(57)【要約】【課題】小型で高集積化することができる２次元フォトニック結晶を用いた光合分波器、光通信用装置および光通信システムを提供する。【解決手段】本発明に係る光合分波器１０００は、基板１０と、前記基板１０の上に積層される複数のスラブ層３１、３２とを含み、前記スラブ層３１、３２は、低屈折率領域３５、５５が周期的に配列された２次元フォトニック結晶構造を有し、かつ該周期的配列の一部に導波路として機能する線状欠陥２０１、２０２と、前記周期的配列内に形成され、特定の波長の光を捕獲して前記線状欠陥２０１、２０２へ導入し、または前記線状欠陥２０１、２０２から特定の波長の光を捕獲して放出する少なくとも一つの点状欠陥１０１、１０２とを含み、複数の前記スラブ層３１、３２間の点状欠陥１０１、１０２は、同じ波長の光を捕獲する点状欠陥１０１、１０２が対向する位置に配置される。【選択図】　　　　図９
2004012780.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板の上に積層される複数のスラブ層とを含み、
前記スラブ層は、
低屈折率領域が周期的に配列された２次元フォトニック結晶構造を有し、かつ該周期的配列の一部に導波路として機能する線状欠陥と、
前記周期的配列内に形成され、特定の波長の光を捕獲して前記線状欠陥へ導入し、または前記線状欠陥から特定の波長の光を捕獲して放出する少なくとも一つの点状欠陥とを含み、
少なくとも２つの前記スラブ層間において、同じ波長の光を捕獲する点状欠陥は対向する位置に配置される光合分波器。
【請求項２】
請求項１において、
前記点状欠陥は、形状によって捕獲される光の波長が異なる、光合分波器。
【請求項３】
請求項１または２において、
前記点状欠陥は、上下非対称の柱状構造である、光合分波器。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかにおいて、
前記スラブ層の面に対して前記点状欠陥の一方の側に前記特定の波長の光を反射する反射部材が配置される、光合分波器。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかにおいて、
各前記スラブ層の上下には、該スラブ層の材料より屈折率が低いクラッド層が存在する、光合分波器。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかにおいて、
各前記スラブ層の間および前記スラブ層と前記基板との間には、支持層が配置される、光合分波器。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかにおいて、
前記線状欠陥の一方の端部が前記低屈折率領域の周期的配列によって閉じられている、光合分波器。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれかにおいて、
前記線状欠陥は、該線状欠陥を含む前記スラブ層に対して少なくとも上下いずれか一方に配置される他の前記スラブ層の前記線状欠陥と重ならない位置に配置される、光合分波器。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかにおいて、
前記周期的配列は、三角格子状または正方格子状の配列である、光合分波器。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれかにおいて、
前記低屈折率領域は、前記スラブ層に形成された溝および貫通孔の少なくとも一方である、光合分波器。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれかに記載された光合分波器を含む光通信用装置。
【請求項１２】
請求項１〜１０のいずれかに記載された光合分波器を含む光通信システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、２次元フォトニック結晶構造を利用した光合分波器、光通信用装置および光通信システムに関する。
【０００２】
【背景技術および発明が解決しようとする課題】
近年、通信システムの大容量化が要求されており、大量の情報を所定の光波長帯にのせて多重化し、光ファイバによって情報を伝送することができる波長多重化方式（ＷＤＭ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ　Ｄｉｖｉｓｉｏｎ　Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）を利用した光学部品の開発が活発に行われている。特に、多重化された信号から所定の信号を取り出したり、信号を追加して多重化することができる光合分波器（光分岐挿入装置または光アド／ドロップ装置ともいう。）は、かかる波長多重通信用の光学部品の中でもキーデバイスとされている。
【０００３】
かかる光合分波器としては、アレイ導波路型回折格子型、ファイバグレーティング型、フォトニック結晶型など様々なものが提案されている。中でも、特開２００１−２７２５５５号公報において提案されている光合分波器は、２次元平面内に周期的な屈折率分布構造を有する２次元フォトニック結晶を用いたものであり、その優れた波長選択性により新たな技術として注目されている。
【０００４】
また、従来の光合分波器は、２次元平面内で分波または合波を行うので大量の光信号を処理しようとすると平面形状が大きくなってしまう。そこで、システムの高集積化のための各光部品の小型化が望まれている。
【０００５】
本発明の目的は、高集積化することができる２次元フォトニック結晶を用いた光合分波器、光通信用装置及び光通信システムを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る光合分波器は、基板と、前記基板の上に積層される複数のスラブ層とを含み、前記スラブ層は、低屈折率領域が周期的に配列された２次元フォトニック結晶構造を有し、かつ該周期的配列の一部に導波路として機能する線状欠陥と、前記周期的配列内に形成され、特定の波長の光を捕獲して前記線状欠陥へ導入し、または前記線状欠陥から特定の波長の光を捕獲して放出する少なくとも一つの点状欠陥とを含み、少なくとも２つの前記スラブ層間において、同じ波長の光を捕獲する点状欠陥は対向する位置に配置される。
【０００７】
本明細書において、「〜の上に」とは、直接その上にという意味の他に、所定の層を介している場合も含まれる。
【０００８】
本発明に係る光合分波器は、基板の上に積層される複数のスラブ層のそれぞれが、２次元フォトニック結晶構造を有するスラブ型導波路を構成する。各スラブ層においては、低屈折率領域の周期的配列の一部に形成される線状欠陥が光を導く導波路として機能する。また、本発明に係る光号分波器では、この周期的配列内で例えば、線状欠陥の近傍に点状欠陥を配置することができる。この点状欠陥は、上記周期的配列の乱れを利用して、スラブ層の外部から特定の波長の光を捕獲して上記線状欠陥内に光を導入し、または該線状欠陥を通過する光を捕獲してスラブ層の外部へ放出する機能を有する。
【０００９】
また、かかる光合分波器においては、少なくとも２つのスラブ層間の点状欠陥について、同じ波長の光を捕獲するものが対向する位置に配置される。このため、所定のスラブ層の端面から入射された光信号における特定の波長の光は、該スラブ層において点状欠陥から他のスラブ層へ放出され、係る他のスラブ層において点状欠陥から線状欠陥へ光が導入されることにより、複数のスラブ層間で光を分波または合波して所望のスラブ層から分波光または合波光を出射することができる。
【００１０】
したがって、本発明によれば、積層した複数のスラブ層において分波または合波した光を出射可能な構成であるため、小型で高集積化した光合分波器の実現が可能である。また、本発明に係る光合分波器は、例えば、各スラブ層の端面から光の出射を行う場合、他の装置と接続するための例えば、光ファイバなどの伝送路との結合性を高集積化しつつも十分に担保することができる。
【００１１】
また、本発明の光合分波器は、以下の態様を取り得る。
【００１２】
（Ａ）前記点状欠陥は、捕獲される光の波長に応じて異なる形状を選択することができる。
【００１３】
かかる構成によれば、種々の形状の点状欠陥を各スラブ層に形成することによって所望の波長の光を分波または合波することができる。
【００１４】
なお、本明細書において、点状欠陥について「異なる形状」という場合、点状欠陥の平面形状が異なる場合に限らず、点状欠陥の大きさが異なる場合を含む。
【００１５】
（Ｂ）前記点状欠陥を、上下非対称の柱状構造として形成することができる。
【００１６】
かかる構成によれば、点状欠陥において捕獲された光が放出／導入時に漏れることによる損失を防ぐことができるので、捕獲した光を低損失で他のスラブ層へ送出することができる。
【００１７】
（Ｃ）前記スラブ層の面に対して前記点状欠陥の一方の側に前記特定の波長の光を反射する反射部材を配置することができる。
【００１８】
かかる構成においても、点状欠陥において捕獲された光の放出／導入時における損失を反射により防ぐことができるので、捕獲した光を低損失で他のスラブ層の点状欠陥へ送出することができる。
【００１９】
（Ｄ）各前記スラブ層の上下には、該スラブ層の材料より屈折率が低いクラッド層が存在するように形成することができる。
【００２０】
かかる構成によれば、クラッド層によって、スラブ層の面に垂直な方向に対しても確実に線状欠陥内に光を閉じ込めることができる。
【００２１】
（Ｅ）各前記スラブ層の間および前記スラブ層と前記基板との間には、支持層を配置することができる。
【００２２】
かかる構成によれば、クラッド層を例えば、空気とした中空構造を実現することができる。また、かかる中空構造によれば、クラッド層の屈折率の製造プロセス依存性を低減し、安定した屈折率を得ることができるため、確実に特定波長の光を合波または分波することができる。
【００２３】
（Ｆ）　前記線状欠陥の一方の端部が前記低屈折率領域の周期的配列によって閉じることができる。
【００２４】
かかる構成によれば、光の出射方向を一方の端面側に制御することができるため、低損失で分波／合波光を出射することができる。
【００２５】
（Ｇ）前記線状欠陥は、該線状欠陥を含む前記スラブ層に対して少なくとも上下いずれか一方に配置される他の前記スラブ層の前記線状欠陥と重ならない位置に配置することができる。
【００２６】
かかる構成によれば、線状欠陥による導波路同士の干渉を防止することができるとともに、スラブ層間の距離を縮小してより小型化することができる。
【００２７】
（Ｈ）前記周期的配列を、三角格子状または正方格子状に配列することができる。
【００２８】
（Ｉ）前記低屈折率領域は、前記スラブ層に形成された溝および貫通孔の少なくとも一方とすることができる。
【００２９】
（Ｊ）また、本発明の光合分波器は、上記いずれかの光合分波器を含む光通信用装置や光通信システムに適用することができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら、本発明に好適な実施の形態について説明する。
【００３１】
［第１の実施形態］
（デバイスの構造）
図１は、本発明の実施形態に係る光合分波器１０００を模式的に示す断面図である。
【００３２】
かかる光合分波器１０００は、基板１０の上に、クラッド層２１、２２、２３を介してスラブ層３１、３２が積層されて構成される。
【００３３】
基板１０の材料は、例えば、Ｓｉ基板、Ｓｉ基板上にＳｉＯ２、Ｓｉを順次積層したＳＯＩ基板、ＳｉＣ基板、ＧａＡｓ基板、ＩｎＰ基板等の半導体基板、ガラス基板、樹脂基板などを用いることができる。
【００３４】
クラッド層２１、２２、２３は、スラブ層３１、３２の材料よりも低屈折率の材料で形成され、スラブ層３１、３２の面に垂直な方向において光を該スラブ層３１、３２内に閉じ込める機能を有する。このようなクラッド層２１、２２、２３の材料は、スラブ層３１の材料の屈折率との関係で決定され、例えば、Ｉｎ、Ｇａ、Ａｌ、Ｓｂ、Ａｓ、Ｇｅ、Ｓｉ、Ｐ、Ｎ、およびＯのいずれか一種またはこれらの任意の組合せによる無機材料、具体的にはＳｉＯ２、ＳｉＮｘ、ＳｉＯｘＮｙ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓＳｂ、ＩｎＧａＰ、ＩｎＰなどが挙げられる。また、上記の他に例えば、空気等の気体や、例えば、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ジアリルフタレート、フェニルメタクリレート、フッ素系ポリマー等の有機材料などをクラッド層２１、２２、２３の材料としてもよい。
【００３５】
スラブ層３１、３２は、図２（Ａ）に示すように、２次元フォトニック結晶構造を有するスラブ型導波路を構成する。ここで、２次元フォトニック結晶構造とは、屈折率を変化させた領域（以下、低屈折率領域という。）３００を周期的に配列することにより２次元平面内においてバンドギャップを有する構造である。この低屈折領域３００は、スラブ層３１、３２に貫通孔または溝を形成し、かかる貫通孔または溝の中にスラブ層３１、３２よりも屈折率の低い例えば、空気などの媒質が充填されて構成される。なお、クラッド層２１、２２、２３の材料が上記貫通孔または溝に充填される場合もある。後述する点状欠陥１００においても同様である。
【００３６】
ここで、２次元フォトニック結晶構造では、面内方向の光は、上記したバンドギャップによって伝搬が禁制される。そして、スラブ層３１、３２では、この２次元フォトニック結晶構造中の低屈折率領域３００の周期的配列において一部を線状に抜き取ったような構造の線状欠陥２００を導入することによって、この線状欠陥２００内においてのみ光が伝搬されるスラブ型導波路として機能する。なお、スラブ層３１、３２の線状欠陥２００を通過する光は、スラブ層３１、３２とクラッド層２１、２２、２３との屈折率差によって面直方向においても線状欠陥２００内に閉じ込められて伝搬する。
【００３７】
また、スラブ層３１、３２において、低屈折率領域３００の周期的配列は、図２（Ｂ）に示すように、線状欠陥２００の一方の端部側をかかる周期的配列によって閉じた構造とすることができる。かかる構造によれば、スラブ層３１、３２を光の入射または出射のみに使用する場合に、線状欠陥２００の双方の端部から等方的に光が出射されることにより生ずる損失を低減しつつ光を伝搬することができる。また、このような構成により、スラブ層２００における光の入出射方向を制御することができる。
【００３８】
なお、スラブ層３１、３２において、低屈折率領域３００の平面形状は、図２（Ａ）に示すような円形のものに限られず、四角形、六角形等の多角形状であってもよい。
【００３９】
また、かかる光合分波器１０００のスラブ層３１、３２において、低屈折率領域３００は、図３（Ａ）または図３（Ｂ）に示すように、三角格子状または正方格子状で配列した周期的配列を採用することができる。
【００４０】
また、スラブ層３１、３２においては、低屈折率領域３００の周期的配列内に、低屈折率領域３００と異なる形状を有する点状欠陥１００を形成し、特定の波長の光を分波または合波することができる。すなわち、線状欠陥２００を通過する光のうち特定の波長の光は、この点状欠陥１００によって捕獲され、スラブ層３１、３２の外部へ放出され、また、外部からは点状欠陥１００により特定の波長の光が捕獲されて線状欠陥２００内に導入される。
【００４１】
この点状欠陥１００は、上記低屈折率領域３００に対して例えば、大きさや平面形状などが異なるものとして形成することにより、かかる形状に対応した特定の波長の光が捕獲されて、外部への光の放出口や外部からの光の導入口として機能する。例えば、低屈折率領域３００の平面形状を円形とした場合には、点状欠陥１００については半径（または直径）の異なる平面形状とすることができる。すなわち、本実施形態に係る光合分波器１０００においては、かかる構成を採用することにより、種々の形状の点状欠陥１００をスラブ層３０に形成することによって各形状に対応した波長の光をかかる点状欠陥１００によって捕獲して分波または合波をすることができる。
【００４２】
また、スラブ層３０では、点状欠陥１００内に異なる屈折率の材料を充填することによって異なる光の波長を捕獲可能に形成することができる。ここで、点状欠陥１００において捕獲される光の波長は、上記したように点状欠陥１００の大きさや平面形状によって変化する。そこで、点状欠陥１００に充填する材料の屈折率が異なるものであれば、点状欠陥１００の実効的な形状が変化させて、異なる波長の光を捕獲させることができる。かかる場合においては、点状欠陥１００内に充填する材料を例えば、温度により屈折率が変化しやすい材料とすれば、光合分波器１０００を温調装置を用いて温度制御することによって、かかる温度制御に応じて点状欠陥１００で捕獲される波長を光合分波器１０００の使用時において変化させることもできる。なお、本実施形態に係る光合分波器１０００では、スラブ層３０における点状欠陥１００の形状の変更、充填材料の変更を組み合わせて所望の波長を捕獲する点状欠陥１００を形成することができる。
【００４３】
また、かかる点状欠陥１００の形状は、例えば、図４（Ａ）に示すように、柱状構造とすることができる。また、点状欠陥１００は、光を外部に放出する際、例えば、図４（Ａ）に示すような上下対称の柱状構造とした場合、捕獲された光は、上下に等方向に放出される。このため、かかる形状を採用することにより、例えば、スラブ層３０の上下の層において分波した光を利用することもできる。
【００４４】
また、点状欠陥１００からの放出光の方向を規制する場合には、図４（Ｂ）〜図４（Ｅ）に示すように上下非対称の形状を採用すると、光は、主として大きく開いた側から放出されるため、放出光の損失を大幅に低減させることができる。
【００４５】
なお、点状欠陥１００の形状を例えば、図４（Ａ）に示すような上下対称の柱状構造とした場合であっても、いずれか一方の開口側に光反射部材を設けることによって（図示省略）、等方的に放出される光を該反射部材による反射によって光が所望の方向以外へ漏れるのを防止することができる。このような構成によれば、点状欠陥１００において捕獲された光の放出／導入時における損失を反射により防ぐことができるので、捕獲した光を低損失で伝搬させることができる。
【００４６】
また、スラブ層３１、３２の材料としては、例えば、Ｉｎ、Ｇａ、Ａｌ、Ｓｂ、Ａｓ、Ｇｅ、Ｓｉ、Ｐ、Ｎ、およびＯのいずれか一種またはこれらの任意の組合せによる無機材料でクラッド層２１、２２、２３よりも屈折率の高いものを用いることができる。具体的には、Ｓｉ、ＳｉＯ２にＧｅ等を含む不純物を添加したもの、ＡｌＡｓ、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＡｓＳｂ、ＩｎＧａＡｓＰなどが例示できる。また、スラブ層３１、３２の材料としては、例えば、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ジアリルフタレート、フェニルメタクリレート、フッ素系ポリマー等の有機材料でクラッド層２１、２２、２３の材料よりも屈折率の高いものを用いることができる。
【００４７】
（デバイスの機能）
次に、図５（Ａ）及び図５（Ｂ）を参照しながら、かかる光合分波器１０００の分波機能および合波機能について説明する。
【００４８】
まず、図５（Ａ）に示すように、スラブ層３１の端面から線状欠陥に複数の波長λ１、λ２を含む光を入射すると、線状欠陥を通過する光のうち波長λ２の光がスラブ層３１の点状欠陥１０１で捕獲され、外部に放出される。波長λ１の光は、スラブ層３１の線状欠陥を通過して端面から出射される。
【００４９】
次に、外部に放出された波長λ２の光は、低屈折率のクラッド層２２を介してスラブ層３２の点状欠陥１０２からスラブ層３２の線状欠陥に導入される。そして、点状欠陥１０２からスラブ層３２の線状欠陥に導入された波長λ２の光は、かかるスラブ層３２の端面から出射される。
【００５０】
すなわち、本実施形態に係る光合分波器１０００は、スラブ層３１の一方の端面から入射された波長λ１、λ２の光を、点状欠陥１０１、１０２の特定波長光の捕獲作用によって、スラブ層３１の端面からは波長λ１の光が出射され、スラブ層３２の端面からは波長λ２の光が出射されることで光を分波することができる。
【００５１】
次に、図５（Ｂ）に示すように、スラブ層３１の端面から波長λ１の光を、そして、スラブ層３２の端面から波長λ２の光をそれぞれ入射した場合を想定する。
【００５２】
かかる場合、スラブ層３１に入射された波長λ１の光は、スラブ層３１内の点状欠陥１０１では捕獲されず、スラブ層３１の線状欠陥内を通過する。そして、スラブ層３２に入射された波長λ２の光は、点状欠陥１０２において捕獲されるとともに外部に放出され、かかる光はクラッド層２２を介して点状欠陥１０１に捕獲されてスラブ層３１の線状欠陥に導入される。すると、スラブ層３１の線状欠陥では、波長λ１の光と波長λ２の光とが端部から出射される。
【００５３】
すなわち、本実施形態に係る光合分波器１０００は、各スラブ層３１、３２からそれぞれ入射された波長λ１、λ２の光が点状欠陥１０１、１０２の特定波長光の捕獲作用によって、スラブ層３１の線状欠陥で合波されてスラブ層３１の端面から出射することができる。
【００５４】
以上に述べたように、本実施形態に係る光合分波器１０００によれば、積層した複数のスラブ層３１、３２において分波した波長λ１、λ２の光をスラブ層３１、３２の端面から出射可能で、かつ合波した波長λ１、λ２の光を含む光をスラブ層３１の端面から出射可能な構成であるため、小型化しつつ高集積化した光合分波器を実現することができる。また、本実施形態に係る光合分波器１０００は、各スラブ層３１、３２の端面から光の入出射を行うので、他の装置と接続するための例えば、光ファイバ等との結合性を十分に担保することができる。
【００５５】
（デバイスの製造方法）
次に、かかる光合分波器１０００の製造方法の一例について図６〜図１０を参照しながら説明する。なお、図６（Ｂ）〜図１０（Ｂ）は、図６（Ａ）〜図１０（Ａ）に示す平面図についてのａ−ａ断面図である。
【００５６】
（１）まず、図６（Ａ）及び図６（Ｂ）に示すように、基板１０の上に、クラッド層２１を形成し、さらにその上にスラブ層３１となる層を形成する。具体的には、基板１０として例えば、合成樹脂基板を用い、かかる基板１０上に例えば、低屈折率の有機材料からなるクラッド層２１を例えば、スピンコート法で形成する。そして、クラッド層２１の上にクラッド層２１の材料よりも屈折率の高い有機材料を用いてスラブ層３１を例えば、スピンコート法で形成することができる。
【００５７】
（２）次に、図７（Ａ）及び図７（Ｂ）に示すように、スラブ層３１を例えば、レジスト等でマスクして（図示省略）、円柱構造の低屈折率領域３００の周期的配列および低屈折率領域３００と異なる形状の点状欠陥１０１を公知のエッチング手法を用いてパターニングすることにより形成することができる。かかる低屈折領域３００および点状欠陥１０１のパターニングは、露光装置を用いたフォトリソグラフィー技術、若しくはＥＢ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｂｅａｍ）による電子線描画法、又はこれらの組合せによっても行うことができる。
【００５８】
また、スラブ層３１の線状欠陥２０１は、スラブ層３１の一部の領域を線状にマスクして上記した低屈折領域３００および点状欠陥１０１のパターニングをすることにより形成することができる。
【００５９】
（３）次に、図８（Ａ）及び図８（Ｂ）に示すように、スラブ層３１の上に、クラッド層２２及びスラブ層３２となる層を順次積層する。クラッド層２２は、クラッド層２１と同様の材料及び成膜方法を用いて形成することができる。また、スラブ層３２についてもスラブ層３１と同様の材料及び成膜方法を用いて形成することができる。
【００６０】
なお、かかる工程では、スラブ層３１の低屈折領域３００および点状欠陥１０１内には、クラッド層２２の材料の粘度が低い場合には、クラッド層２２の材料が充填される。クラッド層２２の材料として粘度の高いものを用いれば、低屈折領域３３０及び点状欠陥１０１内にクラッド層２２の材料は充填されずに、屈折率の低い空気を低屈折率領域３００及び点状欠陥１０１に充填した構造とすることができる。
【００６１】
（４）そして、図９（Ａ）及び図９（Ｂ）に示すように、スラブ層３２をパターニングして、スラブ層３２に低屈折率領域３００の周期的配列、点状欠陥１０２、線状欠陥２０２を上記（２）で説明した工程と同様の手法により形成する。ここで、点状欠陥１０２は、スラブ層３１に形成される点状欠陥１０１と対向する位置に形成される。
【００６２】
（５）最後に、図１０（Ａ）及び図１０（Ｂ）に示すように、スラブ層３２の上にクラッド層２１、２２と同様の材料および成膜方法を用いてクラッド層２３を形成する。なお、かかる工程において、スラブ層３２の低屈折率領域３００内および点状欠陥１０２内には、スラブ層３２の材料よりも屈折率の低いクラッド層２３の材料が充填されてもよいし、低屈折率領域３００及び点状欠陥１０２内に空気が充填された構造となってもよい。
【００６３】
なお、（１）〜（５）で説明した各工程における各層の成膜方法は、選択した材料に応じて好適な手法を採用することができ、例えば、蒸着法、スパッタ法、ＣＶＤ法（ＭＯＣＶＤ法を含む）、ＭＢＥ法、スピンコート法、インクジェット法などの公知の成膜方法を用いることができる。
【００６４】
また、本実施形態に係る光合分波器１０００は、以上に述べたものに限られず、以下に示す各種態様を取り得る。
【００６５】
（変形例１）
図１１（Ａ）は、本実施形態の変形例１に係る光合分波器１１００を模式的に示す断面図である。図５（Ａ）及び図５（Ｂ）に示すものと実質的に同一の機能を有する部材には同様の符号を付し、詳細な説明を省略する。また、光合分波器１１００の各層の材料および成膜方法は、本実施形態に係る光合分波器１０００と同様のものを選択することができる。
【００６６】
図１１（Ａ）に示す光合分波器１１００は、複数の特定波長λ３、λ４の光を分波してスラブ層３２から出射可能に形成されている。すなわち、スラブ層３１及びスラブ層３２には、それぞれ波長λ３、λ４を捕獲する点状欠陥１０１〜１０４が対向する位置に形成されて構成される。かかる点状欠陥１０１〜１０４は、所定の形状で、所望の波長を捕獲することができるように形成される。
【００６７】
かかる光合分波器１１００では、スラブ層３１の端面から入射されたλ１〜λ４の波長を含む光について、スラブ層３１の点状欠陥１０１において波長λ３の光が捕獲されてスラブ層３１から放出され、また、点状欠陥１０３において波長λ４の光が捕獲されてスラブ層３１から放出される。スラブ層３１において捕獲されない波長λ１、λ２の光は、スラブ層３１の線状欠陥内を通過して端面から光合分波器１１００の外部へ出射される。
【００６８】
そして、波長λ３の光は、スラブ層３２の点状欠陥１０２において捕獲されてスラブ層３２の線状欠陥内に導入され、また、波長λ４の光は、スラブ層３２の点状欠陥１０４において捕獲されてスラブ層３２の線状欠陥内に導入される。かかる波長λ３、λ４の光は、スラブ層３２の線状欠陥を通過してスラブ層３２の端面から光合分波器１１００の外部に出射される。
【００６９】
このように、本実施形態の変形例１に係る光合分波器１１００によれば、波長λ１〜λ４の光を波長λ１、λ２を含む光と波長λ３、λ４を含む光とに分波して出射することができる。すなわち、複数の波長を含む光を出射することができるので、所望の分波光を得ることができ適用性が広い。
【００７０】
また、かかる光合分波器１１００は、上記したように光を分波するだけに限らず、合波した光を出射することもできる。複数の波長を合波する際には、スラブ層３１の端面から波長λ１、λ２の光を含む光を入射し、スラブ層３２の端面から波長λ３、λ４の光を含む光を入射する。
【００７１】
すると、スラブ層３２において、波長λ３、λ４の光は、点状欠陥１０２、１０４で捕獲されて放出される。そして、放出された波長λ３、λ４の光は、クラッド層２２を介して点状欠陥１０１、１０３からスラブ層３１内に導入される。最終的には、スラブ層３１内において、波長λ１〜λ４の光を含む光が合波されて外部に出力される。
【００７２】
このように、本実施形態の変形例１に係る光合分波器１１００によれば、波長λ１、λ２の光を含む光と波長λ３、λ４の光を含む光とを合波して外部に出射することができる。すなわち、かかる光合分波器１１００によれば、複数の波長を含む光を合波して所望の合波光を得ることができ適用性が広い。
【００７３】
以上に述べたように、本実施形態の変形例１に係る光合分波器１１００によれば、複数の波長を含む光を多種多様な態様で分波または合波した出射光を得ることができる小型で高集積化された光合分波器を実現することができる。
【００７４】
（変形例２）
図１１（Ｂ）は、本発明の実施形態の変形例２に係る光合分波器１２００を模式的に示す断面図である。図５（Ａ）及び図５（Ｂ）に示すものと実質的に同一の機能を有する部材には同様の符号を付し、詳細な説明を省略する。また、光合分波器１２００の各層の材料および成膜方法は、本実施形態に係る光合分波器１０００と同様のものを選択することができる。
【００７５】
かかる光合分波器１２００においては、上記した光合分波器１０００、１１００にさらにスラブ層３３及びクラッド層２４を積層した構成を採用する。スラブ層３１では、点状欠陥１０１、１０３、１０５によって、波長λ４、λ５、λ６の光を捕獲して分波することができる。また、スラブ層３２では、点状欠陥１０２、１０４、１０６によって、波長λ４、λ５、λ６の光を捕獲するとともに、点状欠陥１０７、１０９によって、波長λ５、λ６の光を捕獲して分波することができる。さらに、スラブ層３３では、点状欠陥１０８、１１０によって、波長λ５、λ６の光が捕獲される。
【００７６】
また、かかる光合分波器１２００では、スラブ層３１の点状欠陥１０１、１０３、１０５とスラブ層３２の点状欠陥１０２、１０４、１０６とが対向する位置に配置される。さらに、スラブ層３２の点状欠陥１０７、１０９とスラブ層３３の点状欠陥１０８、１１０とが対向する位置に配置される。
【００７７】
かかる構成によって、スラブ層３１の一方の端面から波長λ１〜λ６の波長を含む光が入射されると、スラブ層３１において、波長λ４〜λ６の光が点状欠陥１０１、１０３、１０５によって捕獲されて放出され、波長λ１〜λ３の光が他方の端面から出射される。そして、スラブ層３２においては、波長λ４〜λ６の光が点状欠陥１０２、１０４、１０６によって層内の線状欠陥に導入され、点状欠陥１０７、１０９によって波長λ５、λ６の光が捕獲されて放出されるとともに、波長λ４の光が端面から出射される。また、スラブ層３３においては、波長λ５、λ６の光が点状欠陥１０８、１１０によって層内の線状欠陥に導入されて端面から出射される。
【００７８】
このように、本実施形態の変形例２に係る光合分波器１２００によれば、波長λ１〜λ６の光を波長λ１〜λ３を含む光、波長λ４の光、波長λ５、λ６を含む光の３種類に分波して出射することができる。
【００７９】
また、かかる光合分波器１２００は、上記したように光を分波するだけに限らず、合波した光を出射することもできる。複数の波長を合波する際には、スラブ層３１の端面から波長λ１〜λ３の光を含む光を入射し、スラブ層３２の端面から波長λ４の光を入射し、スラブ層３３の端面から波長λ５、λ６の光を含む光を入射する。
【００８０】
すると、スラブ層３３において、波長λ５、λ６の光は、点状欠陥１０８、１１０で捕獲されて放出される。そして、放出された波長λ５、λ６の光は、クラッド層２３を介して点状欠陥１０７、１０９からスラブ層３２内に導入される。
【００８１】
また、スラブ層３２の端面から入射された波長λ４の光および点状欠陥１０７、１０９から導入された波長λ５、λ６の光を含む光は、スラブ層３２内の点状欠陥１０２、１０４、１０６で捕獲されて放出される。そして、放出された波長λ４〜λ６の光を含む光は、クラッド層２２を介して点状欠陥１０１、１０３、１０５からスラブ層３１内に導入され、スラブ層３１の端面からは、波長λ１〜λ６の光を含む光が外部に出射される。
【００８２】
このように、本実施形態の変形例２に係る光合分波器１２００によれば、波長λ１〜λ３を含む光、波長λ４の光、波長λ５、λ６を含む光の３種類の光を波長λ１〜λ６の光を含む光に合波して出射することができる。
【００８３】
（変形例３）
図１２（Ａ）〜図１２（Ｃ）は、本実施形態の変形例３に係る光合分波器１３００を模式的に示す図である。なお、図１２（Ａ）は、図１２（Ｂ）及び図１２（Ｃ）のａ−ａ断面を表す図である。また、図５〜図９に示すものと実質的に同一の機能を有する部材には同様の符号を付し、詳細な説明を省略する。また、光合分波器１３００の各層の材料および成膜方法は、本実施形態に係る光合分波器１０００と同様のものを選択することができる。
【００８４】
本実施形態の変形例３に係る光合分波器１３００は、上記した光合分波器１０００と同様の基本的構成を有し、光の分波機能、合波機能についても同様の機能を有する。
【００８５】
また、この変形例３に係る光合分波器１３００は、スラブ層３１、３２において同じ波長の光を捕獲する点状欠陥１０１、１０２が対向する位置に配置される点では、本実施形態に係る光合分波器１０００と共通するが、各スラブ層３１、３２において線状欠陥２０１、２０２どうしが重ならない位置に配置されている。線状欠陥２０１、２０２は、上述したように光を通過させる導波路として機能する。また、導波路間の距離が近接すると特定の波長の光は、導波路間を遷移する性質がある。すなわち、線状欠陥２０１、２０２が近接すると通過光の一部が一方の線状欠陥から他方の線状欠陥へと漏れることにより、線状欠陥２０１、２０２どうしで干渉が生ずることがある。
【００８６】
しかし、本変形例に係る光合分波器１３００によれば、点状欠陥１０１、１０２は対向する位置に配置しつつも線状欠陥２０１、２０２を重ならない位置に配置することで、使用時にスラブ層３１、３２の線状欠陥２０１、２０２間の干渉を生じさせることなくスラブ層３１、３２間の距離を縮めることができ、光合分波器のさらなる小型化および高集積化を図ることができる。
【００８７】
また、本変形例に係る光合分波器１３００では、線状欠陥２０１、２０２を互いに平行な位置に配置するほか、線状欠陥２０１、２０２を互いに直交するように配置してもよい。
【００８８】
なお、かかる変形例３の光合分波器１３００においても、上記変形例１に係る光合分波器１１００と同様に、各スラブ層３１、３２内に複数の点状欠陥を設けて複数波長の光の分波または合波を行うことができ、また、上記変形例２に係る光合分波器１２００と同様に３層以上のスラブ層を有する構成を採用することができる。
【００８９】
（変形例４）
図１３（Ａ）及び図１３（Ｂ）は、本発明の変形例４に係る光合分波器１３１０を模式的に示す図である。図１２（Ａ）〜図１２（Ｃ）に示すものと実質的に同一の機能を有する部材には同様の符号を付し、詳細な説明を省略する。また、光合分波器１３１０の各層の材料および成膜方法は、本実施形態に係る光合分波器１０００と同様のものを選択することができる。
【００９０】
かかる光合分波器１３１０は、光の合波または分波に関して上記において示した各合分波器と実質的に同様の機能を有する。すなわち、図１３（Ａ）に示すように、波長λ１〜λ３の光が入射されると、スラブ層３１からは、波長λ１の光が分波されて出射される。また、スラブ層３２からは、波長λ２の光が分波されて出射され、スラブ層３３からは、波長λ３の光が分波されて出射される。
【００９１】
また、かかる光合分波器１３１０では、スラブ層３３から出射される波長λ３の光は、スラブ層３２において線状欠陥に導入されずにスラブ層３３の線状欠陥に導入される。
【００９２】
上記したようにスラブ層３３から出射される波長λ３の光をスラブ層３２の線状欠陥に導入せずにスラブ層３３の線状欠陥へ導入するための具体的な構成としては、次のようなものを例示することができる。図１３（Ｂ）は、光合分波器１３１０を光の入出射方向から見た断面図を模式的に示したものである。この図１３（Ｂ）に示すように、スラブ層３１とスラブ層３２とにおいては、線状欠陥２０１、２０２が重ならないように配置され、スラブ層３２とスラブ層３３とにおいては、線状欠陥２０２、２０３が重ならないように配置されている。
【００９３】
また、スラブ層３１において、波長λ２の光を捕獲する点状欠陥１０１と波長λ３の光を捕獲する点状欠陥１０３とは、線状欠陥２０１を中心として異なる側の位置に配置されている。そして、スラブ層３２においては、線状欠陥２０２がスラブ層３１の線状欠陥２０１と重ならない位置に配置され、波長λ２を線状欠陥２０２に導入するための点状欠陥１０２は線状欠陥２０２の近傍に配置される。また、スラブ層３２において、波長λ３の光を捕獲する点状欠陥１０４は、線状欠陥２０２から離れた位置に配置される。
【００９４】
ここで、点状欠陥と線状欠陥との関係において、点状欠陥と線状欠陥との距離によって光の結合効率が決定される。つまり、点状欠陥の位置が線状欠陥から離れれば離れるほど、点状欠陥で捕獲された光が線状欠陥に導入されにくくなる。
【００９５】
したがって、本変形例に係る光合分波器１３１０におけるスラブ層３２においては、図１３（Ｂ）に示すように、波長λ３を捕獲する点状欠陥１０４が線状欠陥２０２から十分に離れた位置に配置されることにより、点状欠陥１０４で捕獲された波長λ３の光は、線状欠陥２０２に導入されることなくスラブ層３２から放出される。そして、スラブ層３２の点状欠陥１０４から放出された波長λ３の光は、最終的にスラブ層３３の点状欠陥１０４から線状欠陥２０３に導入されて外部に出射される。
【００９６】
このように、本変形例に係る光合分波器１３１０によれば、各スラブ層において光を一度線状欠陥に導入する場合に比べて、各スラブ層に配置する点状欠陥の数を少なくすることができる。
【００９７】
（変形例５）
図１４（Ａ）〜図１４（Ｃ）は、本実施形態の変形例５に係る光合分波器１４００を模式的に示す図である。なお、図１４（Ｂ）は、図１４（Ａ）のａ−ａ断面を表す図である。また、図１４（Ｃ）は、図１４（Ａ）のｂ−ｂ断面図を表す図である。また、図５〜図９に示すものと実質的に同一の機能を有する部材には同様の符号を付し、詳細な説明を省略する。また、光合分波器１４００の各層の材料は、本実施形態に係る光合分波器１０００と同様のものを選択することができる。
【００９８】
この光合分波器１４００では、基本的構成が上記実施形態に係る光合分波器１０００と同様であるが、図１４（Ｂ）及び図１４（Ｃ）に示すように、クラッド層２１、２２を空気とした中空構造を採用する。
【００９９】
かかる光合分波器１４００では、スラブ層３１、３２がそれぞれ支持層４００により固定して積層されている。かかる支持層４００の材料は、無機材料および有機材料の中から好適なものを選択することができる。
【０１００】
また、本変形例に係る光合分波器１４００は、上記実施形態に係る光合分波器１０００と同様に光を合波または分波することができる。ここで、かかる光合分波器１４００は、クラッド層２１、２２として空気を採用するため、クラッド層２１、２２の屈折率を製造プロセス等に依存することなく安定したものとすることができる。
【０１０１】
また、かかる光合分波器１４００を製造する場合には、スラブ層３１、３２を個別に形成してから支持層４００を介して基板１０上に積層していくことができる。
【０１０２】
具体的には、図１５（Ａ）に示すように、例えば、Ｓｉの単結晶ウェハ５００を準備する。そして、図１５（Ｂ）に示すように、ウェハ５００の所定の領域５０にＥＢ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｂｅａｍ）を用いる電子線描画法や、ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ　Ｉｏｎ　Ｅｔｃｈｉｎｇ）等を用いたフォトリソグラフィー技術によって低屈折率領域３００、点状欠陥１０１、１０２のパターニングを行う。このとき、スラブ層３１、３２の形状に合わせてスラブ層３１、３２となる領域の周囲についても例えば、図１５（Ｂ）に示すように、分離用パターン６０を形成しておくことができる。なお、スラブ層３１、３２となる領域の周囲に分離用パターン６０を形成する場合には、スラブ層３１、３２をパターニング中にウェハ５００から分離しないように支持する支持領域７０を残しておくことが望ましい。
【０１０３】
次に、パターニングされたウェハ５００からスラブ層３１、３２を支持領域７０において（図中の破線部分）、例えば、劈開等をすることにより分離してスラブ層３１、３２を取り出す。なお、スラブ層３１、３２は、上記したようにスラブ層３１、３２となる領域の周囲に分離用パターン６０を形成しない場合には、ウェハ５００を公知の手法を用いてダイシングすることによりスラブ層３１、３２を切り出すこともできる。
【０１０４】
（変形例６）
図１６は、本実施形態の変形例６に係る光合分波器１４１０を模式的に示す断面図である。図１４（Ａ）〜図１４（Ｃ）に示すものと実質的に同一の機能を有する部材には、同一符号を付し詳細な説明を省略する。
【０１０５】
かかる光合分波器１４１０は、上記変形例５に係る光合分波器１４００と基本的構成は同様であるが、スラブ層３２に光入射用の点状欠陥１０３、１０４を設けた点で光合分波器１４００と構成が異なる。
【０１０６】
この光合分波器１４１０は、上記した変形例５に係る光合分波器１４００と同様に、クラッド層２１、２２を空気とした中空構造であるため、最上層であるスラブ層３２から面的に入射光を取り込むことができる。すなわち、光合分波器１４１０では、スラブ層３２の上部から波長λ１、λ２の光を含む入射光が点状欠陥１０３、１０４で捕獲されてスラブ層３２内に導入され、波長λ１の光は、スラブ層３２の線状欠陥を通過して端面から外部に出射される。一方、波長λ２の光は、一旦スラブ層３２の線状欠陥内に導入されるが、スラブ層３２の点状欠陥１０１によって捕獲され、クラッド層２２を介してスラブ層３１の点状欠陥１０２において捕獲されてスラブ層３１内に導入される。そして、波長λ２の光は、スラブ層３１の線状欠陥を通過して端面から外部に出射される。
【０１０７】
このように、本変形例に係る光合分波器１４１０によれば、複数の波長λ１、λ２を含む光をスラブ層３２に設けた点状欠陥１０３、１０４から入射可能としたことにより、入射光を面的に取り入れることができる。したがって、かかる光合分波器１４１０によれば、スラブ層の端面から光を入射させる場合に比べて入射光のスポット径が大きい場合であっても光を効率よく取り入れることができるようになる。
【０１０８】
なお、上述した第１の実施形態ならびに各変形例においては、分波または合波に関わる光の波長λの数及び組合せなどは、任意に選択することができる。
【０１０９】
［第２の実施形態］
上記第１の実施形態に係る光合分波器１０００や、第１の実施形態の変形例１〜６に係る光合分波器１１００、１２００、１３００、１３１０、１４００、１４１０は、例えば、光ルーターや光スイッチャーなど（図示省略）の種々の光通信用装置に適用することができる。
【０１１０】
また、かかる光合分波器１０００〜１４１０は、図１７に示すような、光通信システム４０００に適用することができる。かかる光通信システム４０００は、複数波長の光信号を多重化して伝送する波長多重化方式（ＷＤＭ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ　Ｄｉｖｉｓｉｏｎ　Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）を用いた光通信システムであり、例えば、基地局６１０、中継局６２０、および加入者端末６３０〜６５０を含んで構成される。基地局６１０、中継局６２０、および加入者端末６３０〜６５０は、光ファイバにより接続されている。
【０１１１】
基地局６１０では、複数の波長（λ１、λ２、λ３、・・・）を含む光信号を送受信することができる。中継局６２０では、基地局６２０から送られた光信号を分波して各加入者端末６３０〜６５０へ送信することができる。また、中継局６２０では、加入者端末６３０〜６５０から受信した光信号を合波して基地局６１０に送信することもできる。また、各加入者端末６３０〜６５０では、それぞれに割り当てられた波長帯の光信号を送受信することができるように構成されている。具体的には、加入者端末６３０では、波長λ１の光信号が送受信され、加入者端末６４０では、波長λ２の光信号が送受信され、加入者端末６５０では、波長λ３の光信号が送受信されることによりデータ通信が行われる。
【０１１２】
ここで、上記第１の実施形態に係る光合分波器１０００〜１４１０は、基地局６１０内や中継局６２０内に設置される光通信用装置（図示省略）内で用いられ、光信号の合波や分波が行われる。
【０１１３】
このように、かかる光通信システム４０００によれば、基地局６１０から加入者端末６３０〜６５０に至る通信経路を光ファイバで統一したいわゆる全光アクセス方式（ＦＴＴＨ：Ｆｉｂｅｒ　Ｔｏ　Ｔｈｅ　Ｈｏｍｅ）の比較的大規模な通信システムから光ＬＡＮなどの比較的小規模な通信システムまで種々の通信システムを構築することができる。
【０１１４】
なお、本発明に好適な実施の形態は、上述したものに限られず、本発明の要旨範囲内で各種態様を取り得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の実施形態に係る光合分波器を模式的に示す断面図である。
【図２】図２（Ａ）及び図２（Ｂ）は、本発明の実施形態に係る光合分波器のスラブ層を模式的に示す平面図である。
【図３】図３（Ａ）及び図３（Ｂ）は、本発明の実施形態に係る光合分波器の低屈折率領域の配列を説明するための図である。
【図４】図４（Ａ）〜図４（Ｅ）は、本発明の実施形態に係る光合分波器の点状欠陥の断面形状を説明するための図である。
【図５】図５（Ａ）は、本発明の実施形態に係る光合分波器の分波機能を説明するための図であり、図５（Ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る光合分波器の合波機能を説明するための図である。
【図６】図６（Ａ）及び図６（Ｂ）は、本発明の実施形態に係る光合分波器の一製造工程を模式的に示す図である。
【図７】図７（Ａ）及び図７（Ｂ）は、本発明の実施形態に係る光合分波器の一製造工程を模式的に示す図である。
【図８】図８（Ａ）及び図８（Ｂ）は、本発明の実施形態に係る光合分波器の一製造工程を模式的に示す図である。
【図９】図９（Ａ）及び図９（Ｂ）は、本発明の実施形態に係る光合分波器の一製造工程を模式的に示す図である。
【図１０】図１０（Ａ）及び図１０（Ｂ）は、本発明の実施形態に係る光合分波器の一製造工程を模式的に示す図である。
【図１１】図１１（Ａ）は、本発明の実施形態の変形例１に係る光合分波器を模式的に示す図であり、図１１（Ｂ）は、本発明の実施形態の変形例２に係る光合分波器を模式的に示す図である。
【図１２】図１２（Ａ）〜図１２（Ｃ）は、本発明の実施形態の変形例３に係る光合分波器を模式的に示す図である。
【図１３】図１３（Ａ）及び図１３（Ｂ）は、本発明の実施形態に係る変形例４に係る光合分波器を模式的に示す図である。
【図１４】図１３（Ａ）〜図１３（Ｃ）は、本発明の実施形態の変形例５に係る光合分波器を模式的に示す図である。
【図１５】図１５（Ａ）及び図１５（Ｂ）は、本発明の実施形態の変形例５に係る光合分波器の一製造工程を説明するための図である。
【図１６】図１６は、本発明の実施形態の変形例６に係る光合分波器を模式的に示す図である。
【図１７】図１７は、第２の実施形態に係る光通信用システムを模式的に示す図である。
【符号の説明】
１０　基板
２１、２２、２３、２４　クラッド層
３０、３１、３２、３３　スラブ層
１００、１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６、１０７、１０８、１０９、１１０　点状欠陥
２００、２０１、２０２、２０３　線状欠陥
３００　低屈折率領域
４００　支持層
１０００、１１００、１２００、１３００、１３１０、１４００、１４１０　光合分波器
４０００　光通信システム
【図１】
2004012780.tif 000003
【図２】
2004012780.tif 000004
【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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