(57)【要約】【課題】２次元フォトニック結晶の周期的配列内に局所的に幾何学的な配列を有する格子欠陥を形成した２次元フォトニック結晶を提供する。【解決手段】２次元に展開する一方の媒質１と、一方の媒質に正方格子状に周期的に配列される一方の媒質と屈折率を異にする他方の媒質２とにより構成されるフォトニック結晶において、フォトニック結晶内に局所的に他方の媒質を三角形の配列に形成した三角形配列欠陥５１を有する２次元フォトニック結晶。【選択図】　図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２次元に展開する一方の媒質と、一方の媒質に正方格子状に周期的に配列される一方の媒質と屈折率を異にする他方の媒質とにより構成されるフォトニック結晶において、
フォトニック結晶内に局所的に他方の媒質を三角形の配列に形成した幾何学的配列欠陥を有することを特徴とする２次元フォトニック結晶。
【請求項２】
２次元に展開する一方の媒質と、一方の媒質に正方格子状に周期的に配列される一方の媒質と屈折率を異にする他方の媒質とにより構成されるフォトニック結晶において、
フォトニック結晶内に局所的に他方の媒質を長方形の配列に形成した幾何学的配列欠陥を有することを特徴とする２次元フォトニック結晶。
【請求項３】
２次元に展開する一方の媒質と、一方の媒質に正方格子状に周期的に配列される一方の媒質と屈折率を異にする他方の媒質とにより構成されるフォトニック結晶において、
フォトニック結晶内に局所的に他方の媒質を４５度回転して正方形の配列に形成した幾何学的配列欠陥を有することを特徴とするフォトニック結晶。
【請求項４】
２次元に展開する一方の媒質と、一方の媒質に正方格子状に周期的に配列される一方の媒質と屈折率を異にする他方の媒質とにより構成されるフォトニック結晶において、
一直線上に整列する連続する各２ないし３個の格子の位置毎に他方の媒質を配列しないキャビティ欠陥をフォトニック結晶内に局所的に形成したことを特徴とするフォトニック結晶。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４の内の何れかに記載されるフォトニック結晶において、
一方の媒質はシリコン、ＧａＡｓ、ＩｎＰその他の半導体の如き高屈折率の媒質より成り、他方の媒質は空気、ガラスの如き低屈折率の媒質より成ることを特徴とするフォトニック結晶。
【請求項６】
請求項１ないし請求項４の内の何れかに記載されるフォトニック結晶において、
一方の媒質は空気、ガラスの如き低屈折率の媒質より成り、他方の媒質はシリコン、ＧａＡｓ、ＩｎＰその他の半導体の如き高屈折率の媒質より成ることを特徴とするフォトニック結晶。
【請求項７】
２次元に展開する一方の媒質と、一方の媒質に正方格子状に周期的に配列される一方の媒質と屈折率を異にする他方の媒質とにより構成されるフォトニック結晶内に、局所的に、他方の媒質を三角形の配列に形成した幾何学的配列欠陥、長方形の配列に形成した幾何学的配列欠陥、４５度回転して正方形の配列に形成した幾何学的配列欠陥の一種或いは複数種を形成すると共に、一直線上に整列する連続する各２ないし３個の格子の位置毎に他方の媒質を配列しないキャビティ欠陥を形成し、幾何学的配列欠陥とキャビティ欠陥とにより導波路および波長分離器を形成したことを特徴とする２次元フォトニック結晶。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、幾何学的配列欠陥を有する２次元フォトニック結晶に関し、特に屈折率を大きく異にする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２次元フォトニック結晶の周期的配列内に局所的に幾何学的な配列を有する格子欠陥を形成した幾何学的配列欠陥を有する２次元フォトニック結晶に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来例を図を参照して説明する。
或る屈折率の空孔或いは透明媒質ロッドをこれとは異なる屈折率の透明媒質内において周期的に配列形成することによりフォトニック結晶を形成することができる。このフォトニック結晶は、図１（ａ）においては、屈折率の大きい透明媒質より成る基板１とこれに三角格子状に２次元周期配列して形成した空孔２により形成されている。図１（ｂ）におけるフォトニック結晶は、空気より屈折率の大きい透明媒質のロッド３が周期的に正方格子に配列されており、透明媒質ロッド３の周囲の空気が図１（ａ）における基板１に対応する構造を有している。Ｓｉ、ＩｎＰ、ＧａＡｓの如き種々の透明媒質がフォトニック結晶を形成する媒質として選択使用される。なお、これら透明媒質ロッド３はＳｉＯ２　薄膜の如き支持膜に保持されている。周期構造、屈折率比が特定の条件を満足するフォトニック結晶内においては、或る周波数範囲の光が一切伝播することができないという現象が生起する。この周波数範囲をフォトニックバンドギャップという。
【０００３】
ここで説明した２次元フォトニック結晶を使用して形成したフォトニック結晶導波路および波長分離器が開発されている（特開２００１−２７２５５５　公報参照）。図２を参照するに、この公報には、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、このスラブ１１より屈折率の低い媒質を周期的に配列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、２次元フォトニック結晶の周期的配列に線状の欠陥１２が形成されており、この線状欠陥１２が導波路として機能するフォトニック結晶導波路を有し、フォトニック結晶導波路に隣接して、フォトニック結晶の周期的配列を乱す少なくとも１つの点状の欠陥１４を有し、この点状の欠陥１４が導波路中を伝播する光・電磁波のなかで、特定の波長の光・電磁波を捕獲してこれを放射し、或いは外部からの特定の波長の光・電磁波を捕獲してこれを導波路内に導入する光・電磁波取り出し／導入口として機能する構造の２次元フォトニック結晶導波路、が開示されている。なお、欠陥１４は、点状の欠陥と表現されているが、実際は２次元フォトニック結晶の周期的配列を必要な直径に亘って局所的に乱して形成した領域を意味している。以上のフォトニック結晶導波路は、線状欠陥１２を導波路としてこれにスラブ１１の導波路端面から面方向１３に波長λ１　の光を入射し、スラブ１１の点状の欠陥１４から面と直角の方向１５に入射した波長λ１　の光を外部に放射する。或いは、逆に、スラブ１１の点状の欠陥１４から面と直角の方向１５から波長λ１　の光を入射し、線状欠陥１２を導波路としてスラブ１１の導波路端面から面方向１３に入射した波長λ１　の光を外部に放射する。点状の欠陥１４の直径を変更した場合、この直径に対応するλ１とは異なるλ２の波長の光・電磁波を取り出し／導入することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
以上のフォトニック結晶は　このフォトニック結晶に光・電磁波を導入／取り出しする場合、フォトニック結晶に対して光を送受する外部光経路を形成付与する必要がある。即ち、一方の外部光経路はスラブ１１の導波路端面に対して面方向１３に形成する。他方の外部光経路はスラブ１１の面と直交する方向１５に点状の欠陥１４に対応して形成することになる。ところで、一方の外部光経路と他方の外部光経路とを互いに直交して形成するということは、一方の外部光経路はフォトニック結晶と共通する面内に形成することができるが、他方の外部光経路はそうすることはできないことを意味している。従って、フォトニック結晶を含む集積回路を製造するに際して、一方の外部光経路はフォトニック結晶と共に共通する面内に同一工程で形成することができるが、他方の外部光経路はこの工程とは別工程で形成しなければならない。
【０００５】
そして、点状の欠陥１４の直径を調整変更することにより、直径に対応して取り出し／導入することができる光・電磁波の波長を選択することができるが、光・電磁波の波長は欠陥１４の直径に敏感に応答して変化し、波長の微細な調整変更を実施するに困難を来す。
この発明は、上述の問題を解消した幾何学的に配列した格子欠陥を有する２次元フォトニック結晶を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
ＷＤＭ装置における光波長の同調特性を、２次元フォトニック結晶を使用して改善する。２次元フォトニック結晶を形成する光波長程度の周期で規則正しく交互に配列される媒質の周期的配列の一部を局所的に変更して配列を乱して光共振器を形成する。また、光経路をフォトニック結晶と同一平面内に一括して形成することにより、製造工程を削減する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
この発明においては、屈折率を大きく異にする２種類の透明な媒質を光波長程度の周期で正方格子に配列形成された２次元フォトニック結晶の周期的構造の一部を局所的に別の形状寸法の構造に形成する。即ち、この局所的に別の形状寸法とされた構造部分は、２次元フォトニック結晶の欠陥部分に相当する。この発明においては、この欠陥を幾何学的配列欠陥と表現している。
図３を参照するに、空気より屈折率の大きいシリコンロッド３が光波長程度の周期で規則正しく正方格子に配列形成して、周囲の空気１’との間で２次元フォトニック結晶を形成している。ここで、図３（ａ）は欠陥の存在しない２次元フォトニック結晶の周期的構造を示し、図３（ｂ）は周期的構造の一部を局所的に別の形状寸法に形成した幾何学的配列欠陥を有する２次元フォトニック結晶を示す。即ち、図３（ｂ）においては、図３（ａ）におけるシリコンロッド２１ないし２４を本来の位置には形成しないで、それぞれ、４５度回転偏位したところに形成する。これにより、本来の空孔相互間の格子間隔をａとして、図３（ｂ）に示される如く周期的構造の一部を局所的に格子間隔を√（２）ａとした正方形に置き換えた、配列を乱した幾何学的配列欠陥を有する２次元フォトニック結晶を形成することができる。
【０００８】
図４を参照するに、空気より屈折率の大きいシリコンロッド３が光波長程度の周期で正方格子に周期的に配列され、シリコンロッド３の周囲の空気１’との間で２次元フォトニック結晶を形成している。ここで、図４（ａ）は欠陥の存在しない２次元フォトニック結晶の周期的構造を示し、図４（ｂ）は周期的構造の一部を局所的に別の形状寸法に形成した欠陥を有する２次元フォトニック結晶を示す。図４（ｂ）においては、図４（ａ）における本来シリコンロッド３１およびシリコンロッド３２が配列される位置にシリコンロッドを配列しないで、これら本来の位置から、矢印の向きに左右上下方向に０．５ａ　だけ偏位した位置にシリコンロッド３３からシリコンロッド３６を配列形成する。これにより、図４（ｂ）に示される如き周期的構造の一部を局所的に長方形の配列に形成して配列を乱した幾何学的配列欠陥を形成した２次元フォトニック結晶を形成することができる。シリコンロッド３３からシリコンロッド３６は、格子間隔ａと格子間隔２ａの長方形を幾何学的配列欠陥として形成することになる。
【０００９】
図５を参照するに、これも、空気より屈折率の大きいシリコンロッド３が光波長程度の周期で正方格子に周期的に配列されて、シリコンロッド３の周囲の空気１’との間でフォトニック結晶を形成している。ここで、図５（ａ）は欠陥の存在しない２次元フォトニック結晶の周期的構造を示し、図５（ｂ）は周期的構造の一部を局所的に別の形状寸法に形成した幾何学的配列欠陥を有する２次元フォトニック結晶を示す。図５（ｂ）においては、図５（ａ）における本来シリコンロッド３１が配列される位置にシリコンロッドを配列しないで、この本来の位置から、矢印の向きに上下方向に０．５ａ　だけ偏位した位置にシリコンロッド３２およびシリコンロッド３３を配列形成することにより、図５（ｂ）に示されるが如き周期的構造の一部を局所的に三角形の配列に形成した幾何学的配列欠陥を有する２次元フォトニック結晶を形成する。即ち、上述の通りに配列形成したことにより、本来のシリコンロッド３とシリコンロッド３２およびシリコンロッド３３により、シリコンロッド３２とシリコンロッド３３の格子間隔ａと、シリコンロッド３と３２および３３の間隔√（１０）ａ／２の三角配列を幾何学的配列欠陥として形成することになる。
【００１０】
以上の図４および図５においては、シリコンロッドの直径ｄは２３４ｎｍであり、シリコンロッド相互間の格子間隔ａは５８６ｎｍである。この媒質および形状寸法の２次元フォトニック結晶を使用して、１．５５μｍの波長のみを通過する　低損失の波長フィルタを実現することができる。以下、図６を参照して説明する。
図６（ａ）において、５１はシリコンロッドを三角形配列に形成した三角形配列欠陥を示す。５２はシリコンロッドを長方形配列に形成した長方形配列欠陥を示す。５３は一直線上に整列する連続する各２個或いは各３個の格子の位置毎に１箇所にはシリコンロッド３３を配列せずにキャビティとしたキャビティ欠陥を示す。キャビティ欠陥５３は、これを１個或いは複数個使用して結合キャビティ導波路ＣＣＷを形成する。図２の従来例の如く必ずしも２次元フォトニック結晶の周期的配列に線状に欠陥１２を形成する必要はなく、間欠的に形成することに依っても導波路を構成することができる。
【００１１】
図６においては、波長１．４７μｍ、１．５１μｍ、１．５５μｍおよび１．５９μｍの光の導波についてシミュレーションを実施した。シミュレーションは、例えば、ＲＳｏｆｔ社製のソフト「Ｆｕｌｌ　Ｗａｖｅ」の如きＦＤＴＤソフトウェアを主に使用して実施する。シミュレーションにおいては、ロッドの長さを無限とした。
図６（ａ）において、１．５５μｍの波長の光は、２点鎖線の矢印の向きに水平にキャビティ欠陥５３の端面に入射してこれを導波し、長方形配列欠陥５２に到達し、ここから更に図の上側のキャビティ欠陥５３を導波して上側の端面から外部に放射されるが、この光路を介してその他の波長の光は導波されない。即ち、長方形配列欠陥５２は１．５５μｍの波長の光を選択的に導波するが、その他の波長の光は導波しない。逆に、１．５５μｍの波長の光は三角形配列欠陥５１を介して導波されることはない。このことは、三角形配列欠陥５１および長方形配列欠陥５２は共振器を構成していることを示している。なお、図６において、・印とｘ印は導波路を伝播する電磁波の電界の向きを示している。
【００１２】
この発明においては、結合キャビティ導波路ＣＣＷが、先ず、光通信用の光波長である１．５５μｍ領域の波長の光を選択する役割を果たしている。更に、長方形配列欠陥５２により１．５５μｍの波長の光のみを選択する。
ここで、波長１．５５μｍの光の透過率の最適化を図６を参照して説明する。図６（ｂ）は長方形配列の欠陥の共振器の大きさを変更することにより１．５５μｍの波長の光の透過率の最適化を実現することを説明する図である。長方形配列５２の欠陥を形成する４個のシリコンロッド３３からシリコンロッド３６の位置は図６（ｂ）に図示される如く必要に応じて変更する。図６（ｂ）において、４個のシリコンロッド３３からシリコンロッド３６の元の位置は図４（ｄ）に示される通りであり、距離ｄ’は各シリコンロッドを同時に変更する量を示している。１．５５μｍの波長の光の透過率は、距離ｄ’の関数として表１に示される如くにシミュレートされている。
【表１】
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光の透過率は距離ｄ’が零である時に最適化される。共振器として動作する４個のシリコンロッドの間の距離を変更することにより、選択された波長の光の透過率を大きく変化させることができる。ここで、幾何学的共振器を形成するシリコンロッドが、フォトニック結晶の周期的構造を形成しているシリコンロッドに一例としてｄ’＝０．０２μｍ程度接近すると、光の透過率は急激に減少する。これに対して、幾何学的共振器を形成するシリコンロッドが、フォトニック結晶の周期的構造を形成しているシリコンロッドから離隔する、即ち、ｄ’を負にすると、光の透過率はリニアな減少或いは緩慢な減少を示すに到る。
【００１３】
この発明により、異なる波長の光を分離して透過させる波長デマルチプレクサも形成することができる。これを図７および図８を参照して説明する。なお、このデマルチプレクサは都合により図７および図８に分割して表現されているが、本来、１個のものである。
波長１．５６μｍの光および波長１．６０μｍの光は相異なる２導波路を介して伝送することができる。即ち、波長１．５６μｍの光は図７に示される導波路を介して伝送される一方、波長１．６０μｍの光は図８に示される導波路を介して伝送される。このデマルチプレクサは、１個の三角形配列欠陥５１と周期性が２ａの結合キャビティ導波路ＣＣＷと周期性が３ａの結合キャビティ導波路ＣＣＷとにより構成することができる。図７および図８は２導波路のデマルチプレクサの実施例であるが、この発明は３導波路以上の多導波路のデマルチプレクサを構成することができる。
【００１４】
三角格子配列欠陥５１より成る共振器を形成するシリコンロッドはその三角格子配列を変更することにより光の透過率を改善し、選択される光波長を変更することができる。図７を参照して光の透過率の制御を説明するに、１で示される位置のシリコンロッドの位置を変更し光の透過率を調整制御する。この場合、２および３で示される位置のシリコンロッドの位置は変更しない。この通りにして、選択される光波長および光の透過率は、表２に示される如くに三角形配列欠陥５１の形状寸法を変更することにより調整制御することができる。
【表２】
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一例として、１で示される位置のシリコンロッドの位置をｄ’＝０．０２μｍだけ変更することにより、波長１．５６μｍの光を高い透過率で６２の方向に透過させることができる。この透過率は、三角形配列欠陥５１の形状寸法を極く小さくした場合、例えば距離ｄ’を負の領域にした場合、ほぼ直線状に減少して行く。以上の説明においては、三角形配列欠陥５１より成る共振器を１個使用した波長デマルチプレクサについて議論してきたが、この議論を形状寸法の相異なる複数の三角形配列欠陥５１より成る共振器を使用した波長デマルチプレクサに拡張することができる。
【００１５】
図７および図８の光共振器は波長のチューナビリティの精度が高い。この共振器は、２次元フォトニック結晶の周期構造を構成する本来のシリコンロッドの中心間隔ａに等しい間隔を有する２個のシリコンロッドを２次元フォトニック結晶内に付加することにより形成された。２個のシリコンロッドの周期構造を構成する本来のシリコンロッドの位置からの変位は、図７および図８の例においては√（２）ａ／２＝４１４ｎｍである。シミュレーションの結果、４１４ｎｍの位置変位により、１．５６μｍの光と１．６０μｍの光の波長差４０ｎｍが選別されることになる。ロッドの位置変位１０ｎｍに対して、波長選別精度は約１ｎｍと見積もることができる。従って、幾何学的配列欠陥より成るこの発明の光共振器は製造が比較的に容易である。というのは、およそ１ｎｍの直径の変化が、従来例では１ｎｍの波長変化に相当することになるからである。
【００１６】
以上を要約するに、２次元に展開する一方の媒質と、一方の媒質に正方格子状に周期的に配列される一方の媒質と屈折率を異にする他方の媒質とにより構成されるフォトニック結晶内に、局所的に、他方の媒質を三角形の配列に形成した幾何学的配列欠陥、長方形の配列に形成した幾何学的配列欠陥、４５度回転して正方形の配列に形成した幾何学的配列欠陥の一種或いは複数種を形成すると共に、一直線上に整列する連続する各２個或いは各３個の格子の位置毎に他方の媒質を配列しないキャビティ欠陥を形成し、幾何学的配列欠陥とキャビティ欠陥とにより導波路を形成し、波長フィルタ或いは波長マルチプレクサ／デマルチプレクサとすることができる。図６から図８において、２次元フォトニック結晶に対する何れの外部光経路も結晶の端面に対して矢印６０ないし６２により示される面方向に形成することができる。これにより、フォトニック結晶を含む集積回路を製造するに際して、何れの外部光経路もフォトニック結晶と共に共通する面内に同一工程で形成することができる。
【００１７】
この発明は、２次元フォトニック結晶の周期構造を構成する本来のシリコンロッドの他に更にシリコンロッドを付加、変位することにより、波長の同調特性を改善することができる。同様のことは、シリコンロッドに限らず、ＧａＡｓ、ＩｎＰその他の高屈折率の半導体を使用しても実現することができる。
２次元フォトニック結晶は、電子ビームリソグラフィおよび誘導結合プラズマエッチングにより製造することができる。これにより、この発明の共振器を構成する幾何学的配列欠陥を容易に製造することができる。従って、２次元フォトニック結晶導波路における波長および伝播モードのカップリングを効果的に制御することができる。幾何学的配列欠陥より成る共振器間における大きなエネルギ伝送を期待することができ、これは光ビームの強固な閉じ込めおよび効率的な２次元フォトニック結晶集積回路の製造につながる。
【００１８】
この発明による以上の２次元フォトニック結晶は、狭帯域スペクトルフィルタを構成する素子として使用することができる。狭帯域スペクトルフィルタはＷＤＭ光学装置を構成する上の必須の素子であり、狭帯域スペクトルフィルタは、光ネットワーク内の任意の場所で特定の波長の光を取り出したり、取り込んだりする。ＷＤＭにおいては、多数の波長を分離することを要請される。図７および図８の実施例における原理と同一の原理を使用して、１２８以上の異なる波長の光を分岐する波長デマルチプレクサを構成することもできる。この発明は、光通信波長帯域全域に亘って動作する光通信装置を極く微小な２次元フォトニック結晶集積回路により提供することができる。この発明の最も重要な２用途は、波長マルチプレクサ／デマルチプレクサである。
【００１９】
【発明の効果】
以上の通りであって、この発明によれば、２次元フォトニック結晶に対する何れの外部光経路も結晶の端面に対して矢印６０ないし６２により示される面方向に形成することができる。これにより、フォトニック結晶を含む集積回路を製造するに際して、何れの外部光経路もフォトニック結晶と共に共通する面内に同一工程で形成することができる。
そして、２次元フォトニック結晶内に、局所的に、幾何学的配列欠陥を形成すると共に、一直線上に整列する連続する各２個或いは各３個の格子の位置毎に他方の媒質を配列しないキャビティ欠陥を形成し、幾何学的配列欠陥とキャビティ欠陥とにより導波路を形成する構成を採用して、幾何学的配列欠陥の配列位置を調整することにより、光の透過率を容易に調整することができる。また、幾何学的配列欠陥の配列位置を調整することにより、欠陥の直径に対応して取り出し／導入することができる光・電磁波の波長を選択する場合と比較して、光波長は幾何学的配列欠陥の配列位置の調整に鈍感であり、波長の微細な調整変更を容易にしている。
【図面の簡単な説明】
【図１】２次元フォトニック結晶を説明する斜視図。
【図２】２次元フォトニック結晶導波路および波長分離器の従来例を説明する斜視図。
【図３】正方形配列欠陥の実施例を説明する図。
【図４】長方形配列欠陥の実施例を説明する図。
【図５】三角形配列欠陥の実施例を説明する図。
【図６】幾何学的配列欠陥を含む２次元フォトニック結晶を用いた波長フィルタの実施例を説明する図。
【図７】波長デマルチプレクサの実施例を説明する図。
【図８】図７の続き。
【符号の説明】
１　一方の媒質
２　他方の媒質
５１　三角形配列欠陥
【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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