元面内に屈折率周期構造を有する第１のフォトニック結晶と第１のフォトニック結晶とは屈折率周期構造の周期が異なる第２のフォトニック結晶とが同一面内に並設された面内へテロ構造を有し、入力導波路は、第１のフォトニック結晶と第２のフォトニック結晶との並設方向において第１のフォトニック結晶と第２のフォトニック結晶との全長に亙ってそれぞれの屈折率周期構造に線状の欠陥を設けることにより形成され、出力導波路は、第１のフォトニック結晶と第２のフォトニック結晶との並設方向において第１のフォトニック結晶と第２のフォトニック結晶とに跨ってそれぞれの屈折率周期構造に線状の欠陥を設けることにより形成され、共振器は、前記第１のフォトニック結晶に点状の欠陥を設けることにより形成され且つ前記共鳴周波数が第２のフォトニック結晶において導波モードの存在しない周波数帯に含まれており、入力導波路側反射部が入力導波路において第１のフォトニック結晶に形成された部分と第２のフォトニック結晶に形成された部分との境界により形成され、出力導波路側反射部が、出力導波路において第１のフォトニック結晶に形成された部分と第２のフォトニック結晶に形成された部分との境界により形成されてなり、入力導波路側反射部により反射され共振器近傍まで戻ってきた時の電磁波の位相変化量をθ１、出力導波路側反射部により反射され共振器近傍まで戻ってきた時の電磁波の位相変化量をθ２、共振器と入力導波路との間のＱ値をＱinb、共振器と出力導波路との間のＱ値をＱinr、共振器と自由空間との間のＱ値をＱvとするとき、
Ｑinb／（１−cosθ１）≪Ｑv
Ｑinb／（１−cosθ１）＝Ｑinr／（１−cosθ２）
θ１，θ２≠２Ｎπ（Ｎ＝０，１，…）
の関係を満たすことを特徴とする電磁波周波数フィルタ。
【請求項２】
前記第１のフォトニック結晶および前記第２のフォトニック結晶がそれぞれ２次元フォトニック結晶であり、前記入力導波路に沿った方向における前記共振器と前記入力導波路側反射部との間の距離をｄ１、前記出力導波路に沿った方向における前記共振器と前記出力導波路側反射部との間の距離をｄ２、前記入力導波路の伝搬定数をβ１、前記出力導波路の伝搬定数をβ２、前記入力導波路側反射部により反射される電磁波の反射位相変化をΔ１、前記出力導波路側反射部により反射される電磁波の反射位相変化をΔ２とするとき、前記共振器と前記入力導波路との間の間隔と前記共振器と前記出力導波路との間の間隔とを等しく、ｄ１とｄ２とを等しく且つβ１とβ２とを等しく、前記入力導波路において前記第１のフォトニック結晶に形成された部分と前記第２のフォトニック結晶に形成された部分との軸ずれと前記出力導波路において前記第１のフォトニック結晶に形成された部分と前記第２のフォトニック結晶に形成された部分との軸ずれとを等しくすることでΔ１＝Δ２となるように設定されてなることを特徴とする請求項１記載の電磁波周波数フィルタ。
【請求項３】
前記第１のフォトニック結晶と前記第２のフォトニック結晶との境界近傍において前記入力導波路が滑らかに連続するように、前記境界近傍では、前記第１のフォトニック結晶と前記第２のフォトニック結晶との少なくとも一方の屈折率周期構造の周期を段階的に変化させてなることを特徴とする請求項２記載の電磁波周波数フィルタ。
【請求項４】
前記第１のフォトニック結晶と前記第２のフォトニック結晶とで前記入力導波路の軸ずれがないように前記入力導波路と前記出力導波路との並設方向における前記第１のフォトニック結晶と前記第２のフォトニック結晶との相対的な位置関係が設定され、cosθ１＝cosθ２の関係を満たすように、前記入力導波路側反射部と前記共振器との間の距離が設定されてなることを特徴とする請求項２記載の電磁波周波数フィルタ。
【請求項５】
前記第１のフォトニック結晶と前記第２のフォトニック結晶とで前記入力導波路の軸ずれがないように前記入力導波路と前記出力導波路との並設方向における前記第１のフォトニック結晶と前記第２のフォトニック結晶との相対的な位置関係が設定され、前記出力導波路側反射部には、Δ２をΔ１に合わせる位相補償部が設けられてなることを特徴とする請求項２記載の電磁波周波数フィルタ。
【請求項６】
入力導波路の一端側から入射された複数周波数の電磁波のうち入力導波路に並設した出力導波路との間に存在する共振器の共鳴周波数に一致する所定周波数の電磁波が共振器を介して出力導波路へ移行し出力導波路の一端側のドロップポートから出射される電磁波周波数フィルタであって、入力導波路において共振器を基準として前記一端側とは反対側に所定周波数の共鳴周波数の電磁波を反射する入力導波路側反射部を設けるとともに、出力導波路の他端側に所定周波数の電磁波を反射する出力導波路側反射部を設けるようにし、少なくとも２次元面内に屈折率周期構造を有する第１のフォトニック結晶と第１のフォトニック結晶とは屈折率周期構造の周期が異なる第２のフォトニック結晶とが同一面内に並設された面内へテロ構造を有し、入力導波路は、第１のフォトニック結晶と第２のフォトニック結晶との並設方向において第１のフォトニック結晶と第２のフォトニック結晶との全長に亙ってそれぞれの屈折率周期構造に線状の欠陥を設けることにより形成され、入力導波路側反射部が入力導波路において第１のフォトニック結晶に形成された部分と第２のフォトニック結晶に形成された部分との境界により形成され、共振器は、第１のフォトニック結晶に点状の欠陥を設けることにより形成され、出力導波路は、第１のフォトニック結晶の屈折率周期構造に線状の欠陥を設けることにより形成されて前記他端側の端部が出力導波路側反射部を構成し、入力導波路側反射部により反射され共振器近傍まで戻ってきた時の電磁波の位相変化量をθ１、出力導波路側反射部により反射され共振器近傍まで戻ってきた時の電磁波の位相変化量をθ２、共振器と入力導波路との間のＱ値をＱinb、共振器と出力導波路との間のＱ値をＱinr、共振器と自由空間との間のＱ値をＱvとするとき、
Ｑinb／（１−cosθ１）≪Ｑv
Ｑinb／（１−cosθ１）＝Ｑinr／（１−cosθ２）
θ１，θ２≠２Ｎπ（Ｎ＝０，１，…）
の関係を満たすことを特徴とする電磁波周波数フィルタ。
【請求項７】
前記第１のフォトニック結晶および前記第２のフォトニック結晶がそれぞれ２次元フォトニック結晶であり、前記入力導波路に沿った方向における前記共振器と前記入力導波路側反射部との間の距離をｄ１、前記出力導波路に沿った方向における前記共振器と前記出力導波路側反射部との間の距離をｄ２とするとき、cosθ１＝cosθ２の関係を満たすようにｄ１およびｄ２が設定されてなることを特徴とする請求項６記載の電磁波周波数フィルタ。
【請求項８】
前記出力導波路の前記他端側の端部近傍の電磁界分布が急峻に変化しないように前記第１のフォトニック結晶の屈折率周期構造を変化させてなることを特徴とする請求項６または請求項７記載の電磁波周波数フィルタ。
【請求項９】
Ｑinb，Ｑinr，cosθ１，cosθ２は、Ｑinb＝Ｑinr、cosθ１=cosθ２の関係を満たすように設定されてなることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の電磁波周波数フィルタ。
【請求項１０】
前記入力導波路側反射部および前記出力導波路側反射部の少なくとも一方の近傍の屈折率を変化させることにより前記ドロップポートの出力を変化させる制御手段を有することを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の電磁波周波数フィルタ。
【請求項１１】
前記入力導波路側反射部および前記出力導波路側反射部の少なくとも一方の近傍における屈折率周期構造の周期を変化させることにより前記ドロップポートの出力を変化させる制御手段を有することを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の電磁波周波数フィルタ。
【請求項１２】
前記出力導波路側反射部近傍の屈折率を変化させることにより前記ドロップポートの出力を変化させる制御手段を有することを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の電磁波周波数フィルタ。
【請求項１３】
ＱinbとＱinrとが異なり、前記出力導波路側反射部近傍の屈折率を変化させることにより前記ドロップポートの出力を変化させる制御手段を有することを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の電磁波周波数フィルタ。
【請求項１４】
前記各反射部および前記共振器それぞれの近傍の屈折率を変化させることにより前記ドロップポートの出力を変化させる制御手段を有することを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の電磁波周波数フィルタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、所定周波数の電磁波を選択的に取り出すことができる電磁波周波数フィルタに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、光通信などの分野においては、伝送容量を増大させるために波長分割多重方式を採用した光通信システムの普及が進んでいる。波長分割多重方式の光通信システムでは、合波器、分波器、波長フィルタ（周波数フィルタ）などが必要であり、分波器としては、一般的にアレイ導波路回折格子（Arrayed  Waveguide  Grating：ＡＷＧ）が用いられている。しかし、アレイ導波路回折格子は石英系光導波路を用いて形成されており、数ｃｍ角程度の大きさなので、より小型の分波器が望まれている。そこで、分波器の小型化を図るために、光の波長程度（想定する電磁波帯の２分の１波長前後のことが多い）の屈折率周期構造を有するフォトニック結晶を利用した周波数フィルタが各所で研究開発されている。
【０００３】
この種の周波数フィルタとしては、例えば、図１４に示すように、いわゆるスラブ型のフォトニック結晶１内に、直線状の入力導波路２と、入力導波路２の幅方向に離間して並設された出力導波路３と、入力導波路２の中間部と出力導波路３の中間部との間に存在する共振器４とを備えた電磁波周波数フィルタが提案されている。図１４に示す構成の電磁波周波数フィルタは、２次元フォトニック結晶１における屈折率周期構造に２つの線状の欠陥（屈折率周期構造の乱れ）を導入することにより入力導波路２および出力導波路３を形成するとともに点状の欠陥を導入することにより共振器４を形成している。なお、スラブ型の２次元フォトニック結晶１では、高屈折率媒質（例えば、Ｓｉなど）からなるスラブ１１の厚み方向の両側を一様な低屈折率媒質（例えば、空気、ＳｉＯ２など）により挟んだ構成となっており、面内ではフォトニックバンドギャップにより電磁波（例えば、光）を閉じ込め、厚み方向には全反射により電磁波を閉じ込めるようになっている。
【０００４】
上述の電磁波周波数フィルタは、入力導波路２の一端をポートＰ１、他端をポートＰ２とするとともに、出力導波路３の一端をポートＰ３、他端をポートＰ４とし、ポートＰ１を入力ポート、ポートＰ３をドロップポートとすると、入力ポートＰ１から周波数の異なる複数の電磁波を入射することにより、これら複数の周波数の電磁波のうち共振器４の共鳴周波数に一致する所定周波数の電磁波が共振器４を介して出力導波路３へ移行してドロップポートＰ３から出射され、共鳴周波数以外の周波数の電磁波が入力導波路２のポートＰ２へ向かって伝搬する。なお、図１４（ａ）中の実線の矢印は共振器４の共鳴周波数に一致する周波数の電磁波の進行経路を示し、一点鎖線の矢印は共振器４の共鳴周波数以外の電磁波の伝搬経路を示している。
【０００５】
なお、上述のような電磁波周波数フィルタにおいて、ドロップポートＰ３の出力を変化させることにより、ドロップポートＰ３からの電磁波の取り出しをオンオフする光スイッチとして用いることも考えられる。
【０００６】
ところで、図１４に示した従来構成の電磁波周波数フィルタにおける各ポートＰ１〜Ｐ４それぞれの出力強度および共振器４から自由空間への出力強度についてモード結合理論により定量的に評価したところ、図１５に示すような結果が得られた。ここに、モード結合理論を適用するにあたっては、共振器４と入力導波路２との間のＱ値をＱin、共振器４と自由空間との間のＱ値をＱvとし、図１５は、横軸がＱin／Ｑv、縦軸が出力強度であって、同図中の「イ」がポートＰ２の出力強度を、「ロ」がポートＰ１，Ｐ３，Ｐ４の出力強度を、「ハ」が自由空間への出力強度を、それぞれ示す。図１５から、上記従来構成の電磁波周波数フィルタでは、ドロップポートＰ３へのドロップ効率（つまり、波長選択効率）の最大値が理論的に２５％しか得られず、ドロップ効率が低過ぎるという不具合があった。なお、上述のＱin，Ｑvについて補足説明すると、Ｑinは、共振器４と入力導波路２との系において共振器４から入力導波路２へ漏れるエネルギの量に関係する値（つまり、共振器４と入力導波路２との系において共振器４にどの程度のエネルギを蓄えることができるかを示す値）であって、共振器４の共鳴周波数をω０、共振器４に蓄積されるエネルギをＷ、共振器４から入力導波路２側へ単位時間に失われるエネルギを−ｄＷ／ｄｔとすれば、Ｑin＝ω０×Ｗ／（−ｄＷ／ｄｔ）と定義され、Ｑvは、共振器４と自由空間との系において共振器４から自由空間へ漏れるエネルギの量に関係する値（つまり、共振器４と自由空間との系において共振器４にどの程度のエネルギを蓄えることができるかを示す値）であって、共振器４の共鳴周波数をω０、共振器４に蓄積されるエネルギをＷ、共振器４から自由空間側へ単位時間に失われるエネルギを−ｄＷ／ｄｔとすれば、Ｑv＝ω０×Ｗ／（−ｄＷ／ｄｔ）と定義される。
【０００７】
また、図１４に示した構成に比べて高いドロップ効率を得ることができる電磁波周波数として、空気よりも屈折率の高い媒質からなる円柱状のロッドが２次元面内に配列された２次元フォトニック結晶に入力導波路および出力導波路を形成するとともに、２つの共振器を形成した電磁波周波数フィルタも提案されている（例えば、特許文献１および非特許文献１、２参照）。
【０００８】
この種の電磁波周波数フィルタでは、２つの共振器の共鳴モードにより、入力導波路の入力ポートとは反対側の端部へ向かって伝搬する電磁波と、出力導波路のドロップポートとは反対側の端部へ向かって伝搬する電磁波とをキャンセルすることができる。具体的には、２つの共振器は、両共振器が同相に振動する対称モードと両共振器が逆相に振動する反対称モードを形成するが、この対称モードの共鳴周波数と反対称モードの共鳴周波数とが一致し、入力導波路、出力導波路、面外の自由空間それぞれに対する対称モードおよび反対称モードそれぞれの減衰率が互いに等しく、且つ、対称モードの振動と反対称モードの振動との位相差が特定の条件（例えば、π）のとき、共振器を基準として入力導波路の入力ポート（入射端）とは反対方向に伝搬する電磁波と共振器を基準として出力導波路のドロップポート（出射端）とは反対方向に伝搬する電磁波とをキャンセルすることができ、結果として、特定のドロップポートにのみ選択的に電磁波をドロップすることができる。
【特許文献１】特表２００１−５０８８８７号公報（第２２頁〜第２３頁、第４０頁〜第４６頁、図３、図８、図２２）
【非特許文献１】C.Manolatou,et al、「Coupling  of  Modes  Analysis  of  Resonant  Channel  Add-Drop  Filters」，IEEE  JOURNAL  OF  QUANTUM  ELECTRONICS，VOL.35，NO.9，1999，p.1322-1331
【非特許文献２】Shanhui  Fan,et al、「Channel  Drop  Tunneling  through  Localized  States」，PHYSICAL  REVIEW  LETTERS，VOL.80，NO.5，1998，p.960-963
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、上述の２つの共振器を形成した従来の電磁波周波数フィルタでは、各導波路を介さない共振器同士の結合エネルギをμ、入力導波路を介して共振器同士が結合する際の共振器間の位相変化量をφ、出力導波路を介して共振器同士が結合する際の位相変化量をφ’、共振器から入力導波路へのエネルギの減衰率を１／τｅ、共振器から出力導波路へのエネルギの減衰率を１／τｅ’、共振器が単独で存在する場合の共鳴周波数をω０、対称モードの共鳴周波数をωｓ、反対称モードの共鳴周波数をωａとすると、各モードそれぞれの共鳴周波数ωｓ，ωａが、
ωｓ＝ω０−{μ−（１／τｅ）×sinφ−（１／τｅ’）×sinφ’}
ωａ＝ω０＋{μ−（１／τｅ）×sinφ−（１／τｅ’）×sinφ’}
で決まるので、本質的に両モードの共鳴周波数ωｓ，ωａが異なり、両モードの共鳴周波数ωｓ，ωａを一致させるためには、
μ−（１／τｅ）×sinφ−（１／τｅ’）×sinφ’＝０
という条件を満たす必要があった。
【００１０】
しかしながら、この条件を満たすためには、複雑な構造を採用する必要があり、例えば、共振器近傍のロッドの屈折率を他のロッドの屈折率とは異なる値に設定したり、共振器近傍のロッドの半径を他のロッドの半径に比べて極端に小さな値に設定するなどの設計上の制約が多く、設計および製造が難しかった。
【００１１】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、比較的簡単な設計で入力導波路へ入射した複数の周波数の電磁波のうち所定周波数の電磁波を出力導波路のドロップポートから効率良く取り出すことができる電磁波周波数フィルタを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
請求項１の発明は、入力導波路の一端側から入射された複数周波数の電磁波のうち入力導波路に並設した出力導波路との間に存在する共振器の共鳴周波数に一致する所定周波数の電磁波が共振器を介して出力導波路へ移行し出力導波路の一端側のドロップポートから出射される電磁波周波数フィルタであって、入力導波路において共振器を基準として前記一端側とは反対側に所定周波数の共鳴周波数の電磁波を反射する入力導波路側反射部を設けるとともに、出力導波路の他端側に所定周波数の電磁波を反射する出力導波路側反射部を設けるようにし、少なくとも２次元面内に屈折率周期構造を有する第１のフォトニック結晶と第１のフォトニック結晶とは屈折率周期構造の周期が異なる第２のフォトニック結晶とが同一面内に並設された面内へテロ構造を有し、入力導波路は、第１のフォトニック結晶と第２のフォトニック結晶との並設方向において第１のフォトニック結晶と第２のフォトニック結晶との全長に亙ってそれぞれの屈折率周期構造に線状の欠陥を設けることにより形成され、出力導波路は、第１のフォトニック結晶と第２のフォトニック結晶との並設方向において第１のフォトニック結晶と第２のフォトニック結晶とに跨ってそれぞれの屈折率周期構造に線状の欠陥を設けることにより形成され、共振器は、前記第１のフォトニック結晶に点状の欠陥を設けることにより形成され且つ前記共鳴周波数が第２のフォトニック結晶において導波モードの存在しない周波数帯に含まれており、入力導波路側反射部が入力導波路において第１のフォトニック結晶に形成された部分と第２のフォトニック結晶に形成された部分との境界により形成され、出力導波路側反射部が、出力導波路において第１のフォトニック結晶に形成された部分と第２のフォトニック結晶に形成された部分との境界により形成されてなり、入力導波路側反射部により反射され共振器近傍まで戻ってきた時の電磁波の位相変化量をθ１、出力導波路側反射部により反射され共振器近傍まで戻ってきた時の電磁波の位相変化量をθ２、共振器と入力導波路との間のＱ値をＱinb、共振器と出力導波路との間のＱ値をＱinr、共振器と自由空間との間のＱ値をＱvとするとき、
Ｑinb／（１−cosθ１）≪Ｑv
Ｑinb／（１−cosθ１）＝Ｑinr／（１−cosθ２）
θ１，θ２≠２Ｎπ（Ｎ＝０，１，…）
の関係を満たすことを特徴とする。なお、Ｑinbは、共振器と入力導波路との系において共振器から入力導波路へ漏れるエネルギの量に関係する値（つまり、共振器と入力導波路との系において共振器にどの程度のエネルギを蓄えることができるかを示す値）であって、共振器の共鳴周波数をω０、共振器に蓄積されるエネルギをＷ、共振器から入力導波路側へ単位時間に失われるエネルギを−ｄＷ／ｄｔとすれば、Ｑinb＝ω０×Ｗ／（−ｄＷ／ｄｔ）と定義され、Ｑinrは、共振器と出力導波路との系において共振器から出力導波路へ漏れるエネルギの量に関係する値（つまり、共振器と出力導波路との系において共振器にどの程度のエネルギを蓄えることができるかを示す値）であって、共振器の共鳴周波数をω０、共振器に蓄積されるエネルギをＷ、共振器から出力導波路側へ単位時間に失われるエネルギを−ｄＷ／ｄｔとすれば、Ｑinr＝ω０×Ｗ／（−ｄＷ／ｄｔ）と定義され、Ｑvは、共振器と自由空間との系において共振器から自由空間へ漏れるエネルギの量に関係する値（つまり、共振器と自由空間との系において共振器にどの程度のエネルギを蓄えることができるかを示す値）であって、共振器の共鳴周波数をω０、共振器に蓄積されるエネルギをＷ、共振器から自由空間側へ単位時間に失われるエネルギを−ｄＷ／ｄｔとすれば、Ｑv＝ω０×Ｗ／（−ｄＷ／ｄｔ）と定義される。ただし、Ｑinb，Ｑinr，Ｑvは、入力導波路や出力導波路を含めた系全体で決まる値であり、入力導波路の前記一端や出力導波路の前記一端での寄生の反射成分がある場合や、入力導波路、出力導波路の途中に曲がり導波路などの寄生の共振器成分がある場合には、これらの寄生成分も含んで決定される値である。
【００１３】
この発明によれば、面内へテロ構造を利用して共振器の共鳴周波数の電磁波を反射させることができて、比較的簡単な設計で入力導波路へ入射した複数の周波数の電磁波のうち共振器の共鳴周波数に一致する所定周波数の電磁波を出力導波路のドロップポートから効率良く取り出すことができ、１００％に近いドロップ効率を実現することが可能となる。
【００１６】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記第１のフォトニック結晶および前記第２のフォトニック結晶がそれぞれ２次元フォトニック結晶であり、前記入力導波路に沿った方向における前記共振器と前記入力導波路側反射部との間の距離をｄ１、前記出力導波路に沿った方向における前記共振器と前記出力導波路側反射部との間の距離をｄ２、前記入力導波路の伝搬定数をβ１、前記出力導波路の伝搬定数をβ２、前記入力導波路側反射部により反射される電磁波の反射位相変化をΔ１、前記出力導波路側反射部により反射される電磁波の反射位相変化をΔ２とするとき、前記共振器と前記入力導波路との間の間隔と前記共振器と前記出力導波路との間の間隔とを等しく、ｄ１とｄ２とを等しく且つβ１とβ２とを等しく、前記入力導波路において前記第１のフォトニック結晶に形成された部分と前記第２のフォトニック結晶に形成された部分との軸ずれと前記出力導波路において前記第１のフォトニック結晶に形成された部分と前記第２のフォトニック結晶に形成された部分との軸ずれとを等しくすることでΔ１＝Δ２となるように設定されてなることを特徴とする。
【００１７】
この発明によれば、θ１＝θ２となるので、θ１，θ２のゆらぎに対するドロップ効率の変動幅が小さく、θ１，θ２のゆらぎに対するマージンを大きくできる。
【００１８】
請求項３の発明は、請求項２の発明において、前記第１のフォトニック結晶と前記第２のフォトニック結晶との境界近傍において前記入力導波路が滑らかに連続するように、前記境界近傍では、前記第１のフォトニック結晶と前記第２のフォトニック結晶との少なくとも一方の屈折率周期構造の周期を段階的に変化させてなることを特徴とする。
【００１９】
この発明によれば、前記第１のフォトニック結晶と前記第２のフォトニック結晶との境界近傍において前記入力導波路が滑らかに連続するので、前記第１のフォトニック結晶に形成された前記共振器の共鳴周波数以外の周波数の電磁波について前記入力導波路の軸ずれに起因した反射損失を低減することができる。
【００２０】
請求項４の発明は、請求項２の発明において、前記第１のフォトニック結晶と前記第２のフォトニック結晶とで前記入力導波路の軸ずれがないように前記入力導波路と前記出力導波路との並設方向における前記第１のフォトニック結晶と前記第２のフォトニック結晶との相対的な位置関係が設定され、cosθ１＝cosθ２の関係を満たすように、前記入力導波路側反射部と前記共振器との間の距離が設定されてなることを特徴とする。
【００２１】
この発明によれば、前記共鳴周波数以外の周波数の電磁波について前記入力導波路の軸ずれに起因する反射損失をなくすことができる。
【００２２】
請求項５の発明は、請求項２の発明において、前記第１のフォトニック結晶と前記第２のフォトニック結晶とで前記入力導波路の軸ずれがないように前記入力導波路と前記出力導波路との並設方向における前記第１のフォトニック結晶と前記第２のフォトニック結晶との相対的な位置関係が設定され、前記出力導波路側反射部には、Δ２をΔ１に合わせる位相補償部が設けられてなることを特徴とする。
【００２３】
この発明によれば、前記出力導波路側反射部の反射効率を前記入力導波路側反射部の反射効率に合わせることができ、請求項４の発明に比べてｄ１，ｄ２の変化に対するマージンを大きくできる。
【００２４】
請求項６の発明は、入力導波路の一端側から入射された複数周波数の電磁波のうち入力導波路に並設した出力導波路との間に存在する共振器の共鳴周波数に一致する所定周波数の電磁波が共振器を介して出力導波路へ移行し出力導波路の一端側のドロップポートから出射される電磁波周波数フィルタであって、入力導波路において共振器を基準として前記一端側とは反対側に所定周波数の共鳴周波数の電磁波を反射する入力導波路側反射部を設けるとともに、出力導波路の他端側に所定周波数の電磁波を反射する出力導波路側反射部を設けるようにし、少なくとも２次元面内に屈折率周期構造を有する第１のフォトニック結晶と第１のフォトニック結晶とは屈折率周期構造の周期が異なる第２のフォトニック結晶とが同一面内に並設された面内へテロ構造を有し、入力導波路は、第１のフォトニック結晶と第２のフォトニック結晶との並設方向において第１のフォトニック結晶と第２のフォトニック結晶との全長に亙ってそれぞれの屈折率周期構造に線状の欠陥を設けることにより形成され、入力導波路側反射部が入力導波路において第１のフォトニック結晶に形成された部分と第２のフォトニック結晶に形成された部分との境界により形成され、共振器は、第１のフォトニック結晶に点状の欠陥を設けることにより形成され、出力導波路は、第１のフォトニック結晶の屈折率周期構造に線状の欠陥を設けることにより形成されて前記他端側の端部が出力導波路側反射部を構成し、入力導波路側反射部により反射され共振器近傍まで戻ってきた時の電磁波の位相変化量をθ１、出力導波路側反射部により反射され共振器近傍まで戻ってきた時の電磁波の位相変化量をθ２、共振器と入力導波路との間のＱ値をＱinb、共振器と出力導波路との間のＱ値をＱinr、共振器と自由空間との間のＱ値をＱvとするとき、
Ｑinb／（１−cosθ１）≪Ｑv
Ｑinb／（１−cosθ１）＝Ｑinr／（１−cosθ２）
θ１，θ２≠２Ｎπ（Ｎ＝０，１，…）
の関係を満たすことを特徴とする。なお、Ｑinb、Ｑinr、Ｑvそれぞれの定義は請求項１と同じである。
【００２５】
この発明によれば、入力導波路では面内へテロ構造を利用して共振器の共鳴周波数の電磁波を反射させることができ、出力導波路の前記他端側では第１の２次元フォトニック結晶のフォトニックバンドギャップを利用して前記共鳴周波数の電磁波を反射させることができて、比較的簡単な設計で入力導波路へ入射した複数の周波数の電磁波のうち共振器の共鳴周波数に一致する所定周波数の電磁波を出力導波路のドロップポートから効率良く取り出すことができ、１００％に近いドロップ効率を実現することが可能となる。
【００２６】
請求項７の発明は、請求項６の発明において、前記第１のフォトニック結晶および前記第２のフォトニック結晶がそれぞれ２次元フォトニック結晶であり、前記入力導波路に沿った方向における前記共振器と前記入力導波路側反射部との間の距離をｄ１、前記出力導波路に沿った方向における前記共振器と前記出力導波路側反射部との間の距離をｄ２とするとき、cosθ１＝cosθ２の関係を満たすようにｄ１およびｄ２が設定されてなることを特徴とする。
【００２７】
この発明によれば、設計が容易になる。
【００２８】
請求項８の発明は、請求項６または請求項７の発明において、前記出力導波路の前記他端側の端部近傍の電磁界分布が急峻に変化しないように前記第１のフォトニック結晶の屈折率周期構造を変化させてなることを特徴とする。
【００２９】
この発明によれば、前記出力導波路の前記他端側の端部近傍で電磁界分布が急峻に変化するのを防止することができ、自由空間への放射損失を低減することができるので、ドロップ効率を向上させることができる。
【００３０】
請求項９の発明は、請求項１ないし請求項８の発明において、Ｑinb，Ｑinr，cosθ１，cosθ２は、Ｑinb＝Ｑinr、cosθ１=cosθ２の関係を満たすように設定されてなることを特徴とする。
【００３１】
この発明によれば、前記共振器を中心として前記共振器と前記入力導波路との間の距離と前記共振器と前記出力導波路との間の距離とを同じ値に設定したような対称的な構造においてドロップ効率を高めることが可能となり、設計が容易になる。
【００３２】
請求項１０の発明は、請求項１ないし請求項８の発明において、前記入力導波路側反射部および前記出力導波路側反射部の少なくとも一方の近傍の屈折率を変化させることにより前記ドロップポートの出力を変化させる制御手段を有することを特徴とする。
【００３３】
この発明によれば、周波数選択性（波長選択性）を有する電磁波スイッチとして使用することができる。
【００３４】
請求項１１の発明は、請求項１ないし請求項８の発明において、前記入力導波路側反射部および前記出力導波路側反射部の少なくとも一方の近傍における屈折率周期構造の周期を変化させることにより前記ドロップポートの出力を変化させる制御手段を有することを特徴とする。
【００３５】
この発明によれば、周波数選択性（波長選択性）を有する電磁波スイッチとして使用することができる。
【００３６】
請求項１２の発明は、請求項１ないし請求項８の発明において、前記出力導波路側反射部近傍の屈折率を変化させることにより前記ドロップポートの出力を変化させる制御手段を有することを特徴とする。
【００３７】
この発明によれば、周波数選択性（波長選択性）を有する電磁波スイッチとして使用することができる。
【００３８】
請求項１３の発明は、請求項１ないし請求項８の発明において、ＱinbとＱinrとが異なり、前記出力導波路側反射部近傍の屈折率を変化させることにより前記ドロップポートの出力を変化させる制御手段を有することを特徴とする。
【００３９】
この発明によれば、周波数選択性（波長選択性）を有する電磁波スイッチとして使用することができ、しかも、θ２の変化によるドロップ効率の変化量が大きくなるので、低消費電力化およびスイッチング速度の高速化を図ることができる。
【００４０】
請求項１４の発明は、請求項１ないし請求項８の発明において、前記各反射部および前記共振器それぞれの近傍の屈折率を変化させることにより前記ドロップポートの出力を変化させる制御手段を有することを特徴とする。
【００４１】
この発明によれば、周波数選択性（波長選択性）を有する電磁波スイッチとして使用することができる。
【発明の効果】
【００４２】
請求項１，６の発明は、比較的簡単な設計で入力導波路へ入射した複数の周波数の電磁波のうち共振器の共鳴周波数に一致する所定周波数の電磁波を出力導波路のドロップポートから効率良く取り出すことができ、１００％に近いドロップ効率を実現することが可能となるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４３】
（実施形態１）
本実施形態の電磁波周波数フィルタは、図１に示すように、２次元面内にそれぞれ異なる周期の屈折率周期構造を有する複数の２次元フォトニック結晶１１，１２，…（なお、図１には２つのみ図示してある）が一方向（図１の左右方向）に並設された面内へテロ構造を有しており、これら２次元フォトニック結晶１１，１２，…の並設方向において全ての２次元フォトニック結晶１１，１２，…の全長に亙ってそれぞれの屈折率周期構造に線状の欠陥を設けることにより入力導波路２を形成するとともに、複数の２次元フォトニック結晶１１，１２，…のうち上記並設方向において隣り合う各一対の２次元フォトニック結晶１ｎ，１ｍ（ｎ＝１，２，…、ｍ＝ｎ＋１）に跨ってそれぞれの屈折率周期構造に線状の欠陥を設けることにより出力導波路３１，３２，…を形成し、さらに各一対の２次元フォトニック結晶１ｎ，１ｍの一方の２次元フォトニック結晶１ｎの屈折率周期構造に点状の欠陥を設けることにより共振器４１，４２，…を形成してあり、入力導波路２の一端（図１の左端）を入力ポートＰ１とし、各出力導波路３１，３２，…の各一端（図１の左端）をそれぞれドロップポートＰ３１，Ｐ３２，…としている。
【００４４】
ここにおいて、本実施形態の電磁波周波数フィルタは、入力ポートＰ１から入射された複数周波数の電磁波のうち入力導波路２に並設した出力導波路３１，３２，…の中間部との間に存在する共振器４１，４２，…の共鳴周波数ω01，ω02，…に一致する所定周波数の電磁波が共振器４１，４２，…を介して出力導波路３１，３２，…へ移行し出力導波路３１，３２，…のドロップポートＰ３１，Ｐ３２，…から出射されるように構成されている。なお、各共振器４１，４２，…の共鳴周波数ω01，ω02，…はそれぞれ異なっており、例えば、共振器４１の共鳴周波数ω01に一致する周波数（第１の所定周波数）の電磁波は共振器４１を介して出力導波路３１のドロップポートＰ３１から出射され、共振器４２の共鳴周波数ω02に一致する周波数（第２の所定周波数）の電磁波は共振器４２を介して出力導波路３２のドロップポートＰ３２から出射される。なお、出力導波路３１，３２，…は中間部が入力導波路２と平行となっている。
【００４５】
各２次元フォトニック結晶１１，１２，…は、いわゆるスラブ型の２次元フォトニック結晶であり、高屈折率媒質（例えば、Ｓｉなど）からなるスラブ１１１，１１２，…の厚み方向の両側を一様な低屈折率媒質（例えば、空気、ＳｉＯ２など）により挟んだ構成となっており、面内ではフォトニックバンドギャップにより光を閉じ込め、厚み方向には全反射により光を閉じ込めるようになっている。ここに、各２次元フォトニック結晶１１，１２，…は、多数の円孔１２１，１２２，…がスラブ１１１，１１２，…の厚み方向に直交する面内で２次元的な周期構造を有するように配列されており、スラブ１１１，１１２を構成する高屈折率媒質と円孔１２１，１２２，…内の空気からなる低屈折率媒質とで上記屈折率周期構造を有する２次元フォトニック結晶１１，１２，…を構成している。具体的には、各スラブ１１１，１１２，…ごとに、単位格子が正三角形の仮想的な２次元三角格子の各格子点に円孔１２１，１２２，…を形成することにより、フォトニック結晶１１，１２，…を形成してある。言い換えれば、円孔１２１，１２２，…はそれぞれスラブ１１１，１１２の厚み方向に直交する面内において三角格子状に配列されている。
【００４６】
本実施形態の電磁波周波数フィルタでは、各一対の２次元フォトニック結晶１ｎ，１ｍの屈折率周期構造が相似的な関係にあり、各一対の２次元フォトニック結晶１ｎ，１ｍで面内へテロ構造が形成されるように、２次元フォトニック結晶１ｍの円孔１２ｍ（ｍ＝ｎ＋１、ｎ＝１，２，…）の配列方向における周期を２次元フォトニック結晶１ｎの円孔１２ｎ（ｎ＝１，２，…）の配列方向における周期よりも数％（例えば、１．２％）小さく設定してある。
【００４７】
更に説明すれば、本実施形態では、入力ポートＰ１へ入射される電磁波の周波数帯として、Ｃ帯（１５３０ｎｍ〜１５６５ｎｍ）やＬ帯（１５６５ｎｍ〜１６２５ｎｍ）などの光通信波長帯を想定しており、２次元フォトニック結晶１１における円孔１２１の配列方向の周期（２次元フォトニック結晶１１の屈折率周期構造の周期であって２次元三角格子の格子点間の距離）ａ１を０．４２μｍ、円孔１２１の半径を０．２９ａ１、スラブ１１１の厚さを０．６ａ１とし、２次元フォトニック結晶１１に並設された２次元フォトニック結晶１２は円孔１２２の半径およびスラブ１１２の厚さは２次元フォトニック結晶１１と同じで、円孔１２２の配列方向の周期（２次元フォトニック結晶１２を構成する屈折率周期構造の周期であって２次元三角格子の格子点間の距離）ａ２を２次元フォトニック結晶１１における円孔１２１の周期ａ１よりも１．２％小さく設定してある。なお、本実施形態では、円孔１２１，１２２，…の配列方向の周期ａ１，ａ２，…を上述のような値に設定することにより、２次元面内のあらゆる方向から入射する上記周波数帯の電磁波（光）を伝搬しない波長帯であるフォトニックバンドギャップを形成することができ、入力導波路２および各出力導波路３１，３２，…および各共振器４１，４２，…は適宜の数の円孔１２１，１２２，…を抜くことにより形成してある。本実施形態では、各出力導波路３１，３２，…に屈曲部を設けてあるが、２次元フォトニック結晶１１，１２，…ではフォトニックバンドギャップ内の光について２次元面内の全ての方向に対し定常伝搬が禁止されているので、放射損失なしに電磁波を導波させることができる。また、上述の円孔１２１，１２２，…の配列方向の周期ａ１，ａ２，…や円孔１２１，１２２，…の半径の各数値は特に限定するものではなく、周期ａ１，ａ２は上記周波数帯の電磁波の波長程度（例えば、電磁波の波長の２分の１程度）の周期であればよい。
【００４８】
本実施形態の電磁波周波数フィルタは、上述のような光通信波長帯の電磁波を想定したものであり、厚み方向の中間に絶縁膜であるシリコン酸化膜（埋込酸化膜）を有する所謂ＳＯＩ（Silicon  On  Insulator）基板を用いて形成してある。すなわち、本実施形態の電磁波周波数フィルタにおける各２次元フォトニック結晶１１，１２…および入力導波路２および各出力導波路３１，３２，…および各共振器４１，４２，…はＳＯＩ基板の主表面側のシリコン層をリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して加工することによって形成されている。したがって、各２次元フォトニック結晶１１，１２…および入力導波路２および各出力導波路３１，３２，…および各共振器４１，４２，…を比較的簡単に形成することができる。例えば、市販のＳＯＩウェハにおける主表面側のシリコン層上に所望の形状にパターニングしたレジスト層を形成した後、ドライエッチング装置によって入力導波路２おおび各出力導波路３１，３２，…および各共振器４１，４２，…およびスラブ１１１，１１２，…に対応した部分が残り且つ円孔１２１，１２２，…に対応する部位が除去されるようにシリコン層をエッチングすることによって、各２次元フォトニック結晶１１，１２…および入力導波路２および各出力導波路３１，３２，…および各共振器４１，４２，…を同時に形成することが可能となる。なお、Ｃ帯やＬ帯などの光通信波長帯においては、Ｓｉの屈折率が３．４程度、ＳｉＯ２の屈折率が１．５程度、空気の屈折率が１であり、スラブ１１１，１１２，…とその両側のクラッドとの屈折率差は５５〜７０％となり、一般的な光ファイバのコアとクラッドとの比屈折率差である０．３％と比較して非常に大きな値となるので、光ファイバに比べて光の閉じ込め効果を高めることができ、小型化を図れる。
【００４９】
ところで、本実施形態の電磁波周波数フィルタは、上述のように各一対の２次元フォトニック結晶１ｎ，１ｍで面内へテロ構造が形成されているが、各一対の２次元フォトニック結晶１ｎ，１ｍでは一対の２次元フォトニック結晶１ｎ，１ｍに跨って形成された入力導波路２および出力導波路３ｎ（ｎ＝１，２，…）の導波モードが異なるので、各導波路２，３ｎにおいて２次元フォトニック結晶１ｎに形成された部分を伝搬する複数の周波数の一部の周波数が２次元フォトニック結晶１ｍに形成された部分を伝搬できず反射されるので、この反射される周波数を共鳴周波数に一致させている。したがって、本実施形態の電磁波周波数フィルタは、２次元フォトニック結晶１ｎに形成された共振器４ｎ（ｎ＝１，２，…）の共鳴周波数が２次元フォトニック結晶１ｍにおいて導波モードが存在しない周波数帯に含まれており、各一対の２次元フォトニック結晶１ｎ，１ｍの境界近傍では、入力導波路２において一方（以下、前段側と称す）の２次元フォトニック結晶１ｎに形成された部分と他方（以下、後段側と称す）の２次元フォトニック結晶１ｍに形成された部分との境界により、前段側の２次元フォトニック結晶１ｎに形成された共振器４ｎ（ｎ＝１，２，…）の共鳴周波数に一致する周波数の電磁波を反射する入力導波路側反射部２１ｎ（ｎ＝１，２，…）が形成され、出力導波路３１，３２，…において前段側の２次元フォトニック結晶１ｎに形成された部分と後段側の２次元フォトニック結晶１ｍに形成された部分との境界により、前段側の２次元フォトニック結晶１ｎに形成された共振器４ｎ（ｎ＝１，２，…）の共鳴周波数に一致する所定周波数の電磁波を反射する出力導波路側反射部３１ｎ（ｎ＝１，２，…）が形成されている。
【００５０】
すなわち、本実施形態の電磁波周波数フィルタでは、入力導波路２の一端を入力ポートＰ１、各出力導波路３１，３２，…の一端をドロップポートＰ３１，Ｐ３２，…とし、入力導波路２において共振器４１，４２，…を基準として上記一端とは反対側に共振器４１，４２，…の共鳴周波数の電磁波を反射する入力導波路側反射部２１１，…を設けるとともに、出力導波路３１，３２，…の他端側に共振器４１，４２，…の共鳴周波数の電磁波を反射する出力導波路側反射部３１１，…を設けてある。したがって、本実施形態の電磁波周波数フィルタでは、入力導波路２から共振器４１，４２，…を介して出力導波路３１，３２，…へ移行した電磁波において出力導波路３１，３２，…のドロップポートＰ３１，Ｐ３２，…とは反対の他端側へ向かって伝搬した電磁波は出力導波路側反射部３１１，…で反射され、入力導波路２から共振器４１，４２，…へ移行した電磁波において共振器４１，４２，…から入力導波路２へ戻り入力導波路２の入力ポートＰ１とは反対の他端側へ向かって伝搬した電磁波および共振器４１，４２，…の共鳴周波数の電磁波であって共振器４１，４２，…へ移行せずに入力導波路２の他端側へ向かって伝搬した電磁波は入力導波路側反射部２１１，…で反射される。なお、図１中に一点鎖線で示した矢印は共振器４１，４２の共鳴周波数とは異なる周波数の電磁波の伝搬経路を示し、図１中に実線で示した矢印は共振器４１の共鳴周波数に一致する周波数の電磁波の進行経路の一例であって入力導波路側反射部２１１にて反射された後で共振器４１を介して出力導波路３１へ移行し、さらに出力導波路側反射部３１１にて反射されてドロップポートＰ３１から出力される場合の進行経路を示している。
【００５１】
ここで、本実施形態の電磁波周波数フィルタにおいて、入力導波路２に沿った方向における共振器４１と入力導波路側反射部２１１との間の距離をｄ１、出力導波路３１に沿った方向における共振器４１と出力導波路側反射部３１１との間の距離をｄ２、入力導波路２の伝搬定数をβ１、出力導波路３１の伝搬定数をβ２、入力導波路側反射部２１１により反射される電磁波の反射位相変化をΔ１、出力導波路側反射部３１１により反射される電磁波の反射位相変化をΔ２、入力導波路側反射部２１１により反射され共振器４１近傍まで戻ってきた時の電磁波の位相変化量をθ１、出力導波路側反射部３１１により反射され共振器４１近傍まで戻ってきた時の電磁波の位相変化量をθ２、共振器４１と入力導波路２との間のＱ値をＱinb、共振器４１と出力導波路３１との間のＱ値をＱinrとすれば、
θ１＝２β１×ｄ１＋Δ１
θ２＝２β２×ｄ２＋Δ２
であり、電磁波の周波数をω、共振器４１の共鳴周波数をω０、入力ポートＰ１から入力導波路２へ入射する電磁波のうち共振器４１の共鳴周波数に一致する所定周波数の電磁波の振幅をｓ＋１、ドロップポートＰ３１から出射される電磁波の振幅をｓ−３とし、ドロップポートＰ３１のドロップ効率をＤとし、モード結合理論を利用してドロップ効率Ｄを求めると次式が得られる。
【００５２】
【数１】
0003721181.tif 000002
【００５３】
ここにおいて、本実施形態の電磁波周波数フィルタにおける共振器４１はスラブ型の２次元フォトニック結晶１１の屈折率周期構造に欠陥を設けることにより形成されており、当該欠陥が２次元フォトニック結晶１１の屈折率周期構造において円孔１２１が形成されるべき部位を半導体材料で充実させた所謂ドナー型欠陥（本実施形態では、２つの円孔１２１がＳｉで埋められた形のドナー型欠陥）であり、自由空間への放射損失が少なくて高いＱvが得られ、Ｑinb／（１−cosθ１）≪Ｑvとなるので、上述の数１中の１／Ｑvの項を０として無視することができる。したがって、
Ｑinb／（１−cosθ１）＝Ｑinr／（１−cosθ２）
θ１，θ２≠２Ｎπ（Ｎ＝０，１，…）
の関係を満たすように各パラメータｄ１，ｄ２，β１，β２，Δ１，Δ２，θ１，θ２，Ｑinb，Ｑinr，Ｑvを設定することでドロップ効率Ｄを略１（つまり、略１００％）とすることが可能となる。すなわち、従来に比べて比較的簡単な設計でドロップ効率を向上させることができる。なお、２次元フォトニック結晶へドナー型欠陥を設けることにより形成した共振器が高いＱ値（Ｑv）を有することは、例えば、刊行物１（赤羽、他３名「２次元フォトニック結晶スラブ点欠陥共振器の格子点シフトによるＱ値の大幅な向上」、第５０回応用物理学関係連合講演会講演予稿集、29a−YN−9、2003年3月）や、刊行物２（Y.Akahane,et al、「Design  of  channel  drop  filter  by  using  a  donor-type  cavity  with  high-quality  factor  in  a  two-dimensional  photonic  crystal  slab」，APPLIED  PHYSICS  LETTERS，VOL.82，NO.9，2003，p.1341-1343）などでも報告されている（刊行物１にはＱvとして４５０００の値が得られることが報告され、刊行物２にはＱvとして５０００の値が得られることが報告されている）。
【００５４】
また、本実施形態の電磁波周波数フィルタでは、全ての共振器４１，４２，…が２次元フォトニック結晶１１，１２，…の並設方向に沿った一つの直線上に並ぶように各共振器４１，４２，…の位置を設定し、共振器４１と入力導波路２との間の距離と共振器４１と出力導波路３１との間の距離とを等しく設定することでＱinb＝Ｑinrとしてあり、また、ｄ１＝ｄ２、Δ１＝Δ２、β１＝β２となるように設計することでθ１＝θ２となってcosθ１＝cosθ２となるので、位相変化量θ１，θ２とドロップ効率Ｄとの関係が図２に示すようになる。図２は、横軸を位相変化量θ１、縦軸を位相変化量θ２として、ドロップ効率Ｄの等高線をグレイスケールで示したものであり、黒色に近いほどドロップ効率Ｄが低く白色に近いほどドロップ効率Ｄが高いことを表している。ここに、本実施形態の電磁波周波数フィルタでは、入力導波路２において２次元フォトニック結晶１１に形成された部分と２次元フォトニック結晶１２に形成された部分との軸ずれと出力導波路３１において２次元フォトニック結晶１１に形成された部分と２次元フォトニック結晶１２に形成された部分との軸ずれとを等しくすることでΔ１＝Δ２となるように設定してあるので、θ１＝θ２となり、ｄ１（＝ｄ２）の変化によりθ１，θ２は破線「イ」に沿って変化するから、θ１，θ２のゆらぎに対するドロップ効率（つまり、波長選択効率）の変動幅が小さく、θ１，θ２のゆらぎに対するマージンを大きくできる。
【００５５】
なお、上述の数１はドロップポートＰ３１のドロップ効率について求めた式であるが、他のドロップポートＰ３２，…についても同様の関係式が成り立つことは勿論である。
【００５６】
しかして、本実施形態の電磁波周波数フィルタでは、入力導波路２へ入射した複数の周波数の電磁波のうち共振器４１，４２，…それぞれの共鳴周波数に一致する各所定周波数の電磁波をそれぞれ出力導波路３１，３２，…のドロップポートＰ３１，Ｐ３２，…から取り出す際のドロップ効率（波長選択効率）を従来に比べて向上できる。また、共振器４１，４２，…を中心として共振器４１，４２，…と入力導波路２との間の距離と共振器４１，４２，…と出力導波路３１，３２，…との間の距離を同じ値に設定したような対称的な構造においてドロップ効率を高めることができるので、設計が容易になる。
【００５７】
なお、本実施形態では、２次元フォトニック結晶１１，１２，…におけるスラブ１１１，１１２，…を構成する高屈折率媒質としてＳｉを採用しているが、Ｓｉに限らず、例えば、ＧａＡｓ、ＩｎＰなどの他の材料を採用してもよい。
【００５８】
（実施形態２）
ところで、実施形態１の電磁波周波数フィルタでは、全ての共振器４１，４２，…が一つの直線上に並ぶように各共振器４１，４２，…の位置を設定してある一方で、２次元フォトニック結晶１１，１２，…の並設方向において隣り合う各一対の２次元フォトニック結晶１ｎ，１ｍ（ｎ＝１，２，…、ｍ＝ｎ＋１）の屈折率周期構造の周期が異なるので、入力導波路２において前段の２次元フォトニック結晶１ｎ（図示例では２次元フォトニック結晶１１）に形成された部分と後段の２次元フォトニック結晶１ｍ（図示例では２次元フォトニック結晶１２）に形成された部分とで軸ずれ（光軸のずれ）があり、共振器４ｎ（図示例では、共振器４１）の共鳴周波数とは異なる周波数の電磁波に対して入力導波路２の軸ずれに起因した反射損失が発生するので、入力導波路２の長手方向に沿って複数のドロップポートＰ３１，Ｐ３２，…が並設されている場合、後段のドロップポートＰ３２，…ほどドロップ効率（波長選択効率）が低下してしまう。
【００５９】
これに対して、本実施形態の電磁波周波数フィルタの基本構成は実施形態１と略同じであって、図３に示すように、複数の２次元フォトニック結晶１１，１２，…の並設方向において隣り合う各一対の２次元フォトニック結晶１ｎ，１ｍ（ｎ＝１，２，…、ｍ＝ｎ＋１）の境界近傍にて入力導波路２が滑らかに連続するように、上記境界近傍では、前段の２次元フォトニック結晶１ｎ（図示例では２次元フォトニック結晶１１）と後段の２次元フォトニック結晶１ｍ（図示例では２次元フォトニック結晶１２）との両方の屈折率周期構造の周期を段階的に変化させている点が相違する。なお、他の構成は実施形態１と同様なので、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【００６０】
しかして、本実施形態の電磁波周波数フィルタでは、実施形態１と同様に各ドロップポートＰ３１，Ｐ３２，…において１００％近いドロップ効率（波長選択効率）を実現することができ、しかも、複数の２次元フォトニック結晶１１，１２，…の並設方向において隣り合う各一対の２次元フォトニック結晶１ｎ，１ｍ（ｎ＝１，２，…、ｍ＝ｎ＋１）の境界近傍にて入力導波路２が滑らかに連続するので、前段の２次元フォトニック結晶１ｎに形成された共振器４ｎの共鳴周波数以外の周波数の電磁波について入力導波路２の軸ずれに起因した反射損失を低減することができ、後段のドロップポートＰ３２，…のドロップ効率を実施形態１に比べて向上させることができる。
【００６１】
なお、本実施形態では、前段の２次元フォトニック結晶１ｎと後段の２次元フォトニック結晶１ｍとの両方の屈折率周期構造の周期を段階的に変化させているが、少なくとも一方の屈折率周期構造の周期を段階的に変化させればよい。
【００６２】
（実施形態３）
ところで、実施形態２の電磁波周波数フィルタでは、上述のように、複数の２次元フォトニック結晶１１，１２，…の並設方向において隣り合う各一対の２次元フォトニック結晶１ｎ，１ｍ（ｎ＝１，２，…、ｍ＝ｎ＋１）の境界近傍にて入力導波路２が滑らかに連続するので、前段の２次元フォトニック結晶１ｎに形成された共振器４ｎの共鳴周波数以外の周波数の電磁波について入力導波路２の軸ずれに起因した反射損失を低減することができ、後段のドロップポートＰ３２，…のドロップ効率（波長選択効率）を実施形態１に比べて向上させることができる。しかしながら、実施形態２の電磁波周波数フィルタにおいても入力導波路２の軸ずれに起因した反射損失は発生するので、ドロップポートＰ３１，Ｐ３２，…ごとのドロップ効率が異なってしまうから、後段のドロップポートＰ３２，…のドロップ効率（波長選択効率）のより一層の向上が望まれる。
【００６３】
これに対して、本実施形態の電磁波周波数フィルタの基本構成は実施形態１，２と略同じであって、図４に示すように、複数の２次元フォトニック結晶１１，１２，…の並設方向において隣り合う各一対の２次元フォトニック結晶１ｎ，１ｍ（ｎ＝１，２，…、ｍ＝ｎ＋１）の境界近傍にて入力導波路２に軸ずれが形成されないように、入力導波路２において各フォトニック結晶１１，１２，…に形成される部分の光軸を一致させている点などが相違する。ここにおいて、実施形態１，２では全ての共振器４１，４２，…が一つの直線上に並ぶように各共振器４１，４２，…の位置を設定してあるのに対して、本実施形態では、入力導波路２の光軸が一つの直線になるようにしてあるので、共振器４１，４２，…の相対的な位置関係は実施形態１，２とは異なる。なお、他の構成は実施形態１，２と同様なので、実施形態１，２と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【００６４】
しかして、本実施形態の電磁波周波数フィルタでは、実施形態１，２と同様に各ドロップポートＰ３１，Ｐ３２，…において１００％近いドロップ効率（波長選択効率）を実現することができ、しかも、複数の２次元フォトニック結晶１１，１２，…の並設方向において隣り合う各一対の２次元フォトニック結晶１ｎ，１ｍ（ｎ＝１，２，…、ｍ＝ｎ＋１）の境界近傍にて入力導波路２に軸ずれがないので、前段の２次元フォトニック結晶１ｎに形成された共振器４ｎの共鳴周波数以外の周波数の電磁波について入力導波路２の軸ずれに起因した反射損失をなくすことができ、各ドロップポートＰ３１，Ｐ３２，…のドロップ効率を揃えることが可能となる。
【００６５】
ところで、本実施形態の電磁波周波数フィルタでは、θ１，θ２とドロップポートＰ３１のドロップ効率Ｄとの関係が図５に示すようになるが、Δ１≠Δ２となるので、ｄ１（＝ｄ２）の変化によりθ１，θ２が同図中の破線「イ」に沿って変化するから、ｄ１（＝ｄ２）の変化に対するマージンが小さくなってしまう。なお、図５の見方は実施形態１にて説明した図２の見方と同じである。
【００６６】
これに対して、図６に示すように、出力導波路側反射部３１１に例えば近傍の周期を調整してΔ２をΔ１と合わせる位相補償部３２１を設ければ、Δ２＝Δ１となって、出力導波路側反射部３１１の反射効率を入力導波路側反射部２１１の反射効率に合わせることができ、ｄ１（＝ｄ２）の変化によりθ１，θ２が図５中の破線「イ’」に沿って変化するようになるから、ｄ１（＝ｄ２）の変化に対するマージンを大きくできる。
【００６７】
（実施形態４）
本実施形態の電磁波周波数フィルタの基本構成は実施形態３と略同じであって、図７に示すように、各出力導波路３１，３２，…がそれぞれ２次元フォトニック結晶１１，１２，…の屈折率周期構造に線状の欠陥を設けることにより形成されており、それぞれ一端をドロップポートＰ３１，Ｐ３２，…とした各出力導波路３１，３２，…の他端側の端部が共振器４１，４２，…の共鳴周波数の電磁波を反射する出力導波路側反射部３１１，３１２，…を構成している点などが相違する。すなわち、実施形態３では、各出力導波路３１，３２，…を各一対の２次元フォトニック結晶１ｎ，１ｍに跨るように形成し一対の２次元フォトニック結晶１ｎ，１ｍの面内へテロ構造を利用して出力導波路側反射部３１１，３１２，…を形成していたのに対して、本実施形態では、各出力導波路３１，３２，…をそれぞれ１つの２次元フォトニック結晶１１，１２，…内に形成し２次元フォトニック結晶１１，１２，…のフォトニックバンドギャップを利用して出力導波路側反射部３１１，３１２，…を形成するようにしている点などが相違する。また、本実施形態では、出力導波路３１に関して、cosθ１＝cosθ２の関係を満たすように、当該出力導波路３１に沿った方向における共振器４１と出力導波路側反射部３１１との間の距離ｄ２を設定してあり、他の出力導波路３２，…についても同様の関係を満たすように、出力導波路３２，…に沿った方向における共振器４２，…と出力導波路側反射部３１２との間の距離を設定してある。なお、実施形態３と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【００６８】
しかして、本実施形態の電磁波周波数フィルタは、出力導波路３１，３２，…の他端側ではフォトニックバンドギャップを利用して当該出力導波路３１，３２，…と入力導波路２との間に存在する共振器４１，４２，…の共鳴周波数の電磁波を反射させることができ、しかも出力導波路３１，３２，…の軸ずれもないので、各ドロップポートＰ３１，Ｐ３２，…それぞれへのドロップ効率をより一層向上させることができる。
【００６９】
図８は実施形態１にて説明した図２と同様にθ１，θ２とドロップ効率Ｄとの関係を本実施形態の電磁波周波数フィルタについて表した図であり、θ２＝２β２×ｄ２＋Δ２がｄ２の変化に伴い図８中に破線「イ」で示すように変化するので、cosθ１＝cosθ２の関係を満たすようにｄ１およびｄ２を設定することにより１００％近いドロップ効率が得られることが分かる。
【００７０】
（実施形態５）
ところで、実施形態４の電磁波周波数フィルタでは、出力導波路３１，３２，…の他端側の端部近傍の電磁界分布が急峻に変化するので、出力導波路３１，３２，…の他端側の端部近傍から自由空間への放射が起こりやすくなってしまう。
【００７１】
これに対して、本実施形態の電磁波周波数フィルタの基本構成は実施形態４と略同じであって、図９に示すように、出力導波路３１，３２，…の他端側の端部近傍において屈折率周期構造の周期を変化させている点が相違する。具体的には、本実施形態では、出力導波路３１，３２，…の他端側の端部近傍において、出力導波路３１，３２，…の他端側の端部近傍の電磁界分布が急峻に変化せずに、緩やかに変化するように、円孔１２１，１２２，…それぞれの配列方向の周期を変化させてある。なお、実施形態４と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【００７２】
しかして、本実施形態の電磁波周波数フィルタでは、各出力導波路３１，３２，…それぞれの他端側の端部近傍で電磁界分布が急峻に変化するのを防止することができ、自由空間への放射損失を低減することができるので、結果的に各ドロップポートＰ３１，Ｐ３２，…それぞれへのドロップ効率をさらに向上させることができる。
【００７３】
（実施形態６）
本実施形態の電磁波周波数フィルタの基本構成は実施形態１と略同じであって、図１０に示すような構造を有しており、出力導波路側反射部３１１，３１２，…近傍の屈折率を変化させることによりドロップポートＰ３１，Ｐ３２，…の出力を変化させる制御手段（図示せず）を設けている点に特徴がある。したがって、本実施形態の電磁波周波数フィルタでは、上記制御手段によって、例えば、出力導波路側反射部３１１，…近傍の屈折率を変化させることにより、実施形態１にて説明したβ２、Δ２が変化するので、θ２が変化し、結果的にドロップポートＰ３１へのドロップ効率が変化する。ここにおいて、本実施形態の電磁波周波数フィルタでは、例えば、２次元フォトニック結晶１１，１２，…のスラブ１１１，１１２，…の材料として電界、光、熱、磁気などによって屈折率が変化する材料（電気光学効果、光光学効果、熱光学効果、磁気光学効果などを有する材料）を適宜選定すればよく、上記制御手段は、スラブ１１１，１１２，…の材料に応じて適宜構成を適用すればよい。また、電界、光、熱、磁気などによって屈折率が変化する材料を、円孔１２１，１２２，…内に充実させたり、出力導波路側反射部３１１，…近傍で出力導波路３１，…に積層するようにしてもよい。なお、制御光によって屈折率変化を起こす半導体材料としては、例えば、Ｓｉ，ＧａＡｓ，ＩｎＰ，ＩｎＧａＡｓＰ，ＡｌＧａＡｓなどの半導体材料が知られている。
【００７４】
図１１は実施形態１にて説明した図２と同様にθ１，θ２とドロップ効率Ｄとの関係を本実施形態の電磁波周波数フィルタについて表した図であり、例えば、θ１をπとして、出力導波路側反射部３１１近傍の屈折率を変化させることによりθ２を変化させれば、ドロップ効率Ｄは図１１中の破線「イ」に沿って変化するから、ドロップ効率Ｄを連続的に変化させることが可能となる。したがって、θ１をπとなるように設計した場合には、図１１から分かるように、θ２が１．９５πとなるように出力導波路側反射部３１１近傍の屈折率を変化させることによりドロップ効率を略０％とし、θ２がπとなるように出力導波路側反射部３１１近傍の屈折率を変化させることによりドロップ効率を略１００％とすることができるから、本実施形態の電磁波周波数フィルタは、周波数選択性（波長選択性）を有する電磁波スイッチ（光スイッチ）として使用することができる。
【００７５】
なお、本実施形態の電磁波周波数フィルタでは、上記制御手段により出力導波路側反射部３１１，３１２，…近傍の屈折率を変化させるようにしてあるが、制御手段により入力導波路側反射部２１１，２１２，…および出力導波路側反射部３１１，３１２，…の少なくとも一方の近傍の屈折率を変化させることによってドロップポートＰ３１，Ｐ３２，…の出力を変化させるようにしてもよいし、圧電素子や圧電材料からなる基板などを利用し制御手段により入力導波路側反射部２１１，２１２，…および出力導波路側反射部３１１，３１２，…の少なくとも一方の近傍の屈折率周期構造の周期を変化させるようにしてもよい。また、上述の制御手段を上記各実施形態１〜５の電磁波周波数フィルタに設けてもよいことは勿論である。
【００７６】
（実施形態７）
ところで、実施形態６の電磁波周波数フィルタを電磁波スイッチ（光スイッチ）として用いる場合には、例えばθ２がπとなる状態とθ２が１．９５πとなる状態とを上記制御手段によって切り換える必要があり、上記制御手段における消費エネルギが比較的多くなるとともに、電磁波スイッチとしてのスイッチング速度が比較的遅くなってしまう。
【００７７】
これに対して、本実施形態の電磁波周波数フィルタの基本構成は実施形態６と略同じであって、出力導波路側反射部３１１，３１２，…近傍の屈折率を変化させることによりドロップポートＰ３１，Ｐ３２，…の出力を変化させる制御手段（図示せず）を設けてある点は同じで、図１２に示すように、共振器４１と入力導波路２との間の距離を共振器４１と出力導波路３１との間の距離よりも大きく設定することで、実施形態１にて説明したＱinbとＱinrとを異ならせてある点が相違する。なお、実施形態６と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【００７８】
図１３は実施形態６にて説明した図１１と同様にθ１，θ２とドロップ効率Ｄとの関係を本実施形態の電磁波周波数フィルタについて表した図であり、例えば、θ１をπとして、出力導波路側反射部３１１近傍の屈折率を変化させることによりθ２を変化させれば、ドロップ効率Ｄは図１３中の破線「イ」に沿って変化するから、実施形態６に比べてθ２の変化に対するドロップ効率Ｄの変化量が大きくなることが分かる。したがって、θ１をπとなるように設計した場合には、図１３から分かるように、θ２が１．９５πとなるように出力導波路側反射部３１１近傍の屈折率を変化させることによりドロップ効率を略０％とし、θ２が１．８πとなるように出力導波路側反射部３１１近傍の屈折率を変化させることによりドロップ効率を略１００％とすることができるから、本実施形態の電磁波周波数フィルタを周波数選択性（波長選択性）を有する電磁波スイッチ（光スイッチ）として使用する際には、実施形態６の電磁波周波数フィルタを電磁波スイッチとして用いる場合に比べて、上記制御手段における消費エネルギを少なくすることができるとともに、電磁波スイッチ（光スイッチ）としてのスイッチング速度を速くすることができる。
【００７９】
なお、本実施形態における制御手段を上記各実施形態１〜５の電磁波周波数フィルタに設けてもよいことは勿論である。また、入力導波路側反射部２１１，…および出力導波路側反射部３１１，…各反射部および共振器４１，…それぞれの近傍の屈折率を変化させることによりドロップポートＰ３１，Ｐ３２，…の出力を変化させる制御手段を設けることによっても、電磁波スイッチとして用いることが可能となる。
【００８０】
ところで、上記各実施形態では、２次元フォトニック結晶１１，１２，…をシリコンと空気との２種類の媒質の周期構造により構成していたが、円孔１２１，１２２，…内をシリコンとは屈折率の異なる誘電体材料により充実してシリコンと誘電体とで２次元フォトニック結晶を形成するようにしてもよいし、あるいは３種類以上の媒質の周期構造としてもよく、例えば、シリコンからなるスラブ１１１，１１２，…に設けた円孔１２１，１２２，…の内周面を被覆するＳｉＯ２またはＳｉ３Ｎ４からなる絶縁膜を形成することによってシリコンと絶縁膜と空気との３種類で２次元フォトニック結晶を構成するようにしてもよい。また、上記各実施形態で説明した面内へテロ構造は、フォトニック結晶により構成すればよく、各２次元フォトニック結晶１１，１２，…それぞれの代わりに、３次元フォトニック結晶を採用してもよい。なお、上記各実施形態では、入力導波路２と各出力導波路３１，３２，…との間に共振器４１，４２，…が１つずつ存在する構成としてあるが、入力導波路２と各出力導波路３１，３２，…との間に共振器４１，４２，…を複数ずつ存在させた構成、つまり、入力導波路２と各出力導波路３１，３２，…との間に共振器群が存在するような構成も考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】実施形態１を示す概略平面図である。
【図２】同上の特性評価図である。
【図３】実施形態２を示す概略平面図である。
【図４】実施形態３を示す概略平面図である。
【図５】同上の特性評価図である。
【図６】同上の他の構成例を示す概略平面図である。
【図７】実施形態４を示す概略平面図である。
【図８】同上の特性評価図である。
【図９】実施形態５を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は（ａ）の要部拡大図である。
【図１０】実施形態６を示す概略平面図である。
【図１１】同上の特性評価図である。
【図１２】実施形態７を示す概略平面図である。
【図１３】同上の特性評価図である。
【図１４】従来例を示し、（ａ）は概略斜視図、（ｂ）は（ａ）の要部拡大図である。
【図１５】同上の特性評価図である。
【符号の説明】
【００８２】
１１，１２，…  ２次元フォトニック結晶
２  入力導波路
３１，３２，…  出力導波路
４１，４２，…  共振器
１１１，１１２，…スラブ
１２１，１２２，…  円孔
２１１，…  入力導波路側反射部
３１１，…  出力導波路側反射部
Ｐ１  入力ポート
Ｐ３１，Ｐ３２，…  ドロップポート
【図１５】
0003721181.tif 000003
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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