(57)【要約】【課題】  本発明は、独立した複数のフォトニック結晶自由曲線光導波路を、光学的に結合した状態へと反射・散乱を抑制しながら滑らかに移行させる光デバイス装置を得ることを課題とする。【解決手段】  独立した複数のフォトニック結晶自由曲線光導波路を、導波路同士が重複し、屈折率の周期性が失われた領域において、誘電体変化構造を変調することにより、単一導波路の導波モードから、結合導波路の導波モードへ断熱的に変化させることを特徴とする結合光導波路を有する光デバイス装置。【選択図】  図１０
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
独立した複数のフォトニック結晶自由曲線光導波路を、導波路同士が重複し、屈折率の周期性が失われた領域において、誘電体変化構造を変調することにより、単一導波路の導波モードから、結合導波路の導波モードへ断熱的に変化させることを特徴とする結合光導波路を有する光デバイス装置。
【請求項２】
接線方向及び法線方向に空気孔を周期的に配置した半導体スラブ上のフォトニック結晶自由曲線光導波路に対し、接合部付近の空気孔の位置及び半径を変調することにより、上記誘電体変化構造を変調することを特徴とする請求項１に記載の結合光導波路を有する光デバイス装置。
【請求項３】
上記フォトニック結晶自由曲線光導波路を用いて２本の単一導波路と１対の結合導波路を接続させることを特徴とする請求項１又は２に記載の結合光導波路を有する光デバイス装置。
【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結合光導波路を有する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を用いた光デバイス装置の一例として、方向性結合器がある。フォトニック結晶を用いた一般的な構造を図３に示す。これは2本の導波路を平行に配置した結合導波路の両端を、それぞれ2本の単一直線導波路に接続させたものである。
【０００８】
方向性結合器の透過スペクトルは、本来Bar方向とCross方向が相補的に変化する特性を示す。しかし実際に測定して得られる透過スペクトルは、図４に示すように相補的に変化する特性は見られなかった。
【０００９】
図５(a)は、従来の分岐導波路を伝播する光の磁場分布、(b)は他方の入力導波路を逆流する反射スペクトルと結合導波路入力端におけるBar、Cross方向の透過スペクトルである。他方の入力導波路を逆流する光の強度は０、結合導波路入力端におけるＣｒｏｓｓ方向の透過光強度も０であることが理想的であるが、結合導波路端における反射により、他方の入力導波路(斜め単一導波路)へ光が逆流しており、Ｃｒｏｓｓ方向への光の漏れも大きい。これは磁場分布から分かるように、大部分の透過光が結合導波路内部へ閉じ込められないモードへ結合しているためである。
【００１０】
図６は計測中の方向性結合器を上方から撮影した写真である。結合導波路両端で光が上方へ散乱され、明るいスポットとなって観測されている。
【００１１】
また従来の(折れ)曲がり導波路を含まず、導波路中の光散乱や反射を回避する手法として、図７(b)のようにフォトニック結晶光導波路を自由曲線に沿って緩やかに歪曲させた導波路が提案されている。この光導波路は導波光の進行方向を緩やかに変えることができる。
このフォトニック結晶光導波路は、本発明の前提となるもので、「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」と定義する。
上記フォトニック結晶光導波路は、図７の空気円孔六方格子フォトニック結晶に限らず、図８の正方格子、円や三角形の半導体ロッドの周期構造など、あらゆる2次元フォトニック結晶に適用できる。
【００１２】
上記光導波路を2本のフォトニック結晶単一導波路から方向性結合器の1対の結合導波路へ接続するための分岐導波路へ適用することで、方向性結合器の特性を改善することができる。それには、2本の湾曲導波路を図９のように接合させて用いればよい。しかし、上記光導波路においても本来のフォトニック結晶の並進対称性を失っているため、接合部分で屈折率の周期構造が大きく乱れ、光を導波させることができない問題点がある。
【非特許文献１】Y. Tanakaet.al, Jpn J. Appl.Phys.  44, 4971 (2005)
【非特許文献２】N.Yamamoto et.al, Opt.Express 14 1223 (2006)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、独立した複数のフォトニック結晶自由曲線光導波路を、光学的に結合した状態へと反射・散乱を抑制しながら滑らかに移行させる光デバイス装置を得ることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の課題を解決する手段は次のとおりである。
（１）独立した複数のフォトニック結晶自由曲線光導波路を、導波路同士が重複し、屈折率の周期性が失われた領域において、誘電体変化構造を変調することにより、単一導波路の導波モードから、結合導波路の導波モードへ断熱的に変化させることを特徴とする結合光導波路を有する光デバイス装置。
（２）接線方向及び法線方向に空気孔を周期的に配置した半導体スラブ上のフォトニック結晶自由曲線光導波路に対し、接合部付近の空気孔の位置及び半径を変調することにより、上記誘電体変化構造を変調することを特徴とする（１）に記載の結合光導波路を有する光デバイス装置。
（３）上記フォトニック結晶自由曲線光導波路を用いて２本の単一導波路と１対の結合導波路を接続させることを特徴とする（１）又は（２）に記載の結合光導波路を有する光デバイス装置。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、独立した複数のフォトニック結晶自由曲線光導波路を、導波路間が近接し、光学的に結合した状態へと反射・散乱を抑制しながら滑らかに移行させることができる。このため、導波路同士を、光学特性を劣化させずに接合することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下本発明について実施例を例示して説明する。
断熱曲がり導波路を利用して、２本の単一導波路から方向性結合器の結合導波路へ接続する分岐導波路へ適用した実施例について説明する。本発明では円弧状断熱曲がり導波路を、図１０のように接合することで、単一導波路の伝播モードを結合導波路の伝播モードに反射・散乱なく変換する。
すなわち２つの曲がり導波路AとBの接合面については、円の重なり方に応じて次のように処理する。(a):A とB の円が離れている場合、接近した円の半径を大きくする、または円の位置を接合線側へシフトさせる。(b):A とB の円が接近した場合、接近した円の半径を小さくする、または円の位置を接合線から離れる方向へシフトさせる。(c):A とB の円が重複した場合、元の円孔を除去し接合線(破線で示す) の位置に大きな円孔を作成する。(d):A とB の円が大きく重複した場合、元の円孔を除去し接合線(破線で示す) の位置に小さな円孔を作成する。(e):A とB の円が接合線を完全に超えた場合、接合線を越えた円孔を除去する。
【００１７】
接合線付近の変調方法の一例を以下に示す。接合線のy座標を0、各空気円孔の座標を(xc,yc)、半径をrcとおき、接合線上側(y>0側)の断熱曲がり導波路については、
（１）yc≦-0.5 の場合、この円孔を除去する。(図１０の(f))
（２）-0.5 ≦ yc < 0.25 の場合、この円孔を除去し、位置(xc, 0)(接合線上) に半径yc +rc の円孔を作成する。(図１０の(d)、(e))
（３）0.25 ≦ y < 0.5 の場合、この円孔の半径を2.5rc|yc| に変更する。(図１０の(b)、(c))
接合線下側(y<0)の断熱曲がり導波路については接合線に関して鏡映対称性が保たれるように同様の変調を行う。
【００１８】
図１０(a)は、断熱Ｙ分岐導波路を伝播する光の磁場分布、(b)は他方の入力導波路を逆流する反射スペクトルと結合導波路入力端におけるＢａｒ、Ｃｒｏｓｓ方向の透過スペクトルである。従来の分岐導波路に対して計算した結果(図５)と比較して、反射光が大幅に抑制され、結合導波路入力端におけるＣｒｏｓｓ方向への光の漏れも抑制できている。
【００１９】
図１２は、断熱変化構造を用いた方向性結合器のパワースペクトル計測結果である。結合導波路両端以外の構造、すなわち結合導波路部分の構造は図７の計測に用いたものと等しく、長さも36aに揃えている。Ｂａｒ方向とＣｒｏｓｓ方向の出力強度が相補的に変動しており、方向性結合器本来の特性が正しく得られている。
【００２０】
図１３は、図１０に示す分岐導波路を用いて作製される光バッファ回路である。本発明により従来の急峻な曲がり部分をすべて除去することができるため、方向性結合器、およびリング導波路内部において散乱・反射による光学特性の劣化を大幅に低減できる。
【００２１】
図１４に作製した断熱分岐導波路のＳＥＭ像を示す。作製はすべて電子ビームリソグラフィ技術を用いている。本発明の構造は、自由曲線導波路形成のための特殊な構造や作製工程は必要とせず、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】
【００２２】
【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導波路の作成方法の例
【図３】従来の曲がり導波路を用いた方向性結合器
【図４】従来の曲がり導波路を用いた方向性結合器の透過スペクトル
【図５】(a):従来型Ｙ分岐導波路を伝播する光の磁場分布と、(b):結合導波路端で反射され、他方の入力導波路を逆流する反射スペクトルと、入力側結合導波路端におけるＢａｒ、Ｃｒｏｓｓ方向の透過スペクトル
【図６】従来の曲がり導波路を用いた方向性結合器を計測中に上方から撮影した写真
【図７】自由曲線光導波路（六方格子の場合）
【図８】自由曲線光導波路（正方格子の場合）
【図９】2本の自由曲線導波路それぞれの片方の導波路端同士を接近させる概念図
【図１０】円弧状自由曲線光導波路2本を接合させて設計した結合導波路用分岐・合波導波路
【図１１】図１０の構造を導入した分岐導波路を伝播する光の磁場分布と、(b):結合導波路端で反射され、他方の入力導波路を逆流する反射スペクトルと、入力側結合導波路端におけるＢａｒ、Ｃｒｏｓｓ方向の透過スペクトル
【図１２】図１０の構造を導入した分岐導波路を使用した方向性結合器の透過スペクトル
【図１３】図１０の構造を導入した分岐導波路を使用した方向性結合器、および自由曲線導波路を用いた、急峻な曲がりを用いない光バッファ回路
【図１４】断熱構造を導入した分岐導波路の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７】
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【図８】
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【図９】
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【図１２】
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【図１３】
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【図５】
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【図６】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１４】
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