(57)【要約】【課題】TE偏波、TM偏波の双方を分波及び合波することができる２次元フォトニック結晶波長合分波器を提供する。【解決手段】この波長合分波器は、TE偏波に対してフォトニックバンドギャップを有する２次元フォトニック結晶１１に互いに離間して配置された第１導波路１２１及び第２導波路１２２の間に、共振波長λrが同じ第１共振器１３１及び第２共振器１３２を配置する。第１導波路１２１上の第１共振器１３１と第２共振器１３２の間に、TM偏波をTE偏波に変換する第１偏波変換器１５１を設けると共に、第２導波路１２２上の第１共振器１３１と第２共振器１３２の間に、TE偏波をTM偏波に変換する第２偏波変換器１５２を設ける。第１導波路１２１内の波長λrの光のうちTE偏波は第１共振器１３１から第２導波路１２２に導入され、TM偏波は第１偏波変換器１５１によりTE偏波に変換されたうえで第２共振器１３１から第２導波路１２２に導入される。【選択図】図１
2008052188.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
板状の本体に周期的な屈折率分布が形成されて成る、TE偏波に対してフォトニックバンドギャップを有する２次元フォトニック結晶上に形成された波長合分波器であって、
a) 前記２次元フォトニック結晶内に離間して配置された２本の導波路であって、前記周期的屈折率分布の欠陥が線状に形成されて成る第１導波路及び第２導波路と、
b) 第１導波路と第２導波路の間に離間して配置された、共振波長が同じである２個の共振器であって、周期的屈折率分布の欠陥が点状に形成されて成る第１共振器及び第２共振器と、
c) 第１導波路上の第１共振器からの最近点である第１最近点と第１導波路上の第２共振器からの最近点である第２最近点の間の第１導波路上に配置された、第１最近点から第２最近点に向けて伝播するTM偏波をTE偏波に変換する第１偏波変換器と、
d) 第２導波路上の第１共振器からの最近点である第３最近点と第２導波路上の第２共振器からの最近点である第４最近点の間の第２導波路上に配置された、第３最近点から第４最近点に向けて伝播するTE偏波をTM偏波に変換する第２偏波変換器と、
を備えることを特徴とする偏波無依存２次元フォトニック結晶合分波器。
【請求項２】
板状の本体に周期的な屈折率分布が形成されて成る、TM偏波に対してフォトニックバンドギャップを有する２次元フォトニック結晶上に形成された波長合分波器であって、
a) 前記２次元フォトニック結晶内に離間して配置された２本の導波路であって、前記周期的屈折率分布の欠陥が線状に形成されて成る第１導波路及び第２導波路と、
b) 第１導波路と第２導波路の間に離間して配置された、共振波長が同じである２個の共振器であって、周期的屈折率分布の欠陥が点状に形成されて成る第１共振器及び第２共振器と、
c) 第１導波路上の第１共振器からの最近点である第１最近点と第１導波路上の第２共振器からの最近点である第２最近点の間の第１導波路上に配置された、第１最近点から第２最近点に向けて伝播するTE偏波をTM偏波に変換する第１偏波変換器と、
d) 第２導波路上の第１共振器からの最近点である第３最近点と第２導波路上の第２共振器からの最近点である第４最近点の間の第２導波路上に配置された、第３最近点から第４最近点に向けて伝播するTM偏波をTE偏波に変換する第２偏波変換器と、
を備えることを特徴とする偏波無依存２次元フォトニック結晶合分波器。
【請求項３】
第１最近点と第１偏波変換器の間の第１導波路上、第２最近点よりも第１導波路の端部側の第１導波路上、第３最近点よりも第２導波路の端部側の第２導波路上、第４最近点と第２偏波変換器の間の第２導波路上、のいずれか１つ又は複数の位置に、第１共振器及び第２共振器の共振波長と同じ波長のTE偏波を反射する反射部を備えることを特徴とする請求項１に記載の偏波無依存２次元フォトニック結晶合分波器。
【請求項４】
第１最近点と第１偏波変換器の間の第１導波路上、第２最近点よりも第１導波路の端部側の第１導波路上、第３最近点よりも第２導波路の端部側の第２導波路上、第４最近点と第２偏波変換器の間の第２導波路上、のいずれか１つ又は複数の位置に、第１共振器及び第２共振器の共振波長と同じ波長のTM偏波を反射する反射部を備えることを特徴とする請求項２に記載の偏波無依存２次元フォトニック結晶合分波器。
【請求項５】
前記反射部が、該反射部内の導波路の通過波長帯域に前記共振波長と同じ波長が含まれないように、該反射部内に前記２次元フォトニック結晶の周期とは異なる周期で屈折率分布が形成されて成ることを特徴とする請求項３又は４に記載の偏波無依存２次元フォトニック結晶合分波器。
【請求項６】
前記第１偏波変換器及び／又は前記第２偏波変換器が、前記第１導波路及び／又は前記第２導波路の形状を、前記本体に平行であって導波路に垂直な方向及び前記本体に垂直な方向にそれぞれ非対称とすることにより形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の偏波無依存２次元フォトニック結晶合分波器。
【請求項７】
上記断面形状の非対称性が、本体の面に対して斜め方向に延び本体とは屈折率の異なる斜行柱が導波路の側部に形成されて成ることを特徴とする請求項６に記載の偏波無依存２次元フォトニック結晶合分波器。
【請求項８】
前記第１偏波変換器及び前記第２偏波変換器がTE偏波をTM偏波に変換すると共にTM偏波をTE偏波に変換することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の偏波無依存２次元フォトニック結晶合分波器。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかに記載の偏波無依存２次元フォトニック結晶合分波器を複数備え、
前記複数の偏波無依存２次元フォトニック結晶合分波器の第１導波路が接続されることにより１本の導波路が形成されており、
第１共振器及び第２共振器の共振波長が偏波無依存２次元フォトニック結晶合分波器毎に異なる値を有する、
ことを特徴とする偏波無依存２次元フォトニック結晶分波器。
【請求項１０】
請求項１〜８のいずれかに記載の偏波無依存２次元フォトニック結晶合分波器を複数備え、
前記複数の偏波無依存２次元フォトニック結晶合分波器の第２導波路が接続されることにより１本の導波路が形成されており、
第１共振器及び第２共振器の共振波長が偏波無依存２次元フォトニック結晶合分波器毎に異なる値を有する、
ことを特徴とする偏波無依存２次元フォトニック結晶合波器。
【請求項１１】
請求項９に記載の偏波無依存２次元フォトニック結晶分波器又は請求項１０に記載の偏波無依存２次元フォトニック結晶合波器において、
前記各偏波無依存２次元フォトニック結晶合分波器の第１偏波変換器及び第２偏波変換器がいずれもTE偏波をTM偏波に変換すると共にTM偏波をTE偏波に変換することを特徴とする偏波無依存２次元フォトニック結晶合分波器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２次元フォトニック結晶内において、光に含まれる所定波長のTE偏波の成分とTM偏波の成分の双方を分波し、又は両偏波の光を合波することができる偏波無依存合分波器に関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信は今後のブロードバンド通信の中心的役割を担う通信方式であることから、その普及のために、光通信システムに使用される光部品類に対して更なる高性能化、小型化、低価格化が求められている。このような要求を満たす次世代光通信部品の有力候補のひとつに、フォトニック結晶を利用した光通信用デバイスがある。これは既に一部で実用段階に入っており、偏波分散補償用フォトニック結晶ファイバーなどが実用に供されている。現在では更に、波長分割多重通信（Wavelength Division Multiplexing; WDM）に使用される光分合波器等の開発が実用化に向けて進められている。
【０００３】
フォトニック結晶は、誘電体に周期構造を形成したものである。この周期構造は一般に、誘電体本体とは屈折率が異なる領域（異屈折率領域）を誘電体本体内に周期的に配置することにより形成される。その周期構造により、結晶中に光のエネルギーに関するバンド構造が形成され、光の伝播が不可能となるエネルギー領域が形成される。このようなエネルギー領域は「フォトニックバンドギャップ」（Photonic Band Gap; PBG）と呼ばれる。
【０００４】
このフォトニック結晶中に適切な欠陥を設けることにより、PBG中にエネルギー準位（欠陥準位）が形成され、その欠陥準位に対応する波長（周波数）の光のみがその欠陥の近傍に存在できるようになる。点状に形成された欠陥はその波長の光の共振器として使用することができ、線状に形成された欠陥は導波路として使用することができる。
【０００５】
上記技術の一例として、特許文献１には、本体（スラブ）に異屈折率領域を周期的に配置し、その周期的配置に欠陥を線状に設けることにより導波路を形成するとともに、その導波路に隣接して点状欠陥を設けることにより共振器を形成した２次元フォトニック結晶が記載されている。この２次元フォトニック結晶は、導波路内を伝播する様々な波長の光のうち共振器の共振波長に一致する波長の光を外部へ取り出す分波器として機能すると共に、外部から導波路に導入する合波器としても機能する。
【０００６】
特許文献１に記載のものを含め、多くの２次元フォトニック結晶では、電場が本体に平行に振動するTE偏波又は磁場が本体に平行に振動するTM偏波のいずれか一方の偏波に対してPBGが大きく形成されるように設計される。この場合、他方の偏波に対してはPBGが形成されないか、形成されたとしてもPBGに関しては必ずしも最適な条件とはならないことがある。
【０００７】
例えば、TE偏波に対してPBG（TE-PBG）が形成され、TE-PBG内に点状欠陥（共振器）による欠陥準位（共振波長）が形成されるようにフォトニック結晶を設計した場合、そのTE-PBGの波長領域にはTM偏波に対するPBG（TM-PBG）が形成されないことがある。この場合、その共振波長を有するTM偏波はこの共振器では共振しない。そのため、この共振器の近傍に設けた導波路を通過する広帯域光からその共振波長の光のみを分波しようとしても、TE偏波はほぼ完全に取り出すことができるものの、TM偏波は取り出すことができず、分波効率が悪い。合波の場合も同様である。
【０００８】
【特許文献１】特開2001-272555号公報（[0023]〜[0027]、[0032]、図1、図5〜6）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明が解決しようとする課題は、TE偏波、TM偏波の双方につき、所定の波長の光を分波及び合波することができる、合分波効率の高い波長合分波器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
(1)第１の態様の偏波無依存２次元フォトニック結晶合分波器の構成
上記課題を解決するために成された本発明に係る偏波無依存２次元フォトニック結晶合分波器の第１の態様のものは、板状の本体に周期的な屈折率分布が形成されて成る、TE偏波に対してPBGを有する２次元フォトニック結晶上に形成された波長合分波器であって、
a) 前記２次元フォトニック結晶内に離間して配置された２本の導波路であって、前記周期的屈折率分布の欠陥が線状に形成されて成る第１導波路及び第２導波路と、
b) 第１導波路と第２導波路の間に離間して配置された、共振波長が同じである２個の共振器であって、周期的屈折率分布の欠陥が点状に形成されて成る第１共振器及び第２共振器と、
c) 第１導波路上の第１共振器との最近点である第１最近点と第１導波路上の第２共振器との最近点である第２最近点の間の第１導波路上に配置された、第１最近点から第２最近点に向けて伝播するTM偏波をTE偏波に変換する第１偏波変換器と、
d) 第２導波路上の第１共振器との最近点である第３最近点と第２導波路上の第２共振器との最近点である第４最近点の間の第２導波路上に配置された、第１最近点から第２最近点に向けて伝播するTE偏波をTM偏波に変換する第２偏波変換器と、
を備えることを特徴とする。
【００１１】
第１の態様の偏波無依存２次元フォトニック結晶合分波器の構成（以下、「第１の態様の合分波器」とする）について、図１の概念図を用いて詳しく説明する。
第１の態様の合分波器は２次元フォトニック結晶１１上に形成される。２次元フォトニック結晶１１は、板状の本体に周期的な屈折率分布が形成されたものである。上述のように、２次元フォトニック結晶にはTE偏波に対してPBGが形成されるものとTM偏波に対してPBGが形成されるものがあるが、第１の態様の合分波器では前者を用いる（なお、後者は後述の第２の態様で用いる）。TM偏波に対するPBGは、形成されていてもよいし、形成されていなくても構わない。
【００１２】
２次元フォトニック結晶１１内に第１導波路１２１及び第２導波路１２２を離間して配置する。これらの導波路は、２次元フォトニック結晶１１の周期屈折率分布に欠陥を線状に設けることにより形成することができる。
【００１３】
第１導波路と第２導波路の間に、第１共振器１３１及び第２共振器１３２を互いに離間して配置する。これらの共振器は、周期屈折率分布に点状の欠陥を設けることにより形成することができる。共振器の共振波長は、特許文献１に記載のように点状欠陥の形状や屈折率分布の周期等のパラメータにより調整することができる。本発明では第１共振器１３１及び第２共振器１３２の共振波長を同一とし、分波及び／又は合波したい光の波長に合わせる。第１の態様では２次元フォトニック結晶１１のPBGがTE偏波に対して形成されているため、これらの共振器はTE偏波に対してのみ有効に動作（すなわち、高効率に分波／合波）する。
【００１４】
第１導波路１２１上の第１共振器１３１から最も近い点である第１最近点１４１と、第１導波路１２１上の第２共振器１３２からの最近点である第２最近点１４２の間に、第１最近点１４１から第２最近点１４２に向けて伝播するTE偏波をTM偏波に変換する第１偏波変換器１５１を設ける。同様に、第２導波路１２２上の第１共振器１３１からの最近点である第３最近点１４３と、第２導波路１２２上の第２共振器１３２からの最近点である第４最近点１４４の間に、第３最近点１４３から第４最近点１４４に向けて伝播するTE偏波をTM偏波に変換する第２偏波変換器１５２を設ける。このようにTE偏波をTM偏波に、あるいはTE偏波をTM偏波に変換する偏波変換器は、２次元フォトニック結晶を用いたものが知られており（例えば高山清市他・2005年春季第52回応用物理学関係連合講演会予稿集第３分冊・講演番号30a-YV-11、及び田中良典他・2005年秋季第66回応用物理学会学術講演会予稿集第３分冊・講演番号8p-H-5に記載）、本発明ではそれらの２次元フォトニック結晶偏波変換器をそのまま用いることができる。
【００１５】
(2) 第１の態様の合分波器の動作
第１の態様の合分波器の動作を、図１を用いて説明する。まず、多数の波長の光を含む重畳光から、第１共振器１３１及び第２共振器１３２の共振波長と同じ波長（λrとする）の光を分波する分波器として用いる場合について説明する。この分波器では、第１導波路１２１の第１最近点１４１側の端部が、重畳光を第１導波路１２１に導入する入力ポート１６１になる。また、第２導波路１２２の第４最近点１４４側の端部が、分波された波長λrの光を出力する出力ポート１６２になる。
【００１６】
重畳光を入力ポート１６１から第１導波路１２１に導入すると、重畳光中の波長λrの光のうちTE偏波が第１共振器１３１に共振して捕獲され、第２導波路１２２に分波される。このように分波されたTE偏波は第２導波路１２２上を出力ポート１６２に向かって伝播する。この光はTE偏波のまま第２導波路を伝播すれば第２共振器１３２に捕獲されて第１導波路１２１に戻されてしまう。そこで、第２導波路１２２に分波された波長λrのTE偏波を第２偏波変換器１５２によりTM偏波に変換する。これにより、この波長λrのTM偏波は第２共振器１３２に捕獲されることなく第４最近点１４４を通過し、出力ポート１６２から取り出される。
【００１７】
一方、波長λrのTE偏波を除く（波長λrのTM偏波を含む）重畳光は第１共振器１３１に捕獲されることなく第１最近点１４１を通過してそのまま第１導波路１２１を進む。そして、第１偏波変換器１５１において、重畳光のうち波長λrのTM偏波がTE偏波に変換される。変換された波長λrのTE偏波は、第２共振器１３２に共振して捕獲され、第２導波路１２２に分波される。
【００１８】
入力ポート１６１から導入されたλr以外の波長の光は、第１導波路１２１上の第１最近点１４１及び第２最近点１４２を共に通過し、第２導波路１２２に分波されることはない。
【００１９】
このように、第１の態様の合分波器は、入力ポート１６１から第１導波路１２１に導入された重畳光のうち波長λrのTE偏波及びTM偏波を、いずれも第２導波路１２２に分波することができる。
【００２０】
第１の態様の合分波器を合波器として使用する場合には、波長λrのTE偏波及びTM偏波を入力ポート１６１から第１導波路１２１に導入すると共に、合波すべき対象の光を、第２導波路１２２の第３最近点１４３側の端部から第２導波路１２２に導入する。分波器の場合と同様に、第１導波路１２１に導入された波長λrのTE偏波は第１共振器１３１により、TM偏波は第２共振器１３２により、それぞれ第２導波路１２２に導入され、第２導波路１２２内の光に合波される。
【００２１】
第１偏波変換器及び第２偏波変換器には、TE偏波からTM偏波への変換と、TM偏波からTE偏波への変換の双方を行う偏波変換器を用いることができる。このような偏波変換器を用いることにより、第１導波路と第２導波路を区別する必要がなく、いずれか一方の導波路を重畳光を導入する導波路として、他方の導波路を分波される波長λrの光の出力導波路として用いることができる。合波器としての動作も同様である。
【００２２】
(3) 第１の態様の合分波器の効率を高めるための構成
入力ポート１６１から導入された第１導波路１２１上の波長λrのTE偏波は、その全てが第１共振器１３１及び第２共振器１３２に捕獲されるのではなく、その一部は第１最近点１４１及び第２最近点１４２を通過してしまう。これにより分波効率や合波効率が低下する。また、第２導波路１２２に分波又は合波された波長λrのTE偏波の一部が出力ポート１６２とは反対側に伝播することによっても、分波効率や合波効率が低下する。そこで、第１の態様の合分波器において、分波効率及び合波効率を高めるために、以下の構成をとることができる。
【００２３】
即ち、図２に示すように、第１最近点１４１と第１偏波変換器１５１の間の第１導波路１２１上に、波長λrのTE偏波を反射する第１反射部１７１を設ける。これにより、第１共振器１３１に捕獲されることなく通過した波長λrのTE偏波は、第１反射部１７１により反射されて第１共振器１３１側に戻り、第１共振器１３１に捕獲されて第２導波路１２２に導入される。これにより、分波効率や合波効率を高めることができる。同様に、第２最近点１４２よりも下流側（入力ポート１６１の反対側）の第１導波路１２１上に第２反射部１７２を設けることもできる。
【００２４】
また、第３最近点１４３よりも上流側（出力ポート１６２の反対側）の第２導波路１２２上に第３反射部１７３を設けることができる。これにより、出力ポート１６２の反対側に伝播しようとする波長λrのTE偏波が第３反射部１７３により反射されて出力ポート１６２側に戻される。これにより分波効率や合波効率を高めることができる。同様に、第４最近点１４４と第２偏波変換器１５２の間の第２導波路１２２上に第４反射部１７４を設けることもできる。
【００２５】
これら４個の反射部のうち１〜３個のみを設けた場合にも、図１の合分波器よりも分波効率及び合波効率を高くすることができるが、これらの効率をより高くするためにはこれら４個の反射部を全て設けることが望ましい。
【００２６】
このような反射部は、例えば以下のように形成することができる。導波路を通過することができる光の波長の範囲は、２次元フォトニック結晶の屈折率分布の周期により変化する。そこで、反射部における屈折率分布を、反射部内の導波路の通過波長帯域に波長λrが含まれないように、反射部以外での２次元フォトニック結晶とは異なる周期で屈折率分布を形成する。これにより、波長λrのTE偏波は反射部とその外側の２次元フォトニック結晶の境界で反射される。このような反射部については特開2004-233941号公報に詳しく記載されている。
【００２７】
(4) 第２の態様の偏波無依存２次元フォトニック結晶合分波器
ここまではTE偏波に対してPBGを有する２次元フォトニック結晶を用いた第１の態様の合分波器について説明したが、TM偏波に対してPBGを有する２次元フォトニック結晶を用いても、第１の態様と同様の偏波無依存合分波器を構成することができる。即ち、本発明に係る偏波無依存２次元フォトニック結晶合分波器の第２の態様のものは、板状の本体に周期的な屈折率分布が形成されて成る、TM偏波に対してPBGを有する２次元フォトニック結晶上に形成された波長合分波器であって、
a) 前記２次元フォトニック結晶内に離間して配置された２本の導波路であって、前記周期的屈折率分布の欠陥が線状に形成されて成る第１導波路及び第２導波路と、
b) 第１導波路と第２導波路の間に離間して配置された、共振波長が同じである２個の共振器であって、周期的屈折率分布の欠陥が点状に形成されて成る第１共振器及び第２共振器と、
c) 第１導波路上の第１共振器からの最近点である第１最近点と第１導波路上の第２共振器からの最近点である第２最近点の間の第１導波路上に配置された、第１最近点から第２最近点に向けて伝播するTE偏波をTM偏波に変換する第１偏波変換器と、
d) 第２導波路上の第１共振器からの最近点である第３最近点と第２導波路上の第２共振器からの最近点である第４最近点の間の第２導波路上に配置された、第３最近点から第４最近点に向けて伝播するTM偏波をTE偏波に変換する第２偏波変換器と、
を備えることを特徴とする。
【００２８】
第２の態様では２次元フォトニック結晶１１のPBGがTM偏波に対して形成されているため、第１共振器及び第２共振器はTM偏波に対してのみ有効に動作（すなわち、高効率に分波／合波）する。そのため、第２の態様の偏波無依存２次元フォトニック結晶合分波器は以下のように動作する（図３参照）。入力ポート１６１から波長λrのTM偏波が導入されると、第１共振器１３１に捕獲されて第２導波路１２２に導入され、第２共振器１３２に捕獲されないように第２偏波変換器１５２によりTM偏波に変換されたうえで出力ポート１６２から取り出される。また、入力ポート１６１から波長λrのTE偏波が導入されると、第１偏波変換器１５１によりTE偏波に変換された後、第２共振器１３２により捕獲されて第２導波路１２２に導入され、出力ポート１６２から取り出される。
【００２９】
第２の態様の偏波無依存２次元フォトニック結晶合分波器において、第１の態様と同様に反射部を設けることができる。第２の態様では、反射部にはTM偏波を反射するものを用いる。反射部を設ける位置は第１の態様と同様である。
【００３０】
(5) 多段型偏波無依存２次元フォトニック結晶合分波器
次に、異なる複数の波長についてそれぞれ分波及び合波を行うことができる多段型偏波無依存２次元フォトニック結晶分波器及び合波器について説明する。多段型偏波無依存２次元フォトニック結晶分波器（以下、「多段型分波器」とする）は、第１の態様又は第２の態様の偏波無依存２次元フォトニック結晶合分波器を複数（単位合分波器１０Ａ、１０Ｂ...）、それらの単位合分波器の第１導波路が接続されるように設けたものである。また、多段型偏波無依存２次元フォトニック結晶合波器（多段型合波器）は、単位合分波器１０Ａ、１０Ｂ...を、それらの単位合分波器の第２導波路が接続されるように設けたものである。
【００３１】
まず、多段型分波器２０の構成を、図４を用いて説明する。第１導波路１２１は単位合分波器１０Ａ、１０Ｂ...の間で接続されるように１本設けられる。第２導波路は各単位合分波器１０Ａ、１０Ｂ...毎に独立して設けられる（第２導波路１２２Ａ、１２２Ｂ...）。各単位合分波器１０Ａ、１０Ｂ...の第１共振器１３１Ａ、１３１Ｂ...は互いに異なる共振波長λr1、λr2...を有するように形成されている。各単位合分波器１０Ａ、１０Ｂ...の第２共振器１３２Ａ、１３２Ｂ...も同様に共振波長λr1、λr2...を有する。即ち、第１共振器と第２共振器は同じ単位合分波器内では同じ共振波長を有する。一方、第１共振器及び第２共振器の共振波長は単位合分波器毎に異なる値を有する。各単位合分波器１０Ａ、１０Ｂ...の第１偏波変換器１５１Ａ、１５１Ｂ...及び第２偏波変換器１５２Ａ、１５２Ｂ...の構成及び位置は上述の第１の態様又は第２の態様の合分波器のものと同様である。
【００３２】
多段型分波器２０の動作を説明する。ここでは、各単位合分波器１０Ａ、１０Ｂが第１の態様の合分波器である場合を例に説明するが、各単位合分波器１０Ａ、１０Ｂが第２の態様の合分波器である場合も同様である。
単位合分波器１０Ａの入力ポート１６１から波長λr1、λr2...を含む重畳光を第１導波路１２１に導入する。この重畳光に含まれる波長λr1のTE偏波は第１共振器１３１Ａに共振して捕獲され、第２導波路１２２Ａに分波される。この光は第２共振器１３２Ａに捕獲されることを防ぐために、第２偏波変換器１５２ＡによりTM偏波に変換される。波長λr1のTE偏波を除く（λr1のTM偏波を含む）重畳光は第１共振器１３１Ａを通過する。
次に、第１共振器１３１Ａを通過した重畳光に含まれる波長λr1のTM偏波は第１偏波変換器１５１Ａを通過することによりTE偏波に変換される。変換後の波長λr1のTE偏波は第２共振器１３２Ａに捕獲され、第２導波路１２２Ａに分波される。波長λr1の光を除く（波長λr2のTE偏波及びTM偏波を含む）重畳光は第２共振器１３２Ａを通過する。ここまでの動作により、重畳光に含まれていた波長λr1の光はいずれも第２導波路１２２Ａに分波されたことになる。
次に、第２共振器１３２Ａを通過した重畳光に含まれる波長λr2のTE偏波は第１共振器１３１Ｂに捕獲され、第２導波路１２２Ｂに分波される。このTE偏波は第２偏波変換器１５２ＢによりTM偏波に変換される。波長λr1の光及び波長λr2のTE偏波を除く（波長λr2のTM偏波を含む）重畳光は第１共振器１３１Ｂを通過する。
次に、重畳光に含まれる波長λr2のTM偏波は第１偏波変換器１５１Ｂを通過することによりTE偏波に変換される。変換後の波長λr2のTE偏波は第２共振器１３２Ｂに捕獲され、第２導波路１２２Ｂに分波される。これにより、重畳光に含まれていた波長λr2の光はいずれも第２導波路１２２Ｂに分波されたことになる。
以下同様に、λr1、λr2以外の波長の光も、その波長に共振する第１共振器及び第２共振器を持つ単位合分波器により、その単位合分波器の第２導波路に分波することができる。
【００３３】
図５に、本発明の多段型偏波無依存２次元フォトニック結晶合波器３０（以下、「多段型合波器３０とする」）の概念図を示す。ここで、上述の多段型分波器２０と同じ構成要素にはそれと同じ符号を付した。多段型合波器３０では、第２導波路１２２は各単位合分波器１０Ａ、１０Ｂ...間で接続されるように、多段型合波器３０を通して１本設けられている。また、各単位合分波器１０Ａ、１０Ｂ...毎に独立して、第１導波路１２１Ａ、１２１Ｂ...が設けられている。これらの点以外は、多段型合波器３０は多段型分波器２０と共通の構成を有する。そのような共通の構成要素には多段型分波器２０の構成要素に付したものと同じ符号を付した。
【００３４】
多段型合波器３０では、各単位合分波器１０Ａ、１０Ｂ...において波長λr1、λr2...の光を第１導波路１２１Ａ、１２１Ｂ...から第２導波路１２２に合波することができる。その際の各単位合分波器における共振器及び偏波変換器の動作は第１及び第２の態様の合分波器の動作と同様である。
【００３５】
多段型分波器２０及び多段型合波器３０において、各単位合分波器１０Ａ、１０Ｂの第１偏波変換器及び第２偏波変換器に、TM偏波をTE偏波に変換すると共にTE偏波をTM偏波に変換するものを用いることができる。この場合、多段型分波器２０の構成と多段型合波器３０の構成は同じになる。即ち、このような偏波変換器を用いることにより、複数の波長λr1、λr2...の光の分波及び合波を共に行うことが可能な、多段型偏波無依存２次元フォトニック結晶合分波器を構成することができる。
【発明の効果】
【００３６】
本発明の偏波無依存２次元フォトニック結晶合分波器により、所定の波長を有するTE偏波及びTM偏波の双方を分波及び合波することができる。これにより、TE偏波又はTM偏波のいずれか一方しか分波及び合波することができなかった従来の多くの２次元フォトニック結晶合分波器よりも、分波効率及び合波効率を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
(1) 本発明の偏波無依存２次元フォトニック結晶合分波器の一実施形態
本発明の偏波無依存２次元フォトニック結晶合分波器の一実施形態を、図６及び図７を用いて説明する。図６は本実施形態の合分波器４０の上面図である。この合分波器で用いられる２次元フォトニック結晶４１は、特許文献１に記載の２次元フォトニック結晶と同様に、スラブ４１１に、円形の空孔（異屈折率領域）４１２が三角格子状に配置されることにより周期屈折率分布が形成されたものである。この２次元フォトニック結晶４１ではTE偏波に関してPBGが形成される。
【００３８】
空孔４１２を１列欠損させる（即ち三角格子の格子１本分だけ空孔４１２を設けない）ことにより第１導波路４２１を設ける。同様に、第１導波路４２１と離間して第２導波路４２２を設ける。また、第１導波路４２１と第２導波路４２２の間に、第１導波路４２１及び第２導波路４２２に平行に並ぶ空孔４１２を３個欠損させることにより第１共振器４３１を設ける。同様に、第１導波路４２１と第２導波路４２２の間に第１共振器４３１と離間して第２共振器４３２を設ける。
【００３９】
第１導波路４２１の第１共振器４３１からの最近点と第２共振器４３２からの最近点の間に第１偏波変換器４５１を、第２導波路４２２の第１共振器４３１からの最近点と第２共振器４３２からの最近点の間に第２偏波変換器４５２を、それぞれ配置する。図７に示すように、第１偏波変換器４５１においては、第１導波路４２１の両側にある空孔のうち第１共振器４３１側の２対の空孔は第１導波路４２１に垂直且つスラブ４１１の面に対して45°傾斜するように形成されている（斜空孔４１２Ａ）。また、第１導波路４２１の両側であって２対の斜空孔４１２Ａの第２共振器４３２側に隣接する２対の空孔は、第１導波路４２１が延びる方向に平行な鏡映面について斜空孔４１２Ａと鏡映対称な形状に形成されている（斜空孔４１２Ｂ）。これら斜空孔４１２Ａ及び斜空孔４１２Ｂの第２共振器４３２側に、これらの斜空孔と同じ構成の斜空孔がもう１組形成されている。第２偏波変換器４５２も第１偏波変換器４５１と同じ構成を有する。
なお、斜空孔は異方性エッチングの手法を用いて形成することができる。異方性エッチングの方法には、プラズマエッチングにおいてプラズマ化したガスを電界により所定の方向に指向させてスラブ４１１に入射させる方法や、収束イオンビームを用いる方法等がある。
【００４０】
これら第１偏波変換器４５１及び第２偏波変換器４５２は、偏波変換器内の導波路を伝播する光を伝播方向に関わらず、TE偏波をTM偏波に、TM偏波をTE偏波に、それぞれ変換することができる。即ち、第１共振器４３１側から第２共振器４３２側に向かって伝播するTE偏波はTM偏波に、TM偏波はTE偏波に、それぞれ変換されると共に、第２共振器４３２側から第１共振器４３１側に向かって伝播するTE偏波はTM偏波に、TM偏波はTE偏波に、それぞれ変換される
【００４１】
但し、第１偏波変換器４５１及び第２偏波変換器４５２において偏波を変換することができる周波数は限られている。その周波数帯は0.270c/a〜0.274c/aである。ここで、aは三角格子の周期、cは光速である。それに対して、第１共振器４３１及び第２共振器の共振周波数は0.261c/aである。従って、三角格子の周期が２次元フォトニック結晶４１内で全て等しい場合には、共振器の共振周波数（即ち分波、合波される光の周波数）の光は偏波変換器の変換可能周波数帯に含まれず、偏波が変換されない。そこで、本実施形態では三角格子の周期を、第１偏波変換器４５１及び第２偏波変換器４５２の周囲の領域４８以外ではa0とし、領域４８では1.041a0とする。これにより、偏波変換器の変換可能周波数帯は0.259c/a0〜0.263c/a0となり、分波、合波される光の周波数0.261c/a0が変換可能周波数帯に含まれるようになる。
【００４２】
本実施形態の合分波器４０の分波器としての動作を説明する。第１共振器４３１及び第２共振器の共振波長（共振周波数）と同じ波長λrを含む重畳光を第１導波路４２１の第１共振器４３１側の端部（入力ポート４６１）から第１導波路４２１に導入すると、重畳光に含まれる波長λrのTE偏波が第１共振器４３１に共振して捕獲され、第２導波路４２２に分波される。このように分波されたTE偏波の光は第２偏波変換器４５２によりTM偏波に変換され、第２共振器４３２に捕獲されることなく、第２導波路４２２の第２共振器４３２側の端部（出力ポート４６２）から取り出される。波長λrのTE偏波を除く（波長λrのTM偏波を含む）重畳光は第１共振器４３１に捕獲されることなく通過する。この重畳光のうち波長λrのTM偏波は第１偏波変換器４５１によりTE偏波に変換される。変換後の波長λrのTE偏波は第２共振器４３２に共振して捕獲され、第２導波路４２２に分波される。
【００４３】
合分波器４０の合波器としての動作を説明する。第２導波路に重畳光を導入すると共に、波長λrのTE偏波及びTM偏波を第１導波路４２１に導入すると、波長λrのTE偏波は第１共振器４３１に捕獲され、第２導波路４２２に合波される。この波長λrのTE偏波は第２偏波変換器４５２によりTM偏波に変換されるため、第２共振器４３２に捕獲されることはない。波長λrのTM偏波は第１共振器４３１に捕獲されることなく、第１偏波変換器４５１によりTE偏波に変換される。変換後の波長λrのTE偏波は第２共振器４３２に捕獲され、第２導波路４２２に合波される。
【００４４】
２次元フォトニック結晶４１において、円形の空孔４１２の代わりに正三角形の空孔用いることにより、TM偏波に関してPBGが形成される２次元フォトニック結晶が得られる。このような２次元フォトニック結晶に、合分波器４０と同様に導波路、共振器及び偏波変換器を設けることにより、上述の第２の態様の偏波無依存２次元フォトニック結晶合分波器が得られる。
【００４５】
(2) 反射部を有する偏波無依存２次元フォトニック結晶合分波器の一実施形態
図８を用いて、反射部を有する偏波無依存２次元フォトニック結晶合分波器の一実施形態を説明する。この合分波器５０は、上述の合分波器４０の第１導波路４２１上の第１共振器４３１からの最近点と第１偏波変換器４５１の間に、空孔４１２を周囲よりも短い周期0.965a0で配置した領域４７１を有する。このような周期で空孔４１２が配列されていることにより領域４７１内では、第１導波路４２１を通過することができるTE偏波の波長帯域がそれ以外の領域の第１導波路４２１のものよりも短波長側に移動し、波長λrがその通過波長帯域に含まれなくなる。そのため、領域４７１は第１導波路４２１を伝播する波長λrTE偏波を反射する第１反射部４７１として機能する。
【００４６】
同様に、第１導波路４２１上の第２共振器４３２からの最近点よりも第１導波路の端部側に第２反射部４７２を、第２導波路４２２上の第１共振器４３１からの最近点よりも第２導波路の端部側に第３反射部４７３を、第２導波路４２２上の第２共振器４３２からの最近点と第２偏波変換器４５２の間に第４反射部４７４を、それぞれ設ける。
【００４７】
合分波器５０では、第１共振器４３１に捕獲されることなく通過した波長λrのTE偏波は、第１反射部４７１により反射されて第１共振器４３１側に戻り、第１共振器４３１に捕獲されて第２導波路４２２に導入されるため、分波効率や合波効率を高めることができる。第２反射部４７２の動作も同様である。
また、第１共振器４３１から第２導波路４２２に導入された波長λrのTE偏波のうち出力ポート４６２の反対側に伝播するものは、第３反射部４７３により反射されて出力ポート４６２側に戻されるため、分波効率や合波効率を高めることができる。第４反射部４７４の動作も同様である。
【００４８】
図９に、合分波器５０の入力ポート４６１に波長λrのTE偏波を導入した場合における波長λrのTE偏波及びTM偏波の分布を、３次元FDTD（Finite Difference Time Domain：時間領域差分）法を用いて計算で求めた結果を示す。また、図１０に、入力ポート４６１に波長λrのTM偏波を導入した場合における、合分波器５０内の波長λrのTE偏波及びTM偏波の分布について同様の計算を行った結果を示す。これらの図中において、導波路上で破線により囲まれた領域は光が存在する領域を示す。光の振幅の強弱は図中に描かれた縞模様の濃淡により示す。
【００４９】
入力ポート４６１に波長λrのTE偏波を導入した場合には、TE偏波は第１導波路４２１上の第１反射部４７１よりも上流側の領域５１１、及び第２導波路４２２上の第３反射部４７３と第２偏波変換器４５２の間の領域５１２に存在する（図９(a)）。これは、入力ポート４６１に導入された波長λrのTE偏波が第１導波路４２１から第２導波路４２２に導入されたこと、第１反射部４７１及び第３反射部４７３により反射されていることを示している。また、このTE偏波は第２偏波変換器４５２によりTM偏波に変換されるため、第２偏波変換器４５２よりも第２導波路４２２の下流側の領域５１３にはTM偏波が存在し（図９(b)）、TE偏波は存在しない。第１偏波変換器４５１の下流側にはTE偏波、TM偏波は共に見られない。
【００５０】
入力ポート４６１に波長λrのTM偏波を導入した場合には、TM偏波は第１導波路４２１の第１偏波変換器４５１よりも上流側の領域５１４にのみ存在する。一方、TE偏波は第１導波路４２１の第１偏波変換器４５１と第２反射部４７２の間の領域５１５、及び第２導波路４２２の第４反射部４７４よりも下流側の領域５１６に存在する。これは、波長λrのTM偏波が第１偏波変換器４５１によりTE偏波に変換されていること、偏波変換後のTE偏波が第２導波路４２２に導入されたこと、並びに偏波変換後のTE偏波が第２反射部４７２及び第４反射部４７４に反射されていることを示している。
【００５１】
(3) 多段型偏波無依存２次元フォトニック結晶合分波器の一実施形態
本発明の多段型偏波無依存２次元フォトニック結晶合分波器の一実施形態を、図１１を用いて説明する。本実施形態の多段型合分波器６０は、第２導波路４２２を除いて上述の合分波器４０と同じ構成を有する単位合分波器４０Ａと、単位合分波器４０Ａをそのまま縮小した構成を有する単位合分波器４０Ｂを接続した構成を有する。即ち、単位合分波器４０Ａと単位合分波器４０Ｂは互いに相似形である。この場合、単位合分波器４０Ａの第１共振器４３１Ａ及び第２共振器４３２Ａと、単位合分波器４０Ｂの第１共振器４３１Ｂ及び第２共振器４３２Ｂは互いに異なる波長λr1、λr2のTE偏波に共振する。
【００５２】
単位合分波器４０Ａの第１導波路と単位合分波器４０Ｂの第１導波路は接続され、それにより１本の第１導波路６２が形成されている。また、単位合分波器４０Ａの第２導波路４２２Ａと単位合分波器４０Ｂの第２導波路４２２Ｂは互いに接続されることなく独立して設けられている。第２導波路４２２Ａ及び４２２Ｂには屈曲部６２Ａ及び６２Ｂが形成されている。これら屈曲部よりも下流側では、第２導波路４２２Ａ及び４２２Ｂは下流に向かうほど第１導波路６２から遠ざかるように形成されている。
【００５３】
多段型合分波器６０の分波器としての動作を説明する。第１導波路６２の単位合分波器４０Ａ側の端部に波長λr1のTE偏波及びTM偏波並びに波長λr2のTE偏波及びTM偏波を含む重畳光を導入すると、波長λr1のTE偏波は単位合分波器４０Ａの第１共振器４３１Ａに捕獲されて第２導波路４２２Ａに分波される。そのTE偏波は単位合分波器４０Ａの第２偏波変換器４５２ＡでTM偏波に変換される。
波長λr1のTE偏波を除く（波長λr1のTM偏波並びに波長λr2のTE偏波及びTM偏波を含む）重畳光は第１共振器４３１Ａには捕獲されずに通過し、そのうち波長λr1のTM偏波が単位合分波器４０Ａの第１偏波変換器４５１ＡでTE偏波に変換される。変換後の波長λr1のTE偏波は単位合分波器４０Ａの第２共振器４３２Ａに捕獲されて第２導波路４２２Ａに分波される。
波長λr2のTE偏波及びTM偏波を含む重畳光は第２共振器４３２Ａには捕獲されずに通過し、そのうち波長λr2のTE偏波が単位合分波器４０Ｂの第１共振器４３１Ｂに捕獲されて第２導波路４２２Ｂに分波される。そのTE偏波は単位合分波器４０Ｂの第２偏波変換器４５２ＢでTM偏波に変換される。
波長λr2のTM偏波を含む重畳光は第１共振器４３１Ｂには捕獲されずに通過し、そのうち波長λr2のTM偏波が単位合分波器４０Ｂの第１偏波変換器４５１ＢでTE偏波に変換される。変換後の波長λr2のTE偏波は単位合分波器４０Ｂの第２共振器４３２Ｂに捕獲されて第２導波路４２２Ｂに分波される。
重畳光のうち波長λr1及びλr2以外の波長の光はそのまま第１導波路６２を通過する。
【００５４】
本実施形態の多段型合分波器６０が有する各偏波変換器は、上述のように伝播方向に関わらずTE偏波をTM偏波に、TM偏波をTE偏波に、それぞれ変換することができる。そのため、多段型合分波器６０の合波器としての動作は、分波器での各波長及び偏波の光の流れをそのまま逆方向にしたものと同じ動作になる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明に係る第１の態様の偏波無依存２次元フォトニック結晶合分波器の概念図。
【図２】反射部１７１〜１７４を有する第１の態様の偏波無依存２次元フォトニック結晶合分波器の概念図。
【図３】本発明に係る第２の態様の偏波無依存２次元フォトニック結晶合分波器の概念図。
【図４】本発明に係る多段型偏波無依存２次元フォトニック結晶分波器の概念図。
【図５】本発明に係る多段型偏波無依存２次元フォトニック結晶合波器の概念図。
【図６】本発明に係る偏波無依存２次元フォトニック結晶合分波器の一実施形態を示す上面図。
【図７】第１偏波変換器４５１及び第２偏波変換器４５２の構成を示す上面図、並びにその上面図中に示した断面A-A'及び断面B-B'における縦断面図。
【図８】反射部を設けた偏波無依存２次元フォトニック結晶合分波器の一実施形態である合分波器５０の構成を示す上面図。
【図９】合分波器５０の入力ポート４６１にTE偏波を導入した場合における導波路内のTE偏波及びTM偏波の強度分布を計算した結果を示す図。
【図１０】合分波器５０の入力ポート４６１にTM偏波を導入した場合における導波路内のTE偏波及びTM偏波の強度分布を計算した結果を示す図。
【図１１】本発明に係る多段型偏波無依存２次元フォトニック結晶分波器の一実施形態を示す上面図。
【符号の説明】
【００５６】
１０Ａ、１０Ｂ、４０Ａ、４０Ｂ…単位合分波器
１１、４１…２次元フォトニック結晶
１２１、１２１Ａ、１２１Ｂ、４２１、６２…第１導波路
１２２、１２２Ａ、１２２Ｂ、４２２、４２２Ａ、４２２Ｂ…第２導波路
１３１、１３１Ａ、１３１Ｂ、４３１、４３１Ａ、４３１Ｂ…第１共振器
１３２、１３２Ａ、１３２Ｂ、４３２、４３２Ａ、４３２Ｂ…第２共振器
１４１…第１最近点
１４２…第２最近点
１４３…第３最近点
１４４…第４最近点
１５１、１５１Ａ、１５１Ｂ、４５１、４５１Ａ、４５１Ｂ…第１偏波変換器
１５２、１５２Ａ、１５２Ｂ、４５２、４５２Ａ、４５２Ｂ…第２偏波変換器
１６１、４６１…入力ポート
１６２、４６２…出力ポート
１７１、４７１…第１反射部
１７２、４７２…第２反射部
１７３、４７３…第３反射部
１７４、４７４…第４反射部
２０…多段型偏波無依存２次元フォトニック結晶分波器（多段型分波器）
３０…多段型偏波無依存２次元フォトニック結晶合波器（多段型合波器）
４０、５０…合分波器
４１１…スラブ
４１２…空孔
４１２Ａ、４１２Ｂ…斜空孔
４８…偏波変換器の周囲の領域
５１１、５１２、５１５、５１６…TE偏波が存在する領域
５１３、５１４…TM偏波が存在する領域
６０…多段型合分波器
６２Ａ、６２Ｂ…屈曲部
【図１】
2008052188.tif 000003
【図２】
2008052188.tif 000004
【図３】
2008052188.tif 000005
【図４】
2008052188.tif 000006
【図５】
2008052188.tif 000007
【図６】
2008052188.tif 000008
【図７】
2008052188.tif 000009
【図８】
2008052188.tif 000010
【図１１】
2008052188.tif 000011
【図９】
2008052188.tif 000012
【図１０】
2008052188.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】平成19年8月27日(2007.8.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】
第１導波路１２１上の第１共振器１３１から最も近い点である第１最近点１４１と、第１導波路１２１上の第２共振器１３２からの最近点である第２最近点１４２の間に、第１最近点１４１から第２最近点１４２に向けて伝播するTM偏波をTE偏波に変換する第１偏波変換器１５１を設ける。同様に、第２導波路１２２上の第１共振器１３１からの最近点である第３最近点１４３と、第２導波路１２２上の第２共振器１３２からの最近点である第４最近点１４４の間に、第３最近点１４３から第４最近点１４４に向けて伝播するTE偏波をTM偏波に変換する第２偏波変換器１５２を設ける。このようにTE偏波をTM偏波に、あるいはTE偏波をTM偏波に変換する偏波変換器は、２次元フォトニック結晶を用いたものが知られており（例えば高山清市他・2005年春季第52回応用物理学関係連合講演会予稿集第３分冊・講演番号30a-YV-11、及び田中良典他・2005年秋季第66回応用物理学会学術講演会予稿集第３分冊・講演番号8p-H-5に記載）、本発明ではそれらの２次元フォトニック結晶偏波変換器をそのまま用いることができる。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４４】
２次元フォトニック結晶４１において、円形の空孔４１２の代わりに正三角形の空孔を用いることにより、TM偏波に関してPBGが形成される２次元フォトニック結晶が得られる。このような２次元フォトニック結晶に、合分波器４０と同様に導波路、共振器及び偏波変換器を設けることにより、上述の第２の態様の偏波無依存２次元フォトニック結晶合分波器が得られる。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４５】
(2) 反射部を有する偏波無依存２次元フォトニック結晶合分波器の一実施形態
図８を用いて、反射部を有する偏波無依存２次元フォトニック結晶合分波器の一実施形態を説明する。この合分波器５０は、上述の合分波器４０の第１導波路４２１上の第１共振器４３１からの最近点と第１偏波変換器４５１の間に、空孔４１２を周囲よりも短い周期0.965a0で配置した領域４７１を有する。このような周期で空孔４１２が配列されていることにより領域４７１内では、第１導波路４２１を通過することができるTE偏波の波長帯域がそれ以外の領域の第１導波路４２１のものよりも短波長側に移動し、波長λrがその通過波長帯域に含まれなくなる。そのため、領域４７１は第１導波路４２１を伝播する波長λrのTE偏波を反射する第１反射部４７１として機能する。