(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023180718
(43)【公開日】2023-12-21
(54)【発明の名称】光導波路素子
(51)【国際特許分類】
G02B 6/122 20060101AFI20231214BHJP
【ＦＩ】
G02B6/122 301
【審査請求】未請求
【請求項の数】9
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022094255
(22)【出願日】2022-06-10
(71)【出願人】
【識別番号】000000295
【氏名又は名称】沖電気工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100141955
【弁理士】
【氏名又は名称】岡田 宏之
(74)【代理人】
【識別番号】100085419
【弁理士】
【氏名又は名称】大垣 孝
(72)【発明者】
【氏名】岡山 秀彰
【テーマコード（参考）】
2H147
【Ｆターム（参考）】
2H147AA02
2H147BC01
2H147BC11
2H147BF03
2H147BF08
2H147BF12
2H147BF17
2H147EA01B
2H147EA13A
2H147EA13C
2H147EA14B
(57)【要約】
【課題】通常の１次元フォトニック結晶素子以上の機能を有し、あるいは、感度の向上を実現させる。
【解決手段】導波路コアが、導波路コアの幅方向の中央に導波路コアの長手方向に引かれた仮想的な線分に平行に、一定の配列周期で、大開口及び小開口を交互に備えて配置された、互いに離間する、下部クラッドを露出する複数の開口である、周期的開口を一列又は複数列備える。第１領域及び第２領域は、仮想線分に直交する直線に対して線対称、又は、点対称であり、対向する、第１領域の開口と第２領域の開口の大きさが等しい。
【選択図】図１
【解決手段】導波路コアが、導波路コアの幅方向の中央に導波路コアの長手方向に引かれた仮想的な線分に平行に、一定の配列周期で、大開口及び小開口を交互に備えて配置された、互いに離間する、下部クラッドを露出する複数の開口である、周期的開口を一列又は複数列備える。第１領域及び第２領域は、仮想線分に直交する直線に対して線対称、又は、点対称であり、対向する、第１領域の開口と第２領域の開口の大きさが等しい。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
下部クラッド上に導波路コアを設けて形成された光導波路素子であって、
導波路コアの長手方向に、直列に、第１領域及び第２領域が設けられ、
前記導波路コアが、
前記導波路コアの幅方向の中央に前記導波路コアの長手方向に引かれた仮想的な線分に平行に、一定の配列周期で、大開口及び小開口を交互に備えて配置された、互いに離間する、前記下部クラッドを露出する複数の開口である、周期的開口を一列又は複数列備え、
前記第１領域及び前記第２領域は、前記仮想線分に直交する直線に対して線対称、又は、点対称であり、
対向する、前記第１領域の開口と前記第２領域の開口の大きさが等しい
ことを特徴とする光導波路素子。
導波路コアの長手方向に、直列に、第１領域及び第２領域が設けられ、
前記導波路コアが、
前記導波路コアの幅方向の中央に前記導波路コアの長手方向に引かれた仮想的な線分に平行に、一定の配列周期で、大開口及び小開口を交互に備えて配置された、互いに離間する、前記下部クラッドを露出する複数の開口である、周期的開口を一列又は複数列備え、
前記第１領域及び前記第２領域は、前記仮想線分に直交する直線に対して線対称、又は、点対称であり、
対向する、前記第１領域の開口と前記第２領域の開口の大きさが等しい
ことを特徴とする光導波路素子。
【請求項2】
前記周期的開口を複数列備えるとき、
前記周期的開口が備える開口は、前記仮想的な線分に直交する方向に沿って配置され、
前記仮想的な線分に直交する方向に隣接する開口の大きさが互いに異なる
ことを特徴とする請求項１に記載の光導波路素子。
前記周期的開口が備える開口は、前記仮想的な線分に直交する方向に沿って配置され、
前記仮想的な線分に直交する方向に隣接する開口の大きさが互いに異なる
ことを特徴とする請求項１に記載の光導波路素子。
【請求項3】
前記開口の平面形状が三角形状である
ことを特徴とする請求項２に記載の光導波路素子。
ことを特徴とする請求項２に記載の光導波路素子。
【請求項4】
前記周期的開口を一列備えるとき、
前記第１領域では、最も前記第２領域に近い位置に配置される開口が、小開口であり、
前記第２領域では、最も前記第１領域と近い位置に配置される開口が、小開口である
ことを特徴とする請求項１に記載の光導波路素子。
前記第１領域では、最も前記第２領域に近い位置に配置される開口が、小開口であり、
前記第２領域では、最も前記第１領域と近い位置に配置される開口が、小開口である
ことを特徴とする請求項１に記載の光導波路素子。
【請求項5】
前記仮想的な線分上に、隣接する１つの小開口と１つの大開口を接続する、前記下部クラッドを露出するスロット
を備え、
前記スロットが、前記第１領域と前記第２領域のそれぞれの、前記第１領域と前記第２領域の境界領域に１又は複数設けられる
ことを特徴とする請求項４に記載の光導波路素子。
を備え、
前記スロットが、前記第１領域と前記第２領域のそれぞれの、前記第１領域と前記第２領域の境界領域に１又は複数設けられる
ことを特徴とする請求項４に記載の光導波路素子。
【請求項6】
前記仮想的な線分上に、隣接する１つの小開口と１つの大開口を接続する、前記下部クラッドを露出するスロット
を備え、
前記スロットが設けられる領域が、共振が強い範囲を包含する
ことを特徴とする請求項４に記載の光導波路素子。
を備え、
前記スロットが設けられる領域が、共振が強い範囲を包含する
ことを特徴とする請求項４に記載の光導波路素子。
【請求項7】
前記仮想的な線分上に、全ての周期的開口にわたって設けられ、前記下部クラッドを露出するスロットを備える
ことを特徴とする請求項４に記載の光導波路素子。
ことを特徴とする請求項４に記載の光導波路素子。
【請求項8】
前記スロットに平行に、全ての大開口にわたって設けられ、前記大開口の幅と等しい間隔で配置された２つの外側スロットを備え、
前記外側スロットの一方は、大開口の、幅方向の一端に接続され、
前記外側スロットの他方は、大開口の、幅方向の他端に接続される
ことを特徴とする請求項７に記載の光導波路素子。
前記外側スロットの一方は、大開口の、幅方向の一端に接続され、
前記外側スロットの他方は、大開口の、幅方向の他端に接続される
ことを特徴とする請求項７に記載の光導波路素子。
【請求項9】
第１領域及び第２領域が設けられた前記導波路上に設けられる上部クラッドが、測定対
象を含む液体である
ことを特徴とする請求項１～８のいずれか一項に記載の光導波路素子。
象を含む液体である
ことを特徴とする請求項１～８のいずれか一項に記載の光導波路素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
この発明は、光導波路素子、特に、導波路周囲の屈折率変化を検知する素子として用いることができる光導波路素子に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、光導波路デバイスのプラットフォーム技術として、シリコン（Ｓｉ）フォトニクスが注目を集めている。Ｓｉフォトニクスの特徴は、ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）などの半導体装置の製造プロセスを利用することによる、光導波路とそれに準ずる変調器や受光器など光デバイスの小型・集積性、及び、既存の半導体製造技術を流用して提供される２００ｍｍあるいは３００ｍｍウェハプロセスによる生産性の高さである。また、Ｓｉを導波路コア、Ｓｉ酸化膜（ＳｉＯ２）をクラッドとするＳｉ導波路は比屈折率差が４０％に達するので、高い光の閉じ込め効果が得られる。特にＳｉ細線導波路では、曲げ導波路の曲率半径や並走配線ピッチを数ミクロンオーダーまで小さくでき、光回路レイアウトの小型化が可能となる。
【0003】
Ｓｉ導波路の用途の一例として、導波路コア周囲の屈折率変化を検知する素子への適用が検討されている（例えば、非特許文献１又は非特許文献２参照）。Ｓｉを導波路材料として利用するときには、上述のように導波路寸法を小さくすることが可能である。また、導波路壁面付近でのエバネッセント波を用いれば、導波路コア表面へ吸着させた生体物質を検出することができる。生体物質を検出するのに用いられる素子は、いわゆるバイオセンサである。
【0004】
このエバネッセント波を用いて生体物質を検出する素子は、リング共振器型などの光の共振を用いるものと、マッハツェンダ型などの干渉を原理とするものとに分類できる。ここで、生体物質の吸着による屈折率変化を高感度で検出するには、導波路コアに複数の貫通孔を設けるフォトニック結晶が有利であるという報告がある（例えば、非特許文献３参照）。
【0005】
このフォトニック結晶を備える素子の中でも、導波路コアに貫通孔を線分に沿って配置した１次元フォトニック結晶型の素子には、その構造が簡単であることから、通常の作製プロセスに親和性が高く、また光の入出力が簡単であるという特徴がある。
【0006】
１次元フォトニック結晶型の素子でも、線分に沿って配置した貫通孔の幅を、線分の両端から中央に向けて大きくしていく構造は、センサに必要な強い共振を得ることができる（例えば、非特許文献４参照）。また、スロット構造を設けることで、センサとしての感度を向上することも可能である（例えば、非特許文献５参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0007】
【非特許文献1】Advanced Material Technologies, vol.5, p.1901138, 2020年
【非特許文献2】Sensors, vol.16, p.285, 2016年
【非特許文献3】Optics Express, vol.16, p.11709, 2008年
【非特許文献4】Optics Express, vol.18, p.15859, 2010年
【非特許文献5】IEEE Photonics Technology Letters, vol.28, p.689, 2015年
【非特許文献6】APL Photonics, Vol.6, p.086105, 2021年
【非特許文献7】Optical Materials Express, Vol. 11, No. 2, p. 319/1 February 2021
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
しかし、１次元フォトニック結晶によるセンサ素子では、作製上の誤差に弱く、感度も限られていた。これに対し、トポロジカルフォトニクス型の素子は作成誤差に強いという報告がされている（例えば、非特許文献６参照）。
【0009】
この発明は、このような状況に鑑みなされたものである。この発明の目的は、光センサに適用可能な、トポロジカルフォトニクス型の素子を提供することにより、従来の１次元フォトニック結晶素子以上の機能を有し、あるいは、感度の向上を実現させる光導波路素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0010】
上述した目的を達成するために、この発明の光導波路素子は、下部クラッド上に導波路コアを設けて形成された光導波路素子であって、導波路コアの長手方向に、直列に、第１領域及び第２領域が設けられている。
【0011】
導波路コアが、導波路コアの幅方向の中央に導波路コアの長手方向に引かれた仮想的な線分に平行に、一定の配列周期で、大開口及び小開口を交互に備えて配置された、互いに離間する、下部クラッドを露出する複数の開口である、周期的開口を一列又は複数列備える。第１領域及び第２領域は、仮想線分に直交する直線に対して線対称、又は、点対称であり、対向する、第１領域の開口と第２領域の開口の大きさが等しい。
【0012】
この発明の光導波路素子の好適実施形態によれば、周期的開口を複数列備えるとき、周期的開口が備える開口は、仮想的な線分に直交する方向に沿って配置され、仮想的な線分に直交する方向に隣接する開口の大きさが互いに異なる。このとき、開口の平面形状が三角形状であるのがよい。
【0013】
また、この発明の光導波路素子の好適実施形態によれば、周期的開口を一列備えるとき、第１領域では、最も第２領域に近い位置に配置される開口が、小開口であり、第２領域では、最も第１領域と近い位置に配置される開口が、小開口である。
【0014】
また、この発明の光導波路素子のさらなる好適実施形態によれば、仮想的な線分上に、隣接する１つの小開口と１つの大開口を接続する、下部クラッドを露出するスロットを備える。スロットが、第１領域と第２領域のそれぞれの、第１領域と第２領域の境界領域に１又は複数設けられる。
【0015】
この発明の光導波路素子のさらなる他の好適実施形態によれば、仮想的な線分上に、隣接する１つの小開口と１つの大開口を接続する、下部クラッドを露出するスロットを備える。スロットが設けられる領域が、共振が強い範囲を包含する。
【0016】
この発明の光導波路素子のさらなる他の好適実施形態によれば、仮想的な線分上に、全ての周期的開口にわたって設けられ、下部クラッドを露出するスロットを備える。
【0017】
さらに、スロットに平行に、全ての大開口にわたって設けられ、大開口の幅と等しい間隔で配置された２つの外側スロットを備え、外側スロットの一方は、大開口の、幅方向の一端に接続され、外側スロットの他方は、大開口の、幅方向の他端に接続されるのが良い。
【発明の効果】
【0018】
この発明の光導波路素子によれば、トポロジカルフォトニック結晶の特性を活かし、従来の１次元フォトニック結晶素子以上の機能を有し、あるいは、感度の向上を実現させることができる。
【図面の簡単な説明】
【0019】
【図1】第１光導波路素子を説明するための模式図である。
【図2】第２光導波路素子を説明するための模式図である。
【図3】第１光導波路素子及び第２光導波路素子の特性を示す図である。
【図4】第３光導波路素子を説明するための模式図である。
【図5】第３光導波路素子の特性を示す図である。
【図6】第４光導波路素子を説明するための模式図である。
【図7】第４光導波路素子の特性を示す図である。
【図8】第５光導波路素子を説明するための模式図である。
【発明を実施するための形態】
【0020】
以下、図を参照して、この発明の実施の形態について説明するが、各構成要素の形状、大きさ及び配置関係については、この発明が理解できる程度に概略的に示したものに過ぎない。また、以下、この発明の好適な構成例につき説明するが、各構成要素の材質及び数値的条件などは、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、この発明の構成の範囲を逸脱せずにこの発明の効果を達成できる多くの変更又は変形を行うことができる。
【0021】
（第１光導波路素子）
図１を参照して、この発明の第１実施形態に係る光導波路素子（以下、第１光導波路素子とも称する。）を説明する。図１は、第１光導波路素子を説明するための模式図である。図１（Ａ）は、第１光導波路素子の概略的平面図であって、後述する支持基板及び下部クラッドを省略し、導波路コアのみを示している。図１（Ｂ）は、第１光導波路素子の、Ａ－Ａ線に沿って切った切断端面を示す図である。
図１を参照して、この発明の第１実施形態に係る光導波路素子（以下、第１光導波路素子とも称する。）を説明する。図１は、第１光導波路素子を説明するための模式図である。図１（Ａ）は、第１光導波路素子の概略的平面図であって、後述する支持基板及び下部クラッドを省略し、導波路コアのみを示している。図１（Ｂ）は、第１光導波路素子の、Ａ－Ａ線に沿って切った切断端面を示す図である。
【0022】
第１光導波路素子は、支持基板１０上に下部クラッド２０と、下部クラッド２０上に導波路コア３０を備えて構成される。第１光導波路素子は、例えば、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を利用することによって、簡単に製造することができる。支持基板層、ＳｉＯ２層、及びＳｉ層が順次積層されて構成されたＳＯＩ基板の、支持基板層が支持基板１０となる。また、ＳｉＯ２層が下部クラッド２０となる。Ｓｉ層が例えばドライエッチングなどを用いてパターニングされて導波路コア３０が形成される。
【0023】
導波路コア３０を伝搬する光が、支持基板１０へ逃げるのを防止するため、支持基板１０と光導波路子３０の間の距離、すなわち、下部クラッド２０の厚みは、１μｍ以上であるのがよい。また、導波路コア３０の厚みは、厚さ方向でシングルモード条件を達成できる値である、２００～４００ｎｍであることが望ましい。
【0024】
導波路コア３０の平面形状に応じて、光が伝搬し、第１光導波路素子の所望の機能を実現する。ここでは、導波路コア３０の平面形状が長方形状の場合の例を説明する。第１光導波路素子に入力された光は、導波路コア３０の長手方向に伝搬する。以下の説明では、長手方向を伝搬方向と称することもある。また、下部クラッド２０の上面に直交する方向を厚さ方向と称し、伝搬方向と厚さ方向の両者に直交する方向を幅方向と称することもある。また、幅方向の寸法を幅と称し、長手方向の寸法を長さと称する。
【0025】
第１光導波路素子において、屈折率変化を検出するのに利用される領域を、センシング領域と称する。センシング領域の導波路コア３０であるセンシング導波路１３２には、同じく導波路コア３０として入力導波路３４と出力導波路３６が接続されている。入力導波路３４を経てセンシング導波路１３２に送られた光は、センシング導波路１３２を経て出力導波路３６から出力される。
【0026】
センシング領域は、第１領域１５１と、第２領域１５２を、伝搬方向に沿って、直列に備えている。入力導波路３４側に、第１領域１５１が設けられ、出力導波路３６側に、第２領域１５２が設けられる。
【0027】
センシング導波路１３２には周期的開口１４４が設けられている。周期的開口１４４は、センシング導波路１３２の長手方向に引かれた、仮想的な線分１４０ａに平行に配置された、複数の開口を備えて構成される。周期的開口１４４は、一定の配列周期で配置され、センシング導波路１３２の下に設けられている下部クラッド２０を露出する貫通孔として形成されている。複数の開口として、大開口１４４ａと、開口の大きさが大開口１４４ａより小さい小開口１４４ｂの２種類の大きさの開口がある。
【0028】
センシング領域では、センシング導波路１３２の周囲、及び、周期的開口１４４の内部を、測定対象の生体物質を含む液体に曝すなどして、測定対象の物質に起因する屈折率変化が検出される。
【0029】
ここで、センシング領域において、生体物質の吸着による屈折率変化を高感度で検出する場合は、センシング導波路１３２を覆う上部クラッドを設けないのが良い。このとき、測定対象の生体物質を含む液体が、上部クラッドとして機能する。
【0030】
一方、導波路コア３０を伝搬する光の伝搬損失は、導波路コア３０の周囲に、下部クラッド２０と同じ材料の上部クラッドがあるほうが低い傾向がある。したがって、センシング領域に設けられるセンシング導波路１３２以外の導波路コア３０である、入力導波路３４及び出力導波路３６が形成されている領域には、導波路コア３０を覆う上部クラッドを、下部クラッド２０と同じ材料であるＳｉＯ２で設けるのが良い。
【0031】
第１領域１５１には、周期的開口が２列設けられている。２列の周期的開口１４４は、いずれも、大開口１４４ａ及び小開口１４４ｂを交互に備えて構成される。また、各開口の平面形状は、例えば、三角形状である。２列の周期的開口の周期は同一であり、仮想的な線分に直交する方向にも、大開口１４４ａ及び小開口１４４ｂが交互に配置される。この結果、第１領域１５１では、周期的開口の一方の列では、仮想的な線分１４０ａの一端側、この例では、入力導波路３４側には、大開口１４４ａが配置され、仮想的な線分１４０ａの中央付近、すなわち、第２領域１５２と接する側には、小開口１４４ｂが配置される。
【0032】
第２領域１５２は、仮想的な線分１４０ａに直交する直線に対して第１領域１５１と線対称の関係にあるように形成される。この結果、第１領域１５１と第２領域１５２の境界付近では、長手方向に隣接する開口がともに大開口、又は、ともに小開口になる。それ以外の領域では、大開口１４４ａ及び小開口１４４ｂが、長手方向に沿って交互に配置されるので、この第１領域１５１と第２領域１５２の境界付近１５５は、周囲と構造が異なる。
【0033】
この第１領域１５１及び第２領域１５２の構造は、非特許文献７に開示されている２次元のトポロジカルフォトニック結晶を部分的に切り出して、１次元導波路であるチャネル導波路に配置したものとなる。非特許文献７に開示されている２次元のトポロジカルフォ
トニック結晶では、ｖａｌｌｅｙ ｐｏｈｏｔｏｎｉｃｓと呼ばれる動作が行われる。
トニック結晶では、ｖａｌｌｅｙ ｐｏｈｏｔｏｎｉｃｓと呼ばれる動作が行われる。
【0034】
一方、第１光導波路素子では、センシング導波路１３２の側面での反射を利用して、２次元のトポロジカルフォトニック結晶と同様のバンド構造を生成する。従って、周期的開口１４４の列は、２列に限られず、第１光導波路素子を２列以上の複数列備える構成にすることができる。
【0035】
（第２光導波路素子）
図２を参照して、この発明の第２実施形態に係る光導波路素子（以下、第２光導波路素子とも称する。）を説明する。図２（Ａ）及び図２（Ｂ）は、第２光導波路素子を説明するための模式図である。図２（Ａ）及び図２（Ｂ）は、第２光導波路素子の概略的平面図であって、支持基板及び下部クラッドを省略し、導波路コアのみを示している。図２（Ａ）は、周期的開口が２列の例を示し、図２（Ｂ）は、周期的開口が４列の例を示している。
図２を参照して、この発明の第２実施形態に係る光導波路素子（以下、第２光導波路素子とも称する。）を説明する。図２（Ａ）及び図２（Ｂ）は、第２光導波路素子を説明するための模式図である。図２（Ａ）及び図２（Ｂ）は、第２光導波路素子の概略的平面図であって、支持基板及び下部クラッドを省略し、導波路コアのみを示している。図２（Ａ）は、周期的開口が２列の例を示し、図２（Ｂ）は、周期的開口が４列の例を示している。
【0036】
図２（Ａ）に示すように、第２光導波路素子では、周期的開口２４４の各列について、仮想的な線分２４０ａの中央付近、すなわち、第２領域２５２と接する側には、小開口１４４ｂが配置される点が、第１光導波路素子と異なる。すなわち、第１光導波路素子の第２領域１５２と接する側に配置されていた大開口１４４ａが設けられていない点が第１光導波路素子と異なる。また、第２光導波路素子は、第２領域２５２が、仮想的な線分２４０ａ上の点に対して第１領域２５１と点対称の関係にあるように形成される点が、第１光導波路素子と異なる。それ以外の構成は、第１光導波路素子と同様なので、重複する説明を省略する。
【0037】
なお、第１光導波路素子と同様に、周期的開口の列の数は、２に限られない。図２（Ｂ）に示すように、４列又はそれ以上にしてもよい。
【0038】
（第１及び第２光導波路素子の動作）
図３を参照して、３次元ＦＤＴＤ（Ｆｉｎｉｔｅ－Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ｔｉｍｅ－Ｄｏｍａｉｎ）法を用いて行った、第１及び第２光導波路素子の特性を評価するシミュレーションを説明する。図３（Ａ）及び図３（Ｂ）は、３次元ＦＤＴＤ法によりシミュレーションした、光導波路素子の波長特性を示す図であり、横軸に波長［単位：μｍ］をとり、縦軸に測定値として、光強度［単位：ｄＢ］をとって示している。図３（Ａ）は、図１を参照して説明した第１光導波路素子の特性を示す図であり、図３（Ｂ）は、図２（Ａ）を参照して説明した第２光導波路素子の特性を示す図である。 図３（Ａ）及び図３（Ｂ）では、曲線Ｉは、入力導波路３４に入力される光強度を示し、曲線ＩＩは、入力導波路側に反射する基本モード、曲線ＩＩＩは、入力導波路側に反射する１次モード、曲線ＩＶは、出力導波路３６側に透過する基本モード、曲線Ｖは、出力導波路３６側に透過する１次モードを示している。
図３を参照して、３次元ＦＤＴＤ（Ｆｉｎｉｔｅ－Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ｔｉｍｅ－Ｄｏｍａｉｎ）法を用いて行った、第１及び第２光導波路素子の特性を評価するシミュレーションを説明する。図３（Ａ）及び図３（Ｂ）は、３次元ＦＤＴＤ法によりシミュレーションした、光導波路素子の波長特性を示す図であり、横軸に波長［単位：μｍ］をとり、縦軸に測定値として、光強度［単位：ｄＢ］をとって示している。図３（Ａ）は、図１を参照して説明した第１光導波路素子の特性を示す図であり、図３（Ｂ）は、図２（Ａ）を参照して説明した第２光導波路素子の特性を示す図である。 図３（Ａ）及び図３（Ｂ）では、曲線Ｉは、入力導波路３４に入力される光強度を示し、曲線ＩＩは、入力導波路側に反射する基本モード、曲線ＩＩＩは、入力導波路側に反射する１次モード、曲線ＩＶは、出力導波路３６側に透過する基本モード、曲線Ｖは、出力導波路３６側に透過する１次モードを示している。
【0039】
ここでは、センシング導波路１３２及び２３２の幅を８００ｎｍ、厚さを２２０ｎｍとした。また、周期的開口の周期Λを３１５ｎｍとし、大開口を一辺の長さが２３７ｎｍの正三角形、小開口を一辺の長さが１６４ｎｍの正三角形とした。下部クラッド２０はＳｉＯ２、導波路コアはＳｉ、上部クラッドは水としている。
【0040】
図３（Ａ）に示すように、第１光導波路素子では、センシング導波路１３２で反射されて入力導波路３４方向に出る波長ピーク（図３（Ａ）中、曲線ＩＩＩで示す。）がＴＥ１次モードに変換されている。これは従来どの素子でも見られなかった動作である。
【0041】
また、図３（Ｂ）に示すように、第２光導波路素子では、センシング導波路２３２を透
過して出力導波路３６方向に出る波長ピーク（図３（Ｂ）中、曲線Ｖで示す。）がモード変換されていて、これも従来どの素子でも見られなかった動作である。
過して出力導波路３６方向に出る波長ピーク（図３（Ｂ）中、曲線Ｖで示す。）がモード変換されていて、これも従来どの素子でも見られなかった動作である。
【0042】
このように、第１領域１５１又は２５１と第２領域１５２又は２５２の境界付近１５５又は２５５での構造が異なれば、光導波路素子の動作も異なる。
【0043】
このような特殊なモード変換が生じるのは、トポロジカルフォトニック結晶の界面では、回転するような伝搬モードが固有に存在するためである。逆に言えばこれを利用してモード変換を得ることができる。また、この特有なモードがこの素子中央の境界部に局在することで、共振が生じて、出力に透過波長ピークが生じることになる。
【0044】
このように、この第１光導波路素子及び第２光導波路素子によれば、単峰性の波長特性を持ち、独自のモード変換作用を有した素子を得ることが出来る。また、モード変換が 利用できるので、入力光との分離が容易となる。
【0045】
【0046】
（第３光導波路素子）
図４を参照して、この発明の第３実施形態に係る光導波路素子（以下、第３光導波路素子とも称する。）を説明する。図４は、第３光導波路素子を説明するための模式図である。図４（Ａ）は、第３光導波路素子の概略的平面図であって、後述する支持基板及び下部クラッドを省略し、導波路コアのみを示している。図４（Ｂ）は、第３光導波路素子の、Ａ－Ａ線に沿って切った切断端面を示す図である。図４（Ｃ）は、第３光導波路素子の、図４（Ａ）のＢ－Ｂ線に沿って切った切断端面を示す図である。
図４を参照して、この発明の第３実施形態に係る光導波路素子（以下、第３光導波路素子とも称する。）を説明する。図４は、第３光導波路素子を説明するための模式図である。図４（Ａ）は、第３光導波路素子の概略的平面図であって、後述する支持基板及び下部クラッドを省略し、導波路コアのみを示している。図４（Ｂ）は、第３光導波路素子の、Ａ－Ａ線に沿って切った切断端面を示す図である。図４（Ｃ）は、第３光導波路素子の、図４（Ａ）のＢ－Ｂ線に沿って切った切断端面を示す図である。
【0047】
第３光導波路素子では、第１領域５１が、一列の周期的開口４４を備えて構成される。第１領域５１では、仮想的な線分４０ａの一端（入力導波路３４側）から、大開口４４ａ、小開口４４ｂを、この順に交互に備える。この例では、仮想的な線分４０ａの中央付近、すなわち、第２領域５２と接する側には、小開口４４ｂが配置される。また、この例では、大開口４４ａと小開口４４ｂの平面形状は、矩形状である。
【0048】
第２領域５２は、仮想線分に直交する直線に対して第１領域５１と線対称の関係にあるように形成される。この結果、仮想的な線分４０ａの中央付近、すなわち、第１領域５１と接する側には、小開口４４ｂが配置される。
【0049】
周期的開口の数は、例えば、第１領域５１及び第２領域５２ともに、１０ずつにすることができる。
【0050】
この構成例では、第１領域５１と第２領域５２の境界付近５５で、小開口４４ｂが連続して配置されるが、それ以外の領域は、大開口４４ａと小開口４４ｂが交互に配置される。このように、境界付近５５は、他の領域と構造が異なるため、ここに共振構造が生成される。第１領域５１と第２領域５２の境界付近５５で共振した光が、出力導波路３６を経て出力される。
【0051】
図５を参照して、３次元ＦＤＴＤ（Ｆｉｎｉｔｅ－Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ｔｉｍｅ－Ｄｏｍａｉｎ）法を用いて行った、第１光導波路素子の特性を評価するシミュレーションを説明する。図５は、３次元ＦＤＴＤ法によりシミュレーションした、第１光導波路素子の特性を示す図である。図２は、横方向に幅方向の位置Ｘ［単位：μｍ］をとり、縦軸に長さ方向の位置Ｚ［単位：μｍ］をとり、光界分布を示している。なお、図５（Ａ）は、
第３光導波路素子全体を示し、図５（Ｂ）は、境界付近５５を拡大して示している。
第３光導波路素子全体を示し、図５（Ｂ）は、境界付近５５を拡大して示している。
【0052】
ここでは、センシング導波路３２の幅を５００ｎｍ、厚さを２２０ｎｍとした。また、周期的開口４４の周期Λを４００ｎｍとし、第１領域５１及び第２領域５２のそれぞれに、１０ずつの開口を設けた。大開口４４ａの幅及び長さを１７０ｎｍ、小開口４４ｂの幅及び長さを９０ｎｍとした。
【0053】
なお、下部クラッド２０はＳｉＯ２、導波路コアはＳｉ、測定対象の物質６０としての上部クラッドは屈折率１．４４の物質としている。
【0054】
図５（Ａ）に示されるように、境界付近５５で光強度が増していて、共振が生じている。また、図５（Ｂ）に示されるように、主に周期的開口４４内に、光が存在している。この現象により、周期的開口４４での屈折率変化に敏感な動作が得られる。このときの、共振波長の屈折率変化に対するシフト量は、２５０ｎｍ／ＲＩＵ（Ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ Ｉｎｄｅｘ Ｕｎｉｔ）であり、通常の１次元フォトニック結晶素子の約２．５倍の大きな感度が得られる。
【0055】
（第４光導波路素子）
図６及び図７を参照して、この発明の第４実施形態に係る光導波路素子（以下、第４光導波路素子とも称する。）を説明する。図６は、第４光導波路素子を説明するための模式図である。図６（Ａ）は、第４光導波路素子の概略的平面図であって、支持基板及び下部クラッドを省略し、導波路コアのみを示している。図６（Ｂ）は、３次元ＦＤＴＤ法によりシミュレーションした、第４光導波路素子の特性を示す図である。図７は、第４光導波路素子の波長特性を示す図である。
図６及び図７を参照して、この発明の第４実施形態に係る光導波路素子（以下、第４光導波路素子とも称する。）を説明する。図６は、第４光導波路素子を説明するための模式図である。図６（Ａ）は、第４光導波路素子の概略的平面図であって、支持基板及び下部クラッドを省略し、導波路コアのみを示している。図６（Ｂ）は、３次元ＦＤＴＤ法によりシミュレーションした、第４光導波路素子の特性を示す図である。図７は、第４光導波路素子の波長特性を示す図である。
【0056】
第４光導波路素子は、隣接する大開口４４ａと小開口４４ｂとを接続するスロット４２を設ける点が、第３光導波路素子と異なっている。その他の構成は、第３光導波路素子と同様なので、重複する説明を省略することもある。
【0057】
スロット４２は、仮想的な線分４０ａ上に、下部クラッド２０を露出する貫通孔として設けられる。スロット４２は、少なくとも、第１領域５１及び第２領域５２の、境界に近い領域（境界領域）５５、すなわち、共振が強い領域に設けられるのがよい。
【0058】
なお、共振が強い範囲を十分にカバーできるように、スロット４２が設けられるのが良い。このため、スロットは、第１領域５１及び第２領域の、境界付近５５から、それぞれ、３組の大開口４４ａと小開口４４ｂに設けることができる。これは、共振が強い範囲を十分にカバーできる、すなわち、包含するようにスロット４２が設けられていないと、感度の向上が十分でなく、しかも、スロット４２が設けられていない領域との接続部での光の損失が大きくなり、Ｑ値が小さくなる傾向にあるためである。
【0059】
スロット４２を設けると、スロット４２に光界分布が集中するので、スロット４２が設けられている部分で屈折率変化に敏感になり、感度が向上する。
【0060】
図６（Ｂ）は、スロット４２の幅を８０ｎｍとして、３次元ＦＤＴＤのシミュレーションを行って得られた、光界分布を示している。図５（Ｂ）では、周期的開口４４以外の場所にも、光界分布があり、周期的開口４４以外の場所の光界分布が、感度に寄与せず無駄になっている。これに対し、図６（Ｂ）では、光界分布が、大開口４４ａ及び小開口４４ｂとスロット４２に集中している。
【0061】
この結果、第４光導波路素子では、感度として、３２０ｎｍ／ＲＩＵを達成しており、
第３光導波路素子よりも感度が向上している。
第３光導波路素子よりも感度が向上している。
【0062】
図７は、３次元ＦＤＴＤ法によりシミュレーションした、光導波路素子の波長特性を示す図であり、横軸に波長［単位：μｍ］をとり、縦軸に測定値として、光強度［単位：ｄＢ］をとって示している。図７中、曲線Ｉは、入力導波路３４に入力される光強度を示し、曲線ＩＩは、センシング導波路３２で反射される光強度を示し、曲線ＩＩＩは、出力導波路３６から出力される光強度を示している。図７に示されるように、きれいな波長透過ピークがバンドギャップ内に観測された。なお、ピークがバンドギャップ中央付近に来るように、境界付近５５での第１領域５１の小開口４４ｂと、第２領域の小開口４４ｂの間隔は、１／４周期だけ広くしてシミュレーションを行った。
【0063】
ここでは、スロット４２の幅が小開口４４ｂの幅よりも小さい例を説明したが、これに限定されない。スロット４２の幅は、小開口４４ｂの幅と同じであってもよい。この場合、小開口４４ｂが設けられていないように見えるが、スロット４２と小開口４４ｂが一体的に設けられているだけであり、スロット４２の大開口４４ａと接続される側とは反対側の端部が、小開口４４ｂに対応する。
【0064】
（第５光導波路素子）
図８を参照して、この発明の第５実施形態に係る光導波路素子（以下、第５光導波路素子とも称する。）を説明する。図８（Ａ）及び図８（Ｂ）は、第５光導波路素子を説明するための模式図である。図８（Ａ）は、第５光導波路素子の第１実施例の概略的平面図であって、支持基板及び下部クラッドを省略し、導波路コアのみを示している。また、図８（Ｂ）は、第５光導波路素子の第２実施例の概略的平面図であって、支持基板及び下部クラッドを省略し、導波路コアのみを示している。
図８を参照して、この発明の第５実施形態に係る光導波路素子（以下、第５光導波路素子とも称する。）を説明する。図８（Ａ）及び図８（Ｂ）は、第５光導波路素子を説明するための模式図である。図８（Ａ）は、第５光導波路素子の第１実施例の概略的平面図であって、支持基板及び下部クラッドを省略し、導波路コアのみを示している。また、図８（Ｂ）は、第５光導波路素子の第２実施例の概略的平面図であって、支持基板及び下部クラッドを省略し、導波路コアのみを示している。
【0065】
第５光導波路素子の第１実施例では、スロット４３が、全ての周期的開口４４にわたって設けられる。スロット４３が、第１領域５１及び第２領域５２の全体にわたって設けられる点が、第３光導波路素子と異なっている。その他の構成は、第３光導波路素子と同様なので、重複する説明を省略することもある。
【0066】
スロット４３は、仮想的な線分４０ａ上に設けられる。スロット４３は、仮想的な線分の一端（第１領域５１の、入力導波路３４に接続される）側の大開口４４ａから、仮想的な線分の他端（第２領域５２の、出力導波路３６に接続される）側の大開口４４ａまで、全ての周期的開口４４を接続するように設けられる。
【0067】
第５光導波路素子の第２実施例では、第１実施例の構成に加えて、２つの外側スロット４６が設けられる。外側スロット４６は、仮想的な線分４０ａに平行に、大開口４４ａの幅方向の両側に設けられる。外側スロット４６は、全ての大開口４４ａにわたって設けられ、大開口４４ａの幅と等しい間隔で配置される。外側スロット４６の一方は、全ての大開口４４ａの幅方向の一端に接続され、外側スロット４６の他方は、全ての大開口４４ａの幅方向の他端に接続される。
【0068】
第５光導波路素子の第１実施例では、感度として、３６０ｎｍ／ＲＩＵがシミュレーションから得られた。シミュレーションでは、センシング導波路の幅を７５０ｎｍ、スロット幅を８０ｎｍ、周期的開口４４の周期を４１０ｎｍ、大開口４４ａの幅及び長さをそれぞれ、３５７ｎｍ及び１７０ｎｍ、小開口４４ｂの幅及び長さをそれぞれ１９０ｎｍ及び９０ｎｍとした。それ以外の条件は、第３光導波路素子と同様とした。
【0069】
また、シミュレーションの結果として、２１～２５ｄＢの消光比が得られた。第１光導波路素子の消光比は２８～３０ｄＢであったので、回折効率が少し低い。
【0070】
第５光導波路素子の第２実施例では、感度として、６００ｎｍ／ＲＩＵがシミュレーションから得られた。外側スロット４６の幅は、スロット４３と同じとし、その他の条件は、第１実施例と同じとした。この結果、スロット４３に加えて、外側スロット４６を設けることで、感度に寄与する部分が増えて、その結果、感度が向上することがわかる。
【0071】
以上説明したように、この発明の光導波路素子によれば、トポロジカルフォトニック結晶の特性を活かし、感度の高いセンサとして用いることができる。
【0072】
１０ 支持基板
２０ 下部クラッド
３０ 導波路コア
３２、１３２、２３２ センシング導波路
３４ 入力導波路
３６ 出力導波路
４２、４３ スロット
４４、１４４、２４４ 周期的開口
４４ａ、１４４ａ、２４４ａ 大開口
４４ｂ、１４４ｂ、２４４ｂ 小開口
４６ 外側スロット
５１、１５１、２５１ 第１領域
５２、１５２、２５２ 第２領域
５５、１５５、２５５ 境界付近
２０ 下部クラッド
３０ 導波路コア
３２、１３２、２３２ センシング導波路
３４ 入力導波路
３６ 出力導波路
４２、４３ スロット
４４、１４４、２４４ 周期的開口
４４ａ、１４４ａ、２４４ａ 大開口
４４ｂ、１４４ｂ、２４４ｂ 小開口
４６ 外側スロット
５１、１５１、２５１ 第１領域
５２、１５２、２５２ 第２領域
５５、１５５、２５５ 境界付近
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
