(57)【要約】【課題】従来型の光導波路との高効率接続を実現する構造をもつフォトニック結晶導波路を提供することを目的とする。【解決手段】スラブ型２次元フォトニック結晶の格子の一部を導波方向に直線状に除いた線欠陥を有するフォトニック結晶導波路において、フォトニック結晶導波路の端から入射した伝播光への結晶格子が与える影響を伝播光が進入するに従い徐々に変化させるように、前記端から導波方向への所定範囲における線欠陥を挟む両側の格子点上の構造体の形状又は配置を、他の格子点上の構造体の形状又は配置と異なるものとする。例えば、前記線欠陥を挟む両側の格子点上の構造体の線欠陥中央側の側壁間の幅を、当該構造体の前記端からの距離が大きいほど狭くする。【選択図】　図１
2004101740.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スラブ型２次元フォトニック結晶の格子の一部を導波方向に直線状に除き又は格子の一部を変形し若しくは移動させた線欠陥を有するフォトニック結晶導波路において、
前記フォトニック結晶導波路の端から入射した伝播光への結晶格子が与える影響を伝播光が進入するに従い徐々に変化させるように、前記端から導波方向への所定範囲における線欠陥を挟む両側の格子点上の構造体の形状又は配置を、他の格子点上の構造体の形状又は配置と異なるものとしたことを特徴とするフォトニック結晶導波路。
【請求項２】
前記所定範囲において、前記線欠陥を挟む両側の格子点上の構造体の線欠陥中央側の側壁間の幅を、当該構造体の前記端からの距離が大きいほど狭くしたことを特徴とする請求項１に記載のフォトニック結晶導波路。
【請求項３】
前記フォトニック結晶導波路と従来型の光導波路とを接続する場合において、該従来型の光導波路の幅は、前記所定範囲における前記線欠陥を挟む両側の格子点上の構造体の線欠陥中央側の側壁間の幅より広いことを特徴とする請求項２に記載のフォトニック結晶導波路。
【請求項４】
前記フォトニック結晶導波路の線欠陥における両側の格子間隔を、スラブ型２次元フォトニック結晶の格子の１列を除いただけの通常の欠陥構造における欠陥部分の両側の格子間隔の０．５倍から１．６倍のいずれかの値としたことを特徴とする請求項３に記載のフォトニック結晶導波路。
【請求項５】
前記所定範囲における線欠陥を挟む両側の格子点上の各構造体の形状を、円柱の一部をその中心軸に平行な平面で切り取った形状としたことを特徴とする請求項１ないし４のうちいずれか１項に記載のフォトニック結晶導波路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光情報処理、光伝送等に用いられるレーザ、光集積回路等の様々な光デバイス等を構成する基本構造及び光学部品に用いられ得るフォトニック結晶導波路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在の光デバイスは光の閉じ込めを屈折率差で行っているため、光の閉じ込め領域を小さくできないことから、素子を小さく構成する事ができない。更に、素子の集積度を上げるために急峻な曲げ導波路を構成すると散乱損失が生じるため、光回路の小型・集積化が行えずその大きさは電子デバイスに比べ非常に大きい。そのため、従来とは全く異なる概念で光の閉じ込めを行うことができるフォトニック結晶は、上述の問題を解決することができる光の新素材として期待されている。
【０００３】
フォトニック結晶とは、屈折率の異なる２種類以上の媒質によって光の波長と同程度の周期性を形成した人工的な多次元周期構造体であり、電子のバンド構造に似た光のバンド構造を有する。そのため、特定の構造には光の禁制帯（フォトニックバンドギャップ）が表れる。
【０００４】
フォトニックバンドギャップを有するフォトニック結晶に周期性を乱す線欠陥を導入すると、バンドギャップの周波数領域内に導波モードが形成され完全に光を閉じ込める光導波路を実現できることが理論的に指摘されている（例えば、非特許文献１参照）。Ｊ．　Ｄ．　Ｊｏａｎｎｏｐｏｕｌｏｓらは、光の波長程度の格子定数ａの四角格子上に半導体程度の大きな屈折率をもつ半径ａ／５の円柱を配置した２次元フォトニック結晶中に、円柱を１列配置しない線欠陥を導入し、急角度に曲げた場合でも原理的に散乱損失が生じない光導波路を構成可能なことを理論的に示した。このような導波路は超小型光集積回路を構成する上で非常に重要な導波路となり得る。
【０００５】
また、特願２００１−３９４４９９号明細書には低損失で群速度の大きな単一モードをもつスラブ型２次元フォトニック結晶導波路が記載されている。
【０００６】
【非特許文献１】
Ｊ．　Ｄ．　Ｊｏａｎｎｏｐｏｕｌｏｓ，　Ｐ．Ｒ．Ｖｉｌｌｅｎｅｕｖｅ，　ａｎｄ　Ｓ．Ｆａｎ，　“Ｐｈｏｔｏｎｉｃ　Ｃｒｙｓｔａｌ：　ｐｕｔｔｉｎｇ　ａ　ｎｅｗ　ｔｗｉｓｔ　ｏｎ　ｌｉｇｈｔ”，　Ｎａｔｕｒｅ　３８６，１４３（１９９７）。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、線欠陥を導入したフォトニック結晶導波路を伝播する光のモードの特徴は従来の光導波路のそれとは大きく異なるため、従来型の光導波路との接続が非常に困難である。これは、フォトニック結晶を用いた光回路を外部ネットワークに接続する時や、他の光回路にフォトニック結晶機能デバイスを組み込む時に大きな光損失が生じることを意味し、非常に大きな問題である。
【０００８】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、スラブ型２次元フォトニック結晶を用いた光導波路における上記の問題点を解決し、従来型の光導波路との高効率接続を実現する構造をもつフォトニック結晶導波路を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明のフォトニック結晶導波路は以下のような構造を有している。
【００１０】
すなわち、本発明は、スラブ型２次元フォトニック結晶の格子の一部を導波方向に直線状に除き又は格子の一部を変形し若しくは移動させた線欠陥を有するフォトニック結晶導波路であり、前記フォトニック結晶導波路の端から入射した伝播光への結晶格子が与える影響を伝播光が進入するに従い徐々に変化させるように、前記端から導波方向への所定範囲における線欠陥を挟む両側の格子点上の構造体の形状又は配置を、他の格子点上の構造体の形状又は配置と異なるものとしたことを特徴とする。
【００１１】
上記フォトニック結晶導波路において、前記線欠陥を挟む両側の格子点上の構造体の線欠陥中央側の側壁間の幅を、当該構造体の前記端からの距離が大きいほど狭くする構造とすることができる。
また、前記フォトニック結晶導波路と従来型の光導波路とを接続する場合には、該従来型の光導波路の幅は、前記所定範囲における前記線欠陥を挟む両側の格子点上の構造体の線欠陥中央側の側壁間の幅より広くする。
本発明によれば、伝播光に対して結晶格子が与える影響を伝播光が進入するに従い徐々に大きくすることができるので、モードの性質が大きく異なる従来型の光導波路とフォトニック結晶導波路との接続部分における光損失を減少させることができ、フォトニック結晶を用いた光回路の外部ネットワークへの接続や、他の光回路へのフォトニック結晶機能デバイスの組み込みが可能となる。
【００１２】
更に、前記フォトニック結晶導波路の線欠陥における両側の格子間隔を、スラブ型２次元フォトニック結晶の格子の１列を除いただけの通常の欠陥構造における欠陥部分の両側の格子間隔の０．５倍から１．６倍のいずれかの値とすることにより、単一モード条件を満足させることができる。
【００１３】
なお、前記所定範囲における線欠陥を挟む両側の格子点上の各構造体の形状を、円柱の一部をその中心軸に平行な平面で切り取った形状とすることができる。
【発明の実施の形態】
図１に、本発明の一実施形態における単純一列線欠陥型フォトニック結晶導波路と従来型の直線導波路（Ｓｉ細線型導波路）との結合系の構造図を示す。図１に示す例では、幅が０．７４μｍの単一モードＳｉ細線型の導波路と、一列線欠陥で構成された格子定数０．３９μｍのフォトニック結晶導波路とを接合させている。
【００１４】
なお、本発明の実施形態におけるフォトニック結晶導波路は、スラブ型２次元フォトニック結晶導波路である。スラブ型２次元フォトニック結晶とは、誘電体薄膜スラブに誘電体薄膜スラブよりも低い屈折率の円柱状又は多角柱状の低屈折率柱（例えば、空気穴。この低屈折率柱を本明細書では構造体と称する場合がある）を適当な２次元周期間隔で設け、さらに誘電体薄膜スラブの上下を誘電体薄膜スラブよりも低い屈折率を持つ上部クラッド層と下部クラッド層とで挟んだフォトニック結晶のことである。
【００１５】
本発明の一実施形態におけるフォトニック結晶導波路は、従来型の直線導波路からフォトニック結晶導波路へのモード変換をスムーズに行うために、接続部分付近の線欠陥の両脇の穴の形状を円を直線で切り取った形状（円柱をその中心軸に平行な平面で切り取った形状）とし、フォトニック結晶導波路の奥に入るに従い切り取る面積を小さくしている。
【００１６】
次に、図１に示すような本発明の構造により、従来型の光導波路と本発明のフォトニック結晶光導波路の接続における光損失を減少させることができる理由について、図２を用いて説明する。
【００１７】
図２は、従来の典型的な一列線欠陥型のフォトニック結晶導波路の分散曲線を示す図である。図２に示される伝搬定数・周波数領域であればＳｉ細線導波路の分散曲線はほぼ直線であるのに対し、フォトニック結晶導波路に対する分散曲線は複雑な曲線で示されている。フォトニック結晶導波路の最も特異な点は、分散曲線が図２のように規格化周波数（規格化伝搬定数）ｋ＝０〜０．５に収まってしまうことである。これは、フォトニック結晶導波路では光が伝播する方向に結晶の格子点が周期的に配置されており、光がｋ＝０．５でブラグ反射されることに起因する。またフォトニック結晶の２次元面内の周期性により、その分散曲線はさらに特殊な形状となっている。
【００１８】
この様な典型的な１列線欠陥型のフォトニック結晶導波路と従来型のＳｉ細線導波路の結合を考えたとき、以下のような問題が生じる。
【００１９】
図２の実線で示された導波モードに着目すると、図中に示された一点鎖線に漸近する直線的な領域と、大きく曲がり一点鎖線から離れていく領域（図２中の○の部分）に分類することができる。直線的な領域ではモードのフィールドパターンや光学的な特徴がＳｉ細線導波路のそれと比較的似通っており、この領域を利用したとすれば両導波路間のカップリング効率は高い。
【００２０】
しかしながら、フォトニック結晶導波路はクラッドのライトラインより高周波数側でリーキーな特性を示すため、この領域を利用することはできない。一方、フォトニック結晶導波路として使用可能なライトラインよりも低周波数側の領域（図２中の○の部分）においても、フォトニック結晶導波路の導波モードの分散曲線は大きく折れ曲がり、モードのフィールドパターンや光学的特性はＳｉ細線導波路のそれと大きく異なるため、直接両導波路を結合しても高い結合効率を得ることができない。また、点線で示された導波モードは、それが存在する周波数領域に２本のモードが存在し、つまり単一モード条件が満足されていないため、光集積回路への応用には適さない。
【００２１】
一つの解決手段として、フォトニック結晶導波路におけるクラッド層を空気とすることでクラッドのライトラインを高周波数側にシフトさせ、フォトニック結晶導波路の分散曲線が直線に近い領域をライトラインより低周波数側で利用する方法がある。しかしながら、この方法では、厚さがコンマ数ミクロンのＳｉ細線やフォトニック結晶を中空に浮かせる必要があり、強度を確保できないという問題がある。
【００２２】
一方、図１に示したような本発明の構造によれば、従来の直線導波路からフォトニック結晶導波路に光を入射する際、モードの性質が大きく異なる要因である結晶の周期性の伝播光への影響を徐々に大きくする領域を置くことで、光の入射の際に生じる急激なモード変換を緩和し、導波路の結合部における反射や散乱・漏れを抑制し、光損失を減少させることができるため、フォトニック結晶が機能する図２中の○の領域において、両導波路のカップリング効率の大幅な改善が可能になる。
【００２３】
次に、従来型のＳｉ細線導波路と、本発明の単純一列線欠陥型のフォトニック結晶導波路を結合したときの光透過特性を図３に示す。
【００２４】
図３中の実線は本発明のフォトニック結晶導波路を用いたときの光透過特性を示し、点線は、従来の単純一列線欠陥型のフォトニック結晶導波路を用いたときの光透過特性を示す。図３における例では、本発明のフォトニック結晶導波路として、Ｓｉ細線導波路との接合部分付近に導波方向に穴１０個分の変換領域を設置したものを用いている。
【００２５】
前述したように、従来のフォトニック結晶導波路とＳｉ細線導波路との直接接合ではフォトニック結晶導波路が機能する低周波数領域（図３の斜線部）において高い結合効率を得ることが難しいため、透過率が低い。一方、変換領域を設置した本発明の実施形態に係る結合系の透過率特性はこの領域（図３の斜線部分）において大幅に改善されている。この結果は、本発明のモード変換機構の導入により、モードの性質が大きく異なる従来型の光導波路とフォトニック結晶導波路とを高効率に接続することが可能であることを示している。
【００２６】
次に、この機構を用いた他の実施形態を図４を用いて説明する。図４は、Ｓｉ細線型導波路と本実施形態における幅変化型フォトニック結晶導波路の結合系の構造図を示す図である。
【００２７】
この実施形態では、幅が０．４μｍの単一モードＳｉ細線型の導波路と、一列線欠陥を挟む結晶（格子定数ａ＝０．３９μｍ）全体をずらすことで欠陥の幅を、単純一列線欠陥構造における幅の０．７倍に狭めたフォトニック結晶導波路（幅変化型フォトニック結晶導波路という）とを接合させている。単一モードＳｉ細線型の導波路からフォトニック結晶導波路へのモード変換をスムーズに行うため、Ｓｉ細線の領域で導波路幅を０．４μｍから０．３５μｍまで長さ２５μｍで絞り、さらにフォトニック結晶導波路の領域で線欠陥の両脇の穴の形状を、円を直線で切り取った形（円柱を縦に平面で切った形）に設定し、フォトニック結晶導波路の奥に入るに従い切り取る面積を小さくしている。
【００２８】
図５に、図４に示す幅変化型フォトニック結晶導波路の分散曲線を示す。図５の○で示すように、このフォトニック結晶導波路はクラッド層のライトラインより低周波数側の領域における透過帯域が広い（分散曲線の傾きが大きい）ことと、その領域において分散曲線が直線に近いことに特徴がある。
【００２９】
クラッド層のライトラインより低周波数側の領域における直線に近い部分の透過帯域が広いことから、Ｓｉ細線と当該幅変化型フォトニック結晶導波路とを直接接続すると、高透過特性が従来より広帯域で得られる。ただし、さらに低周波数領域になると分散曲線は直線からはずれる傾向がある。この領域ではフォトニック結晶導波路特有の物理現象が現れるため、将来のフォトニック結晶デバイスのキーポイントとなる周波数帯と期待されているが（Ｍ．　Ｎｏｔｏｍｉ，　ｋ．Ｙａｍａｄａ，　Ａ．Ｓｈｉｎｙａ，　Ｊ．Ｔａｋａｈａｓｈｉ，　Ｃ．Ｔａｋａｈａｓｈｉ，　ａｎｄ　Ｉ．Ｙｏｋｏｈａｍａ，　“Ｅｘｔｒｅｍｅｌｙ　Ｌａｒｇｅ　Ｇｒｏｕｐ−Ｖｅｌｏｃｉｔｙ　Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ　ｏｆ　Ｌｉｎｅ−Ｄｅｆｅｃｔ　Ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ　ｉｎ　Ｐｈｏｔｏｎｉｃ　Ｃｒｙｓｔａｌ　Ｓｌａｂｓ”，　Ｐｈｙｓｉｃａｌ　Ｒｅｖｉｅｗ　Ｌｅｔｔｅｒｓ　８７，　２５３９０２　（２００１）．）、従来の光導波路とあまりにも特徴が異なるため、Ｓｉ細線と当該幅変化型フォトニック結晶導波路を直接接続しても高い接続効率を得られない。
【００３０】
図６に、Ｓｉ細線導波路と本発明の幅変化型フォトニック結晶導波路とを結合したときの光透過特性を示す。図６（ａ）は、本発明の構造を用いたとき、すなわち、導波方向に穴５０個分の変換領域を入出力部（接続部分付近）に設置したとき、図６（ｂ）は設置しなかったときの光の透過特性の実験結果を示す図である。
【００３１】
前述したように、従来のフォトニック結晶導波路とＳｉ細線導波路との直接接合ではフォトニック結晶導波路特有の現象が現れる長波長領域（図６（ｂ）におけるＸ部分）において高い結合効率を得ることが難しいため、透過光強度が低い。一方、図６（ａ）に示すように、モード変換領域を設置した本発明のフォトニック結晶導波路とＳｉ細線導波路との結合系の透過率特性がこの領域（Ｘ部分）において大幅に改善されていることがわかる。
【００３２】
この結果は、本発明のモード変換機構の導入により、モードの性質が大きく異なる従来型の光導波路とフォトニック結晶導波路とを高効率に接続することが可能であり、この構造がフォトニック結晶特有の物理現象を結晶の外部に高効率に取り出す機構となりえることを示している。
【００３３】
次に、これらの高効率接続が実現されるためのフォトニック結晶導波路の構造条件について説明する。
【００３４】
本発明のフォトニック結晶導波路では、従来型の光導波路（Ｓｉ細線導波路）を伝播した光がフォトニック結晶導波路内に進入するに従い、徐々にフォトニック結晶導波路の線欠陥を挟む両側の格子点の影響を受けるようにする必要がある。そのためには、図１、図４に示すように、従来型の導波路（Ｓｉ細線導波路）の幅（ＡＡ´）が、フォトニック結晶導波路内の両サイドの格子点上に配置された構造体の導波路中央側の側壁幅（ＢＢ´）よりも広いことが必要である。そして、Ａ−Ｂ、Ａ´−Ｂ´の直線上に構造体の導波路中央側の側壁が沿うように、構造体の形状を決める、もしくは構造体の位置を決めることにより、上述の条件を満足することができる。なお、側壁は平面に限られない。
【００３５】
更に、光集積回路として利用されるフォトニック結晶導波路は単一モード条件を満足することが望ましい。そのため、フォトニック結晶導波路の線欠陥を挟む両側の格子点の距離Ｗは、２次元フォトニック結晶の格子一列を除いただけの線欠陥を挟む両側の格子点の距離Ｗｏの０．５倍から１．６倍のいずれかの値である必要がある。なお、単一モード条件を満足させるためのフォトニック結晶導波路の構造については、例えば特願２００１−３９４４９９号明細書に記載されている。
【００３６】
また、直線導波路との接続部分からフォトニック結晶導波路の奥に向けて線欠陥の両側の構造体の側壁間の間隔を次第に狭めていく本発明の構造は、特願２００１−３９４４９９号明細書に記載されているような、光導波部における格子点上の構造体（誘電体柱）をずらしたり、構造体の径を変化させたフォトニック結晶導波路にも適用できる。なお、本明細書ではこのような構造における光導波部も線欠陥と称している。
【００３７】
本発明は、上記の実施例に限定されることなく、特許請求の範囲内で種々変更・応用が可能である。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、図１、図４に示すようなモード変換領域を有するフォトニック結晶導波路の構造を用いることにより、モードの性質の大きく異なる従来型の光導波路とフォトニック結晶光導波路とを高効率に接続することが可能になり、フォトニック結晶を用いた光回路の外部ネットワークヘの接続や、他の光回路へのフォトニック結晶機能デバイスの組み込みが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来型の単一モード直線導波路（Ｓｉ細線導波路）と本発明の単純一列線欠陥型のフォトニック結晶導波路の結合系の構造図である。
【図２】従来の典型的な単純一列線欠陥フォトニック結晶導波路の導波モード分散を説明する図である。
【図３】Ｓｉ細線導波路と単純一列線欠陥型のフォトニック結晶導波路とを結合したときの光透過特性を示す図である。
【図４】Ｓｉ細線型導波路と幅変化型フォトニック結晶導波路の結合系の構造図である。
【図５】幅変化型線欠陥フォトニック結晶導波路の導波モード分散を説明するための図である。
【図６】Ｓｉ細線導波路と幅変化型線欠陥型のフォトニック結晶導波路を結合したときの光透過特性を示す図である。
【符号の説明】
ａ　格子常数
Ｗ　フォトニック結晶導波路の線欠陥を挟む両側の格子点の距離
Ｗｏ　フォトニック結晶の格子一列を除いただけの線欠陥を挟む両側の格子点の距離
【図１】
2004101740.tif 000003
【図２】
2004101740.tif 000004
【図３】
2004101740.tif 000005
【図４】
2004101740.tif 000006
【図５】
2004101740.tif 000007
【図６】
2004101740.tif 000008