JP2007256389A

JP2007256389A - 光回路部品および光素子

Info

Publication number: JP2007256389A
Application number: JP2006077770A
Authority: JP
Inventors: Tamotsu Tanaka; 有田中; Hiroshi Ishikawa; 石川　　浩
Original assignee: Fujitsu Ltd; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: Fujitsu Ltd; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2006-03-20
Filing date: 2006-03-20
Publication date: 2007-10-04
Anticipated expiration: 2026-03-20
Also published as: JP5196412B2

Abstract

【課題】共振器体積Ｖを極微小に保ったまま、共振器Ｑ値を向上させる。
【解決手段】フォトニック結晶光回路部品１０において、所定の屈折率を有する誘電体薄膜スラブ１２と誘電体薄膜スラブ１２に配置された誘電体薄膜スラブ１２と異なる屈折率を有する誘電体円柱１３と、を有し、この誘電体円柱１３を誘電体薄膜スラブ１２内に周期的に配列したときの誘電体柱１個分の領域を誘電体薄膜スラブ１２と同じ屈折率にした欠陥を形成してフォトニック結晶光共振器１１を構成すると共に、この欠陥に隣接するフォトニック結晶光共振器１１の光導波方向の誘電体円柱１３ａ、１３ｂを周期的配列から光導波方向へ移動し、欠陥に隣接する光導波方向と直交する方向の誘電体柱１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄの直径をその他の誘電体円柱１３、１３ａ、１３ｂの直径よりも小さくすることで、共振器体積Ｖを小さく保ったまま、共振器Ｑ値の向上が可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、光回路部品および光素子に関し、特にフォトニック結晶を用いた光回路部品および光素子に関する。

近年、高速時分割多重素子システム、波長分割多重光素子システム等の情報量や通信速度等の特性をより向上するために、それらに適用可能な光デバイスの実用化への期待が高まりつつある。しかし、現在の光デバイスは、電子デバイスと比較して、消費電力あるいは素子寸法が大きい等の問題があるために、実用化には至っていない。

例えば、次世代光ネットワークの光ノード部における全光信号処理に関して、光バッファメモリが必須開発要素部品であるため、光双安定を利用したフリップフロップ型の１ビットメモリが開発されている。ところが、現在の光デバイスでは、光を閉じ込めるために、光屈折率差をその原理としている。このため、光の閉じ込め領域を小さくすることが難しく、また素子寸法の小型化ができないため、フリップフロップ型の１ビットメモリの実用化には目処が立っていない状況である。

一方、フォトニック結晶は、その特徴として、電子のバンド構造に似た光のバンド構造を有する。この特徴によって、特定の構造には、光の禁制帯（フォトニックバンド）が表れるため、強い光閉じ込め、郡速度の遅延・制御が可能になり、それに伴う非線形効果の増強が実現できる。フォトニック結晶は、従来とは全く異なる概念で光の制御を可能とするため、新しい光回路部品として、実用化への期待が高まっている（例えば、非特許文献１参照）。

フォトニック結晶を利用した光回路部品として、近年、スラブ型２次元フォトニック結晶を利用した微小共振器の研究が盛んに行われている。特に、微小共振器体積Ｖを保持したまま、共振器Ｑ値（どの程度強い光を共振器中に閉じ込められるかの指数）の向上に関わる研究が行われている（例えば、非特許文献２参照）。

それらの報告の多くはフォトニック結晶を構成する空気孔あるいは誘電体柱を３個〜４個以上取り除いて微小共振器とする構造を採用しており、また、原理的にはスラブ細線導波路に空気孔を１列に並べた形状で空気孔を１個除いた構造を持つ１次元フォトニック結晶共振器に関する研究成果も報告されている（非特許文献３参照）。
野田進、馬場俊彦、納冨雅也、小野雄一編"フォトニック結晶研究の現状と将来展望 ― テクノロジーロードマップを目指して（改訂版）" 光産業技術振興協会、２００２年 Y. Akahane et al, Nature 425, 944-947(2003) K. Kanamoto et al, IEICE E87-C, 1142-1147(2004)

しかし、フォトニック結晶を用いた従来の微小共振器には以下のような問題がある。
２次元フォトニック結晶光共振器においては、多数の共振器縦モードが存在するため、ＦＳＲ（ＦｒｅｅＳｐｅｃｔｒａｌＲａｎｇｅ）を大きく取れず、また共振器体積Ｖを小さくできない。また、ある程度のＱ値を有する共振器が実現できても、外部との結合が難しい。他方、１次元フォトニック結晶でもＱ値は低く、断面積の小さい細線導波路構造が宙に浮いた形状のため、機械安定性が悪い等の問題が残る。

一般的に共振器ＱＥＤ（ＱｕａｎｔｕｍＥｌｅｃｔｒｏＤｙｎａｍｉｃｓ）における自然放出光制御や非線形光学における光双安定動作の閾値低減のためには共振器体積Ｖを微小に保ったまま、Ｑ値が向上することが望ましい。すなわち、光双安定を利用した光スイッチの閾値低減にはＶ／Ｑ²を小さくする必要がある。さらに、共振器は電場と媒体間の最大限の相互作用を利用するため、電場振幅は共振器中央に位置することが重要である。

以上の観点からフォトニック結晶光共振器を構成する欠陥は、空気孔または誘電体柱を１個除去することが、最も理想的であるといえる。しかし、これまで、共振器体積Ｖを微小に保ったまま、Ｑ値が向上するような構造は未だ得られていない。また仮に所望の微小共振器構造が可能となった場合でも外部との光結合には困難を伴う。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、光制御を高精度で行えるようにすると共に、小型で、かつ外部との光結合に優れた光回路部品および光素子を提供することを目的とする。

本発明では上記課題を解決するために、フォトニック結晶を用いた光回路部品において、所定の屈折率を有する誘電体スラブと前記誘電体スラブ内に配置された前記誘電体スラブと異なる屈折率を有する誘電体柱と、を有し、前記誘電体柱を前記誘電体スラブ内に周期的に配列したときの誘電体柱１個分の領域を前記誘電体スラブと同じ屈折率にした欠陥を形成して共振器を構成すると共に、前記欠陥に隣接する前記共振器の光導波方向の誘電体柱を周期的配列から光導波方向へ移動し、前記欠陥に隣接する光導波方向と直交する方向の誘電体柱の直径がその他の誘電体柱の直径と異なることを特徴とする光回路部品が提供される。

このような光回路部品によれば、誘電体スラブ内に誘電体柱１個分の欠陥を形成し、フォトニック結晶光共振器を構成し、また、この欠陥に隣接する光共振器光導波方向の誘電体柱を周期的配列からわずかに移動させ、そして、その欠陥に隣接する光導波方向と垂直方向に位置する誘電体柱の直径が他の格子を形成する誘電体柱の直径と異なるようにすることにより、光の漏洩を抑制することが可能となり、Ｑ値が向上することになる。

また、本発明では、スラブ型２次元フォトニック結晶を用いた光回路部品を備える光素子において、所定の屈折率を有する誘電体スラブと、前記誘電体スラブ内に配置された前記誘電体スラブと異なる屈折率を有する誘電体柱と、を有し、前記誘電体柱を前記誘電体スラブ内に周期的に配列したときの誘電体柱１個分の領域を前記誘電体スラブと同じ屈折率にした欠陥を形成して共振器を構成すると共に、前記欠陥に隣接する前記共振器の光導波方向の誘電体柱を周期的配列から光導波方向へ移動し、前記欠陥に隣接する光導波方向と直交する方向の誘電体柱の直径がその他の誘電体柱の直径と異なるように構成した光回路部品を備えたことを特徴とする光素子が提供される。

このような光素子によれば、誘電体柱１個分の欠陥からなる微小共振器が用いられ、共振器の光の漏洩を抑制され、例えば、光スイッチや光メモリといった光素子の高性能化が図られるようになる。

本発明では、光回路部品を、誘電体スラブ内に誘電体柱を周期的に配列したときに、誘電体柱１個分の領域を誘電体スラブと同じ屈折率にした欠陥を形成して共振器を構成し、この欠陥に隣接する共振器の光導波方向の誘電体柱を周期的配列から光導波方向へ移動し、欠陥に隣接する光導波方向と直交する方向の誘電体柱の直径がその他の誘電体柱の直径と異なるような構成にした。これによって、共振器体積Ｖを小さく維持し、高いＱ値を得ることができ、さらに、Ｖ／Ｑ²値を小さくすることが可能となる。したがって、従来よりも低エネルギーで動作する極微小な光回路部品が実現可能となる。

また、共振器を備えた光回路部品を用いる光素子の高性能化を図ることが可能になる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
まず、第１の実施の形態について説明する。図１は第１の実施の形態のフォトニック結晶光回路部品の構成の模式図である。図１は、周期的に規則正しく配列したフォトニック結晶光回路部品１０において、格子欠陥１個分の極微小な体積を有するフォトニック結晶光共振器１１によって構成される２次元スラブ型フォトニック結晶である。誘電体薄膜スラブ１２と周期配列した誘電体円柱１３の屈折率をそれぞれ３．４（シリコン（Ｓｉ）やガリウム砒素（ＧａＡｓ）等の半導体）、１（空気）としたフォトニック結晶光回路部品１０の格子定数ａをａ＝４２０ｎｍとし、誘電体円柱１３は真円柱と仮定し、その直径ＬをＬ＝０．６ａとした。誘電体薄膜スラブ１２の厚みｔはｔ＝０．６ａであり、その上下クラッド層は空気層を仮定した。この構造は通常エアブリッジ構造と呼ばれるものである。さらに、フォトニック結晶光共振器１１において、フォトニック結晶光共振器１１を構成する誘電体円柱１３ａ、１３ｂが周期的配列（破線による円が周期的配列）から光導波方向にｄ＝０．２ａずれており、フォトニック結晶光共振器１１を構成する格子欠陥に隣接する光導波方向と直交する方向の誘電体円柱１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄの直径Ｌ１をＬ１＝０．４ａとする。

一般に、スラブ型２次元フォトニック結晶におけるフォトニック結晶光共振器性能指数であるＱ値は１／Ｑ＝１／Ｑ_v＋１／Ｑ_hに分解可能であり、Ｑ_vはスラブの垂直方向、Ｑ_hはスラブの面内方向を示している。通常、フォトニック結晶光共振器は共振器を形成する格子欠陥数が多くなるほど、Ｑ値は大きくなる。３次元ＦＤＴＤ法（ＦｉｎｉｔｅＤｉｆｆｅｒｅｎｃｅＴｉｍｅＤｏｍａｉｎ：有限差分時間領域法）により計算した結果では格子の直径及び周期配列を保持した状態で、Ｑ値はそれぞれ欠陥１個の時、Ｑ＝３００、欠陥２個の時、Ｑ＝１２００、欠陥３個の時、Ｑ＝１６００、欠陥４個の時、Ｑ＝６３００である。

図１の場合では、フォトニック結晶光共振器１１は独立したものを想定しているため、誘電体薄膜スラブ１２のＱ_hは無限であり、Ｑ＝Ｑ_vとなる。よって欠陥１個のフォトニック結晶光共振器１１は上記一般の例と同じ状態の場合、Ｑ＝３００となり、誘電体薄膜スラブ１２の垂直方向の損失が大きいことを意味している。これは物理的にはフォトニック結晶光共振器１１の狭い領域内で光の多重散乱が生じ、波数ベクトルが様々な方向を向いてしまい、ライトラインより高周波数領域の漏れモードが励起するため、散乱損失が大きくなることを意味している。尚、ライトラインとは媒質中で光が伝播できる最低周波数を伝播定数に対して示したものであり、ω＝ｃｋ／ｎ（ω：角振動数、ｃ：光の速さ、ｎ：屈折率、ｋ：波数）で定まる直線で表すことができる。従ってライトラインよりも低周波数領域を利用することで、上下のクラッド層へ導波光の漏洩を抑えることが可能となる。さらに、欠陥１個で構成されるフォトニック結晶光共振器１１に対して、誘電体円柱１３ａ、１３ｂを周期的配列から光導波方向へｄ＝０．２ａ移動させ、誘電体円柱１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄの直径を変化させることで、フォトニック結晶光共振器１１の領域内の光は誘電体円柱１３ａ、１３ｂや誘電体円柱１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄとの反射光の位相は、他の誘電体円柱１３からの反射光の位相とずれてしまう。このため、フォトニック結晶光共振器１１の領域内における光の多重散乱が低減する。結果として、フォトニック結晶光回路部品１０の垂直方向への光の漏洩が減少可能となる。実際に、フォトニック結晶光共振器１１の構造について、３次元ＦＤＴＤ法を用いて計算を行ったところＱ＝２８０００の値を得た。このことから、スラブ上下方向への光波の漏洩が非常に小さいことがわかる。尚、図２は図１のフォトニック結晶光共振器の周波数特性を示す図である。横軸は規格化周波数（ωα／２πｃ＝α／λ、λ：波長）であり、共振器の持つ基本共鳴周波数ピークは０．２５９である。

そこで、この第１の実施の形態では、上記のように、欠陥１個で構成されるフォトニック結晶光共振器１１において、光導波方向の誘電体円柱１３ａ、１３ｂが周期的配列から光導波方向にわずかに移動し、かつフォトニック結晶光共振器１１を構成する格子欠陥に隣接する光導波方向と直交する方向の誘電体円柱１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄの直径をその他のフォトニック結晶を構成する誘電体円柱１３の直径よりも小さくした。これにより、垂直方向への光の漏洩を低下させ、共振器体積Ｖを小さくしつつ、Ｑ値を向上させることが可能となった。

上記のような構成を有するフォトニック結晶光回路部品１０は、例えば、光スイッチや光メモリへの適用が可能となる。
図３、４はフォトニック結晶光共振器を用いたスイッチ原理を示す図である。図３は光双安定の履歴曲線を示している。共振器内に光エネルギーが蓄積されると共振器内屈折率ｎがｎ＝ｎ₀＋ｎ₂Ｉの関係に従い変化する。ここでｎ₀は線形屈折率、ｎ₂は３次の非線形屈折率、Ｉは共振器内光強度である。上記関係式はいわゆる光カー効果による屈折率変化を示すことになる。入力パワーを上げると、変化した屈折率が共振器内の位相条件を満足した時に出力光が発生する。これは図３の出力パワーがＡ値からＢ値へ状態移行することを表している。入力パワーを下げると出力パワーはＢ値からＣ値へと状態移行し、Ｄ値の状態へ落ちることになる。このように入力パワーに対して、出力パワーが２つの値を持ち、かつ履歴を持っている。これは光双安定と呼ばれるものである。図４は図３の光双安定を利用した光スイッチを説明する図である。まずＡ値とＤ値の間に入力パワーを持つような保持光を入れる。セットパルスを入れたときに入力パワーが急激に上がるため、出力パワー状態がＡ値からＢ値に移り、スイッチする。また戻すときはリセットパルスを入れると状態がＣ値からＤ値に移行する。セットパルスとリセットパルスの時間を自由に制御でき、フォトニック結晶光共振器１１が光メモリとしての適用が可能となる。また、フォトニック結晶の、光スイッチや光メモリへ適用が進むと、その他様々な光素子への適用への期待も高まる。尚、本実施例は誘電体円柱１３の直径ＬがＬ＝０．６ａの場合について示したが、Ｌがフォトニックバンドギャップを有する範囲であれば、同様の効果が期待できる。

次に第２の実施の形態について説明する。図５は第２の実施の形態の光回路部品の構成の模式図である。フォトニック結晶光回路部品２０において、フォトニック結晶光共振器２１（破線Ｘ２から破線Ｙ２の間の領域）は第１の実施の形態における、フォトニック結晶光共振器１１と同じ構造をしており、第２の実施の形態では、このフォトニック結晶光共振器２１の両側に配列された誘電体円柱を介してフォトニック結晶光導波路２５（破線Ｘ２より左側の領域）、２６（破線Ｙ２より右側の領域）と接続している。フォトニック結晶光導波路２５、２６とフォトニック結晶光共振器２１の光結合性を向上（換言すれば光回路部品全体の透過率向上）するために、フォトニック結晶光導波路２５、２６の両側に配列された誘電体円柱２７ａ〜２７ｈ、２８ａ〜２８ｈの直径Ｌ２をＬ２＝０．５ａとし、誘電体円柱２７ａ〜２７ｈ、２８ａ〜２８ｈの幅をｗ１（ｗ１＝１．７３ａ）とする。ただし、フォトニック結晶光共振器２１を構成する誘電体円柱２３ａ、２３ｂが周期的配列（破線による円が周期的配列）から光導波方向にｄ＝０．２ａずれており、フォトニック結晶光共振器２１を構成する格子欠陥に隣接する光導波方向と直交する方向の誘電体円柱２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄの直径Ｌ１をＬ１＝０．４ａ、誘電体薄膜スラブ２２の厚みｔはｔ＝０．６ａとする。

図６、７は光導波路の導波モードを示す分散図である。図６にはＬ＝Ｌ２＝０．６ａ、ｔ＝０．６ａのときの波数と周波数の関係を示している。これによれば、フォトニックバンドギャップ内において２本の導波モード＃１、＃２が存在することがわかる。これらの導波モードのうち、導波モード＃１は伝播方向に平行な鏡面において対称なモードを持ち、偶モードと呼ばれる。他方、導波モード＃２は反対称なモードを有し、奇モードと呼ばれる。一般的な単一モードは偶モードであるため、導波モード＃１が通常、フォトニック結晶光導波路の光伝播に利用される。図６はそのような導波路における導波モードを示しており、光の透過帯域はモード端からライトラインまでの規格化周波数０．２６１から０．２７７までの領域である。また、図８は図２のフォトニック結晶光共振器１１の規格化周波数特性の再掲であり、図６のフォトニック結晶光導波路の導波帯域も合わせて示している（図８中の破線Ｂ１から破線Ｂ２の間の周波数）。フォトニック結晶光共振器２１の共鳴周波数と図６のフォトニック結晶光導波路の導波帯域は合致していないことがわかる。

そこで、フォトニック結晶光共振器とフォトニック結晶光導波路の共鳴周波数整合を取るためにはどちらか一方の実効屈折率を変化させてやればよい。ここでは、フォトニック結晶光共振器の構造は変えず、フォトニック結晶光導波路の構造を修正することで、実効屈折率を変化させる。図７はフォトニック結晶光導波路２５、２６の両側に配列された誘電体円柱２７ａ〜２７ｈ、２８ａ〜２８ｈの直径Ｌ２をＬ２＝０．５ａとしたときの波数と周波数の関係を示している。孔径を小さくすることで実効屈折率を上げ、導波モードに対応する規格化周波数を下げることができる。得られた導波モード＃１は規格化周波数０．２５３から０．２７２の導波帯域を持ち、図８より、その導波帯域内にフォトニック結晶光共振器２１の共鳴周波数が存在することは明らかである（図８中の実線Ａ１から実線Ａ２の間の周波数）。このフォトニック結晶光導波路を利用することで外部からフォトニック結晶光共振器を励起することが可能となる。以上を鑑みて、図５の形態をとることができる。

図９は、第２の実施の形態の光回路部品の変形例の構成の模式図である。図９では、フォトニック結晶光回路部品３０において、フォトニック結晶光共振器３１（破線Ｘ３から破線Ｙ３の間の領域）とフォトニック結晶光導波路３５（破線Ｘ３より左側の領域）、３６（破線Ｙ３より右側の領域）がそれぞれ４個の誘電体円柱３３ａ〜３３ｄ、３３ｅ〜３３ｈを介して、接続されている。

この時の、フォトニック結晶光共振器３１を構成する誘電体円柱３３ａ、３３ｈが周期的配列（破線による円が周期的配列の位置）から光導波方向にｄ＝０．２ａずれており、フォトニック結晶光共振器３１を構成する格子欠陥に隣接する光導波方向と直交する方向の誘電体円柱３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄの直径Ｌ１をＬ１＝０．４ａとする。また、フォトニック結晶光導波路３５、３６の両側に配列された誘電体円柱３７ａ〜３７ｆ、３８ａ〜３８ｆの直径Ｌ２はＬ２＝０．５ａとし、その幅をｗ１とし、その他のフォトニック結晶を構成する誘電体円柱３３、３３ａ〜３３ｈの直径ＬはＬ＝０．６ａ、誘電体薄膜スラブ３２の厚みｔはｔ＝０．６ａとする。

図１０、１１はフォトニック結晶光回路部品の透過特性を示した図である。図１０はフォトニック結晶光回路部品２０において、フォトニック結晶光共振器２１とフォトニック結晶光導波路２５、２６が３個の誘電体円柱を介して接続される場合であるのに対し、図１１はフォトニック結晶光回路部品３０において、フォトニック結晶光共振器３１とフォトニック結晶光導波路３５、３６が４個の誘電体円柱を介して接続される場合である。図１０、１１の透過特性は２次元ＦＤＴＤ法により計算されたものである。横軸は規格化周波数である。図１０、１１共に、規格化周波数０．２６４付近に非常に鋭いピークが存在することがわかる。尚、共鳴周波数の相違は３次元と２次元ＦＤＴＤ法の違いに起因する。そして、図１０と比較して、図１１の方が鋭い共鳴ピークを持つことがわかる。これは４個の誘電体円柱を介して構成されたフォトニック結晶光共振器３１が３個の誘電体円柱を介して構成されるフォトニック結晶光共振器２１と比較して高いＱ値を持つことを示している。このようにフォトニック結晶光共振器とフォトニック結晶光導波路間の誘電体円柱数を変化させることで全体のＱ値を変化させることが可能となる。尚、本実施例はＬ＝０．６ａの場合について示したが、Ｌがフォトニックバンドギャップを有する範囲であれば、これと異なる組み合わせでも同様の効果が期待できる。

次に、第３の実施の形態について説明する。図１２は第３の実施の形態の光回路部品の構成の模式図である。図１２は、フォトニック結晶光回路部品４０において、フォトニック結晶光共振器４１（破線Ｘ４から破線Ｙ４の間の領域）の両側にフォトニック結晶光導波路４５（破線Ｘ４より左側の領域）、４６（破線Ｙ４より右側の領域）が結合された第２の実施の形態の図９と同様に、フォトニック結晶光共振器４１は両側に配列された４個の誘電体円柱４３ａ〜４３ｄ、４３ｅ〜４３ｈを介してフォトニック結晶光導波路４５、４６と接続している。しかし、図１２では、フォトニック結晶光導波路４５、４６の幅がフォトニック結晶光共振器４１の幅ｗ１と異なる幅ｗ２を持たせている。

フォトニック結晶光共振器４１を構成する誘電体円柱４３ａ、４３ｈが周期的配列（破線による円が周期的配列）から光導波方向にｄ＝０．２ａずれており、フォトニック結晶光共振器４１を構成する格子欠陥に隣接する光導波方向と直交する方向の誘電体円柱４４ａ、４４ｂ、４４ｃ、４４ｄの直径Ｌ１をＬ１＝０．４ａとし、その他のフォトニック結晶を構成する誘電体円柱４３、４３ａ〜４３ｈの直径ＬをＬ＝０．６ａ、誘電体薄膜スラブ４２の厚みｔはｔ＝０．６ａとする。

図１２において、フォトニック結晶光導波路の幅を持たせることは、第２の実施の形態と同様にフォトニック結晶光共振器２１、３１とフォトニック結晶光導波路２５、２６、３５、３６のモード周波数整合を与え、Ｑ値を向上させるものである。

次に第４の実施の形態について説明する。図１３は第４の実施の形態の光回路部品の構成の模式図である。
図１３は、フォトニック結晶光回路部品５０において、フォトニック結晶光導波路５５、５６が連続的に接続しており、その脇にフォトニック結晶光共振器５１が存在する。

フォトニック結晶光共振器５１を構成する誘電体円柱５３ａ、５３ｂが周期的配列（破線による円が元の位置）から光導波方向にｄ＝０．２ａずれており、フォトニック結晶光共振器５１を構成する格子欠陥に隣接する光導波方向と直交する方向の誘電体円柱５４ａ、５４ｂ、５４ｃ、５４ｄの直径Ｌ１をＬ１＝０．４ａ、誘電体薄膜スラブ５２の厚みｔはｔ＝０．６ａとする。

フォトニック結晶光導波路５５、５６の両側に配列された誘電体円柱５７ａ〜５７ｎ、５８ａ〜５８ｎの半径Ｌ２はＬ２＝０．５ａ、フォトニック結晶光導波路５５、５６の幅をｗ１、その他のフォトニック結晶を構成する誘電体円柱５３の直径ＬをＬ＝０．６ａとした。また、フォトニック結晶光共振器５１とフォトニック結晶光導波路５５、５６間の誘電体柱の列数は１〜５とする。

図１３において、フォトニック結晶光導波路５５、５６の幅を持たせることは、第１、第２、第３の実施の形態の際と同様に、フォトニック結晶光共振器５１とフォトニック結晶光導波路５５、５６のモード周波数整合を与え、Ｑ値を向上させるものである。

尚、以上の説明では、誘電体薄膜スラブ１２、２２、３２、４２、５２の材料に珪素やガリウム・砒素を用い、誘電体薄膜スラブ１２、２２、３２、４２、５２以外の部分の材料に空気を用いた場合を述べたが、その他の材料を用いることも可能である。例えば、誘電体薄膜スラブ１２、２２、３２、４２、５２の材料には珪素、ゲルマニウム、ガリウム・砒素化合物、インジウム・燐系化合物、またはインジウム・アンチモン系化合物を用いることができ、また誘電体薄膜スラブ１２、２２、３２、４２、５２以外の部分の材料には、ポリイミド系有機化合物、エポキシ系有機化合物、アクリル系有機化合物、空気、真空、また上記誘電体薄膜スラブ材料の酸化物を用いることができる。このような材料を用いた場合にも上記同様な効果を得ることが可能である。

（付記１）フォトニック結晶を用いた光回路部品において、
所定の屈折率を有する誘電体スラブと前記誘電体スラブ内に配置された前記誘電体スラブと異なる屈折率を有する誘電体柱と、を有し、
前記誘電体柱を前記誘電体スラブ内に周期的に配列したときの誘電体柱１個分の領域を前記誘電体スラブと同じ屈折率にした欠陥を形成して共振器を構成すると共に、前記欠陥に隣接する前記共振器の光導波方向の誘電体柱を周期的配列から光導波方向へ移動し、前記欠陥に隣接する光導波方向と直交する方向の誘電体柱の直径がその他の誘電体柱の直径と異なることを特徴とする光回路部品。

（付記２）前記共振器に接続され、前記誘電体柱を前記誘電体スラブ内に周期的に配列したときの誘電体柱複数個分の直線状領域を前記誘電体スラブと同じ屈折率にした、光の伝播経路となる直線状欠陥を備えた光導波路を有することを特徴とする付記１記載の光回路部品。

（付記３）前記共振器の前記光導波路との接続領域に複数の前記誘電体柱が配列されていることを特徴とする付記２記載の光回路部品。
（付記４）前記接続領域に配列される前記誘電体柱の個数は可変であることを特徴とする付記３記載の光回路部品。

（付記５）前記光導波路は、前記光導波路の光導波方向と前記共振器の光導波方向とが一致するように前記共振器に接続されていることを特徴とする付記２記載の光回路部品。

（付記６）前記光導波路は、前記誘電体柱のうちの前記直線状欠陥の両側に配列される誘電体柱の直径が前記光導波路の他の誘電体柱の直径と異なることを特徴とする付記２記載の光回路部品。

（付記７）前記光導波路は、前記誘電体柱のうちの前記直線状欠陥の両側に配列される誘電体柱を周期的配列から光導波方向と直交する方向へ移動したことを特徴とする付記２記載の光回路部品。

（付記８）前記光導波路は、前記共振器の光導波方向両側に前記共振器を挟んで接続されていることを特徴とする付記２記載の光回路部品。
（付記９）前記共振器は、前記光導波路の前記直線状欠陥の領域の脇に設けられていることを特徴とする付記２記載の光回路部品。

（付記１０）前記誘電体スラブは、珪素、ゲルマニウム、ガリウム・砒素化合物、インジウム・燐系化合物またはインジウム・アンチモン系化合物を用いて形成されていることを特徴とする付記１記載の光回路部品。

（付記１１）前記誘電体柱は、二酸化珪素、ポリイミド系有機化合物、エポキシ系有機化合物、アクリル系有機化合物、空気、真空または前記誘電体スラブ材料の酸化物を用いて形成されていることを特徴とする付記１記載の光回路部品。

（付記１２）スラブ型２次元フォトニック結晶を用いた光回路部品を備える光素子において、
所定の屈折率を有する誘電体スラブと、前記誘電体スラブ内に配置された前記誘電体スラブと異なる屈折率を有する誘電体柱と、を有し、前記誘電体柱を前記誘電体スラブ内に周期的に配列したときの誘電体柱１個分の領域を前記誘電体スラブと同じ屈折率にした欠陥を形成して共振器を構成すると共に、前記欠陥に隣接する前記共振器の光導波方向の誘電体柱を周期的配列から光導波方向へ移動し、前記欠陥に隣接する光導波方向と直交する方向の誘電体柱の直径がその他の誘電体柱の直径と異なるように構成した光回路部品を備えたことを特徴とする光素子。

第１の実施の形態のフォトニック結晶光回路部品の構成の模式図である。図１のフォトニック結晶光共振器の周波数特性を示す図である。フォトニック結晶光共振器を用いたスイッチ原理を示す図（その１）である。フォトニック結晶光共振器を用いたスイッチ原理を示す図（その２）である。第２の実施の形態の光回路部品の構成の模式図である。光導波路の導波モードを示す分散図（その１）である。光導波路の導波モードを示す分散図（その２）である。光導波路の導波モードを示す分散図（その３）である。第２の実施の形態の光回路部品の変形例の構成の模式図である。フォトニック結晶光回路の透過特性を示した図（その１）である。フォトニック結晶光回路の透過特性を示した図（その２）である。第３の実施の形態の光回路部品の構成の模式図である。第４の実施の形態の光回路部品の構成の模式図である。

符号の説明

１０フォトニック結晶光回路部品
１１フォトニック結晶光共振器
１２誘電体薄膜スラブ
１３，１３ａ，１３ｂ，１４ａ〜１４ｄ誘電体円柱
ａ格子定数
Ｌ，Ｌ１誘電体円柱の直径

Claims

フォトニック結晶を用いた光回路部品において、
所定の屈折率を有する誘電体スラブと前記誘電体スラブ内に配置された前記誘電体スラブと異なる屈折率を有する誘電体柱と、を有し、
前記誘電体柱を前記誘電体スラブ内に周期的に配列したときの誘電体柱１個分の領域を前記誘電体スラブと同じ屈折率にした欠陥を形成して共振器を構成すると共に、前記欠陥に隣接する前記共振器の光導波方向の誘電体柱を周期的配列から光導波方向へ移動し、前記欠陥に隣接する光導波方向と直交する方向の誘電体柱の直径がその他の誘電体柱の直径と異なることを特徴とする光回路部品。
前記共振器に接続され、前記誘電体柱を前記誘電体スラブ内に周期的に配列したときの誘電体柱複数個分の直線状領域を前記誘電体スラブと同じ屈折率にした、光の伝播経路となる直線状欠陥を備えた光導波路を有することを特徴とする請求項１記載の光回路部品。
前記共振器の前記光導波路との接続領域に複数の前記誘電体柱が配列されていることを特徴とする請求項２記載の光回路部品。
前記接続領域に配列される前記誘電体柱の個数は可変であることを特徴とする請求項３記載の光回路部品。
前記光導波路は、前記光導波路の光導波方向と前記共振器の光導波方向とが一致するように前記共振器に接続されていることを特徴とする請求項２記載の光回路部品。
前記光導波路は、前記誘電体柱のうちの前記直線状欠陥の両側に配列される誘電体柱の直径が前記光導波路の他の誘電体柱の直径と異なることを特徴とする請求項２記載の光回路部品。
前記光導波路は、前記誘電体柱のうちの前記直線状欠陥の両側に配列される誘電体柱を周期的配列から光導波方向と直交する方向へ移動したことを特徴とする請求項２記載の光回路部品。
前記光導波路は、前記共振器の光導波方向両側に前記共振器を挟んで接続されていることを特徴とする請求項２記載の光回路部品。
前記共振器は、前記光導波路の前記直線状欠陥の領域の脇に設けられていることを特徴とする請求項２記載の光回路部品。
スラブ型２次元フォトニック結晶を用いた光回路部品を備える光素子において、
所定の屈折率を有する誘電体スラブと、前記誘電体スラブ内に配置された前記誘電体スラブと異なる屈折率を有する誘電体柱と、を有し、前記誘電体柱を前記誘電体スラブ内に周期的に配列したときの誘電体柱１個分の領域を前記誘電体スラブと同じ屈折率にした欠陥を形成して共振器を構成すると共に、前記欠陥に隣接する前記共振器の光導波方向の誘電体柱を周期的配列から光導波方向へ移動し、前記欠陥に隣接する光導波方向と直交する方向の誘電体柱の直径がその他の誘電体柱の直径と異なるように構成した光回路部品を備えたことを特徴とする光素子。