(57)【要約】【課題】  伝搬光の透過率と消光比を大きくとることができる光機能回路を提供する。【解決手段】  本発明は、自己クローニング技術を用いて、光機能回路（ＯＡＤＭ）の分布反射機構に３次元フォトニック結晶を用いる。選択図は、３次元フォトニック結晶からなる分布反射機構を示している。この３次元フォトニック結晶の格子定数Ｌｘ１、Ｌｙ、Ｌｚ１を、光機能回路の動作帯域が３次元フォトニック結晶のＸ点にある第１エネルギーバンドギャップを含むように決定する。これにより、伝搬光の波数ゆらぎによる透過率の低下を防止できる。また、このバンドギャップは小さいので、共振器構造などを用いる必要がない。そのため、消光比を大きくとることができる。【選択図】図４
2005099782.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
自己クローニング技術によって、第１および第２の光導波路と、方向性結合器として機能する、前記第１および第２の光導波路の結合部と、前記第１および第２の光導波路に設けられる分布反射手段が一括形成される光機能回路において、
前記分布反射手段は、Ｘ点に第１エネルギーバンドギャップを有する３次元フォトニック結晶からなり、前記光機能回路の動作帯域が前記第１エネルギーバンドギャップに含まれることを特徴とする光機能回路。
【請求項２】
自己クローニング技術によって、第１および第２の光導波路と、方向性結合器として機能する、前記第１および第２の光導波路の結合部と、前記第１および第２の光導波路に設けられる分布反射手段が一括形成される光機能回路において、
前記分布反射手段は３次元フォトニック結晶からなり、導波光の進行方向に平行な３次元フォトニック結晶の格子定数をＬｙ、反射波長をλＢ、コア部分の実効屈折率をｎ＿ｅｆｆとしたとき、λＢ／２＝ｎ＿ｅｆｆ×Ｌｙであることを特徴とする光機能回路。
【請求項３】
前記結合部は、ｎを２以上の整数として、前記第１の光導波路に入力された光のパワーが、前記第２の光導波路に完全に移行するのに必要な最小の長さである完全結合長のｎ倍の長さを有し、
前記分布反射手段は、前記結合部内に設けられ、
前記第１の光導波路から光が入力されたとき、前記分布反射手段の反射波長の光が前記第２の光導波路の入力側から出力され、かつ、反射波長でない光が前記第１または第２の光導波路の出力側から出力され、前記第１または第２の光導波路の出力側のうち前記反射波長でない光が出力されなかった方の出力側から前記分布反射手段の反射波長の光が入力されたとき、前記出力された反射波長でない光と前記出力側から入力された反射波長の光が合波される、請求項１または２に記載の光機能回路。
【請求項４】
前記分布反射手段の反射波長が異なる、請求項１から３のいずれか１項に記載の光機能回路を複数有し、前段の一方の前記光導波路の出力側と次段の一方の前記光導波路の入力側が接続される光機能回路。
【請求項５】
前記分布反射手段の反射帯域幅が、前記光導波路における前記３次元フォトニック結晶の占有割合によって制御される、請求項１または２に記載の光機能回路。
【請求項６】
前記占有割合は、積層基板上における２次元周期凹凸パターンとライン・アンド・スペースからなる１次元周期凹凸パターンの面積比率によって制御される、請求項５に記載の光機能回路。
【請求項７】
完全結合長の１／２の長さを有する一対の前記結合部を有し、
前記分布反射手段は、前記一対の結合部の間に、前記第１および第２の光導波路のそれぞれに対して設けられ、
前記第１の光導波路から光が入力されたとき、前記分布反射手段の反射波長の光が前記第２の光導波路の入力側から出力され、かつ、反射波長でない光が前記第２の光導波路の出力側から出力され、前記第１の光導波路の出力側から前記分布反射手段の反射波長の光が入力されたとき、前記出力された反射波長でない光と前記第１の光導波路の出力側から入力された反射波長の光が合波される、請求項１または２に記載の光機能回路。
【請求項８】
前記分布反射手段の反射波長が光の進行方向に沿って変調され、
前記第１の光導波路に光が入力されたとき、前記分布反射手段で反射され、前記第２の光導波路の入力側から出力される光の波長分散量が制御される、請求項７に記載の光機能回路。
【請求項９】
前記分布反射手段の反射波長が光の進行方向に沿って線形に変調され、
前記第１の光導波路の入力側に入力され、前記分布反射手段で反射されて前記第２の光導波路の入力側に出力される光の波長分散量と、前記第１の光導波路の出力側に入力され、前記分布反射手段で反射されて前記第２の光導波路の出力側に出力される光の波長分散量が、絶対値が等しく符号が逆である、請求項８に記載の光機能回路。
【請求項１０】
前記分布反射手段の反射波長が光の進行方向に沿って２次関数的に変調され、
前記第１の光導波路の入力側に入力され、前記分布反射手段で反射されて前記第２の光導波路の入力側に出力される光の波長分散スロープ量と、前記第１の光導波路の出力側に入力され、前記分布反射手段で反射されて前記第２の光導波路の出力側に出力される光の波長分散スロープ量が、絶対値が等しく符号が逆である、請求項８に記載の光機能回路。
【請求項１１】
積層基板のライン・アンド・スペース凹凸パターンの光の進行方向に垂直な方向の周期を変調することにより、前記分布反射手段の反射波長を光の進行方向に沿って変調させる、請求項８に記載の光機能回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信システムで用いられる、分布反射機構を有する光機能回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
波長分割多重（ＷＤＭ）方式を採用する光通信システムにおいて、いくつかの光機能回路が必要とされている。その中で、ある特定の波長のチャンネル信号を取り出したり、付け加えたりするデバイスとして、光アド・ドロップ・マルチプレクサ（以降、ＯＡＤＭと略す）がある。
【０００３】
従来のＯＡＤＭには、光ファイバ型のものや、石英や半導体基板上に形成する平面光回路型のものが存在する。
【０００４】
しかし、光ファイバ型のものはそもそも集積化には適しておらず、ＷＤＭシステムへの応用には適していない。
【０００５】
石英系の平面光回路型のものは、例えば特開平１１−５２１５３号公報（特許文献１）に示されているように、光導波路を形成するために、深さ１０μｍ程度の深いドライエッチング工程とその埋め込み工程が必要である。さらに、波長選択機能を有するグレーティングを形成するために、石英光導波路に紫外線を照射する工程が必要である。
【０００６】
ＯＡＤＭでは、二つの光導波路間隔が狭まった結合光導波路が用いられるが、光導波路間の光学結合の強さは導波路間隔に非常に敏感である。そのため、石英系の平面光回路型のものでは、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。
【０００７】
また、紫外線照射による石英系光導波路の屈折率変化は最大でも０．２％程度であり、石英系の平面光回路型のＯＡＤＭの波長帯域幅は１ｎｍ程度かそれ以下にしかならなかった。
【０００８】
さらに、石英系の平面光回路型のＯＡＤＭは、素子長も数ｃｍ程度で大きかった。
【０００９】
そこで、近年、例えばＳ．Ｋａｗａｋａｍｉ ｅｔ ａｌ．， Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ．， ７４, ４６３（１９９９）（非特許文献１）において提唱されている自己クローニング技術によってＯＡＤＭを作製する試みがなされ始めている。
【００１０】
自己クローニング技術は、種々のパターンが配列された基板上に多層膜を積層することで、フォトニック結晶構造による光導波路や波長選択領域を一括形成することができる技術である。光導波路に関しては、すでに設計技術が確立しているが、ＯＡＤＭに用いる波長選択領域の設計に関しては、最適構造には必ずしもなっていなかった。これまでに提案されている具体的な構造は、例えば、Ｓ．Ｋａｗａｋａｍｉ ｅｔ ａｌ．， Ｐｒｏｃ． ＳＰＩＥ ｖｏｌ．４８７０，ｐｐ．２７９−２８８（非特許文献２）に示されている。
【００１１】
この非特許文献２によると、波長選択領域（Ｍｉｒｒｏｒ、周期０．８３μｍ）は、自己クローニング技術で作製される２次元フォトニック結晶の第２バンドギャップを利用しており、これに光共振器（Ｃａｖｉｔｙ、周期０．６０μｍ）を挿入した構造となっている。具体的には図１８（ａ）に示されている。これは、２次元フォトニック結晶の断面を示しており、紙面垂直方向は一様な構造になっている。また、光の伝搬方向は、左から右である。図１８（ｂ）には、上記構造の透過スペクトルの計算結果が示されている。この構造を利用すれば、消光比１０ｄＢ、動作帯域が８０ｎｍ（図中の矢印の範囲）、波長選択幅約５ｎｍのＯＡＤＭが実現されることになる。
【特許文献１】特開平１１−５２１５３号公報
【非特許文献１】Ｓ．Ｋａｗａｋａｍｉ ｅｔ ａｌ．， Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ．， ７４, ４６３ （１９９９）
【非特許文献２】Ｓ．Ｋａｗａｋａｍｉ ｅｔ ａｌ．， Ｐｒｏｃ． ＳＰＩＥ ｖｏｌ．４８７０，ｐｐ．２７９−２８８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかし、この構造には２つの問題点がある。
【００１３】
１つは、動作を利用する第２バンドギャップは、バンド図で言うとΓ点近傍にあることである。実際の伝搬光の波数は、ある幅Δｋだけ広がっているが、Γ点近傍では、光の伝搬方向の波数の大きさが非常に小さいため、伝搬方向に垂直な積層方向の波数成分が相対的に大きくなってしまう。これは、積層方向への光の放射の原因となる。これにより、本来は図１８（ａ）で右側に出力すべき光が上下方向に漏れるため、デバイスの透過率低下につながる。また、この光の放射は、共振器の光閉じ込めを弱くするため、波長分解能も計算値より低下する。
【００１４】
もう１つは、透過スペクトルはローレンツ型である点である。共振器構造の場合には、スペクトルは必ずローレンツ型であるが、半値全幅を数ｎｍに小さくすることはできても、消光比を大きく（例えば１６ｄＢ以上に）することは、原理的に非常に困難である。図１８（ｂ）の計算例でも、１３ｄＢ程度しか達成されていない。消光比を大きくとることができなければ、ＷＤＭシステムでは、種々の波長信号を完全に分離することが困難となるため、実用化できない。
【００１５】
本発明の目的は、伝搬光の透過率と消光比を大きくとることができる光機能回路を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記目的を達成するために、本発明は、波長選択に、自己クローニング技術で作製された３次元フォトニック結晶の第１バンドギャップを用いる。この第１バンドギャップは、もともと、１５５０ｎｍ帯でバンドギャップ幅が５ｎｍ前後と、フォトニック結晶としては小さいということで、注目されてはいなかった。しかし、ＯＡＤＭへの適用ということであれば、共振器構造を挿入せずに、そのまま利用することができる。なぜなら、Ｃｏａｒｓｅ−ＷＤＭ（ＣＷＤＭ）システムにおいて、波長間隔は１０ないし２０ｎｍであり、波長分解能は５ｎｍ程度であればよいからである。
【００１７】
３次元フォトニック結晶の第１バンドギャップ構造を採用する利点は３つある。
【００１８】
１つめは、第１バンドギャップの動作はＸ点付近であり、積層方向への光の放射は原理的に小さいという点である。Γ点とは異なり、光の伝搬方向の規格化波数は０．５程度であり、波数広がりΔｋは０．５より十分に小さいため、積層方向の波数成分は相対的に十分に小さいためである（なお、自己クローニング技術で作製される２次元フォトニック結晶においては、Ｘ点の第１バンドギャップは開いていない）。
【００１９】
２つめは、波長スペクトルは、ほぼ矩形に近い形であり、消光比が高いという点である。２次元フォトニック結晶を用いる場合と異なり、３次元のフォトニック結晶のＸ点にある第１バンドギャップは小さく、共振器構造を用いる必要がない。このようにバンドキャップをそのまま利用する場合には、共振器構造（ローレンツ型透過スペクトル）とは異なり、矩形の透過スペクトルになる。矩形であれば、作製上の誤差により中心波長が多少ずれたとしても、取り出したい波長は矩形スペクトルの中に入る可能性が高い。これは、歩留まりの向上につながる。
【００２０】
３つめは、動作帯域は数百ｎｍ以上も可能である点である。動作波長が１５５０ｎｍの場合、第２バンドギャップの波長は７８０ｎｍ程度であり、１５５０ｎｍの前後の数百ｎｍでは、第１バンドギャップ部分を除くと、透過率は計算上ほぼ１００％となるからである。１５５０ｎｍ帯のＳ帯、Ｃ帯、Ｌ帯を全部カバーし、さらに余裕がある。
【００２１】
以上のようにして、分布反射機構が３次元フォトニック結晶からなり、３次元フォトニック結晶の格子定数が、光機能回路の動作帯域が３次元フォトニック結晶のＸ点にある第１エネルギーバンドギャップを含むように決定される光機能回路が、発明を実施するための最良の形態において、具体的に説明される。
【発明の効果】
【００２２】
以上説明したように、本発明によれば、分布反射機構に自己クローニング技術で作製される３次元フォトニック結晶を用い、この３次元フォトニック結晶の格子定数を、光機能回路の動作帯域が３次元フォトニック結晶のＸ点にある第１エネルギーバンドギャップを含むように決定することにより、伝搬光の透過率と消光比を大きくとることができる光機能回路を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
次に、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００２４】
（第１の実施形態）
図１は、格子変調フォトニック結晶光導波路１０を示している。この光導波路は、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１２を形成し、その上に自己クローニング技術を用いて、低屈折率媒質１３としてＳｉＯ2を、高屈折率媒質１４としてＴａ2Ｏ5を交互に積層することにより、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。
【００２５】
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１のように、ライン・アンド・スペースパターン１２上に波形の多層膜が形成されている。この構造は、奥行き方向には一様であり、いわゆる２次元フォトニック結晶である。
【００２６】
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、矢印で示すｙ方向に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。
【００２７】
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・スペース凹凸パターン１２の周期によって決まる。
【００２８】
図１の場合、導波路コア１５を形成するための溝周期Ｌｘ１は０．６０μｍ、導波路コア１５の両横のクラッド部分を形成するための溝周期Ｌｘ２は１．２０μｍ、溝の深さｈは０．３０μｍである。積層方向については、低屈折率媒質１３として屈折率が約１．５のＳｉＯ2を、高屈折率媒質１４として屈折率が約２．１のＴａ2Ｏ5をそれぞれ同じ厚さで積層する。なお、導波路コア１５の部分は周期Ｌｚ１を０．７７μｍとして４周期、上下のクラッド部分の周期Ｌｚ２を０．６７μｍとして７周期ずつ積層する。
【００２９】
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、周囲のクラッド領域の等価屈折率と比べて約１％程度高くなり、ｙ方向に伝搬する光に対してチャネル型光導波路として機能する。
【００３０】
上記のように作製された、２本の光導波路から構成される結合光導波路と、分布反射機構として機能する３次元フォトニック結晶を組み合わせることにより、一方の光導波路へ入力された光のうち、分布反射機構により反射される光と透過する光を分波することが可能となる。
【００３１】
さらには、分布反射機構に空間的な変調を加えることにより、反射された光の分散を制御することが可能となる。
【００３２】
図２は、本発明の第１の実施の形態の光機能回路の構成図である。光機能回路２０は、２つの格子変調フォトニック結晶光導波路２１、２２より構成されており、一方の光導波路に入力した光のパワーが、他方の光導波路に完全に移行するのに必要な最小の長さ（完全結合長）の２倍の方向性結合器２３を有し、その中央部に特定の波長を反射させるためのグレーティング２４が形成されている。方向性結合器２３は、図２の上下、左右に対称な構造を有している。
【００３３】
光機能回路２０は、４つの入出力ポート２５〜２８を有しており、それぞれ番号順に第１〜第４ポートと呼ぶことにする。方向性結合器２３のうち、グレーティング２４を除く左右の部分の長さをＬ１、この部分での２本の格子変調フォトニック結晶光導波路２１と２２の結合係数をκ１とする。また、グレーティングの長さをＬ２、この部分での２つの光導波路の結合係数をκ２とすると、方向性結合器２３が完全結合長の２倍であることから、次式を満たしている。
２×２×κ１×Ｌ１＋２×κ２×Ｌ２＝２π・・・（１）。
【００３４】
光入力ポートを第１ポート２５に設定すると、グレーティング２４を透過する光は、第１ポートに対してスルーの位置にある第３ポート２７へ出力されることになる。さらに、結合係数や長さは、次式を満たすように設計されている。
２×２×κ１×Ｌ１＋δφ＝π・・・（２）。
【００３５】
ここでδφは、グレーティング２４により反射されるブラッグ波長λＢの光に対する、結合光導波路の偶モードと奇モードの位相差を表しており、κ２、Ｌ２、および波長λＢの導波光とグレーティングとの結合係数κgの関数である。このとき、光入力ポート２５に入力された波長λＢの光は、方向性結合器２３を経由して第２ポート２６へ出力される。（２）式を満たすことで、入力ポート２５への反射損失成分を最小限に抑えることが可能となっている。
【００３６】
なお、方向性結合器２３は左右対称の構造になっているため、第４ポート２８へ入力された波長λＢの光は、第３ポート２７へ出力される。ＯＡＤＭの機能で言えば、第１ポート２５がＳｉｇｎａｌ−ｉｎポート、第２ポート２６がＤｒｏｐ−ｏｕｔポート、第３ポート２７がＴｈｒｏｕｇｈ−ｏｕｔポート、第４ポート２８がＡｄｄ−ｉｎポートとなる。
【００３７】
図３は、第１の実施形態の光機能回路（ＯＡＤＭ）の動作を説明するための波形図である。実線で示される波形３０はＳｉｇｎａｌ−ｉｎからＤｒｏｐ−ｏｕｔポート、およびＡｄｄ−ｉｎからＴｈｒｏｕｇｈ−ｏｕｔポートへの光出力スペクトルを、波線で示される波形３１はＳｉｇｎａｌ−ｉｎからＴｈｒｏｕｇｈ−ｏｕｔポートへの光出力スペクトルを表している。Δλは波長帯域幅である。
【００３８】
図４は、本発明の第１の実施形態の光機能回路における、グレーティング２４のコア部分の斜視図である。長方格子状に直方体の２次元周期凹凸パターン１７が刻まれた基板１１上に、自己クローニング技術によって低屈折率媒質１３と高屈折率媒質１４を交互に積層することにより作製され、いわゆる３次元フォトニック結晶１６となっている。
【００３９】
ここで、３次元フォトニック結晶とは、屈折率分布ｎ（ｒ）が３つの一次独立な方向に対して並進対称性を有している結晶のことを指す。この時、任意の位置ベクトルｒに対して、屈折率分布ｎ（ｒ）＝ｎ（ｒ＋ｒ’）を満たす任意の位置ベクトルｒ’について、３つの１次独立なベクトルａ１、ａ２、ａ３と、適当な整数ｕ１、ｕ２、ｕ３を用いて、ｒ’＝ｕ１・ａ１＋ｕ２・ａ２＋ｕ３・ａ３が常に成り立っている。ここで、ｒ、ｒ’、ａ１、ａ２、ａ３はすべてベクトル量である。また、ａ１〜ａ３は基本並進ベクトルと呼ばれ、これらのベクトルの大きさは格子定数と呼ばれる。
【００４０】
図５は、図４に示された３次元フォトニック結晶構造の、ｙ軸方向に対するエネルギー分散関係の計算結果を示している。縦軸は規格化エネルギーωａ／２πｃを、横軸は規格化波数ｋｙ＝ｋ・Ｌｙ／２πを示している。ｃは真空中での光速、ωは光の角振動数、ｋは波数を表す。３次元フォトニック結晶１６は屈折率１．５の低屈折率媒質１３と屈折率２．１の高屈折率媒質１４から構成されているとし、格子定数としてＬｘ１＝０．６０μｍ、Ｌｙ＝０．４３μｍ、Ｌｚ１＝０．７７μｍを用いた。
【００４１】
図５から、Ｘ点、すなわち規格化波数ｋｙ＝０．５０の点（もしくは、第一ブリルアンゾーンの境界）において、フォトニックバンドギャップ（ＰＢＧ）構造を有していることが確認できる。このＰＢＧは、エネルギーが小さい方から数えて１番目であるため、第１ＰＢＧと呼ばれる場合もある。
【００４２】
ＰＢＧ幅はエネルギーに対して約０．４５％であり、波長１５５０ｎｍ帯においては波長幅に換算すると約７ｎｍに相当する。この波長帯域の光だけが、３次元フォトニック結晶で反射されるため、図３に示されている波長帯域幅Δλも約７ｎｍとなる。
【００４３】
なお、ここで例示した３次元フォトニック結晶はＸ点において第一バンドギャップが存在していたが、Ｘ点にて第一バンドギャップが存在しない３次元フォトニック結晶も存在する。それは、非共型（non-symmorphic）結晶と呼ばれるもので、前述の並進対称性に加えて、（Ｘ方向に平行な軸に対する回転＋Ｘ方向の格子定数より小さい並進）対称性を有する結晶構造である。一方、前述の対称性を有しない結晶は共型結晶と呼ばれる。従って、本実施形態における３次元フォトニック結晶は、共型結晶でなければならない。図４に示すフォトニック結晶も当然、共型結晶である。
【００４４】
次に、ＰＢＧ波長の簡単な導き方について述べる。図１に示したフォトニック結晶光導波路におけるコア部分の実効屈折率ｎ＿ｅｆｆは、いわゆる平面波展開法を用いて計算できる。ここでｎ＿ｅｆｆはフォトニック結晶中での波数と真空中での波数の比であり、計算結果はｎ＿ｅｆｆ＝１．８２であった。前述のＸ点におけるＰＢＧ波長、言い換えれば、本発明の光機能回路における分布反射機構の反射波長λＢは、ｎ＿ｅｆｆ、Ｌｙを用いて次式で表される。
λＢ／２＝ｎ＿ｅｆｆ×Ｌｙ・・・（３）。
【００４５】
いま、ｎ＿ｅｆｆ＝１．８２、Ｌｙ＝０．４３μｍを式（３）に代入すると、反射波長λＢ＝１５６０ｎｍとなる。逆に言えば、反射波長λＢをある特定の波長に設計するには、材料を選んだ時点でｎ＿ｅｆｆはほぼ決まるため、式（３）を満たすようなＬｙを選択すればよいことになる。なお、Ｌｙは基板のパターニングのピッチによって制御できる。
【００４６】
図５において、横軸はｙ方向の規格化された波数Ｋｙを表しており、Ｋｙ＝０．５０（Ｘ点）においてフォトニックバンドギャップ（ＰＢＧ）構造を有する。ＰＢＧ幅はエネルギーに対して約０．４５％であり、波長幅に換算すると約７ｎｍ（ブラッグ波長λＢは約１５６０ｎｍ）に相当する。この波長帯域の光だけが、３次元フォトニック結晶で反射されるため、図３に示されている波長帯域幅Δλも約７ｎｍとなる。
【００４７】
図６（ａ）には、上で述べた構造設計による、３次元フォトニック結晶のコアを有するグレーティング２４が、長さ２００μｍであった場合のｙ方向に伝搬する光の透過スペクトルの計算結果を示す。この図から、わずか２００μｍの長さであっても、１８ｄＢの消光比が達成されると予測される。
【００４８】
図６（ｂ）には、上で述べた構造設計に基づき、実際に自己クローニング法によって作製した光素子の、ｙ方向に伝搬する光の透過スペクトルの測定値を示している。計算結果と比較すると、中心波長がわずかに長波長側にシフトしているものの、ディップの３ｄＢ帯域は約７ｎｍ、消光比は最大で１６ｄＢ程度と、ほぼ計算によって予測される特性が得られていることが分かる。
【００４９】
この実験結果は、自己クローニング技術によって作製された３次元フォトニック結晶の第１バンドギャップを利用して、数ｎｍの反射帯域と高い消光比が実現可能であることを示している。なお、消光比のさらなる向上に関しては、長さを３００μｍ程度に設定すれば、２０ｄＢ以上を達成できることが計算により予測される。
【００５０】
なお、このディップが、自己クローニング技術によって作製された３次元フォトニック結晶の第１バンドギャップによるものであるかどうかについてであるが、確かにｙ方向に伝搬する光の透過スペクトルでは、Ｘ点のみならず、Γ点のバンドギャップも観測されてしまう。しかし、バンド計算によると、Γ点の第２バンドギャップは７８０ｎｍ近傍に現れるため、観測されたディップは、Ｘ点にある第１バンドギャップによるものであると結論づけることができる。
【００５１】
図７は、本発明の第１の実施の形態の光機能回路における、基板１１の方向性結合器部分を拡大した平面図である。基板１１は、チャネル型光導波路を形成するためのライン・アンド・スペース凹凸パターン１２と、グレーティング領域１９においては、３次元フォトニック結晶を形成するため２次元周期凹凸パターン１７から構成されている。図７では、斜線部が凹部分を示している。
【００５２】
また、２つの導波路コア形成用パターン１８は、わずかな間隔を隔てて、平行に並べられている。このような基板パターンにより、図１に示されるチャネル型光導波路と、図４に示されるグレーティング領域とが、同じ積層条件を用いて一括作製される。
【００５３】
本実施形態において、例えば、方向性結合器２３における導波路間隔を約１．０μｍに設定し、図３で示されるグレーティング特性を利用すれば、長さ５００μｍ程度の方向性結合器２３により、波長帯域幅Δλ＝７ｎｍ、消光比２０ｄＢ程度の特性が得られることになる。光ファイバとの接合を考え、第１ポート２５と第２ポート２６、および第３ポート２７と第４ポート２８の間隔をクラッド径（〜１２５μｍ）程度離したとしても、デバイスの全長は２ｍｍ程度であり、従来の平面光回路型ＯＡＤＭと比較して、１／１０程度の長さで済む。
【００５４】
なお、本実施形態においては、方向性結合器２３の長さは完全結合長の２倍としたが、完全結合長のｎ倍（ｎは３以上の整数）であってもよい。ただし、ｎが奇数の場合には、第４ポート２８がＴｈｒｏｕｇｈ−ｏｕｔポート、第３ポート２７がＡｄｄ−ｉｎポートと、偶数の場合とは逆になる。
【００５５】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態の光機能回路について説明する。図８は、第２の実施形態の光機能回路の構成図である。第１の実施形態の光機能回路を直列に接続した構成であり、第１のグレーティング４２のブラッグ波長がλ２である第１の光機能回路４０と、第２のグレーティング４３のブラッグ波長がλ３である第２の光機能回路４１からなる。
【００５６】
図９と図１０を参照して、第２の実施形態の光機能回路の動作について説明する。図９は、Ｓｉｇｎａｌ−ｉｎポート４４への入力光スペクトルを表しており、λ１〜λ４の４波のＷＤＭ入力信号波形５０となっている。
【００５７】
上記ＷＤＭ入力信号光のうち、波長λ２の信号光は、第１のグレーティング４２によって反射されるため、第１のＤｒｏｐ−ｏｕｔポート４５へ出力される。したがって、第１のＤｒｏｐ−ｏｕｔポートの出力光スペクトルは、図１０の破線波形５１となる。同様に、波長λ３の信号光は、第２のグレーティング４３によって反射されるため、第２のＤｒｏｐ−ｏｕｔポート４７へ出力され、このポートの出力光スペクトルは、図１０の点線波形５２となる。また、λ１およびλ４の光信号はＴｈｒｏｕｇｈ−ｏｕｔポート４９へ透過するため、このポートの出力光スペクトルは図１０の実線波形５３となる。
【００５８】
なお、対称なデバイス構造であるため、第１のＡｄｄ−ｉｎポート４６へ入力された波長λ２の光信号、および第２のＡｄｄ−ｉｎポート４８へ入力された波長λ３の光信号は、それぞれ第１のグレーティング４２および第２のグレーティング４３によって反射され、Ｔｈｒｏｕｇｈ−ｏｕｔポート４９へ出力される。
【００５９】
本実施形態においては、２個の光機能回路を直接に接続したが、３個以上を直列に接続することも可能である。
【００６０】
（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態の光機能回路について説明する。図１１は、第３の実施形態の光機能回路における基板パターン１１の方向性結合器に対応する箇所の一部分を示した平面図である。
【００６１】
光機能回路２０の基本構成は、図２で示される第１の実施形態の光機能回路と同じであるが、グレーティング２４の構造が異なる。３次元フォトニック結晶を形成するための２次元周期凹凸パターン１７は、２つの導波路コア形成用パターン１８の部分のみにある。また、クラッドを形成するパターンは、ライン・アンド・スペースパターン１２だけで構成されている（図７参照）。
【００６２】
したがって、コア・クラッド全領域がグレーティングとして機能する３次元フォトニック結晶となっている図７の基板パターンの場合と比較して、グレーティングと導波光の結合係数が小さくなり、よって反射帯域幅も小さくなる。
【００６３】
図７の基板パターンを用いるときには波長帯域幅がΔλ＝７ｎｍであったが、コア領域への光閉じ込めが６０％だとすると、本実施例における波長帯域幅はΔλ＝４ｎｍ程度となる。このようにして、グレーティングと導波光の結合係数を変化させることにより、波長帯域幅Δλを変えることが可能となる。
【００６４】
本実施形態においては、長方格子状の２次元周期凹凸パターン１７をコア部分に４列配置しているが、１列、２列、または３列であってもよい。また、コアに近いクラッド領域のライン・アンド・スペースパターンの一部を、２次元周期凹凸パターンに置き換えてもよい。
【００６５】
（第４の実施形態）
次に、第４の実施形態の光機能回路について説明する。図１２は、第４の実施形態の光機能回路の構成図である。第１ポート２５へ入力された光は、第１の方向性結合器６０を伝搬後、２本の光導波路に光パワーが２等分される。つまり、結合光導波路の長さＬ３は完全結合長の１／２の長さに設定されている。この動作は、いわゆる３ｄＢカプラーのそれである。
【００６６】
パワーが２等分された伝搬光は、３次元フォトニック結晶からなる第１および第２のグレーティング６２、６３において、ブラッグ波長λＢかそれに近い光の場合には反射され、それ以外の波長であれば透過する。反射光は、再び第１の方向性結合器６０を伝搬することで、第２ポート２６へほとんどの光パワーが出力される。
【００６７】
同様にして、透過光も、第２の方向性結合器６１（第１の方向性結合器６０と同じ構造）を伝搬することで、結合導波路の偶モードと奇モードの位相差が全部でπとなり、第４ポート２８へほとんどの光パワーが出力される。
【００６８】
なお、構造の対称性から、第３ポート２７へ入力された波長λＢの光は、第４ポート２８へ出力される。ＯＡＤＭの機能で言えば、第１ポート２５がＳｉｇｎａｌ−ｉｎポート、第２ポート２６がＤｒｏｐ−ｏｕｔポート、第３ポート２７がＡｄｄ−ｉｎポート、第４ポート２８がＴｈｒｏｕｇｈ−ｏｕｔポートとなる。
【００６９】
なお、本実施形態における第１および第２の方向性結合器の機能は３ｄＢカプラーと同じであるため、マルチモード干渉ＭＭＩカプラー等に置き換えても構わない。
【００７０】
（第５の実施形態）
次に、第５の実施形態の光機能回路について説明する。図１３は、第５の実施形態の光機能回路の構成図である。
【００７１】
第１ポート２５へ入力された光は、３ｄＢカプラーとして機能する方向性結合器６０を伝搬することにより、２つの光導波路へ光パワーが２等分される。この伝搬光は、３次元フォトニック結晶からなる、チャープしたグレーティング７０および７１によって反射され、再び方向性結合器６０を伝搬して、第２ポート２６へ出力される。
【００７２】
グレーティングの始点７２をｙ＝０、グレーティングの終点７３をｙ＝ＬＧとすると、チャープしたグレーティングのブラッグ波長は、
λＢ（ｙ）＝λ０＋ａｙ・・・（４）
で与えられているものとする。
【００７３】
このとき、波長に依存して、グレーティングにおける等価的な反射点が変わり、光路長差が生じるため、光パルスの分散制御、あるいは分散補償に利用することができる。光導波路の群速度から求められる群屈折率をｎとすると、式（４）より、第１ポート２５から第２ポート２６への反射光７４の波長分散は、
Ｄ＝２ｎ／ｃａ・・・（５）
となる。ただし、ｃは真空中での光速を表している。
【００７４】
図１４は、本実施形態の光機能回路の動作を説明するための図であり、ａ＞０とした場合の波長分散を実線８０で示している。
【００７５】
同様にして、第３ポート２７へ入力された光も、波長に応じて光路長差が生じて第４ポート２８へ出力されるが、前者の場合とはチャーピングの符号が逆になっている。したがって、波長分散は、絶対値が同じで符号だけが逆になり、図１４の実線８１となる。
【００７６】
本実施形態による構成を採用することにより、１つのデバイスを用いて、異符号の波長分散量を有する分散制御回路を実現することができる。
【００７７】
なお、ブラッグ波長λＢのチャーピングは、図４に示される基板の２次元周期凹凸パターンのｙ方向の周期Ｌｙをチャープさせることよって実現できる。
【００７８】
（第６の実施形態）
次に、第６の実施形態の光機能回路について説明する。基本構成は、第５の実施形態の光機能回路の構成と同じで、グレーティングのブラッグ波長λＢ（ｙ）だけが異なる。
【００７９】
本実施形態において、λＢ（ｙ）は、
λＢ（ｙ）＝λ０＋ａｙ×（１＋ｂｙ／２）・・・（６）
で与えられている。
【００８０】
図１５は、第６の実施形態の光機能回路の動作を説明するための図である。式（６）を用いて光路長差を計算すると、第１ポート２５から第２ポート２６への反射光に対する波長分散は、実線８０となる。ただし、ａ＞０，ｂ＞０としている。
【００８１】
本実施形態の場合、図１４とは異なり、波長分散Ｄが波長依存性を有しており、分散スロープ（ｄＤ／ｄλ）も同時に制御可能となる。分散８０に対しての分散スロープは、
ｄＤ／ｄλ＝−２ｎｂ／ｃａ・・・（７）
となる。
【００８２】
同様にして、反射光７５に対しての波長分散を計算すると、図１５の実線８１となる。分散スロープは、反射光７４に対する式（７）と逆符号になっている。
【００８３】
本実施形態による構成を採用することにより、１つのデバイスを用いて、波長分散および分散スロープ量を制御可能な分散制御回路を実現することができる。
【００８４】
なお、上述のグレーティングのチャープは、光の進行方向に対して線形または２次関数的に変化しているとしたが、３次関数的またはそれ以上の次数の関数的に変化しても構わない。この場合には、さらに高次の分散制御が可能となる。
【００８５】
（第７の実施形態）
次に、第７の実施形態の光機能回路について説明する。図１６は、第７の実施形態の光機能回路における基板パターンを示す図である。
【００８６】
基本構成は第３の実施形態の光機能回路（図１１参照）と同じで、グレーティングの反射波長を光の進行方向に沿って変調するところに特徴がある。クラッド領域を形成するためのライン・アンド・スペース凹凸パターン１２は、光の進行方向に沿ってその周期が徐々に小さくなっている。
【００８７】
図１７は、クラッド領域における導波路断面（ｘｚ平面）の単位格子の縦横比Ｌｘ／Ｌｚと、それに対応した実効屈折率の関係を示す図である。ここでは、積層周期Ｌｚ＝０．７７μｍとし、波長１５５０ｎｍでの実効屈折率を示している。
【００８８】
図１６に示されるように、クラッドのライン・アンド・スペースの周期を緩やかに変調することにより、クラッドの実効屈折率が緩やかに変調され、それに伴って導波路の伝搬定数βも緩やかに変調されることになる。この場合、グレーティングの空間周期が一定であっても、伝搬定数が変調されているので、グレーティングによる反射波長が光の伝搬方向に沿って変調されることになる。
【００８９】
基板の２次元周期凹凸パターンの周期を変調する手法と、ライン・アンド・スペースパターンの周期を変調する手法を基板加工の観点から比較すると、後者の方がリソグラフィー、ドライエッチング加工の精度の許容量を大きく取ることが可能となるため、本実施形態により、歩留まりの向上が期待できる。
【００９０】
以上に示した第１から第７の実施形態では、高屈折率媒質１４として屈折率が約２．１のＴａ2Ｏ5を用いたが、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。
【００９１】
また、低屈折率媒質１３として屈折率が約１．５のＳｉＯ2を用いていたが、それ以外の材料を用いることも当然考えられる。また、チャネル型光導波路を構成する波型パターンの代わりに、例えば、くさび型構造を用いるという方法も考えられる。
【００９２】
さらに、３次元フォトニック結晶を形成するための、基板の２次元周期凹凸パターンは長方格子状に形成したが、三角格子状など、他の配列であっても構わない。
【００９３】
さらに、基板の２次元周期凹凸パターン形状も、直方体には限らない。積層されるフォトニック結晶が、図５に示されるようにバンドギャップ構造を有していることが本質的なことである。
【図面の簡単な説明】
【００９４】
【図１】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】第１の実施形態の光機能回路の構成図である。
【図３】第１の実施形態の光機能回路の動作を示す波形図である。
【図４】グレーティング２４のコア部分である３次元フォトニック結晶の斜視図である。
【図５】３次元フォトニック結晶のエネルギーバンド構造を示す図である。
【図６】グレーティング２４の透過スペクトルの計算結果（ａ）と実験結果（ｂ）である。
【図７】第１の実施形態の光機能回路の基板パターンを示す図である。
【図８】第２の実施形態の光機能回路の構成図である。
【図９】第２の実施形態の光機能回路の入力波形図である。
【図１０】第２の実施形態の光機能回路の動作を示す波形図である。
【図１１】第３の実施形態の光機能回路の基板パターンを示す図である。
【図１２】第４の実施形態の光機能回路の構成図である。
【図１３】第５の実施形態の光機能回路の構成図である。
【図１４】第５の実施形態の光機能回路における波長分散を示す図である。
【図１５】第６の実施形態の光機能回路における波長分散を示す図である。
【図１６】第７の実施形態の光機能回路の基板パターンを示す図である。
【図１７】第７の実施形態の光機能回路における、クラッド領域における導波路断面（ｘｚ平面）の単位格子の縦横比Ｌｘ／Ｌｚと、それに対応した実効屈折率の関係を示す図である。
【図１８】従来技術の自己クローニング技術による２次元フォトニック結晶を用いた光機能回路の構成図（ａ）と、その透過スペクトル（ｂ）を示す。
【符号の説明】
【００９５】
１０、２１、２２  格子変調フォトニック結晶光導波路
１１  基板
１２  ライン・アンド・スペース凹凸パターン
１３  低屈折率媒質
１４  高屈折率媒質
１５  導波路コア
１６  ３次元フォトニック結晶
１７  ２次元周期凹凸パターン
１８  コア形成用パターン
１９  グレーティング形成用パターン
２０、４０、４１  光機能回路
２３、６０、６１  方向性結合器
２４、４２、４３、６２、６３  グレーティング
２５〜２８、４４〜４９  入力または出力ポート
３０、３１  各ポートの出力波形
５０  ＷＤＭ入力信号波形
５１〜５３  出力信号波形
７０、７１  チャープしたグレーティング
７２  グレーティングの始点
７３  グレーティングの終点
７４、７５  チャープしたグレーティングによる反射光
８０、８１  分散量
【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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