(57)【要約】【課題】  本発明は、媒質の屈折率を大きく変化させることができる光回路を提供することを目的とする。【解決手段】  光共振または光導波を行う光回路であって、前記光回路を複数の部分に分割し、分割した一部を残りの部分に対し空間的に変位させる変位手段を有する。前記光回路は、光共振器または光導波路である。【選択図】        図１
2006267207.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光共振または光導波を行う光回路であって、
前記光回路を複数の部分に分割し、
分割した一部を残りの部分に対し空間的に変位させる変位手段を
有することを特徴とする光回路。
【請求項２】
前記光回路は、光共振器であることを特徴とする請求項１記載の光回路。
【請求項３】
前記光回路は、光導波路であることを特徴とする請求項１記載の光回路。
【請求項４】
前記光回路は、２次元フォトニック結晶に構成されたことを特徴とする請求項２または３記載の光回路。
【請求項５】
前記２次元フォトニック結晶のスラブをスラブ表面と平行な平面で複数の部分に分割し、
前記変位手段は、分割した一部を残りの部分に対し前記分割した平面に垂直方向に変位させることを特徴とする請求項４記載の光回路。
【請求項６】
前記２次元フォトニック結晶のスラブをスラブ表面と垂直で前記光共振器を通る平面で分割し、
前記変位手段は、分割した一部を残りの部分に対し前記分割した平面に垂直方向に変位させることを特徴とする請求項４記載の光回路。
【請求項７】
前記２次元フォトニック結晶のスラブをスラブ表面と垂直で前記光導波路を通る平面で分割し、
前記変位手段は、分割した一部を残りの部分に対し前記分割した平面に垂直方向に変位させることを特徴とする請求項４記載の光回路。
【請求項８】
前記光回路は、ウイスパリングギャラリモード光共振器であることを特徴とする請求項１記載の光回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光回路に関し、光共振器や光導波路の光回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、フォトニック結晶を用いた光共振器や光導波路の光回路では、光共振器の共鳴波長や光導波路の分散特性等の特性を動的にチューニングするためには、結晶を構成する媒質の屈折率を変える手法が用いられている（例えば、非特許文献１参照。）。そこでは、光共振器の共鳴波長や光導波路の透過特性または分散特性は、フォトニック結晶を構成する媒質の屈折率の値によって大きく変わるという性質が利用されている。
屈折率を変える方法としては、ポッケルス効果等の電圧によって屈折率が変わる電気光学効果、キャリアプラズマ効果等の電流注入によって屈折率が変わる効果、カー効果等の光照射によって屈折率が変わる効果、熱によって屈折率が変わる熱光学効果、などさまざまな現象が用いられている。同様な手法は、フォトニック結晶を用いないリング光共振器等の超小型光回路でも同様に用いられている。  
【非特許文献１】Ｔ．Ｂａｂａ  ｅｔ  ａｌ．“Ｃａｒｒｉｅｒ  ｐｌａｓｍａ  ｓｈｉｆｔ  ｉｎ  ＧａＩｎＡｓＰ  ｐｈｏｔｏｎｉｃ  ｃｒｙｓｔａｌ  ｐｏｉｎｔ  ｄｅｆｅｃｔ  ｃａｖｉｔｙ”  ＥＬＥＣＴＲＯＮ  ＬＥＴＴＥＲＳ  １６ｔｈ  Ｏｃｔｏｂｅｒ  ２００３  Ｖｏｌ．３９  Ｎｏ．２１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、いずれの現象を用いても屈折率の変化量は非常に小さく、通常は１００００分の１から１０００分の１程度の屈折率変化量しか実現できないという問題があった。この限界がフォトニック結晶光共振器や光導波路の動的チューニングの大きさを制限しており、もっと変化量を大きくできるチューニング方法が望まれていた。また、フォトニック結晶を用いないリング光共振器等の光回路でも同様の問題があった。
【０００４】
本発明は、上記の点に鑑みなされたものであり、媒質の屈折率を大きく変化させることができる光回路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】
【０００５】
請求項１に記載の発明は、光共振または光導波を行う光回路であって、
前記光回路を複数の部分に分割し、
分割した一部を残りの部分に対し空間的に変位させる変位手段を有することにより、媒質の屈折率を大きく変化させることができ、光共振器の共鳴波長や光導波路の透過特性または分散特性の特性を大きく動的にチューニングすることができる。
【０００６】
請求項２に記載の発明は、前記光回路が、光共振器であることにより、光共振器の共鳴波長を大きく動的にチューニングすることができる。
【０００７】
請求項３に記載の発明は、前記光回路が、光導波路であることにより、光導波路の特性を大きく動的にチューニングすることができる。
【０００８】
請求項４に記載の発明は、前記光回路が、２次元フォトニック結晶に構成されている。
【０００９】
請求項５に記載の発明は、前記２次元フォトニック結晶のスラブをスラブ表面と平行な平面で複数の部分に分割し、
前記変位手段は、分割した一部を残りの部分に対し前記分割した平面に垂直方向に変位させる。
【００１０】
請求項６に記載の発明は、前記２次元フォトニック結晶のスラブをスラブ表面と垂直で前記光共振器を通る平面で分割し、
前記変位手段は、分割した一部を残りの部分に対し前記分割した平面に垂直方向に変位させる。
【００１１】
請求項７に記載の発明は、前記２次元フォトニック結晶のスラブをスラブ表面と垂直で前記光導波路を通る平面で分割し、
前記変位手段は、分割した一部を残りの部分に対し前記分割した平面に垂直方向に変位させる。
【００１２】
請求項８に記載の発明は、前記光回路が、ウイスパリングギャラリモード光共振器である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、物質の屈折率変化を用いずに媒質の屈折率を大きく変化させることができ、光共振器の共鳴波長や光導波路の特性を大きく動的にチューニングすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面に基づいて本発明の実施形態について説明する。
【００１５】
本発明では、フォトニック結晶光共振器に代表される超小型光共振器またはフォトニック結晶光導波路に代表される超小型光導波路等の光回路をその特性を損なわないように複数の部分に分割し、分割した複数部分のうちのいくつかの部分を空間的に変位させることによって、光共振器の共鳴波長や光導波路の有効屈折率等の光回路の特性の動的チューニングを実現する。
【００１６】
＜第１実施形態＞
図１は、本発明の光回路の第１実施形態の平面図及び側面図を示す。図１（Ａ）の平面図において、三角格子空気穴２次元フォトニック結晶１０は、エアブリッジ構造の高屈折率材料であるシリコンのスラブ１２に三角格子状に配置した空気穴１４（低屈折率材料）を設けたものである。フォトニック結晶１０は屈折率が周期的に変調された構造を指し、これを用いることにより非常に小型で閉じ込めの強い、即ちＱ（Ｑｕａｌｉｔｙ  Ｆａｃｔｏｒ）の高い光共振器を実現することができる。
【００１７】
光共振器１６は、Ｘ軸方向に延在する３点欠陥（３つの空気穴の欠損）のＸ軸方向の両端に隣接する空気穴を３点欠陥から離すようにＸ軸方向に幅寄せするとともに、径を小さくして構成されている。
【００１８】
この光共振器１６の共鳴波長に合致した入力光を、図１（Ａ）に示す光共振器１６部分にスラブ１２に対し垂直方向（Ｚ軸方向）から照射すると、入力光は光共振器１６内に蓄積される。
【００１９】
図１（Ｃ），（Ｄ）の側面図に示すように、フォトニック結晶１０は、Ｚ軸上でスラブ１２の中央位置においてＺ軸と直交する平面（ＸＹ平面）で切断され、第１部分１０ａと第２部分１０ｂに２分割されている。第１部分１０ａは微少変位装置２０に固定され、第２部分１０ｂは図示しない基台部に固定されている。
【００２０】
図１（Ｂ）の側面図は、第１部分１０ａを第２部分１０ｂに当接させた状態（距離Ｌ＝０）を示している。この状態から、微少変位装置２０は、第１部分１０ａをＺ軸方向上側に微少変位させて、図１（Ｃ）の側面図に示すように第１部分１０ａを第２部分１０ｂから距離Ｌ＝５０ｎｍだけ離間させ、更に、図１（Ｄ）の側面図に示すように第１部分１０ａを第２部分１０ｂから距離Ｌ＝１００ｎｍだけ離間させる。また、微少変位装置２０は第１部分１０ａを逆方向に微少変位させて第２部分１０ｂに当接させるよう駆動する。
【００２１】
本実施形態では、フォトニック結晶１０の格子定数は４００ｎｍ、空気穴１４の直径は２１０ｎｍ、第１部分１０ａと第２部分１０ｂそれぞれのスラブ厚は１００ｎｍとする。シリコンスラブの屈折率は３．４６であるが、Ｌ＝０（合計スラブ厚が２００ｎｍ）の場合の第１部分１０ａ及び第２部分１０ｂのペアの有効屈折率はほぼ２．８である。
【００２２】
ここで、有効屈折率について説明する。スラブ光導波路では光の伝搬はスラブ面内だけに制限され、スラブ面内つまり伝搬方向の自由度に関する分散を決める屈折率が有効屈折率である。具体的には、伝搬方向の波数ｋ、真空中の光速ｃ、光の角周波数ωとすると、ｃｋ／ωが有効屈折率である。
【００２３】
有効屈折率は物理的には導波モードがスラブ面内を伝搬するときに平均的に感じる屈折率であるので、スラブ厚が薄くなって導波モードが低屈折率のクラッド中にしみ出すと、その分だけ有効屈折率は小さくなる。
【００２４】
また、スラブ面内に作成した光共振器の共鳴波長は、有効屈折率を与えればスラブ面に垂直方向の自由度を含まない純粋な２次元計算で求めることができる。つまり、同じ構造の光共振器でスラブ厚のみが変化すれば、有効屈折率の変化分だけ共鳴波長が変化することになる。
【００２５】
従って、図１において、距離Ｌを大きくすると、導波モードが第１部分１０ａと第２部分１０ｂ間の空気中にしみ出すために第１部分１０ａと第２部分１０ｂのペアの有効屈折率は２．８から減少し、そのために、光共振器１６の共鳴波長は変化する。
【００２６】
図２に距離Ｌを変化したときの光共振器１６の共鳴波長の変化を実線Ｉで示す。距離Ｌ＝２１０ｎｍでは、距離Ｌ＝０ｎｍに対し約１４％の共鳴波長変化を実現している。このように大きな共鳴波長変化は、従来用いられてきた光非線形性などによる物質の屈折率変調では実現し得ないものである。
【００２７】
一方、距離Ｌを大きくするに伴って、光共振器１６の光閉じ込め特性が劣化し、光共振器１６のＱ値が減少してしまうおそれもあるが、実際には、図２に実線IIで示すように距離Ｌを変化させても光共振器１６のＱ値はほとんど一定である。
【００２８】
従って、光共振器１６の特性を損なうことなく、大きく共鳴波長を変化させることが可能であることがわかる。距離Ｌを変化させる微少変位装置２０としては、電圧を加えることによって駆動するマイクロマシンを用いる。また、第１部分１０ａと第２部分１０ｂ間に特定媒質を介在させ、この特定媒質の体積を温度、圧力、電圧などによって距離Ｌを変化させる方法や、第１部分１０ａ，第２部分１０ｂの片面に気流などにより圧力を加え距離Ｌを変化させる方法などがある。
【００２９】
なお、図１では第１部分１０ａと第２部分１０ｂは切断面に対して鏡像対称になっているが、鏡像対称とすることは必要条件ではなく、第１部分１０ａと第２部分１０ｂを非対称にしても同様の効果が得られる。
【００３０】
＜第２実施形態＞
図３は、本発明の光回路の第２実施形態の平面図及び側面図を示す。同図中、図１と同一部分には同一符号を付す。
【００３１】
図３（Ａ）の平面図において、三角格子空気穴２次元フォトニック結晶１０は、エアブリッジ構造の高屈折率材料であるシリコンのスラブ１２に三角格子状に配置した空気穴１４（低屈折率材料）を設けたものである。フォトニック結晶１０は屈折率が周期的に変調された構造を指し、これを用いることにより非常に小型で閉じ込めの強い、即ちＱの高い光共振器を実現することができる。
【００３２】
光共振器１６は、Ｘ軸方向に延在する３点欠陥（３つの空気穴の欠損）のＸ軸方向の両端に隣接する空気穴を３点欠陥から離すようにＸ軸方向に幅寄せするとともに、径を小さくして構成されている。
【００３３】
この光共振器１６の共鳴波長に合致した入力光を、図３（Ａ）に示す光共振器１６部分にスラブ１２に対し垂直方向（Ｚ軸方向）から照射すると、入力光は光共振器１６内に蓄積される。
【００３４】
図３（Ｂ）の側面図に示すように、フォトニック結晶１０は、Ｘ軸上で光共振器１６の位置においてＸ軸と直交する平面（ＹＺ平面）で切断され、第３部分１０ｃと第４部分１０ｄに２分割されている。第３部分１０ｃは微少変位装置２２に固定され、第４部分１０ｄは図示しない基台部に固定されている。なお、第３部分１０ｃと第４部分１０ｄを切断する切断面は光共振器１６の位置においてＹ軸と直交する平面（ＸＺ平面）であっても良い。
【００３５】
図３（Ｂ）の側面図は、第３部分１０ｃを第４部分１０ｄに当接させた状態（距離Ｌ＝０）を示している。この状態から、微少変位装置２２は、第３部分１０ｃをＸ軸方向右側に微少変位させて、第３部分１０ｃを第４部分１０ｄから離間させる。また、微少変位装置２２は第３部分１０ｃを逆方向に微少変位させて第４部分１０ｄに当接させるよう駆動する。
【００３６】
この場合、距離Ｌが変化してもスラブ１２の有効屈折率は変化しないが、距離Ｌが大きくなると、光共振器１６の共振モードが第３部分１０ｃと第４部分１０ｄ間の空気部分にしみ出す量が増えるため、第１実施形態と同様に共鳴波長が短波長側にシフトする。
【００３７】
なお、第１、第２実施形態では、共鳴波長に合致した入力光をスラブに対し垂直方向から照射する構成であるが、共振器１６と結合する光導波路を設け、入力光を光導波路から共振器１６に入力する構成であっても良い。また、２次元フォトニック結晶１０のスラブ１２を用いて説明を行ったが、３次元フォトニック結晶に形成した光共振器に関しても、この光共振器を二分割し、一方の部分を変位させることによって共鳴波長チューニングが可能である。また、第１、第２実施形態では、光共振器１６を２つの部分に分割したが、３つ以上の部分に分割しても同様の効果が得られることは自明である。
【００３８】
なお、第１、第２実施形態は、シリコンフォトニック結晶のスラブを用いた場合について述べたが、ＧａＡｓ等の他の材料、３次元フォトニック結晶等の他の構造を用いた場合にも同様の効果が得られる。
【００３９】
＜第３実施形態＞
図４は、本発明の光回路の第３実施形態の平面図及び側面図を示す。図４（Ａ）の平面図において、三角格子空気穴２次元フォトニック結晶３０は、エアブリッジ構造の高屈折率材料であるシリコンのスラブ３２に三角格子状に配置した空気穴３４（低屈折率材料）を設けたものである。光導波路３６は、フォトニック結晶の空気穴３４を三角格子の一辺と重なるＸ軸方向に除去して構成されている。光導波路３６には端部から任意の波長の光が入力されて導波される。
【００４０】
図４（Ｂ）の側面図に示すように、フォトニック結晶３０は、Ｚ軸上でスラブ３２の中央位置においてＺ軸と直交する平面（ＸＹ平面）で切断され、第１部分３０ａと第２部分３０ｂに２分割されている。第１部分３０ａは微少変位装置４０に固定され、第２部分３０ｂは図示しない基台部に固定されている。
【００４１】
微少変位装置４０は、第１部分３０ａをＺ軸方向上側に微少変位させて、第１部分３０ａを第２部分３０ｂから離間させる。また、第１部分３０ａを逆方向に微少変位させて第２部分３０ｂに当接させるよう駆動する。
【００４２】
本実施形態では、フォトニック結晶３０の格子定数は４００ｎｍ、空気穴３４の直径は２１０ｎｍ、第１部分１０ａと第２部分１０ｂそれぞれのスラブ厚は１００ｎｍとしている。する。シリコンスラブの屈折率は３．４６であるが、Ｌ＝０（合計スラブ厚が２００ｎｍ）の場合の第１部分１０ａ及び第２部分１０ｂのペアの有効屈折率はほぼ２．８である。
【００４３】
図４において、距離Ｌを大きくすると、有効屈折率が小さくなり、導波モードが第１部分３０ａと第２部分３０ｂ間の空気中にしみ出すために第１部分３０ａと第２部分３０ｂのペアの有効屈折率は２．８から減少する。一般に、導波路の特性は伝搬定数を用いて表現され、伝搬定数が決まれば導波路の特性はほぼ決まってしまうが、この伝搬定数は有効屈折率によって決まるため、本実施形態により伝搬定数を直接変化させることができる。伝搬定数の変化により、例えば光信号の伝搬速度やパルス波形、モードの広がり等さまざまな特性が変化する。
【００４４】
＜第４実施形態＞
図５は、本発明の光回路の第４実施形態の平面図及び側面図を示す。同図中、図４と同一部分には同一符号を付す。
【００４５】
図５（Ａ）の平面図において、三角格子空気穴２次元フォトニック結晶３０は、エアブリッジ構造の高屈折率材料であるシリコンのスラブ３２に三角格子状に配置した空気穴３４（低屈折率材料）を設けたものである。光導波路３６は、フォトニック結晶の空気穴３４を三角格子の一辺と重なるＸ軸方向に１列だけ除去して構成されている。光導波路３６には端部から任意の波長の光が入力されて導波される。
【００４６】
図５（Ｂ）の側面図に示すように、フォトニック結晶３０は、Ｙ軸上で光導波路３６の位置においてＹ軸と直交する平面（ＸＺ平面）で切断され、第３部分３０ｃと第４部分３０ｄに２分割されている。第３部分３０ｃは微少変位装置４２に固定され、第４部分３０ｄは図示しない基台部に固定されている。なお、第３部分３０ｃと第４部分３０ｄを切断する切断面は光導波路３６の位置においてＸ軸と直交する平面（ＹＺ平面）であっても良い。
【００４７】
微少変位装置４２は、第３部分３０ｃをＹ軸方向上側に微少変位させて、第３部分３０ｃを第４部分３０ｄから離間させる。また、第３部分３０ｃを逆方向に微少変位させて第４部分３０ｄに当接させるよう駆動する。
【００４８】
本実施形態では、フォトニック結晶３０の格子定数は４００ｎｍ、空気穴３４の直径は２１０ｎｍ、第３部分３０ｃと第４部分３０ｄそれぞれのスラブ厚は１００ｎｍとしている。シリコンスラブの屈折率は３．４６であるが、Ｌ＝０（合計スラブ厚が２００ｎｍ）の場合の第３部分３０ｃ及び第４部分３０ｄのペアの有効屈折率はほぼ２．８である。
【００４９】
この場合、距離Ｌが変化してもスラブ３２の有効屈折率は変化しないが、距離Ｌが大きくなると、光導波路３６の導波モードが第３部分３０ｃと第４部分３０ｄ間の空気部分にしみ出す量が増えるため、第２実施形態と同様に、第３部分３０ｃと第４部分３０ｄのペアの有効屈折率が変化し、光導波路３６の伝搬定数の変化により、例えば光信号の伝搬速度やパルス波形、モードの広がり等さまざまな特性が変化する。
【００５０】
なお、第１乃至第４実施形態ではフォトニック結晶による光共振器、光導波路について説明したが、他の光共振器や光導波路についても同様な効果が期待できる。ウイスパリングギャラリ（Ｗｈｉｓｐｅｒｉｎｇ  Ｇａｌｌｅｒｙ）モード光共振器や、高屈折率差の光導波路であるシリコン細線光導波路についても、同様に素子を複数の部分に分割し、その一部を空間的に変位させることによって光共振器の共鳴波長や光導波路の分散特性を変化させることができる。なお、シリコン細線光導波路とは、例えば屈折率３．４６のシリコンと屈折率１．４４のシリカ（または屈折率１の空気）で構成された導波路である。
【００５１】
図６（Ａ），（Ｂ）は、ディスク型のウイスパリングギャラリモード光共振器の斜視図及び平面図を示す。同図中、ディスク型の光共振器５０は高屈折率材料で作成されており、低屈折材料の空気中に置かれるか、または、低屈折材料のクラッド内に配置される。
【００５２】
図７（Ａ），（Ｂ）は、リング型のウイスパリングギャラリモード光共振器の斜視図及び平面図を示す。同図中、リング型の光共振器５２は高屈折率材料で作成されており、低屈折材料の空気中に置かれるか、または、低屈折材料のクラッド内に配置される。
【００５３】
図６、図７では、光共振器５０，５２の中心軸を通る平面、もしくは中心軸と直交する平面で光共振器５０，５２を２分割し、分割された２つの部分の距離を変化させて光共振器５０，５２の共鳴波長を変化させる。
【００５４】
なお、微少変位装置２０，２２，４０，４２が請求項記載の変位手段に相当する。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の光回路の第１実施形態の平面図及び側面図である。
【図２】距離Ｌを変化したときの光共振器の共鳴波長とＱの変化を示す図である。
【図３】本発明の光回路の第２実施形態の平面図及び側面図である。
【図４】本発明の光回路の第３実施形態の平面図及び側面図である。
【図５】本発明の光回路の第４実施形態の平面図及び側面図である。
【図６】ディスク型のウイスパリングギャラリモード光共振器の斜視図及び平面図である。
【図７】リング型のウイスパリングギャラリモード光共振器の斜視図及び平面図である。
【符号の説明】
【００５６】
１０，３０  フォトニック結晶
１２，３２  スラブ
１４，３４  空気穴
１６，５０，５２  光共振器
３６  光導波路
２０，２２，４０，４２  微少変位装置
【図１】
2006267207.tif 000003
【図２】
2006267207.tif 000004
【図３】
2006267207.tif 000005
【図４】
2006267207.tif 000006
【図５】
2006267207.tif 000007
【図６】
2006267207.tif 000008
【図７】
2006267207.tif 000009