(57)【要約】【課題】製造が容易で優れた波長選択フィルタとして用いることができる２次元フォトニック結晶デバイスを提供する。【解決手段】柱６２を正方格子状に配列して２次元フォトニック結晶を構成する。この２次元フォトニック結晶にその結晶欠陥により構成された線状の導波路５に共振器５１が形成される。共振器５１は導波路５の幅方向中心に位置する主要柱２１と、その主要柱２１に対して光が入射する側に位置する２本の副柱２３と、主要柱２１に対して光が出射する側に位置する２本の副柱２２とを導波路５内に形成することによって構成される。２本の副柱２３はそれらの中心が導波路５の幅方向中心に一致されて導波路５の幅方向に配列されている。主要柱２１及び副柱２２，２３は柱６２と同一媒質よりなり、柱６２と一括形成される。導波路５に入射された光のうち、特定波長の光のみが共振して共振器５１を透過する。【選択図】図１
2008268983.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１屈折率の第１媒質層に、第１屈折率と異なる第２屈折率の第２媒質よりなる柱が行及び列に同一間隔で埋め込まれた２次元フォトニック結晶と、
上記フォトニック結晶にその結晶欠陥により構成された線状導波路と、
上記線状導波路上に設けられ、上記第２媒質よりなる共振用柱とを備え、
上記共振用柱は上記線状導波路の幅方向中心に配置された主要柱と、その主要柱に対して光の入射側に配置された副柱の組と、その主要柱に対して光の出射側に配置された副柱の組とよりなり、
上記光の入射側に配置された副柱の組は２本の副柱よりなり、それら２本の副柱はそれらの中心が上記線状導波路の幅方向中心に一致されて上記線状導波路の幅方向に配列されていることを特徴とする２次元フォトニック結晶デバイス。
【請求項２】
第１屈折率の第１媒質層に、第１屈折率と異なる第２屈折率の第２媒質よりなる柱が行及び列に同一間隔で埋め込まれた２次元フォトニック結晶と、
上記フォトニック結晶にその結晶欠陥により構成された線状導波路と、
上記線状導波路上に設けられ、上記第２媒質よりなる共振用柱とを備え、
上記共振用柱は上記線状導波路の幅方向中心に配置された主要柱と、その主要柱に対して光の入射側に配置された副柱の組と、その主要柱に対して光の出射側に配置された副柱の組とよりなり、
上記光の入射側に配置された副柱の組は３本の副柱よりなり、それら３本の副柱のうち、２本はそれらの中心が上記線状導波路の幅方向中心に一致されて上記線状導波路の幅方向に配列され、残る１本は上記２本に対して上記主要柱側に位置し、上記線状導波路の幅方向中心に配置されていることを特徴とする２次元フォトニック結晶デバイス。
【請求項３】
請求項１又は２記載の２次元フォトニック結晶デバイスにおいて、
上記線状導波路の幅が上記共振用柱が位置する部分において上記線状導波路の中心線に対して対称的に狭められていることを特徴とする２次元フォトニック結晶デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、２次元フォトニック結晶デバイスに関し、特に、波長分割多重通信（ＷＤＭ）等の技術分野において使用される２次元フォトニック結晶デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
過去数年に亘って、波長分割多重通信の技術分野は、めざましい技術の進歩発展が進行している。この技術の進歩発展は、主としてインターネットにおけるネットワークユーザの通信速度の高速化の要請に応えようとする努力に起因してもたらされている。ＷＤＭ技術はその構成部品の価格が高価であるので、これを使用して光通信によるインターネット回路網を構成しようとすると光通信回路網の全体の形成コストが増大するにも関わらず、光通信回路網の構成に採用されるべき主要な技術となりつつある。今日において、光工学は通信回路網における情報の伝送の媒体に係わるものとして取り扱われている。次世代の通信回路網における光工学は、光通信におけるスイッチング動作および制御動作の一部或いは全部を担う技術として期待されている。新規の光工学技術はユーザに対して、ＷＤＭ構成部品のローコスト化、および高性能化の道を拓くことになる。
【０００３】
ところで、ＷＤＭ技術は、種々の従来技術を基礎として成り立っている。基礎となる従来技術としては、Fabry Perotフィルタ、薄膜干渉フィルタ、Mach-Zehnderフィルタ、birefringentフィルタ、ファイバ格子ブラッグ反射フィルタ、導波路回折格子の如き技術が含まれる。一方、光集積回路において、導波路を低損失で湾曲形成するには、数１００μｍを超える長距離に亘って緩やかに湾曲する必要があり、これが光集積回路のサイズを増大することにつながっている。
従来のデバイスと比較して小規模で多チャネルのＷＤＭデバイスを得るには、フォトニック結晶を採用することによりその目的を達成することができる。フォトニック結晶とは、屈折率が大きく異なる２種類の透明な媒質を光波長程度の周期で規則正しく交互に配置した人工結晶をいう。フォトニック結晶は光を屈曲し、方向付けし、そしてサブミリメートルのスケールで取り扱われ、多重の光学機能を発揮する単一構造で高密度に構成される複合装置を構成する能力を有している。
【０００４】
フォトニック結晶には大別して屈折率ｎ１の媒質および屈折率ｎ２の媒質を交互に１次元周期配列して構成した１次元フォトニック結晶と、屈折率ｎ１の媒質および屈折率ｎ２の媒質を交互に２次元周期配列して構成した２次元フォトニック結晶と、屈折率ｎ１の媒質および屈折率ｎ２の媒質を交互に３次元周期で配列構成した３次元フォトニック結晶とがある。このようなフォトニック結晶は、例えば高屈折率側である屈折率ｎ１の媒質をシリコン、ガリウム砒素、インジウム燐その他の半導体により構成し、低屈折率側である屈折率ｎ２の媒質を空気やガラスにより構成する。
フォトニック結晶は、上述した通り、その構成要素を光の半波長のオーダーの周期で配列した周期構造を有する。２次元周期構造のフォトニック結晶の構成要素は例えば低屈折率の媒質を空気とし、高屈折率の媒質を誘電体とする場合、空気中に配列された誘電体柱であるか、或いは誘電体内に配列された空孔とすることができる。フォトニック結晶が持つ重要な特徴にフォトニックバンドギャップの存在がある。フォトニックバンドギャップにおいては、或る周波数範囲内の光はその伝播を禁止される。但し、フォトニック結晶は、その内部に結晶欠陥を導入することによりそこを光の導通する導波路とすることができるという意味で光制御に使用することができる。フォトニック結晶内の導波路は、一般に、周期構造の構成要素を線状に破壊することにより構成する。
【０００５】
Ａｄｄ−Ｄｒｏｐフィルタとして動作する主要な従来技術として導波路に沿って結晶欠
陥を形成するものが特許文献１に示されている。この特許文献１に示されているＡｄｄ−Ｄｒｏｐフィルタは図２４に示したように、空気より屈折率が高い材料から形成されているスラブ１１に、円柱孔１６を三角格子状に配列形成して屈折率分布を形成した２次元フォトニック結晶構造を有し、フォトニック結晶の周期的配列に線状の欠陥１２を形成して導波路とし、この導波路に隣接してフォトニック結晶の周期的配列を乱す点欠陥１４を一つの円柱孔１６の径を変えることによって設けたものとなっており、導波路に入射されて伝搬する複数の波長（λ１，λ２，…，λｉ，…）を含む波長帯域の光１３のうち、特定の波長（λｉ）の光１５が点欠陥１４に捕獲されてスラブ１１の面と直交方向に放射されるものとなっている。
【０００６】
また、非特許文献１には図２５Ａに示したように２次元フォトニック結晶の周期構造中に周期構造の柱７１とは径が異なり、かつ屈折率がそれぞれ異なる柱よりなる点欠陥Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４を設け、２次元フォトニック結晶構造の一端７２から周期構造の柱７１を線状に除去して導波路７３を形成し、かつその導波路７３を順次分岐させて点欠陥Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４の近くにまでそれぞれ設け、点欠陥Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４の前後にそれぞれ周期構造の２本の柱７１を存在させた状態で分岐された４つの導波路７３をフォトニック結晶の他端７４にまで設けた構成が示されており、一端７２側から導波路７３に入射された広帯域の光は共振器として動作する点欠陥Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４によって、図２５Ｂに示したように選択透過されるものとなっている。
【０００７】
一方、非特許文献２にも図２６に示したように２次元フォトニック結晶構造中に２本の線状導波路８１，８２を設けると共に、これら２本の導波路８１，８２に挟まれた周期構造の柱８３の中に、周期構造の柱８３とは径及び屈折率が異なる柱よりなる点欠陥８４を設け、この点欠陥８４を共振器として動作させることが示されており、例えば導波路８１を伝搬する多重波長光のうちから、特定の波長の光のみを選択して導波路８２に伝搬させるものとなっている。
【特許文献１】特開２００１−２７２５５５号公報
【非特許文献１】C.Jin,S.Han,X.Meng,B.Cheng,and D.Zhang,“Demultiplexer using directly resonant-tunneling between point defects and waveguides in a photonic crystal”J.Appl.Phys., 2002, Vol.91,No.7,P.4771-4773
【非特許文献２】S.Fan,P.R.Villeneuve,J.D.Joannopoulos,and H.A.Haus“Channel drop filters in photonic crystals”Opt.Express, 1998, Vol.3, No.1,P.4-11
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述したように、従来においてはフォトニック結晶構造に線状欠陥により導波路を形成し、この導波路に隣接してフォトニック結晶の周期構造のなかに共振器として機能する点欠陥を構成することにより、波長選択フィルタとして機能する２次元フォトニック結晶デバイスを実現していた。
しかしながら、特許文献１に示された構成では、例えば伝搬光の波長を１．５５μｍとすると、周期構造をなす円柱孔１６と点欠陥１４を構成する円柱孔との間のスラブ１１の壁の厚さは０．０６μｍ程度となり、極めて薄くなることから製造が困難となっていた。また、非特許文献１及び２に示された構成では２次元フォトニック結晶の周期構造を構成する柱のなかに屈折率が異なる柱を点欠陥として形成しなければならず、屈折率を変えることは製造上、容易ではなく、特に図２５Ａに示した非特許文献２の構成のように、４つの点欠陥を形成し、４本のチャネルを有する場合には、フォトニック結晶を構成する２媒質に加え、それらと屈折率の異なる媒質がさらに４つ必要となり、製造が極めて困難なものとなっていた。
この発明の目的は製造が容易で、優れた波長選択フィルタとして用いることができる２次元フォトニック結晶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】
【０００９】
請求項１の発明によれば、２次元フォトニック結晶デバイスは第１屈折率の第１媒質層に、第１屈折率と異なる第２屈折率の第２媒質よりなる柱が行及び列に同一間隔で埋め込まれた２次元フォトニック結晶と、上記フォトニック結晶にその結晶欠陥により構成された線状導波路と、上記線状導波路上に設けられ、上記第２媒質よりなる共振用柱とを備え、上記共振用柱は上記線状導波路の幅方向中心に配置された主要柱と、その主要柱に対して光の入射側に配置された副柱の組と、その主要柱に対して光の出射側に配置された副柱の組とよりなり、上記光の入射側に配置された副柱の組は２本の副柱よりなり、それら２本の副柱はそれらの中心が上記線状導波路の幅方向中心に一致されて上記線状導波路の幅方向に配列されている。
請求項２の発明によれば、２次元フォトニック結晶デバイスは第１屈折率の第１媒質層に、第１屈折率と異なる第２屈折率の第２媒質よりなる柱が行及び列に同一間隔で埋め込まれた２次元フォトニック結晶と、上記フォトニック結晶にその結晶欠陥により構成された線状導波路と、上記線状導波路上に設けられ、上記第２媒質よりなる共振用柱とを備え、上記共振用柱は上記線状導波路の幅方向中心に配置された主要柱と、その主要柱に対して光の入射側に配置された副柱の組と、その主要柱に対して光の出射側に配置された副柱の組とよりなり、上記光の入射側に配置された副柱の組は３本の副柱よりなり、それら３本の副柱のうち、２本はそれらの中心が上記線状導波路の幅方向中心に一致されて上記線状導波路の幅方向に配列され、残る１本は上記２本に対して上記主要柱側に位置し、上記線状導波路の幅方向中心に配置されている。
【発明の効果】
【００１０】
この発明による２次元フォトニック結晶デバイスによれば、共振用柱は２次元フォトニック結晶の周期構造を構成する柱と同一媒質で形成され、よって屈折率を異にする２種類の媒質のみで製造することができるため、極めて容易に製造できるものとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
この発明の実施形態を図面を参照して実施例により説明する。
【実施例１】
【００１２】
まず、図１を参照して実施例１の２次元フォトニック結晶デバイスの基本構造について説明する。２次元フォトニック結晶デバイスはこの例ではシリコンよりなる基板６上にＳｉＯ２酸化膜６１を形成し、そのＳｉＯ２酸化膜６１上に形成したシリコン薄膜をリソグラフィ技術及びエッチング技術を用いてパターニングすることによって形成される。
シリコン薄膜をパターニングすることによって形成された柱６２は円柱状をなして行及び列に同一間隔で配列され、つまり正方格子状に配列されており、空気中（屈折率１．０）に配列されたシリコン（屈折率３．４）よりなる柱６２の周期構造によって２次元フォトニック結晶が構成される。この２次元フォトニック結晶は柱６２が１列除去された、つまり柱６２が１列形成されていない結晶欠陥を有しており、この結晶欠陥により構成された線状の導波路５に共振器５１が形成されている。
【００１３】
共振器５１はこの例ではシリコンよりなる共振用柱を５本、線状導波路５上に設けることによって構成され、円柱状をなす５本の共振用柱は主要柱２１と、その主要柱２１に対して導波路５の光が入射する側に位置する２本の副柱２３と、主要柱２１に対して導波路５の光の出射側に位置する２本の副柱２２とによって構成されている。
各２本の副柱２２，２３はそれぞれ導波路５の延伸方向と直交する方向に、つまり導波路５の幅方向に配列されており、２本の副柱２２の中心及び２本の副柱２３の中心は導波路５の幅方向中心とそれぞれ一致されている。また、主要柱２１は導波路５の幅方向中心に位置されている。図１における矢印３１は導波路５を伝搬する光の方向を示す。共振器５１を構成する主要柱２１及び副柱２２，２３は柱６２と一括形成される。なお、図１Ａは模式的に示した図であり、柱６２及び主要柱２１、副柱２２，２３の高さを大幅に圧縮して示している。
【００１４】
この例では上述したように２次元フォトニック結晶は空気によって第１屈折率の第１媒質層が構成され、第１屈折率と異なる第２屈折率の第２媒質がシリコンとされて、シリコンよりなる柱６２が空気に埋め込まれた構造となっている。
２次元フォトニック結晶においてはフォトニックバンドギャップが形成され、所定の波長域の面内光に対しては光の伝搬が禁止される。これに対し、線状の導波路５においては光を伝搬できる波長域は比較的大きく、フォトニックバンドギャップ内の波長の光が伝搬し、この導波路５に共振器５１を配置することにより、特定波長の光のみが共振して共振器５１を透過する。従って、この２次元フォトニック結晶デバイスは波長選択フィルタとして機能するものとなる。主要柱２１は特定の波長の光を選択透過させるために機能し、副柱２２，２３はその透過光のピークの鋭さを制御するために、つまりＱファクタを高めるために機能する。この点については以下の具体的構成のなかで説明する。
【００１５】
次に、２次元フォトニック結晶デバイスの具体的構成について説明する。図２は波長分割多重通信（ＷＤＭ）の分野において、多重波長光を各別の波長の光に分離選択して透過するために用いることができるＷＤＭ用２次元フォトニック結晶デバイスの構成を示したものであり、正方格子状に配列されたシリコンよりなる柱６２の周期構造の中に、５つの導波路５０，５１，５２，５３，５４がそれぞれ柱６２が１列除去されて形成されている。
柱６２の周期構造は１．１５〜１．８０μｍの波長域の光に対してフォトニックバンドギャップを形成するものとされ、柱６２の直径ｄは０．２μｍとされ、格子間隔ａは０．５μｍとされている。なお、柱６２の高さは入射される光のスポット径に応じて決定されるが、例えば１０μｍ程度はあるものとされる。
【００１６】
導波路５０は多重波長光が入射される部分で、平面形状が長方形をなす２次元フォトニック結晶デバイスの長手方向中央に位置しており、長方形の一方の長辺４１から他方の長辺４２に向かって柱６２が１列、１２個除去されて形成されている。導波路５３，５４は導波路５０の内端からそれぞれ長方形の両短辺４３，４４に到達するように導波路５０と直交方向に形成されており、導波路５１，５２は導波路５０の中間からそれぞれ両短辺４３，４４に到達するように導波路５０と直交方向に形成されている。なお、導波路５１，５２は長辺４１に沿う最外の柱６２から格子間隔ａの５倍の位置に位置する柱６２が１列除去されて構成され、導波路５３，５４はこの１列除去された位置の次の柱６２から格子間隔ａの５倍の位置に位置する柱６２が１列除去されて構成されている。
【００１７】
導波路５１，５２，５３，５４にはそれぞれ共振器５１１，５１２，５１３，５１４が形成され、これら共振器５１１，５１２，５１３，５１４によりそれぞれ異なる特定の波長の光のみが透過して各導波路５１，５２，５３，５４からその特定の波長の光が出射される。従って、この例ではこれら導波路５１，５２，５３，５４によって４本のチャネル（出力チャネル）１，２，３，４が構成されている。
各チャネル１〜４の共振器５１１，５１２，５１３，５１４の構成及び光の透過特性をRsoft Inc.社の「Full Wave」なる名称のソフトウェアを使用してシミュレーションによ
り求めた。このソフトウェアはFinite Difference Time Domain method（ＦＤＴＤ）に基づいて作成されている。
ここでは各共振器５１１，５１２，５１３，５１４の主要柱２１の直径をまず決め、副柱２２，２３の構成及び位置を最適化することによって、透過率が高く、かつピークが急峻でＱファクタが高い透過光が得られるようにした。
【００１８】
図３Ａ〜Ｄはシミュレーションにより得られた各チャネル１〜４の共振器５１１，５１２，５１３，５１４の構成を両側に位置する柱６２を省略して示したものであり、図４はこれら共振器５１１，５１２，５１３，５１４によって選択透過された各チャネル１〜４の光の波長と透過率の関係を示したものである。図４中、波形に付した１，２，３，４はチャネル番号を示す。
まず、各共振器５１１，５１２，５１３，５１４の構成について説明する。なお、図３Ａ〜Ｄにおいては矢印３１で示したように、光の入射側をすべて紙面左側として示している。主要柱２１の直径は共振器５１１では０．２４μｍ、共振器
５１２では０．２８μｍ、共振器５１３では０．３０μｍ、共振器５１４では０．３４μｍとした。これら主要柱２１は図２に示したように導波器５０の幅方向中心から格子間隔ａの５倍の距離のところに位置される。
【００１９】
副柱２２，２３は共振器５１１，５１２では図１に示した共振器５と同様、主要柱２１を挟んで２本ずつ配置し、よってこれら共振器５１１，５１２は計５本の柱を導波路５１，５２内に有する。一方、共振器５１３，５１４は２本の副柱２３に対して主要柱２１側にもう１本、副柱２４を付加し、よってこれら共振器５１３，５１４は計６本の柱を導波路５３，５４内に有する。
副柱２２，２３及び２４の直径はいずれも０．１μｍであり、２本の副柱２２の間隔及び２本の副柱２３の間隔はいずれも０．２μｍである。また、２本の副柱２３と主要柱２１との間隔はいずれも０．７μｍであり、主要柱２１と２本の副柱２２との間隔はいずれも０．９μｍである。なお、副柱２４は光の入射方向において主要柱２１の中心を通る線上に位置し、副柱２４と主要柱２１との間隔は０．５５μｍである。
【００２０】
各チャネル１〜４の共振器５１１，５１２，５１３，５１４を上記のような構成とし、導波路５０から１．１５〜１．８０μｍの波長域の光を入射した時の各チャネル１〜４によって選択透過される光は図４に示したようになり、チャネル１では波長１．３０６μｍの光が共振器５１１によって選択透過され、チャネル２，３，４では波長１．３９０μｍ，１．４５２μｍ，１．５８７μｍの光がそれぞれ選択透過され、図４に示したようにこれら４つの波長の光は極めて急峻なピークをもつものとなっている。なお、図４はチャネル１，２，３，４それぞれ個別に求めた波長と透過率の関係を重ね書きして示している。
表１は上記４つの波長の光をそれぞれ導波路５０から入射させた時の各チャネル１〜４におけるそれら４つの波長の光の透過率を表にまとめて示したものである。
【表１】
2008268983.tif 000003
【００２１】
図５Ａ〜Ｄは１．３０６μｍ，１．３９０μｍ，１．４５２μｍ及び１．５８７μｍという４つの波長の光を導波路５０からそれぞれ入射させた時のある瞬時における電界分布を示したものであり、＋印は正電界を示し、−印は負電界を示している。図５Ａからわかるように、波長１．３０６μｍの光はチャネル２，３，４を伝搬できず、チャネル１の共振器５１１にのみ共振してチャネル１を伝搬する。同様に、波長１．３９０μｍの光は図５Ｂに示したようにチャネル２の共振器５１２にのみ共振してチャネル２を伝搬し、波長１．４５２μｍの光は図５Ｃに示したようにチャネル３の共振器５１３にのみ共振してチャネル３を伝搬し、波長１．５８７μｍの光は図５Ｄに示したようにチャネル４の共振器５１４にのみ共振してチャネル４を伝搬する。
従って、この２次元フォトニック結晶デバイスによれば、入射された波長多重光を４つの各別の波長の光に分離選択して透過させることができる。
【００２２】
図６は主要柱２１の直径ｄ１と透過光の波長の関係を示したものであり、直径ｄ１を大きくすることにより選択透過される波長が大きくなることがわかる。
ここで、共振器５１の要素である主要柱２１、副柱２２，２３の役割を１本のチャネルについて行ったシミュレーション結果をもとに説明する。
まず、図７Ａに示したように、２次元フォトニック結晶デバイスが導波路５０とチャネル１を構成する導波路５１を有するものとし、主要柱２１のみを導波路５１に配置してなる共振器５１ａについてシミュレーションする。主要柱２１の直径はここでは０．２８μｍとした。図７Ａ中には導波路５０から光を入射させた時の電界分布を示してあり、図７Ｂは導波路５０から１．１５〜１．８０μｍの波長域の光を入射させた時の共振器５１ａ
によって選択透過された光の波長−透過特性を示す。透過率のピークは波長１．４μｍであり、波長１．４μｍの光が選択されているものの、１．１５〜１．６５μｍといった広帯域の光が透過しており、つまり選択透過される光はピークが急峻ではなく、広がりが大きくなっていることからＱファクタは良くない。
【００２３】
主要柱２１の存在は電界あるいは電界間隔の局所限定を変化させ、光波長を選択することにつながる。負電界及び正電界は常に部分的に主要柱２１の導波路延伸方向両側に存在する。従って、主要柱２１の役割は透過波長を選択するものであると類推することができる。
図８Ａ〜Ｃはこの主要柱２１のみが配置された図７Ａの共振器５１ａにおける波長１．２μｍ，１．４μｍ及び１．６μｍの光の電界分布をそれぞれ示したものであり、図８Ａに示した波長１．２μｍの場合及び図８Ｃに示した波長１．６μｍの場合では共振器５１ａを中心として、つまり主要柱２１を中心として電界分布は非対称になっていることがわかる。この非対称性により、これら波長においては透過率が低いものとなる。一方、図８Ｂに示した波長１．４μｍでは主要柱２１を中心として対称に電界分布が生じており、この対称な電界分布によって透過率が高くなる。
【００２４】
主要柱２１は上述した通り、透過波長を選択するものであるが、透過波長のＱファクタは高くなく、光の透過方向において主要柱２１の前後に電界を閉じ込める光キャビティを構成することによってＱファクタを高めることができる。このようなキャビティは副柱２２，２３さらには２４の存在によって構成される。
図９Ａは図２に示した２次元フォトニック結晶デバイスのチャネル２に配置された共振器５１２において、選択透過される波長１．３９０μｍの光の電界分布を示したものである。この共振器５１２は点線で包囲されるごとく、４面ミラーＣに見える。２本の副柱２２は共振器５１２の光の出射側ミラー範囲を定め、２本の副柱２３は光の入射側のミラー範囲を定める。また、導波路５２の幅方向両側にそれぞれ位置するフォトニック結晶を構成する周期構造の５本の柱６２は導波路５２の幅方向両側の共振器５１２のミラー範囲を定める。この４面ミラーＣは太線で示した２個の光キャビティＣ１及びＣ２によって構成されていると言え、これら光キャビティＣ１，Ｃ２に正負の電界が図９Ａに示したように閉じ込められる。高度の電界の閉じ込めは電界の空間的配列が共振波長に一致したときに生起し、ピークは急峻になる。電界は主要柱２１及び副柱２２，２３の近傍に局所限定されている。共振器５１２は非共振波長の光を反射し、２個の光キャビティＣ１，Ｃ２は共振波長の光のみを閉じ込め、よってこの共振器５１２によれば３００程度の高いＱファクタで１．３９０μｍの波長の光が選択透過される。図９Ｂはこの共振器５１２に１．１５〜１．８０μｍの波長域の光を入射させた時の波長−透過特性を示したものである。
【００２５】
上述した共振器５１２に対して２本の副柱２２を削除した場合の電界分布及び波長−透過特性を図１０（１）Ａ，Ｂに示す。また、共振器５１２に対して２本の副柱２３を削除した場合の電界分布及び波長−透過特性を図１０（２）Ａ，Ｂに示す。さらに、共振器５１２に対して副柱２３を１本のみ削除すると共に残った１本の副柱２３を導波路幅方向中心に位置させた場合の電界分布及び波長−透過特性を図１０（３）Ａ，Ｂに示す。図１０（１）Ｂ，図１０（２）Ｂではピークの幅が広く、広帯域の光が透過するものとなっており、また図１０（３）Ｂではかなり急峻なピークを示している。
【００２６】
図１１（１）Ａは図７Ａに示した構成と同様、導波路５０とチャネル１を構成する導波路５１を有し、導波路５１に主要柱２１と各２本の副柱２２，２３とよりなる共振器５１５が配置されてなる２次元フォトニック結晶デバイスを示したものであり、主要柱２１の直径はここでは０．３２μｍとしている。主要柱２１の直径をこのような大きさとし、導波路５０から１．１５〜１．８０μｍの波長域の光を入射した時のチャネル１によって選択透過される光は図１１（１）Ｂに示したようになり、波長１．５３０μｍの光が共振器５１５によって選択透過される。図１１（１）Ａ中にはこの波長１．５３０μｍの光を導波路５０から入射させた時の電界分布を示している。
【００２７】
一方、図１１（２）Ａは図１１（１）Ａに対し、導波路５１の幅のみを変え、１μｍより狭い０．８μｍにした場合の波長１．５３０μｍの光の電界分布を示したものであり、図１１（２）Ｂはこの図１１（２）Ａに示した構成における光の波長−透過特性を示したものである。これら図１１（２）Ａ，Ｂは導波路５１の幅を０．８μｍにすると、１．１５〜１．８０μｍの波長域の光は導波路５１を伝搬することができなくなることを示している。
これに対し、図１１（３）Ａは導波路５１の幅を広くし、１．２μｍにした場合の波長１．５３０μｍの光の電界分布を示したものであり、図１１（３）Ｂはこの図１１（３）Ａに示した構成における光の波長−透過特性を示したものである。これら図１１（３）Ａ，Ｂより導波路５１の幅を広くした場合は導波路５１を光が伝搬するものの、共振器５１５ｂによって選択透過された光のピークの幅は広くなり、Ｑファクタが悪くなることがわかる。
【００２８】
図１１（１）Ａ〜（３）Ａでは２本の副柱２３と主要柱２１との間隔及び主要柱２１と２本の副柱２２との間隔はそれぞれ０．７μｍ，０．９μｍとなっており、つまり光キャビティＣ１，Ｃ２（図９Ａ参照）の導波路延伸方向の寸法は同じであるものの、導波路幅方向の寸法が異なることから光キャビティＣ１，Ｃ２の容積が異なるものとなっており、光キャビティＣ１，Ｃ２の容積が好ましい容積から外れると光キャビティＣ１，Ｃ２として有効に作用しなくなることを示している。つまり、光キャビティＣ１，Ｃ２の容積は光の選択透過及びその透過光のＱファクタを高め、ピークを急峻とする上で重要な役割を果たす。
【００２９】
次に、図２のチャネル２に配置した共振器５１２を例に、共振器５１２を構成する主要柱２１及び副柱２２，２３の導波路延伸方向の位置関係と透過特性の関係について説明する。
図１２Ｂは図１２Ａに示したように副柱２２，２３の位置を固定し、主要柱２１の位置のみを導波路延伸方向に変化させたときの透過率の変化を示したものであり、主要柱２１の位置はＬ１＝０μｍの初期位置において最大の透過率が得られるが、主要柱２１の位置を変えても透過率の低下はゆるやかであり、Ｌ１が−０．１μｍから０．４μｍの範囲内において２５％より高い透過率を得ることができる。従って、高い透過率を得るために副柱２２と副柱２３との間における主要柱２１の導波路延伸方向の位置については特に高い位置精度を要求されない。これはこの発明の大きな特徴である。
【００３０】
また、主要柱２１の位置を選定することによって、透過率を所望の値に設定することができるということは、光アッテネーション機能を持たせることができることを示しており、つまり入力光の強度に対する出力光の強度の比を所望の値とすることができることを示している。これは、波長選択フィルタ機能と光アッテネーション機能とを同時に実現することができるものであり、この発明の大きな特徴とするところである。
図１３Ｂは図１３Ａに示したように主要柱２１及び副柱２２の位置を固定し、２本の副柱２３の位置を導波路延伸方向に変化させたときの透過率の変化を示したものであり、２本の副柱２３の位置はＬ２＝０μｍの初期位置において最大の透過率が得られ、副柱２３の位置精度は前述の主要柱２１の位置精度に比べ、高い位置精度が要求されるものとなっている。
【００３１】
図１４Ｂは図１４Ａに示したように主要柱２１及び副柱２３の位置を固定し、２本の副柱２２の位置を導波路延伸方向に変化させたときの透過率の変化を示したものであり、２本の副柱２２の位置はＬ３＝０μｍの初期位置において最大の透過率が得られ、副柱２２
の位置精度は副柱２３と同様、高い位置精度が要求されるものとなっている。
図１５Ｂは図１５Ａに示したように主要柱２１に対して副柱２２及び２３の位置を同時に導波路延伸方向に変化させたときの透過率の変化を示したものであり、副柱２２，２３は互いに近づく、あるいは互いに遠ざかるといった位置変化をする。図１５ＢよりＬ４＝０μｍの初期位置において最大の透過率が得られると共に、Ｌ４＝０．４μｍにおいても高い透過率が得られるものの、このＬ４＝０．４μｍの時には透過波長が広帯域となっており、Ｑファクタが悪いという結果を得た。
【００３２】
次に、図３Ｃ及びＤに示したようにチャネル３の共振器５１３及びチャネル４の共振器５１４において光の入射側に２本の副柱２３に加え、もう１本副柱２４を設けた点についてチャネル４でのシミュレーション結果をもとに説明する。
チャネル４での波長１．５８７μｍの光の透過率は前記表１に示したように２９％である。ここで副柱２４を除去すると透過率は４％にまで減少してしまう。これに対し、チャネル１や２ではこのような副柱２４を設けなくても表１に示したように６３％あるいは７０％といった高い透過率が得られている。
【００３３】
このことは、光が入射される導波路５０から最初に分岐しているチャネル１，２では副柱２４は不要であるものの、次に分岐しているチャネル３，４では副柱２４を設けることが重要なことであることを示しており、副柱２４を設けることはチャネル数を増加し、かつ光の透過率を高く保持する上で重要なことであると類推される。
上述した例によれば、共振器５１を構成する主要柱２１及び副柱２２，２３さらには２４といった５本もしくは６本の共振用柱は、２次元フォトニック結晶の周期構造を構成する柱６２と同一媒質で形成され、よって非特許文献１や２に記載されている構成のように、周期構造を構成する柱とは屈折率の異なる媒質によって共振用の点欠陥（柱）を設ける構成と異なり、フォトニック結晶を構成する２媒質のみでデバイスを製造することができるため、製造が極めて容易となる。
【００３４】
また、特許文献１に記載された構成では円柱孔よりなる点欠陥１４と周期構造をなす円柱孔１６との間の壁が、例えば伝搬光の波長を１．５５μｍとすると０．０６μｍ程度となって極めて薄くなることから製造が困難となっていたが、この例では隣接する柱間の隙間は最低でも０．１μｍあり、つまり空気層の厚さは最低でも０．１μｍあり、よってその分、容易に製造できるものとなっている。さらに、選択透過される光の中心波長は主要柱２１の径によって基本的に決まるが、この例では主要柱２１の周囲には大きな空間があり、主要柱２１の径を広い範囲で選択することができることから、結果的に広い波長域の光に対して例えば４チャネルといった複数チャネルの波長を選択することができるものとなる。
【００３５】
加えて、特許文献１に記載された構成では入射光１３は導波路端面からスラブ１１の面内方向に入射されるものの、点欠陥１４によって捕獲選択された光１５はスラブ面と垂直方向に出射されることから、例えばその出射光を受けるデバイスの配置が難しく、その点で取扱いづらいものとなっていたが、この例では光の入出射は同一面内で行われるため、その点、取扱い易いものとなっている。
【実施例２】
【００３６】
実施例２は共振器を構成する部分において、線状導波路の幅を局所的に狭めることにより、高いＱファクタが得られるようにし、共振器の性能を向上させて、より優れた波長選択特性を実現できるようにしたものであり、この実施例２の２次元フォトニック結晶デバイスの基本構造を図１６に示す。なお、図１と対応する部分には同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。
この例では導波路５の共振器５１を構成する部分において導波路５の幅方向両側に位置する周期構造の柱６２の位置がずらされ、これにより導波路５の幅がその中心線に対して対称的に狭められたものとなっている。位置をずらす柱６２は図１６にドットを付して示したように、この例では共振器５１の導波路幅方向両側を規定する各５本の柱６２とされる。これら柱６２の位置は順次ずらされており、導波路５の幅は主要柱２１が位置する共振器５１の中央において最も狭められ、この位置から光の入射側及び出射側に向って対称的に広げられている。
【００３７】
共振器５１はこのように幅が狭められた導波路５内に、主要柱２１と各２本の副柱２２，２３を形成することによって構成されており、このような構成を採用したことにより、高いＱファクタが得られるものとなっている。
図１７はこのような共振器構造を有する２次元フォトニック結晶デバイスの具体的構成として、前述の図２に示したデバイスと同様、４本のチャネル１〜４を有し、多重波長光を４つの各別の光に分離選択することができるＷＤＭ用２次元フォトニック結晶デバイスの構成を示したものであり、図２と対応する部分には同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００３８】
以下、シミュレーションにより求めた各チャネル１〜４の共振器５１６，５１７，５１８，５１９の構成及び光の透過特性について説明する。
まず、共振器５１６，５１７，５１８，５１９の構成を図１８〜図２１を参照して説明する。この例では主要柱２１の直径は共振器５１６では０．２７６μｍ、共振器５１７では０．２８０μｍ、共振器５１８では０．２８４μｍ、共振器５１９では０．２８８μｍとされている。各２本の副柱２２，２３の直径はいずれも０．１μｍであり、２本の副柱２２の間隔及び２本の副柱２３の間隔はいずれも０．２μｍである。また、２本の副柱２３と主要柱２１との間隔はいずれも０．７μｍであり、主要柱２１と２本の副柱２２との間隔はいずれも０．９μｍである。なお、この例ではチャネル３，４の共振器５１８，５１９も主要柱２１と各２本の副柱２２，２３とよりなる５本の柱が導波路５３，５４に配置されたものとなっている。
【００３９】
導波路幅方向両側に位置して位置がずらされている各５本の柱６２（この例では光の入射側からそれら柱を順に６２１，６２２，６２３，６２４，６２５としている）の位置は、柱６２１では０．０５μｍ、柱６２２では０．１μｍ、柱６２３では０．１５μｍ、柱６２４では０．１μｍ、柱６２５では０．０５μｍ、それぞれ導波路幅方向中心に近づく方向に、いずれの共振器５１６，５１７，５１８，５１９においてもずらされている。
図２２は各チャネル１〜４の共振器５１６，５１７，５１８，５１９を上記のような構成とし、導波路５０から光を入射させた時の各チャネル１〜４によって選択透過される光の波長と透過率の関係を各別に求め、重ね書きして示したものであり、この例では１．３５μｍ〜１．４２μｍといった狭い波長域内において、４つの波長の光を選択透過できるものとなっており、これら４つの波長の光は極めてピークが急峻でＱファクタは４００〜６００の間の値が得られている。
【００４０】
図２３は一例としてチャネル２に配置された共振器５１７における共振波長の光が入射されたときの電界分布を示したものであり、電界はほぼ全部が共振器５１７内に、つまり光キャビティ内に局所限定され、これにより光の閉じ込め性能が改善されていることがわ
かる。
なお、図１８〜２１に示した各チャネル１〜４の主要柱２１の直径と、図２２に示した各チャネル１〜４の透過光の波長−透過特性とから、主要柱２１の直径を０．４ｎｍ変えると、選択波長が１ｎｍ変化することがわかった。
上述したような２次元フォトニック結晶デバイスはリソグラフィ技術及びエッチング技術を用いて形成することができる形状寸法を有しており、例えば電子ビームリソグラフィ及び誘導結合プラズマエッチングといった技術を採用して形成される。
【００４１】
なお、図２及び図１７に示したデバイスではいずれもチャネル数を４チャネルとしているが、チャネル数は４チャネルより多くすることもでき、また４チャネルより少ないものとしてもよい。
また、上述では空気中にシリコンよりなる柱を周期配列して２次元フォトニック結晶を構成し、かつシリコンよりなる共振用柱を用いる柱構造となっているが、このような柱構造に替えて例えばシリコンのごとき誘電体に孔を周期的に配列形成し、かつ共振用孔を形成するといった孔構造を採用しても、上述と同様の結果を得ることができる。
なお、使用する２つの媒質は上述ではシリコンと空気とされているが、これら媒質に限定されるものではなく、例えばシリコンに替えてインジウム燐、ガリウム砒素等の誘電体物質を用いることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】Ａはこの発明の第１の実施例の基本構成を模式的に示す斜視図、ＢはＡの平面図。
【図２】この発明の第１の実施例の具体的構成を示す平面図。
【図３】Ａは図２におけるチャネル１の共振器５１１の要部構成を示す部分拡大平面図、Ｂは図２におけるチャネル２の共振器５１２の要部構成を示す部分拡大平面図、Ｃは図２におけるチャネル３の共振器５１３の要部構成を示す部分拡大平面図、Ｄは図２におけるチャネル４の共振器５１４の要部構成を示す部分拡大平面図。
【図４】図２のデバイスのチャネル１〜４によってそれぞれ選択透過される透過光の波長−透過特性を示す図。
【図５】Ａは図２のデバイスに波長１．３０６μｍの光を入射させた時の電界分布を示す平面図、Ｂは図２のデバイスに波長１．３９０μｍの光を入射させた時の電界分布を示す平面図、Ｃは図２のデバイスに波長１．４５２μｍの光を入射させた時の電界分布を示す平面図、Ｄは図２のデバイスに波長１．５８７μｍの光を入射させた時の電界分布を示す平面図。
【図６】共振器の主要柱２１の直径と透過光の波長の関係を示す図。
【図７】Ａは主要柱２１のみ導波路に配置した共振器が設けられている１チャネルの２次元フォトニック結晶デバイス及びその電界分布を示す平面図、ＢはＡに示したデバイスの透過光の波長−透過特性を示す図。
【図８】Ａは図７Ａに示したデバイスに波長１．２μｍの光を入射させた時の主要柱近傍の電界分布を示す部分拡大平面図、Ｂは図７Ａに示したデバイスに波長１．４μｍの光を入射させた時の主要柱近傍の電界分布を示す部分拡大平面図、Ｃは図７Ａに示したデバイスに波長１．６μｍの光を入射させた時の主要柱近傍の電界分布を示す部分拡大平面図。
【図９】Ａは図２に示したデバイスのチャネル２の共振器５１２の電界分布を示す部分拡大平面図、ＢはＡの共振器の波長−透過特性を示す図。
【図１０】（１）Ａは図９Ａの共振器から２本の副柱２２を削除した共振器の電界分布を示す部分拡大平面図、（１）Ｂは（１）Ａの共振器の波長−透過特性を示す図、（２）Ａは図９Ａの共振器から２本の副柱２３を削除した共振器の電界分布を示す部分拡大平面図、（２）Ｂは（２）Ａの共振器の波長−透過特性を示す図、（３）Ａは図９Ａの共振器から副柱２３を１本削除し、残りの１本を導波路の幅方向中央に配置した共振器の電界分布を示す部分拡大平面図、（３）Ｂは（３）Ａの共振器の波長−透過特性を示す図。
【図１１】（１）Ａは主要柱２１と各２本の副柱２２，２３とを導波路に配置した共振器が設けられている１チャネルの２次元フォトニック結晶デバイス及びその電界分布を示す平面図、（１）Ｂは（１）Ａの共振器の波長−透過特性を示す図、（２）Ａは（１）Ａのデバイスの共振器が設けられている導波路５１の幅のみ１μｍから０．８μｍに狭めた構成及びその電界分布を示す平面図、（２）Ｂは（２）Ａの共振器の波長−透過特性を示す図、（３）Ａは（１）Ａのデバイスの共振器が設けられている導波路５１の幅のみ１μｍから１．２μｍに広げた構成及びその電界分布を示す平面図、（３）Ｂは（３）Ａの共振器の波長−透過特性を示す図。
【図１２】Ａは図３Ｂに示した共振器５１２において主要柱２１の位置を変化させる方向を示す図、ＢはＡに示すように主要柱２１の位置を変化させた場合の透過率の変化を示す図。
【図１３】Ａは図１２Ａの共振器５１２において副柱２３の位置を変化させる方向を示す図、ＢはＡに示すように副柱２３の位置を変化させた場合の透過率の変化を示す図。
【図１４】Ａは図１２Ａの共振器５１２において副柱２２の位置を変化させる方向を示す図、ＢはＡに示すように副柱２２の位置を変化させた場合の透過率の変化を示す図。
【図１５】Ａは図１２Ａの共振器５１２において副柱２２，２３の位置を同時に変化させる方向を示す図、ＢはＡに示すように副柱２２，２３の位置を変化させた場合の透過率の変化を示す図。
【図１６】Ａはこの発明の第２の実施例の基本構成を模式的に示す斜視図、ＢはＡの平面図。
【図１７】この発明の第２の実施例の具体的構成を示す平面図。
【図１８】図１７におけるチャネル１の共振器５１６の構成を示す部分拡大平面図。
【図１９】図１７におけるチャネル２の共振器５１７の構成を示す部分拡大平面図。
【図２０】図１７におけるチャネル３の共振器５１８の構成を示す部分拡大平面図。
【図２１】図１７におけるチャネル４の共振器５１９の構成を示す部分拡大平面図。
【図２２】図１７のデバイスのチャネル１〜４によってそれぞれ選択透過される透過光の波長−透過特性を示す図。
【図２３】図１７に示したデバイスのチャネル２の共振器５１７の電界分布を示す部分拡大平面図。
【図２４】２次元フォトニック結晶デバイスの第１の従来例を示す斜視図。
【図２５】Ａは２次元フォトニック結晶デバイスの第２の従来例を示す平面図、ＢはＡのデバイスの入射光と選択された透過光の周波数特性を示す図。
【図２６】２次元フォトニック結晶デバイスの第３の従来例を示す平面図。
【図１】
2008268983.tif 000004
【図２】
2008268983.tif 000005
【図３】
2008268983.tif 000006
【図４】
2008268983.tif 000007
【図５】
2008268983.tif 000008
【図６】
2008268983.tif 000009
【図７】
2008268983.tif 000010
【図８】
2008268983.tif 000011
【図９】
2008268983.tif 000012
【図１０】
2008268983.tif 000013
【図１１】
2008268983.tif 000014
【図１２】
2008268983.tif 000015
【図１３】
2008268983.tif 000016
【図１４】
2008268983.tif 000017
【図１５】
2008268983.tif 000018
【図１６】
2008268983.tif 000019
【図１７】
2008268983.tif 000020
【図１８】
2008268983.tif 000021
【図１９】
2008268983.tif 000022
【図２０】
2008268983.tif 000023
【図２１】
2008268983.tif 000024
【図２２】
2008268983.tif 000025
【図２３】
2008268983.tif 000026
【図２４】
2008268983.tif 000027
【図２５】
2008268983.tif 000028
【図２６】
2008268983.tif 000029