(57)【要約】【課題】欠陥を有するスラブ型フォトニック結晶からなる光制御素子において、欠陥導波路の伝播損失を低減させて光利用効率を向上させ、その欠陥導波路による分散制御効果と群速度遅延効果が向上する光制御素子を提供する。【解決手段】  欠陥３領域内でスラブ層以外の位置にスラブ型フォトニック結晶を構成する材料に対して屈折率コントラストを有する材料からなる微小物体８，１０を設けることにより、欠陥３部分の屈折率を制御して欠陥導波路への光閉じ込め効果を増加させることで欠陥導波路の伝播損失を低減させることができるようにした。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
欠陥を有するスラブ型フォトニック結晶からなる光制御素子において、
前記欠陥領域内かつスラブ型フォトニック結晶のスラブ層以外の位置に、当該スラブ型フォトニック結晶を構成する材料に対して屈折率コントラストを有する材料からなる微小物体を設けたことを特徴とする光制御素子。
【請求項２】
請求項１記載の光制御素子において、
前記微小物体を周期的に設けたことを特徴とする光制御素子。
【請求項３】
請求項１又は２記載の光制御素子において、
前記欠陥が線欠陥であることを特徴とする光制御素子。
【請求項４】
請求項１ないし３の何れか一記載の光制御素子において、
前記微小物体が前記スラブ型フォトニック結晶のスラブ層の基板と反対面に設けられていることを特徴とする光制御素子。
【請求項５】
請求項１ないし３の何れか一記載の光制御素子において、
前記微小物体が前記スラブ型フォトニック結晶のスラブ層の両面に設けられていることを特徴とする光制御素子。
【請求項６】
請求項３記載の光制御素子において、
前記線欠陥が２列以上の線欠陥から構成されていることを特徴とする光制御素子。
【請求項７】
請求項１ないし６の何れか一記載の光制御素子において、
前記微小物体が前記欠陥の中央近傍に配置されていることを特徴とする光制御素子。
【請求項８】
請求項３記載の光制御素子において、
前記微小物体が前記線欠陥の両側近傍に配置されていることを特徴とする光制御素子。
【請求項９】
請求項３，６又は８記載の光制御素子において、
前記線欠陥に結合欠陥を設けたことを特徴とする光制御素子。
【請求項１０】
請求項１ないし９の何れか一記載の光制御素子において、
前記微小物体の周期が、フォトニック結晶の周期の整数倍であることを特徴とする光制御素子。
【請求項１１】
請求項９記載の光制御素子において、
前記線欠陥に設けた結合欠陥部分に前記微小物体を設けたことを特徴とする光制御素子。
【請求項１２】
請求項１ないし１１の何れか一記載の光制御素子において、
前記スラブ型フォトニック結晶のスラブ層以外の位置に、周期構造を有する光反射閉じ込め構造を有することを特徴とする光制御素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、欠陥を有するスラブ型フォトニック結晶からなる光制御素子に関し、より詳細にはフォトニック結晶の欠陥導波路を伝播する伝播光に対して光制御を行う光分散制御素子、光遅延素子、光スイッチ、光周波数フィルタ等の光制御素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
フォトニック結晶と呼ばれる波長程度の微小周期からなる誘電体周期構造により、光の禁制帯となるフォトニックバンドギャップを形成することや、強い分散性により特異な効果を示すフォトニック結晶特有の現象を利用することで、従来とは異なる機能を有する光制御素子や、従来と同機能の光制御素子と比較して非常に小さいサイズの光制御素子を実現することがきる可能性があり、いくつかの光制御素子が研究されている。より具体的には、フォトニックバンドギャップを利用した偏光分離素子、線欠陥を導入した微小領域での伝播方向の偏向曲げが可能な光導波路や、低閾値レーザなどがある。
【０００３】
フォトニック結晶には、３次元方向に完全に光を閉じ込めた３次元フォトニック結晶と、２次元方向にのみ完全に光を閉じ込めた２次元フォトニック結晶とがある。この２次元フォトニック結晶により２次元方向に完全に光を閉じ込めると同時に、導波路構造により上下方向に光を閉じ込めている構成としてスラブ型フォトニック結晶と呼ばれる構成がある。これは、３次元フォトニック結晶が大面積で安定的に製造するには極めて高度な技術を要するのに対し、面内に２次元フォトニック結晶を形成することは通常の半導体プロセス技術を転用することで比較的容易であることを利用して、容易に形成できる２次元方向の光の閉じ込め構造を実現するものである。
【０００４】
スラブ型フォトニック結晶は、基板上に設けた低屈折率材料からなるアンダークラッド層の上に、２次元フォトニック結晶となる高屈折率材料からなるコア層を設けたものである。２次元フォトニック結晶を形成する具体的な半導体プロセスとしては、コア層となる薄膜層に対して、２次元リソグラフィーでマスクパターンを形成し、そのマスクに従ってドライエッチングにより垂直な壁面を有するホール又はピラー構造を形成する方法がある。コア層には、その屈折率が高い方が好ましいこともあり、シリコンやＧａＡｓ等の現在量産されている電子素子としてのＬＳＩ用の半導体材料がそのまま用いられる場合がほとんどであり、この場合の２次元フォトニック結晶の形成はＬＳＩ用の半導体プロセス装置をそのまま利用することができる。
【０００５】
スラブ型２次元フォトニック結晶は前述のように上下方向を導波路構造により構成しているので、その導波路構造による上下の光閉じ込め効果は、コア層の屈折率に対するクラッド層の屈折率の比によって主に決定される。これは、コア層を伝播する伝播光に対して、コア層とクラッド層との界面に対する全反射条件が成立しない場合に非常に大きな漏洩が生じることに対応している。このためフォトニック結晶においては、伝播光が伝播するバンドが２次元フォトニック結晶のバンド図におけるこの全反射条件を示すライトラインと呼ばれる境界線の下側、つまり低周波数側となるように構成される。
【０００６】
このライトラインは、アンダークラッド層とオーバークラッド層の両方について各々存在するが、上下のクラッド層ともに空気のクラッド層とするエアブリッジ構造ではバンド図において最もライトラインを上方に移動させて傾き１とすることができ、伝播モードが存在する範囲を拡大できる構造として研究されている。つまり、この場合にはコア層の屈折率と空気の屈折率１とから決定される１つのライトラインを有する。
【０００７】
しかしながら、エアブリッジ構造はアンダークラッド層が空気であるのでコア層が空中に浮いており、強度的に弱いので破損しやすかったり、後工程が不可能であったり、コア層の機械的な共振により光学特性が変動したりしやすい等、実用的には多くの問題がある。これに対して、エアブリッジ構造を有しないでアンダークラッド層により低屈折率な材料からなる層を用いる構造も研究されている。
【０００８】
例えば、ＳＯＩ基板を用いて熱酸化のＳｉＯ２層をアンダークラッド層、シリコン層をコア層、空気層をオーバークラッド層とする導波路構成がある。この導波路構成において、コア層となるシリコン層に２次元フォトニック結晶をホール構造で作製した場合には、エアブリッジ構造と異なり、強度的に強く、後工程も可能で、コア層の機械的な共振の生じないスラブ型２次元フォトニック結晶を構成することができる。
【０００９】
このような構造に関しては、半導体としてＧａＡｓを用いた場合の構成が特許文献１に記載されている。特許文献１においては、ＳｉＯ２などの低屈折率媒質上にＧａＡｓからなる半導体基板を接触した構成となっている。ＧａＡｓからなるコア層にはフォトニック結晶配列を有するホール構造が形成され、ＳｉＯ２層がアンダークラッド層となっており、アンダークラッド層が空気となるエアブリッジ構造よりもその機械的強度が強固なものとなっている。
【００１０】
しかしながら、これらの構成におけるライトラインはクラッド層として屈折率が高い方のＳｉＯ２層の屈折率で決定されるので、エアブリッジ構造の場合と異なり、ＳｉＯ２層の屈折率約１．４６として１／１．４６となる傾きの変化に対応した分だけ伝播モードが存在できる領域が小さくなる。このため、光制御素子として欠陥導波路に用いることができるホール又はピラー径、また伝播光として利用できる光周波数やその伝播モードに対して制限が生じてくるので、分散量制御の範囲や群速度遅延量の制御範囲といった光制御効果の範囲が限定されてしまう。
【００１１】
さらに、コア層にＬｉＮｂ２Ｏ３光学結晶やＴｉＯ２等の半導体よりも低屈折率である通常の光学材料を用いた場合には、コア層の屈折率自体が半導体よりも小さくなることでバンド図におけるフォトニックバンドギャップが上方にシフトしたりその幅が小さくなったりする。また、屈折率変化に対応して線欠陥導波路のバンドも上方にシフトしてライトラインに対してバンドが相対的に上方シフトすることになるので、ライトラインより下のバンドが存在する線欠陥導波路を構成できる領域がより小さくなってしまう。この結果、光制御効果の範囲が非常に限定されてしまう。また、最悪の場合には、コア層が低屈折率の光学材料となることにより２次元フォトニック結晶としてフォトニックバンドギャップそのものを発現することができずにスラブ導波路に対する２次元方向への光閉じ込めもできなくなることも生じる。電気光学材料もしくは非線形光学材料からなる無機及び有機の光学結晶やセラミックス及び有機色素複合体等は、その電気光学効果及び非線形光学効果を利用して高度の光制御を実現できることで期待されているが、これらの多くは屈折率が高くても２．５程度であり、半導体のような屈折率が３を超える材料は少ない。このため、ＳｉＯ２に対応したライトラインの上にバンドが存在しやすく、この場合にはＳｉＯ２に伝播光が漏洩するために、その光利用効率が非常に小さくなってしまう。このため、通常に用いることのできる光制御素子は、その光制御素子で利用できる伝播光の周波数、群速度、分散等の光学特性範囲が非常に小さくなってしまう。このため、バンドを、ＳｉＯ２に対応したライトラインの下にして光利用効率を向上させることが必要である。
【００１２】
アンダークラッド層に空気を用いたエアブリッジ構造を用いた場合においても、このような低屈折材料からなるコア層によるスラブ型フォトニック結晶は、半導体材料のような高屈折率材料からなるコア層を用いた場合と比較して、フォトニックバンドギャプの変化によりもともと光制御効果の範囲が限定されてしまっている。このため、光の閉じ込め効果をより向上させて光利用効率を向上する構造が求められている。
【００１３】
一方、フォトニック結晶の欠陥構造内に、フォトニック結晶のホール構造又はピラー構造の周期の整数倍となるホール構造又はピラー構造を設けた結合欠陥導波路が発明されている。これは、比較的大きな分散と比較的広い利用可能な周波数が得られ、これらの分散値は光ファイバがもつ値の６桁程度大きいため、ｋｍオーダの長さが必要であったファイバ型分散補償器をｍｍオーダにまで小型化できる可能性がある。この結合欠陥導波路を用いた光制御素子は、例えば特許文献２に記載されている。特許文献２に記載の結合欠陥導波路を用いた光制御素子としての分散補償器は、通常導波路と結合欠陥を有する分散補償導波路により構成され、分散補償導波路はその構成にもよるが２０ｐｓ／ｎｍ／ｍｍと計算される大きな分散補償効果を有し、その分に対応して分散補償器を小型化することができる。
【００１４】
しかしながら、特許文献２に記載の結合欠陥導波路は、欠陥導波路部分にホール構造を設けることにより実現しているために欠陥導波路部分の実効屈折率が大きく低減しまい、これにより実際のバンドが上方にシフトするので、ライトラインに相当する全反射条件を満たす伝播範囲を小さくしてしまう。また、この結合欠陥導波路自体も、光の進行方向の周期が長くなることに起因してライトラインが下方に大きくシフトするので、このままでは光の閉じ込め効果自体がなくなってしまう。これらのため、結合型欠陥導波路においてもその光の閉じ込め効果をより向上させて光利用効率を向上する構造が求められている。
【００１５】
【特許文献１】特開２０００−２３２２５８公報
【特許文献２】特開２００２−３３３５３６公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明は、上記問題点を解決することを課題とする。
【００１７】
請求項１に係る発明が解決する課題は、欠陥を有するスラブ型フォトニック結晶からなる光制御素子の光閉じ込め効果を向上させることにより、分散制御及び群速度遅延制御及び光透過率制御の範囲を拡大することで、その光制御効果が増大する光制御素子を提供することにある。
【００１８】
請求項２に係る発明が解決する課題は、欠陥を有するスラブ型フォトニック結晶からなる光制御素子の光閉じ込め効果を向上させ、かつ、高精度の制御できるようにすることにより、その光制御効果を高精度にした光制御素子を提供することにある。
【００１９】
請求項３に係る発明が解決する課題は、線欠陥を有するスラブ型フォトニック結晶からなる光制御素子の光閉じ込め効果を向上させることにより、分散制御及び群速度遅延制御及び光透過率制御の範囲を拡大することで、その光制御効果が増大する光制御素子を提供することにある。
【００２０】
請求項４に係る発明が解決する課題は、線欠陥を有するスラブ型フォトニック結晶からなる光制御素子の光閉じ込め効果を向上させ、かつ、より高精度の制御できるようにすることにより、その光制御効果をより高精度にした光制御素子を提供することにある。
【００２１】
請求項５に係る発明が解決する課題は、請求項１ないし４における光制御素子を容易に作製できる構造を提供することにある。
【００２２】
請求項６に係る発明が解決する課題は、欠陥を有するスラブ型フォトニック結晶からなる光制御素子の光閉じ込め効果をより向上させることにより、分散制御及び群速度遅延制御及び光透過率制御の範囲をより拡大することで、その光制御効果をより増大した光制御素子を提供することにある。
【００２３】
請求項７，８に係る発明が解決する課題は、欠陥を有するスラブ型フォトニック結晶からなる光制御素子の上下方向の光の閉じ込め効果の向上に加えて、スラブ方向の横方向の光閉じ込め状態を制御できるようにすることにより、その光制御効果が増大する光制御素子を提供することにある。
【００２４】
請求項９に係る発明が解決する課題は、結合欠陥を有するスラブ型フォトニック結晶からなる光制御素子の光閉じ込め効果を向上させることにより、分散制御及び群速度遅延制御の範囲を拡大することで、その光制御効果が増大する光制御素子を提供することにある
請求項１０に係る発明が解決する課題は、コア層を加工することなく結合欠陥を有するスラブ型フォトニック結晶からなる光制御素子を構成することにより、コア層の強度を劣化させることなくかつ光制御効果が増大する光制御素子を提供することにある。
【００２５】
請求項１１に係る発明が解決する課題は、結合欠陥を有するスラブ型フォトニック結晶からなる光制御素子の光閉じ込め効果をより一層に向上させることにより、分散制御及び群速度遅延制御の範囲をより拡大することで、その光制御効果がより増大する光制御素子を提供することにある。
【００２６】
請求項１２に係る発明が解決する課題は、欠陥を有するスラブ型フォトニック結晶からなる光制御素子の上下方向の光閉じ込め効果をより一層向上させることにより、分散制御及び群速度遅延制御及び光透過率制御の範囲をより一層拡大することで、その光制御効果がより一層増大する光制御素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２７】
請求項１に係る発明が解決しようとする課題は、請求項１記載の「欠陥を有するスラブ型フォトニック結晶からなる光制御素子において、前記欠陥領域内かつスラブ型フォトニック結晶のスラブ層以外の位置に、当該スラブ型フォトニック結晶を構成する材料に対して屈折率コントラストを有する材料からなる微小物体を設けたことを特徴とする光制御素子。」によって解決される。
【００２８】
請求項２に係る発明が解決しようとする課題は、請求項２記載の「請求項１記載の光制御素子において、前記微小物体を周期的に設けたことを特徴とする光制御素子。」によって解決される。
【００２９】
請求項３に係る発明が解決しようとする課題は、請求項３記載の「請求項１又は２記載の光制御素子において、前記欠陥が線欠陥であることを特徴とする光制御素子。」によって解決される。
【００３０】
請求項４に係る発明が解決しようとする課題は、請求項４記載の「請求項１ないし３の何れか一記載の光制御素子において、前記微小物体が前記スラブ型フォトニック結晶のスラブ層の基板と反対面に設けられていることを特徴とする光制御素子。」によって解決される。
【００３１】
請求項５に係る発明が解決しようとする課題は、請求項５記載の「請求項１ないし３の何れか一記載の光制御素子において、前記微小物体が前記スラブ型フォトニック結晶のスラブ層の両面に設けられていることを特徴とする光制御素子。」によって解決される。
【００３２】
請求項６に係る発明が解決しようとする課題は、請求項６記載の「請求項３記載の光制御素子において、前記線欠陥が２列以上の線欠陥から構成されていることを特徴とする光制御素子。」によって解決される。
【００３３】
請求項７ないし請求項８に係る発明が解決しようとする課題は、請求項７記載の「請求項１ないし６の何れか一記載の光制御素子において、前記微小物体が前記欠陥の中央近傍に配置されていることを特徴とする光制御素子。」ないし請求項８に記載の「請求項３記載の光制御素子において、前記微小物体が前記線欠陥の両側近傍に配置されていることを特徴とする光制御素子。」によって解決される。
【００３４】
請求項９に係る発明が解決しようとする課題は、請求項９記載の「請求項３，６又は８記載の光制御素子において、前記線欠陥に結合欠陥を設けたことを特徴とする光制御素子。」によって解決される。
【００３５】
請求項１０に係る発明が解決しようとする課題は、請求項１０記載の「請求項１ないし９の何れか一記載の光制御素子において、前記微小物体の周期が、フォトニック結晶の周期の整数倍であることを特徴とする光制御素子。」によって解決される。
【００３６】
請求項１１に係る発明が解決しようとする課題は、請求項１１記載の「請求項９記載の光制御素子において、前記線欠陥に設けた結合欠陥部分に前記微小物体を設けたことを特徴とする光制御素子。」によって解決される。
【００３７】
請求項１２に係る発明が解決しようとする課題は、請求項１２に記載の「請求項１ないし１１の何れか一記載の光制御素子において、前記スラブ型フォトニック結晶のスラブ層以外の位置に、周期構造を有する光反射閉じ込め構造を有することを特徴とする光制御素子。」によって解決される。
【発明の効果】
【００３８】
本発明によれば、欠陥を有するスラブ型フォトニック結晶からなる光制御素子に対して、フォトニック結晶の欠陥部分の光閉じ込め効果を向上させ、分散制御及び群速度遅延制御及び光透過率制御の範囲を拡大することで、その光制御効果が増大する光制御素子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】
【００３９】
本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。
【００４０】
［第１の実施の形態］
本発明の第１の実施の形態を図１及び図２に基づいて説明する。図１は、本実施の形態のスラブ型２次元フォトニック結晶からなる光制御素子を示す模式図である。図１において、１は均一な背景屈折率を有するコア層となる薄膜、２は周期的に配列したホール、３は線状の欠陥からなる線欠陥導波路、４は線欠陥導波路３へ入射する入射光、５はスラブ型フォトニック結晶の線欠陥導波路３から出射する出射光、８及び１０はこの線欠陥導波路３の領域内の下部に設けられて薄膜１よりも高屈折率の材料からなる３つの直線形状の微小物体である。図１においては、周期的に配列させて薄膜１に設けられたホール２により２次元フォトニック結晶が構成されている。
【００４１】
図２は、図１に示したスラブ型２次元フォトニック結晶からなる光制御素子の側面の断面構造の一例を示す模式図である。図２において、１は均一な背景屈折率を有するコア層となる薄膜、２はホール、３は線状の欠陥からなる欠陥導波路、８及び１０は線上の欠陥導波路３の領域内の下層に設けられて薄膜１よりも高屈折率の材料からなる線状の微小物体である。
【００４２】
以下、本実施の形態のフォトニック結晶からなる光制御素子が、光を制御できる作用を有することを説明する、最初に、従来・一般のフォトニック結晶の光制御作用に関して説明する。フォトニック結晶は、一般的には、屈折率が光の波長オーダで一定の周期性を有する構成からなる材料において、フォトニックバンドギャップと呼ばれるフォトンが存在しない領域を有していることで知られている。図３は、欠陥のない一般的なフォトニック結晶の周期性のある配列を説明するものである。図３（ａ）は、フォトニック結晶の構成を特徴づける実空間におけるホールの周期とホール径を模式的に示した図、図３（ｂ）は、図３（ａ）の実空間における周期に対応する波数空間の関係を示した図である。図３（ｂ）において、フォトニック結晶のホールの周期は、図３（ａ）に示すａであり、ホール半径は半径ｒで示される。このとき、図３（ａ）の実空間での周期性を有する配列は３回回転対称であり、図３（ｂ）の波数空間においても３回回転対称の６角形構造を有するブリルアンゾーン１３を形成する。このブリルアンゾーン１３においては、ホールが近接して直線を形成する方向がΓ−Ｋ方向、このΓ−Ｋ方向の中間の方向がΓ−Ｍ方向と表記される。また、図３における従来のフォトニック結晶からなる光制御素子としては、コア層としてシリコン、アンダークラッド層としてＳｉＯ2が用いられている。
【００４３】
図４は、図３（ａ）の配列を有するフォトニック結晶の側面の断面構造の一例を示すものである。図４において、１は背景屈折率を有するコア層となる薄膜、２はホール、１１は基板、１２は薄膜１よりも低屈折率の材料からなるアンダークラッド層となる薄膜である。この図４に示すような断面構造を有するフォトニック結晶は、図４におけるコア層１及びアンダークラッド層１２ａの厚さが約０．５ないし１．０μｍ程度であり、従来の微細加工技術を用いて形成することは比較的容易である。
【００４４】
図５は、図３に示したような欠陥のないフォトニック結晶内を伝播可能な光のバンドを示したフォトニック結晶のバンド図である。図５において、横軸はΓ−Ｋ方向及びΓ−Ｍ方向に対応した規格化された波数ベクトルｋである。図５においては、２次元フォトニック結晶として図３（ａ）の三角配列を用い、薄膜の屈折率３．０、ホールの屈折率１．０、ｒ／ａ値＝０．３０として、２次元平面波展開法により計算した。縦軸は光の周波数ωを規格化した規格化周波数ωＮである。波数ベクトルは周期構造中の光の伝播特性に対応したものであり、規格化周波数は伝播させる光の周波数を規格化したものであり、この規格化周波数ωＮ＝ωａ／２πｃ（ｃは光速）で示しており、この単位は無次元である。これは、ａ／λと同じであり、波長と周期との比として考えてよい。このとき、図５に示すように、規格化周波数ωＮが０．２５から０．３近傍で、バンドが何れの波数においても存在しない領域が存在し、この領域を「フォトニックバンドギャップ」と呼ぶ。
【００４５】
このフォトニックバンドギャップに対応する周波数の光を所定の方向で入射しても反射されるのみで、反射用途以外の光制御素子として利用することはできない。しかしながら、この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中の周期性に欠陥構造を設けることにより、この欠陥に対応した伝播モードとなるバンドがフォトニックバンドギャップ中に生じ、このバンドに対応した周波数の光を所定の欠陥に対して適切に入射せしめることにより、光制御素子として利用することができる。この欠陥がホールの欠陥からなる場合を、点欠陥、複数の連続した１次元的な欠陥からなる場合を線欠陥と呼ばれている。フォトニック結晶に線欠陥を設けた場合には、この線欠陥内を特定の周波数の光が導波する欠陥導波路又は線欠陥導波路と呼ばれる導波路が形成される場合がある。この欠陥導波路は、元のフォトニックバンドギャプ内にバンドを有しており、通常の全反射に基づく導波路とは非常に異なるフォトニック結晶特有の光伝播特性を有する。
【００４６】
図６は、欠陥導波路を有するフォトニック結晶により生じるバンドを説明するものであり、欠陥導波路を有するフォトニック結晶のバンド図の一部を説明のために拡大したものである。フォトニック結晶としては図３と同様の構成の場合における単純な一列の線欠陥による欠陥導波路のバンド図を２次元平面波展開法により計算したものである。その他は、図３と全く同様である。図６において、規格化周波数が約０．２４ないし約０．３１の領域はフォトニックバンドギャップ、２つの曲線は欠陥導波路によって生じたフォトニックバンドギャプ内のバンド、２つの直線はライトライン、この２つ直線のうちの左側の直線はオーバークラッド層となる空気層に対応したライトラインであり、この２つ直線のうちの右側の直線はアンダークラッド層となるＳｉＯ２層に対応したライトラインである。横軸はΓ−Ｍ方向のみの波数ベクトルを規格化した規格化波数を用いており、その単位は〔２π／ａ〕である。また、ａはフォトニック結晶のホールの周期、ｒはフォトニック結晶のホール半径である。ブリルアンゾーンの折り返しにより、所定の波数ベクトル方向に対する最大値は１の半分の０．５に規格化されている。図６においては、規格化周波数ωＮが０．２５から０．３近傍のフォトニックバンドギャップの中に、２つのバンドが現れる。この２つのバンドとも、フォトニック結晶内を欠陥導波路に沿ってのみ光を伝播することができるバンドを示し、所定の周波数の光に対して規格化周波数ωＮを求め、このωＮから水平線を引いた場合にこの２つのバンドと交点を有する場合に、所定の周波数は欠陥導波路内を導波することができる。
【００４７】
このとき、欠陥導波路を導波する光は、通常の導波路中や真空中とは非常に異なった導波の振る舞いを示す。例えば、その伝播速度は、伝播光の群速度Ｖｇとして示されるが、この群速度Ｖｇはバンドの規格化波数（以下、単に「波数」と表記する）に対する１次微分値にほぼ対応しているため、光の周波数に対して群速度が大きく異なり、かつ、その値が小さいことが判る。図６のＳｉＯ２ライトラインと呼ばれる傾きが１／ｎ（ただし、ｎは欠陥導波路部分の屈折率）のラインで示されており、ＳｉＯ２中の伝播速度に対応し、空気のライトラインとなる傾き１の場合は、空気中つまりはほぼ真空中の光の伝播速度に対応する。このとき、図３の構成の光制御素子においては、空気中のライトラインよりもＳｉＯ２ライトラインの方が下にあるため、この下のＳｉＯ２ライトラインよりも上となる領域の伝播光は、コア層の面内を２次元的にフォトニックバンドギャップにより閉じ込められていても、下のＳｉＯ２へ又はこの下のＳｉＯ２に加えて上の空気中へ伝播光が漏洩することにより、大きな損失が生じ、光利用効率が低減してしまう。このため、光制御素子に利用できる光の周波数は、図６におけるＳｉＯ２ライトラインよりも下の領域の伝播光に限られる。
【００４８】
このＳｉＯ２ライトラインの下の方にある伝播可能なバンドとしては、図６に示すように２つのバンドがあり、下の方のバンドはそのモードがＴＥモードであり一般に利用されているバンドである。このバンドは、波数が約０．４において、その１次微分値である傾きの絶対値が０．１であり、逆に空気中よりも約１０倍も光の伝播速度が遅くできることになる。もとの構成材料の屈折率は３．５であり、バルク状態での元の材料の光の伝播速度が真空中の３倍であるので、約３倍も光の伝播速度を遅くでき、このため群速度遅延や分散補償のための光制御素子としての利用ができることになる。このバンドは光の周波数に対応してその傾きが大きく変化するので、光の周波数に対する分散、つまりは波長分散が非常に大きく、非常に大きな分散補償を行うことも可能である。
【００４９】
しかしながら、このような従来のフォトニック結晶による光制御素子は、上下のクラッド層への漏洩のない光利用効率の高い領域のバンドで用いることが通常である。このため、空気又はＳｉＯ２ライトラインに対して下の領域のバンドみで利用するために、光制御素子で利用できる伝播光の周波数、群速度、分散等の光学特性範囲が非常に小さくなってしまう。また、複数の波長の伝播光を用いたり、光源の波長に幅のある伝播光を用いたりする場合には、波長による分散の影響を大きく受けるため、利用できる波長の幅が狭くなることから、光源や光制御素子の温度制御等を行って波長の整合を非常に高精度に行う必要が生じる場合もある。
【００５０】
図１に示す本実施の形態は、欠陥導波路の実効屈折率を増加させることにより、バンドを低周波数側にシフトすることで、ライトラインのより下の領域に存在するバンドの範囲を拡大することができ、これにより従来の損失が大きく光利用効率が小さかったバンドに対応する伝播モードの伝播光を欠陥導波路に伝播することができるようにした新規な構造の光制御素子を提供するものである。より具体的には、本実施の形態に用いたスラブ型フォトニック結晶からなる光制御素子は、スラブ型フォトニック結晶の欠陥領域内のスラブ層以外の位置に、スラブを構成するコア層とは屈折利率コントラストを有する材料からなる微小物体を設けることにより、欠陥導波路が伝播光に作用する屈折率を増加させたものである。
【００５１】
図１において、線欠陥導波路３に入射した入射光４は、線欠陥導波路３を伝播する。このとき、線欠陥導波路３は微小物体８，１０により実効屈折率を増加させている。このため、この線欠陥導波路３のバンドを低下するこができるようになり、ライトラインよりも下の領域にあるバンドの領域を拡大している。このため、線欠陥導波路３による出射光５の光透過率、分散制御及び群速度制御等の制御範囲を拡大した光制御を実現する光制御素子を提供することができる。
する。
【００５２】
これらの線欠陥導波路３の分散制御効果や群速度制御効果を利用して、線欠陥導波路３の出射光５の分散制御を行ったりする光制御素子を提供することができる。また、これらの微小物体８，１０により線欠陥構造のバンドを線欠陥導波路３内においても部分的に変化させることができるので、線欠陥構造の共振周波数を制御し、点欠陥の場合と同様に、特定の周波数の光のみを出射光としてフォトニック結晶外に取り出すことができるようになる。これにより、線欠陥構造３に対する伝播光の光透過率を制御することもできるようになるこのとき、図１及び図２における欠陥構造導波路３は、屈折率コントラストを有する微小物体８，１０と各々複合された複合欠陥構造とすることができる。
【００５３】
本実施の形態に用いる屈折率コントラストを有する材料からなる微小物体８，１０は、その材料屈折率がコア層の材料屈折率と異なっていることが必要である。線欠陥導波路３のバンドを制御することにより、その分散特性や群速度特性を制御する場合には、この微小物体８，１０の屈折率は、コア層の材料屈折率に対して大きくても小さくても、どちらでも効果的である。しかしながら、線欠陥導波路３の実効屈折率を増加させるためにはこの微小物体８，１０の屈折率は、コア層の材料屈折率に対して大きくすることが効果的である。
【００５４】
本実施の形態においては、微小物体８，１０は、その厚さはコア層よりも小さいことがより好ましい。厚い場合には、実効屈折率を大きく増加することができるようになるが、微小物体の周辺において屈折率コントラストが急に生じるためにその部分での散乱や反射が大きくなってしまう場合があり、光利用効率を低減させる場合がある。また、本実施の形態の微小物体８，１０は、コア層の面に対して垂直な方向となる側面形状が図１及び図２に示すような円柱の柱形状に限定されるわけではない。周辺部にテーパ構造を設けて、屈折率コントラストをなだらかに発生させることにより、界面近傍での散乱や反射を低減できるようになり、その光利用効率を向上させることができる。
【００５５】
本実施の形態の微小物体８，１０は、コア層の面に対する形状が図１に示すような短冊形状に限定されるわけではない。楕円形状、多角形形状、涙滴形状、流線形形状、単純中抜け形状、複数の中抜け形状及びこれらの複合形状等の種々の形状を各々の光制御に応じて最適化することが好ましい。また、本実施の形態の微小物体８，１０は、そのコア層の面に対する線欠陥導波路３に対する位置は、図１に示すような欠陥構造の中心部に配置することに限定されるわけではなく、その中心から偏心しても同様に効果的である。さらには、この微小物体８，１０は、欠陥導波路３のコア層の面に対する同じ領域に含まれている必要はなく、欠陥構造近傍で、欠陥構造に基づく伝播光の電磁界分布が影響を及ぼす範囲であれば、その微小物体の一部ないしは全部が、欠陥構造のコア層の面に対する同じ領域以外にあっても同様に効果的である。この場合には、フォトニック結晶のコア層の配列に欠陥構造を設けていなくても、一部分の実効屈折率を変化させることにより欠陥構造を形成することもできるようになる。また、微小物体８，１０はコア層に直接に密接している場合に限定されるわけではなく、コア層の電磁界分布が作用する近傍であれば、中間層を設けて密接していなくとも効果的である。
【００５６】
また、本実施の形態の微小物体８，１０は、材料屈折率が均一の材料から構成される微小物体に限定されるわけではなく、屈折率コントラストがなだらかに変化するように微小物体８，１０の中心部から中央部に対して屈折率が増加又は減少する方向に変化する材料から構成していてもよいし、また伝播光の進行方向ないしは線欠陥導波路との距離が大きくなるに従って材料屈折率が変化する材料から構成してもよい。これらの材料屈折率の変化は、材料の組成変化により実現してもよいし、同じ材料でも温度や電気光学効果や非線形効果による屈折率変化を利用して実現してもよい。このとき、伝播光の波長や分散を検出する手段又は材料の屈折率変化を設けて、制御するとより高精度に光制御することができるようになる。また、材料屈折率が均一の材料から構成され場合も含めて、これらの屈折利率変化を動的に行うことにより、動的な光制御を行うことは非常に効果的である。
【００５７】
また、本実施の形態の微小物体は、図１に示すようにアンダークラッド層に埋め込まれている構成に限定されるわけではなく、エアブリッジ構造の場合においてコア層と密着して空気に突出又は凹凸構造となうように、微小物体を設けてもよい。また、欠陥導波路部分に対しては、そのコア層と異なる層に微小物体を設けていると同時に、その微小物体が、欠陥導波路以外のスラブ型フォトニック結晶のスラブ面内方向に、そのコア層構造又はコア層材料、及びクラッド層構造又はクラッド層材料の何れか１つ以上の構成に対して、埋め込まれている又は同一平面上にあることにより、スラブ面内方向の光閉じ込め効果を、その屈折率コントラストにより増大することができるので、非常に効果的である。
【００５８】
［第２の実施の形態］
本発明の第２の実施の形態を図７に基づいて説明する。図７は、本実施の形態であるスラブ型２次元フォトニック結晶からなる光制御素子を示す模式図である。図７において、１は均一な背景屈折率を有するコア層となる薄膜、２は周期的に配列したホール、３は線欠陥導波路、４は線欠陥導波路３へ入射する入射光、５は線欠陥導波路３から出射する出射光、１５は線欠陥導波路３領域内の上層に設けられて薄膜１よりも高屈折率の材料からなる直線形状を有する微小物体である。図７においては、周期的に配列させて薄膜１に設けられたホール２により２次元フォトニック結晶が構成されている。
【００５９】
図７において、線欠陥導波路３に入射した入射光４は、線欠陥導波路３を伝播する。このとき、線欠陥導波路３は微小物体１５により実効屈折率を増加させている。このため、この線欠陥導波路３のバンドを低下するこができるようになり、ライトラインよりも下の領域にあるバンドの領域を拡大している。このため、線欠陥導波路３による出射光５の光透過率、分散制御及び群速度制御等の制御範囲を拡大した光制御を実現する光制御素子を提供することができる。さらに、線欠陥導波路３の端部から端部まで直線上に均一に微小物体１５を設けているので、一つの均一な欠陥導波路として低損失に光を伝播させることができるようになる。
【００６０】
本実施の形態においては、第１の実施の形態の場合と同様に微小物体１５の形状は図示した直線形状に限定されるわけではなく、その厚さ、コア層の面に対する面内形状、コア層の面に対する断面形状、材料屈折率分布、及び位置を制御することは光制御を行う上で非常に効果的である。特に、光を伝播させる欠陥導波路３部分に屈折率コントラストを有する微小物体１５を設けているので、この微小物体１５に伝播光の電界分布が強く分布する場合にこの部分から伝播光がコア層の面内に漏洩する場合があるので、この漏洩する光が必要な値に対して小さくなるように、微小物体の形状や、もとのフォトニック結晶の欠陥導波路３を最適に設計することが好ましい。
【００６１】
また、本実施の形態において、コア層に光学結晶を用いてその光学結晶の電気光学効果や非線形光学効果をコア層の伝播光に対して利用する場合には、欠陥導波路３上に設けた微小物体１０に電界分布が存在するようになるために、コア層の欠陥導波路３部分の電界分布が小さくなってしまうので、コア層部分の電界分布が必要な値に対して大きくなるように、微小物体１５の形状や、もとのフォトニック結晶の欠陥導波路３を最適に設計することが好ましい。
【００６２】
［第３の実施の形態］
本発明の第３の実施の形態を図８に基づいて説明する。図８は、本実施の形態であるスラブ型２次元フォトニック結晶からなる光制御素子を示す模式図である。基本的には、第２の実施の形態と同様であるが、本実施の形態では、微小物体１５に代えて、線欠陥導波路３領域内の上層に薄膜１よりも高屈折率の材料からなる周期的な配列構造を有する複数の円形形状からなる微小物体１６を設けたものである。
【００６３】
図８において、線欠陥導波路３に入射した入射光４は、線欠陥導波路３を伝播する。このとき、線欠陥導波路３は微小物体１６により実効屈折率を増加させているこのため、この線欠陥導波路３のバンドを低下するこができるようになり、ライトラインよりも下の領域にあるバンドの領域を拡大している。このため、線欠陥導波路３による出射光５の光透過率、分散制御及び群速度制御等の制御範囲を拡大した光制御を実現する光制御素子を提供することができる。
【００６４】
また、本実施の形態においては、微小物体１６は、線欠陥導波路９の実効屈折率を増加すると同時に、その有している周期的配列により、フォトニック結晶のバンドに対して大きな制御効果を有するために、線欠陥導波路３のバンドをより高精度に制御することができるようになり、これにより出射光５の光透過率、分散制御及び群速度制御等の光制御をより高精度に実現できる光制御素子を提供できるようになる。図８におけるフォトニック結晶は、線欠陥導波路３自体とその上の微小物体１６の配列とによる両方の周期構造の作用により伝播光のバンドが決定されるので、ホール構造からなる欠陥導波路と、ピラー構造からなる欠陥導波路の両方の特徴を利用することができる複合欠陥導波路を簡単に実現できる構成の一つである。このため、コア層に設けた線欠陥導波路３は単純な線欠陥導波路に限定されるわけではなく、コア層の線欠陥導波路内にさらに周期配列しているホール構造を設け、このホール構造とコア層の上に設けた周期配列しているピラー構造との間が強く作用するような構成にすることも効果的である。
【００６５】
本実施の形態においては、微小物体１６の個々の形状は図示をした円柱形状に限定されるわけではなく、その厚さ、コア層の面に対する面内形状、コア層の面に対する断面形状、材料屈折率分布及び位置を制御することは光制御を行う上で非常に効果的である。また、配列も直線配列に限定されるわけではなく、三角配列や正方配列であってもよく、或いは、この配列自体がさらに入れ子の欠陥構造を有していてもよい。また、コア層にヘテロ欠陥構造を設けて、このヘテロ欠陥構造と高屈折率材料微小物体の周期的配列とにより形成される複合構成を設けることにより光制御効果を発現させることも効果的である。さらに、これらをコア層自体のヘテロ結晶構造と複合させることも効果的である。また、第１の実施の形態の場合と同様に、コア層の屈折率を変化させることも非常に効果的である。
【００６６】
［第４の実施の形態］
本発明の第４の実施の形態を図９に基づいて説明する。図９は、本実施の形態であるスラブ型２次元フォトニック結晶からなる光制御素子を示す模式図である。基本的には、第３の実施の形態と同様であるが、本実施の形態では、微小物体１６に代えて、線欠陥導波路３領域内の上層に薄膜１よりも高屈折率の材料からなる周期的な配列構造を有する複数の円形形状からなる微小物体１７を設けたものであって、微小物体１７を構成する円形形状を、図８の場合と比較してその円形形状の直径よりも小さくしたものである。直径を変化させることにより、同じ材料屈折率のものを用い、かつ、同じ周期であっても、線欠陥導波路３の透過屈折率を最適に制御することができる。
【００６７】
本実施の形態においては、第３の実施の形態の場合と同様に微小物体１７の個々の形状は図示をした円形形状に限定されるわけではなく、その厚さ、コア層の面に対する面内形状、コア層の面に対する断面形状、材料屈折率分布、及び位置を制御することは光制御を行う上で非常に効果的である
［第５の実施の形態］
本発明の第５の実施の形態を図１０に基づいて説明する。図１０は、本実施の形態であるスラブ型２次元フォトニック結晶からなる光制御素子の側面の一例を示す模式図であり、図７に示した実施の形態と同様の構成の側面図に対応している。
【００６８】
図１０において、１は均一な背景屈折率を有するコア層となる薄膜、２はホール、１８は線欠陥導波路（図示せず）領域内の上層に設けられて薄膜１よりも高屈折率の材料からなる直線状の微小物体、１１は基板、１２は薄膜１よりも低屈折率の材料からなる薄膜である。
【００６９】
図１０において、微小物体１８は、コア層の上部のみに設けられておいる。このため、フォトニック結晶のコア層を作製した後に、コア層よりも高屈折率の材料の薄膜からなるコート層を形成した後に、欠陥導波路に対応した領域の平坦な部分に対してマスク形成を行い、この後にこのコート層をエッチングすることにより、直線形状を有する微小物体１９を作製することができる。このとき、欠陥導波路の上にのみ、つまりは基板１１と反対側のみに微小物体１８を形成しているので、コア層のホール形成は通常のスラブ型フォトニック結晶を作製する場合と同様のプロセス順序を用いることができる。また、欠陥構造の平坦な部分に、高屈折率材料の成膜とその上のマスク形成を行っているので、成膜の均一性や膜厚、及びマスク精度を非常に高精度にすることができる。これにより、位置ズレや形状誤差により導波路損失を低減して光利用効率を向上したスラブ型フォトニック結晶を実現することができる。
【００７０】
［第６の実施の形態］
本発明の第６の実施の形態を図１１に基づいて説明する。図１１は、本実施の形態であるスラブ型２次元フォトニック結晶からなる光制御素子の側面の一例を示す模式図であり、図８に示した実施の形態と同様の構成の側面図に対応している。
【００７１】
図１１において、１は均一な背景屈折率を有するコア層となる薄膜、２はホール、１９は線欠陥導波路（図示せず）領域内の上層に設けられて薄膜１よりも高屈折率の材料からなる直線状の微小物体、１１は基板、１２は薄膜１よりも低屈折率の材料からなる薄膜である。
【００７２】
図１１に示すように、微小物体１９が周期構造を有する場合には、その周期構造の位置ズレや形状誤差による導波路損失が大きくなりやすいが、図１０の場合と同様に欠陥構造の平坦な部分に、高屈折率材料の成膜とその上のマスク形成を行っているので、成膜の均一性や膜厚、及びマスク精度を非常に高精度にすることができる。これにより、位置ズレや形状誤差により導波路損失を低減して光利用効率を向上したスラブ型フォトニック結晶を実現することができる。一方、図１１に示す本実施の実施の形態と異なり、欠陥導波路の下側、つまりは基板１１側に微小物体を形成した場合には、コア層の部分の平坦性を向上させるためにＣＭＰや平滑化エッチング等の処理が必要となり作製方法が複雑となり、高コストとなってしまう。
【００７３】
［第７の実施の形態］
本発明の第７の実施の形態を図１２に基づいて説明する。図１２は、本実施の形態であるスラブ型２次元フォトニック結晶からなる光制御素子の側面の一例を示す模式図であり、図８の実施の形態と同様の構成の側面図に対応している。
【００７４】
図１２において、１は均一な背景屈折率を有するコア層となる薄膜、２はホール、２０，２１は線欠陥導波路（図示せず）領域内の各々上層及び下層の両側に設けられて薄膜１よりも高屈折率の材料からなる直線状の微小物体、１１は基板、１２は薄膜１よりも低屈折率の材料からなる薄膜である。
【００７５】
図１２において、微小物体２０，２１は、コア層の線欠陥導波路の上下の両側に設けられている。このため、コア層の実効屈折率をより大きく増加することができるようになるので、線欠陥導波路の屈折率をより大きく増加できるようになり、線欠陥導波路のバンドをより大きく下にシフトすることができるようになる。これにより、線欠陥導波路の分散制御効果や群速度制御効果を大きくすることができ、線欠陥導波路の出射光５の光透過率、分散制御及び群速度制御等の光制御を実現する光制御素子を提供することができる。
【００７６】
［第８の実施の形態］
本発明の第８の実施の形態を図１３に基づいて説明する。図１３は、本実施の形態であるスラブ型２次元フォトニック結晶からなる光制御素子を示す模式図である。図１３において、１は均一な背景屈折率を有するコア層となる薄膜、２は周期的に配列したホール、２２は２列の欠陥からなる線欠陥導波路、４は線欠陥導波路２２へ入射する入射光、５は線欠陥導波路２２から出射する出射光、２３は線欠陥導波路２２上に設けられて薄膜１よりも高屈折率の材料からなる周期的な配列構造を有する複数の円形形状からなる微小物体である。
【００７７】
図１３において、線欠陥導波路２２に入射した入射光４は、線欠陥導波路２２を伝播する。このとき、図８に示した実施の形態の場合と同様に線欠陥導波路２２は微小物体２３により実効屈折率を増加させている。このため、この線欠陥導波路２２のバンドを低下することができるようになり、ライトラインよりも下の領域にあるバンドの領域を拡大することができる。
【００７８】
本実施の形態において、線欠陥導波路２２は２列の線欠陥導波路より構成されるために、欠陥導波路２２部分のスラブ面内方向の面積が大きくなることにより、この線欠陥導波路２２上に屈折率コントラストを有する微小物体２３を設けることのできる領域が大きくなるので、微小物体２３による欠陥導波路の実効屈折率を増加させると同時に、フォトニック結晶の欠陥導波路のバンドプロファイルも大きく変化することが容易となるので、線欠陥導波路２２による出射光５の光透過率、分散制御及び群速度制御等の制御範囲をより拡大した光制御を実現する光制御素子を提供することができる。
【００７９】
［第９の実施の形態］
本発明の第９の実施の形態を図１４に基づいて説明する。図１４は、本実施の形態であるスラブ型２次元フォトニック結晶からなる光制御素子を示す模式図である。図１４において、１は均一な背景屈折率を有するコア層となる薄膜、２は周期的に配列したホール、２２は２列の欠陥からなる線欠陥導波路、４は線欠陥導波路２２へ入射する入射光、５は線欠陥導波路２２から出射する出射光、２４は線欠陥導波路２２領域内の上層に設けられて薄膜１よりも高屈折率の材料からなる周期的な配列構造を有する複数の円形形状からなる微小物体である。
【００８０】
図１６において、線欠陥導波路２２に入射した入射光４は、線欠陥導波路２２を伝播する。このとき、図６に示した実施の形態の場合と同様に線欠陥導波路２２は微小物体２６により実効屈折率を増加させている。このため、この線欠陥導波路２２のバンドを低下するこができるようになり、ライトラインよりも下の領域にあるバンドの領域を拡大することができる。
【００８１】
本実施の形態において、図１６に示すように微小物体２４は線欠陥導波路２２の中央部付近に構成されるために、対称性を有しながら線欠陥導波路２２の中心に近いほどなだらかに実効屈折率が高くなる構成にできるので、伝播する方向と垂直方向の屈折率の変化に伴う散乱や反射を低減でき、光制御素子の光利用効率をより向上させることができるようになり、分散制御及び群速度制御等の制御範囲をより拡大させた光制御を実現する光制御素子を提供することができる。
【００８２】
［第１０の実施の形態］
本発明の第１０の実施の形態を図１５に基づいて説明する。図１５は、本実施の形態であるスラブ型２次元フォトニック結晶からなる光制御素子を示す模式図である。図１５において、１は均一な背景屈折率を有するコア層となる薄膜、２は周期的に配列したホール、２５は３列の欠陥からなる線欠陥導波路、４は線欠陥導波路２５へ入射する入射光、５は線欠陥導波路２５から出射する出射光、２６は線欠陥導波路２５領域内の上層に設けられて薄膜１よりも高屈折率の材料からなる周期的な配列構造を有する複数の円形形状からなる微小物体である。
【００８３】
図１５において、線欠陥導波路２５に入射した入射光４は、線欠陥導波路２５を伝播する。このとき、図１４に示した実施の形態の場合と同様に線欠陥導波路２５は微小物体２６により実効屈折率を増加させている。このため、この線欠陥導波路２５のバンドを低下するこができるようになり、ライトラインよりも下の領域にあるバンドの領域を拡大することができる。
【００８４】
本実施の形態において、線欠陥導波路２５は３列の線欠陥導波路より構成されるために、欠陥導波路部分のスラブ面内方向の面積がより大きくなることにより、この線欠陥導波路２５上に屈折率コントラストを有する微小物体２６を設けることのできる領域が大きくなるので、微小物体２６による欠陥導波路の実効屈折率を増加させると同時に、フォトニック結晶の欠陥導波路のバンドプロファイルも大きく変化することが容易となるので、線欠陥導波路２５による出射光５の光透過率、分散制御及び群速度制御等の制御範囲をより拡大した光制御を実現する光制御素子を提供することができる。
【００８５】
［第１１の実施の形態］
本発明の第１１の実施の形態を図１６に基づいて説明する。図１６は、本実施の形態であるスラブ型２次元フォトニック結晶からなる光制御素子を示す模式図である。図１６において、１は均一な背景屈折率を有するコア層となる薄膜、２は周期的に配列したホール、２２は２列の欠陥からなる線欠陥導波路、４は線欠陥導波路２２へ入射する入射光、５は線欠陥導波路２２から出射する出射光、２７ａ，２７ｂは線欠陥導波路２２領域内の上層に設けられて薄膜１よりも高屈折率の材料からなる周期的な配列構造を有する複数の円形形状からなる微小物体である。
【００８６】
図１６において、線欠陥導波路２２に入射した入射光４は、線欠陥導波路２２を伝播する。このとき、図１４に示した実施の形態の場合と同様に線欠陥導波路２２は微小物体２７ａ，２７ｂにより実効屈折率を増加させている。このため、この線欠陥導波路２２のバンドを低下させることができるようになり、ライトラインよりも下の領域にあるバンドの領域を拡大させることができる。
【００８７】
本実施の形態において、図１６に示すように微小物体２７ａ，２７ｂは線欠陥導波路２２の両端付近に２列からなるように構成されるために、欠陥導波路２２の実効屈折率を増加する効果を２倍にできる。これにより、光制御素子の光利用効率をより向上することができるようになり、分散制御及び群速度制御等の制御範囲をより拡大した光制御を実現する光制御素子を提供することができる。
【００８８】
［第１２の実施の形態］
本発明の第１２の実施の形態を図１７に基づいて説明する。図１７は、本実施の形態であるスラブ型２次元フォトニック結晶からなる光制御素子を示す模式図である。図１７において、１は均一な背景屈折率を有するコア層となる薄膜、２は周期的に配列したホール、２５は３列の欠陥からなる線欠陥導波路、４は線欠陥導波路２５へ入射する入射光、５は線欠陥導波路２５から出射する出射光、２８ａ，２８ｂは線欠陥導波路２５領域内の上層に設けられて薄膜１よりも高屈折率の材料からなる周期的な配列構造を有する複数の円形形状からなる微小物体である。
【００８９】
図１７において、線欠陥導波路２５に入射した入射光４は、線欠陥導波路２５を伝播する。このとき、図１６に示した実施の形態の場合と同様に線欠陥導波路２５は微小物体２８ａ，２８ｂにより実効屈折率を増加させている。このため、この線欠陥導波路２５のバンドを低下させることができるようになり、ライトラインよりも下の領域にあるバンドの領域を拡大させることができる。
【００９０】
本実施の形態において、線欠陥導波路２５は３列の線欠陥導波路より構成されるために、欠陥導波路部分のスラブ面内方向の面積がより大きくなることにより、この線欠陥導波路２５上に屈折率コントラストを有する微小物体２８ａ，２８ｂを設けることのできる領域が大きくなるので、これらの微小物体２８ａ，２８ｂによる欠陥導波路の実効屈折率を増加させると同時に、フォトニック結晶の欠陥導波路のバンドプロファイルも大きく変化することが容易となるので、線欠陥導波路２５による出射光５の光透過率、分散制御及び群速度制御等の制御範囲をより拡大した光制御を実現する光制御素子を提供することができる。
【００９１】
［第１３の実施の形態］
本発明の第１３の実施の形態を図１８及び図１９に基づいて説明する。図１８は、本実施の形態であるスラブ型２次元フォトニック結晶からなる光制御素子を示す模式図である。図１８において、１は均一な背景屈折率を有するコア層となる薄膜、２は周期的に２次元配列されたホール、２９は線欠陥導波路、４は線欠陥導波路２９へ入射する入射光、５は線欠陥導波路２９から出射する出射光、３０は線欠陥導波路２９部分に１次元配列させて設けられたホール、３１はホール３０上に設けられて薄膜１よりも高屈折率の材料からなる直線形状の微小物体である。図１８においては、薄膜１上に周期的に配列させて設けられたホール２により２次元フォトニック結晶が構成されており、線欠陥導波路２９上に配列させたホール３０により、結合欠陥導波路が構成されている。
【００９２】
図１９は、図１８に示したスラブ型２次元フォトニック結晶からなる光制御素子の側面の一例を示す模式図である。図１９において、１は均一な背景屈折率を有するコア層となる薄膜、２は２次元配列されたホール、４は線欠陥導波路２９へ入射する入射光、５は線欠陥導波路２９から出射する出射光、３０は線欠陥導波路２９部分に１次元配列させて設けられたホール、３１はこの点状のホール３０上に設けられて薄膜１よりも高屈折率の材料からなる直線形状の微小物体、１１は基板、１２は薄膜１よりも低屈折率の材料からなる薄膜である。
【００９３】
図１８及び図１９において、線欠陥導波路２９に入射した入射光４は、線欠陥導波路２９を伝播する。このとき、線欠陥導波路２９は微小物体３１により実効屈折率を増加させ、屈折率の減少によるバンド特性の変化を低減している。このため、線欠陥導波路２９による出射光５の光透過率、分散制御及び群速度制御等の制御範囲を拡大した光制御を実現する光制御素子を提供することができる。
【００９４】
本実施の形態においては、線欠陥導波路２９は、その線欠陥内にフォトニック結晶の周期よりも大きい周期の１次元配列を有するホール３０を有しているので結合欠陥導波路であり、通常の線欠陥導波路に対してより大きい分散制御効果及び群速度制御効果を有する。しかしながら、従来は欠陥導波路内にホール構造を設けるのでその実効屈折率が大きく低下してしまう。このため、この結合欠陥導波路のバンドが上にシフトしてしまい、そのバンド特性が異なってしまう。この点、本実施の形態においては、線欠陥導波路２９は微小物体３１により実効屈折率を増加させているこのため、この線欠陥導波路２９のバンドを低下することができるようになり、バンドの高さを下方にシフトすることができるようになる。このため、線欠陥導波路２９による出射光５の光透過率、分散制御及び群速度制御等の制御範囲を拡大した光制御を実現する光制御素子を提供することができる。
【００９５】
［第１４の実施の形態］
本発明の第１４の実施の形態を図２０及び図２１に基づいて説明する。図２０は、本実施の形態のスラブ型２次元フォトニック結晶からなる光制御素子を示す模式図である。図２０において、１は均一な背景屈折率を有するコア層となる薄膜、２は周期的に２次元配列されたホール、３２は線欠陥導波路、４は線欠陥導波路３２へ入射する入射光、５は線欠陥導波路３２から出射する出射光、３３は線欠陥導波路３２上に設けられて薄膜１よりも高屈折率の材料からなる１次元配列された微小物体である。図２０においては、薄膜１に設けた周期的に配列したホール１により２次元フォトニック結晶が構成されている。
【００９６】
図２１は、図２０に示したスラブ型２次元フォトニック結晶からなる光制御素子の側面の一例を示す模式図である。図２１において、１は均一な背景屈折率を有するコア層となる薄膜、２は２次元配列されたホール、４は線欠陥導波路３２へ入射する入射光、５は線欠陥導波路３２から出射する出射光、３３は線欠陥導波路３２上に設けられて薄膜１よりも高屈折率の材料からなる直線形状の微小物体、１１は基板、１２は薄膜１よりも低屈折率の材料からなる薄膜である。
【００９７】
図２０及び図２１において、線欠陥導波路３２に入射した入射光４は、線欠陥導波路３２を伝播する。このとき、線欠陥導波路３２は微小物体３３により実効屈折率を変化させ、線欠陥導波路３２の実効屈折率を変化させることにより、バンド特性を変化させることができる。このため、線欠陥導波路３２による出射光５の光透過率、分散制御及び群速度制御等の制御範囲を拡大した光制御を実現する光制御素子を提供することができる。
【００９８】
また、本実施の形態においては、線欠陥導波路３２は、その線欠陥内にフォトニック結晶の周期よりも大きい周期の１次元配列を有し、かつ、屈折率コントラストのある微小物体３３を有しているので、この屈折率コントラストを最適な値にすることにより隣接する微小物体間で結合する構成とすることができる。このため、結合欠陥導波路を実現しながらも欠陥導波路部分にホール構造を設けなくてよいので、コア層の強度を向上させて劣化することのない、線欠陥導波路３２による出射光５の光透過率、分散制御及び群速度制御等の制御範囲を拡大させた光制御素子を提供することができるようになる。
【００９９】
［第１５の実施の形態］
本発明の第１５の実施の形態を図２２及び図２３に基づいて説明する。図２２は、本実施の形態のスラブ型２次元フォトニック結晶からなる光制御素子を示す模式図である。図２２において、１は均一な背景屈折率を有するコア層となる薄膜、２は周期的に２次元配列されたホール、３４は線欠陥導波路、４は線欠陥導波路３４へ入射する入射光、５は線欠陥導波路３４から出射する出射光、３５は線欠陥導波路３４部分に１次元配列させて設けられたホール、３６は線欠陥導波路３４上に設けられて薄膜１よりも高屈折率の材料からなる１次元配列された微小物体である。図２２においては、薄膜１に設けた周期的に配列したホール２により２次元フォトニック結晶が構成されており、線欠陥導波路３４上に配列したホール３０により、結合欠陥導波路が構成されている。
【０１００】
図２３は、図２２に示したスラブ型２次元フォトニック結晶からなる光制御素子の側面の一例を示す模式図である。図２３において、１は均一な背景屈折率を有するコア層となる薄膜、２は２次元配列されたホール、４は線欠陥導波路３４へ入射する入射光、５は線欠陥導波路３４から出射する出射光、３５は線欠陥導波路３４部分に１次元配列させて設けられたホール、３６は線欠陥導波路３４上に設けられて薄膜１よりも高屈折率の材料からなる１次元配列された微小物体、１１は基板、１２は薄膜１よりも低屈折率の材料からなる薄膜である。
【０１０１】
図２２及び図２３において、線欠陥導波路３４に入射した入射光４は、線欠陥導波路３４を伝播する。このとき、線欠陥導波路３４は微小物体３６により実効屈折率を増加させ、屈折率の減少によるバンド特性の変化を低減している。このため、線欠陥導波路３４による出射光５の光透過率、分散制御及び群速度制御等の制御範囲を拡大させた光制御を実現する光制御素子を提供することができる。
【０１０２】
本実施の形態においては、線欠陥導波路３４は、その線欠陥内にフォトニック結晶の周期よりも大きい周期の１次元配列を有するホール３５を有しているので結合欠陥導波路であり、通常の線欠陥導波路に対してより大きい分散制御効果及び群速度制御効果を有する。しかしながら、従来は欠陥導波路内にホール構造を設けるのでその実効屈折率が大きく低下してしまう。このため、この結合欠陥導波路のバンドが上にシフトしてしまい、そのバンド特性が異なってしまう。本実施の形態においては、線欠陥導波路３４は微小物体３６により実効屈折率を増加させているこのため、この線欠陥導波路３４のバンドを低下させることができるようになり、バンドの高さを下方にシフトすることができるようになる。このため、線欠陥導波路３４による出射光５の光透過率、分散制御及び群速度制御等の制御範囲を拡大させた光制御を実現する光制御素子を提供することができる。
【０１０３】
また、本実施の形態においては、線欠陥導波路３４は、その線欠陥内にフォトニック結晶の周期よりも大きい周期の１次元配列を有するかつ屈折率コントラストのある微小物体３６を有しているで、ホール３５の空気による屈折率と微小物体による屈折率との差として線欠陥導波路３４内に結合欠陥に用いることのできる屈折率コントラストを非常に大きくすることができるようになる。このため、微小物体３６の周期とホール３５による結合欠陥の周期及び屈折率差とを最適化することにより、線欠陥導波路３４による出射光５の光透過率、分散制御及び群速度制御等の制御範囲を拡大した光制御素子を提供することができるようになる。
【０１０４】
本実施の形態においては、図２２及び図２３に示すように線欠陥導波路３４内において、微小物体３６の周期とホール３５による結合欠陥とが交互に配置している構成に限定されるわけではなく、２つの周期を整数倍で異ならせたり、また２つの周期の差を小さくしたりすることで長周期の結合欠陥を実現することも効果的である。
【０１０５】
屈折率コントラスを有する微小物体を、欠陥導波路又は結合欠陥導波路のコア層以外の部分に設ける以外に、フォトニック結晶の欠陥導波路又は結合欠陥導波路部分のホールの内部に埋め込み形状で設けることで、結合欠陥構造を実現することができる。さらに、欠陥導波路又は結合欠陥を有していないフォトニック結晶部分において、そのホールに直線上に屈折率コントラストを有する微小物体を埋め込むことにより、結合欠陥構造を実現することができるようになる。
【０１０６】
［第１６の実施の形態］
本発明の第１６の実施の形態を図２４に基づいて説明する。図２４は、本実施の形態のスラブ型２次元フォトニック結晶からなる光制御素子の側面の一例を示す模式図である。図２４において、１は均一な背景屈折率を有するコア層となる薄膜、２は２次元配列されたホール、４は線欠陥導波路（図示せず）へ入射する入射光、５は線欠陥導波路から出射する出射光、３５は線欠陥導波路部分に１次元配列させて設けられたホール、３６は線欠陥導波路上に設けられて薄膜１よりも高屈折率の材料からなる１次元配列された微小物体、１１は基板、３７は多層膜からなるオーバークラッド層、３８は多層膜からなるアンダークラッド層である。
【０１０７】
図２４においては、スラブ型フォトニック結晶のコア層が上下の多層膜３７，３８によって挟まれており、これらの多層膜３７，３８はフォトニック結晶の欠陥導波路の伝播光を閉じ込める構成になっている。このため、結合欠陥構造となる線欠陥導波路からフォトニック結晶の上下への漏洩光を大きく減少させることができるようになり、線欠陥導波路の光透過率を大きく向上させた光制御素子を提供することができる。
【０１０８】
本実施の形態においては、線欠陥導波路の光閉じ込め効果を増加するためスラブ型フォトニック結晶の上下に設ける光反射閉じ込め構造は、図２６に示すような多層膜構造に限定されるわけではなく、ウッドパイル構造やダイヤモンド配列球状粒子等からなる３次元フォトニック結晶を設けても同様に効果的である。また、ホーリーファイバのような２次元的にフォトニック結晶的な配列を有するシートを上下に設けることも同様に効果的である。また、多層膜は、単純な多層膜構造に限定されるわけではなく、フォトニック結晶構造を設けた多層膜や、コア層の面内方向及び垂直方向で複数の異なる特性を有する多層膜から構成することも同様に効果的である。
【図面の簡単な説明】
【０１０９】
【図１】本発明の第１の実施の形態であるスラブ型フォトニック結晶からなる光制御素子を示す模式図である。
【図２】一般的なスラブ型フォトニック結晶からなる光制御素子の側面の一例を示す模式図である。
【図３】一般的なフォトニック結晶の構成を特徴づける実空間におけるホールの周期とホール径の配列及びをこれらの実空間における周期に対応する波数空間の関係を示す図である。
【図４】図３の配列を有するフォトニック結晶の側面を示す模式図である。
【図５】欠陥のないフォトニック結晶内を伝播可能な光のバンドを示したフォトニック結晶のバンド図である。
【図６】欠陥導波路を有するフォトニック結晶のバンド図の一部を拡大して示す図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態であるスラブ型２次元フォトニック結晶からなる光制御素子を示す模式図である。
【図８】本発明の第３の実施の形態であるスラブ型２次元フォトニック結晶からなる光制御素子を示す模式図である。
【図９】本発明の第４の実施の形態であるスラブ型２次元フォトニック結晶からなる光制御素子を示す模式図である。
【図１０】本発明の第５の実施の形態であるスラブ型２次元フォトニック結晶からなる光制御素子の側面の一例を示す模式図である。
【図１１】本発明の第６の実施の形態であるスラブ型２次元フォトニック結晶からなる光制御素子の側面の一例を示す模式図である。
【図１２】本発明の第７の実施の形態であるスラブ型２次元フォトニック結晶からなる光制御素子の側面の一例を示す模式図である。
【図１３】本発明の第８の実施の形態であるスラブ型２次元フォトニック結晶からなる光制御素子を示す模式図である。
【図１４】本発明の第９の実施の形態であるスラブ型２次元フォトニック結晶からなる光制御素子を示す模式図である。
【図１５】本発明の第１０の実施の形態であるスラブ型２次元フォトニック結晶からなる光制御素子を示す模式図である。
【図１６】本発明の第１１の実施の形態であるスラブ型２次元フォトニック結晶からなる光制御素子を示す模式図である。
【図１７】本発明の第１２の実施の形態であるスラブ型２次元フォトニック結晶からなる光制御素子を示す模式図である。
【図１８】本発明の第１３の実施の形態であるスラブ型２次元フォトニック結晶からなる光制御素子を示す模式図である。
【図１９】その光制御素子の側面の一例を示す模式図である。
【図２０】本発明の第１４の実施の形態であるスラブ型２次元フォトニック結晶からなる光制御素子を示す模式図である。
【図２１】その光制御素子の側面の一例を模式的に示した構成図である。
【図２２】本発明の第１５の実施の形態であるスラブ型２次元フォトニック結晶からなる光制御素子を示す模式図である。
【図２３】その光制御素子の側面の一例を示す模式図である。
【図２４】本発明の第１６の実施の形態であるスラブ型２次元フォトニック結晶からなる光制御素子の側面の一例を示す模式図である。
【符号の説明】
【０１１０】
３，２２，２５      欠陥構造
８，１０，１５〜１８，２０，２３，２４，２６〜２８      微小物体
１１      基板
【図１】
2005274843.tif 000003
【図２】
2005274843.tif 000004
【図３】
2005274843.tif 000005
【図４】
2005274843.tif 000006
【図５】
2005274843.tif 000007
【図６】
2005274843.tif 000008
【図７】
2005274843.tif 000009
【図８】
2005274843.tif 000010
【図９】
2005274843.tif 000011
【図１０】
2005274843.tif 000012
【図１１】
2005274843.tif 000013
【図１２】
2005274843.tif 000014
【図１３】
2005274843.tif 000015
【図１４】
2005274843.tif 000016
【図１５】
2005274843.tif 000017
【図１６】
2005274843.tif 000018
【図１７】
2005274843.tif 000019
【図１８】
2005274843.tif 000020
【図１９】
2005274843.tif 000021
【図２０】
2005274843.tif 000022
【図２１】
2005274843.tif 000023
【図２２】
2005274843.tif 000024
【図２３】
2005274843.tif 000025
【図２４】
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