フォトニック結晶を用いた光制御技術は，光デバイスの 高機能化だけでなく，低消費電力化技術としても有効であ る．本稿では，特に光通信用光デバイスに適したフォト ニック結晶として正方格子ピラー型フォトニック結晶を取 り上げ，その特徴を低消費電力化の観点から議論する．ま た，実際に作製した波長フィルターや光スイッチへの応用 例を紹介し，フォトニック結晶による低消費電力化の可能 性を具体的に示したい． フォトニック結晶は，周期的な屈折率分布を有する光学 的な媒質構造のことであり，フォトニックバンドギャッ プ，すなわち光の伝搬を許容しない特定の波長帯域を有す ることで知られている1）．フォトニックバンドギャップの 代表的な応用には，その全方位的な特徴を生かした微小共 振器があるが，幅方向にだけ活用する線欠陥導波路も微小 光回路用途として注目を集めている2）．最近ではそれぞれ の構造で，高 Q 値共振器による光電子強結合系や3，4），ス ローライト導波路による非線形効果増大5，6）などの研究が 興味を引いている．また，フォトニックバンドギャップ以 外にも，フォトニック結晶の特異な回折現象を利用した スーパープリズムや7），定在波モードのコヒーレント性を 生かした大面積レーザーの開発が行われるなど8），フォト ニック結晶による光制御技術は多岐にわたっている．すな わち，適切なフォトニック結晶の構造を選択し，その光学 的特徴を活用することによって新現象の発現や光デバイス の高機能化に繋げる試みは，すでに一般的な手法となった といえる． われわれはフォトニック結晶を光デバイスの小型化・低 消費電力化の手段ととらえ，特に導波路型光デバイスに適 したフォトニック結晶として，図 1 に示すようなピラー （柱）型 正 方 格 子 フ ォ ト ニ ッ ク 結 晶 の 研 究 を 進 め て き た9，10）．本稿では，低消費電力化に寄与するフォトニック 結晶の性質について議論した後，われわれの開発したピ ラー型正方格子フォトニック結晶の要素技術とその光デバ イス応用による低消費電力化の試みを紹介する． 1. フォトニック結晶による低消費電力化 フォトニック結晶による光デバイスの低消費電力化の形 態は，大きく 3 つに分けられる．第 1 にスローライト効果
低消費エネルギー社会へ向けた光技術
解 説
ピラー型フォトニック結晶の低消費電力
導波路型光デバイス
島 正 敏
＊，＊＊Pillar Photonic Crystal Low-Power-Consumption Optical Waveguide Devices
Masatoshi TOKUSHIMA＊，＊＊
Low-power-consumption optical waveguide devices based on square-lattice pillar photonic crystals are described. Line-defect waveguides of the pillar photonic crystals are suited to construct wide-band-operating optical devices applicable to optical telecommunication subsystems. The pillar photonic crystal waveguides allow us to utilize features of slow light, zero-radius bends and cutoffs with large stop bands, all of which contribute to suppress power consumption of optical devices. A 2×2 optical switch and a band-pass optical add/drop multiplexer filter of the pillar photonic crystals are demonstrated.
Key words: photonic crystal, waveguide, optical switch, optical filter, power consumption
＊（独）産業技術総合研究所ナノ電子デバイス研究センター（〒305―8569 つくば市小野川 16―13 西 7 棟） E-mail: [email protected] ＊ ＊研究場所：日本電気（株）筑波研究所（〒305―8501 つくば市御幸が丘 34）
による制御信号電力に対する高感度化，第 2 にデバイスサ イズの縮小による温度調節（以下，温調と記す）電力の低 減，第 3 に特異な光学特性を利用した新規な低電力光回路 の創出である．第 1 の理由におけるスローライトとは，特 定の媒質や導波路の中を伝搬する，群速度（エネルギー伝 搬速度）が特徴的に小さな光のことである．スローライト を用いることは，光路長をその群屈折率の倍数分だけ長く とることに相当する．光路長が長くなればその分，位相制 御部などの作用長を長くしたことと同じになるため，例え ば光スイッチなどでは制御信号電力の低減が可能である11）． なお，制御信号の電力を変えなければ，実質的な作用長 の増加分をデバイス長の短縮に回すことができる．その場 合でも，次に述べる 2 番目の低消費電力化の形態に基づい て，やはり何らかの低消費電力化が可能である． 間接的ながらも低消費電力化効果が大きいのが，第 2 の，サイズ縮小による温調電力の低減である．温度無依存 化設計がなされていない限り，光デバイスには通常，波長 安定性を確保するための温調が必要である．環境の温度変 化や制御信号電力による加熱によって光デバイスの平均温 度が変動するが，これを抑制しなければ，熱光学効果に よってデバイスの動作波長がシフトしてしまう．温調には ペルチェ素子が用いられることが多いが，デバイス面積が 拡大するほど素子の消費電力が増加するため，光回路の小 型化は温調電力の低減に直結する．特にパッシブ光デバイ スの場合は，温調電力が消費電力のすべてなので，効果が 大きい．一般に，フォトニック結晶導波路の曲がりは曲率 半径がゼロの急激曲げである．急激曲げによる回路縮小の 効果を，スローライトによるデバイス長の短縮効果と組み 合わせれば，既存の光回路であっても，制御信号と温調を 合わせた電力が最小になるような回路レイアウトが可能で ある．ただし，フォトニック結晶導波路の急激曲げが無条 件に良好な透過特性を示すわけではないことには注意した い．むしろ，多くのフォトニック結晶導波路の急激曲げは 狭帯域であり，多波長を同時に扱えない．幸い，図 2 に示 すピラー型正方格子フォトニック結晶導波路の 90° 急激曲 げは，広帯域で高透過率であることが実証されている10）． フォトニック結晶が低消費電力化をもたらす第 3 の形態 は，フォトニック結晶ならではの特異な光学特性を活用す るものである．例えば，複数の微小共振器を二次元的に配 置したチャネルドロップフィルターや12），カットオフの 異なる導波モードの組み合わせによる帯域分離フィルター などである13）．これらはいずれも，従来デバイスの特性の 組み合わせでは困難な，デバイスサイズの劇的な縮小を もたらす．また，Q 値の高い微小共振器内では非線形効果 や熱吸収による波長シフトが生じやすいことを利用して， 共振器型全光スイッチによる光論理回路も提案されてい る14）．このような技術が実現すれば，光信号の論理演算を 小さな消費電力で行えるため，それを含むシステム全体と していっそうの低消費電力化が可能になると期待される． 以上，フォトニック結晶が光デバイスの低消費電力化を もたらす形態を 3 つ述べたが，それらの実際の適用にはそ れぞれ制限がある．フォトニック結晶導波路の導波モード は，そのブロッホ波としての性質のために，連続する波数 の幅が有限である．そのため，Dw⬃vgDk （Dw：角周波数 帯域，vg：群速度，Dk：波数帯域）の関係から，群速度が 小さくなるほど導波帯域が狭くなる．したがって，光通信 用途など，ある程度の動作帯域を確保したい場合は，その 帯域幅から決まる大きさ以上に群速度を設定する必要があ る．また，動作帯域に問題がなくても，群速度が小さすぎ れば，制御信号や温調の精密制御に負担がかかる．さら に，高集積化があまりに密だと，熱光学効果を利用する場 合に熱分離が追いつかないといったこともある．それぞれ 図 2 90° 曲げを含むピラー型正方格子フォトニック結晶線 欠陥導波路の模式図．曲率半径はゼロである． 図 1 シリコン円柱によるピラー型正方格子フォトニック結 晶の顕微鏡写真．直径の小さい円柱の列が線欠陥導波路の 「コア」として働く．線欠陥部分は周囲に比べて平均屈折率 が小さいが，フォトニックバンドギャップ効果で光が閉じ込 められる．
の効果をバランスよく組み合わせてデバイスを設計するこ とが重要である． 2. ピラー型正方格子フォトニック結晶 ピラー型正方格子フォトニック結晶は，スローライトの 効果や広帯域急激曲げ導波路による高集積化，特異な光学 特性に基づく低消費電力デバイスの創出のいずれもが可能 であるという点で，光デバイスの低消費電力化に適した フォトニック結晶である． 実は，ピラー型正方格子フォトニック結晶は，数ある フォトニック結晶構造の中でも基本的な構造であり，1990 年代の初めにフォトニック結晶が注目を集めはじめた当初 から，理論検討が活発に行われてきた2）．しかし，光通信 に用いられる波長 1.5 mm 帯で動作可能であり，しかも作 製が容易な結晶構造は，われわれが 2004 年に開発して， 初めて利用可能となった9）．その後，われわれは，導波路 の 90° 急激曲げの広帯域化技術と，広帯域高透過率の光結 合器の技術を開発し，ピラー型正方格子フォトニック結晶 を光通信用光デバイスに適用するための 3 つの基本技術を 確立した11）．以下では，それらの各々について概要を述 べる． 2. 1 結晶構造と作製技術 ピラー型正方格子フォトニック結晶は，高屈折率の柱が 低屈折率の媒質中に正方格子状に埋め込まれた構造をして いる．当初，線欠陥導波路は柱を 1 列分完全に取り除いた 構造が研究されていたが，柱の間とその上部に単純に低屈 折率の誘電体を充填しても，厚み方向に光の閉じ込めがで きなかった．われわれは，線欠陥部分の柱を完全に取り除 くのではなく周囲より細い柱を残すことによって，柱の間 と上下のクラッド層を同じ屈折率にしても，厚み方向に内 部全反射による光の閉じ込めができることを見いだし た9）．線欠陥部分への幅方向の光の閉じ込めは依然として フォトニックバンドギャップ効果による．このような構造 を採用した結果，他の構造のそれに比べても15，16）同程度 以上に作製プロセスが単純化された．われわれが行って いる作製プロセス概略は，次の通りである．SOI ウェハー （silicon-on-insulator wafer）のシリコン層を加工し，高さ 1 mm，直径 0.24 mm の Si 円柱からなる格子定数 0.4 mm の正 方格子を形成する．線欠陥の円柱の直径は 0.16 mm とす る．下部クラッドは埋め込み酸化膜とし，柱の間と上部ク ラッドは簡単のため酸化膜と同じ屈折率（1.442）の紫外 線硬化樹脂を塗布して硬化する．フォトニック結晶の低損 失化や信頼性向上のためには，リフローが可能で，ピラー の埋め込みと平坦化にすぐれる硼燐珪酸塩ガラス（boro-phosphosilicate glass; BPSG）に置き換えればよい． 2. 2 急激曲げ導波路 曲げ半径がゼロの 90° の急激曲げであることは結晶格子 が正方格子であることからくるレイアウト上の制約であっ て，90° 曲げ導波路が良好な透過特性を示すことを無制限 に保証するものではない17）．そこで，90° 曲げ導波路が広 帯域で良好な透過特性を示すための構造条件を理論的に求 めた10）．具体的には，導波光であるブロッホ波の支配的 な平面波基底に関して，導波路曲がりの透過前後で連続性 と対称性が保存されるための条件から，高透過率の 90° 曲 がりの構造条件が与えられることを明らかにした．その条 件を満たす 90° 曲がりの構造は，導波路の光結合効率の解 析に用いられるインピーダンス・マッチング18）の条件を も満たす．前述の作製プロセスの概略の説明のところで述 べたピラー型フォトニック結晶の構造パラメーターは，導 波路の 90° 曲がりが波長 1.5 mm 帯で広帯域高透過率とな るように決定したものである．実測では，波長範囲約 100 nm にわたって，透過損失 0.2 dB / 個以下の 90° 曲げを実 現している． 2. 3 光結合構造 ピラー型正方格子フォトニック結晶導波路の端面は，開 口数（NA）が非常に大きいため，たとえ集光レンズを使 用したとしても，外部光学系との光結合効率が小さい．波 長によっては，NA が 1 を超え，導波路端面で光の入出力 が全くできないこともある．そこでまず，外部光学系との 光結合が容易な，細線導波路との光結合を行うことを検討 図 3 方向性結合器の顕微鏡写真（上）とその透過スペクト ル（下）．結合長は 6 mm と短く，3 dBカップラーなら3 mmで よい．曲率がゼロの導波路曲げによってその特徴が生きる．
した． 過去に提案されていた多くの光結合器構造は，小型では あったが，動作原理が実質的に共振によりインピーダン ス・マッチングを行うものであったため，光通信用途には 狭帯域過ぎることが課題であった19，20）．一方，多少長くは なるものの，構造を徐々に変化させる断熱変化型の光結合 構造は，広帯域化しやすく，実際，具体的な構造も提案さ れていた21）．しかし，提案されていた断熱変化型構造 は，線欠陥部の柱の間隔を徐々に狭め，細線へと移行する 部分の加工が難しく22），この部分の不完全性が原因で光損 失を生じるという問題があった．そこでわれわれは，T 分 岐と 90° 曲げによって線欠陥導波路をフォーク状に 2 分岐 させ，その間に逆テーパー型の細線導波路を差し込んで， 強結合のベロシティーカップラーを構成した．この構成に よって狭ピッチ部分をなくすことに成功し，わずか 5 mm の長さながら，波長範囲約 100 nm にわたって透過損失を 0.5 dB 以下に抑えた光結合構造を開発した． 3. 光デバイスへの応用 導波路の 90° 曲げと光結合構造をともに広帯域化できた ことで，図 3 に示すように，光通信波長帯の C 帯全体をカ バーするような微小方向性結合器が使えるようになった． 方向性結合器は干渉計23，24）や導波路の交差，光分岐など に使用される基本素子であり，ピラー型正方格子フォト ニック結晶導波路の応用形態を格段に増加させた．図 4 に，方向性結合器を含む 1×2 マッハ・ツェンダー干渉計 の二次元電磁界シミュレーションの結果を示す．図 4 か ら，光回路が 90° 曲げや T 分岐，光結合器によってコンパ クトに構成され，干渉計として機能していることがわか る．方向性結合器は次に紹介する 2 つの光デバイスにも使 用しており，超小型であることによって光デバイスの省電 力化に貢献している． 3. 1 2× 2 光 ス イッチ 図 5 に示すような，熱光学効果による非対称マッハ・ ツェンダー 2×2 光スイッチを作製した11）．ピラーの材料 であるシリコンの熱光学係数が 2.0×10−4/℃ であることか ら，ngDTDL⬃1.4×104mm℃ の関係が成り立つ．ここで， 図 4 非対称マッハ・ツェンダー干渉計の二次元 FDTD シミュレーション．上と下の図 では入射波長がわずかに異なる．正方格子状に配置された黒丸はピラーを表し，赤黄青 の色の変化は，導波光の電界の変化を表す． 図 5 2 × 2 光スイッチの顕微鏡写真．非対称マッハ・ツェン ダー干渉計にヒーターを付加．
ngは群屈折率，DTは温度上昇，DLは方向性結合器間の 導波路長の差である．この関係は，群屈折率が大きいほ ど，制御信号の電力の低減や導波路長の短縮に効果がある ことを端的に表している．長い導波路の群屈折率は 10 以 上，それ以外の導波路の群屈折率は 7.8 であった．これら の群屈折率はシリコン細線導波路で典型的な群屈折率の約 4 の 2 倍であり，これだけみても小型化，省電力化の効果 が高い．図 5 に示すように，作製した光スイッチでは，方 向性結合器の間の長いほうの導波路に近接してヒーターを 配置した．これは，上部クラッド上にヒーターを配置する よりも，熱伝導のよいシリコンピラーに接近してヒーター を配置したほうが，光が伝搬する線欠陥付近を効果的に加 熱できるからである．図 5 の光スイッチの場合，ヒーター と最近接のピラーとの距離は 0.16 mm であった． 図 6 は，光スイッチのバー出力の透過スペクトルであ る．通常の導波路型マッハ・ツェンダー干渉計に典型的な 透過スペクトルではなく，ピークが短波長側に偏っている ことがわかる．これは，長いほうの導波路に含めたカット オフ近傍の波長で動作する導波路と，それ以外の導波路部 分とをつなぐテーパー部との効果による．具体的には，長 いほうの導波路を通過する光には，波長の変化に応じた位 相の変化だけでなく，群屈折率の急激な変化に伴う非線形 な位相変化も生じるため，それらの重ね合わせによって， 図 6 に示すような非対称な透過スペクトルが表れると解釈 される．図 6 が示すように，自由スペクトル範囲（free spectral range; FSR）は 3 nm であるが，ピークの偏りの結 果，光スイッチのオン / オフは 1 nm で可能となった．ヒー ターの電力は 17 mW で，消光比は 20 dB であった．本デ バイスではヒーターと，それに続く電極パッド全体に比抵 抗の大きなシリコンを用いたため，ヒーター構造の最適化 を行えばさらなる低消費電力化が可能であると考えられ る．また，熱分離設計を行う余地もあり，いっそうの低消 費電力化が期待される． 3. 2 バンドパス・フィルター 超小型のバンドパス型光アド／ドロップ合分波（optical add/drop multiplexer; OADM）フィルターを作製した13，25）． ピラー型正方格子フォトニック結晶導波路の導波モードは 高周波数側にカットオフを有する．光回路内にカットオフ 周波数の小さい導波路を挿入すれば，ただちにローパス フィルターとなる．このローパスフィルターをマッハ・ ツェンダー干渉計の 2 つの 3 dB カップラーの間に挿入すれ ば，4 ポートの波長多重フィルターとなる．これをさらに 組み合わせて，OADM フィルターとした26）．図 7 に，作 製したフィルターの顕微鏡写真を示す．複雑な回路構成な がら，デバイスサイズは 16×40 mm と小さい．図 8 は，ド ロップポートにおけるバンドパス透過スペクトルの測定結 果である．フォトニック結晶導波路の導波帯域から，波長 1570 nm あたりの幅約 30 nm の帯域がドロップされている ことがわかる．図 8 にみられるように，本フィルターはパ 図 7 バンドパス型 OADN フィルターの顕微鏡写真． 図 8 バンドパス型 OADN フィルターの透過スペクトル．基 本配線をなすフォトニック結晶導波路の透過帯域（黒）の一 部が，ドロップポートから出力される（灰色）． 図 6 光スイッチのバー出力の透過スペクトル．ヒーターの オン / オフで約 20 dB の消光比が得られた．
スバンドをフラットトップにできるため，デバイス温度の 変動に強く，温調電力の低減に役立つと考えられる． 本稿では，ピラー型正方格子フォトニック結晶導波路を 用いることにより，光デバイスの制御電力や温調電力の低 減が可能であることを述べた．また，実際の適用例とし て，2×2 光スイッチとバンドパス型 OADM フィルターを 紹介した．ピラー型正方格子フォトニック結晶導波路を用 いた低消費電力光デバイスは，従来の光回路の単純な高感 度化，小型化だけでなく，その特異な導波特性を生かした 新しい動作原理や回路構成を用いることによって実現され る．微小光共振器との組み合わせも可能である．ピラー型 フォトニック結晶導波路と細線導波路との光結合器が開発 されたことにより，細線導波路による光回路との融合も可 能になった．今後，ピラー型フォトニック結晶の構造が， 光デバイスの低消費電力化のために，ますます効果的に用 いられるようになると期待している．なお，本研究の一部 は，平成 16∼20 年度に実施された総務省の委託研究「ナ ノ技術を活用した超高機能ネットワーク技術の研究開発」 プロジェクトで実施されたものである． 文 献
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