(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基部および前記基部に周期的に設けられて周囲と屈折率が異なる柱状の複数の格子要素を備えるフォトニック結晶から構成され、所定の方向に延在する共振部を備えるフォトニック結晶共振器と、
前記フォトニック結晶共振器の上に配置され、前記共振部の延在方向に平行な方向を導波方向として延在して前記共振部と異なる層に配置された光導波路と
を備え、
前記光導波路の導波方向の中心線は、前記共振部に隣接して前記共振部と同一方向に延在する格子要素の列とこの格子要素列に隣接し、且つ、前記共振部とは隣接していない前記共振部と同一方向に延在する格子要素の列との間に配置されている
ことを特徴とする光回路。
【請求項２】
請求項１記載の光回路において、
前記格子要素は、三角格子または四角格子に配列されている
ことを特徴とする光回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フォトニック結晶共振器に光結合する光導波路を備える光回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、インターネットにおける爆発的なトラフィックの増加に対応するため、ノード間を結ぶ伝送には光が用いられ、低損失性を生かして大容量化が実現されている。また、ボード間、ラック間と言った近距離の伝送においても、光の高速性を生かして電気の配線の置き換えが進んでいる。さらには、ＬＳＩ（Large Scale Integration）のチップ間、チップ内においても、電気配線のボトルネックが指摘され、光による配線の可能性の検討が進められている。このような光配線の光源として、マイクロキャビティレーザが用いられている。マイクロキャビティレーザは、大規模な光集積回路あるいはＬＳＩとの集積化を目指したミクロンオーダのサイズのレーザである。
【０００３】
このような中で、フォトニック結晶共振器を持つマイクロキャビティレーザが、注目を集めている（非特許文献１，非特許文献２，非特許文献３参照）。特に、非特許文献２では、非特許文献１などに示されたデバイスにおいて現れる、デバイスの温度上昇とキャリアの拡散という特性低下の２つの主要因を、埋め込みヘテロ（buried heterostructure；ＢＨ）構造により解消する手段が提案されている。
【０００４】
ここで、上述したマイクロキャビティレーザについて、図５を用いて説明する。図５は、マイクロキャビティレーザの構成を示す平面図（ａ）および断面図（ｂ）である。断面図は、光が導波する方向に垂直な面を示している。このマイクロキャビティレーザは、まず、ＩｎＰ基板からなる基部５０１と、基部５０１に設けられた柱状の複数の中空構造５０２とからなるフォトニック結晶５０３に、線欠陥光導波路５０４を設けている。中空構造５０２は、例えば平面視で三角格子状に配列している。また、線欠陥光導波路５０４は、周期的な間隔で設けられた中空構造５０２の中に、線状に連続した部分の中空構造５０２をなくした構造であり、この領域に光が導波する。
【０００５】
上述した構成のフォトニック結晶５０３の線欠陥光導波路５０４は、共振部５２１と、共振部５２１を挾む２つのミラー領域５２２とから構成され、共振部５２１の線欠陥光導波路５０４に、活性媒質５０５が設けられて（埋め込まれて）いる。活性媒質５０５は、ＩｎＧａＡｓ層からなるコア層の上下を、ＩｎＧａＡｓＰからなるクラッド層で覆った構成とされている。このように、ミラー領域５２２に挾まれた共振部５２１により、フォトニック結晶共振器が構成される。
【０００６】
このマイクロキャビティレーザは、活性媒質５０５が、基部５０１に埋め込まれたＢＨ構造となっているため、活性媒質５０５の励起に伴い生じる熱を効率的に放出でき、かつ共振部５２１への高いキャリア閉じ込めを実現できる。
【０００７】
さらに、ＢＨ構造を用いたレーザをフォトニック結晶線欠陥光導波路と結合させることにより、面内光出力も可能とする構造が提案されている（非特許文献３参照）。フォトニック結晶を用いたマイクロキャビティレーザは、将来の平面光集積回路用の光源として有望視されている。また、同類の構造が光メモリなど光情報処理用のデバイスとしても注目を集めている（非特許文献４参照）。
【０００８】
また、光配線を用いた光処理デバイスの高集積化・高密度実装化には、基板上の光回路で用いられている光を、他の基板上の他の処理が行われる光回路に導波させることが必要となる。例えば、マイクロキャビティレーザなどで用いられるフォトニック結晶共振器で共振する光を、他の基板上に設けられた光導波路を用いて取り出すようにすればよい。例えば、フォトニック結晶共振器の直上に、光導波路を近接かつ該共振器の延在方向に沿うように配置する技術が提案されている（非特許文献５，非特許文献６参照）。
【０００９】
非特許文献５では、図６に示すように、ＩｎＰ基板に空気穴を三角格子状に設けたフォトニック結晶の線欠陥領域に設けたフォトニック結晶共振器６０１に、光導波路６０２を組み合わせている。光導波路６０２は、シリコン基部６０３の上に形成された酸化シリコンからなる下部クラッド層６０４と、下部クラッド層６０４の上に形成されたコア６０５と、これらの上に形成されたベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）からなる上部クラッド層６０６を備える。
【００１０】
フォトニック結晶共振器６０１の共振部と光導波路６０２のコア６０５とが、各々の光導波方向を同一として重ね合わせる状態に、光導波路６０２の上にフォトニック結晶共振器６０１が配置されている。このように配置することで、フォトニック結晶共振器６０１で共振する光を、光導波路６０２に結合させて取り出すようにしている。
【００１１】
上述したように光結合させた光回路構成によれば、フォトニック結晶共振器で共振する光を、他の基板上に設けた光回路に導波させてさらに別の光処理を行わせるなどの、光処理デバイスの高集積化・高密度実装が実現できるようになる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】K. Nozaki et al. , "Room temperature continuous wave operation and controlled spontaneous emission in ultrasmall photonic crystal nanolaser", Optics Express, vol.15, no.12, pp.7506-7514, 2007.
【非特許文献２】S. Matsuo et al. , "High-speed ultracompact buried heterostructure photonic-crystal laser with 13 fJ of energy consumed per bit transmitted", Nature Photonics, vol.4, pp.648-654, 2010.
【非特許文献３】S. Matsuo et al. , "20-Gbit/s directly modulated photonic crystal nanocavity laser with ultra-low power consumption", Opt. Express, vol.19, no.3, pp.2242-2250, 2011.
【非特許文献４】K. Nozaki et al. ,"Ultralow-power all-optical RAM based on nanocavities", Nature Photonics, vol.6, pp.248-252, 2012.
【非特許文献５】Y. Halioua  et al. ,"Hybrid InP-based photonic crystal lasers on silicon on insulator wires", APPLIED PHYSICS LETTERS,vol.95, 201119, 2009.
【非特許文献６】Min Qiu, "Vertically coupled photonic crystal optical filters",OPTICS LETTERS, vol.30, no.12, pp.1476-1478, 2005.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、上述した光回路の構成では、フォトニック結晶共振器と光導波路との間で、光結合の高い効率を得ることが容易ではないという問題がある。上述した技術において、フォトニック結晶共振器の共振部と光導波路との光結合の効率は、これらの位置合わせの状態に大きく影響する。このため、高い光結合効率を得るためには、フォトニック結晶共振器の共振部の延在方向中心線と光導波路の導波方向中心線とを、非常に高い精度で位置合わせする必要がある。しかしながら、この位置合わせに高い精度を得ることが容易ではない。
【００１４】
例えば、フォトニック結晶共振器を構成するフォトニック結晶の格子定数が４２２ｎｍの場合、フォトニック結晶共振器の共振部は、幅が約６００ｎｍと非常に細い。また、上述したような光回路を構成するＳｉコアによる光導波路では、コア幅が数１００ｎｍと非常に細い。このように細いコアと共振部とを、各々の光導波方向を同一として重ね合わせて高い結合効率を得るためには、位置合わせの制度を少なくとも数１０ｎｍ以下とする必要がある。しかしながら、このような高い位置合わせ精度を実現することは容易ではなく、上述した技術では、フォトニック結晶共振器と光導波路との間で、光結合の高い効率を得ることが容易ではないという問題があった。
【００１５】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、フォトニック結晶共振器と光導波路との間における光結合の高い効率が、より容易に得られるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明に係る光回路は、基部および基部に周期的に設けられて周囲と屈折率が異なる柱状の複数の格子要素を備えるフォトニック結晶から構成され、所定の方向に延在する共振部を備えるフォトニック結晶共振器と、フォトニック結晶共振器の上に配置され、共振部の延在方向に平行な方向を導波方向として延在して共振部と異なる層に配置された光導波路とを備え、光導波路の導波方向の中心線は、共振部に隣接して共振部と同一方向に延在する格子要素の列とこの格子要素列に隣接し、且つ、共振部とは隣接していない共振部と同一方向に延在する格子要素の列との間に配置されている。なお、格子要素は、三角格子または四角格子に配列されていればよい。
【発明の効果】
【００１７】
以上説明したことにより、本発明によれば、フォトニック結晶共振器と光導波路との間における光結合の高い効率が、より容易に得られるようになるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、本発明の実施の形態における光回路の構成を示す平面図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態における光回路の構成を示す斜視図である。
【図３】図３は、フォトニック結晶共振器１０１と光導波路１５１との光結合構造に関する原理を説明する説明図である。
【図４】図４は、光導波路がｘ軸方向に位置ずれしたときの、共振部とコアとの光結合効率を、計算機シミュレーションにより導出した結果を示す特性図である。
【図５】図５は、マイクロキャビティレーザの構成を示す平面図（ａ）および断面図（ｂ）である。
【図６】図６は、フォトニック結晶共振器の上に光導波路を配置して光結合させている光回路の構成を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について図１，２を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態における光回路の構成を示す平面図である。また、図２は、本発明の実施の形態における光回路の構成を示す斜視図である。この光回路は、フォトニック結晶共振器１０１と光導波路１５１とを備える。
【００２０】
フォトニック結晶共振器１０１は、基部１０２および基部１０２に設けられた複数の格子要素１０３を備えるフォトニック結晶から構成されている。格子要素１０３は、例えば中空の円柱であり、平面視で三角格子状に配列している。各格子要素１０３は、同一形状とされている。このようなフォトニック結晶において、格子要素１０３を形成しない部分（線欠陥部）による線欠陥光導波路１０４を備える。
【００２１】
線欠陥光導波路１０４は、共振部１２１と、共振部１２１を挾む２つのミラー領域１２２とから構成されている。共振部１２１を設けることで、共振器としている。共振部１２１の線欠陥光導波路１０４には、基部１０２とは屈折率の異なる材料からなる媒質部１０５が設けられて（埋め込まれて）いる。ここで、線欠陥光導波路１０４は、第１方向に延在しており、共振部１２１も第１方向に延在している。図１，図２では、ｚ軸方向を第１方向としている。なお、媒質部１０５を、活性な媒質から構成することで、フォトニック結晶共振器１０１をレーザとすることができる。
【００２２】
上述した構成のフォトニック結晶共振器１０１の上に、光導波路１５１が配置されている。図１，図２では、フォトニック結晶共振器１０１の平面の法線方向であるｙ軸方向の上に、光導波路１５１が配置されている。なお、図１，図２では、光導波路１５１を構成するコア１５２を示し、クラッドなどの他の構成は省略している。光導波路１５１は、例えばシリコン（Ｓｉ）からなるコア１５２によるＳｉ細線導波路であってもよい。Ｓｉ細線導波路は、例えばＳｉ基板上に設けた絶縁膜（例えばＳｉＯ2）を下部クラッドとして形成されていればよい。あるいは、Ｓｉ基板に中空構造で形成され、空気をクラッドとしてもよい。
【００２３】
ここで、本発明では、光導波路１５１のコア１５２は、フォトニック結晶共振器１０１の上に配置され、共振部１２１の延在方向に平行な方向を導波方向として延在している。また、共振部１２１と異なり、フォトニック結晶共振器１０１の平面と平行な面上の層に、光導波路１５１は配置されている。加えて、光導波路１５１を構成するコア１５２の導波方向の中心線は、共振部１２１に隣接して共振部１２１と同一方向に延在する格子要素の列１３１とこの格子要素列に隣接し、且つ、共振部１２１とは隣接していない共振部１２１と同一方向に延在する格子要素の列１３２との間に配置されている。
【００２４】
なお、図１では、共振部１２１の紙面右側の列１３１と列１３２との間に、コア１５２の中心線が配置されている場合を例示しているが、これに限るものではない。共振部１２１の紙面右側の格子要素の列１３３と格子要素の列１３４との間に、コア１５２の中心線が配置されていても同様である。
【００２５】
上述した実施の形態によれば、光導波路１５１が、列１３１（列１３３）と列１３２（列１３４）の間隔の間でずれてもよいため、フォトニック結晶共振器１０１と光導波路１５１との位置ずれに対する許容度が増し、高い位置合わせ精度を要することなく、両者の光学的な結合を得ることができるようになる。
【００２６】
以下、より詳細に説明する。まず、図３を用いてフォトニック結晶共振器１０１と光導波路１５１との光結合構造に関する原理を説明する。なお以下では、まず、基部１０２をＩｎＰから構成し、媒質部１０５をＩｎＧａＡｓＰから構成している。また、格子要素１０３は、中空の円柱として空気から構成されたものとしている。従って、屈折率は、媒質部１０５＞基部１０２＞格子要素１０３となる。また、光導波路１５１のコア１５２をシリコンから構成し、クラッドを空気から構成した場合を例に説明する。
【００２７】
まず、図３の（ａ）は、フォトニック結晶共振器１０１のモード形状を「波数空間」にプロットしたものである。また、図３の（ｂ−１）は、コア１５２が延在する方向をｚ軸に合わせ、コア幅３００ｎｍとした光導波路１５１のモード形状を、同じく「波数空間」にプロットしたものである。また、図３の（ｂ−２）は、コア１５２が延在する方向をｚ軸に合わせ、コア幅４００ｎｍとした光導波路１５１のモード形状を、同じく「波数空間」にプロットしたものである。また、図３の（ｂ−３）は、コア１５２が延在する方向をｚ軸に合わせ、コア幅５００ｎｍとした光導波路１５１のモード形状を、同じく「波数空間」にプロットしたものである。なお、いずれにおいても、コアの厚さは２４５ｎｍである。
【００２８】
図３の（ａ）に示すように、フォトニック結晶共振器１０１のモードは、延在する方向をｚ軸に合わせた場合、規格化波数Ｋｚ＝０．５付近にｘ軸に平行な方向に線状のモードを有する。また、図３の（ｂ−１），（ｂ−２），（ｂ−３）に示されるように、光導波路１５１のモードも、導波方向をｚ軸に合わせた場合、ｘ軸に平行な方向に線状のモードを有する。このモードのｋｚ軸上の位置は、コア１５２の幅や厚さで調整される。また、コア１５２導波方向中心線が、フォトニック結晶共振器１０１の延在方向の中心線と合致すると、両者のモード結合係数が最大となる。
【００２９】
次に、図３の(ｃ）は、図３の（ａ）を実空間で示したものである。波数空間における共振部１２１とコア１５２との波数合致条件は、フォトニック結晶共振器モードのｚ軸方向の位相と、光導波路モードの位相とが、実空間において合致する条件に相当する。ただし、実空間におけるフォトニック結晶共振器のモード形状は、光導波路のモード形状と極端に異なるため、実空間のフィールド分布のマッチングも考慮する必要がある。
【００３０】
図３の（ｃ）に示すように、フォトニック結晶共振器のモードは、ｚ軸直上のモード形状と、ここより±０．５×ａ√３（ａはフォトニック結晶の格子定数）程度だけ、ｘ軸方向に離れた位置（線欠陥導波路に最近接の穴列近辺）のモード形状の位相がπずれている。このため、共振部１２１に最近接の穴列とｚ軸の間にフィールド強度がゼロとなる節部３０１が存在する。
【００３１】
一方、光導波路１５１は、上述のような節領域を持たないため、図３の（ｃ）に示すように、コア１５２の導波方向中心を節部３０１上に配置すると、フォトニック結晶共振器モードと光導波路モードとの結合効率が、極端に低下する。結合効率を高くするには、コア１５２の導波方向中心を節部３０１から避けて配置することが重要となる。従来では、コア１５２の導波方向の中心線を、共振部１２１の延在方向中心線（ｚ軸）上に厳密に合わせることで節部３０１を避け、結合効率を上げている。
【００３２】
一方、本発明においては、共振部１２１の延在方向中心線と、コア１５２の導波方向の中心線との位置関係に所定のオフセットを持たせることで結合効率を上げている。図４の（ａ）に、導波方向に垂直な方向（ｘ軸方向）の、共振部１２１の延在方向中心線と、コア１５２の導波方向の中心線とのずれ量Δｘと、両者の間の結合効率（η）との関係を示す。結合効率（η）は、光導波路から共振部へ入力したときの反射率（Ｒ）から換算している。
【００３３】
なお、図４の（ａ）に示す結果の計算に用いた構造因子を次に示す。基部の材料はＩｎＰ、格子定数ａ＝４２２ｎｍ、格子要素は、半径１００ｎｍの中空の円柱、基部の板厚は２４５．４ｎｍとした。また、媒質部は、ＩｎＧａＡｓＰから構成し、ｘ軸方向の幅３５０ｎｍ×ｚ軸方向の長さ３．８μｍ×ｙ軸方向の厚さ１４５．４ｎｍとした。また、光導波路のコアは、シリコンから構成し、ｘ軸方向の幅４２０ｎｍ×ｙ軸方向の厚さ２４５ｎｍとした。
【００３４】
前述したように、Δｘ＝２００ｎｍ付近にフォトニック結晶共振器モードの節部が存在し、節部の付近で結合効率が激減する。従って、従来の結合構造では、コアの中心位置がΔｘ＝０になるよう配置する。このため、コアの中心位置がｘ軸方向に少しずれただけで結合効率が激減してしまう構造となっている。一方で、本発明によるコアの配置によれば、Δｘ＝５００ｎｍ近辺の領域４０１に、コアの中心位置を配置する。
【００３５】
図４の（ａ）に示すように、位置ずれ量Δｘが３６０ｎｍ〜７２０ｎｍにわたって、９０％以上の結合効率が得られることが分かる。この範囲が、本発明の構成において許容される位置ずれ量となる。従来技術では数１０ｎｍ程度であったため、１桁以上の位置ずれを許容することができるようになる。なお、図４の（ａ）に示す領域４０１を実空間で示すと、図４の（ｂ）の領域４０２，領域４０３に示すように、共振部に最近接の穴列から数えて１列目の穴列と２列目の穴列との間にコアの中心を配置することにより、従来よりも１桁以上の位置合わせ誤差を許容する結合構造が実現できる。
【００３６】
以上に説明したように、本発明では、光導波路の導波方向の中心線を、共振部に隣接して共振部と同一方向に延在する格子要素の列（１つめの穴列）とこの格子要素列に隣接し、且つ、共振部とは隣接していない共振部と同一方向に延在する格子要素の列（２つめの穴列）との間に配置した。この結果、共振部と光導波路の高効率結合のために必要な基板面内方向の位置合わせ精度を緩和し、従来よりも１桁以上の位置合わせ誤差を許容する結合構造が実現可能となり、フォトニック結晶共振器と光導波路との間における光結合の高い効率が、より容易に得られるようになる。
【００３７】
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、共振部１２１は、媒質部１０５を設ける構成に限るものではなく、線欠陥光導波路１０４の幅を部分的に変調した構成としてもよい。また、線欠陥光導波路１０４を、格子要素１０３で終端した構成としてもよく、フォトニック結晶線欠陥を用いた種々のフォトニック結晶共振器を用いることができる。
【００３８】
また、上述では、格子要素１０３を平面視で三角格子状に配列した場合について説明したが、これに限るものではなく、四角格子に配列してもよい。また、格子要素１０３は、基部１０２と屈折率が異なる部分であればよく、中空に限らず、基部１０２と異なる屈折率の材料から構成された円柱形状であってもよい。
【符号の説明】
【００３９】
１０１…フォトニック結晶共振器、１０２…基部、１０３…格子要素、１０４…線欠陥光導波路、１０５…媒質部、１２１…共振部、１２２…ミラー領域、１５１…光導波路、１５２…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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