(57)【要約】【課題】広帯域かつ高信号分離度を有し、小型化可能な方向性結合器および合分波器デバイスを提供する。【解決手段】方向性結合器は、２次元フォトニック結晶スラブ１２内に周期的に配置され、フォトニックバンド構造のフォトニックバンドギャップ帯における光波、テラヘルツ波もしくはミリ波を、２次元フォトニック結晶スラブの面内での存在を禁止するために回折させる格子点１２Ａと、格子点の線欠陥により形成された第１の２次元フォトニック結晶導波路１４1と、第１導波路１４1とモード結合可能な第２の２次元フォトニック結晶導波路１４2と、第１導波路１４1と第２導波路１４2との間に２列に配置され、半径が格子点の半径よりも小さい導波路間格子点を有する方向性結合部５０とを備え、方向性結合部から入力ポート側の第１導波路１４1と動作帯域を一致させるため、方向性結合部の分散曲線全体が高周波側に移動するように、第２導波路１４2の幅を狭める。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２次元フォトニック結晶スラブと、
前記２次元フォトニック結晶スラブ内に周期的に配置され、前記２次元フォトニック結晶スラブのフォトニックバンド構造のフォトニックバンドギャップ帯における光波、テラヘルツ波もしくはミリ波を、前記２次元フォトニック結晶スラブの面内での存在を禁止するために回折させる格子点と、
前記２次元フォトニック結晶スラブ内に前記格子点の線欠陥により形成される第１の２次元フォトニック結晶導波路と、
前記２次元フォトニック結晶スラブ内に前記格子点の線欠陥により形成され、前記第１の２次元フォトニック結晶導波路とモード結合可能な第２の２次元フォトニック結晶導波路と、
前記第１の２次元フォトニック結晶導波路と前記第２の２次元フォトニック結晶導波路との間に配置され、大きさが前記格子点よりも小さい導波路間格子点を有する方向性結合部と
を備えることを特徴とする方向性結合器。
【請求項２】
前記第２の２次元フォトニック結晶導波路は、前記第１の２次元フォトニック結晶導波路と並行に配置されることを特徴とする請求項１に記載の方向性結合器。
【請求項３】
前記導波路間格子点は、２列に配置されることを特徴とする請求項１または２に記載の方向性結合器。
【請求項４】
前記第１の２次元フォトニック結晶導波路は、第１ポートおよび第２ポートを有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の方向性結合器。
【請求項５】
前記方向性結合部から前記第１ポート側の前記第１の２次元フォトニック結晶導波路と動作帯域を一致させるため、前記方向性結合部の分散曲線全体が高周波側に移動するように、前記第２の２次元フォトニック結晶導波路の幅を、前記格子点の線欠陥により形成される幅に比べて、狭めたことを特徴とする請求項４に記載の方向性結合器。
【請求項６】
前記２次元フォトニック結晶スラブ内に前記格子点の線欠陥により形成され、前記第２の２次元フォトニック結晶導波路と交差して配置され、第３ポートを有する第３の２次元フォトニック結晶導波路を備え、
前記第１ポートと前記第２ポート間のバー状態と、前記第１ポートと前記第３ポート間のクロス状態の信号分離度を高くするために、前記方向性結合部から前記第２ポート側の前記第１の２次元フォトニック結晶導波路の幅を、前記格子点の線欠陥により形成される幅に比べて、狭めたことを特徴とする請求項５に記載の方向性結合器。
【請求項７】
前記方向性結合部の長さは、前記第２の２次元フォトニック結晶導波路の長さに等しいことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の方向性結合器。
【請求項８】
前記第２の２次元フォトニック結晶導波路の長さは、結合長に等しいことを特徴とする請求項７に記載の方向性結合器。
【請求項９】
前記結合長は、前記格子点の周期の４倍に等しいことを特徴とする請求項８に記載の方向性結合器。
【請求項１０】
前記格子点は、正方格子、長方格子、面心長方格子、若しくは三角格子のいずれかに配置されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の方向性結合器。
【請求項１１】
前記格子点は、多角形、円形、楕円形若しくは長円形のいずれかの形状を備えることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の方向性結合器。
【請求項１２】
前記格子点および前記導波路間格子点は三角格子に配置され、かつ円孔で形成され、前記導波路間格子点の半径は、前記格子点の半径よりも小さく、かつ前記格子点の周期の０．２３倍に等しいことを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の方向性結合器。
【請求項１３】
前記格子点および前記導波路間格子点は三角格子に配置され、かつ円孔で形成され、前記第２の２次元フォトニック結晶導波路の幅を、前記格子点の周期の０．１５倍狭めたことを特徴とする請求項５に記載の方向性結合器。
【請求項１４】
前記格子点および前記導波路間格子点は三角格子に配置され、かつ円孔で形成され、前記方向性結合部から前記第２ポート側の前記第１の２次元フォトニック結晶導波路の幅を前記格子点の周期の０．１５倍狭めたことを特徴とする請求項６に記載の方向性結合器。
【請求項１５】
前記２次元フォトニック結晶スラブは、半導体材料で形成されたことを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１項に記載の方向性結合器。
【請求項１６】
前記半導体材料は、シリコン（Ｓｉ）、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＮ、さらに、ＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ系、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ系、ＧａＡｌＡｓ／ＧａＡｓ系若しくはＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ系、ＧａＡｌＩｎＡｓ／ＩｎＰ系、ＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ系、ＧａＩｎＮ／ＧａＮ系の内、いずれかを適用可能であることを特徴とする請求項１５に記載の方向性結合器。
【請求項１７】
請求項１〜１６のいずれか１項に記載の方向性結合器を複数個並列接続したことを特徴とする方向性結合器。
【請求項１８】
前記第１ポートは、前記第１の２次元フォトニック結晶導波路が延伸した前記フォトニック結晶スラブの端面に配置され、前記第１の２次元フォトニック結晶導波路が延伸した第１断熱的モード変換機構部を備えることを特徴とする請求項４に記載の方向性結合器。
【請求項１９】
前記第２ポートは、前記第１の２次元フォトニック結晶導波路が延伸した前記フォトニック結晶スラブの端面に配置され、前記第１の２次元フォトニック結晶導波路が延伸した第２断熱的モード変換機構部を備えることを特徴とする請求項４に記載の方向性結合器。
【請求項２０】
前記第３ポートは、前記第３の２次元フォトニック結晶導波路が延伸した前記フォトニック結晶スラブの端面に配置され、前記第３の２次元フォトニック結晶導波路が延伸した第３断熱的モード変換機構部を備えることを特徴とする請求項６に記載の方向性結合器。
【請求項２１】
前記断熱的モード変換機構部は、前記２次元フォトニック結晶スラブの平面視において、前記２次元フォトニック結晶スラブの前記端面から離隔するにしたがって、先端部が細くなるテーパー形状を備えることを特徴とする請求項１８〜２０のいずれか１項に記載の方向性結合器。
【請求項２２】
請求項１〜２１のいずれか１項に記載の方向性結合器を備えることを特徴とする合分波器デバイス。
【請求項２３】
前記方向性結合器と結合される入出力機構と、
前記方向性結合器と結合される検出器と、
前記方向性結合器結合される送信器と
を備えることを特徴とする請求項２２に記載の合分波器デバイス。
【請求項２４】
前記方向性結合器と前記入出力機構、前記方向性結合器と前記検出器および前記方向性結合器と前記送信器間は、前記２次元フォトニック結晶スラブの前記格子点の線欠陥により形成される導波路を介して結合されることを特徴とする請求項２３に記載の合分波器デバイス。
【請求項２５】
前記入出力機構は、１次元フォトニック結晶からなるグレーティングカプラで構成されることを特徴とする請求項２４に記載の合分波器デバイス。
【請求項２６】
前記検出器は、共鳴トンネルダイオードを搭載したテラヘルツ波受信器、あるいはショットキーバリアダイオードで構成されることを特徴とする請求項２４に記載の合分波器デバイス。
【請求項２７】
前記送信器は、共鳴トンネルダイオードを搭載したテラヘルツ波送信器、あるいは半導体レーザで構成されることを特徴とする請求項２４に記載の合分波器デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、方向性結合器および合分波器デバイスに関し、特に、光波、テラヘルツ波もしくはミリ波用の小型化可能な方向性結合器およびその方向性結合器を適用した合分波器デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電波と光波の中間の周波数に位置するテラヘルツ波帯（０．１ＴＨｚ〜１０ＴＨｚ）では、超高速無線通信やセンサ・イメージング応用などの研究が活発化しており、その産業化が期待されている。しかし、現状では、テラヘルツ波システムは、大型、立体構造の部品で構成されているため、大型かつ高価である。システム全体を小型化するためには、デバイスを集積化したテラヘルツ波集積回路の実現が不可欠である。
【０００３】
テラヘルツ波集積回路の基盤技術としては、光波領域と電波領域、双方の技術の利用が考えられる。しかし、レンズやミラーなどの光学部品は大型、かつ立体構造であり、集積化には向かない。また、電波領域で使われる中空金属導波管は、微細な立体構造のため、作成が困難となる。さらに、平面金属伝送路は、金属の吸収の影響が大きくなるため、導波損失が大きくなる。
【０００４】
テラヘルツ波集積回路の基盤技術として、光波領域では進展の著しい２次元フォトニック結晶（２Ｄ  ＰＣ：Two Dimensional Photonic Crystal）スラブの適用が検討されている（例えば、非特許文献１〜３参照。）。
【０００５】
また、ミリ波周波数帯における２次元電磁的バンドギャップスラブ構造の共鳴および導波路線欠陥モードについても検討されている（例えば、非特許文献４参照。）。
【０００６】
また、周期的な屈折率分布をもつフォトニック結晶による光デバイスの微小化・集積化において、波長オーダの大きさの微小共振器を用いた合分波器が実現されている（例えば、非特許文献５参照。）。
【０００７】
また、これまでにフォトニック結晶を用いた方向性結合器において、結合長が波長程度まで微小化されている（例えば、非特許文献６参照。）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】石垣司、冨士田誠之、および永妻忠夫, “テラヘルツ波集積回路に向けたフォトニック結晶スラブの検討”, 2012年電子情報通信学会総合大会, 岡山, no. C-14-19, 2012. (2012/3/21)
【非特許文献２】ティ・イシガキ、エム・フジタ、エム・ナガイ、エム・アシダ、およびティー・ナガツマ（T. Ishigaki, M. Fujita, M. Nagai, M. Ashida and T. Nagatsuma）著, “テラヘルツ波集積回路用フォトニック結晶スラブ（Photonic-crystal slab for terahertz-wave integrated circuits）”, IEEE Photonics Conference 2012 (IPC2012), Burlingame, no. ThJ3, Sep. 27th, pp. 774-775, 2012.
【非特許文献３】永妻忠夫、冨士田誠之、向井俊和、鶴田一魁、および大西大，“共鳴トンネルダイオードを用いたテラヘルツ無線技術の現状と展望”, NICT 講演会テラヘルツ波の産業応用の可能性(東京)(2013/1/16).
【非特許文献４】エム・シュスター、オー・アントニアク、ピー・ラール、およびエヌ・クライン（M. Schuster, O. Antoniuk, P. Lahl, and N. Klein）著,“ミリ波周波数帯における２次元電磁的バンドギャップスラブ構造の共鳴および導波路線欠陥モード（Resonant and waveguiding defect modes in a two-dimensional electromagnetic band-gap slab structure for millimeter wave frequencies）”, J. Appl. Phys. 97, 044912 (2005).
【非特許文献５】ススム・ノダ、アロンカーン・チュティナン、およびマサヒロ・イマダ（Susumu Noda, Alongkarn Chutinan & Masahiro Imada）著, “フォトニックバンドギャップ構造における単一欠陥によるフォトンの捕獲および放射（Trapping and emission of photons by a single defect in a photonic bandgap structure）”, Nature 407 (2000) 608-610.
【非特許文献６】ジュンイチロー・スギサカ、ノリツグ・ヤマモト、マコト・オカノ、カズヒロ・コモリ、およびマサヒデ・イトウ（Jun-ichiro Sugisaka, Noritsugu Yamamoto, Makoto Okano, Kazuhiro Komori, and Masahide Ito）著, “平坦分散化を用い、光学的帯域幅を拡張化した微小フォトニック結晶の方向性結合オプティカルスイッチ（Short Photonic-Crystal Directional Coupling Optical Switch of Extended Optical Bandwidth Using Flat Dispersion）”, Japanese Journal of Applied Physics 50 (2011) 032201.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
共振器を用いた合分波器は原理的に広帯域動作させることは難しい。また、通常の光合分波器の大きさはｍｍ程度である。また、これまでのフォトニック結晶微小方向性結合器を用いた光合分波器はクロス状態の動作帯域が動作周波数の約０．２％と狭く、バー状態とクロス状態の信号分離度も１０ｄＢ以下と不十分である。
【００１０】
本発明の目的は、広帯域かつ高信号分離度を有し、かつ小型化可能な光波、テラヘルツ波もしくはミリ波用の方向性結合器、およびその方向性結合器を適用した合分波器デバイスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一態様によれば、２次元フォトニック結晶スラブと、前記２次元フォトニック結晶スラブ内に周期的に配置され、前記２次元フォトニック結晶スラブのフォトニックバンド構造のフォトニックバンドギャップ帯における光波もしくはテラヘルツ波、ミリ波を、前記２次元フォトニック結晶スラブの面内での存在を禁止するために回折させる格子点と、前記２次元フォトニック結晶スラブ内に前記格子点の線欠陥により形成される第１の２次元フォトニック結晶導波路と、前記２次元フォトニック結晶スラブ内に前記格子点の線欠陥により形成され、前記第１の２次元フォトニック結晶導波路とモード結合可能な第２の２次元フォトニック結晶導波路と、前記第１の２次元フォトニック結晶導波路と前記第２の２次元フォトニック結晶導波路との間に配置され、大きさが前記格子点よりも小さい導波路間格子点を有する方向性結合部とを備える方向性結合器が提供される。
【００１２】
本発明の他の態様によれば、上記の方向性結合器を備える合分波器デバイスが提供される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、広帯域かつ高信号分離度を有し、かつ小型化可能な光波、テラヘルツ波もしくはミリ波用の方向性結合器、およびその方向性結合器を適用した合分波器デバイスを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施の形態に係る方向性結合器および分波器デバイスの模式的鳥瞰構成図。
【図２】実施の形態に係る方向性結合器において適用するフォトニック結晶方向性結合器の動作原理説明図。
【図３】実施の形態に係る方向性結合器を適用した合分波器デバイスであって、（ａ）入力が１ポート、出力がｎポートの構成例、（ｂ）入力がｎポート、出力がｎポートの構成例。
【図４】実施の形態に係る方向性結合器を適用した合分波器デバイスの設計手順の説明図であって、（ａ）入力１ポート、出力２ポートを有する構成例、（ｂ）入力ポートＩＰ１に入力用導波路を備え、出力ポートＯＰ２に出力用導波路を備える構成例、（ｃ）出力ポートＯＰ１に出力用導波路を備える構成例。
【図５】実施の形態に係る方向性結合器の模式的平面構成図。
【図６】実施の形態に係る方向性結合器において、（ａ）波数方向の説明図、（ｂ）規格化周波数と規格化波数との関係を表すフォトニックバンド図の計算例、（ｃ）理想的なフォトニックバンド図の模式図。
【図７】実施の形態に係る方向性結合器のフォトニックバンド図において、（ａ）２つの状態を形成する例、（ｂ）一定の波数差を有する例、（ｃ）結合が強すぎる例。
【図８】実施の形態に係る方向性結合器に適用可能なフォトニック結晶スラブの具体例を説明する模式的平面パターン構成図。
【図９】実施の形態に係る方向性結合器において、（ａ）フォトニック結晶導波路間が１列間隔の例、（ｂ）フォトニック結晶導波路間が２列間隔の例、（ｃ）フォトニック結晶導波路間が３列間隔の例。
【図１０】実施の形態に係る方向性結合器のフォトニックバンド図であって、（ａ）フォトニック結晶導波路間が１列間隔の例、（ｂ）フォトニック結晶導波路間が２列間隔の例、（ｃ）フォトニック結晶導波路間が３列間隔の例。
【図１１】実施の形態に係る方向性結合器において、（ａ）フォトニック結晶導波路間が２列間隔の場合の導波路間孔の半径ｒ’の説明図、（ｂ）導波路間孔の半径ｒ’をパラメータとするフォトニックバンド図。
【図１２】実施の形態に係る方向性結合器において、（ａ）フォトニック結晶導波路間が２列間隔の場合の導波路幅シフト量ｓの説明図、（ｂ）導波路幅シフト量ｓをパラメータとするフォトニックバンド図。
【図１３】実施の形態に係る方向性結合器において、得られたフォトニックバンド図の例。
【図１４】実施の形態に係る方向性結合器において、結合長を確認したシミュレーション結果。
【図１５】実施の形態に係る方向性結合器において、透過特性のシミュレーション結果。
【図１６】（ａ）比較例に係る方向性結合器の構造例、（ｂ）実施の形態に係る方向性結合器の構造例。
【図１７】（ａ）実施の形態に係る方向性結合器の動作確認のための実験評価系の写真、（ｂ）実験に適用した方向性結合器のサンプルの写真、（ｃ）図１７（ａ）に対応する実験評価系の模式的ブロック構成図。
【図１８】実施の形態に係る方向性結合器において、透過特性の実験結果。
【図１９】実施の形態に係る方向性結合器において、広帯域化のために並列接続する構成の模式的説明図。
【図２０】実施の形態に係る方向性結合器において、並列接続による動作帯域の広帯域化の模式的説明図であって、互いに重複する動作帯域Ｂ３・Ｂ２・Ｂ１の模式図、（ｂ）統合化され広帯域化された動作帯域Ｂ３∩Ｂ２∩Ｂ１の模式図。
【図２１】実施の形態に係る方向性結合器において、広帯域化のために３段並列接続した構造の平面パターン構成図。
【図２２】実施の形態に係る方向性結合器において、２段並列化構造の具体例の平面パターン構成図。
【図２３】図２２に対応した２段並列化構造を有する実施の形態に係る方向性結合器において、透過率Ｔ（ｄＢ）の周波数特性（透過スペクトル）のシミュレーション結果。
【図２４】（ａ）周波数ｆ＝０．３２ＴＨｚの場合のポートＰ１→ポートＰ３（クロス）状態の電磁界分布のシミュレーション結果、（ｂ）周波数ｆ＝０．３３ＴＨｚの場合のポートＰ１→ポートＰ３（クロス）状態の電磁界分布のシミュレーション結果、（ｃ）周波数ｆ＝０．３４ＴＨｚの場合のポートＰ１→ポートＰ２（バー）状態の電磁界分布のシミュレーション結果。
【図２５】実施の形態に係る方向性結合器の他の構成例であって、（ａ）変形例１に係る方向性結合器の構成例、（ｂ）変形例２に係る方向性結合器の構成例、（ｃ）変形例３に係る方向性結合器の構成例、（ｄ）変形例４に係る方向性結合器の構成例。
【図２６】実施の形態に係る方向性結合器および分波器デバイスに適用可能な２次元フォトニック結晶スラブにおいて、（ａ）格子点の周期構造であって、正方格子の配置例、（ｂ）図２６（ａ）に対応する２次元フォトニック結晶スラブのバンド構造図。
【図２７】実施の形態に係る方向性結合器および分波器デバイスに適用載可能な２次元フォトニック結晶スラブにおいて、（ａ）格子点の周期構造であって、三角格子の配置例、（ｂ）図２７（ａ）に対応する２次元フォトニック結晶スラブのバンド構造図。
【図２８】実施の形態に係る方向性結合器および分波器デバイスに適用載可能な２次元フォトニック結晶スラブにおいて、（ａ）格子点の周期構造であって、長方格子の配置例、（ｂ）図２８（ａ）に対応する２次元フォトニック結晶スラブのバンド構造図。
【図２９】実施の形態に係る方向性結合器および分波器デバイスに適用可能な２次元フォトニック結晶スラブにおいて、（ａ）格子点の周期構造であって、菱型格子の配置例、（ｂ）図２９（ａ）に対応する２次元フォトニック結晶スラブのバンド構造図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
【００１６】
又、以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施の形態は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の実施の形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
【００１７】
[第１の実施の形態]
実施の形態に係る方向性結合器２０および合分波器デバイス３０の模式的鳥瞰構成は、図１に示すように表される。
【００１８】
実施の形態に係る合分波器デバイス３０は、図１に示すように、方向性結合器２０と、方向性結合器２０と２次元フォトニック結晶導波路１４を介して結合される入出力機構６０と、方向性結合器２０と２次元フォトニック結晶導波路１４Ｒを介して結合される検出器１８Ｒと、方向性結合器２０と２次元フォトニック結晶導波路１４Ｔを介して結合される送信器（光源）１８Ｔとを備える。
【００１９】
方向性結合器２０は、例えば、格子点の２列間隔分離隔した２次元フォトニック結晶導波路１４1・１４2を備えるが、詳細構成は後述する（図５）。
【００２０】
入出力機構６０は、自由空間からのカプラであって、例えば、１次元フォトニック結晶からなるグレーティングカプラで構成される。２次元フォトニック結晶を用いて構成することも可能である。
【００２１】
検出器１８Ｒは、例えば、共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ：Resonant Tunneling Diode）などを搭載したテラヘルツ波受信器、あるいはショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ：Schottky Barrier Diode）などで構成可能である。
【００２２】
送信器（光源）１８Ｔは、ＲＴＤなどを搭載したテラヘルツ波送信器、あるいは半導体レーザなどで構成可能である。ここで、半導体レーザの材料系としては、例えば、以下のものを適用可能である。すなわち、例えば、波長１．３μｍ〜１．５μｍでは、ＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ系、波長９００ｎｍの赤外光では、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ系、波長８００ｎｍ〜９００の赤外光／近赤外光では、ＧａＡｌＡｓ／ＧａＡｓ系若しくはＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ系、波長１．３μｍ〜１．６７μｍでは、ＧａＡｌＩｎＡｓ／ＩｎＰ系、波長０．６５μｍでは、ＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ系、青色光では、ＧａＩｎＮ／ＧａＮ系などを適用可能である。
【００２３】
実施の形態に係る合分波器デバイス３０は、光波若しくはテラヘルツ波、ミリ波を伝播可能である。
【００２４】
実施の形態に係る方向性結合器２０および合分波器デバイス３０は、図１に示すように、２次元フォトニック結晶スラブ１２と、２次元フォトニック結晶スラブ１２内に周期的に配置され、２次元フォトニック結晶スラブ１２のフォトニックバンド構造のフォトニックバンドギャップ帯における光波、テラヘルツ波もしくはミリ波を、２次元フォトニック結晶スラブ１２の面内での存在を禁止するために回折させる格子点１２Ａとを備える。
【００２５】
２次元フォトニック結晶導波路１４・１４1・１４2・１４Ｒ・１４Ｔは、２次元フォトニック結晶スラブ１２に配置され、格子点１２Ａの線欠陥により形成される。
【００２６】
（動作原理）
実施の形態に係る方向性結合器２０において適用するフォトニック結晶方向性結合器の動作原理説明は、図２に示すように表される。
【００２７】
方向性結合器は、伝送路中で特定の方向に伝搬する信号を取り出すデバイスであり、共振器よりも緩やかな周波数選択性を有する。
【００２８】
実施の形態に係る方向性結合器２０の原理的な構成は、図２に示すように、２次元フォトニック結晶スラブ１２と、２次元フォトニック結晶スラブ１２内に周期的に配置され、２次元フォトニック結晶スラブ１２のフォトニックバンド構造のフォトニックバンドギャップ帯における光波、テラヘルツ波もしくはミリ波を、２次元フォトニック結晶スラブ１２の面内での存在を禁止するために回折させる格子点１２Ａと、２次元フォトニック結晶スラブ１２内に配置され、格子点１２Ａの線欠陥により形成された第１の２次元フォトニック結晶導波路１４1と、２次元フォトニック結晶スラブ１２内に第１の２次元フォトニック結晶導波路１４1と離隔して平行に配置され、同様に格子点１２Ａの線欠陥により形成された第２の２次元フォトニック結晶導波路１４2とを備える。
【００２９】
方向性結合器２０は、原理的には、図３に示すように、第１の２次元フォトニック結晶導波路１４1と第２の２次元フォトニック結晶導波路１４2からなる導波路を２本、隣接させることで偶モード（ＥＶＥＮ）、奇モード（ＯＤＤ）を発生させ、偶モードと奇モード間の干渉効果を利用することで結合長ＬCを有する伝搬信号ＰＷを２次元フォトニック結晶導波路１４1・１４2の延伸方向に伝搬可能である。ここで、結合長ＬCは、図３に示すように、偶モード・奇モード間のモード変換に要する最少信号伝搬距離に相当する。単純設計では、結合長ＬCは、格子点１２Ａの周期ａの１００倍〜数１００倍、動作波長の数１０倍〜１００倍程度になる。
【００３０】
以上の原理的な構成に対して、以下に詳細に説明するように、実施の形態に係る方向性結合器２０は、広い動作帯域を有すると共に、十分な信号分離度を確保可能でかつ小型化可能である。また、光波、テラヘルツ波もしくはミリ波を伝播可能である。
【００３１】
（合分波器デバイス）
合分波器デバイスは、周波数（波長）によって光・電磁波の経路を切り替える信号処理機能を有する。実施の形態に係る方向性結合器においては、２次元フォトニック結晶を適用することで、小型化集積化可能である。
【００３２】
実施の形態に係る方向性結合器２０を適用した合分波器デバイス３０であって、入力が１ポート、出力がｎポートの構成例は、図３（ａ）に示すように表され、入力がｎポート、出力がｎポートの構成例は、図３（ｂ）に示すように表される。
【００３３】
図３（ａ）の構成例では、入力側が１ポートの場合が示されているが、図３（ｂ）に示すように、入力側が複数ポートの場合も構成可能である。また，各ポートの動作周波数がオーバーラップしている場合も構成可能である。
【００３４】
以下の説明では、フォトニック結晶スラブの具体的な構造において、簡単のために入力１ポート・出力２ポートの構成例について主として説明するが、入出力ともに複数ポートとなる構成も可能である。
【００３５】
（合分波器デバイスの設計手順）
実施の形態に係る方向性結合器２０を適用した合分波器デバイス３０の設計手順について、図４（ａ）〜図４（ｃ）を用いて説明する。以下では簡単のため、入力１ポート、出力２ポートの例を表示するが 、多数ポートでも同様の設計が可能である。
【００３６】
方向性結合器２０に接続された入力１ポート（ＩＰ１）、出力２ポート（ＯＰ１・ＯＰ２）を有する構成例は、図４（ａ）に示すように表される。方向性結合器２０と入力ポートＩＰ１間に入力用導波路１４（Ｉ）を備え、方向性結合器２０と出力ポートＯＰ２間に出力用導波路１４（０２）を備える構成例は、図４（ｂ）に示すように表される。また、方向性結合器２０と出力ポートＯＰ１間に出力用導波路１４（０１）を備える構成例は、図４（ｃ）に示すように表される。
【００３７】
手順（ａ）：まず、図４（ａ）に示すように、方向性結合器２０に関して、きるだけ広帯域かつ小型動作が可能になるようにフォトニックバンド図を用いて設計する。これにより、方向性結合器２０として、動作可能となる。
【００３８】
手順（ｂ）：次に、入力用導波路１４（Ｉ）・出力用導波路１４（０２）の帯域を方向性結合器２０と一致させるように、方向性結合器２０若しくは入力用導波路１４（Ｉ）・出力用導波路１４（０２）を設計変更する。
【００３９】
以上の手順（ａ）および手順（ｂ）は、合分波器デバイス３０として基本的には必要となる。
【００４０】
手順（ｃ）：理想的にはある周波数において、片方のポートＯＰ２のみへ出力される動作になるが、現実的には、別のポートＯＰ１への出力成分も存在してしまう。別のポートＯＰ１への余計な出力を抑え、分離度（主たるポートＯＰ２への出力と別のポートＯＰ１への出力の比）を向上させるために、主たるポートＯＰ２以外の出力用導波路１４（０１）への信号伝播を遮断可能となるように、設計変更する。これにより、合分波器デバイス３０の信号分離性能を一層向上させることができる。
【００４１】
（方向性結合器の構成例）
実施の形態に係る方向性結合器２０の模式的平面構成は、図５に示すように表わされる。
【００４２】
図５に示すように、円孔三角格子１２Ａを配置した２次元フォトニック結晶スラブ１２のΓ−Ｊ方向に形成された１列線欠陥からなる２次元フォトニック結晶導波路１４1・１４2を、結合長ＬC＝４ａ（ａは格子点１２Ａの周期：格子定数）で隣接させ、方向性結合器２０を形成した。ただし，ａは三角格子の格子定数であり、空気孔の半径ｒは０．３０ａ、２次元フォトニック結晶スラブ１２の厚さと屈折率はそれぞれ０．８３ａと３．４とした。
【００４３】
実施の形態に係る方向性結合器２０は、以下の構成を採用している。
（ａ）２次元フォトニック結晶導波路１４1・１４2部分で生じる偶モード・奇モードが結合しつつ、そのモード間隔が可能な限り広くなるように、２次元フォトニック結晶導波路１４1・１４2間の離隔距離を２列間隔とする。ここで、２列に配置される導波路間孔（格子点）は、１２Ｓで表される。
（ｂ）偶モード・奇モードの伝搬定数ができるだけ広い周波数範囲にわたって一定となるように、導波路間孔の円孔の半径ｒ’を、周期ａの０．２３倍とする。
（ｃ）入力ポート（ポートＰ１）の２次元フォトニック結晶導波路１４と動作帯域を一致させるため、方向性結合部５０の分散曲線全体が高周波側に移動するように、２次元フォトニック結晶導波路１４2の導波路幅を０．１５ａ狭める。ここで、２次元フォトニック結晶導波路１４2の導波路幅は、はじめ０．３ａ狭めると共に、下記の２次元フォトニック結晶導波路１４1の幅を０．１５ａ狭める結果として、０．３ａ−０．１５ａとなり、０．１５ａ狭められている。
（ｄ）バー状態（ポートＰ１−Ｐ２）とクロス状態（ポートＰ１−Ｐ３）の分離度を向上させるため、方向性結合部５０からポートＰ２に繋がる２次元フォトニック結晶導波路１４1の幅を０．１５ａ狭め、クロス動作の周波数帯域において、ポートＰ２へのモードギャップを形成する。
【００４４】
（方向性結合器の小型化および広帯域化）
波数方向の説明図は図６（ａ）に示すように表わされ、規格化周波数と規格化波数との関係を表すフォトニックバンド図の計算例は図６（ｂ）に示すように表わされ、理想的なフォトニックバンド図は図６（ｃ）に示すように模式的に表わされる。また、図６（ｃ）において、曲線Ａは偶モード、曲線Ｂは奇モードに対応している。
【００４５】
図６（ａ）に示す矢印の波数方向における伝搬モードを計算すると、図６（ｂ）に示すように、偶モードと奇モードが生じる。この２つのモードの波数差Δｋが結合長ＬCを決定している。広い周波数帯域で同じ値の波数差Δｋを保持可能であれば広帯域化可能である。また、結合長ＬCは、波数差Δｋの逆数で決まるため波数差Δｋが大きいほど小型化できる。つまり、図６（ｃ）に示すように、理想的な形のバンド図を実現できれば、広帯域かつ結合長ＬCの短い小型な結合構造を実現可能である。
【００４６】
実施の形態に係る方向性結合器２０においては、波数差Δｋを小さくして、周波数差Δｆの広帯域にわたって一定に保持可能であるため、広帯域かつ小型化可能な光波、テラヘルツ波もしくはミリ波用の方向性結合器を実現可能である。
【００４７】
実施の形態に係る方向性結合器のフォトニックバンド図において、偶モードと奇モードの２つの状態を形成する例は図７（ａ）に示すように表わされ、一定の波数差を有する例は図７（ｂ）に示すように表わされ、結合が強すぎる例は図７（ｃ）に示すように表わされる。また、図７（ａ）〜図７（ｃ）において、曲線Ａは偶モード、曲線Ｂは奇モードに対応している。
【００４８】
実施の形態に係る方向性結合器においては、導波路を２本、隣接させることで偶モード・奇モードを発生させ、偶モードと奇モード間の干渉効果を利用する。
【００４９】
方向性結合には、図７（ａ）に示すように、周波数ｆが同じで、波数ｋが異なる２つの状態（偶モード・奇モード）をつくる必要がある。図７（ａ）に示すように、２つの動作点Ｐ1・Ｐ2は、同じ周波数ｆpに対して、異なる規格化波数ｋ１・ｋ２を有している。
【００５０】
２本の導波路モードの結合により、偶モードと奇モードが発生するが、モードの状態（周波数および波数）の分裂度は、２つの導波路の結合の強さに比例する。すなわち、分裂度は、図６（ｂ）に示すように、偶モード・奇モード間の波数差Δｋおよび周波数差Δｆに等しい。
【００５１】
実施の形態に係る方向性結合器においては、２つの２次元フォトニック結晶導波路１４1・１４2の結合の強さが強いほど、分裂度は増加し、小型化および広帯域化可能である。これは、結合長ＬCが、波数差Δｋの逆数(1/Δｋ)に比例するためである。
【００５２】
また、図７（ｂ）に示すように、物理的な結合長ＬCは一定であり、結合長ＬCに対応する一定値の波数差Δｋを周波数差Δｆの広帯域で得ることができる。すなわち、フォトニックバンド図の分散曲線の傾きの逆数に比例する伝搬定数が偶モード・奇モードで一定であることが、広帯域化には必要である。
【００５３】
ただし、結合が強すぎると、図７（ｃ）に示すように、周波数差ΔＦが大きくなり、２つの状態の分裂が大きくなりすぎて単一周波数で２つの波数状態を取れなり、周波数ｆpが同じで、波数ｋが異なる２つの状態（偶モード・奇モード）をつくる条件を満たせなくなる。すなわち、適度な結合の強さにする必要がある。
【００５４】
これら周波数ｆと波数ｋの関係である分散関係はフォトニックバンド図で得られる。フォトニック結晶では，構造パラメータによって、分散関係を柔軟に調整でき、また、導波路への光閉じこめが強いため、導波モード間の結合を強くすることができる。
【００５５】
（フォトニック結晶スラブの具体例）
２次元フォトニック結晶スラブ１２は、２次元周期構造を有する誘電体板構造を備える。２次元フォトニック結晶スラブ１２には、その設計により、電磁モードが存在できないフォトニックバンドギャップ（ＰＢＧ：Photonic Band Gap）が現れる。さらに周期構造を乱すことで、ＰＢＧ内に導波モードを導入し、波長サイズ以下の微小領域での低損失な導波路を実現することができる。
【００５６】
ここで、ＰＢＧの帯域幅は、誘電体の屈折率に依存し、高屈折率材料が望ましい。
【００５７】
実施の形態に係る方向性結合器２０に適用可能な２次元フォトニック結晶スラブ１２の材料は、半導体材料で形成されていても良い。
【００５８】
実施の形態に係る方向性結合器は、光波、テラヘルツ波若しくはミリ波を伝播可能であることから、半導体材料としては、以下のものを適用可能である。すなわち、例えば、シリコン（Ｓｉ）、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＮ、さらに、ＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ系、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ系、ＧａＡｌＡｓ／ＧａＡｓ系若しくはＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ系、ＧａＡｌＩｎＡｓ／ＩｎＰ系、ＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ系、ＧａＩｎＮ／ＧａＮ系などを適用可能である。特に、高抵抗Ｓｉは、テラヘルツ波帯で高い屈折率を有し、材料吸収が少ない。
【００５９】
また、格子点１２Ａは、例えば、空気孔として形成しても良く、或いは屈折率の異なる半導体層で充填しても良い。例えば、ＧａＡｓ層に対してＡｌＧａＡｓ層を充填して形成しても良い。
【００６０】
また，格子点１２Ａ（孔）に関しては、空気の孔を空けるだけでなく、孔（の一部）を低屈折率（誘電率）の媒質で埋める構造も可能である。低屈折率（誘電率）の媒質としては、例えば、テフロン、フッ素樹脂、ポリイミド、アクリル、ポリエステル、エポキシ樹脂、液晶、ポリウレタンなどのポリマー材料を適用可能である。さらに、低屈折率（誘電率）の媒質としては、例えば、ＳｉＯ2、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、アルミナ、サファイアなどの誘電体も適用可能である。さらに、低屈折率（誘電率）の媒質としては、エアロゲルなどの多孔質体も適用可能である。
【００６１】
また、２次元フォトニック結晶スラブ１２の材料としては、半導体に限らず、高屈折率の媒質ならば適用可能である。例えば、ＭｇＯ(酸化マグネシウム)はテラヘルツ波帯での屈折率が約３．１と高い誘電体（絶縁体）になるため、２次元フォトニック結晶スラブ１２に適用可能である。
【００６２】
実施の形態に係る方向性結合器に適用可能なフォトニック結晶スラブの具体例の平面パターン構成は、図８に示すように表わされる。
【００６３】
実施の形態に係る方向性結合器に適用可能な２次元フォトニック結晶スラブ１２は、例えば、シリコンで形成可能である。さらに、２次元フォトニック結晶スラブ１２内に周期的に配置され、２次元フォトニック結晶スラブ１２のフォトニックバンド構造のフォトニックバンドギャップ帯における光波、テラヘルツ波もしくはミリ波を、２次元フォトニック結晶スラブ１２の面内での存在を禁止するために回折させる格子点１２Ａは、例えば、図８に示すように、円孔を備え、２次元三角格子に配置されている。格子点１２Ａの格子定数（周期）ａに対して、格子点１２Ａの直径２ｒは、例えば、０．６ａに等しい。すなわち、シリコンに，半径ｒが周期ａの０．３０倍の円孔２次元三角格子が周期的に形成されたフォトニック結晶スラブが基本構造である。基本の２次元フォトニック結晶導波路１４は、２次元フォトニック結晶スラブ１２内に配置され、格子点１２Ａの線欠陥により形成される。例えば、周期構造の孔を一列分埋めることで形成可能である。また、例えば、０．３ＴＨｚ帯を想定すると、周期ａ＝２４０μｍである。
【００６４】
また、２次元フォトニック結晶スラブ１２内に周期的に配置される格子点１２Ａの格子定数ａとＰＧＢ周波数との関係の電磁界シミュレーション結果によれば、格子定数ａを小さくすることでＰＧＢ周波数帯を高周波に変化させることができる。例えば、格子定数ａ＝８０μｍでは約０．９ＴＨｚから約１．１ＴＨｚ、格子定数ａ＝２４０μｍでは約０．３０ＴＨｚから約０．３８ＴＨｚ、格子定数ａ＝７２０μｍでは約０．１０ＴＨｚから約０．１３ＴＨｚにおいて、ＰＧＢ周波数帯域が発現する。
【００６５】
また、取り扱う周波数帯域もテラヘルツ波帯に限定されず、一般的な光波も含まれる。この場合、２次元フォトニック結晶スラブ１２は、格子点１２Ａの格子定数ａを微細化し、動作波長が、例えば、約１μｍ〜２μｍ帯で、格子定数ａは、例えば、約２５０ｎｍ〜約５００ｎｍなどとすれば良い。また、格子点１２Ａの直径・深さは、例えば、約２００ｎｍ・３００ｎｍ程度である。これらの数値例は、２次元フォトニック結晶スラブ１２を構成する材料系および波長などによって適宜変更可能である。例えば、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系材料を適用した２次元フォトニック結晶スラブ１２においては、波長としては、約２００ｎｍ〜約４００ｎｍ程度である。
【００６６】
（導波路間列数が異なる時の分散関係の変化）
次にモード間隔を縦に狭める方法を説明する。２本の２次元フォトニック結晶導波路１４1・１４2間の結合の強さを調整するために、２次元フォトニック結晶導波路１４1・１４2間の孔の列数を変化させる。
【００６７】
実施の形態に係る方向性結合器において、２次元フォトニック結晶導波路１４1・１４2間に１列の格子点１２Ａ（１）を有する１列間隔の例は、図９（ａ）に示すように表わされ、２次元フォトニック結晶導波路１４1・１４2間に２列の格子点１２Ａ（２）を有する２列間隔の例は、図９（ｂ）に示すように表わされ、２次元フォトニック結晶導波路１４1・１４2間に３列の格子点１２Ａ（３）を有する３列間隔の例は、図９（ｃ）に示すように表わされる。また、図９（ａ）・図９（ｂ）・図９（ｃ）に対応するフォトニックバンド図は、図１０（ａ）・図１０（ｂ）・図１０（ｃ）に示すように表わされる。曲線Ａは偶モード、曲線Ｂは奇モードに対応する。
【００６８】
図１０（ａ）・図１０（ｂ）・図１０（ｃ）に示すように、２次元フォトニック結晶導波路１４1・１４2間の間隔が狭いほど、導波路モードの結合が強くなる。その結果、モード間の分裂度が大きくなる。特に、２列間隔の方が３列間隔よりも広帯域化・小型化に適している。一方、１列間隔では結合が強すぎるため、単一周波数で２つの状態を取ることができず、方向性結合器として使用することが難しい。
【００６９】
２次元フォトニック結晶導波路１４1・１４2間に１列の格子点１２Ａ（１）を有する例においては、図１０（ａ）に示すように、モード結合を得ることができない。一方、２次元フォトニック結晶導波路１４1・１４2間に３列の格子点１２Ａ（３）を有する例においては、十分な帯域が取ることが難しい。２次元フォトニック結晶導波路１４1・１４2間に２列の格子点１２Ａ（２）を有する例においては、モードの結合を実現できてかつ帯域が確保できる最適構造を得ることができる。
【００７０】
２つの導波路を分離する孔の列数を変えた時の分散特性の変化は、線欠陥間の列数を増やすほど、モード間隔が縦に狭まることがわかる。このとき列数が１列の時は、モード間隔の開きが大きく結合しない。また３列にするとモード間隔は狭まるが、帯域が十分に確保できない。つまり列数は、モードの結合を実現できてかつ帯域が確保できる２列が最適である。
【００７１】
（分散関係の導波路間孔の半径依存性：半径の調整）
実施の形態に係る方向性結合器２０において、２次元フォトニック結晶導波路１４1・１４2間が２列間隔の場合の導波路間孔の半径ｒ’の説明図は、図１１（ａ）に示すように表わされ、導波路間孔の半径ｒ’をパラメータとするフォトニックバンド図は、図１１（ｂ）に示すように表わされる。
【００７２】
図１１（ａ）および図１１（ｂ）においては、２次元フォトニック結晶導波路１４1・１４2間の間隔を２列の間隔とし、導波路間孔１２Ｓの半径ｒ’が０．４ａ、０．３ａ、０，２ａと変化させた例が示されている。曲線Ａは偶モード、曲線Ｂは奇モードに対応する。
【００７３】
実施の形態に係る方向性結合器２０においては、２次元フォトニック結晶導波路１４1・１４2間の導波路間孔の半径ｒ’を変化させることでも、２次元フォトニック結晶導波路１４1・１４2間の結合の強さを変化させることができる。
【００７４】
図１１（ｂ）内の矢印Ｒで示すように、空気孔（ホール）の半径ｒ’を大きくするほど、偶モードおよび奇モードの右端が上昇する。一方、図１１（ｂ）に示すように、孔の半径ｒ’が小さくなるほど、２次元フォトニック結晶導波路１４1・１４2間の屈折率差が小さくなるため、結合が強くなる。例えば、孔の半径ｒ’＝０．２ａの場合の方が０．３ａの場合よりも結合が強い。ただし、この場合にも結合が強すぎると分散曲線が平行な周波数帯が減少するため、適度な大きさが存在する。ここで，孔の半径ｒ’を小さくする結果、周波数帯が全体的に低周波側へ移動する。
【００７５】
（分散関係の導波路間孔の位置異存性：導波帯域の調整）
実施の形態に係る方向性結合器において、２次元フォトニック結晶導波路１４1・１４2間が２列間隔の場合の導波路幅シフト量ｓの説明図は、図１２（ａ）に示すように表わされ、導波路幅シフト量ｓをパラメータとするフォトニックバンド図は、図１２（ｂ）に示すように表わされる。
【００７６】
図１２（ａ）および図１２（ｂ）においては、フォトニック結晶スラブの格子点１２Ａの孔を、２次元フォトニック結晶導波路１４1・１４2間の２列間隔の孔１２Ｓ側に導波路幅シフト量ｓだけシフトさせることで、２次元フォトニック結晶導波路１４1・１４2間の幅を狭めることができる。
【００７７】
図１２（ａ）および図１２（ｂ）においては、２次元フォトニック結晶導波路１４1・１４2間の間隔を２列の間隔とし、導波路幅シフト量ｓを０．００ａ、０．１０ａ、０．１５ａ、０．２０ａと変化させた例が示されている。曲線Ａは偶モード、曲線Ｂは奇モードに対応する。
【００７８】
図１２（ａ）および図１２（ｂ）に示す例では、方向性結合部５０の導波路幅を調整する例が示されている。ここで、２次元フォトニック結晶導波路１４1・１４2間の間隔が２列で、孔の半径ｒ’は調整していない。
【００７９】
図１２（ｂ）内の矢印Ｓで示すように、２次元フォトニック結晶導波路１４1・１４2の幅が狭くなる(導波路幅シフト量ｓが大きい)ほど、導波帯域が高周波に移動している様子がわかる。すなわち、図１２（ｂ）内の矢印Ｓで示すように、導波路幅を変化させ、導波路幅を狭めるとモード全体が上昇する。２次元フォトニック結晶スラブ１２の格子点１２Ａの孔全体を内側に狭めて、線欠陥の幅を狭くするほどモード全体が上昇する。
【００８０】
実施の形態に係る方向性結合器２０においては、２次元フォトニック結晶導波路１４1・１４2間の導波帯域は、導波路幅、フォトニック結晶スラブの孔径、周期、屈折率などを調整することによって、調整可能である。例えば、フォトニック結晶スラブ１２を構成する半導体材料が、ＧａxＩｎ1-xＡｓyＰ1-yの場合には、その組成比ｘ、ｙを変えることで屈折率を変えることができる。
【００８１】
図１１（ｂ）および図１２（ｂ）に示すように、２次元フォトニック結晶導波路１４1・１４2の幅を狭くし、導波路間孔１２Ｓの半径ｒ’を大きくし、周期ａを小さくし、２次元フォトニック結晶スラブ１２の材料の屈折率を小さくすることで、フォトニックバンド図の偶モードおよび奇モードは、高周波側へ移動する。
【００８２】
逆に、２次元フォトニック結晶導波路１４1・１４2の幅を広くし、導波路間孔１２Ｓの半径ｒ’を小さくし、周期ａを大きくし、２次元フォトニック結晶スラブ１２の材料の屈折率を大きくすることで、フォトニックバンド図の偶モードおよび奇モードは、低周波側へ移動する。このため、方向性結合器２０の動作帯域が元々の入力導波路の動作帯域と一致しないようになることがあるが、実施の形態に係る方向性結合器２０においては、方向性結合部５０もしくは方向性結合器２０の入出力導波路の動作帯域を調整可能である。
【００８３】
（得られたフォトニックバンド図の例）
実施の形態に係る方向性結合器２０において、図６・図７・図９・図１０・図１１・図１２において説明した結果にも基づいて得られたフォトニックバンド図の例は、図１３に示すように表される。図１３の結果は、図５に示された構造の方向性結合部５０におけるバンド計算結果である。すなわち、導波路間孔１２Ｓは２列に配置されており、導波路間孔１２Ｓの半径ｒ’は０．２３ａに等しく、導波路幅シフト量ｓは０．１５ａに等しい。
【００８４】
図１３に示すように、理論上の周波数差Δｆの動作帯域は約１２ＧＨｚであり、動作周波数ｆの約４％である。理論上の結合長ＬCの値は約４．２ａであり、ほぼ動作波長に等しい。したがって、理想的なバンド構造に近いものが得られている。
【００８５】
実施の形態に係る方向性結合器２０において、結合長ＬCを確認したシミュレーション結果は、図１４に示すように表される。ここで、導波路間孔１２Ｓは２列に配置されており、導波路間孔１２Ｓの半径ｒ’は０．２３ａに等しく、導波路幅シフト量ｓは０．１５ａに等しい。
【００８６】
図１４に示すように、テラヘルツ波は、連続波光源から２次元フォトニック結晶導波路１４に入射され、方向性結合器２０の結合構造２０Ｃにおいて、２次元フォトニック結晶導波路１４1・１４2間を偶モードおよび奇モードでモード変換しつつ伝播する。
【００８７】
図１４に示すように、周波数ｆ＝０．３０９ＴＨｚにおけるシミュレーション結果より、２次元フォトニック結晶導波路１４1・１４2間を偶モードおよび奇モードでモード変換する周期（結合長ＬC）は、周期ａの４周期分に等しい。
【００８８】
すなわち、４周期、８周期、１２周期、１６周期…毎に偶モード・奇モードが変換されており、約１０ＧＨｚの帯域で結合長ＬCが４ａと一定になることが確認され、図１３に示されたバンド計算結果と同様の結果が得られた。
【００８９】
また、図１４に示すように、周波数ｆが０．３０９ＴＨｚから０．３１３ＴＨｚ、０．３１６ＴＨｚと増加するにつれて、結合長ＬCは、４ａよりも大きくなる傾向がある。フォトニックバンド図の偶モードおよび奇モードが、高周波側へ移動するためである。
【００９０】
（透過特性：シミュレーション結果）
実施の形態に係る方向性結合器において、透過特性のシミュレーション結果は、図１５に示すように表される。図１５において、１−２（bar）で示される曲線は、ポートＰ１・Ｐ２間を伝播するテラヘルツ波、１−３（cross）で示される曲線は、ポートＰ１・Ｐ３間を伝播するテラヘルツ波、２−３で示される曲線は、ポートＰ２・Ｐ３間を伝播するテヘルツ波の透過特性を示す。また、ＢＢは、ポートＰ１・Ｐ２間を伝播するテラヘルツ波が良好な伝播特性を示す周波数範囲（bar band）を表す。ＣＢは、ポートＰ１・Ｐ３間を伝播するテラヘルツ波が良好な伝播特性を示す周波数範囲（cross band）を表す。
【００９１】
図１５に示すように、透過特性のシミュレーション結果より、動作波長程度の結合長ＬCにおいて、従来よりも１０倍以上高い２．３％の動作帯域と、３０ｄＢ以上の信号分離比が実現可能であることがわかる。
【００９２】
比較例に係る方向性結合器の構造例は、図１６（ａ）に示すように表され、実施の形態に係る方向性結合器の構造例は、図１６（ｂ）に示すように表される。図１６（ｂ）の拡大構成は、図５と同一構成を有する。
【００９３】
比較例に係る方向性結合器では、図１６（ａ）に示すように、単純設計により、導波路間孔は３列に配置されており、長さ１７０ａのサイズが必要となる。これに対して、実施の形態に係る方向性結合器によれば、上述の設計指針を採用したことによって、長さ４ａのサイズで動作可能となり、約１／４０以下の微細化を実現可能である。さらに、実施の形態に係る方向性結合器によれば、広帯域動作および信号分離度の向上が可能である。
【００９４】
（実験評価系）
実施の形態に係る方向性結合器の動作確認のための実験評価系の写真は、図１７（ａ）に示すように表され、実験に適用した方向性結合器２０のサンプルの写真は、図１７（ｂ）に示すように表され、図１７（ａ）に対応する実験評価系の模式的ブロック構成は、図１７（ｃ）に示すように表される。
【００９５】
方向性結合器２０のサンプルの２次元フォトニック結晶スラブ１２は厚さ約２００μｍのシリコン基板からなり、格子点１２Ａの周期ａは、約２４０μｍである。
【００９６】
ポートＰ１・Ｐ２・Ｐ３には、図１７（ｂ）に示すように、ＷＲ−３導波管などとの結合性を向上させるために、２次元フォトニック結晶スラブ１２の端面に配置され、２次元フォトニック結晶導波路が延伸した構造からなる断熱的モード変換機構部を備える。断熱的モード変換機構部については、図２５の説明において詳述する。
【００９７】
図１７（ｂ）および図１７（ｃ）に示すように、マイクロ波発振器３４および９逓倍器２４を用いて０．２８−０．３８ＴＨｚの連続波テラヘルツ波を発生させ、ＷＲ−３導波管２８および断熱的モード変換機構部１０3を介して、ポートＰ３から方向性結合器２０のフォトニック結晶導波路へ入射させる。
【００９８】
さらに、図１７（ｂ）および図１７（ｃ）に示すように、方向性結合器２０の別のポートＰ１からの出力をＷＲ−３導波管２６および断熱的モード変換機構部１０1を介してテラヘルツ波ミキサ２２へ入力し、スペクトラムアナライザ３２で解析する。
【００９９】
導波管と断熱的モード変換機構部の接続を変えることで、ポートＰ１−ポートＰ２（バー状態)、ポートＰ１−ポートＰ３（クロス状態)、ポートＰ２−ポートＰ３に関しての透過率をそれぞれ測定する。図１７（ａ）〜図１７（ｃ）には、ポートＰ１−ポートＰ３（クロス状態)の測定系の例が示されている。
【０１００】
実施の形態に係る方向性結合器において、透過特性の実験結果は、図１８に示すように表される。図１８において、１−２（bar）で示される曲線は、ポートＰ１−ポートＰ２（バー状態)を伝播するテラヘルツ波、１−３（cross）で示される曲線は、ポートＰ１−ポートＰ３（クロス状態)を伝播するテラヘルツ波、２−３で示される曲線は、ポートＰ２−ポートＰ３を伝播するテヘルツ波の透過特性を示す。また、ＢＢは、ポートＰ１−ポートＰ２（バー状態)を伝播するテラヘルツ波が良好な伝播特性を示す周波数帯域を表し、ＣＢは、ポートＰ１−ポートＰ３（クロス状態)を伝播するテラヘルツ波が良好な伝播特性を示す周波数帯域を表す。
【０１０１】
図１８に示す実験結果では、図１５に示す透過特性のシミュレーション結果と良好な一致が得られている。
【０１０２】
実験結果より、図１８に示すように、波長程度の結合長ＬCにおいて、ピーク透過率を基準にした−３ｄＢ帯域が、従来よりも１０倍以上の動作周波数の約２．３％というクロス状態の動作帯域ＣＢが得られた。また、クロス状態とバー状態との間で、３０ｄＢ以上の信号分離比が可能であることがテラヘルツ波帯にて実証された。
【０１０３】
（並列接続構成）
さらなる広帯域化への方法として、方向性結合器の並列接続構成を採用しても良い。
【０１０４】
実施の形態に係る方向性結合器において、広帯域化のために並列接続する構成は、模式的に図１９に示すように表される。図１９においては、バー状態の２次元フォトニック結晶導波路１４Ａから分岐されたクロス状態の２次元フォトニック結晶導波路１４Ｂ１・１４Ｂ２・１４Ｂ３・…を備え、これらを統合化する２次元フォトニック結晶導波路１４Ｔ上において、動作帯域の拡大された信号を伝播可能である。すなわち、クロス状態の２次元フォトニック結晶導波路１４Ｂ１・１４Ｂ２・１４Ｂ３・…には、それぞれ動作帯域Ｂ１・Ｂ２・Ｂ３・…を有する信号が伝播されており、２次元フォトニック結晶導波路１４Ｔ上においては拡大された動作帯域Ｂ１∩Ｂ２∩Ｂ３∩…を有する信号が伝播される。
【０１０５】
また、実施の形態に係る方向性結合器において、並列接続による動作帯域の広帯域化の模式的説明図であって、互いに重複する動作帯域Ｂ３・Ｂ２・Ｂ１の模式図は、図２０（ａ）に示すように表され、広帯域化された動作帯域Ｂ３∩Ｂ２∩Ｂ１の模式図は、図２０（ｂ）に示すように表される。
【０１０６】
図２０（ａ）に示すように、動作帯域Ｂ３は、周波数ｆb31・ｆb32間の帯域を有し、動作帯域Ｂ２は、周波数ｆb21・ｆb22間の帯域を有し、動作帯域Ｂ１は、周波数ｆb11・ｆb12間の帯域を有する。したがって、拡大された動作帯域Ｂ１∩Ｂ２∩Ｂ３は、周波数ｆb31・ｆb12間の帯域を有する。
【０１０７】
動作周波数ｆはフォトニック結晶の周期ａ及び導波路幅で決定されるため、周期ａもしくは導波路幅を変えた構造を並列接続することによって、さらなる広帯域化を図ることができる。
【０１０８】
実施の形態に係る方向性結合器において、広帯域化のために３段並列接続した構造の平面パターン構成は、図２１に示すように表される。図２１においては、方向性結合器２０1・２０2・２０3が並列接続されている。方向性結合器２０1・２０2・２０3を構成する２次元フォトニック結晶スラブ１２の格子点１２Ａの周期はそれぞれａ1・ａ2・ａ3である。
【０１０９】
方向性結合器２０1・２０2・２０3においては、バー状態の２次元フォトニック結晶導波路１４11・１４12・１４13から分岐されたクロス状態の２次元フォトニック結晶導波路１４31・１４32・１４33を介して、ポートＰ３1・Ｐ３2・Ｐ３3より、それぞれ動作周波数ｆ1・動作帯域Ｂ1、動作周波数ｆ2・動作帯域Ｂ2、動作周波数ｆ3・動作帯域Ｂ3を有する信号が得られる。方向性結合器２０1・２０2・２０3は、上記の実施の形態に係る方向性結合器２０と同様に構成される。
【０１１０】
ここで、２次元フォトニック結晶導波路１４11・１４21はモード結合可能であり、２次元フォトニック結晶導波路１４11・１４21間には２列に配置された導波路間格子点が配置されている。偶モードと奇モードの伝播定数が広い周波数範囲にわたり一定となるように、導波路間格子点の孔の半径ｒ’は、例えば、０．２３ａ1に設定される。
【０１１１】
方向性結合部からポートＰ１側の２次元フォトニック結晶導波路１４と動作帯域を一致させるため、方向性結合部の分散曲線全体が高周波側に移動するように、２次元フォトニック結晶導波路１４21の幅を格子点の線欠陥により形成される幅に比べて狭めている。例えば、２次元フォトニック結晶導波路１４21の幅を、周期ａ1の０．１５倍狭めている。
【０１１２】
また、ポートＰ１とポートＰ２間のバー状態と、ポートＰ１とポートＰ３1間のクロス状態の信号分離度を高くするために、方向性結合部からポートＰ２側の２次元フォトニック結晶導波路１４11の幅を狭めている。例えば、２次元フォトニック結晶導波路１４11の幅を、周期ａ1の０．１５倍狭めている。
【０１１３】
同様に、２次元フォトニック結晶導波路１４12・１４22はモード結合可能であり、２次元フォトニック結晶導波路１４12・１４22間には２列に配置された導波路間格子点が配置されている。偶モードと奇モードの伝播定数が広い周波数範囲にわたり一定となるように、導波路間格子点の孔の半径ｒ’は、例えば、０．２３ａ2に設定される。
【０１１４】
方向性結合部からポートＰ１側の２次元フォトニック結晶導波路１４12と動作帯域を一致させるため、方向性結合部の分散曲線全体が高周波側に移動するように、２次元フォトニック結晶導波路１４22の幅を格子点の線欠陥により形成される幅に比べて狭めている。例えば、２次元フォトニック結晶導波路１４22の幅を、周期ａ2の０．１５倍狭めている。
【０１１５】
また、ポートＰ１とポートＰ２間のバー状態と、ポートＰ１とポートＰ３2間のクロス状態の信号分離度を高くするために、方向性結合部からポートＰ２側の２次元フォトニック結晶導波路１４12の幅を狭めている。例えば、２次元フォトニック結晶導波路１４12の幅を、周期ａ2の０．１５倍狭めている。
【０１１６】
同様に、２次元フォトニック結晶導波路１４13・１４23はモード結合可能であり、２次元フォトニック結晶導波路１４13・１４23間には２列に配置された導波路間格子点が配置されている。偶モードと奇モードの伝播定数が広い周波数範囲にわたり一定となるように、導波路間格子点の孔の半径ｒ’は、例えば、０．２３ａ3に設定される。
【０１１７】
方向性結合部からポートＰ１側の２次元フォトニック結晶導波路１４13と動作帯域を一致させるため、方向性結合部の分散曲線全体が高周波側に移動するように、２次元フォトニック結晶導波路１４23の幅を格子点の線欠陥により形成される幅に比べて狭めている。例えば、２次元フォトニック結晶導波路１４23の幅を、周期ａ3の０．３倍狭めている。
【０１１８】
また、ポートＰ１とポートＰ２間のバー状態と、ポートＰ１とポートＰ３3間のクロス状態の信号分離度を高くするために、方向性結合部からポートＰ２側の２次元フォトニック結晶導波路１４13の幅を狭めている。例えば、２次元フォトニック結晶導波路１４13の幅を、格子点の周期ａ3の０．１５倍狭めている。
【０１１９】
並列接続された２０1・２０2・２０3において、動作周波数ｆ1、ｆ2、ｆ3と格子点の周期ａ1、ａ2、ａ3との間には、以下の関係が成立する。すなわち、
ｆ2＝（ａ1／ａ2）ｆ1、ｆ3＝（ａ2／ａ3）ｆ2                    （１）
Ｂ2＝（ｆ2／ｆ1）Ｂ1、Ｂ3＝（ｆ3／ｆ2）Ｂ2                    （２）
さらに、多段に並列接続された方向性結合器においても、隣接する方向性結合器間において、（１）、（２）式と同様の関係が成立する。
【０１２０】
実施の形態に係る方向性結合器においては、上記のように、３段並列接続した方向性結合器２０1・２０2・２０3の構成によって、動作帯域Ｂと動作周波数ｆとの関係上動作帯域Ｂ1・Ｂ2・Ｂ3がちょうど周波数特性上接続可能なように設定するか、それぞれ０％よりも大きく、１００％よりも小さく重なるように設定することによって、並列化により動作帯域の拡大化可能である。
【０１２１】
（並列化構造の具体例）
実施の形態に係る方向性結合器において、方向性結合器２０1・２０2を２段並列化した構造の具体例の平面パターン構成は、図２２に示すように表される。図２２の構成においては、ポートＰ１・Ｐ２間のバー状態の２次元フォトニック結晶導波路１４11・１４12に対して、分岐されたクロス状態の２次元フォトニック結晶導波路１４31・１４32を備える点は、上記の実施の形態と同様である。さらに、図２２の構成においては、ポートＰ３・Ｐ４間のバー構造の２次元フォトニック結晶導波路１４11（Ｒ）・１４12（Ｒ）に対して、分岐されたクロス状態の２次元フォトニック結晶導波路１４31（Ｒ）・１４32（Ｒ）を備える。
【０１２２】
方向性結合器２０1・２０2を構成する２次元フォトニック結晶スラブ１２の格子点１２Ａの周期はそれぞれａ1・ａ2である。ここで、具体的な数値例として、ａ1・ａ2は、例えば、約２４０μｍ・約２３５μｍである。また、方向性結合器２０1・２０2間の接合界面での反射の影響を低減化するため、例えば、図２２に示すように、境界線Ａ1・Ａ2で挟まれる遷移領域ΔＡにおいて、周期を０．５μｍずつ、段階的に変化させている。このような遷移領域ΔＡを設けることによって、方向性結合器２０1・２０2の格子点の周期ａ1と周期ａ2界面での反射の影響を低減化可能である。
【０１２３】
方向性結合器２０1・２０2において、ポートＰ１・Ｐ２間のバー状態の２次元フォトニック結晶導波路１４11・１４12からクロス状態の２次元フォトニック結晶導波路１４31・１４32が分岐され、ポートＰ３・Ｐ４間のバー状態の２次元フォトニック結晶導波路１４11（Ｒ）・１４12（Ｒ）からクロス状態の２次元フォトニック結晶導波路１４31（Ｒ）・１４32（Ｒ）が分岐されている。クロス状態の２次元フォトニック結晶導波路１４31・１４32は、中央部において、クロス状態の２次元フォトニック結晶導波路１４31（Ｒ）・１４32（Ｒ）に結合されており、図２２に示す構造は、上下折り返した構成を備える。
【０１２４】
ここで、２次元フォトニック結晶導波路１４11・１４21はモード結合可能であり、２次元フォトニック結晶導波路１４11・１４21間には２列に配置された導波路間格子点が配置されている。偶モードと奇モードの伝播定数が広い周波数範囲にわたり一定となるように、導波路間格子点の孔の半径ｒ’は、例えば、０．２３ａ1に設定されている。
【０１２５】
方向性結合部からポートＰ１側の２次元フォトニック結晶導波路１４11と動作帯域を一致させるため、方向性結合部の分散曲線全体が高周波側に移動するように、２次元フォトニック結晶導波路１４21の幅を格子点の線欠陥により形成される幅に比べて狭めている。例えば、２次元フォトニック結晶導波路１４21の幅を、周期ａ1の０．１５倍狭めている。
【０１２６】
また、バー状態とクロス状態の信号分離度を高くするために、方向性結合部から第２ポートＰ２側の２次元フォトニック結晶導波路１４11の幅を狭めている。例えば、２次元フォトニック結晶導波路１４11の幅を、周期ａ1の０．１５倍狭めている。
【０１２７】
同様に、２次元フォトニック結晶導波路１４12・１４22はモード結合可能であり、２次元フォトニック結晶導波路１４12・１４22間には２列に配置された導波路間格子点が配置されている。偶モードと奇モードの伝播定数が広い周波数範囲にわたり一定となるように、導波路間格子点の孔の半径ｒ’は、例えば、０．２３ａ2に設定されている。
【０１２８】
方向性結合部から第１ポートＰ１側の２次元フォトニック結晶導波路１４12と動作帯域を一致させるため、方向性結合部の分散曲線全体が高周波側に移動するように、２次元フォトニック結晶導波路１４22の幅を格子点の線欠陥により形成される幅に比べて狭めている。例えば、２次元フォトニック結晶導波路１４22の幅を、周期ａ2の０．１５倍狭めている。
【０１２９】
また、バー状態とクロス状態の信号分離度を高くするために、方向性結合部から第２ポートＰ２側の２次元フォトニック結晶導波路１４12の幅を狭めている。例えば、２次元フォトニック結晶導波路１４12の幅を、周期ａ2の０．１５倍狭めている。
【０１３０】
同様に、２次元フォトニック結晶導波路１４11（Ｒ）・１４21（Ｒ）はモード結合可能であり、２次元フォトニック結晶導波路１４11（Ｒ）・１４21（Ｒ）間には２列に配置された導波路間格子点が配置されている。偶モードと奇モードの伝播定数が広い周波数範囲にわたり一定となるように、導波路間格子点の孔の半径ｒ’は、例えば、０．２３ａ1に設定されている。
【０１３１】
方向性結合部からポートＰ３側の２次元フォトニック結晶導波路と動作帯域を一致させるため、方向性結合器部分の分散曲線全体が高周波側に移動するように、２次元フォトニック結晶導波路１４21（Ｒ）の幅を格子点の線欠陥により形成される幅に比べて狭めている。例えば、２次元フォトニック結晶導波路１４21（Ｒ）の幅を、周期ａ1の０．１５倍狭めている。
【０１３２】
また、バー状態とクロス状態の信号分離度を高くするために、方向性結合部からポートＰ４側の２次元フォトニック結晶導波路１４11（Ｒ）の幅を狭めている。例えば、２次元フォトニック結晶導波路１４11（Ｒ）の幅を、周期ａ1の０．１５倍狭めている。
【０１３３】
同様に、２次元フォトニック結晶導波路１４12（Ｒ）・１４22（Ｒ）はモード結合可能であり、２次元フォトニック結晶導波路１４12（Ｒ）・１４22（Ｒ）間には２列に配置された導波路間格子点が配置されている。偶モードと奇モードの伝播定数が広い周波数範囲にわたり一定となるように、導波路間格子点の孔の半径ｒ’は、例えば、０．２３ａ2に設定されている。
【０１３４】
方向性結合部からポートＰ３側の２次元フォトニック結晶導波路１４11（Ｒ）と動作帯域を一致させるため、方向性結合部の分散曲線全体が高周波側に移動するように、２次元フォトニック結晶導波路１４22（Ｒ）の幅を格子点の線欠陥により形成される幅に比べて狭めている。例えば、２次元フォトニック結晶導波路１４22（Ｒ）の幅を、周期ａ2の０．１５倍狭めている。
【０１３５】
また、バー状態とクロス状態の信号分離度を高くするために、方向性結合部からポートＰ４側の２次元フォトニック結晶導波路１４12（Ｒ）の幅を狭めている。例えば、２次元フォトニック結晶導波路１４12（Ｒ）の幅を、周期ａ2の０．１５倍狭めている。
【０１３６】
図２２に対応した２段並列化構造を有する実施の形態に係る方向性結合器において、透過率Ｔ（ｄＢ）の周波数特性（透過スペクトル）のシミュレーション結果は、図２３に示すように表される。
【０１３７】
透過スペクトルのシミュレーション結果より、並列化により、−１０ｄＢ帯域が約１２ＧＨｚへ拡大されていることがわかる。
【０１３８】
また、周波数ｆ＝０．３２ＴＨｚの場合のポートＰ１→ポートＰ３（クロス）状態の電磁界分布のシミュレーション結果は、図２４（ａ）に示すように表され、周波数ｆ＝０．３３ＴＨｚの場合のポートＰ１→ポートＰ３（クロス）状態の電磁界分布のシミュレーション結果は、図２４（ｂ）に示すように表され、周波数ｆ＝０．３４ＴＨｚの場合のポートＰ１→ポートＰ２（バー）状態の電磁界分布のシミュレーション結果は、図２４（ｃ）に示すように表される。以上の電磁界分布から各周波数でのクロス状態・バー状態のとしての動作を確認した。
【０１３９】
周波数ｆ＝０．３２ＴＨｚの場合、図２４（ａ）に示すように、ポートＰ１→ポートＰ２（バー）状態の伝播モードに比較して、ポートＰ１→ポートＰ３（クロス）状態の伝播モードが顕著であることがわかる。
【０１４０】
周波数ｆ＝０．３３ＴＨｚの場合、図２４（ｂ）に示すように表され、ポートＰ１→ポートＰ２（バー）状態の伝播モードに比較して、ポートＰ１→ポートＰ３（クロス）状態の伝播モードが顕著であることがわかる。とくに、周波数ｆ＝０．３３ＴＨｚの場合、方向性結合器２０2を介したポートＰ１→ポートＰ３（クロス）状態の伝播モードが顕著である。
【０１４１】
周波数ｆ＝０．３４ＴＨｚの場合、図２４（ｃ）に示すように、ポートＰ１→ポートＰ３（クロス）状態の伝播モードに比較して、ポートＰ１→ポートｐ２（バー）状態の伝播モードが顕著であることがわかる。
【０１４２】
（他の構成例）
（変形例１）
実施の形態に係る方向性結合器の他の構成例であって、変形例１に係る方向性結合器２０の構成例は、図２５（ａ）に示すように表される。ここで、右下の□はサンプル識別のためのマークであり、デバイスの構成要件とは無関係である。以下同様である。
【０１４３】
実施の形態の変形例１に係る方向性結合器２０は、図２５（ａ）に示すように、ポートＰ１・ポートＰ２・ポートＰ３において、ＷＲ−３導波管などとの結合性を向上させるために、２次元フォトニック結晶スラブの端面に配置され、２次元フォトニック結晶導波路が延伸した断熱的モード変換機構部１０1・１０2・１０3を備える。その他の構造は、実施の形態に係る方向性結合器と同様である。
【０１４４】
断熱的モード変換機構部１０1・１０2・１０3は、２次元フォトニック結晶スラブ１２の平面視において、２次元フォトニック結晶スラブ１２の端面から離隔するにしたがって、先端部が細くなるテーパー形状を備えている。ここで、テーパー形状の側面は、傾斜面を有していても良い。また、テーパー形状の側面は、曲面を有していても良い。また、テーパー形状の側面は、段差面を有していても良い。
【０１４５】
また、断熱的モード変換機構部１０1・１０2・１０3は、２次元フォトニック結晶スラブ１２の端面から離隔するにしたがって、先端部が細くなる円錐型形状を備えていても良い。
【０１４６】
また、断熱的モード変換機構部１０1・１０2・１０3は、２次元フォトニック結晶スラブ１２の端面から離隔するにしたがって、先端部が細くなる四角錘形状を備えていても良い。
【０１４７】
また、断熱的モード変換機構部１０1・１０2・１０3は、２次元フォトニック結晶スラブ１２の端面から離隔するにしたがって、先端部が細くなる楔型形状を備えていても良い。
【０１４８】
また、断熱的モード変換機構部１０1・１０2・１０3は、２次元フォトニック結晶スラブ１２の端面から離隔するにしたがって、先端部の厚さが薄くなる撥型形状を備えていても良い。
【０１４９】
また、断熱的モード変換機構部１０1・１０2・１０3は、２次元フォトニック結晶スラブ１２の端面から離隔するにしたがって、先端部の厚さが薄くなる階段型形状を備えていても良い。
【０１５０】
また、断熱的モード変換機構部１０1・１０2・１０3は、樹脂層により保護されていても良い。
【０１５１】
断熱的モード変換機構部１０1・１０2・１０3は、導波管導波路内に挿入可能である。ここで、２次元フォトニック結晶スラブ１２の端面に配置される導波管フランジは、端面に接していても良い。また、２次元フォトニック結晶スラブ１２の端面に配置される導波管フランジは、端面から離隔していても良い。
【０１５２】
さらに、断熱的モード変換機構部１０1・１０2・１０3が配置される２次元フォトニック結晶スラブ１２の端面は、断熱的モード変換機構部１０1・１０2・１０3の周辺部において、２次元フォトニック結晶スラブ１２の端面に配置される導波管フランジとの間にギャップを備え、導波管フランジから離隔していても良い。ギャップが有る場合は、導波管フランジは、２次元フォトニック結晶スラブ１２の端面から離隔して配置されているため、テラヘルツ入力波の表面モードを抑制することができる。特に、表面モードを抑制するためには、ギャップ距離をＷGとすると、ギャップ距離ＷG＞波長／３とすることが望ましい。
【０１５３】
詳細構造は省略されているが、図２５（ａ）に示す例では、断熱的モード変換機構部１０1・１０2・１０3が配置される２次元フォトニック結晶スラブ１２の端面は、断熱的モード変換機構部１０1・１０2・１０3の周辺部において、２次元フォトニック結晶スラブ１２の端面に配置される導波管フランジとの間にギャップを備えている。
【０１５４】
（変形例２）
実施の形態に係る方向性結合器の他の構成例であって、変形例２に係る方向性結合器２０の構成例は、図２５（ｂ）に示すように表される。
【０１５５】
変形例１に係る方向性結合器２０では、図２５（ａ）に示すように、ポートＰ３へ直接出力させる構成例が示されている。一方、変形例２に係る方向性結合器２０は、図２５（ｂ）に示すように、曲げ導波路１４（Ｒ）を備え、この曲げ導波路１４（Ｒ）を介してポートＰ３へ出力可能である。その他の構造は、実施の形態に係る方向性結合器と同様である。
【０１５６】
（変形例３）
実施の形態に係る方向性結合器の他の構成例であって、変形例３に係る方向性結合器２０の構成例は、図２５（ｃ）に示すように表される。
【０１５７】
変形例１に係る方向性結合器２０は、図２５（ａ）に示すように、ポートＰ１・Ｐ２・Ｐ３において、２次元フォトニック結晶導波路が延伸したテーパー構造からなる断熱的モード変換機構部１０1・１０2・１０3を備えている。一方、変形例３に係る方向性結合器２０は、図２５（ｃ）に示すように、断熱的モード変換機構部１０1・１０2・１０3を備えていない。このように、ポートＰ１・Ｐ２・Ｐ３において、断熱的モード変換機構部１０1・１０2・１０3を特に備えていない構造も可能である。その他の構造は、実施の形態に係る方向性結合器と同様である。
【０１５８】
（変形例４）
実施の形態に係る方向性結合器の他の構成例であって、変形例４に係る方向性結合器２０の構成例は、図２５（ｄ）に示すように表される。
【０１５９】
変形例４に係る方向性結合器２０は、図２５（ｄ）に示すように、２つの方向性結合器２０Ａ・２０Ｂと、４つのポートＰ１・Ｐ２・Ｐ３・Ｐ４を備えている。変形例４に係る方向性結合器２０の構成例は、図２２に示す２段並列化構造を有する実施の形態に係る方向性結合器において、初段部分の方向性結合器２０1の構成と同様である。その他の構造は、実施の形態に係る方向性結合器と同様である。
【０１６０】
実施の形態の変形例１〜４に係る方向性結合器を適用した合分波器デバイス３０においては、入出力として、端面へレンズで集光した光を入力する方式が可能である。或いは、図１と同様に、フォトニック結晶で構成される入出力機構６０を介して、自由空間から入出力する方式も可能である。ここで、入出力機構６０をフォトニック結晶で構成する場合には、１次元の場合にはグレーティングカプラで構成可能である。また、２次元構造も可能である。さらに、図１と同様に、入出力としては、光源や検出器を集積化する方式も構成可能である。
【０１６１】
（格子点の周期構造とバンド構造）
実施の形態に係る方向性結合器２０および合分波器デバイス３０に適用可能な２次元フォトニック結晶スラブ１２において、格子点１２Ａの周期構造であって、正方格子・三角格子・長方格子・菱型格子（面心長方格子）の配置例は、図２６（ａ）・図２７（ａ）・図２８（ａ）・図２９（ａ）に示すように模式的に表され、対応する２次元フォトニック結晶スラブ１２のバンド構造は、図２６（ｂ）・図２７（ｂ）・図２８（ｂ）・図２９（ｂ）に示すように表される。
【０１６２】
格子点１２Ａは、正方格子、長方格子、面心長方格子、若しくは三角格子のいずれかに配置されていても良い。
【０１６３】
また、格子点１２Ａは、正方格子若しくは長方格子に配置され、かつ２次元フォトニック結晶スラブ１２のフォトニックバンド構造におけるΓ点、Ｘ点、若しくはＭ点における電磁波を２次元フォトニック結晶スラブ面内で共振可能である。
【０１６４】
また、格子点１２Ａは、面心長方格子若しくは三角格子に配置され、かつ２次元フォトニック結晶スラブ１２のフォトニックバンド構造におけるΓ点、Ｘ点、若しくはＪ点における電磁波を２次元フォトニック結晶スラブ面内で共振可能である。
【０１６５】
また、格子点１２Ａは、多角形、円形、楕円形若しくは長円形のいずれかの孔形状を備えていても良い。
【０１６６】
以上説明したように、本発明によれば、広帯域かつ高信号分離度を有し、小型化可能な光波もしくはテラヘルツ波、ミリ波用の方向性結合器、およびその方向性結合器を適用した合分波器デバイスを提供することができる。
【０１６７】
特に、本発明の方向性結合器は、小型化可能であることから、合分波以外にもフィルタ、スイッチ、パワーモニタ、パワーの分配など幅広い応用分野に適用可能である。
[その他の実施の形態]
上記のように、本発明は実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述および図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
【０１６８】
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態などを含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【産業上の利用可能性】
【０１６９】
本発明の方向性結合器および合分波器デバイスは、情報通信機器、信号処理機器における光波、テラヘルツ波もしくはミリ波集積回路の構成部品として使用可能であり、超高速無線通信やセンサ・イメージング応用、光波、テラヘルツ波もしくはミリ波帯の波長多重通信、光干渉計、
微小集積光デバイスなど幅広い応用分野に適用可能である。
【符号の説明】
【０１７０】
１０…断熱的モード変換機構部
１２…２次元フォトニック結晶スラブ
１２Ａ…格子点（空孔）
１２Ｓ…導波路間格子点（空孔）
１４、１４1、１４2、１４3、１４Ｒ、１４Ｔ…２次元フォトニック結晶導波路
１８Ｔ…光源（送信器）
１８Ｒ…検出器（受信器）
２０…方向性結合器
３０…合分波器デバイス
２２…ミキサ
２４…逓倍器
２６、２８…導波管
３２…スペクトラムアナライザ
３４…マイクロ波発生器
５０…方向性結合部
６０…入出力機構（グレーティングカプラ）
ａ、ａ1、ａ2、ａ3…周期（格子定数）
ｒ…（格子点（空孔）１２Ａの）半径
ｒ’…（導波路間格子点（空孔）１２Ｓ）の半径
ｆ、ｆ1、ｆ2、ｆ3…周波数
Ｂ、Ｂ1、Ｂ2、Ｂ3…帯域
ＩＰ１、ＩＰ２、…、ＩＰｎ…入力ポート
ＯＰ１、ＯＰ２、…、ＯＰｎ…出力ポート
Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４…ポート
ＬC…結合長
【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１５】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図１】
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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１６】
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【図１７】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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