(57)【要約】【課題】ＴＥ−ｌｉｋｅ  モードとＴＭ−ｌｉｋｅ  モードの両モードの光に対して共通のフォトニックバンドギャップを有する２次元フォトニック結晶スラブの提供。このような２次元フォトニック結晶スラブを備え、特定波長の光の取り出し効率を向上できる２次元フォトニック結晶導波路の提供。【解決手段】ＴＥ−ｌｉｋｅ  モードとＴＭ−ｌｉｋｅ  モードの両モードの光に対して共通のフォトニックバンドギャップを有する２次元フォトニック結晶スラブ１０ａに、フォトニック結晶の周期的配列を乱す線状欠陥２２が形成され、線状欠陥２２が光を通過させる導波路２２とされ、導波路２２の近傍にフォトニック結晶の周期的配列を乱す点状欠陥２４が少なくとも一つ形成された２次元フォトニック結晶導波路１０。【選択図】  図１
2004294517.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＴＥ−ｌｉｋｅ  モードとＴＭ−ｌｉｋｅ  モードの両モードの光に対して共通のフォトニックバンドギャップを有することを特徴とする２次元フォトニック結晶スラブ。
【請求項２】
前記２次元フォトニック結晶スラブは、高屈折率材料からなるスラブ材に、このスラブ材よりも低屈折率材料からなる領域が周期的に配列されて屈折率分布が形成されてなり、
Δ＝（ｎＨ２−ｎＬ２）／２ｎＨ２
（式中、ｎＨは前記高屈折率材料の屈折率、ｎＬは前記低屈折率材料の屈折率を示す。）
で定義される比屈折率差Δが０．３５より大きく、且つ、
０．３５＜（ｔ／ａ）＜２．０
（式中、ｔは前記スラブ材の厚み、ａは低屈折率材周期構造部における最小中心距離又は格子定数）
なる関係を満たし、前記２次元フォトニック結晶の前記低屈折率材料からなる領域は２５％より多く形成されていることを特徴とする請求項１記載の２次元フォトニック結晶スラブ。
【請求項３】
前記スラブ材に前記低屈折率材料からなる領域が三角格子状に配置されていることを特徴とする請求項２記載の２次元フォトニック結晶スラブ。
【請求項４】
前記低屈折率材料領域は、三角柱状、四角柱状、五角柱状、楕円柱状のうちいずれかの形状であることを特徴とする請求項３記載の２次元フォトニック結晶スラブ。
【請求項５】
前記低屈折率材料領域は一群の平行線の方向に対して±３０°の奇数倍を除いた範囲の一定の傾斜角度で配置されていることを特徴とする請求項３又は４記載の２次元フォトニック結晶スラブ。
【請求項６】
前記スラブ材に、前記低屈折率材料からなる領域がハニカム格子状に配置され、さらに前記低屈折率材料からなる領域は前記の各ハニカム格子の内部にも配置され、該ハニカム格子の内部に配置された低屈折率材料領域と前記ハニカム格子状に配置された低屈折率材料領域は大きさ又は形状が異なるものであることを特徴とする請求項２記載の２次元フォトニック結晶スラブ。
【請求項７】
前記スラブ材に、前記低屈折率材料からなる領域が正方格子状に配置されていること特徴とする請求項２記載の２次元フォトニック結晶スラブ。
【請求項８】
前記低屈折率材料からなる領域は、円柱状、楕円柱状、三角柱状、四角柱状、五角柱状、六角柱状のうちいずれかの形状であることを特徴とする請求項６又は７に記載の２次元フォトニック結晶スラブ。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか一項に記載の２次元フォトニック結晶スラブに、前記フォトニック結晶の周期的配列を乱す線状の欠陥が形成され、この線状の欠陥が光を通過させる導波路とされ、該導波路の近傍に前記フォトニック結晶の周期的配列を乱す点状の欠陥が少なくとも一つ形成され、前記点状の欠陥は前記導波路中を伝搬するＴＥ−ｌｉｋｅ  モードとＴＭ−ｌｉｋｅ  モードの両モードの光を捕獲して放射でき、あるいは外部からのＴＥ−ｌｉｋｅ  モードとＴＭ−ｌｉｋｅ  モードの両モードの光を捕獲して前記導波路内に導入できる光取り出し／導入口として機能する構成とされたことを特徴とする２次元フォトニック結晶導波路。
【請求項１０】
前記点状の欠陥は、スラブ面に対して上下非対称の形状を有することを特徴とする請求孔９記載の２次元フォトニック結晶導波路。
【請求項１１】
請求項９または１０に記載の２次元フォトニック結晶導波路が備えられたことを特徴とする光デバイス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、微小光回路素子等に用いられる２次元フォトニック結晶スラブに係わり、線状欠陥及び点欠陥の導入により形成した光取り出し／導入口を有する２次元フォトニック結晶導波路及びこれを備えた光デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光の波長程度の屈折率変化周期構造を持つ物質はフォトニック結晶として知られており、その中ではその周期に対応する波長の光の存在が禁止される光に対する禁止帯、いわゆるフォトニックバンドギャップが現れ、特定の波長域の光の存在と伝搬が不可能となる。このことからフォトニック結晶は光を自由自在に制御できる可能性があるとして、次世代のエレクトロニクス、オプトエレクトロニクス材料として注目されている。
【０００３】
従来の２次元フォトニック結晶導波路の一種としては、図２５に示すようなものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
この２次元フォトニック結晶導波路は、空気より屈折率が高い材料からなるスラブ材料８１に円柱孔８６を三角格子状に配列された２次元フォトニック結晶を有し、図２５に示すように三角格子状に配列した円柱孔８６を一部線状に抜き取ることによりフォトニック結晶に線状欠陥９２が導入され、この線状欠陥９２が導波路とされ、さらにこの線状欠陥９２の近傍に上記円柱孔８６の周期的配列を乱す点状欠陥９４が形成され、この点状欠陥９４が光の取り出し／導入口として機能する構成とされたものである。
【０００４】
この２次元フォトニック結晶導波路では、外部から２次元フォトニック結晶にフォトニックバンドギャップ周波数内に相当する波長の光１０３を入射させると、点状欠陥９４や線状欠陥９２が形成されていないところでは、面内方向にはフォトニックバンドギャップがあるので、光は伝搬を禁じられ、また、面直方向には屈折率差閉じ込めによる全反射により閉じ込められるが、線状欠陥９２のところは導波路とみなされるので光は伝搬し、点状欠陥９４の近くまで伝搬したときに、点状欠陥９４に共鳴する波長の光が点状欠陥９４に捕獲され、欠陥内部で共振している間に、上下方向へ出射されるようになっている。
上記点状欠陥９４は貫通孔であるので、この点状欠陥に捕獲された光は上下方向から出射されるが、利用できる光は点状欠陥９４の上下のどちらか一方から出射されたものしか利用できないため、効率を良くするために孔の径に傾斜をつけることにより上下非対称構造とし、一方の方向から多く光１０３ａが出るようにしている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−２７２５５５号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら従来の２次元フォトニック結晶導波路においては、２次元フォトニック結晶は光の偏波モードのＴＥ−ｌｉｋｅ  モード又はＴＭ−ｌｉｋｅ  モードの一方に対してのみ（例えば上記三角格子状に配列された円柱孔ではＴＥ−ｌｉｋｅ  モードに対してのみ）フォトニックバンドギャップをもっている構造であるため、上下非対称構造の点状欠陥９４に、例えばＴＥ−ｌｉｋｅ  モードの光１０３を入れて、一方の方向から出射させようとすると、ＴＥ−ｌｉｋｅ  モードがＴＭ−ｌｉｋｅ  モードにモード変換してしまう。この従来のフォトニック結晶は、ＴＭ−ｌｉｋｅ  モードに対してはフォトニックバンドギャップをもっていない構造であるので、ＴＭ−ｌｉｋｅ  モードの光はフォトニック結晶の面内方向に漏れてしまうことになり、取り出し効率が悪くなってしまう。
ＴＥ−ｌｉｋｅ  モードとＴＭ−ｌｉｋｅ  モードの両方モードに対して共通のフォトニックバンドギャップを有する構造の２次元フォトニック結晶スラブが要望されるが、そのような２次元フォトニック結晶はこれまでなかった。
【０００７】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、ＴＥ−ｌｉｋｅ  モードとＴＭ−ｌｉｋｅ  モードの両モードの光に対して共通のフォトニックバンドギャップを有する２次元フォトニック結晶スラブの提供を目的の一つとする。
また、本発明は、上記２次元フォトニック結晶スラブを備えた２次元フォトニック結晶導波路を提供することを目的の一つとする。
また、本発明は、上記２次元フォトニック結晶スラブを備え、特定波長の光の取り出し効率を向上できる２次元フォトニック結晶導波路を提供することを目的の一つとする。
また、本発明は、上記の２次元フォトニック結晶導波路が備えられた光デバイスを提供することを目的の一つとする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の２次元フォトニック結晶スラブは、ＴＥ−ｌｉｋｅ  モードとＴＭ−ｌｉｋｅ  モードの両モードの光に対して共通のフォトニックバンドギャップを有することを特徴とする。
この２次元フォトニック結晶スラブでは、この結晶スラブに外部から入射させる光がＴＥ−ｌｉｋｅ  モード、ＴＭ−ｌｉｋｅ  モードのいずれであってもフォトニックバンドギャップにより伝搬を禁じることが可能である。
【０００９】
また、本発明の２次元フォトニック結晶スラブは、高屈折率材料からなるスラブ材に、このスラブ材よりも低屈折率材料からなる領域が周期的に配列されて屈折率分布が形成されてなるものであり、
Δ＝（ｎＨ２−ｎＬ２）／２ｎＨ２
（式中、ｎＨは上記高屈折率材料の屈折率、ｎＬは上記低屈折率材料の屈折率を示す。）
で定義される比屈折率差Δが０．３５より大きく、且つ、
０．３５＜（ｔ／ａ）＜２．０
（式中、ｔは上記スラブ材の厚み、ａは低屈折率材周期構造部における最小中心距離又は格子定数）
なる関係を満たし、上記２次元フォトニック結晶の上記低屈折率材料からなる領域（低屈折率材料領域ということもある）は２５％より多く形成されているものであることが好ましい。ここでの低屈折率材料領域の割合は、低屈折率材料領域の体積％である。
【００１０】
比屈折率差Δが０．３５以下であると、ＴＥ−ｌｉｋｅ  モード、ＴＭ−ｌｉｋｅ  モードの両方のフォトニックバンドギャップが開かなくなってしまうため好ましくない。
また、上記ｔ／ａが上記の範囲外であると、低屈折率材料領域が占める割合がいずれであってもＴＥ−ｌｉｋｅ  モードとＴＭ−ｌｉｋｅ  モードの両モードの光に対して共通のフォトニックバンドギャップを有することができない。
また、低屈折率材料領域が占める割合が、２５％以下であると、ｔ／ａが上記の範囲内であってもＴＥ−ｌｉｋｅ  モードとＴＭ−ｌｉｋｅ  モードの両モードの光に対して共通のフォトニックバンドギャップを有することができない。
【００１１】
また、本発明の２次元フォトニック結晶スラブにおいては、上記スラブ材に上記低屈折率材料領域が三角格子状に配置されたものであってもよい。
かかる２次元フォトニック結晶スラブによれば、６０度曲げ導波路を容易に形成できる。
また、上記低屈折率材料領域は、三角柱状、四角柱状、五角柱状、楕円柱状のうちいずれかの形状であってもよい。
【００１２】
また、上記低屈折率材料領域の形状が正三角柱状の場合の２次元フォトニック結晶スラブは、スラブ材に複数の低屈折率材料領域が配置されているが、これら複数の低屈折率材料領域は一群の平行線の方向に対して±３０°の奇数倍を除いた範囲の一定の傾斜角度で配置されていることが好ましい。
複数の低屈折率材料領域は一群の平行線の方向に対して±３０°の奇数倍であると、フォトニックバンドギャップが現れない。
【００１３】
また、本発明の２次元フォトニック結晶スラブは、上記スラブ材に、上記低屈折率材料からなる領域がハニカム格子状に配置され、さらに上記低屈折率材料からなる領域は上記の各ハニカム格子の内部にも配置され、該ハニカム格子の内部に配置された低屈折率材料領域と上記ハニカム格子状に配置された低屈折率材料領域は大きさ又は形状が異なるものであってもよい。
かかる２次元フォトニック結晶スラブによれば、非常に広い結晶構造（すなわち後述の第２の低屈折率材料領域の半径Ｒの異なる）から、任意の構造を選択できる。
なお、上記の本発明の２次元フォトニック結晶スラブにおいて、各ハニカム格子の内部に上記低屈折率材料からなる領域が配置されていない場合、なわち低屈折率材料からなる領域（後述の第２の低屈折率材料領域が）の大きさが０である場合も本発明の範囲内とする。
【００１４】
また、本発明の２次元フォトニック結晶スラブは、上記スラブ材に、上記低屈折率材料からなる領域が正方格子状に配置されているものであってもよい。
かかる２次元フォトニック結晶スラブによれば、直角曲げ導波路を容易に形成できる。
【００１５】
また、上記低屈折率材料領域が上記ハニカム格子状や正方格子状に配置された２次元フォトニック結晶スラブにおいて、上記低屈折率材料領域は、円柱状、楕円柱状、三角柱状、四角柱状、五角柱状、六角柱状のうちいずれかの形状であってもよい。
【００１６】
また、本発明の２次元フォトニック結晶導波路は、上記のいずれかの構成の本発明の２次元フォトニック結晶スラブに、上記フォトニック結晶の周期的配列を乱す線状の欠陥が形成され、この線状の欠陥が光を通過させる導波路とされ、該導波路の近傍に上記フォトニック結晶の周期的配列を乱す点状の欠陥が少なくとも一つ形成され、上記点状の欠陥は上記導波路中を伝搬するＴＥ−ｌｉｋｅ  モードとＴＭ−ｌｉｋｅ  モードの両モードの光を捕獲して放射でき、あるいは外部からのＴＥ−ｌｉｋｅ  モードとＴＭ−ｌｉｋｅ  モードの両モードの光を捕獲して上記導波路内に導入できる光取り出し／導入口として機能する構成とされたことを特徴とする。
【００１７】
かかる構成の２次元フォトニック結晶導波路によれば、上記２次元フォトニック結晶スラブに外部から入射させる光がＴＥ−ｌｉｋｅ  モード、ＴＭ−ｌｉｋｅ  モードのいずれであってもフォトニック結晶の周期的配列が存在する部分ではフォトニックバンドギャップにより伝搬を禁じられるが、この入射させた光は導波路（線状の欠陥）内を伝搬することができる。また、導波路内を伝搬中の光がＴＥ−ｌｉｋｅ  モード、ＴＭ−ｌｉｋｅ  モードのいずれであっても、伝搬中の光の少なくとも一部は上記点状の欠陥に捕獲されて外部に出射できる。
また、点状の欠陥を、波長帯域中の特定チャンネルの波長のみ捕獲するよう設計することによって、特定波長の光や電磁波を取り出す分波器、合波器あるいは濾波器として機能させることができる。
【００１８】
また、本発明の２次元フォトニック結晶導波路においては、上記点状の欠陥は、スラブ面に対して上下非対称の形状を有するものであってもよい。
かかる構成の２次元フォトニック結晶導波路では、導波路内を伝搬中の光は上記点状の欠陥に捕獲され、この点状の欠陥の上下の一方の方向から多くの光が出射される。また、導波路内を伝搬中の光がＴＥ−ｌｉｋｅ  モード、ＴＭ−ｌｉｋｅ  モードのいずれであっても上記点状の欠陥から出射される光はモード変換されたものが出射されるが、上記２次元フォトニック結晶スラブはＴＥ−ｌｉｋｅ  モードとＴＭ−ｌｉｋｅ  モードの両モードの光に対して共通のフォトニックバンドギャップを有するので、モード変換された光が２次元フォトニック結晶スラブ内に漏れるのを防止できるので、特定波長の光の取り出し効率を向上できる。
【００１９】
本発明の光デバイスは、２次元フォトニック結晶導波路が備えられたことを特徴とする。本発明の光デバイスは光アドドロップフォトニックデバイス（光アドドロップ多重装置）等のアドドロップ素子に好適に用いることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
次に図面を用いて本発明の実施の形態を詳細に説明する。
以下に述べる実施の形態では本発明の光デバイスを波長分波器に適用した場合について説明する。なお、本発明は以下に説明する実施の形態に限定されるものではないことは勿論であるとともに、以下の図面においては各構成部分の縮尺について図面に表記することが容易となるように構成部分毎に縮尺を変えて記載している。
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態の波長分波器の概略構成を示す斜視図であり、図２は図１の波長分波器に備えられた２次元フォトニック結晶導波路を示す概略平面図であり、図３は図２の２次元フォトニック結晶導波路に備えられた２次元フォトニック結晶スラブに形成された複数の低屈折率材料領域を示す拡大平面図である。
本実施形態の波長分波器は、本発明の実施形態の２次元フォトニック結晶導波路１０が主体として備えられたものである。
この２次元フォトニック結晶導波路１０は、本発明の実施形態の２次元フォトニック結晶スラブ１０ａに、このフォトニック結晶の周期的配列を乱す線状の欠陥（線状欠陥）２２が形成され、この線状欠陥２２が光を通過させる導波路とされ、該導波路２２の近傍に上記フォトニック結晶の周期的配列を乱す点状の欠陥（点状欠陥）２４が形成されたものである。
【００２１】
２次元フォトニック結晶スラブ１０ａは、ＴＥ−ｌｉｋｅ  モードとＴＭ−ｌｉｋｅ  モードの両モードの光に対して共通のフォトニックバンドギャップを有するものである。
この２次元フォトニック結晶スラブ１０ａの具体的な構造としては、高屈折率材料からなるスラブ材１１に、このスラブ材１１よりも低屈折率材料からなる領域（低屈折率材料領域）１５が三角格子状に配列されることにより、スラブ材１１に低屈折率材料領域１５が周期的に配列されて屈折率分布が形成されたものである。
【００２２】
スラブ材１１として用いる材料としては、高屈折率材料が用いられ、例えば、ＩｎＧａＡｓＰ、ＧａＡｓ、Ｉｎ、Ｇａ、Ａｌ、Ｓｂ、Ａｓ、Ｇｅ、Ｓｉ、Ｐ、Ｎ、Ｏのうちから選択される１種または２種以上を含む材料、Ｓｉ等の無機材料、無機半導体材料、有機材料のうちから適宜選択して用いられる。
低屈折率材料領域１５に用いる材料は、スラブ材１１を構成する高屈折率材料よりも屈折率が低い低屈折率材料が用いられ、本実施形態では空気が用いられている。
【００２３】
本実施形態ではスラブ材１１に複数の三角孔１４が形成されている。この三角孔１４は三角格子の格子点に相当する位置に形成されたものである。そして、複数の三角孔１４のそれぞれに低屈折率材料としての空気が充填されて三角柱状の低屈折率材料領域１５が複数形成されることにより、フォトニック結晶の周期的配列が形成されている。
低屈折率材料領域１５の一辺の長さＬは、中心波長１．５５とした場合、０．３μｍ〜０．４μｍ程度とされる。隣合う低屈折率材料領域１５と１５のピッチａは０．３５μｍ〜０．５５μｍ程度とされる。
本実施形態では低屈折率材料領域１５は正三角柱状であるので、隣合う低屈折率材料領域１５と１５のピッチａは、低屈折率材料領域１５が周期的に配置された低屈折率材周期構造部における最小中心距離ａと同じ大きさとなっている。
【００２４】
この２次元フォトニック結晶スラブ１０ａでは、Δ＝（ｎＨ２−ｎＬ２）／２ｎＨ２（式中、ｎＨは上記高屈折率材料の屈折率、ｎＬは上記低屈折率材料の屈折率を示す。）で定義される比屈折率差Δが０．３５より大きくなるようにスラブ材１１に用いる材料と低屈折率材料領域１５に用いる材料を選択することが先に述べた理由により好ましく、より好ましくはΔが０．４５以上になるような材料を用いるのがよい。
【００２５】
また、スラブ材１１の厚みｔとしては、０．３５＜（ｔ／ａ）＜２．０なる関係を満たすようにすることが先に述べた理由により好ましく、０．８０＜（ｔ／ａ）＜０．９０なる関係を満たすことがさらに好ましい。
また、低屈折率材料領域が占める割合（低屈折率材料領域が空気からなるときは開口率）は、２次元フォトニック結晶スラブの体積１００％（ここでは線状欠陥２２と点状欠陥２４が形成されている部分は除く）に対して２５％より多くされていることが、先に述べた理由により好ましく、３５％より多くされているのがさらに好ましい。
【００２６】
また、複数の低屈折率材料領域１５は、図２〜図３に示すように一群の平行線Ｍの方向に対して±３０°の奇数倍を除いた範囲の一定の傾斜角度で配置されていることが先に述べた理由により好ましい。なお、図２と図３は、複数の三角柱状低屈折率材料領域１５が一群の平行線Ｍの方向に対して０度の傾斜角度で配置されている場合である。
【００２７】
上記の２次元フォトニック結晶スラブ１０ａに外部からＴＥ−ｌｉｋｅ  モード又はＴＭ−ｌｉｋｅ  モードの光Ｒ１を入射させると、フォトニック結晶内では、面内方向にはフォトニックバンドギャップにより伝搬を禁じられ、面直方向には上下の低屈折率材料による全反射により閉じこめられる。
【００２８】
また、本実施形態では、２次元フォトニック結晶スラブ１０ａに三角格子状に配列された複数の低屈折率材料領域１５の一部が線状に抜き取られることにより、フォトニック結晶スラブに線状欠陥２２が導入され、この線状欠陥２２中には導波モードが存在し、導波路２２とされている。この導波路２２は、２次元フォトニック結晶スラブ１０ａに入射させた光Ｒ１がＴＥ−ｌｉｋｅ  モードとＴＭ−ｌｉｋｅ  モードのいずれであっても伝搬できる。なお、導波路２２は光を低損失で伝搬できる波長域は比較的大きく、従って、導波路２２は数チャンネルの波長を含む波長帯域の光を伝搬させることができる。
【００２９】
また、本実施形態では、２次元フォトニック結晶スラブ１０ａに形成された導波路２２の近傍の低屈折率材料領域１５の一部が点状に抜き取られることにより、点状欠陥２４が形成されている。この点状欠陥２４は導波路２２中を伝搬する光ＲがＴＥ−ｌｉｋｅ  モードとＴＭ−ｌｉｋｅ  モードのいずれであっても光Ｒ１の少なくとも一部を捕獲して放射でき、あるいは外部から導入する光がＴＥ−ｌｉｋｅ  モードとＴＭ−ｌｉｋｅ  モードのいずれであっても捕獲して導波路２２内に導入できる光取り出し／導入口として機能する構成とされている。
【００３０】
上記点状欠陥２４は図４に示すように円錐状にすることにより、その内径がスラブ材１１の上下で変えられており、このようにすることで点状欠陥２４がスラブ面に対して上下非対称の形状を有するようにされている。
点状欠陥２４に捕獲された光Ｒ１は、この点状欠陥２４内部で共振している間に、スラブ形状であることに起因するＱ因子の小さな上下方向へ放射され、点状欠陥２４の径が大きい方向から多くの光が出射される。
【００３１】
また、点状欠陥２４から外部に放射される光は、導波路２２内を伝搬中の光がＴＥ−ｌｉｋｅ  モード、ＴＭ−ｌｉｋｅ  モードのいずれであってもモード変換された光Ｒ２が出射されるが、先に述べたように２次元フォトニック結晶スラブ１０ａはＴＥ−ｌｉｋｅ  モードとＴＭ−ｌｉｋｅ  モードの両モードの光に対して共通のフォトニックバンドギャップを有するので、モード変換された光Ｒ２が２次元フォトニック結晶スラブ内に漏れるのを防止できるので、ＴＥ−ｌｉｋｅ  モードやＴＭ−ｌｉｋｅ  モードなどの特定波長の光の取り出し効率を向上できる。
また、導波路２２と点状欠陥２４の間隔を適宜設定することにより、捕獲、放射する特定波長の光の割合を制御することができる。このため所定の割合で特定波長の光を取り出すことができる。
【００３２】
なお、上記の実施形態においては、低屈折率材料領域１５の形状が三角柱状である場合について説明したが、低屈折率材料領域１５は、三角柱状、四角柱状、五角柱状、楕円柱状のうちいずれかの形状であってもよい。
また、点状欠陥２４に上下非対称性を導入する方法として点状欠陥２４の形状を円錐状にした場合について説明したが、図５に示すように点状欠陥２４の径を段階的に変更することにより上下非対称性を導入してもよい。
また、スラブ材１１に低屈折率材料領域１５が三角格子状に配列された場合について説明したが、低屈折率材料領域の配列状態は正方格子状であってもよく、その場合の低屈折率材料領域は、円柱状、楕円柱状、三角柱状、四角柱状、五角柱状、六角柱状のうちいずれかの形状であってもよい。
【００３３】
（第２の実施形態）
図６は、第２の実施形態の波長分波器の概略構成を示す斜視図であり、図７は図６の波長分波器に備えられた２次元フォトニック結晶導波路を示す概略平面図であり、図８は図６の２次元フォトニック結晶導波路に備えられた２次元フォトニック結晶スラブに形成された複数の低屈折率材料領域を示す拡大平面図である。
第２の実施形態の波長分波器が第１の実施形態の波長分波器と異なるところは、図６に示すような２次元フォトニック結晶導波路５０が備えられている点であり、詳しくは、この２次元フォトニック結晶導波路５０に備えられる２次元フォトニック結晶スラブ５０ａを構成するスラブ材１１に形成された低屈折率材料領域６５の配列状態が異なる点である。
【００３４】
２次元フォトニック結晶スラブ５０ａの具体的な構造としては、スラブ材１１に低屈折率材料領域６５がハニカム格子状に配置され、さらにまた低屈折率材料領域６５は上記の各ハニカム格子の中央にも配置されている。
低屈折率材料領域６５に用いる材料としては、スラブ材１１を構成する高屈折率材料よりも屈折率が低い低屈折率材料が用いられ、本実施形態では空気が用いられている。
上記ハニカム格子状に配置された低屈折率材料領域６５（第１の低屈折率材料領域６５ａということもある。）と、ハニカム格子の中央に配置された低屈折率材料領域６５（第２の低屈折率材料領域６５ｂということもある。）は大きさが異なるものである。
【００３５】
本実施形態ではスラブ材１１に複数の円形孔６４ａ、６４ｂが形成されている。この円形孔（第１の円形孔ということもある。）６４ａはハニカム格子の格子点に相当する位置に形成されており、円形孔（第２の円形孔ということもある。）６４ｂは各ハニカム格子の中央に相当する位置に形成されているものである。これら複数の第１の円形孔６４ａのそれぞれに低屈折率材料としての空気が充填されることで円柱状の第１の低屈折率材料領域６５ａが複数形成され、複数の第２の円形孔６４ｂのそれぞれに低屈折率材料としての空気が充填されることで円柱状の第２の低屈折率材料領域６５ｂが複数形成されることにより、フォトニック結晶の周期的配列が形成されている。
【００３６】
隣合う第１の低屈折率材料領域６５ａと６５ａのピッチａは０．３５μｍ〜  ０．５５μｍ程度とされる。上記ピッチａは、低屈折率材周期構造部における最小中心距離ａということもできる。
第１の低屈折率材料領域６５ａの半径ｒは、上記ピッチａの０．３０倍〜０．４５倍程度とされる。
第２の低屈折率材料領域６５ｂの半径Ｒは、上記第１の低屈折率材料領域６５ａの半径ｒの０倍〜１．５倍程度とされる。
本実施形態の２次元フォトニック結晶スラブ５０ａにおいても、比屈折率差Δが０．３５より大きくなるようにスラブ材１１に用いる材料と低屈折率材料領域１５に用いる材料が選択して用いられている。
また、スラブ材１１の厚みｔと、低屈折率材周期構造部における最小中心距離ａとの関係が、０．３５＜（ｔ／ａ）＜２．０なる条件を満たすようにされている。
【００３７】
また、低屈折率材料領域６５が占める割合は、２次元フォトニック結晶スラブの体積１００％（ここでは線状欠陥２２と点状欠陥２４が形成されている部分は除く）に対して２５％より多くされている。
さらに、本実施形態では、第２の低屈折率材料領域６５ｂの半径Ｒと、隣合う第１の低屈折率材料領域６５ａの半径ｒとの関係は、０≦Ｒ／ｒ≦１．２５（但しＲ／ｒ＝１の場合は除く）なる条件を満たすことが好ましく、さらに好ましくは０≦Ｒ／ｒ≦０．７５、１．１≦Ｒ／ｒ≦１．２５である。
【００３８】
なお、上記の実施形態においては、第２の低屈折率材料領域６５ｂが各ハニカム格子の中央に配置されている場合について説明したが、第２の低屈折率材料領域６５ｂは必ずしも各ハニカム格子の中央に配置されていなくてもよく、各ハニカム格子の内部（内側）に配置されていればよい。
また、第２の低屈折率材料領域６５ｂの半径Ｒが０である場合、すなわち、第２の低屈折率材料領域６５ｂが設けられていない場合も本発明の範囲内とする。また、上記の実施形態においては低屈折率材料領域６５の形状が三角柱状である場合について説明したが、低屈折率材料領域６５は、円柱状、楕円柱状、三角柱状、四角柱状、五角柱状、六角柱状のうちいずれかの形状であってもよい。
また、上記の第１〜第２の実施形態においては、線状欠陥と点状欠陥がそれぞれ一づつ形成された２次元フォトニック結晶導波路について説明したが、線状欠陥と点状欠陥はそれぞれ１以上設けられていてもよい。
【００３９】
【実施例】
（実験例１）
スラブ材１１に形成する複数の三角柱状低屈折率材料領域１５の一群の平行線Ｍに対する傾斜角度θを−３０度〜＋３０度の範囲で変更した以外は図１乃至図３に示したものと同様の各種の２次元フォトニック結晶スラブ作製した。なお、ここで作製した２次元フォトニック結晶スラブは、Δ＝０．４６、Ｌ／ａ＝０．８５、ｔ／ａ＝０．８０なる条件とした。
作製した各種の２次元フォトニック結晶スラブに外部からλ＝１．５５μｍの光を入射し、バンドギャップの低屈折率材料領域傾斜角依存性についで調べた。その結果を図９に示す。なお、図１０は傾斜角度θが３０度の場合の三角柱状低屈折率材料領域の配列状態を示しており、図１１は傾斜角度θが１５度の場合の三角柱状低屈折率材料領域の配列状態を示しており、図１２は傾斜角度θが０度の場合の三角柱状低屈折率材料領域の配列状態を示している。
【００４０】
図９のグラフにおいて、横軸は傾斜角度θ、縦軸はバンドギャップ周波数の中心値ωｇに対するバンドギャップ周波数幅Δωｇの割合である。
図９に示す結果から複数の三角柱状低屈折率材料領域は一群の平行線Ｍに対する傾斜角度θが−３０度と＋３０度のときはΔωｇ／ωｇが０であり、フォトニックバンドギャップが現れていない。−３０度＜θ＜＋３０度の範囲のときに、フォトニックバンドギャップが存在し、特に、傾斜角度θが０度のときは、Δωｇ／ωｇが最大値を示しており、フォトニックバンドギャップを示す周波数幅が非常に広いことがわかる。
【００４１】
（実験例２）
スラブ材１１の厚みｔと、三角柱状低屈折率材料領域１５の割合（開口率）を変更した以外は図１乃至図３に示したものと同様の各種の２次元フォトニック結晶スラブ作製した。なお、ここで作製した２次元フォトニック結晶スラブは、Δ＝０．４６なる条件とした。
作製した各種の２次元フォトニック結晶スラブに外部からＴＥ−ｌｉｋｅ  モードとＴＭ−ｌｉｋｅ  モードの光をそれぞれ入射したときの２次元完全フォトニックバンドギャップ（２次元完全ＰＢＧ）のスラブ材厚さ依存性についで調べた。その結果を図１３乃至図１８に示す。
【００４２】
図１３〜図１８のグラフにおいて、横軸は空気からなる三角柱状低屈折率材料領域の開口率、縦軸は規格化周波数である。図１３〜図１８のグラフ中、点線に囲まれた領域はＴＭ−ｌｉｋｅ  ｍｏｄｅのときの開口率とバンドギャップの関係を示しており、実線に囲まれた領域はＴＥ−ｌｉｋｅ  ｍｏｄｅのときの開口率とバンドギャップの関係を示している。また、図１３〜図１８のグラフにおいて、点線に囲まれた領域と実線に囲まれた領域が重なっている部分（斜線で示される領域）が、ＴＭ−ｌｉｋｅ  ｍｏｄｅとＴＥ−ｌｉｋｅ  ｍｏｄｅの両モードの光に対して共通のフォトニックバンドギャップを示している。
【００４３】
図１３に示すｔ／ａ＝０．６０の場合と図１８のｔ／ａ＝∞の場合は、低屈折率材料領域の開口率がいずれであってもＴＥ−ｌｉｋｅ  ｍｏｄｅとＴＭ−ｌｉｋｅ  ｍｏｄｅの両モードの光に対して共通のフォトニックバンドギャップを有していないことがわかる。
これに対して図１４〜図１７のｔ／ａ＝０．６５〜１．５０の場合は、ＴＭ−ｌｉｋｅ  ｍｏｄｅとＴＥ−ｌｉｋｅ  ｍｏｄｅの両モードの光に対して共通のフォトニックバンドギャップを有することができ、２次元完全フォトニックバンドギャップが存在していることがわかる。２次元完全フォトニックバンドギャップとはＴＥ−ｌｉｋｅ  ｍｏｄｅとＴＭ−ｌｉｋｅ  ｍｏｄｅの両モードの光に対して共通のフォトニックバンドギャップを有することをいう。
図１５のｔ／ａ＝０．８０の場合は２次元完全フォトニックバンドギャップを示す周波数幅が広いことがわかる。
【００４４】
（実験例３）
スラブ材１１の厚みｔと、Ｒ／ａ（Ｒは第２の低屈折率材料領域の半径、ａ隣合う第１の低屈折率材料領域のピッチ）を変更した以外は図６乃至図８に示したものと同様の各種の２次元フォトニック結晶スラブ作製した。なお、ここで作製した２次元フォトニック結晶スラブは、Δ＝０．４６、ｒ＝０．４ａなる条件とした。
作製した各種の２次元フォトニック結晶スラブに外部からＴＥ−ｌｉｋｅ  ｍｏｄｅとＴＭ−ｌｉｋｅ  ｍｏｄｅモードの光をそれぞれ入射したときの２次元完全バンドギャップのスラブ材厚さ依存性についで調べた。その結果を図１９乃至図２４に示す。
【００４５】
図１９〜図２４のグラフにおいて、横軸はＲ／ａ、縦軸は規格化周波数である。図１９〜図２４のグラフ中、点線に囲まれた領域はＴＭ−ｌｉｋｅ  ｍｏｄｅのときの開口率とバンドギャップの関係を示しており、実線に囲まれた領域はＴＥ−ｌｉｋｅ  ｍｏｄｅのときの開口率とバンドギャップの関係を示している。また、図１９〜図２４のグラフにおいて、点線に囲まれた領域と実線に囲まれた領域が重なっている部分（斜線で示される領域）がＴＭ−ｌｉｋｅ  ｍｏｄｅとＴＥ−ｌｉｋｅ  ｍｏｄｅの両モードの光に対して共通のフォトニックバンドギャップを示している。
【００４６】
図１９に示すｔ／ａ＝０．５０の場合と図２４のｔ／ａ＝∞の場合は、Ｒ／ａがいずれであっても２次元完全バンドギャップを殆ど有していないか、あるいは全く有していない。
これに対して図２０〜図２３のｔ／ａ＝０．６０〜１．５０の場合は、２次元完全フォトニックバンドギャップが存在していることがわかる。
図２１のｔ／ａ＝０．８０の場合と図２２のｔ／ａ＝０．９０の場合は、２次元完全フォトニックバンドギャップを示す周波数幅が広く、また、Ｒ／ａ依存性も小さいことがわかる。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の２次元フォトニック結晶スラブによれば、ＴＥ−ｌｉｋｅ  モードとＴＭ−ｌｉｋｅ  モードの両モードの光に対して共通のフォトニックバンドギャップを有する２次元フォトニック結晶スラブを実現できる。
また、本発明の２次元フォトニック結晶導波路によれば、特定波長の光の取り出し効率を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態の波長分波器の概略構成を示す斜視図。
【図２】図１の波長分波器に備えられた２次元フォトニック結晶導波路を示す概略平面図。
【図３】図２の２次元フォトニック結晶導波路に備えられた２次元フォトニック結晶スラブに形成された複数の低屈折率材料領域を示す拡大平面図。
【図４】図２の２次元フォトニック結晶導波路に形成された点状欠陥を示す拡大断面図。
【図５】図２の２次元フォトニック結晶導波路に形成された点状欠陥の他の形態を示す拡大断面図。
【図６】第２の実施形態の波長分波器の概略構成を示す斜視図。
【図７】図６の波長分波器に備えられた２次元フォトニック結晶導波路を示す概略平面図。
【図８】図７の２次元フォトニック結晶導波路に備えられた２次元フォトニック結晶スラブに形成された複数の低屈折率材料領域を示す拡大平面図。
【図９】バンドギャップの低屈折率材料領域傾斜角依存性を示す図。
【図１０】θ＝３０度の場合の低屈折率材料領域の配列状態を示す図。
【図１１】θ＝１５度の場合の低屈折率材料領域の配列状態を示す図。
【図１２】θ＝０度の場合の低屈折率材料領域の配列状態を示す図。
【図１３】ｔ／ａ＝０．６０の場合の２次元完全ＰＢＧ幅と開口率の関係を示す図。
【図１４】ｔ／ａ＝０．６５の場合の２次元完全ＰＢＧ幅と開口率との関係を示す図。
【図１５】ｔ／ａ＝０．８０の場合の２次元完全ＰＢＧ幅と開口率の関係を示す図。
【図１６】ｔ／ａ＝０．９０の場合の２次元完全ＰＢＧ幅と開口率の関係を示す図。
【図１７】ｔ／ａ＝１．５０の場合の２次元完全ＰＢＧ幅と開口率の関係を示す図。
【図１８】ｔ／ａ＝∞の場合の２次元完全ＰＢＧ幅と開口率との関係を示す図。
【図１９】ｔ／ａ＝０．５０の場合の２次元完全ＰＢＧ幅とＲ／ａの関係を示す図。
【図２０】ｔ／ａ＝０．６０の場合の２次元完全ＰＢＧ幅とＲ／ａの関係を示す図。
【図２１】ｔ／ａ＝０．８０の場合の２次元完全ＰＢＧ幅とＲ／ａの関係を示す図。
【図２２】ｔ／ａ＝０．９０の場合の２次元完全ＰＢＧ幅とＲ／ａの関係を示す図。
【図２３】ｔ／ａ＝０．１５の場合の２次元完全ＰＢＧ幅とＲ／ａの関係を示す図。
【図２４】ｔ／ａ＝∞の場合の２次元完全ＰＢＧ幅とＲ／ａの関係を示す図。
【図２５】従来の２次元フォトニック結晶導波路を示す概略斜視図。
【符号の説明】
１０，５０・・・フォトニック結晶導波路、１０ａ，５０ａ・・・２次元フォトニック結晶スラブ、１１・・・スラブ材、１４・・・三角孔、１５，６５・・・空気（低屈折率材料領域）、２２・・・線状欠陥（導波路）、２４・・・点状欠陥、６４ａ…第１の円形孔、６４ｂ・・・第２の円形孔、６５ａ…第１の低屈折率材料領域、６５ｂ・・・第２の低屈折率材料領域、ａ…ピッチ、Ｌ・・・長さ、Ｍ・・・平行線、ｒ・・・第１の低屈折率材料領域の半径、Ｒ・・・第２の低屈折率材料領域の半径、ｔ・・・スラブ材の厚さ。
【図１】
2004294517.tif 000003
【図２】
2004294517.tif 000004
【図３】
2004294517.tif 000005
【図４】
2004294517.tif 000006
【図５】
2004294517.tif 000007
【図６】
2004294517.tif 000008
【図７】
2004294517.tif 000009
【図８】
2004294517.tif 000010
【図９】
2004294517.tif 000011
【図１０】
2004294517.tif 000012
【図１１】
2004294517.tif 000013
【図１２】
2004294517.tif 000014
【図１３】
2004294517.tif 000015
【図１４】
2004294517.tif 000016
【図１５】
2004294517.tif 000017
【図１６】
2004294517.tif 000018
【図１７】
2004294517.tif 000019
【図１８】
2004294517.tif 000020
【図１９】
2004294517.tif 000021
【図２０】
2004294517.tif 000022
【図２１】
2004294517.tif 000023
【図２２】
2004294517.tif 000024
【図２３】
2004294517.tif 000025
【図２４】
2004294517.tif 000026
【図２５】
2004294517.tif 000027