(57)【要約】【課題】基板上に多数集積化しても全体サイズを小さくできる結合光導波路を提供する。【解決手段】ライン・アンド・スペース　パターンを形成する溝１２が表面に形成された基板１１と、各々が基板１１上に、屈折率の低い誘電体１３と屈折率の高い誘電体１４とを交互に積層する自己クローニング技術によって作製された複数の格子変調フォトニック結晶光導波路１０（１，１）及び１０（２，１）とを有し、前記複数の格子変調フォトニック結晶光導波路は、基板１１の前記表面に平行な面上に、互いに平行に位置し、かつ前記複数の格子変調フォトニック結晶光導波路の隣接する２つは、それらの間で光の電界が結合するように近接して配置されていることを特徴とする結合光導波路。【選択図】　　　　図３
2004045709.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ライン・アンド・スペース　パターンを形成する溝が表面に形成された基板と、
各々が前記基板上に、屈折率の低い誘電体と屈折率の高い誘電体とを交互に積層する自己クローニング技術によって作製された所定数Ｘ（Ｘは２以上の整数）の格子変調フォトニック結晶光導波路とを有し、
前記所定数Ｘの格子変調フォトニック結晶光導波路は、前記基板の前記表面に平行な面上に、互いに平行に位置し、かつ前記所定数Ｘの格子変調フォトニック結晶光導波路の隣接する２つは、それらの間で光の電界が結合するように近接して配置されていることを特徴とする結合光導波路。
【請求項２】
ライン・アンド・スペース　パターンを形成する溝が表面に形成された基板と、
各々が前記基板上に、屈折率の低い誘電体と屈折率の高い誘電体とを交互に積層する自己クローニング技術によって作製された規定数Ｙ（Ｙは２以上の整数）の格子変調フォトニック結晶光導波路とを有し、
前記規定数Ｙの格子変調フォトニック結晶光導波路は、前記基板の前記表面に垂直な面上に、互いに平行に位置し、かつ前記規定数Ｙの格子変調フォトニック結晶光導波路の隣接する２つは、それらの間で光の電界が結合するように近接して配置されていることを特徴とする結合光導波路。
【請求項３】
ライン・アンド・スペース　パターンを形成する溝が表面に形成された基板と、
各々が前記基板上に、屈折率の低い誘電体と屈折率の高い誘電体とを交互に積層する自己クローニング技術によって作製された複数の格子変調フォトニック結晶光導波路とを有し、
前記複数の格子変調フォトニック結晶光導波路は、所定数Ｘ（Ｘは２以上の整数）の格子変調フォトニック結晶光導波路と規定数Ｙ（Ｙは２以上の整数）の格子変調フォトニック結晶光導波路とを有し、
前記所定数Ｘの格子変調フォトニック結晶光導波路は、前記基板の前記表面に平行な面上に、互いに平行に位置し、かつ前記所定数Ｘの格子変調フォトニック結晶光導波路の隣接する２つは、それらの間で光の電界が結合するように近接して配置され、
前記規定数Ｙの格子変調フォトニック結晶光導波路は、前記基板の前記表面に垂直な面上に、互いに平行に位置し、かつ前記規定数Ｙの格子変調フォトニック結晶光導波路の隣接する２つは、それらの間で光の電界が結合するように近接して配置されていることを特徴とする結合光導波路。
【請求項４】
ライン・アンド・スペース　パターンを形成する溝が表面に形成された基板と、前記基板上に、屈折率の低い誘電体と屈折率の高い誘電体とを交互に積層する自己クローニング技術によって作製された格子変調フォトニック結晶光導波路とを有し、前記格子変調フォトニック結晶光導波路は、前記基板の前記表面に平行な面上に、複数本互いに平行に形成され、かつ前記複数本の格子変調フォトニック結晶光導波路間で光の電界が結合するように近接して形成されていることを特徴とする結合光導波路。
【請求項５】
ライン・アンド・スペース　パターンを形成する溝が表面に形成された基板と、前記基板上に、屈折率の低い誘電体と屈折率の高い誘電体とを交互に積層する自己クローニング技術によって作製された格子変調フォトニック結晶光導波路とを有し、前記格子変調フォトニック結晶光導波路は、前記基板の前記表面に垂直な面上に、複数本互いに平行に形成され、かつ前記複数本の格子変調フォトニック結晶光導波路間で光の電界が結合するように近接して形成されていることを特徴とする結合光導波路。
【請求項６】
ライン・アンド・スペース　パターンを形成する溝が表面に形成された基板と、前記基板上に、屈折率の低い誘電体と屈折率の高い誘電体とを交互に積層する自己クローニング技術によって作製された格子変調フォトニック結晶光導波路とを有し、前記格子変調フォトニック結晶光導波路は、前記基板の前記表面に平行な面上及び前記基板の前記表面に垂直な面上に、複数本ずつ、互いに平行に形成され、かつ前記複数本の格子変調フォトニック結晶光導波路間で光の電界が結合するように近接して形成されていることを特徴とする結合光導波路。
【請求項７】
請求項４又は５に記載の結合光導波路を用いた方向性結合器であって、前記結合光導波路の前記格子変調フォトニック結晶光導波路の数が二本であり、前記二本の格子変調フォトニック結晶光導波路の一方に入力した光ビームを、前記二本の格子変調フォトニック結晶光導波路の他方に結合させて出力させる動作をすることを特徴とする方向性結合器。
【請求項８】
請求項４乃至６のいずれかに記載の結合光導波路を用いたビームスプリッターであって、前記複数本の格子変調フォトニック結晶光導波路の一つに入力した光ビームのパワーを、所定の割合で、前記複数本の格子変調フォトニック結晶光導波路の残りのものに結合させることを特徴とするビームスプリッター。
【請求項９】
請求項４又は５に記載の結合光導波路を複数本、横方向にずらして繋ぐことにより、光ビームの伝搬経路をずらしながら伝搬させて行くようにしたことを特徴とする結合光導波路の組合せ。
【請求項１０】
請求項７に記載の方向性結合器を用いた光スイッチであって、前記結合光導波路の前記二本の格子変調フォトニック結晶光導波路の屈折率を変化させる手段を有し、前記結合光導波路の前記二本の格子変調フォトニック結晶光導波路の屈折率を変化させることにより、光ビームを出力させる格子変調フォトニック結晶光導波路を切り替えることを特徴とする光スイッチ。
【請求項１１】
請求項４又は５に記載の結合光導波路を用いた結合光導波路型波長フィルターであって、前記複数本の格子変調フォトニック結晶光導波路間に、固有の共振周波数を有する短い光導波路を導入することにより、前記複数本の格子変調フォトニック結晶光導波路の一方に入射させた光ビームのうちの特定の波長成分の光のみが前記短い光導波路からなる光共振器内で共振することにより、前記複数本の格子変調フォトニック結晶光導波路の他方に乗り移って出力されることを特徴とする結合光導波路型波長フィルター。
【請求項１２】
請求項１１に記載の結合光導波路型波長フィルターにおいて、前記光共振器の前記短い光導波路を構成する多層膜の構造が前記短い光導波路の長手方向に波型に変調される構造を有することにより、前記波型変調の周期に対応するある波長の光のみを選択的に共振させて出力することを特徴とする結合光導波路型波長フィルター。
【請求項１３】
請求項１１又は１２に記載の結合光導波路型波長フィルターにおいて、前記光共振器の前記短い光導波路の屈折率を変化させる手段を有し、前記光共振器の前記短い光導波路の屈折率を変化させることにより、出力される光の波長を変化させることを可能とする結合光導波路型波長フィルター。
【請求項１４】
請求項７に記載の方向性結合器を用いたアド・ドロップ・マルチプレクサーであって、前記二本の格子変調フォトニック結晶光導波路の一方の一部に、光導波路を構成する多層膜の構造が前記光導波路の長手方向に波型に変調される構造を有することにより、特定波長の光のみを選択的に反射する分布ブラッグ反射鏡部を有することを特徴とするアド・ドロップ・マルチプレクサー。
【請求項１５】
請求項１４に記載のアド・ドロップ・マルチプレクサーにおいて、分布ブラッグ反射鏡部の屈折率を変化させることができる手段を有し、前記分布ブラッグ反射鏡部の屈折率を変化させることにより、アド・ドロップする光の波長を可変できることを特徴とするアド・ドロップ・マルチプレクサー。
【請求項１６】
請求項７に記載の方向性結合器を用いた光制御光スイッチであって、前記結合光導波路の前記二本の格子変調フォトニック結晶光導波路の少なくとも一方の一部に、光導波路を構成する多層膜の構造が長手方向に波型に変調される構造を有することにより、スイッチ制御を行う波長の制御光のみを選択的に反射する分布ブラッグ反射鏡部を有し、前記制御光の入射によって、前記結合光導波路の屈折率を変化されることにより、前記結合光導波路の完全結合長を変化させ、前記結合光導波路に制御光とは別に入射する信号光の出口を切り替えることを特徴とする光制御光スイッチ。
【請求項１７】
請求項７に記載の方向性結合器を用いた光制御光スイッチであって、前記結合光導波路の前記二本の格子変調フォトニック結晶光導波路の少なくとも一方の一部に、光導波路を構成する多層膜の構造が長手方向に波型に変調される構造を有することにより、信号光の波長の光のみを選択的に反射する分布ブラッグ反射鏡部を有し、さらに前記結合光導波路に信号光とは別に制御光を入射させることによって、前記結合光導波路の屈折率を変化されることにより、前記結合光導波路の完全結合長を変化させ、信号光の出口を切り替えることを特徴とする光制御光スイッチ。
【請求項１８】
請求項４に記載の結合光導波路を用いた光制御光スイッチであって、前記結合光導波路は、互いに結合した三本の格子変調フォトニック結晶光導波路を有し、前記結合光導波路の外側の二本の格子変調フォトニック結晶光導波路に挟まれた中央の格子変調フォトニック結晶光導波路に、スイッチングを制御する制御光を入射させることによって、前記結合光導波路の屈折率を変化されることにより、前記結合光導波路の完全結合長を変化させ、前記外側の二本の格子変調フォトニック結晶光導波路の何れかに入射させた信号光の出口を切り替えることを特徴とする光制御光スイッチ。
【請求項１９】
請求項５に記載の結合光導波路において、前記複数本の格子変調フォトニック結晶光導波路の等価屈折率が互いに異なることを特徴とする結合光導波路。
【請求項２０】
請求項１９に記載の結合光導波路を用いた分散補償器において、前記複数本の格子変調フォトニック結晶光導波路間での等価屈折率の違いを利用して、異なる波長の光に対して伝搬速度の違いを生じさせ、分散補償を行うことを特徴とする分散補償器。
【請求項２１】
請求項４に記載の結合光導波路において、前記複数本の格子変調フォトニック結晶光導波路が、長手方向に夫々異なる周期の波型周期構造パターンを有することを特徴とする結合光導波路。
【請求項２２】
請求項２１に記載の結合光導波路において、前記複数本の格子変調フォトニック結晶光導波路間での前記長手方向の波型周期構造パターンの周期の違いを利用して、異なる波長の光に対して伝搬速度の違いを生じさせ、分散補償を行うことを特徴とする分散補償器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の光導波路を結合してなる結合光導波路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の結合光導波路、例えば方向性結合器は、光ファイバー型のものや、ガラスや半導体基板上に形成する平面導波路型のものが存在する。しかし、光ファイバー型のものはそもそも集積化には適さないし、平面導波路型のものでも、サイズが大きく、多数集積化すると全体サイズが大きくなりすぎる。例えば、結合光導波路構造を有する電気光学効果光スイッチをマトリクス化して集積化する場合、８×８マトリクススイッチとなると、３ｃｍ程度の長さとなる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来の結合光導波路は、サイズが大きいという問題が有った。また、平面導波路型のものにおいて、結合光導波路の形成は、ドライエッチングなどにより、二本の光導波路間を隔てる溝を掘り込むなどして作製している。この場合、結合光導波路における二本の光導波路間の光学結合の強さが、導波路間隔に非常に敏感であるため、ドライエッチングによる分離溝形成の精度が作製プロセスの制御性を左右していた。このため、このような従来プロセスで得られる結合光導波路の特性の再現性および制御性はあまり良くはなかった。
【０００４】
本発明の目的は、従来の結合光導波路型素子におけるそのような課題を解決するためのもので、サイズが小さい結合光導波路、及びそれを用いた種々の光デバイスを提供することにある。
【０００５】
本発明のもう一つの目的は、結合光導波路作製プロセスにおける制御性および再現性を改善できる結合光導波路、及びそれを用いた種々の光デバイスを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、以下に述べるとおりである。
【０００７】
（１）　ライン・アンド・スペース　パターンを形成する溝が表面に形成された基板と、
各々が前記基板上に、屈折率の低い誘電体と屈折率の高い誘電体とを交互に積層する自己クローニング技術によって作製された所定数Ｘ（Ｘは２以上の整数）の格子変調フォトニック結晶光導波路とを有し、
前記所定数Ｘの格子変調フォトニック結晶光導波路は、前記基板の前記表面に平行な面上に、互いに平行に位置し、かつ前記所定数Ｘの格子変調フォトニック結晶光導波路の隣接する２つは、それらの間で光の電界が結合するように近接して配置されていることを特徴とする結合光導波路（図３及び図４）。
【０００８】
（２）　ライン・アンド・スペース　パターンを形成する溝が表面に形成された基板と、
各々が前記基板上に、屈折率の低い誘電体と屈折率の高い誘電体とを交互に積層する自己クローニング技術によって作製された規定数Ｙ（Ｙは２以上の整数）の格子変調フォトニック結晶光導波路とを有し、
前記規定数Ｙの格子変調フォトニック結晶光導波路は、前記基板の前記表面に垂直な面上に、互いに平行に位置し、かつ前記規定数Ｙの格子変調フォトニック結晶光導波路の隣接する２つは、それらの間で光の電界が結合するように近接して配置されていることを特徴とする結合光導波路（図５）。
【０００９】
（３）　ライン・アンド・スペース　パターンを形成する溝が表面に形成された基板と、
各々が前記基板上に、屈折率の低い誘電体と屈折率の高い誘電体とを交互に積層する自己クローニング技術によって作製された複数の格子変調フォトニック結晶光導波路とを有し、
前記複数の格子変調フォトニック結晶光導波路は、所定数Ｘ（Ｘは２以上の整数）の格子変調フォトニック結晶光導波路と規定数Ｙ（Ｙは２以上の整数）の格子変調フォトニック結晶光導波路とを有し、
前記所定数Ｘの格子変調フォトニック結晶光導波路は、前記基板の前記表面に平行な面上に、互いに平行に位置し、かつ前記所定数Ｘの格子変調フォトニック結晶光導波路の隣接する２つは、それらの間で光の電界が結合するように近接して配置され、
前記規定数Ｙの格子変調フォトニック結晶光導波路は、前記基板の前記表面に垂直な面上に、互いに平行に位置し、かつ前記規定数Ｙの格子変調フォトニック結晶光導波路の隣接する２つは、それらの間で光の電界が結合するように近接して配置されていることを特徴とする結合光導波路（図６）。
【００１０】
（４）　ライン・アンド・スペース　パターンを形成する溝が表面に形成された基板と、前記基板上に、屈折率の低い誘電体と屈折率の高い誘電体とを交互に積層する自己クローニング技術によって作製された格子変調フォトニック結晶光導波路とを有し、前記格子変調フォトニック結晶光導波路は、前記基板の前記表面に平行な面上に、複数本互いに平行に形成され、かつ前記複数本の格子変調フォトニック結晶光導波路間で光の電界が結合するように近接して形成されていることを特徴とする結合光導波路（図３及び図４）。
【００１１】
（５）　ライン・アンド・スペース　パターンを形成する溝が表面に形成された基板と、前記基板上に、屈折率の低い誘電体と屈折率の高い誘電体とを交互に積層する自己クローニング技術によって作製された格子変調フォトニック結晶光導波路とを有し、前記格子変調フォトニック結晶光導波路は、前記基板の前記表面に垂直な面上に、複数本互いに平行に形成され、かつ前記複数本の格子変調フォトニック結晶光導波路間で光の電界が結合するように近接して形成されていることを特徴とする結合光導波路（図５）。
【００１２】
（６）　ライン・アンド・スペース　パターンを形成する溝が表面に形成された基板と、前記基板上に、屈折率の低い誘電体と屈折率の高い誘電体とを交互に積層する自己クローニング技術によって作製された格子変調フォトニック結晶光導波路とを有し、前記格子変調フォトニック結晶光導波路は、前記基板の前記表面に平行な面上及び前記基板の前記表面に垂直な面上に、複数本ずつ、互いに平行に形成され、かつ前記複数本の格子変調フォトニック結晶光導波路間で光の電界が結合するように近接して形成されていることを特徴とする結合光導波路（図６）。
【００１３】
（７）　上記（４）又は上記（５）に記載の結合光導波路を用いた方向性結合器であって、前記結合光導波路の前記格子変調フォトニック結晶光導波路の数が二本であり、前記二本の格子変調フォトニック結晶光導波路の一方に入力した光ビームを、前記二本の格子変調フォトニック結晶光導波路の他方に結合させて出力させる動作をすることを特徴とする方向性結合器（図１０及び図１１）。
【００１４】
（８）　上記（４）乃至上記（６）のいずれかに記載の結合光導波路を用いたビーム　スプリッターであって、前記複数本の格子変調フォトニック結晶光導波路の一つに入力した光ビームのパワーを、所定の割合で、前記複数本の格子変調フォトニック結晶光導波路の残りのものに結合させることを特徴とするビーム　スプリッター（図１２）。
【００１５】
（９）　上記（４）又は上記（５）に記載の結合光導波路を複数本、横方向にずらして繋ぐことにより、光ビームの伝搬経路をずらしながら伝搬させて行くようにしたことを特徴とする結合光導波路の組合せ（図８）。
【００１６】
（１０）　上記（７）に記載の方向性結合器を用いた光スイッチであって、前記結合光導波路の前記二本の格子変調フォトニック結晶光導波路の屈折率を変化させる手段を有し、前記結合光導波路の前記二本の格子変調フォトニック結晶光導波路の屈折率を変化させることにより、光ビームを出力させる格子変調フォトニック結晶光導波路を切り替えることを特徴とする光スイッチ（図１３）。
【００１７】
（１１）　上記（４）又は上記（５）に記載の結合光導波路を用いた結合光導波路型波長フィルターであって、前記複数本の格子変調フォトニック結晶光導波路間に、固有の共振周波数を有する短い光導波路を導入することにより、前記複数本の格子変調フォトニック結晶光導波路の一方に入射させた光ビームのうちの特定の波長成分の光のみが前記短い光導波路からなる光共振器内で共振することにより、前記複数本の格子変調フォトニック結晶光導波路の他方に乗り移って出力されることを特徴とする結合光導波路型波長フィルター（図１５）。
【００１８】
（１２）　上記（１１）に記載の結合光導波路型波長フィルターにおいて、前記光共振器の前記短い光導波路を構成する多層膜の構造が前記短い光導波路の長手方向に波型に変調される構造を有することにより、前記波型変調の周期に対応するある波長の光のみを選択的に共振させて出力することを特徴とする結合光導波路型波長フィルター（図１６）。
【００１９】
（１３）　上記（１１）又は上記（１２）に記載の結合光導波路型波長フィルターにおいて、前記光共振器の前記短い光導波路の屈折率を変化させる手段を有し、前記光共振器の前記短い光導波路の屈折率を変化させることにより、出力される光の波長を変化させることを可能とする結合光導波路型波長フィルター（図１７）。
【００２０】
（１４）　上記（７）に記載の方向性結合器を用いたアド・ドロップ・マルチプレクサーであって、前記二本の格子変調フォトニック結晶光導波路の一方の一部に、光導波路を構成する多層膜の構造が前記光導波路の長手方向に波型に変調される構造を有することにより、特定波長の光のみを選択的に反射する分布ブラッグ反射鏡部を有することを特徴とするアド・ドロップ・マルチプレクサー（図１８）。
【００２１】
（１５）　上記（１４）に記載のアド・ドロップ・マルチプレクサーにおいて、分布ブラッグ反射鏡部の屈折率を変化させることができる手段を有し、前記分布ブラッグ反射鏡部の屈折率を変化させることにより、アド・ドロップする光の波長を可変できることを特徴とするアド・ドロップ・マルチプレクサー（図１９）。
【００２２】
（１６）　上記（７）に記載の方向性結合器を用いた光制御光スイッチであって、前記結合光導波路の前記二本の格子変調フォトニック結晶光導波路の少なくとも一方の一部に、光導波路を構成する多層膜の構造が長手方向に波型に変調される構造を有することにより、スイッチ制御を行う波長の制御光のみを選択的に反射する分布ブラッグ反射鏡部を有し、前記制御光の入射によって、前記結合光導波路の屈折率を変化されることにより、前記結合光導波路の完全結合長を変化させ、前記結合光導波路に制御光とは別に入射する信号光の出口を切り替えることを特徴とする光制御光スイッチ（図２０）。
【００２３】
（１７）　上記（７）に記載の方向性結合器を用いた光制御光スイッチであって、前記結合光導波路の前記二本の格子変調フォトニック結晶光導波路の少なくとも一方の一部に、光導波路を構成する多層膜の構造が長手方向に波型に変調される構造を有することにより、信号光の波長の光のみを選択的に反射する分布ブラッグ反射鏡部を有し、さらに前記結合光導波路に信号光とは別に制御光を入射させることによって、前記結合光導波路の屈折率を変化されることにより、前記結合光導波路の完全結合長を変化させ、信号光の出口を切り替えることを特徴とする光制御光スイッチ（図２１）。
【００２４】
（１８）　上記（４）に記載の結合光導波路を用いた光制御光スイッチであって、前記結合光導波路は、互いに結合した三本の格子変調フォトニック結晶光導波路を有し、前記結合光導波路の外側の二本の格子変調フォトニック結晶光導波路に挟まれた中央の格子変調フォトニック結晶光導波路に、スイッチングを制御する制御光を入射させることによって、前記結合光導波路の屈折率を変化されることにより、前記結合光導波路の完全結合長を変化させ、前記外側の二本の格子変調フォトニック結晶光導波路の何れかに入射させた信号光の出口を切り替えることを特徴とする光制御光スイッチ（図２２）。
【００２５】
（１９）　上記（５）に記載の結合光導波路において、前記複数本の格子変調フォトニック結晶光導波路の等価屈折率が互いに異なることを特徴とする結合光導波路（図２３）。
【００２６】
（２０）　上記（１９）に記載の結合光導波路を用いた分散補償器において、前記複数本の格子変調フォトニック結晶光導波路間での等価屈折率の違いを利用して、異なる波長の光に対して伝搬速度の違いを生じさせ、分散補償を行うことを特徴とする分散補償器（図２３）。
【００２７】
（２１）　上記（４）に記載の結合光導波路において、前記複数本の格子変調フォトニック結晶光導波路が、長手方向に夫々異なる周期の波型周期構造パターンを有することを特徴とする結合光導波路（図２４）。
【００２８】
（２２）　上記（２１）に記載の結合光導波路において、前記複数本の格子変調フォトニック結晶光導波路間での前記長手方向の波型周期構造パターンの周期の違いを利用して、異なる波長の光に対して伝搬速度の違いを生じさせ、分散補償を行うことを特徴とする分散補償器（図２４）。
【００２９】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施例について図面を参照して説明する。
【００３０】
本発明は、東北大学　川上彰二郎　教授らが考案した自己クローニング技術（Ｓ．　Ｋａｗａｋａｍｉ　ｅｔ　ａｌ．，　Ａｐｐｌ．　Ｐｈｙｓ．　Ｌｅｔｔ．，　７４，　４６３　（１９９９）．）によって作製可能な格子変調フォトニック結晶により形成される光導波路（格子変調フォトニック結晶光導波路）を用いる。
【００３１】
図１は、その格子変調フォトニック結晶光導波路１０を示している。この格子変調フォトニック結晶光導波路１０は、Ｓｉ等の半導体の基板１１上にライン・アンド・スペース　パターンを形成する溝１２を形成し、その上に自己クローニング技術を用いて屈折率の低い誘電体１３としてＳｉＯ２を、屈折率の高い誘電体１４としてはＴａ２Ｏ５（或はＳｉ）を交互に積層することにより、所謂格子変調フォトニック結晶による光導波路を形成したものである。この格子変調フォトニック結晶光導波路１０においては、図示のように、ライン・アンド・スペース　パターン上に波形の多層膜が形成されている。
【００３２】
この波形多層膜においては、場所による波型パターンの周期の違いによって、伝搬する光ビームが感じる等価的な屈折率に差が付けられる。基板１１に平行な面内では、一般的に、波型パターンの周期が短い程等価的な屈折率は高くなる。一方、基板１１に垂直な（積層）方向でも等価的な屈折率に差が付けられ、この場合は、多層膜の膜厚が厚いほど等価屈折率は高くなる。従って、図に示すように、導波路コア（０．３μｍ×０．３μｍ）１５の部分の屈折率を、導波路コア１５を取り囲むクラッド部分の屈折率よりも高くすれば、チャネル型の光導波路として機能する。
【００３３】
波形パターンの基板１１に平行な面内での周期は、最初に基板１１上に形成するライン・アンド・スペース　パターンの周期によって決まる。具体的には、屈折率の高い誘電体（高屈折率媒質）１４として屈折率が約２．１のＴａ２Ｏ５を、屈折率の低い誘電体（低屈折率媒質）１３として屈折率が約１．５のＳｉＯ２を夫々、クラッド部分は厚さ０．３４μｍずつ７周期、導波路コア１５の部分は厚さ０．３８μｍずつ４．５周期積層する。このような構造においては、導波路コア１５部分の等価屈折率は約１．８３となり、周りのクラッド部分の等価屈折率約１．８１に比べて１％程度高くなり、チャネル型光導波路として機能する。
【００３４】
なお、図示の場合、導波路コア１５を形成するための凸部間の間隔は０．３μｍである（溝間の間隔も０．３μｍである）。導波路コア１５の両横のクラッド部分を形成するための凸部間の間隔は０．６μｍである（溝間の間隔も０．６μｍである）。
【００３５】
ところで、本発明の特徴は、このように形成される格子変調フォトニック結晶光導波路を２本平行に並べて近接させることにより、二本の光導波路間での伝搬光ビームの光学的な結合を実現した結合光導波路を得、この結合光導波路を用いて、方向性結合器他の様々なデバイスに展開して行こうとするものである。
【００３６】
次に、図２、図３、及び図４を参照して、本発明の第１の実施例による結合光導波路を説明する。
【００３７】
この第１の実施例による結合光導波路は、以下の様にして得られる。
【００３８】
まず、図２に示すライン・アンド・スペース　パターンの溝（深さ約０．４μｍ）１２をＳｉ等の半導体の基板１１上に、図３に示すように設ける。
【００３９】
続いて、図３において、その基板１１上に同様に、屈折率の高い誘電体（高屈折率媒質）１４としてＴａ２Ｏ５を、屈折率の低い誘電体（低屈折率媒質）１３としてＳｉＯ２を夫々、導波路コア１５（１，１）及び１５（２，１）部分は厚さ０．３８μｍずつ４．５周期、導波路コア１５（１，１）及び１５（２，１）部分を取り囲むクラッド部分は厚さ０．３４μｍずつ７周期積層する。
【００４０】
なお、図２に示すように、導波路コア１５（１，１）及び１５（２，１）の各々を形成するための溝１２間の間隔は０．３μｍであり、凸部間の間隔も０．３μｍである。導波路コア１５（１，１）及び１５（２，１）の各々の両横のクラッド部分を形成するための溝１２間の間隔は０．６μｍであり、凸部間の間隔も０．６μｍである。
【００４１】
こうすることにより、図３に示した様に、平行な二本の近接した導波路コア１５（１，１）及び１５（２，１）を有するチャネル型の結合光導波路が得られる。導波路コア１５（１，１）及び１５（２，１）は、それらの間で光の電界が結合するように近接して配置されている。導波路コア１５（１，１）及び導波路コア１５（２，１）の各々は、図１の導波路コア１５と同じ構造を有する。すなわち、導波路コア１５（１，１）及び導波路コア１５（２，１）は、互いに同じ構造を有している。導波路コア１５（１，１）及び１５（２，１）間の間隔は、基板１１に形成するライン・アンド・スペース　パターンによって決まり、電子ビーム露光や、光学露光によるマスクパターンの精度で導波路間隔を正確に制御できる。従って、ドライエッチングなどにより、分離溝を形成する必要がないため、制御性および再現性良く結合光導波路が得られる。
【００４２】
図４は、この結合光導波路の斜視図である。なお、導波路コアの数は２に限定されず、３以上であっても良い。
【００４３】
図３及び図４をまとめると、この結合光導波路は、ライン・アンド・スペースパターンを形成する溝１２が表面に形成された基板１１と、各々が基板１１上に、屈折率の低い誘電体１３と屈折率の高い誘電体１４とを交互に積層する自己クローニング技術によって作製された所定数Ｘ（Ｘは２以上の整数）の格子変調フォトニック結晶光導波路１０（１，１）及び１０（２，１）とを有する。前記所定数Ｘの格子変調フォトニック結晶光導波路１０（１，１）及び１０（２，１）は、基板１１の前記表面に平行な面上に、互いに平行に位置し、かつ前記所定数Ｘの格子変調フォトニック結晶光導波路１０（１，１）及び１０（２，１）の隣接する２つは、それらの間で光の電界が結合するように近接して配置されている。
【００４４】
次に、図５を参照して、本発明の第２の実施例による結合光導波路を説明する。
【００４５】
この第２の実施例による結合光導波路は、基板１１に垂直な方向に形成したものであり、同様の参照符号で示された同様の部分を含む。
【００４６】
図５において、基板１１に垂直な方向での結合光導波路は、基板１１上に、積層方向に、クラッド層、導波路コア１５（１，１）、クラッド層、導波路コア１５（１，２）、クラッド層の順に積層して格子変調フォトニック結晶光導波路１０（１，１）及び１０（１，２）を形成する。この場合、基板１１のライン・アンド・スペース　パターンを形成する溝は、図１の一本の導波路を形成する場合の溝１２と同じである。また、導波路コア１５（１，１）及び導波路コア１５（１，２）の各々は、図１の導波路コア１５と同じ構造を有する。すなわち、導波路コア１５（１，１）及び導波路コア１５（１，２）は、互いに同じ構造を有している。
【００４７】
なお、導波路コアの数は２に限定されず、３以上であっても良い。
【００４８】
図５をまとめると、この結合光導波路は、ライン・アンド・スペース　パターンを形成する溝（図１の１２）が表面に形成された基板１１と、各々が前記基板１１上に、屈折率の低い誘電体（図１の１３）と屈折率の高い誘電体（図１の１４）とを交互に積層する自己クローニング技術によって作製された規定数Ｙ（Ｙは２以上の整数）の格子変調フォトニック結晶光導波路１０（１，１）及び１０（１，２）とを有し、前記規定数Ｙの格子変調フォトニック結晶光導波路１０（１，１）及び１０（１，２）は、前記基板１１の前記表面に垂直な面上に、互いに平行に位置し、かつ前記規定数Ｙの格子変調フォトニック結晶光導波路１０（１，１）及び１０（１，２）の隣接する２つは、それらの間で光の電界が結合するように近接して配置されている。
【００４９】
次に、図６を参照して、本発明の第３の実施例による結合光導波路を説明する。
【００５０】
この第３の実施例は、基板１１に平行な方向に形成した結合光導波路（格子変調フォトニック結晶光導波路１０（１，１）及び１０（２，１）を有する）と、基板１１に垂直な方向に形成した結合光導波路（格子変調フォトニック結晶光導波路１０（１，１）及び１０（１，２）を有する）とを、同時に形成した２次元の結合光導波路であり、同様の参照符号で示された同様の部分を含む。なお、基板１１に平行な方向に形成した結合光導波路における格子変調フォトニック結晶光導波路の数Ｘ及び基板１１に垂直な方向に形成した結合光導波路の数Ｙは、２に限定されず、３以上であっても良い。
【００５１】
すなわち、図６の結合光導波路は、ライン・アンド・スペース　パターンを形成する溝１２が、図３の場合と同様にして、表面に形成された基板１１と、各々が前記基板１１上に、屈折率の低い誘電体（図１の１３）と屈折率の高い誘電体（図１の１４）とを交互に積層する自己クローニング技術によって作製された複数の格子変調フォトニック結晶光導波路とを有し、前記複数の格子変調フォトニック結晶光導波路は、所定数Ｘ（Ｘは２以上の整数）の格子変調フォトニック結晶光導波路１０（１，１）及び１０（２，１）と規定数Ｙ（Ｙは２以上の整数）の格子変調フォトニック結晶光導波路１０（１，１）及び１０（１，２）とを有し、前記所定数Ｘの格子変調フォトニック結晶光導波路１０（１，１）及び１０（２，１）は、前記基板１１の前記表面に平行な面上に、互いに平行に位置し、かつ前記所定数Ｘの格子変調フォトニック結晶光導波路１０（１，１）及び１０（２，１）の隣接する２つは、それらの間で光の電界が結合するように近接して配置され、前記規定数Ｙの格子変調フォトニック結晶光導波路１０（１，１）及び１０（１，２）は、前記基板１１の前記表面に垂直な面上に、互いに平行に位置し、かつ前記規定数Ｙの格子変調フォトニック結晶光導波路１０（１，１）及び１０（１，２）の隣接する２つは、それらの間で光の電界が結合するように近接して配置されている。
【００５２】
なお、図６に図示の結合光導波路は、所定数Ｘの格子変調フォトニック結晶光導波路１０（１，１）及び１０（２，１）と規定数Ｙの格子変調フォトニック結晶光導波路１０（１，１）及び１０（１，２）とが、共通の格子変調フォトニック結晶光導波路１０（１，１）を含んでいるが、所定数Ｘの格子変調フォトニック結晶光導波路と規定数Ｙの格子変調フォトニック結晶光導波路とが、共通の格子変調フォトニック結晶光導波路を含まないように、それぞれ別の格子変調フォトニック結晶光導波路を含むように構成しても良い。
【００５３】
また、図６の結合光導波路は、基板１１の表面に平行な面上に互いに平行に位置する所定数Ｘの格子変調フォトニック結晶光導波路が、１０（１，２）及び１０（２，２）に相当し、基板１１の表面に垂直な面上に互いに平行に位置する規定数Ｙの格子変調フォトニック結晶光導波路が、１０（２，１）及び１０（２，２）に相当するものと定義され得る。これら所定数Ｘの格子変調フォトニック結晶光導波路１０（１，２）及び１０（２，２）は、それらの間で光の電界が結合するように近接して配置され、また、規定数Ｙの格子変調フォトニック結晶光導波路１０（２，１）及び１０（２，２）は、それらの間で光の電界が結合するように近接して配置されている。
【００５４】
次に、上述した図３及び図４の結合光導波路の動作について説明する。
【００５５】
まず、結合光導波路での光ビームの伝搬について、３次元ＢＰＭ（Ｂｅａｍ　Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ　Ｍｅｔｈｏｄ）による電磁界解析の結果を用いて説明する。図７に、解析に用いた結合光導波路の断面構造を示す。本解析では、波型の微細構造については考えず、導波路コア１５（１，１）及び１５（２，１）とクラッド領域とをある等価屈折率を有する一様媒質として扱った。この場合、導波路コア１５（１，１）及び１５（２，１）の等価屈折率は１．８２８とし、それを囲むクラッド領域の屈折率は図のような値を用いた。
【００５６】
図８（Ａ）及び（Ｂ）に、導波路コア間の間隔１μｍの結合光導波路の第１の導波路コアに光を入射させた場合に、光ビームが伝搬して行く様子をシミュレーションした結果を示す。Ｘは結合光導波路の幅方向の距離、Ｚは結合光導波路の奥行き方向の距離を示している。第１の導波路コアに入射させた光ビームのエネルギーは、この場合約５００μｍの距離を伝搬した後、隣の第２の導波路コアに完全に移行する。従って、この場合、完全結合長は５００μｍである。
【００５７】
図８（Ａ）及び（Ｂ）において、さらに５００μｍ伝搬すると、光ビームのエネルギーは第１の導波路コアに戻ってくる。これが、完全結合長の結合光導波路を２本繋いだ場合の動作である。
【００５８】
従って、完全結合長の長さを有する結合光導波路を何本も横方向にずらして繋いでいくと、図８（Ｃ）のように、光ビームの伝搬経路をずらしながら伝搬させて行くこともできる。
【００５９】
また、図９（Ａ）及び（Ｂ）の様に、導波路コア間の間隔を狭く（０．５μｍ）したり、広く（１．５μｍ）したりすると、それに伴い完全結合長も短く（３５０μｍ）なったり長く（７００μｍ）なったり変化する。
【００６０】
図１０を参照すると、本発明の第４の実施例による方向性結合器が示されている。この方向性結合器は、図４の結合光導波路に構造において等しい中央の結合光導波路２０と、この結合光導波路２０の導波路コア１５（１，１）及び１５（２，１）の一端に結合された一対の光入力ポート２１と、結合光導波路２０の導波路コア１５（１，１）及び１５（２，１）の他端に結合された一対の光出力ポート２２とを有する。一対の光入力ポート２１の一方を介して導波路コア１５（１，１）及び１５（２，１）の一方に入力した光ビームは、矢印のように、導波路コア１５（１，１）及び１５（２，１）の他方に結合されて、それに結合された一対の光出力ポート２２の一方から出力される。
【００６１】
図では、一対の光入力ポート２１及び一対の光出力ポート２２として、Ｓ字の曲がり導波路コアを採用しているが、このような緩やかな曲がり導波路コアなら、自己クローニング技術において、基板のパターンニングのみで形成できる。
【００６２】
図１１を参照すると、本発明の第５の実施例による方向性結合器が示されている。この方向性結合器も、図１０と同様な中央の結合光導波路２０を含む。しかし、この方向性結合器は、一対の光入力ポート２３及び一対の光出力ポート２４として、図１０のようなＳ字の曲がり導波路コアの代りに、ストレートな導波路コア２３（１）、２３（２）、２４（１）、及び２４（２）を用いている。導波路コア２３（１）及び２３（２）は、導波路コア１５（１，１）及び１５（２，１）と、完全結合長の結合光導波路を構成している。導波路コア２４（１）及び２４（２）は、導波路コア１５（１，１）及び１５（２，１）と、完全結合長の結合光導波路を構成している。完全結合長の結合光導波路であれば、上述したように、理論上は１００％のパワーが一方の導波路コアから隣の導波路コアに移行できるので、入力ポート及び出力ポートとして利用できる。
【００６３】
図１２を参照すると、本発明の第６の実施例によるビームスプリッターが示されている。このビームスプリッターは、図６に示した結合光導波路を用いている。このビームスプリッターは、４（＝２×２）本の導波路コア１５（１，１）、１５（２，１）、１５（１，２）、及び１５（２，２）を有する２次元の結合光導波路を用いる例であるが、別にこの数に拘る必要は無く、６（＝２×３）本の導波路コアを有する結合光導波路を用いても、９（＝３×３）本の導波路コアを有する結合光導波路を用いても良いことは言うまでもない。図１２の場合で説明すると、４本の導波路コアの何れか１本の導波路コア１５（１，１）に光を入射させると、残りの３本の導波路コア１５（２，１）、１５（１，２）、及び１５（２，２）に、導波路コア１５（１，１）に対する結合の強さに応じた分配比で光のパワーが移行し、ビームスプリッターとして動作する。また、入射光が波長成分を有していれば、その波長で完全結合長となる導波路コアに最大パワーが移行するので、ＷＤＭ（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ　Ｄｉｖｉｓｉｏｎ　Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）分波器として動作させることも可能である。
【００６４】
図１３を参照すると、本発明の第７の実施例による方向性結合器型光スイッチが示されている。この方向性結合器型光スイッチは、図１０に示した方向性結合器を用いている。この方向性結合器型光スイッチは、中央の結合光導波路２０部分の屈折率を変化させる電極３０を有し、この電極３０に電界を印加し、結合光導波路２０部分の屈折率を変化させ、光ビームを出力させる導波路コアを切り換えるものである。
【００６５】
所謂、方向性結合器型光スイッチは、ＬｉＮＯ３やＩｎＰなどの半導体基板上に実現されているものは従来から有るが、サイズが大きいのと、製造上の歩留まりが悪いため、多数の光スイッチをマトリクス化して集積化することは非常に困難であった。
【００６６】
図１３の方向性結合器型光スイッチでは、中央の結合光導波路２０部分の導波路コア１５（１，１）及び１５（２，１）間の間隔を１μｍ以下と非常に狭くすることも可能であり、素子長を短くできると同時に、製造面での制御性、再現性が良く、マトリクス集積化しても歩留まりが低下しないというメリットが有る。スイッチンク動作は、従来の光スイッチと同様に、中央の結合光導波路２０部分の屈折率を、電気光学（ＥＯ）効果や熱光学（ＴＯ）効果を用いて変化させることにより行うことができる。図１３に示すものは、中央の結合光導波路２０部分の上方に、電極３０を付けることによって、結合光導波路２０部分に電界を印加し、電気光学効果によりスイッチングを行うものであるが、電極３０の代りにヒーターを設けて、熱光学効果によりスイッチングを行うことも可能である。
【００６７】
図１４を参照すると、本発明の第８の実施例による方向性結合器型光スイッチが示されている。この方向性結合器型光スイッチは、図１３に示した方向性結合器型光スイッチの構造バリエーションの一つである。すなわち、中央の結合光導波路２０部分の導波路コア１５（１，１）及び１５（２，１）間にさらに一本導波路コア４０を設けて、この導波路コア４０への光の結合を利用することにより、スイッチング動作を効率よく行えるようにしたものである。従って、電気光学効果によるスイッチングを行う場合の電極３０への印加電圧を低減できる。
【００６８】
図１５を参照すると、本発明の第９の実施例による結合光導波路型波長フィルターが示されている。この結合光導波路型波長フィルターは、図１０に示した方向性結合器を用いている。この結合光導波路型波長フィルターは、中央の結合光導波路２０部分の導波路コア１５（１，１）及び１５（２，１）間に、固有の共振周波数を有する短い光導波路からなる共振器５０を導入することにより、導波路コア１５（１，１）及び１５（２，１）の一方に入射させた光ビーム（波長成分λｊ及びλｉを含む）のうちの特定の波長成分λｉの光のみが短い光導波路５０からなる光共振器内で共振することにより、導波路コア１５（１，１）及び１５（２，１）の他方に乗り移って出力されるものである。
【００６９】
このように、この結合光導波路型波長フィルターは、二本の導波路コア１５（１，１）及び１５（２，１）間に、短い光導波路からなる共振器５０を導入し、この部分がある波長λｉの光に対して高いＱを有するような所謂光共振器として動作する場合、一方の導波路コア１５（１，１）に入射させた光のうち、共振器５０の共振周波数λｉと一致する特定の波長成分λｉの光のみが他方の導波路コア１５（２，１）に移行し、取り出される。
【００７０】
図１６を参照すると、本発明の第１０の実施例による結合光導波路型波長フィルターが示されている。この結合光導波路型波長フィルターは、同様の参照符号で示された同様の部分を有する。この結合光導波路型波長フィルターは、二本の導波路コア１５（１，１）及び１５（２，１）間の短い光導波路を構成する多層膜の構造が、短い光導波路の長手方向にも波型に変調されており、短い光導波路の長手方向に分布ブラッグ反射鏡（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　Ｂｒａｇｇ　Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ：ＤＢＲ）共振器５０’として機能するものである。短い光導波路の長手方向への波型変調構造の導入は、この部分の基板のパターンを、ライン・アンド・スペース　パターンから、長手方向の波型パターンの周期を含む格子状のパターンに変更するだけである。この場合、格子状パターンの上に積層される多層膜の断面構造は、短い光導波路の長手方向に垂直な所謂横方向に波型パターンを有しているばかりでなく、短い光導波路の長手方向の断面も波型パターンを有する。この場合、中央の光共振器５０’の共振波長λｉは、短い光導波路の長手方向の波型パターンの周期によるＤＢＲの反射波長によって決まる。従って、一方の導波路コア１５（１，１）に入射させた光のうち、波型パターンの周期に応じた波長成分λｉの光のみが、他方の導波路コア１５（２，１）に移行し、取り出される。
【００７１】
このように、この結合光導波路型波長フィルターは、光共振器の短い光導波路を構成する多層膜の構造が短い光導波路の長手方向に波型に変調される構造を有することにより、前記波型変調の周期に対応するある波長の光のみを選択的に共振させて出力するものである。
【００７２】
図１７を参照すると、本発明の第１１の実施例による結合光導波路型波長フィルターが示されている。この結合光導波路型波長フィルターは、図１５の波長フィルターの中央の共振器５０の上方に設けられ、共振器５０の部分の屈折率を変化させる電極６０を有し、この電極６０に電界を印加し、電気光学効果等により共振器５０の部分の屈折率を変化させ、共振器５０の共振波長を変化させ、取り出される光の波長を、λｉ（図１５の場合）から、（λｉ＋Δλ）或は（λｉ−Δλ）にチューニングするものである。
【００７３】
電極６０の代りにヒーターを設けて、熱光学効果により、取り出される光の波長をチューニングしても良い。
【００７４】
また、電極６０或いは上記ヒーターを、図１６の波長フィルターの中央のＤＢＲ共振器５０’の上方に設けて、図１６の波長フィルターにおいて、取り出される光の波長を、λｉ（図１６の場合）から、（λｉ＋Δλ）或は（λｉ−Δλ）にチューニングするようにしても良い。
【００７５】
図１８を参照すると、本発明の第１２の実施例によるアド・ドロップ・マルチプレクサー（Ａｄｄ−Ｄｒｏｐ　Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ：ＡＤＭ）が示されている。このアド・ドロップ・マルチプレクサーは、図１０に示した方向性結合器を用いている。このアド・ドロップ・マルチプレクサーは、中央の結合光導波路２０部分の二本の導波路コア１５（１，１）及び１５（２，１）の一方１５（１，１）の一部に、ＤＢＲ部７０を有するもので、ＤＢＲ部７０は、図１６のＤＢＲ共振器５０’の場合と同様に、この部分の多層膜の構造が、導波路コアの長手方向にも波型に変調されているものである。ＤＢＲ部７０の作製は、図１６の場合と同様に、この部分の基板のパターンを、導波路コアの長手方向の波型パターンの周期を含む格子状のパターンに変更するのみである。
【００７６】
ＡＤＭとしての動作は、以下の様になる。まず、ＤＢＲ部７０は、波長λｉの光に対して選択的に反射が起こるように、この長手方向での波型パターンの周期が設定されているとする。入力ポート７１から導入される様々な波長の光の内、ＤＢＲ部７０によって反射されない、波長λｉ以外の光は、中央の結合光導波路２０部分で、一方の導波路コア１５（１，１）から他方の導波路コア１５（２，１）に乗り移り、出力ポート７２から取り出される。一方、入力ポート７１から一方の導波路コア１５（１，１）に導入された波長λｉ成分の光は、ＤＢＲ部７０で反射されながら、他方の導波路コア１５（２，１）に乗り移り、Ｄｒｏｐ　Ｏｕｔ出力ポート７３から、Ｄｒｏｐ　Ｏｕｔ出力光λｉとして取り出される。
【００７７】
さらに、Ａｄｄ　Ｉｎ入力ポート７４から、一方の導波路コア１５（１，１）に、波長λｉのＡｄｄ　Ｉｎ入力光を導入してやれば、ＤＢＲ部７０で反射されながら、他方の導波路コア１５（２，１）に乗り移り、出力ポート７２から取り出される。このように、このデバイスは、ＤＢＲ部７０の反射波長で決まる波長に対するＡＤＭとして機能する。
【００７８】
図１９を参照すると、本発明の第１３の実施例によるアド・ドロップ・マルチプレクサー（ＡＤＭ）が示されている。このアド・ドロップ・マルチプレクサーは、図１８に示したＡＤＭにおいて、ＤＢＲ部７０の上方に電極７５（或いは、ヒーター）を設けて、電気光学（ＥＯ）効果（或いは、熱光学（ＴＯ）効果）によりＤＢＲ部７０の屈折率を変化させ、ＤＢＲ部７０での反射波長λｉを変化させ、波長チューナブルなＡＤＭとして動作させるものである。
【００７９】
図２０を参照すると、本発明の第１４の実施例による光制御光スイッチが示されている。この光制御光スイッチは、図１０に示した方向性結合器を用いている。この光制御光スイッチは、信号入力ポート７６に信号光が入り、制御光入力ポート７７に制御光（波長λｉ）が入ってない場合は、通常の方向性結合器として動作し、信号光は、結合光導波路２０部分の一方の導波路コア１５（１，１）から他方の導波路コア１５（２，１）に乗り移り、出力ポート７８から出力される。次に、スイッチング動作をさせるための前記制御光（波長λｉ）を、制御光入力ポート７７から導入すると、制御光（波長λｉ）が結合光導波路２０部分を通過するうちに、非線形光学効果によりこの部分の屈折率を変化させる。結合光導波路２０の二本の導波路コア１５（１，１）及び１５（２，１）の一方１５（１，１）の一部には、図２０に示すように、制御光（波長λｉ）に共振するＤＢＲ部７５が設けてあり、この屈折率変化を効率よく起こすことができる。ＤＢＲ部７５は、図１８のＤＢＲ部７０の場合と同様に、この部分の多層膜の構造が、導波路コアの長手方向にも波型に変調されているものである。このように、制御光が信号光と共に入力された場合、信号光は結合光導波路２０部分で再び元の導波路コア１５（１，１）に結合し、出力ポート７８には出て来ないような動作をさせることができる。
【００８０】
このように、図２０の光制御光スイッチは、制御光の波長λｉのみを選択的に反射し共振するＤＢＲ部７５に対する制御光の入射によって、結合光導波路２０の屈折率を変化させることにより、結合光導波路２０部分の完全結合長を変化させ、結合光導波路２０に制御光とは別に入射する信号光の出口を切り替えることができる。
【００８１】
図２１を参照すると、本発明の第１５の実施例による光制御光スイッチが示されている。この光制御光スイッチも、図１０に示した方向性結合器を用いている。この光制御光スイッチでは、信号光の波長（λｉ）の光を反射するＤＢＲ部８０が結合光導波路２０の二本の導波路コア１５（１，１）及び１５（２，１）の両方に形成されている。導波路コア１５（１，１）及び１５（２，１）の各々に形成されたＤＢＲ部８０は、図１８のＤＢＲ部７０の場合と同様に、この部分の多層膜の構造が、導波路コアの長手方向にも波型に変調されているものである。
【００８２】
この光制御光スイッチは、次のように動作する。
【００８３】
まず、制御光がＢａｒポート８１に入射されない場合、入力ポート８２から導波路コア１５（１，１）に入射された信号光は、導波路コア１５（１，１）及び１５（２，１）に形成されたＤＢＲ部８０によって反射され、他方の導波路コア１５（２，１）に乗り移りながら、反射出力ポート８３から出力される。次に、制御光がＢａｒポート８１から導波路コア１５（１，１）に入力されると、非線形光学効果により導波路コア１５（１，１）及び１５（２，１）のＤＢＲ部８０の屈折率変化がもたらされ、導波路コア１５（１，１）及び１５（２，１）のＤＢＲ部８０の反射波長がシフトすることにより、信号光の反射が起こらなくなるため、信号光はＣｒｏｓｓポート８４から出力される。このようにして、スイッチング動作が行える。
【００８４】
なお、ＤＢＲ部８０は、結合光導波路２０の二本の導波路コア１５（１，１）及び１５（２，１）のうちの一方の導波路コア１５（１，１）のみに形成されても良い。この場合、制御光がＢａｒポート８１に入射されない場合、入力ポート８２から導波路コア１５（１，１）に入射された信号光は、導波路コア１５（１，１）に形成されたＤＢＲ部８０によって反射され、他方の導波路コア１５（２，１）に乗り移りながら、反射出力ポート８３から出力される。次に、制御光がＢａｒポート８１から導波路コア１５（１，１）に入力されると、非線形光学効果により導波路コア１５（１，１）のＤＢＲ部８０の屈折率変化がもたらされ、導波路コア１５（１，１）のＤＢＲ部８０の反射波長がシフトすることにより、信号光の反射が起こらなくなるため、信号光はＣｒｏｓｓポート８４から出力される。
【００８５】
このように、図２１の光制御光スイッチは、結合光導波路２０に信号光とは別に制御光を入射させることによって、結合光導波路２０の屈折率を変化させることにより、結合光導波路２０の完全結合長を変化させ、信号光の出口を切り替える。
【００８６】
図２２を参照すると、本発明の第１６の実施例による光制御光スイッチが示されている。この光制御光スイッチも、図１０に示した方向性結合器を用いている。この光制御光スイッチは、結合光導波路２０の二本の導波路コア１５（１，１）及び１５（２，１）に挟まれた中央の導波路コア８５を有する。中央の導波路コア８５は、二本の導波路コア１５（１，１）及び１５（２，１）の各々と同様の構造を有する。中央の導波路コア８５に制御光入力ポート８６から制御光を導入してスイッチング動作を行うものである。制御光が導入されていない場合、信号入力ポート８７から導波路コア１５（１，１）に入力された信号光は、結合光導波路２０部分で、導波路コア８５を経由して、導波路コア１５（２，１）に乗り移りながら、ＯＦＦ出力ポート８８から出力される。一方、制御光信号光が導波路コア８５に入力されている場合は、信号入力ポート８７から導波路コア１５（１，１）に入力された信号光は、結合光導波路２０部分で導波路コア８５を経由して、再び元の導波路コア１５（１，１）に戻ってきて、ＯＮ出力ポート８９から出力される。このようにして、スイッチング動作が行える。結合光導波路２０の長さを適切に選んでやれば、ＯＦＦ出力ポートとＯＮ出力ポートを逆にすることもできる。
【００８７】
このように、図２２の光制御光スイッチは、結合光導波路２０は、互いに結合した三本の導波路コア１５（１，１）、８５、及び１５（２，１）を有し、結合光導波路２０の外側の二本の導波路コア１５（１，１）及び１５（２，１）に挟まれた中央の導波路コア８５に、スイッチングを制御する制御光を入射させることによって、結合光導波路２０の屈折率を変化されることにより、結合光導波路２０の完全結合長を変化させ、外側の二本の導波路コア１５（１，１）及び１５（２，１）の何れかに入射させた信号光の出口を切り替えるものである。
【００８８】
図２３を参照すると、本発明の第１７の実施例による分散補償器が示されている。この分散補償器は、図５に示した結合光導波路を用いており、同様の参照符号で示した同様の部分を含む。この分散補償器は、上下に結合した格子変調フォトニック結晶光導波路１０（１，１）及び１０（１，２）から成るが、結合する上下の格子変調フォトニック結晶光導波路１０（１，１）及び１０（１，２）の導波路コア１５（１，１）及び１５（１，２）の等価屈折率が互いに異なり、その結果、導波路コア１５（１，１）及び１５（１，２）の互いに群速度が異なるように設計されている。図示の例では、導波路コア１５（１，１）は、群速度の速い導波路コアを構成し、導波路コア１５（１，２）は、群速度の遅い導波路コアを構成している。上下の導波路コア１５（１，１）及び１５（１，２）で等価屈折率を異なるようにするためには、導波路コア１５（１，１）及び１５（１，２）を構成する波型多層膜の各膜の厚さを微妙に異ならせればよい。光は、上下の導波路コアを同時に励振するように入射するが、入射する光の波長によって、上下の導波路コアの各々に結合する割合が異なり、従って、波長により異なる群速度が得られることになる。このことは正しく分散を意味しており、入射光のチャープ波長成分を打ち消すような分散を与えれば、分散補償が可能となる。
【００８９】
このように、図２３の分散補償器は、格子変調フォトニック結晶光導波路１０（１，１）及び１０（１，２）間での等価屈折率の違いを利用して、異なる波長の光に対して伝搬速度の違いを生じさせ、分散補償を行うものである。
【００９０】
図２４を参照すると、本発明の第１８の実施例による分散補償器が示されている。この分散補償器は、図４に示した結合光導波路をモディファイしたものを用いている。この分散補償器においては、導波路コア１５（１，１）及び１５（２，１）は、図４の結合光導波路と同様に、基板１１の表面に平行な面上に、互いに平行に形成されている。この分散補償器では、導波路コア１５（１，１）及び１５（２，１）の各々には、断面が長手方向に波型の周期パターンを有するようなＤＢＲが形成されている。さらに、波型パターンの周期は、導波路コア１５（１，１）及び１５（２，１）間で異なる。このように結合光導波路を基板１１と平行な面上に形成することにより、ＤＢＲ構造を用いて導波路コア１５（１，１）及び１５（２，１）とで大きな群速度の差を付けることができる。
【００９１】
以上に示した種々の実施例では、屈折率の高い誘電体１４としてＴａ２Ｏ５を使用しているが、Ｔａ２Ｏ５の代わりに、屈折率が約３．５のＳｉやその他の材料を用いることも可能である。また同様に、屈折率の低い誘電体１３としてＳｉＯ２以外の材料を用いることも当然考えられる。さらに、波型パターンを構成する波型の単位格子の代りに、例えば、くさび型の単位格子を用いるという方法も考えられる。本発明の結合光導波路において、基本格子の構造が何かということは、本質的ではない。
【００９２】
【発明の効果】
本発明による、自己クローニング技術を用いた結合光導波路の最大の特徴は、導波路コア間の間隔を１μｍ以下と非常に狭く作ることが可能である点である。このため、完全結合長を短くでき、結果的に結合光導波路を用いる素子の長さを短く出来ることである。導波路コア間の間隔を狭くできる理由は、自己クローニング技術によるその製法にある。従来の結合光導波路は、二本の導波路間の溝を掘り込んで形成するため、プロセスの加工精度上この間隔を２μｍ程度以下にはできなかった。従って、導波路間での結合が弱く、完全結合長を短くできなかった。これに対して、本発明の結合光導波路の製法では、溝を掘り込むことなく、基板のパターンニングのみで形成できるため、導波路コアの間隔を１μｍ以下にすることも可能であり、完全結合長を短くできる。また、このような結合光導波路を作製するプロセスの制御性および再現性も、従来の溝を掘り込むタイプの結合光導波路に比べると格段に良くなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明で用いられる格子変調フォトニック結晶光導波路の斜視図である。
【図２】本発明の第１の実施例による結合光導波路の基板上に設けられるライン・アンド・スペース　パターンの溝を説明するための図である。
【図３】本発明の第１の実施例による結合光導波路の断面図である。
【図４】本発明の第１の実施例による結合光導波路を説明するための図である。
【図５】本発明の第２の実施例による結合光導波路を説明するための図である。
【図６】本発明の第３の実施例による結合光導波路を説明するための図である。
【図７】図３及び図４の結合光導波路の動作を説明するための図である。
【図８】（Ａ）〜（Ｃ）は図３及び図４の結合光導波路の動作を説明するための図である。
【図９】（Ａ）及び（Ｂ）は図３及び図４の結合光導波路の動作を説明するための図である。
【図１０】本発明の第４の実施例による方向性結合器を説明するための図である。
【図１１】本発明の第５の実施例による方向性結合器を説明するための図である。
【図１２】本発明の第６の実施例によるビームスプリッターを説明するための図である。
【図１３】本発明の第７の実施例による方向性結合器型光スイッチを説明するための図である。
【図１４】本発明の第８の実施例による方向性結合器型光スイッチを説明するための図である。
【図１５】本発明の第９の実施例による結合光導波路型波長フィルターを説明するための図である。
【図１６】本発明の第１０の実施例による結合光導波路型波長フィルターを説明するための図である。
【図１７】本発明の第１１の実施例による結合光導波路型波長フィルターを説明するための図である。
【図１８】本発明の第１２の実施例によるアド・ドロップ・マルチプレクサーを説明するための図である。
【図１９】本発明の第１３の実施例によるアド・ドロップ・マルチプレクサーを説明するための図である。
【図２０】本発明の第１４の実施例による光制御光スイッチを説明するための図である。
【図２１】本発明の第１５の実施例による光制御光スイッチを説明するための図である。
【図２２】本発明の第１６の実施例による光制御光スイッチを説明するための図である。
【図２３】本発明の第１７の実施例による分散補償器を説明するための図である。
【図２４】本発明の第１８の実施例による分散補償器を説明するための図である。
【符号の説明】
１０　　格子変調フォトニック結晶光導波路
１０（１，１）　　格子変調フォトニック結晶光導波路
１０（２，１）　　格子変調フォトニック結晶光導波路
１０（１，２）　　格子変調フォトニック結晶光導波路
１０（２，２）　　格子変調フォトニック結晶光導波路
１１　　基板
１２　　溝
１３　　屈折率の低い誘電体
１４　　屈折率の高い誘電体
１５　　導波路コア
１５（１，１）　　導波路コア
１５（２，１）　　導波路コア
１５（１，２）　　導波路コア
１５（２，２）　　導波路コア
【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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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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