(57)【要約】【課題】フォトニック結晶共振器における発振モードが削減できるようにする。【解決手段】フォトニック結晶本体１０３に互いに離間して形成された２つの共振器１０６と、２つの共振器１０６と光結合可能な間隔とされて２つの共振器１０６の配置方向と平行に配置されたコア１０４よりなる光導波路とを備える。コア１０４は、線欠陥から構成している。また、コア１０４には、基部１０１とは屈折率の異なる材料から構成された媒質部１０５が埋め込まれている。【選択図】  図１
2017010974.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基部および前記基部に対象とする光の波長以下の間隔で周期的に設けられて前記基部とは異なる屈折率の柱状の複数の格子要素を備える板状のフォトニック結晶本体と、
前記フォトニック結晶本体に互いに離間して形成された２つの共振器と、
２つの前記共振器と光結合可能な間隔とされて２つの前記共振器の配置方向と平行に配置された光導波路と
を備えるフォトニック結晶結合共振器。
【請求項２】
請求項１記載のフォトニック結晶結合共振器において、
前記共振器は、点欠陥から構成されていることを特徴とするフォトニック結晶結合共振器。
【請求項３】
請求項１記載のフォトニック結晶結合共振器において、
前記共振器は、前記基部とは異なる屈折率の部分から構成されていることを特徴とするフォトニック結晶結合共振器。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載のフォトニック結晶結合共振器において、
前記光導波路は、前記フォトニック結晶本体に形成された線欠陥から構成されていることを特徴とするフォトニック結晶結合共振器。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか１項に記載のフォトニック結晶結合共振器において、
前記光導波路は、前記フォトニック結晶本体より離間して配置されたコア構造から構成されていることを特徴とするフォトニック結晶結合共振器。
【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たフォトニック結晶結合共振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、インターネットにおける爆発的なトラフィックの増加に対応するため、ノード間を結ぶ伝送には光が用いられ、低損失性を生かして大容量化が実現されている。また、ボード間、ラック間と言った近距離の伝送においても、光の高速性を生かして電気の配線の置き換えが進んでいる。更には、ＬＳＩ（Large Scale Integration）のチップ間、チップ内においても、電気配線のボトルネックが指摘され、光による配線の可能性の検討が進められている。このような光配線の光源として、マイクロキャビティレーザが用いられている。マイクロキャビティレーザは、大規模な光集積回路あるいはＬＳＩとの集積化を目指したミクロンオーダのサイズのレーザである。
【０００３】
このような中で、フォトニック結晶共振器を持つマイクロキャビティレーザが、注目を集めている（非特許文献１，非特許文献２，非特許文献３参照）。特に、非特許文献２では、非特許文献１などに示されたデバイスにおいて現れる、デバイスの温度上昇とキャリアの拡散という特性低下の２つの主要因を、埋め込みヘテロ（buried heterostructure；ＢＨ）構造により解消する手段が提案されている。
【０００４】
更に、ＢＨ構造を用いたレーザをフォトニック結晶線欠陥光導波路と結合させることにより、面内光出力も可能とする構造が提案されている（非特許文献３参照）。フォトニック結晶を用いたマイクロキャビティレーザは、将来の平面光集積回路用の光源として有望視されている。また、同類の構造が光メモリなど光情報処理用のデバイスとしても注目を集めている（非特許文献４参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】K. Nozaki et al., "Room temperature continuous wave operation and controlled spontaneous emission in ultrasmall photonic crystal nanolaser", Optics Express, vol.15, no.12, pp.7506-7514, 2007.
【非特許文献２】S. Matsuo et al., "High-speed ultracompact buried heterostructure photonic-crystal laser with 13 fJ of energy consumed per bit transmitted", Nature Photonics, vol.4, pp.648-654, 2010.
【非特許文献３】S. Matsuo et al., "20-Gbit/s directly modulated photonic crystal nanocavity laser with ultra-low power consumption", Opt. Express, vol.19, no.3, pp.2242-2250, 2011.
【非特許文献４】K. Nozaki et al., "Ultralow-power all-optical RAM based on nanocavities", Nature Photonics, vol.6, pp.248-252, 2012.
【非特許文献５】E. Kuramochi et al., "Ultrahigh-Q photonic crystal nanocavities realized by the local width modulation of a line defect", Applied Physics Letters, vol.88, 041112, 2006.
【非特許文献６】B. Song et al., "Ultra-high-Q photonic double-heterostructure nanocavity", Nature Materials, vol.4, pp.207-201. 2005.
【非特許文献７】Y. Akahane et al., "High-Q photonic nanocavity in a two-dimensional photonic crystal", Nature, vol.425, pp.944-947, 2003.
【非特許文献８】S. Kocaman et al., "Observations of temporal group delays in slow-light multiple coupled  photonic crystal cavities", Applied Physics Letters, vol.96, 221111, 2010.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、非特許文献２〜４に開示されているＢＨ構造では、レーザの出力パワーを上げるためには、体積の大きなＢＨ構造を用いることになる。しかしながら、体積の大きなＢＨ構造では、共振器が複数の共鳴モードを有する状態となる。この結果、マルチモード発振となってしまうか、あるいは、単一モードで発振しても、どのモードが発振するか不確定となるなどの問題が生じてしまう。このように、フォトニック結晶を用いた従来のフォトニック結晶共振器では、共振部を構成している媒質部の体積を大きくすると、複数の発振（共鳴）モードが存在する状態となるという問題があった。
【０００７】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、フォトニック結晶共振器における発振モードが削減できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係るフォトニック結晶結合共振器は、基部および基部に対象とする光の波長以下の間隔で周期的に設けられて基部とは異なる屈折率の柱状の複数の格子要素を備える板状のフォトニック結晶本体と、フォトニック結晶本体に互いに離間して形成された２つの共振器と、２つの共振器と光結合可能な間隔とされて２つの共振器の配置方向と平行に配置された光導波路とを備える。
【０００９】
上記フォトニック結晶結合共振器において、共振器は、点欠陥から構成されていればよい。また、共振器は、基部とは異なる屈折率の部分から構成されていてもよい。
【００１０】
上記フォトニック結晶結合共振器において、光導波路は、フォトニック結晶本体に形成された線欠陥から構成されていればよい。また、光導波路は、フォトニック結晶本体より離間して配置されたコア構造から構成されていてもよい。
【００１１】
以上説明したことにより、本発明によれば、フォトニック結晶共振器における発振モードが削減できるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１におけるフォトニック結晶結合共振器の構成を示す平面図（ａ）および断面図（ｂ）である。
【図２Ａ】図２Ａは、本発明の実施の形態１のフォトニック結晶結合共振器における共鳴スペクトルを示す特性図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、図２Ａに現れる２つの共鳴ピーク（ａ），（ｂ）における磁界フィールド分布を示す分布図である。
【図３】図３は、ＤＢＲレーザ用共振器の構造（ａ）と、本発明におけるフォトニック結晶結合共振器の構造（ｂ）との違いを説明するための説明図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態１におけるフォトニック結晶結合共振器の光透過特性を示す特性図である。
【図５】図５は、本発明の実施の形態１におけるフォトニック結晶結合共振器の、２つの共振器１０６における共振器内光強度の特性を示す特性図である。
【図６】図６は、本発明の実施の形態１におけるフォトニック結晶結合共振器の光導波路の幅（Ｗ［ｘＷ0］）と２つの共振器間の位相差Δθとの関係を示す特性図である。
【図７】図７は、（ａ）共振器が１つの場合、（ｂ）共振器が２つで一方の共振器から光を励起した場合、（ｃ）共振器が２つで両方からΔθ＝０で励起した場合、（ｄ）共振器が２つで両方からΔθ＝πで励起した場合の各々におけるスペクトルを示す特性図である。
【図８Ａ】図８Ａは、本発明の実施の形態２におけるフォトニック結晶結合共振器の構成を示す斜視図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、本発明の実施の形態２におけるフォトニック結晶結合共振器の構成を示す平面図である。
【図９】図９は、本発明の実施の形態１におけるフォトニック結晶結合共振器の一方の共振器８０６とコア構造８０４による光導波路の間の光結合の強さ（Ｑ値）とコア構造８０４の幅Ｗとの関係（ａ），および光導波路の幅Ｗと２つの共振器間の位相差Δθとの関係を示す特性図（ｂ）である。
【図１０Ａ】図１０Ａは、Δθ＝πのモードが現れるＬ＝１７ａ，Ｗ＝３５２．５ｎｍの条件下において、（ａ）共振器が１つの場合、（ｂ）共振器が２つで一方の共振器から光を励起した場合、（ｃ）共振器が２つで両方からΔθ＝０で励起した場合、（ｄ）共振器が２つで両方からΔθ＝πで励起した場合の各々におけるスペクトルを示す特性図である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、コア構造８０４による光導波路への閉じ込めモードの磁界フィールド分布（ａ）、および共振器８０６への閉じ込めモードの磁界フィールド分布を示す分布図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【００１４】
［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１について、図１を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態１におけるフォトニック結晶結合共振器の構成を示す平面図（ａ）および断面図（ｂ）である。図１の（ｂ）は、コア１０４の延在方向におけるコア１０４の中心線を通る断面を示している。
【００１５】
このフォトニック結晶結合共振器は、基部１０１および基部１０１に形成された柱状の複数の格子要素１０２を備える板状のフォトニック結晶本体１０３を備える。格子要素１０２は、対象とする光の波長以下の間隔で周期的に基部１０１に設けられている。また、格子要素１０２は、屈折率が基部１０１とは異なる。複数の格子要素１０２は、例えば平面視で三角格子状に配列している。
【００１６】
また、実施の形態１におけるフォトニック結晶結合共振器は、フォトニック結晶本体１０３の中央部を通過して所定の方向に直線状に延在して格子要素１０２が形成されていないコア１０４を備える。実施の形態１において、コア１０４は、線欠陥から構成している。また、コア１０４には、基部１０１とは屈折率の異なる材料から構成された媒質部１０５が埋め込まれている。
【００１７】
なお、媒質部１０５と基部１０１との屈折率の大小関係は、格子要素１０２と基部１０１との屈折率の大小関係とは逆にされている。屈折率の大小関係が、基部１０１＞格子要素１０２であるなら、基部１０１＜媒質部１０５となっていればよい。また、基部１０１＜格子要素１０２であるなら、基部１０１＞媒質部１０５となっていればよい。
【００１８】
また、このフォトニック結晶結合共振器は、フォトニック結晶本体１０３に互いに離間して形成された２つの共振器１０６を反射部として備える。実施の形態１において、共振器１０６は、格子要素１０２が形成されていない点欠陥から構成している。共振器１０６は、フォトニック結晶共振器である。このように構成した２つの共振器１０６と光結合可能な間隔とされて、２つの共振器１０６の配置方向と平行にコア１０４（光導波路）は配置されている。なお、共振器１０６は、点欠陥に限らず、コア１０４とは異なる箇所に設けた線欠陥の幅を部分的に変調した構成としても良い（非特許文献５，６参照）。
【００１９】
実施の形態１では、反射部となる２つの共振器１０６に挾まれた領域におけるコア１０４による光導波路が、結合共振器部１２１となる。実施の形態１においては、結合共振器部１２１に光が閉じ込められるようになる。なお、媒質部１０５は、共振器１０６に設けられていてもよく、あるいはコア１０４および共振器１０６の両方に設けられていてもよい。
【００２０】
例えば、基部１０１は、ＩｎＰから構成され、格子要素１０２は、例えば、基部１０１を表面側から裏面側に貫通する円筒形状の貫通孔であり、空気から構成されている。例えば、格子要素１０２の直径は、２００ｎｍとされ、格子要素１０２の周期間隔（格子定数）は４２２ｎｍとされ、基部１０１の厚さは２４５．４ｎｍとされている。なお、コア１０４による光導波路の導波路幅は、格子定数の√３倍となる。また、媒質部１０５を、ＩｎＧａＡｓ層からなるコア層（量子井戸層）の上下を、ＩｎＧａＡｓＰからなるクラッド層（障壁層）で覆った構成の活性媒質とすれば、本フォトニック結晶結合共振器によりレーザが構成できる。
【００２１】
次に、上述したフォトニック結晶結合共振器における共鳴スペクトルについて、図２Ａ，図２Ｂを用いて説明する。図２Ａは、フォトニック結晶結合共振器における共鳴スペクトルを示す特性図である。下側のスペクトルは、上側のスペクトルから光子寿命の長い（閉じ込めの強い）モードを抽出したものである。
【００２２】
図２Ａに示すように、下側のスペクトルに２つの強い共鳴ピークが出現している。図２Ｂは、図２Ａに現れる２つの共鳴ピーク（ａ），（ｂ）における磁界フィールド分布を示す分布図である。短波長側の共鳴ピーク（ａ）は、２つの共振器１０６の干渉効果により、コア１０４による光導波路の結合共振器部１２１と２つの共振器１０６とに光を閉じ込めるモードに対応する。また、長波長側の共鳴ピーク（ｂ）は、コア１０４による光導波路のスローライト効果によるモードに対応する。
【００２３】
非特許文献２〜７に示されるようなフォトニック結晶線欠陥をベースにする共振器の共鳴モードは、線欠陥光導波路のスローライト効果が現れる帯域に多く存在する。この帯域における光導波路の群屈折率は１００程度であることから、共振器長が格子定数の１０倍程度であっても、縦モードの間隔が数ｎｍ程度となり、マルチモード発振を回避することが困難である。これに対し、共振器長を更に短くすれば、共鳴波長をスローライト帯域から離れたところに設定でき、かつ共振器長が短いことから、縦モード間隔を広げることができる。しかしながらこの構成では、共振器長が短くなりすぎ、レーザに適用する場合、出力パワーが低下するという問題がある。
【００２４】
上述したことに対し、実施の形態１では、２つの共振器１０６の共鳴効果をミラー（反射部）として用いることで、共振器１０６で挾まれる領域を結合共振器１２１として機能させる。このとき結合共振器部１２１を構成する光導波路は、光導波路を通して共振器間を行き来する光の位相が、共振器内で一致する条件を満たす長さとなっている。
【００２５】
実施の形態１では、共振器１０６の共鳴波長をスローライト効果の現れる帯域から離れたところに設定できるため、上述のモード間隔が狭くなる問題を回避することが可能となる。さらに、共振器１０６の共鳴帯域を極めて狭くできるため、結合共振器部１２１に光を閉じ込める波長帯域もきわめて狭くでき、この帯域に収まるスペクトル（図２Ａ下側の短波長側のスペクトルピーク付近）のみを残し、これ以外は共振器部１２１から漏れていく状態とすることができる。
【００２６】
実施の形態１において、共振器１０６で挟まれる結合共振器部１２１の導波路長から類推される縦モード間隔Δλは、３０ｎｍ程度（Δλ＝λ2／２ｎＬ，格子定数ａ＝４２２ｎｍ，共振器１０６で挟まれる導波路長Ｌ＝２４ａ，屈折率ｎ＝３．４、波長λ＝１４８０ｎｍ）であり、これはスローライト効果の現れる群屈折率が１００程度の帯域に比べ明らかに広い。
【００２７】
加えて、ミラーとして用いる共振器１０６の共鳴モード帯域がこの縦モード間隔よりも狭いため、共鳴モード帯域内に存在できる縦モードは多くても１つに限定され、その他のモードは結合共振器部１２１から漏れてしまう。さらに導波路長で決まる共鳴周波数と共振器１０６の共鳴周波数が合致しないと結合共振器部１２１の共鳴モードとして成立しないため、共振器１０６が複数の共鳴周波数を有する場合においても、モードの数が極めて制限される。
【００２８】
一方、スローライト効果によるモードは、共振器１０６に関係なく、図２Ｂの（ｂ）に示すように、ゆるく光を閉じ込めることができるが、この閉じ込め効果は共振器１０６をミラーとして用いる図２Ｂの（ａ）に示す場合よりも弱いため、レーザ発振への貢献は小さい。
【００２９】
つまりレーザ発振に寄与するモードとしては、スローライト効果によるモード（図２（ｂ））を除外し共振器１０６ではさまれる結合共振器部１２１に閉じ込められる結合共鳴モード（図２の（ａ））のみに着目すればよく、その縦モード間隔は、従来のフォトニック結晶線欠陥をベースとする共振器の共鳴モードの縦モード間隔よりもはるかに広い帯域で単一モード条件を達成することができる。また、高い反射率と長い共振器長はレーザ発振線幅を狭くする効果も期待できる。
【００３０】
上述した単一モード性は、ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）分布反射型レーザに用いられる共振器と同じであり、「Δλ＞ミラーの反射帯域」に制限されるため、この範囲に導波路長Ｌを設定する必要がある。
【００３１】
ところで、上述した本発明におけるフォトニック結晶結合共振器は、ミラーとなる共振器に光を閉じ込め、かつ、ミラーとなる２つの共振器間の干渉を利用しており、ＤＢＲレーザ用共振器とは光閉じ込め原理が根本的に異なる。この点について、図３を用いて説明する。図３は、ＤＢＲレーザ用共振器の構造（ａ）と、本発明におけるフォトニック結晶結合共振器の構造（ｂ）との違いを説明するための説明図である。
【００３２】
ＤＢＲレーザ用共振器は、図３の（ａ）に示すように、光導波路となるコア３０１と、コア３０１を挾む２つのＤＢＲミラー３０２とから構成される。これに対し、フォトニック結晶結合共振器は、図３の（ｂ）に示すように、光導波路となるコア３０１と、コア３０１と離れて配置された２つのフォトニック結晶共振器３０３とから構成される。
【００３３】
どちらの構造においても、コア３０１の領域を単一モード共振器とするためには、コア３０１中に存在する定在波のモード周波数間隔よりも、ミラーの反射帯域を狭くする必要がある。このため、レーザの出力を上げるためにコア３０１を長くすると、反射帯域のより狭いミラーが必要となる。
【００３４】
ＤＢＲレーザ用共振器の場合、ＤＢＲミラー３０２の反射帯域を狭くするには、ＤＢＲグレーティングの結合定数を落としグレーティング周期数を増やす必要がある。このことは、コア３０１からＤＢＲミラー３０２への電磁界フィールドの染み出しを増やし、実質的にコア３０１の共振器長を伸ばすことにつながる。つまり、コア３０１の中に存在する定在波のモード周波数間隔が狭くなり、この間隔がＤＢＲミラー３０２の反射帯域より狭くなるとコア３０１の領域がマルチモード共振器となり、レーザ動作が不安定になってしまう。
【００３５】
これに対し、本発明の場合、ミラーはフォトニック結晶共振器３０３で構成されるため、ミラーの長さがＤＢＲに比べ圧倒的に短い。また、ミラーとなる２つのフォトニック結晶共振器３０３の干渉効果（非特許文献８参照）を利用し、ミラーの反射帯域を極限まで狭くすることができる。これにより、長いコア３０１でもレーザを単一モードで安定的に動作させることが可能となる。
【００３６】
次に、共振器間の干渉の効果について説明する。図４は、実施の形態１におけるフォトニック結晶結合共振器の光透過特性を示す特性図である。コア１０４による光導波路の一端より光を入射した状態で、他端より出力される光の強度を観測している。ここでは、２つの共振器間の位相を調整するために、光導波路の幅（Ｗ［ｘＷ0］）を調整する。なお、Ｗ0は、光導波路を構成するコアとなる単純な１列線欠陥の幅である。光導波路の幅調整により、共振器の共鳴周波数を調整している非特許文献８と同様の効果を得ることができる。例えば、Ｗ＝０．９４〜０．９５のときに、非特許文献８で示される「ＥＩＴ（electromagnetically induced transparency）−ｌｉｋｅ」モードに起因するスペクトルピークが、図４の（ａ）に示すように、波長１４７０〜１４８０ｎｍ付近に現れ、また、図４の（ｂ）に示すように、Ｗ＝０．９４５付近で消滅する。
【００３７】
次に、光閉じ込め効果について図５を用いて説明する。図５は、実施の形態１におけるフォトニック結晶結合共振器の、２つの共振器１０６における共振器内光強度の特性を示す特性図である。一方の共振器１０６から光を入力した状態で、他方の共振器１０６内の光強度を観測している。図５においても、光導波路の幅（Ｗ［ｘＷ0］）を変化させている。
【００３８】
「ＥＩＴ−ｌｉｋｅ」モードに起因するスペクトルピークが現れる付近のＷにおいて、共振器内光密度が上昇し、このピークが消滅するＷ＝０．９４５付近において、光密度が最大となる。このことは、この条件下で左右の共振器１０６が強く結合・干渉したことを意味し、この状態において、図２の（ａ）に示されるように２つの共振器１０６とその間の結合共振器部１２１における光導波路に光を強く閉じ込める効果が得られる。
【００３９】
ところで、複数の共振器が直接結合した構造では、共振器の数と同じ数の共鳴モードが極めて近いモード間隔で現れることが知られている。例えば、２つの共振器が直接結合した構造では、共振器間の位相差（Δθ）がゼロとπの２種類のモードが存在する。
【００４０】
一方、本発明におけるフォトニック結晶結合共振器は、２つの共振器で挟まれる領域における光導波路が作り出す位相差で、共振器間の位相差が制約を受けている。つまり、光導波路を通して共振器間を行き来する光の位相が共振器内で一致するときに、強い光閉じ込め効果が実現される。図６は、「ＥＩＴ−ｌｉｋｅ」モードに起因するスペクトルピークが得られる導波路幅近辺においてΔθ＝πとなっていることを示しており、図５の（ｂ）におけるスペクトルピークの主成分は、Δθ=πのモードであることを示している。
【００４１】
ここで、Δθ＝ゼロのモードは、光導波路が作り出す位相差により互いに打ち消しあうように干渉するため、存在しないと考えられる。このことを示すため、上記のΔθ＝πのモードが現れる条件下において、（ａ）共振器が１つの場合、（ｂ）共振器が２つで一方の共振器から光を励起した場合、（ｃ）共振器が２つで両方からΔθ＝０で励起した場合、（ｄ）共振器が２つで両方からΔθ＝πで励起した場合の各々におけるスペクトルを図７に示す。
【００４２】
図７の（ａ）は共鳴スペクトルが比較的ブロードな形状をしており、１つの共振器では光閉じ込め効果が小さいことを示している。図７の（ｂ）は２つある共振器の一方に光を入力し他方の共振器内の光強度を観測したもので、２つの共振器の干渉効果で光が導波路とそれを挟む共振器に強く閉じ込められることを示している。図７の（ｃ）は２つある結合共鳴モードのΔθ＝０のモードを選択的に励起したものであり、スペクトルがかなりブロードであることから、このモードに対する光閉じ込め効果は、共振器が１つの場合よりも弱いことを示している。
【００４３】
図７の（ｄ）は２つある結合共鳴モードのΔθ＝πのモードを選択的に励起したものであり、スペクトルが（ｂ）とほぼ同じであることと、図６を用いた考察より、本発明におけるフォトニック結晶結合共振器における強い光閉じ込め効果は、Δθ＝πのモードに対するものであるといえる。
【００４４】
以上の結果より、共振器で挟まれる領域における光導波路への閉じ込めモードは、導波路長とミラー帯域の制約を受ける縦モード間隔の中において、Δθ＝πのモードのみが強い光閉じ込め効果を実現することができることを示している。なお、Δθは共振器に挟まれる領域の光導波路の分散に依存するため、Δθ＝ゼロのモードが、強い光閉じ込め効果を示すことも可能で、この条件では、Δθ＝πのモードは閉じ込めには関与しない。
【００４５】
［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２について、図８Ａ，図８Ｂを用いて説明する。図８Ａは、本発明の実施の形態２におけるフォトニック結晶結合共振器の構成を示す斜視図である。また、図８Ｂは、本発明の実施の形態２におけるフォトニック結晶結合共振器の構成を示す平面図である。
【００４６】
このフォトニック結晶結合共振器は、基部８０１および基部８０１に形成された柱状の複数の格子要素８０２を備える板状のフォトニック結晶本体８０３を備える。格子要素８０２は、対象とする光の波長以下の間隔で周期的に基部８０１に設けられている。また、格子要素８０２は、屈折率が基部８０１とは異なる。複数の格子要素８０２は、例えば平面視で三角格子状に配列している。
【００４７】
また、実施の形態２におけるフォトニック結晶結合共振器は、フォトニック結晶本体８０３より離間して配置されたコア構造８０４を備える。
【００４８】
また、このフォトニック結晶結合共振器は、フォトニック結晶本体８０３に互いに離間して形成された２つの共振器８０６を備える。実施の形態２において、共振器８０６は、基部８０１とは異なる屈折率の部分から構成している。例えば、フォトニック結晶本体８０３の中央部を通過して所定の方向に直線状に延在して格子要素１０２が形成されていない線欠陥８０５に、基部８０１とは異なる屈折率の媒質部を埋め込んで共振器８０６としている。共振器８０６は、フォトニック結晶共振器である。このように構成した２つの共振器８０６と光結合可能な間隔とされて、２つの共振器８０６の配置方向と平行にコア構造８０４（光導波路）は配置されている。
【００４９】
なお、媒質部と基部８０１との屈折率の大小関係は、格子要素８０２と基部８０１との屈折率の大小関係とは逆にされている。屈折率の大小関係が、基部８０１＞格子要素８０２であるなら、基部８０１＜媒質部となっていればよい。また、基部８０１＜格子要素８０２であるなら、基部８０１＞媒質部となっていればよい。
【００５０】
実施の形態２では、２つの共振器８０６に挾まれた領域におけるコア構造８０４による光導波路が、結合共振器部８１２となる。実施の形態２においては、結合共振器部８１２に光が閉じ込められるようになる。
【００５１】
なお、共振器８０６は、線欠陥３０５の幅を部分的に変調した構成としても良い（非特許文献５，６参照）。また、共振器８０６は、フォトニック結晶本体８０３に設けた線欠陥に媒質部を埋め込む構成に限るものではなく、共振器８０６自体を線欠陥から構成し、この両端を格子要素で終端した構成としても良い。また、媒質部は、共振器８０６に設けられていてもよく、あるいはコア構造８０４および共振器８０６の両方に設けられていてもよい。
【００５２】
次に、実施の形態２におけるフォトニック結晶結合共振器の特性について説明する。まず、図９の（ａ）は、一方の共振器８０６とコア構造８０４による光導波路の間の光結合の強さ（Ｑ値）とコア構造８０４の幅Ｗとの関係を示す特性図である。幅Ｗは、フォトニック結晶本体８０３の平面方向の、コア構造８０４断面の寸法である。Ｑ値は、両者の結合の度合いを示す指標であり、大きいほど結合が弱いことを示している。コア構造８０４の幅Ｗが３５０ｎｍ付近において、コア構造８０４を伝搬する光の空間位相と共振器８０６の空間位相とが合致するため、両者のモードの結合が強くなりＱ値が低下している。
【００５３】
実施の形態２におけるフォトニック結晶結合共振器を構成する共振器８０６の場合、基底共鳴モードの空間波数は１格子あたり半波長である。このため、図９の（ｂ）に示すように、位相が合致する導波路幅Ｗ＝３５０ｎｍ付近において、２つの共振器８０６の間隔が格子定数ａの奇数倍のときΔθ＝π、偶数倍のときΔθ＝ゼロ、となる。
【００５４】
次に、Δθ＝πのモードが現れるＬ＝１７ａ，Ｗ＝３５２．５ｎｍの条件下において、（ａ）共振器が１つの場合、（ｂ）共振器が２つで一方の共振器から光を励起した場合、（ｃ）共振器が２つで両方からΔθ＝０で励起した場合、（ｄ）共振器が２つで両方からΔθ＝πで励起した場合、におけるスペクトルを図１０Ａに示す。なお、図１０Ｂは、コア構造８０４による光導波路への閉じ込めモードの磁界フィールド分布（ａ）、および共振器８０６への閉じ込めモードの磁界フィールド分布を示す分布図である。
【００５５】
図１０Ａの（ａ）は、共鳴スペクトルが比較的ブロードな形状をしており、算出された結合共振器のＱが５９０であることから、１つの共振器では光閉じ込め効果が小さいことを示している。図１０Ａの（ｂ）は、２つある共振器８０６の一方に光を入力し、他方の共振器８０６内の光強度を観測した結果である。図１０Ａの（ｂ）には、２つの共振器８０６の干渉効果で光が導波路とそれを挟む共振器に強く閉じ込められることが示されている。
【００５６】
図１０Ａの（ｃ）は、２つある結合共鳴モードのΔθ＝０のモードを選択的に励起したものであり、スペクトルがかなりブロードとなっていることが示されている。算出されたＱ値が３３０であることから、このモードに対する光閉じ込め効果は、共振器が１つの場合よりも弱くなっていることが分かる。図１０Ａの（ｄ）は、２つある結合共鳴モードのΔθ＝πのモードを選択的に励起したものであり、スペクトルが（ｂ）に示す結果とほぼ同じであり、算出されたＱ値が８２，０００と一番高い。このことより、実施の形態２におけるフォトニック結晶結合共振器における強い光閉じ込め効果は、Δθ＝πのモードに対するものであることが分かる。
【００５７】
なおΔθは、共振器８０６に挟まれる領域に対応するコア構造８０４による光導波路の分散に依存するため、Δθ＝ゼロのモードが強い光閉じ込め効果を示すことも可能であり、この条件では、Δθ＝πのモードは閉じ込めには関与しない。
【００５８】
以上に説明したように、本発明によれば、フォトニック結晶本体に互いに離間して形成された２つの共振器と、２つの共振器と光結合可能な間隔とされて２つの共振器の配置方向と平行に配置された光導波路とから構成したので、フォトニック結晶共振器における発振モードが削減できるようになる。
【００５９】
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、上述では、格子要素を平面視で三角格子状に配列した場合について説明したが、これに限るものではなく、四角格子（正方格子）に配列してもよい。また、格子要素は、基部と屈折率が異なる部分であればよく、中空に限らず、基部と異なる屈折率の材料から構成された円柱形状であってもよい。
【符号の説明】
【００６０】
１０１…基部、１０２…格子要素、１０３…フォトニック結晶本体、１０４…コア、１０５…媒質部、１０６…共振器、１２１…結合共振器部。
【図１】
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【図２Ａ】
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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１０Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０Ｂ】
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