(57)【要約】【課題】  反射損失の低減が十分に図られる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１０は、２つの第１の導波路領域２３ａ，２３ｂと１つの第２の導波路領域２４とによって構成される。第１の導波路２３ａ，２３ｂおよび第２の導波路２４には、それぞれ所定の開口径を有する複数の空孔２が形成され、第１の導波路２３ａにおける空孔２ａ〜２ｇは、信号光の進行方向に向かって開口径が徐々に小さくなるように形成され、第１の導波路２３ｂにおける空孔２ｇ〜２ａは、信号光の進行方向に向かって開口径が徐々に大きくなるように形成されている。空孔が形成されない欠陥を信号光の進行方向に沿って線状に配置させることによって、線欠陥導波路６が形成されている。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の信号光を入射させる入射端部と入射して伝播した信号光を出射する出射端部とを有するフォトニック結晶部材を用いたフォトニック結晶導波路であって、
前記フォトニック結晶部材に周期的に配置された複数の空孔を備え、
複数の前記空孔は、前記入射端部から信号光の伝播方向に沿って前記空孔の開口面積が徐々に異なるように形成された一連の第１空孔を含む、フォトニック結晶導波路。
【請求項２】
複数の前記空孔は、前記出射端部に向かって伝播する信号光の伝播方向に沿って前記空孔の開口面積が徐々に異なるように形成された一連の第２空孔を含む、請求項１記載のフォトニック結晶導波路。
【請求項３】
前記フォトニック結晶部材は、
前記信号光の入射側と出射側にそれぞれ配設される１対の第１の導波路領域と、
１対の前記第１の導波路領域によって挟まれるように配設された第２の導波路領域と
を含み、
前記一連の第１空孔は１対の前記第１の導波路領域のうちの一方の第１の導波路領域に配置されて、前記入射端部から前記第２の導波路領域に向かって前記一連の第１空孔の開口面積が徐々に小さくなるように設定され、
前記一連の第２空孔は１対の前記第１の導波路領域のうちの他方の第１の導波路領域に配置され、前記第２の導波路領域から前記出射端部に向かって前記一連の第２空孔の開口面積が徐々に大きくなるように設定された、請求項２記載のフォトニック結晶導波路。
【請求項４】
複数の前記空孔は、一連の前記第１空孔および前記第２空孔のうちの一番小さい開口面積よりも小さい所定の一定の開口面積を有して前記第２の導波路領域に配置された複数の第３空孔を含み、
複数の前記空孔は前記フォトニック結晶部材に２次元的に配置され、
前記フォトニック結晶部材は、複数の前記空孔のうち線状に空孔が形成されていない欠陥領域からなる線欠陥導波路領域を含む、請求項３記載のフォトニック結晶導波路。
【請求項５】
前記フォトニック結晶部材は、複数の前記空孔が１次元的に配列された細線導波路領域を含む、請求項３記載のフォトニック結晶導波路。
【請求項６】
前記細線導波路領域では、複数の前記空孔が信号光の入射側から出射側の全領域にわたって周期的に配置された、請求項５記載のフォトニック結晶導波路。
【請求項７】
複数の前記空孔のそれぞれの開口形状が長方形とされた、請求項３記載の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に関し、特に、二次元フォトニック結晶を用いたフォトニック結晶導波路に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、通信需要の爆発的な増加に伴ってネットワークの伝送速度は飛躍的に増大し、従来は導線によるネットワークが構築されてきた加入者系においても、光によるネットワークの構築が進んでいる。加入者系における光によるネットワーク構築には、通信機器のコストの低減や小型化のために、通信機器内部で用いられる光部品の小型化や高集積化が求められており、そのための研究開発が急速に進んでいる。
【０００３】
このような光部品を構成する基本構造である導波路としては、たとえばフォトニック結晶を用いたフォトニック結晶導波路がある。フォトニック結晶とは、屈折率の異なる２種類の材料を光の波長と同程度の周期で並べた構造体のことである。この構造体では、電子が固体結晶における周期的ポテンシャル分布により反射されて、電子のエネルギーに対するバンド構造が形成されるのと同様に、光子が周期的な屈折率分布により反射されて、光子のエネルギーに対するバンド構造が形成される。このバンド構造はフォトニックバンドギャップ（ＰＢＧ：Photonic Band Gap）と呼ばれる。
【０００４】
フォトニック結晶は、このフォトニックバンドギャップを含め、異方性および分散性という応用上３つの重要な特長を有している。フォトニック結晶導波路では、フォトニック結晶のこれらの特長を生かして、低損失を図り、媒質との高い相互作用が得られる構造が検討されてきた。
【０００５】
ところが、フォトニック結晶導波路では、入射端部および出射端部におけるフォトニック結晶導波路の屈折率がフォトニック結晶導波路の外部の媒質の屈折率と異なるため、フォトニック結晶導波路に外部から信号光を入射させる場合やフォトニック結晶導波路から外部へ出射させる場合には、その屈折率の差により境界面で反射損失が生じることになる。一般に、この反射損失を含めてすべての損失は伝送される信号光の波形の劣化を招くことになるため、信号光をエラー無しで伝送するには反射損失を低減することが重要となる。この反射損失は屈折率の差が大きいほど大きくなる。
【０００６】
したがって、空気中からフォトニック結晶導波路に信号光を入射させたり、フォトニック結晶導波路から外部の空気中へ信号光を出射させたりして、入出力を行なう場合には、フォトニック結晶導波路を構成する媒質の屈折率と空気の屈折率との差が非常に大きくなり、この反射損失は大きな問題となる。たとえば特許文献１および特許文献２には、このような反射損失を低減するための手法が提案されている。
【０００７】
特許文献１では、フォトニック結晶導波路の入射端部および出射端部に、フォトニック結晶からなる反射防止層が設けられている。反射防止層の厚さおよび有効屈折率を、反射防止層の前面と後面で生じる各々の反射波が互いに干渉して打ち消し合うように設定することによって、反射損失を低減している。なお、この反射防止層の厚さとは、信号光の伝播方向の厚さをいう。
【０００８】
また、特許文献２では、フォトニック結晶導波路として、周期構造が形成された２次元フォトニック結晶構造に線欠陥が導入された線欠陥導波路が用いられ、この線欠陥導波路に細線導波路を介して信号光を入射させる構造が提案されている。この場合、細線導波路と線欠陥導波路の境界面において反射損失が生じる。そのため、この反射損失を低減するために、細線導波路と線欠陥導波路との接続部分付近の線欠陥の両脇の形状を円を直線で切り取った形状とし、フォトニック結晶導波路の奥に入るにしたがってその切り取る面積を小さくしている。
【特許文献１】特開２００３−２７０４５８号公報
【特許文献２】特開２００４−１０１７４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、従来のフォトニック結晶導波路では次のような問題点があった。まず、特許文献１におけるフォトニック結晶導波路では、干渉によって反射波が打ち消されるようにフォトニック結晶からなる反射防止層の有効屈折率と厚さとを設定する必要がある。ところが、フォトニック結晶は周期的な構造を有しているため、厚さはこの単位周期の整数倍であることが必要となり、このため反射を完全に無くすための条件となる厚さを設定できない。このように、反射防止層が所望の厚さに設定されていない場合は、反射損失を十分に低減することができないという問題があった。
【００１０】
また、特許文献２におけるフォトニック結晶導波路では、線欠陥導波路に信号光を入射させるための細線導波路に関しては、反射損失を低減するための構造を備えていない。このため、細線導波路に信号光が入射する際に、信号光は大きな反射損失を受けてしまうとう問題がある。このように、従来のフォトニック結晶導波路では、反射損失を十分に抑えることができないという問題があった。
【００１１】
本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、反射損失の低減が十分に図られるフォトニック結晶導波路を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係るフォトニック結晶導波路は、所定の信号光を入射させる入射端部と入射して伝播した信号光を出射する出射端部とを有するフォトニック結晶部材を用いたフォトニック結晶導波路であって、フォトニック結晶部材に周期的に配置された複数の空孔を備えている。その複数の空孔は、入射端部から信号光の伝播方向に沿って空孔の開口面積が徐々に異なるように形成された一連の第１空孔を含んでいる。
【００１３】
この構造によれば、入射端部から信号光の伝播方向に沿って空孔の開口面積が徐々に異なるように一連の第１空孔が形成されていることによって、フォトニック結晶導波路の外部から入射してフォトニック結晶導波路を伝播する信号光に対して、信号光が伝播するにしたがって屈折率を徐々に異ならせることができる。これにより、外部と入射端部との境界において、外部の屈折率とフォトニック結晶導波路の入射端部側の屈折率との差をより縮めることができ、その結果、外部と入射端部との境界における反射損失をより低減することができる。
【００１４】
また、複数の空孔は、出射端部に向かって伝播する信号光の伝播方向に沿って空孔の開口面積が徐々に異なるように形成された一連の第２空孔を含んでいることが好ましい。
【００１５】
この場合には、フォトニック結晶導波路を出射端部に向かって伝播する信号光に対して、信号光が伝播するにしたがって屈折率を徐々に異ならせることができる。これにより、フォトニック結晶導波路の出射端部の屈折率と外部の屈折率との差をより縮めることができ、その結果、出射端部と外部との境界における反射損失をより低減することができる。
【００１６】
外部が屈折率１の空気の場合に、外部と入射側端部との界面における屈折率の差を小さくするとともに、出射側端部と外部との界面における屈折率の差を小さくするには、フォトニック結晶部材は、信号光の入射側と出射側にそれぞれ配設される１対の第１の導波路領域と、１対の第１の導波路領域によって挟まれるように配設された第２の導波路領域とを含み、一連の第１空孔は１対の第１の導波路領域のうちの一方の第１の導波路領域に配置されて、入射端部から第２の導波路領域に向かって一連の第１空孔の開口面積が徐々に小さくなるように設定され、一連の第２空孔は１対の第１の導波路領域のうちの他方の第１の導波路領域に配置され、第２の導波路領域から出射端部に向かって一連の第２空孔の開口面積が徐々に大きくなるように設定されていることが好ましい。
【００１７】
また、信号光として、フォトニックバンドギャップ内の波長を有する信号光をフォトニック結晶導波路を伝播させるには、複数の空孔は、一連の第１空孔および第２空孔のうちの一番小さい開口面積よりも小さい所定の一定の開口面積を有して第２の導波路領域に配置された複数の第３空孔を含み、複数の空孔はフォトニック結晶部材に２次元的に配置され、フォトニック結晶部材は、複数の空孔のうち線状に空孔が形成されていない欠陥領域からなる線欠陥導波路領域を含んでいることが好ましい。
【００１８】
この場合には、信号光は線欠陥導波路領域を伝播することになる。
さらに、信号光としてバンド構造内の波長を有する信号光をフォトニック結晶導波路を伝播させるには、フォトニック結晶部材は、複数の空孔が１次元的に配列された細線導波路領域を含んでいることが好ましい。
【００１９】
さらに、フォトニック結晶に起因するバンド構造に基づいて得られる分散性によって、信号光の群速度や媒質との相互作用を制御するには、細線導波路領域では、複数の空孔が信号光の入射側から出射側の全領域にわたって周期的に配置されていることが好ましい。
【００２０】
また、屈折率の変化をより大きくして境界面における屈折率の変化を緩和するには、空孔の開口形状として長方形が好ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
実施の形態１
本発明の実施の形態１に係るフォトニック結晶導波路として、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を用いた線欠陥導波路について説明する。図１に示すように、フォトニック結晶導波路１０は、２つの第１の導波路領域２３ａ，２３ｂと１つの第２の導波路領域２４とによって構成される。第１の導波路領域２３ａは、第２の導波路領域２４に対して信号光の進行方向（Ｚ軸方向）の入射側に位置し、第１の導波路領域２３ｂは、第２の導波路領域２４に対して信号光の出射側に位置する。第２の導波路領域２４は、第１の導波路領域２３ａと第１の導波路領域２３ｂとによって挟み込まれるように配設されている。
【００２２】
第１の導波路２３ａ，２３ｂおよび第２の導波路２４には、それぞれ所定の開口径を有する複数の空孔２が形成されている。その各空孔２は、図２および図３に示すように、シリコン基板２１上にシリコン酸化膜２２を介在させて形成されたシリコン層１に形成されている。
【００２３】
第１の導波路２３ａにおける空孔２ａ〜２ｇは、光の伝播方向（Ｚ軸方向）に沿って開口径が徐々に小さくなるように形成されている。一方、第１の導波路２３ｂにおける空孔２ｇ〜２ａは、信号光の伝播方向（Ｚ軸方向）に沿って開口径が徐々に大きくなるように形成されている。各空孔２ａ〜２ｇの開口径は、たとえば、空孔２ａ＝０．２７μｍ、空孔２ｂ＝０．２６μｍ、空孔２ｃ＝０．２５μｍ、空孔２ｄ＝０．２４μｍ、空孔２ｅ＝０．２３μｍ、空孔２ｆ＝０．２２μｍ、空孔２ｇ＝０．２１μｍとされる。そして、第２の導波路２４における空孔２ｈは、一定の開口径をもって形成され、その開口径は、たとえば、０．２０μｍとされる。また、Ｚ軸と直交する方向に沿って位置する各空孔２は、たとえば、図３に示すように、同じ開口径となるように形成されている。
【００２４】
図４に示すように、各空孔２は、正三角形（仮想の三角格子）の頂点に円形の空孔の中心が位置するように周期的に形成されている。フォトニック結晶導波路１０では、この周期（正三角形の一辺の長さ）は０．４０μｍとされる。そして、図５に示すように、このように周期的に配置されるべき空孔のうち、空孔が形成されていない部分がフォトニック結晶導波路における欠陥と称される。
【００２５】
このフォトニック結晶導波路１０では、図６に示すように、この欠陥を信号光の進行方向に沿って線状に配置させることによって、線欠陥導波路６が形成されている。線欠陥導波路６では、ＰＢＧ内に形成される線欠陥の準位に対応する波長を有する信号光（たとえば波長＝１５５０ｎｍ）が、線欠陥に沿って伝播することになる。本フォトニック結晶導波路１０は上記のように構成される。
【００２６】
次に、上述したフォトニック結晶導波路の製造方法について説明する。まず、図７に示すように、シリコン基板２１上に厚さ約３μｍ、屈折率約１．４のシリコン酸化膜２２を介在させて、厚さ約０．２５μｍ、屈折率３．５のシリコン層１が形成されたＳＯＩ基板が用意される。そのシリコン層１の表面にレジスト膜３０が塗布形成される。
【００２７】
次に、レジスト膜３０に通常のＥＢ（Electron Beam）による露光処理を施すことにより、図８に示すように、線欠陥を有する２次元フォトニック結晶構造を形成するためのパターンを有するレジスト膜３０ａが形成される。ここで、レジストパターンとしては、たとえば、図１に示される空孔を形成するためのパターンが形成される。
【００２８】
次に、図９に示すように、パターニングされたレジスト膜３０ａをマスクとして、シリコン層１に一般的なドライエッチングを施すことにより、シリコン酸化膜２２の表面を露出する空孔２が形成される。その後、図１０に示すように、残ったレジスト膜３０ａが所定の剥離液によって除去される。こうして、図１〜図３に示されるフォトニック結晶導波路１０が完成する。
【００２９】
上述したフォトニック結晶導波路１０では、たとえば屈折率１の空気中を伝播する所定の信号光がフォトニック結晶導波路１０の入射端部２３ａａから第１の導波路領域２３ａに入射する。第１の導波路領域２３ａに入射した信号光は、第１の導波路領域２３ａにおける線欠陥導波路６から第２の導波路領域における線欠陥導波路６を経て第１の導波路領域２３ｂにおける線欠陥導波路６を伝播し、出射端部２３ｂｂから再び外部の空気に出射される。
【００３０】
このとき、信号光が入射する第１の導波路領域２３ａでは、入射端部２３ａａから信号光の進行方向（Ｚ軸方向）に沿って、空孔２の開口径が徐々に小さくなっている。これにより、フォトニック結晶導波路１０の外部に位置する空気（屈折率１）を伝播して入射端部２３ａａからフォトニック結晶導波路１０内に入射し、フォトニック結晶導波路１０内を伝播する信号光に対して、第１の導波路領域２３ａでは信号光が伝播するにしたがって屈折率は徐々に大きくなる。
【００３１】
そのため、信号光が屈折率１の空気から第２の導波路領域の屈折率（有効屈折率）を有するフォトニック結晶導波路に直接入射する場合と比べて、外部と第１の導波路領域２３ａ（入射端部２３ａａ）との境界において、空気の屈折率と第１の導波路領域２３ａの屈折率との差をより縮めることができる。その結果、外部と第１の導波路領域２３ａとの境界における反射損失をより低減することができる。
【００３２】
また、第１の導波路領域２３ａと第２の導波路領域２４との境界２５では両者の屈折率の差がほとんどなくなり、反射損失を生じさせることなく第１の導波路領域２３から第２の導波路領域２４へ信号光を伝播させることができる。
【００３３】
さらに、第２の導波路領域２４と第１の導波路領域２３ｂとの境界２５においても両者の屈折率の差がほとんどなくなり、反射損失を生じさせることなく第２の導波路領域２４から第１の導波路領域２３ｂへ信号光を伝播させることができる。
【００３４】
そして、第１の導波路領域２３ｂでは、第１の導波路領域２３ａとは反対に、出射端部２３ｂｂへ向かって信号光が伝播するにしたがって屈折率は徐々に小さくなる。これにより、外部と第１の導波路領域２３ｂ（出射端部２３ｂｂ）との境界において、空気の屈折率と第１の導波路領域２３ｂの屈折率との差をより縮めることができて、外部と第１の導波路領域２３ｂとの境界における反射損失をより低減することができる。
【００３５】
また、上述したフォトニック結晶導波路の第１の導波路領域２３ａ，２３ｂに配置される空孔２においては、Ｚ軸方向と直交する方向には開口面積を一定にしたうえで、Ｚ軸方向に沿って開口面積が徐々に異なるように配置されている。これにより、Ｚ軸方向における屈折率の変化を明確に形成することができて、反射損失をより効果的に低減することができる。
【００３６】
上述したフォトニック結晶導波路１０の反射損失を評価したところ、反射損失はほぼ０ｄＢであることが確認された。これに対して、第１の導波路領域２３ａ，２３ｂを備えないフォトニック結晶導波路では反射損失が３ｄＢであり、上述したフォトニック結晶導波路１０では反射損失が大幅に低減できることが判明した。
【００３７】
なお、上述したフォトニック結晶導波路１０では、空孔２として開口形状が円形のものを例に挙げて説明した。開口形状としては円形に限られるものではなく、開口面積を徐々に異ならせることができる形状であれば、他の形状でもよい。特に、外部の媒質が空気の場合には、第１の導波路領域２３ａにおける入射側に配置される空孔の開口面積をより大きくすることで外部と第１の導波路領域２３ａとの境界における屈折率の差を小さくして、信号光が入射する際の反射損失をより低減することができる。また、同様に、第１の導波路領域２３ｂにおける出射側に配置される空孔の開口面積をより大きくすることで外部と第１の導波路領域２３ｂとの境界における屈折率の差を小さくして、信号光が出射する際の反射損失をより低減することができる。
【００３８】
また、円形の空孔２の開口径としては、周期構造の単位長さ（０．４０μｍ）よりも小さい空孔を配置した場合を例に挙げて説明したが、開口径をこの単位長さよりも大きく設定して、隣り合う空孔同士が繋がった構造としてもよい。この場合には、外部と第１の導波路領域２３ａ、２３ｂとの境界における屈折率の差がさらに小さくなって、信号光が入射する際の反射損失と出射する際の反射損失をそれぞれさらに低減することができる。
【００３９】
さらに、上記フォトニック結晶導波路１０の第１の導波路領域２３ａ，２３ｂでは、Ｚ軸方向に沿って７つの空孔２が配置されているように、Ｚ軸方向の長さを７周期分とした場合を例に挙げて説明した。第１の導波路領域２３ａ，２３ｂのＺ軸方向の長さとしては、反射損失の低減効果が得られるのであれば、この周期に限られるものではない。
【００４０】
また、フォトニック結晶導波路１０を伝播させる信号光として、波長１５５０ｎｍの信号光を例に挙げて説明したが、信号光としては、光通信用の波長域（１３００ｎｍ〜１６００ｎｍ程度）の信号光を伝播させることができる。
【００４１】
また、上述したフォトニック結晶導波路１０では、ＳＯＩ基板のシリコン層１に線欠陥導波領域を形成した場合を例に挙げて説明したが、クラッド層とそのクラッド層の屈折率よりも高い屈折率を有する導波路層とによって信号光を閉じ込めて、導波路層がフォトニック結晶構造を形成することができる部材であれば、他の材料を適用してもよい。
【００４２】
実施の形態２
前述したフォトニック結晶導波路では、光導波路として線欠陥導波路を用いてフォトニックバンドギャップ内の波長を有する信号光を伝播させる場合について説明した。ここでは、フォトニック結晶導波路としてシリコン細線導波路を例に挙げて説明する。シリコン細線導波路では、光導波路にフォトニック結晶が形成されるため、信号光としては、フォトニックバンドギャップ内ではなく、バンド構造内の波長を有する信号光が伝播されることになる。
【００４３】
図１１に示すように、フォトニック結晶導波路１０は、２つの第１の導波路領域２３ａ，２３ｂと１つの第２の導波路領域２４とからなるシリコン細線導波路７によって構成される。２つの第１の導波路領域２３ａ，２３ｂのそれぞれには、複数の空孔３が１次元的に配置されている。シリコン細線導波路７の幅Ｗは約０．５０μｍとされる。各空孔３は、図１２に示すように、シリコン基板２１上にシリコン酸化膜２２を介在させて形成されたシリコン層１に形成されている。
【００４４】
第１の導波路２３ａにおける空孔３ａ〜３ｊは、信号光の伝播方向（Ｚ軸方向）に沿って開口径が徐々に小さくなるように形成されている。一方、第１の導波路２３ｂにおける空孔３ｊ〜３ａは、信号光の伝播方向（Ｚ軸方向）に沿って開口径が徐々に大きくなるように形成されている。各空孔３ａ〜３ｊの開口径は、たとえば、空孔３ａ＝０．３４μｍ、空孔３ｂ＝０．３１μｍ、空孔３ｃ＝０．２８μｍ、空孔３ｄ＝０．２５μｍ、空孔３ｅ＝０．２２μｍ、空孔３ｆ＝０．１９μｍ、空孔３ｇ＝０．１６μｍ、空孔３ｈ＝０．１３μｍ、空孔３ｉ＝０．１０μｍ、空孔３ｊ＝０．０７μｍとされる。また、空孔の周期（隣接する空孔間の長さ）Ｌは０．４５μｍとされる。
【００４５】
上述したフォトニック結晶導波路１０では、所定の信号光として、バンド構造内の波長を有するたとえば波長１３００ｎｍの信号光が、屈折率１の空気を伝播し、フォトニック結晶導波路１０の入射端部２３ａａから第１の導波路領域２３ａに入射する。第１の導波路領域２３ａに入射した信号光は、第１の導波路領域２３ａから第２の導波路領域２４を経て第１の導波路領域２３ｂを伝播し、出射端部２３ｂｂから再び外部の空気に出射される。
【００４６】
このとき、信号光が入射する第１の導波路領域２３ａでは、入射端部２３ａａから信号光の進行方向（Ｚ軸方向）に沿って、空孔２の開口径が徐々に小さくなっている。これにより、フォトニック結晶導波路１０の外部に位置する空気（屈折率１）を伝播して入射端部２３ａａからフォトニック結晶導波路１０内に入射し、フォトニック結晶導波路１０内を伝播する信号光に対して、第１の導波路領域２３ａでは信号光が伝播するにしたがって屈折率は徐々に大きくなる。
【００４７】
そのため、信号光が屈折率１の空気から第２の導波路領域の屈折率（有効屈折率）を有するフォトニック結晶導波路に直接入射する場合と比べて、外部と第１の導波路領域２３ａ（入射端部２３ａａ）との境界において、空気の屈折率と第１の導波路領域２３ａの屈折率との差をより縮めることができる。その結果、外部と第１の導波路領域２３ａとの境界における反射損失をより低減することができる。
【００４８】
また、第１の導波路領域２３ａと第２の導波路領域２４との境界２５では両者の屈折率の差がほとんどなくなり、反射損失を生じさせることなく第１の導波路領域２３から第２の導波路領域２４へ信号光を伝播させることができる。
【００４９】
さらに、第２の導波路領域２４と第１の導波路領域２３ｂとの境界２５においても両者の屈折率の差がほとんどなくなり、反射損失を生じさせることなく第２の導波路領域２４から第１の導波路領域２３ｂへ信号光を伝播させることができる。
【００５０】
そして、第１の導波路領域２３ｂでは、第１の導波路領域２３ａとは反対に、出射端部２３ｂｂへ向かって信号光が伝播するにしたがって屈折率は徐々に小さくなる。これにより、外部と第１の導波路領域２３ｂ（出射端部２３ｂｂ）との境界において、空気の屈折率と第１の導波路領域２３ｂの屈折率との差をより縮めることができて、外部と第１の導波路領域２３ｂとの境界における反射損失をより低減することができる。
【００５１】
上述したフォトニック結晶導波路１０の反射損失を評価したところ、反射損失はほぼ０ｄＢであることが確認された。これに対して、第１の導波路領域２３ａ，２３ｂを備えないフォトニック結晶導波路では反射損失が３ｄＢであり、上述したフォトニック結晶導波路１０では反射損失が大幅に低減できることが判明した。
【００５２】
なお、上記フォトニック結晶導波路１０の第１の導波路領域２３ａ，２３ｂでは、Ｚ軸方向に沿って１０個の空孔２が配置されているように、Ｚ軸方向の長さを１０周期分とした場合を例に挙げて説明した。第１の導波路領域２３ａ，２３ｂのＺ軸方向の長さとしては、反射損失の低減効果が得られるのであれば、この周期に限られるものではない。
【００５３】
また、上述したフォトニック結晶導波路１０では、ＳＯＩ基板のシリコン層１に細線導波路領域を形成した場合を例に挙げて説明したが、クラッド層とそのクラッド層の屈折率よりも高い屈折率を有する導波路層とによって信号光を閉じ込めて、導波路層がフォトニック結晶構造を形成することができる部材であれば、他の材料を適用してもよい。
【００５４】
実施の形態３
ここでは、フォトニック結晶導波路としてシリコン細線導波路の他の例に挙げて説明する。図１３に示すように、フォトニック結晶導波路１０は、２つの第１の導波路領域２３ａ，２３ｂと１つの第２の導波路領域２４とからなるシリコン細線導波路８によって構成される。そして、このフォトニック結晶導波路１０では、２つの第１の導波路領域２３ａ，２３ｂのそれぞれには、複数の空孔４が１次元的に配置され、さらに、第２の導波路領域２４にも複数の空孔４が１次元的に配置されている。そのシリコン細線導波路８の幅Ｗは約０．５０μｍとされる。各空孔４は、図１４に示すように、シリコン基板２１上にシリコン酸化膜２２介在させて形成されたシリコン層１に形成されている。
【００５５】
第１の導波路２３ａにおける空孔４ａ〜４ｇは、信号光の伝播方向（Ｚ軸方向）に沿って開口径が徐々に小さくなるように形成されている。一方、第１の導波路２３ｂにおける空孔４ｇ〜４ａは、信号光の伝播方向（Ｚ軸方向）に沿って開口径が徐々に大きくなるように形成されている。各空孔４ａ〜４ｇの開口径は、たとえば、空孔４ａ＝０．３４μｍ、空孔４ｂ＝０．３２μｍ、空孔４ｃ＝０．３０μｍ、空孔４ｄ＝０．２８μｍ、空孔４ｅ＝０．２６μｍ、空孔４ｆ＝０．２４μｍ、空孔４ｇ＝０．２２μｍとされ、そして、空孔４ｈ＝０．２０μｍとされる。また、空孔の周期（隣接する空孔間の長さ）は０．４５μｍとされる。
【００５６】
上述したフォトニック結晶導波路１０では、２つの第１の導波路領域２３ａ，２３ｂと１つの第２の導波路領域２４のそれぞれに空孔４が１次元的に配置され、シリコン細線導波路の全体（全長）にわたって、１次元フォトニック結晶構造が形成されている。このフォトニック結晶導波路にバンド構造内の波長を有する信号光を伝播させる場合には、このフォトニック結晶に起因するバンド構造に基づいて得られる様々な分散性により、信号光の群速度や媒質との相互作用を制御することが可能となる。
【００５７】
すなわち、フォトニック結晶の構造によってバンドの曲がりが変わり、そのバンドの曲がりは屈折率に対応するため、フォトニック結晶の構造によって屈折率をさまざまに変えることができる。こうして、屈折率の大きさを変えられることで、光の群速度を変えることができ、媒質との相互作用を制御することができる。この場合、入射した信号光の光強度が大きいと非線形な相互作用の効果が増大し、この非線形相互作用が光信号処理として利用される。したがって、十分に高い光強度により強い非線形相互作用を得るために、入射端部および出射端部における反射損失を低減することは重要になる。
【００５８】
上述したフォトニック結晶導波路１０では、信号光が入射する第１の導波路領域２３ａでは入射端部２３ａａから信号光の進行方向（Ｚ軸方向）に沿って、空孔４の開口径が徐々に小さくなっている。これにより、フォトニック結晶導波路１０の外部に位置する空気（屈折率１）を伝播して入射端部２３ａａからフォトニック結晶導波路１０内に入射し、フォトニック結晶導波路１０内を伝播する信号光に対して、第１の導波路領域２３ａでは信号光が伝播するにしたがって屈折率は徐々に大きくなる。
【００５９】
その結果、外部と第１の導波路領域２３ａ（出射端部２３ｂｂ）との境界において、空気の屈折率と第１の導波路領域２３ａの屈折率との差がより縮められて、外部と第１の導波路領域２３ａとの境界における反射損失をより低減することができる。
【００６０】
また、第１の導波路領域２３ａと第２の導波路領域２４との境界２５では両者の屈折率の差がほとんどなくなり、反射損失を生じさせることなく第１の導波路領域２３から第２の導波路領域２４へ信号光を伝播させることができる。
【００６１】
さらに、第２の導波路領域２４と第１の導波路領域２３ｂとの境界２５においても両者の屈折率の差がほとんどなくなり、反射損失を生じさせることなく第２の導波路領域２４から第１の導波路領域２３ｂへ信号光を伝播させることができる。
【００６２】
そして、第１の導波路領域２３ｂでは、第１の導波路領域２３ａとは反対に、出射端部２３ｂｂへ向かって信号光が伝播するにしたがって屈折率は徐々に小さくなる。その結果、外部と第１の導波路領域２３ｂ（出射端部２３ｂｂ）との境界において、空気の屈折率と第１の導波路領域２３ｂの屈折率との差がより縮められて、外部と第１の導波路領域２３ｂとの境界における反射損失をより低減することができる。
【００６３】
変形例
次に、上述したフォトニック結晶導波路の変形例について説明する。上述したフォトニック結晶導波路の空孔の平面形状が略円形であるのに対して、変形例に係るフォトニック結晶導波路１０では、図１５および図１６に示すように、シリコン層１に形成される空孔５の平面形状は矩形とされる。矩形状の各空孔のＺ軸方向の長さは、上述したフォトニック結晶導波路に形成された対応する円形状の各空孔４の直径と同じ長さに設定されている。また、矩形状の各空孔５のＺ軸と直交する方向の長さは、シリコン細線導波路の幅Ｗと同じ長さに設定されている。すなわち、変形例に係るフォトニック結晶導波路１０では、シリコン細線導波路に間隙が形成されていることになる。
【００６４】
特に、変形例に係るフォトニック結晶導波路１０では、空孔５の平面形状を矩形状にすることによって、円形の空孔と比べて空孔５の領域（面積）が増加する。これにより、第１の導波路領域２３ａ，２３ｂにおける屈折率の変化の幅をより大きくすることができ、第１の導波路領域２３ａ，２３ｂと空気との境界における屈折率の差がさらに縮まって、境界面における屈折率の急峻な変化をより緩和することができる。
【００６５】
なお、変形例に係るフォトニック結晶導波路では、矩形状の各空孔のＺ軸と直交する方向の長さを、シリコン細線導波路の幅と同じ長さに設定した場合を例に挙げて説明した。フォトニック結晶導波路としては、空孔の面積をＺ軸方向に沿って徐々に変化させることができれば、空孔の長さをシリコン細線導波路の幅よりも短く設定してもよい。また、空孔の平面形状を正方形となるように空孔を形成してもよい。
【００６６】
今回開示された実施の形態は例示にすぎず、これに制限されるものではない。本発明は上記で説明した範囲ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の実施の形態１に係るフォトニック結晶導波路の平面図である。
【図２】同実施の形態において、図１に示す断面線ＩＩ−ＩＩにおける断面図である。
【図３】同実施の形態において、図１に示す断面線ＩＩＩ−ＩＩＩにおける断面図である。
【図４】同実施の形態において、空孔の配置を説明するための部分平面図である。
【図５】同実施の形態において、欠陥を説明するための部分平面図である。
【図６】同実施の形態において、線欠陥導波路を説明するための平面図である。
【図７】同実施の形態において、フォトニック結晶導波路の製造方法の一工程を示す断面図である。
【図８】同実施の形態において、図７に示す工程の後に行われる工程を示す断面図である。
【図９】同実施の形態において、図８に示す工程の後に行われる工程を示す断面図である。
【図１０】同実施の形態において、図９に示す工程の後に行われる工程を示す断面図である。
【図１１】本発明の実施の形態２に係るフォトニック結晶導波路の平面図である。
【図１２】同実施の形態において、図１１に示す断面線ＸＩＩ−ＸＩＩにおける断面図である。
【図１３】本発明の実施の形態３に係るフォトニック結晶導波路の平面図である。
【図１４】同実施の形態において、図１３に示す断面線ＸＩＶ−ＸＩＶにおける断面図である。
【図１５】同実施の形態において、変形例に係るフォトニック結晶導波路の平面図である。
【図１６】同実施の形態において、図１５に示す断面線ＸＶＩ−ＸＶＩにおける断面図である。
【符号の説明】
【００６８】
１  シリコン層、２，３，４，５  空孔、６  線欠陥導波路、７，８，９  シリコン細線導波路、１０  フォトニック結晶導波路、２１  シリコン基板、２２  シリコン酸化膜、２３ａ，２３ｂ  第１の導波路領域、２４  第２の導波路路領域、２５  境界面。
【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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