(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
２種以上の誘電体からなる多層周期構造を基本として、その各層が積層方向に垂直な面内において１次元もしくは２次元の周期的な層を構成する誘電体による凹凸を少なくともその一部分に含んだ２次元もしくは３次元周期構造体において、面内の方向の少なくとも一方向においてその層を構成する誘電体の凹凸の周期が空間的に徐々にないし緩やかな階段状に変化している部分を少なくともその一部分に含むことを特徴とする光機能構造。
【請求項２】
２種以上の誘電体からなる多層周期構造を基本として、その各層が積層方向に垂直な面内において１次元もしくは２次元の周期的な層を構成する誘電体による凹凸を少なくともその一部分に含んだ２次元もしくは３次元周期構造体において、面内の方向の少なくとも一方向においてその層を構成する誘電体の凹凸の周期が空間的に徐々にないし緩やかな階段状に変化している部分を少なくともその一部分に含み，使用波長域が当該構造の伝搬域に属することを特徴とする光機能構造。
【請求項３】
２種以上の誘電体からなる多層周期構造を基本として、その各層が積層方向に垂直な面内において２次元の周期的な層を構成する誘電体による凹凸を少なくともその一部分に含んだ３次元周期構造体において、面内の方向の少なくとも一方向においてその層を構成する誘電体の凹凸の周期が空間的に徐々にないし緩やかな階段状に変化している部分を少なくともその一部分に含むものを、自己クローニング法を少なくともその一部において用いて作成することを特徴とする光機能構造の製造方法。
【請求項４】
２種以上の誘電体からなる多層周期構造を基本として、その各層が積層方向に垂直な面内において２次元の周期的な層を構成する誘電体による凹凸を少なくともその一部分に含んだ３次元周期構造体において、面内の方向の少なくとも一方向においてその層を構成する誘電体の凹凸の周期が空間的に徐々にないし緩やかな階段状に変化している部分を少なくともその一部分に含み，使用波長域が当該構造の伝搬域に属することを特徴とする構造を、自己クローニング法を少なくともその一部において用いて作成することを特徴とする光機能構造の製造方法。
【請求項５】
２種以上の誘電体からなる多層周期構造を基本として、その各層が積層方向に垂直な面内において２次元の周期的な層を構成する誘電体による凹凸を少なくともその一部分に含んだ３次元周期構造体において、面内の方向の少なくとも一方向においてその層を構成する誘電体の凹凸の周期が空間的に徐々にないし緩やかな階段状に変化させることにより、面に交わる方向の光の透過率ないし反射率の波長依存性が面内で変化していることを特徴とする波長選択フィルタ。
【請求項６】
２種以上の誘電体からなる多層周期構造を基本として、その各層が積層方向に垂直な面内において２次元の周期的な層を構成する誘電体による凹凸を少なくともその一部分に含んだ３次元周期構造体において、面内の方向の少なくとも一方向においてその層を構成する誘電体の凹凸の周期が空間的に徐々にないし緩やかな階段状に変化させることにより、面に交わる方向の光の透過率ないし反射率の波長依存性が面内で変化していることを特徴とする光学素子を自己クローニング法を少なくともその一部において用いて作成することを特徴とする波長選択フィルタの作成方法。
【請求項７】
２種以上の誘電体からなる多層周期構造を基本として、その各層が積層方向に垂直な面内において１次元もしくは２次元の周期的な層を構成する誘電体による凹凸を少なくともその一部分に含んだ２次元もしくは３次元周期構造体において、面内の方向の少なくとも一方向においてその層を構成する誘電体の凹凸の周期が空間的に徐々にないし緩やかな階段状に変化していることにより、同一構造中に異なるスーパープリズム作用をもつ複数の領域があることを特徴とする２次元光導波路又は板状３次元周期構造体又は内部に面平行形の導波構造を持つ板状３次元周期構造体。
【請求項８】
２種以上の誘電体からなる多層周期構造を基本として、その各層が積層方向に垂直な面内において１次元もしくは２次元の周期的な層を構成する誘電体による凹凸を少なくともその一部分に含んだ２次元もしくは３次元周期構造体において、面内の方向の少なくとも一方向においてその層を構成する誘電体の凹凸の周期が空間的に徐々にないし緩やかな階段状に変化していることにより、同一構造中に異なるスーパープリズム作用をもつ複数の領域があることを特徴とする２次元光導波路又は板状３次元周期構造体又は内部に面平行形の導波構造を持つ板状３次元周期構造体を、自己クローニング法を少なくともその一部において用いて作成することを特徴とする光機能素子の作成方法。
【請求項９】
２種以上の誘電体からなる多層周期構造を基本として、その各層が積層方向に垂直な面内において１次元もしくは２次元の周期的な層を構成する誘電体による凹凸を少なくともその一部分に含んだ２次元もしくは３次元周期構造体において、光の進行する方向に交わる積層面に平行な方向の層を構成する誘電体の凹凸の周期の長さを空間的に徐々にないし緩やかな階段状に変化させることにより、導波すべき領域を周囲の周期構造と異ならせる作用をもたせることを特徴とする光導波路。
【請求項１０】
２種以上の誘電体からなる多層周期構造を基本として、その各層が積層方向に垂直な面内において１次元もしくは２次元の周期的な層を構成する誘電体による凹凸を少なくともその一部分に含んだ２次元もしくは３次元周期構造体において、光の進行する方向に交わる積層面に平行な方向の層を構成する誘電体の凹凸の周期の長さを空間的に徐々にないし緩やかな階段状に変化させることにより、導波すべき領域を周囲の周期構造と異ならせる作用をもたせることを特徴とする光導波路を、自己クローニング法を少なくともその一部において用いて作成することを特徴とする光機能素子の作成方法。
【請求項１１】
２種以上の誘電体からなる多層周期構造を基本として、その各層が積層方向に垂直な面内において１次元もしくは２次元の周期的な層を構成する誘電体による凹凸を少なくともその一部分に含んだ２次元もしくは３次元周期構造体において、積層方向に垂直な面内の二つの基本的な周期方向のうち、光の進行方向と垂直又は角度をなすもののうちひとつ以上の層を構成する誘電体の凹凸の周期が空間的に徐々にないし緩やかな階段状に変化していることにより光の曲を実現することを特徴とする面内光導波路又はリング状光共振器。
【請求項１２】
２種以上の誘電体からなる多層周期構造を基本として、その各層が積層方向に垂直な面内において１次元もしくは２次元の周期的な層を構成する誘電体による凹凸を少なくともその一部分に含んだ２次元もしくは３次元周期構造体において、積層方向に垂直な面内の二つの基本的な周期方向のうち、光の進行方向と垂直又は角度をなすもののうちひとつ以上の層を構成する誘電体の凹凸の周期が空間的に徐々にないし緩やかな階段状に変化していることにより光の曲を実現することを特徴とする面内光導波路又はリング状光共振器を厚さ方向に自己クローニング効果を少なくともその一部において用いて作成することを特徴とする光機能素子の作成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、２次元的または３次元的にほぼ周期的な構造をもつ光波帯回路素子およびその作製方法に関する。
【０００２】
【従来技術】
本発明は、光波帯回路素子に関する応用の極めて広い技術に関するものであるため、本発明全体に対応する従来技術を見つけることは難しい。それゆえ、本発明の干渉型フィルタへの応用、プリズムへの応用、導波路への応用、曲がり導波路への応用のそれぞれに関する従来技術を説明する。
【０００３】
誘電体多層膜に垂直または斜めに入射する光の干渉作用を利用する波長フィルタは重要な光学部品である。波長分割多重通信には波長幅１ｎｍ程度の狭帯域性が要求される。複数の波長を利用するので、別々に作製したフィルタをそれぞれの波長で用いる必要があり、システム価格の上昇を招く。また狭帯域のフィルタには高度な膜厚の制御が必要とされるので、製品の良品率は低いという問題もある。
【０００４】
２次元または３次元的に周期的な構造をもつ光波帯回路素子はフォトニック結晶と呼ばれ、後述するように極めて広い応用を持っている。
【０００５】
フォトニック結晶における分散性、異方性を利用して、屈折角が光の波長に対して極めて敏感に変化する「スーパープリズム効果」が近年報告されている（Ｈ．Ｋｏｓａｋａ  ｅｔ  ａｌ．，“Ｓｕｐｅｒｐｒｉｓｍ  ｐｈｅｎｏｍｅｎａｉｎ  ｐｈｏｔｏｎｉｃ  ｃｒｙｓｔａｌｓ”，Ｐｈｙｓｉｃａｌ  ＲｅｖｉｅｗＢ，ｖｏｌ．５８，ｎｏ．１６，ｐ．Ｒ１００９６，１９９８）。これは波長分割多重光通信システムにおいて利用価値が高い。フォトニック結晶の内部から外部へ、あるいは逆方向へ光のビームあるいは波束が境界と交叉する時の折れ曲がり角が著しい波長依存性を持つ効果をスーパープリズム効果と呼ぶ。
【０００６】
スーパープリズムにおいては、材料の誘電率、周期構造の単位セルの寸法ないし形状が設計と一致しないとき、ずれが小さくても波長特性の急峻さのために、プリズムの示す屈折特性は設計された所望の特性から大きくずれてしまう。これは製造時の良品率が低いことを意味する。
【０００７】
フォトニック結晶中に設けた導波路として公知のものの代表例は以下の通りである。（１）半導体の柱の列からなる２次元フォトニック結晶から、柱を一列分抜き去って導波路のコアとしたもの（Ａ．Ｍｅｋｉｓ  ｅｔ  ａｌ．，“Ｈｉｇｈ  ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｔｈｒｏｕｇｈ  ｓｈａｒｐ  ｂｅｎｄｓ  ｉｎｐｈｏｔｏｎｉｃ  ｃｒｙｓｔａｌ  ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ”，Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，ｖｏｌ．７７，ｎｏ．１８，ｐ．３７８７，１９９６）、（２）自己クローニング型３次元フォトニック結晶中に成長させた垂直欠陥列をコアとしたもの（Ｏ．Ｈａｎａｉｚｕｍｉ  ｅｔ  ａｌ．，“Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｌｉｇｈｔ  ｂｅａｍｓ  ａｌｏｎｇ  ｌｉｎｅ  ｄｅｆｅｃｔｓ  ｆｏｒｍｅｄ  ｉｎ  ａ−Ｓｉ／ＳｉＯ２ｔｈｒｅｅ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  ｐｈｏｔｏｎｉｃ  ｃｒｙｓｔａｌｓ：Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ”，ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ，ｖｏｌ．７４，ｎｏ．６，ｐ．７７７，１９９９）、（３）同じく自己クローニング型３次元フォトニック結晶中にリソグラフィとドライエッチプロセスにて形成した基板面平行型導波路（川上ほか、特開平１０−３３５７５８，図２８）。（１）の技術では導波路の幅がフォトニック結晶の１周期分であるため、伝搬するモードの界の広がりが１波長程度と極めて小さく、外部の光源や光ファイバと接続した際に大きな損失が生じる。また（２）の技術では、コアの面積を任意に広く作製できるという利点がある一方で、導波路の長さを結晶の厚さ程度、すなわち数μｍ程度までしか長くできないという問題点がある。また（３）の技術には、導波路を形成するために、フォトニック結晶の成長を一時中断し、別のプロセスを施さなければならないという問題点がある。
【０００８】
またフォトニック結晶中の曲がり導波路については、Ｍｅｋｉｓらの前述の構造、馬場らの擬２次元導波構造（Ｔ．Ｂａｂａ  ｅｔ  ａｌ．，“Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｌｉｇｈｔ  ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎｉｎ  ｐｈｏｔｏｎｉｃ  ｃｒｙｓｔａｌ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ  ｗｉｔｈ  ｂｅｎｄｓ”，Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，ｖｏｌ．３５，ｎｏ．８，ｐ．６５４，１９９９）が知られている。それぞれ９０°の無損失折れ曲がり、６０°の有限損失折れ曲がりが実現できることを示しているが、それらはいずれも折れ曲がり角における大きい反射戻り光の発生を避けられない。折れ曲がり角を小さくして反射を低減することも周期構造の制約上不可能である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
基板上に作製され、フォトニック結晶で構成される光素子において、基板面内に直交座標軸ｘｙを、それと直交する厚さ方向にｚ軸をとる。なおこの座標系は以下一貫して用いる。フォトニック結晶の各部各部が示す局所的な平均的光学特性をｘ，ｙ，ｚの関数として任意に制御することができれば、一つの基本技術によって急峻曲がりが可能、ないし高い分散性／プリズム機能を持つ導波路や位置同調型の干渉型フィルタなど多種多様な光機能を実現することができる。本発明はこれらの課題に答えるものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
フォトニック結晶を形成するもっとも標準的な方法は次の通りである。基板の上に２次元的に周期的に凹凸をリソグラフィおよびエッチングで作製する。その凹凸パターンは基本的には完全に周期的であり、導波路形成のためその中の数個の凹凸を除いたり、直線（線分、半直線を含む）の形やその組み合わせの形状の凹凸を除いたりすることがなされることがある（Ｏ．Ｈａｎａｉｚｕｍｉ  ｅｔａｌ．，ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，前述、Ｔ．Ｂａｂａ  ｅｔ  ａｌ．，Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，前述）。いずれにおいても、周期構造における基本周期長や周期性の方向は基板面上で一様である。その基板の上に、２種類以上の誘電体を順次かつ周期的に積層し、各層に所望の凹凸パターンを持たせる。ｚ方向の周期性を確保するためには一層ごとにリソグラフィやエッチングを用いる方法（Ｊ．Ｇ．Ｆｌｅｍｉｎｇ  ｅｔ  ａｌ．，“Ｔｈｒｅｅ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｐｈｏｔｏｎｉｃ  ｃｒｙｓｔａｌ  ｗｉｔｈ  ａ  ｓｔｏｐ  ｂａｎｄ  ｆｒｏｍ  １．３５  ｔｏ  １．９５μｍ”，Ｏｐｔｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，ｖｏｌ．２４，ｎｏ．１，ｐ．４９，１９９９）、ボンディングを用いる方法（Ｓ．Ｎｏｄａ  ｅｔ  ａｌ．，“Ｎｅｗｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ  ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  ｔｈｒｅｅ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  ｐｈｏｔｏｎｉｃ  ｃｒｙｓｔａｌ  ｉｎ  ｏｐｔｉｃａｌｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  ｒｅｇｉｏｎ”，Ｊａｐａｎｅｓｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ，ｖｏｌ．３５，ｎｏ．７Ｂ，ｐ．Ｌ９０９，１９９６）、薄膜形成を繰り返すだけで済む自己クローニング法（Ｓ．Ｋａｗａｋａｍｉｅｔ  ａｌ，“Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ  ｏｆ  ｓｈａｐｅ  ｆｏｒｍａｔｉｏｎ  ｏｆ  ３Ｄ  ｐｅｒｉｏｄｉｃ  ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ  ｂｙ  ｂｉａｓｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ”，Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，ｖｏｌ．７４，Ｎｏ．３，ｐ．４６３，１９９９，および川上ほか、前記特開）が知られている。
【００１１】
本発明の基本的考えは、基板の上の周期構造における基本周期長や周期性の方向をｘ，ｙに関し一様としないで、ｘ，ｙに関して徐々にまたは緩やかな階段状に変化させ、ｚ方向にも基本周期長をｚに関して必要により変化させることにより、広範な加工自由度・機能自由度を獲得することにある（格子変調）。即ち従来のフォトニック結晶やフォトニック結晶光回路部品の発想は、２次元であるか３次元であるかを問わず、半導体で代表される天然物質の結晶とのアナロジーから脱却できていないために、天然結晶同様に基本周期長、基本周期の方向は２次元フォトニック結晶（部品）では面内で、３次元フォトニック結晶ではその体積内で、（導波路あるいは共振器に利用される“ｄｅｆｅｃｔ”（欠陥）は周期構造の乱れであるが格子の変調ではなく、かつ構造が狭い範囲で急激に変化する）基本的に一定である。
【００１２】
図１は２次元周期構造や板状３次元周期構造の面内の格子変調の一例を示す。基本的に正方形の格子を持つ周期構造において、ＢＣ間またはｂｃ間は、他の部分に比べて円の径方向の基本周期が１．５倍になっている。即ち周期長が不連続に変化し、その周期長さは複数周期（この場合は２周期）にわたって一定である。これを緩やかな階段状の変化という。また円周上で、周方向の周期長はＡａ間のものが小さく、Ｄｄ間のものが大きく、径方向に徐々に変化している。このような構造は天然物質の結晶には存在しないが、フォトニック結晶では基板を電子ビームリソグラフィーなどで自由に加工でき、自己クローニング法で３次元化できる。なお自己クローニング法では積層の厚さ方向の基本周期を徐々にも不連続にも変化させることが容易にできる。
【００１３】
図２において、周期構造の基本的な周期として、この部分ではＡＢ，ＢＣ，ＣＡの三つのうち任意の二つを取るのが適当である。構造全体にわたる格子変調を表現するためには、ＢＣを除外しないのが適当である。即ちＢＣを含む二つを取るか、あるいはＢＣ，ＡＤの二つを基本的な周期に選んでもよい。要するに、空間全体で周期が一定であるか変化しているかに着目しているので、基本的な周期の方向、長さの定義にはある程度の幅がある。また、３次元フォトニック結晶を作製する自己クローニング法、野田ら、Ｆｌｅｍｉｎｇらの前掲の方法に共通に、センチメートル級の基板上にマイクロメートル級の厚さの周期構造を形成するので、これらを板状フォトニック結晶と総称することにする。板の面の中の方向を面内または面平行な方向、それに垂直な方向を面垂直方向とよぶこととする。
【００１４】
本発明の方法により獲得される光回路素子機能の自由度の広さを以下の実施例によって順次説明する。
【００１５】
【実施例】
［実施例１］
図３は本発明による、通過波長がｘ方向に連続的に変化する干渉フィルタの構成図である。このフィルタは、Ｓｉ（屈折率  ｎ＝３．５）１とＳｉＯ２（ｎ＝１．５）２からなるフォトニック結晶部分がＳｉＯ２基板３とＳｉＯ２板４とに挟まれた構造を持ち、自己クローニング法により形成され、ｙ方向には一様な構造を持つ。交互多層膜部分はｚ方向にｘによらず共通な周斯Ｌｚを持つ。また一部のＳｉ層の厚さを他のＳｉ層に比べ厚く、具体的には０．９Ｌｚとし、キャビティ５を形成している。ｘ方向の周期Ｌｘは局所的には一定と見なされるが、ｘの広い範囲にわたっては徐々にまたは階段状に変化しており、ｘ＝Ｘ１ではＬＸ＝０．９ＬＺ，ｘ＝Ｘ２，Ｘ３，Ｘ４ではそれぞれＬｘ＝Ｌｚ，１．１Ｌｚ，１．２Ｌｚである。ｘｚ断面におけるフォトニック結晶の一周期内の形状を図４に示す。この例ではＳｉ層１とＳｉＯ２層２の厚さはそれぞれ０．３Ｌｚ，０．７Ｌｚである。電界がｙ軸に平行な光がｚ方向に入射したときのこの構造全体の光透過率を波長の関数として図５に示す。このように干渉フィルタの通過波長を空間的に変化させることは次のような利点を生む。
（１）光通信用の複数の帯域フィルタにおいて、通過帯域が所望の間隔で配置される組み合わせを要する場合がある。本技術によれば、基板上に適切な間隔で複数の利用領域を選べば、１枚の基板上に一回の工程で所望のフィルタ群を形成することが容易にできる。
（２）光通信において極めて狭い通過帯域を持つフィルタ（例えば比帯域幅＝１／２０００）が近年要求されている。このようなフィルタの作製においては不良品の割合が極めて高い。本技術を適用することによって、所定の波長に通過域を持つような基板上の適切な位置を選び出し確実に良品を得ることができる。
（３）広帯域の光ビームを本技術による干渉フィルタ上でｘ方向に掃引することにより、通過波長が連続的に変化するので、それを分光計測用の光源として利用することができる。
【００１６】
また、図３は説明の便のためのものであって、例えば上面図を図６に示すように扇形パターンとし、基本周期長，基本周期を空間的に連続に変化させることにより、個々の単位周期を正方形に極めて近くして入射光の電界の向きによらぬ動作をさせることができる。このとき、利用される領域を図６中の長方形領域６のように限定してもよい。また図７のようにｘ方向の周期をｙ方向の周期とほぼ一致する範囲で変化させ、特性の偏光方向依存性を十分小さくすることもできる。
【００１７】
［実施例２］
３次元フォトニック結晶においてはいわゆるスーパープリズム効果が実験的に見出されており、この効果は理論的には２次元フォトニック結晶でも３次元フォトニック結晶でも生ずることが知られている。即ち、基板上に作製された３次元フォトニック結晶に、外部から光を基板に平行に入射させて、フォトニック結晶内にある屈折角を持って伝わる光としたとき、例えば光波長が１％だけ連続的に変わるとき屈折角を６０°も連続的に変化させることができる。これは通常のプリズムよりも２〜３桁高い波長分散効果である。ゆえに光波長に敏感な合波分波素子を得ることができる。
【００１８】
図８は本発明を上面が三角格子を持つスーパープリズムに適用したものである。基板上に六角形または円形の孔を三角格子状に作製し、その上に屈折率の異なる２種類の誘電体を自己クローニング法により交互に積層して３次元フォトニック結晶を作製する。三角格子のｘ方向周期長はあるｙの値の付近でほとんど一定で有限幅の光ビームに対しては局所的に一定周期構造として働くが、ｙの値と共にｘ方向周期長が徐々に変化する。格子変調のない従来のスーパープリズム構造においては、プリズム効果のもっとも顕著に現れるのは比較的狭い波長範囲に限られる。図８の構造においては、光ビームの入射位置を選択することにより、プリズム効果の顕著に現れる波長範囲の中心を連続的に選択することができ、一個の素子でシステムの中心波長の設計に柔軟性を与えることができると共に、作製技術の側からみると作製誤差を光ビームの入射位置の選択により補償できる長所をも持っている。即ちＡ付近に入射した光はλ０−Δλからλ０の範囲で波長変化に敏感であり、Ｂ付近に入射した光はλ０からλ０＋Δλの範囲で同じく敏感である。図８中の符号７、８、９はそれぞれ波長λ０−Δλ，λ０，λ０＋Δλの光線を示している。またｚのある範囲に光を閉じ込める平板状の導波構造（後述）を併せ用いることにより、中心波長がｙ方向に連続的に変化している導波型スーパープリズムを得ることができ、入出力側で他の光導波路と結合して用いるとき高い結合効率を得る。
【００１９】
［実施例３］
図９には、本発明を３次元フォトニック結晶型導波路に適用した例を示す。同図において、１０，１１はそれぞれ高屈折率材料（例えばＳｉ）、低屈折率材料（例えばＳｉＯ２）を示している。３次元フォトニック結晶の内部にチャネル形導波路を形成することの重要性はよく知られているが（例えばＭｅｋｉｓ他、前述２次元導波路、およびＢａｂａ他、前述擬２次元導波路）、本例は
（２）導波路のコア部分がフォトニック結晶の基本周期の数倍以上であること
（３）プロセスの中断を要しない一貫作製プロセスにより形成可能であるとの特徴を持っている点でも上に引用した２例とは全く異なる。図９の構造の導波作用の原理を、簡略化した図１０の構造を用いて説明する。同図はＳｉＯ２（屈折率  ｎ１＝１．５）１２，ＴｉＯ２（ｎ２＝２．５）１３の２種類の誘電体の平坦膜をｚ方向に積層したもので、波長１．５５μｍにおいて用いられる平板形導波路を表わす。周期Λｃｏｒｅ＝０．４２７μｍの３周期からなる中心部が周期Λｃｌａｄ＝０．３２０μｍのクラッド部に包まれたものである。仮想的にｚ方向に−∞から＋∞まで周期ΛｃｏｒｅまたはΛｃｌａｄを持つ完全に周期的な構造を考えると、ｙ方向に伝わる波の速度は、Λｃｌａｄを周期として持つ構造の方がもう一方より速く、電磁界はコア内に閉じ込められると予期される。
【００２０】
このような導波効果は、コアの厚さが周期長の数倍以上ある構造に適用されるものである。電磁界方程式を厳密に解いた結果は上の物理的イメージと一致し、図１１の電界分布が得られる。界はコア内でもクラッド内でも局所的な基本周期に同期した細かいリップルを持ち、包絡線がコア内で振動的、クラッド内で減衰的である電界分布が得られる。コアの厚さが基本周期Λｃｏｒｅの３倍である１．２８μｍのとき、その約３倍（約３μｍ）の１／ｅ全幅を持つ基本モードがあることがわかる。このモードは大きいリップルをもちガウス形から遠いように一見されるが、それは正しくなく、ガウス型ビームとの整合性がよいことが検討すれば分かる。この結果と良く一致する実験結果が得られている。なおモードの実効屈折率は１．９３である。図１０、図９の中間として図１２に示すように断面が２次元周期的でｚ方向には一様なチャネル導波路を得る。図９の導波路、図１２の導波路は、（特開平１０−３３５７５８，図２８）の構造とは異なり、凹凸を持つ基板の上に、自己クローニング法によって一貫プロセスにより中断や異種プロセスを挟むことなく作製することができる。例えば図９の構造は図１３に示すような、凹み１４を持つ基板１５の上にＳｉとＳｉＯ２をそれぞれ拡散入射スパッタリングないしスパッタエッチングを組み合わせて積層することにより作製された。
【００２１】
［実施例４］
フォトニック結晶導波路において、急峻な曲りを低い放射損失と低い反射（光源への戻り光）を持って実現するのに、面内周期の方向を空間的に変調して、周期構造のもつ特性と滑らかな曲がりとを両立させる。即ち概略を図１４に示す構造を自己クローニング法により作製し用いた。
【００２２】
また図１５に示すように３次元フォトニック結晶の中の曲りチャネル導波路を形成することもできる。このような曲り導波路において、フォトニック結晶の基本周期長さは１μｍの数分の１以下であり、光回路の小型化のために必要とされる曲り半径は１０μｍから１００μｍ程度であるから、曲りの内側部と外側部の曲りに沿う方向の周期長さの差はさほど大きくない。また、図１４、図１５において曲りを急峻にしたとき外側へ放射が生ずる。放射に伴う損失を防ぐため、曲りの外側の部分において、半径方向の周期長さを他のクラッド部分の半径方向周期長より小さくした領域を付加して、その部分の実効屈折率を低下させることにより放射を抑圧することができる。
【００２３】
曲り導波路を平面内で一巡させてループを作りリング共振器を形成することができることは言うまでもない。本例では３次元フォトニック結晶について説明したが、２次元導波路で同じ考え方が適用できるのは勿論である。
【００２４】
【発明の効果】
請求項１，２，３，４により、フォトニック結晶の空間的に緩やかな格子変調を利用して巨視的・平均的な媒質定数に傾斜をもたせることができ光回路の設計自由度が大幅に増す。
請求項５，６により透過波長に傾斜のあるフィルタが得られる。
請求項７，８により位置により同調できるスーパープリズムが得られる。
請求項９，１０，１１，１２により、作製が容易・光ファイバとの結合が容易・曲がりによる放射・反射がないフォトニック結晶形導波路が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】      格子変調型周期構造の一例を示す説明図。
【図２】      格子変調型周期構造において、基本周期の取り方の例を示す説明図。
【図３】      第１の実施例である干渉フィルタの構造を示す説明図。
【図４】      第１の実施例である干渉フィルタを構成する周期構造の単位構造（ユニットセル）を示す説明図。
【図５】      第１の実施例である干渉フィルタの透過スペクトルを示す説明図。
【図６】      第１の実施例である干渉フィルタの動作から、偏波依存性を除去する方法の一例を示す説明図。
【図７】      第１の実施例である干渉フィルタの動作から、偏波依存性を除去する方法の一例を示す説明図。
【図８】      第２の実施例であり、本発明をスーパープリズムに適用した構造を示す説明図。
【図９】      第３の実施例であり、本発明を３次元フォトニック結晶型導波路に適用した構造を示す説明図。
【図１０】    図９の構造を簡略化した導波路構造を示す説明図。
【図１１】    図１０の導波路構造における、導波モードの電界分布の数値計算例を示す説明図。
【図１２】    図９の構造を簡略化したチャネル型導波構造を示す説明図。
【図１３】    図９の導波路構造の作製に用いられる基板の形状の一例を示す説明図。
【図１４】    第４の実施例である格子変調型曲がり導波路の構造を示す説明図。
【図１５】    第４の実施例である３次元フォトニック結晶中の格子変調型曲がり導波路の構造を示す説明図。
【符号の説明】
１      Ｓｉ
２      ＳｉＯ２
３      ＳｉＯ２基板
４      ＳｉＯ２板
５      キャビティ
６      限定された利用領域
７      波長λ０−Δλの光線の軌跡
８      波長λ０の光線の軌跡
９      波長λ０＋Δλの光線の軌跡
１０    高屈折率材料（例えばＳｉ）
１１    低屈折率材料（例えばＳｉＯ２）
１２    ＳｉＯ２
１３    ＴｉＯ２
１４    基板上の孔
１５    基板
【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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