WO2004005986A1 - フォトニック結晶光導波路 - Google Patents

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Shigeo Kittaka
Kazuaki Oya
Masatoshi Nara
Keiji Tsunetomo
Takahiro Asai
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Nippon Sheet Glass Co Ltd
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    • G02B6/02385—Comprising liquid, e.g. fluid filled holes

Definitions

  • the present invention relates to an optical waveguide using a photonic crystal.
  • the new optical fiber described above is characterized by having a complex two-dimensional structure in the cross section. For example, by placing holes in the cladding, the effective refractive index is reduced, and by providing a difference in refractive index from the core, light is confined in the core. In addition, light is confined in the core by forming a photonic band gap with respect to the guided light in the core using the cladding as a photonic crystal.
  • the optical fiber is constructed by such means.
  • a dispersion compensating optical fiber with a large chromatic dispersion, an optical fiber with a large nonlinear optical effect, or a zero-dispersion light in the visible region Applications such as fibers have been proposed.
  • complex two-dimensional structures can be created by, for example, heating and stretching a bundle of multiple quartz pipes (for example, o-plus-one, Vol. 23, No. 9, (See page 106, year 201).
  • the currently proposed holey fiber ⁇ photonic crystal fiber Uses single-mode propagation by the zero-order mode as guided light propagating through the core.
  • Single-mode propagating light has a very small change in refractive index with respect to frequency. Therefore, characteristics such as abnormal group velocity and extremely large dispersion cannot be exhibited. For this reason, single-mode propagation is an essential condition to prevent chromatic dispersion due to multi-mode propagation, but it also imposes constraints on the area of the core cross section and optical fiber performance. Disclosure of the invention
  • the present invention has been made to solve the above-mentioned problems in the related art, and an object of the present invention is to provide a photonic crystal optical waveguide that can propagate an arbitrary band propagation light.
  • the present invention comprises a photonic crystal having a structure having a refractive index periodicity in at least one direction perpendicular to the propagation direction of guided light and having a uniform refractive index in the propagation direction of the guided light.
  • a photonic crystal optical waveguide comprising an optical waveguide section having a core and a clad provided in contact with the core for confining the guided light in the core,
  • An incident-side phase modulation unit is provided so as to be close to or in contact with the emitting surface.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a one-dimensional photonic crystal.
  • FIG. 2 is a band diagram showing a photonic band structure of TE polarized light in a one-dimensional photonic crystal.
  • FIG. 3 is a band diagram showing a photonic band structure of TM polarization in a one-dimensional photonic crystal.
  • FIG. 4 is a perspective view showing a configuration of a one-dimensional photonic crystal optical waveguide.
  • FIG. 5 is a perspective view showing a configuration of an optical fiber using a two-dimensional photonic crystal.
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing the electric field strength of the first band propagating light in the one-dimensional photonic crystal in the Z-axis direction.
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing the electric field strength in the Z-axis direction of higher-order band propagation light in a one-dimensional photonic crystal.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view showing a configuration of the photonic crystal optical waveguide according to the present embodiment.
  • FIG. 9 is a schematic diagram showing the electric field strength in the Z-axis direction of the guided light in the photonic crystal optical waveguide according to the present embodiment.
  • FIG. 10 is a schematic diagram showing an electric field of another photonic crystal optical waveguide according to the present embodiment.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of another photonic crystal optical waveguide according to the present embodiment.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view of another photonic crystal optical waveguide according to the present embodiment.
  • FIGS. 13A and 13B are band diagrams of a one-dimensional photonic crystal in which two types of substances having the same thickness are alternately stacked to form layers.
  • FIGS. 14A and 14B are schematic diagrams of a two-dimensional photonic crystal having a multilayer structure.
  • FIG. 15 is a perspective view of the photonic crystal optical waveguide according to the present embodiment.
  • FIG. 16 is a perspective view showing an optical waveguide device for compensating for a phase difference according to the present embodiment.
  • FIG. 17 is a schematic diagram of the photonic crystal optical fiber according to the present embodiment.
  • FIG. 18 is a schematic diagram of a concentric photonic crystal optical fiber according to the present embodiment.
  • the photonic crystal optical waveguide of the present embodiment can propagate only a wave belonging to a specific higher-order photonic band. Thereby, the function of the photonic crystal can be used efficiently.
  • the core has a photonic band in the propagation direction of the guided light, and the incident-side phase modulation unit modulates the phase of the incident guided light, and Propagating the wave to the core of the optical waveguide section, the core propagates a wave belonging to the higher-order photonic band in which all or half or more of the energy of the phase-modulated guided light is higher.
  • the core propagates a wave belonging to the higher-order photonic band in which all or half or more of the energy of the phase-modulated guided light is higher.
  • higher-order band propagation light with less loss due to first-order band propagation light can be propagated to the core. Therefore, it can be used as a dispersion compensating element or an optical delay element.
  • the incident-side phase modulation section may be a phase grating having a refractive index period that is tuned to a refractive index period of the core.
  • the incident-side phase modulation section may have the same structure as the core, and may be a phase grating having the same refractive index period as the core.
  • the incident-side phase modulation section is a portion obtained by cutting the vicinity of an end of the core on the light incident surface side and separating the core. Thereby, the incident-side phase modulation section can be easily manufactured.
  • the core may propagate a wave belonging to a second coupled photonic band from the lower side of the phase-modulated guided light.
  • the apparatus further includes an emission-side phase modulation unit installed so as to be close to or in contact with the emission surface of the core from which the guided light is emitted. I have. Thereby, the light emitted from the core can be changed to a plane wave.
  • the emission-side phase modulation unit may be configured to convert light emitted from the emission surface of the core into a plane wave.
  • the emission-side phase modulation section may be a phase grating having a refractive index cycle that is tuned to the refractive index cycle of the core.
  • the emission-side phase modulation section may be a phase grating having the same structure as the core and having the same refractive index period as the core.
  • the emission-side phase modulation section is a portion obtained by cutting the vicinity of an end of the core on the light emission surface side and separating the core.
  • the output-side phase modulation section can be easily manufactured.
  • the cladding has a periodicity of refractive index in at least one direction perpendicular to the propagation direction of the guided light, and is made of a photonic crystal having a uniform refractive index in the propagation direction of the guided light. .
  • the core contains an active substance having an optically nonlinear effect.
  • an optical element having a large nonlinear optical effect can be provided.
  • the core may have a periodicity of refractive index in one or two directions perpendicular to the propagation direction of the guided light, and may be a multilayer film layer having a uniform refractive index in the propagation direction of the guided light.
  • the optical waveguide portion is a fiber having a substantially circular cross section
  • the core is a fiber
  • the clad is formed around an outer periphery of the core
  • the core and the clad are:
  • the guided light has a uniform refractive index in the propagation direction.
  • a fiber-shaped dispersion compensating element or an optical delay element can be provided.
  • the refractive index periods of the core and the clad may be symmetrical with respect to a central axis of the optical waveguide portion which is parallel to a propagation direction of the guided light.
  • the optical waveguide portion includes a fiber-like homogeneous material having a substantially circular cross section, and the homogeneous material has a plurality of cavities formed along a longitudinal direction thereof, and the plurality of cavities. Are formed symmetrically with respect to the central axis of the optical waveguide section which is parallel to the propagation direction of the guided light.
  • a fiber-shaped dispersion compensating element or an optical delay element can be provided.
  • the whole or a part of the cavity may be filled with a fluid substance.
  • the cavity may be filled with an acrylic monomer as a flowable substance, and ultraviolet light may be irradiated from the outside to polymerize the acrylic monomer.
  • the refractive index in the cross section of the optical waveguide may be periodically and concentrically changed with respect to a distance from a central axis of the optical waveguide which is parallel to a propagation direction of the guided light. Good.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a one-dimensional photonic crystal 1.
  • the direction of light propagation is the Z-axis direction
  • the direction perpendicular to the light propagation direction is the Y-axis direction.
  • the one-dimensional photonic crystal 1 has a refractive index periodicity only in the Y-axis direction.
  • the materials 5a and 5 having different refractive indexes are alternately stacked in the Y-axis direction to form the multilayer structure 5.
  • the refractive index is uniform in the light propagation direction (Z-axis direction).
  • the thickness of the material 5 a is t A, the refractive index and n A.
  • the photonic crystal 1 has a multilayer structure with a period a in which these are stacked. Note that the period a is (t A + t B )
  • the one-dimensional photonic crystal 1 is a core, and the air around it is a clad (not shown), forming an optical waveguide.
  • the wavelength in vacuum is ⁇ from the end face 1a of the core, the one-dimensional photonic crystal 1.
  • the plane wave is incident as incident light 2, it propagates as guided light 4 in the material 5a and the material 5b of the one-dimensional photonic crystal 1, and the end face 1 is opposite to the end face 1a.
  • the light is emitted from b into space 3 as emitted light.
  • how the light propagates in the one-dimensional photonic crystal 1 can be known by calculating and illustrating the photonic band. Examples of band calculation are described in detail in "Photonic Crystals", Princeton University Press (1995) or Physical Review B, Vol. 44, No. 16, p.8565, 1991.
  • the photonic band of the one-dimensional photonic crystal 1 shown in FIG. 1 is calculated by the above-described band calculation.
  • the refractive index periodic structure continues infinitely in the Y-axis direction (stacking direction), and that each layer extends infinitely in the X-axis direction and z-axis direction (direction in which the layer surface spreads). Perform calculations.
  • FIG. 2 is a band diagram showing a photonic band structure of TE polarized light in the one-dimensional photonic crystal 1 of FIG.
  • FIG. 3 is a band diagram showing the photonic band structure of TM polarized light in the one-dimensional photonic crystal 1 of FIG.
  • the band calculation for the first to third bands by the plane wave method in the Z-axis direction (the same also in the X-axis direction) is performed.
  • the results are shown in Figures 2 and 3.
  • TE polarized light refers to polarized light whose electric field is oriented in the X-axis direction
  • TM polarized light refers to polarized light whose magnetic field is oriented in the X-axis direction.
  • the horizontal axis represents the magnitude of the wave vector kz in the Z-axis direction in the one-dimensional photonic crystal 1
  • the vertical axis represents the normalized frequency.
  • the normalized frequency is represented by o a / 27r c
  • ⁇ is the angular frequency of the incident light
  • a is the period of the multilayer structure 5
  • c is the speed of light in a vacuum.
  • the normalized frequency is the wavelength ⁇ of the incident light 2 in a vacuum.
  • the normalized frequency is a / ⁇ . This is also described in FIGS. 2 and 3. Since the one-dimensional photonic crystal 1 has no refractive index periodicity in the ⁇ -axis direction and the refractive index is uniform, the Brillouin zone boundary does not exist on the horizontal axis in Figs. There is.
  • the guided light 4 in this case is hereinafter referred to as first band propagation light.
  • the wavelength of the incident light in vacuum 2 is lambda beta
  • the first wavenumber base transfected corresponding to the third bundle k B 1, k B 3 Exists.
  • TE polarization has been described with reference to FIG. 2.
  • FIG. 3 although the same relationship exists with respect to TE polarization as with TE polarization, description thereof will be omitted.
  • the wavelength of light in vacuum (lambda Alpha, lambda, etc. beta) of the corresponding one-dimensional full photonic wavelength in the crystal 1 ( ⁇ ⁇ 1, ⁇ ⁇ 3 , etc.) divided by numerical values "effective refraction in Rate ”.
  • the normalized frequency a / ⁇ of the first band light Since the (vertical axis) and kz (horizontal axis) are almost proportional, the effective refractive index is also almost invariant to changes in the wavelength of incident light in vacuum. However, the effective refractive index of the higher-order band propagation light greatly changes depending on the wavelength of the incident light in a vacuum, and the effective refractive index may be less than 1 as is clear from FIGS.
  • FIG. 4 is a perspective view showing a configuration of a photonic crystal optical waveguide 17 which is an optical waveguide device using the one-dimensional photonic crystal 15.
  • a homogeneous optical waveguide 16 is provided at both ends, and a one-dimensional photonic crystal 15 is provided so as to be sandwiched by the homogeneous optical waveguide 16.
  • the one-dimensional photonic crystal 15 is a core, and the cladding is the air around the core and the substrate 14.
  • the photonic crystal optical waveguide 17 shown in FIG. 4 is an optical waveguide device configured using the one-dimensional photonic crystal 15.
  • the light propagation direction is the Z-axis direction.
  • the incident light 12 is incident on one end of the photonic crystal optical waveguide 17.
  • the incident light 12 is coupled to the homogenous optical waveguide 16, and from the homogenous optical waveguide 16 to the one-dimensional photonic crystal 15, light propagates in the longitudinal direction (Z-axis direction), and the photonic crystal The light exits from the other end of the optical waveguide 17 as exit light 13. If this light is used as the higher-order band propagation light, the group velocity abnormality of the higher-order band propagation light occurs in the one-dimensional photonic crystal 15.
  • the photonic crystal optical waveguide 17 can be used as, for example, an optical delay element.
  • FIG. 5 is a perspective view showing a configuration of an optical fiber 21 using a two-dimensional photonic crystal.
  • the optical fiber 21 has a cylindrical shape, and light propagates in the axial direction.
  • the optical fiber 21 includes a core 22 and a clad 23 formed around the core.
  • the core 22 is a two-dimensional photonic crystal having a uniform refractive index in the light propagation direction (Z-axis direction) and a refractive index period in the X-axis and Y-axis directions.
  • the cladding 23 is not made of a photonic crystal but made of an ordinary homogeneous material.
  • the optical fiber 21 having such a configuration has the same bumps as the one-dimensional photonic crystal described above with respect to the propagation of light in the direction in which the refractive index of the core 22 which is a two-dimensional photonic crystal is uniform. Figure is obtained. Therefore, high-order band propagating light is
  • the optical fiber 21 can be used, for example, as an optical fiber having a strong dispersion compensation effect by propagating it to the core 22 made of a crystal.
  • the photonic crystal optical waveguide 17 or the optical fiber 21 shown in FIG. 4 or FIG. 5 as an optical waveguide or an optical fiber for higher-order band propagation light.
  • the first band propagation light also propagates.
  • the first band propagating light is a loss of energy when trying to use the higher order band propagating light, and greatly reduces the efficiency of using the incident light.
  • the first-band propagating light has a different group velocity from the propagating light of the higher-order band, there is also a problem that large chromatic dispersion occurs in the signal.
  • the periodic structure of the refractive index in the Y-axis direction and the X-axis direction is exposed at the end face lb from which light is emitted from the one-dimensional photonic crystal 1. Therefore, the higher-order band propagating light itself has periodicity of intensity and phase, so that the emitted light 3 is a mixture of diffracted lights of various orders and directions. Therefore, it is difficult to handle the emitted light 3.
  • the guided light if the effective refractive index of the higher-order band propagating light becomes smaller than the refractive index of the surrounding medium (cladding) in contact with the one-dimensional photonic crystal 1, the guided light
  • FIGS. 6 and 7 show the electric field strength of the guided light 4 in the Z-axis direction in the one-dimensional photonic crystal 1 .
  • FIG. 6 shows the first in the Z-axis direction in the one-dimensional photonic crystal 1 shown in FIG.
  • FIG. 4 is a schematic diagram illustrating the intensity of an electric field of band propagation light.
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing the electric field strength of higher-order band propagation light in the Z-axis direction in the one-dimensional photonic crystal 1 shown in FIG.
  • the electric field of light is represented by waves.
  • the peak 4a of the electric field is represented by a solid line, and the valley 4b of the electric field is represented by a broken line.
  • the magnitude of the amplitude is represented by the thickness of each line, and the thicker the line, the greater the amplitude.
  • the wavelength of the guided light is ⁇ .
  • a “node 4c” where the electric field amplitude becomes 0 is generated near the boundary between the substance 5a and the substance 5b. Therefore, one period of the laminated structure formed by the adjacent substances 5a and 5b is divided into two regions of peaks and valleys. In the adjacent regions (Material 5a and Material 5b), the peaks and valleys appear interchangeably because the phase of the wave is shifted by half a wavelength. Thus, two nodes 4 c per cycle occur in the second or third band. In the guided light of higher order band, the number of nodes in one cycle is further increased, and the half wavelength shift in one cycle occurs many times.
  • the number of propagating lights becomes plural, and the two overlap to show a complicated electric field pattern.
  • the incident light having a wavelength of ⁇ ⁇ in a vacuum shown in FIG. 2 has light propagating to both the first and third bands, so that a plurality of light propagates in the photonic crystal. Light exists. Therefore, it shows a complicated propagation pattern.
  • the phase-modulated incident light was applied to a photonic crystal in which a photonic band exists in the propagation direction of the guided light. It has been clarified that when light is coupled, it is possible to propagate only specific higher-order band propagation light.
  • the photonic crystal optical waveguide of the present embodiment utilizes this.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view showing a configuration of the photonic crystal optical waveguide 10 according to the present embodiment.
  • the photonic crystal optical waveguide 10 includes an optical waveguide section and a phase grating 6 which is a phase modulation section.
  • the optical waveguide section includes a core, which is a one-dimensional photonic crystal 1 having a periodic refractive index structure only in the Y-axis direction, and a clad, which is air around the core ; in FIG. 8, the clad is the core. It is not shown because it is air around the one-dimensional photonic crystal 1. Instead of using the air as the clad, an appropriate material may be used as the clad and placed around the one-dimensional photonic crystal 1.
  • the one-dimensional photonic crystal 1 is the same as that shown in FIG. That is, it has a multilayer structure 5 in which substances 5a and substances 5b having different refractive indexes are alternately stacked in the Y-axis direction.
  • the refractive index is uniform in the Z-axis direction, which is the direction of light propagation.
  • the sum of the thickness of the substance 5a and the thickness of the substance 5b is the period a of the multilayer structure 5.
  • a photonic band exists in the propagation direction (Z-axis direction) of the guided light.
  • the Z-axis direction is the light propagation direction
  • the Y-axis direction is the direction in which the one-dimensional photonic crystals are stacked.
  • FIG. 9 is a diagram schematically showing the intensity of the electric field of the guided light in the Z-axis direction in the photonic crystal optical waveguide 10 according to the present embodiment.
  • the magnitude of the amplitude is represented by the thickness of the line, and the thicker the line, the greater the amplitude.
  • the phase grating 6 has an action of causing an approximately half-wavelength difference with respect to the incident plane wave light with a period a in the Y-axis direction.
  • the incident light 7, which is a plane wave enters the phase grating 6, an electric field pattern similar to the higher-order band propagation light in the one-dimensional photonic crystal shown in FIG. 7 is generated in the space 18.
  • the light 8 having this electric field pattern enters from the end face of the one-dimensional photonic crystal 1 and is transmitted through the one-dimensional photonic crystal 1, the light propagated by the first band is not generated, and It has been clarified by the simulation of the present inventors that only band-propagating light is generated.
  • phase modulation unit the phase modulation unit
  • the conditions of the phase modulation unit will be specifically described.
  • the simplest phase modulation unit is a phase grating having the same period as the periodic multilayer film of the core, which is the one-dimensional photonic crystal 1.
  • the phase grating 6 has, for example, a structure in which substances 5c and substances 5d having different refractive indexes are periodically and alternately stacked as shown in FIG. The present inventors have found through simulation that it is preferable to optimize the phase grating 6.
  • the ratio of the thicknesses t A and t B of the materials 5 a and 5 b which are characteristics of the multilayer structure 5 of the one-dimensional photonic crystal 1, and the characteristics of the materials 5 a and 5 b It is preferable to adjust the refractive index and the like.
  • the periods of the phase grating 6 and the one-dimensional photonic crystal 1 are synchronized. Specifically, the following condition is satisfied, and the center of the substance 5a and the substance 5c in the Y-axis direction and the center of the substance 5b and the substance 5d in the Y-axis coincide with each other. Thereby, the phases of the phase grating 6 and the one-dimensional photonic crystal 1 are synchronized. Since the thickness G of the space 18 between the phase grating 6 and the one-dimensional photonic crystal 1 also affects the guided light, it is preferable to select an optimal range.
  • the space 18 which is a gap between them is an air layer, the ⁇ 1st-order diffracted light by the phase grating 6 cannot be propagated, and the reflected light increases.
  • the refractive index n e may satisfy space 1 8.
  • ne is represented by the following equation.
  • the thickness G of the space 18 be within 5 times the wavelength (A. Zn G ) in the medium. If the thickness G is too large, the ⁇ 1st-order diffracted lights will be far apart from each other, and the portion where interference waves are formed will be reduced.
  • the phase grating 6 is, for example, an end face of the one-dimensional photonic crystal 1 on the light incident side.
  • the vicinity of 1a may be cut to form a portion separated from the one-dimensional photonic crystal 1.
  • a groove formed between the one-dimensional photonic crystal 1 and the phase grating 6 becomes a space 18.
  • the thickness of the cut portion (thickness L of the phase grating 6) and the width of the groove (space 18 width G) may be adjusted so that only a specific higher-order band propagation light propagates.
  • the groove may be an air layer or may be filled with a uniform medium.
  • FIG. 10 is a schematic diagram showing an electric field of another photonic crystal optical waveguide 20 according to the present embodiment.
  • FIG. 10 shows the phase grating 6 installed on the incident-side end face of the photonic crystal optical waveguide 10 shown in FIG. 9 so as to be close to or in contact with the end face of the one-dimensional photonic crystal 1 on the emission side.
  • This is a configuration in which a phase grating 6b, which is the same phase modulation unit as that of, is installed.
  • a space is formed between the phase grating 6b and the one-dimensional photonic crystal 1.
  • the outgoing light 8 b which belongs to a specific band and is emitted from the one-dimensional photonic crystal 1, is converted into a plane wave 9.
  • FIG. 10 shows only the portion of the electric field peak 4a.
  • the structure of the phase grating 6b is preferably the same as that of the phase grating 6 in FIG. 8, and the space between the photonic crystal 1 and the phase grating 6b is the same as the space 18 in FIG. Is preferred.
  • the phase grating has a two-dimensional structure as in the case of the optical fiber 21 which is the optical waveguide.
  • the phase grating similarly to the one-dimensional photonic crystal, it is possible to realize propagation using only a specific higher-order band propagation light.
  • the effective refractive index of the higher-order band propagation light becomes 1 or less, leakage cannot be prevented even if the cladding is air.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of another photonic crystal optical waveguide 30 according to the present embodiment.
  • the photonic crystal optical waveguide 30 shown in FIG. 11 has a core, which is the one-dimensional photonic crystal 1 shown in FIG. 1 described above, and a phase grating 36 provided at both end surfaces thereof via spaces 38. ing.
  • a reflective layer 32 such as a metal film serving as a clad is formed in contact with the one-dimensional photonic crystal 1 so as to sandwich the one-dimensional photonic crystal 1 therebetween.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view of another photonic crystal optical waveguide 40 according to the present embodiment.
  • the difference between the photonic crystal optical waveguide 40 shown in FIG. 12 and the photonic crystal optical waveguide 30 shown in FIG. 11 is that a photonic crystal 11 is used instead of a reflective film for the cladding. It is.
  • the photonic crystal optical waveguide 40 is provided with a photonic crystal 11 having periodicity of refractive index as a clad instead of a reflective film.
  • the photonic crystal 11 as the cladding has at least a direction perpendicular to the propagation direction (Z-axis direction) of the guided light. It has a periodic refractive index in one direction, and has a uniform refractive index in the propagation direction of the guided light.
  • the photonic crystal 11 serving as the clad has a different structure from the one-dimensional photonic crystal 1 serving as the core, and has a different refractive index period. Thereby, the photonic band gap of the photonic crystal 11 as the clad is made to exist at a position corresponding to the wavenumber vector kz in the Z-axis direction of the propagation light of the one-dimensional photonic crystal 1 as the core. Therefore, confinement of the guided light in the one-dimensional photonic crystal 1 is realized.
  • FIGS. 13A and 13B show a band diagram of a one-dimensional photonic crystal in which two types of materials having the same thickness are alternately layered. The refractive indices of these two substances are 1.00 and 1.44, respectively.
  • Figures 13A and 13B are shown two-dimensionally on the same scale.
  • the vertical direction is the Y-axis direction, and the upper and lower sides of each band represent the first Brillouin zone in the range of ⁇ / a or ⁇ 7tZa 'from the center.
  • the horizontal direction is the Z-axis direction (the same applies to the X-axis direction), and since there is no periodicity of the refractive index, there is no Brillouin zone boundary.
  • the left and right sides of the figure show the range where the calculation was performed, and this range has no special meaning.
  • the position in the Brillouin zone means the wave number vector in the photonic crystal, and the contour curve is a specific normalized frequency a / ⁇ . (Or a '/ in.) Means the band corresponding to By the way, Figs. 2 and 3 described above are one-dimensional representations of only a part (the positive part of the Z axis) of such a band diagram.
  • the wavelength is entered for a one-dimensional photonic crystal with period a.
  • a wave number vector representing the first band propagation light in the Z-axis direction is indicated by a broken arrow 41, and a wave number vector representing the higher-order band propagation light in the Z-axis direction is indicated by an arrow 42.
  • a dashed line 43 indicating the magnitude of the arrow 42 representing the wavenumber vector of the higher-order band propagation light and a dashed line 44 representing the magnitude of the dashed arrow 41 representing the wavenumber vector of the first band propagation light are drawn in FIG. 13B. ing. As can be seen, there is no corresponding band in Figure 13B. The band corresponding to the wave vector of the higher-order band propagating light in Fig. 13A (the Z component is the same) does not exist in Fig. 13B. Therefore, the higher-order propagation band in the crystal with the period a shown in FIG. 13A does not exist in the photonic crystal with the period a ′ shown in FIG. 13B.
  • the optical waveguide section may be configured by using the one-dimensional photonic crystal 1 having the period a as a core and the photonic crystal 11 having the period a ′ as a clad on both sides thereof.
  • the higher-order band propagation light propagating in the photonic crystal of period a cannot leak to the photonic crystal of period a '. Therefore, light can be confined and propagated in the core, which is a photonic crystal with period a.
  • the photonic crystal 11 used for the cladding may be different in material and structure from the one-dimensional photonic crystal 1 used for the core. However, considering the time and labor involved in fabricating the multi-layer structure, it is desirable that both use the same material and reduce the refractive index period of the photonic crystal 11 used for the cladding. Of course, the band vector calculation confirms that the wave vector that exists in the core does not exist in the cladding, as described above. After that, it is necessary to design the photonic crystal optical waveguide.
  • the first band propagating light since the band corresponding to the first band propagating light does not exist in FIG. 13B, the first band propagating light also passes through the one-dimensional photonic crystal 1. Propagate. However, for example, if the period a 'of the cladding photonic crystal 11 and the structure of the multilayer film are adjusted, the first band propagating light leaks from the core, the one-dimensional photonic crystal 1, and the The next band propagation light can be confined. By designing such conditions by band calculation, it is possible to realize a photonic crystal optical waveguide that can completely eliminate light propagated by the first band in the middle. In general, the determination of confinement based on the band diagram is based on a photonic crystal having an infinite periodic structure.
  • the number of periods of the photonic crystal for confinement is, for example, about three, confinement is insufficient and guided light may leak to the outside. Needless to say, unnecessarily increasing the number of cycles is not preferable in terms of cost, durability and accuracy of the multilayer film. It is desirable that the minimum number of periods actually required be determined by experiment or electromagnetic wave simulation.
  • FIGS. 14A and 14B schematically illustrate a two-dimensional photonic crystal having a multilayer structure.
  • FIGS. 14A and 14B are examples of a two-dimensional photonic crystal that has periodicity in the X-axis direction and Y-axis direction and has no periodicity in the Z-axis direction.
  • the photonic crystal 50a of FIG. 14A four types of media 51, 52, 53 and 54 are stacked. These four types of media 51, 52, 53 and 54 are exposed in the XY section.
  • Figure The 14 B photonic crystal 50 b is composed of three types of media 55, 56, and 57. Photonic crystals 50b are, for example, two types of media
  • grooves can be easily formed by periodically forming grooves parallel to the YZ plane in the X-axis direction.
  • the medium 57 is air, but another medium may be filled instead of air.
  • a photonic crystal optical waveguide of the present embodiment may be realized.
  • higher-order bands in the fourth and higher bands also exhibit large chromatic dispersion similarly to the second and third bands.
  • the band of propagating light becomes higher, the number of “nodes” of the wave existing in one cycle in the Y-axis direction increases, and the phase modulation pattern becomes more complicated. Therefore, it is most desirable to use the second or third band, which has two nodes per period, as a higher-order propagation band.
  • the "non-binding" band is not available, so the preferred band is "the lowest binding band".
  • the first band is binding.
  • a one-dimensional photonic crystal that is a core as shown in Fig. 4. 15 has a big difference in the structure of the X-axis direction and the Y-axis direction. Therefore, the effective refractive index and group velocity have different values depending on the polarization direction. This is also evident from the difference in characteristics between Figure 2 ((-polarized light) and Figure 3 ( ⁇ -polarized light). Therefore, in the photonic crystal optical waveguide according to the present embodiment, it is preferable to insert a correcting birefringent element in the optical path in order to eliminate the difference due to the polarization mode of the optical waveguide.
  • the birefringent element for example, a birefringent crystal, a structural birefringent element, a photonic crystal, or the like can be used.
  • the material of the photonic crystal used in the present embodiment is not particularly limited as long as it can ensure transparency in the wavelength region to be used, but is generally used as a material for a multilayer film in a one-dimensional case.
  • Suitable materials include silica, silicon nitride, silicon, titanium oxide, titanium oxide, niobium oxide, and magnesium fluoride, which are excellent in terms of durability and film production cost.
  • the above-mentioned materials can easily form a multilayer film structure by well-known methods such as sputtering, vacuum deposition, ion-assisted deposition, and plasma CVD.
  • the simplest configuration is one in which air holes are arranged in a quartz fiber.
  • the refractive index ratio between a plurality of materials constituting a photonic crystal increases, the wavelength dispersion and the like tend to increase. Therefore, for applications requiring such characteristics, it is desirable to form a photonic crystal by combining a high refractive index material and a low refractive index material.
  • a refractive index ratio that can be practically realized, for example, when air having a refractive index of 1 is used as a low refractive index material and I n Sb having a refractive index of 4.21 is used as a high refractive index material,
  • the refractive index ratio can be set to 4 or more (see “Micro-Optics Handbook”, pp. 224, Asakura Shoten, 1995).
  • the groove portion that is, the space 18 shown in FIG. 8 may be filled with air or may be evacuated. Thereby, the space 18 has a low refractive index.
  • the space 18 may be filled with a medium.
  • a medium to be filled an organic resin, glass in a sol state, a semiconductor material in a molten state, and the like can be used.
  • the glass in the sol state can be turned into a transparent glass by heating after gelation.
  • the photonic crystal optical waveguide of the present embodiment can be used using light in a wavelength range of about 200 nm to about 20 m, which is usually used, and the Demonstrate the characteristics. Further, although the present embodiment has been described with the light being symmetrical, the present invention is applicable not only to light but also to electromagnetic waves in general.
  • FIG. 15 is a perspective view of the photonic crystal optical waveguide according to the present embodiment.
  • the photonic crystal optical waveguide 69 includes a substrate 61, a one-dimensional photonic crystal 66 as a core on the substrate 61, and a space between the incident side and the exit side end face of the one-dimensional photonic crystal 66.
  • a phase grating 66 a and a phase grating 66 b are provided via 68 a and the space 68 b.
  • a reflection layer made of a metal film or a one-dimensional photonic crystal is provided above and below the one-dimensional photonic crystal 66, but is not shown.
  • a homogeneous optical waveguide 67a made of a homogeneous material is provided outside the phase grating 66a.
  • a birefringent element 64 and a homogeneous optical waveguide 67 b are provided outside the phase grating 66 b.
  • the cladding also includes air around the one-dimensional photonic crystal 66.
  • the phase grating 66 a and the phase grating 66 b are based on the end of the one-dimensional photonic crystal 66, which is a portion obtained by cutting the end of the one-dimensional photonic crystal 66. is there.
  • the one-dimensional photonic crystal 66 is manufactured, for example, by forming a periodic multilayer film on the entire surface of the substrate 61 and then etching to remove only the linear portions and remove the other multilayer films. be able to.
  • the one-dimensional photonic crystal 66 has a uniform refractive index in the light propagation direction and a refractive index period in the stacking direction.
  • the incident light 62 as the signal light is coupled to the homogeneous optical waveguide 67a by, for example, an optical fiber or the like.
  • This signal light propagates through the homogeneous optical waveguide 67 a and is sent to the one-dimensional photonic crystal 66 via the phase grating 66 a.
  • a space 68 a is formed between the phase grating 66 a and the one-dimensional photonic crystal 66.
  • the guided light propagating in the one-dimensional photonic crystal 66 is higher-order band propagation. Only light.
  • the higher-order band propagating light propagating in the one-dimensional photonic crystal 66 is emitted from the emission end of the one-dimensional photonic crystal 66 to the space 68 b, enters the phase grating 66 b, and It is converted again to a plane wave by 6 6 b.
  • the light converted into a plane wave is sent from the phase grating 66 b to the birefringent element 64, where the phase shift due to the polarization mode is compensated, and sent to the homogeneous optical waveguide 67 b.
  • the output light 63 emitted through the homogeneous optical waveguide 67 b is coupled to, for example, an optical fiber or the like.
  • the photonic crystal optical waveguide 69 is used as an optical communication signal dispersion compensating element and an optical delay element. It can be used for In addition, as described above, propagating light having a low group velocity has an effect of enhancing the nonlinear optical effect.
  • a method for producing an element having a much larger nonlinear optical effect than the conventional one will be described below.
  • the nonlinear optical effect is enhanced by doping the one-dimensional photonic crystal 66 with a substance exhibiting nonlinear optical action in the form of fine particles. Specifically, fine particles are dispersed and the action of quantum dots is used.
  • a nonlinear optical effect is enhanced by providing a thin film layer containing a substance exhibiting a nonlinear optical action for each period of the one-dimensional photonic crystal 66.
  • at least one of the thin film layers is formed by a sol-gel method, and contains an organic dye—an organic substance having a photorefractive effect.
  • Still another method is to enhance the nonlinear optical effect by making the substance forming the one-dimensional photonic crystal 66 itself have a nonlinear action.
  • the material itself of the one-dimensional photonic crystal such as L i N b 0 3, the nonlinearity of large material.
  • FIG. 16 is a perspective view showing an optical waveguide device 70 that compensates for a phase difference due to the polarization direction.
  • FIG. 16 uses two photonic crystal optical waveguides 69 shown in FIG. In this configuration, one photonic crystal optical waveguide 69 is rotated by 90 ° with respect to the other with the light guiding direction as an axis.
  • the birefringent element used in Fig. 15 is also omitted.
  • the two one-dimensional photonic crystal optical waveguides 69 are connected by an output-side phase grating 66b and an incident-side phase grating 66a, respectively.
  • the TE-polarized light component and the TM-polarized light component of the plane wave incident on the photonic crystal optical waveguide 69 on the incident side have different group velocities and wavelengths in the waveguide, so there are differences in phase difference, intensity difference, nonlinear action, etc. Has occurred.
  • the photonic crystal optical waveguide 69 on the output side which has the same structure and length as the photonic crystal optical waveguide 69 on the input side and rotates only 90 ° in the direction, the phase difference, Differences that occur, such as intensity differences and nonlinear effects, are canceled. Therefore, the optical waveguide device 70 shown in FIG. 16 does not produce a difference due to polarization.
  • Nick crystals can also be used.
  • the phase grating made by cutting the core 2D photonic crystal also has a 2D structure.
  • the two-dimensional photonic crystal can be easily realized by forming a parallel groove in the Z-axis direction in the multilayer film layer by means such as etching as shown in FIG. 14B.
  • FIG. 17 is a schematic diagram of the photonic crystal optical fiber according to the present embodiment.
  • the optical fiber 79 which is the optical waveguide portion of the photonic crystal optical waveguide, is composed of a core 71 having a two-dimensional photonic crystal structure and a cladding 72 surrounding the core.
  • the refractive index in the light propagation direction is uniform.
  • phase gratings 76a and 76b corresponding to the period of the core 71 are provided, and incident light (plane wave, not shown) propagates through the core 71 in a higher-order band. The light propagates as light and is restored to a plane wave again at the emission end. Since the phase gratings at both ends are the same, they can be used in either direction.
  • the refractive index periods of the core 71 and the clad 72 are symmetric with respect to the center axis of the optical fiber 79. As a result, there is an advantage that there is no difference due to the polarization mode.
  • the photonic crystal of the clad 72 of the optical fiber 79 has a different period and structure from the photonic crystal of the core 71, and plays a role of confining the guided light of the core 71 by a photonic band gap.
  • the cladding 72 which is a photonic crystal, only needs to have a thickness enough to confine light in the core 71, and the photonic crystal does not need to be formed on the outer peripheral portion of the optical fiber 79. .
  • the guided light of the optical fiber 79 is based on a higher-order band, a group velocity anomaly that is much larger than that of a conventional optical fiber using single-mode propagation with the lowest-order band occurs. Therefore, a strong dispersion compensation effect and a nonlinear optical effect can be exhibited.
  • the core 71 has a periodic structure and has no limit on the size, a large-diameter core 71 can be easily realized, and connection between fibers can be simplified.
  • FIG. 18 is a schematic diagram of a concentric photonic crystal optical fiber 89 according to the present embodiment.
  • the optical fiber 89 has a periodic refractive index distribution in the radial direction.
  • the optical fiber 89 is composed of a core 81 and a clad, which are two-dimensional photonic crystals having a concentric refractive index period that is periodic and concentric with the distance from the central axis. It is composed of 82.
  • the refractive index in the light propagation direction is uniform.
  • phase gratings 86a and 86b corresponding to the period of the core 81 are installed, and incident light (not shown), which is a plane wave, passes through the core 81 in a high position. The light propagates as the next band propagation light and is restored to a plane wave again at the emission end. Since the phase gratings 86a and 86b at both ends are the same, the directions of input and output may be opposite.
  • the clad 82 has a refractive index period different from that of the core 81, and plays a role of confining the guided light of the core 81 by a photonic band gap.
  • the optical fiber 89 has an advantage that since it has an optical axis symmetric configuration, there is no difference due to the polarization mode.
  • the effect due to the abnormal group velocity and the fact that the size of the core is not limited are the same as those of the optical fiber 79 in FIG.
  • the optical fibers 79 and 89 in FIGS. 17 and 18 are formed by forming a cavity in a fibrous homogeneous material having a substantially circular cross section, for example, so that the refractive index is increased by the homogeneous material and air. What is necessary is just to form a period and manufacture it.
  • a plurality of cavities may be formed along the longitudinal direction of the fibrous homogeneous material.
  • the cavity may be parallel to the guided light.
  • the whole or a part of the cavity may be filled with a fluid substance to form a further different refractive index period.
  • the cavity may be filled with an acrylic monomer as a flowable substance, and ultraviolet rays may be irradiated from the outside to cause the acrylic monomer to polymerize.
  • the photonic crystal which is the core of the optical waveguide section of the present embodiment, has a uniform refractive index in the light propagation direction and a refractive index period in at least one direction perpendicular to the propagation direction. Just fine. It is only necessary that a photonic band exists in the propagation direction of the guided light.
  • the present invention can be widely applied as an optical element capable of utilizing the effect of dispersion compensation and enhancement of optical nonlinearity caused by group velocity anomalies of higher-order band propagation light. .

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Abstract

フォトニック結晶光導波路は、導波光の伝搬方向に垂直な少なくとも一方向に屈折率周期性を有し、前記導波光の伝搬方向には一様な屈折率を有する構造のフォトニック結晶からなるコアと、前記導波光を前記コア内に閉じ込めるために、前記コアに接して設置されているクラッドとを有する光導波路部を備えたフォトニック結晶光導波路であって、前記コアの光入射面に近接もしくは接触するように設置された入射側位相変調部を備えたことを特徴とする。

Description

明 細 書
フォトニック結晶光導波路
技術分野
本発明は、 フォトニック結晶を用いた光導波路に関する。
背景技術
近年、 ホーリーファイバあるいはフォトニック結晶ファイバと呼ばれ る新しい光フアイバの研究開発が急速に進展している。 従来の光ファィ バでは単純な屈折率差によりコア部分に光を閉じ込めている。 一方、 上 述の新しい光ファイバは、 断面内に複雑な 2次元構造を有することを特 徵としている。 例えば、 クラッド部分に空孔を配置することにより実効 屈折率を小さくして、 コア部分との屈折率差をつけることで、 光をコア 部分に閉じ込めている。 また、 他には、 クラッド部分をフォトニック結 晶として、 コア部分の導波光に対してフォトニックバンドギャップを形 成することで光をコア部分に閉じ込める。 このような手段で、 光フアイ バを構成している。
ホーリ一ファイバゃフォトニック結晶ファイバでは、 構造によってそ の特性を大きく変えることができるので、 波長分散を大きくした分散補 償光ファイバ、 非線形光学効果の大きい光ファイバまたは可視域でのゼ 口分散光ファイバ等といった応用が提案されている。 また、 複雑な 2次 元構造は、 例えば、 複数の石英パイプを束ねたものを、 加熱延伸するこ とによってつくることができる （例えば、 ォ一 ·プラス 'ィ一、 2 3巻、 9号、 1 0 6 1頁 2 0 0 1年、 参照）。
現在提案されているホーリーファイバゃフォトニック結晶ファイバで は、 コア部分を伝搬する導波光として、 0次モードによる単一モード伝 搬を利用している。 単一モード伝搬光は、 周波数に対する屈折率の変化 が非常に小さい。 したがって、 群速度異常や非常に大きい分散といった 特性を発揮することができない。 このため、 単一モード伝搬は、 多モー ド伝搬による波長分散を防ぐためには必須の条件であるものの、 同時に コア断面の面積や光ファイバ性能に対する制約条件ともなつている。 発明の開示
本発明は、 従来技術における前記課題を解決するためになされたもの であり、 任意のバンド伝搬光を伝搬させることができるフォトニック結 晶光導波路を提供することを目的とする。
そこで、 本発明は、 導波光の伝搬方向に垂直な少なくとも一方向に屈 折率周期性を有し、 前記導波光の伝搬方向には一様な屈折率を有する構 造のフォトニック結晶からなるコアと、 前記導波光を前記コア内に閉じ 込めるために、 前記コアに接して設置されているクラッドとを有する光 導波路部を備えたフォトニック結晶光導波路であって、 前記コアの光入 射面に近接もしくは接触するように設置された入射側位相変調部を備え たことを特徴とする。 図面の簡単な説明
図 1は、 1次元フォトニック結晶を示す断面図である。
図 2は、 1次元フォトニック結晶における T E偏光のフォトニックバ ンド構造を示すバンド図である。
図 3は、 1次元フォトニック結晶における T M偏光のフォトニックバ ンド構造を示すバンド図である。
図 4は、 1次元フォトニック結晶光導波路の構成を示す斜視図である。 図 5は、 2次元フォトニック結晶を用いた光ファイバの構成を示す斜 視図である。
図 6は、 1次元フォトニック結晶中での第 1バンド伝搬光の Z軸方向 における電場の強さを表わした模式図である。
図 7は、 1次元フォトニック結晶中での高次バンド伝搬光の Z軸方向 における電場の強さを表わした模式図である。
図 8は、 本実施の形態に係るフォトニック結晶光導波路の構成を示す 断面図である。
図 9は、 本実施の形態に係るフォトニック結晶光導波路における、 導 波光の Z軸方向における電場の強さを表わした摸式図である。
図 1 0は、 本実施の形態に係る他のフォトニック結晶光導波路の電場 を表わした模式図である。
図 1 1は、 本実施の形態に係る他のフォトニック結晶光導波路の断面 図である。
図 1 2は、 本実施の形態に係る他のフォトニック結晶光導波路の断面 図である。
図 1 3 Aおよび図 1 3 Bは、 同じ厚さの 2種類の物質をそれぞれ交互 に層となるように重ねた 1次元フォトニック結晶のバンド図である。 図 1 4 Aおよび図 1 4 Bは、 多層構造である 2次元フォトニック結晶 の摸式図である。
図 1 5は、 本実施の形態に係るフォトニック結晶光導波路の斜視図で ある。
図 1 6は、 本実施の形態に係る位相差を補償する光導波路素子を示す 斜視図である。
図 1 7は、 本実施の形態に係るフォトニック結晶光ファイバの模式図 である。 図 1 8は、 本実施の形態に係る同心円状フォトニック結晶光ファイバ の模式図である。 発明を実施するための最良の形態
本実施の形態のフォトニック結晶光導波路は、 特定の高次フォトニッ クバンドに属する波動のみを伝搬させることができる。 それにより、 フ ォトニック結晶の機能を効率よく利用することができる。
本実施の形態のフォトニック結晶光導波路は、 前記コアには、 前記導 波光の伝搬方向におけるフォトニックバンドが存在し、 前記入射側位相 変調部は、 入射した導波光を位相変調して、 前記光導波路部の前記コア に伝搬させ、 前記コアは、 前記位相変調された導波光のエネルギーの全 部もしくは半分以上が高次の前記フォトニックバンドに属する波動を伝 搬させる。 それにより、 第 1次バンド伝搬光による損失が少ない高次バ ンド伝搬光を、 コアに伝搬させることができる。 そのため、 分散補償素 子または光遅延素子等として利用することができる。
また、 前記入射側位相変調部は、 前記コアの屈折率周期と、 同調され るような屈折率周期を有する位相格子としてもよい。
また、 前記入射側位相変調部は、 前記コアと同一の構造を有し、 前記 コアと同一の屈折率周期を有する位相格子としてもよい。
また、 好ましくは、 前記入射側位相変調部は、 前記コアの光入射面側 の端部近傍を切断して、 分離した部分である。 それにより、 容易に入射 側位相変調部を作製することができる。
また、 前記コアは、 前記位相変調された導波光の低次側から二番目の 結合性フォトニックバンドに属する波動を伝搬させてもよい。
また、 好ましくは、 前記導波光が出射される前記コアの出射面に、 近 接もしくは接触するように設置された出射側位相変調部をさらに備えて いる。 それにより、 コアから出射された光を、 平面波に変化することが できる。
また、 前記出射側位相変調部は、 前記コアの出射面から出射された光 を平面波に変換する構造としてもよい。
また、 前記出射側位相変調部は、 前記コアの屈折率周期と、 同調され るような屈折率周期を有する位相格子としてもよい。
また、 前記出射側位相変調部は、 前記コアと同一の構造を有し、 前記 コアと同一の屈折率周期を有する位相格子であるとすればよい。
また、 好ましくは、 前記出射側位相変調部は、 前記コアの光出射面側 の端部近傍を切断して、 分離した部分である。 それにより、 容易に出射 側位相変調部を作製することができる。
また、 好ましくは、 前記クラッドは、 前記導波光の伝搬方向に垂直な 少なくとも一方向に屈折率周期性を有し、 前記導波光の伝搬方向には一 様な屈折率を有するフォトニック結晶よりなる。 それにより、 コアの実 効屈折率が低い場合でも、 コアからの光の漏れを防ぐことができる。 また、 前記コアは、 光学的非線形作用を有する活性物質を含有してい る。 それにより、 非線形光学効果の大きい光素子を提供することができ る。
また、 前記コアは、 前記導波光の伝搬方向に垂直な一方向もしくは二 方向に屈折率周期性を有し、 前記導波光の伝搬方向には一様な屈折率を 有する多層膜層としてもよい。
また、 好ましくは、 前記光導波路部は、 断面が略円形であるファイバ 状であって、 前記コアはファイバ状で、 前記コアの外周に前記クラッド が形成されていて、 前記コアおよび前記クラッドは、 前記導波光の伝搬 方向には一様な屈折率を有する。 それにより、 ファイバ形状の分散補償 素子または光遅延素子等を提供することができる。 また、 前記コアおよび前記クラッドの各屈折率周期は、 前記導波光の 伝搬方向に平行である前記光導波路部の中心軸に対して、 対称である構 造としてもよい。
また、 好ましくは、 前記光導波路部は、 断面が略円形であるファイバ 状の均質物質を備え、 前記均質物質には、 その長手方向に沿って複数の 空洞が形成されていて、 前記複数の空洞は、 前記導波光の伝搬方向に平 行である前記光導波路部の中心軸に対して対称となるように形成されて いる。 それにより、 ファイバ形状の分散補償素子または光遅延素子等を 提供することができる。
また、 前記空洞の全部もしくは一部に流動性物質が充填されていても よい。例えば空洞には、 流動性物質として、 アクリルモノマーを充填し、 外部から紫外線を照射して、このアクリルモノマーを重合させてもよい。 また、 前記光導波路部の断面における屈折率は、 前記導波光の伝搬方 向に平行である前記光導波路部の中心軸からの距離に対して周期的かつ 同心円状に変化していることとしてもよい。
以下、 本発明の実施の形態について具体的に説明する。
まず、 フォトニック結晶中の光の伝搬について説明する。 図 1は 1次 元フォトニック結晶 1を示す断面図である。 図 1において、 光の導波方 向を Z軸方向とし、光の伝搬方向に対して垂直な方向を Y軸方向とする。 1次元フォトニック結晶 1は、 Y軸方向にのみ屈折率周期性を有する。 具体的には、 それぞれ異なる屈折率を有する物質 5 aおよび物質 5 と が、 交互に Y軸方向に積層されて多層構造 5を形成している。 また、 光 の伝搬方向 （Z軸方向） には屈折率が一様である。 物質 5 aの厚さは t Aであり、 屈折率は n Aとする。 また、 物質 5 bの厚さは t Bであり、 屈 折率は n Bとする。 したがって、 フォトニック結晶 1は、 これらが積層 された、 周期 aの多層構造である。 なお、 周期 aは （ t A + t B ) である 図 1において、 1次元フォトニック結晶 1がコアであり、 その周りの 空気がクラッド （図示せず） となり、 光導波路を構成している。 コアで ある 1次元フォトニック結晶 1の端面 1 aから、真空中の波長が λ。の平 面波を入射光 2として入射させると、 導波光 4として 1次元フォトニッ ク結晶 1の物質 5 aおよび物質 5 b内を伝搬して、 端面 1 aとは逆の端 面である端面 1 bから出射光 3として空間に出射される。 このとき、 光 が 1次元フォトニック結晶 1内でどのように伝搬するかは、 フォトニッ クパンドを計算し図示することにより知ることができる。 バンド計算の 方 f去は、 例 は" Photonic Crystals", Princeton University Press (1995) あるいは、 Physical Review B 44巻、 16号、 p.8565、 1991年、 などに 詳しく述べられている。
図 1に示す 1次元フォトニック結晶 1のフォトニックバンドを、 上述 のバンド計算によって計算する。 その際には、 Y軸方向 （積層方向） に は屈折率周期構造が無限に続き、 X軸および z軸方向 （層面の広がる方 向） には各層が無限に広がっているものと仮定して計算を行なう。
図 2は、 図 1の 1次元フォトニック結晶 1における T E偏光のフォト ニックバンド構造を示すバンド図である。 また、 図 3は、 図 1の 1次元 フォトニック結晶 1における T M偏光のフォトニックバンド構造を示す バンド図である。 なお、 物質 5 aの厚さ t Aおよび屈折率 n Aと、 物質 5 bの厚さ t Bおよび屈折率 n Bとは、 以下に示す値とする。 ただし、 厚さ t Aおよび厚さ t Bは、 周期 aを用いて表わしている （a = t A + t B )。
n A = 1 . 4 4、 t A = 0 . 5 a
n B = 2 . 1 8、 t B = 0 . 5 a
このような物質 5 aおよび物質 5 bの層を交互に重ねた周期 aの多層 構造 5について、 Z軸方向 （X軸方向も同じ） における平面波法による 第 1〜第 3バンドについてのバンド計算の結果が、 図 2および図 3に示 されている。 ここで、 TE偏光とは電場の向きが X軸方向である偏光を、 TM偏光とは磁場の向きが X軸方向である偏光を表わしている。
図 2および図 3の横軸は 1次元フォトニック結晶 1における Z軸方向 の波数ベクトル k zの大きさであり、 縦軸は規格化周波数である。 規格 化周波数は、 o a/27r cで表わされ、 ωは入射する光の角振動数、 a は多層構造 5の周期、 cは真空中での光速である。 また、 規格化周波数 は、 入射光 2の真空中での波長 λ。を用いて、 。とも表わすことが できる。 そこで、 以下では規格化周波数は、 a/λ。と記述し、 図 2およ び図 3においてもそのように記載している。 1次元フォトニック結晶 1 は、 Ζ軸方向には屈折率周期性がなく、 屈折率は一様なので、 図 2およ び図 3の横軸にはブリルアンゾーンの境界が存在せず、 どこまでも広が つている。
図 1において、 入射光 2の真空中の波長が λ Αの場合、 図 2に示すよ うに、 1次元フォトニック結晶 1内では最低次の第 1パンドに対応する 波数ベクトル kA 1が存在する。 換言すると、 波長 λ A1= 27T/kA1の 波動として、 導波光 4がフォトニック結晶光導波路 1内を Z軸方向に伝 搬する。 この場合の導波光 4を、 以下では第 1バンド伝搬光と呼ぶ。
ところが、 入射光 2の真空中の波長が λ Βの場合、 1次元フォトニッ ク結晶 1に入射する場合には、 第 1、 第 3バンドに対応する波数べクト ル kB 1、 kB 3が存在する。 なお、 第 2バンドは Z軸方向の伝搬に関して は、 「非結合性」 であるため無視する。 したがって、 波長 λΒ 1= 2 ττΖ kB 1の第 1バンド伝搬光、 および波長 λ B 3 = 27rZkB3の第 3バンド 伝搬光の波動がそれぞれ 1次元フォトニック結晶 1内を Z軸方向に伝搬 する。 図 2における第 3バンド光のような、 最低次のバンド （第 1バン ド） ではない結合性バンドの光を、 以下では、 一般的に呼ばれているよ うに 「高次バンド伝搬光」 と呼ぶ。 通常、 第 2パンドと第 3バンドのう ち片方は結合性、 もう片方は非結合性であり、 第 1バンドは結合性であ る。 なお、 非結合性バンドについての理論は、 以下の文献に詳しく記述 さ れ て い 。 K.Sakoda,"Optical Properties of Photonic Crystals", Sprmger-Verlasr C2001).
なお、 以上は、 T E偏光について図 2を用いて説明したが、 図 3から わかるように、 T M偏光においても T E偏光と同様の関係があるが、 説 明は省略する。
ここで、 真空中での光の波長 （λ Α、 λ Βなど） を、 対応する 1次元フ ォトニック結晶 1中の波長 （λ Α 1、 λ Β 3など） で除した数値を 「実効屈 折率」 と定義する。 図 2および図 3から理解できるように、 第 1バンド 光の規格化周波数 a / λ。 （縦軸） と k z (横軸） とは、 ほぼ比例してい るため、 実効屈折率も、 真空中の入射光波長の変化に対してほとんど不 変である。 しかし、 高次バンド伝搬光は実効屈折率が、 真空中の入射光 波長により大きく変化し、 図 2および図 3より明らかなように実効屈折 率が 1未満になることもある。
図 2および図 3で示されるバンド図において、 バンド曲線を k zで微 分した値 （すなわち、 各バンド曲線の接線の傾き） が導波光 4の群速度 となることは良く知られている。 第 2次以上の高次バンドでは、 k zの 値が小さくなるにつれて接線の傾きは急速に小さくなり、 k z = 0のと き接線の傾きは 0となる。 これは、 フォトニック結晶特有の現象である 群速度異常によるものである。 フォトニック結晶中における群速度異常 は極めて大きく、 かつ通常の均質物質の分散とは逆となる。 すなわち、 フォトニック結晶中では、 入射光の波長が長くなるにつれて群速度が遅 くなる。 そのため、 フォトニック結晶を用いて、 高次バンド伝搬光を利 用する光導波路や光ファイバを形成すれば、 光遅延素子や光通信におけ る分散補償素子として利用することができる。 図 4は、 1次元フォトニック結晶 1 5を用いた光導波路素子であるフ ォトニック結晶光導波路 1 7の構成を示す斜視図である。基板 1 4上に、 両端には均質光導波路 1 6が設置されていて、 均質光導波路 1 6によつ て挟まれるように、 1次元フォトニック結晶 1 5が設置されている。 な お、 1次元フォトニック結晶 1 5はコアであって、 クラッドは、 その周 囲の空気および基板 1 4である。 図 4に示したフォトニック結晶光導波 路 1 7は、 1次元フォトニック結晶 1 5を用いて構成された光導波路素 子である。 なお、 図 4において、 光の伝搬方向は、 Z軸方向である。
フォトニック結晶光導波路 1 7の一端に入射光 1 2を入射させる。 入 射光 1 2は、 均質光導波路 1 6に結合し、 均質光導波路 1 6から 1次元 フォトニック結晶 1 5に結合して、 長手方向 （Z軸方向） に光は伝搬し て、 フォトニック結晶光導波路 1 7の他端から出射光 1 3として出射さ れる。 この光を高次バンド伝搬光とすれば、 1次元フォトニック結晶 1 5中において、 高次バンド伝搬光は群速度異常が生じる。 それにより、 このフォトニック結晶光導波路 1 7を、 例えば、 光遅延素子として用い ることができる。
また、 図 5は 2次元フォトニック結晶を用いた光ファイバ 2 1の構成 を示す斜視図である。 光ファイバ 2 1は、 円柱形であり、 その軸方向に 光が伝搬する。 光ファイバ 2 1は、 コア 2 2とその周りに形成されたク ラッド 2 3とを備えている。 コア 2 2は、 光の伝搬方向 （Z軸方向） は 屈折率が一様であり、 X軸および Y軸方向には屈折率周期を有している 2次元フォトニック結晶である。 クラッド 2 3は、 フォトニック結晶で はなく、通常の均質材料からなる。 このような構成の光ファイバ 2 1は、 2次元フォトニック結晶であるコア 2 2の屈折率が一様な方向への光の 伝搬に関しては、 上述した 1次元フォトニック結晶の場合と同様のバン ド図が得られる。 したがって、 高次バンド伝搬光を 2次元フォトニック 結晶で構成されたコア 2 2に伝搬させれば、光ファイバ 2 1を、例えば、 強力な分散補償効果を有する光ファイバとして用いることができる。
しかし、 図 4あるいは図 5に示す、 フォトニック結晶光導波路 1 7あ るいは光フアイバ 2 1を高次バンド伝搬光の光導波路あるいは光フアイ バとして用いるには、 いくつかの問題点がある。 図 2および図 3から明 らかなように、 高次バンド伝搬光が伝搬する場合には必ず第 1バンド伝 搬光も伝搬している。 第 1バンド伝搬光は、 高次バンド伝搬光を利用し ようとする場合にはエネルギーの損失であり、 入射光の利用効率を大き く低下させてしまう。 さらに、 第 1バンド伝搬光は、 高次バンドによる 伝搬光とは群速度が異なるので、 信号に大きな波長分散が生じてしまう という問題もある。
また、 図 1において、 1次元フォトニック結晶 1から光が出射される 端面 l bには Y軸方向、 X軸方向の屈折率周期構造が露出している。 そ のため、 高次バンド伝搬光自体も強度と位相の周期性を有するため、 出 射光 3はいろいろな次数と方向の回折光が混在したものとなる。 したが つて、 出射光 3の取り扱いが困難である。
さらに、 高次バンド伝搬光の実効屈折率が 1次元フォトニック結晶 1 と接する周囲の媒体 （クラッド） の屈折率よりも小さくなると、 導波光
4がクラッドに漏れてしまう。 そのため、 コアである 1次元フォトニッ ク結晶 1中を光が導波しなくなる。 特に、 高次バンド伝搬光の実効屈折 率が 1未満になると、 クラッドを空気としても漏れを防ぐことができな くなるという問題もある。
また、 図 1で示す 1次元フォトニック結晶 1の端面 1 aからコアに平 面波が入射した場合の、 1次元フォトニック結晶 1中での導波光 4の Z 軸方向における電場の強さが図 6および図 7に示されている。 図 6は、 図 1で示した 1次元フォトニック結晶 1内での、 Z軸方向における第 1 バンド伝搬光の電場の強さを表わした模式図である。 また、 図 7は、 図 1で示した 1次元フォトニック結晶 1内での、 Z軸方向における高次バ ンド伝搬光の電場の強さを表わした模式図である。 光の電場は波で表わ される。 電場の山 4 aは実線、 電場の谷 4 bは破線で表わしている。 ま た、 振幅の大きさはそれぞれの線の太さで表わされ、 線が太い方が振幅 は大きいことを表している。 なお、 導波光の波長は、 λである。
図 6に示すように、 第 1バンド伝搬光は、 電場の振幅が物質 5 a内と 物質 5 b内で異なるものの、 電場の山 4 aと谷 4 bはそれぞれ Z軸と垂 直な平面となるので、 平面波に近い伝搬となる。
それに比べて、 高次バンド伝搬光は、 例えば、 図 7に示すように電場 振幅が 0となる 「節 4 c」 が物質 5 aおよび物質 5 bの境界付近に生じ る。 そのため、 隣接する物質 5 aおよび物質 5 bで形成される積層構造 の 1周期は山と谷の 2つの領域に分割される。 隣り合う領域 （物質 5 a および物質 5 b ) では波動の位相が半波長ずれているため、 山と谷が入 れ違いに現われる。 このように 1周期あたり 2個の節 4 cが生じるのは 第 2もしくは第 3バンドの場合である。 さらに高次のバンドによる導波 光では、 1周期内の節の数がさらに増えて、 1周期内での半波長ずれが 何回も起こるようになる。
したがって、 複数のバンドがともに関与する波長の入射光の場合に対 する伝搬光は複数となり、 両者が重なって複雑な電場パターンを示すこ とになる。 例えば、 図 2に示した、 真空中での波長が λ Βである入射光 だと、 第 1および第 3パンドの二つに対する伝搬光を有しているので、 フォトニック結晶中に複数の伝搬光が存在する。 そのため、 複雑な伝搬 パターンを示すこととなる。
しかし、 本発明者らの研究によって、 導波光の伝搬方向におけるフォ トニックバンドが存在するフオトニック結晶に、 位相変調を施した入射 光を結合させると、 特定の高次バンド伝搬光のみ伝搬させることが可能 であることが明らかとなった。 本実施の形態のフォトニック結晶光導波 路は、 これを利用している。
本実施の形態のフォトニック結晶光導波路について、 図面を用いて説 明する。 図 8は、 本実施の形態に係るフォトニック結晶光導波路 1 0の 構成を示す断面図である。 図 8に示すように、 フォトニック結晶光導波 路 1 0は、光導波路部および位相変調部である位相格子 6を備えている。 光導波路部は、 Y軸方向のみ屈折率周期構造を有する 1次元フォトニッ ク結晶 1であるコアとコアの周りの空気であるクラッドとを備えている ; 図 8においては、 クラッドはコアである 1次元フォトニック結晶 1の周 りにある空気であるので、 図示していない。 なお、 クラッドを空気とせ ずに、 適当な材料をクラッドとして、 1次元フォトニック結晶 1の周り に設置してもよい。
1次元フォトニック結晶 1は図 1で示したものと同一とする。 すなわ ち、 それぞれ屈折率の異なる物質 5 aと物質 5 bとが交互に Y軸方向に 積層されて構成された多層構造 5を有する。 光の伝搬方向である Z軸方 向においては、 屈折率は一様である。 物質 5 aの厚さと、 物質 5 bの厚 さとの和が、 多層構造 5の周期 aである。 また、 1次元フォトニック結 晶は、 導波光の伝搬方向 （Z軸方向） には、 フォトニックバンドが存在 している。 なお、 以下の図において、 Z軸方向は光の伝搬方向であり、 Y軸方向は、 1次元フォトニック結晶の積層方向とする。
位相格子 6は、 光が入射する 1次元フォトニック結晶 1の端面に近接 もしくは接触するように設置されている。 例えば、 位相格子 6と 1次元 フォトニック結晶 1との間には、 空間 1 8が形成されていてもよい。 図 9は、本実施の形態に係るフォトニック結晶光導波路 1 0における、 導波光の Z軸方向における電場の強さを模式的に表わした図である。 図 9においては、 光の電場は波で表わされるため、 電場の山 4 aは実線、 電場の谷 4 bは破線で表わしている。 また、 振幅の大きさは線の太さで 表わされ、 線が太い方が振幅は大きいとする。
位相格子 6は、 入射した平面波である光に、 Y軸方向に周期 aでおお よそ半波長差を生じる作用がある。 平面波である入射光 7が、 位相格子 6に入射すると、 図 7で示した 1次元フォトニック結晶中の高次バンド 伝搬光に類似した電場パターンが、 空間 1 8に生じる。 この電場パター ンを有する光 8が、 1次元フォトニック結晶 1の端面から入射し、 1次 元フォトニック結晶 1内を伝送する場合には、 第 1バンドによる伝搬光 は発生せず、 高次バンド伝搬光のみが生じることが、 本発明者らのシミ ユレーシヨンにより明らかとなった。 このようにすると、 1次元フォト ニック結晶 1内を伝搬する波動は、 そのエネルギーの全部もしくは半分 以上が高次のフォトニックバンドに属するようにすることができる。 つまり、 「フォトニック結晶に対して、フォトニック結晶の周期構造と 同じ方向に同じ周期を有する適当な位相変調波を入射させると、 特定の バンドに属する伝搬光のみを得ることができる。」
位相変調部として位相格子 6を用いているが、 位相変調部の条件につ いて具体的に説明する。
最も簡便な位相変調部は、 1次元フォ卜ニック結晶 1であるコアの周 期的多層膜層と同じ周期を有する位相格子である。 位相格子 6は、 例え ば、 図 8に示すように屈折率の異なる物質 5 cと物質 5 dとが周期的に 交互に積層された構成である。本発明者らはシミュレーションによって、 位相格子 6の最適化をすることが好ましいことを見出した。
例えば、 図 8における物質 5 cおよび物質 5 dの Y軸方向の厚さ t c および t Dや、 位相格子 6の光の伝搬方向 （Z軸方向） における長さ L や、 空間 1 8の Z軸方向の厚さ Gや、 空間 1 8の屈折率 n eを最適化す ることが好ましい。 これらの最適化においては、 例えば、 1次元フォト ニック結晶 1の多層構造 5の特性である物質 5 aおよび物質 5 bの厚さ t Aおよび t Bの比率や、物質 5 aおよび物質 5 bの屈折率なども調整す ることが好ましい。 位相格子 6と 1次元フォトニック結晶 1の周期は同 調させることが好ましい。 具体的には、 の条件を満たし、 かつ物質 5 aと物質 5 cとの Y軸方向中心、 および物 質 5 bと物質 5 dとの Y軸方向中心はそれぞれ一致している。 これによ り、 位相格子 6と 1次元フォトニック結晶 1の周期が同調している。 位相格子 6と 1次元フォトニック結晶 1との間の空間 1 8の厚さ Gも 導波光に影響するので最適な範囲を選ぶことが好ましい。
また、 多層構造 5の周期 a (= tA+ t B) が、 入射光 7の真空中の波 長 λ。以下である場合は、両者の間隙である空間 1 8を空気層とすると、 位相格子 6による ± 1次回折光が伝搬できなくなり、反射光が多くなる。 これを防ぐためには、 空間 1 8を屈折率の大きい媒体で満たして、 空間 1 8の屈折率を大きくする方法がある。 具体的には、 屈折率 neである 媒体で、 空間 1 8を満たせばよい。 neは、 以下の式で表わされる。
λ 0/n G< a
ここで、 A。/nc<aの条件であれば、 空間 1 8の厚さ Gは、 媒体中 の波長 （A。ZnG) を基準として、 その 5倍以内であることが望ましい。 厚さ Gが大きすぎると、 ± 1次回折光が互いに大きく離れてしまい、 干 渉波の形成される部分が減ってしまう。
また、 A。 neく aの条件であっても、 空間 1 8の厚さ Gがほぼゼロ (入。/ neの 1 1 0以下） とすれば、 エバネッセント波による結合が 可能となる場合もある。
位相格子 6は、 例えば、 1次元フォトニック結晶 1の光入射側の端面 1 a近傍を切断して、 1次元フォトニック結晶 1から分離した部分とし てもよい。 切断によって、 1次元フォトニック結晶 1と位相格子 6との 間にできる溝が空間 1 8となる。 このとき、 切断する部分の厚さ （位相 格子 6の厚さ L ) および溝の幅 （空間 1 8幅 G ) を調整して特定の高次 バンド伝搬光のみが伝搬するようにすればよい。 もちろん、 溝は空気層 としても良いし、 均一媒体で満たしても良い。
また、 図 1 0は、 本実施の形態に係る他のフォトニック結晶光導波路 2 0の電場を示す模式図である。 図 1 0は、 図 9のフォトニック結晶光 導波路 1 0の、 1次元フォトニック結晶 1の出射側の端面に近接もしく は接触するように、 前述の入射側端面に設置した位相格子 6と同様の位 相変調部である位相格子 6 bを設置した構成である。 位相格子 6 bと 1 次元フォトニック結晶 1との間には空間が形成されている。 こうするこ とで、 1次元フォトニック結晶 1から出射された特定のバンドに属する 光である出射光 8 bが、 平面波 9に変換される。 つまり、 1次元フォト ニック結晶 1から出射された特定のバンドに属する出射光 8 bが、 位相 格子 6 bに入射すると、 平面波に変換される。 なお、 図 1 0では、 電場 の山 4 aの部分しか図示していない。 位相格子 6 bの構造は、 図 8の位 相格子 6と同様にすることが好ましく、 フォトニック結晶 1と位相格子 6 bとの間の空間も、図 8の空間 1 8と同様の条件とするのが好ましい。 図 5に示している、 2次元フォトニック結晶である光ファイバ 2 1を 光導波路部として、 その両端に、 位相格子などの位相変調部を設置する ことで、 上述のフォ卜ニック結晶光導波路と同様の効果を得ることがで きる。 この場合は、 光導波路部である光ファイバ 2 1と同様に、 位相格 子も 2次元構造とする。それにより、 1次元フォトニック結晶と同様に、 特定の高次バンド伝搬光のみによる伝搬を実現することができる。
この場合も、 上述したように、 高次バンド伝搬光の実効屈折率がコア 2 2の外周に形成されたクラッド 2 3の屈折率よりも小さくなると、 コ ァ 2 2からの伝搬光の屈折による漏れが発生する。 特に、 高次バンド伝 搬光の実効屈折率が 1以下になると、 クラッドを空気としても漏れを防 ぐことができなくなる。
例えば、 このような、 実効屈折率の低下による導波光のコアからの漏 れを防いで、 導波光をコア中に閉じ込めるためには、 例えば図 1 1に示 すように、 フォトニック結晶であるコアの周囲に、 クラッドとして、 金 属膜などの反射層 3 2を設けることが好ましい。 図 1 1は、 本実施の形 態に係る他のフォトニック結晶光導波路 3 0の断面図である。 図 1 1の フォトニック結晶光導波路 3 0は、 前述した図 1に示している 1次元フ オトニック結晶 1であるコアと、 その両端面には空間 3 8を介して位相 格子 3 6が設置されている。 また、 1次元フォトニック結晶 1を挟むよ うに接して、クラッドである金属膜などの反射層 3 2が形成されている。 このような構成とすることで、 コアである 1次元フォトニック結晶 1か ら漏れる光が、 反射層 3 2によって反射されて、 コアである 1次元フォ トニック結晶 1中に閉じ込められる。
しかし、 クラッドに反射層 3 2を用いたとしても、 多層膜構造である フォトニック結晶光導波路 3 0の強度の低下や、 反射層 3 2における反 射率の不足による減衰等の問題が生じる場合がある。 図 1 2は、 本実施 の形態に係る他のフォトニック結晶光導波路 4 0の断面図である。 図 1 2に示すフォトニック結晶光導波路 4 0が、 図 1 1に示すフォトニック 結晶光導波路 3 0と異なる点は、 クラッドに反射膜ではなく、 フォト二 ック結晶 1 1を用いている点である。フォトニック結晶光導波路 4 0は、 図 1 2に示すように、 反射膜の代りに、 屈折率周期性を有するフォト二 ック結晶 1 1をクラッドとして設置されている。 クラッドであるフォト ニック結晶 1 1は、 導波光の伝搬方向 （Z軸方向） に垂直な少なくとも 一方向に屈折率周期性を有し、 導波光の伝搬方向には一様な屈折率を有 する。 なお、 このクラッドであるフォトニック結晶 1 1は、 コアである 1次元フォトニック結晶 1とは異なる構造であり、 屈折率周期も異なる ようにしてある。 それにより、 クラッドであるフォトニック結晶 1 1の フォトニックバンドギャップが、 コアである 1次元フォトニック結晶 1 の伝搬光の Z軸方向波数べクトル k zに対応するところに存在するよう にしてある。 そのため、 1次元フォトニック結晶 1中への導波光の閉じ 込めが実現される。
上述のようにクラッドにフォトニック結晶 1 1を用いる場合の好まし い条件について以下に説明する。 図 1 3 Aおよび図 1 3 Bは、 同じ厚さ の 2種類の物質をそれぞれ交互に層となるように重ねた 1次元フォト二 ック結晶のバンド図を示している。 これら 2種類の物質の屈折率はそれ ぞれ、 1 . 0 0および 1 . 4 4である。 図 1 3 Aの多層構造の周期は a とし、 図 1 3 Bの多層構造 2種類の周期は a ' = 0 . 4 3 4 aとする。 図 1 3 Aと図 1 3 Bとは、 同じスケールで 2次元的に示している。 縦は Y軸方向でバンドごとの上下は、 中心から土 π / aもしくは ± 7t Z a ' の範囲で第 1ブリルアンゾーンを表わす。 また、 横は Z軸方向 （X軸方 向も同じ） であり、 屈折率の周期性がない方向なのでブリルアンゾーン の境界線は存在しない。 図の左右は、 計算を行なった範囲を示している もので、 この範囲に特別な意味はない。
ブリルアンゾーン内での位置はフォトニック結晶内での波数べクトル を意味し、等高線状の曲線は特定の規格化周波数 a / λ。（もしくは a ' /入。） に対応するバンドを意味する。 ちなみに、 前述した図 2および 図 3はこのようなバンド図の一部 （Z軸の正の部分） のみを取り出して 1次元的に表記したものである。
図 1 3 Aでは、 周期 aの 1次元フォトニック結晶について、 波長入。 =0. 7 2 5 a (aZAQ= l . 38) に対応するバンドを太線で表わし ている。 また、 Z軸方向の第 1バンド伝搬光を表わす波数ベクトルを破 線矢印 4 1で、 Z軸方向の高次バンド伝搬光を表わす波数ベクトルを矢 印 42で表示してある。 また、 図 1 3 Bには、 同じ波長 λ。= 0. 7 2 5 a (a ' ZAQ= 0. 60) に対応するバンドを太線で示している。
高次バンド伝搬光の波数べクトルを表す矢印 42の大きさを示す破線 43および第 1バンド伝搬光の波数べクトルを表す破線矢印 41の大き さを示す破線 44を、 図 1 3 Bに引いている。 図よりわかるように、 そ れに対応するバンドが図 1 3 Bには存在していない。 図 1 3 Aにおける 高次バンド伝搬光の波数ベクトルに対応する （Z成分が同じとなる） バ ンドが図 1 3 Bには存在していない。 したがって、 図 1 3 Aで表わされ る周期 aの結晶中の高次伝搬バンドは、 図 1 3 Bで表わされる周期 a ' のフォトニック結晶には存在しない。
そのため、 図 1 2に示すように、 周期 aの 1次元フォトニック結晶 1 をコアとし、 その両側に周期 a ' のフォトニック結晶 1 1をクラッドと して光導波路部を構成すればよい。 そのような光導波路部において、 周 期 aのフォトニック結晶中を伝搬している高次バンド伝搬光は、 周期 a ' のフォトニック結晶に漏れ出ていくことができない。 したがって、 周期 aのフォトニック結晶であるコア中に光を閉じ込めて伝搬すること ができる。
クラッドに用いるフォトニック結晶 1 1は、 コアに用いる 1次元フォ トニック結晶 1とは材料や構造が異なったものであっても構わない。 し かし、多層構造の作製における手間を考えれば両者は同じ材料を用いて、 クラッドに用いるフォトニック結晶 1 1の屈折率周期を小さくすること が望ましい。 もちろん、 上述した、 コアでは存在する波数ベクトルが、 クラッドでは存在しないことは、 バンド計算によってあらかじめ確認し てからフォトニック結晶光導波路の設計をする必要がある。
なお、 図 1 3 Aおよび図 1 3 Bより、 第 1バンド伝搬光に対応するバ ンドも、 図 1 3 Bには存在しないため、 第 1バンド伝搬光も、 1次元フ オトニック結晶 1中を伝搬する。 しかし、 例えば、 クラッドのフォト二 ック結晶 1 1の周期 a ' や多層膜の構造を調整すれば、 第 1バンド伝搬 光はコアである 1次元フォトニック結晶 1から漏れるようにし、 かつ、 高次パンド伝搬光を閉じ込めることができる。 バンド計算により、 その ような条件となるよう設計することで、 第 1バンドによる伝搬光を途中 で完全に排除することができるフォトニック結晶光導波路を実現できる。 一般的に、 バンド図による閉じ込めの判定においては、 無限周期構造 のフォトニック結晶を前提としたものである。 そのため、 実際には、 閉 じ込め用フォトニック結晶の周期数が例えば 3周期くらいであると、 閉 じ込めが不十分となり導波光が外部に漏れてしまうことがある。 もちろ ん、 不必要に周期数を多くすることはコストと多層膜の耐久性や精度の 点から好ましくない。 実際に必要な最低限の周期数は、 実験や電磁波シ ミュレーションにより決定することが望ましい。
これまで述べてきたのは 1次元フォトニック結晶内の高次バンド伝搬 光を閉じ込める場合である。 2次元フォトニック結晶光ファイバの場合 でも、 クラッド用のフォトニック結晶によりコア部分を取り囲むことに より閉じ込めを実現することができる。
また、 図 1 4 Aおよび図 1 4 Bは、 多層構造である 2次元フォトニッ ク結晶を模式的に表わしたものである。 図 1 4 Aおよび図 1 4 Bは、 X 軸方向および Y軸方向に周期性を有し、 Z軸方向には周期性の無い 2次 元フォトニック結晶の例である。図 1 4 Aのフォトニック結晶 5 0 aは、 4種類の媒体 5 1、 5 2、 5 3および 5 4が積層されている。 X Y断面 でこれら 4種類の媒体 5 1、 5 2、 5 3および 5 4が露出している。 図 1 4 Bのフォトニック結晶 5 0 bは、 3種類の媒体 5 5、 5 6、 5 7と で構成されている。 フォトニック結晶 5 0 bは、 例えば、 2種類の媒体
5 5、 5 6を Y軸方向に積層した後に、 Y Z面に平行な溝を X軸方向に 周期的に形成することで容易に作製することができる。なお、 この場合、 媒体 5 7は空気であるが、 空気の代りに他の媒体を充填してもよい。
これらフォトニック結晶 5 0 aおよび 5 0 bを、 コア、 クラッドおよ び位相格子の少なくともいずれか 1つとして用いることで、 本実施の形 態のフォトニック結晶光導波路を実現してもよい。
以下、 本実施の形態の満たすべき条件をさらに具体的に説明する。 図 9には示していないが、 第 4バンド以上の高次パンドも第 2、 第 3 バンドと同様に大きい波長分散を示す。 しかし伝搬光のバンドが高次に なるに従って、 Y軸方向の 1周期あたりに存在する波動の 「節」 が増え るので、 位相変調のパターンがより複雑になる。 したがって、 1周期あ たりに 2個の節がある第 2もしくは第 3バンドを高次伝搬バンドとして 利用することが最も望ましい。 もちろん 「非結合性」 バンドは利用でき ないので、 望ましいバンドは 「最低次から 2番目の結合性バンド」 とい うことになる。 前述したように、 第 1バンドは結合性である。
また、 高次伝搬バンドによる伝搬光ではいわゆる 「フォトニック結晶 における群速度異常」 が生じるため、 非線形光学効果の増強作用を起こ すことなどが期待されている。 本実施の形態では群速度異常がほとんど 起こらない第 1パンド光にエネルギーを取られることがないので、 たと えば多層膜やフォトニック結晶光ファイバのコァ部分に非線形光学物質 を含ませることによってより大きい光学的非線形性の増強効果を得るこ と力 Sできる。 Optical Fiber Communication 2002/Conierence ana Exhibit Technical Digest ThK4 (p.468)参照）
例えば、 図 4で示しているようなコアである 1次元フォトニック結晶 1 5は、 X軸方向と Y軸方向の構造に大きな違いがある。 そのため、 偏 光方向により実効屈折率や群速度は異なる値となる。 これは、 図 2 ( Τ Ε偏光） と図 3 ( Τ Μ偏光） との特性が異なることからも明らかである。 したがって、 本実施の形態にかかるフォトニック結晶光導波路において は、 光導波路部の偏光モードによる差をなくすために、 修正用の複屈折 素子を光路の途中に挿入することが好ましい。 なお、 複屈折素子として は、 例えば、 複屈折結晶、 構造性複屈折素子またはフォトニック結晶な どを用いることができる。
本実施の形態に用いるフォトニック結晶の材料としては、 使用波長域 における透明性が確保できるものであれば特に限定はないが、 1次元の 場合には一般的に多層膜の材料として用いられていて耐久性や製膜コス トの点で優れたシリカ、 窒化シリコン、 シリコン、 酸化チタン、 酸化夕 ンタル、酸化ニオブおよびフッ化マグネシウムなどが適する材料である。 上記材料は、 スパッタリング、 真空蒸着、 イオンアシスト蒸着およびプ ラズマ C V Dなどの良く知られた方法により、 容易に多層膜構造を形成 することができる。 2次元フォトニック結晶ファイバの場合には、 石英 ファイバに空気孔を並べたものが最も簡単な構成である。
フォトニック結晶を構成する複数の材料間の屈折率比は大きくなるほ ど、 波長分散なども大きくなる傾向がある。 したがって、 そのような特 性が必要な用途に対しては高屈折率材料と低屈折率材料を組合せて、 フ ォトニック結晶を構成することが望ましい。 実用的に実現できる屈折率 比としては、例えば、低屈折率材料として屈折率が 1である空気を用い、 高屈折率材料として屈折率が 4 . 2 1である I n S bを用いると、 屈折 率比を 4以上にできる（「微小光学ハンドブック」 2 2 4頁、朝倉書店 1 9 9 5年、 参照）。
フォトニック結晶を構成する材料の屈折率比が小さくなると、 偏光方 向による特性の違いが小さくなる傾向があるので、 偏波無依存を実現す るためには屈折率比の小さい組合せも有用である。 ただし、 屈折率比が あまり小さくなると変調作用が弱くなり、 期待される作用が発揮されな いこともあるので、屈折率比として 1 . 2以上確保することが望ましい。 光導波路部分と位相格子部分とを隔てる空間は、 多層膜を積層し、 多 層構造を作製した後に、 レジスト層塗布、 パ夕一エング、 エッチング、 レジスト層の除去といった一般的な工程を順次行なうことで形成するこ とができる。 図 8に示す溝部分すなわち空間 1 8は、 空気で満たされて いてもよいし、 真空としてもよい。 それにより、 空間 1 8は、 低屈折率 となる。 また、 空間 1 8に媒体を充填してもよい。 充填する媒体として は、 有機樹脂、 ゾル状態のガラスおよび溶融状態の半導体材料などを用 いることができる。 なお、 ゾル状態のガラスはゲル化した後に加熱して 透明なガラスとすることができる。
材料を適切に選定すれば、 通常使用される 2 0 0 n m〜2 0 m程度 の波長範囲の光を用いて、 本実施の形態のフォトニック結晶光導波路を 使用することができ、 十分にその特性を発揮する。 また、 本実施の形態 は光を対称として説明したが、 光だけでなく、 電磁波一般にも適用でき るものである。
なお、 フォトニック結晶の出射端側に、 位相変調部が設置されている 場合のフォトニック結晶と位相変調部との空間も同様である。
図 1 5は、 本実施の形態に係るフォトニック結晶光導波路の斜視図で ある。
フォトニック結晶光導波路 6 9は、 基板 6 1と、 基板 6 1上に、 コア である 1次元フォトニック結晶 6 6と、 1次元フォトニック結晶 6 6の 入射側および出射側端面には、 空間 6 8 aおよび空間 6 8 bを介して位 相格子 6 6 aおよび位相格子 6 6 bが設置されている。なお、実際には、 1次元フォトニック結晶 6 6の上下には金属膜あるいは 1次元フォトニ ック結晶による反射層 （図 1 1または図 1 2参照） が設けてあるが、 図 示はしていない。 また、 位相格子 6 6 aの外側には、 均質物質により構 成された均質光導波路 6 7 aが設置されている。 位相格子 6 6 bの外側 には、 複屈折素子 6 4および均質光導波路 6 7 bが設置されている。 な お、 クラッドは、 1次元フォトニック結晶 6 6の周囲の空気も含まれる。 また、 位相格子 6 6 aおよび位相格子 6 6 bは、 基は、 1次元フォトニ ック結晶 6 6の端部であり、 1次元フォトニック結晶 6 6の端部を切断 して切り離した部分である。
1次元フォトニック結晶 6 6は、 例えば、 基板 6 1全面に周期的多層 膜を成膜してから、 エッチングによって線状部分だけを残して、 それ以 外の多層膜を除去することによって作製することができる。 なお、 1次 元フォトニック結晶 6 6は、 光の伝搬方向には、 一様の屈折率を有して おり、 積層方向に屈折率周期を有している。
信号光である入射光 6 2は、 例えば、 光ファイバ等によって、 均質光 導波路 6 7 aに結合する。 この信号光は均質光導波路 6 7 a中を伝搬し て、位相格子 6 6 aを介して、 1次元フォトニック結晶 6 6に送られる。 位相格子 6 6 aと 1次元フォトニック結晶 6 6との間には、 空間 6 8 a が形成されている。 上述したように、 信号光が位相格子 6 6 aを介して コアである 1次元フォトニック結晶 6 6に入射されるので、 1次元フォ トニック結晶 6 6中を伝搬する導波光は高次パンド伝搬光のみとなる。
1次元フォトニック結晶 6 6中を伝搬している高次バンド伝搬光は、 1次元フォトニック結晶 6 6の出射端から空間 6 8 bに出射され、 位相 格子 6 6 bに入射し、位相格子 6 6 bによって再び平面波に変換される。 平面波に変換された光は、位相格子 6 6 bから複屈折素子 6 4に送られ、 偏光モードによる位相のずれが補償され、 均質光導波路 6 7 bに送られ る。 均質光導波路 6 7 bを通って出射された出射光 6 3は、 例えば、 光 ファイバ等に結合される。
高次バンド伝搬光は前述したように入射光の波長によって群速度が大 きく変化するので、 このフォトニック結晶光導波路 6 9は、 光通信用信 号光の分散補償素子および光遅延素子といった用途に用いることができ る。 また、 前述したように群速度の遅い伝搬光には非線形光学効果を増 強する作用がある。 従来あるものよりもはるかに非線形光学効果の大き い素子とする方法を以下に示す。 例えば、 1次元フォトニック結晶 6 6 部分に、 非線形光学作用を示す物質を微粒子状にしてドープすることで 非線形光学効果を高める。 具体的には、 微細な粒子を分散させ、 量子ド ットの作用を用いる。
また別の方法は、 1次元フォトニック結晶 6 6の 1周期ごとに、 非線 形光学作用を示す物質を含む薄膜層を設置して、 非線形光学効果を高め る。 具体的には、 薄膜層の少なくとも片方をゾルゲル法により作製し、 有機色素ゃフォトリフラクティブ効果のある有機物質を含有させる。 さらに別の方法は、 1次元フォトニック結晶 6 6を形成する物質その ものを、 非線形作用のあるものとすることで非線形光学効果を高める。 具体的には、 1次元フォトニック結晶の材料自体を L i N b 0 3などの、 非線形性の大きい物質とする。
図 1 6は、 偏光方向による位相差を補償する光導波路素子 7 0を示す 斜視図である。 図 1 6は、 図 1 5に示したフォトニック結晶光導波路 6 9を 2個用いている。 一方のフォトニック結晶光導波路 6 9を、 他方に 対し光の導波方向を軸として、 9 0 ° 回転して接続した構成である。 な お、 図 1 6のように入射側 （図 1 6においては左側） に設置されたフォ トニック結晶光導波路 6 9の出射側の均質導波路および出射側 （図 1 6 においては右側） に設置されたフォトニック結晶光導波路 6 9の入射側 の均質導波路は省いてもよい。 また、 図 1 5では用いていた、 複屈折素 子も省いている。 2つの 1次元フォトニック結晶光導波路 6 9は、 それ ぞれ出射側の位相格子 6 6 bと入射側の位相格子 6 6 aとで接続されて いる。
入射側のフォトニック結晶光導波路 6 9へ入射した平面波の T E偏光 成分と T M偏光成分とは、 導波路中での群速度と波長が異なるので、 位 相差、 強度差および非線形作用などに差が生じている。 しかし、 入射側 のフォトニック結晶光導波路 6 9と同じ構造と長さであって、 方向のみ 9 0 ° 回転した出射側のフォトニック結晶光導波路 6 9中を通過するこ とで、 位相差、 強度差および非線形作用などの生じた差はキャンセルさ れる。 したがって、 図 1 6に示す光導波路素子 7 0は、 偏光による差を 生じない。
図 1 5に示す 1次元フォトニック結晶 6 6の代りに、 例えば、 図 1 4 Aおよび図 1 4 Bに示すような、 Y軸方向に加えて X軸方向にも周期性 のある 2次元フォトニック結晶を用いることもできる。 この場合、 構造 の最適化を行なえば偏光モードによる差をなくすことも可能となる。 も ちろん、 コアとなる 2次元フォトニック結晶を切断することで作製する 位相格子も 2次元構造となる。
なお、 フォトニック結晶の 2次元化は、 図 1 4 Bに示すように、 多層 膜層にエッチングなどの手段で Z軸方向の平行溝を形成すれば容易に実 現することができる。
図 1 7は、 本実施の形態に係るフォトニック結晶光ファイバの模式図 である。
フォトニック結晶光導波路の光導波路部である光ファイバ 7 9本体は， 2次元フォトニック結晶構造を有するコア 7 1と、 その周囲のクラッド 7 2から構成される。 なお、 光の伝搬方向の屈折率は一様である。 光フ アイバ 7 9の両端には、 コア 7 1の周期に合わせた位相格子 7 6 aおよ び 7 6 bが設置されており、 入射光 （平面波、 図示しない） はコア 7 1 を高次バンド伝搬光として伝搬して、出射端で再び平面波に復元される。 両端の位相格子は同じものなので、 どちらの方向にも用いることができ る。
なお、 コア 7 1およびクラッド 7 2の屈折率周期が、 光ファイバ 7 9 の中心軸に対して、 対称であることが好ましい。 それにより、 偏光モ一 ドによる差が生じないという長所がある。
光ファイバ 7 9のクラッド 7 2のフォトニック結晶は、 コア 7 1のフ オトニック結晶と異なる周期や構造を有し、 コア 7 1の導波光をフォト ニックバンドギャップによって閉じ込める役割をなす。 なお、 フォト二 ック結晶であるクラッド 7 2は、 コア 7 1に光が閉じ込められるだけの 厚みがあればよく、 光ファイバ 7 9の外周部分にまでフォトニック結晶 が形成されている必要はない。
光ファイバ 7 9の導波光は高次パンドによるものなので、 最低次バン ドによる単一モード伝搬を用いる従来の光ファイバよりもはるかに大き い群速度異常が発生する。 したがって、 強力な分散補償効果や非線形光 学効果を発揮することができる。
また、 コア 7 1は周期構造であり大きさに制限がないので、 大口径の コア 7 1を容易に実現することができ、 ファイバ間接続を簡略にするこ ともできる。
図 1 8は、 本実施の形態に係る同心円状フォトニック結晶光ファイバ 8 9の模式図である。
光ファイバ 8 9は、 半径方向に周期的な屈折率分布を有する。 光ファ ィバ 8 9は、 その中心軸からの距離に対して周期的かつ同心円状の屈折 率周期を有する 2次元フォトニック結晶であるコア 8 1およびクラッド 8 2により構成される。 なお、 光の伝搬方向の屈折率は一様である。 光 ファイバ 8 9の両端には、 コア 8 1の周期に合わせた位相格子 8 6 aお よび 8 6 bが設置されており、 平面波である入射光 （図示せず） はコア 8 1中を高次バンド伝搬光として伝搬して、 出射端で再び平面波に復元 される。 両端の位相格子 8 6 a、 8 6 bは同じものなので、 入出射の方 向は逆方向であってもよい。
クラッド 8 2は、 コア 8 1と異なる屈折率周期を有し、 コア 8 1の導 波光をフォトニックパンドギヤップによって閉じ込める役割をなす。
この光ファイバ 8 9は光軸対称の構成なので、 偏光モードによる差が 生じないという長所がある。 群速度異常による効果や、 コア部分の大き さに制限がない点は、 図 1 7の光ファイバ 7 9と同様である。
また、 図 1 7および図 1 8の光ファイバ 7 9および 8 9は、 例えば、 断面が略円形であるファイバ状の均質物質に、 空洞を形成することで、 前記均質物質と空気とにより屈折率周期を形成し、 作製すればよい。 な お、 空洞は、 ファイバ状の均質物質の長手方向に沿って複数形成されれ ばよい。 空洞は、 導波光に対して平行であればよい。 また、 この空洞の 全部もしくは一部に、 流動性物質を充填して、 さらに異なる屈折率周期 を形成してもよい。 例えば空洞には、 流動性物質として、 アクリルモノ マ一を充填し、 外部から紫外線を照射して、 このアクリルモノマ一を重 合させてもよい。
なお、 本実施の形態で具体的に示した、 構成等は、 あくまでも一例で あり、本発明はこれらの具体例のみに限定されるものではない。例えば、 本実施の形態の光導波路部のコアであるフォトニック結晶は、 光の伝搬 方向に一様の屈折率を有し、 伝搬方向に垂直な少なくとも一方向に屈折 率周期を有する構成であればよい。 また、 導波光の伝搬方向に、 フォト ニックバンドが存在していればよい。 産業上の利用可能性
以上説明したように、 本発明によれば、 高次バンド伝搬光の群速度異 常に起因する分散補償および光学非線形性の増強効果などを利用するこ とができる光学素子として広く応用することができる。

Claims

請 求 の 範 囲
1 .導波光の伝搬方向に垂直な少なくとも一方向に屈折率周期性を有し、 前記導波光の伝搬方向には一様な屈折率を有する構造のフォトニック結 晶からなるコアと、 前記導波光を前記コア内に閉じ込めるために、 前記 コアに接して設置されているクラッドとを有する光導波路部を備えたフ ォトニック結晶光導波路であって、
前記コアの光入射面に近接もしくは接触するように設置された入射側 位相変調部を備えたことを特徴とするフォトニック結晶光導波路。
2 . 前記コアには、 前記導波光の伝搬方向におけるフォトニックバンド が存在し、
前記入射側位相変調部は、 入射した導波光を位相変調して、 前記光導 波路部の前記コアに伝搬させ、
前記コアは、 前記位相変調された導波光のエネルギーの全部もしくは 半分以上が高次の前記フォトニックバンドに属する波動を伝搬させる、 請求の範囲 1に記載のフォトニック結晶光導波路。
3 . 前記入射側位相変調部は、 前記コアの屈折率周期と、 同調されるよ うな屈折率周期を有する位相格子である、 請求の範囲 1に記載のフォト ニック結晶光導波路。
4 . 前記入射側位相変調部は、 前記コアと同一の構造を有し、 前記コア と同一の屈折率周期を有する位相格子である、 請求の範囲 1に記載のフ オトニック結晶光導波路。
5 . 前記入射側位相変調部は、 前記コアの光入射面側の端部近傍を切断 して、 分離した部分である請求の範囲 1に記載のフォトニック結晶光導 波路。
6 . 前記コアは、 前記位相変調された導波光の低次側から二番目の結合 性フォトニックバンドに属する波動を伝搬させる、 請求の範囲 2に記載 のフォトニック結晶光導波路。
7 . 前記導波光が出射される前記コアの出射面に、 近接もしくは接触す るように設置された出射側位相変調部をさらに備えている、 請求の範囲
1に記載のフォトニック結晶光導波路。
8 . 前記出射側位相変調部は、 前記コアの出射面から出射された光を平 面波に変換する、 請求の範囲 7に記載のフォトニック結晶光導波路。
9 . 前記出射側位相変調部は、 前記コアの屈折率周期と、 同調されるよ うな屈折率周期を有する位相格子である、 請求の範囲 7に記載のフォト ニック結晶光導波路。
1 0 . 前記出射側位相変調部は、 前記コアと同一の構造を有し、 前記コ ァと同一の屈折率周期を有する位相格子である、 請求の範囲 7に記載の フォトニック結晶光導波路。
1 1 . 前記出射側位相変調部は、 前記コアの光出射面側の端部近傍を切 断して、 分離した部分である請求の範囲 7に記載のフォトニック結晶光 導波路。
1 2 . 前記クラッドは、 前記導波光の伝搬方向に垂直な少なくとも一方 向に屈折率周期性を有し、 前記導波光の伝搬方向には一様な屈折率を有 するフォトニック結晶よりなる、 請求の範囲 1に記載のフォトニック結 晶光導波路。
1 3 . 前記コアは、光学的非線形作用を有する活性物質を含有している、 請求項 1に記載のフォトニック結晶光導波路。
1 4 . 前記コアは、 前記導波光の伝搬方向に垂直な一方向もしくは二方 向に屈折率周期性を有し、 前記導波光の伝搬方向には一様な屈折率を有 する多層膜層である、請求の範囲 1に記載のフォトニック結晶光導波路。
1 5 . 前記光導波路部は、 断面が略円形であるファイバ状であって、 前 記コアはファイバ状で、 前記コアの外周に前記クラッドが形成されてい て、
前記コアおよび前記クラッドは、 前記導波光の伝搬方向には一様な屈 折率を有する、 請求項 1 2に記載のフォトニック結晶光導波路。
1 6 . 前記コアおよび前記クラッドの各屈折率周期は、 前記導波光の伝 搬方向に平行である前記光導波路部の中心軸に対して、 対称である、 請 求項 1 5に記載のフォトニック結晶光導波路。
1 7 . 前記光導波路部は、 断面が略円形であるファイバ状の均質物質を 備え、 前記均質物質には、 その長手方向に沿って複数の空洞が形成され ていて、 前記複数の空洞は、 前記導波光の伝搬方向に平行である前記光 導波路部の中心軸に対して対称となるように形成されている、 請求の範 囲 1 6に記載のフォトニック結晶光導波路。
1 8 . 前記空洞の全部もしくは一部に流動性物質が充填されている、 請 求の範囲 1 7に記載のフォトニック結晶光導波路。
1 9 . 前記光導波路部の断面における屈折率は、 前記導波光の伝搬方向 に平行である前記光導波路部の中心軸からの距離に対して周期的かつ同 心円状に変化している、 請求の範囲 1 6に記載のフォトニック結晶光導 波路。
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