(57)【要約】【課題】  作製を容易化し、高い分波効率が得られる分波器を実現するフォトニック結晶光機能素子の提供。【解決手段】  フォトニック結晶１０内部に、２本の線欠陥光導波路１１を有し、２本の線欠陥光導波路の間の領域に、リング状に光の導波する線欠陥型のリング光共振器１２を有し、リング光共振器１２に共振する波長の光に対して、一の線欠陥光導波路１１から、他の線欠陥光導波路１１へ光が取り出され、分波器を構成する。【選択図】      図１
2005091467.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
屈折率の異なる２種類以上の部材を周期的に配列させてなるフォトニック結晶を有し、分波器として機能するフォトニック結晶光機能素子において、
前記フォトニック結晶内に配設され、互いに離間して延在されてなる第１及び第２の光導波路と、
前記フォトニック結晶内の前記第１及び第２の光導波路の間の領域に配設され、閉路を構成する光導波路よりなる光共振器と、
を含む、ことを特徴とするフォトニック結晶光機能素子。
【請求項２】
前記第１及び第２の光導波路のうち一方の光導波路は、前記一方の光導波路への入射端をなす一側端部から反対側の端部まで直線状に延在され、前記第１及び第２の光導波路の他方の光導波路は、前記フォトニック結晶内を前記一方の光導波路と平行に延在されている、ことを特徴とする請求項１記載のフォトニック結晶光機能素子。
【請求項３】
前記第１及び第２の光導波路の一方の光導波路に入射された光のうち、前記光共振器に共振する波長の光が、前記一方の光導波路から前記光共振器を介して他方の光導波路へ取り出される、ことを特徴とする請求項１又は２記載のフォトニック結晶光機能素子。
【請求項４】
前記第１及び第２の光導波路、及び、前記光共振器を構成する光導波路が、線欠陥型光導波路よりなる、ことを特徴とする請求項１又は２記載のフォトニック結晶光機能素子。
【請求項５】
前記光共振器の閉路の周回長さで決まる波長間隔で分波出力が得られる、ことを特徴とする請求項１又は２記載のフォトニック結晶光機能素子。
【請求項６】
前記光共振器が、リング状の閉路よりなる、ことを特徴とする請求項１又は２記載のフォトニック結晶光機能素子。
【請求項７】
前記光共振器が、前記第１及び第２の光導波路の延在方向に沿ってそれぞれ延在される２辺と、前記２辺の対応する端部同士を接続する２辺の計４辺の閉路よりなる、ことを特徴とする請求項１又は２記載のフォトニック結晶光機能素子。
【請求項８】
前記第１及び第２の光導波路の一方の光導波路の一端に入射された光のうち前記光共振器の共振波長以外の波長成分の光は、前記一方の光導波路の他端にほぼ１００％出力される、ことを特徴とする請求項１又は２記載のフォトニック結晶光機能素子。
【請求項９】
屈折率の異なる２種類以上の部材を周期的に配列させてなるフォトニック結晶を有し、光スイッチとして機能するフォトニック結晶光機能素子において、
前記フォトニック結晶内に、前記フォトニック結晶の一側の端部から反対側の端部まで互いに平行に延在されてなる第１及び第２の光導波路を備え、
前記第１及び第２の光導波路の一端に、それぞれ、一端が接続され、平面形状がＳ字状の第１、第２のチャネル光導波路と、
前記第１及び第２の光導波路の他端に、それぞれ一端が接続され、平面形状がＳ字状の第３、第４のチャネル光導波路と、
前記第１及び第２のチャネル光導波路の他端同士を接続する第１のＹ分岐と、
前記第３及び第４のチャネル光導波路の他端同士を接続する第２のＹ分岐と、を前記フォトニック結晶外部に備えている、ことを特徴とするフォトニック結晶光機能素子。
【請求項１０】
屈折率の異なる２種類以上の部材を周期的に配列させてなるフォトニック結晶を有し、センサとして機能するフォトニック結晶光機能素子であって、
前記フォトニック結晶内に、互いに離間して平行に延在される第１及び第２の光導波路と、
前記フォトニック結晶内の前記第１及び第２の光導波路の間の領域に設けられ、点欠陥による空洞の光共振器と、
を備え、前記空洞内に被検媒質が導入される、ことを特徴とするフォトニック結晶光機能素子。
【請求項１１】
請求項１０記載のフォトニック結晶光機能素子において、前記空洞を満たす前記被検媒質の屈折率の変化により前記光共振器の共振波長に変化が生じ、
前記フォトニック結晶から出力される光を検出し、前記光共振器の共振波長の変化を検出する測定手段を備え、前記被検媒質の状態の検知が行われる、ことを特徴とするセンサ。
【請求項１２】
前記被検媒質として、前記光共振器の空洞を満たすように、気体又は液体を導入し、
前記媒質の種類、濃度、温度、圧力、密度のうちの少なくとも１つの変化が、前記被検媒質の屈折率の変化をもたらすことを利用して、前記被検媒質の状態が検知される、ことを特徴とする請求項１１記載のセンサ。
【請求項１３】
前記被検媒質として、前記空洞に、蛋白質、血球、遺伝子（ＤＮＡ）のうちの少なくとも１つを導入し、
前記分子、細胞の大きさ、質量、分子量のうち少なくとも１つの相違が、前記被検媒質又は前記被検媒質を含む溶液の屈折率変化をもたらすことを利用して、前記被検媒質の状態が検知される、ことを特徴とする請求項１１記載のセンサ。
【請求項１４】
屈折率の異なる２種類以上の部材を周期的に配列させてなるフォトニック結晶を有しセンサとして機能するフォトニック結晶光機能素子であって、
前記フォトニック結晶を構成する１つの部材が空洞よりなり、
前記空洞に被検媒質が導入される、ことを特徴とするフォトニック結晶光機能素子。
【請求項１５】
前記フォトニック結晶に入射された光ビームの伝搬状態が、前記空洞を満たす媒質の屈折率の変化により変化し、前記被検媒質の状態の検知が行われる、ことを特徴とする請求項１４記載のフォトニック結晶光機能素子。
【請求項１６】
請求項１４記載のフォトニック結晶光機能素子を有し、
前記被検媒質として、前記空洞を満たすように気体又は液体を導入し、
前記媒質の種類、濃度、温度、圧力、密度のうちの少なくとも１つの変化が、前記媒質の屈折率の変化をもたらすことを利用して、前記媒質の状態が検知される、ことを特徴とするセンサ。
【請求項１７】
請求項１４記載のフォトニック結晶光機能素子を有し、
前記被検媒質として、前記空洞に、蛋白質、血球、遺伝子（ＤＮＡ）のうちの少なくとも１つを導入し、
前記分子、細胞の大きさ、質量、分子量のうち少なくとも１つの相違が、前記被検媒質又は前記被検媒質を含む溶液の屈折率変化をもたらすことを利用して、前記被検媒質の状態が検知される、ことを特徴とするセンサ。
【請求項１８】
前記フォトニック結晶が、２次元又は３次元周期構造を有する、ことを特徴とする請求項１乃至９、１０、１４、１５のいずれか一に記載のフォトニック結晶光機能素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フォトニック結晶を用いる光機能素子に関し、特に、分波器、光スイッチ、及び光センサに適用して好適なフォトニック結晶光機能素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
屈折率の異なる２種類以上の物質を、光の波長オーダー（通常０．３〜０．７μｍ）で多次元周期的に配列させたフォトニック結晶は、フォトニックバンドギャップによる強い光閉じ込め効果が期待できる。フォトニック結晶の光閉じ込め効果を利用した様々な光学素子や微小光回路などへの応用が期待されている。
【０００３】
また、フォトニック結晶に線状欠陥を導入することにより、フォトニック結晶の内部に光導波路が形成できることも知られている。
【０００４】
さらに、フォトニック結晶に点欠陥を導入することにより、フォトニック結晶の内部に微小な光共振器が形成できることも知られている。
【０００５】
そして、フォトニック結晶の内部に導入したこれら線欠陥および点欠陥を用いることにより、高い波長分解能を有する分波器も提案・試作されている。
【０００６】
このようなフォトニック結晶による分波器は、従来の石英光導波路などによる分波器（ＡＷＧ）等に比べて、特段の小型化が期待できる。
【０００７】
しかしながら、従来のフォトニック結晶を用いた分波器では、点欠陥の大きさが分波する波長を決めている。このため、その作製には、特段に精密な加工が要求されている。また、光の分波効率は、原理的に５０％を超えることはない。
【０００８】
図９を参照して、フォトニック結晶を用いた従来の分波器について説明する（例えば特許文献１参照）。図９には、フォトニック結晶による線欠陥光導波路と点欠陥型光共振器を組み合わせたチャネル・ドロップ・フィルター（分波器）の構成が示されている。フォトニック結晶は、２次元の屈折率周期分布により面内方向にバンドギャップを有する２次元フォトニック結晶であり、例えばスラブ材料５０に円柱孔５１を規則的（三角格子状）に配列したものである。円柱孔５１の一部を線状に抜き取ることで、フォトニック結晶に線状に欠陥が導入され、線状欠陥には導波モードが存在し導波路（「線欠陥光導波路」ともいう）５２が形成される。導波路近傍に点欠陥５３（「点欠陥光共振器」ともいう）を設けると、特定波長の光が捕獲され、欠陥内部で共振され、上下方向に光が放射される。すなわち、線欠陥光導波路５２の一方の端から入射した光は導波され、点欠陥光共振器の共振波長に共鳴する、特定波長成分(λi)の光のみが、点欠陥５３から取り出される。この場合、共振波長は、点欠陥の大きさにより決まることから、点欠陥の大きさに関してきわめて高精度な加工が要求される。また、共振波長(λi)において、入射した光が出力される分波効率は、原理的に５０％を超えることはない。
【０００９】
次に、フォトニック結晶を用いた従来のＭ−Ｚ（マッハツェンダー）干渉計型光スイッチについて説明する。図１０は、フォトニック結晶内に設けた線欠陥光導波路による従来のＭ−Ｚ干渉計型光スイッチの構成を示す図である（例えば特許文献２、３参照）。図１０に示すように、空気孔三角格子フォトニック結晶６０の中に、線欠陥光導波路６１によってＭ−Ｚ干渉計を構成し、光がＭ−Ｚ干渉計の異なるブランチ（分岐）を伝搬する時に、ブランチ間で位相差が生じた場合、光の進路をスイッチングできるようにしたものである。しかしながら、このような構成のフォトニック結晶によるＭ−Ｚ干渉計型光スイッチは、Ｙ分岐６２の設計や導波路曲がり部６３の設計が難しく、理想的な光スイッチの動作を得ることは困難である。
【００１０】
なお、フォトニック結晶のセンサへの応用例として、フォトニック結晶を、偏向子、検光子として用いた光センサ等は知られている（例えば特許文献４参照）が、フォトニック結晶の気体、液体等の媒質状態を検出するセンサ等への応用は、従来、例が無い。
【００１１】
【特許文献１】特開２００１−２７２５５５号公報(第４頁、第１図)
【特許文献２】特開２００２−３０３８３６号公報（第７頁、第７図）
【特許文献３】特開２００１−１７４６５２号公報（第３頁、第１図）
【特許文献４】特開２００２−２３６２２６号公報（第３１頁、第２６図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上記したように、フォトニック結晶による分波器は、作製に、特段に精密な加工が要求される。また、光の分波効率は原理的に５０％を超えられない。
【００１３】
また、光スイッチも、フォトニック結晶光導波路による方向性結合器型や、マッハツェンダー（Ｍ−Ｚ）干渉計型のものが提案されており、ＬＮ（ＬｉＮｂＯ３）や半導体を用いる従来のものに比べて大幅な小型化が期待できるが、電極構造の導入や、分岐導波路の作製はきわめて困難である。
【００１４】
したがって、本発明の目的は、作製を容易化し、高い分波効率が得られる分波器を実現するフォトニック結晶光機能素子を提供することにある。
【００１５】
また、本発明の他の目的は、作製を容易化する光スイッチとして機能するフォトニック結晶光機能素子を提供することにある。
【００１６】
さらに、本発明のさらに他の目的は、気体や液体、分子や細胞等のセンサ機能を実現するフォトニック結晶光機能素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
前記目的を達成する本発明の一のアスペクトに係るフォトニック結晶を用いた分波器は、屈折率の異なる２種類以上の部材を周期的に配列させてなるフォトニック結晶を有し、分波器として機能するフォトニック結晶光機能素子において、前記フォトニック結晶内に配設され、互いに離間して延在されてなる第１及び第２の光導波路と、前記フォトニック結晶内の前記第１及び第２の光導波路の間の領域に配設され、閉路を構成する光導波路よりなる光共振器と、を含む。
本発明に係るフォトニック結晶を用いた分波器において、前記第１及び第２の光導波路のうち一方の光導波路は、前記一方の光導波路への入射端をなす一側端部から反対側の端部まで直線状に延在され、前記第１及び第２の光導波路の他方の光導波路は、前記フォトニック結晶内を前記一方の光導波路と平行に延在されている。
本発明に係るフォトニック結晶を用いた分波器において、前記第１及び第２の光導波路の一方の光導波路に入射された光のうち、前記光共振器に共振する波長の光が、前記一方の光導波路から前記光共振器を介して他方の光導波路へ取り出される。
本発明に係るフォトニック結晶を用いた分波器において、前記第１及び第２の光導波路、及び、前記光共振器を構成する光導波路が、線欠陥型光導波路よりなる。前記光共振器の閉路の周回長さで決まる波長間隔で分波出力が得られる。
本発明に係るフォトニック結晶を用いた分波器において、前記第１及び第２の光導波路の一方の光導波路の一端に入射された光のうち前記光共振器の共振波長以外の波長成分の光は、前記一方の光導波路の他端にほぼ１００％出力される。
【００１８】
本発明の他のアスペクトに係るフォトニック結晶光スイッチは、屈折率の異なる２種類以上の部材を周期的に配列させてなるフォトニック結晶を備えた光スイッチにおいて、前記フォトニック結晶は、前記フォトニック結晶の一側の端部から反対側の端部まで互いに平行に延在されてなる第１及び第２の光導波路を有し、前記第１及び第２の光導波路の一端に、それぞれ、一端が接続され、平面形状がＳ字状の第１、第２のチャネル光導波路と、前記第１及び第２の光導波路の他端に、それぞれ一端が接続され、平面形状がＳ字状の第３、第４のチャネル光導波路と、前記第１及び第２のチャネル光導波路の他端同士を接続する第１のＹ分岐と、前記第３及び第４のチャネル光導波路の他端同士を接続する第２のＹ分岐と、を前記フォトニック結晶外部に備えている。
【００１９】
本発明の他のアスペクトに係るフォトニック結晶を用いたセンサは、屈折率の異なる２種類以上の部材を、２次元、或いは３次元周期的に配列させることによって得られるフォトニック結晶において、前記フォトニック結晶内に２本の平行な光の導波が可能な構成の光導波路を有しており、前記フォトニック結晶内の前記光導波路に挟まれた領域に、点欠陥による微小な空洞光共振器を備え、前記点欠陥による空洞の光共振器を満たす媒質の屈折率の変化により、前記光共振器の共振波長の変化を生じさせるものであり、前記光共振器の共振波長の変化を読み取る手段を備え、前記媒質の状態を検知する。
【００２０】
本発明において、前記媒質として、前記点欠陥光共振器を満たすように、気体又は液体を導入し、前記媒質の種類、濃度、温度、圧力、密度の変化が、前記媒質の屈折率変化をもたらすことを利用して、前記媒質の状態を検知する。
【００２１】
本発明において、点欠陥光共振器を満たすように、蛋白質や血球、遺伝子（ＤＮＡ）を導入し、前記分子や細胞の大きさ、質量、分子量等の違いが、それら媒質或いはそれらの媒質を浮かべている溶液の屈折率変化をもたらすことを利用して、それら媒質の状態を検知するようにしてもよい。
【００２２】
本発明の他のアスペクトに係るフォトニック結晶センサは、屈折率の異なる２種類以上の部材を、２次元、或いは３次元周期的に配列させることによって得られるフォトニック結晶において、前記フォトニック結晶を構成する部材の一つが空洞からなり、前記フォトニック結晶中に光ビームを入射させ、フォトニック結晶中での光ビームの伝搬状態が、前記空洞を満たす媒質の屈折率の変化により変化することを利用して、前記空洞を満たしている媒質の状態を検知する。
【００２３】
本発明に係るフォトニック結晶センサにおいて、空洞を満たすように気体或いは液体を導入し、前記空洞を満たしている気体或いは液体の種類、濃度、温度、或いは気体の圧力、密度の変化が、それら媒質の屈折率変化をもたらすことを利用して、それら媒質の状態を検知するようにしてもよい。
【００２４】
本発明に係るフォトニック結晶センサにおいて、空洞を満たすように蛋白質や血球、遺伝子（ＤＮＡ）を導入し、それら分子や細胞の大きさ、質量、分子量等の違いが、それら媒質或いはそれらの媒質を浮かべている溶液の屈折率変化を齎すことを利用して、それら媒質の状態を検知するようにしてもよい。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、線欠陥導波路とリング状の共振型導波路とを組み合わせることで、分波器を構成しており、作製を容易化し、高い分波効率が得られる分波器を実現することができる。
【００２６】
本発明によれば、Ｍ−Ｚ干渉型光スイッチのＹ分岐、曲がり部を、フォトニック結晶上に作製しないため、光スイッチの作製を容易化することができる。
【００２７】
さらに、本発明によれば、フォトニック結晶を用いることで、気体や液体、分子や細胞等のセンサを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
本発明を実施するための最良の形態について説明する。本発明の一実施形態のフォトニック結晶光機能素子は、２次元又は３次元周期構造を有するフォトニック結晶（１０）内に、互いに離間して、平行に設けられる第１及び第２の光導波路（１１１、１１２）を有し、フォトニック結晶（１０）内の第１、第２の光導波路（１１１、１１２）の間の領域に設けられ、閉路を構成する光導波路よりなり、閉路に沿ってリング状に光を導波する光共振器（１２）と、を含む。光共振器（１２）に共振する波長の光に対して、第１及び第２の光導波路の一方から、他方へ光が取り出される。第１及び第２の光導波路（１１１、１１２）、及び、閉路をなす光共振器（１２）は、線欠陥型光導波路よりなる。
【００２９】
また本発明の別の実施形態のフォトニック結晶光機能素子は、フォトニック結晶を備えた光スイッチにおいて、フォトニック結晶（２０）は、フォトニック結晶（２０）の一側の端部から反対側の端部まで互いに平行に延在されてなる第１、第２光導波路（２１１、２１２）を有し、第１及び第２の光導波路（２１１、２１２）の一端に、それぞれ、一端が接続された、平面形状がＳ字状の第１、第２のチャネル光導波路（２２１、２２２）と、第１及び第２の光導波路の他端に、それぞれ一端が接続された、平面形状がＳ字状の第３、第４のチャネル光導波路（２２３、２２４）と、前記第１及び第２のチャネル光導波路の他端同士を接続する第１のＹ分岐（２５１）と、前記第３及び第４のチャネル光導波路の他端同士を接続する第２のＹ分岐（２５２）を、いずれもフォトニック結晶（２０）外部に備えている。
【００３０】
本発明の別の実施形態のフォトニック結晶光機能素子は、フォトニック結晶内に設けられる、少なくとも２本の平行な光導波路（３１１、３１２）と、フォトニック結晶内の２本の光導波路の間の領域に、点欠陥による空洞の光共振器（３２）を備え、空洞（３２）に、検知対象の媒質（「被検媒質」という）が充填される。被検媒質の屈折率の変化から、媒質の状態が検知される。
【００３１】
本発明の別の実施形態のフォトニック結晶光機能素子は、前記フォトニック結晶（周期構造）を構成する一つの部材が空洞よりなり、前記空洞に被検媒質を充填し、被検媒質の屈折率の変化から、媒質の状態が検知される。
【実施例】
【００３２】
本発明の実施例について図面を参照して以下に説明する。まず、フォトニック結晶光機能素子の一例として、フォトニック結晶を用いた分波器について説明する。
【００３３】
図１は、本発明の第１の実施例をなす分波器の構成を示す図である。図１を参照すると、本発明の第１の実施例の分波器は、ガラスに埋め込まれたＳｉ円柱ロッドからなるフォトニック結晶１０に、２本の平行な線欠陥光導波路１１１、１１２と、２本の平行な線欠陥光導波路１１１、１１２の間の領域に設けられたリング型の線欠陥光導波路からなるリング光共振器１２と、から構成されるチャネル・ドロップ・フィルター（分波器）である。なお、本実施例の分波器は、リング光共振器を用いているため、「リング光共振器型分波器」ともいう。
【００３４】
本実施例において、２本の平行な線欠陥光導波路１１１、１１２のうちのいずれか一方の線欠陥光導波路（図１では線欠陥光導波路１１１とする）の一端である入力（Ｉｎ）ポート１３から入射した光のうち、リング光共振器１２の共振波長に共鳴する波長成分(λi)の光のみが、他方の線欠陥光導波路１１２の一端であるドロップ出力（Drop Out)ポート１４から取り出される。リング光共振器１２の共振波長(λi)以外の波長成分の光は、入力（Ｉｎ）ポート１３から入射し、そのまま線欠陥光導波路１１１を直進し、反対側のスルー出力（Through Out）ポート１５から出力される。図１において、リング光共振器１２は、その平面形状として、平行な線欠陥光導波路１１１、１１２とそれぞれ平行な２辺と、該２辺に直交する２辺を有する４本の線欠陥光導波路が４辺を構成する四角形形状とされているが、リング状の閉路をなし、リング状に光を導波するものであれば、閉路の形状は、四角形形状に限定されるものではない。
【００３５】
図２及び図３は、図１について、２次元電磁界解析を行った結果を示す図である。図２に示すように、共振波長(λi)の光は、ほぼ１００％ 、ドロップ出力（Drop Out）ポート１４から取り出される（図の黒点で示す）。また、図３に示すように、非共振波長の光は、ほぼ１００％スルー出力（Through Out）ポート１５に出力されることが分かる（図の黒点で示す）。従って、分波効率は、ほぼ１００％である。
【００３６】
図４は、ドロップ出力（Drop Out）ポート１４への分波特性を示す図である。図１のリング共振器１０２の周回長さで決まる波長間隔(自由スペクトルレンジ)で、ドロップ出力（Drop Out）ポート１４から、分波出力が得られることが分かる。すなわち、図４において、分波出力の各スペルトルのピーク間の波長間隔は、リング光共振器１２の周回長さで決定される。なお、波長分解能は、２ｎｍ以下である。
【００３７】
本実施例では、フォトニック結晶の構造として、ガラスに埋め込まれたＳｉ円柱ロッドからなる正方格子状のものが用いられているが、三角格子であってもよいことは勿論である。また、Ｓｉ薄板に丸い空気孔を三角格子状に開けた、公知のスラブ型空気孔フォトニック結晶であってもよい。また、フォトニック結晶を構成する部材は、Ｓｉ（シリコン）やガラスにのみ限定されるものでないことは勿論である。
【００３８】
次に、本発明の第２の実施例をなす光スイッチについて説明する。図５は、本発明によるＭ−Ｚ（マッハツェンダー）干渉計型光スイッチの構成を示す図である。図１０に示した従来のＭ-Ｚ干渉計型光スイッチでは、Ｙ分岐部分を含め、全てフォトニック結晶中の線欠陥光導波路で構成されている。これに対して、本実施例では、Ｙ分岐部（光結合器）２４やＳ字導波路部分２２は、フォトニック結晶ではなく、Ｓｉなどによるチャネル光導波路で構成している。本実施例では、これらの部分を、フォトニック結晶に設けられる線欠陥光導波路ではなく、チャネル光導波路で構成することにより、フォトニック結晶光導波路に、Ｙ分岐（図１０の６２）や曲がり導波路（図１０の６３）を設計・作製することが不要とされる。Ｙ分岐（図１０の６２）や導波路曲がり（図１０の６３）は、光スイッチの動作にとって本質的ではなく、敢えて設計の難しいフォトニック結晶光導波路で構成する必要は無い。
【００３９】
Ｍ−Ｚ干渉計を伝搬する光に位相差を与えるブランチ部分は光スイッチの動作にとって本質的であり、フォトニック結晶で構成することにより、全体のサイズを大幅に小型化できる。この場合、フォトニック結晶２０内の線欠陥光導波路２１１、２１２の両端と、Ｓｉチャネル光導波路２２１、２２２、及び２２３、２２４をそれぞれ接続する必要が有るが、この接続は、困難ではない。
【００４０】
なお、フォトニック結晶やチャネル光導波路の材料に関しては、Ｓｉである必要は全くなく、他の半導体、誘電体材料はもとより、ＬＮのような光学材料であってもよいことは勿論である。
【００４１】
次に、本発明の第３の実施例をなすフォトニック結晶によるセンサについて説明する。以下に説明されるセンサは、フォトニック結晶をもちいたコンパクトなセンサであり、従来には、例が無いものである。
【００４２】
図６は、本発明の第３の実施例をなす、フォトニック結晶を用いた気体（液体）センサの構造概略を示す図である。図６に示すように、フォトニック結晶３０内に２本の平行な光導波路(例えば、線欠陥光導波路からなる)３１１、３１２が設けられ、２本の平行な光導波路３１１、３１２に挟まれて点欠陥（例えば空気孔）による微小光共振器（「点欠陥型光共振器」ともいう）３２が設けられている。かかる構造において、２本の平行な光導波路３１１、３１２のうちいずれか一方の光導波路（図では、線欠陥光導波路３１１）の一方の端３３から光（例えばＬＥＤ等の白色光）を入射させると、点欠陥光共振器３２に共振する波長の光のみが他方の光導波路３１２の端部３４から取り出される。従って、点欠陥光共振器３２に共振する波長の光のみを取り出すことができる、一種の波長フィルタとして機能する。この場合、点欠陥光共振器３２の共振波長は、点欠陥の形状や大きさ、点欠陥を満たす媒質の屈折率により決まる。
【００４３】
従って、点欠陥の形状や大きさを、不変とした（固定とした）場合には、点欠陥を満たす媒質が変われると、その共振波長は、図７に示すように変化する。
【００４４】
次に、図６に示すセンサにおいて、点欠陥の中に、何等かの気体（センサにより検査対象とされる媒質）を導入する。点欠陥を満たす媒質が気体の場合、その屈折率は、気体の種類や密度、圧力、温度等により変化する。この屈折率の変化を、点欠陥光共振器３２の共振波長の変化として読み取ることができれば、図６のフォトニック結晶を用いた波長フィルタは、気体の種類や密度、圧力、温度等の状態を検知するセンサとして、機能する。
【００４５】
一方、点欠陥を満たす媒質が、液体であっても、その屈折率は、液体の種類や濃度、温度等により変化する。この場合、図６のフォトニック結晶を用いた波長フィルタは、液体の種類や濃度、温度等の状態を検知するセンサとして機能する。
【００４６】
また、点欠陥を満たす媒質が、蛋白質や血球、遺伝子（ＤＮＡ）等の分子や細胞を浮かべた溶液の場合も、これら分子や細胞の大きさ、質量、分子量の違いにより屈折率が変化する。この場合は、図６のフォトニック結晶を用いた波長フィルタは、分子や細胞の大きさ、質量、分子量を検知するセンサとして機能する。このように、フォトニック結晶の点欠陥光共振器を用いた各種センサが実現される。
【００４７】
図６のフォトニック結晶を用いた波長フィルタにおいて、共振波長の変化を読み取るための手法としては、例えば、図６に示すように、広いスペクトルを有する白色光源の光（ＬＥＤ等の白色光）を、２本の線欠陥光導波路の一方（図では線欠陥光導波路３１１）の端３３から入射し、他の線欠陥光導波路３１２の一端３４からの出射光の波長を、不図示の公知の分光器で解析することで行われる。
【００４８】
次に、フォトニック結晶を用いたセンサの別の例について説明する。図８は、本発明の第４の実施例をなすセンサの構成を示す図である。フォトニック結晶内部での光の伝搬状態（伝搬経路や光ビームの広がり方）は、フォトニック結晶格子を構成する媒質の屈折率や結晶格子の構造により決まる。従って、結晶格子の構造が一定の場合、フォトニック結晶格子を構成する媒質の屈折率が変化すると、フォトニック結晶内部での光の伝搬状態も変化する。
【００４９】
本実施例においては、図８に示すように、フォトニック結晶の周期構造をなす部材の一つが空気孔４０のような空洞である場合、この空洞を、気体や液体、分子や細胞を浮かべた溶液で満たすことができる。このような状態で、フォトニック結晶内に、光ビーム４１（白色光）を入射する。この場合、空洞（空気孔４１）を満たす気体や液体、あるいは分子や細胞を浮かべた溶液の状態が変化して、屈折率が変化すると、フォトニック結晶内部での光の伝搬状態も変化する。
【００５０】
空洞を満たす媒質が気体の場合、その屈折率は、気体の種類や密度、圧力、温度等により変化する。一方、空洞を満たす媒質が液体の場合も、その屈折率は、液体の種類や濃度、温度等により変化する。さらに、空洞を満たす媒質が、蛋白質や血球、遺伝子(ＤＮＡ)等の分子や細胞を浮かべた溶液の場合も、これら分子や細胞の大きさ、質量、分子量の違いにより屈折率が変化する。
【００５１】
従って、この屈折率の変化を、フォトニック結晶中での光の伝搬状態の変化から読み取ることで、気体や液体の種類や密度、濃度、圧力、温度等の状態を検知するセンサとして機能する。また、空洞を満たす媒質が、蛋白質や血球、遺伝子(ＤＮＡ)等の分子や細胞を浮かべた溶液の場合であれば、分子や細胞の大きさ、質量、分子量を検知するセンサとして機能する。
【００５２】
フォトニック結晶中での光の伝搬状態を直接読み取ることは困難である。このため、本実施例では、例えば、図８に示すように、フォトニック結晶中での光の伝搬経路が変化する場合、フォトニック結晶の出口４２において、フォトニック結晶の出射光が、どの場所から出てきたかを、不図示の光検出器で計測することで、フォトニック結晶中での光の伝搬状態を読み取る。あるいは、フォトニック結晶から光ビームが出てくる角度の違いとして、読み取ることができる。これらの測定系は、公知（市販）の光検出器と、光学系を用いて構成することができる。
【００５３】
本発明の各種光機能素子の構造は、フォトニック結晶格子の構造や材料を特に限定するものではなく、結晶の次元は、２次元でも３次元でも良く、また、スラブ型のような擬似的な２次元構造でも構わない。また、結晶格子の構造も、正方格子、三角格子、六方格子、同心円構造、ペンローズ型のような準周期構造であっても構わない。さらに、結晶格子を構成する材料も、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＰのような半導体から、ＳｉＯ２ガラスのような酸化物、各種誘電体材料、ＬＮのような光学結晶であっても構わない。また、センサの場合、ここで紹介した気体や液体、分子や細胞といったもの以外でも、フォトニック結晶格子の中に導入できる媒質であり、その媒質の何等かの状態の変化が、その媒質の屈折率の変化として反映されるようであれば検知することは可能であり、そのようなものであれば任意である。
【００５４】
以上、本発明を上記実施例に則して説明したが、本発明は、上記実施例の構成にのみ限定されるものでなく、本発明の原理に準ずる範囲内で当業者であればなし得るであろう各種変形、修正を含むことは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の第１の実施例の分波器の構成を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施例の分波器の電磁界解析結果の一例を示す図である。
【図３】本発明の第１の実施例の分波器の電磁界解析結果の一例を示す図である。
【図４】本発明の第１の実施例の分波器の電磁界解析結果の一例（スペクトラム）を示す図である。
【図５】本発明の第２の実施例の光スイッチの構成を示す図である。
【図６】本発明の第３の実施例のセンサの構成を示す図である。
【図７】本発明の第３の実施例のセンサの動作原理を説明するための図である。
【図８】本発明の第４の実施例のセンサの構成を示す図である。
【図９】従来のフォトニック結晶を用いたチャネル・ドロップ・フィルタを示す図である。
【図１０】従来のフォトニック結晶を用いた光スイッチの構成を示す図である。
【符号の説明】
【００５６】
１０  フォトニック結晶
１１  線欠陥光導波路
１２  リング光共振器
１３  入力ポート
１４  ドロップ出力ポート
１５  スルー出力ポート
２１  線欠陥光導波路
２２  Ｓチャネル光導波路
２３  Ｓｉ
２４  Ｙ分岐
２５  光ファイバ
３０  フォトニック結晶
３１  光導波路
３２  点欠陥型光共振器
３３  光導波路の入力端
３４  光導波路の出力端
４０  フォトニック結晶
４１  ガス、液体
４２  単色光
５０  フォトニック結晶
５１  孔
５２  線欠陥型光導波路
５３  点欠陥
６０  フォトニック結晶
６１  線欠陥光導波路
６２  Ｙ分岐
６３  導波路曲がり
【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】
2005091467.tif 000007
【図６】
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【図７】
2005091467.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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