(57)【要約】【課題】構成が簡単であるため容易に作製することができ、小型化が可能な、垂直結合に適した導波路素子を提供する。【解決手段】１方向に屈折率周期性を有する積層体であり、屈折率周期方向に対して垂直である底面と、底面に対して傾斜している入射側傾斜面２ａおよび出射側傾斜面２ｂとを有する、コアであるフォトニック結晶２と、入射部３と、出射部４とを備えた導波路素子であって、入射部３がフォトニック結晶２の底面に光を入射させ、フォトニック結晶２中に入射された光５が、入射側傾斜面２ａで反射して、フォトニック結晶２中にブリルアンゾーン境界上のバンドによる伝播光８が生じ、伝播光８が出射側傾斜面２ｂで反射して、フォトニック結晶２の底面から光６が出射され、フォトニック結晶２から出射された光が出射部４に導かれる。【選択図】  図１
2006337574.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１方向に屈折率周期性を有する積層体であり、前記屈折率周期方向に対して垂直である底面と、前記底面に対して傾斜している入射側傾斜面および出射側傾斜面とを有する、コアであるフォトニック結晶と、入射部と、出射部とを備えた導波路素子であって、
前記入射部が前記フォトニック結晶の前記底面に光を入射させ、
前記フォトニック結晶中に入射された光が、前記入射側傾斜面で反射して、前記フォトニック結晶中にブリルアンゾーン境界上のバンドによる伝播光が生じ、
前記伝播光が前記出射側傾斜面で反射して、前記フォトニック結晶の前記底面から光が出射され、
前記フォトニック結晶から出射された光が前記出射部に導かれる導波路素子。
【請求項２】
１方向に屈折率周期性を有する積層体であり、前記屈折率周期方向に対して垂直である底面と、前記底面に対して傾斜している傾斜面とを有する、コアであるフォトニック結晶と、入射部とを備えた導波路素子であって、
前記入射部が前記フォトニック結晶の前記底面に光を入射させ、
前記フォトニック結晶中に入射された光が、前記傾斜面で反射して、前記フォトニック結晶中にブリルアンゾーン境界上のバンドによる伝播光が生じる導波路素子。
【請求項３】
１方向に屈折率周期性を有する積層体であり、前記屈折率周期方向に対して垂直である底面と、前記底面に対して傾斜している傾斜面とを有する、コアであるフォトニック結晶と、出射部とを備えた導波路素子であって、
前記フォトニック結晶中を伝播するブリルアンゾーン境界上のバンドによる伝播光が前記傾斜面で反射して、前記フォトニック結晶の前記底面から光が出射され、
前記フォトニック結晶から出射された光が前記出射部に導かれる導波路素子。
【請求項４】
前記入射側傾斜面および前記出射側傾斜面には、それぞれ反射層が形成されている請求項１に記載の導波路素子。
【請求項５】
前記傾斜面には、反射層が形成されている請求項２または請求項３に記載の導波路素子。
【請求項６】
前記反射層は、金属膜である請求項４または請求項５に記載の導波路素子。
【請求項７】
前記反射層は、誘電体多層膜である請求項４または請求項５に記載の導波路素子。
【請求項８】
１方向に屈折率周期性を有する積層体であり、前記屈折率周期方向に対して垂直である底面と、前記底面に対向する上面と、前記上面に形成された入射側回折格子および出射側回折格子とを有する、コアであるフォトニック結晶と、入射部と、出射部とを備えた導波路素子であって、
前記入射部が前記フォトニック結晶の前記底面に光を入射させ、
前記フォトニック結晶中に入射された光が、前記入射側回折格子で反射して、前記フォトニック結晶中にブリルアンゾーン境界上のバンドによる伝播光が生じ、
前記伝播光が前記出射側回折格子で反射して、前記フォトニック結晶の前記底面から光が出射され、
前記フォトニック結晶から出射された光が前記出射部に導かれる導波路素子。
【請求項９】
１方向に屈折率周期性を有する積層体であり、前記屈折率周期方向に対して垂直である底面と、前記底面に対向する上面と、前記上面に形成された回折格子とを有する、コアであるフォトニック結晶と、入射部とを備えた導波路素子であって、
前記入射部が前記フォトニック結晶の前記底面に光を入射させ、
前記フォトニック結晶中に入射された光が、前記回折格子で反射して、前記フォトニック結晶中にブリルアンゾーン境界上のバンドによる伝播光が生じる導波路素子。
【請求項１０】
１方向に屈折率周期性を有する積層体であり、前記屈折率周期方向に対して垂直である底面と、前記底面に対向する上面と、前記上面に形成された回折格子とを有する、コアであるフォトニック結晶と、出射部とを備えた導波路素子であって、
前記フォトニック結晶中を伝播するブリルアンゾーン境界上のバンドによる伝播光が前記回折格子で反射して、前記フォトニック結晶の前記底面から光が出射され、
前記フォトニック結晶から出射された光が前記出射部に導かれる導波路素子。
【請求項１１】
前記フォトニック結晶中に入射される光の進行方向もしくは前記フォトニック結晶中から出射される光の進行方向は、前記フォトニック結晶の前記屈折率周期方向と同一方向である請求項１、請求項４および請求項８のいずれかに記載の導波路素子。
【請求項１２】
前記フォトニック結晶中に入射される光の進行方向は、前記フォトニック結晶の前記屈折率周期方向と同一方向である請求項２または請求項９に記載の導波路素子。
【請求項１３】
前記フォトニック結晶中から出射される光の進行方向は、前記フォトニック結晶の前記屈折率周期方向と同一方向である請求項３または請求項１０に記載の導波路素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は１次元フォトニック結晶をコアとして用いる導波路素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
基板上に導波路を配置した構成の光学素子、すなわち導波路素子は、すでに種々実用化されている。特に、最近になって２次元フォトニック結晶を用いた欠陥導波路が注目され、研究開発が盛んに行なわれている。この欠陥導波路の構造について説明する。まず、高屈折率の例えばＳｉを用いた薄膜層に規則的な空孔を形成することで、２次元の屈折率周期構造を有する２次元フォトニック結晶が構成される。なお、この２次元フォトニック結晶は、その屈折率周期を有する方向に広がる平面内の全方向において、使用周波数域におけるフォトニックバンドギャップが形成されている。さらに、この２次元フォトニック結晶に線状の欠陥を設けることで欠陥導波路が構成される。光は、欠陥導波路の欠陥部分を伝播することができ、欠陥が設けられていない個所は伝播することができない。そのため、光は欠陥部分に閉じ込められて、漏れることなく伝播することができる。これにより、光の急峻曲げが可能である。したがって、この欠陥導波路を配線として用いることで、光学回路の設計の自由度は高くなり、小型化または集積化が可能である。また、この欠陥導波路を光学素子の一部として用いることで、光学素子を小型化することができる。
【０００３】
さらに、この欠陥導波路中を伝播する光に群速度異常を生じさせることも可能である。そのため、大きな非線型作用を得ることができ、光学素子の一部として用いた場合に、その光学素子の特性の改善や小型化を実現することができる。なお、２次元フォトニック結晶を用いた導波路素子は、例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４および特許文献５に開示されている。なお、実際は、上記欠陥導波路と、伝播損失の少ない単純なシリコン細線とを組み合わせた導波路を用いることが一般的である。
【０００４】
また、２次元フォトニック結晶に比べて構成が簡単であるため容易に作製することができる、１次元フォトニック結晶も導波路素子として用いることができる（例えば、特許文献６参照）。
【０００５】
このような導波路素子を含む光回路と、電子回路とを結合して用いることが提案されている。具体的には、発光部および受光部を備えた電子回路と光回路とを組み合わせればよい。そして発光部から出力した光信号を光回路で受信し、光回路から出力した光信号を受光部で受信すればよい。このように、光回路と電子回路とを融合させることで、光回路による高速処理と電子回路によるフレキシブルな処理との両方を備えた回路が構成される。光回路と電子回路とを結合させる場合、一般的に端面結合と垂直結合との２種類の結合がある。図１７は光回路と電子回路とを結合させた構成を示す斜視図である。図１７（ａ）は端面結合を示し、図１７（ｂ）は垂直結合を示している。図１７（ａ）に示しているように、平面状の電子回路１００および光回路２００との端面同士を対向させる端面結合と、図１７（ｂ）に示しているように、平面状の電子回路１００および光回路２００を上下に配置し、それらの上下面同士を対向させる垂直結合がある。電子回路１００は、光信号を出力する発光部および光信号を受信する受光部等と導線１０１とを備える。また、光回路２００は光信号を出力する出力部および光信号を受信する入力部等を備える。
【０００６】
図１７（ａ）に示す端面結合では、電子回路１００の端面１０２に、発光部および受光部が設置されていなければならない。同様に、光回路２００の端面２０１に出力部および入力部が設置されていなければならない。光信号３００の入出力を行う電子回路１００および光回路２００は平面状であることから、それらの端面１０２および２０１の面積は他の面よりも小さい。そのため、発光部および受光部と出力部および入力部とは一列配置となり、設置できる数が少ない。
【０００７】
しかし、図１７（ｂ）に示す垂直結合では、電子回路１００および光回路２００それぞれの主面（上下面）１０３および２０２に発光部および受光部と出力部および入力部とが設置される。主面１０３および２０２は端面１０２および２０１に比べて面積が広いため、発光部および受光部と出力部および入力部との設置数を多くできる。つまり、回路設計上の自由度が大きくなる。したがって、電子回路１００と光回路２００とを融合させる場合は、垂直結合を用いることが好ましい。
【０００８】
平面状の光回路の場合は、出射光は通常光回路の主面と平行な方向に進行し、端面から出射される。したがって、垂直結合を用いる場合は、出射光を直角に曲げる必要がある。例えば、特許文献５に開示されている波長分波素子は、特定の周波数成分を共振させて、その周波数成分を有する光信号を垂直方向に取り出すことができる。また、例えば、特許文献６に開示されている光学素子は、プリズムや回折格子を備えているため、光路を曲げることができる。これらのような光学素子を用いることで、垂直結合を容易に実現することができる。
【特許文献１】特開２００４−２１２４１６号公報
【特許文献２】特開２００４−１７０４７８号公報
【特許文献３】特開２００４−２９６５６０号公報
【特許文献４】特開２００４−０９３７８７号公報
【特許文献５】特開２００４−１１９６７１号公報
【特許文献６】国際公開第０５／００８３０５号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ここで、シリコン細線導波路または上述した２次元フォトニック結晶欠陥導波路の場合、そのコア径は通常０．５μｍ以下となり非常に小さい。そのため、光ファイバーなどの外部光と結合させるには光軸合わせが困難であり、かつ結合損失が大きくなる。
【００１０】
また、こられの導波路を平面状の光回路上に設置すると、出射光は端面結合（図１７（ａ）参照）に適した方向に出射される。垂直結合（図１７（ｂ）参照）に適した方向とするためには、例えば、欠陥導波路の出射端面を４５°に斜め加工する等の製造工程の追加が必要となる。
【００１１】
また、特定の周波数成分を共振させて垂直方向に取り出す上述の波長分離素子は、複数の周波数成分を含む光信号を同時に取り出すことができない。
【００１２】
また、１次元フォトニック結晶を用いた導波路素子は、１次元フォトニック結晶導波路のコア径が数μｍ程度であるため、光ファイバとの結合が容易である。しかし、従来の１次元フォトニック結晶導波路では、垂直結合とするために、プリズムや回折格子が必要となる。しかし、導波路素子のサイズが１０μｍ程度であるため、それに対応するプリズムや回折格子を実際に作製することは困難である。
【００１３】
本発明は、上記問題点に鑑みなされたものであって、構成が簡単であるため容易に作製することができ、小型化が可能な、垂直結合に適した導波路素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の第１の導波路素子は、１方向に屈折率周期性を有する積層体であり、前記屈折率周期方向に対して垂直である底面と、前記底面に対して傾斜している入射側傾斜面および出射側傾斜面とを有する、コアであるフォトニック結晶と、入射部と、出射部とを備えた導波路素子であって、前記入射部が前記フォトニック結晶の前記底面に光を入射させ、前記フォトニック結晶中に入射された光が、前記入射側傾斜面で反射して、前記フォトニック結晶中にブリルアンゾーン境界上のバンドによる伝播光が生じ、前記伝播光が前記出射側傾斜面で反射して、前記フォトニック結晶の前記底面から光が出射され、前記フォトニック結晶から出射された光が前記出射部に導かれる。
【００１５】
また、本発明の第２の導波路素子は、１方向に屈折率周期性を有する積層体であり、前記屈折率周期方向に対して垂直である底面と、前記底面に対して傾斜している傾斜面とを有する、コアであるフォトニック結晶と、入射部とを備えた導波路素子であって、前記入射部が前記フォトニック結晶の前記底面に光を入射させ、前記フォトニック結晶中に入射された光が、前記傾斜面で反射して、前記フォトニック結晶中にブリルアンゾーン境界上のバンドによる伝播光が生じる。
【００１６】
また、本発明の第３の導波路素子は、１方向に屈折率周期性を有する積層体であり、前記屈折率周期方向に対して垂直である底面と、前記底面に対して傾斜している傾斜面とを有する、コアであるフォトニック結晶と、出射部とを備えた導波路素子であって、前記フォトニック結晶中を伝播するブリルアンゾーン境界上のバンドによる伝播光が前記傾斜面で反射して、前記フォトニック結晶の前記底面から光が出射され、前記フォトニック結晶から出射された光が前記出射部に導かれる。
【００１７】
また、本発明の第４の導波路素子は、１方向に屈折率周期性を有する積層体であり、前記屈折率周期方向に対して垂直である底面と、前記底面に対向する上面と、前記上面に形成された入射側回折格子および出射側回折格子とを有する、コアであるフォトニック結晶と、入射部と、出射部とを備えた導波路素子であって、前記入射部が前記フォトニック結晶の前記底面に光を入射させ、前記フォトニック結晶中に入射された光が、前記入射側回折格子で反射して、前記フォトニック結晶中にブリルアンゾーン境界上のバンドによる伝播光が生じ、前記伝播光が前記出射側回折格子で反射して、前記フォトニック結晶の前記底面から光が出射され、前記フォトニック結晶から出射された光が前記出射部に導かれる。
【００１８】
また、本発明の第５の導波路素子は、１方向に屈折率周期性を有する積層体であり、前記屈折率周期方向に対して垂直である底面と、前記底面に対向する上面と、前記上面に形成された回折格子とを有する、コアであるフォトニック結晶と、入射部とを備えた導波路素子であって、前記入射部が前記フォトニック結晶の前記底面に光を入射させ、前記フォトニック結晶中に入射された光が、前記回折格子で反射して、前記フォトニック結晶中にブリルアンゾーン境界上のバンドによる伝播光が生じる。
【００１９】
また、本発明の第６の導波路素子は、１方向に屈折率周期性を有する積層体であり、前記屈折率周期方向に対して垂直である底面と、前記底面に対向する上面と、前記上面に形成された回折格子とを有する、コアであるフォトニック結晶と、出射部とを備えた導波路素子であって、前記フォトニック結晶中を伝播するブリルアンゾーン境界上のバンドによる伝播光が前記回折格子で反射して、前記フォトニック結晶の前記底面から光が出射され、前記フォトニック結晶から出射された光が前記出射部に導かれる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、構成が簡単であるため容易に作製することができ、小型化が可能な、垂直結合に適した導波路素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明の第１の導波路素子は、コアであるフォトニック結晶を備えている。このフォトニック結晶が入射側傾斜面および出射側傾斜面を有していて、フォトニック結晶の底面から光が入射および出射される。入射された光が入射側傾斜面で反射することで、フォトニック結晶中にブリルアンゾーン境界上のバンドによる伝播光が生じる。また、伝播光が出射側傾斜面で反射することで、フォトニック結晶から光が出射される。このように、この導波路素子は、入射される光および出射される光と伝播光との進行方向が異なる。したがって、この導波路素子は、垂直結合に適している。また、ブリルアンゾーン境界上の伝播を用いることから光制御素子としても用いることができる。また、１次元フォトニック結晶を用いていることから、構成が簡単であるため容易に作製することができ、小型化が可能である。
【００２２】
また、上記本発明の第１の導波路素子において、好ましくは、前記入射側傾斜面および前記出射側傾斜面には、それぞれ反射層が形成されている。それにより、導波路素子において、光の損失を減少させ、高い結合効率を実現できる。
【００２３】
また、本発明の第２の導波路素子は、コアであるフォトニック結晶を備えている。このフォトニック結晶が傾斜面を有していて、フォトニック結晶の底面から光が入射される。入射された光が傾斜面で反射することで、フォトニック結晶中にブリルアンゾーン境界上のバンドによる伝播光が生じる。このように、この導波路素子は、入射される光と伝播光との進行方向が異なる。したがって、この導波路素子は、垂直結合に適している。また、ブリルアンゾーン境界上の伝播を用いることから光制御素子としても用いることができる。また、１次元フォトニック結晶を用いていることから、構成が簡単であるため容易に作製することができ、小型化が可能である。
【００２４】
また、本発明の第３の導波路素子は、コアであるフォトニック結晶を備えている。このフォトニック結晶が傾斜面を有していて、フォトニック結晶の底面から光が出射される。ブリルアンゾーン境界上のバンドによる伝播光が傾斜面で反射することで、フォトニック結晶から光が出射される。このように、この導波路素子は、出射される光と伝播光との進行方向が異なる。したがって、この導波路素子は、垂直結合に適している。また、ブリルアンゾーン境界上の伝播を用いることから光制御素子としても用いることができる。また、１次元フォトニック結晶を用いていることから、構成が簡単であるため容易に作製することができ、小型化が可能である。
【００２５】
また、上記本発明の第２または第３の導波路素子において、好ましくは、前記傾斜面には、反射層が形成されている。それにより、導波路素子において、光の損失を減少させ、高い結合効率を実現できる。
【００２６】
また、上記本発明の第１ないし第３のいずれかの導波路素子において、好ましくは、前記反射層は、金属膜である。それにより、容易に反射率の高い反射層を形成することができる。
【００２７】
また、上記本発明の第１ないし第３のいずれかの導波路素子において、好ましくは、前記反射層は、誘電体多層膜である。それにより、容易に反射層を形成することができる。
【００２８】
また、本発明の第４の導波路素子は、コアであるフォトニック結晶を備えている。このフォトニック結晶が入射側回折格子および出射側回折格子を有していて、フォトニック結晶の底面から光が入射および出射される。入射された光が入射側回折格子で反射することで、フォトニック結晶中にブリルアンゾーン境界上のバンドによる伝播光が生じる。また、伝播光が出射側回折格子で反射することで、フォトニック結晶から光が出射される。このように、この導波路素子は、入射される光および出射される光と伝播光との進行方向が異なる。したがって、この導波路素子は、垂直結合に適している。また、ブリルアンゾーン境界上の伝播を用いることから光制御素子としても用いることができる。また、１次元フォトニック結晶を用いていることから、構成が簡単であるため容易に作製することができ、小型化が可能である。
【００２９】
また、本発明の第５の導波路素子は、コアであるフォトニック結晶を備えている。このフォトニック結晶が回折格子を有していて、フォトニック結晶の底面から光が入射される。入射された光が回折格子で反射することで、フォトニック結晶中にブリルアンゾーン境界上のバンドによる伝播光が生じる。このように、この導波路素子は、入射される光と伝播光との進行方向が異なる。したがって、この導波路素子は、垂直結合に適している。また、ブリルアンゾーン境界上の伝播を用いることから光制御素子としても用いることができる。また、１次元フォトニック結晶を用いていることから、構成が簡単であるため容易に作製することができ、小型化が可能である。
【００３０】
また、本発明の第６の導波路素子は、コアであるフォトニック結晶を備えている。このフォトニック結晶が回折格子を有していて、フォトニック結晶の底面から光が出射される。ブリルアンゾーン境界上のバンドによる伝播光が回折格子で反射することで、フォトニック結晶から光が出射される。このように、この導波路素子は、出射される光と伝播光との進行方向が異なる。したがって、この導波路素子は、垂直結合に適している。また、ブリルアンゾーン境界上の伝播を用いることから光制御素子としても用いることができる。また、１次元フォトニック結晶を用いていることから、構成が簡単であるため容易に作製することができ、小型化が可能である。
【００３１】
また、上記本発明の第１または第４の導波路素子において、好ましくは、前記フォトニック結晶中に入射される光の進行方向もしくは前記フォトニック結晶中から出射される光の進行方向は、前記フォトニック結晶の前記屈折率周期方向と同一方向である。それにより、この導波路素子を搭載した光回路を、垂直結合することができる。
【００３２】
また、上記本発明の第２または第５の導波路素子において、好ましくは、前記フォトニック結晶中に入射される光の進行方向は、前記フォトニック結晶の前記屈折率周期方向と同一方向である。それにより、この導波路素子を搭載した光回路を、垂直結合することができる。
【００３３】
また、上記本発明の第３または第６の導波路素子において、好ましくは、前記フォトニック結晶中から出射される光の進行方向は、前記フォトニック結晶の前記屈折率周期方向と同一方向である。それにより、この導波路素子を搭載した光回路を、垂直結合することができる。
【００３４】
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１に係る導波路素子について図を用いて説明する。図１は本発明の実施の形態１に係る導波路素子の構成を示す斜視図である。また、図２は本発明の実施の形態１に係る導波路素子の構成を示す側面図である。なお、図１および図２において、フォトニック結晶導波路の屈折率周期方向をＹ軸方向とし、光の伝播方向をＺ軸方向とし、Ｙ軸方向およびＺ軸方向と垂直な方向をＸ軸方向とする。
【００３５】
図１に示すように、実施の形態１の導波路素子１０は、基板１と１次元フォトニック結晶２と入射部３と出射部４とを備えている。基板１は透光性の材料で構成されている。
【００３６】
フォトニック結晶２は、屈折率の異なる２種類の物質が交互に積層された積層構造体である。これら各物質の層厚は一定であるため、フォトニック結晶２は一方向にのみ屈折率周期性を有する。また、フォトニック結晶２の両端面である入射側傾斜面２ａおよび出射側傾斜面２ｂは、屈折率周期方向であるＹ軸方向に垂直であるＸＺ面に対して傾斜している。例えば、ＸＺ面に対して平行であるフォトニック結晶２の底面に対して、入射側傾斜面２ａおよび出射側傾斜面２ｂはそれぞれ角度ψaおよび角度ψb傾斜している。また傾斜の方向は、それぞれ逆向きである。なお、角度ψaおよび角度ψbは異なる値であってもよいが、同一の値とした方が、設計および製造が容易であり好ましい。
【００３７】
入射部３は、光ファイバ３ａとコリメータレンズ３ｂと対物レンズ３ｃとを備えていて、基板１の底面側に配置されている。また、入射部３は基板１を介して、入射光５をフォトニック結晶２の底面に入射させる。入射光５は入射側傾斜面２ａに向かって進行するので、入射部３は入射側傾斜面２ａに向かうように配置されている。
【００３８】
また、出射部４は光ファイバ４ａとコリメータレンズ４ｂと対物レンズ４ｃとを備えていて、基板１の底面側に配置されている。また、出射側傾斜面２ｂで反射した光が出射光６としてフォトニック結晶２の底面から出射される。出射光６は基板１を介して出射部４に導かれるため、出射部４は出射側傾斜面２ｂに向かうように配置されている。
【００３９】
なお、入射部３および出射部４の構成はこの構成に限定されるものではない。
【００４０】
また、入射光５および出射光６の基板１への入射角および出射角は０°が好ましい。すなわち、入射光５および出射光６は、基板１に対して垂直であることが好ましい。それにより、導波路素子１０を光回路に用いた場合に、垂直結合を容易に行うことができる。なお、基板１はＸＺ平面に対して平行である。
【００４１】
このような構成において、フォトニック結晶２は導波路のコアであり、クラッドは基板１および、フォトニック結晶２の上側および側面を取り囲んでいる空気である。なお、フォトニック結晶２の周りに所定の材料を設置することでクラッドとすることもできる。
【００４２】
次に、導波路素子１０の動作について説明する。まず、光ファイバ３ａを伝播してきた入射光５は、コリメータレンズ３ｂで平行光とされ、対物レンズ３ｃで集光されて、基板１に入射される。入射部３からの光は基板１中を伝播した後、フォトニック結晶２に、フォトニック結晶２の底面から入射される。フォトニック結晶２中を伝播する入射光５は、入射側傾傾斜面２ａに到達し反射して、Ｚ軸方向に伝播する。なお、Ｚ軸方向に反射する条件は後述するフォトニックバンドの構造から求めることができる。
【００４３】
Ｚ軸方向に伝播している伝播光８は、出射側傾斜面２ｂに到達する。伝播光８は出射側傾斜面２ｂで反射して、フォトニック結晶２の底面へと向かって進路を変更する。なお、Ｙ軸方向に反射する条件は後述するフォトニックバンドの構造から求めることができる。
【００４４】
さらに、出射側傾斜面２ｂで反射して出射光６となった光はフォトニック結晶２の底面から出射される。フォトニック結晶２からの出射光６は基板１に入射され、基板１内を伝播して基板１から外部に出射される。基板１から出射された出射光６は、出射部４に導かれる。具体的には、基板１から出射された出射光６は対物レンズ４ｃ、コリメートレンズ４ｂの順に進行し、光ファイバ４ａに入射する。出射部４は、基板１から出射される光が導かれる位置に設置されている。
【００４５】
ここで、フォトニック結晶２内を伝播する伝播光８によるコア内の光は、フォトニックバンド構造におけるブリルアンゾーン境界上のモードにより伝播していることが好ましい。それにより、導波路素子１０は光制御素子として機能する。
【００４６】
伝播光８は、ブリルアンゾーン境界上のモードによる伝播光８は、以下の式を満たすことによって、ＸＺ平面方向においては伝播の方向によらず閉じ込められる。
【００４７】
ａ／λ0＜１／（２ｎs）
【００４８】
なお、λ0はフォトニック結晶２中を伝播する伝播光８の真空中における波長である。ａはフォトニック結晶２のＹ方向の屈折率周期である。また、ｎsはフォトニック結晶２の側面すなわちフォトニック結晶２の周期構造が露出する面に接する媒体の屈折率であり、実施の形態１では上述したように空気の屈折率である。なお、フォトニック結晶２中における、ブリルアンゾーン境界上のモードによる伝播光８の閉じ込め条件については、例えば、国際公開第０５／００８３０５号パンフレット、等に詳しく記載されている。
【００４９】
フォトニック結晶２中の伝播光については、フォトニックバンドを計算し図示することにより知ることができる。フォトニックバンドのバンド計算の方法は、例えば「Photonic Crystals，Princeton University Press，(1995)」あるいは、「Physical Review B，1991年，44巻，16号，p.8565」などに詳しく述べられている。そこで、角度ψaおよび角度ψbは、上記バンド計算により選択することができる。
【００５０】
図３は本発明の実施の形態１に係る導波路素子の入射側の光の進路を説明する側面図である。図３は、フォトニック結晶２の入射側傾斜面２ａ付近を示す拡大側面図であり、入射部３は省略されている。図３において、基板１を透過し、入射部（図示せず）からフォトニック結晶２に入射光５が入射されると、フォトニック結晶２の外部に２種類の屈折光７ａおよび７ｂが漏れる。これら以外は、入射側傾斜面２ａで反射して、Ｚ軸方向に進行する伝播光８となる。図４は図３に対応したバンド図である。図４は、コアであるフォトニック結晶２、入射側の媒体である基板１および入射側傾斜面２ａに接する媒体（実施の形態１では空気）のそれぞれのフォトニックバンド構造をＹＺ平面の逆空間に図示したものである。図３を参照しながら図４のバンド図について説明する。
【００５１】
フォトニック結晶２のバンドは周期性を示すため周期的ゾーン方式で示されていて、この周波数では、第１バンドと第２バンドが存在している。破線１１は基板１とフォトニック結晶２との境界を示し、傾斜した破線１２は入射側傾斜面２ａとフォトニック結晶２の外部の空気との境界を示す。
【００５２】
基板１と空気は均質媒体なので、それらを示すバンドは単純な円となる。各バンドの中心点は、基板１およびフォトニック結晶２の境界線と、空気およびフォトニック結晶２の境界線とを表わす破線１１および破線１２の法線であって、フォトニック結晶２の中心点を通る線上に位置する。また、図４中で示した矢印はバンド上の各結合点Ａ〜Ｇにおけるエネルギーの進行方向を示し、バンドの法線方向となる。図４において、入射側傾斜面２ａとフォトニック結晶２の外部の空気との境界を表す破線１２と直交し、結合点Ａと交わる線１３と各バンドとの交点での光が、入射光５と結合する。ここで、フォトニック結晶２に入射する入射光５とブリルアンゾーン境界上の伝播モードが、図４において入射側傾斜面２ａをはさんで同じ法線上に存在するように選ばれる。つまり、破線１２と直交する線１３上に、入射光５のモードを示す結合点Ａおよび伝播光８のモードを示す結合点Ｂが存在する。
【００５３】
基板１側から入射した入射光５は、フォトニック結晶２の第２バンド上の結合点Ａによる光と結合する。なお、結合点Ａは複数存在しているが、これらはすべて周期性に基づく等価な点である。また、結合点Ａ以外の結合点Ｂ〜Ｇについても同様であり、同一の結合点は等価な点を表している。
【００５４】
基板１からフォトニック結晶２に入射してきた光である結合点Ａによる光は、入射側傾斜面２ａで反射して第１バンドのブリルアンゾーン境界上の結合点Ｂと結合する。ただし、入射側傾斜面２ａで反射した場合に、結合点Ｃの光と結合する可能性もある。また、結合点Ｄおよび結合点Ｅの光と結合する可能性もあるが、これらは矢印よりわかるように、入射側傾斜面２ａへと再び進行するので、再び反射される光である。したがって、入射側傾斜面２ａで反射される光は、結合点Ｂおよび結合点Ｃの光のみである。
【００５５】
また、結合点Ａを通り、破線１２に垂直な線１３は、空気のバンドと結合点Ｆおよび結合点Ｇで交わるので、それぞれの結合点の矢印で示した方向の屈折光７ａおよび７ｂが空気側に発生する。
【００５６】
つまり、図４に示した光は、以下に示すとおりである。結合点Ａでの光は、基板１からフォトニック結晶２への入射光である。結合点Ｂおよび結合点Ｃでの光は、フォトニック結晶２中の伝播光である。また、結合点Ｆおよび結合点Ｇでの光は、入射側傾斜面２ａからの外部に漏れる屈折光７ａおよび７ｂである。なお、図３には示していないが、結合点Ｃの光はフォトニック結晶２から基板１に向かう反射戻り光となる可能性がある。
【００５７】
次に、出射側傾斜面２ｂ付近での光の進路について説明する。図５は本発明の実施の形態１に係る導波路素子の出射側の光の進路を説明する側面図である。図５は、フォトニック結晶２の出射側傾斜面２ｂ付近を示す拡大側面図であり、出射部４は省略されている。図５において、フォトニック結晶２中の伝播光８は出射側傾斜面２ｂで反射して、フォトニック結晶２の底面側（基板１側）へと進路が変更される。フォトニック結晶２から出射された出射光６は、基板１を介して出射され、出射部（図示せず）に導かれる。なお、出射側傾斜面２ｂにおいて、フォトニック結晶２の外部に屈折光９ａおよび９ｂが漏れる。図６は図５に対応したバンド図である。図６は、コアであるフォトニック結晶２、出射側の媒体である基板１および出射側傾斜面２ｂに接する媒体（実施の形態１では空気）のそれぞれのフォトニックバンド構造をＹＺ平面の逆空間に図示したものである。図５を参照しながら図６のバンド図について説明する。
【００５８】
フォトニック結晶２のバンドは周期性を示すため周期的ゾーン方式で示されていて、この周波数では、第１バンドと第２バンドが存在している。破線１６は基板１とフォトニック結晶２との境界を示し、傾斜した破線１７は出射側傾斜面２ｂとフォトニック結晶２の外部の空気との境界を示す。
【００５９】
基板１と空気は均質媒体なので、それらを示すバンドは単純な円となる。各バンドの中心点は、基板１および空気それぞれとフォトニック結晶２との境界線を表わす破線１６および破線１７の法線であって、フォトニック結晶２の中心点を通る線上に位置する。また、図６中で示した矢印はバンド上の各結合点Ｈ〜Ｍにおけるエネルギーの進行方向を示し、バンドの法線方向となる。なお、例えば結合点Ｈは複数存在しているが、これらはすべて周期性に基づく等価な点である。結合点Ｈ以外の結合点Ｉ〜Ｍについても同様であり、同一の結合点は等価な点を表している。図６において、出射側傾斜面２ｂとフォトニック結晶２の外部の空気との境界を表す破線１７と直交し、結合点Ｈと交わる線１８と各バンドとの交点での光が、伝播光８と結合する光である。
【００６０】
ブリルアンゾーン境界上の伝播光８である結合点Ｈでの光は、出射側傾斜面２ｂでの反射により結合点Ｉの光と結合し、そのまま外部への垂直な出射光６となる。ただし、伝播光８は出射側傾斜面２ｂでの反射で結合点Ｊの光と結合する可能性もある。また、結合点Ｋの光と結合する可能性もあるが、これは矢印よりわかるように、出射側傾斜面２ｂへと再び進行するので、再び反射される光である。したがって、入射側傾斜面２ａで反射される光は、結合点Ｉおよび結合点Ｊの光のみである。
【００６１】
また、結合点Ｈを通り、破線１７に垂直な線１８は、空気のバンドと結合点Ｌおよび結合点Ｍで交わるので、それぞれの結合点の矢印で示した方向の屈折光９ａおよび９ｂが空気側に発生する。
【００６２】
以下に、図６に示した光を説明する。結合点Ｈでの光は、フォトニック結晶２中の伝播光８である。結合点Ｉの光は、出射側傾斜面２ｂで反射して基板１側へと向かう出射光である。また、結合点Ｌおよび結合点Ｍでの光は、出射側傾斜面２ｂから外部に漏れる屈折光９ａおよび９ｂである。なお、図５には図示していないが、結合点Ｊの光はフォトニック結晶２から基板１に向かう出射光となる可能性がある。なお、結合点Ｊの光は、結合点Ｉの光とは異なる方向である。
【００６３】
図４および図６において、実施の形態１の導波路素子１０で用いるのは、結合点Ａの光（入射光５）、結合点Ｂの光（伝播光８）、結合点Ｈの光（伝播光８）および結合点Ｉの光（出射光６）である。
【００６４】
また、図３の結合点Ｃでの光および図５の結合点Ｊでの光は小さいことが望ましい。そこで、例えばフォトニック結晶２の第２バンドを示す楕円の径が小さくなる周波数域において角度ψaおよびψbの設計を行えばよい。それにより、結合点Ｊでの光を存在させないことも可能である。それにより、出射側傾斜面２ｂでの反射光が結合点Ｉの光と結合し、結合点Ｊの光が存在しないようにすることができる。
【００６５】
また、導波路素子１０において、入射側傾斜面２ａおよび出射側傾斜面２ｂに反射層を形成してもよい。図７は本発明の実施の形態１に係る反射層を備えた導波路素子の構成を示す側面図である。図７において、図１または図２に示した部材と同様の機能を有する部材には同一の符号を付し説明を省略する。図７において、図１または図２と異なる点は、入射側傾斜面２ａおよび出射側傾斜面２ｂに反射層２１ａおよび反射層２１ｂが形成されている点である。このように反射層２１ａおよび反射層２１ｂが形成されていることで、図３〜図６を参照して、結合点Ｆ、結合点Ｇ、結合点Ｌおよび結合点Ｍの光が、フォトニック結晶２の外部に漏れずに、そのエネルギーが伝播光８もしくは出射光６のエネルギーとなる。それにより、損失を減少させ結合効率を大きくすることができる。
【００６６】
反射層２１ａおよび反射層２１ｂは、例えば金属膜とすればよい。特に銀、アルミニウム、金といった材料は反射率が高く形成もしやすいことから好ましい。また、金属膜は、例えば真空蒸着やスパッタリング等で容易に形成することができる。また、金属膜以外に反射層２１ａおよび反射層２１ｂは誘電体多層膜とすればよい。誘電体多層膜により光を反射することができる。誘電体多層膜は、例えば一般的に薄膜の材料として用いられていて耐久性や製膜コストの点で優れたシリカ、シリコン、酸化チタン、酸化タンタル、酸化ニオブ、フッ化マグネシウムおよび窒化シリコン等といった材料を用いればよい。これらの材料用いて、スパッタリング、真空蒸着、イオンアシスト蒸着またはプラズマＣＶＤ等により、容易に薄膜を形成し、誘電体多層膜を形成することができる。
【００６７】
以上説明した実施の形態１の導波路素子１０は、入射光５および出射光６が伝播光８に対して略垂直方向である。したがって、実施の形態１の導波路素子１０を用いることで、垂直結合に適している光回路を形成することができる。また、複数の周波数を含む光の入射、伝播、出射が可能である。また、実施の形態１の導波路素子１０は、ブリルアンゾーン境界上の伝播を用いることから光制御素子として用いることができる。さらに、実施の形態１の導波路素子１０は、１次元フォトニック結晶を用いていることから、構成が簡単であるため容易に作製することができ、小型化が可能である。
【００６８】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２に係る導波路素子について図を用いて説明する。図８は本発明の実施の形態２に係る導波路素子の構成を示す側面図である。なお、図８において、フォトニック結晶導波路の屈折率周期方向をＹ軸方向とし、光の伝播方向をＺ軸方向とし、Ｙ軸方向およびＺ軸方向と垂直な方向をＸ軸方向とする。
【００６９】
実施の形態２の導波路素子１０ａは、実施の形態１の導波路素子１０と同様に、基板１を介してフォトニック結晶２に入射光５が入射され、入射側傾斜面２ａで反射して伝播光８となりフォトニック結晶２中を伝播する。しかし、実施の形態１とは異なり、伝播光８が出射側傾斜面２ｂで反射せずに出射される構成である。つまり、図８の導波路素子１０ａにおいて、入射光５は基板１を介してフォトニック結晶２に入射されているが、出射光６ａは出射側傾斜面２ｂから直接出射されている。なお、図８において、図２に示した部材と同様の機能を有する部材には同一の符号を付し説明を省略する。
【００７０】
導波路素子１０ａは、伝播光８が出射側傾斜面２ｂから出射光６ａとして出射される。そのため、出射光６が導かれる出射部１４は、出射側傾斜面２ｂに面して設置されている。
【００７１】
このような、導波路素子１０ａの動作について説明する。まず、光ファイバ３ａを伝播してきた入射光５は、コリメータレンズ３ｂで平行光とされ、対物レンズ３ｃで集光されて、基板１に入射させられる。入射部３からの光は基板１中を伝播した後、フォトニック結晶２に、フォトニック結晶２の底面から入射される。フォトニック結晶２中を伝播する入射光５は、入射側傾斜面２ａに到達し反射して、Ｚ軸方向に伝播する。なお、伝播光８はブリルアンゾーン境界上のバンドであることが好ましい。なお、入射側傾斜面２ａには、例えば金属や誘電体多層膜等の反射層を設けてもよい。
【００７２】
Ｚ軸方向に伝播している伝播光８は、出射側傾斜面２ｂに到達する。伝播光８は出射側傾斜面２ｂから出射光６ａとして出射される。
【００７３】
さらに、出射光６ａは、出射部１４に導かれる。具体的には、基板１から出射された出射光６ａは対物レンズ１４ｃ、コリメートレンズ１４ｂの順に進行し、光ファイバ１４ａに入射する。
【００７４】
実施の形態２の導波路素子１０ａは、実施の形態１と同様の効果を奏する。また、フォトニック結晶２は出射側傾斜面２ｂを備えていなくてもよい。フォトニック結晶２の出射側の端面が垂直端面であっても、例えば、位相格子を設置する等によりブリルアンゾーン境界上のバンドによる伝播光８を出射部１４に導くことができる。また、出射光６を取り出す必要がないような導波路素子では、出射部１４も設ける必要がない。例えば、制御光あるいは励起光として用いるために入射光５を入射させる導波路素子では、伝播光８のエネルギーの減衰が著しいことがある。そのような場合は、出射光６を取り出す必要がないので、出射部１４を設ける必要はない。
【００７５】
なお、実施の形態２の導波路素子１０ａにおける各条件は、バンド計算により求めればよい。
【００７６】
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３に係る導波路素子について図を用いて説明する。図９は本発明の実施の形態３に係る導波路素子の構成を示す側面図である。なお、図９において、フォトニック結晶導波路の屈折率周期方向をＹ軸方向とし、光の伝播方向をＺ軸方向とし、Ｙ軸方向およびＺ軸方向と垂直な方向をＸ軸方向とする。
【００７７】
実施の形態３の導波路素子１０ｂは、実施の形態１の導波路素子１０と同様に、伝播光８が出射側傾斜面２ｂで反射して基板１を介して出射光６が出射される。しかし、実施の形態１とは異なり、入射光５ａは基板１を介さずに直接、入射側傾斜面２ａからフォトニック結晶２内に入射される。入射側傾斜面２ａからフォトニック結晶２に入射された入射光５ａは、伝播光８となりフォトニック結晶２中を伝播する。つまり、図９の導波路素子１０ｂにおいて、入射光５ａが入射側傾斜面２ａから直接入射され、出射光６は基板１を介して出射されている。なお、図９において、図２に示した部材と同様の機能を有する部材には同一の符号を付し説明を省略する。
【００７８】
導波路素子１０ｂにおいて、入射光５ａが直接入射側傾斜面２ａからフォトニック結晶２に入射される。そのため、入射光５ａをフォトニック結晶２に入射する入射部１９は、入射側傾斜面２ａに面して設置されている。
【００７９】
このような、導波路素子１０ｂの動作について説明する。まず、光ファイバ１９ａを伝播してきた入射光５ａは、コリメータレンズ１９ｂで平行光とされ、対物レンズ１９ｃで集光されて、入射側傾斜面２ａからフォトニック結晶２内に入射され、伝播光８がＺ軸方向に伝播する。なお、伝播光８はブリルアンゾーン境界上のバンドであることが好ましい。
【００８０】
Ｚ軸方向に伝播している伝播光８は、出射側傾斜面２ｂに到達する。伝播光８は出射側傾斜面２ｂで反射して、フォトニック結晶２の底面へと向かって進路を変更する。なお、出射側傾斜面２ｂには、例えば金属や誘電体多層膜等の反射層を設けてもよい。
【００８１】
さらに、出射側傾斜面２ｂで反射して出射光６となった光はフォトニック結晶２の底面から出射される。フォトニック結晶２からの出射光６は基板１に入射され、基板１内を伝播して基板１から外部に出射される。基板１から出射された出射光６は、出射部４に導かれる。具体的には、基板１から出射された出射光６は対物レンズ４ｃ、コリメートレンズ４ｂの順に進行し、光ファイバ４ａに入射する。出射部４は、基板１から出射される光が導かれる位置に設置されている。
【００８２】
実施の形態３の導波路素子１０ｂは、実施の形態１と同様の効果を奏する。また、フォトニック結晶２は入射側傾斜面２ａを備えていなくてもよい。フォトニック結晶２の入射側の端面が垂直端面であっても、伝播光８をブリルアンゾーン境界上のバンドとすることができる。例えば、位相格子を設置して、入射光５ａが位相格子を介してフォトニック結晶２に入射されるようにすればよい。また、入射光５を入射させる必要がないような導波路素子では、入射部１９も設ける必要がない。例えば、外部エネルギーにより発生させたレーザ発振光を伝播光８として用いる導波路素子では、入射部１９を設ける必要はない。
【００８３】
なお、実施の形態３の導波路素子１０ｂにおける各条件は、バンド計算により求めればよい。
【００８４】
（実施の形態４）
本発明の実施の形態４に係る導波路素子について図を用いて説明する。図１０は本発明の実施の形態４に係る導波路素子の構成を示す斜視図である。なお、図１０において、フォトニック結晶導波路の屈折率周期方向をＸ軸方向とし、光の伝播方向をＹ軸方向とし、Ｘ軸方向およびＹ軸方向と垂直な方向をＺ軸方向とする。
【００８５】
実施の形態４の導波路素子３０と、実施の形態１の導波路素子１０とは、フォトニック結晶の構成が異なっている以外は、略同様の構成である。したがって、図１０において、図１で示した部材と同様の機能を有する部材には同一の符号を付し、説明を省略する。
【００８６】
本発明の実施の形態４に係る導波路素子３０において、フォトニック結晶３２は基板１上に設置されている。フォトニック結晶３２の上面（基板１の逆側）の両端には、それぞれ入射側回折格子３２ａおよび出射側回折格子３２ｂが形成されている。具体的には、多層構造であるフォトニック結晶３２の上面（ＸＺ面に平行な面）に、均等な間隔でＸ軸方向に溝が形成されることで、入射側回折格子３２ａおよび出射側回折格子３２ｂが形成される。
【００８７】
実施の形態４の導波路素子３０における光の進路について説明する。まず、入射部３がフォトニック結晶３２の底面（上面に対向する面）に基板１を介して入射光５を入射させる。フォトニック結晶３２中に入射された入射光５が、入射側回折格子３２ａで反射して、フォトニック結晶３２中にブリルアンゾーン境界上のバンドによる伝播光８が生じる。この伝播光８が出射側回折格子３２ｂで反射して、フォトニック結晶３２の底面から出射光６が出射される。フォトニック結晶３２からの出射光６は基板１に入射され、基板１内を伝播して基板１から外部に出射される。基板１から出射された出射光６は、出射部４に導かれる。
【００８８】
入射側回折格子３２ａおよび出射側回折格子３２ｂの設計や、フォトニック結晶３２の設計は、バンド計算を用いて行う。それにより、ブリルアンゾーン境界上の伝播光が生じる条件を求めることができる。
【００８９】
なお、フォトニック結晶３２は、入射側回折格子３２ａおよび出射側回折格子３２ｂのどちらかのみを備えていてもよい。その場合は、入射側回折格子３２ａおよび出射側回折格子３２ｂが形成されていない方のフォトニック結晶３２の端面を傾斜面とすればよい。また、入射側回折格子３２ａおよび出射側回折格子３２ｂが形成されていない方のフォトニック結晶３２の端面に位相格子を設置してもよい。それにより、ブリルアンゾーン境界上のバンドによる伝播光を伝播するように、光を入射させることも、出射された光を導くこともできる。
【００９０】
次に、実施の形態１から実施の形態４のいずれかの導波路素子１０、１０ａ、１０ｂまたは３０を用いた光回路と電子回路とを組み合わせる具体例について説明する。図１１は本発明による導波路素子を用いた光回路と電子回路との組み合わせについて説明するための斜視図である。
【００９１】
図１１に示すように、電子回路４２の上方にマイクロレンズ４１ａが複数配置されたレンズアレイ４１が設置されている。さらに、レンズアレイ４１の上方には実施の形態１の導波路素子と同様の機能を有する導波路素子を備えた光回路４０が設置されている。
【００９２】
電子回路４２の上面には、垂直方向光信号を出射するＶＣＳＥＬ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ  Ｃａｖｉｔｙ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ  Ｌａｓｅｒ）４２ａおよび受光セル４２ｂが配置してあり、電気信号を入出力する導線４２ｃが端面に設置されている。
【００９３】
また、光回路４０には、入射側あるいは出射側の傾斜面４０ａが複数配置されている。光回路４０は図示されていないがフォトニック結晶を備えていて、傾斜面４０ａはそれらに形成されている。傾斜面４０ａに光が入射されると、その光はブリルアンゾーン境界上の伝播光となり、対応する傾斜面４０ａから光が出射される。ここで、マイクロレンズ４１ａは、入射部または出射部に相当する。
【００９４】
例えば、電子回路４２に入力された電気信号により、ＶＣＳＥＬ４２ａから信号光もしくは制御光がレンズアレイ４１に向かって出射される。その光４３はマイクロレンズ４１ａを介して傾斜面４０ａに入射する。信号光もしくは制御光は、導波路素子によって処理されて、入射したのとは異なる傾斜面４０ａからレンズアレイ４１に向かって出射される。その光４３はマイクロレンズ４１ａを介して受光セル４２ｂに入力される。
【００９５】
このような構成とすることによって、フレキシブルな電子的処理と光による高速処理の両方の長所を利用することができる。また、図１１のように、光回路４０と電子回路４２とが分離されているので、それぞれを全く別の材料およびプロセスにより作製できるため、無駄なく効率よくそれぞれを作製することができる。また、同一基板上に光回路４０と電子回路４２とを重ねて集積化してもよい。
【００９６】
なお、実施の形態１に係る導波路素子について説明したが、実施の形態２、実施の形態３および実施の形態２に係る導波路素子も同様に用いることができる。
【００９７】
（実施例）
本発明の実施の形態１に係る導波路素子を実際に作製してその光学特性を測定した結果を以下に示す。図１２は実施例における導波路素子の構成について説明するための側面図である。なお、図１２で用いられている部材において、図１および図７で用いられている部材と同様の機能を有する部材には同一の符号を付している。導波路素子５０の構成について説明する。コアであるフォトニック結晶２は、石英の平行平面基板１（１００ｍｍ×２０ｍｍ×１ｍｍ）の片側表面に、真空蒸着によりＴａ2Ｏ5の薄膜とＳｉＯ2の薄膜とが交互に複数積層されて形成される。Ｔａ2Ｏ5の薄膜の厚さは４２４ｎｍであり、ＳｉＯ2の薄膜の厚さは１０６ｎｍである。これらは１０層形成されているが、最後のＳｉＯ2の薄膜はクラッド５１であり、その厚さは約２０００ｎｍである。つまり、実施例では、９層構成のフォトニック結晶２の上にクラッド５１としてＳｉＯ2保護層が形成されている。上記より、フォトニック結晶２の屈折率周期は５３０ｎｍである。また、フォトニック結晶２の幅（Ｘ軸方向の長さ）を１０ｍｍとし、長さＬは、２４．５ｍｍおよび３９．５ｍｍの２つの場合について測定した。また、入射側傾斜面２ａおよび出射側傾斜面２ｂとのＸＺ平面との角度がそれぞれ２７°となるように、フォトニック結晶２の端面を斜めに切断してポリッシュ面とし、入射側傾斜面２ａと出射側傾斜面２ｂを作製した。さらに、入射側傾斜面２ａと出射側傾斜面２ｂに真空蒸着により厚さ１５０ｎｍの銀による反射層２１ａおよび２１ｂを形成した。
【００９８】
入射部３は、通信用シングルモードファイバ（ＳＭＦ、波長１５５０ｎｍ仕様、開口数ＮＡ＝０．１）である光ファイバ３ａを伝播してきた光を焦点距離１１．３ｍｍの非球面対物レンズであるコリメータレンズ３ｂで平行光束とする。さらに平行光束を、曲率半径２．０ｍｍの円筒状平凸レンズ（材質は光学ガラスＢＫ７、中心厚さ３．８ｍｍ、焦点点距離３．９ｍｍ）である対物レンズ３ｃにより線状の焦点とする。この線状の焦点をフォトニック結晶２の底面（ＸＺ面に平行な面）に対して垂直に入射させた。すなわち、フォトニック結晶２の底面と入射光５とのなす角度が９０°である。焦点を線状としたのは、導波路となるフォトニック結晶２がスラブ状であるためである。出射部４は入射部３と同様の光学系を逆に用いていて、出射光の取り出しを行う。なお、本実施例によるフォトニック結晶のバンド図は、λ0＝１５５０ｎｍに相当する周波数において、図４および図６に示した形状となる。入射側および出射側のＳＭＦを、光ベクトルアナライザ（米国Ｌｕｎａ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ  Ｉｎｃ．製のＯＶＡ−ＣＴ型）に接続して、導波路素子５０の光学特性（ジョーンズマトリックスの全要素）を評価した。
【００９９】
以上の実施例の測定結果を以下に示す。
【０１００】
図１３は、実施例における、Ｌ＝２４．５ｍｍの場合のインパルス応答を示すグラフである。また、図１４は、実施例における、Ｌ＝３９．５ｍｍの場合のインパルス応答を示すグラフである。図１３および図１４において、横軸は遅延時間であり縦軸は振幅である。図１３および図１４のどちらにおいても、ノイズとなるモードのピークもわずかに認められるが、ほぼ単一のモード（ブリルアンゾーン境界上のモード）による伝播であることがわかる。このように、実施例の導波路素子５０は、ブリルアンゾーン境界上のモードを単一モードで伝播させることができる。
【０１０１】
また、図１５は、実施例における、Ｌ＝２４．５ｍｍの場合の挿入損失を示すグラフである。また、図１６は、実施例における、Ｌ＝３９．５ｍｍの場合の挿入損失を示すグラフである。図１５および図１６において、横軸は波長であり縦軸は挿入損失である。図１５より、Ｌ＝２４．５ｍｍの場合のピーク波長における挿入損失は１９．８ｄＢである。また、図１６より、Ｌ＝３９．５ｍｍの場合のピーク波長における挿入損失は２８．７ｄＢである。
【０１０２】
なお、実施例においては、入射光および出射光は、基板に対して垂直としたが、入射光および出射光の進路を変更して、入射角および出射角を変更することは容易に実現できる。
【産業上の利用可能性】
【０１０３】
本発明の導波路素子は、光回路に搭載されることが好ましい。その光回路と電子回路とを組み合わせることで、光回路と電子回路とのそれぞれの長所を生かした回路を作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１０４】
【図１】本発明の実施の形態１に係る導波路素子の構成を示す斜視図
【図２】本発明の実施の形態１に係る導波路素子の構成を示す側面図
【図３】本発明の実施の形態１に係る導波路素子の入射側の光の進路を説明する側面図
【図４】図３に対応したバンド図
【図５】本発明の実施の形態１に係る導波路素子の出射側の光の進路を説明する側面図
【図６】図５に対応したバンド図
【図７】本発明の実施の形態１に係る反射層を備えた導波路素子の構成を示す側面図
【図８】本発明の実施の形態２に係る導波路素子の構成を示す側面図
【図９】本発明の実施の形態３に係る導波路素子の構成を示す側面図
【図１０】本発明の実施の形態２に係る導波路素子の構成を示す斜視図
【図１１】本発明による導波路素子を用いた光回路と電子回路との組み合わせについて説明するための斜視図
【図１２】実施例における導波路素子の構成について説明するための側面図
【図１３】実施例において、Ｌ＝２４．５ｍｍの場合のインパルス応答を示すグラフ
【図１４】実施例において、Ｌ＝３９．５ｍｍの場合のインパルス応答を示すグラフ
【図１５】実施例において、Ｌ＝２４．５ｍｍの場合の挿入損失を示すグラフ
【図１６】実施例において、Ｌ＝３９．５ｍｍの場合の挿入損失を示すグラフ
【図１７】光回路と電子回路とを結合させた構成を示す斜視図であり、図１７（ａ）は端面結合を示す図であり、図１７（ｂ）は垂直結合を示す図
【符号の説明】
【０１０５】
１  基板
２、３２  フォトニック結晶
２ａ  入射側傾斜面
２ｂ  出射側傾斜面
３、１９  入射部
３ａ、４ａ、１４ａ、１９ａ  光ファイバ
３ｂ、４ｂ、１４ｂ、１９ｂ  コリメータレンズ
３ｃ、４ｃ、１４ｃ、１９ｃ  対物レンズ
４、１４  出射部
５、５ｂ  入射光
６、６ａ  出射光
７ａ、７ｂ、９ａ、９ｂ  屈折光
８  伝播光
１０、１０ａ、１０ｂ、３０、５０、６０  導波路素子
１１、１２、１６、１７  破線
１３、１８  線
２１ａ、２１ｂ  反射層
３２ａ  入射側回折格子
３２ｂ  出射側回折格子
４０  光回路
４０ａ  傾斜面
４１  レンズアレイ
４１ａ  マイクロレンズ
４２  電子回路
４２ａ  ＶＣＳＥＬ
４２ｂ  受光セル
４２ｃ  導線
４３  光
５１  クラッド
１００  電子回路
１０１  導線
１０２、２０１  端面
１０３、２０２  主面
２００  光回路
３００  光
【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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