(57)【要約】【課題】  本発明は、曲がり部での反射・散乱による損失、ファブリーペロー共振による特性劣化のない２次元フォトニック結晶曲がり光導波路及び光デバイス装置を実現することを課題とする。【解決手段】  ２次元フォトニック結晶において格子点を結ぶ直線を自由曲線に沿って歪曲させ、それに合わせて結晶構造全体を変形させるとともに、自由曲線上の屈折率構造を除去し、上記自由曲線を導波路中心線とした光導波路及び光デバイス装置。【選択図】  図８
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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において格子点を結ぶ直線を自由曲線に沿って歪曲させ、それに合わせて結晶構造全体を変形させるとともに、自由曲線上の屈折率構造を除去し、上記自由曲線を導波路中心線とした光導波路。
【請求項２】
上記光導波路と、他のフォトニック結晶導波路とを曲率を連続に接続させた請求項１に記載の光デバイス装置。
【請求項３】
上記自由曲線を閉曲線とした光導波路を含む請求項１に記載の光デバイス装置。
【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を用いた光導波路及び光デバイス装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
誘電体に空間的な周期屈折率構造を作製した人工結晶をフォトニック結晶と呼び、特定の帯域の光の存在を禁止する現象が現れる。これは固体結晶中の電子に対するバンドギャップに対応させ、フォトニックバンドギャップと呼ばれている。この現象を利用すると、光を微小空間内に強く閉じ込めることができ、多数の光学素子を集積化させた微小光波回路の実現が期待されている。
【０００３】
２次元フォトニック結晶とは、２次元周期的屈折率分布をもつ光材料であり、例えば、図１のような空気円孔を六方格子状に配置した六方格子２次元フォトニック結晶構造が考えられる。ここで、単位構造、結晶格子としては、それぞれ任意の構造が許される。空気円孔以外の単位構造としては、例えば、三角孔、誘電体円柱等が挙げられる。また、六方格子以外の結晶格子としては、例えば、正方格子、長方格子等が挙げられる。
【０００４】
２次元フォトニック結晶中に、周期的な屈折率分布を乱す線状の欠陥を作製すると、光は欠陥内に強く閉じ込められ、欠陥方向に伝播する。これは光導波路として機能する。
【０００５】
周期的な屈折率分布を乱す欠陥構造としては、様々な構造が考えられる。例えば、誘電体を付加する方法（図２(a)）、誘電体を除去する方法（図２(b)）、結晶構造をシフトする方法（図２(c)）等が挙げられる。また、これらを同時に組み合わせて欠陥構造を形成することも可能である。
【０００６】
２次元フォトニック結晶光導波路の導波モードは特異な分散関係を示し、さらに分散関係は結晶構造を変調させることで制御可能である。この特徴を利用した分散補償素子や光遅延素子などの実現が期待されている。
【０００７】
２次元フォトニック結晶光導波路では、フォトニックバンドギャップによる光閉じ込めにより、導波路外部への導波損失の少ない急峻な曲がり導波路の実現が期待されている。しかしながら、２次元フォトニック結晶光導波路は、第一に、その構造の周期性から、作製できる曲がり導波路の角度に制約があり、良好な透過特性を実現することが難しいという問題がある。
【０００８】
例えば、六方格子フォトニック結晶は、図３(a)に示すように60°おきの方向にしか導波路を作製できない。さらに正方格子に関しては、図３(b) に示すように90°おきの方向にしか作製できない。
【０００９】
上記のように曲がり角が制限されているため、一般に、曲がり部では導波損失は抑えられるものの、反射が発生してしまう。単純な曲がり光導波路を導入した場合の透過特性を図４に示す。曲がり部Ａ、Ｂでの反射のためのファブリーペロー共振が観測される。
【００１０】
また、実際に作製された２次元フォトニック結晶スラブ構造では、上記２次元解析結果で観測された反射に加え、図５に示すように、上下方向への光散乱による損失が発生し、透過特性が劣化することが知られている。図６に、実験より得られた２次元フォトニック結晶スラブ曲がり光導波路の透過特性を示す。曲がり光導波路の透過帯域が、直線光導波路の帯域の半分以下となっていることが分かる。
【００１１】
曲がり導波路の特性を、曲がり部に特殊な構造を導入することで改善する報告例があるが、これらは、曲がり部の構造が設計値と異なると性能が大きく劣化してしまうことが知られている。
【００１２】
また、これらは、一般に、異なる直線導波路構造、異なる導波モード（０次、１次等）に対しては、良好に機能しないため、改めて設計をし直さなければならず、汎用性が乏しいという問題がある。
【００１３】
２次元フォトニック結晶は、その構造の周期性から作製できる曲がり導波路の角度に強い制限を受けるため、原理上、フォトニックバンドギャップによる急峻な曲がり導波路の実現が期待されているものの、良好な特性が実現されていない。
【００１４】
さらに、曲がり光導波路の角度が制限されているため、光回路の設計において、自由度が低くなるという問題が生じている。そのため、２次元フォトニック結晶を用いた光集積回路においては、各光素子の配置を自由に選択できないという問題がある。
【特許文献１】特開２００６−３４３３５５号公報
【特許文献２】特開２００３−１３９９７８号公報
【特許文献３】特開２００６−２７６１８５号公報
【特許文献４】特開２００３−１５６６４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明は、曲がり部での反射・散乱による損失、ファブリーペロー共振による特性劣化のない２次元フォトニック結晶光導波路及び光デバイス装置を実現することを課題とする。さらに、設計自由度が高く、導波路方向に制限のない、２次元フォトニック結晶自由曲線光導波路を得ることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の課題を解決する手段は次のとおりである。
（１）２次元フォトニック結晶において格子点を結ぶ直線を自由曲線に沿って歪曲させ、それに合わせて結晶構造全体を変形させるとともに、自由曲線上の屈折率構造を除去し、上記自由曲線を導波路中心線とした光導波路。
（２）上記光導波路と、他のフォトニック結晶導波路とを曲率を連続に接続させた（１）に記載の光デバイス装置。
（３）上記自由曲線を閉曲線とした光導波路を含む（１）に記載の光デバイス装置。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、２次元フォトニック結晶の曲がり部分での反射損失、散乱損失が低減される。また、それにより曲がり部分間のファブリーペロー共振が低減される。
さらに、フォトニック結晶の結晶格子の方向性に依存しない任意方向、任意曲線の光導波路が実現できる。さらに、内部素子・外部回路との接続に際して自由度の高い光回路の設計が出来る。その際、曲がり部においてフォトニックバンドギャップ帯域が位置に依らず一定となるように屈折率構造を変調する、または他の導波デバイスと曲がりの曲率が連続になるように接続することで、透過帯域をさらに拡張することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に本発明について、実施例を例示して説明する。
本発明は、任意の２次元フォトニック結晶光導波路に対して適用可能である。但し、以下の実施例では、まず、六方格子2次元フォトニック結晶（格子定数a=390nm、空気円孔半径0.29a）を用いて説明を行うことにする。また、光導波路構造の例としては、最も基本的な空気円孔を１列埋めた構造とする。勿論、上記以外の構造を用いることも可能である。
【００１９】
本発明は、２次元フォトニック結晶光導波路を任意の自由曲線に沿って曲げることを特徴とする。すなわち２次元フォトニック結晶において格子点を結ぶ直線を自由曲線に沿って歪曲させ、それに合わせて結晶構造全体を変形させるとともに、自由曲線上の屈折率構造を除去し、上記自由曲線を導波路中心線としたことを特徴とする。
【００２０】
図７は従来の2次元フォトニック結晶構造で、導波路中心線となる自由曲線F1に沿って間隔d1で配置された点から、F1に対する法線(A1、B1、C1、D1)方向に、間隔d2で配置されている。本発明の自由曲線光導波路は、図７の構造に対し、図８に示すように、導波路中心線となる自由曲線F2に沿って間隔d1で配置された点から、各点のF2に対する法線(A2、B2、C2、D2)方向に、間隔d2で屈折率の周期構造を配置する。
【００２１】
この際、自由曲線上に配置された２次元フォトニック結晶光導波路は、２次元フォトニック結晶に固有の並進対称性を持たなくなる。しかしながら、自由曲線の曲率を適切に選ぶことにより、２次元フォトニック結晶のフォトニックバンドギャップ効果と同様の効果で、光を導波させることが可能である。
【００２２】
ここで、この自由曲線に沿って、２次元フォトニック結晶光導波路を配置させる際、様々な方法が考えられる。
例えば図８の導波路と異なる作成方法として、図９(a)のような正方格子に対して、導波路中心線F1の法線A1、B1、C1、D1上の屈折率構造を、図９(b)に示されるように、自由曲線F2上の等間隔に配置された点に対する法線A2、B2、C2、D2に沿って再配置することで、自由曲線F2を導波路中心線とする光導波路が作製できる。
【００２３】
上記実施例のように、形成する屈折率構造も円形の空気孔に限定されない。例えば図１０のような三角形の半導体柱または空気孔のフォトニック結晶のような場合でも、上記の設計方法がそのまま適用できる。
【００２４】
上記実施例では、法線方向に屈折率構造を、等間隔で作製するとした。しかし、光の局在していない、動作領域外においては、必ずしも、上記の規則に従って屈折率構造を作製する必要はない。例えば、図１１のように光導波路の周辺領域（例えば、光導波路となるべき欠陥部位から数波長程度）にのみ、上記規則に従って空気円孔を配置すればよい。
【００２５】
上記光導波路を用いたことによる、曲がり部分における反射の抑制の効果について検証した。図１１は直線導波路と、円弧に沿って曲げられた自由曲線導波路2つを含む光導波路で、それに対する透過特性の計算結果である。従来の曲がり導波路を含む場合は図４のように、曲がり点間でファブリーペロー共振が発生し、透過特性が周期的に変動している。それに対し、図１１の構造に対する透過特性はほとんど変動がなく、したがって曲がり部分における反射が抑制できている。
【００２６】
次に従来の曲がり光導波路と本発明の自由曲線光導波路の曲がり部における光閉じ込めについて、分散関係から比較した。光導波路を伝播する光は、従来の急峻な曲がり部においてあらゆる波数に変換され、それ故に周波数と波数が1対１の関係にならない。その中には光導波路内に閉じ込められる条件を満たさない関係も含まれ、フォトニック結晶上方への光の漏れの原因となる。それに対し、図１２は、円弧状曲がり光導波路の分散関係を計算した結果である。周波数と波数が1対１の関係にあるため一本の曲線となって表され、さらにそれは直線光導波路の分散曲線とほぼ一致する特性が示されている。これは断熱曲がり光導波路内の伝播光の分散関係が、直線導波路と同様に内部へ閉じ込められる条件を満たしていることを示している。
【００２７】
図１３は作製した光導波路を上方から撮影したものである。図１３の丸囲みの部分に曲率半径11.2μｍの円弧状断熱曲がり光導波路を２つ含んでいる。曲がり部分における上方への散乱は見られず、右側の光導波路端から光が出力されている。
【００２８】
図１４は、フォトニック結晶導波路のパワースペクトル測定結果である。(a)は、直線光導波路、(b)は、断熱曲がり光導波路である。断熱曲がり光導波路については曲率の異なるものを４種類計測した。断熱曲がり光導波路については、曲率半径が小さくなるに従い透過率が下がり、透過帯域が狭くなる傾向があるが、図５の折れ曲がり光導波路よりも良好な特性が得られている。
【００２９】
上記曲がり光導波路は、任意の曲がり角に設定できる。すなわち、従来の六方格子の線欠陥光導波路では作成が困難であった60°の整数倍以外の曲がり光導波路も、特殊な構造の導入や伝播光の透過特性の劣化なく実現できる。さらにこの曲がり角は整数に限定されず、1度以下での調整も可能であり、設計自由度が飛躍的に向上する。図１５は、曲がり角φを30°になるように設計した例である。
【００３０】
上記実施例において、従来の折れ曲がり光導波路を円弧状に曲げたフォトニック結晶光導波路に置き換えることで、曲がり点間のファブリーペロー共振を抑制した。ここで図１６のように曲がり導波路端で曲率が０になるように設計された自由曲線導波路を用いて、曲率が０である直線導波路と滑らかに接続すると、図１１の計算結果と比較して、透過特性がさらに向上することが示された。
【００３１】
上記実施例は直線光導波路と曲率が連続に接続できる自由曲線光導波路との組み合わせであるが、本発明の自由曲線光導波路は、直線光導波路に限定されず他の任意の自由曲線光導波路と曲率を連続に保ちながら接続することができる。この効果は自由曲線光導波路の曲率が大きいほど効果が高い。
結果的に、各点において曲率が連続になるように設計しておくことで、自由曲線のみから構成される透過特性の良いフォトニック結晶光回路の作製が可能となる。
【００３２】
上記実施例の自由曲線光導波路は、図１７のようにフォトニック結晶を自由曲線に沿って歪曲させただけで、空気円孔の半径はすべて一定に設計していた。しかし、図１７より明らかなように、曲率外側の１周期構造Ａでは空気円孔間隔が広くなり、曲率中心側の１周期構造Ｂでは空気円孔間隔が狭くなる傾向を示す。これはフォトニックバンドギャップ帯域が位置に依存して変化していることを示しており、光閉じ込めが弱くなる原因となる。
図１８の構造は空気円孔半径を位置に応じて変調させ、位置に依存せずフォトニックバンドギャップ帯域が一定となるように設計した導波路である。等しい曲率、長さの空気円孔半径一定の導波路と透過特性の計算結果を比較したところ空気円孔半径を変調することで、透過帯域を拡張できることが示された。
【００３３】
上記実施例では、空気円孔半径を位置に応じて変調したが、空気円孔の位置を自由曲線に対して法線方向にシフトすることで、フォトニックバンドギャップ帯域を調整する方法もある。
【００３４】
フォトニックバンドギャップ帯域を一定にするための構造変調について、上記は空気円孔の場合についての実施例であるが、本発明の自由曲線光導波路が２次元フォトニック結晶全般に適用可能であるように、この構造変調も２次元フォトニック結晶全般に適用可能である。例えば、半導体柱を配列したフォトニック結晶の場合は、半導体柱を位置に応じて拡大縮小、または位置のシフトを行えばよい。当然、格子の種類、半導体柱・空気孔の形状が異なる場合でもそのまま適用できる。
【００３５】
上記実施例では、本発明の曲がり導波路を従来の線欠陥直線導波路に接続して使用した例であったが、接続先の光導波路はこれに限定されず、細線導波路、光ファイバーなどあらゆる光導波デバイスに接続可能である。細線導波路を用いると様々な曲線に沿って曲げられた導波路で構成される光波回路が作製できる。ここで細線導波路の一部を本発明によるフォトニック結晶自由曲線光導波路で置き換えることで、回路の配線はそのままにフォトニック結晶特有の性質である低群速度や特異な分散特性などの機能を回路に追加することができる。図１９は細線光導波路を用いて作成されているリング共振器を、自由曲線光導波路を用いて作製した例である。フォトニック結晶の低群速度領域を使用することで、光学的周回長はそのままに物理的な長さを縮小でき、デバイスの小型化が実現できる。
【００３６】
図２０はフォトニック結晶自由曲線光導波路のＳＥＭ写真である。本発明の自由曲線導波路は、電子ビームリソグラフィ技術を用いて作製している。その際、特殊作製工程を必要とせず、従来の2次元フォトニック結晶作製のための設備および作製工程をそのまま使用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】2次元フォトニック結晶の構造例。
【図２】2次元フォトニック結晶線欠陥導波路の作成方法の例。
【図３】線欠陥導波路の作成例。
【図４】従来の曲がり導波路を2つ含む導波路とその透過特性計算結果。
【図５】従来の曲がり導波路を計測中に上方から撮影した写真。
【図６】直線導波路と、従来の曲がり導波路の透過スペクトル計測結果。
【図７】従来のフォトニック結晶光導波路。
【図８】図７のフォトニック結晶光導波路を元に設計した本発明の自由曲線光導波路。
【図９】本発明の自由曲線光導波路（正方格子の場合）。
【図１０】三角形の空気孔または三角形の半導体柱から構成されるフォトニック結晶の場合の設計方法。
【図１１】2個の円弧状自由曲線光導波路を含む導波路の透過特性計算結果。
【図１２】本発明の自由曲線光導波路の分散関係。
【図１３】本発明の自由曲線光導波路を計測中に上方から撮影した写真。
【図１４】本発明の自由曲線光導波路の透過スペクトル計測結果。
【図１５】φ=30°曲がり光導波路。
【図１６】直線導波路と曲率連続な曲がり導波路を２箇所含む導波路の透過特性計算結果。
【図１７】半径一定の場合の自由曲線光導波路。
【図１８】フォトニックバンドギャップ帯域が位置に依存せず一定になるように空気円孔半径を変調した自由曲線光導波路。
【図１９】自由曲線光導波路を用いたリング導波路。
【図２０】円弧状自由曲線光導波路のＳＥＭ写真。
【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１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図５】
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【図１３】
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【図２０】
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