JP3555888B2 - 自己導波光回路 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自己導波光回路に関し、更に詳細には、容易に、小型・軽量化、高集積化、及び高速化でき、かつ良好な伝送効率を有し、特に光通信、光制御、光情報処理等の分野の使用に最適な自己導波光回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、光回路は、自由空間伝播型光回路と導波路型光回路とに大別される。自由空間伝播型光回路は、導波路を形成することなく、自由空間内でコリメータ、レンズ、反射鏡などの個別光部品を組み合わせて光の経路を規定して光回路を構成したものである。個別光部品のうち平行光線束を得るためのコリメータには、レンズ又は凹面鏡を用い、レンズまたは凹面鏡の焦点位置に小さい光源又はスリットやピンホールを置き、これらの位置を微妙に調整することにより、平行光線束を得ている。
【０００３】
導波路型光回路は、一般的には、屈折率の異なる材料を線路状に埋め込んで導波路を形成し、屈折率の異なる材料の光の全反射条件を用いて光を導波して光回路を構成したものである。この導波路型光回路の一例として、高橋らによって、１９９２年発行の電子情報通信学会春季大会予稿第４分冊の第２７２頁に、開示されたアレイ導波路格子（ＡＷＧ）の平面構造図を図３に示す。この例では、Ｓｉ基板からなる導波路基板５１上に石英系の光導波路を形成しており、導波路型光回路は、１１本の入力光導波路５２、凹面構造のスラブ導波路からなる入力側スターカップラ５３、アレイ導波路格子５４、出力側スターカップラ５５、及び出力導波路５６からなる。
【０００４】
また、導波路型光回路の別の例として、フォトニック結晶に線状の欠陥構造を意図的に導入し、この線状欠陥に沿って光を導波又は屈曲させる可能性が報告されている。例えば、Ａ．Ｍｅｋｉｓらによって、１９９６年にＰｈｙｓｉｃａｌＲｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓのｖｏｌ．２８、第３７８７頁に、開示されたフォトニック結晶による光導波路回路の平面構造図を図４に示す。尚、図４は本願の親出願（平成１０年特許願第２２１２４３号）に添付して提出した第１参考写真を複写したものである。この導波原理を簡単に説明すると、完全結晶では光伝播状態の存在しなかった波長帯に、導波モードが線状欠陥の導入によって形成され、このモードを選択的に励起する入射光は、この線状欠陥に沿って導波されるものである。また、この屈曲の原理を簡単に説明すると、光の伝播モードは、屈曲部においても、上述した線状欠陥内の導波モードしか存在せず、従って、入射側導波路から屈曲部に入射した光は、出射側導波路以外に出口を持たないため、急峻な屈曲が、放射損失なく実現できるものである。
【０００５】
更に、構造的な導波路を必要とせず自己的に導波伝播する効果として自己集束（セルフフォーカシング）現象の利用が考えられる。この現象は、例えばＰｒｏｇｒｅｓｓ ｉｎ Ｏｐｔｉｃｓ（Ｅ．Ｗｏｌｆ編集）の第ＸＩＩ巻の第６頁に記載されている。この現象を簡単に説明すると、以下のようになる。媒質内での光の屈折率は、光が強くなるにつれて、僅かながら大きくなる。このため、強い光束が媒質を通過すると、強度の大きい中心部の位相速度が、強度の小さい周辺部より遅くなるため、波面が内部に湾曲してくる。一方、光束は、回折のため広がろうとするが、もし十分に光が強くて、屈折率の影響の方が大きいときには、この光束はある距離を伝播したところで、一点に集束してしまう。従って、屈折率の影響のと回折の影響が、丁度、釣り合った状況を考えれば、この光束は、一定の広がり幅を保ったまま平行束として伝播することになる。この屈折率の光強度依存性は、カー効果と呼ばれる媒質の持つ３次の非線型屈折率の効果であり、光強度の２乗に比例した依存性を示す。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述した従来の自由空間伝播光回路及び導波路型光回路には、それぞれ、以下のような課題がある。先ず、自由空間伝播光回路には、コリメータに付随する問題がある。第１の問題点は、光源又はピンホールの位置の位置決め精度、すなわち入射光の発散角に厳しい条件が課せられることである。これは、光部品の位置合わせに高い精度を要求し、実装コストを高くする要因となる。第２の問題点は、コリメータ自身が大きく、このために大きな設置容積を要することである。それは、光源又はピンホールが点光源とみなせる程度に大きなレンズを使用する必要があるからである。また、この結果、出射光のスポットサイズは、光源又はピンホールのサイズよりかなり大きくなってしまうという副次的な問題も生じる。
【０００７】
導波路型光回路では、急峻な角度で導波路を屈曲させることが難しく、現状ではｃｍオーダーの曲率半径が必要となるために、回路全体がｃｍオーダーの大きさになって小型化が難しいという問題がある。それは、前述のように光の導波原理として光の全反射条件を用いており、急激な曲げは、大きな放射損失を招くことになるからである。
【０００８】
フォトニック結晶を用いた光導波回路では、先ず、光の伝播状態の全く存在しない波長帯を持つ完全結晶を形成し、次いで線状の欠陥構造を導入する必要があるものの、現状では完全結晶を実現することは、技術的に難しい。特に、完全結晶中に意図的に欠陥構造を導入して、線状又は屈曲導波路を形成することは、技術的に極めて難しい。例えば、現在、光通信に用いられている光の波長帯である１．５μｍ付近では、このような線状又は屈曲導波路構造を構成するには、少なくとも０．１μｍオーダーの加工制御性と高いアスペクト比が必要となり、現状の技術では極めて困難である。
【０００９】
セルフフォーカシングを用いた自己導波回路では、同効果が光の強度の２乗に比例しているため、回折広がりとの均衡を得るためには、光強度の精密な制御が必要である。更に、この均衡条件を保つためには、光強度の定常性を保証する必要があるが、一般的に、非線型性の大きな波長帯では、共鳴効果のために吸収も大きく、伝播方向に沿って光の強度が減衰する現象を避けることは難しい。もちろん、この吸収効果の少ない非共鳴域でも、ある程度の非線形定数を持つが、この場合には、光強度を十分大きくする必要があり、情報処理又は短距離の光接続を目的とする光回路においては、非現実的な値（ワット級）となる。
【００１０】
以上の説明から判るように、コリメータを必要とする自由空間伝播光回路は大型になり、また導波路型光回路では、大きな曲率半径を必要とするために大型になり、従来の光回路では、いずれも、小型・軽量化、高集積化、及び高速化が難しく、また従って、伝送効率の向上も難しかった。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、上記課題の克服して、小型・軽量化、高集積化、及び高速化が可能であり、良好な伝送効率を示す光回路を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、目的の光回路を実現するには、次の要件が、必要であると考えた。（１）先ず、第１に条件は、レンズの様な個別部品を使うことなく、ｍｍサイズ以下に小型化できることである。（２）また、第２の条件は、実装に伴う位置合わせの工程を不要とすることである。（３）第３の条件は、微弱な入射光においても、平行光線束が得られ、その状態が媒質の吸収の影響を受けることなく保存されることである。しかも、その平行度が、入射光の広がり角に大きく依存せず一定で、光回路に適用できる程度に十分小さなビーム幅を得ることである。このような直進性の導波機能に合せて、放射損失を伴わず急峻な屈曲を可能とすることにより、結果的に、回路全体を小型化、高集積化して、目的の光回路を得ることができる。また、これらの小型化、集積化によって、光回路の総合的な製造コストを大幅に低減できることになる。
【００１３】
上記目的を達成するために、本発明に係る自己導波光回路は、光又は電磁波を空間内で自己導波的に伝播させて光路を構成するようにした光回路であって、光路を伝播する伝播光の波長に実質的に相当する周期の誘電率周期構造又は準周期構造を持つフォトニック結晶を用い、フォトニック結晶の分散面が平坦になる方向に結晶方位を設定して光路を形成し、自己導波的に平行度の高い平行光線束を得るようにしたことを特徴としている。
【００１４】
好適には、フォトニック結晶の誘電率周期構造を変化させることにより、平行光線束を維持しながらフォトニック結晶内の光路を所定の曲率半径で屈曲させる。また、意図的に平行光線条件からずらし、かつ分散面が凸状となる結晶方位を選ぶことにより所定の光線広がりを形成し、光を広範囲に分配する。更には、意図的に平行光線条件からずらし、かつ分散面が凹状となる結晶方位を選ぶことにより所定の光線集束を形成し、光を集束する。好適には、フォトニック結晶が光回路基板に形成されている。また、フォトニック結晶の入射端からレーザ、ＬＥＤ、光ファイバなどの光素子を直接自己導波光回路に接続することにより、低発散角の伝播光をフォトニック結晶の出射端から出射する。本発明は、次に説明するように、フォトニック結晶の特異的な分散面を利用することによって、本発明の目的を達成している。
【００１５】
本発明で使用するフォトニック結晶は、相互に異なる誘電率を持つ２種類以上の媒質が周期的又は準周期的に配置されたものである。その一例として、面内方向に３角格子配置、層方向に２層交代周期を持つ３次元フォトニック結晶を図５に示す。図５に示したフォトニック結晶のある波長に対応する分散面の一つは、図６の右側の図形に示すような形状となることが、フォトニックバンド計算から分かる。結晶内の伝播光は、入射光の結晶面に対して横方向の波数ｋを保存し、この分散面における法線方向に向かうことが分かっている。ところで、入射光の横方向波数ｋには、ある程度の広がりΔｋがあり、この広がりに応じて結晶内での伝播方向に分布が生じる。今、図６に示すａの波数に対応する入射光を入射したとすると、図６から判るように、分散面に大きな曲率を持っているため、伝播方向には大きな広がりが生じる。
【００１６】
ところが、ｂの波数では、分散面の曲率が、下に凸から上に凸へと変化する変曲点に対応しており、局所的に直線的な分散面となっている。従って、このｂに対応する波数の入射光が入射すると、伝播光の広がりは、近似的にゼロとなり、平行束となることが分かる。仮に、入射光の角度広がりを４°としたときの、結晶内伝播角広がりの入射角依存性を図７に示す。入射角８°では、結晶内伝播角広がりは約７０°と大きく広がるが、入射角１５°においてはほぼ０°と平行光線束となることが分かる。この状況を実際に作り出し、測定した結果は、図８に示す通りである。入射光の広がり角４°に対して明らかに平行化されていることが分かる。尚、図８（ａ）及び（ｂ）は本願の親出願（平成１０年特許願第２２１２４３号）に添付して提出した第２参考写真（ａ）及び（ｂ）をそれぞれ複写したものである。
【００１７】
また、上述の屈曲については、次に説明する実施形態例１で、図１に示したように、光導波基板内にフォトニック結晶領域を分割して配置することにより、任意の方向に制御することが可能となる。このことは、図６に示した分散面が、入射端面の回転によって相対的に回転して見えることから理解できる。つまり、入射面の平行な方向のｋ保存則が、結晶面の回転により制御できることを示している。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に、実施形態例を挙げ、添付図面を参照して、本発明の実施の形態を具体的かつ詳細に説明する。
実施形態例１
本実施形態例は、本発明に係る自己導波光回路の実施形態の一例であって、図１は本実施形態例と自己導波光回路の構造を示す模式図である。本実施形態例の自己導波光回路は、図１に示すように、光回路基板５と、それぞれ、光回路基板５の端面に接続されたレーザ１、受光素子６、及び光ファイバ７とから構成される。光回路基板５内には部分的にフォトニック結晶２、３及び４が形成されている。後述するように、光は、レーザ１からフォトニック結晶２、３及び４を介して受光素子に伝播し、また、フォトニック結晶３から分岐して光ファイバ７に入る構造となっている。
【００１９】
フォトニック結晶２、３及び４の具体的な構成及び構造は、図５に示し、前述した構成及び構造を有するフォトニック結晶であって、Ｓｉ基板上にＳｉＯ２ バッファが堆積されており、この上面の三角格子状の凹凸を反映してＳｉＯ２ 層とアモルファスＳｉ（ａ−Ｓｉ）層が交互に３次元周期的に積層されている。但し、これら３つのフォトニック結晶は、それぞれ平行光線束、分岐、屈曲を得るように結晶方位を選んで配置されている。ＳｉＯ２ の屈折率は１．４６、ａ−Ｓｉの屈折率は３．２４であり、それぞれ、０．１６μｍの層厚で２０対が積層されている。面内の格子定数（格子間ピッチ）は０．３３μｍとなっている。入射光の波長は０．９５６μｍであり、これらの構造定数から規格化周波数は、０．３３となる。この時の分散面は、図６に示すようになっており、この分散面から図７ような伝播光の発散角と入射角の関係が得られる。従って、入射光の発散角を４°とすると、伝播光は、入射角が８°のとき、図８（ａ）に示すように、約７０°で扇状に発散し、入射角１５°のとき、図８（ｂ）に示すように、ほぼ平行光線束となって伝播する。
【００２０】
以下に、図１を参照して実施形態例１の自己導波光回路の動作を説明する。レーザ１からの出射光は、フォトニック結晶２に入射する。この結晶方位は図６に示すｂの方位に選んである。レーザからの出射角は、４°としてあるので、前述したように、結晶内での伝播光は、平行光線束となっている。その後、光は、フォトニック結晶３に入射し、ここで互いに約６０°の角をなす二つの光線に分岐する。この条件は、図６に示すｃに対応するものである。２本の出射光のうち一方は、光ファイバ７に直接入射する。他方は、フォトニック結晶４に入射し、ここで再度約６０°の角度に戻され、受光素子６に入射する。このフォトニック結晶４は、図６に示すｂの条件を用いながらも、結晶方位をフォトニック結晶２に対して６０°回転させてあるために、このような屈曲が得られる。
【００２１】
このような構成により、レーザ１からの入射光は、光路８のように光回路基板５内を伝播し、受光素子６と光ファイバ７に分離入射される。従って、レーザ１の出力強度を部分的に受光素子６でモニターしながら光ファイバ７に入射することが可能となる。フォトニック結晶２、３および４は、説明上距離を離して配置されているが、実際には間隙なく接続されている。
【００２２】
実施形態例２
本実施形態例は、本発明に係る自己導波光回路の実施形態の別の例であって、図２は本実施形態例の自己導波光回路の構造を示す模式図である。本実施形態例の自己導波光回路は、図２に示すように、全面的にフォトニック結晶１２が形成されている光回路基板１３を備え、光回路基板１３の端面に入射側光ファイバ１１と、出射側光ファイバ１４とが接続された構造となっている。フォトニック結晶１２の構成は、図５に示し、前述したものと同じものである。但し、このフォトニック結晶１２の方位は、図６に示すａの条件となるよう選んである。
【００２３】
以下に、図２を参照して実施形態例２の自己導波光回路の動作を説明する。入射側光ファイバ１１からの出射光は、フォトニック結晶１２に入射する。この結晶方位は、図６に示すａの方位に選んであるので、図８（ａ）に示すように扇状に広がることになる。扇状に広げられた伝播光は、反対面に複数配置された出射側光ファイバ１４に分割して入射することになる。フォトニック結晶からの出射光は、入射光の伝播角を保存しているため、出射側ファイバとの光結合が良好であることがこの構成の利点である。
【００２４】
実施形態例１及び２では、３次元周期構造のフォトニック結晶を用いたが、スラブ構造の光回路基板に２次元周期アレイ状に屈折率分布を設けた２次元周期フォトニック結晶を用いても同様の効果が期待できる。また、三角格子の代わりに正方格子など他の周期構造でも、同様の効果が期待でき、更に、周期構造の代わりに、ペンローズタイリングなどの準周期構造又は液晶などを用いたモザイク構造（アモルファス構造）でも、同様の効果が期待できる。実施形態例１では、フォトニック結晶をブロック状に分けて配置したが、段階的に分布を変化することによっても、同様の効果が期待できる。また、実施形態例２では、段階的な分布を持たせることにより、又は凸レンズの効果を組み合わせることにより、出射側光ファイバ１４に効率的に光を導入することも可能である。また、実施形態例１及び２では、Ｓｉ層とＳｉＯ２層の周期構造を用いているが、誘電率の大きく異なる２種類以上の媒質を用いることにより、同様の効果が期待できる。例えば実施形態例の構造でも、ＳｉＯ２の層のみを選択的にエッチングして、Ｓｉ層と空気層の周期構造にしても、同様の効果が得られる。
【００２５】
【発明の効果】
本発明によれば、光又は電磁波を空間的に伝播させて回路を構成する光回路において、伝播光の波長に実質的に相当する周期の誘電率周期構造又は準周期構造を持つフォトニック結晶を用い、その分散面が平坦になる方向に結晶方位を採ることにより、自己導波的に平行度の高い平行光線束を得るようにしている。これにより、以下の効果を奏することができる。第１の効果は、小型・軽量化、高集積化、高速化、伝送効率向上などの特性・性能の向上挙げられる。その理由は、レンズ等の個別光学部品を使用する必要がなく平行光線束が得られ、また伝播光の大きな屈折角が得られるため、余分な曲率半径を持つ屈曲部を設ける必要がないからである。第２の効果は、生産性の向上である。その理由は、第一の効果により、素子サイズが小さくなり、同一面積のウエハから取れる素子数が多くなるからである。また、個別光学部品の実装に伴う位置合わせ工程が不要となることによっても、生産性が向上する。第３の効果は、微弱な入射光であっても、平行光線束が得られ、基板材料の吸収の影響を受けず、この平行光線束が保存されることである。しかも、その平行度が入射光の広がり角に大きく依存せず一定で、光回路に適用できる程度に十分小さなビーム幅を得ることである。本発明に係る自己導波光回路を適用することにより、低い生産コストで良好な光装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態例１の自己導波光回路の構成を示す模式図である。
【図２】実施形態例２の自己導波光回路の構成を示す模式図である。
【図３】従来例のアレイ導波路格子の構造概略図である。
【図４】従来例のフォトニック結晶による光導波路回路の平面構造を示す概略図である。
【図５】本発明に係る自己導波光回路に使用するフォトニック結晶の構成を示す斜視図である。
【図６】実施形態例で使用したフォトニック結晶の分散面を示す図面である。
【図７】実施形態例で使用したフォトニック結晶の内部伝播光の発散角の入射角依存性を示すグラフである。
【図８】図８（ａ）及び（ｂ）は、実施形態例で使用したフォトニック結晶の内部伝播光のＣＣＤ観測像を示す図面である。
【符号の説明】
１ レーザ
２ フォトニック結晶
３ フォトニック結晶
４ フォトニック結晶
５ 光回路基板
６ 受光素子
７ 光ファイバ
８ 光路
１１ 入射側光ファイバ
１２ フォトニック結晶
１３ 光回路基板
１４ 出射側光ファイバ
１５ 光路
５１ 導波路基板
５２ 入力光導波路
５３ 入力側スターカップラ
５４ アレイ導波路格子
５５ 出力側スターカップラ
５６ 出力導波路

Claims (2)

1. 光路を伝播する伝播光の波長に実質的に相当する周期の誘電率周期構造又は準周期構造を持つフォトニック結晶領域を備え、
   前記フォトニック結晶の分散面が平行光線条件からずれ、凹状となるように、前記フォトニック結晶の結晶方位が設定されており、前記フォトニック結晶内の伝播光が集束する、ことを特徴とする自己導波光回路。
2. 光路を伝播する伝播光の波長に実質的に相当する周期の誘電率周期構造又は準周期構造を持つフォトニック結晶領域を備え、
   前記フォトニック結晶の分散面が平行光線条件からずれ、凸状となるように、前記フォトニック結晶の結晶方位が設定されており、前記フォトニック結晶内の伝播光が扇状に広げられる、ことを特徴とする自己導波光回路。

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