(57)【要約】フォトニック結晶光導波路は、導波光の伝搬方向に垂直な少なくとも一方向に屈折率周期性を有し、前記導波光の伝搬方向には一様な屈折率を有する構造のフォトニック結晶からなるコアと、前記導波光を前記コア内に閉じ込めるために、前記コアに接して設置されているクラッドとを有する光導波路部を備えたフォトニック結晶光導波路であって、前記コアの光入射面に近接もしくは接触するように設置された入射側位相変調部を備えたことを特徴とする。
2004005986.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導波光の伝搬方向に垂直な少なくとも一方向に屈折率周期性を有し、前記導波光の伝搬方向には一様な屈折率を有する構造のフォトニック結晶からなるコアと、前記導波光を前記コア内に閉じ込めるために、前記コアに接して設置されているクラッドとを有する光導波路部を備えたフォトニック結晶光導波路であって、
前記コアの光入射面に近接もしくは接触するように設置された入射側位相変調部を備えたことを特徴とするフォトニック結晶光導波路。
【請求項２】
前記コアには、前記導波光の伝搬方向におけるフォトニックバンドが存在し、
前記入射側位相変調部は、入射した導波光を位相変調して、前記光導波路部の前記コアに伝搬させ、
前記コアは、前記位相変調された導波光のエネルギーの全部もしくは半分以上が高次の前記フォトニックバンドに属する波動を伝搬させる、請求の範囲１に記載のフォトニック結晶光導波路。
【請求項３】
前記入射側位相変調部は、前記コアの屈折率周期と、同調されるような屈折率周期を有する位相格子である、請求の範囲１に記載のフォトニック結晶光導波路。
【請求項４】
前記入射側位相変調部は、前記コアと同一の構造を有し、前記コアと同一の屈折率周期を有する位相格子である、請求の範囲１に記載のフォトニック結晶光導波路。
【請求項５】
前記入射側位相変調部は、前記コアの光入射面側の端部近傍を切断して、分離した部分である請求の範囲１に記載のフォトニック結晶光導波路。
【請求項６】
前記コアは、前記位相変調された導波光の低次側から二番目の結合性フォトニックバンドに属する波動を伝搬させる、請求の範囲２に記載のフォトニック結晶光導波路。
【請求項７】
前記導波光が出射される前記コアの出射面に、近接もしくは接触するように設置された出射側位相変調部をさらに備えている、請求の範囲１に記載のフォトニック結晶光導波路。
【請求項８】
前記出射側位相変調部は、前記コアの出射面から出射された光を平面波に変換する、請求の範囲７に記載のフォトニック結晶光導波路。
【請求項９】
前記出射側位相変調部は、前記コアの屈折率周期と、同調されるような屈折率周期を有する位相格子である、請求の範囲７に記載のフォトニック結晶光導波路。
【請求項１０】
前記出射側位相変調部は、前記コアと同一の構造を有し、前記コアと同一の屈折率周期を有する位相格子である、請求の範囲７に記載のフォトニック結晶光導波路。
【請求項１１】
前記出射側位相変調部は、前記コアの光出射面側の端部近傍を切断して、分離した部分である請求の範囲７に記載のフォトニック結晶光導波路。
【請求項１２】
前記クラッドは、前記導波光の伝搬方向に垂直な少なくとも一方向に屈折率周期性を有し、前記導波光の伝搬方向には一様な屈折率を有するフォトニック結晶よりなる、請求の範囲１に記載のフォトニック結晶光導波路。
【請求項１３】
前記コアは、光学的非線形作用を有する活性物質を含有している、請求項１に記載のフォトニック結晶光導波路。
【請求項１４】
前記コアは、前記導波光の伝搬方向に垂直な一方向もしくは二方向に屈折率周期性を有し、前記導波光の伝搬方向には一様な屈折率を有する多層膜層である、請求の範囲１に記載のフォトニック結晶光導波路。
【請求項１５】
前記光導波路部は、断面が略円形であるファイバ状であって、前記コアはファイバ状で、前記コアの外周に前記クラッドが形成されていて、
前記コアおよび前記クラッドは、前記導波光の伝搬方向には一様な屈折率を有する、請求項１２に記載のフォトニック結晶光導波路。
【請求項１６】
前記コアおよび前記クラッドの各屈折率周期は、前記導波光の伝搬方向に平行である前記光導波路部の中心軸に対して、対称である、請求項１５に記載のフォトニック結晶光導波路。
【請求項１７】
前記光導波路部は、断面が略円形であるファイバ状の均質物質を備え、前記均質物質には、その長手方向に沿って複数の空洞が形成されていて、前記複数の空洞は、前記導波光の伝搬方向に平行である前記光導波路部の中心軸に対して対称となるように形成されている、請求の範囲１６に記載のフォトニック結晶光導波路。
【請求項１８】
前記空洞の全部もしくは一部に流動性物質が充填されている、請求の範囲１７に記載のフォトニック結晶光導波路。
【請求項１９】
前記光導波路部の断面における屈折率は、前記導波光の伝搬方向に平行である前記光導波路部の中心軸からの距離に対して周期的かつ同心円状に変化している、請求の範囲１６に記載のフォトニック結晶光導波路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は、フォトニック結晶を用いた光導波路に関する。
【背景技術】  近年、ホーリーファイバあるいはフォトニック結晶ファイバと呼ばれる新しい光ファイバの研究開発が急速に進展している。従来の光ファイバでは単純な屈折率差によりコア部分に光を閉じ込めている。一方、上述の新しい光ファイバは、断面内に複雑な２次元構造を有することを特徴としている。例えば、クラッド部分に空孔を配置することにより実効屈折率を小さくして、コア部分との屈折率差をつけることで、光をコア部分に閉じ込めている。また、他には、クラッド部分をフォトニック結晶として、コア部分の導波光に対してフォトニックバンドギャップを形成することで光をコア部分に閉じ込める。このような手段で、光ファイバを構成している。
ホーリーファイバやフォトニック結晶ファイバでは、構造によってその特性を大きく変えることができるので、波長分散を大きくした分散補償光ファイバ、非線形光学効果の大きい光ファイバまたは可視域でのゼロ分散光ファイバ等といった応用が提案されている。また、複雑な２次元構造は、例えば、複数の石英パイプを束ねたものを、加熱延伸することによってつくることができる（例えば、オー・プラス・イー、２３巻、９号、１０６１頁  ２００１年、参照）。
現在提案されているホーリーファイバやフォトニック結晶ファイバでは、コア部分を伝搬する導波光として、０次モードによる単一モード伝搬を利用している。単一モード伝搬光は、周波数に対する屈折率の変化が非常に小さい。したがって、群速度異常や非常に大きい分散といった特性を発揮することができない。このため、単一モード伝搬は、多モード伝搬による波長分散を防ぐためには必須の条件であるものの、同時にコア断面の面積や光ファイバ性能に対する制約条件ともなっている。
【発明の開示】
本発明は、従来技術における前記課題を解決するためになされたものであり、任意のバンド伝搬光を伝搬させることができるフォトニック結晶光導波路を提供することを目的とする。
そこで、本発明は、導波光の伝搬方向に垂直な少なくとも一方向に屈折率周期性を有し、前記導波光の伝搬方向には一様な屈折率を有する構造のフォトニック結晶からなるコアと、前記導波光を前記コア内に閉じ込めるために、前記コアに接して設置されているクラッドとを有する光導波路部を備えたフォトニック結晶光導波路であって、前記コアの光入射面に近接もしくは接触するように設置された入射側位相変調部を備えたことを特徴とする。
【図面の簡単な説明】  図１は、１次元フォトニック結晶を示す断面図である。
図２は、１次元フォトニック結晶におけるＴＥ偏光のフォトニックバンド構造を示すバンド図である。
図３は、１次元フォトニック結晶におけるＴＭ偏光のフォトニックバンド構造を示すバンド図である。
図４は、１次元フォトニック結晶光導波路の構成を示す斜視図である。
図５は、２次元フォトニック結晶を用いた光ファイバの構成を示す斜視図である。
図６は、１次元フォトニック結晶中での第１バンド伝搬光のＺ軸方向における電場の強さを表わした模式図である。
図７は、１次元フォトニック結晶中での高次バンド伝搬光のＺ軸方向における電場の強さを表わした模式図である。
図８は、本実施の形態に係るフォトニック結晶光導波路の構成を示す断面図である。
図９は、本実施の形態に係るフォトニック結晶光導波路における、導波光のＺ軸方向における電場の強さを表わした摸式図である。
図１０は、本実施の形態に係る他のフォトニック結晶光導波路の電場を表わした模式図である。
図１１は、本実施の形態に係る他のフォトニック結晶光導波路の断面図である。
図１２は、本実施の形態に係る他のフォトニック結晶光導波路の断面図である。
図１３Ａおよび図１３Ｂは、同じ厚さの２種類の物質をそれぞれ交互に層となるように重ねた１次元フォトニック結晶のバンド図である。
図１４Ａおよび図１４Ｂは、多層構造である２次元フォトニック結晶の摸式図である。
図１５は、本実施の形態に係るフォトニック結晶光導波路の斜視図である。
図１６は、本実施の形態に係る位相差を補償する光導波路素子を示す斜視図である。
図１７は、本実施の形態に係るフォトニック結晶光ファイバの模式図である。
図１８は、本実施の形態に係る同心円状フォトニック結晶光ファイバの模式図である。
【発明を実施するための最良の形態】  本実施の形態のフォトニック結晶光導波路は、特定の高次フォトニックバンドに属する波動のみを伝搬させることができる。それにより、フォトニック結晶の機能を効率よく利用することができる。
本実施の形態のフォトニック結晶光導波路は、前記コアには、前記導波光の伝搬方向におけるフォトニックバンドが存在し、前記入射側位相変調部は、入射した導波光を位相変調して、前記光導波路部の前記コアに伝搬させ、前記コアは、前記位相変調された導波光のエネルギーの全部もしくは半分以上が高次の前記フォトニックバンドに属する波動を伝搬させる。それにより、第１次バンド伝搬光による損失が少ない高次バンド伝搬光を、コアに伝搬させることができる。そのため、分散補償素子または光遅延素子等として利用することができる。
また、前記入射側位相変調部は、前記コアの屈折率周期と、同調されるような屈折率周期を有する位相格子としてもよい。
また、前記入射側位相変調部は、前記コアと同一の構造を有し、前記コアと同一の屈折率周期を有する位相格子としてもよい。
また、好ましくは、前記入射側位相変調部は、前記コアの光入射面側の端部近傍を切断して、分離した部分である。それにより、容易に入射側位相変調部を作製することができる。
また、前記コアは、前記位相変調された導波光の低次側から二番目の結合性フォトニックバンドに属する波動を伝搬させてもよい。
また、好ましくは、前記導波光が出射される前記コアの出射面に、近接もしくは接触するように設置された出射側位相変調部をさらに備えている。それにより、コアから出射された光を、平面波に変化することができる。
また、前記出射側位相変調部は、前記コアの出射面から出射された光を平面波に変換する構造としてもよい。
また、前記出射側位相変調部は、前記コアの屈折率周期と、同調されるような屈折率周期を有する位相格子としてもよい。
また、前記出射側位相変調部は、前記コアと同一の構造を有し、前記コアと同一の屈折率周期を有する位相格子であるとすればよい。
また、好ましくは、前記出射側位相変調部は、前記コアの光出射面側の端部近傍を切断して、分離した部分である。それにより、容易に出射側位相変調部を作製することができる。
また、好ましくは、前記クラッドは、前記導波光の伝搬方向に垂直な少なくとも一方向に屈折率周期性を有し、前記導波光の伝搬方向には一様な屈折率を有するフォトニック結晶よりなる。それにより、コアの実効屈折率が低い場合でも、コアからの光の漏れを防ぐことができる。
また、前記コアは、光学的非線形作用を有する活性物質を含有している。それにより、非線形光学効果の大きい光素子を提供することができる。
また、前記コアは、前記導波光の伝搬方向に垂直な一方向もしくは二方向に屈折率周期性を有し、前記導波光の伝搬方向には一様な屈折率を有する多層膜層としてもよい。
また、好ましくは、前記光導波路部は、断面が略円形であるファイバ状であって、前記コアはファイバ状で、前記コアの外周に前記クラッドが形成されていて、前記コアおよび前記クラッドは、前記導波光の伝搬方向には一様な屈折率を有する。それにより、ファイバ形状の分散補償素子または光遅延素子等を提供することができる。
また、前記コアおよび前記クラッドの各屈折率周期は、前記導波光の伝搬方向に平行である前記光導波路部の中心軸に対して、対称である構造としてもよい。
また、好ましくは、前記光導波路部は、断面が略円形であるファイバ状の均質物質を備え、前記均質物質には、その長手方向に沿って複数の空洞が形成されていて、前記複数の空洞は、前記導波光の伝搬方向に平行である前記光導波路部の中心軸に対して対称となるように形成されている。それにより、ファイバ形状の分散補償素子または光遅延素子等を提供することができる。
また、前記空洞の全部もしくは一部に流動性物質が充填されていてもよい。例えば空洞には、流動性物質として、アクリルモノマーを充填し、外部から紫外線を照射して、このアクリルモノマーを重合させてもよい。
また、前記光導波路部の断面における屈折率は、前記導波光の伝搬方向に平行である前記光導波路部の中心軸からの距離に対して周期的かつ同心円状に変化していることとしてもよい。
以下、本発明の実施の形態について具体的に説明する。
まず、フォトニック結晶中の光の伝搬について説明する。図１は１次元フォトニック結晶１を示す断面図である。図１において、光の導波方向をＺ軸方向とし、光の伝搬方向に対して垂直な方向をＹ軸方向とする。１次元フォトニック結晶１は、Ｙ軸方向にのみ屈折率周期性を有する。具体的には、それぞれ異なる屈折率を有する物質５ａおよび物質５ｂとが、交互にＹ軸方向に積層されて多層構造５を形成している。また、光の伝搬方向（Ｚ軸方向）には屈折率が一様である。物質５ａの厚さはｔＡであり、屈折率はｎＡとする。また、物質５ｂの厚さはｔＢであり、屈折率はｎＢとする。したがって、フォトニック結晶１は、これらが積層された、周期ａの多層構造である。なお、周期ａは（ｔＡ＋ｔＢ）である。
図１において、１次元フォトニック結晶１がコアであり、その周りの空気がクラッド（図示せず）となり、光導波路を構成している。コアである１次元フォトニック結晶１の端面１ａから、真空中の波長がλ０の平面波を入射光２として入射させると、導波光４として１次元フォトニック結晶１の物質５ａおよび物質５ｂ内を伝搬して、端面１ａとは逆の端面である端面１ｂから出射光３として空間に出射される。このとき、光が１次元フォトニック結晶１内でどのように伝搬するかは、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。バンド計算の方法は、例えば”Ｐｈｏｔｏｎｉｃ  Ｃｒｙｓｔａｌｓ”，Ｐｒｉｎｃｅｔｏｎ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  Ｐｒｅｓｓ（１９９５）あるいは、Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｂ４４巻、１６号、ｐ．８５６５、１９９１年、などに詳しく述べられている。
図１に示す１次元フォトニック結晶１のフォトニックバンドを、上述のバンド計算によって計算する。その際には、Ｙ軸方向（積層方向）には屈折率周期構造が無限に続き、Ｘ軸およびＺ軸方向（層面の広がる方向）には各層が無限に広がっているものと仮定して計算を行なう。
図２は、図１の１次元フォトニック結晶１におけるＴＥ偏光のフォトニックバンド構造を示すバンド図である。また、図３は、図１の１次元フォトニック結晶１におけるＴＭ偏光のフォトニックバンド構造を示すバンド図である。なお、物質５ａの厚さｔＡおよび屈折率ｎＡと、物質５ｂの厚さｔＢおよび屈折率ｎＢとは、以下に示す値とする。ただし、厚さｔＡおよび厚さｔＢは、周期ａを用いて表わしている（ａ＝ｔＡ＋ｔＢ）。
ｎＡ＝１．４４、ｔＡ＝０．５ａ
ｎＢ＝２．１８、ｔＢ＝０．５ａ
このような物質５ａおよび物質５ｂの層を交互に重ねた周期ａの多層構造５について、Ｚ軸方向（Ｘ軸方向も同じ）における平面波法による第１〜第３バンドについてのバンド計算の結果が、図２および図３に示されている。ここで、ＴＥ偏光とは電場の向きがＸ軸方向である偏光を、ＴＭ偏光とは磁場の向きがＸ軸方向である偏光を表わしている。
図２および図３の横軸は１次元フォトニック結晶１におけるＺ軸方向の波数ベクトルｋｚの大きさであり、縦軸は規格化周波数である。規格化周波数は、ωａ／２πｃで表わされ、ωは入射する光の角振動数、ａは多層構造５の周期、ｃは真空中での光速である。また、規格化周波数は、入射光２の真空中での波長λ０を用いて、ａ／λ０とも表わすことができる。そこで、以下では規格化周波数は、ａ／λ０と記述し、図２および図３においてもそのように記載している。１次元フォトニック結晶１は、Ｚ軸方向には屈折率周期性がなく、屈折率は一様なので、図２および図３の横軸にはブリルアンゾーンの境界が存在せず、どこまでも広がっている。
図１において、入射光２の真空中の波長がλＡの場合、図２に示すように、１次元フォトニック結晶１内では最低次の第１バンドに対応する波数ベクトルｋＡ１が存在する。換言すると、波長λＡ１＝２π／ｋＡ１の波動として、導波光４がフォトニック結晶光導波路１内をＺ軸方向に伝搬する。この場合の導波光４を、以下では第１バンド伝搬光と呼ぶ。
ところが、入射光２の真空中の波長がλＢの場合、１次元フォトニック結晶１に入射する場合には、第１、第３バンドに対応する波数ベクトルｋＢ１、ｋＢ３が存在する。なお、第２バンドはＺ軸方向の伝搬に関しては、「非結合性」であるため無視する。したがって、波長λＢ１＝２π／ｋＢ１の第１バンド伝搬光、および波長λＢ３＝２π／ｋＢ３の第３バンド伝搬光の波動がそれぞれ１次元フォトニック結晶１内をＺ軸方向に伝搬する。図２における第３バンド光のような、最低次のバンド（第１バンド）ではない結合性バンドの光を、以下では、一般的に呼ばれているように「高次バンド伝搬光」と呼ぶ。通常、第２バンドと第３バンドのうち片方は結合性、もう片方は非結合性であり、第１バンドは結合性である。なお、非結合性バンドについての理論は、以下の文献に詳しく記述されている。Ｋ．Ｓａｋｏｄａ，“Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ  ｏｆ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃ  Ｃｒｙｓｔａｌｓ”，Ｓｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒｌａｇ（２００１）．
なお、以上は、ＴＥ偏光について図２を用いて説明したが、図３からわかるように、ＴＭ偏光においてもＴＥ偏光と同様の関係があるが、説明は省略する。
ここで、真空中での光の波長（λＡ、λＢなど）を、対応する１次元フォトニック結晶１中の波長（λＡ１、λＢ３など）で除した数値を「実効屈折率」と定義する。図２および図３から理解できるように、第１バンド光の規格化周波数ａ／λ０（縦軸）とｋｚ（横軸）とは、ほぼ比例しているため、実効屈折率も、真空中の入射光波長の変化に対してほとんど不変である。しかし、高次バンド伝搬光は実効屈折率が、真空中の入射光波長により大きく変化し、図２および図３より明らかなように実効屈折率が１未満になることもある。
図２および図３で示されるバンド図において、バンド曲線をｋｚで微分した値（すなわち、各バンド曲線の接線の傾き）が導波光４の群速度となることは良く知られている。第２次以上の高次バンドでは、ｋｚの値が小さくなるにつれて接線の傾きは急速に小さくなり、ｋｚ＝０のとき接線の傾きは０となる。これは、フォトニック結晶特有の現象である群速度異常によるものである。フォトニック結晶中における群速度異常は極めて大きく、かつ通常の均質物質の分散とは逆となる。すなわち、フォトニック結晶中では、入射光の波長が長くなるにつれて群速度が遅くなる。そのため、フォトニック結晶を用いて、高次バンド伝搬光を利用する光導波路や光ファイバを形成すれば、光遅延素子や光通信における分散補償素子として利用することができる。
図４は、１次元フォトニック結晶１５を用いた光導波路素子であるフォトニック結晶光導波路１７の構成を示す斜視図である。基板１４上に、両端には均質光導波路１６が設置されていて、均質光導波路１６によって挟まれるように、１次元フォトニック結晶１５が設置されている。なお、１次元フォトニック結晶１５はコアであって、クラッドは、その周囲の空気および基板１４である。図４に示したフォトニック結晶光導波路１７は、１次元フォトニック結晶１５を用いて構成された光導波路素子である。なお、図４において、光の伝搬方向は、Ｚ軸方向である。
フォトニック結晶光導波路１７の一端に入射光１２を入射させる。入射光１２は、均質光導波路１６に結合し、均質光導波路１６から１次元フォトニック結晶１５に結合して、長手方向（Ｚ軸方向）に光は伝搬して、フォトニック結晶光導波路１７の他端から出射光１３として出射される。この光を高次バンド伝搬光とすれば、１次元フォトニック結晶１５中において、高次バンド伝搬光は群速度異常が生じる。それにより、このフォトニック結晶光導波路１７を、例えば、光遅延素子として用いることができる。
また、図５は２次元フォトニック結晶を用いた光ファイバ２１の構成を示す斜視図である。光ファイバ２１は、円柱形であり、その軸方向に光が伝搬する。光ファイバ２１は、コア２２とその周りに形成されたクラッド２３とを備えている。コア２２は、光の伝搬方向（Ｚ軸方向）は屈折率が一様であり、Ｘ軸およびＹ軸方向には屈折率周期を有している２次元フォトニック結晶である。クラッド２３は、フォトニック結晶ではなく、通常の均質材料からなる。このような構成の光ファイバ２１は、２次元フォトニック結晶であるコア２２の屈折率が一様な方向への光の伝搬に関しては、上述した１次元フォトニック結晶の場合と同様のバンド図が得られる。したがって、高次バンド伝搬光を２次元フォトニック結晶で構成されたコア２２に伝搬させれば、光ファイバ２１を、例えば、強力な分散補償効果を有する光ファイバとして用いることができる。
しかし、図４あるいは図５に示す、フォトニック結晶光導波路１７あるいは光ファイバ２１を高次バンド伝搬光の光導波路あるいは光ファイバとして用いるには、いくつかの問題点がある。図２および図３から明らかなように、高次バンド伝搬光が伝搬する場合には必ず第１バンド伝搬光も伝搬している。第１バンド伝搬光は、高次バンド伝搬光を利用しようとする場合にはエネルギーの損失であり、入射光の利用効率を大きく低下させてしまう。さらに、第１バンド伝搬光は、高次バンドによる伝搬光とは群速度が異なるので、信号に大きな波長分散が生じてしまうという問題もある。
また、図１において、１次元フォトニック結晶１から光が出射される端面１ｂにはＹ軸方向、Ｘ軸方向の屈折率周期構造が露出している。そのため、高次バンド伝搬光自体も強度と位相の周期性を有するため、出射光３はいろいろな次数と方向の回折光が混在したものとなる。したがって、出射光３の取り扱いが困難である。
さらに、高次バンド伝搬光の実効屈折率が１次元フォトニック結晶１と接する周囲の媒体（クラッド）の屈折率よりも小さくなると、導波光４がクラッドに漏れてしまう。そのため、コアである１次元フォトニック結晶１中を光が導波しなくなる。特に、高次バンド伝搬光の実効屈折率が１未満になると、クラッドを空気としても漏れを防ぐことができなくなるという問題もある。
また、図１で示す１次元フォトニック結晶１の端面１ａからコアに平面波が入射した場合の、１次元フォトニック結晶１中での導波光４のＺ軸方向における電場の強さが図６および図７に示されている。図６は、図１で示した１次元フォトニック結晶１内での、Ｚ軸方向における第１バンド伝搬光の電場の強さを表わした模式図である。また、図７は、図１で示した１次元フォトニック結晶１内での、Ｚ軸方向における高次バンド伝搬光の電場の強さを表わした模式図である。光の電場は波で表わされる。電場の山４ａは実線、電場の谷４ｂは破線で表わしている。また、振幅の大きさはそれぞれの線の太さで表わされ、線が太い方が振幅は大きいことを表している。なお、導波光の波長は、λである。
図６に示すように、第１バンド伝搬光は、電場の振幅が物質５ａ内と物質５ｂ内で異なるものの、電場の山４ａと谷４ｂはそれぞれＺ軸と垂直な平面となるので、平面波に近い伝搬となる。
それに比べて、高次バンド伝搬光は、例えば、図７に示すように電場振幅が０となる「節４ｃ」が物質５ａおよび物質５ｂの境界付近に生じる。そのため、隣接する物質５ａおよび物質５ｂで形成される積層構造の１周期は山と谷の２つの領域に分割される。隣り合う領域（物質５ａおよび物質５ｂ）では波動の位相が半波長ずれているため、山と谷が入れ違いに現われる。このように１周期あたり２個の節４ｃが生じるのは第２もしくは第３バンドの場合である。さらに高次のバンドによる導波光では、１周期内の節の数がさらに増えて、１周期内での半波長ずれが何回も起こるようになる。
したがって、複数のバンドがともに関与する波長の入射光の場合に対する伝搬光は複数となり、両者が重なって複雑な電場パターンを示すことになる。例えば、図２に示した、真空中での波長がλＢである入射光だと、第１および第３バンドの二つに対する伝搬光を有しているので、フォトニック結晶中に複数の伝搬光が存在する。そのため、複雑な伝搬パターンを示すこととなる。
しかし、本発明者らの研究によって、導波光の伝搬方向におけるフォトニックバンドが存在するフォトニック結晶に、位相変調を施した入射光を結合させると、特定の高次バンド伝搬光のみ伝搬させることが可能であることが明らかとなった。本実施の形態のフォトニック結晶光導波路は、これを利用している。
本実施の形態のフォトニック結晶光導波路について、図面を用いて説明する。図８は、本実施の形態に係るフォトニック結晶光導波路１０の構成を示す断面図である。図８に示すように、フォトニック結晶光導波路１０は、光導波路部および位相変調部である位相格子６を備えている。光導波路部は、Ｙ軸方向のみ屈折率周期構造を有する１次元フォトニック結晶１であるコアとコアの周りの空気であるクラッドとを備えている。図８においては、クラッドはコアである１次元フォトニック結晶１の周りにある空気であるので、図示していない。なお、クラッドを空気とせずに、適当な材料をクラッドとして、１次元フォトニック結晶１の周りに設置してもよい。
１次元フォトニック結晶１は図１で示したものと同一とする。すなわち、それぞれ屈折率の異なる物質５ａと物質５ｂとが交互にＹ軸方向に積層されて構成された多層構造５を有する。光の伝搬方向であるＺ軸方向においては、屈折率は一様である。物質５ａの厚さと、物質５ｂの厚さとの和が、多層構造５の周期ａである。また、１次元フォトニック結晶は、導波光の伝搬方向（Ｚ軸方向）には、フォトニックバンドが存在している。なお、以下の図において、Ｚ軸方向は光の伝搬方向であり、Ｙ軸方向は、１次元フォトニック結晶の積層方向とする。
位相格子６は、光が入射する１次元フォトニック結晶１の端面に近接もしくは接触するように設置されている。例えば、位相格子６と１次元フォトニック結晶１との間には、空間１８が形成されていてもよい。
図９は、本実施の形態に係るフォトニック結晶光導波路１０における、導波光のＺ軸方向における電場の強さを模式的に表わした図である。図９においては、光の電場は波で表わされるため、電場の山４ａは実線、電場の谷４ｂは破線で表わしている。また、振幅の大きさは線の太さで表わされ、線が太い方が振幅は大きいとする。
位相格子６は、入射した平面波である光に、Ｙ軸方向に周期ａでおおよそ半波長差を生じる作用がある。平面波である入射光７が、位相格子６に入射すると、図７で示した１次元フォトニック結晶中の高次バンド伝搬光に類似した電場パターンが、空間１８に生じる。この電場パターンを有する光８が、１次元フォトニック結晶１の端面から入射し、１次元フォトニック結晶１内を伝送する場合には、第１バンドによる伝搬光は発生せず、高次バンド伝搬光のみが生じることが、本発明者らのシミュレーションにより明らかとなった。このようにすると、１次元フォトニック結晶１内を伝搬する波動は、そのエネルギーの全部もしくは半分以上が高次のフォトニックバンドに属するようにすることができる。
つまり、「フォトニック結晶に対して、フォトニック結晶の周期構造と同じ方向に同じ周期を有する適当な位相変調波を入射させると、特定のバンドに属する伝搬光のみを得ることができる。」
位相変調部として位相格子６を用いているが、位相変調部の条件について具体的に説明する。
最も簡便な位相変調部は、１次元フォトニック結晶１であるコアの周期的多層膜層と同じ周期を有する位相格子である。位相格子６は、例えば、図８に示すように屈折率の異なる物質５ｃと物質５ｄとが周期的に交互に積層された構成である。本発明者らはシミュレーションによって、位相格子６の最適化をすることが好ましいことを見出した。
例えば、図８における物質５ｃおよび物質５ｄのＹ軸方向の厚さｔＣおよびｔＤや、位相格子６の光の伝搬方向（Ｚ軸方向）における長さＬや、空間１８のＺ軸方向の厚さＧや、空間１８の屈折率ｎＧを最適化することが好ましい。これらの最適化においては、例えば、１次元フォトニック結晶１の多層構造５の特性である物質５ａおよび物質５ｂの厚さｔＡおよびｔＢの比率や、物質５ａおよび物質５ｂの屈折率なども調整することが好ましい。位相格子６と１次元フォトニック結晶１の周期は同調させることが好ましい。具体的には、
ｔＡ＋ｔＢ＝ｔＣ＋ｔＤ
の条件を満たし、かつ物質５ａと物質５ｃとのＹ軸方向中心、および物質５ｂと物質５ｄとのＹ軸方向中心はそれぞれ一致している。これにより、位相格子６と１次元フォトニック結晶１の周期が同調している。
位相格子６と１次元フォトニック結晶１との間の空間１８の厚さＧも導波光に影響するので最適な範囲を選ぶことが好ましい。
また、多層構造５の周期ａ（＝ｔＡ＋ｔＢ）が、入射光７の真空中の波長λ０以下である場合は、両者の間隙である空間１８を空気層とすると、位相格子６による±１次回折光が伝搬できなくなり、反射光が多くなる。これを防ぐためには、空間１８を屈折率の大きい媒体で満たして、空間１８の屈折率を大きくする方法がある。具体的には、屈折率ｎＧである媒体で、空間１８を満たせばよい。ｎＧは、以下の式で表わされる。
λ０／ｎＧ＜ａ
ここで、λ０／ｎＧ＜ａの条件であれば、空間１８の厚さＧは、媒体中の波長（λ０／ｎＧ）を基準として、その５倍以内であることが望ましい。厚さＧが大きすぎると、±１次回折光が互いに大きく離れてしまい、干渉波の形成される部分が減ってしまう。
また、λ０／ｎＧ＜ａの条件であっても、空間１８の厚さＧがほぼゼロ（λ０／ｎＧの１／１０以下）とすれば、エバネッセント波による結合が可能となる場合もある。
位相格子６は、例えば、１次元フォトニック結晶１の光入射側の端面１ａ近傍を切断して、１次元フォトニック結晶１から分離した部分としてもよい。切断によって、１次元フォトニック結晶１と位相格子６との間にできる溝が空間１８となる。このとき、切断する部分の厚さ（位相格子６の厚さＬ）および溝の幅（空間１８幅Ｇ）を調整して特定の高次バンド伝搬光のみが伝搬するようにすればよい。もちろん、溝は空気層としても良いし、均一媒体で満たしても良い。
また、図１０は、本実施の形態に係る他のフォトニック結晶光導波路２０の電場を示す模式図である。図１０は、図９のフォトニック結晶光導波路１０の、１次元フォトニック結晶１の出射側の端面に近接もしくは接触するように、前述の入射側端面に設置した位相格子６と同様の位相変調部である位相格子６ｂを設置した構成である。位相格子６ｂと１次元フォトニック結晶１との間には空間が形成されている。こうすることで、１次元フォトニック結晶１から出射された特定のバンドに属する光である出射光８ｂが、平面波９に変換される。つまり、１次元フォトニック結晶１から出射された特定のバンドに属する出射光８ｂが、位相格子６ｂに入射すると、平面波に変換される。なお、図１０では、電場の山４ａの部分しか図示していない。位相格子６ｂの構造は、図８の位相格子６と同様にすることが好ましく、フォトニック結晶１と位相格子６ｂとの間の空間も、図８の空間１８と同様の条件とするのが好ましい。
図５に示している、２次元フォトニック結晶である光ファイバ２１を光導波路部として、その両端に、位相格子などの位相変調部を設置することで、上述のフォトニック結晶光導波路と同様の効果を得ることができる。この場合は、光導波路部である光ファイバ２１と同様に、位相格子も２次元構造とする。それにより、１次元フォトニック結晶と同様に、特定の高次バンド伝搬光のみによる伝搬を実現することができる。
この場合も、上述したように、高次バンド伝搬光の実効屈折率がコア２２の外周に形成されたクラッド２３の屈折率よりも小さくなると、コア２２からの伝搬光の屈折による漏れが発生する。特に、高次バンド伝搬光の実効屈折率が１以下になると、クラッドを空気としても漏れを防ぐことができなくなる。
例えば、このような、実効屈折率の低下による導波光のコアからの漏れを防いで、導波光をコア中に閉じ込めるためには、例えば図１１に示すように、フォトニック結晶であるコアの周囲に、クラッドとして、金属膜などの反射層３２を設けることが好ましい。図１１は、本実施の形態に係る他のフォトニック結晶光導波路３０の断面図である。図１１のフォトニック結晶光導波路３０は、前述した図１に示している１次元フォトニック結晶１であるコアと、その両端面には空間３８を介して位相格子３６が設置されている。また、１次元フォトニック結晶１を挟むように接して、クラッドである金属膜などの反射層３２が形成されている。このような構成とすることで、コアである１次元フォトニック結晶１から漏れる光が、反射層３２によって反射されて、コアである１次元フォトニック結晶１中に閉じ込められる。
しかし、クラッドに反射層３２を用いたとしても、多層膜構造であるフォトニック結晶光導波路３０の強度の低下や、反射層３２における反射率の不足による減衰等の問題が生じる場合がある。図１２は、本実施の形態に係る他のフォトニック結晶光導波路４０の断面図である。図１２に示すフォトニック結晶光導波路４０が、図１１に示すフォトニック結晶光導波路３０と異なる点は、クラッドに反射膜ではなく、フォトニック結晶１１を用いている点である。フォトニック結晶光導波路４０は、図１２に示すように、反射膜の代りに、屈折率周期性を有するフォトニック結晶１１をクラッドとして設置されている。クラッドであるフォトニック結晶１１は、導波光の伝搬方向（Ｚ軸方向）に垂直な少なくとも一方向に屈折率周期性を有し、導波光の伝搬方向には一様な屈折率を有する。なお、このクラッドであるフォトニック結晶１１は、コアである１次元フォトニック結晶１とは異なる構造であり、屈折率周期も異なるようにしてある。それにより、クラッドであるフォトニック結晶１１のフォトニックバンドギャップが、コアである１次元フォトニック結晶１の伝搬光のＺ軸方向波数ベクトルｋｚに対応するところに存在するようにしてある。そのため、１次元フォトニック結晶１中への導波光の閉じ込めが実現される。
上述のようにクラッドにフォトニック結晶１１を用いる場合の好ましい条件について以下に説明する。図１３Ａおよび図１３Ｂは、同じ厚さの２種類の物質をそれぞれ交互に層となるように重ねた１次元フォトニック結晶のバンド図を示している。これら２種類の物質の屈折率はそれぞれ、１．００および１．４４である。図１３Ａの多層構造の周期はａとし、図１３Ｂの多層構造２種類の周期はａ′＝０．４３４ａとする。図１３Ａと図１３Ｂとは、同じスケールで２次元的に示している。縦はＹ軸方向でバンドごとの上下は、中心から±π／ａもしくは±π／ａ′の範囲で第１ブリルアンゾーンを表わす。また、横はＺ軸方向（Ｘ軸方向も同じ）であり、屈折率の周期性がない方向なのでブリルアンゾーンの境界線は存在しない。図の左右は、計算を行なった範囲を示しているもので、この範囲に特別な意味はない。
ブリルアンゾーン内での位置はフォトニック結晶内での波数ベクトルを意味し、等高線状の曲線は特定の規格化周波数ａ／λ０（もしくはａ′／λ０）に対応するバンドを意味する。ちなみに、前述した図２および図３はこのようなバンド図の一部（Ｚ軸の正の部分）のみを取り出して１次元的に表記したものである。
図１３Ａでは、周期ａの１次元フォトニック結晶について、波長λ０＝０．７２５ａ（ａ／λ０＝１．３８）に対応するバンドを太線で表わしている。また、Ｚ軸方向の第１バンド伝搬光を表わす波数ベクトルを破線矢印４１で、Ｚ軸方向の高次バンド伝搬光を表わす波数ベクトルを矢印４２で表示してある。また、図１３Ｂには、同じ波長λ０＝０．７２５ａ（ａ′／λ０＝０．６０）に対応するバンドを太線で示している。
高次バンド伝搬光の波数ベクトルを表す矢印４２の大きさを示す破線４３および第１バンド伝搬光の波数ベクトルを表す破線矢印４１の大きさを示す破線４４を、図１３Ｂに引いている。図よりわかるように、それに対応するバンドが図１３Ｂには存在していない。図１３Ａにおける高次バンド伝搬光の波数ベクトルに対応する（Ｚ成分が同じとなる）バンドが図１３Ｂには存在していない。したがって、図１３Ａで表わされる周期ａの結晶中の高次伝搬バンドは、図１３Ｂで表わされる周期ａ′のフォトニック結晶には存在しない。
そのため、図１２に示すように、周期ａの１次元フォトニック結晶１をコアとし、その両側に周期ａ′のフォトニック結晶１１をクラッドとして光導波路部を構成すればよい。そのような光導波路部において、周期ａのフォトニック結晶中を伝搬している高次バンド伝搬光は、周期ａ′のフォトニック結晶に漏れ出ていくことができない。したがって、周期ａのフォトニック結晶であるコア中に光を閉じ込めて伝搬することができる。
クラッドに用いるフォトニック結晶１１は、コアに用いる１次元フォトニック結晶１とは材料や構造が異なったものであっても構わない。しかし、多層構造の作製における手間を考えれば両者は同じ材料を用いて、クラッドに用いるフォトニック結晶１１の屈折率周期を小さくすることが望ましい。もちろん、上述した、コアでは存在する波数ベクトルが、クラッドでは存在しないことは、バンド計算によってあらかじめ確認してからフォトニック結晶光導波路の設計をする必要がある。
なお、図１３Ａおよび図１３Ｂより、第１バンド伝搬光に対応するバンドも、図１３Ｂには存在しないため、第１バンド伝搬光も、１次元フォトニック結晶１中を伝搬する。しかし、例えば、クラッドのフォトニック結晶１１の周期ａ′や多層膜の構造を調整すれば、第１バンド伝搬光はコアである１次元フォトニック結晶１から漏れるようにし、かつ、高次バンド伝搬光を閉じ込めることができる。バンド計算により、そのような条件となるよう設計することで、第１バンドによる伝搬光を途中で完全に排除することができるフォトニック結晶光導波路を実現できる。
一般的に、バンド図による閉じ込めの判定においては、無限周期構造のフォトニック結晶を前提としたものである。そのため、実際には、閉じ込め用フォトニック結晶の周期数が例えば３周期くらいであると、閉じ込めが不十分となり導波光が外部に漏れてしまうことがある。もちろん、不必要に周期数を多くすることはコストと多層膜の耐久性や精度の点から好ましくない。実際に必要な最低限の周期数は、実験や電磁波シミュレーションにより決定することが望ましい。
これまで述べてきたのは１次元フォトニック結晶内の高次バンド伝搬光を閉じ込める場合である。２次元フォトニック結晶光ファイバの場合でも、クラッド用のフォトニック結晶によりコア部分を取り囲むことにより閉じ込めを実現することができる。
また、図１４Ａおよび図１４Ｂは、多層構造である２次元フォトニック結晶を模式的に表わしたものである。図１４Ａおよび図１４Ｂは、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に周期性を有し、Ｚ軸方向には周期性の無い２次元フォトニック結晶の例である。図１４Ａのフォトニック結晶５０ａは、４種類の媒体５１、５２、５３および５４が積層されている。ＸＹ断面でこれら４種類の媒体５１、５２、５３および５４が露出している。図１４Ｂのフォトニック結晶５０ｂは、３種類の媒体５５、５６、５７とで構成されている。フォトニック結晶５０ｂは、例えば、２種類の媒体５５、５６をＹ軸方向に積層した後に、ＹＺ面に平行な溝をＸ軸方向に周期的に形成することで容易に作製することができる。なお、この場合、媒体５７は空気であるが、空気の代りに他の媒体を充填してもよい。
これらフォトニック結晶５０ａおよび５０ｂを、コア、クラッドおよび位相格子の少なくともいずれか１つとして用いることで、本実施の形態のフォトニック結晶光導波路を実現してもよい。
以下、本実施の形態の満たすべき条件をさらに具体的に説明する。
図９には示していないが、第４バンド以上の高次バンドも第２、第３バンドと同様に大きい波長分散を示す。しかし伝搬光のバンドが高次になるに従って、Ｙ軸方向の１周期あたりに存在する波動の「節」が増えるので、位相変調のパターンがより複雑になる。したがって、１周期あたりに２個の節がある第２もしくは第３バンドを高次伝搬バンドとして利用することが最も望ましい。もちろん「非結合性」バンドは利用できないので、望ましいバンドは「最低次から２番目の結合性バンド」ということになる。前述したように、第１バンドは結合性である。
また、高次伝搬バンドによる伝搬光ではいわゆる「フォトニック結晶における群速度異常」が生じるため、非線形光学効果の増強作用を起こすことなどが期待されている。本実施の形態では群速度異常がほとんど起こらない第１バンド光にエネルギーを取られることがないので、たとえば多層膜やフォトニック結晶光ファイバのコア部分に非線形光学物質を含ませることによってより大きい光学的非線形性の増強効果を得ることができる。（Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｆｉｂｅｒ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ  ２００２／Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ａｎｄ  Ｅｘｈｉｂｉｔ  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｄｉｇｅｓｔ  ＴｈＫ４（ｐ．４６８）参照）
例えば、図４で示しているようなコアである１次元フォトニック結晶１５は、Ｘ軸方向とＹ軸方向の構造に大きな違いがある。そのため、偏光方向により実効屈折率や群速度は異なる値となる。これは、図２（ＴＥ偏光）と図３（ＴＭ偏光）との特性が異なることからも明らかである。したがって、本実施の形態にかかるフォトニック結晶光導波路においては、光導波路部の偏光モードによる差をなくすために、修正用の複屈折素子を光路の途中に挿入することが好ましい。なお、複屈折素子としては、例えば、複屈折結晶、構造性複屈折素子またはフォトニック結晶などを用いることができる。
本実施の形態に用いるフォトニック結晶の材料としては、使用波長域における透明性が確保できるものであれば特に限定はないが、１次元の場合には一般的に多層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、窒化シリコン、シリコン、酸化チタン、酸化タンタル、酸化ニオブおよびフッ化マグネシウムなどが適する材料である。上記材料は、スパッタリング、真空蒸着、イオンアシスト蒸着およびプラズマＣＶＤなどの良く知られた方法により、容易に多層膜構造を形成することができる。２次元フォトニック結晶ファイバの場合には、石英ファイバに空気孔を並べたものが最も簡単な構成である。
フォトニック結晶を構成する複数の材料間の屈折率比は大きくなるほど、波長分散なども大きくなる傾向がある。したがって、そのような特性が必要な用途に対しては高屈折率材料と低屈折率材料を組合せて、フォトニック結晶を構成することが望ましい。実用的に実現できる屈折率比としては、例えば、低屈折率材料として屈折率が１である空気を用い、高屈折率材料として屈折率が４．２１であるＩｎＳｂを用いると、屈折率比を４以上にできる（「微小光学ハンドブック」２２４頁、朝倉書店  １９９５年、参照）。
フォトニック結晶を構成する材料の屈折率比が小さくなると、偏光方向による特性の違いが小さくなる傾向があるので、偏波無依存を実現するためには屈折率比の小さい組合せも有用である。ただし、屈折率比があまり小さくなると変調作用が弱くなり、期待される作用が発揮されないこともあるので、屈折率比として１．２以上確保することが望ましい。
光導波路部分と位相格子部分とを隔てる空間は、多層膜を積層し、多層構造を作製した後に、レジスト層塗布、パターニング、エッチング、レジスト層の除去といった一般的な工程を順次行なうことで形成することができる。図８に示す溝部分すなわち空間１８は、空気で満たされていてもよいし、真空としてもよい。それにより、空間１８は、低屈折率となる。また、空間１８に媒体を充填してもよい。充填する媒体としては、有機樹脂、ゾル状態のガラスおよび溶融状態の半導体材料などを用いることができる。なお、ゾル状態のガラスはゲル化した後に加熱して透明なガラスとすることができる。
材料を適切に選定すれば、通常使用される２００ｎｍ〜２０μｍ程度の波長範囲の光を用いて、本実施の形態のフォトニック結晶光導波路を使用することができ、十分にその特性を発揮する。また、本実施の形態は光を対称として説明したが、光だけでなく、電磁波一般にも適用できるものである。
なお、フォトニック結晶の出射端側に、位相変調部が設置されている場合のフォトニック結晶と位相変調部との空間も同様である。
図１５は、本実施の形態に係るフォトニック結晶光導波路の斜視図である。
フォトニック結晶光導波路６９は、基板６１と、基板６１上に、コアである１次元フォトニック結晶６６と、１次元フォトニック結晶６６の入射側および出射側端面には、空間６８ａおよび空間６８ｂを介して位相格子６６ａおよび位相格子６６ｂが設置されている。なお、実際には、１次元フォトニック結晶６６の上下には金属膜あるいは１次元フォトニック結晶による反射層（図１１または図１２参照）が設けてあるが、図示はしていない。また、位相格子６６ａの外側には、均質物質により構成された均質光導波路６７ａが設置されている。位相格子６６ｂの外側には、複屈折素子６４および均質光導波路６７ｂが設置されている。なお、クラッドは、１次元フォトニック結晶６６の周囲の空気も含まれる。また、位相格子６６ａおよび位相格子６６ｂは、基は、１次元フォトニック結晶６６の端部であり、１次元フォトニック結晶６６の端部を切断して切り離した部分である。
１次元フォトニック結晶６６は、例えば、基板６１全面に周期的多層膜を成膜してから、エッチングによって線状部分だけを残して、それ以外の多層膜を除去することによって作製することができる。なお、１次元フォトニック結晶６６は、光の伝搬方向には、一様の屈折率を有しており、積層方向に屈折率周期を有している。
信号光である入射光６２は、例えば、光ファイバ等によって、均質光導波路６７ａに結合する。この信号光は均質光導波路６７ａ中を伝搬して、位相格子６６ａを介して、１次元フォトニック結晶６６に送られる。位相格子６６ａと１次元フォトニック結晶６６との間には、空間６８ａが形成されている。上述したように、信号光が位相格子６６ａを介してコアである１次元フォトニック結晶６６に入射されるので、１次元フォトニック結晶６６中を伝搬する導波光は高次バンド伝搬光のみとなる。
１次元フォトニック結晶６６中を伝搬している高次バンド伝搬光は、１次元フォトニック結晶６６の出射端から空間６８ｂに出射され、位相格子６６ｂに入射し、位相格子６６ｂによって再び平面波に変換される。平面波に変換された光は、位相格子６６ｂから複屈折素子６４に送られ、偏光モードによる位相のずれが補償され、均質光導波路６７ｂに送られる。均質光導波路６７ｂを通って出射された出射光６３は、例えば、光ファイバ等に結合される。
高次バンド伝搬光は前述したように入射光の波長によって群速度が大きく変化するので、このフォトニック結晶光導波路６９は、光通信用信号光の分散補償素子および光遅延素子といった用途に用いることができる。また、前述したように群速度の遅い伝搬光には非線形光学効果を増強する作用がある。従来あるものよりもはるかに非線形光学効果の大きい素子とする方法を以下に示す。例えば、１次元フォトニック結晶６６部分に、非線形光学作用を示す物質を微粒子状にしてドープすることで非線形光学効果を高める。具体的には、微細な粒子を分散させ、量子ドットの作用を用いる。
また別の方法は、１次元フォトニック結晶６６の１周期ごとに、非線形光学作用を示す物質を含む薄膜層を設置して、非線形光学効果を高める。具体的には、薄膜層の少なくとも片方をゾルゲル法により作製し、有機色素やフォトリフラクティブ効果のある有機物質を含有させる。
さらに別の方法は、１次元フォトニック結晶６６を形成する物質そのものを、非線形作用のあるものとすることで非線形光学効果を高める。具体的には、１次元フォトニック結晶の材料自体をＬｉＮｂＯ３などの、非線形性の大きい物質とする。
図１６は、偏光方向による位相差を補償する光導波路素子７０を示す斜視図である。図１６は、図１５に示したフォトニック結晶光導波路６９を２個用いている。一方のフォトニック結晶光導波路６９を、他方に対し光の導波方向を軸として、９０°回転して接続した構成である。なお、図１６のように入射側（図１６においては左側）に設置されたフォトニック結晶光導波路６９の出射側の均質導波路および出射側（図１６においては右側）に設置されたフォトニック結晶光導波路６９の入射側の均質導波路は省いてもよい。また、図１５では用いていた、複屈折素子も省いている。２つの１次元フォトニック結晶光導波路６９は、それぞれ出射側の位相格子６６ｂと入射側の位相格子６６ａとで接続されている。
入射側のフォトニック結晶光導波路６９へ入射した平面波のＴＥ偏光成分とＴＭ偏光成分とは、導波路中での群速度と波長が異なるので、位相差、強度差および非線形作用などに差が生じている。しかし、入射側のフォトニック結晶光導波路６９と同じ構造と長さであって、方向のみ９０°回転した出射側のフォトニック結晶光導波路６９中を通過することで、位相差、強度差および非線形作用などの生じた差はキャンセルされる。したがって、図１６に示す光導波路素子７０は、偏光による差を生じない。
図１５に示す１次元フォトニック結晶６６の代りに、例えば、図１４Ａおよび図１４Ｂに示すような、Ｙ軸方向に加えてＸ軸方向にも周期性のある２次元フォトニック結晶を用いることもできる。この場合、構造の最適化を行なえば偏光モードによる差をなくすことも可能となる。もちろん、コアとなる２次元フォトニック結晶を切断することで作製する位相格子も２次元構造となる。
なお、フォトニック結晶の２次元化は、図１４Ｂに示すように、多層膜層にエッチングなどの手段でＺ軸方向の平行溝を形成すれば容易に実現することができる。
図１７は、本実施の形態に係るフォトニック結晶光ファイバの模式図である。
フォトニック結晶光導波路の光導波路部である光ファイバ７９本体は、２次元フォトニック結晶構造を有するコア７１と、その周囲のクラッド７２から構成される。なお、光の伝搬方向の屈折率は一様である。光ファイバ７９の両端には、コア７１の周期に合わせた位相格子７６ａおよび７６ｂが設置されており、入射光（平面波、図示しない）はコア７１を高次バンド伝搬光として伝搬して、出射端で再び平面波に復元される。両端の位相格子は同じものなので、どちらの方向にも用いることができる。
なお、コア７１およびクラッド７２の屈折率周期が、光ファイバ７９の中心軸に対して、対称であることが好ましい。それにより、偏光モードによる差が生じないという長所がある。
光ファイバ７９のクラッド７２のフォトニック結晶は、コア７１のフォトニック結晶と異なる周期や構造を有し、コア７１の導波光をフォトニックバンドギャップによって閉じ込める役割をなす。なお、フォトニック結晶であるクラッド７２は、コア７１に光が閉じ込められるだけの厚みがあればよく、光ファイバ７９の外周部分にまでフォトニック結晶が形成されている必要はない。
光ファイバ７９の導波光は高次バンドによるものなので、最低次バンドによる単一モード伝搬を用いる従来の光ファイバよりもはるかに大きい群速度異常が発生する。したがって、強力な分散補償効果や非線形光学効果を発揮することができる。
また、コア７１は周期構造であり大きさに制限がないので、大口径のコア７１を容易に実現することができ、ファイバ間接続を簡略にすることもできる。
図１８は、本実施の形態に係る同心円状フォトニック結晶光ファイバ８９の模式図である。
光ファイバ８９は、半径方向に周期的な屈折率分布を有する。光ファイバ８９は、その中心軸からの距離に対して周期的かつ同心円状の屈折率周期を有する２次元フォトニック結晶であるコア８１およびクラッド８２により構成される。なお、光の伝搬方向の屈折率は一様である。光ファイバ８９の両端には、コア８１の周期に合わせた位相格子８６ａおよび８６ｂが設置されており、平面波である入射光（図示せず）はコア８１中を高次バンド伝搬光として伝搬して、出射端で再び平面波に復元される。両端の位相格子８６ａ、８６ｂは同じものなので、入出射の方向は逆方向であってもよい。
クラッド８２は、コア８１と異なる屈折率周期を有し、コア８１の導波光をフォトニックバンドギャップによって閉じ込める役割をなす。
この光ファイバ８９は光軸対称の構成なので、偏光モードによる差が生じないという長所がある。群速度異常による効果や、コア部分の大きさに制限がない点は、図１７の光ファイバ７９と同様である。
また、図１７および図１８の光ファイバ７９および８９は、例えば、断面が略円形であるファイバ状の均質物質に、空洞を形成することで、前記均質物質と空気とにより屈折率周期を形成し、作製すればよい。なお、空洞は、ファイバ状の均質物質の長手方向に沿って複数形成されればよい。空洞は、導波光に対して平行であればよい。また、この空洞の全部もしくは一部に、流動性物質を充填して、さらに異なる屈折率周期を形成してもよい。例えば空洞には、流動性物質として、アクリルモノマーを充填し、外部から紫外線を照射して、このアクリルモノマーを重合させてもよい。
なお、本実施の形態で具体的に示した、構成等は、あくまでも一例であり、本発明はこれらの具体例のみに限定されるものではない。例えば、本実施の形態の光導波路部のコアであるフォトニック結晶は、光の伝搬方向に一様の屈折率を有し、伝搬方向に垂直な少なくとも一方向に屈折率周期を有する構成であればよい。また、導波光の伝搬方向に、フォトニックバンドが存在していればよい。
【産業上の利用可能性】  以上説明したように、本発明によれば、高次バンド伝搬光の群速度異常に起因する分散補償および光学非線形性の増強効果などを利用することができる光学素子として広く応用することができる。
【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１５】
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【図１６】
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【図１７】
2004005986.tif 000019
【図１８】
2004005986.tif 000020
【手続補正書】
【提出日】平成17年1月5日(2005.1.5)
【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】
導波光の伝搬方向に垂直な少なくとも一方向に屈折率周期性を有し、前記導波光の伝搬方向には一様な屈折率を有する構造のフォトニック結晶からなるコアと、前記導波光を前記コア内に閉じ込めるために、前記コアに接して設置されているクラッドとを有する光導波路部を備えたフォトニック結晶光導波路であって、
前記コアの光入射面に近接もしくは接触するように設置された入射側位相変調部を備えたことを特徴とするフォトニック結晶光導波路。
【請求項２】
前記コアには、前記導波光の伝搬方向におけるフォトニックバンドが存在し、
前記入射側位相変調部は、入射した導波光を位相変調して、前記光導波路部の前記コアに伝搬させ、
前記コアは、前記位相変調された導波光のエネルギーの全部もしくは半分以上が高次の前記フォトニックバンドに属する波動を伝搬させる、請求項１に記載のフォトニック結晶光導波路。
【請求項３】
前記入射側位相変調部は、前記コアの屈折率周期と、同調されるような屈折率周期を有する位相格子である、請求項１に記載のフォトニック結晶光導波路。
【請求項４】
前記入射側位相変調部は、前記コアと同一の構造を有し、前記コアと同一の屈折率周期を有する位相格子である、請求項１に記載のフォトニック結晶光導波路。
【請求項５】
前記入射側位相変調部は、前記コアの光入射面側の端部近傍を切断して、分離した部分である請求項１に記載のフォトニック結晶光導波路。
【請求項６】
前記コアは、前記位相変調された導波光の低次側から二番目の結合性フォトニックバンドに属する波動を伝搬させる、請求項２に記載のフォトニック結晶光導波路。
【請求項７】
前記導波光が出射される前記コアの出射面に、近接もしくは接触するように設置された出射側位相変調部をさらに備えている、請求項１に記載のフォトニック結晶光導波路。
【請求項８】
前記出射側位相変調部は、前記コアの出射面から出射された光を平面波に変換する、請求項７に記載のフォトニック結晶光導波路。
【請求項９】
前記出射側位相変調部は、前記コアの屈折率周期と、同調されるような屈折率周期を有する位相格子である、請求項７に記載のフォトニック結晶光導波路。
【請求項１０】
前記出射側位相変調部は、前記コアと同一の構造を有し、前記コアと同一の屈折率周期を有する位相格子である、請求項７に記載のフォトニック結晶光導波路。
【請求項１１】
前記出射側位相変調部は、前記コアの光出射面側の端部近傍を切断して、分離した部分である請求項７に記載のフォトニック結晶光導波路。
【請求項１２】
前記クラッドは、前記導波光の伝搬方向に垂直な少なくとも一方向に屈折率周期性を有し、前記導波光の伝搬方向には一様な屈折率を有するフォトニック結晶よりなる、請求項１に記載のフォトニック結晶光導波路。
【請求項１３】
前記コアは、光学的非線形作用を有する活性物質を含有している、請求項１に記載のフォトニック結晶光導波路。
【請求項１４】
前記コアは、前記導波光の伝搬方向に垂直な一方向もしくは二方向に屈折率周期性を有し、前記導波光の伝搬方向には一様な屈折率を有する多層膜層である、請求項１に記載のフォトニック結晶光導波路。
【請求項１５】
前記光導波路部は、断面が略円形であるファイバ状であって、前記コアはファイバ状で、前記コアの外周に前記クラッドが形成されていて、
前記コアおよび前記クラッドは、前記導波光の伝搬方向には一様な屈折率を有する、請求項１２に記載のフォトニック結晶光導波路。
【請求項１６】
前記コアおよび前記クラッドの各屈折率周期は、前記導波光の伝搬方向に平行である前記光導波路部の中心軸に対して、対称である、請求項１５に記載のフォトニック結晶光導波路。
【請求項１７】
前記光導波路部は、断面が略円形であるファイバ状の均質物質を備え、前記均質物質には、その長手方向に沿って複数の空洞が形成されていて、前記複数の空洞は、前記導波光の伝搬方向に平行である前記光導波路部の中心軸に対して対称となるように形成されている、請求項１６に記載のフォトニック結晶光導波路。
【請求項１８】
前記空洞の全部もしくは一部に流動性物質が充填されている、請求項１７に記載のフォトニック結晶光導波路。
【請求項１９】
前記光導波路部の断面における屈折率は、前記導波光の伝搬方向に平行である前記光導波路部の中心軸からの距離に対して周期的かつ同心円状に変化している、請求項１６に記載のフォトニック結晶光導波路。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フォトニック結晶を用いた光導波路に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ホーリーファイバあるいはフォトニック結晶ファイバと呼ばれる新しい光ファイバの研究開発が急速に進展している。従来の光ファイバでは単純な屈折率差によりコア部分に光を閉じ込めている。一方、上述の新しい光ファイバは、断面内に複雑な２次元構造を有することを特徴としている。例えば、クラッド部分に空孔を配置することにより実効屈折率を小さくして、コア部分との屈折率差をつけることで、光をコア部分に閉じ込めている。また、他には、クラッド部分をフォトニック結晶として、コア部分の導波光に対してフォトニックバンドギャップを形成することで光をコア部分に閉じ込める。このような手段で、光ファイバを構成している。
【０００３】
ホーリーファイバやフォトニック結晶ファイバでは、構造によってその特性を大きく変えることができるので、波長分散を大きくした分散補償光ファイバ、非線形光学効果の大きい光ファイバまたは可視域でのゼロ分散光ファイバ等といった応用が提案されている。また、複雑な２次元構造は、例えば、複数の石英パイプを束ねたものを、加熱延伸することによってつくることができる（例えば、非特許文献１参照）。
【０００４】
現在提案されているホーリーファイバやフォトニック結晶ファイバでは、コア部分を伝搬する導波光として、０次モードによる単一モード伝搬を利用している。単一モード伝搬光は、周波数に対する屈折率の変化が非常に小さい。したがって、群速度異常や非常に大きい分散といった特性を発揮することができない。このため、単一モード伝搬は、多モード伝搬による波長分散を防ぐためには必須の条件であるものの、同時にコア断面の面積や光ファイバ性能に対する制約条件ともなっている。
【非特許文献１】オー・プラス・イー、２００１年、２３巻、９号、１０６１頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、従来技術における前記課題を解決するためになされたものであり、任意のバンド伝搬光を伝搬させることができるフォトニック結晶光導波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】
【０００６】
そこで、本発明は、導波光の伝搬方向に垂直な少なくとも一方向に屈折率周期性を有し、前記導波光の伝搬方向には一様な屈折率を有する構造のフォトニック結晶からなるコアと、前記導波光を前記コア内に閉じ込めるために、前記コアに接して設置されているクラッドとを有する光導波路部を備えたフォトニック結晶光導波路であって、前記コアの光入射面に近接もしくは接触するように設置された入射側位相変調部を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本実施の形態のフォトニック結晶光導波路は、入射側に位相変調部を備えているため、特定の高次フォトニックバンドに属する波動のみを伝搬させることができる。それにより、フォトニック結晶の機能を効率よく利用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本実施の形態のフォトニック結晶光導波路は、特定の高次フォトニックバンドに属する波動のみを伝搬させることができる。それにより、フォトニック結晶の機能を効率よく利用することができる。
【０００９】
本実施の形態のフォトニック結晶光導波路は、前記コアには、前記導波光の伝搬方向におけるフォトニックバンドが存在し、前記入射側位相変調部は、入射した導波光を位相変調して、前記光導波路部の前記コアに伝搬させ、前記コアは、前記位相変調された導波光のエネルギーの全部もしくは半分以上が高次の前記フォトニックバンドに属する波動を伝搬させる。それにより、第１次バンド伝搬光による損失が少ない高次バンド伝搬光を、コアに伝搬させることができる。そのため、分散補償素子または光遅延素子等として利用することができる。
【００１０】
また、前記入射側位相変調部は、前記コアの屈折率周期と、同調されるような屈折率周期を有する位相格子としてもよい。
【００１１】
また、前記入射側位相変調部は、前記コアと同一の構造を有し、前記コアと同一の屈折率周期を有する位相格子としてもよい。
【００１２】
また、好ましくは、前記入射側位相変調部は、前記コアの光入射面側の端部近傍を切断して、分離した部分である。それにより、容易に入射側位相変調部を作製することができる。
【００１３】
また、前記コアは、前記位相変調された導波光の低次側から二番目の結合性フォトニックバンドに属する波動を伝搬させてもよい。
【００１４】
また、好ましくは、前記導波光が出射される前記コアの出射面に、近接もしくは接触するように設置された出射側位相変調部をさらに備えている。それにより、コアから出射された光を、平面波に変化することができる。
【００１５】
また、前記出射側位相変調部は、前記コアの出射面から出射された光を平面波に変換する構造としてもよい。
【００１６】
また、前記出射側位相変調部は、前記コアの屈折率周期と、同調されるような屈折率周期を有する位相格子としてもよい。
【００１７】
また、前記出射側位相変調部は、前記コアと同一の構造を有し、前記コアと同一の屈折率周期を有する位相格子であるとすればよい。
【００１８】
また、好ましくは、前記出射側位相変調部は、前記コアの光出射面側の端部近傍を切断して、分離した部分である。それにより、容易に出射側位相変調部を作製することができる。
【００１９】
また、好ましくは、前記クラッドは、前記導波光の伝搬方向に垂直な少なくとも一方向に屈折率周期性を有し、前記導波光の伝搬方向には一様な屈折率を有するフォトニック結晶よりなる。それにより、コアの実効屈折率が低い場合でも、コアからの光の漏れを防ぐことができる。
【００２０】
また、前記コアは、光学的非線形作用を有する活性物質を含有している。それにより、非線形光学効果の大きい光素子を提供することができる。
【００２１】
また、前記コアは、前記導波光の伝搬方向に垂直な一方向もしくは二方向に屈折率周期性を有し、前記導波光の伝搬方向には一様な屈折率を有する多層膜層としてもよい。
【００２２】
また、好ましくは、前記光導波路部は、断面が略円形であるファイバ状であって、前記コアはファイバ状で、前記コアの外周に前記クラッドが形成されていて、前記コアおよび前記クラッドは、前記導波光の伝搬方向には一様な屈折率を有する。それにより、ファイバ形状の分散補償素子または光遅延素子等を提供することができる。
【００２３】
また、前記コアおよび前記クラッドの各屈折率周期は、前記導波光の伝搬方向に平行である前記光導波路部の中心軸に対して、対称である構造としてもよい。
【００２４】
また、好ましくは、前記光導波路部は、断面が略円形であるファイバ状の均質物質を備え、前記均質物質には、その長手方向に沿って複数の空洞が形成されていて、前記複数の空洞は、前記導波光の伝搬方向に平行である前記光導波路部の中心軸に対して対称となるように形成されている。それにより、ファイバ形状の分散補償素子または光遅延素子等を提供することができる。
【００２５】
また、前記空洞の全部もしくは一部に流動性物質が充填されていてもよい。例えば空洞には、流動性物質として、アクリルモノマーを充填し、外部から紫外線を照射して、このアクリルモノマーを重合させてもよい。
【００２６】
また、前記光導波路部の断面における屈折率は、前記導波光の伝搬方向に平行である前記光導波路部の中心軸からの距離に対して周期的かつ同心円状に変化していることとしてもよい。
【００２７】
以下、本発明の実施の形態について具体的に説明する。
【００２８】
まず、フォトニック結晶中の光の伝搬について説明する。図１は１次元フォトニック結晶１を示す断面図である。図１において、光の導波方向をＺ軸方向とし、光の伝搬方向に対して垂直な方向をＹ軸方向とする。１次元フォトニック結晶１は、Ｙ軸方向にのみ屈折率周期性を有する。具体的には、それぞれ異なる屈折率を有する物質５ａおよび物質５ｂとが、交互にＹ軸方向に積層されて多層構造５を形成している。また、光の伝搬方向（Ｚ軸方向）には屈折率が一様である。物質５ａの厚さはｔAであり、屈折率はｎAとする。また、物質５ｂの厚さはｔBであり、屈折率はｎBとする。したがって、フォトニック結晶１は、これらが積層された、周期ａの多層構造である。なお、周期ａは（ｔA＋ｔB）である。
【００２９】
図１において、１次元フォトニック結晶１がコアであり、その周りの空気がクラッド（図示せず）となり、光導波路を構成している。コアである１次元フォトニック結晶１の端面１ａから、真空中の波長がλ0の平面波を入射光２として入射させると、導波光４として１次元フォトニック結晶１の物質５ａおよび物質５ｂ内を伝搬して、端面１ａとは逆の端面である端面１ｂから出射光３として空間に出射される。このとき、光が１次元フォトニック結晶１内でどのように伝搬するかは、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。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 44巻、16号、p.8565、1991年、などに詳しく述べられている。
【００３０】
図１に示す１次元フォトニック結晶１のフォトニックバンドを、上述のバンド計算によって計算する。その際には、Ｙ軸方向（積層方向）には屈折率周期構造が無限に続き、Ｘ軸およびＺ軸方向（層面の広がる方向）には各層が無限に広がっているものと仮定して計算を行なう。
【００３１】
図２は、図１の１次元フォトニック結晶１におけるＴＥ偏光のフォトニックバンド構造を示すバンド図である。また、図３は、図１の１次元フォトニック結晶１におけるＴＭ偏光のフォトニックバンド構造を示すバンド図である。なお、物質５ａの厚さｔAおよび屈折率ｎAと、物質５ｂの厚さｔBおよび屈折率ｎBとは、以下に示す値とする。ただし、厚さｔAおよび厚さｔBは、周期ａを用いて表わしている（ａ＝ｔA＋ｔB）。
【００３２】
ｎA＝１．４４、ｔA＝０．５ａ
ｎB＝２．１８、ｔB＝０．５ａ
このような物質５ａおよび物質５ｂの層を交互に重ねた周期ａの多層構造５について、Ｚ軸方向（Ｘ軸方向も同じ）における平面波法による第１〜第３バンドについてのバンド計算の結果が、図２および図３に示されている。ここで、ＴＥ偏光とは電場の向きがＸ軸方向である偏光を、ＴＭ偏光とは磁場の向きがＸ軸方向である偏光を表わしている。
【００３３】
図２および図３の横軸は１次元フォトニック結晶１におけるＺ軸方向の波数ベクトルｋｚの大きさであり、縦軸は規格化周波数である。規格化周波数は、ωａ／２πｃで表わされ、ωは入射する光の角振動数、ａは多層構造５の周期、ｃは真空中での光速である。また、規格化周波数は、入射光２の真空中での波長λ0を用いて、ａ／λ0とも表わすことができる。そこで、以下では規格化周波数は、ａ／λ0と記述し、図２および図３においてもそのように記載している。１次元フォトニック結晶１は、Ｚ軸方向には屈折率周期性がなく、屈折率は一様なので、図２および図３の横軸にはブリルアンゾーンの境界が存在せず、どこまでも広がっている。
【００３４】
図１において、入射光２の真空中の波長がλAの場合、図２に示すように、１次元フォトニック結晶１内では最低次の第１バンドに対応する波数ベクトルｋA1が存在する。換言すると、波長λA1＝２π／ｋA1の波動として、導波光４がフォトニック結晶光導波路１内をＺ軸方向に伝搬する。この場合の導波光４を、以下では第１バンド伝搬光と呼ぶ。
【００３５】
ところが、入射光２の真空中の波長がλBの場合、１次元フォトニック結晶１に入射する場合には、第１、第３バンドに対応する波数ベクトルｋB1、ｋB3が存在する。なお、第２バンドはＺ軸方向の伝搬に関しては、「非結合性」であるため無視する。したがって、波長λB1＝２π／ｋB1の第１バンド伝搬光、および波長λB3＝２π／ｋB3の第３バンド伝搬光の波動がそれぞれ１次元フォトニック結晶１内をＺ軸方向に伝搬する。図２における第３バンド光のような、最低次のバンド（第１バンド）ではない結合性バンドの光を、以下では、一般的に呼ばれているように「高次バンド伝搬光」と呼ぶ。通常、第２バンドと第３バンドのうち片方は結合性、もう片方は非結合性であり、第１バンドは結合性である。なお、非結合性バンドについての理論は、以下の文献に詳しく記述されている。K.Sakoda,"Optical Properties of Photonic Crystals",Springer-Verlag (2001).
なお、以上は、ＴＥ偏光について図２を用いて説明したが、図３からわかるように、ＴＭ偏光においてもＴＥ偏光と同様の関係があるが、説明は省略する。
【００３６】
ここで、真空中での光の波長（λA、λBなど）を、対応する１次元フォトニック結晶１中の波長（λA1、λB3など）で除した数値を「実効屈折率」と定義する。図２および図３から理解できるように、第１バンド光の規格化周波数ａ／λ0（縦軸）とｋｚ（横軸）とは、ほぼ比例しているため、実効屈折率も、真空中の入射光波長の変化に対してほとんど不変である。しかし、高次バンド伝搬光は実効屈折率が、真空中の入射光波長により大きく変化し、図２および図３より明らかなように実効屈折率が１未満になることもある。
【００３７】
図２および図３で示されるバンド図において、バンド曲線をｋｚで微分した値（すなわち、各バンド曲線の接線の傾き）が導波光４の群速度となることは良く知られている。第２次以上の高次バンドでは、ｋｚの値が小さくなるにつれて接線の傾きは急速に小さくなり、ｋｚ＝０のとき接線の傾きは０となる。これは、フォトニック結晶特有の現象である群速度異常によるものである。フォトニック結晶中における群速度異常は極めて大きく、かつ通常の均質物質の分散とは逆となる。すなわち、フォトニック結晶中では、入射光の波長が長くなるにつれて群速度が遅くなる。そのため、フォトニック結晶を用いて、高次バンド伝搬光を利用する光導波路や光ファイバを形成すれば、光遅延素子や光通信における分散補償素子として利用することができる。
【００３８】
図４は、１次元フォトニック結晶１５を用いた光導波路素子であるフォトニック結晶光導波路１７の構成を示す斜視図である。基板１４上に、両端には均質光導波路１６が設置されていて、均質光導波路１６によって挟まれるように、１次元フォトニック結晶１５が設置されている。なお、１次元フォトニック結晶１５はコアであって、クラッドは、その周囲の空気および基板１４である。図４に示したフォトニック結晶光導波路１７は、１次元フォトニック結晶１５を用いて構成された光導波路素子である。なお、図４において、光の伝搬方向は、Ｚ軸方向である。
【００３９】
フォトニック結晶光導波路１７の一端に入射光１２を入射させる。入射光１２は、均質光導波路１６に結合し、均質光導波路１６から１次元フォトニック結晶１５に結合して、長手方向（Ｚ軸方向）に光は伝搬して、フォトニック結晶光導波路１７の他端から出射光１３として出射される。この光を高次バンド伝搬光とすれば、１次元フォトニック結晶１５中において、高次バンド伝搬光は群速度異常が生じる。それにより、このフォトニック結晶光導波路１７を、例えば、光遅延素子として用いることができる。
【００４０】
また、図５は２次元フォトニック結晶を用いた光ファイバ２１の構成を示す斜視図である。光ファイバ２１は、円柱形であり、その軸方向に光が伝搬する。光ファイバ２１は、コア２２とその周りに形成されたクラッド２３とを備えている。コア２２は、光の伝搬方向（Ｚ軸方向）は屈折率が一様であり、Ｘ軸およびＹ軸方向には屈折率周期を有している２次元フォトニック結晶である。クラッド２３は、フォトニック結晶ではなく、通常の均質材料からなる。このような構成の光ファイバ２１は、２次元フォトニック結晶であるコア２２の屈折率が一様な方向への光の伝搬に関しては、上述した１次元フォトニック結晶の場合と同様のバンド図が得られる。したがって、高次バンド伝搬光を２次元フォトニック結晶で構成されたコア２２に伝搬させれば、光ファイバ２１を、例えば、強力な分散補償効果を有する光ファイバとして用いることができる。
【００４１】
しかし、図４あるいは図５に示す、フォトニック結晶光導波路１７あるいは光ファイバ２１を高次バンド伝搬光の光導波路あるいは光ファイバとして用いるには、いくつかの問題点がある。図２および図３から明らかなように、高次バンド伝搬光が伝搬する場合には必ず第１バンド伝搬光も伝搬している。第１バンド伝搬光は、高次バンド伝搬光を利用しようとする場合にはエネルギーの損失であり、入射光の利用効率を大きく低下させてしまう。さらに、第１バンド伝搬光は、高次バンドによる伝搬光とは群速度が異なるので、信号に大きな波長分散が生じてしまうという問題もある。
【００４２】
また、図１において、１次元フォトニック結晶１から光が出射される端面１ｂにはＹ軸方向の屈折率周期構造が露出している。そのため、高次バンド伝搬光自体も強度と位相の周期性を有するため、出射光３はいろいろな次数と方向の回折光が混在したものとなる。したがって、出射光３の取り扱いが困難である。
【００４３】
さらに、高次バンド伝搬光の実効屈折率が１次元フォトニック結晶１と接する周囲の媒体（クラッド）の屈折率よりも小さくなると、導波光４がクラッドに漏れてしまう。そのため、コアである１次元フォトニック結晶１中を光が導波しなくなる。特に、高次バンド伝搬光の実効屈折率が１未満になると、クラッドを空気としても漏れを防ぐことができなくなるという問題もある。
【００４４】
また、図１で示す１次元フォトニック結晶１の端面１ａからコアに平面波が入射した場合の、１次元フォトニック結晶１中での導波光４のＺ軸方向における電場の強さが図６および図７に示されている。図６は、図１で示した１次元フォトニック結晶１内での、Ｚ軸方向における第１バンド伝搬光の電場の強さを表わした模式図である。また、図７は、図１で示した１次元フォトニック結晶１内での、Ｚ軸方向における高次バンド伝搬光の電場の強さを表わした模式図である。光の電場は波で表わされる。電場の山４ａは実線、電場の谷４ｂは破線で表わしている。また、振幅の大きさはそれぞれの線の太さで表わされ、線が太い方が振幅は大きいことを表している。なお、導波光の波長は、λである。
【００４５】
図６に示すように、第１バンド伝搬光は、電場の振幅が物質５ａ内と物質５ｂ内で異なるものの、電場の山４ａと谷４ｂはそれぞれＺ軸と垂直な平面となるので、平面波に近い伝搬となる。
【００４６】
それに比べて、高次バンド伝搬光は、例えば、図７に示すように電場振幅が０となる「節４ｃ」が物質５ａおよび物質５ｂの境界付近に生じる。そのため、隣接する物質５ａおよび物質５ｂで形成される積層構造の１周期は山と谷の２つの領域に分割される。隣り合う領域（物質５ａおよび物質５ｂ）では波動の位相が半波長ずれているため、山と谷が入れ違いに現われる。このように１周期あたり２個の節４ｃが生じるのは第２もしくは第３バンドの場合である。さらに高次のバンドによる導波光では、１周期内の節の数がさらに増えて、１周期内での半波長ずれが何回も起こるようになる。
【００４７】
したがって、複数のバンドがともに関与する波長の入射光の場合に対する伝搬光は複数となり、両者が重なって複雑な電場パターンを示すことになる。例えば、図２に示した、真空中での波長がλBである入射光だと、第１および第３バンドの二つに対する伝搬光を有しているので、フォトニック結晶中に複数の伝搬光が存在する。そのため、複雑な伝搬パターンを示すこととなる。
【００４８】
しかし、本発明者らの研究によって、導波光の伝搬方向におけるフォトニックバンドが存在するフォトニック結晶に、位相変調を施した入射光を結合させると、特定の高次バンド伝搬光のみ伝搬させることが可能であることが明らかとなった。本実施の形態のフォトニック結晶光導波路は、これを利用している。
【００４９】
本実施の形態のフォトニック結晶光導波路について、図面を用いて説明する。図８は、本実施の形態に係るフォトニック結晶光導波路１０の構成を示す断面図である。図８に示すように、フォトニック結晶光導波路１０は、光導波路部および位相変調部である位相格子６を備えている。光導波路部は、Ｙ軸方向のみ屈折率周期構造を有する１次元フォトニック結晶１であるコアとコアの周りの空気であるクラッドとを備えている。図８においては、クラッドはコアである１次元フォトニック結晶１の周りにある空気であるので、図示していない。なお、クラッドを空気とせずに、適当な材料をクラッドとして、１次元フォトニック結晶１の周りに設置してもよい。
【００５０】
１次元フォトニック結晶１は図１で示したものと同一とする。すなわち、それぞれ屈折率の異なる物質５ａと物質５ｂとが交互にＹ軸方向に積層されて構成された多層構造５を有する。光の伝搬方向であるＺ軸方向においては、屈折率は一様である。物質５ａの厚さと、物質５ｂの厚さとの和が、多層構造５の周期ａである。また、１次元フォトニック結晶は、導波光の伝搬方向（Ｚ軸方向）には、フォトニックバンドが存在している。なお、以下の図において、Ｚ軸方向は光の伝搬方向であり、Ｙ軸方向は、１次元フォトニック結晶の積層方向とする。
【００５１】
位相格子６は、光が入射する１次元フォトニック結晶１の端面に近接もしくは接触するように設置されている。例えば、位相格子６と１次元フォトニック結晶１との間には、空間１８が形成されていてもよい。
【００５２】
図９は、本実施の形態に係るフォトニック結晶光導波路１０における、導波光のＺ軸方向における電場の強さを模式的に表わした図である。図９においては、光の電場は波で表わされるため、電場の山４ａは実線、電場の谷４ｂは破線で表わしている。また、振幅の大きさは線の太さで表わされ、線が太い方が振幅は大きいとする。
【００５３】
位相格子６は、入射した平面波である光に、Ｙ軸方向に周期ａでおおよそ半波長差を生じる作用がある。平面波である入射光７が、位相格子６に入射すると、図７で示した１次元フォトニック結晶中の高次バンド伝搬光に類似した電場パターンが、空間１８に生じる。この電場パターンを有する光８が、１次元フォトニック結晶１の端面から入射し、１次元フォトニック結晶１内を伝送する場合には、第１バンドによる伝搬光は発生せず、高次バンド伝搬光のみが生じることが、本発明者らのシミュレーションにより明らかとなった。このようにすると、１次元フォトニック結晶１内を伝搬する波動は、そのエネルギーの全部もしくは半分以上が高次のフォトニックバンドに属するようにすることができる。
【００５４】
つまり、「フォトニック結晶に対して、フォトニック結晶の周期構造と同じ方向に同じ周期を有する適当な位相変調波を入射させると、特定のバンドに属する伝搬光のみを得ることができる。」
位相変調部として位相格子６を用いているが、位相変調部の条件について具体的に説明する。
【００５５】
最も簡便な位相変調部は、１次元フォトニック結晶１であるコアの周期的多層膜層と同じ周期を有する位相格子である。位相格子６は、例えば、図８に示すように屈折率の異なる物質５ｃと物質５ｄとが周期的に交互に積層された構成である。本発明者らはシミュレーションによって、位相格子６の最適化をすることが好ましいことを見出した。
【００５６】
例えば、図８における物質５ｃおよび物質５ｄのＹ軸方向の厚さｔCおよびｔDや、位相格子６の光の伝搬方向（Ｚ軸方向）における長さＬや、空間１８のＺ軸方向の厚さＧや、空間１８の屈折率ｎGを最適化することが好ましい。これらの最適化においては、例えば、１次元フォトニック結晶１の多層構造５の特性である物質５ａおよび物質５ｂの厚さｔAおよびｔBの比率や、物質５ａおよび物質５ｂの屈折率なども調整することが好ましい。位相格子６と１次元フォトニック結晶１の周期は同調させることが好ましい。具体的には、
ｔA＋ｔB＝ｔC＋ｔD
の条件を満たし、かつ物質５ａと物質５ｃとのＹ軸方向中心、および物質５ｂと物質５ｄとのＹ軸方向中心はそれぞれ一致している。これにより、位相格子６と１次元フォトニック結晶１の周期が同調している。
【００５７】
位相格子６と１次元フォトニック結晶１との間の空間１８の厚さＧも導波光に影響するので最適な範囲を選ぶことが好ましい。
【００５８】
また、多層構造５の周期ａ（＝ｔA＋ｔB）が、入射光７の真空中の波長λ0以下である場合は、両者の間隙である空間１８を空気層とすると、位相格子６による±１次回折光が伝搬できなくなり、反射光が多くなる。これを防ぐためには、空間１８を屈折率の大きい媒体で満たして、空間１８の屈折率を大きくする方法がある。具体的には、屈折率ｎGである媒体で、空間１８を満たせばよい。ｎGは、以下の式で表わされる。
【００５９】
λ0／ｎG＜ａ
ここで、λ0／ｎG＜ａの条件であれば、空間１８の厚さＧは、媒体中の波長（λ0／ｎG）を基準として、その５倍以内であることが望ましい。厚さＧが大きすぎると、±１次回折光が互いに大きく離れてしまい、干渉波の形成される部分が減ってしまう。
【００６０】
また、λ0／ｎG＞ａの条件であっても、空間１８の厚さＧがほぼゼロ（λ0／ｎGの１／１０以下）とすれば、エバネッセント波による結合が可能となる場合もある。
【００６１】
位相格子６は、例えば、１次元フォトニック結晶１の光入射側の端面１ａ近傍を切断して、１次元フォトニック結晶１から分離した部分としてもよい。切断によって、１次元フォトニック結晶１と位相格子６との間にできる溝が空間１８となる。このとき、切断する部分の厚さ（位相格子６の厚さＬ）および溝の幅（空間１８幅Ｇ）を調整して特定の高次バンド伝搬光のみが伝搬するようにすればよい。もちろん、溝は空気層としても良いし、均一媒体で満たしても良い。
【００６２】
また、図１０は、本実施の形態に係る他のフォトニック結晶光導波路２０の電場を示す模式図である。図１０は、図９のフォトニック結晶光導波路１０の、１次元フォトニック結晶１の出射側の端面に近接もしくは接触するように、前述の入射側端面に設置した位相格子６と同様の位相変調部である位相格子６ｂを設置した構成である。位相格子６ｂと１次元フォトニック結晶１との間には空間が形成されている。こうすることで、１次元フォトニック結晶１から出射された特定のバンドに属する光である出射光８ｂが、平面波９に変換される。つまり、１次元フォトニック結晶１から出射された特定のバンドに属する出射光８ｂが、位相格子６ｂに入射すると、平面波に変換される。なお、図１０では、電場の山４ａの部分しか図示していない。位相格子６ｂの構造は、図８の位相格子６と同様にすることが好ましく、フォトニック結晶１と位相格子６ｂとの間の空間も、図８の空間１８と同様の条件とするのが好ましい。
【００６３】
図５に示している、２次元フォトニック結晶である光ファイバ２１を光導波路部として、その両端に、位相格子などの位相変調部を設置することで、上述のフォトニック結晶光導波路と同様の効果を得ることができる。この場合は、光導波路部である光ファイバ２１と同様に、位相格子も２次元構造とする。それにより、１次元フォトニック結晶と同様に、特定の高次バンド伝搬光のみによる伝搬を実現することができる。
【００６４】
この場合も、上述したように、高次バンド伝搬光の実効屈折率がコア２２の外周に形成されたクラッド２３の屈折率よりも小さくなると、コア２２からの伝搬光の屈折による漏れが発生する。特に、高次バンド伝搬光の実効屈折率が１以下になると、クラッドを空気としても漏れを防ぐことができなくなる。
【００６５】
例えば、このような、実効屈折率の低下による導波光のコアからの漏れを防いで、導波光をコア中に閉じ込めるためには、例えば図１１に示すように、フォトニック結晶であるコアの周囲に、クラッドとして、金属膜などの反射層３２を設けることが好ましい。図１１は、本実施の形態に係る他のフォトニック結晶光導波路３０の断面図である。図１１のフォトニック結晶光導波路３０は、前述した図１に示している１次元フォトニック結晶１であるコアと、その両端面には空間３８を介して位相格子３６が設置されている。また、１次元フォトニック結晶１を挟むように接して、クラッドである金属膜などの反射層３２が形成されている。このような構成とすることで、コアである１次元フォトニック結晶１から漏れる光が、反射層３２によって反射されて、コアである１次元フォトニック結晶１中に閉じ込められる。
【００６６】
しかし、クラッドに反射層３２を用いたとしても、多層膜構造であるフォトニック結晶光導波路３０の強度の低下や、反射層３２における反射率の不足による減衰等の問題が生じる場合がある。図１２は、本実施の形態に係る他のフォトニック結晶光導波路４０の断面図である。図１２に示すフォトニック結晶光導波路４０が、図１１に示すフォトニック結晶光導波路３０と異なる点は、クラッドに反射膜ではなく、フォトニック結晶１１を用いている点である。フォトニック結晶光導波路４０は、図１２に示すように、反射膜の代りに、屈折率周期性を有するフォトニック結晶１１をクラッドとして設置されている。クラッドであるフォトニック結晶１１は、導波光の伝搬方向（Ｚ軸方向）に垂直な少なくとも一方向に屈折率周期性を有し、導波光の伝搬方向には一様な屈折率を有する。なお、このクラッドであるフォトニック結晶１１は、コアである１次元フォトニック結晶１とは異なる構造であり、屈折率周期も異なるようにしてある。それにより、クラッドであるフォトニック結晶１１のフォトニックバンドギャップが、コアである１次元フォトニック結晶１の伝搬光のＺ軸方向波数ベクトルｋｚに対応するところに存在するようにしてある。そのため、１次元フォトニック結晶１中への導波光の閉じ込めが実現される。
【００６７】
上述のようにクラッドにフォトニック結晶１１を用いる場合の好ましい条件について以下に説明する。図１３Ａおよび図１３Ｂは、同じ厚さの２種類の物質をそれぞれ交互に層となるように重ねた１次元フォトニック結晶のバンド図を示している。これら２種類の物質の屈折率はそれぞれ、１．００および１．４４である。図１３Ａの多層構造の周期はａとし、図１３Ｂの多層構造２種類の周期はａ′＝０．４３４ａとする。図１３Ａと図１３Ｂとは、同じスケールで２次元的に示している。縦はＹ軸方向でバンドごとの上下は、中心から±π／ａもしくは±π／ａ′の範囲で第１ブリルアンゾーンを表わす。また、横はＺ軸方向（Ｘ軸方向も同じ）であり、屈折率の周期性がない方向なのでブリルアンゾーンの境界線は存在しない。図の左右は、計算を行なった範囲を示しているもので、この範囲に特別な意味はない。
【００６８】
ブリルアンゾーン内での位置はフォトニック結晶内での波数ベクトルを意味し、等高線状の曲線は特定の規格化周波数ａ／λ0（もしくはａ′／λ0）に対応するバンドを意味する。ちなみに、前述した図２および図３はこのようなバンド図の一部（Ｚ軸の正の部分）のみを取り出して１次元的に表記したものである。
【００６９】
図１３Ａでは、周期ａの１次元フォトニック結晶について、波長λ0＝０．７２５ａ（ａ／λ0＝１．３８）に対応するバンドを太線で表わしている。また、Ｚ軸方向の第１バンド伝搬光を表わす波数ベクトルを破線矢印４１で、Ｚ軸方向の高次バンド伝搬光を表わす波数ベクトルを矢印４２で表示してある。また、図１３Ｂには、同じ波長λ0＝０．７２５ａ（ａ′／λ0＝０．６０）に対応するバンドを太線で示している。
【００７０】
高次バンド伝搬光の波数ベクトルを表す矢印４２の大きさを示す破線４３および第１バンド伝搬光の波数ベクトルを表す破線矢印４１の大きさを示す破線４４を、図１３Ｂに引いている。図よりわかるように、それに対応するバンドが図１３Ｂには存在していない。図１３Ａにおける高次バンド伝搬光の波数ベクトルに対応する（Ｚ成分が同じとなる）バンドが図１３Ｂには存在していない。したがって、図１３Ａで表わされる周期ａの結晶中の高次伝搬バンドは、図１３Ｂで表わされる周期ａ′のフォトニック結晶には存在しない。
【００７１】
そのため、図１２に示すように、周期ａの１次元フォトニック結晶１をコアとし、その両側に周期ａ′のフォトニック結晶１１をクラッドとして光導波路部を構成すればよい。そのような光導波路部において、周期ａのフォトニック結晶中を伝搬している高次バンド伝搬光は、周期ａ′のフォトニック結晶に漏れ出ていくことができない。したがって、周期ａのフォトニック結晶であるコア中に光を閉じ込めて伝搬することができる。
【００７２】
クラッドに用いるフォトニック結晶１１は、コアに用いる１次元フォトニック結晶１とは材料や構造が異なったものであっても構わない。しかし、多層構造の作製における手間を考えれば両者は同じ材料を用いて、クラッドに用いるフォトニック結晶１１の屈折率周期を小さくすることが望ましい。もちろん、上述した、コアでは存在する波数ベクトルが、クラッドでは存在しないことは、バンド計算によってあらかじめ確認してからフォトニック結晶光導波路の設計をする必要がある。
【００７３】
なお、図１３Ａおよび図１３Ｂより、第１バンド伝搬光に対応するバンドも、図１３Ｂには存在しないため、第１バンド伝搬光も、１次元フォトニック結晶１中を伝搬する。しかし、例えば、クラッドのフォトニック結晶１１の周期ａ′や多層膜の構造を調整すれば、第１バンド伝搬光はコアである１次元フォトニック結晶１から漏れるようにし、かつ、高次バンド伝搬光を閉じ込めることができる。バンド計算により、そのような条件となるよう設計することで、第１バンドによる伝搬光を途中で完全に排除することができるフォトニック結晶光導波路を実現できる。
【００７４】
一般的に、バンド図による閉じ込めの判定においては、無限周期構造のフォトニック結晶を前提としたものである。そのため、実際には、閉じ込め用フォトニック結晶の周期数が例えば３周期くらいであると、閉じ込めが不十分となり導波光が外部に漏れてしまうことがある。もちろん、不必要に周期数を多くすることはコストと多層膜の耐久性や精度の点から好ましくない。実際に必要な最低限の周期数は、実験や電磁波シミュレーションにより決定することが望ましい。
【００７５】
これまで述べてきたのは１次元フォトニック結晶内の高次バンド伝搬光を閉じ込める場合である。２次元フォトニック結晶光ファイバの場合でも、クラッド用のフォトニック結晶によりコア部分を取り囲むことにより閉じ込めを実現することができる。
【００７６】
また、図１４Ａおよび図１４Ｂは、多層構造である２次元フォトニック結晶を模式的に表わしたものである。図１４Ａおよび図１４Ｂは、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に周期性を有し、Ｚ軸方向には周期性の無い２次元フォトニック結晶の例である。図１４Ａのフォトニック結晶５０ａは、４種類の媒体５１、５２、５３および５４が積層されている。ＸＹ断面でこれら４種類の媒体５１、５２、５３および５４が露出している。図１４Ｂのフォトニック結晶５０ｂは、３種類の媒体５５、５６、５７とで構成されている。フォトニック結晶５０ｂは、例えば、２種類の媒体５５、５６をＹ軸方向に積層した後に、ＹＺ面に平行な溝をＸ軸方向に周期的に形成することで容易に作製することができる。なお、この場合、媒体５７は空気であるが、空気の代りに他の媒体を充填してもよい。
【００７７】
これらフォトニック結晶５０ａおよび５０ｂを、コア、クラッドおよび位相格子の少なくともいずれか１つとして用いることで、本実施の形態のフォトニック結晶光導波路を実現してもよい。
【００７８】
以下、本実施の形態の満たすべき条件をさらに具体的に説明する。
【００７９】
図９には示していないが、第４バンド以上の高次バンドも第２、第３バンドと同様に大きい波長分散を示す。しかし伝搬光のバンドが高次になるに従って、Ｙ軸方向の１周期あたりに存在する波動の「節」が増えるので、位相変調のパターンがより複雑になる。したがって、１周期あたりに２個の節がある第２もしくは第３バンドを高次伝搬バンドとして利用することが最も望ましい。もちろん「非結合性」バンドは利用できないので、望ましいバンドは「最低次から２番目の結合性バンド」ということになる。前述したように、第１バンドは結合性である。
【００８０】
また、高次伝搬バンドによる伝搬光ではいわゆる「フォトニック結晶における群速度異常」が生じるため、非線形光学効果の増強作用を起こすことなどが期待されている。本実施の形態では群速度異常がほとんど起こらない第１バンド光にエネルギーを取られることがないので、たとえば多層膜やフォトニック結晶光ファイバのコア部分に非線形光学物質を含ませることによってより大きい光学的非線形性の増強効果を得ることができる。（Optical Fiber Communication 2002/Conference and Exhibit Technical Digest ThK4 (p.468)参照）
例えば、図４で示しているようなコアである１次元フォトニック結晶１５は、Ｘ軸方向とＹ軸方向の構造に大きな違いがある。そのため、偏光方向により実効屈折率や群速度は異なる値となる。これは、図２（ＴＥ偏光）と図３（ＴＭ偏光）との特性が異なることからも明らかである。したがって、本実施の形態にかかるフォトニック結晶光導波路においては、光導波路部の偏光モードによる差をなくすために、修正用の複屈折素子を光路の途中に挿入することが好ましい。なお、複屈折素子としては、例えば、複屈折結晶、構造性複屈折素子またはフォトニック結晶などを用いることができる。
【００８１】
本実施の形態に用いるフォトニック結晶の材料としては、使用波長域における透明性が確保できるものであれば特に限定はないが、１次元の場合には一般的に多層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、窒化シリコン、シリコン、酸化チタン、酸化タンタル、酸化ニオブおよびフッ化マグネシウムなどが適する材料である。上記材料は、スパッタリング、真空蒸着、イオンアシスト蒸着およびプラズマＣＶＤなどの良く知られた方法により、容易に多層膜構造を形成することができる。２次元フォトニック結晶ファイバの場合には、石英ファイバに空気孔を並べたものが最も簡単な構成である。
【００８２】
フォトニック結晶を構成する複数の材料間の屈折率比は大きくなるほど、波長分散なども大きくなる傾向がある。したがって、そのような特性が必要な用途に対しては高屈折率材料と低屈折率材料を組合せて、フォトニック結晶を構成することが望ましい。実用的に実現できる屈折率比としては、例えば、低屈折率材料として屈折率が１である空気を用い、高屈折率材料として屈折率が４．２１であるＩｎＳｂを用いると、屈折率比を４以上にできる（「微小光学ハンドブック」２２４頁、朝倉書店  １９９５年、参照）。
【００８３】
フォトニック結晶を構成する材料の屈折率比が小さくなると、偏光方向による特性の違いが小さくなる傾向があるので、偏波無依存を実現するためには屈折率比の小さい組合せも有用である。ただし、屈折率比があまり小さくなると変調作用が弱くなり、期待される作用が発揮されないこともあるので、屈折率比として１．２以上確保することが望ましい。
【００８４】
光導波路部分と位相格子部分とを隔てる空間は、多層膜を積層し、多層構造を作製した後に、レジスト層塗布、パターニング、エッチング、レジスト層の除去といった一般的な工程を順次行なうことで形成することができる。図８に示す溝部分すなわち空間１８は、空気で満たされていてもよいし、真空としてもよい。それにより、空間１８は、低屈折率となる。また、空間１８に媒体を充填してもよい。充填する媒体としては、有機樹脂、ゾル状態のガラスおよび溶融状態の半導体材料などを用いることができる。なお、ゾル状態のガラスはゲル化した後に加熱して透明なガラスとすることができる。
【００８５】
材料を適切に選定すれば、通常使用される２００ｎｍ〜２０μｍ程度の波長範囲の光を用いて、本実施の形態のフォトニック結晶光導波路を使用することができ、十分にその特性を発揮する。また、本実施の形態は光を対称として説明したが、光だけでなく、電磁波一般にも適用できるものである。
【００８６】
なお、フォトニック結晶の出射端側に、位相変調部が設置されている場合のフォトニック結晶と位相変調部との空間も同様である。
【００８７】
図１５は、本実施の形態に係るフォトニック結晶光導波路の斜視図である。
【００８８】
フォトニック結晶光導波路６９は、基板６１と、基板６１上に、コアである１次元フォトニック結晶６６と、１次元フォトニック結晶６６の入射側および出射側端面には、空間６８ａおよび空間６８ｂを介して位相格子６６ａおよび位相格子６６ｂが設置されている。なお、実際には、１次元フォトニック結晶６６の上下には金属膜あるいは１次元フォトニック結晶による反射層（図１１または図１２参照）が設けてあるが、図示はしていない。また、位相格子６６ａの外側には、均質物質により構成された均質光導波路６７ａが設置されている。位相格子６６ｂの外側には、複屈折素子６４および均質光導波路６７ｂが設置されている。なお、クラッドは、１次元フォトニック結晶６６の周囲の空気も含まれる。また、位相格子６６ａおよび位相格子６６ｂは、基は、１次元フォトニック結晶６６の端部であり、１次元フォトニック結晶６６の端部を切断して切り離した部分である。
【００８９】
１次元フォトニック結晶６６は、例えば、基板６１全面に周期的多層膜を成膜してから、エッチングによって線状部分だけを残して、それ以外の多層膜を除去することによって作製することができる。なお、１次元フォトニック結晶６６は、光の伝搬方向には、一様の屈折率を有しており、積層方向に屈折率周期を有している。
【００９０】
信号光である入射光６２は、例えば、光ファイバ等によって、均質光導波路６７ａに結合する。この信号光は均質光導波路６７ａ中を伝搬して、位相格子６６ａを介して、１次元フォトニック結晶６６に送られる。位相格子６６ａと１次元フォトニック結晶６６との間には、空間６８ａが形成されている。上述したように、信号光が位相格子６６ａを介してコアである１次元フォトニック結晶６６に入射されるので、１次元フォトニック結晶６６中を伝搬する導波光は高次バンド伝搬光のみとなる。
【００９１】
１次元フォトニック結晶６６中を伝搬している高次バンド伝搬光は、１次元フォトニック結晶６６の出射端から空間６８ｂに出射され、位相格子６６ｂに入射し、位相格子６６ｂによって再び平面波に変換される。平面波に変換された光は、位相格子６６ｂから複屈折素子６４に送られ、偏光モードによる位相のずれが補償され、均質光導波路６７ｂに送られる。均質光導波路６７ｂを通って出射された出射光６３は、例えば、光ファイバ等に結合される。
【００９２】
高次バンド伝搬光は前述したように入射光の波長によって群速度が大きく変化するので、このフォトニック結晶光導波路６９は、光通信用信号光の分散補償素子および光遅延素子といった用途に用いることができる。また、前述したように群速度の遅い伝搬光には非線形光学効果を増強する作用がある。従来あるものよりもはるかに非線形光学効果の大きい素子とする方法を以下に示す。例えば、１次元フォトニック結晶６６部分に、非線形光学作用を示す物質を微粒子状にしてドープすることで非線形光学効果を高める。具体的には、微細な粒子を分散させ、量子ドットの作用を用いる。
【００９３】
また別の方法は、１次元フォトニック結晶６６の１周期ごとに、非線形光学作用を示す物質を含む薄膜層を設置して、非線形光学効果を高める。具体的には、薄膜層の少なくとも片方をゾルゲル法により作製し、有機色素やフォトリフラクティブ効果のある有機物質を含有させる。
【００９４】
さらに別の方法は、１次元フォトニック結晶６６を形成する物質そのものを、非線形作用のあるものとすることで非線形光学効果を高める。具体的には、１次元フォトニック結晶の材料自体をＬｉＮｂＯ3などの、非線形性の大きい物質とする。
【００９５】
図１６は、偏光方向による位相差を補償する光導波路素子７０を示す斜視図である。図１６は、図１５に示したフォトニック結晶光導波路６９を２個用いている。一方のフォトニック結晶光導波路６９を、他方に対し光の導波方向を軸として、９０°回転して接続した構成である。なお、図１６のように入射側（図１６においては左側）に設置されたフォトニック結晶光導波路６９の出射側の均質導波路および出射側（図１６においては右側）に設置されたフォトニック結晶光導波路６９の入射側の均質導波路は省いてもよい。また、図１５では用いていた、複屈折素子も省いている。２つの１次元フォトニック結晶光導波路６９は、それぞれ出射側の位相格子６６ｂと入射側の位相格子６６ａとで接続されている。
【００９６】
入射側のフォトニック結晶光導波路６９へ入射した平面波のＴＥ偏光成分とＴＭ偏光成分とは、導波路中での群速度と波長が異なるので、位相差、強度差および非線形作用などに差が生じている。しかし、入射側のフォトニック結晶光導波路６９と同じ構造と長さであって、方向のみ９０°回転した出射側のフォトニック結晶光導波路６９中を通過することで、位相差、強度差および非線形作用などの生じた差はキャンセルされる。したがって、図１６に示す光導波路素子７０は、偏光による差を生じない。
【００９７】
図１５に示す１次元フォトニック結晶６６の代りに、例えば、図１４Ａおよび図１４Ｂに示すような、Ｙ軸方向に加えてＸ軸方向にも周期性のある２次元フォトニック結晶を用いることもできる。この場合、構造の最適化を行なえば偏光モードによる差をなくすことも可能となる。もちろん、コアとなる２次元フォトニック結晶を切断することで作製する位相格子も２次元構造となる。
【００９８】
なお、フォトニック結晶の２次元化は、図１４Ｂに示すように、多層膜層にエッチングなどの手段でＺ軸方向の平行溝を形成すれば容易に実現することができる。
【００９９】
図１７は、本実施の形態に係るフォトニック結晶光ファイバの模式図である。
【０１００】
フォトニック結晶光導波路の光導波路部である光ファイバ７９本体は、２次元フォトニック結晶構造を有するコア７１と、その周囲のクラッド７２から構成される。なお、光の伝搬方向の屈折率は一様である。光ファイバ７９の両端には、コア７１の周期に合わせた位相格子７６ａおよび７６ｂが設置されており、入射光（平面波、図示しない）はコア７１を高次バンド伝搬光として伝搬して、出射端で再び平面波に復元される。両端の位相格子は同じものなので、どちらの方向にも用いることができる。
【０１０１】
なお、コア７１およびクラッド７２の屈折率周期が、光ファイバ７９の中心軸に対して、対称であることが好ましい。それにより、偏光モードによる差が生じないという長所がある。
【０１０２】
光ファイバ７９のクラッド７２のフォトニック結晶は、コア７１のフォトニック結晶と異なる周期や構造を有し、コア７１の導波光をフォトニックバンドギャップによって閉じ込める役割をなす。なお、フォトニック結晶であるクラッド７２は、コア７１に光が閉じ込められるだけの厚みがあればよく、光ファイバ７９の外周部分にまでフォトニック結晶が形成されている必要はない。
【０１０３】
光ファイバ７９の導波光は高次バンドによるものなので、最低次バンドによる単一モード伝搬を用いる従来の光ファイバよりもはるかに大きい群速度異常が発生する。したがって、強力な分散補償効果や非線形光学効果を発揮することができる。
【０１０４】
また、コア７１は周期構造であり大きさに制限がないので、大口径のコア７１を容易に実現することができ、ファイバ間接続を簡略にすることもできる。
【０１０５】
図１８は、本実施の形態に係る同心円状フォトニック結晶光ファイバ８９の模式図である。
【０１０６】
光ファイバ８９は、半径方向に周期的な屈折率分布を有する。光ファイバ８９は、その中心軸からの距離に対して周期的かつ同心円状の屈折率周期を有する２次元フォトニック結晶であるコア８１およびクラッド８２により構成される。なお、光の伝搬方向の屈折率は一様である。光ファイバ８９の両端には、コア８１の周期に合わせた位相格子８６ａおよび８６ｂが設置されており、平面波である入射光（図示せず）はコア８１中を高次バンド伝搬光として伝搬して、出射端で再び平面波に復元される。両端の位相格子８６ａ、８６ｂは同じものなので、入出射の方向は逆方向であってもよい。
【０１０７】
クラッド８２は、コア８１と異なる屈折率周期を有し、コア８１の導波光をフォトニックバンドギャップによって閉じ込める役割をなす。
【０１０８】
この光ファイバ８９は光軸対称の構成なので、偏光モードによる差が生じないという長所がある。群速度異常による効果や、コア部分の大きさに制限がない点は、図１７の光ファイバ７９と同様である。
【０１０９】
また、図１７および図１８の光ファイバ７９および８９は、例えば、断面が略円形であるファイバ状の均質物質に、空洞を形成することで、前記均質物質と空気とにより屈折率周期を形成し、作製すればよい。なお、空洞は、ファイバ状の均質物質の長手方向に沿って複数形成されればよい。空洞は、導波光に対して平行であればよい。また、この空洞の全部もしくは一部に、流動性物質を充填して、さらに異なる屈折率周期を形成してもよい。例えば空洞には、流動性物質として、アクリルモノマーを充填し、外部から紫外線を照射して、このアクリルモノマーを重合させてもよい。
【０１１０】
なお、本実施の形態で具体的に示した、構成等は、あくまでも一例であり、本発明はこれらの具体例のみに限定されるものではない。例えば、本実施の形態の光導波路部のコアであるフォトニック結晶は、光の伝搬方向に一様の屈折率を有し、伝搬方向に垂直な少なくとも一方向に屈折率周期を有する構成であればよい。また、導波光の伝搬方向に、フォトニックバンドが存在していればよい。
【産業上の利用可能性】
【０１１１】
以上説明したように、本発明によれば、高次バンド伝搬光の群速度異常に起因する分散補償および光学非線形性の増強効果などを利用することができる光学素子として広く応用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１１２】
【図１】図１は、１次元フォトニック結晶を示す断面図である。
【図２】図２は、１次元フォトニック結晶におけるＴＥ偏光のフォトニックバンド構造を示すバンド図である。
【図３】図３は、１次元フォトニック結晶におけるＴＭ偏光のフォトニックバンド構造を示すバンド図である。
【図４】図４は、１次元フォトニック結晶光導波路の構成を示す斜視図である。
【図５】図５は、２次元フォトニック結晶を用いた光ファイバの構成を示す斜視図である。
【図６】図６は、１次元フォトニック結晶中での第１バンド伝搬光のＺ軸方向における電場の強さを表わした模式図である。
【図７】図７は、１次元フォトニック結晶中での高次バンド伝搬光のＺ軸方向における電場の強さを表わした模式図である。
【図８】図８は、本実施の形態に係るフォトニック結晶光導波路の構成を示す断面図である。
【図９】図９は、本実施の形態に係るフォトニック結晶光導波路における、導波光のＺ軸方向における電場の強さを表わした摸式図である。
【図１０】図１０は、本実施の形態に係る他のフォトニック結晶光導波路の電場を表わした模式図である。
【図１１】図１１は、本実施の形態に係る他のフォトニック結晶光導波路の断面図である。
【図１２】図１２は、本実施の形態に係る他のフォトニック結晶光導波路の断面図である。
【図１３】図１３Ａおよび図１３Ｂは、同じ厚さの２種類の物質をそれぞれ交互に層となるように重ねた１次元フォトニック結晶のバンド図である。
【図１４】図１４Ａおよび図１４Ｂは、多層構造である２次元フォトニック結晶の摸式図である。
【図１５】図１５は、本実施の形態に係るフォトニック結晶光導波路の斜視図である。
【図１６】図１６は、本実施の形態に係る位相差を補償する光導波路素子を示す斜視図である。
【図１７】図１７は、本実施の形態に係るフォトニック結晶光ファイバの模式図である。
【図１８】図１８は、本実施の形態に係る同心円状フォトニック結晶光ファイバの模式図である。
【国際調査報告】
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