JP2003315572A - 光導波路及びそれを用いた光学素子 - Google Patents
光導波路及びそれを用いた光学素子Info
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
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- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
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Abstract
(57)【要約】
【課題】モードフィールド径の異なる光導波路モード間
での、モードフィールド径の大きさの違いから生じる結
合損失ならびに媒質の違いから生じる境界での反射によ
る結合損失の低減を可能にする光導波路およびそれを用
いた光学素子技術を提供する。 【解決手段】フォトニック結晶構造による実効屈折率制
御を用いて、微小光回路（１２）とシングルモード光フ
ァイバ（１１）との結合損失を低減させるに必要な反射
防止部付きモードフィールド径変換部（４）を有する構
造を一括して作製する。
での、モードフィールド径の大きさの違いから生じる結
合損失ならびに媒質の違いから生じる境界での反射によ
る結合損失の低減を可能にする光導波路およびそれを用
いた光学素子技術を提供する。 【解決手段】フォトニック結晶構造による実効屈折率制
御を用いて、微小光回路（１２）とシングルモード光フ
ァイバ（１１）との結合損失を低減させるに必要な反射
防止部付きモードフィールド径変換部（４）を有する構
造を一括して作製する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、光導波路や微小光
回路等を含む光学素子技術に関する。
回路等を含む光学素子技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】二つの光導波路モードの結合効率は、各
光導波路モードの進行方向に垂直な面内の電界分布（以
下、モードフィールド）の重ね合わせに比例する。従っ
て、２つの光導波路モードのモードフィールドの大きさ
あるいはその分布パターンが異なる場合、結合効率は小
さくなる。結合効率を大きくする方法として、どちらか
のモードフィールドの大きさならびにそのパターンを他
方の光導波路モードのものと同じになるように変換する
ことである。
光導波路モードの進行方向に垂直な面内の電界分布（以
下、モードフィールド）の重ね合わせに比例する。従っ
て、２つの光導波路モードのモードフィールドの大きさ
あるいはその分布パターンが異なる場合、結合効率は小
さくなる。結合効率を大きくする方法として、どちらか
のモードフィールドの大きさならびにそのパターンを他
方の光導波路モードのものと同じになるように変換する
ことである。
【０００３】この方法を用いた公知例が幾つか存在す
る。（１）「第４８回応用物理学関係連合講演会３０ａ
−ＹＫ−１１」の文献に記載されているコア断面の大き
さを逆テーパ状に変化させた低損失Si細線光導波路の外
部結合導波路がある。ここで、逆テーパ状のコアの場
合、光導波路のコア断面積を小さくすることによって、
モードフィールドの大きさを大きくする。または、光導
波路のコア断面積を大きくすることによって、モードフ
ィールドの大きさを小さくする。（２）「特開２００１
−４８８７号公報」に記載されている順テーパ状のコア
を金属またはフォトニック結晶材料からなるクラッド層
で構成される光導波路がある。ここで、順テーパ状のコ
アの場合、光導波路のコア断面積を小さくすることによ
って、モードフィールドの大きさを小さくする。また
は、光導波路のコア断面積を大きくすることによって、
モードフィールドの大きさを大きくする。（３）「アイ
・イー・イー・イー・フォトニックテクノロジー・レタ
ー、１３巻、５２頁（２００１）」の文献に記載されて
いる光ファイバを用いたものとして、エアー・シリカフ
ァイバーのクラッド層とコア層を共に順テーパ状にした
モードフィールド変換素子がある。（４）「電子情報通
信学会総合大会予稿集Ｃ−３５８、３５８頁（１９９
５）」の文献は、モード変換器付き半導体レーザのモー
ド変換部も、順テーパ状と逆テーパ状のコアを有する光
導波路構造を示している。（５）「特開公報２００１−
４８６９号公報」には、フォトニック結晶特有の波長分
散特性を利用したスポットサイズを桁違いに変える光結
合素子も提案されている。
る。（１）「第４８回応用物理学関係連合講演会３０ａ
−ＹＫ−１１」の文献に記載されているコア断面の大き
さを逆テーパ状に変化させた低損失Si細線光導波路の外
部結合導波路がある。ここで、逆テーパ状のコアの場
合、光導波路のコア断面積を小さくすることによって、
モードフィールドの大きさを大きくする。または、光導
波路のコア断面積を大きくすることによって、モードフ
ィールドの大きさを小さくする。（２）「特開２００１
−４８８７号公報」に記載されている順テーパ状のコア
を金属またはフォトニック結晶材料からなるクラッド層
で構成される光導波路がある。ここで、順テーパ状のコ
アの場合、光導波路のコア断面積を小さくすることによ
って、モードフィールドの大きさを小さくする。また
は、光導波路のコア断面積を大きくすることによって、
モードフィールドの大きさを大きくする。（３）「アイ
・イー・イー・イー・フォトニックテクノロジー・レタ
ー、１３巻、５２頁（２００１）」の文献に記載されて
いる光ファイバを用いたものとして、エアー・シリカフ
ァイバーのクラッド層とコア層を共に順テーパ状にした
モードフィールド変換素子がある。（４）「電子情報通
信学会総合大会予稿集Ｃ−３５８、３５８頁（１９９
５）」の文献は、モード変換器付き半導体レーザのモー
ド変換部も、順テーパ状と逆テーパ状のコアを有する光
導波路構造を示している。（５）「特開公報２００１−
４８６９号公報」には、フォトニック結晶特有の波長分
散特性を利用したスポットサイズを桁違いに変える光結
合素子も提案されている。
【０００４】また、「ジェー・ディー・ラブ、アイ・イ
ー・イー・イー・プロシーディング、１３６巻、２３５
頁（１９８９）」の文献には、モードフィールドの大き
さを変える際、そのフィールド分布を変えないようにす
るための判断基準となる条件式が記載されている。この
フィールド分布を変えないで、モードフィールドの大き
さのみを変換することを、アディアバティックなモード
変換と言う。
ー・イー・イー・プロシーディング、１３６巻、２３５
頁（１９８９）」の文献には、モードフィールドの大き
さを変える際、そのフィールド分布を変えないようにす
るための判断基準となる条件式が記載されている。この
フィールド分布を変えないで、モードフィールドの大き
さのみを変換することを、アディアバティックなモード
変換と言う。
【０００５】また、「マイクロウエーブ・アンド・オプ
ティカルテクノロジー・レター、７巻、１３２頁（１９
９４）」の文献には、選択的結晶成長を用いた半導体の
結晶成長方向に厚みを空間的に制御する手法が記載され
ている。
ティカルテクノロジー・レター、７巻、１３２頁（１９
９４）」の文献には、選択的結晶成長を用いた半導体の
結晶成長方向に厚みを空間的に制御する手法が記載され
ている。
【０００６】次に、屈折率の異なる二つの媒質の界面に
光が入射する場合、反射が生じる。この反射を低減する
ために、反射防止膜がある。光が屈折率ｎ0の媒質０か
ら屈折率ｎ2の媒質２へ入射する場合、その際生じる反
射を無くすためには、下記の条件を満たす屈折率ｎ1、
厚さＬの媒質１を、媒質１と２の間に挿入すればよいこ
とが知られている（「フィールド・アンド・ウェーブ・
イン・コミニュケーション・エレクトロニクス」、サイ
モン・ラモ他、第２版、ジョン・ワイリー・ンド・アン
ド・サン出版、第６.８章、２９４頁を参照）。 ｎ1 2＝ｎ0・ｎ2 ・・・・・・・・(１) ｋ1・Ｌ＝π/２ ・・・・・・・・(２) ここで、ｋ1は媒質１における光の波数である。
光が入射する場合、反射が生じる。この反射を低減する
ために、反射防止膜がある。光が屈折率ｎ0の媒質０か
ら屈折率ｎ2の媒質２へ入射する場合、その際生じる反
射を無くすためには、下記の条件を満たす屈折率ｎ1、
厚さＬの媒質１を、媒質１と２の間に挿入すればよいこ
とが知られている（「フィールド・アンド・ウェーブ・
イン・コミニュケーション・エレクトロニクス」、サイ
モン・ラモ他、第２版、ジョン・ワイリー・ンド・アン
ド・サン出版、第６.８章、２９４頁を参照）。 ｎ1 2＝ｎ0・ｎ2 ・・・・・・・・(１) ｋ1・Ｌ＝π/２ ・・・・・・・・(２) ここで、ｋ1は媒質１における光の波数である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】フォトニック結晶光導
波路やマイクロガイド光導波路を用いた微小光回路が注
目を浴びている。
波路やマイクロガイド光導波路を用いた微小光回路が注
目を浴びている。
【０００８】フォトニック結晶とは、屈折率差の大きな
２種類の媒質から作られた、光の波長程度の周期を有す
る周期構造のことである。この周期性に欠陥を導入する
ことによって、強い光閉じ込めが可能なフォトニック結
晶導波路を作ることができる。フォトニック結晶光導波
路には、欠陥が物理的に接続してできた線欠陥導波路
と、欠陥が物理的には接続してないが、光学的に接続し
てできた結合欠陥導波路とがある。そのような光導波路
では、導波路の曲がりが大きくなっても、曲がりによる
光伝搬損失（曲げ損失）が非常に小さい。その結果、こ
の光導波路を用いれば、非常に小さな光学回路ができる
と期待されている。
２種類の媒質から作られた、光の波長程度の周期を有す
る周期構造のことである。この周期性に欠陥を導入する
ことによって、強い光閉じ込めが可能なフォトニック結
晶導波路を作ることができる。フォトニック結晶光導波
路には、欠陥が物理的に接続してできた線欠陥導波路
と、欠陥が物理的には接続してないが、光学的に接続し
てできた結合欠陥導波路とがある。そのような光導波路
では、導波路の曲がりが大きくなっても、曲がりによる
光伝搬損失（曲げ損失）が非常に小さい。その結果、こ
の光導波路を用いれば、非常に小さな光学回路ができる
と期待されている。
【０００９】マイクロガイド光導波路とは、光導波路の
コア部とクラッドの屈折率差が非常に大きな光導波路の
ことである。通常、コア部とクラッドの屈折率差は１以
上であり、光の閉じ込めが強いことから、上述したフォ
トニック結晶光導波路と同様、曲げ損失が小さいため、
小さな光学回路の光回路として期待されている。
コア部とクラッドの屈折率差が非常に大きな光導波路の
ことである。通常、コア部とクラッドの屈折率差は１以
上であり、光の閉じ込めが強いことから、上述したフォ
トニック結晶光導波路と同様、曲げ損失が小さいため、
小さな光学回路の光回路として期待されている。
【００１０】上記、光閉じ込めの強い光導波路は、基本
導波路モードのみが存在するシングルモード光導波路と
仮定すると、そのモードフィールド径は１μｍ以下にも
なる。ここで、基本モードとは電界強度のパターンが単
峰性の光導波路モードのことである。また、モードフィ
ールド径とは、モードの電界強度分布の最大値の１/ｅ2
以上を含む電界領域の直径として定義されている。
導波路モードのみが存在するシングルモード光導波路と
仮定すると、そのモードフィールド径は１μｍ以下にも
なる。ここで、基本モードとは電界強度のパターンが単
峰性の光導波路モードのことである。また、モードフィ
ールド径とは、モードの電界強度分布の最大値の１/ｅ2
以上を含む電界領域の直径として定義されている。
【００１１】光学回路への光の入出力にはシングルモー
ド光ファイバが用いられる。光ファイバとは中心にコア
を有し、その周囲にクラッドが形成され、さらにその周
囲に保護層が設けられた同心円状の構造をした光導波路
である。シングルモード光ファイバとは、基本モードの
１つの光導波路モードしか存在しない光ファイバのこと
いう。現在、光通信システムの光信号の伝送用媒体とし
て、シングルモードファイバが用いられている。このシ
ングルモードファイバでは、コアとクラッドの屈折率差
が小さいため、光閉じ込めが弱く、その結果、存在する
基本モードのモードフィールド径は１０μｍ程度とな
る。
ド光ファイバが用いられる。光ファイバとは中心にコア
を有し、その周囲にクラッドが形成され、さらにその周
囲に保護層が設けられた同心円状の構造をした光導波路
である。シングルモード光ファイバとは、基本モードの
１つの光導波路モードしか存在しない光ファイバのこと
いう。現在、光通信システムの光信号の伝送用媒体とし
て、シングルモードファイバが用いられている。このシ
ングルモードファイバでは、コアとクラッドの屈折率差
が小さいため、光閉じ込めが弱く、その結果、存在する
基本モードのモードフィールド径は１０μｍ程度とな
る。
【００１２】従って、シングルモードから直接、フォト
ニック結晶光導波路またはマイクロガイド光導波路を有
する微小光回路へ光を入力する場合、または、その微小
光回路からシングルモードファイバへ直接光を出力する
場合、シングルモードファイバのモードフィールド径と
微小光回路のモードフィールド径に大きな差があるた
め、大きな結合損失が生じる。また、このモードフィー
ルド径の大きさの違いによる結合損失の他に、光ファイ
バと微小光回路の媒質の違いから生じる境界での反射に
よる結合損失も存在する。
ニック結晶光導波路またはマイクロガイド光導波路を有
する微小光回路へ光を入力する場合、または、その微小
光回路からシングルモードファイバへ直接光を出力する
場合、シングルモードファイバのモードフィールド径と
微小光回路のモードフィールド径に大きな差があるた
め、大きな結合損失が生じる。また、このモードフィー
ルド径の大きさの違いによる結合損失の他に、光ファイ
バと微小光回路の媒質の違いから生じる境界での反射に
よる結合損失も存在する。
【００１３】モードフィールド径の違いによる結合損失
を低減する方法として、先述の従来技術の（１）から
（５）の方法がある。（１）から（４）は、テーパ状コ
ア形成、埋め込み導波路形成、膜形成等複数の複雑な加
工工程を含む。（２）と（３）では、順テーパ状のコア
を有するため、コア径が大きくなるにつれ、複数の導波
路モードが存在する。そのため、シングルモードファイ
バから径の大きなコアへ光を入力する場合、基本導波路
モードの他に、高次の光導波路モードを励起することに
なり、新たな結合損失が生じる。（５）では、加工の複
雑さに加えて、光学的アライメントの困難さも生じる。
を低減する方法として、先述の従来技術の（１）から
（５）の方法がある。（１）から（４）は、テーパ状コ
ア形成、埋め込み導波路形成、膜形成等複数の複雑な加
工工程を含む。（２）と（３）では、順テーパ状のコア
を有するため、コア径が大きくなるにつれ、複数の導波
路モードが存在する。そのため、シングルモードファイ
バから径の大きなコアへ光を入力する場合、基本導波路
モードの他に、高次の光導波路モードを励起することに
なり、新たな結合損失が生じる。（５）では、加工の複
雑さに加えて、光学的アライメントの困難さも生じる。
【００１４】そこで、本発明は、モードフィールド径の
異なる光導波路モード間での、モードフィールド径の大
きさの違いから生じる結合損失ならびに媒質の違いから
生じる境界での反射による結合損失の低減する光導波路
およびそれを用いた光学素子技術を提供する。
異なる光導波路モード間での、モードフィールド径の大
きさの違いから生じる結合損失ならびに媒質の違いから
生じる境界での反射による結合損失の低減する光導波路
およびそれを用いた光学素子技術を提供する。
【００１５】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明では、基本モードのみが存在する第１の伝送
部材から、第１の伝送部材とは異なる大きさの基本モー
ドのみが存在する第２の伝送部材に光を伝送をするため
に、中間部材を設ける。この中間部材は、コア部とフォ
トニック結晶構造を有するクラッドからなる。クラッド
では、実効的な屈折率が空間的に変わるようフォトニッ
ク結晶構造を変化させる。その結果、コアとクラッドの
屈折率差が空間的に変化し、光の閉じ込めの強さが空間
的に変わるため、光導波路モードのフィールド径を空間
的に変化させることができる。
に、本発明では、基本モードのみが存在する第１の伝送
部材から、第１の伝送部材とは異なる大きさの基本モー
ドのみが存在する第２の伝送部材に光を伝送をするため
に、中間部材を設ける。この中間部材は、コア部とフォ
トニック結晶構造を有するクラッドからなる。クラッド
では、実効的な屈折率が空間的に変わるようフォトニッ
ク結晶構造を変化させる。その結果、コアとクラッドの
屈折率差が空間的に変化し、光の閉じ込めの強さが空間
的に変わるため、光導波路モードのフィールド径を空間
的に変化させることができる。
【００１６】この中間部材を用いて、第１の部材の基本
モードを、第２の部材の基本モードへ変換する。また、
この逆過程である、第２の部材の基本モードを、第１の
部材の基本モードへ変換する。中間部材において、基本
モードのみが存在するようにするために、モードフィー
ルド径の大きな領域から小さい領域へ行くにつれ、コア
とクラッドの屈折率差が大きくなるように、クラッドの
フォトニック結晶構造を変化させる。
モードを、第２の部材の基本モードへ変換する。また、
この逆過程である、第２の部材の基本モードを、第１の
部材の基本モードへ変換する。中間部材において、基本
モードのみが存在するようにするために、モードフィー
ルド径の大きな領域から小さい領域へ行くにつれ、コア
とクラッドの屈折率差が大きくなるように、クラッドの
フォトニック結晶構造を変化させる。
【００１７】また、中間部材の入力および出力部には、
フォトニック結晶構造を用いた界面での反射を防止する
領域を設ける。
フォトニック結晶構造を用いた界面での反射を防止する
領域を設ける。
【００１８】以下に、本発明の代表的な構成例を列挙す
る。
る。
【００１９】（１）コア部とフォトニック結晶部材を有
するクラッド部とを有し、かつ、前記フォトニック結晶
部材の構造を変えることにより、前記クラッド部の実効
的な屈折率を空間的に変化させ、光導波路モードの進行
方向に垂直な面内の電界強度分布であるモードフィール
ド径を空間的に変化させて構成したことを特徴とする光
導波路。
するクラッド部とを有し、かつ、前記フォトニック結晶
部材の構造を変えることにより、前記クラッド部の実効
的な屈折率を空間的に変化させ、光導波路モードの進行
方向に垂直な面内の電界強度分布であるモードフィール
ド径を空間的に変化させて構成したことを特徴とする光
導波路。
【００２０】（２）前記構成において、前記光導波路モ
ードとして基本導波路モードが存在し、かつ、前記基本
導波路モードのモードフィールド径を空間的に変化させ
て構成したことを特徴とする光導波路。
ードとして基本導波路モードが存在し、かつ、前記基本
導波路モードのモードフィールド径を空間的に変化させ
て構成したことを特徴とする光導波路。
【００２１】（３）前記構成において、前記フォトニッ
ク結晶構造は、１次元もしくは２次元もしくは３次元フ
ォトニック結晶であることを特徴とする光導波路。
ク結晶構造は、１次元もしくは２次元もしくは３次元フ
ォトニック結晶であることを特徴とする光導波路。
【００２２】（４）前記構成において、前記コア部の断
面積が前記光導波路モードの進行方向に対して順テーパ
状もしくは逆テーパ状に空間的に変化するよう構成した
ことを特徴とする光導波路。
面積が前記光導波路モードの進行方向に対して順テーパ
状もしくは逆テーパ状に空間的に変化するよう構成した
ことを特徴とする光導波路。
【００２３】（５）前記構成において、前記光導波路の
入力側および出力側に、１次元もしくは２次元もしくは
３次元フォトニック結晶構造を有し、光の反射を防止す
る領域を設けてなることを特徴とする光導波路。
入力側および出力側に、１次元もしくは２次元もしくは
３次元フォトニック結晶構造を有し、光の反射を防止す
る領域を設けてなることを特徴とする光導波路。
【００２４】（６）基本導波路モードが存在する第１の
伝送部材と、前記第１の伝送部材とは異なる大きさの基
本導波路モードが存在する第２の伝送部材と、前記第１
の伝送部材から前記第２の伝送部材に光を伝送するため
に設けられ、コア部とフォトニック結晶構造を有するク
ラッド部とからなる中間部材とを具備し、かつ、前記中
間部材は、前記クラッド部の実効的な屈折率が空間的に
変わるよう前記フォトニック結晶構造を変化させ、光導
波路モードの進行方向に垂直な面内の電界強度分布であ
るモードフィールド径を空間的に変化させて構成したこ
とを特徴とする光学素子。
伝送部材と、前記第１の伝送部材とは異なる大きさの基
本導波路モードが存在する第２の伝送部材と、前記第１
の伝送部材から前記第２の伝送部材に光を伝送するため
に設けられ、コア部とフォトニック結晶構造を有するク
ラッド部とからなる中間部材とを具備し、かつ、前記中
間部材は、前記クラッド部の実効的な屈折率が空間的に
変わるよう前記フォトニック結晶構造を変化させ、光導
波路モードの進行方向に垂直な面内の電界強度分布であ
るモードフィールド径を空間的に変化させて構成したこ
とを特徴とする光学素子。
【００２５】（７）前記構成の光学素子において、前記
中間部材のフォトニック結晶構造を変化させることによ
り、前記第１の伝送部材の基本導波路モードを前記第２
の伝送部材の基本導波路モードへ、または前記第２の伝
送部材の基本導波路モードを前記第１の伝送部材の基本
導波路モードへ変換するよう構成したことを特徴とする
光学素子。
中間部材のフォトニック結晶構造を変化させることによ
り、前記第１の伝送部材の基本導波路モードを前記第２
の伝送部材の基本導波路モードへ、または前記第２の伝
送部材の基本導波路モードを前記第１の伝送部材の基本
導波路モードへ変換するよう構成したことを特徴とする
光学素子。
【００２６】（８）前記構成の光学素子において、前記
中間部材にあって、前記モードフィールド径の大きな領
域から小さい領域へいくにつれ、前記コア部と前記クラ
ッド部の屈折率差が大きくなるように、前記クラッド部
のフォトニック結晶構造を変化させて構成したことを特
徴とする光学素子。
中間部材にあって、前記モードフィールド径の大きな領
域から小さい領域へいくにつれ、前記コア部と前記クラ
ッド部の屈折率差が大きくなるように、前記クラッド部
のフォトニック結晶構造を変化させて構成したことを特
徴とする光学素子。
【００２７】（９）前記構成の光学素子において、前記
中間部材の入力側および出力側に、フォトニック結晶構
造を有し、前記第１の伝送部材および前記第２の伝送部
材との界面での光の反射を防止する領域を設けてなるこ
とを特徴とする光学素子。
中間部材の入力側および出力側に、フォトニック結晶構
造を有し、前記第１の伝送部材および前記第２の伝送部
材との界面での光の反射を防止する領域を設けてなるこ
とを特徴とする光学素子。
【００２８】（１０）前記構成の光学素子において、前
記中間部材が、線欠陥導波路もしくは結合欠陥導波路を
有してなることを特徴とする光学素子。
記中間部材が、線欠陥導波路もしくは結合欠陥導波路を
有してなることを特徴とする光学素子。
【００２９】
【発明の実施の形態】本発明に係わる光導波路およびそ
れを用いた光学素子の実施例につき、添付図面を参照し
ながら、以下詳細に説明する。
れを用いた光学素子の実施例につき、添付図面を参照し
ながら、以下詳細に説明する。
【００３０】（実施例１）フォトニック結晶構造を空間
的に変化させることにより、クラッドの実効的な屈折率
を空間的に変化させ、光導波路モードのフィールド径を
空間的に変化させることが可能なモードフィールド径変
換部と、フォトニック結晶構造からなる反射防止領域を
有する、モードフィールド径変換光導波路の実施例につ
いて説明する。
的に変化させることにより、クラッドの実効的な屈折率
を空間的に変化させ、光導波路モードのフィールド径を
空間的に変化させることが可能なモードフィールド径変
換部と、フォトニック結晶構造からなる反射防止領域を
有する、モードフィールド径変換光導波路の実施例につ
いて説明する。
【００３１】まず、図１と図２を用いて、フォトニック
結晶構造を変化することによって、フォトニック結晶の
実効的屈折率を変化させることについて説明する。フォ
トニック結晶構造として、図１に示すような、高屈折率
媒質１と円孔２からなる円孔型三角格子からなる２次元
フォトニック結晶３を例にとる。ここで、円孔の半径を
ｒ、円孔の中心間の距離（周期）をａとする。
結晶構造を変化することによって、フォトニック結晶の
実効的屈折率を変化させることについて説明する。フォ
トニック結晶構造として、図１に示すような、高屈折率
媒質１と円孔２からなる円孔型三角格子からなる２次元
フォトニック結晶３を例にとる。ここで、円孔の半径を
ｒ、円孔の中心間の距離（周期）をａとする。
【００３２】この場合の光の周波数と波数の関係を示す
分散関係は、図２で示した結果となる（J. D. Joannopo
ulos et al., Photonic Crystals, Princeton Universi
ty Press（１９９５））。縦軸は、規格化された角周波
数（ωａ/２πｃ）である。ここで、ωは角周波数、ａ
は周期、ｃは真空中の光の速度である。横軸は、規格化
された波数（ｋａ/２π）である。Γ、Ｍ、Ｋ、Ｌは、
波数のベクトル方向を示す記号である。この結果は、ｒ
＝０.４８ａの場合の結果に相当する。
分散関係は、図２で示した結果となる（J. D. Joannopo
ulos et al., Photonic Crystals, Princeton Universi
ty Press（１９９５））。縦軸は、規格化された角周波
数（ωａ/２πｃ）である。ここで、ωは角周波数、ａ
は周期、ｃは真空中の光の速度である。横軸は、規格化
された波数（ｋａ/２π）である。Γ、Ｍ、Ｋ、Ｌは、
波数のベクトル方向を示す記号である。この結果は、ｒ
＝０.４８ａの場合の結果に相当する。
【００３３】この図から、例えば角周波数ω1の光が円
孔型三角格子からなる２次元フォトニック結晶３に入射
した際、その光に対する実効屈折率ｎは、ω1/ｃ＝ｋ1/
ｎの関係を用いて与えられる。図２において、Γ点とω
1ａ/２πｃと分散曲線の交点Ａを直線で結んでできた直
線の傾きの逆数からｎが求められる。フォトニック結晶
の分散曲線は、ａあるいはｒあるいはａとｒの比を変え
ることにより、変えることができる。従って、角周波数
を固定した場合、その角周波数に対する実効屈折率を変
えることができる。
孔型三角格子からなる２次元フォトニック結晶３に入射
した際、その光に対する実効屈折率ｎは、ω1/ｃ＝ｋ1/
ｎの関係を用いて与えられる。図２において、Γ点とω
1ａ/２πｃと分散曲線の交点Ａを直線で結んでできた直
線の傾きの逆数からｎが求められる。フォトニック結晶
の分散曲線は、ａあるいはｒあるいはａとｒの比を変え
ることにより、変えることができる。従って、角周波数
を固定した場合、その角周波数に対する実効屈折率を変
えることができる。
【００３４】図３に、クラッドのフォトニック結晶の構
造を空間的に変化させたモードフィールド径変換部４
と、フォトニック結晶構造からなる反射防止部５を有す
る、モードフィールド径変換光導波路構造を示す。図
中、９は線欠陥導波路を示す。
造を空間的に変化させたモードフィールド径変換部４
と、フォトニック結晶構造からなる反射防止部５を有す
る、モードフィールド径変換光導波路構造を示す。図
中、９は線欠陥導波路を示す。
【００３５】GaAs基板６上にAlxGa1-xAs(ｘ＝０.３５、
厚さ２μｍ)クラッド層７とAlxGa1- xAs(ｘ＝０.１２、
厚さ０.５μｍ)コア層８をエピタキシャル成長させる。
次に、SiO2膜のマスクを用いてドライエッチングにより
周期的に並ぶ円孔１０を形成し、モードフィールド径変
換部４と反射防止部５を作製する。
厚さ２μｍ)クラッド層７とAlxGa1- xAs(ｘ＝０.１２、
厚さ０.５μｍ)コア層８をエピタキシャル成長させる。
次に、SiO2膜のマスクを用いてドライエッチングにより
周期的に並ぶ円孔１０を形成し、モードフィールド径変
換部４と反射防止部５を作製する。
【００３６】初めに、モードフィールド径変換部４につ
いて詳細を説明する。図４に、その構成図を示す。光フ
ァイバ１１側から入力した光のモードフィールド径（光
導波路モード電界強度分布）１４を、微小光回路１２側
の方へ伝搬するにつれ、モードフィールド径１４を小さ
くし、微小光回路の光導波路モードのモードフィールド
径になるように変換する。そのために、クラッドの実効
的屈折率を、微小光回路１２側に近づくにつれ、減少さ
せる。図中、１３はフォトニック結晶クラッドを示す。
いて詳細を説明する。図４に、その構成図を示す。光フ
ァイバ１１側から入力した光のモードフィールド径（光
導波路モード電界強度分布）１４を、微小光回路１２側
の方へ伝搬するにつれ、モードフィールド径１４を小さ
くし、微小光回路の光導波路モードのモードフィールド
径になるように変換する。そのために、クラッドの実効
的屈折率を、微小光回路１２側に近づくにつれ、減少さ
せる。図中、１３はフォトニック結晶クラッドを示す。
【００３７】言い換えれば、図５に示すように、微小光
回路側に近づくにつれ、コアとクラッドの屈折率差が大
きくなる（光の閉じ込めを強くする）ようにする。この
クラッドの空間的な実効屈折率の変化は、フォトニック
結晶構造の周期構造を空間的に変化させることによって
実現可能である。
回路側に近づくにつれ、コアとクラッドの屈折率差が大
きくなる（光の閉じ込めを強くする）ようにする。この
クラッドの空間的な実効屈折率の変化は、フォトニック
結晶構造の周期構造を空間的に変化させることによって
実現可能である。
【００３８】図６と図７を用いて、図５に示したような
実効屈折率の空間的変化をもたらす方法について説明す
る。図６に示すように、光ファイバ側から微小光回路側
に行くにつれ、円孔型三角格子の周期aを大きくなるよ
うにする。即ち、ａ1＜ａ2＜ａ3となるようにする。各
円孔の半径ｒに関しては、ｒ/ａ＝０.４８を満たすもの
とする。なお、図中、１９はフォトニック結晶クラッ
ド、２０は円孔、２１は高屈折率媒質、２２、２３、２
４は円孔型三角格子、２５は線欠陥導波路を示す。
実効屈折率の空間的変化をもたらす方法について説明す
る。図６に示すように、光ファイバ側から微小光回路側
に行くにつれ、円孔型三角格子の周期aを大きくなるよ
うにする。即ち、ａ1＜ａ2＜ａ3となるようにする。各
円孔の半径ｒに関しては、ｒ/ａ＝０.４８を満たすもの
とする。なお、図中、１９はフォトニック結晶クラッ
ド、２０は円孔、２１は高屈折率媒質、２２、２３、２
４は円孔型三角格子、２５は線欠陥導波路を示す。
【００３９】この場合、円孔型三角格子２２、２３、２
４において、同じ角周波数の光に対する実効屈折率は、
図７より、それぞれΓ点とＡ、Ｂ、Ｃを結んでできる直
線の傾きから求められる。従って、円孔型三角格子２
２、２３、２４の実効屈折率をそれぞれｎ22、ｎ23、ｎ
24とすると、ｎ22＜ｎ23＜ｎ24の関係が成り立つ。
４において、同じ角周波数の光に対する実効屈折率は、
図７より、それぞれΓ点とＡ、Ｂ、Ｃを結んでできる直
線の傾きから求められる。従って、円孔型三角格子２
２、２３、２４の実効屈折率をそれぞれｎ22、ｎ23、ｎ
24とすると、ｎ22＜ｎ23＜ｎ24の関係が成り立つ。
【００４０】このような周期構造の空間変化を用いれ
ば、図５に示したような実行屈折率の変化をもたらすこ
とができる。ここではｒ/ａを一定のもとで、周期aを変
えることで実効的屈折率を空間的に変える方法について
述べたが、円孔の半径ｒあるいはｒ/ａを変えても同様
なことが実現できる。
ば、図５に示したような実行屈折率の変化をもたらすこ
とができる。ここではｒ/ａを一定のもとで、周期aを変
えることで実効的屈折率を空間的に変える方法について
述べたが、円孔の半径ｒあるいはｒ/ａを変えても同様
なことが実現できる。
【００４１】次に、モードフィールド径変換部の前に存
在する反射防止部について、図８を用いて説明する。屈
折率の異なる二つの媒質の界面に光が入射する場合、反
射が生じる。ここでは、光ファイバ２６から空気を通っ
てモードフィールド径変換部２８に光が入射される場
合、空気とモードフィールド径変換部２８の光導波路モ
ードの実効屈折率が異なるため、界面で反射が生じる。
図中、２５は線欠陥導波路を示す。
在する反射防止部について、図８を用いて説明する。屈
折率の異なる二つの媒質の界面に光が入射する場合、反
射が生じる。ここでは、光ファイバ２６から空気を通っ
てモードフィールド径変換部２８に光が入射される場
合、空気とモードフィールド径変換部２８の光導波路モ
ードの実効屈折率が異なるため、界面で反射が生じる。
図中、２５は線欠陥導波路を示す。
【００４２】この反射を防ぐためには、先述した式
（１）と（２）を満足する、屈折率ｎ1、長さＬの反射
防止部２７を空気とモードフィールド径変換部２８の間
に配置することが必要である。式（１）と（２）におけ
るｎ0とｎ2は、それぞれ、空気とモードフィールド径変
換部の入り口付近の光導波路モードの実効的屈折率であ
る。光ファイバを、直接媒質に接触させる場合は、ｎ0
は光ファイバの光導波路モードの実効的屈折率となる。
（１）と（２）を満足する、屈折率ｎ1、長さＬの反射
防止部２７を空気とモードフィールド径変換部２８の間
に配置することが必要である。式（１）と（２）におけ
るｎ0とｎ2は、それぞれ、空気とモードフィールド径変
換部の入り口付近の光導波路モードの実効的屈折率であ
る。光ファイバを、直接媒質に接触させる場合は、ｎ0
は光ファイバの光導波路モードの実効的屈折率となる。
【００４３】反射防止部２７は、フォトニック結晶構造
で作製する。図において、２９はフォトニック結晶クラ
ッドを示す。フォトニック結晶の場合、モードフィール
ド径変換部のフォトニック結晶クラッドの設計指針で説
明したように、周期構造を変えることにより実効的屈折
率を変えることができるため、反射防止部の条件である
式（１）と（２）を満足する媒質を作ることが容易であ
る。
で作製する。図において、２９はフォトニック結晶クラ
ッドを示す。フォトニック結晶の場合、モードフィール
ド径変換部のフォトニック結晶クラッドの設計指針で説
明したように、周期構造を変えることにより実効的屈折
率を変えることができるため、反射防止部の条件である
式（１）と（２）を満足する媒質を作ることが容易であ
る。
【００４４】本実施例では、モードフィールド径変換部
のクラッドのフォトニック結晶構造として、２次元スラ
ブ型導波路に穴を空けた円孔型三角格子に限定したが、
円柱型、角柱型や３次元ウッドパイル型といった他のあ
らゆるフォトニック結晶構造に対しても、本実施例のよ
うな方法はそのまま適用可能である。
のクラッドのフォトニック結晶構造として、２次元スラ
ブ型導波路に穴を空けた円孔型三角格子に限定したが、
円柱型、角柱型や３次元ウッドパイル型といった他のあ
らゆるフォトニック結晶構造に対しても、本実施例のよ
うな方法はそのまま適用可能である。
【００４５】また、モードフィールド径変換部のコア部
として、線欠陥導波路を例にとり実施例を説明したが、
図９に示すような結合欠陥導波路３３も適用可能であ
る。図中、３１はモードフィールド径変換部、３２はフ
ォトニック結晶クラッド、３４は円孔、３５は高屈折率
媒質を示す。
として、線欠陥導波路を例にとり実施例を説明したが、
図９に示すような結合欠陥導波路３３も適用可能であ
る。図中、３１はモードフィールド径変換部、３２はフ
ォトニック結晶クラッド、３４は円孔、３５は高屈折率
媒質を示す。
【００４６】本実施例では、AlGaAs系半導体を用いて説
明したが、他の半導体、誘電体、または半導体と誘電体
の組合わせ（ＳＯＩ（Si on Insulator）ウエハなど）
でも適用可能である。
明したが、他の半導体、誘電体、または半導体と誘電体
の組合わせ（ＳＯＩ（Si on Insulator）ウエハなど）
でも適用可能である。
【００４７】（実施例２）本実施例では、実施例１で説
明したモードフィールド径変換構造に、テーパ形コアを
導入することにより、ｙ方向のモードフィールド径変換
を効率よく行い、光ファイバとの結合損失をより減少さ
せるモードフィールド径変換構造について、図１０と図
１１を用いて説明する。図１０は立体図、図１１は断面
図を示す。
明したモードフィールド径変換構造に、テーパ形コアを
導入することにより、ｙ方向のモードフィールド径変換
を効率よく行い、光ファイバとの結合損失をより減少さ
せるモードフィールド径変換構造について、図１０と図
１１を用いて説明する。図１０は立体図、図１１は断面
図を示す。
【００４８】GaAs基板３８上にAlxGa1-xAs（ｘ＝０.３
５、厚さ２μｍ）クラッド層３９をエピ成長させる。次
に、AlxGa1-xAs（ｘ＝０.１２、厚さ０.５μｍ）テーパ
状コア層４０を選択成長技術を用いてエピ成長させる。
５、厚さ２μｍ）クラッド層３９をエピ成長させる。次
に、AlxGa1-xAs（ｘ＝０.１２、厚さ０.５μｍ）テーパ
状コア層４０を選択成長技術を用いてエピ成長させる。
【００４９】次に、SiO2膜のマスクを用いてドライエッ
チングを行い、図１０に示すような円孔４２（深さ０.
５μｍ以上）のパターンを作製する。モードフィールド
径変換部３６の円孔４２のパターンは、変換に伴う損失
を無くすため、常に基本モードを維持したアディアバテ
ィックなモード変換がなされるよう設計する。
チングを行い、図１０に示すような円孔４２（深さ０.
５μｍ以上）のパターンを作製する。モードフィールド
径変換部３６の円孔４２のパターンは、変換に伴う損失
を無くすため、常に基本モードを維持したアディアバテ
ィックなモード変換がなされるよう設計する。
【００５０】モードフィールド径変換部３６では、円孔
４２の大きさ、または円孔間の距離を変化させることに
よって、線欠陥導波路４１のクラッドの実効的な屈折率
を減少させる。これによって、クラッドの光の閉じ込め
（ｘ方向の光の閉じ込め）が強くなり、モードフィール
ド径４６は光の伝搬に伴い減少し、微小光回路４５のモ
ードフィールド径の大きさに近づく。また、コア層厚が
微小光回路へ近づくにつれ厚くなるため、ｙ方向の光の
閉じ込めも強くなり、図１１に示すように、ｙ方向のモ
ードフィールド径４６も減少し、微小光回路４５側のモ
ードフィールド径に近づく。光ファイバ４４側にある反
射防止部３７は、実施例１で説明したとおりの方法で作
製する。
４２の大きさ、または円孔間の距離を変化させることに
よって、線欠陥導波路４１のクラッドの実効的な屈折率
を減少させる。これによって、クラッドの光の閉じ込め
（ｘ方向の光の閉じ込め）が強くなり、モードフィール
ド径４６は光の伝搬に伴い減少し、微小光回路４５のモ
ードフィールド径の大きさに近づく。また、コア層厚が
微小光回路へ近づくにつれ厚くなるため、ｙ方向の光の
閉じ込めも強くなり、図１１に示すように、ｙ方向のモ
ードフィールド径４６も減少し、微小光回路４５側のモ
ードフィールド径に近づく。光ファイバ４４側にある反
射防止部３７は、実施例１で説明したとおりの方法で作
製する。
【００５１】本実施例では、モードフィールド径変換部
のクラッドのフォトニック結晶構造として、２次元スラ
ブ型導波路に穴を空けた円孔型フォトニック結晶に限定
したが、円柱型、角柱型や３次元ウッドパイル型といっ
た他のあらゆるフォトニック結晶構造に対しても、実施
例のような方法はそのまま適用可能である。また、モー
ドフィールド径変換部のコア部として、線欠陥導波路を
例にとり実施例を説明したが、結合欠陥導波路も適用可
能である。
のクラッドのフォトニック結晶構造として、２次元スラ
ブ型導波路に穴を空けた円孔型フォトニック結晶に限定
したが、円柱型、角柱型や３次元ウッドパイル型といっ
た他のあらゆるフォトニック結晶構造に対しても、実施
例のような方法はそのまま適用可能である。また、モー
ドフィールド径変換部のコア部として、線欠陥導波路を
例にとり実施例を説明したが、結合欠陥導波路も適用可
能である。
【００５２】本実施例では、AlGaAs系半導体を用いて説
明したが、他の半導体、誘電体、または半導体と誘電体
の組合わせ（ＳＯＩウエハなど）などでも可能である。
明したが、他の半導体、誘電体、または半導体と誘電体
の組合わせ（ＳＯＩウエハなど）などでも可能である。
【００５３】（実施例３）本実施例では、実施例１で説
明したモードフィールド径変換構造に、ｘ方向のテーパ
形コアを導入したモードフィールド径変換構造につい
て、図１２を用いて説明する。
明したモードフィールド径変換構造に、ｘ方向のテーパ
形コアを導入したモードフィールド径変換構造につい
て、図１２を用いて説明する。
【００５４】図１２は、トップビューを示す。作製する
ウエハ構造は、実施例１または２で説明した構造であ
る。モードフィールド径変換部５２では、SiO2膜のマス
クを用いてドライエッチングを行い、フォトニック結晶
クラッド５３およびテーパ状線欠陥導波路５４を作製す
る。フォトニック結晶構造は、実施例１で用いたものと
同じで、実効屈折率が光ファイバ５６から微小光回路５
７へ行くにつれ、小さくなる。テーパ状線欠陥導波路５
４は、その幅が光ファイバ５６から微小光回路５７へ行
くにつれ、小さくなる。したがって、ｘ方向の光の閉じ
込めも強くなり、図に示すように、ｘ方向のモードフィ
ールド径５５も減少し、微小光回路５７側のモードフィ
ールド径に近づく。反射防止部５１は、実施例１で説明
したとおりの方法で作製する。
ウエハ構造は、実施例１または２で説明した構造であ
る。モードフィールド径変換部５２では、SiO2膜のマス
クを用いてドライエッチングを行い、フォトニック結晶
クラッド５３およびテーパ状線欠陥導波路５４を作製す
る。フォトニック結晶構造は、実施例１で用いたものと
同じで、実効屈折率が光ファイバ５６から微小光回路５
７へ行くにつれ、小さくなる。テーパ状線欠陥導波路５
４は、その幅が光ファイバ５６から微小光回路５７へ行
くにつれ、小さくなる。したがって、ｘ方向の光の閉じ
込めも強くなり、図に示すように、ｘ方向のモードフィ
ールド径５５も減少し、微小光回路５７側のモードフィ
ールド径に近づく。反射防止部５１は、実施例１で説明
したとおりの方法で作製する。
【００５５】モードフィールド径変換部のクラッドのフ
ォトニック結晶構造として、２次元スラブ型導波路に穴
を空けた円孔型フォトニック結晶、あるいは円柱型、角
柱型や３次元ウッドパイル型といった他のあらゆるフォ
トニック結晶構造に対しても適用可能である。また、モ
ードフィールド径変換部のコア部として、線欠陥導波路
を例にとり実施例を説明したが、結合欠陥導波路も適用
可能である。さらに、AlGaAs系半導体を用いて説明した
が、他の半導体、誘電体、または半導体と誘電体の組合
わせ（ＳＯＩウエハなど）でも可能である。
ォトニック結晶構造として、２次元スラブ型導波路に穴
を空けた円孔型フォトニック結晶、あるいは円柱型、角
柱型や３次元ウッドパイル型といった他のあらゆるフォ
トニック結晶構造に対しても適用可能である。また、モ
ードフィールド径変換部のコア部として、線欠陥導波路
を例にとり実施例を説明したが、結合欠陥導波路も適用
可能である。さらに、AlGaAs系半導体を用いて説明した
が、他の半導体、誘電体、または半導体と誘電体の組合
わせ（ＳＯＩウエハなど）でも可能である。
【００５６】（実施例４）本実施例では、モードフィー
ルド径変換光ファイバについて、図１３を用いて説明す
る。
ルド径変換光ファイバについて、図１３を用いて説明す
る。
【００５７】モードフィールド径変換光ファイバ５８の
基本構造は、誘電体（例えば、シリカ材料）からなるコ
ア６７と誘電体６３と円孔６２とからなるクラッド６８
からなる。クラッド６８内における円孔６２の周期ある
いは大きさが光の伝搬方向に、図中の光ファイバの断面
６４、６５、６６で示すように、空間的に変化している
ため、コア６７とクラッド６８の屈折率差が空間的に変
化する。その結果、光の伝搬方向と垂直方向における光
の閉じ込めの強さが変化し、モードフィールド径の大き
さを、図中の５９、６０、６１で示すように変換するこ
とができる。
基本構造は、誘電体（例えば、シリカ材料）からなるコ
ア６７と誘電体６３と円孔６２とからなるクラッド６８
からなる。クラッド６８内における円孔６２の周期ある
いは大きさが光の伝搬方向に、図中の光ファイバの断面
６４、６５、６６で示すように、空間的に変化している
ため、コア６７とクラッド６８の屈折率差が空間的に変
化する。その結果、光の伝搬方向と垂直方向における光
の閉じ込めの強さが変化し、モードフィールド径の大き
さを、図中の５９、６０、６１で示すように変換するこ
とができる。
【００５８】この場合、「アイ・イー・イー・イー・フ
ォトニックテクノロジー・レター、１３巻、５２頁（２
００１）」記載のエアー・シリカファイバーのクラッド
層とコア層を共に順テーパー状にしたモードフィールド
径変換素子と違い、ファイバー全体で基本モードしか存
在しないので、高次モード励起による損失はない。
ォトニックテクノロジー・レター、１３巻、５２頁（２
００１）」記載のエアー・シリカファイバーのクラッド
層とコア層を共に順テーパー状にしたモードフィールド
径変換素子と違い、ファイバー全体で基本モードしか存
在しないので、高次モード励起による損失はない。
【００５９】次に、本発明による反射防止部付きモード
フィールド径変換部を有する微小光学回路と、その入力
部と出力部に光ファイバを光学的に結合させた光モジュ
ールの一例について、図１４を用いて説明する。
フィールド径変換部を有する微小光学回路と、その入力
部と出力部に光ファイバを光学的に結合させた光モジュ
ールの一例について、図１４を用いて説明する。
【００６０】本光モジュールは、光を入出力するために
用いる光ファイバ６９、７０と、集光のためのレンズ７
１、７２と、入・出力側の反射防止部付きモードフィー
ルド径変換部７３、７４と、微小光回路７８とそれらを
収納するパッケージ７９から構成される。反射防止部付
きモードフィールド径変換部７３、７４には、フォトニ
ック結晶クラッド７６、線欠陥導波路７７および反射防
止部７５が含まれ、実施例１あるいは実施例２あるいは
実施例３で述べた方法がそのまま適用できる。
用いる光ファイバ６９、７０と、集光のためのレンズ７
１、７２と、入・出力側の反射防止部付きモードフィー
ルド径変換部７３、７４と、微小光回路７８とそれらを
収納するパッケージ７９から構成される。反射防止部付
きモードフィールド径変換部７３、７４には、フォトニ
ック結晶クラッド７６、線欠陥導波路７７および反射防
止部７５が含まれ、実施例１あるいは実施例２あるいは
実施例３で述べた方法がそのまま適用できる。
【００６１】ここでは、光ファイバ６９、７０と反射防
止部付きモードフィールド径変換部７３、７４との光学
的結合をレンズ７１、７２を用いて行うが、レンズを用
いない方法として、レンズド光ファイバを用いる方法、
あるいは光ファイバを直接、反射防止部付きモードフィ
ールド径変換部７３、７４に接触させる方法がある。
止部付きモードフィールド径変換部７３、７４との光学
的結合をレンズ７１、７２を用いて行うが、レンズを用
いない方法として、レンズド光ファイバを用いる方法、
あるいは光ファイバを直接、反射防止部付きモードフィ
ールド径変換部７３、７４に接触させる方法がある。
【００６２】次に、本発明による複数の反射防止部付き
モードフィールド径変換部を有する微小光学回路と、そ
の入力部と出力部に複数の光ファイバを光学的に結合さ
せた光モジュールの他の例について、図１５を用いて説
明する。
モードフィールド径変換部を有する微小光学回路と、そ
の入力部と出力部に複数の光ファイバを光学的に結合さ
せた光モジュールの他の例について、図１５を用いて説
明する。
【００６３】本光モジュールは、光を入出力するために
用いる複数の光ファイバ８０と、それぞれの光ファイバ
からの光を集光するための複数のレンズ８１と、入出力
側の複数の反射防止部付きモードフィールド径変換部８
０と、微小光回路８３とそれらを収納するパッケージ８
４から構成される。反射防止部付きモードフィールド径
変換部８２には、フォトニック結晶クラッド、線欠陥導
波路および反射防止部が含まれ、実施例１あるいは実施
例２あるいは実施例３で述べた方法がそのまま適用でき
る。
用いる複数の光ファイバ８０と、それぞれの光ファイバ
からの光を集光するための複数のレンズ８１と、入出力
側の複数の反射防止部付きモードフィールド径変換部８
０と、微小光回路８３とそれらを収納するパッケージ８
４から構成される。反射防止部付きモードフィールド径
変換部８２には、フォトニック結晶クラッド、線欠陥導
波路および反射防止部が含まれ、実施例１あるいは実施
例２あるいは実施例３で述べた方法がそのまま適用でき
る。
【００６４】ここでは、光ファイバ８０と反射防止部付
きモードフィールド径変換部８２との光学的結合をレン
ズ８０を用いて行うが、レンズを用いない方法として、
レンズド光ファイバを用いる方法、あるいは光ファイバ
を直接、反射防止部付きモードフィールド径変換部８２
に接触させる方法がある。
きモードフィールド径変換部８２との光学的結合をレン
ズ８０を用いて行うが、レンズを用いない方法として、
レンズド光ファイバを用いる方法、あるいは光ファイバ
を直接、反射防止部付きモードフィールド径変換部８２
に接触させる方法がある。
【００６５】次に、本発明による２次元アレイに複数の
反射防止部付きモードフィールド径変換部を有する微小
光学回路と、その入力部と出力部に複数の光ファイバを
光学的に結合させた光モジュールのさらに他の例につい
て、図１６を用いて説明する。
反射防止部付きモードフィールド径変換部を有する微小
光学回路と、その入力部と出力部に複数の光ファイバを
光学的に結合させた光モジュールのさらに他の例につい
て、図１６を用いて説明する。
【００６６】本光モジュールは、光を入出力するために
用いる２次元アレイの複数の光ファイバ８５と、それぞ
れの光ファイバからの光を集光するための複数のレンズ
８６と、入出力側の２次元アレイの複数の反射防止部付
きモードフィールド径変換部８７と、微小光回路８８と
それらを収納するパッケージ８９から構成される。反射
防止部付きモードフィールド径変換部８７には、フォト
ニック結晶クラッド、線欠陥導波路および反射防止部が
含まれ、実施例１あるいは実施例２あるいは実施例３で
述べた方法がそのまま適用できる。
用いる２次元アレイの複数の光ファイバ８５と、それぞ
れの光ファイバからの光を集光するための複数のレンズ
８６と、入出力側の２次元アレイの複数の反射防止部付
きモードフィールド径変換部８７と、微小光回路８８と
それらを収納するパッケージ８９から構成される。反射
防止部付きモードフィールド径変換部８７には、フォト
ニック結晶クラッド、線欠陥導波路および反射防止部が
含まれ、実施例１あるいは実施例２あるいは実施例３で
述べた方法がそのまま適用できる。
【００６７】ここでは、光ファイバ８５と反射防止部付
きモードフィールド径変換部８７との光学的結合をレン
ズ８６を用いて行うが、レンズを用いない方法として、
レンズド光ファイバを用いる方法、あるいは光ファイバ
を直接、反射防止部付きモードフィールド径変換部８７
に接触させる方法がある。
きモードフィールド径変換部８７との光学的結合をレン
ズ８６を用いて行うが、レンズを用いない方法として、
レンズド光ファイバを用いる方法、あるいは光ファイバ
を直接、反射防止部付きモードフィールド径変換部８７
に接触させる方法がある。
【００６８】次に、実施例４で述べたモードフィールド
径変換光ファイバを用いた、光ファイバと微小光回路の
光結合モジュールの例を、図１７を用いて説明する。
径変換光ファイバを用いた、光ファイバと微小光回路の
光結合モジュールの例を、図１７を用いて説明する。
【００６９】本光結合モジュールは、光を入出力するた
めに用いる光ファイバ９０と、この光ファイバ９０に接
続したモードフィールド径変換光ファイバ９１と、微小
光回路９２とそれらを収納するパッケージ９３から構成
される。
めに用いる光ファイバ９０と、この光ファイバ９０に接
続したモードフィールド径変換光ファイバ９１と、微小
光回路９２とそれらを収納するパッケージ９３から構成
される。
【００７０】さらに、図１７で述べた光結合モジュール
で、２次元アレイの入出力光ファイバを有する場合の例
を、図１８を用いて説明する。
で、２次元アレイの入出力光ファイバを有する場合の例
を、図１８を用いて説明する。
【００７１】本光結合モジュールは、光を入出力するた
めに用いる複数の光ファイバ９４と、これら光ファイバ
９４に接続したモードフィールド径変換光ファイバ９５
と、微小光回路９６とそれらを収納するパッケージ９７
から構成される。
めに用いる複数の光ファイバ９４と、これら光ファイバ
９４に接続したモードフィールド径変換光ファイバ９５
と、微小光回路９６とそれらを収納するパッケージ９７
から構成される。
【００７２】以上詳述したように、本発明によれば、モ
ードフィールド径の異なる光導波路モード間での、モー
ドフィールド径の大きさの違いから生じる結合損失なら
びに媒質の違いから生じる境界での反射による結合損失
の低減を、同じ加工技術を用いて実現し、また、高次の
光導波路モード励起によって生じる結合損失も低減する
技術を実現できる。
ードフィールド径の異なる光導波路モード間での、モー
ドフィールド径の大きさの違いから生じる結合損失なら
びに媒質の違いから生じる境界での反射による結合損失
の低減を、同じ加工技術を用いて実現し、また、高次の
光導波路モード励起によって生じる結合損失も低減する
技術を実現できる。
【００７３】
【発明の効果】本発明は、モードフィールド径の異なる
光導波路モード間での、モードフィールド径の大きさの
違いから生じる結合損失ならびに媒質の違いから生じる
境界での反射による結合損失の低減を可能にする光導波
路およびそれを用いた光学素子技術を実現する。
光導波路モード間での、モードフィールド径の大きさの
違いから生じる結合損失ならびに媒質の違いから生じる
境界での反射による結合損失の低減を可能にする光導波
路およびそれを用いた光学素子技術を実現する。
【図１】２次元円孔型三角格子フォトニック結晶構造を
示す図。
示す図。
【図２】２次元円孔型三角格子フォトニック結晶の分散
特性を示す図。
特性を示す図。
【図３】本発明による実施例１の構成を示す立体図。
【図４】モードフィールド径変換部のトップビューを説
明する図。
明する図。
【図５】モードフィールド径変換部のクラッドの屈折率
の空間分布を説明する図。
の空間分布を説明する図。
【図６】モードフィールド径変換部のフォトニック結晶
クラッドの構造を説明する図。
クラッドの構造を説明する図。
【図７】図６に示す２次元円孔型三角格子フォトニック
結晶の分散特性を説明する図。
結晶の分散特性を説明する図。
【図８】反射防止部の機能を説明する図。
【図９】結合欠陥導波路の例を示す図。
【図１０】本発明による実施例２の構成を示す立体図。
【図１１】図１０に示す実施例２の構成を示す断面図。
【図１２】本発明による実施例３の構成を説明する図。
【図１３】本発明による実施例４の構成を説明する図。
【図１４】本発明を用いた光モジュールの一例を説明す
る図。
る図。
【図１５】本発明を用いた光モジュールの他の例を説明
する図。
する図。
【図１６】本発明を用いた光モジュールのさらに他の例
を説明する図。
を説明する図。
【図１７】本発明を用いた光結合モジュールの一例を説
明する図。
明する図。
【図１８】本発明を用いた光結合モジュールの他の例を
説明する図。
説明する図。
１…高屈折率媒質、２…円孔、３…円孔型三角格子２次
元フォトニック結晶、４…モードフィールド径変換部、
５…反射防止部、６…GsAs基板、７…AlGaAsクラッド
層、８…AlGaAsコア層、９…線欠陥導波路、１０…円
孔、１１…光ファイバ、１２…微小光回路、１３…フォ
トニック結晶クラッド、１４…モードフィールド径、１
９…フォトニック結晶クラッド、２０…円孔、２１…高
屈折率媒質、２２…円孔型三角格子、２３…円孔型三角
格子、２４…円孔型三角格子、２５…線欠陥導波路、２
６…光ファイバ、２７…反射防止部、２８…モードフィ
ールド径変換部、２９…フォトニック結晶クラッド、３
１…モードフィールド径変換部、３２…フォトニック結
晶クラッド、３３…結合欠陥導波路、３４…円孔、３５
…高屈折率媒質、３６…モードフィールド径変換部、３
７…反射防止部、３８…GaAs基板、３９…AlGaAsクラッ
ド層、４０…テーパ状AlGaAsコア層、４１…線欠陥導波
路、４２…円孔、４３…高屈折率媒質、４４…光ファイ
バ、４５…微小光回路、４６…モードフィールド径、５
０…円孔、５１…反射防止部、５２…モードフィールド
径変換部、５３…フォトニック結晶クラッド、５４…テ
ーパ状線欠陥導波路、５５…モードフィールド径、５６
…光ファイバ、５７…微小光回路、５８…モードフィー
ルド径変換光ファイバ、５９、６０、６１…モードフィ
ールド径、６２…円孔、６３…誘電体、６４、６５、６
６…モードフィールド径変換光ファイバの断面、６７…
コア、６８…クラッド、６９…光ファイバ、７０…光フ
ァイバ、７１…レンズ、７２…レンズ、７３…反射防止
部付きモードフィールド径変換部、７４…反射防止部付
きモードフィールド径変換部、７５…反射防止部、７６
…フォトニック結晶クラッド、７７…線欠陥導波路、７
８…微小光回路、７９…パッケージ、８０…光ファイ
バ、８１…レンズ、８２…反射防止部付きモードフィー
ルド径変換部、８３…微小光回路、８４…パッケージ、
８５…光ファイバ、８６…レンズ、８７…反射防止部付
きモードフィールド径変換部、８８…微小光回路、８９
…パッケージ、９０…光ファイバ、９１…モードフィー
ルド径変換光ファイバ、９２…微小光回路、９３…パッ
ケージ、９４…光ファイバ、９５…モードフィールド径
変換光ファイバ、９６…微小光回路、９７…パッケー
ジ。
元フォトニック結晶、４…モードフィールド径変換部、
５…反射防止部、６…GsAs基板、７…AlGaAsクラッド
層、８…AlGaAsコア層、９…線欠陥導波路、１０…円
孔、１１…光ファイバ、１２…微小光回路、１３…フォ
トニック結晶クラッド、１４…モードフィールド径、１
９…フォトニック結晶クラッド、２０…円孔、２１…高
屈折率媒質、２２…円孔型三角格子、２３…円孔型三角
格子、２４…円孔型三角格子、２５…線欠陥導波路、２
６…光ファイバ、２７…反射防止部、２８…モードフィ
ールド径変換部、２９…フォトニック結晶クラッド、３
１…モードフィールド径変換部、３２…フォトニック結
晶クラッド、３３…結合欠陥導波路、３４…円孔、３５
…高屈折率媒質、３６…モードフィールド径変換部、３
７…反射防止部、３８…GaAs基板、３９…AlGaAsクラッ
ド層、４０…テーパ状AlGaAsコア層、４１…線欠陥導波
路、４２…円孔、４３…高屈折率媒質、４４…光ファイ
バ、４５…微小光回路、４６…モードフィールド径、５
０…円孔、５１…反射防止部、５２…モードフィールド
径変換部、５３…フォトニック結晶クラッド、５４…テ
ーパ状線欠陥導波路、５５…モードフィールド径、５６
…光ファイバ、５７…微小光回路、５８…モードフィー
ルド径変換光ファイバ、５９、６０、６１…モードフィ
ールド径、６２…円孔、６３…誘電体、６４、６５、６
６…モードフィールド径変換光ファイバの断面、６７…
コア、６８…クラッド、６９…光ファイバ、７０…光フ
ァイバ、７１…レンズ、７２…レンズ、７３…反射防止
部付きモードフィールド径変換部、７４…反射防止部付
きモードフィールド径変換部、７５…反射防止部、７６
…フォトニック結晶クラッド、７７…線欠陥導波路、７
８…微小光回路、７９…パッケージ、８０…光ファイ
バ、８１…レンズ、８２…反射防止部付きモードフィー
ルド径変換部、８３…微小光回路、８４…パッケージ、
８５…光ファイバ、８６…レンズ、８７…反射防止部付
きモードフィールド径変換部、８８…微小光回路、８９
…パッケージ、９０…光ファイバ、９１…モードフィー
ルド径変換光ファイバ、９２…微小光回路、９３…パッ
ケージ、９４…光ファイバ、９５…モードフィールド径
変換光ファイバ、９６…微小光回路、９７…パッケー
ジ。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 勝山 俊夫
埼玉県比企郡鳩山町赤沼2520番地 株式会
社日立製作所基礎研究所内
(72)発明者 戸丸 辰也
埼玉県比企郡鳩山町赤沼2520番地 株式会
社日立製作所基礎研究所内
Ｆターム(参考） 2H037 AA01 BA23 BA32 CA13 DA02
2H047 KA02 LA23 MA03 MA05 PA24
QA00 QA02 TA31
Claims (10)
- 【請求項１】コア部とフォトニック結晶部材を有するク
ラッド部とを有し、かつ、前記フォトニック結晶部材の
構造を変えることにより、前記クラッド部の実効的な屈
折率を空間的に変化させ、光導波路モードの進行方向に
垂直な面内の電界強度分布であるモードフィールド径を
空間的に変化させて構成したことを特徴とする光導波
路。 - 【請求項２】前記光導波路モードとして基本導波路モー
ドが存在し、かつ、前記基本導波路モードのモードフィ
ールド径を空間的に変化させて構成したことを特徴とす
る請求項１記載の光導波路。 - 【請求項３】前記フォトニック結晶構造は、１次元もし
くは２次元もしくは３次元フォトニック結晶であること
を特徴とする請求項１又は２記載の光導波路。 - 【請求項４】前記コア部の断面積が前記光導波路モード
の進行方向に対して順テーパ状もしくは逆テーパ状に空
間的に変化するよう構成したことを特徴とする請求項１
又は２記載の光導波路。 - 【請求項５】前記光導波路の入力側および出力側に、１
次元もしくは２次元もしくは３次元フォトニック結晶構
造を有し、光の反射を防止する領域を設けてなることを
特徴とする請求項１又は２記載の光導波路。 - 【請求項６】基本導波路モードが存在する第１の伝送部
材と、前記第１の伝送部材とは異なる大きさの基本導波
路モードが存在する第２の伝送部材と、前記第１の伝送
部材から前記第２の伝送部材に光を伝送するために設け
られ、コア部とフォトニック結晶構造を有するクラッド
部とからなる中間部材とを具備し、かつ、前記中間部材
は、前記クラッド部の実効的な屈折率が空間的に変わる
よう前記フォトニック結晶構造を変化させ、光導波路モ
ードの進行方向に垂直な面内の電界強度分布であるモー
ドフィールド径を空間的に変化させて構成したことを特
徴とする光学素子。 - 【請求項７】前記中間部材のフォトニック結晶構造を変
化させることにより、前記第１の伝送部材の基本導波路
モードを前記第２の伝送部材の基本導波路モードへ、ま
たは前記第２の伝送部材の基本導波路モードを前記第１
の伝送部材の基本導波路モードへ変換するよう構成した
ことを特徴とする請求項６記載の光学素子。 - 【請求項８】前記中間部材にあって、前記モードフィー
ルド径の大きな領域から小さい領域へいくにつれ、前記
コア部と前記クラッド部の屈折率差が大きくなるよう
に、前記クラッド部のフォトニック結晶構造を変化させ
て構成したことを特徴とする請求項６記載の光学素子。 - 【請求項９】前記中間部材の入力側および出力側に、フ
ォトニック結晶構造を有し、前記第１の伝送部材および
前記第２の伝送部材との界面での光の反射を防止する領
域を設けてなることを特徴とする請求項６、７、又は８
記載の光学素子。 - 【請求項１０】前記中間部材が、線欠陥導波路もしくは
結合欠陥導波路を有してなることを特徴とする請求項
６、７、又は８記載の光学素子。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002121802A JP4028751B2 (ja) | 2002-04-24 | 2002-04-24 | 光導波路及びそれを用いた光学素子 |
| US10/321,506 US6931189B2 (en) | 2002-04-24 | 2002-12-18 | Optical waveguides and optical devices with optical waveguides |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002121802A JP4028751B2 (ja) | 2002-04-24 | 2002-04-24 | 光導波路及びそれを用いた光学素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003315572A true JP2003315572A (ja) | 2003-11-06 |
| JP4028751B2 JP4028751B2 (ja) | 2007-12-26 |
Family
ID=29243601
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002121802A Expired - Fee Related JP4028751B2 (ja) | 2002-04-24 | 2002-04-24 | 光導波路及びそれを用いた光学素子 |
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| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6931189B2 (ja) |
| JP (1) | JP4028751B2 (ja) |
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| US8027556B2 (en) | 2005-12-27 | 2011-09-27 | Nec Corporation | Waveguide coupling structure |
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| US6832029B2 (en) * | 2002-12-17 | 2004-12-14 | Mcnc | Impedance control devices for use in the transition regions of electromagnetic and optical circuitry and methods for using the same |
| JP4668065B2 (ja) * | 2003-01-15 | 2011-04-13 | 株式会社フジクラ | 分散補償素子、分散補償システム、分散補償方法 |
| JP2004258169A (ja) * | 2003-02-25 | 2004-09-16 | Alps Electric Co Ltd | 光偏向素子及びそれを用いた光スイッチ |
| US20040240784A1 (en) * | 2003-05-30 | 2004-12-02 | General Electric Company | Apparatus for coupling electromagnetic energy and method of making |
| JP4097568B2 (ja) * | 2003-06-18 | 2008-06-11 | 日本航空電子工業株式会社 | 光記録デバイス |
| JP4761426B2 (ja) * | 2003-07-25 | 2011-08-31 | 三菱電機株式会社 | 光デバイスおよび半導体レーザ発振器 |
| US7248770B2 (en) * | 2003-11-04 | 2007-07-24 | Mesophotonics Limited | Photonic band structure devices |
| US20060153512A1 (en) * | 2004-04-22 | 2006-07-13 | Falkenstein Paul L | Fused array preform fabrication of holey optical fibers |
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| US7480430B2 (en) * | 2006-02-08 | 2009-01-20 | Massachusetts Institute Of Technology | Partial confinement photonic crystal waveguides |
| JP5173876B2 (ja) * | 2008-02-14 | 2013-04-03 | キヤノン株式会社 | ３次元構造及び発光デバイス |
| US20110110627A1 (en) * | 2009-11-07 | 2011-05-12 | Dr. Chang Ching TSAI | Beam collimator |
| WO2018169487A1 (en) * | 2017-03-14 | 2018-09-20 | Nanyang Technological University | Fiber preform, optical fiber and methods for forming the same |
Family Cites Families (5)
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