(57)【要約】  柱（ピラー）型正方格子フォトニック結晶導波路に導波路スタブを接続する。その導波路スタブ内では、元のフォトニック結晶導波路の欠陥よりも直径を大きくし、導波光の群速度を小さくする。元の導波路と導波路との接続は、テーパを介して滑らかに行う。導波路スタブ内で低群速度のため、ＦＳＲが小さくなり、導波路スタブを小型化することもできる。
2009087825.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フォトニック結晶と、
前記フォトニック結晶のバンドギャップ内に周波数を有する光を導波可能な前記フォトニック結晶中の第１の導波路と、
前記第１の導波路中の光を制御するために接続された導波路スタブとを含むフォトニック結晶体。
【請求項２】
請求項１に記載のフォトニック結晶体において、
前記導波路スタブは、テーパ構造を含む導波路であるフォトニック結晶体。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のフォトニック結晶体において、
前記導波路スタブは、前記第１の導波路の側壁から直角に伸びているフォトニック結晶体。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載のフォトニック結晶体において、
前記フォトニック結晶は、周期的な格子を備え、
前記第１の導波路は、前記周期的な格子中に第１の欠陥を備え、
前記導波路スタブは、前記周期的な格子中に少なくとも１つの第２の欠陥を備えているフォトニック結晶体。
【請求項５】
請求項４に記載のフォトニック結晶体において、
前記フォトニック結晶の前記周期的な格子は、相対的に低屈折率の媒質中に配置された高屈折率の誘電体柱の格子であるフォトニック結晶体。
【請求項６】
請求項４または請求項５に記載のフォトニック結晶体において、
前記フォトニック結晶の前記周期的な格子は正方格子であるフォトニック結晶体。
【請求項７】
請求項４乃至６のいずれか１項に記載のフォトニック結晶体において、
前記第１の欠陥は、断面積の小さい誘電体柱であるフォトニック結晶体。
【請求項８】
請求項４乃至６のいずれか１項に記載のフォトニック結晶体において、
前記第２の欠陥は、断面積の小さい誘電体柱であるフォトニック結晶体。
【請求項９】
請求項７または請求項８に記載のフォトニック結晶体において、
前記テーパ構造を含む導波路の少なくとも一部において、前記第２の欠陥を構成する誘電体柱の断面積が、前記導波路から遠ざかる向きに徐々に増加するフォトニック結晶体。
【請求項１０】
請求項７または請求項８に記載のフォトニック結晶体において、
前記テーパ構造を含む導波路の少なくとも一部において、前記第２の欠陥を構成する誘電体柱の断面積が、前記導波路から遠ざかる向きに階段状に増加するフォトニック結晶体。
【請求項１１】
請求項７または請求項８に記載のフォトニック結晶体において、
前記テーパ構造を含む導波路の少なくとも一部において、前記第２の欠陥を構成する誘電体柱の断面積が、前記導波路から遠ざかる向きに、徐々に増加する部分と階段状に増加する部分とを含むフォトニック結晶体。
【請求項１２】
請求項１乃至１１のいずれか１項に記載のフォトニック結晶体において、
前記導波路スタブを構成する材料の屈折率又は吸収係数を調節するチューナを有するフォトニック結晶体。
【請求項１３】
請求項１２に記載のフォトニック結晶体において、
前記チューナは、温度調節器であるフォトニック結晶体。
【請求項１４】
請求項１２に記載のフォトニック結晶体において、
前記チューナは、電界強度調節器であるフォトニック結晶体。
【請求項１５】
請求項１２に記載のフォトニック結晶体において、
前記チューナは、電流調節器であるフォトニック結晶体。
【請求項１６】
請求項７乃至１１のいずれか１項に記載のフォトニック結晶体において、
前記テーパ構造を含む導波路の少なくとも一部において、前記第２の欠陥を構成する誘電体柱の断面積が、前記導波路から遠ざかる向きに徐々に減少するフォトニック結晶体。
【請求項１７】
請求項７乃至１１のいずれか１項に記載のフォトニック結晶体において、
前記テーパ構造を含む導波路の少なくとも一部において、前記第２の欠陥を構成する誘電体柱の断面積が、前記導波路から遠ざかる向きに階段状に減少するフォトニック結晶体。
【請求項１８】
請求項７乃至１１のいずれか１項に記載のフォトニック結晶体において、
前記テーパ構造を含む導波路の少なくとも一部において、前記第２の欠陥を構成する誘電体柱の断面積が、前記導波路から遠ざかる向きに、徐々に減少する部分と階段状に増加する部分とを含むフォトニック結晶体。
【請求項１９】
請求項１に記載のフォトニック結晶体において、
前記導波路スタブの一部又は全部が、前記導波路の導波帯域以外の周波数の光に対して共振する共振器として動作するフォトニック結晶体。
【請求項２０】
請求項１９に記載のフォトニック結晶体において、
前記フォトニック結晶のバンドギャップ内に周波数を有する光を導波可能であって、かつ前記共振器の共振周波数の光を導波可能な第２の導波路を、前記共振器の近傍に備え、
前記共振器と前記第２の導波路とは、光学的に結合しているフォトニック結晶体。
【請求項２１】
請求項２０に記載のフォトニック結晶体において、
前記共振器を２つ以上含み、それらの個々の共振器に隣接するそれぞれの前記第２の導波路が同一であるか、又は互いに接続されているフォトニック結晶体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フォトニック結晶体に関し、特に、導波路構造を有するフォトニック結晶体に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子部品が集積されたトランジスタ集積回路のように、光部品が集積された光集積回路を実現する技術が望まれている。現在、光スイッチ、波長フィルタ、３ｄＢ結合器（光カプラ）などの光部品を光ファイバなどの光導波路を介して接続して光回路を組んでいる。【０００３】
しかし、複数の光部品を小さなチップの中に集積化させることができれば、光回路の体積、消費電力、製造コストを飛躍的に低減させることが可能である。【０００４】
光集積回路の実現を目指した技術はこれまでにも多々開発されており、その一つにフォトニック結晶技術がある。フォトニック結晶体或いはフォトニック結晶とは、広義には屈折率を周期的に変化させた構造体の総称である。本明細書では、特に断らない限り、「フォトニック結晶体」と「フォトニック結晶」とは、同義語として用いる。【０００５】
フォトニック結晶は、屈折率分布の周期構造に起因して種々の特殊な光学的特徴を有する。最も代表的な特徴はフォトニック・バンド・ギャップ（Photonic  Band  Gap：ＰＢＧ）である。光はフォトニック結晶中を透過することができるが、フォトニック結晶中の周期的な屈折率変化が十分に大きいと、ある特定の周波数帯域の光はフォトニック結晶中を伝搬することができない。フォトニック結晶を透過することができる光の周波数帯域（あるいは、波長帯域）をフォトニック・バンド（Photonic  Band）と呼ぶ。それに対して、透過することができない光の帯域は、フォトニック・バンドの間に存在するギャップということで、フォトニック・バンド・ギャップ（ＰＢＧ）と呼ばれている。ＰＢＧは異なった周波数帯に複数存在することもある。ＰＢＧによって分断されたフォトニック・バンドは、周波数の小さい方から、第１バンド、第２バンド、第３バンド等と呼ばれることがある。【０００６】
フォトニック結晶中に、屈折率分布の周期構造（屈折率分布の周期性）を崩すような微小な欠陥が存在すると、ＰＢＧ内の周波数の光はその微小欠陥に閉じ込められる。その場合、欠陥の大きさに対応した周波数の光のみが閉じ込められるので、フォトニック結晶が光共振器として働く。よって、このようなフォトニック結晶は、周波数（波長）フィルタとして利用することができる。【０００７】
また、フォトニック結晶中に微小な欠陥が連続的に並んで列を成し、結晶中に線欠陥が形成されると、ＰＢＧ内の周波数の光は、線欠陥内に閉じ込められ、線欠陥に沿って伝搬する。よって、このようなフォトニック結晶は、光導波路として利用することができる。フォトニック結晶中に形成されるこのような光導波路は、線欠陥導波路と呼ばれている。【０００８】
光フィルタや光導波路が形成されれば、それらの一方又は組み合わせによって、光変調器や光スイッチ等の光機能素子を構成することができる。フォトニック結晶中に主要な光機能素子を形成し、それら光機能素子を接続して光回路を構成することができる。このような理由から、フォトニック結晶が光集積回路のプラットフォームとして期待されている。【０００９】
ここで、ＰＢＧの効果を互いに垂直なｘ、ｙ、ｚの３方向で利用するためには、フォトニック結晶の屈折率分布が３次元周期構造を有することが必要である。しかし、３次元周期構造は複雑なため、製造コストが高くなる。そこで、屈折率分布が２次元周期構造を有するフォトニック結晶（以下、「２次元フォトニック結晶」と呼ぶ場合もある。）が利用されることが多い。具体的には、屈折率分布が基板面内では周期性を有するが、厚み方向には周期性を有さない有限厚みの２次元フォトニック結晶が用いられる。その場合、基板の厚み方向における光の閉じ込めは、ＰＢＧの効果ではなく、屈折率差に起因する全反射によって実現される。【００１０】
もっとも、有限厚みの２次元フォトニック結晶の特性は、無限の厚みの２次元フォトニック結晶の特性と完全には一致しない。しかし、有限厚みの２次元フォトニック結晶の厚み方向における屈折率分布が、光が伝搬する領域において鏡映対称であれば、無限の厚みの２次元フォトニック結晶の光学特性とほぼ一致する。無限の厚みの２次元フォトニック結晶によるデバイスの動作予測は、有限の厚みを考慮した動作予測に比べて格段に容易である。そこで、屈折率分布が鏡映対称の２次元フォトニック結晶を利用することができれば、それを用いたデバイスの設計も容易になる。【００１１】
有限厚みの２次元フォトニック結晶として、これまで実現された具体的な構造はいくつかある。その中で柱（ピラー）型正方格子フォトニック結晶は、線欠陥導波路における光の伝搬速度が広い帯域で遅いという特徴を有する。すなわち、低群速度である。一般に、伝搬速度の遅い導波路を用いると、同じ機能の光回路を短い導波路長で作ることができる。よって、柱型正方格子フォトニック結晶を用いた線欠陥導波路は、光集積回路に適している。【００１２】
図１は、有限厚みの柱型正方格子フォトニック結晶の線欠陥導波路の構造を示す模式図である。【００１３】
図１に示すように、柱型正方格子フォトニック結晶では、低誘電率材料３の中に、高誘電率材料でできた高さが有限の円柱１と、円柱１よりも直径の小さな円柱２とが正方格子状に配置されている。これらの円柱が正方格子状に配置されている様子が、シリコンや水晶などの結晶中に原子が格子状に配置されている様子に似ており、光学用途であることから、「フォトニック結晶」と呼ばれるのである。従って、低誘電率材料３や円柱１や２の材料は結晶である必要はなく、アモルファスでもよい。【００１４】
図１に示すフォトニック結晶の場合、円柱１が完全なフォトニック結晶の円柱であるのに対し、円柱２は円柱１よりも直径が小さい。そこで、円柱２を完全結晶に導入された欠陥であると見なす。以下の説明では、完全結晶の円柱と欠陥に相当する円柱とを区別するために、前者を「非線欠陥柱」、後者を「欠陥柱」、「欠陥円柱」、又は「線欠陥柱」と呼ぶ場合がある。もっとも、線欠陥柱自体に特に欠陥があるわけではないことに注意すべきである。【００１５】
図１に示すフォトニック結晶の線欠陥柱２は、ある直線上に一列に並べられて列を成しており、この線欠陥柱２の列とその周囲の非線欠陥柱１によって線欠陥導波路が形成されている。図１に示した円柱型正方格子フォトニック結晶の線欠陥導波路は、線欠陥柱の列が、光ファイバなどの全反射閉じ込め型の導波路におけるコアに相当し、その両側の非線欠陥柱の格子や周囲の誘電体材料がクラッドに相当する。全反射閉じ込め型導波路の場合、コアとクラッドが存在して初めて導波路として働くように、線欠陥導波路の場合も、線欠陥とその周囲の非線欠陥柱や誘電体材料が存在して初めて導波路として動作する。【００１６】
さて、フォトニック結晶の導波路は、比較的単純な構造によって、フィルタ等の機能を発現させることができる。特許公開第２００２‐３６５５９９号公報に開示されている「共振器スタブチューナーを備えたスラブ型フォトニック結晶導波路」は、そのような導波路構造の一種である。直線の導波路に「接続チャネル」である短い導波路を接続し、更にその先に「共振スタブ」が接続されている。共振スタブは、直線導波路の透過帯域の中の特定の１つの波長でのみ共振する。共振波長以外の波長の光の場合、直線導波路を伝搬してきた光は、「共振器スタブ」の中に光はほとんど入らずに、そのまま直進する。共振波長の光の場合、「共振器スタブ」の中に光が入って共鳴するため、直線導波路を伝搬してきた光は、「接続チャネル」の接続されている位置で反射されて元の方向に戻る。【００１７】
このように、直線の導波路の横に「共振スタブ」が接続された導波路は、狭帯域の波長選択フィルタとして用いることができる。【００１８】
しかしながら、上記「共振器スタブ」を用いると、導波路の透過帯域の中で、特定の１つの波長に対してのみ共振を起こして、フィルタとして動作するため、広帯域に複数の波長の光に対してフィルタとして動作させたいときに使用できないという問題点があった。
【発明の開示】
【００１９】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的の一例は、透過帯域の中で複数の波長の光に対して狭帯域のフィルタ特性を発現する導波路の構造を提供することである。
【００２０】
上記の課題を解決するために本発明は、フォトニック結晶と、前記フォトニック結晶のバンドギャップ内に周波数を有する光を導波可能な前記フォトニック結晶中の導波路と、前記導波路中の光を制御するために接続された導波路スタブとを含む。
【００２１】
以上のように、本発明によれば、透過帯域の中で複数の波長の光に対して狭帯域のフィルタ特性を発現する導波路が実現される。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】線欠陥を含む正方格子ピラー型フォトニック結晶の立体図である。
【図２】第１実施形態に係るフォトニック結晶体の模式的断面図である。
【図３】図２に示すフォトニック結晶体の第１の構造の透過スペクトルを示す図である。
【図４】図２に示すフォトニック結晶体の第２の構造の透過スペクトルを示す図である。
【図５】図２に示すフォトニック結晶体を透過する光の電磁界分布を示す図である。
【図６】図２に示すフォトニック結晶体で反射される光の電磁界分布を示す図である。
【図７】チューナを含むフォトニック結晶体の模式的断面図である。
【図８】第３実施形態に係るフォトニック結晶体の模式的断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
次に、本発明に好適な実施の形態について、図面に基づいて説明する。【００２４】
図２は、本発明の第１実施形態を説明する模式図である。【００２５】
図２に示すように、本実施形態のフォトニック結晶体１９は、多くの場合、任意のピラー（柱）型正方格子フォトニック結晶に一部として含まれる。前記フォトニック結晶の前記周期的な格子は、相対的に低屈折率の媒質中に配置された高屈折率の誘電体柱の格子である。【００２６】
前記フォトニック結晶のバンドギャップ内に周波数を有する光を導波可能な前記フォトニック結晶中の導波路５を含む。すなわち、前記フォトニック結晶は、周期的な格子を備える、前記導波路が前記周期的な格子中に、断面積の小さい誘電体柱である第１の欠陥８を備える。【００２７】
導波路５は、無欠陥のフォトニック結晶に、１列の断面積の小さいピラーの列を導入した構造を有する。線欠陥の部分がコアに相当し、その周囲のフォトニック結晶がクラッドに相当する。【００２８】
フォトニック結晶体１９は、前記導波路中の光を制御するために接続された導波路スタブ１８を含む。【００２９】
導波路スタブ１８は、前記周期的な格子中に少なくとも１つの、断面積の小さい誘電体柱である第２の欠陥１２及び１５を備えている。導波路スタブ１８は、テーパ構造１３を含み、導波路５の側壁から直角に伸びている。テーパ構造１３を含む導波路の少なくとも一部において、前記第２の欠陥を構成する誘電体柱の断面積が、前記導波路から遠ざかる向きに、徐々に増加することを特徴とする。図２に示したフォトニック結晶体１９の場合、テーパ構造１３の部分の欠陥１５において、誘電体柱の断面積が、導波路５から遠ざかる向きに断面積が増加している。【００３０】
次に、第１実施形態の動作について説明する。【００３１】
導波路５の左から導波可能な周波数の光を入射すると、光は、導波路５と導波路スタブとの接続点１７に達し、一部は導波路スタブ１０に、また、一部はそのまま導波路５の右側に抜けていく。【００３２】
しかし、導波路スタブ１０に入射した光は、他端で反射して接続点１７に戻ってくる。戻ってきた光は、左右に分かれるが、その時、右側に分岐した光と先に直接導波路５を通り抜けた光が干渉を起こす。直接抜けた光と導波路スタブから戻ってきた光の位相が同位相の時は、全ての光が導波路５の右側に抜け、位相がπだけ異なる場合は、接続点１７の位置で全ての光が反射して、導波路５の左側に戻る。【００３３】
導波路５を直接抜ける光と、導波路スタブ５から戻って来る光の位相差は、導波路スタブ１０の中を光が往復する距離が、導波路内における光の波長の整数倍からどれだけずれているかで決まる。【００３４】
導波路スタブ１０にテーパ構造１３を導入することによって、第２の欠陥１５や１２では、誘電体柱１４の断面積が導波路５から遠ざかる向きに徐々に大きくなる。図１のフォトニック結晶体の図では、欠陥１２の断面積は一定となっている。ただし、ピラー型正方格子フォトニック結晶の線欠陥導波路は、欠陥のピラーの断面積が大きいほど周波数の変化に対する導波路内での波長の変化率が大きいという特性を有する。そのため、たとえ導波路スタブ１８が短くても、僅かな周波数の変化によって、導波路内で大きな波長の変化が起こり、接続点１７での光の位相差の変化が大きくなる。その結果、狭い帯域のフィルタ特性を発現するようになる。尚、欠陥のピラーの断面積が大きいほど、導波光の群速度が小さい。【００３５】
なお、導波路５も、第１の欠陥８の誘電体柱７の断面積を導波路スタブ１８の欠陥の誘電体柱と同じく大きくしておくこともできるが、その場合、導波路５の光の伝搬速度が小さくなるという欠点があり、高速な光信号を処理する光回路の部品としては不適当である。【００３６】
この欠点を回避するために、本発明の第１実施形態では、テーパ構造１３を介して、欠陥の断面積の小さい導波路５と欠陥の断面積の大きい導波路スタブを接続している。テーパ構造により、導波路構造が急激に変化する部分で心配される無用な反射が生じない。【００３７】
図３は、導波路スタブがテーパ構造を含まない場合の、フォトニック結晶体の透過スペクトルの計算結果である。また、図４は、導波路スタブがテーパ構造を含む場合の、フォトニック結晶体の透過スペクトルである。【００３８】
両者のフォトニック結晶体の導波路スタブの長さは同じであるが、図３と図４の透過スペクトルを比較すると、導波路スタブを含む場合の図４の透過スペクトルの方が、他方に比べて、透過帯域の中間位置付近において、高透過率の波長（ただし、真空中の波長）の間隔が狭いことが分かる。すなわち、フリースペクトラルレンジ（Free  Spectral  Range：ＦＳＲ）が小さい。それに応じて、図４の透過スペクトルの方が、光パワーが半分以上透過する３ｄＢ透過帯域を狭くすることができている。【００３９】
テーパ導波路は、テーパ構造を含む導波路の少なくとも一部において、第２の欠陥を構成する誘電体柱の断面積が、前記導波路から遠ざかる向きに、階段状に増加していてもよい。【００４０】
また、前記テーパ構造を含む導波路の少なくとも一部において、前記第２の欠陥を構成する誘電体柱の断面積が、前記導波路から遠ざかる向きに、徐々に増加する部分と階段状に増加する部分とを含んでいてもよい。【００４１】
以上のように、本実施形態によれば、小型のフォトニック結晶体であっても、周波数特性を向上させることができる。よって、第１実施形態を含む光回路は集積度が向上し、光集積回路の高集積化や生産性の向上が実現される。【００４２】
次に、本実施形態のフォトニック結晶体の製法について概説する。【００４３】
本実施形態のフォトニック結晶体は、ＳＯＩウエハ（Silicon  On  Insulator  Wafer）を基板として作製することができる。ＳＯＩウエハとして、埋め込み酸化膜の厚みが２．０μｍ、シリコン活性層の厚みが１．０μｍのものを使用する。シリコン活性層はノン・ドープとする。【００４４】
初めに、電子線露光技術を使って、図２に示すパターンを描画する。光通信用に導波光の波長を１．５５μｍとする場合は、格子定数を０．４μｍ、円柱の直径は、０．２４μｍとする。線欠陥柱の直径は、導波路部分において、０．１６μｍとし、スタブ導波路部分において、導波路との接続点から遠ざかる方向に０．２２μｍにまで徐々に増加させる。導波路スタブの長さを１５μｍとする。【００４５】
次に、異方性ドライエッチングによって、描画されたレジスト・パターの通りにてシリコン活性層を垂直に加工する。【００４６】
その後、残ったレジストパターンをアセトンで除去し、最後に埋め込み酸化膜と同じ１．４５の屈折率を有する紫外線硬化樹脂を塗布し、紫外線で硬化させると完成する。【００４７】
図３と図４の透過スペクトルは、簡単のため、上記の構造で厚み方向にシリコンのピラーが厚み方向に無限であると仮定した場合の計算結果である。【００４８】
また、図５は、光が透過する場合の電界分布の計算結果であり、図６は、光が透過しない場合の電界分布の計算結果である。【００４９】
なお、本発明のフォトニック結晶体の実施形態の一例について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、フォトニック結晶体を構成している線欠陥柱以外の円柱を変位させたり、その断面積を増減させたりすることもできる。更には、柱は必ずしも円柱である必要はなく、四角柱や八角柱など、他の形状であってもよい。【００５０】
また、ＦＳＲの異なる本発明のフォトニック結晶体を２或いは３というように複数接続すれば、透過帯域の重なった周波数の光だけが透過するようにすることができるため、例えば、導波路の透過帯域内で、１波だけ透過するようにすることもできる。【００５１】
また、同じＦＳＲの本発明のフォトニック結晶体を複数接続すれば、透過帯域の透過スペクトルをフラットトップ化することや、阻止波長帯域をフラット化することもできる。【００５２】
次に、本発明の第２実施形態について説明する。【００５３】
本発明のフォトニック結晶体は、ＦＳＲが小さいフィルタ特性を有するため、複数の波長で動作する１×１光スイッチ、あるいは光強度変調器として動作させることができる。即ち、本発明の第２実施形態は、導波路スタブを構成する材料の屈折率又は吸収係数を調節するチューナを有することを特徴とする。なお、前記チューナは、温度調節器、電界強度調節器、又は、電流調節器である。【００５４】
図７は、温度調節器としてヒータ３３を装着したフォトニック結晶体である。【００５５】
ヒータ３３が加熱すると、導波路スタブ３２の屈折率が変化し、フォトニック結晶体の透過スペクトルが長波長側、或いは短波長側にシフトする。その結果、特定波長では、光の透過率が変化し、１×１光スイッチや光強度変調器として動作する。なお、チューナが電界強度調節器や電流調節器である場合も同じように動作する。【００５６】
本実施形態のフォトニック結晶体は、ＦＳＲが小さく、かつ、導波路スタブが小さいため、省電力で小型の光スイッチや光強度変調器となる。【００５７】
次に、本発明の第３実施形態について説明する。【００５８】
第３実施形態では、導波路スタブが共振器を含み、導波路スタブの屈折率のチューニングをその共振器で共振した光で行う。【００５９】
図８は、本発明の第３実施形態を説明するためのフォトニック結晶体の模式図である。【００６０】
図８に示されたフォトニック結晶体は、導波路スタブを成し、テーパ構造を含む導波路の少なくとも一部において、テーパ構造を成す導波路の欠陥を構成する誘電体柱の断面積が、前記導波路から遠ざかる向きに、徐々に減少する。【００６１】
具体的には、導波路スタブの一部であるテーパ導波路４８において、線欠陥５０の誘電体柱４９の断面積が、導波路４０から遠くなるにつれて、小さくなっている。【００６２】
導波路４５は、テーパ導波路４８と構造が連続している。導波路４５の線欠陥４７の誘電体柱４６の断面積は、導波路４０の線欠陥４３の誘電体柱４２の断面積に比べて小さい。そのため、導波路４５は、導波路４０の透過帯域の上限の周波数をｆ１とすると、周波数ｆ１よりも高い周波数の光を導波することができる。導波路４５の透過帯域の上限の周波数をｆ２とすると、導波路４５の長さを適当に調節することによって、ｆ１〜ｆ２の間の周波数、例えばｆ３の周波数を有する光が導波路４５とで共振を起こす。【００６３】
周波数ｆ３の光は、導波路４０を透過することができないため、周波数ｆ３を透過する導波路５５を共振器となる導波路４５の近傍に設置する。【００６４】
導波路５５は、導波路４５と同じか同程度の断面積の誘電体柱の線欠陥５６を有する。導波路５５を伝搬して来た光が極僅かに導波路４５に漏れて入り、その光が導波路４５の両端で反射され、同じ位相で重なり合うことによって、光のエネルギーが導波路４５に蓄積される。即ち、共振が生じる。【００６５】
導波路４５を導波路４０や導波路５５から適当に離すことによって、共振器が光を閉じ込める強さの目安であるＱ（キュー）値を十分に大きくすることができる。即ち、導波路４５に蓄積される光の強度を、導波路５５を導波されてくる周波数ｆ３の光のＱ倍とすることができる。Ｑ値は、数千から数万以上にもすることができるので、小さな強度の周波数ｆ３の光を入射すれば、高強度の光エネルギーが導波路４５に蓄積されることになる。【００６６】
強い光が導波路４５に存在することになる結果、導波路４５では、３次の非線形効果が大きくなって無視できない程度に屈折率が変化する。または、導波路４５が光を僅かでも吸収する場合には、導波路４５に蓄積された高強度の光のエネルギーの一部が吸収されて熱に変わり、導波路４５を加熱することによって、熱光学効果により屈折率が変化する。【００６７】
一方、導波路４０の透過帯域の光は、導波路４８や導波路４５も透過するため、導波路４５と導波路４８がスタブとして動作し、導波路４０は、図３や図４の透過特性と同様の周期的な透過特性を示す。【００６８】
図８のフォトニック結晶体の場合、導波路４５の導波光は、導波路４０の導波光に比べて、群速度が大きくなるため、第１実施形態の場合のように、導波路スタブを小さくできる効果は利用できない。しかし、導波路５５から入射された周波数ｆ３の光によって、導波路４５の屈折率を変調することにより、導波路４０の透過特性を短波長側、又は長波長側にシフトさせることができる。すなわち、図８のフォトニック結晶体は、光制御が可能な可変光フィルタとして動作させることができる。また、それを利用した光制御の光スイッチとして動作させることができる。【００６９】
導波路４０の導波光は、導波路４５まで侵入するが、導波路４８がテーパ導波路となっているため、接続部５１や５２で反射されることはない。そのため、導波路４０から導波路４５にまで侵入した光は、その端で反射されると、途中で反射されて戻ることなく、導波路４０まで戻るので、導波路４５で共振を生じず、導波路４５から導波路５５への漏れ光の強度は、導波路４０を透過する光の強度の１／Ｑ程度に止まる。【００７０】
なお、テーパ導波路４８は、線欠陥５０の欠陥を構成する誘電体柱４９の断面積が、導波路４０から遠ざかる向きに、階段状に減少してもよい。また、徐々に減少する部分と階段状に増加する部分とを含んでもよい。【００７１】
図８のフォトニック結晶体は、フォトニック結晶を基本とした構造であるが、第３実施形態は、一般的に、フォトニック結晶体に限らず、導波路スタブの一部又は全部が、前記導波路の導波帯域以外の周波数の光に対して共振する共振器として動作することを特徴としているということができる。【００７２】
第３実施形態では、フォトニック結晶のバンドギャップ内に周波数を有する光を導波可能であって、共振器の共振周波数の光を導波可能な導波路を共振器の近傍に備え、その近接する共振器と導波路とは、光学的に結合している。【００７３】
図８のフォトニック結晶体を２つ以上含み、それらの個々のフォトニック結晶体に含まれるそれぞれの制御光用の導波路（図８の導波路５５に相当する導波路）が同一であるか、又は互いに接続されているようにすることもできる。【００７４】
このようにすると、同一波長の制御光で複数の導波路スタブの屈折率を変化させることができる。【００７５】
また、各スタブの共振周波数を別々にしておけば、制御用の導波路に通す光の周波数を１つ又は複数選択することにより、屈折率を変化させる導波路スタブを選択することができる。【００７６】
なお、図８のフォトニック結晶体では、導波路スタブが、導波路４０から遠くなるにつれて断面積の減少する線欠陥誘電体柱の列のみを含んでいるが、それに限らない。例えば、導波路４５に続けて、導波路４０から遠くなるにつれて断面積の増加する線欠陥誘電体柱の列を含むテーパ導波路を加えても良い。当該実施形態は、第１実施形態と第３実施形態とを組み合わせた場合の形態である。【００７７】
更に本発明は、上記各実施形態に限定されるものではない。上記各実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。【００７８】
以上、実施例を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施例に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。【００７９】
この出願は、２００８年１月１１日に出願された日本出願特願２００８−３８５６、並びに２００８年６月１２日に出願された日本出願特願２００８−１５４１３６を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
【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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【手続補正書】
【提出日】平成21年3月5日(2009.3.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フォトニック結晶と、
前記フォトニック結晶のバンドギャップ内に周波数を有する光を導波可能な前記フォトニック結晶中の第１の導波路と、
前記第１の導波路中の光を制御するために接続された導波路スタブとを含むフォトニック結晶体。
【請求項２】
請求項１に記載のフォトニック結晶体において、
前記導波路スタブは、テーパ構造を含む導波路であるフォトニック結晶体。
【請求項３】
請求項２に記載のフォトニック結晶体において、
前記導波路スタブは、前記第１の導波路の側壁から直角に伸びているフォトニック結晶体。
【請求項４】
請求項３に記載のフォトニック結晶体において、
前記フォトニック結晶は、周期的な格子を備え、
前記第１の導波路は、前記周期的な格子中に第１の欠陥を備え、
前記導波路スタブは、前記周期的な格子中に少なくとも１つの第２の欠陥を備えているフォトニック結晶体。
【請求項５】
請求項４に記載のフォトニック結晶体において、
前記フォトニック結晶の前記周期的な格子は、相対的に低屈折率の媒質中に配置された高屈折率の誘電体柱の格子であるフォトニック結晶体。
【請求項６】
請求項４または請求項５に記載のフォトニック結晶体において、
前記フォトニック結晶の前記周期的な格子は正方格子であるフォトニック結晶体。
【請求項７】
請求項４乃至６のいずれか１項に記載のフォトニック結晶体において、
前記第１の欠陥は、前記フォトニック結晶の周期的な格子を構成する誘電体中の断面積に比べて、断面積の小さい誘電体柱であるフォトニック結晶体。
【請求項８】
請求項４乃至６のいずれか１項に記載のフォトニック結晶体において、
前記第２の欠陥は、前記フォトニック結晶の周期的な格子を構成する誘電体中の断面積に比べて、断面積の小さい誘電体柱であるフォトニック結晶体。
【請求項９】
請求項７または請求項８に記載のフォトニック結晶体において、
前記テーパ構造を含む導波路の少なくとも一部において、前記第２の欠陥を構成する誘電体柱の断面積が、前記導波路から遠ざかる向きに徐々に増加するフォトニック結晶体。
【請求項１０】
請求項７または請求項８に記載のフォトニック結晶体において、
前記テーパ構造を含む導波路の少なくとも一部において、前記第２の欠陥を構成する誘電体柱の断面積が、前記導波路から遠ざかる向きに階段状に増加するフォトニック結晶体。
【請求項１１】
請求項７または請求項８に記載のフォトニック結晶体において、
前記テーパ構造を含む導波路の少なくとも一部において、前記第２の欠陥を構成する誘電体柱の断面積が、前記導波路から遠ざかる向きに、徐々に増加する部分と階段状に増加する部分とを含むフォトニック結晶体。
【請求項１２】
請求項１乃至１１のいずれか１項に記載のフォトニック結晶体において、
前記導波路スタブを構成する材料の屈折率又は吸収係数を調節するチューナを有するフォトニック結晶体。
【請求項１３】
請求項１２に記載のフォトニック結晶体において、
前記チューナは、温度調節器であるフォトニック結晶体。
【請求項１４】
請求項１２に記載のフォトニック結晶体において、
前記チューナは、電界強度調節器であるフォトニック結晶体。
【請求項１５】
請求項１２に記載のフォトニック結晶体において、
前記チューナは、電流調節器であるフォトニック結晶体。
【請求項１６】
請求項７乃至１１のいずれか１項に記載のフォトニック結晶体において、
前記テーパ構造を含む導波路の少なくとも一部において、前記第２の欠陥を構成する誘電体柱の断面積が、前記導波路から遠ざかる向きに徐々に減少するフォトニック結晶体。
【請求項１７】
請求項７乃至１１のいずれか１項に記載のフォトニック結晶体において、
前記テーパ構造を含む導波路の少なくとも一部において、前記第２の欠陥を構成する誘電体柱の断面積が、前記導波路から遠ざかる向きに階段状に減少するフォトニック結晶体。
【請求項１８】
請求項７乃至１１のいずれか１項に記載のフォトニック結晶体において、
前記テーパ構造を含む導波路の少なくとも一部において、前記第２の欠陥を構成する誘電体柱の断面積が、前記導波路から遠ざかる向きに、徐々に減少する部分と階段状に増加する部分とを含むフォトニック結晶体。
【請求項１９】
請求項１に記載のフォトニック結晶体において、
前記導波路スタブの一部又は全部が、前記導波路の導波帯域以外の周波数の光に対して共振する共振器として動作するフォトニック結晶体。
【請求項２０】
請求項１９に記載のフォトニック結晶体において、
前記フォトニック結晶のバンドギャップ内に周波数を有する光を導波可能であって、かつ前記共振器の共振周波数の光を導波可能な第２の導波路を、前記共振器の近傍に備え、
前記共振器と前記第２の導波路とは、光学的に結合しているフォトニック結晶体。
【請求項２１】
請求項２０に記載のフォトニック結晶体において、
前記共振器を２つ以上含み、それらの個々の共振器に隣接するそれぞれの前記第２の導波路が同一であるか、又は互いに接続されているフォトニック結晶体。
【請求項２２】
請求項１乃至２１のいずれか１項に記載のフォトニック結晶体を含むフィルタ。
【請求項２３】
請求項１乃至２１のいずれか１項に記載のフォトニック結晶体を含む光スイッチ。
【請求項２４】
請求項１乃至２１のいずれか１項に記載のフォトニック結晶体を含む光強度変調器。
【国際調査報告】
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