２次元フォトニック結晶及びそれを用いた光デバイス
【課題】 TE偏波とTM偏波の双方に対する条件を容易に満たすことができる２次元フォトニック結晶を提供する。
【解決手段】 本体２０に、第１領域２１には円形の空孔２３を三角格子状に、第２領域２２には正三角形の空孔２４を三角格子状に、それぞれ配置する。これにより、第１領域２１にはTE偏波に対するフォトニックバンドギャップ（PBG）であるTE-PBGが、第２領域２２にはTM偏波に対するPBGであるTM-PBGが、それぞれ形成される。第１領域２１と第２領域２２では空孔の周期や大きさ等のパラメータを独立に設定することができるため、TE-PBGとTM-PBGに共通するエネルギー領域（完全PBG）を大きく、且つ容易に形成することができる。この完全PBG内のエネルギーに対応する導波路２５や共振器２６、２７等を形成することにより、偏波分合波器や、偏波に依存しない周波数（波長）分合波器などを形成することができる。
【解決手段】 本体２０に、第１領域２１には円形の空孔２３を三角格子状に、第２領域２２には正三角形の空孔２４を三角格子状に、それぞれ配置する。これにより、第１領域２１にはTE偏波に対するフォトニックバンドギャップ（PBG）であるTE-PBGが、第２領域２２にはTM偏波に対するPBGであるTM-PBGが、それぞれ形成される。第１領域２１と第２領域２２では空孔の周期や大きさ等のパラメータを独立に設定することができるため、TE-PBGとTM-PBGに共通するエネルギー領域（完全PBG）を大きく、且つ容易に形成することができる。この完全PBG内のエネルギーに対応する導波路２５や共振器２６、２７等を形成することにより、偏波分合波器や、偏波に依存しない周波数（波長）分合波器などを形成することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光分合波器等の光デバイスに用いられる２次元フォトニック結晶に関する。なお、本願において用いる「光」には、可視光以外の電磁波も含むものとする。
【背景技術】
【０００２】
光通信は今後のブロードバンド通信の中心的役割を担う通信方式であることから、その普及のために、光通信システムに使用される光部品類に対して更なる高性能化、小型化、低価格化が求められている。このような要求を満たす次世代光通信部品の有力候補のひとつとして、フォトニック結晶を利用した光通信用デバイスがある。これは既に一部で実用段階に入っており、偏波分散補償用フォトニック結晶ファイバーなどが実用に供されている。現在では更に、波長分割多重通信(Wavelength Division Multiplexing:WDM)に使用される光分合波器等の開発が実用化に向けて進められている。
【０００３】
フォトニック結晶は、誘電体に周期構造を形成したものである。この周期構造は一般に、誘電体本体とは屈折率が異なる領域（異屈折率領域）を誘電体本体内に周期的に配置することにより形成される。その周期構造により、結晶中に光のエネルギーに関するバンド構造が形成され、光の伝播が不可能となるエネルギー領域が形成される。このようなエネルギー領域は「フォトニックバンドギャップ」(Photonic Band Gap:PBG)と呼ばれる。
【０００４】
このフォトニック結晶中に適切な欠陥を設けることにより、PBG中にエネルギー準位（欠陥準位）が形成され、その欠陥準位に対応する波長の光のみがその欠陥の近傍に存在できるようになる。点状に形成された欠陥はその波長の光の光共振器として使用することができ、線状に形成された欠陥は導波路として使用することができる。
【０００５】
上記技術の一例として、特許文献１には、本体(スラブ)に異屈折率領域を周期的に配置し、その周期的配置に欠陥を線状に設けることにより導波路を形成するとともに、その導波路に隣接して点状欠陥を形成した２次元フォトニック結晶が記載されている。この２次元フォトニック結晶は、導波路内を伝播する様々な波長の光のうち共振器の共振波長に一致する波長の光を外部へ取り出す分波器として機能すると共に、外部から導波路に導入する合波器としても機能する。
【０００６】
特許文献１に記載のものを含め、多くの２次元フォトニック結晶では、電場が本体に平行に振動するTE偏波又は磁場が本体に平行に振動するTM偏波のいずれか一方の偏波に対してPBGが形成されるように設計される。この場合、他方の偏波に対してはPBGが形成されない場合や、形成されたとしてもそれが該一方の偏波のPBGとは異なるエネルギー領域に形成される場合には、同一の周波数（波長、エネルギー）のTE偏波とTM偏波を一緒に用いることはできない。
【０００７】
例えば、WDMにおいて同一の周波数に対して更にTE偏波とTM偏波を独立に用いることができれば、それを行わない場合よりも多重数を２倍に増やすことができる（偏波多重）。しかし、上記のように、従来の２次元フォトニック結晶を用いた光合分波器では、同一周波数のTE偏波とTM偏波の双方を独立に使用することができないため、偏波多重を行うことが困難である。
【０００８】
そこで、TE偏波及びTM偏波の両方に対してPBGを形成し、その両PBGが共通域を持つようにした２次元フォトニック結晶を作製することが検討されている。以下、この共通域を「完全フォトニックバンドギャップ(完全PBG)」と呼ぶ。例えば、特許文献２には、スラブ状の本体に三角形（三角柱状）の空孔を三角格子状に周期的に配置することにより完全PBGが形成される２次元フォトニック結晶が記載されている。この特許文献２に記載の２次元フォトニック結晶では、完全PBG内の周波数の光は、TE偏波及びTM偏波をそれぞれ独立に用いることができる。
【０００９】
【特許文献１】特開2001-272555号公報（[0023]〜[0027]、[0032]、図1、図5〜6）
【特許文献２】特開2004-294517号公報（[0021]〜[0022]、[0041]〜[0043]、図1、図14〜17）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
偏波多重光合分波器を作製するためには、TE偏波を導波路から取り出し／導波路へ導入するための点状欠陥（共振器）と、TM偏波を導波路から取り出し／導波路へ導入するための点状欠陥をそれぞれ導波路の近傍に設け、両者の共振周波数を一致させる必要がある。そのためには、異屈折率領域の周期（格子定数）・大きさ及び形状、本体の厚さ、本体及び異屈折率領域の屈折率等のパラメータを適切に設定する必要がある。しかし、一方の偏波に対する条件が最適になるようにパラメータを設定すると、他方の偏波に対する条件も変化してしまう。そのため、両方の偏波に対する条件を共に満たすように設計することは難しい。
【００１１】
例えば、特許文献２に記載の２次元フォトニック結晶では完全PBGは形成されるが、図１に示すようにTE偏波に対するPBG（TE-PBG１１）とTM偏波に対するPBG（TM-PBG１２）に共通するエネルギー領域（共通エネルギー領域１３）は、双方のPBGのうちのごく一部のエネルギー領域にしか形成されない。仮に、矢印１４で示すようにTE-PBG又はTM-PBGのいずれかのエネルギー領域を移動させることができれば共通エネルギー領域１３のエネルギー幅を大きくすることができるが、実際にはいずれか一方のPBGのエネルギー領域を移動させるために上記パラメータを変更すると、他方のPBGのエネルギー領域も移動してしまう。
【００１２】
このような問題は、上記偏波多重光合分波器に限らず、偏光分離素子や偏波分散補償器等の、TE偏波とTM偏波の違いを利用するフォトニック結晶を用いた光デバイスに共通して生じる。また、TE偏波とTM偏波の違いを利用する場合以外にも、例えば、偏波の違いに関わらず特定の波長の光を合分波する場合には、上記と同様の問題が生じる。
【００１３】
本発明が解決しようとする課題は、TE偏波とTM偏波の双方に対する条件を容易に満たすことができる２次元フォトニック結晶及びそれを用いた光デバイスを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するために成された本発明に係る２次元フォトニック結晶は、スラブ状の本体に周期的に屈折率分布を設けて成るものであって、
a) TE偏波に対するフォトニックバンドギャップを有する第１領域と、
b) 第１領域に隣接して設けられ、少なくとも一部のエネルギー領域が前記TE偏波フォトニックバンドギャップと共通する、TM偏波に対するフォトニックバンドギャップを有する第２領域と、
を備えることを特徴とする。
【００１５】
本発明の２次元フォトニック結晶は、第１領域の屈折率分布を、円形の異屈折率領域を三角格子状に配置したものとし、第２領域の屈折率分布を、正三角形の異屈折率領域を三角格子状に配置したものとすることができる。
【００１６】
本発明の２次元フォトニック結晶は更に、第１領域と第２領域の双方を通る導波路を備えることができる。
【００１７】
前記導波路を備えた本発明の２次元フォトニック結晶は更に、第１領域及び第２領域の導波路の近傍にそれぞれ、その領域に対応する偏波、即ちその領域においてフォトニックバンドギャップが形成される偏波が共振する共振器を備えることができる。
【００１８】
前記導波路及び共振器を備えた本発明の２次元フォトニック結晶は更に、前記第１領域又は前記第２領域のいずれか一方を通り、前記導波路と共に該一方の領域の共振器を挟むように形成される第２導波路を備えることができる。
【００１９】
前記導波路及び共振器を備えた本発明の２次元フォトニック結晶は更に、前記第１領域及び前記第２領域の双方を通り、前記導波路と共に双方の領域の共振器を挟むように形成される第２導波路を備えることができる。
【００２０】
前記導波路を備えた本発明の２次元フォトニック結晶を１つの構成単位として、該構成単位を複数個接続して形成され、全構成単位の導波路が連続しいる２次元フォトニック結晶を構成することができる。
【００２１】
本発明の２次元フォトニック結晶は、本体の厚さが全ての領域で等しいことが望ましい。
【００２２】
本発明の２次元フォトニック結晶を用いて、波長合分波器、偏光分離素子、偏波分散補償器等の光機能素子を構成することができる。
【発明の実施の形態及び効果】
【００２３】
本発明に係る２次元フォトニック結晶は、１個の２次元フォトニック結晶内に形成された、TE-PBGを有する第１領域と、TM-PBGを有する第２領域から成る。第１領域には従来のTE-PBGを有する２次元フォトニック結晶と同様のものを、第２領域には従来のTM-PBGを有する２次元フォトニック結晶と同様のものを、それぞれ用いることができる。
【００２４】
この２次元フォトニック結晶において同一の周波数のTE偏波とTM偏波を共に利用できるようにするために、第１領域のPBGと第２領域のPBGが共通のエネルギー領域（周波数領域、波長領域）を持つように第１領域及び第２領域の異屈折率領域の周期・大きさ及び形状、本体の厚さ、本体及び異屈折率領域の屈折率等のパラメータを設定する。本発明では第１領域と第２領域のパラメータを独立に設定することができるため、共通エネルギー領域を容易に且つ従来よりも広く形成することができる。
【００２５】
例えば図２に示すように、一方のPBG（この図では第２領域のPBG）が他方のPBGのエネルギー領域に完全に含まれるようにすることができる。この場合、当該一方のPBGのエネルギー領域の全体が共通エネルギー領域１３となる。
【００２６】
なお、第１領域にはTE-PBGが形成されさえすれば更にTM-PBGが形成されてもよく、同様に、第２領域にはTM-PBGが形成されさえすれば更にTE-PBGが形成されてもよい。しかし、一方の領域にTE-PBGとTM-PBGが形成されたとしても、その領域でTE-PBGとTM-PBGの両方を利用するよりも、第１領域ではTE-PBGを、第２領域ではTM-PBGを、それぞれ利用する方が、共通エネルギー領域を大きく取ることができ、また、各偏波に対して最適な条件を設定することが容易である、という利点があるため望ましい。
【００２７】
第１領域は、例えば特許文献１に記載のように、本体に円形の異屈折率領域を三角格子状に設けることにより形成することができる。第２領域は、例えば特許文献２に記載のように、本体に三角形の異屈折率領域を三角格子状に設けることにより形成することができる。もちろん、その他の構成により第１領域及び第２領域を形成することもできる。
【００２８】
一般的には、１枚のスラブ状の本体に第１領域及び第２領域を形成するのが製造面等で有利であるため、上記のパラメータのうち本体の厚さ及び屈折率は第１領域及び第２領域で同一とすることが望ましい。この場合、第１領域及び第２領域は、異屈折率領域の周期・大きさ及び形状を適宜設定することにより形成する。
【００２９】
異屈折率領域は、本体とは屈折率の異なる物質を本体に埋め込むことにより形成することも可能ではあるが、本体に空孔を設けて形成する方が、製造が容易であり、本体との屈折率差を大きくすることができるため望ましい。
【００３０】
このように第１領域と第２領域が形成された２次元フォトニック結晶は、例えば、共通エネルギー領域に対応する周波数領域内の周波数を有するTE偏波、TM偏波を共に反射するフォトニック結晶ミラーに用いることができる。更に、本発明の２次元フォトニックを様々な光機能素子に適用するために、以下に述べるように、２次元フォトニック結晶内に導波路や共振器を設けることができる。
【００３１】
第１領域と第２領域が形成された２次元フォトニック結晶に、第１領域と第２領域を通る導波路を設けることができる。この導波路は従来の２次元フォトニック結晶と同様に、周期屈折率分布の欠陥を線状に設けることにより形成することができる。また、導波路の幅や異屈折率領域のパラメータ等を調整することにより、導波路を通過することのできる光の周波数帯域（通過周波数帯域）を適宜設定することができる。この場合にも、第１領域と第２領域では独立にパラメータを設定することができるため、所定の通過周波数帯域を有する導波路を容易に形成することができる。
【００３２】
上記のように所定の通過周波数帯域を有する導波路を容易に形成することができるため、例えば、以下のように光機能素子を作製することができる。第１領域ではTE偏波に対して、第２領域ではTM偏波に対して、同一周波数の欠陥準位がPBG内に設定されるように導波路を形成する。そして、第１領域では、TM偏波の導波帯域であるTM-フォトニックバンド（PBGではない）内にこの周波数が入るようにパラメータを設定する。一方、第２領域では、この周波数がTE-PBG内に入るようにする（三角形の異屈折率領域を三角格子状に設けた場合には、TM偏波のみならずTE偏波に対してもPBGを形成することができる）。この構成によれば、第１領域の導波路に上記周波数のTE偏波とTM偏波を導入した時、第１領域の導波路ではTE偏波、TM偏波の双方が伝播することができるのに対して、第２領域の導波路では上記周波数がTE-PBG内にあるためTE偏波が伝播することができず、TM偏波のみ伝播可能である。従って、上記周波数のTE偏波は第１領域と第２領域の境界において反射され、それに対して、同じ周波数を有するTM偏波はこの境界を通過することができるため、同一周波数のTE偏波とTM偏波を分離することができる。
【００３３】
本発明の２次元フォトニック結晶に更に共振器を設けることができる。この共振器は、異屈折率領域の欠陥を点状に設けて成る点状欠陥により形成することができる。点状欠陥は、それを設けようとする位置の異屈折率領域の径や形状を変化させたり、異屈折率領域を埋めたりする（異屈折率領域を設けない）ことにより形成することができる。点状欠陥には、１個の異屈折率領域のみから成る単純な点欠陥や、隣接する複数の異屈折率領域から成るクラスタ型欠陥がある。このような点状欠陥を形成することにより、PBG内に欠陥準位が形成され、その欠陥準位に対応する周波数の光がその点状欠陥において共振する。欠陥準位のエネルギー値、即ち共振周波数は、点状欠陥の位置・形状・大きさや異屈折率領域の周期等のパラメータにより定まる。これらのパラメータを適切に設定することにより、第１領域には所望の周波数のTE偏波が共振する共振器を、第２領域には所望の周波数のTM偏波が共振する共振器を、それぞれ形成することができる。このような共振器の詳細は特許文献１及び２に記載されている。本発明の２次元フォトニック結晶では、１個の２次元フォトニック結晶内の第１領域及び第２領域において、互いに影響を及ぼすことなく独立に共振器を設計することができる。
【００３４】
このように共振器を設けた本発明の２次元フォトニック結晶は種々の光デバイスに用いることができる。
例えば、偏光面の違いにより光を分波し、及び／又は偏光面の異なる光を合波する偏波多重合分波器として用いることができる。この偏波多重合分波器においては、第１領域には所定の周波数のTE偏波に共振する共振器を設け、第２領域には同じ共振周波数のTM偏波に共振する共振器を設ける。導波路は、(i)第１領域では上記周波数のTE偏波とTM偏波の双方が通過できるように形成し、第２領域では上記周波数のTM偏波のみが通過できるように形成するか、(ii)第２領域では上記周波数のTE偏波とTM偏波の双方が通過できるように形成し、第１領域では上記周波数のTE偏波のみが通過できるように形成する。
このように構成される偏波多重合分波器では、導波路を伝播する上記周波数のTE偏波及びTM偏波のうち、TE偏波を第１領域の共振器から、TM偏波を第２領域の共振器から、それぞれ分波する。同様に、上記周波数のTE偏波を第１領域の共振器から、TM偏波を第２領域の共振器から、導波路へ合波する。この偏波多重合分波器では、同一の周波数を有するTE偏波とTM偏波を独立に使用することができる。
【００３５】
第１領域及び／又は第２領域の共振器から光を取り出す（光分波器の場合）ため又は第１領域及び／又は第２領域の共振器に光を導入する（光合波器の場合）ため、本発明の２次元フォトニック結晶に、上記導波路（ここでは「第１導波路」と呼ぶ）に加えて更に第２の導波路を設けてもよい。第２導波路は、第１領域又は第２領域のいずれか一方を通り、第１導波路と共にその領域にある共振器を挟むように形成する。これにより、その領域において、その共振器に共振する波長及び偏波の光を第２導波路に取り出すことができる。同様に、その共振器に共振する波長及び偏波の光を第２導波路からその共振器を通して第１導波路に合波することができる。この第２導波路は、第１領域及び第２領域の双方にそれぞれ１本ずつ設けてもよい。
【００３６】
また、第２導波路は、第１領域及び前記第２領域の双方を通るようにし、双方の領域において第１導波路と共に共振器を挟むように形成してもよい。この２次元フォトニック結晶は、所定の周波数の光を偏波に依らずに分波及び合波する偏波無依存型周波数（波長）合分波器として用いることができる。
従来の２次元フォトニック結晶周波数（波長）合分波器では、周期構造、導波路、共振器はTE偏波又はTM偏波の一方にのみ適した構成であったため、導波路を伝播する他方の偏波の光の一部は分波されずに損失となっていた。それに対してこの偏波無依存型周波数（波長）合分波器では、所定周波数のTE偏波は第１領域の共振器により、該周波数のTM偏波は第２領域の共振器により、それぞれ第２導波路に分波されるため、このような損失が生じることがない。
【００３７】
第１領域と第２領域を１つの構成単位として、それを複数個接続し、全ての構成単位の導波路を接続した２次元フォトニック結晶を形成することができる。この２次元フォトニック結晶において、例えば、構成単位毎に共振周波数の異なる共振器を設けることにより、複数の周波数についてそれぞれTE偏波とTM偏波を独立に用いることができる光デバイスを形成することができる。また、それら複数の周波数についてそれぞれTE偏波とTM偏波を独立に合波・分波することができ、それにより、偏波を区別しない場合と比較して多重数が２倍になる光合分波器を得ることができる。
【実施例】
【００３８】
本発明の２次元フォトニック結晶の実施例を、図３〜図１１を用いて説明する。
図３に、本発明の２次元フォトニック結晶の基本的な構造の一例を示す。本体２０は、SiやInGaAsP等、空気よりも屈折率が十分に高い材料を用いて板状（スラブ状）に形成される。本体２０は第１領域２１と第２領域２２から成る。第１領域２１には円形の空孔２３（異屈折率領域）が、第２領域２２には正三角形の空孔２４が、それぞれ三角格子状に配置される。後に詳述するように、この構成により第１領域にはTE-PBGが、第２領域にはTM-PBGが形成される。以下、このようなTE-PBGが形成される領域とTM-PBGが形成される領域が接続された構造を「偏波ヘテロ構造」と呼ぶ。
【００３９】
本実施例の２次元フォトニック結晶（図３）と、比較例として従来の２次元フォトニック結晶（図４）について、フォトニックバンドを計算した結果について述べる。
まず、比較例の２次元フォトニック結晶について説明する。この２次元フォトニック結晶は、正三角形の空孔が三角格子状に配置されたものであり、本実施例（図３）の第２領域２２と同様の構成を有する。この構成は１つの２次元フォトニック結晶においてTE-PBGとTM-PBGが形成されるものであることが知られている（特許文献２）。
【００４０】
計算に用いたパラメータについて述べる。本実施例及び比較例共に空孔の周期をaとし、本体の厚さを0.6a、本実施例の第１領域における円形空孔の半径を0.35a、第２領域及び比較例における正三角形空孔の１辺の長さを0.95aとした。また、本体の屈折率を3.4（Siの屈折率）とした。
【００４１】
比較例の２次元フォトニック結晶のバンド図を図５(a)及び(c)に、本実施例の２次元フォトニック結晶のバンド図を図５(b)及び(d)に、それぞれ示す。ここで、(c)及び(d)は、それぞれ(a)及び(b)の拡大図である。図５(a), (c)にはTE偏波に関するバンド図とTM偏波に関するバンド図を並べて記載し、(b), (d)には第１領域におけるTE偏波に関するバンド図と第２領域におけるTM偏波に関するバンド図を並べて記載した。縦軸は周波数をc/a（cは光速）で除した規格化周波数で示した。比較例ではTE-PBGとTM-PBGが一部のみ重複するのに対して、本実施例では第２領域のTM-PBGのエネルギー（周波数）領域が全て第１領域のTE-PBG内に収まる。そのため、TE-PBGとTM-PBGが重複するエネルギー領域である完全PBG３１は、比較例よりも本実施例の方が大きい。このように完全PBG３１を大きくすることができることにより、光合分波器の設計の自由度を高めることができる。
【００４２】
なお、実際には、第２領域のTM-PBGの領域の全体が完全PBG３１になるように上記のパラメータを定めた。このようにパラメータを定めることができるのは、本発明によりTE-PBGとTM-PBGを独立に調整できるためである。
【００４３】
図６に、導波路と共振器を形成した偏波ヘテロ構造２次元フォトニック結晶の一実施例を示す。第１領域２１に空孔２３による周期構造を設けない線状の空間である線状欠陥を形成し、この第１領域２１の線状欠陥と接続されるように、第２領域２２に同様の線状欠陥を形成する。これにより、第１領域２１と第２領域の２２の双方を通る導波路２５を形成する。第１領域２１中において、導波路２５から３列の空孔２３を介した位置に、直線状に並んだ空孔２３の３個分の点状欠陥を設けることにより共振器２６を形成する。同様に、第２領域２２中に共振器２７を形成する。
【００４４】
図６の偏波ヘテロ構造２次元フォトニック結晶について、図７のバンド図を用いて説明する。第１領域２１にはTE-PBG４１が形成され、第２領域２２にはTE-PBG４２が形成される。第１領域２１の導波路２５にはTE-PBG４１内にTE偏波の通過周波数帯域（TE-WG４３）が形成され、第２領域２２の導波路２５には、TM-PBG４１内にTM偏波の通過周波数帯域（TM-WG４４）が形成される。TE-WG４３とTM-WG４４はいずれもPBG内に欠陥準位が形成されて成るものである。一方、第１領域２１の導波路２５では、TM導波路モードが図７中の曲線４５として得られ、入射したTM偏波光は本体２０と空孔２３及び外部との屈折率差により導波路２５内に閉じ込められ、その中を伝播することができる。これにより、周波数ω0の光は、TE偏波が第１領域２１の導波路２５を、TM偏波が第１領域２１及び第２領域２２の双方の導波路２５を伝播することができる。この周波数ω0のTE偏波に共振するように共振器２６のパラメータ（形状、大きさ等）を、周波数ω0のTM偏波に共振するように共振器２７のパラメータを、それぞれ設定する。これにより、この偏波ヘテロ構造２次元フォトニック結晶は、導波路２５内を伝播する光のうち周波数ω0のTE偏波を共振器２６を介して、周波数ω0のTM偏波を共振器２７を介して、それぞれ結晶外部へ分波する偏波分波器となる。同様に、この２次元フォトニック結晶は、周波数ω0のTE偏波を結晶外部から共振器２６を介して、周波数ω0のTM偏波を結晶外部から共振器２７を介して、導波路２５に合波する偏波合波器となる。
【００４５】
図８に、偏波ヘテロ構造２次元フォトニック結晶に更に、第１領域２１に共振器２６の近傍を通る導波路２８を、第２領域２２に共振器２７の近傍を通る導波路２９を、それぞれ形成した２次元フォトニック結晶を示す。共振器２６は導波路２５と導波路２８に、共振器２７は導波路２５と導波路２９に、それぞれ挟まれるように形成する。この構成により、導波路２５から導波路２８及び導波路２９にそれぞれ周波数ω0のTE偏波及びTM偏波が分波され、導波路２８及び導波路２９からそれぞれ周波数ω0のTE偏波及びTM偏波が導波路２５に合波される。
【００４６】
図９に、偏波ヘテロ構造２次元フォトニック結晶に更に、第１領域２１と第２領域２２の双方を通る導波路３０を形成した２次元フォトニック結晶を示す。共振器２６及び２７は共に、導波路２５と導波路３０に挟まれるように形成する。この構成により、導波路２５を伝播する様々な波長及び偏波の光のうち、周波数ω0のTE偏波は共振器２６を介して導波路３０に分波され、同様に導波路２５を伝播する周波数ω0のTM偏波は共振器２７を介して導波路３０に分波される。これにより、導波路２５を伝播する周波数ω0の光をその偏波に依らずに導波路３０に分波することができる。合波器としての作用も同様である。
【００４７】
図９に示した構成では、導波路２５を伝播するTM偏波の一部は共振器２７を通過する。そこで、図１０に示すように、第１領域２１とは反対側の第２領域２２の端部に、導波路２５を伝播する光を反射する反射部５０を設けることが望ましい。これにより、共振器２７を通過した光は反射部５０により反射され、共振器２７に導入される確率が高くなり、分波効率が向上する。この反射面は、例えば導波路２５を伝播する光の偏波及び周波数がPBGに含まれるような２次元フォトニック結晶を該端部に接続することにより形成することができる。
【００４８】
図１１に、第１領域２１とは反対側の第２領域２２の端部に、第１領域２１及び第２領域と相似形の第３領域５１及び第４領域５２を接続した偏波ヘテロ構造２次元フォトニック結晶を示す。第３領域５１及び第４領域５２はそれぞれ、同一の割合で第１領域２１及び第２領域を縮小したものである。第１領域２１から第４領域５２にかけて導波路５３を形成し、導波路５３から空孔３列分を隔てて各領域に共振器５４、５５、５６、５７を形成する。また、第１領域２１と第２領域２２のみを通過する導波路５８を、導波路５３と導波路５８が共振器５４と共振器５５を挟むように形成する。同様に、第３領域５１と第４領域５２のみを通過する導波路５９を、導波路５３と導波路５９が共振器５６と共振器５７を挟むように形成する。この２次元フォトニック結晶では、TE偏波は共振器５４と共振器５６において、TM偏波は共振器５５と共振器５７において、それぞれ異なる周波数ω1及びω2で共振する。これにより、第１領域２１及び第２領域２２から周波数ω1の光を偏波に依らずに導波路５８に分波し、第３領域５１及び第４領域５２から周波数ω2の光を偏波に依らずに導波路５９に分波することができる。合波の場合も同様である。更に３組以上の相似形の偏波ヘテロ構造２次元フォトニック結晶を接続してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】従来の２次元フォトニック結晶におけるPBGの模式図。
【図２】本発明に係る２次元フォトニック結晶におけるPBGの模式図。
【図３】本発明に係る２次元フォトニック結晶の一実施例の平面図。
【図４】比較例の２次元フォトニック結晶の平面図。
【図５】比較例及び本実施例の２次元フォトニック結晶のフォトニックバンド図。
【図６】導波路及び共振器を形成した本実施例の２次元フォトニック結晶の平面図。
【図７】図６の２次元フォトニック結晶のフォトニックバンド図。
【図８】各共振器の近傍にそれぞれ更に導波路を形成した２次元フォトニック結晶の平面図。
【図９】第１領域と第２領域の双方を通る更に導波路を形成した２次元フォトニック結晶の平面図。
【図１０】第２領域の端部に反射面を形成した２次元フォトニック結晶の平面図。
【図１１】相似形である２組の偏波ヘテロ構造２次元フォトニック結晶を接続した構造を有する２次元フォトニック結晶の平面図。
【符号の説明】
【００５０】
１１、４１…TE-PBG
１２、４２…TM-PBG
１３…共通エネルギー領域
２０…本体
２１…第１領域
２２…第２領域
２３…円形の空孔
２４…正三角形の空孔
２５、２８、２９、３０、５３、５８、５９…導波路
２６、２７、５４、５５、５６、５７…共振器
３１…完全PBG
４３…TE-WG
４４…TM-WG
５０…反射部
５１…第３領域
５２…第４領域
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光分合波器等の光デバイスに用いられる２次元フォトニック結晶に関する。なお、本願において用いる「光」には、可視光以外の電磁波も含むものとする。
【背景技術】
【０００２】
光通信は今後のブロードバンド通信の中心的役割を担う通信方式であることから、その普及のために、光通信システムに使用される光部品類に対して更なる高性能化、小型化、低価格化が求められている。このような要求を満たす次世代光通信部品の有力候補のひとつとして、フォトニック結晶を利用した光通信用デバイスがある。これは既に一部で実用段階に入っており、偏波分散補償用フォトニック結晶ファイバーなどが実用に供されている。現在では更に、波長分割多重通信(Wavelength Division Multiplexing:WDM)に使用される光分合波器等の開発が実用化に向けて進められている。
【０００３】
フォトニック結晶は、誘電体に周期構造を形成したものである。この周期構造は一般に、誘電体本体とは屈折率が異なる領域（異屈折率領域）を誘電体本体内に周期的に配置することにより形成される。その周期構造により、結晶中に光のエネルギーに関するバンド構造が形成され、光の伝播が不可能となるエネルギー領域が形成される。このようなエネルギー領域は「フォトニックバンドギャップ」(Photonic Band Gap:PBG)と呼ばれる。
【０００４】
このフォトニック結晶中に適切な欠陥を設けることにより、PBG中にエネルギー準位（欠陥準位）が形成され、その欠陥準位に対応する波長の光のみがその欠陥の近傍に存在できるようになる。点状に形成された欠陥はその波長の光の光共振器として使用することができ、線状に形成された欠陥は導波路として使用することができる。
【０００５】
上記技術の一例として、特許文献１には、本体(スラブ)に異屈折率領域を周期的に配置し、その周期的配置に欠陥を線状に設けることにより導波路を形成するとともに、その導波路に隣接して点状欠陥を形成した２次元フォトニック結晶が記載されている。この２次元フォトニック結晶は、導波路内を伝播する様々な波長の光のうち共振器の共振波長に一致する波長の光を外部へ取り出す分波器として機能すると共に、外部から導波路に導入する合波器としても機能する。
【０００６】
特許文献１に記載のものを含め、多くの２次元フォトニック結晶では、電場が本体に平行に振動するTE偏波又は磁場が本体に平行に振動するTM偏波のいずれか一方の偏波に対してPBGが形成されるように設計される。この場合、他方の偏波に対してはPBGが形成されない場合や、形成されたとしてもそれが該一方の偏波のPBGとは異なるエネルギー領域に形成される場合には、同一の周波数（波長、エネルギー）のTE偏波とTM偏波を一緒に用いることはできない。
【０００７】
例えば、WDMにおいて同一の周波数に対して更にTE偏波とTM偏波を独立に用いることができれば、それを行わない場合よりも多重数を２倍に増やすことができる（偏波多重）。しかし、上記のように、従来の２次元フォトニック結晶を用いた光合分波器では、同一周波数のTE偏波とTM偏波の双方を独立に使用することができないため、偏波多重を行うことが困難である。
【０００８】
そこで、TE偏波及びTM偏波の両方に対してPBGを形成し、その両PBGが共通域を持つようにした２次元フォトニック結晶を作製することが検討されている。以下、この共通域を「完全フォトニックバンドギャップ(完全PBG)」と呼ぶ。例えば、特許文献２には、スラブ状の本体に三角形（三角柱状）の空孔を三角格子状に周期的に配置することにより完全PBGが形成される２次元フォトニック結晶が記載されている。この特許文献２に記載の２次元フォトニック結晶では、完全PBG内の周波数の光は、TE偏波及びTM偏波をそれぞれ独立に用いることができる。
【０００９】
【特許文献１】特開2001-272555号公報（[0023]〜[0027]、[0032]、図1、図5〜6）
【特許文献２】特開2004-294517号公報（[0021]〜[0022]、[0041]〜[0043]、図1、図14〜17）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
偏波多重光合分波器を作製するためには、TE偏波を導波路から取り出し／導波路へ導入するための点状欠陥（共振器）と、TM偏波を導波路から取り出し／導波路へ導入するための点状欠陥をそれぞれ導波路の近傍に設け、両者の共振周波数を一致させる必要がある。そのためには、異屈折率領域の周期（格子定数）・大きさ及び形状、本体の厚さ、本体及び異屈折率領域の屈折率等のパラメータを適切に設定する必要がある。しかし、一方の偏波に対する条件が最適になるようにパラメータを設定すると、他方の偏波に対する条件も変化してしまう。そのため、両方の偏波に対する条件を共に満たすように設計することは難しい。
【００１１】
例えば、特許文献２に記載の２次元フォトニック結晶では完全PBGは形成されるが、図１に示すようにTE偏波に対するPBG（TE-PBG１１）とTM偏波に対するPBG（TM-PBG１２）に共通するエネルギー領域（共通エネルギー領域１３）は、双方のPBGのうちのごく一部のエネルギー領域にしか形成されない。仮に、矢印１４で示すようにTE-PBG又はTM-PBGのいずれかのエネルギー領域を移動させることができれば共通エネルギー領域１３のエネルギー幅を大きくすることができるが、実際にはいずれか一方のPBGのエネルギー領域を移動させるために上記パラメータを変更すると、他方のPBGのエネルギー領域も移動してしまう。
【００１２】
このような問題は、上記偏波多重光合分波器に限らず、偏光分離素子や偏波分散補償器等の、TE偏波とTM偏波の違いを利用するフォトニック結晶を用いた光デバイスに共通して生じる。また、TE偏波とTM偏波の違いを利用する場合以外にも、例えば、偏波の違いに関わらず特定の波長の光を合分波する場合には、上記と同様の問題が生じる。
【００１３】
本発明が解決しようとする課題は、TE偏波とTM偏波の双方に対する条件を容易に満たすことができる２次元フォトニック結晶及びそれを用いた光デバイスを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するために成された本発明に係る２次元フォトニック結晶は、スラブ状の本体に周期的に屈折率分布を設けて成るものであって、
a) TE偏波に対するフォトニックバンドギャップを有する第１領域と、
b) 第１領域に隣接して設けられ、少なくとも一部のエネルギー領域が前記TE偏波フォトニックバンドギャップと共通する、TM偏波に対するフォトニックバンドギャップを有する第２領域と、
を備えることを特徴とする。
【００１５】
本発明の２次元フォトニック結晶は、第１領域の屈折率分布を、円形の異屈折率領域を三角格子状に配置したものとし、第２領域の屈折率分布を、正三角形の異屈折率領域を三角格子状に配置したものとすることができる。
【００１６】
本発明の２次元フォトニック結晶は更に、第１領域と第２領域の双方を通る導波路を備えることができる。
【００１７】
前記導波路を備えた本発明の２次元フォトニック結晶は更に、第１領域及び第２領域の導波路の近傍にそれぞれ、その領域に対応する偏波、即ちその領域においてフォトニックバンドギャップが形成される偏波が共振する共振器を備えることができる。
【００１８】
前記導波路及び共振器を備えた本発明の２次元フォトニック結晶は更に、前記第１領域又は前記第２領域のいずれか一方を通り、前記導波路と共に該一方の領域の共振器を挟むように形成される第２導波路を備えることができる。
【００１９】
前記導波路及び共振器を備えた本発明の２次元フォトニック結晶は更に、前記第１領域及び前記第２領域の双方を通り、前記導波路と共に双方の領域の共振器を挟むように形成される第２導波路を備えることができる。
【００２０】
前記導波路を備えた本発明の２次元フォトニック結晶を１つの構成単位として、該構成単位を複数個接続して形成され、全構成単位の導波路が連続しいる２次元フォトニック結晶を構成することができる。
【００２１】
本発明の２次元フォトニック結晶は、本体の厚さが全ての領域で等しいことが望ましい。
【００２２】
本発明の２次元フォトニック結晶を用いて、波長合分波器、偏光分離素子、偏波分散補償器等の光機能素子を構成することができる。
【発明の実施の形態及び効果】
【００２３】
本発明に係る２次元フォトニック結晶は、１個の２次元フォトニック結晶内に形成された、TE-PBGを有する第１領域と、TM-PBGを有する第２領域から成る。第１領域には従来のTE-PBGを有する２次元フォトニック結晶と同様のものを、第２領域には従来のTM-PBGを有する２次元フォトニック結晶と同様のものを、それぞれ用いることができる。
【００２４】
この２次元フォトニック結晶において同一の周波数のTE偏波とTM偏波を共に利用できるようにするために、第１領域のPBGと第２領域のPBGが共通のエネルギー領域（周波数領域、波長領域）を持つように第１領域及び第２領域の異屈折率領域の周期・大きさ及び形状、本体の厚さ、本体及び異屈折率領域の屈折率等のパラメータを設定する。本発明では第１領域と第２領域のパラメータを独立に設定することができるため、共通エネルギー領域を容易に且つ従来よりも広く形成することができる。
【００２５】
例えば図２に示すように、一方のPBG（この図では第２領域のPBG）が他方のPBGのエネルギー領域に完全に含まれるようにすることができる。この場合、当該一方のPBGのエネルギー領域の全体が共通エネルギー領域１３となる。
【００２６】
なお、第１領域にはTE-PBGが形成されさえすれば更にTM-PBGが形成されてもよく、同様に、第２領域にはTM-PBGが形成されさえすれば更にTE-PBGが形成されてもよい。しかし、一方の領域にTE-PBGとTM-PBGが形成されたとしても、その領域でTE-PBGとTM-PBGの両方を利用するよりも、第１領域ではTE-PBGを、第２領域ではTM-PBGを、それぞれ利用する方が、共通エネルギー領域を大きく取ることができ、また、各偏波に対して最適な条件を設定することが容易である、という利点があるため望ましい。
【００２７】
第１領域は、例えば特許文献１に記載のように、本体に円形の異屈折率領域を三角格子状に設けることにより形成することができる。第２領域は、例えば特許文献２に記載のように、本体に三角形の異屈折率領域を三角格子状に設けることにより形成することができる。もちろん、その他の構成により第１領域及び第２領域を形成することもできる。
【００２８】
一般的には、１枚のスラブ状の本体に第１領域及び第２領域を形成するのが製造面等で有利であるため、上記のパラメータのうち本体の厚さ及び屈折率は第１領域及び第２領域で同一とすることが望ましい。この場合、第１領域及び第２領域は、異屈折率領域の周期・大きさ及び形状を適宜設定することにより形成する。
【００２９】
異屈折率領域は、本体とは屈折率の異なる物質を本体に埋め込むことにより形成することも可能ではあるが、本体に空孔を設けて形成する方が、製造が容易であり、本体との屈折率差を大きくすることができるため望ましい。
【００３０】
このように第１領域と第２領域が形成された２次元フォトニック結晶は、例えば、共通エネルギー領域に対応する周波数領域内の周波数を有するTE偏波、TM偏波を共に反射するフォトニック結晶ミラーに用いることができる。更に、本発明の２次元フォトニックを様々な光機能素子に適用するために、以下に述べるように、２次元フォトニック結晶内に導波路や共振器を設けることができる。
【００３１】
第１領域と第２領域が形成された２次元フォトニック結晶に、第１領域と第２領域を通る導波路を設けることができる。この導波路は従来の２次元フォトニック結晶と同様に、周期屈折率分布の欠陥を線状に設けることにより形成することができる。また、導波路の幅や異屈折率領域のパラメータ等を調整することにより、導波路を通過することのできる光の周波数帯域（通過周波数帯域）を適宜設定することができる。この場合にも、第１領域と第２領域では独立にパラメータを設定することができるため、所定の通過周波数帯域を有する導波路を容易に形成することができる。
【００３２】
上記のように所定の通過周波数帯域を有する導波路を容易に形成することができるため、例えば、以下のように光機能素子を作製することができる。第１領域ではTE偏波に対して、第２領域ではTM偏波に対して、同一周波数の欠陥準位がPBG内に設定されるように導波路を形成する。そして、第１領域では、TM偏波の導波帯域であるTM-フォトニックバンド（PBGではない）内にこの周波数が入るようにパラメータを設定する。一方、第２領域では、この周波数がTE-PBG内に入るようにする（三角形の異屈折率領域を三角格子状に設けた場合には、TM偏波のみならずTE偏波に対してもPBGを形成することができる）。この構成によれば、第１領域の導波路に上記周波数のTE偏波とTM偏波を導入した時、第１領域の導波路ではTE偏波、TM偏波の双方が伝播することができるのに対して、第２領域の導波路では上記周波数がTE-PBG内にあるためTE偏波が伝播することができず、TM偏波のみ伝播可能である。従って、上記周波数のTE偏波は第１領域と第２領域の境界において反射され、それに対して、同じ周波数を有するTM偏波はこの境界を通過することができるため、同一周波数のTE偏波とTM偏波を分離することができる。
【００３３】
本発明の２次元フォトニック結晶に更に共振器を設けることができる。この共振器は、異屈折率領域の欠陥を点状に設けて成る点状欠陥により形成することができる。点状欠陥は、それを設けようとする位置の異屈折率領域の径や形状を変化させたり、異屈折率領域を埋めたりする（異屈折率領域を設けない）ことにより形成することができる。点状欠陥には、１個の異屈折率領域のみから成る単純な点欠陥や、隣接する複数の異屈折率領域から成るクラスタ型欠陥がある。このような点状欠陥を形成することにより、PBG内に欠陥準位が形成され、その欠陥準位に対応する周波数の光がその点状欠陥において共振する。欠陥準位のエネルギー値、即ち共振周波数は、点状欠陥の位置・形状・大きさや異屈折率領域の周期等のパラメータにより定まる。これらのパラメータを適切に設定することにより、第１領域には所望の周波数のTE偏波が共振する共振器を、第２領域には所望の周波数のTM偏波が共振する共振器を、それぞれ形成することができる。このような共振器の詳細は特許文献１及び２に記載されている。本発明の２次元フォトニック結晶では、１個の２次元フォトニック結晶内の第１領域及び第２領域において、互いに影響を及ぼすことなく独立に共振器を設計することができる。
【００３４】
このように共振器を設けた本発明の２次元フォトニック結晶は種々の光デバイスに用いることができる。
例えば、偏光面の違いにより光を分波し、及び／又は偏光面の異なる光を合波する偏波多重合分波器として用いることができる。この偏波多重合分波器においては、第１領域には所定の周波数のTE偏波に共振する共振器を設け、第２領域には同じ共振周波数のTM偏波に共振する共振器を設ける。導波路は、(i)第１領域では上記周波数のTE偏波とTM偏波の双方が通過できるように形成し、第２領域では上記周波数のTM偏波のみが通過できるように形成するか、(ii)第２領域では上記周波数のTE偏波とTM偏波の双方が通過できるように形成し、第１領域では上記周波数のTE偏波のみが通過できるように形成する。
このように構成される偏波多重合分波器では、導波路を伝播する上記周波数のTE偏波及びTM偏波のうち、TE偏波を第１領域の共振器から、TM偏波を第２領域の共振器から、それぞれ分波する。同様に、上記周波数のTE偏波を第１領域の共振器から、TM偏波を第２領域の共振器から、導波路へ合波する。この偏波多重合分波器では、同一の周波数を有するTE偏波とTM偏波を独立に使用することができる。
【００３５】
第１領域及び／又は第２領域の共振器から光を取り出す（光分波器の場合）ため又は第１領域及び／又は第２領域の共振器に光を導入する（光合波器の場合）ため、本発明の２次元フォトニック結晶に、上記導波路（ここでは「第１導波路」と呼ぶ）に加えて更に第２の導波路を設けてもよい。第２導波路は、第１領域又は第２領域のいずれか一方を通り、第１導波路と共にその領域にある共振器を挟むように形成する。これにより、その領域において、その共振器に共振する波長及び偏波の光を第２導波路に取り出すことができる。同様に、その共振器に共振する波長及び偏波の光を第２導波路からその共振器を通して第１導波路に合波することができる。この第２導波路は、第１領域及び第２領域の双方にそれぞれ１本ずつ設けてもよい。
【００３６】
また、第２導波路は、第１領域及び前記第２領域の双方を通るようにし、双方の領域において第１導波路と共に共振器を挟むように形成してもよい。この２次元フォトニック結晶は、所定の周波数の光を偏波に依らずに分波及び合波する偏波無依存型周波数（波長）合分波器として用いることができる。
従来の２次元フォトニック結晶周波数（波長）合分波器では、周期構造、導波路、共振器はTE偏波又はTM偏波の一方にのみ適した構成であったため、導波路を伝播する他方の偏波の光の一部は分波されずに損失となっていた。それに対してこの偏波無依存型周波数（波長）合分波器では、所定周波数のTE偏波は第１領域の共振器により、該周波数のTM偏波は第２領域の共振器により、それぞれ第２導波路に分波されるため、このような損失が生じることがない。
【００３７】
第１領域と第２領域を１つの構成単位として、それを複数個接続し、全ての構成単位の導波路を接続した２次元フォトニック結晶を形成することができる。この２次元フォトニック結晶において、例えば、構成単位毎に共振周波数の異なる共振器を設けることにより、複数の周波数についてそれぞれTE偏波とTM偏波を独立に用いることができる光デバイスを形成することができる。また、それら複数の周波数についてそれぞれTE偏波とTM偏波を独立に合波・分波することができ、それにより、偏波を区別しない場合と比較して多重数が２倍になる光合分波器を得ることができる。
【実施例】
【００３８】
本発明の２次元フォトニック結晶の実施例を、図３〜図１１を用いて説明する。
図３に、本発明の２次元フォトニック結晶の基本的な構造の一例を示す。本体２０は、SiやInGaAsP等、空気よりも屈折率が十分に高い材料を用いて板状（スラブ状）に形成される。本体２０は第１領域２１と第２領域２２から成る。第１領域２１には円形の空孔２３（異屈折率領域）が、第２領域２２には正三角形の空孔２４が、それぞれ三角格子状に配置される。後に詳述するように、この構成により第１領域にはTE-PBGが、第２領域にはTM-PBGが形成される。以下、このようなTE-PBGが形成される領域とTM-PBGが形成される領域が接続された構造を「偏波ヘテロ構造」と呼ぶ。
【００３９】
本実施例の２次元フォトニック結晶（図３）と、比較例として従来の２次元フォトニック結晶（図４）について、フォトニックバンドを計算した結果について述べる。
まず、比較例の２次元フォトニック結晶について説明する。この２次元フォトニック結晶は、正三角形の空孔が三角格子状に配置されたものであり、本実施例（図３）の第２領域２２と同様の構成を有する。この構成は１つの２次元フォトニック結晶においてTE-PBGとTM-PBGが形成されるものであることが知られている（特許文献２）。
【００４０】
計算に用いたパラメータについて述べる。本実施例及び比較例共に空孔の周期をaとし、本体の厚さを0.6a、本実施例の第１領域における円形空孔の半径を0.35a、第２領域及び比較例における正三角形空孔の１辺の長さを0.95aとした。また、本体の屈折率を3.4（Siの屈折率）とした。
【００４１】
比較例の２次元フォトニック結晶のバンド図を図５(a)及び(c)に、本実施例の２次元フォトニック結晶のバンド図を図５(b)及び(d)に、それぞれ示す。ここで、(c)及び(d)は、それぞれ(a)及び(b)の拡大図である。図５(a), (c)にはTE偏波に関するバンド図とTM偏波に関するバンド図を並べて記載し、(b), (d)には第１領域におけるTE偏波に関するバンド図と第２領域におけるTM偏波に関するバンド図を並べて記載した。縦軸は周波数をc/a（cは光速）で除した規格化周波数で示した。比較例ではTE-PBGとTM-PBGが一部のみ重複するのに対して、本実施例では第２領域のTM-PBGのエネルギー（周波数）領域が全て第１領域のTE-PBG内に収まる。そのため、TE-PBGとTM-PBGが重複するエネルギー領域である完全PBG３１は、比較例よりも本実施例の方が大きい。このように完全PBG３１を大きくすることができることにより、光合分波器の設計の自由度を高めることができる。
【００４２】
なお、実際には、第２領域のTM-PBGの領域の全体が完全PBG３１になるように上記のパラメータを定めた。このようにパラメータを定めることができるのは、本発明によりTE-PBGとTM-PBGを独立に調整できるためである。
【００４３】
図６に、導波路と共振器を形成した偏波ヘテロ構造２次元フォトニック結晶の一実施例を示す。第１領域２１に空孔２３による周期構造を設けない線状の空間である線状欠陥を形成し、この第１領域２１の線状欠陥と接続されるように、第２領域２２に同様の線状欠陥を形成する。これにより、第１領域２１と第２領域の２２の双方を通る導波路２５を形成する。第１領域２１中において、導波路２５から３列の空孔２３を介した位置に、直線状に並んだ空孔２３の３個分の点状欠陥を設けることにより共振器２６を形成する。同様に、第２領域２２中に共振器２７を形成する。
【００４４】
図６の偏波ヘテロ構造２次元フォトニック結晶について、図７のバンド図を用いて説明する。第１領域２１にはTE-PBG４１が形成され、第２領域２２にはTE-PBG４２が形成される。第１領域２１の導波路２５にはTE-PBG４１内にTE偏波の通過周波数帯域（TE-WG４３）が形成され、第２領域２２の導波路２５には、TM-PBG４１内にTM偏波の通過周波数帯域（TM-WG４４）が形成される。TE-WG４３とTM-WG４４はいずれもPBG内に欠陥準位が形成されて成るものである。一方、第１領域２１の導波路２５では、TM導波路モードが図７中の曲線４５として得られ、入射したTM偏波光は本体２０と空孔２３及び外部との屈折率差により導波路２５内に閉じ込められ、その中を伝播することができる。これにより、周波数ω0の光は、TE偏波が第１領域２１の導波路２５を、TM偏波が第１領域２１及び第２領域２２の双方の導波路２５を伝播することができる。この周波数ω0のTE偏波に共振するように共振器２６のパラメータ（形状、大きさ等）を、周波数ω0のTM偏波に共振するように共振器２７のパラメータを、それぞれ設定する。これにより、この偏波ヘテロ構造２次元フォトニック結晶は、導波路２５内を伝播する光のうち周波数ω0のTE偏波を共振器２６を介して、周波数ω0のTM偏波を共振器２７を介して、それぞれ結晶外部へ分波する偏波分波器となる。同様に、この２次元フォトニック結晶は、周波数ω0のTE偏波を結晶外部から共振器２６を介して、周波数ω0のTM偏波を結晶外部から共振器２７を介して、導波路２５に合波する偏波合波器となる。
【００４５】
図８に、偏波ヘテロ構造２次元フォトニック結晶に更に、第１領域２１に共振器２６の近傍を通る導波路２８を、第２領域２２に共振器２７の近傍を通る導波路２９を、それぞれ形成した２次元フォトニック結晶を示す。共振器２６は導波路２５と導波路２８に、共振器２７は導波路２５と導波路２９に、それぞれ挟まれるように形成する。この構成により、導波路２５から導波路２８及び導波路２９にそれぞれ周波数ω0のTE偏波及びTM偏波が分波され、導波路２８及び導波路２９からそれぞれ周波数ω0のTE偏波及びTM偏波が導波路２５に合波される。
【００４６】
図９に、偏波ヘテロ構造２次元フォトニック結晶に更に、第１領域２１と第２領域２２の双方を通る導波路３０を形成した２次元フォトニック結晶を示す。共振器２６及び２７は共に、導波路２５と導波路３０に挟まれるように形成する。この構成により、導波路２５を伝播する様々な波長及び偏波の光のうち、周波数ω0のTE偏波は共振器２６を介して導波路３０に分波され、同様に導波路２５を伝播する周波数ω0のTM偏波は共振器２７を介して導波路３０に分波される。これにより、導波路２５を伝播する周波数ω0の光をその偏波に依らずに導波路３０に分波することができる。合波器としての作用も同様である。
【００４７】
図９に示した構成では、導波路２５を伝播するTM偏波の一部は共振器２７を通過する。そこで、図１０に示すように、第１領域２１とは反対側の第２領域２２の端部に、導波路２５を伝播する光を反射する反射部５０を設けることが望ましい。これにより、共振器２７を通過した光は反射部５０により反射され、共振器２７に導入される確率が高くなり、分波効率が向上する。この反射面は、例えば導波路２５を伝播する光の偏波及び周波数がPBGに含まれるような２次元フォトニック結晶を該端部に接続することにより形成することができる。
【００４８】
図１１に、第１領域２１とは反対側の第２領域２２の端部に、第１領域２１及び第２領域と相似形の第３領域５１及び第４領域５２を接続した偏波ヘテロ構造２次元フォトニック結晶を示す。第３領域５１及び第４領域５２はそれぞれ、同一の割合で第１領域２１及び第２領域を縮小したものである。第１領域２１から第４領域５２にかけて導波路５３を形成し、導波路５３から空孔３列分を隔てて各領域に共振器５４、５５、５６、５７を形成する。また、第１領域２１と第２領域２２のみを通過する導波路５８を、導波路５３と導波路５８が共振器５４と共振器５５を挟むように形成する。同様に、第３領域５１と第４領域５２のみを通過する導波路５９を、導波路５３と導波路５９が共振器５６と共振器５７を挟むように形成する。この２次元フォトニック結晶では、TE偏波は共振器５４と共振器５６において、TM偏波は共振器５５と共振器５７において、それぞれ異なる周波数ω1及びω2で共振する。これにより、第１領域２１及び第２領域２２から周波数ω1の光を偏波に依らずに導波路５８に分波し、第３領域５１及び第４領域５２から周波数ω2の光を偏波に依らずに導波路５９に分波することができる。合波の場合も同様である。更に３組以上の相似形の偏波ヘテロ構造２次元フォトニック結晶を接続してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】従来の２次元フォトニック結晶におけるPBGの模式図。
【図２】本発明に係る２次元フォトニック結晶におけるPBGの模式図。
【図３】本発明に係る２次元フォトニック結晶の一実施例の平面図。
【図４】比較例の２次元フォトニック結晶の平面図。
【図５】比較例及び本実施例の２次元フォトニック結晶のフォトニックバンド図。
【図６】導波路及び共振器を形成した本実施例の２次元フォトニック結晶の平面図。
【図７】図６の２次元フォトニック結晶のフォトニックバンド図。
【図８】各共振器の近傍にそれぞれ更に導波路を形成した２次元フォトニック結晶の平面図。
【図９】第１領域と第２領域の双方を通る更に導波路を形成した２次元フォトニック結晶の平面図。
【図１０】第２領域の端部に反射面を形成した２次元フォトニック結晶の平面図。
【図１１】相似形である２組の偏波ヘテロ構造２次元フォトニック結晶を接続した構造を有する２次元フォトニック結晶の平面図。
【符号の説明】
【００５０】
１１、４１…TE-PBG
１２、４２…TM-PBG
１３…共通エネルギー領域
２０…本体
２１…第１領域
２２…第２領域
２３…円形の空孔
２４…正三角形の空孔
２５、２８、２９、３０、５３、５８、５９…導波路
２６、２７、５４、５５、５６、５７…共振器
３１…完全PBG
４３…TE-WG
４４…TM-WG
５０…反射部
５１…第３領域
５２…第４領域
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スラブ状の本体に周期的に屈折率分布を設けて成る２次元フォトニック結晶であって、
a) TE偏波に対するフォトニックバンドギャップを有する第１領域と、
b) 第１領域に隣接して設けられ、少なくとも一部のエネルギー領域が前記TE偏波フォトニックバンドギャップと共通する、TM偏波に対するフォトニックバンドギャップを有する第２領域と、
を備えることを特徴とする２次元フォトニック結晶。
【請求項２】
第１領域の屈折率分布が、円形の異屈折率領域を三角格子状に配置したものであり、第２領域の屈折率分布が、正三角形の異屈折率領域を三角格子状に配置したものであることを特徴とする請求項１に記載の２次元フォトニック結晶。
【請求項３】
第１領域と第２領域の双方を通る導波路を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の２次元フォトニック結晶。
【請求項４】
第１領域及び第２領域の導波路の近傍にそれぞれ、その領域に対応する偏波が共振する共振器を備えることを特徴とする請求項３に記載の２次元フォトニック結晶。
【請求項５】
前記第１領域又は前記第２領域のいずれか一方を通り、前記導波路と共に該一方の領域の共振器を挟むように形成される第２導波路を備えることを特徴とする請求項４に記載の２次元フォトニック結晶。
【請求項６】
前記第１領域及び前記第２領域の双方を通り、前記導波路と共に双方の領域の共振器を挟むように形成される第２導波路を備えることを特徴とする請求項４に記載の２次元フォトニック結晶。
【請求項７】
請求項３〜６のいずれかに記載の２次元フォトニック結晶を１つの構成単位として、該構成単位を複数個接続して形成され、全構成単位の導波路が連続していることを特徴とする２次元フォトニック結晶。
【請求項８】
本体の厚さが全ての領域で等しいことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の２次元フォトニック結晶。
【請求項９】
請求項３〜８のいずれかに記載の２次元フォトニック結晶を用いた光機能素子。
【請求項１】
スラブ状の本体に周期的に屈折率分布を設けて成る２次元フォトニック結晶であって、
a) TE偏波に対するフォトニックバンドギャップを有する第１領域と、
b) 第１領域に隣接して設けられ、少なくとも一部のエネルギー領域が前記TE偏波フォトニックバンドギャップと共通する、TM偏波に対するフォトニックバンドギャップを有する第２領域と、
を備えることを特徴とする２次元フォトニック結晶。
【請求項２】
第１領域の屈折率分布が、円形の異屈折率領域を三角格子状に配置したものであり、第２領域の屈折率分布が、正三角形の異屈折率領域を三角格子状に配置したものであることを特徴とする請求項１に記載の２次元フォトニック結晶。
【請求項３】
第１領域と第２領域の双方を通る導波路を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の２次元フォトニック結晶。
【請求項４】
第１領域及び第２領域の導波路の近傍にそれぞれ、その領域に対応する偏波が共振する共振器を備えることを特徴とする請求項３に記載の２次元フォトニック結晶。
【請求項５】
前記第１領域又は前記第２領域のいずれか一方を通り、前記導波路と共に該一方の領域の共振器を挟むように形成される第２導波路を備えることを特徴とする請求項４に記載の２次元フォトニック結晶。
【請求項６】
前記第１領域及び前記第２領域の双方を通り、前記導波路と共に双方の領域の共振器を挟むように形成される第２導波路を備えることを特徴とする請求項４に記載の２次元フォトニック結晶。
【請求項７】
請求項３〜６のいずれかに記載の２次元フォトニック結晶を１つの構成単位として、該構成単位を複数個接続して形成され、全構成単位の導波路が連続していることを特徴とする２次元フォトニック結晶。
【請求項８】
本体の厚さが全ての領域で等しいことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の２次元フォトニック結晶。
【請求項９】
請求項３〜８のいずれかに記載の２次元フォトニック結晶を用いた光機能素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００６−１８４６１７（Ｐ２００６−１８４６１７Ａ）
【公開日】平成１８年７月１３日（２００６．７．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−３７８７０６（Ｐ２００４−３７８７０６）
【出願日】平成１６年１２月２８日（２００４．１２．２８）
【出願人】（５０４１３２２７２）国立大学法人京都大学 (1,269)
【出願人】（０００００３０６７）ＴＤＫ株式会社 (7,238)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年７月１３日（２００６．７．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１２月２８日（２００４．１２．２８）
【出願人】（５０４１３２２７２）国立大学法人京都大学 (1,269)
【出願人】（０００００３０６７）ＴＤＫ株式会社 (7,238)
【Ｆターム（参考）】
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