(57)【要約】【課題】  光結合効率が高く、複数の波長成分を光結合でき、アライメントが容易な光コネクタを提供する。【解決手段】  光素子に外部光学系から光を入射させ、あるいは光素子から光を外部光学系に出射するために用いる光コネクタであって、屈折率周期構造を有するフォトニック結晶を具備し、そのフォトニック結晶中に光素子と光結合される光導波路１３と、フォトニック結晶の屈折率周期ａの４周期長以下の距離で欠陥１４が配列されてなる領域１５とを形成する。領域１５は外部光学系からの入射波長以上あるいは外部光学系への出射波長以上の大きさとされ、領域１５を介して外部光学系と光導波路１３とが光結合される。【選択図】  図１
2006251063.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光素子に外部光学系から光を入射させ、あるいは光素子から光を外部光学系に出射するために用いる光コネクタであって、
屈折率周期構造を有するフォトニック結晶を具備し、
そのフォトニック結晶中に上記光素子と光結合される光導波路と、フォトニック結晶の屈折率周期の４周期長以下の距離で欠陥が配列されてなる領域とが形成され、
その領域を介して上記外部光学系と光導波路とが光結合され、
上記領域は上記外部光学系からの入射波長以上あるいは上記外部光学系への出射波長以上の大きさとされていることを特徴とする光コネクタ。
【請求項２】
請求項１記載の光コネクタにおいて、
上記欠陥が周期配列されていることを特徴とする光コネクタ。
【請求項３】
請求項１又は２記載の光コネクタにおいて、
上記光導波路はその一端が上記領域に結合されていることを特徴とする光コネクタ。
【請求項４】
請求項１又は２記載の光コネクタにおいて、
上記光導波路は上記領域を貫通していることを特徴とする光コネクタ。
【請求項５】
請求項１又は２記載の光コネクタにおいて、
上記光導波路は上記領域に隣接していることを特徴とする光コネクタ。
【請求項６】
請求項３乃至５記載のいずれかの光コネクタにおいて、
上記光導波路が複数設けられていることを特徴とする光コネクタ。
【請求項７】
屈折率周期構造を有するフォトニック結晶中に光導波路と、複数の欠陥が配列されてなる領域とを形成し、
上記領域に対向配置した１本の光ファイバから上記領域に複数の波長成分を含む光を入射し、
その入射光が含む複数の波長成分を上記領域から上記光導波路に光結合させることを特徴とする光結合方法。
【請求項８】
屈折率周期構造を有するフォトニック結晶中に光導波路と、複数の欠陥が配列されてなる領域とを形成し、
上記光導波路を伝播する光が含む複数の波長成分を上記領域に光結合させ、
上記領域に対向配置した１本の光ファイバに上記領域から上記複数の波長成分を出力させることを特徴とする光結合方法。
【請求項９】
請求項１乃至６記載のいずれかの光コネクタを具備することを特徴とする光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は例えば光ファイバに代表される外部光学系とフォトニック結晶を用いた光素子との光結合に適用可能なフォトニック結晶を用いた光コネクタ及び光結合方法に関し、さらにその光コネクタを具備する光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
屈折率の異なる２種類以上の物質が周期的に配列されてなるフォトニック結晶は、光のふるまいを高度に制御することができる材料として注目されている。フォトニック結晶を用いると、波長以下の空間領域に効率よく光を閉じ込めたり、急峻な角度であっても低損失で光の進行を曲げたりすることができるため、光素子の大きさを従来と比較して非常に小さくすることができる。光の閉じ込めは３次元フォトニック結晶を用いれば最も効率よく行えるが、光通信波長帯のような１μｍオーダの微細な周期構造を精密に作製することが現状の加工技術では困難なことから、２次元フォトニック結晶のデバイスへの応用検討が進んでいる。
【０００３】
２次元フォトニック結晶の屈折率周期構造は例えばシリコンのような高屈折率材料中に空気のような低屈折率材料からなる円柱孔（円柱形状をなす孔）を正方格子状または三角格子状に配列することによって構成される。このような周期構造によりフォトニックバンドギャップが形成され、面内光は光の伝播が制御される。一方、面内方向と垂直な上下方向への光の伝播は２次元周期構造では制御することができないので、２次元周期構造体をスラブ形状にして上下に例えば空気等の低屈折率材料からなる層を設けるといったことが行われ、これにより上下方向は屈折率差による全反射により光を閉じ込めることができるものとなる。
【０００４】
このような２次元フォトニック結晶スラブの屈折率周期構造に線状の欠陥（低屈折率材料からなる円柱孔が欠損した列）を導入すると、面内方向は周期構造により、また上下方向は全反射により、光を低損失で伝播させることが可能な光導波路を形成することができる。従って、光導波路と光フィルタなどの光機能要素をフォトニック結晶中に集積することにより、超小型の光集積回路を形成できるものと期待されている。
ところで、フォトニック結晶を用いた光素子を実用化するためには、光ファイバ等の外部光学系との光結合を行うことが必要となる。２次元フォトニック結晶スラブの光導入部としては上述した線状欠陥光導波路が一般的であり、この線状欠陥光導波路部分に外部から光を結合させる方法として、２次元フォトニック結晶スラブの面外からスラブ面に垂直に光を入射してスラブ面内へ光結合させる技術が特許文献１に開示されている。
【０００５】
即ち、特許文献１では２次元フォトニック結晶スラブ中に屈折率周期配列を乱す点状欠陥を導入し、その点状欠陥を介して光を線状欠陥光導波路へ入力する方法さらには線状欠陥光導波路から点状欠陥を介して光を外部へ出力する方法が記載されている。点状欠陥は屈折率周期構造を形成する円柱孔（空気孔）の直径を変えたものであって、点状欠陥を介して入出力することができる光は点状欠陥の形状（直径）によって決まる特定波長の光に限られる。従って、形状が異なる複数の点状欠陥をフォトニック結晶中に導入すると、それぞれの点状欠陥を介して異なる波長の光を線状欠陥光導波路に入力あるいは線状欠陥光導波路から出力させることができる。
【特許文献１】特開２００１−２７２５５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、特許文献１に記載されているような２次元フォトニック結晶スラブ中に点状欠陥を導入し、その点状欠陥を介してスラブ面と垂直方向から光結合させる方法では、点状欠陥のサイズ（例えば直径０．５μｍ程度）が光ファイバ等の外部光学系のモードサイズ（例えば１０μｍ程度）と比べて非常に小さいため、光結合効率が極めて小さくなるという問題があった。また、点状欠陥の形状制御により単一の波長のみを選択的に結合させることを目的としているため、例えば１本の光ファイバから複数の波長成分を含む光を光導波路に結合させることができないという問題があった。さらに、２次元フォトニック結晶スラブの面内方向における光ファイバの位置を点状欠陥が位置する場所に正確にアライメントする必要があるという問題があった。
【０００７】
即ち、外部光学系の光モードサイズとの大きさの違いに起因する光結合効率の低さを改善し、かつ１本の光ファイバにより複数の波長成分を２次元フォトニック結晶スラブの線状欠陥光導波路に結合させ、さらに数μｍ以上光ファイバと２次元フォトニック結晶スラブとの相対位置がずれても光結合効率が一定でアライメントが容易な光コネクタあるいは光結合方法は提案されていない。
この発明の目的はこのような問題に鑑み、フォトニック結晶を用いるものであって、例えば光ファイバのようなモード径の大きい外部光学系との間の光結合効率を従来より高めることができ、かつ複数の波長成分の光結合を可能とし、さらには外部光学系とのアライメント精度を従来より大幅に緩和できるようにした光コネクタ及び光結合方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明によれば、光素子に外部光学系から光を入射させ、あるいは光素子から光を外部光学系に出射するために用いる光コネクタは、屈折率周期構造を有するフォトニック結晶を具備し、そのフォトニック結晶中に光素子と光結合される光導波路と、フォトニック結晶の屈折率周期の４周期長以下の距離で欠陥が配列されてなる領域とが形成され、その領域を介して外部光学系と光導波路とが光結合され、上記領域は外部光学系からの入射波長以上あるいは外部光学系への出射波長以上の大きさとされる。
また、この発明による光結合方法によれば、屈折率周期構造を有するフォトニック結晶中に光導波路と、複数の欠陥が配列されてなる領域とを形成し、その領域に対向配置した１本の光ファイバから領域に複数の波長成分を含む光を入射し、その入射光が含む複数の波長成分を上記領域から光導波路に光結合させる、あるいは光導波路を伝播する光が含む複数の波長成分を上記領域に光結合させ、その領域に対向配置した１本の光ファイバに領域から上記複数の波長成分を出力させる。
【発明の効果】
【０００９】
この発明によれば、光ファイバのようなモード径が大きい外部光学系からの光をフォトニック結晶光導波路に結合させる場合の光結合効率を従来より高めることができる。また、従来においては欠陥からは単一の波長のみしか光結合できなかったが、この発明では欠陥が配列されてなる入射波長以上あるいは出射波長以上の大きさの領域を介して複数の波長成分の光結合が可能となる。さらに、従来より光結合のアライメントを容易に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
この発明の実施形態を図面を参照して実施例により説明する。なお、いずれの実施例においても２次元フォトニック結晶スラブを用いるものとなっており、まず最初に２次元フォトニック結晶スラブの作製方法について順を追って説明する。
(1) シリコン上に酸化膜とシリコン膜とが積層されたＳＯＩ（silicon on insulator）基板を用意する。
(2) ＳＯＩ基板表面のシリコンを熱酸化し、酸化膜を形成する。
(3) この酸化膜上にレジストを塗布し、電子ビーム露光で三角格子配列パターンを露光する。パターン中には線状の欠陥と点状の複数の欠陥を含む構成となっている。
(4) レジストを現像し、現像したパターンをマスクとして酸化膜をドライエッチングする。
(5) 次に、レジストを除去し、酸化膜をマスクとしてシリコンをドライエッチングした後、酸化膜をウェットエッチングにより除去する。これにより、シリコン中に円柱状の空気孔が三角格子状に配列された２次元フォトニック結晶スラブが得られる。
(6) さらに、下地の酸化膜層をウェットエッチングにより除去する。その結果、上下が空気層で挟まれたシリコンの２次元フォトニック結晶スラブが完成する。
【実施例１】
【００１１】
線状欠陥光導波路とそれに近接する複数の点状欠陥（欠陥孔）を形成した２次元フォトニック結晶スラブを図１及び図２に示す。２次元フォトニック結晶スラブはシリコンのスラブ１１に三角格子状に空気孔（円柱孔）１２が配列されており、空気孔１２の配列周期ａ、直径ｄ０及びスラブ１１の厚さｔは、
ａ＝０．４２μｍ，ｄ０＝０．２４４μｍ，ｔ＝０．２５６μｍ
である。
線状欠陥光導波路１３は空気孔１２が１列欠損されてなるもので、この線状欠陥光導波路１３の近傍にフォトニック結晶の周期構造を乱す点状欠陥１４を５個近接して配置した。５個の点状欠陥１４は図１、２に示すように十字状をなすように配置され、線状欠陥光導波路１３から１列目、３列目及び５列目の空気孔１２の位置に、それぞれ空気孔１２の径を変えることによって形成されている。なお、３列目に位置する３個の点状欠陥１４各間の距離は２周期長（２ａ＝０．８４μｍ）であり、５個の点状欠陥１４の直径ｄ１はいずれも０．４７μｍである。
【００１２】
フォトニックバンドギャップとフォトニックバンドギャップ中に存在する欠陥の準位をＦＤＴＤ法（Finite Difference Time Domain Method）による３次元のシミュレーションにより調べた。その結果、フォトニックバンド中に複数のピークが存在することがわかった。その中で、λ１＝１．５４３μｍの波長を入射光波長として選択した。２次元フォトニック結晶スラブの面内方向と垂直な方向から複数の点状欠陥１４が存在する領域１５にλ１＝１．５４３μｍの波長のガウシアンビームを入射し、この入射光の線状欠陥光導波路１３への光結合効率を調べた。図１、２中、矢印２１は入射光を示し、２２は出力光を示す。なお、領域１５の大きさは入射波長λ１＝１．５４３μｍより大きい。
【００１３】
光結合効率は線状欠陥光導波路１３の両端面から出力される出力光２２の光強度の合計と、入射光２１の強度との比とした。計測にはＦＤＴＤ法による３次元のシミュレーションを用いた。入射光２１のビームサイズ（ビーム径）と光結合効率の関係を調べた結果を図３に示す。その結果、計測したビームサイズの範囲において、光結合効率はビームサイズの増大に伴い、ゆるやかに減少した。光ファイバのコア径はシングルモードファイバで６〜１０μｍ程度であり、この光ファイバのコア径と同等の大きさである６．７μｍのビームサイズにおける光結合効率は約０．４％であった。
【実施例２】
【００１４】
実施例２は実施例１において５個の点状欠陥１４の形状を同一としたのに対し、それら５個の点状欠陥１４の形状を同一とせず、変えたものであって、５個の点状欠陥１４の形状が異なることを除いて、実施例１と同様に２次元フォトニック結晶スラブを作製した。その構成を図４に示す。
点状欠陥１４の形状は線状欠陥光導波路１３から１列目に位置する点状欠陥１４の直径ｄ１を０．４９μｍ、３列目に位置する３個の点状欠陥１４の直径ｄ２を０．４７μｍ、５列目に位置する点状欠陥１４の直径ｄ３を０．４６μｍとした。
【００１５】
フォトニックバンドギャップとフォトニックバンドギャップ中に存在する欠陥の準位を実施例１と同様、ＦＤＴＤ法による３次元のシミュレーションにより調べた。その結果、フォトニックバンド中に複数のピークが存在することがわかった。その中で、λ１＝１．５２０μｍの波長を入射光波長として選択し、実施例１と同様にして光結合効率を調べた。６．７μｍのビームサイズにおける光結合効率は約０．４％であった。点状欠陥１４の形状をすべて同一とした実施例１と比較して、結合波長λ１を変化させることができることがわかった。
【実施例３】
【００１６】
実施例３は５個の点状欠陥１４の配置を実施例１のような十字配置ではなく、図５に示したような配置にしたものであって、この配置を除いて、実施例１と同様に２次元フォトニック結晶スラブを作製した。
点状欠陥１４の直径ｄ１はいずれも０．４７μｍで、点状欠陥１４同士の距離をＬとし、この距離Ｌをこの例ではフォトニック結晶の屈折率周期ａの２周期分の長さ（２ａ＝０．８４μｍ）から７周期分の長さ（７ａ＝２．９４μｍ）の間で変化させ、フォトニックバンドギャップ中に形成される欠陥準位を実施例１と同様にして調べた。
【００１７】
その結果、距離Ｌが４周期長（４ａ＝１．６８μｍ）より大きい場合には点状欠陥１４を１個ずつ５箇所に導入した場合の単なる重ね合わせで説明できることがわかった。一方、４周期長以下では点状欠陥１４を１個ずつ５箇所に導入した場合と比べて欠陥準位がシフトし、点状欠陥１４の間に相互作用が生じることがわかった。また、ビームサイズが６．７μｍのガウシアンビームを入射した場合の光結合効率を調べると、距離Ｌが４周期長より大きくなると点状欠陥１４が１個孤立して存在する場合と同等の０．０２％（波長λ１＝１．５８７μｍ）であったが、４周期長以下になると距離Ｌが小さくなるにつれて光結合効率が上昇し、距離Ｌが２周期長では光結合効率は約０．３％（波長λ１＝１．５５８μｍ）であった。
【実施例４】
【００１８】
実施例１と同様の２次元フォトニック結晶スラブ中に、図６のように線状欠陥光導波路１３と３１個の点状欠陥１４を形成した。３１個の点状欠陥１４は三角格子状に周期的に配列され、線状欠陥光導波路１３に沿う方向に配置されている。点状欠陥１４の配列周期は０．８４μｍ（＝２ａ）で直径ｄ１はいずれも０．４７μｍとした。ガウシアンビームをスラブ面と垂直方向から点状欠陥１４が配列されている領域１５に入射した。波長λ１＝１．５０１μｍ、ビームサイズが２．５μｍの時、光結合効率は０．７％であった。図６中、２３は入射ビームを示す。なお、ビームサイズ２．５μｍは例えば先球ファイバから出射されるビームサイズに相当する。
【００１９】
図７〜９は図６に対し、点状欠陥１４が周期配列されている領域１５と線状欠陥光導波路１３との位置関係が異なる例をそれぞれ示したものであり、即ち図６では点状欠陥１４が周期配列された領域１５に１本の線状欠陥光導波路１３が隣接しているのに対し、図７では領域１５を１本の線状欠陥光導波路１３が貫通した構成となっている。また、図８では領域１５に１本の線状欠陥光導波路１３が結合しており、つまり領域１５に１本の線状欠陥光導波路１３の内端が結合された構成となっており、図９では領域１５の両側に２本の線状欠陥光導波路１３がそれぞれ隣接した構成となっている。
【００２０】
これら図７〜９に示した構成に対し、図６の場合と同様に、波長λ１＝１．５０１μｍ、ビームサイズが２．５μｍのガウシアンビームを領域１５のほぼ中央に入射し、光結合効率を調べた。光結合効率はすべての線状欠陥光導波路１３から出力する光の合計強度（例えば図９では４箇所から出力する光の合計強度）と入射光強度との比とした。光結合効率は図７の場合で０．２％、図８の場合で０．１％、図９の場合で０．４％であった。
なお、点状欠陥１４が周期配列された領域１５と線状欠陥光導波路１３との配置関係はこれら図６〜９に示した例に限らず、各種構成を必要に応じて採用することができる。図１０〜１２はそれらを例示したものであり、図１０では点状欠陥１４が配列されてなる領域１５を２本の線状欠陥光導波路１３が貫通したものとなっており、図１１では領域１５に対し、６本の線状欠陥光導波路１３が結合したものとなっている。また、図１２では領域１５を１本の線状欠陥光導波路１３が貫通し、さらに２本の線状欠陥光導波路１３が領域１５に結合したものとなっている。このように領域１５に対し、複数の線状欠陥光導波路１３が貫通したり、結合したり、隣接したりしてもよく、さらにはそれらが混在していてもよい。なお、図１０〜１２では領域１５内の点状欠陥１４の周期配列の詳細図示を省略している。
【実施例５】
【００２１】
実施例５は実施例１の２次元フォトニック結晶スラブにおいて、欠陥準位をシミュレーションにより調べた結果、複数のピークが存在していたことから、その中でλ１＝１．５４３μｍの波長（実施例１と同様）とλ２＝１．５８１μｍの波長を入射光波長として選択し、それら２つの波長λ１，λ２のガウシアンビームを５個の点状欠陥１４が存在する領域１５に入射し、線状欠陥光導波路１３への光結合効率を調べたものである。図１３は波長λ１，λ２の複数波長の入射光２１が１本の光ァイバ３１により入射される様子を示したものであり、２次元フォトニック結晶スラブは図１と同一構成である。
【００２２】
ビームサイズと光結合効率の関係を調べた結果を図３に示す。その結果、実施例１で説明した波長λ１＝１．５４３μｍの場合と同様、波長λ２＝１．５８１μｍの場合も計測したビームサイズの範囲において光結合効率はビームサイズの増大に伴い、ゆるやかに減少した。しかしながら、ビームサイズによらず、いずれの波長も線状欠陥光導波路１３に結合することがわかった。６．７μｍのビームサイズにおける波長λ１＝１．５４３μｍの光結合効率は約０．４％であり、波長λ２＝１．５８１μｍの光結合効率は約０．１５％であった。
【実施例６】
【００２３】
実施例４における図６に示した構成の２次元フォトニック結晶スラブを用い、点状欠陥１４の線状欠陥光導波路１３に沿った配列方向をＸとして、Ｘ方向に入射光の入射位置を変化させた時の入射光の線状欠陥光導波路１３への光結合効率を調べた。入射光は波長λ１＝１．５０１μｍ、ビームサイズ２．５μｍのガウシアンビームとした。
結果を図１５に示す。点状欠陥１４が周期配列されている領域１５において、即ちＸ＝−３．３６μｍからＸ＝＋３．３６μｍの範囲において、光結合効率はほぼ一定の０．７％であった。
【実施例７】
【００２４】
２次元フォトニック結晶スラブによるフォトニック結晶フィルタ（光素子）に２次元フォトニック結晶スラブによる光コネクタ（光結合部）が一体的に形成されてなるデバイスの例を図１６及び図１７にそれぞれ示す。図１６、１７中、４１はコネクタ部を示し、４２はフィルタ部を示す。
フィルタ部４２は線状欠陥光導波路４３中に共振構造として点状の欠陥孔４４，４５が形成されている。コネクタ部４１は図１６では図８に示した構成と同様とされ、点状欠陥１４が周期配列された領域１５に１本の線状欠陥光導波路１３が結合され、この線状欠陥光導波路１３がフィルタ部４２の線状欠陥光導波路４３に直角に結合されている。
【００２５】
一方、図１７ではコネクタ部４１は図９に示した構成と同様とされ、２本の線状欠陥光導波路１３に挟まれた領域１５に点状欠陥１４が周期配列されている。２本の線状欠陥光導波路１３はＹ字状をなす線状欠陥光導波路４６を介し、１本に結合されてフィルタ部４２の線状欠陥光導波路４３に結合されている。これら図１６や図１７に示したデバイスはコネクタ部４１とフィルタ部４２とを同時プロセスにより作製することができるため、コネクタ部４１とフィルタ部４２とは微細加工の精度で自動的に位置合わせされる。以下、図１７に示したデバイスを例に説明する。
【００２６】
フォトニック結晶スラブ面に垂直方向から光ファイバにより領域１５に波長λ１＝１．５０１μｍと波長λ２＝１．５６６μｍの光からなるガウシアンビームを入射した。入射した光は領域１５にある周期配列された複数の点状欠陥１４を介して線状欠陥光導波路１３に結合し、フィルタ部４２に導かれる。２種類の波長λ１，λ２の光はフィルタ部４２により選別され、波長λ１＝１．５０１μｍの光と波長λ２＝１．５６６μｍの光は出力光２４，２５に示したようにスラブ１１の面内方向のそれぞれ異なる位置に出力される。コネクタ部４１は多数の点状欠陥１４が周期配列され、光ファイバの位置（入射ビーム２３の位置）が図中、Ｘ方向に数μｍずれても実施例４において説明したように、光結合効率がほとんど変化しないため、アライメントが容易となっている。
【００２７】
図１８は図１７に示したようなコネクタ部４１とフィルタ部４２とよりなるデバイス４０に光ファイバ３１，３２が実装される様子を模式的に示したものであり、２次元フォトニック結晶スラブよりなるデバイス４０のスラブ面に垂直な方向に入力用の光ファイバ３１を、またスラブ面内と平行な方向に出力用の光ファイバ３２が固定された光モジュールとなっている。図１８中、３１ａ，３２ａは光ファイバコアを示す。なお、出力光２５側の光ファイバの図示は省略している。光ファイバ３１，３２の径Ｄは例えば１２５μｍであり、スラブ状（方形板状）をなすデバイス４０の大きさの一例を示せば、Ａ＝２００μｍ，Ｂ＝１５０μｍ程度とすることができる。
［比較例１］
点状欠陥が１個である点を除いて、実施例１と同様に２次元フォトニック結晶スラブを作製した。その構成を図１９及び図２０に示す。
【００２８】
点状欠陥１４の直径ｄ１は０．４７μｍで線状欠陥光導波路１３から３列目の位置に配置した。フォトニックバンドギャップとフォトニックバンドギャップ中に存在する欠陥の準位をＦＤＴＤ法による３次元シミュレーションにより調べた。その結果、フォトニックバンド中に波長λ１＝１．５８７μｍの単一のピークが存在することがわかった。
波長λ１＝１．５８７μｍのガウシアンビームを点状欠陥１４の上方からスラブ面に垂直に入射し、ビームサイズと線状欠陥光導波路１３への光結合効率との関係を調べた。結果を図３に示す。光結合効率はビームサイズが大きくなると共に急激に減少し、ビームサイズが６．７μｍの場合の光結合効率は０．０２％であった。
［比較例２］
点状欠陥が２個である点を除いて、実施例１と同様に２次元フォトニック結晶スラブを作製した。その構成を図２１に示す。
【００２９】
２個の点状欠陥１４，１４′の直径ｄ１，ｄ２はそれぞれ０．４７μｍと０．４８μｍで、線状欠陥光導波路１３から３列目の位置に、線状欠陥光導波路１３と平行に６周期長（６ａ＝２．５２μｍ）離して配置した。フォトニックバンドギャップとフォトニックバンドギャップ中に存在する欠陥の準位をＦＤＴＤ法による３次元のシミュレーションにより調べた。その結果、フォトニックバンド中に点状欠陥１４に起因する波長λ１＝１．５８７μｍのピークと点状欠陥１４′に起因する波長λ２＝１．５６３μｍのピークが存在することがわかった。これらの波長λ１，λ２は点状欠陥１４と１４′をそれぞれ単独に形成した場合の波長と一致していた。
【００３０】
波長λ１＝１．５８７μｍとλ２＝１．５６３μｍの２つの波長を含むガウシアンビームを点状欠陥１４，１４′の上方からスラブ面に垂直に入射し、線状欠陥光導波路１３への光結合効率を調べた。ビームサイズが６．７μｍの場合の光結合効率は波長λ１＝１．５８７μｍ、波長λ２＝１．５６３μｍ共に０．０１％であった。
実施例１及び比較例１を参照すると、次のことがわかる。
図３から明らかになったように、比較例１では光結合効率はビームサイズが増大すると共に急激に減少する一方、実施例１ではゆるやかに減少するため、ビームサイズが約１．５μｍ以上では実施例１の方が光結合効率が高くなる。実際の光ファイバのコア径はシングルモードファイバで６〜１０μｍ程度であるが、このようなビームサイズ領域では点状欠陥（欠陥孔）を複数近接して形成する方が１個だけ形成する場合に比べて約１０倍光結合効率が大きいことがわかった。これは入射光との相互作用領域が複数の点状欠陥が近接して存在する場合の方が大きくなるためであると考えられる。
【００３１】
また、比較例１のように点状欠陥が単一で存在する場合には欠陥準位は１．５８７μｍにあるが、この比較例１の点状欠陥の周辺に複数の点状欠陥が存在する構成の実施例１では欠陥準位は１．５８７μｍには現れず、異なる波長位置に複数の準位が現れる。複数化するのは点状欠陥の数に対応して欠陥準位が増加するためであり、１．５８７μｍに欠陥準位が現れなくなるのは複数の点状欠陥が互いに近接して配置されていることによる相互作用のために欠陥準位同士が混成し、新たな準位が発生するためであると考えられる。
比較例２及び実施例５を参照すると、次のことがわかる。
【００３２】
比較例２では点状欠陥１４と点状欠陥１４′により異なる波長を線状欠陥光導波路に結合させている。この比較例２の構成では２つの点状欠陥が相互作用することなしに存在することが必要である。そのため、２つの点状欠陥は一定距離離れた位置に形成されている。それぞれの点状欠陥に対応した波長の線状欠陥光導波路への光結合効率のビームサイズ依存性はこれらの点状欠陥が単独で存在する場合（比較例１）と同じである。そのため、１本の光ファイバから２つ以上の波長成分をもつ光を入力しようとする場合においては、点状欠陥を複数近接して形成する場合（実施例５）より光結合効率は小さくなる。
【００３３】
以上のように、点状欠陥を複数個近接して導入すると、複数の点状欠陥同士の相互作用により線状欠陥光導波路への結合波長が複数化すること、入射ビームサイズが数μｍ以上の領域で光結合効率が点状欠陥を１個導入した場合より大きくなることといった効果が生じることがわかる。
また、実施例６から明らかになったように、ビームサイズ以上の大きさで光ファイバと点状欠陥が配列形成されているフォトニック結晶とのアライメント精度が緩和される構造は、複数の近接した点状欠陥をフォトニック結晶の周期性をうまく利用して形成して得られたものであり、本発明で初めて提案されたものである。
【００３４】
光結合させる波長は点状欠陥同士の距離や配置、点状欠陥の数やそれぞれの点状欠陥形状の組み合わせによって制御可能である。例えば、図２２に示したように直径ｄ１の２個の点状欠陥１４を導入する場合（直径が同じ２個の点状欠陥１４を導入した点を除いて、比較例１と同じ）、２個の点状欠陥１４の距離Ｌを近づけることにより、図２３に示したように結合波長を短波長側にシフトさせることができる。また、直径ｄ１を変化させることにより、結合波長をシフトさせることができる。図２３には例として、ｄ１＝０．４７μｍ，０．４７５μｍ，０．４８μｍの場合の距離Ｌと結合波長の関係を示した。
【００３５】
この図２３から、例えば１．５７μｍを結合波長として選択したい場合には、点状欠陥の直径ｄ１＝０．４７５μｍ、点状欠陥間の距離Ｌ＝４周期長（４ａ）とすればよいことがわかる。ここでは点状欠陥２個を導入した場合を例にあげたが、点状欠陥の数が３個以上の場合においても、点状欠陥間の距離や点状欠陥の大きさを制御することにより、任意の結合波長を得ることができる。また、図２２では点状欠陥１４の中心位置を格子点上に配置しているが、格子点からずらすことにより結合波長を制御することも可能である。なお、図２３より点状欠陥間の距離Ｌが５周期長（＝５ａ）以上の場合、結合波長は点状欠陥を１個導入した場合（比較例１）の１．５８７μｍ（ｄ１＝０．４７μｍ）と同じになり、点状欠陥同士の相互作用が起こらないこともわかる。
【００３６】
上述したように、点状欠陥の位置は母体となるフォトニック結晶の屈折率周期配列位置からずれていてもよい。また、２次元フォトニック結晶スラブの材質や屈折率周期構造はシリコンや三角格子配列を例に説明したが、フォトニックバンドギャップが存在する限りにおいて、特に限定されるものではなく、どのようなものであってもよい。
また、上述した実施例では光を外部から入力する例を示したが、光を外部へ出力する場合でも同様なフォトニック結晶構造と欠陥構造を用いることができる。なお、複数の点状欠陥が配列されてなる領域は外部光学系からの入射波長以上の大きさとされ、光を外部へ出力する場合には外部光学系への出射波長以上の大きさとされる。
【００３７】
この発明による光コネクタ及び光結合方法は結合損失が小さいことが重視される長距離の光伝送用素子などにも用いることができるが、短距離の伝送用であって光信号のオン・オフで作動する素子など、光強度が低くても動作し、光ファイバとのアライメント精度に光強度が依存しない点（実装コストが低い点）が重視される場合の用途により適したものである。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】この発明の実施例（線状欠陥光導波路と点状欠陥が５個近接して形成された２次元フォトニック結晶スラブよりなる光コネクタ）を示す斜視図。
【図２】図１の平面図。
【図３】入射ビームサイズと線状欠陥光導波路への光結合効率との関係を示すグラフ。
【図４】この発明の実施例（線状欠陥光導波路と大きさの異なる点状欠陥が５個近接して形成された２次元フォトニック結晶スラブよりなる光コネクタ）を示す平面図。
【図５】この発明の実施例（線状欠陥光導波路に沿って５個の点状欠陥が周期的に形成された２次元フォトニック結晶スラブよりなる光コネクタ）を示す平面図。
【図６】この発明の実施例（点状欠陥が周期配列された領域に１本の線状欠陥光導波路が隣接している２次元フォトニック結晶スラブよりなる光コネクタ）を示す平面図。
【図７】この発明の実施例（点状欠陥が周期配列された領域を１本の線状欠陥光導波路が貫通している２次元フォトニック結晶スラブよりなる光コネクタ）を示す平面図。
【図８】この発明の実施例（点状欠陥が周期配列された領域に１本の線状欠陥光導波路が結合している２次元フォトニック結晶スラブよりなる光コネクタ）を示す平面図。
【図９】この発明の実施例（点状欠陥が周期配列された領域の両側に２本の線状欠陥光導波路が隣接している２次元フォトニック結晶スラブよりなる光コネクタ）を示す平面図。
【図１０】この発明の実施例（点状欠陥が周期配列された領域を２本の線状欠陥光導波路が貫通している２次元フォトニック結晶スラブよりなる光コネクタ）を示す平面図。
【図１１】この発明の実施例（点状欠陥が周期配列された領域に６本の線状欠陥光導波路が結合している２次元フォトニック結晶スラブよりなる光コネクタ）を示す平面図。
【図１２】この発明の実施例（点状欠陥が周期配列された領域に対し、１本の線状欠陥光導波路が貫通し、２本の線状欠陥光導波路が結合している２次元フォトニック結晶スラブよりなる光コネクタ）を示す平面図。
【図１３】図１に示した２次元フォトニック結晶スラブに光ファイバから光が入力される様子を示す斜視図。
【図１４】図６に示した２次元フォトニック結晶スラブに対する入射ビームの位置を示す平面図。
【図１５】図１４に示した構成において、入射ビーム位置と線状欠陥光導波路への光結合効率との関係を示すグラフ。
【図１６】この発明の実施例（フォトニック結晶フィルタと光コネクタが一体形成されてなるデバイス）を示す平面図。
【図１７】この発明の実施例（フォトニック結晶フィルタと光コネクタが一体形成されてなるデバイス）を示す平面図。
【図１８】図１７のデバイスに光ファイバが集積化された光モジュールを模式的に示した斜視図。
【図１９】線状欠陥光導波路と点状欠陥が１個形成された２次元フォトニック結晶スラブ（従来例）を示す斜視図。
【図２０】図１９の平面図。
【図２１】線状欠陥光導波路と大きさの異なる２個の点状欠陥が距離をおいて形成された２次元フォトニック結晶スラブ（従来例）を示す平面図。
【図２２】線状欠陥光導波路と大きさが同じ２個の点状欠陥が形成された２次元フォトニック結晶スラブを示す平面図。
【図２３】図２２に示した構成において、点状欠陥径を変えた場合の点状欠陥間の距離と結合波長との関係を示すグラフ。
【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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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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