(57)【要約】【課題】回折による影響を小さくし、空気中へ出た光ビームの広がりを抑えられる画期的な２次元フォトニック結晶導波路を提供する。【解決手段】フォトニック結晶導波路の出力端の近傍のロッドの配列，若しくはロッド自体の形状，若しくはその両方を変化させて、このフォトニック結晶導波路の出力端を、例えば開口部を広げた構成、若しくは例えば開口部を等価的に広げた構成とした２次元フォトニック結晶導波路。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
フォトニック結晶導波路の出力端の近傍のロッドの配列，若しくはロッド自体の形状，若しくはその両方を変化させてこのフォトニック結晶導波路の出力端を構成したことを特徴とする２次元フォトニック結晶導波路。
【請求項２】
フォトニック結晶導波路の出力端の近傍のロッドの配列，若しくはロッド自体の形状，若しくはその両方を変化させてこのフォトニック結晶導波路の出力端の開口部を広げた構成としたことを特徴とする２次元フォトニック結晶導波路。
【請求項３】
フォトニック結晶導波路の出力端の近傍のロッドの配列，若しくはロッド自体の形状，若しくはその両方を変化させてこのフォトニック結晶導波路の出力端の開口部を等価的に広げた構成としたことを特徴とする２次元フォトニック結晶導波路。
【請求項４】
少なくともフォトニック結晶導波路の出力端の近傍のロッド自体の形状を楔形に変形させることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の２次元フォトニック結晶導波路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フォトニック結晶導波路からの出力光の制御に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
フォトニック結晶は、屈折率の大きく異なる材料（半導体や誘電体など）を光（電磁波）の波長と同じ程度の周期で規則的に配列した人工の結晶で、光の伝播特性などを制御しようとするものである。
【０００３】
特に、フォトニックバンドギャップ（ＰＢＧ）と呼ばれる波長帯が出現するようにした結晶は、ＰＢＧが半導体の禁制帯に相当し、この領域では光はどの方向にも進むことができない性質を示す。
【０００４】
このフォトニック結晶中に規則性を壊す不純物を導入すると、半導体中の不純物準位と同じく、光はこの中を伝播できるようになる。これがいわゆるフォトニック結晶導波路（ＰＢＧ導波路）で、光閉じ込めが強く極微小半径で鋭角に曲がる導波路が作れることから光集積回路などへの応用が期待されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、従来のフォトニック結晶導波路は、例えば、半導体などの誘電体に正三角形の配置になるよう円筒の空孔（即ち、エアーロッド。以下、単純にロッドと呼ぶ。）を空けたフォトニック結晶のうち、一列の円筒部分を取り除くとこの部分に光が集中して導波することができるように構成したものであり、このフォトニック結晶導波路の出力端については、端面のロッド配置によって、図１（ａ）に図示した「Ｓｔｒａｉｇｈｔ１」や、図１（ｂ）に図示した「Ｓｔｒａｉｇｈｔ２」などのタイプがある。
【０００６】
しかしながら、従来、フォトニック結晶導波路から光を取り出して光ファイバやフォトダイオードなどに入力しようとすると、いったん一様な空気中に放射されるため回折によって大きく広がってしまい、光ファイバやフォトダイオード等との結合効率が著しく低下するという問題があった。実際、フォトニック結晶導波路の出力端は、通常、図１（ａ）若しくは図１（ｂ）のようなロッド配置であるが、出力端からのビーム放射パターンは、図２に図示したように、大きく広がっている（図１（ａ）のタイプでは５６度程度の範囲にわたる広いビームとなって放射され、図１（ｂ）のタイプでは、３５度程度の範囲にわたる広いビームとなって放射される。）。
【０００７】
本発明は、上述のような問題点を解決すべく、出力端付近のロッドの形状と配置を変化させてフォトニック結晶導波路の出力端を構成し、例えばこの出力端の開口を大きくするか、例えばこの出力端の開口を等価的に大きくすることで、回折による影響を小さくし、空気中へ出た光ビームの広がりを抑えられる画期的な２次元フォトニック結晶導波路を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
添付図面を参照して本発明の要旨を説明する。
【０００９】
フォトニック結晶導波路の出力端の近傍のロッドの配列，若しくはロッド自体の形状，若しくはその両方を変化させてこのフォトニック結晶導波路の出力端を構成したことを特徴とする２次元フォトニック結晶導波路に係るものである。
【００１０】
また、フォトニック結晶導波路の出力端の近傍のロッドの配列，若しくはロッド自体の形状，若しくはその両方を変化させてこのフォトニック結晶導波路の出力端の開口部を広げた構成としたことを特徴とする２次元フォトニック結晶導波路に係るものである。
【００１１】
また、フォトニック結晶導波路の出力端の近傍のロッドの配列，若しくはロッド自体の形状，若しくはその両方を変化させてこのフォトニック結晶導波路の出力端の開口部を等価的に広げた構成としたことを特徴とする２次元フォトニック結晶導波路に係るものである。
【００１２】
また、少なくともフォトニック結晶導波路の出力端の近傍のロッド自体の形状を楔形に変形させることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の２次元フォトニック結晶導波路に係るものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明は上述のように、フォトニック結晶導波路の出力端の近傍のロッドの配列，若しくはロッド自体の形状，若しくはその両方を変化させてこのフォトニック結晶導波路の出力端を構成したから、例えば、出力端の近傍のロッドの配列，若しくはロッド自体の形状，若しくはその両方を変化させて出力端の開口部を大きくした場合には、この端面の開口は導波路の幅に比べて、例えば数倍に大きくなっているので、その分回折の影響を小さくでき、よって、出力端からの出力光ビームの広がりを抑えることができる。
【００１４】
また、例えば、楔形ロッドを用いることによって、光ビームの径を滑らかに大きくすることができ、これは、電磁界のインピーダンスを導波路のインピーダンスから出力端開口のインピーダンスを経て外部空気のインピーダンスへと滑らかに効率よく変換したことに相当する。
【００１５】
次に、例えば、出力端の近傍のロッドの配列，若しくはロッド自体の形状，若しくはその両方を変化させて出力端の開口部を等価的に大きくした場合（例えば、楔形ロッドを複数本、テーパー状に楔尖端を導波路に向けて配置した構成とした場合）には、この部分から光は効率よく導波路外へテーパー状に漏れ出し、大きく広がって出力端に到達する。これは外部へ光が出射するときの開口が、等価的に大きくなったことに相当し、上述のように出力端の開口部を実際に大きくした場合と同様、開口部を等価的に大きくしたことにより、その分回折の影響を小さくでき、よって、出力光の広がりが押さえられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
好適と考える本発明の実施形態（発明をどのように実施するか）を、図面に基づいて本発明の作用を示して簡単に説明する。
【００１７】
フォトニック結晶導波路の出力端の近傍のロッドの配列，若しくはロッド自体の形状，若しくはその両方を変化させてこのフォトニック結晶導波路の出力端を構成する。
【００１８】
例えば、図４に図示したように、このフォトニック結晶導波路の出力端の出力口を大きくする。具体的には、出力端付近でロッド（エアーロッド）をテーパー状に取り去り、開口を徐々に大きくする。（更に具体的には、例えば、図４に図示したように、楔形のロッドを導波路と平行に長さを変えて上下に３本ずつ配置する。）。
【００１９】
これにより、導波路からこの変換部分に到達した光は楔形ロッドに沿って滑らかに広がり出力端面に到達する。
【００２０】
それに応じて回折の影響が小さくなり、よって、出力光ビームの広がりを小さく抑えることができる。
【００２１】
また、例えば、図６（ａ）、図６（ｂ）に図示したように、フォトニック結晶導波路の出力端の出力口を等価的に大きくする（具体的には、例えば図６に図示したように、楔形のロッドの尖端が導波路に向くように複数本ずつ（図６（ａ）では１２本、図６（ｂ）では１０本）上下に配置して、出力端付近で光が導波路から上下へ漏れ広がるようにしたものである。
【００２２】
このように、例えば、導波されてきた光が導波路外へ効率よく漏れ広がって出力端に到達するように構成することで、この部分から光は効率よく導波路外へテーパー状に漏れ出し、大きく広がって出力端に到達することとなる。即ち、これは外部へ光が出射するときの開口が、等価的に大きくなったことに相当し、このように等価的に大きな開口部を実現し、それに応じて回折の影響が小さくでき、よって、出力光ビームの広がりを小さく抑えることができる。
【００２３】
尚、例えば、光を効率よく導波路外へ漏れ出させるために上述のように楔形ロッドを用いたが、この場合、ロッドの大きさを一つ一つ変える必要はなく同じものを用いても十分目的を達成できる。このようにすると出力端面からの放射パターンは、例えば、図７（ａ）、図７（ｂ）に示すようになり、出力光ビームの広がりは１６度から１２度程度に抑えられる。
【００２４】
尚、上記のように例えば出力端の開口部を広げた構成とした場合と、例えば出力端の開口部を等価的に広げた構成とした場合とでは、光ビームの広がり方が異なる原因は次のように考えられる。
【００２５】
例えば出力端の開口部を広げた構成とした場合、テーパー状に広がっている部分にはロッドがなく図８に示すように出力端からの反射光と入射光が干渉することによって光の分布が乱れている。それに対し、例えば出力端の開口部を等価的に広げた構成とした場合、図９及び図１０に示すように光がテーパー状に漏れ出している部分にも楔形ロッドが在るので端面からの反射光と入射光が強く干渉することがなく平均的に分布している。この光分布の違いが出力光ビームの広がりの違い生じさせ、より均一な分布を持つ上記の例えば出力端の開口部を等価的に広げた構成の方がビーム広がりはより狭くなったと考えられる。
【実施例１】
【００２６】
本発明の具体的な実施例１について図面に基づいて説明する。
【００２７】
図４に示すように、三角格子エアーロッド２次元フォトニック結晶導波路の出力端付近で、通常の円形エアーロッドを複数本取り去り、周囲のロッドを楔形ロッドに変形する。
【００２８】
ロッドの形状を変える手段としては、図３（ａ）の通常の円形ロッドに図３（ｂ）の液滴型ロッドを重ねて図３（ｃ）の様な楔形ロッドに変形する。
【００２９】
このとき楔形ロッドの長さを変えて、導波路と平行かつ上下に対称に３本ずつ配置する。楔形ロッドの長さは導波路から離れるに従って長くなるように選んである。このようにしてロッドのない部分を出力端に向けてテーパー状に広げ、出力端での開口を大きくする。テーパーの広がり方は直線より放物線状とするのがよい。
【００３０】
このようにすると、導波路からこの変換部へ入ってきた光はテーパーに沿って広がるので出力端に到達したときは大きなビーム径になっている。従って大きなビーム径で外部へ放射され、その分出力光ビームの広がりは押さえられることになる。
【００３１】
実際に、その放射パターンをシミュレーションしてみると図５に示すようにビーム広がり角の半値幅が２１度程度に抑えられ、図２に示した通常の出力端からのビーム広がり角の半分以下になる。
【００３２】
また導波路の広がり方は、懐中電灯の反射鏡と同じように放物線状に広がるのが望ましいが、楔形ロッドを用いずに円形ロッドだけでこの広がりを実現するのは、多くのロッドの大きさと位置の微妙な調整が必要となり難しい。しかし、本実施例のように、楔形ロッドを用いてその長さを調整すれば、放物線状の広がりを簡単に実現できる。
【００３３】
また、使用する楔形ロッドの数と長さ等のパラメータを調整することによって出力光ビームの広がりを制御することができる。即ち、さらに、楔形ロッドの大きさ、楔先端の半径、楔の向きを調整すれば導波路の広がり方を制御できるので、出力光ビームの広がりを制御することが可能となる。この例では楔形ロッドの数は上下に３本ずつとしたが、出力ビームの広がりをさらに制御したいときには、本数を必要に応じて増減しそれらの長さを調整すれば良い。
【実施例２】
【００３４】
本発明の具体的な実施例２について図面に基づいて説明する。
【００３５】
図６（ａ）、図６（ｂ）に示すように、三角配置エアーロッド２次元フォトニック結晶導波路の出力端付近で、通常の円形エアーロッドを楔形ロッドに変形する。このとき楔形ロッドを、尖端が導波路に垂直に向くよう１０本または１２本、テーパー状に導波路の上下に配置する。このときの楔形ロッドは全て同じ形でよく、ひとつひとつ長さ等を調整する必要はない。
【００３６】
このようにすると、導波路からこの変換部に入ってきた光は楔形ロッドの部分で少しずつ外へ漏れだし出力端へは大きく広がって到達する。これは出力端の開口が、等価的に大きくなったことに相当し、その分出力光ビームの広がりが押さえられることになる。
【００３７】
使用する楔形ロッドの数と長さ等のパラメータを調整することによって出力光ビームの広がりを制御することができる。
【００３８】
実施例２と実施例１との相違は、出力端付近の変換部にロッドが在るか無いかである。出力端付近の変換部での光の分布の様子をシミュレーションしてみると、実施例１の分布が図８のようになっており、実施例２の分布が、図９及び図１０のようになっている。
【００３９】
図８ではテーパー状になっている変換部にロッドは無く、入射波と端面からの反射波が強く干渉して光の分布が乱れている。一方、図９、図１０では変換部にも楔形ロッドが在るので入射波と反射波は大きく干渉することはなく光の分布もさほど乱れていない。従って出力光ビームの広がりも実施例１よりも押さえられている。
【００４０】
尚、本発明は、実施例１，２に限られるものではなく、各構成要件の具体的構成は適宜設計し得るものである。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】従来の直線フォトニック結晶導波路の出力端を示す説明図である。
【図２】従来の直線フォトニック結晶導波路からの出力光の指向性を示す説明図である。
【図３】実施例１に係るフォトニック結晶導波路の楔形のロッドの形成法を示す説明図であって、（ａ）は通常の円形ロッドを示し、（ｂ）は、液滴形のロッドとそのパラメータを示し、（ｃ）は楔形ロッドを示す図である。
【図４】実施例１に係るフォトニック結晶導波路の出力端付近で、導波路の上下３列のロッドをテーパー状（野球のホームベース状）に取り除き、斜めになっている周囲のロッドを楔形ロッドに変え、その長さを導波路から離れるに従って長くした構成を示す説明図であって、ロッドの長さを変える割合は、楔形ロッドの先端が放物線状になるようにしている。
【図５】実施例１に係る２次元フォトニック結晶導波路の出力端からの出力光の指向性を示す説明図であって、出力ビームの広がりは２１度程度に抑えられていることを示している。
【図６】実施例２に係る２次元フォトニック結晶導波路の出力端付近で、導波路の上下１列のロッドを取り除きさらにその上下４列を三角形の範囲で、円形ロッドから楔形ロッドに変えた構成を示す説明図であって、楔形ロッドは全て同じもので、端面でのロッドの配置の異なる図６（ａ）の構成と、図６（ｂ）の構成とを示す。
【図７】実施例２の出力端からの出力光の指向性を示す説明図であって、図６（ａ）と、図６（ｂ）夫々の出力端から出力される光の放射角度依存性、即ち出力の角度とその方向の強さを計算した図であり、図７（ａ）は、図６（ａ）のタイプの出力端の指向性を示すものでありビーム広がりは１６度程度に抑えられていることを示し、図７（ｂ）は、図６（ｂ）のタイプの出力端の指向性を示すものでありビーム広がりは１２度程度に抑えられていることを示す。
【図８】実施例１の出力端付近の光の分布（導波路の形状も重ねて示されている）を示す説明図である。
【図９】実施例２の図６（ａ）のタイプの出力端付近の光の分布（導波路の形状も重ねて示されている）を示す説明図である。
【図１０】実施例２の図６（ｂ）のタイプの出力端付近の光の分布（導波路の形状も重ねて示されている）を示す説明図である。
【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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