(57)【要約】【課題】光信号を処理する種々の装置や機器を構成する素子としての応用に好適な光デバイスを提供する。【解決手段】第一のフォトニック結晶構造１と第二のフォトニック結晶構造２との間に不純物構造３を介在させ、該不純物構造３の所定部位を励起することで第一のフォトニック結晶構造１及び第二のフォトニック結晶構造２を経由させて複数方向に光Ｅ１、Ｅ２を出力する光デバイスを構成した。このものは、フォトニック結晶の構造や不純物構造３の寸法等、あるいは励起の位置を変えることで、各々の出力光Ｅ１、Ｅ２のスペクトルを制御可能である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一のフォトニック結晶構造と第二のフォトニック結晶構造との間に不純物構造を介在させ、該不純物構造の所定部位を励起することで前記第一のフォトニック結晶構造及び前記第二のフォトニック結晶構造を経由させて複数方向に光を出力可能とした光デバイス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光信号を処理する種々の装置や機器を構成するための素子としての応用が可能な、光デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体中のキャリアの移動を制御することによりスイッチング、論理演算等を実現するエレクトロニクス技術がコンピューティングや情報通信に恩恵をもたらしてきたことは言うまでもない。しかし、近年ではその限界についても指摘されるようになった。即ち、半導体デバイスの処理速度の向上に限界が見え始めてきた。例を挙げて述べると、半導体デバイスたるプロセッサ、メモリ等を実装した電子交換機の処理能力は光ファイバを用いたネットワークの通信速度、若しくは帯域幅に対してもはや十分なキャパシティを有しているとは言えない。しかも、高密度波長分割多重伝送（ＤＷＤＭ）に代表される革新技術の登場により光ファイバの帯域幅の向上は当面止まることがないだろうと予測される。よって、遠からず、電子交換機の存在がネットワークの通信処理能力のボトルネックとなりかねない。加えて、電子交換機で光信号を扱うときには、光信号を数百もの低速な電気信号に変換した上で処理を実行し、しかる後にこれらの電気信号を光信号に再変換して光ファイバに送出する必要があるために、通信速度の低下や信号の劣化が発生する。これらの理由から、光子を制御して光信号を光信号のまま処理することが可能な光交換機等の開発が喫緊の課題となっている（非特許文献１を参照）。
【０００３】
【非特許文献１】「日経サイエンス２００１年４月号」日経サイエンス社、２００１年２月２４日、ｐ．２４−４４
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、光交換機その他、光信号を処理する種々の装置や機器を構成する素子としての応用に好適な光デバイスを提供しようとするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決すべく、本発明では、第一のフォトニック結晶構造と第二のフォトニック結晶構造との間に不純物構造を介在させ、該不純物構造の所定部位を励起することで前記第一のフォトニック結晶構造及び前記第二のフォトニック結晶構造を経由させて複数方向に光を出力可能とした光デバイスを構成した。
【０００６】
該光デバイスにおいて、前記第一のフォトニック結晶構造若しくは前記第二のフォトニック結晶構造の構造を変えることにより、相異なる方向に出力される各々の出力光のスペクトルを変化させることが可能である。また、前記不純物構造の寸法等あるいは不純物構造を励起する際の励起位置を変えることによっても、各々の出力光のスペクトルを変化させることが可能である。このことを利用すれば、特定の波長成分を選択的に複数方向に伝播させることができる。本発明を用いれば、例えば、光ネットワーク内で、複数方向に特定の波長成分を有する出力光を分配する分光素子を実現することができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。図１に、本発明に係る光デバイスの構成例の一を模式的に示す。このものは、フォトニック結晶に欠陥を導入することによって構成されており、略薄板状の面欠陥をなす不純物構造３が第一のフォトニック結晶構造１と第二のフォトニック結晶構造２とを隔てるものとなっている。そして、前記不純物構造３の所定部位を励起することにより、不純物モード（若しくは、欠陥モード。空間的にもエネルギー的にも局在したモード）を生じさせ、前記第一のフォトニック結晶構造１を透過して外方へ出力される光Ｅ１と前記第二のフォトニック結晶構造２を透過して外方へ出力される光Ｅ２とを得ることができるものである。
【０００８】
不純物モードは、フォトニック結晶構造の間に誘電層を介在させることにより惹起できる。本発明に係る光デバイスを構成するためには、例えば、薄板状の非線形物質をフォトニック結晶で挟み込む。具体例を挙げると、ＺｎＴｅ等の半導体材料を不純物として用い、これを第一のフォトニック結晶構造１と第二のフォトニック結晶構造２とで挟み込むことで不純物構造３を構成する。また、第一のフォトニック結晶構造１、第二のフォトニック結晶構造２をそれぞれ、Ｓｉ等を素材とする角柱状のロッドと複数本のロッド間に介在する空隙とを内包する擬単純立方格子フォトニック結晶とする。四角エアーロッド擬単純立方格子フォトニック結晶を、図２に示す。格子定数を０．４０ｍｍ、エアーロッド充填率を０．８１８、ロッドの誘電率を１１．３（Ｓｉの誘電率）と設定したとき、該フォトニック結晶は０．２〜０．３ＴＨｚの周波数領域にてフォトニックバンドギャップをもつものとなる。単位格子がｘ軸、ｙ軸方向に平面的に並ぶフォトニック結晶スラブをｚ軸方向に複数層重ね、次いで薄板状のＺｎＴｅ層を導入し、さらに前記スラブをｚ軸方向に複数層重ねることにより、光デバイスを構築できる。このように構築した光デバイスを、図３に模式的に示す。この系に対し、ポンプレーザを照射すると、非線形結晶であるＺｎＴｅ層の所定部位が励起され、差周波混合（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｍｉｘｉｎｇ）により（若しくは、光整流効果により）該ＺｎＴｅ層で電磁波が発生する。即ち、ＺｎＴｅ層はフォトニック結晶構造に導入された欠陥であると同時に、発光体としても働く。この結果、ＺｎＴｅ層より発生しフォトニック結晶構造を透過してｚ軸方向に沿って相反する２方向に出力される光Ｅ１、Ｅ２を観測することができる。
【０００９】
上述した光デバイスが示す特性を、実験的に、並びに理論的に解析する。まず、実験的解析の手法の概要を述べる。不純物構造３を励起する光源として、例えばモード同期Ｔｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅレーザ（中心波長８３０ｎｍ、パルス幅１５０ｆｓ）を使用する。該ポンプレーザの平均出力は、約１５０ｍＷとする。ポンプレーザをレンズで集光し、光デバイスの左側（上流側；パラメタｚの小さい側）よりｚ軸方向に照射する。そして、フォトニック結晶構造の空隙部を通してＺｎＴｅ層に当て、左側のフォトニック結晶構造１とＺｎＴｅ層との界面で（ＺｎＴｅ層の左側の部位を）励起する。すると、フェムト秒レーザの周波数スペクトル幅の範囲内で差周波混合によるＴＨｚ電磁波の放射がＺｎＴｅ層において生じ、第一のフォトニック結晶構造１、第二のフォトニック結晶構造２を経由して光デバイスの右側と左側とにそれぞれ光Ｅ２、Ｅ１が出力される。
【００１０】
これら出力光Ｅ１、Ｅ２を観測すべく、低温成長ＧａＡｓ光伝導アンテナを検出手段として用いたテラヘルツ時間領域分光（ＴＨｚ　Ｔｉｍｅ−ＤｏｍａｉｎＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）法を実施する。但し、エミッタがサンプルの外部に配置される標準のＴＨｚ−ＴＤＳ法とは異なり、この場合にはサンプルとなる光デバイスの内部にエミッタが存在している。また、シミュレーション計算により当該系における電磁場の解析を行う。以下に、理論的解析の手法の概要を述べる。ここでは、３次元時間領域差分（Ｆｉｎｉｔｅ−Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ　Ｔｉｍｅ−Ｄｏｍａｉｎ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ）法に基づきＴＨｚ−ＴＤＳ実験をシミュレーションする。フォトニック結晶構造及び不純物構造３の幾何的構成は、上記とほぼ同一に設定する。不純物構造３を励起するポンプパルスを、ガウスパルスの微分形とみなし、その時間幅を１ｐｓとする。該パルスのスペクトルを、図４に示す。光デバイスの系が自由空間内にあるものとし、光デバイスの周囲の境界条件を吸収境界（Ｐｅｒｆｅｃｔｌｙ　Ｍａｔｃｈｅｄ　Ｌａｙｅｒｓ）とする。不純物構造３たるＺｎＴｅ層の誘電率を、１０．４と設定する。しかして、Ｙｅｅアルゴリズムに従い、電場と磁場とを交互に解く。電磁波の分散は無視する。
【００１１】
図５、図６に示すものは、不純物構造３たるＺｎＴｅ層のｚ軸方向に沿った厚みを０．３ｍｍに設定した系（図５）及び１．３ｍｍに設定した系（図６）における、右側のフォトニック結晶構造２を透過した電場のスペクトルを観測、計算したものである。実験で観測した結果を実線で、シミュレーションにより算出した結果を点線で、それぞれ示している。０．３ｍｍの厚みのＺｎＴｅ層を有する光デバイスは、バンドギャップ領域内の２４０ＧＨｚ付近に不純物モードを有する。１．３ｍｍの厚みのＺｎＴｅ層を有する光デバイスは、バンドギャップ領域内で４つの不純物モードを有する。不純物モードの解析に関し、実験結果とシミュレーション結果とは非常によく適合すると言える。
【００１２】
また、図７に示すものは、厚さ０．３ｍｍのＺｎＴｅ層を有する系において内部励起された２４０ＧＨｚの不純物モードの電場の空間分布をシミュレーションにより算出した結果である。該不純物モードは、ＺｎＴｅ層と右側のフォトニック結晶構造２との界面に局所化され、右方に広がってゆくが、左方には強く広がらない。図８に示すものは、厚さ１．３ｍｍのＺｎＴｅ層を有する系において内部励起された２０２ＧＨｚ、２３５ＧＨｚ及び３０２ＧＨｚの不純物モードの局在化のプロファイルである。図８では、ｚ軸と平行に系の中心を貫く軸に沿って２４０ＧＨｚの不純物モードの電場をプロットしている。ＺｎＴｅ層と右側のフォトニック結晶構造２との界面が不純物モードの局在化の中心となる一方、ＺｎＴｅ層と左側のフォトニック結晶構造１との界面は振動の節となっている。
【００１３】
加えて、図９、図１０に示すものは、フォトニック結晶構造１、２を構成するフォトニック結晶スラブの層数を変えた場合における、右側のフォトニック結晶構造２を透過する電場のスペクトルを計算したものである。図９は、左側のフォトニック結晶構造１を構成するスラブの総数を増減させた場合の結果を示しているが、系の右側で観測される透過電場スペクトルはほとんど変化しない。しかしながら、右側のフォトニック結晶構造２を構成するスラブの総数を増加させた場合には、図１０に示しているように、不純物モードの強度が弱くなる。
【００１４】
以降、ＦＤＴＤ法シミュレーションに基づき、光デバイスの右側及び左側にそれぞれ出力される出力光Ｅ２、Ｅ１に関して議論する。左側のフォトニック結晶構造１とＺｎＴｅ層との界面で励起を惹起したときに、右側のフォトニック結晶構造２及び左側のフォトニック結晶構造１を透過する電場のスペクトルを、図１１ないし図１３に示す。それぞれ、図１１は不純物構造３たるＺｎＴｅ層のｚ軸方向に沿った厚みを１．０ｍｍに設定した系における算出結果、図１２はＺｎＴｅ層の厚みを０．３ｍｍに設定した系における算出結果、図１３はＺｎＴｅ層の厚みを１．３ｍｍに設定した系における算出結果であり、左側のフォトニック結晶構造１を透過した電場を実線で、右側のフォトニック結晶構造２を透過した電場を点線で示している。図示したように、光デバイスの左側に出力される出力光Ｅ１のスペクトルと、右側に出力される出力光Ｅ２のスペクトルとは相異なる。そして、不純物構造３の寸法を変えることにより、出力光Ｅ１、Ｅ２のスペクトルを変化させることができる。図示例によれば、ｚ軸方向（光Ｅ１、Ｅ２の出力方向）に沿って不純物構造３たるＺｎＴｅ層の厚み寸法を変えることで、右側のフォトニック結晶構造２を透過する不純物モードのスペクトルを制御し得ることが分かる。
【００１５】
なお、図１４に模式的に示すように、不純物構造３の左側にあるフォトニック結晶スラブの積層の方向と右側にあるスラブの積層の方向とが相反するように、言い換えるならば、不純物構造３からみて右側のフォトニック結晶構造２の界面と左側のフォトニック結晶構造１の界面とが対称的となるように光デバイスを構築し、かつ不純物構造３の厚みの中央で励起を惹起したときには、光デバイスの左側に出力される出力光Ｅ１のスペクトルと右側に出力される出力光Ｅ２のスペクトルとが略同一となる。図１５に示すものは、不純物構造３たるＺｎＴｅ層のｚ軸方向に沿った厚みを１．３ｍｍに設定した系において、上記の前提条件の下で右側のフォトニック結晶構造２及び左側のフォトニック結晶構造１を透過する電場のスペクトルを算出した結果である。このように、不純物構造３を励起する際の励起位置を変えることにより、出力光Ｅ１、Ｅ２のスペクトルを変化させることができる。
【００１６】
さらに、フォトニック結晶構造の構造を変えることによっても、出力光Ｅ１、Ｅ２のスペクトルを変化させることができる。例示すると、フォトニック結晶構造を構成するフォトニック結晶スラブの層数を増減すると、該フォトニック結晶構造を透過する出力光Ｅ１、Ｅ２に含まれる不純物モードの強度が変化する。即ち、スラブの層数を増やすと透過する不純物モードの強度は弱まり、逆にスラブの層数を減らせば透過する不純物モードの強度は強まる。また、ｘ軸、ｙ軸方向に平面的に並ぶ単位格子の数を増加させると、即ち光デバイスのｘ軸方向寸法、ｙ軸方向寸法を大きくすると、透過する不純物モードのスペクトルのＱ値（Ｑｕａｌｉｔｙ　ｆａｃｔｏｒ）が増大しスペクトルが先鋭化する。
【００１７】
本実施形態によれば、第一のフォトニック結晶構造１と第二のフォトニック結晶構造２との間に不純物構造３を介在させ、該不純物構造３の所定部位を励起することで前記第一のフォトニック結晶構造１及び前記第二のフォトニック結晶構造２を経由させて複数方向に光Ｅ１、Ｅ２を出力可能とした光デバイスを構成したため、特定の波長成分を選択的に複数方向に伝播させることが可能となる。該光デバイスを利用すれば、例えば、光ネットワーク内で、複数方向に特定の波長成分を有する出力光を分配する分光素子をコンパクトに実現し得る。
【００１８】
なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。上記実施形態では、励起手段であるフェムト秒レーザを光デバイスの外部に配するものとしているが、外部よりエネルギーの供給を受けて発光するアンテナ、発光体（圧力の印加を受けて発光するもの等）、量子井戸レーザその他種々の励起手段を、不純物構造を構成する要素として第一のフォトニック結晶構造と第二のフォトニック結晶構造との間に介在させ光デバイスを構築してもよい。また、不純物構造は、必ずしも均質なものとは限られない。
【００１９】
フォトニック結晶の構造は、擬単純立方格子構造に限られない。第一のフォトニック結晶構造と第二のフォトニック結晶構造とが、互いに異なる構造を有するものであってもよい。勿論、フォトニック結晶構造を構成する素材はＳｉには限られず、不純物構造を構成する素材はＺｎＴｅには限られない。
【００２０】
上記実施形態においては、フォトニック結晶構造中に面欠陥を導入して不純物モードを生じさせ空間的に２方向に光を出力し得るものとしていたが、面欠陥以外の不純物構造をフォトニック結晶構造中に導入して本発明に係る光デバイスを構成することも考えられる。
【００２１】
その他各部の具体的構成は上記実施形態には限られず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。
【００２２】
【発明の効果】
以上に詳述した本発明によれば、光信号を処理する種々の装置や機器を構成する素子としての応用に好適なコンパクトな光デバイスを実現可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態における光デバイスを模式的に示す図
【図２】四角エアーロッド擬単純立方格子フォトニック結晶を示す図
【図３】同実施形態における光デバイスを模式的に示す図
【図４】不純物構造を励起するポンプパルスのスペクトルを例示する図
【図５】ＺｎＴｅ層の厚みを０．３ｍｍに設定した系における、右側の透過電場のスペクトルを観測、計算した結果を示す図
【図６】ＺｎＴｅ層の厚みを１．３ｍｍに設定した系における、右側の透過電場のスペクトルを観測、計算した結果を示す図
【図７】厚さ０．３ｍｍのＺｎＴｅ層を有する系において内部励起された２４０ＧＨｚの不純物モードの電場空間分布を計算した結果を示す図
【図８】厚さ１．３ｍｍのＺｎＴｅ層を有する系において内部励起された２０２ＧＨｚ、２３５ＧＨｚ及び３０２ＧＨｚの不純物モードの局在化のプロファイルを示す図
【図９】左側のフォトニック結晶スラブの層数を変えた場合における、右側の透過電場のスペクトルを計算した図
【図１０】右側のフォトニック結晶スラブの層数を変えた場合における、右側の透過電場のスペクトルを計算した図
【図１１】ＺｎＴｅ層の厚みを１．０ｍｍに設定した系における、右側及び左側の透過電場のスペクトルを計算した結果を示す図
【図１２】ＺｎＴｅ層の厚みを０．３ｍｍに設定した系における、右側及び左側の透過電場のスペクトルを計算した結果を示す図
【図１３】ＺｎＴｅ層の厚みを１．３ｍｍに設定した系における、右側及び左側の透過電場のスペクトルを計算した結果を示す図
【図１４】光デバイスの一変形例を模式的に示す図
【図１５】同変形例に係る光デバイスの不純物構造の中央部位で励起を惹起した場合における、右側及び左側の透過電場のスペクトルを計算した結果を示す図
【符号の説明】
１…第一のフォトニック結晶構造
２…第二のフォトニック結晶構造
３…不純物構造
【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１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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