JP5273051B2 - Photonic crystal - Google Patents
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Description
本発明は、線欠陥導波路が形成されたフォトニック結晶体に関し、特に、線欠陥導波路の屈曲部の構造に関するものである。 The present invention relates to a photonic crystal in which a line defect waveguide is formed, and more particularly to a structure of a bent portion of a line defect waveguide.
近年、光部品が集積された光集積回路を実現する技術が望まれている。光スイッチ、波長フィルタ、3dB結合器(光カプラ)などの光部品が光ファイバなどの光導波路を介して接続された光回路が知られている。しかし、複数の光部品を小さなチップの中に集積化させることができれば、光回路の体積、消費電力、製造コストは飛躍的に低減される。 In recent years, a technique for realizing an optical integrated circuit in which optical components are integrated has been desired. An optical circuit in which optical components such as an optical switch, a wavelength filter, and a 3 dB coupler (optical coupler) are connected via an optical waveguide such as an optical fiber is known. However, if a plurality of optical components can be integrated in a small chip, the volume, power consumption, and manufacturing cost of the optical circuit can be drastically reduced.
光集積回路の実現を目指した技術はこれまでにも多々開発されている。光集積回路の実現を目指す技術の一つに、フォトニック結晶技術がある。フォトニック結晶体或いはフォトニック結晶とは、広義には、屈折率が周期的に変化する構造体の総称である。本明細書では、特に断らない限り、「フォトニック結晶体」と「フォトニック結晶」とは同義語として用いる。 Many technologies have been developed to realize optical integrated circuits. One of the technologies aimed at realizing an optical integrated circuit is a photonic crystal technology. Photonic crystal or photonic crystal is a general term for structures whose refractive index changes periodically. In this specification, unless otherwise specified, “photonic crystal” and “photonic crystal” are used as synonyms.
フォトニック結晶は、屈折率分布の周期構造に起因して種々の特殊な光学的特徴を示す。最も代表的な特徴は、フォトニック・バンド・ギャップ(Photonic Band Gap(PBG))である。光はフォトニック結晶中を透過することができる。しかし、フォトニック結晶中の周期的な屈折率変化が十分に大きいと、ある特定の周波数帯域の光はフォトニック結晶中を伝搬することができない。フォトニック結晶を伝搬することができる光の周波数帯域(あるいは、波長帯域)はフォトニック・バンド(Photonic Band)と呼ばれる。それに対して、フォトニック結晶を伝搬することができない光の周波数帯域(あるいは、波長帯域)は、フォトニック・バンド・ギャップ(PBG)と呼ばれている。フォトニック・バンド・ギャップとは、フォトニック・バンドの間に存在するギャップという意味である。PBGは異なった周波数帯に複数存在することもある。PBGによって分断されたフォトニック・バンドは、周波数の小さい方から、第1バンド、第2バンド、第3バンドと呼ばれることがある。 Photonic crystals exhibit various special optical characteristics due to the periodic structure of the refractive index distribution. The most typical feature is a photonic band gap (PBG). Light can be transmitted through the photonic crystal. However, if the periodic refractive index change in the photonic crystal is sufficiently large, light in a specific frequency band cannot propagate in the photonic crystal. The frequency band (or wavelength band) of light that can propagate through the photonic crystal is called a photonic band. On the other hand, the frequency band (or wavelength band) of light that cannot propagate through the photonic crystal is called a photonic band gap (PBG). The photonic band gap means a gap existing between photonic bands. There may be multiple PBGs in different frequency bands. The photonic bands divided by the PBG may be referred to as the first band, the second band, and the third band from the smaller frequency.
フォトニック結晶中に、屈折率分布の周期構造(屈折率分布の周期性)を崩すような微小な欠陥が存在すると、PBG内の光は、その微小欠陥内に閉じ込められる。その場合、欠陥の大きさに対応した周波数の光のみが閉じ込められるので、フォトニック結晶が光共振器として働く。よって、このようなフォトニック結晶は、周波数(波長)フィルタとして利用することができる。 If there is a minute defect in the photonic crystal that breaks the periodic structure of the refractive index distribution (periodicity of the refractive index distribution), the light in the PBG is confined in the minute defect. In that case, only light having a frequency corresponding to the size of the defect is confined, so that the photonic crystal functions as an optical resonator. Therefore, such a photonic crystal can be used as a frequency (wavelength) filter.
また、フォトニック結晶中に微小な欠陥が連続的に並んで列を成し、結晶中に線欠陥が形成されると、PBG内の光は、線欠陥内に閉じ込められ、線欠陥に沿って伝搬する。よって、このようなフォトニック結晶は、光導波路として利用することができる。フォトニック結晶中に形成される上記のような光導波路は、線欠陥導波路と呼ばれている。 In addition, when micro defects are continuously arranged in a row in the photonic crystal and a line defect is formed in the crystal, the light in the PBG is confined in the line defect and along the line defect. Propagate. Therefore, such a photonic crystal can be used as an optical waveguide. The above optical waveguide formed in the photonic crystal is called a line defect waveguide.
光フィルタや光導波路が形成されれば、それら光フィルタや光導波路によって、光変調器や光スイッチなどの光機能素子を構成することができる。さらに、フォトニック結晶中に主要な光機能素子が形成され、それら光機能素子が互いに接続されれば光回路を構成することができる。このような理由から、フォトニック結晶が光集積回路のプラットフォームとして期待されている。 If an optical filter or an optical waveguide is formed, an optical functional element such as an optical modulator or an optical switch can be configured by the optical filter or the optical waveguide. Furthermore, an optical circuit can be configured if main optical functional elements are formed in the photonic crystal and these optical functional elements are connected to each other. For these reasons, photonic crystals are expected as an optical integrated circuit platform.
ここで、PBGの効果を互いに垂直なx、y、zの3方向で利用するためには、フォトニック結晶の屈折率分布が3次元周期構造を有することが必要である。しかし、3次元周期構造は複雑なため、製造コストが高くなる。そこで、屈折率分布が2次元周期構造を有するフォトニック結晶(以下「2次元フォトニック結晶」と呼ぶ場合もある。)が利用されることが多い。具体的には、基板の面内方向の屈折率分布は周期性を有するが、基板の厚み方向の屈折率分布は周期性を有さない有限厚みの2次元フォトニック結晶が用いられる。その場合、基板の厚み方向における光の閉じ込めは、PBGの効果ではなく、屈折率差に起因する全反射によって実現される。 Here, in order to use the effect of PBG in three directions of x, y, and z perpendicular to each other, it is necessary that the refractive index distribution of the photonic crystal has a three-dimensional periodic structure. However, since the three-dimensional periodic structure is complicated, the manufacturing cost increases. Therefore, a photonic crystal whose refractive index distribution has a two-dimensional periodic structure (hereinafter sometimes referred to as “two-dimensional photonic crystal”) is often used. Specifically, a two-dimensional photonic crystal having a finite thickness is used in which the refractive index distribution in the in-plane direction of the substrate has periodicity, but the refractive index distribution in the thickness direction of the substrate does not have periodicity. In that case, confinement of light in the thickness direction of the substrate is realized not by the effect of PBG but by total reflection due to the difference in refractive index.
もっとも、有限厚みの2次元フォトニック結晶の特性は、無限の厚みの2次元フォトニック結晶の特性と完全には一致しない。しかし、有限厚みの2次元フォトニック結晶の厚み方向における屈折率分布が、光が伝搬する領域において鏡映対称であれば、2次元フォトニック結晶の光学特性は、無限の厚みの2次元フォトニック結晶の光学特性とほぼ一致する。無限の厚みの2次元フォトニック結晶に基づくデバイスの動作予測は、有限厚みの2次元フォトニック結晶に基づくデバイスの動作予測に比べて格段に容易である。そこで、屈折率分布が鏡映対称性を有する2次元フォトニック結晶を利用することができれば、デバイスの設計も容易になる。 However, the characteristics of the two-dimensional photonic crystal having a finite thickness do not completely match the characteristics of the two-dimensional photonic crystal having an infinite thickness. However, if the refractive index distribution in the thickness direction of a two-dimensional photonic crystal having a finite thickness is mirror-symmetric in the light propagation region, the optical characteristics of the two-dimensional photonic crystal are two-dimensional photonic crystals having an infinite thickness. It almost coincides with the optical properties of the crystal. The operation prediction of a device based on a two-dimensional photonic crystal having an infinite thickness is much easier than the operation prediction of a device based on a two-dimensional photonic crystal having a finite thickness. Therefore, if a two-dimensional photonic crystal whose refractive index distribution has mirror symmetry can be used, device design becomes easy.
これまで実現された有限厚みの2次元フォトニック結晶の具体的な構造はいくつかある。その中で柱(ピラー)型正方格子フォトニック結晶は、線欠陥導波路における光の伝搬速度が広い帯域で遅いという特徴を有する。すなわち、低群速度である。一般に、伝搬速度の遅い導波路を用いると、短い導波路によって同じ機能の光回路を実現することができる。よって、柱型正方格子フォトニック結晶を用いた線欠陥導波路は、光集積回路に適している。 There are several specific structures of the two-dimensional photonic crystal of finite thickness realized so far. Among them, a pillar-type square lattice photonic crystal has a feature that light propagation speed in a line defect waveguide is slow in a wide band. That is, a low group velocity. In general, when a waveguide having a low propagation speed is used, an optical circuit having the same function can be realized by a short waveguide. Therefore, a line defect waveguide using a columnar square lattice photonic crystal is suitable for an optical integrated circuit.
図1は、有限厚みの柱型正方格子フォトニック結晶の線欠陥導波路の構造を示す模式図である。図示されている柱型正方格子フォトニック結晶では、低誘電率材料1の中に、高誘電率材料で作られた高さが有限の円柱2aと、円柱2aよりも直径の小さな円柱2bとが正方格子状に配置されている。もっとも、低誘電率材料や円柱の材料は結晶である必要はなく、アモルファスでもよい。
FIG. 1 is a schematic diagram showing the structure of a line defect waveguide of a columnar square lattice photonic crystal having a finite thickness. In the columnar square lattice photonic crystal shown in the figure, a low dielectric
図1に示すフォトニック結晶の場合、円柱2aが完全なフォトニック結晶の円柱であるのに対し、円柱2bは円柱2aよりも直径が小さい。そこで、円柱2bを完全結晶に導入された欠陥であると見なす。以下の説明では、完全結晶の円柱と欠陥に相当する円柱とを区別するために、前者を「非欠陥線柱」、後者を「欠陥柱」、「欠陥円柱」又は「線欠陥柱」と呼ぶ場合がある。もっとも、線欠陥柱自体に欠陥があるわけではない。図1に示す線欠陥柱2bは、ある直線上に一列に並べられて列を成している。この線欠陥柱2bの列とその周囲の非欠陥線柱2aとによって線欠陥導波路が形成されている。
In the case of the photonic crystal shown in FIG. 1, the
図1に示した円柱型正方格子フォトニック結晶の線欠陥導波路では、線欠陥柱の列が、光ファイバなどの全反射型の導波路におけるコアに相当する。また、線欠陥柱の列の両側の非欠陥線柱の格子や周囲の誘電体材料がクラッドに相当する。全反射型導波路の場合、導波路を形成するためにはコアとクラッドが必須である。線欠陥導波路の場合、導波路を形成するためには、線欠陥とその周囲の非欠陥線柱や誘電体材料が必須である。以下の説明では、線欠陥柱の列を「線欠陥」と呼ぶ場合もある。 In the line defect waveguide of the cylindrical square lattice photonic crystal shown in FIG. 1, the line of the line defect column corresponds to the core in the total reflection type waveguide such as an optical fiber. Further, the lattice of non-defective line pillars on both sides of the line of line defect pillars and the surrounding dielectric material correspond to the cladding. In the case of a total reflection type waveguide, a core and a clad are indispensable for forming the waveguide. In the case of a line defect waveguide, in order to form a waveguide, a line defect and its surrounding non-defective line pillar or dielectric material are essential. In the following description, the line defect column may be referred to as a “line defect”.
光集積回路内の光配線を高密度化するためには、広い帯域において光透過率の高い曲がり導波路が必要である。 In order to increase the density of the optical wiring in the optical integrated circuit, a bent waveguide having a high light transmittance in a wide band is required.
柱型正方格子フォトニック結晶の線欠陥導波路中を伝搬する導波光の伝搬方向を90°変更させる場合には、線欠陥導波路の向きをその途中で90°変更する。以下の説明では、線欠陥導波路の向きがその途中で90°変更されている構造を「90°曲げ構造」と呼ぶ場合がある。 When the propagation direction of the guided light propagating through the line defect waveguide of the columnar square lattice photonic crystal is changed by 90 °, the direction of the line defect waveguide is changed by 90 ° in the middle. In the following description, a structure in which the direction of the line defect waveguide is changed by 90 ° in the middle may be referred to as a “90 ° bent structure”.
線欠陥導波路を一カ所で単純に90°曲げても、ある特定の条件を満たす場合を除いて、光透過特性は良くはならない。単純な90°曲げ構造とは異なる改良された90°曲げ構造が、非特許文献1に開示されている。非特許文献1に開示されている曲げ構造は、線欠陥導波路を形成している線欠陥柱の断面積がゼロであることを前提としている。非特許文献1に開示されている90°曲げ構造では、90°向きの異なる直線導波路が、これら直線導波路に対して45°の傾きを有する斜めの導波路を介して接続されている。斜めの導波路の長さは、格子の1〜数周期分に相当する。
Even if the line defect waveguide is simply bent by 90 ° in one place, the light transmission characteristics are not improved unless a specific condition is satisfied. Non-Patent
しかしながら、非特許文献1に開示された曲げ構造は、厚みが無限大の正方格子フォトニック結晶について考案された構造であり、実際には実現不可能である。なぜなら、断面積がゼロの線欠陥柱によって構成された線欠陥導波路は、厚み方向において光を閉じ込めることができない。厚み方向において光を閉じ込めるためには、直径が有限の線欠陥柱を含む線欠陥導波路を使用する必要がある。しかし、線欠陥柱の断面積が有限の値を有する場合、傾斜角45°の短い導波路を介在させた曲げ構造では光透過特性が良くない。
However, the bending structure disclosed in
線欠陥柱の断面積が有限の値を有する場合は、ある特定の条件を満たせば、単純な90°曲げ構造であっても広帯域で高透過率を示す。このことは、非特許文献2に記載されている。
When the cross-sectional area of the line defect column has a finite value, if a specific condition is satisfied, even a simple 90 ° bent structure shows a high transmittance in a wide band. This is described in
非特許文献2によれば、線欠陥柱の近傍における導波光の電磁界構造は、近似的に2つの平面波電磁界の和で表される。その2つの平面波電磁界は、線欠陥柱の列の中心線を鏡映対称の対称軸として、互いに交差しながら進行する。90°曲げ構造を有する線欠陥導波路の光透過率が高くなる特定の条件とは、この交差する2つの平面波の進行方向が直交することである。
According to
従って、上記の特定の条件が満たされるように、線欠陥導波路を設計すれば、広い帯域において光透過率の高い90°曲げ構造を有する線欠陥導波路を実現することができる。
しかし、実際の光回路の設計では、導波光の伝搬方向が変更される部分(屈曲部)の光透過特性のみを考慮して線欠陥導波路を設計することができないことがある。例えば、線欠陥導波路には、導波光の伝搬速度、すなわち群速度が遅いという特徴があるので、線欠陥導波路を光遅延線として利用することができる。その場合、群速度がより遅い線欠陥導波路を設計するためには、線欠陥柱の断面積を屈曲部の光透過率が最大となる最適値よりも大きくしなければならない。 However, in actual optical circuit design, it may not be possible to design a line defect waveguide in consideration of only the light transmission characteristics of a portion (bent portion) where the propagation direction of guided light is changed. For example, the line defect waveguide has a feature that the propagation speed of guided light, that is, the group velocity is low, so that the line defect waveguide can be used as an optical delay line. In that case, in order to design a line defect waveguide having a slower group velocity, the cross-sectional area of the line defect column must be made larger than the optimum value at which the light transmittance of the bent portion is maximized.
逆に群速度を速くして光信号の伝送速度を高速化しようとする場合には、線欠陥柱の断面積を上記最適値よりも小さくしなければならない。 Conversely, in order to increase the group velocity and increase the transmission speed of the optical signal, the cross-sectional area of the line defect column must be made smaller than the optimum value.
本発明は上記状況に鑑みてなされたものである。本発明の目的は、フォトニック結晶体中に形成された線欠陥導波路の屈曲部における光透過特性と他の特性との両立を図ることである。 The present invention has been made in view of the above situation. An object of the present invention is to achieve both a light transmission characteristic and other characteristics in a bent portion of a line defect waveguide formed in a photonic crystal body.
本発明のフォトニック結晶体は、方向が90°変更される線欠陥を含む線欠陥導波路が形成されたフォトニック結晶体である。線欠陥は、第一の直線部、第二の直線部および曲線部を有する。第一の直線部は、直線Yに沿って形成されている。第二の直線部は、直線Yと直交する直線Xに沿って形成されている。曲線部は、第一の直線部と第二の直線部の互いに近接する端部同士を繋いでいる。 The photonic crystal body of the present invention is a photonic crystal body in which a line defect waveguide including a line defect whose direction is changed by 90 ° is formed. The line defect has a first straight portion, a second straight portion, and a curved portion. The first straight line portion is formed along the straight line Y. The second straight line portion is formed along a straight line X orthogonal to the straight line Y. The curved portion connects the end portions of the first straight portion and the second straight portion that are close to each other.
第一の直線部は、直線X及び直線Yを含むx−y平面における断面の重心が直線Y上に並べられた複数の線欠陥柱から構成されている。第二の直線部は、x−y平面における断面の重心が直線X上に並べられた複数の線欠陥柱から構成されている。曲線部は、x−y平面における断面の重心が、第一の直線部を構成する複数の線欠陥柱のうちで直線Xと直線Yとの交点Pに最も近接した線欠陥柱の断面の重心と、第二の直線部を構成する複数の線欠陥柱のうちで交点Pに最も近接した線欠陥柱の断面の重心とを結ぶ曲線上に並べられた複数の線欠陥柱から構成されている。 The first straight line portion is composed of a plurality of line defect columns in which the center of gravity of the cross section in the xy plane including the straight line X and the straight line Y is arranged on the straight line Y. The second straight line portion includes a plurality of line defect columns in which the center of gravity of the cross section in the xy plane is arranged on the straight line X. The curved line portion has the center of gravity of the cross section of the line defect column closest to the intersection point P between the straight line X and the straight line Y among the plurality of line defect columns constituting the first straight line portion. And a plurality of line defect columns arranged on a curve connecting the center of gravity of the cross section of the line defect column closest to the intersection P among the plurality of line defect columns constituting the second straight line portion. .
本発明によれば、上記の目的を達成することができる。 According to the present invention, the above object can be achieved.
上記及びそれ以外の本発明の目的、特徴及び利点は、下記の記載及び本発明の一例を示す添付図面の参照によって明らかになる。 The above and other objects, features, and advantages of the present invention will become apparent from the following description and reference to the accompanying drawings illustrating an example of the present invention.
フォトニック結晶体中に形成された線欠陥導波路の導波モードは、線欠陥の中心線に沿って伝搬する固有の電磁界分布を有する。線欠陥導波路の導波モードの光透過率は、導波モードの定義に従って、厳密に100%である。線欠陥導波路の途中に、導波光の伝搬方向が90°変更される屈曲部(90°曲がり)が存在する場合、屈曲部において導波光の電磁界分布が線欠陥の中心線からずれる場合がある。電磁界分布の位置が線欠陥の中心線からずれた分だけ光透過率が減少し、同時に反射が生じる。ここで、電磁界分布が線欠陥の中心線からずれるとは、電磁界分布の中心(電磁界強度の最も大きい位置)が線欠陥の中心線上から外れることを意味する。 The waveguide mode of the line defect waveguide formed in the photonic crystal body has an inherent electromagnetic field distribution that propagates along the center line of the line defect. The light transmittance of the waveguide mode of the line defect waveguide is strictly 100% according to the definition of the waveguide mode. When a bent portion (90 ° bend) in which the propagation direction of the guided light is changed by 90 ° exists in the middle of the line defect waveguide, the electromagnetic field distribution of the guided light may deviate from the center line of the line defect in the bent portion. is there. The light transmittance is reduced by an amount corresponding to the position of the electromagnetic field distribution being shifted from the center line of the line defect, and at the same time, reflection occurs. Here, the fact that the electromagnetic field distribution deviates from the center line of the line defect means that the center of the electromagnetic field distribution (the position where the electromagnetic field intensity is greatest) deviates from the center line of the line defect.
本発明では、電磁界分布のずれが生じる場合には、電磁界分布が90°曲がりの内側(内角側)、または外側(外角側)にずれることに着目した。本発明は、線欠陥導波路の線欠陥を2つの直線部と、それら直線部の端部同士を滑らかに繋ぐ曲線部とから構成したことを特徴とする。例えば、電磁界分布が外角側へずれる場合、曲線部を90°曲がりの内角に内接する曲線に沿って形成することによって、上記電磁界分布の外角側へのずれを回避する。換言すれば、曲線部を構成する線欠陥柱を90°曲がりの内角に内接する曲線上又はその近傍に配置することによって、上記電磁界分布の外角側へのずれを回避する。
(実施形態1)
以下、本発明の実施形態の一例について図面を参照しながら詳細に説明する。In the present invention, when the electromagnetic field distribution shifts, attention is paid to the fact that the electromagnetic field distribution shifts to the inner side (inner angle side) or the outer side (outer angle side) of the 90 ° bend. The present invention is characterized in that the line defect of the line defect waveguide is composed of two straight portions and a curved portion that smoothly connects the ends of the straight portions. For example, when the electromagnetic field distribution is shifted to the outer angle side, the curve portion is formed along a curve inscribed in the inner angle of 90 ° bending, thereby avoiding the shift of the electromagnetic field distribution to the outer angle side. In other words, the line defect columns constituting the curved portion are arranged on the curve inscribed in the inner angle of the 90 ° bend or in the vicinity thereof, thereby avoiding the shift of the electromagnetic field distribution to the outer angle side.
(Embodiment 1)
Hereinafter, an example of an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図2は、本実施形態に係るフォトニック結晶体を構成している円柱の配置を示す模式的断面図である。一方、図3は、従来のフォトニック結晶体を構成している円柱の配置を示す模式的断面図である。 FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing the arrangement of cylinders constituting the photonic crystal body according to the present embodiment. On the other hand, FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing the arrangement of cylinders constituting a conventional photonic crystal.
図2に示すフォトニック結晶体中には、多数の円柱10aが正方格子状に配置され、それら多数の円柱10aの中に線欠陥柱10bが配置されている。また、図3に示すフォトニック結晶体中には、多数の円柱20aが配置され、それら多数の円柱20aの中に線欠陥柱20bが配置されている。換言すれば、図2に示すフォトニック結晶体中には線欠陥10が形成され、図3に示すフォトニック結晶体中には線欠陥20が形成されている。
In the photonic crystal body shown in FIG. 2, a large number of
また、図2に示す線欠陥10と、図3に示す線欠陥20とは、導波光の伝搬方向が90°変更される屈曲部を有する線欠陥光導波路を構成する線欠陥である点で共通する。
Further, the
次に、相違点について説明する。図3に示す線欠陥20は、第一の直線部3と第二の直線部4とから構成されている。第一の直線部3は、直線Y上に並べられた複数の線欠陥柱20bによって構成されている。一方、第二の直線部4は、直線Yと直交する直線Xの上に並べられた複数の線欠陥柱20bによって構成されている。この結果、図3に示す線欠陥20は、直線Xと直線Yとの交点Pに配置された線欠陥柱20bの位置で急峻に90°屈曲している。換言すれば、図3に示す線欠陥20の屈曲部は、一つの線欠陥柱20bによって構成されている。
Next, differences will be described. The
これに対し、図2に示すフォトニック結晶体中に形成された線欠陥10は、第一の直線部3と、第二の直線部4と、これら直線部3、4を緩やかに繋ぐ曲線部5とを有する。曲線部5は、第一の直線部3の終点(終端)と第二の直線部4の始点(始端)とを緩やかな曲線に沿って繋いでいる。
On the other hand, the
図2に示す第一の直線部3は、直線Y上に並べられた複数の線欠陥柱10bによって構成されている。一方、第二の直線部4は、直線Yと直交する直線Xの上に並べられた複数の線欠陥柱10bによって構成されている。曲線部5は、第一の直線部3の終点と第二の直線部4の始点とを結ぶ曲線6の上に並べられた複数の線欠陥柱11b、11b’11b’から構成されている。ここで、第一の直線部3の終点とは、第一の直線部3を構成している線欠陥柱10bのうちで交点Pに最も近接している線欠陥柱10bが配置されている点をいう。また、第二の直線部4の始点とは、第二の直線部4を構成している線欠陥柱10bのうちで交点Pに最も近接している線欠陥柱10bが配置されている点をいう。曲線6は、直線Xと直線Yとが直交する角に内接し、一方向に屈曲している。
The first
尚、線欠陥柱10bと、線欠陥柱11b、11b’11b’とは同一の形状及びサイズを有する。ここで異なる符合を用いたのは、直線部3、4を構成する線欠陥柱と曲線部5を構成する線欠陥柱とを区別するためである。
The
要するに、図2に示す線欠陥10の屈曲部は、複数の線欠陥柱11b、11b’11b’によって構成され、かつ、それら線欠陥柱11b、11b’11b’は曲線を成すように並べられている。
In short, the bent portion of the
ここで、第一の直線部3を構成している各線欠陥柱10bの断面の重心は直線Y上にある。また、第二の直線部4を構成している各線欠陥柱10bの断面の重心は直線X上にある。さらに、曲線部5を構成している各線欠陥柱11b、11b’、11b’の断面の重心は曲線6の上にある。換言すれば、各線欠陥柱11b、11b’、11b’の断面の重心は直線X、Yからずれている。さらに換言すれば、曲線部5を構成している線欠陥柱11b、11b’、11b’は正方格子の周期的配置からずれている。
Here, the center of gravity of the cross section of each
曲線部5を構成している3つの線欠陥柱11b、11b’11b’の位置をより明確に説明すべく、直線Xと直線Yとの交点Pを原点とするX,Y座標系を定義する。かかる座標系では、原点より図2の紙面右方向を+X方向、左方向を−X方向とする。また、原点より図2の紙面上方向を+Y方向、下方向を−Y方向とする。
In order to explain the positions of the three
曲線部5の頂点(中央)に位置する線欠陥柱11bは、原点から+X方向および−Y方向に、それぞれ格子定数の12.5%に相当する距離(ax1、ay1)だけずれている。また、線欠陥柱11bに隣接する2つの線欠陥柱の一方(X軸に近接している線欠陥柱11b’)は、X軸から−Y方向に格子定数の5%に相当する距離(ay2)だけずれている。また、線欠陥柱11bに隣接する2つの線欠陥柱の他方(Y軸に近接している線欠陥柱11b’)は、Y軸から+X方向に格子定数の3.75%に相当する距離(ax2)だけずれている。格子定数の3.75%に相当する距離(ax2)は、距離(ax1)の30%に相当する距離である。
The
数値計算によると、線欠陥柱11bの原点に対するずれ量(距離ax1、ay1)が格子定数の12.5%であるときに、導波路の屈曲部の透過特性が最大となる。もっとも、距離(ax1、ay1)が格子定数の5%から20%の範囲内であれば略同等の透過特性向上効果が得られる。
According to the numerical calculation, when the deviation amount (distance ax1, ay1) with respect to the origin of the
また、数値計算によると、線欠陥柱11b’のずれ量(距離ax2、ay2)が線欠陥柱11bのずれ量(距離ax1、ay1)の30%であるときに、導波路の屈曲部の透過特性が最大となる。もっとも、距離(ax2、ay2)が距離(ax1、ay1)の20%から60%の範囲内であれば略同等の透過特性向上効果が得られる。
Further, according to the numerical calculation, when the deviation amount (distance ax2, ay2) of the
図2に示す線欠陥導波路の屈曲部を構成している曲線部5の特徴を図3に示す従来の線欠陥導波路の屈曲部と対比して説明する。
The characteristics of the
図2に示す線欠陥導波路の屈曲部の中心に位置している線欠陥柱11bは、図3に示す交点Pに位置している線欠陥柱20bに相当する。また、図2に示す線欠陥柱11bに隣接している2つの線欠陥柱11b’、11b’は、図3に示す交点Pに位置している線欠陥柱20bに隣接している2つの線欠陥柱20b、20bに相当する。すなわち、図2に示す曲線部5を構成している3つの線欠陥柱11b、11b’、11b’は、図3に示す上記3つの線欠陥柱20bに対して、屈曲部の曲がりの内側に変位している。線欠陥柱は高誘電率材料によって作られている。光は高誘電率媒質中に分布しようとする性質があるので、線欠陥柱11b、11b’、11b’がずれている方向に導波光の電磁界分布がシフトされる。その結果、電磁界分布が線欠陥の中心線上に戻される。電磁界分布が線欠陥の中心線上に戻されれば、屈曲部への光の入射側から線欠陥導波路を観察した場合も、光の出射側から線欠陥導波路を観察した場合も、導波光は常に線欠陥の中心線上を伝搬することになり、導波光の歪が無くなる。この結果、導波光の光透過率の減少や反射が解消される。
The
本件発明者の行ったシミュレーションでは、図2に示す線欠陥柱11b、11b’、11b’の位置が上記のとおりである場合に最良の結果が得られた。具体的には次のとおりである。
In the simulation performed by the present inventors, the best results were obtained when the positions of the
図4は、図3に示す線欠陥光導波路を伝搬する導波光の電磁界分布を示すマップである。一方、図5は、図2に示す線欠陥光導波路を伝搬する導波光の電磁界分布を示すマップである。いずれのマップでも、光は紙面下側から導波路に入射し、右側に向けて出射される。また、図示されているマップは、シミュレーションによって求めた電磁界分布を示している。 FIG. 4 is a map showing the electromagnetic field distribution of guided light propagating through the line defect optical waveguide shown in FIG. On the other hand, FIG. 5 is a map showing the electromagnetic field distribution of the guided light propagating through the line defect optical waveguide shown in FIG. In any of the maps, light enters the waveguide from the lower side of the paper and is emitted toward the right side. In addition, the illustrated map shows the electromagnetic field distribution obtained by simulation.
図4より、図3に示す線欠陥導波路を伝搬する導波光の電磁界は、導波路の向きが変わる屈曲点において、格子の周期的配置から曲がりの外側にずれていることがわかる。この電磁界のずれが光透過率の低下を招いている。また、図4に見られるように、屈曲点近傍の電磁界の大きさ(強さ)が周囲よりも大きく、共振器特性を有する局所モードが発生している、局所モードは、屈曲点およびその近傍における光透過率の波長依存性を大きくする要因となる。 As can be seen from FIG. 4, the electromagnetic field of the guided light propagating through the line defect waveguide shown in FIG. 3 deviates from the periodic arrangement of the grating to the outside of the bend at the bending point where the direction of the waveguide changes. This deviation of the electromagnetic field causes a decrease in light transmittance. In addition, as shown in FIG. 4, the magnitude (strength) of the electromagnetic field in the vicinity of the bending point is larger than the surroundings, and a local mode having resonator characteristics is generated. This is a factor that increases the wavelength dependency of the light transmittance in the vicinity.
一方、図5より、本実施形態に係る線欠陥導波路を伝搬する導波光の電磁界は、導波路の向きが変わる屈曲点においても、格子の周期的配置から外れていないことがわかる。これは、屈曲部(曲線部5)を構成している3つの線欠陥柱11b、11b’、11b’を上記のように配置した結果、電磁界が屈曲部の曲がりの内側に引き戻されたためである。従って、本実施形態に係る線欠陥導波路の屈曲部における光透過率は、従来の線欠陥導波路の屈曲部における光透過率よりも高い。さらに、本実施形態に係る線欠陥導波路では、屈曲点近傍における電磁界の増加が見られず、反射の要因となる局所モードも現れない。
On the other hand, FIG. 5 shows that the electromagnetic field of the guided light propagating through the line defect waveguide according to the present embodiment does not deviate from the periodic arrangement of the grating even at the bending point where the direction of the waveguide changes. This is because as a result of arranging the three
導波路の向きが変わる屈曲点において、導波光の電磁界が格子の周期的配置から外れないようにするために、更に別の手段として、屈曲部の曲がりの内側に配置された非線欠陥柱の面積を小さくしてもよい。 In order to prevent the electromagnetic field of guided light from deviating from the periodic arrangement of the grating at the bending point where the direction of the waveguide changes, as another means, a non-linear defect column arranged inside the bending of the bending part The area may be reduced.
光は屈折率の高い方に曲がろうとする性質がある。屈曲部の曲がりの内側に断面積が大きく、屈折率が高い柱が配置されていると、その柱の近傍の平均的な屈折率が増加する。従って、屈曲部の曲がりを通過する導波光が内側に引き寄せられる。 Light has the property of bending toward a higher refractive index. If a column having a large cross-sectional area and a high refractive index is arranged inside the bent portion, the average refractive index in the vicinity of the column increases. Therefore, the guided light passing through the bent portion is attracted to the inside.
より具体的に説明する。図2に示す非線欠陥柱10cの前記x−y平面における断面積を、第一の直線部3を構成している線欠陥に隣接している非線欠陥柱10a’の前記x−y平面における断面積と前記第二の直線部を構成している線欠陥に隣接している非線欠陥10a’’の前記x−y平面における断面積との相加平均値(面積S2)の100〜120%に相当する面積とする。ここで、非線欠陥柱10cは、屈曲部を構成している3つの線欠陥柱11b、11b’、11b’のそれぞれに最も近接している非線欠陥柱である。さらに、上記のとおり、線欠陥柱11bは、交点Pに最も近接している線欠陥柱11bである。また、2つの線欠陥柱11b’、11b’は、線欠陥柱11bに隣接している線欠陥柱である。
This will be described more specifically. The cross-sectional area of the
シミュレーションによると、非線欠陥柱10cの断面積が上記範囲内であるときに、屈曲部における電磁界の位置を補正する効果が得られる。特に、非線欠陥柱10cの断面積が上記相加平均値(面積S2)の110%に相当する面積であるときに、屈曲部における電磁界の位置を補正する効果が大きい。
According to the simulation, the effect of correcting the position of the electromagnetic field in the bent portion can be obtained when the cross-sectional area of the
これまでは、屈曲部を通過する導波光が格子の周期的配置から外れる現象について述べてきた。この現象は、導波光の軌道が、屈曲部の曲がりの軌道から外れる現象である。しかし、導波光の軌道上で、光エネルギーの進行方向における分布が不均一になる場合にも透過率が低下する。これは、線欠陥柱の列の近傍の屈折率分布が周期性を失い、不均一になるためである。 So far, a phenomenon has been described in which guided light passing through the bent portion deviates from the periodic arrangement of the grating. This phenomenon is a phenomenon in which the orbit of guided light deviates from the orbit of the bent portion. However, the transmittance also decreases when the distribution of the light energy in the traveling direction of the guided light becomes non-uniform. This is because the refractive index distribution in the vicinity of the line defect column row loses periodicity and becomes non-uniform.
即ち、導波光の透過速度は、屈折率の低い部分において速く、屈折率の大きい部分において遅い。屈折率の小さい部分と大きい部分の分布が、その大きさも含めて、完全な周期性を保っていれば、導波光は全体として一定のリズムで規則正しく進む。しかし、屈曲部の存在によって、屈折率分布の周期性が崩れると、導波光の局所的な透過速度の規則性が崩れ、導波光の全体としての透過率が低下する。 That is, the transmission speed of guided light is high in a portion where the refractive index is low, and is low in a portion where the refractive index is large. If the distribution of the portion with a small refractive index and the portion with a large refractive index, including their sizes, maintain perfect periodicity, the guided light travels regularly with a constant rhythm as a whole. However, if the periodicity of the refractive index distribution is disrupted due to the presence of the bent portion, the regularity of the local transmission speed of the guided light is disrupted, and the overall transmittance of the guided light is reduced.
線欠陥導波路の屈曲部の近傍の平均的な屈折率が低下する場合には、屈曲部を構成している線欠陥柱の断面積を大きくすることによって、屈折率の低下を補償するとよい。より具体的に説明する。図2に示す線欠陥柱11bのx−y平面における断面積を、第一の直線部3および第二の直線部4の末端の線欠陥柱10bのx−y平面における断面積の相加平均値(面積S1)と、第一の直線部3に隣接する非線欠陥柱10aのx−y平面における断面積と第二の直線部4に隣接する非線欠陥柱10aのx−y平面における断面積との相加平均値(面積S2)との相加平均値に相当する面積(S12)の100%〜140%に相当する面積とする。なお、第一の直線部3および第二の直線部4の末端の線欠陥柱10bとは、互いに隣接している2つの線欠陥柱である。また、線欠陥柱11bは、交点Pに最も近接する線欠陥柱であることは既述のとおりである。
When the average refractive index in the vicinity of the bent portion of the line defect waveguide decreases, the decrease in the refractive index may be compensated for by increasing the cross-sectional area of the line defect column constituting the bent portion. This will be described more specifically. The cross-sectional area of the
シミュレーションによると、線欠陥柱11bのx−y平面における断面積が上記範囲内であるときに、屈曲部における電磁界の位置を補正する効果が得られる。特に、線欠陥柱11bのx−y平面における断面積が上記面積(S12)の120%であるときに、屈曲部における電磁界の位置を補正する効果が大きい。
According to the simulation, the effect of correcting the position of the electromagnetic field in the bent portion is obtained when the cross-sectional area of the
以上のように、本発明によれば、線欠陥導波路の屈曲部における光透過率が従来よりも向上する。よって、屈曲部における光透過率以外の特性を優先させて線欠陥導波路を設計しても、屈曲部における光透過率は従来と同等かそれ以上に維持される。従って、屈曲部における光透過率とそれ以外の特性とを両立させ、フォトニック結晶を用いた光集積回路全体の特性を高めることができる。この結果、光集積回路の高集積化や生産性の向上が実現される。
(実施形態2)
次に、本発明のフォトニック結晶光導波路の実施形態の他例について説明する。実施形態1では、線欠陥導波路の屈曲部を3つの線欠陥柱で構成する場合について説明した。しかし、3つ線欠陥柱を周期的配置からずらすだけでは、線欠陥導波路の屈曲部における光透過率が十分に向上しない場合もある。例えば、導波モードを構成する平面波電磁界の交差角度が90°から大きくずれている場合には、光透過率が十分に向上しない。このような場合、屈曲部を構成する線欠陥柱の数を増やすことで光透過率を高めることができる。As described above, according to the present invention, the light transmittance at the bent portion of the line defect waveguide is improved as compared with the conventional case. Therefore, even if the line defect waveguide is designed by giving priority to characteristics other than the light transmittance at the bent portion, the light transmittance at the bent portion is maintained equal to or higher than the conventional one. Therefore, it is possible to achieve both the light transmittance at the bent portion and other characteristics, and to improve the characteristics of the entire optical integrated circuit using the photonic crystal. As a result, high integration and productivity improvement of the optical integrated circuit are realized.
(Embodiment 2)
Next, another example of the embodiment of the photonic crystal optical waveguide of the present invention will be described. In the first embodiment, the case where the bent portion of the line defect waveguide is configured by three line defect pillars has been described. However, simply shifting the three-line defect column from the periodic arrangement may not sufficiently improve the light transmittance at the bent portion of the line-defect waveguide. For example, when the crossing angle of the plane wave electromagnetic fields constituting the waveguide mode is greatly deviated from 90 °, the light transmittance is not sufficiently improved. In such a case, the light transmittance can be increased by increasing the number of line defect columns constituting the bent portion.
図6に本実施形態に係るフォトニック結晶体を構成している円柱(結晶)の配置を示す。もっとも、本実施形態に係るフォトニック結晶体と実施形態1に係るフォトニック結晶体の基本構造は同一である。そこで、同一の構成については同一の符号を用いて説明に代える。 FIG. 6 shows the arrangement of cylinders (crystals) constituting the photonic crystal body according to the present embodiment. However, the basic structures of the photonic crystal body according to the present embodiment and the photonic crystal body according to the first embodiment are the same. Therefore, the same components are replaced with descriptions using the same reference numerals.
本例のフォトニック結晶体と、実施形態1のフォトニック結晶体との相違点は、線欠陥導波路の曲線部を構成している線欠陥柱の数である。
図6に示す曲線部5は、図2に示す2つの線欠陥柱11b’、11b’にそれぞれ隣接する線欠陥柱12b’、12b’を加えた合計5つの線欠陥柱によって構成されている。曲線部5を構成しているこれら5つの線欠陥柱は、いずれも直線Xおよび直線Yに対して、屈曲部の曲がりの内側にずれている。曲線部5の中央(頂点)に位置する線欠陥柱11bのずれ量が最大であり、交点Pから+X方向および−Y方向にそれぞれ格子定数の12.5%に相当する距離(ax1、ay1)だけずれている。また、線欠陥柱11bの両隣の線欠陥柱11b’、11b’は、線欠陥柱11bの上記ずれ量の40%に相当する距離(ax2、ay2)だけずれている。具体的には、直線Yに近接している線欠陥柱11b’は、直線Yから+X方向に距離(ax2)だけずれている。一方、直線Xに近接している線欠陥柱11b’は、直線Xから−Y方向に距離(ay2)だけずれている。また、線欠陥柱12b’、12b’のずれ量が最小であり、線欠陥柱11b’、11b’の上記ずれ量の50%に相当する距離(ax3、ay3)だけずれている。具体的には、直線Yに近接している線欠陥柱12b’は、直線Yから+X方向に距離(ax3)だけずれている。一方、直線Xに近接している線欠陥柱12b’は、直線Xから−Y方向に距離(ay3)だけずれている。曲線部5を構成する各線欠陥柱のずれ量を上記のように設定したのは、各線欠陥柱を滑らかな曲線上に分布させるためである。The difference between the photonic crystal body of this example and the photonic crystal body of the first embodiment is the number of line defect columns constituting the curved portion of the line defect waveguide.
The
尚、3つの線欠陥柱によって曲線部を構成する場合、曲線部の頂点(中央)に位置する線欠陥柱(例えば、図2に示す線欠陥柱11b)のX,Y方向へのずれ量は、格子定数の5%〜20%の範囲とすることが望ましい。中央の線欠陥柱に最も近接する線欠陥柱のずれ量は、中央の線欠陥柱のずれ量の20%〜60%であることが望ましい。さらに、中央の線欠陥柱に2番目に隣接する線欠陥柱のずれ量は、中央の線欠陥柱に最も近接する線欠陥柱のずれ量の30%〜70%であることが望ましい。
When the curved portion is constituted by three line defect columns, the amount of deviation in the X and Y directions of the line defect column (for example, the
曲線部が非対象な構造である場合も含めると、曲線部を構成する線欠陥柱の数に得に制限はない。少なくとも、90°曲がりの頂点の線欠陥柱、すなわち、直線Xと直線Yの交点Pに最も近い線欠陥柱のみが周期的配置からずれていればよい。しかしながら、曲線部が5個の線欠陥柱から構成されていれば、十分な透過特性の向上効果が得られる。曲線部がより少ない数の線欠陥柱によって構成されている場合には、各線欠陥柱の位置の決め方が単純になり、生産性が向上する。
(実施形態3)
これまでは、従来の線欠陥導波路では、屈曲部において、導波光の電磁界分布が線欠陥の中心線よりも外側にずれる場合を前提として本発明の実施形態のいくつかについて説明した。
しかし、線欠陥導波路の屈曲部において、導波光の電磁界分布が線欠陥の中心線よりも内側にずれる場合もある。このような場合には、図7に示すように、曲線部5を構成している線欠陥柱11b、11b’、11b’を屈曲部の曲がりの外側にずらす。これによって、電磁界が導波路の屈曲部の外側に引き戻される。図7に示す例では、線欠陥柱11が交点(原点)Pから−X方向および+Y方向にずれている。また、2つの線欠陥柱11b’の一方は、直線Yから−X方向にずれており、2つの線欠陥柱11b’の他方は、直線Xから+Y方向にずれている。Including the case where the curved portion has an untargeted structure, the number of line defect columns constituting the curved portion is not limited. At least the line defect column at the apex of the 90 ° bend, that is, the line defect column closest to the intersection P between the straight line X and the straight line Y only needs to deviate from the periodic arrangement. However, if the curved portion is composed of five line defect pillars, a sufficient effect of improving transmission characteristics can be obtained. When the curved portion is constituted by a smaller number of line defect pillars, the method of determining the position of each line defect pillar becomes simple and productivity is improved.
(Embodiment 3)
So far, in the conventional line defect waveguide, some of the embodiments of the present invention have been described on the assumption that the electromagnetic field distribution of the guided light is shifted outside the center line of the line defect in the bent portion.
However, in some cases, the electromagnetic field distribution of the guided light is shifted inward from the center line of the line defect at the bent portion of the line defect waveguide. In such a case, as shown in FIG. 7, the
また、図8に示すように、図7に示す2つの線欠陥柱11b’、11b’にそれぞれ隣接する線欠陥柱12b’、12b’も曲がりの外側にずらしてもよい。何れの場合も屈曲点(線欠陥柱11b)に向かって、その他の線欠陥柱11b’や12b’が滑らかな曲線を描くように並べる。
Further, as shown in FIG. 8, the
導波路の向きが変わる屈曲点において、導波光の電磁界が格子の周期的配置から外れないようにするために、更に別の手段として、屈曲部の曲がりの内側に配置された非線欠陥柱の面積を小さくしてもよい。 In order to prevent the electromagnetic field of guided light from deviating from the periodic arrangement of the grating at the bending point where the direction of the waveguide changes, as another means, a non-linear defect column arranged inside the bending of the bending part The area may be reduced.
光は屈折率の高い方に曲がろうとする性質がある。屈曲部の曲がりの内側に断面積が小さく、屈折率が高い柱が配置されていると、その柱の近傍の平均的な屈折率が低下する。従って、屈曲部の曲がりを通過する導波光が外側に押しやられる。 Light has the property of bending toward a higher refractive index. If a column having a small cross-sectional area and a high refractive index is arranged inside the bent portion, the average refractive index in the vicinity of the column is lowered. Therefore, the guided light passing through the bent portion is pushed outward.
より具体的にする。図2に示す非線欠陥柱10cの前記x−y平面における断面積を、第一の直線部3を構成している線欠陥に隣接している非線欠陥柱10a’の前記x−y平面における断面積と前記第二の直線部を構成している線欠陥に隣接している非線欠陥10a’’の前記x−y平面における断面積との相加平均値(面積S2)の80〜100%に相当する面積とする。ここで、非線欠陥柱10cは、屈曲部を構成している3つの線欠陥柱11b、11b’、11b’のそれぞれに最も近接している非線欠陥柱である。さらに、上記のとおり、線欠陥柱11bは、交点Pに最も近接している線欠陥柱11bである。また、2つの線欠陥柱11b’、11b’は、線欠陥柱11bに隣接している線欠陥柱である。シミュレーションによると、非線欠陥柱10cの断面積が上記範囲内であるときに、屈曲部における電磁界の位置を補正する効果が得られる。特に、非線欠陥柱10cの断面積が上記相加平均値(面積S2)の90%に相当する面積であるときに、屈曲部における電磁界の位置を補正する効果が大きい。
Make it more specific. The cross-sectional area of the
これまでは、屈曲部を通過する導波光が格子の周期的配置から外れる現象について述べてきた。この現象は、導波光の軌道が、屈曲部の曲がりの軌道から外れる現象である。しかし、導波光の軌道上で、光エネルギーの進行方向における分布が不均一になる場合にも透過率が低下する。これは、線欠陥柱の列の近傍の屈折率分布が周期性を失い、不均一になるためである。 So far, a phenomenon has been described in which guided light passing through the bent portion deviates from the periodic arrangement of the grating. This phenomenon is a phenomenon in which the orbit of guided light deviates from the orbit of the bent portion. However, the transmittance also decreases when the distribution of the light energy in the traveling direction of the guided light becomes non-uniform. This is because the refractive index distribution in the vicinity of the line defect column row loses periodicity and becomes non-uniform.
線欠陥導波路の屈曲部の近傍の平均的な屈折率が増大する場合には、屈曲部を構成している線欠陥柱の断面積を小さくすることによって、屈折率の増加を補償するとよい。より具体的に説明する。図2に示す線欠陥柱11bのx−y平面における断面積を、第一の直線部3および第二の直線部4の末端の線欠陥柱10bのx−y平面における断面積の相加平均値(面積S1)と、第一の直線部3に隣接する非線欠陥柱10aのx−y平面における断面積と第二の直線部4に隣接する非線欠陥柱10aのx−y平面における断面積との相加平均値(面積S2)との相加平均値に相当する面積(S12)の60%〜100%に相当する面積とする。なお、第一の直線部3および第二の直線部4の末端の線欠陥柱10bとは、互いに隣接している2つの線欠陥柱である。また、線欠陥柱11bは、交点Pに最も近接する線欠陥柱であることは既述のとおりである。
When the average refractive index in the vicinity of the bent portion of the line defect waveguide increases, the increase in the refractive index may be compensated by reducing the cross-sectional area of the line defect column constituting the bent portion. This will be described more specifically. The cross-sectional area of the
シミュレーションによると、線欠陥柱11bのx−y平面における断面積が上記範囲内であるときに、屈曲部における電磁界の位置を補正する効果が得られる。特に、線欠陥柱11bのx−y平面における断面積が上記面積(S12)の80%であるときに、屈曲部における電磁界の位置を補正する効果が大きい。
According to the simulation, the effect of correcting the position of the electromagnetic field in the bent portion is obtained when the cross-sectional area of the
以上、本発明のフォトニック結晶光導波路の実施形態のいくつかについて説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、曲線部を構成する線欠陥柱の周期的配置に対するずれ量として上で述べた数値は一例であり、必要に応じて適宜変更することができる。この場合、FDTDシミュレーション(有限差分時間領域シミュレーション)によって、曲線部を構成する線欠陥柱の数やずれ量の最適化を図ることが望ましい。具体的には、線欠陥柱の数やずれ量を変更しながら、線欠陥の中心線に対する電磁界分布のずれが補正される様子を確認する。 Although some of the embodiments of the photonic crystal optical waveguide of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above embodiments. For example, the numerical value described above as an amount of deviation with respect to the periodic arrangement of the line defect columns constituting the curved portion is an example, and can be appropriately changed as necessary. In this case, it is desirable to optimize the number of line defect columns and the amount of deviation constituting the curved portion by FDTD simulation (finite difference time domain simulation). Specifically, it is confirmed that the deviation of the electromagnetic field distribution with respect to the center line of the line defect is corrected while changing the number of line defect columns and the amount of deviation.
また、曲線部を構成している線欠陥柱以外の円柱を変位させたり、その断面積を増減させたりすることもできる。さらには、柱は必ずしも円柱である必要はなく、四角柱や八角柱など、他の形状であってもよい。 In addition, it is possible to displace a cylinder other than the line defect column constituting the curved portion, and to increase or decrease the cross-sectional area thereof. Furthermore, the column does not necessarily have to be a cylinder, and may have another shape such as a quadrangular column or an octagonal column.
次に、本発明のフォトニック結晶体の製法について概説する。本発明のフォトニック結晶体は、SOIウエハ(Silicon On Insulator Wafer)を用いて作製することができる。例えば、厚みが2.0μmの埋め込み酸化膜と、厚みが1.0μmのシリコン活性層とが形成されたSOIウエハを用いることができる。 Next, the method for producing the photonic crystal of the present invention will be outlined. The photonic crystal of the present invention can be produced using an SOI wafer (Silicon On Insulator Wafer). For example, an SOI wafer in which a buried oxide film having a thickness of 2.0 μm and a silicon active layer having a thickness of 1.0 μm are formed can be used.
初めに、電子線露光技術を使って、図2や図7などに示すパターンを描画する。導波光の波長が1.55μmである場合は、格子定数を0.4μm、円柱の直径を0.24μm、線欠陥柱の直径を0.16μmとする。
次に、異方性ドライエッチングによって、描画されたレジストパターンに従ってシリコン活性層を垂直に加工する。First, the pattern shown in FIG. 2, FIG. 7, etc. is drawn using an electron beam exposure technique. When the wavelength of the guided light is 1.55 μm, the lattice constant is 0.4 μm, the diameter of the cylinder is 0.24 μm, and the diameter of the line defect column is 0.16 μm.
Next, the silicon active layer is vertically processed according to the drawn resist pattern by anisotropic dry etching.
その後、残ったレジストパターンをアセトンで除去し、最後に埋め込み酸化膜と同じ1.45の屈折率を有する紫外線硬化樹脂を塗布し、硬化させる。 Thereafter, the remaining resist pattern is removed with acetone, and finally an ultraviolet curable resin having the same refractive index of 1.45 as that of the buried oxide film is applied and cured.
この出願は、2007年10月1日に出願された日本出願特願2007−257617を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。 This application claims the priority on the basis of Japanese application Japanese Patent Application No. 2007-257617 for which it applied on October 1, 2007, and takes in those the indications of all here.
Claims (15)
前記線欠陥は、直線Yに沿って形成された第一の直線部と、前記直線Yと直交する直線Xに沿って形成された第二の直線部と、前記第一の直線部と前記第二の直線部の互いに近接する端部同士を繋ぐ曲線部とを有し、
前記第一の直線部は、前記直線X及び前記直線Yを含むx−y平面における断面の重心が前記直線Y上に並べられた複数の線欠陥柱から構成され、
前記第二の直線部は、前記x−y面における断面の重心が前記直線X上に並べられた複数の線欠陥柱から構成され、
前記曲線部は、前記x−y平面における断面の重心が、前記第一の直線部を構成する前記複数の線欠陥柱のうちで前記直線Xと前記直線Yとの交点Pに最も近接した線欠陥柱の前記断面の重心と、前記第二の直線部を構成する前記複数の線欠陥柱のうちで前記交点Pに最も近接した線欠陥柱の前記断面の重心とを結ぶ曲線上に並べられた複数の線欠陥柱から構成される、フォトニック結晶体。A photonic crystal formed with a line defect waveguide in which the direction of the line defect is changed by 90 °,
The line defect includes a first straight line portion formed along a straight line Y, a second straight line portion formed along a straight line X orthogonal to the straight line Y, the first straight line portion, and the first straight line portion. A curved portion connecting the adjacent ends of the two straight portions,
The first straight line portion is composed of a plurality of line defect columns in which the center of gravity of a cross section in an xy plane including the straight line X and the straight line Y is arranged on the straight line Y,
The second straight portion is composed of a plurality of line defect columns in which the center of gravity of the cross section in the xy plane is arranged on the straight line X,
The curved line is a line whose center of gravity of the cross section in the xy plane is closest to the intersection P between the straight line X and the straight line Y among the plurality of line defect columns constituting the first straight line part. Arranged on a curve connecting the center of gravity of the cross section of the defective column and the center of gravity of the cross section of the line defect column closest to the intersection point P among the plurality of line defect columns constituting the second straight line portion. A photonic crystal composed of a plurality of line defect pillars.
前記直線Yに近接している線欠陥柱は、前記直線Y上から前記直線Xに沿って前記距離(ax1)の20%〜60%に相当する距離(ax2)だけずれた位置に配置され、
前記直線Xに近接している線欠陥柱は、前記直線X上から前記直線Yに沿って前記距離(ay1)の20%〜60%に相当する距離(ay2)だけずれた位置に配置されている、請求の範囲第3項乃至第5項に記載のフォトニック結晶体。Of the two line defect pillars adjacent to the line defect pillar closest to the intersection P,
The line defect pillars close to the straight line Y are arranged at positions shifted from the straight line Y along the straight line X by a distance (ax2) corresponding to 20% to 60% of the distance (ax1).
The line defect pillars close to the straight line X are arranged along the straight line Y by a distance (ay2) corresponding to 20% to 60% of the distance (ay1). The photonic crystal body according to any one of claims 3 to 5, wherein
前記直線Yに近接する線欠陥柱は、前記直線Y上から前記直線Xに沿って前記距離(ax2)の30%〜70%に相当する距離(ax3)だけずれた位置に配置され、
前記直線Xに近接する方の線欠陥柱は、前記直線X上から前記直線Yに沿って前記距離(ay2)の30%〜70%に相当する距離(ay3)だけずれた位置に配置されている、請求の範囲第6項乃至第8項に記載のフォトニック結晶体。Of the two line defect columns that are second adjacent to the line defect column closest to the intersection P,
The line defect column adjacent to the straight line Y is arranged at a position displaced from the straight line Y along the straight line X by a distance (ax3) corresponding to 30% to 70% of the distance (ax2).
The line defect pillar closer to the straight line X is arranged at a position shifted from the straight line X along the straight line Y by a distance (ay3) corresponding to 30% to 70% of the distance (ay2). The photonic crystal body according to any one of claims 6 to 8, wherein
前記第一の直線部を構成する線欠陥に隣接している非線欠陥柱の前記x−y平面における断面積と前記第二の直線部を構成する線欠陥に隣接している非線欠陥柱の前記x−y平面における断面積との相加平均値に相当する面積(S2)の80%〜100%に相当する面積、または前記面積(S2)の100〜120%に相当する面積である、請求の範囲第1項乃至第11項のいずれかに記載のフォトニック結晶体。The cross-sectional area in the xy plane of the non-linear defect column that is closest to each line defect column that constitutes the curved portion is:
The cross-sectional area in the xy plane of the non-linear defect column adjacent to the line defect constituting the first linear portion and the non-linear defect column adjacent to the line defect constituting the second linear portion The area corresponding to 80% to 100% of the area (S2) corresponding to the arithmetic average value with the cross-sectional area in the xy plane, or the area corresponding to 100 to 120% of the area (S2). The photonic crystal body according to any one of claims 1 to 11.
前記第一の直線部と前記第二の直線部の互いに近接する端部に配置された線欠陥柱の前記x−y平面における断面積の相加平均値に相当する面積(S1)と、
前記第一の直線部を構成する線欠陥柱に隣接している非線欠陥柱の前記x−y平面における断面積と前記第二の直線部を構成する線欠陥柱に隣接している非線欠陥柱の前記x−y平面における断面積との相加平均値に相当する面積(S2)と、の相加平均値に相当する面積(S12)の60%〜100%に相当する面積、または前記面積(S12)の100%〜140%に相当する面積である、請求の範囲第1項乃至第13項のいずれかに記載のフォトニック結晶体。The cross-sectional area of the line defect column closest to the intersection P in the xy plane is
An area (S1) corresponding to the arithmetic average value of the cross-sectional areas in the xy plane of the line defect pillars arranged at the ends adjacent to each other of the first straight part and the second straight part;
The cross-sectional area in the xy plane of the non-linear defect column adjacent to the line defect column constituting the first straight portion and the non-line adjacent to the line defect column constituting the second straight portion. An area corresponding to 60% to 100% of an area (S2) corresponding to an arithmetic average value of the cross-sectional area in the xy plane of the defective column (S2), or The photonic crystal body according to any one of claims 1 to 13, which is an area corresponding to 100% to 140% of the area (S12).
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