(57)【要約】【課題】２次元フォトニック結晶導波路と光ファイバ等の外部との光の授受を効率よく行うための導波路を提供する。【解決手段】２次元フォトニック結晶２４と同じ材料からなる矩形状の細線導波路本体２１の１つの側面に、それよりも低い屈折率を有する材料から成るクラッド部材２３を設ける。細線導波路本体２１の一方の端面２２１はフォトニック結晶導波路２５と接続し、他方の端面２２２は光ファイバ等の外部と接続する。２次元フォトニック結晶２４の面の上下には何も設けず空間とする。この構成によって、細線導波路本体２１とフォトニック結晶導波路２５との間の光の透過率を、光多重通信に用いる波長１．５５μｍ帯において、シングルモード条件を満たしつつ、他の構成におけるそれよりも高い０．８２〜０．８８とすることができる。【選択図】　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）長手方向の一方の端面が２次元フォトニック結晶に設けた導波路と接続される細線導波路本体と、
ｂ）前記細線導波路本体よりも低く空気よりも高い屈折率を有し、細線導波路本体の側面のうち少なくとも一部に接するクラッド部材と、
を備えることを特徴とする２次元フォトニック結晶用シングルモード細線導波路。
【請求項２】
前記２次元フォトニック結晶の面の上下を空間とすることを特徴とする請求項１に記載の２次元フォトニック結晶用シングルモード細線導波路。
【請求項３】
前記細線導波路の断面が矩形であることを特徴とする請求項１又は２に記載の２次元フォトニック結晶用シングルモード細線導波路。
【請求項４】
前記クラッド部材が細線導波路本体の１つの側面のみに接することを特徴とする請求項３に記載の２次元フォトニック結晶用シングルモード細線導波路。
【請求項５】
前記細線導波路本体の材料がＳｉであり、前記クラッド部材の材料がＳｉＯ２であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の２次元フォトニック結晶用シングルモード細線導波路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、波長分割光多重通信等に用いられる２次元フォトニック結晶光分合波デバイス等に関する。特に、それらのデバイスと光ファイバ等のデバイス外部との光の授受を効率よく行うための導波路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、新しい光デバイスとして、フォトニック結晶が注目されている。フォトニック結晶とは周期屈折率分布をもった機能材料であり、光や電磁波のエネルギーに対してバンド構造を形成する。特に、光や電磁波の伝播が不可能となるエネルギー領域（フォトニックバンドギャップ）が形成されることが特徴である。フォトニック結晶デバイスが適用される分野の１つに光多重通信がある。
【０００３】
フォトニック結晶には、２次元結晶あるいは３次元結晶を用いることができる。両者にそれぞれ特長があるが、このうち２次元結晶は作製が比較的容易であるという点で有利である。
【０００４】
フォトニック結晶中の屈折率分布に適切な欠陥を導入することにより、フォトニックバンドギャップ中にこの欠陥によるエネルギー準位（欠陥準位）が形成される。これによって、フォトニックバンドギャップ中のエネルギーに対応する波長範囲のうち、欠陥準位のエネルギーに対応する波長の光のみが存在可能になる。結晶中の上記欠陥を線状にすれば導波路となり、結晶中の欠陥を点状にすれば共振器となる。特許文献１には、三角格子状に円柱孔を配列することによって屈折率分布を設けた２次元フォトニック結晶において、この円柱孔を線状に欠損させることによって導波路を形成し（［００２５］、図１）、導波路近傍に点欠陥を形成する（［００２９］、図１）ことが記載されている。このような２次元フォトニック結晶は、導波路中を伝播する光のうち特定の波長の光を点欠陥から取り出す分波器や、特定の波長の光を点欠陥から導波路に導入する合波器として用いることができる。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−２７２５５５号公報（［００２５］、［００２９］、図１）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
フォトニック結晶を用いた光デバイスが適用される典型的な分野である光多重通信においては、フォトニック結晶の導波路と光ファイバとの間で効率よく光を授受する必要がある。光多重通信に一般的に用いられる波長帯域（１．５５μｍ付近）の光を透過する２次元フォトニック結晶導波路の幅（約０．４μｍ）は光ファイバのコアの直径（８〜１０μｍ）の１／２０程度しかない。そのため、光ファイバの端部と２次元フォトニック結晶導波路の端部とを直接接続しても、両者の間で効率よく光を授受することはできない。
【０００７】
そこで、光ファイバと２次元フォトニック結晶導波路とを結合するために、図１に示すように光ファイバのコア１２と２次元フォトニック結晶導波路１４との間に細線導波路１１を介在させ、それにより、両者の間の光の透過率を向上させることが検討されている。細線導波路を導入する場合、光ファイバのコア１２と細線導波路１１との間の光の透過率、及び細線導波路１１と２次元フォトニック結晶導波路１４との間の光の透過率を共に高くすることが必要となる。非特許文献１では、後者の細線導波路−２次元フォトニック結晶導波路間の光の透過率を２次元数値解析により計算した結果、９０％以上の透過率が得られたとしている。しかし、この文献においては２次元フォトニック結晶導波路及び細線導波路の厚さが無限大という仮定のもとで計算を行っている。そのため、厚さが有限である実際の系において必ずしも高い透過率が得られるとは限らない。
【０００８】
【非特許文献１】
アディビ他４名，　フィジカルレビュー，（米国），　アメリカ物理学会発行，　２００１年，　第Ｂ６４巻，　０３３３０８（Ａ．　Ａｄｉｂｉ　ｅｔ　ａｌ．，　Ｐｈｙｓｉｃａｌ　Ｒｅｖｉｅｗ，　Ｖｏｌ．　Ｂ６４，　０３３３０８）
【０００９】
本発明はこのような課題を解決するために成されたものであり、その目的とするところは外部と２次元フォトニック結晶導波路との間で光を授受するためのインターフェイスであって、２次元フォトニック結晶導波路との間の光の透過率が高い細線導波路を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために成された本発明に係る２次元フォトニック結晶用シングルモード細線導波路は、
ａ）長手方向の一方の端面が２次元フォトニック結晶に設けた導波路と接続される細線導波路本体と、
ｂ）前記細線導波路本体よりも低く空気よりも高い屈折率を有し、細線導波路本体の側面のうち少なくとも一部に接するクラッド部材と、
を備えることを特徴とする。
【００１１】
ここで、前記２次元フォトニック結晶用シングルモード細線導波路に接続する２次元フォトニック結晶は、その面の上下を空間とすることが望ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
まず、本発明に係る２次元フォトニック結晶用シングルモード細線導波路について説明する。細線導波路の本体は、導波方向に長く、導波方向に垂直な方向の断面が小さい形状を有する。断面形状としては矩形が典型的であるが、その他にも円形等の種々の形状を取り得る。細線導波路本体の長手方向の両端にある２つの面のうち、一方は２次元フォトニック結晶導波路との間で光の授受を行う面であり、他方は光ファイバ等の外部との間で光の授受を行う面である。
【００１３】
細線導波路本体の材料には、接続する２次元フォトニック結晶のスラブ本体と同じ材料を用いることが望ましい。これにより、細線導波路と２次元フォトニック結晶との間の界面による反射等の影響を避けることができる。また、細線導波路本体とフォトニック結晶とを一体に作製することができる。そのような材料には、例えばＳｉやＩｎＧａＡｓＰ等がある。これらは、前記の光多重通信に一般的に用いられる１．５５μｍ帯を導波路の透過帯域とする２次元フォトニック結晶に用いられるものである。
【００１４】
この細線導波路の本体の側面のうち少なくとも一部に接するように、細線導波路の本体の屈折率よりも低く空気の屈折率よりも高い屈折率を有する材料からなるクラッド部材を設ける。なお、ここで側面の一部とは長手方向の一部を指すのではなく周方向の一部を指し、長手方向には全体に亘ってクラッド部材を設ける。クラッド部材の材料には、例えば細線導波路の材料をＳｉとする場合には、それよりも屈折率の低いＳｉＯ２を用いることができる。断面形状が矩形の場合は、４面の側面のうち１面がクラッド部材に接するようにする。細線導波路とフォトニック結晶導波路との間でシングルモード条件を満たしつつ光の透過率を高くするためには、クラッド部材を細線導波路の本体の１つの側面のみに設けることが望ましい。
【００１５】
このクラッド部材を設けることにより、細線導波路本体内を伝播する光のモードを、２次元フォトニック結晶導波路を伝播する光と同様にシングルモードにすることができる。クラッド部材を設けなければ、細線導波路本体には２種類のモードの光が存在し得ることになり、そのうちの一方が２次元フォトニック結晶導波路に結合せず、効率が低下する。なお、ここで述べた光のモードについては、後に実施例を用いて詳しく説明する。
【００１６】
本発明の細線導波路を接続する２次元フォトニック結晶の面の上下には何も設けず、空間としておく方が望ましい。２次元フォトニック結晶の上下いずれか（又は双方）の面に細線導波路と同様にクラッド部材を設けると、細線導波路にのみクラッド部材を設ける場合よりも、細線導波路本体から２次元フォトニック結晶の導波路へ、及び２次元フォトニック結晶の導波路から細線導波路本体への光の透過率が低下する。
【００１７】
【発明の効果】
本発明のように細線導波路本体の側面のうち少なくとも一部にクラッド部材を設けることにより、２次元フォトニック結晶導波路との間において、本体のみの場合よりも、シングルモード条件を満たしつつ高い光の透過率を得ることができる。既に別途考案されている光ファイバ等の外部と細線導波路との間において高い光の透過率を得ることができる方策と、本発明の細線導波路とを組み合わせることにより、光ファイバ等の外部−２次元フォトニック結晶導波路間全体として高い光の透過率を得ることができる。
【００１８】
【実施例】
（１）２次元フォトニック結晶用シングルモード細線導波路の実施例
２次元フォトニック結晶用シングルモード細線導波路の実施例を、図２を用いて説明する。このシングルモード細線導波路２０は、Ｓｉから成る矩形断面の細線導波路本体２１を有する。その長手方向の両端にある２つの面のうち、一方の端面２２１は２次元フォトニック結晶導波路２５と接続する面であり、他方の端面２２２は光ファイバ等の外部と接続する面である。
【００１９】
細線導波路本体２１の４つの側面のうち１つの面に、ＳｉＯ２から成るクラッド部材２３を設ける。クラッド部材２３は図２（ａ）に示すように細線導波路本体２１の１つの側面を覆う部分のみ設けてもよい。また、（ｂ）に示すように、クラッド部材２３を基板としてその上に細線導波路本体２１を設けてもよい。なお、ここでは細線導波路本体２１とクラッド部材２３とを合わせてシングルモード細線導波路２０とする。
【００２０】
図３に、本実施例のシングルモード細線導波路を２次元フォトニック結晶に接続したデバイスの一例を示す。まず、接続される２次元フォトニック結晶３１には、例えば特許文献１に記載されたものを用いることができる。ここでは、スラブに設ける異屈折領域の周期的な配列を三角格子状とする。スラブの材料はＳｉとし、異屈折領域は円柱状の空孔３２とする。空孔３２を線状に１列分欠損させることにより、フォトニック結晶導波路３３を形成する。フォトニック結晶導波路３３は、少なくともその一方の端部が２次元フォトニック結晶３１の端部まで達するようにする。なお、図３には図示していないが、前記のようにフォトニック結晶導波路３３近傍に点欠陥を形成し、分波器や合波器とすることもできる。
【００２１】
細線導波路本体２１の一方の端部とフォトニック結晶導波路３３の端部とを接続する。ここでは、細線導波路２０には図２（ｂ）に示すものを用いる。なお、細線導波路本体２１と２次元フォトニック結晶３１とを一体に製造し、その細線導波路本体２１の部分をクラッド部材２３上に載置してもよい。ここで、２次元フォトニック結晶３１の上下には何も設けず、空間とする。２次元フォトニック結晶３１は、例えば両側面を支持具で挟むことにより固定することができる。
【００２２】
（２）本実施例及び比較例における光の透過率
以下では、図３に示す実施例の構成及び本発明以外の構成（比較例）において、細線導波路本体２１とフォトニック結晶導波路３３との間の光の透過率を３次元時間領域差分法（ＦＤＴＤ法）により求める。ＦＤＴＤ法は、マクスウェル方程式のうち時間に依存する回転方程式を直接解くことにより電磁界を計算するものである。この方法によれば、フォトニック結晶の厚さを有限の値とすることができるため、前記非特許文献１に記載の方法よりも実際の系に近い計算を行うことができる。
【００２３】
この計算においては、細線導波路本体及びフォトニック結晶の屈折率を３．４（Ｓｉの屈折率）、クラッド部材の屈折率を１．４６（ＳｉＯ２の屈折率）、フォトニック結晶の異屈折領域（空孔）の周期ａを０．４２μｍ、空孔の半径を０．２９ａ、スラブ及び細線導波路本体の厚さを０．６ａ、フォトニック結晶導波路の幅を１．１５２ａ（三角格子において半径０．２９ａの空孔を１列分欠損させた場合の幅）とした。
【００２４】
（２−１）第１の比較例
まず、第１の比較例として、図４に示すクラッド部材を設けない細線導波路とフォトニック結晶導波路とを接合したデバイスについて検討する。細線導波路本体の幅は、フォトニック結晶導波路の幅と同じ１．１５２ａとした。この場合の光の分散関係を図５に示す。ここで、横軸は波数ベクトルであり、縦軸は光の周波数にａ／ｃ（ｃは光速）を乗じて無次元とした規格化周波数である。例えば波長１．５５μｍの光の規格化周波数は、周期ａが０．４２μｍであることから、０．２７となる。図中の曲線５１はフォトニック結晶導波路中における対称モードの光の分散関係、曲線５２はフォトニック結晶導波路中における反対称モードの光の分散関係、曲線５３は細線導波路本体中における対称モードの光の分散関係、曲線５４は細線導波路本体中における反対称モードの光の分散関係を表す。曲線５５は空気のライトラインである。このライトラインよりも図の上側の領域の周波数及び波数を持つ光は、導波路に接する空気の領域に光が漏れ出し光の伝播効率が低下する。そのため、ライトラインよりも図の下側の領域の周波数及び波数を持つ光を使用することが望ましい。
【００２５】
光多重通信に用いる波長１．５５μｍ帯に相当する規格化周波数０．２６８〜０．２８０の範囲に注目する。図５より、このフォトニック結晶導波路は、この規格化周波数の範囲に対称モードの光のみが存在し得るシングルモード条件を満たす。一方、細線導波路は、同範囲に対称モードと反対称モードの双方の光が存在し得るマルチモード状態である。このため、シングルモード光ファイバから細線導波路に光を入射するとき、光ファイバの中心軸と細線導波路の中心軸とを完全に一致させない限り、細線導波路中に対称モードだけを励起することはできない。細線導波路中に反対称モードを励起してしまうとフォトニック結晶導波路中の対称モードと結合できず、反射が生じる。従って、光ファイバを含めた系全体での損失は大きくなる。
【００２６】
（２−２）第２の比較例
第２の比較例として、図４に示すクラッド部材を設けない細線導波路とフォトニック結晶導波路とを接合したデバイスにおいて、細線導波路の幅を第１の比較例の場合よりも狭くする例について検討する。細線導波路の幅が狭くなるに従い、細線導波路において反対称モードの光の規格化周波数が大きくなり、それに伴ってその遮断周波数が大きくなる。このため、規格化周波数０．２６８〜０．２８０の範囲内には反対称モードの光が存在し得なくなり、対称モードの光のみが存在し得るようになる。図６に、細線導波路の幅を０．６５ａとした場合の光の分散関係を示す。細線導波路が対称モードの光のみが存在し得るシングルモード条件を満たす。この場合の細線導波路とフォトニック結晶導波路との間の透過率を図７に示す。用いる周波数域内において、透過率はおおむね０．７前後である。
【００２７】
（２−３）第３の比較例
第３の比較例として、図８に示すように、フォトニック結晶にも細線導波路と同じクラッド部材を設けたデバイスについて検討する。この場合、クラッド部材の存在によりフォトニック結晶導波路に存在し得る光の波長域が第１及び第２の比較例とは異なるため、フォトニック結晶導波路の幅を０．６１ａとする。第３の比較例における分散関係を図９に示す。ここで曲線５６はクラッド部材のライトラインである。フォトニック結晶導波路及び細線導波路本体共に、対称モードの光のみが存在し得るシングルモード条件を満たす。この場合の細線導波路とフォトニック結晶導波路との間の透過率を図１０に示す。透過率はおおむね０．６〜０．７の範囲内である。
【００２８】
（２−４）本実施例
図２に示した実施例である、細線導波路にクラッド部材を設けフォトニック結晶の上下を空間としたデバイスについて検討する。ここで、細線導波路本体の幅を０．９７ａとした。フォトニック結晶導波路の幅は前記の通り１．１５２ａである。この場合の分散関係を図１１に示す。規格化周波数０．２６８〜０．２８０の範囲において、フォトニック結晶導波路及び細線導波路本体共に、対称モードの光のみが存在するシングルモード状態である。細線導波路とフォトニック結晶導波路との間の透過率を図１２に示す。用いる周波数域内において、０．８２〜０．８８の透過率が得られる。この透過率は前記第２及び第３の比較例よりも高い。
【００２９】
（３）細線導波路本体とフォトニック結晶導波路との接合部の形状
本発明の細線導波路にクラッド部材を設けフォトニック結晶の上下を空間としたデバイスにおいて、細線導波路本体とフォトニック結晶導波路との間の透過率は、接合部における両者の形状にも依存する。例えば、図１３に示した三角格子の２次元フォトニック結晶では、接合部近傍における空孔の配置は、接合部を含むフォトニック結晶の端面に最も近い空孔がフォトニック結晶導波路に次隣接の空孔の列に属するもの（図１３（ａ））と、フォトニック結晶導波路に最隣接の空孔の列に属するもの（図１３（ｂ））を取り得る。この両者について透過率を計算した結果を図１４（ａ）（図１３（ａ）の空孔配置の場合）及び図１４（ｂ）（図１３（ｂ）の空孔配置の場合）に示す。ここでｘは、図１３に示すように、フォトニック結晶の端面とそれに最も近い空孔の中心との距離をａ／２＋ｘとすることにより定義する。図１４から、図１３（ｂ）の空孔配置の方が高い透過率を得ることができることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【図１】光ファイバ、フォトニック結晶及び細線導波路の接続を表す模式図。
【図２】本発明の２次元フォトニック結晶用シングルモード細線導波路の実施例を表す斜視図。
【図３】本発明のシングルモード細線導波路とフォトニック結晶導波路とを接合したデバイスの一実施例を表す斜視図。
【図４】第１の比較例である、クラッド部材を設けない細線導波路とフォトニック結晶導波路とを接合したデバイスを表す斜視図。
【図５】第１の比較例における細線導波路及びフォトニック結晶導波路の分散関係を表すグラフ。
【図６】第２の比較例における細線導波路及びフォトニック結晶導波路の分散関係を表すグラフ。
【図７】第２の比較例における細線導波路とフォトニック結晶導波路との間の透過率を表すグラフ。
【図８】第３の比較例である、フォトニック結晶と細線導波路に同じクラッド部材を設けたデバイスを表す斜視図。
【図９】第３の比較例における細線導波路及びフォトニック結晶導波路の分散関係を表すグラフ。
【図１０】第３の比較例における細線導波路とフォトニック結晶導波路との間の透過率を表すグラフ。
【図１１】本実施例における細線導波路及びフォトニック結晶導波路の分散関係を表すグラフ。
【図１２】本実施例における細線導波路とフォトニック結晶導波路との間の透過率を表すグラフ。
【図１３】細線導波路とフォトニック結晶導波路との接合部近傍におけるフォトニック結晶の空孔の配置に関する２つの態様を表す図。
【図１４】図１３の２つの態様における細線導波路とフォトニック結晶導波路との間の透過率を表すグラフ。
【符号の説明】
１１、２０…細線導波路
１２…光ファイバのコア
１３、２４、３１…２次元フォトニック結晶
１４、２５、３３…２次元フォトニック結晶導波路
２１…細線導波路本体
２３…クラッド部材
３２…空孔
５１…フォトニック結晶導波路中における対称モードの光の分散関係
５２…フォトニック結晶導波路中における反対称モードの光の分散関係
５３…細線導波路本体中における対称モードの光の分散関係
５３…細線導波路本体中における反対称モードの光の分散関係
５５…空気のライトライン
５６…クラッド部材のライトライン
【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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