CN100439952C - 具有异晶结构的光子晶体及利用该晶体的光学器件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种能够将具有一定宽度的波长带内的光进行合波/分波的光子晶体。在平板状的主体(21)上设置多个禁带区域(211)、(212)，并将空孔(221)、(222)按照在每个禁带区域中不同的周期及大小的方式进行配置。形成沿着相对于禁带区域(211)-(212)间的边界(23)的垂直线倾斜+30°方向延伸的主干波导(24)、以及沿倾斜-30°方向延伸的分支波导(25)。禁带区域(212)内的主干波导(24)的透过波长带不包含而禁带区域(211)内的主干波导(24)的透过波长带包含的合分波波长带内的光，在边界(23)上反射，由此从主干波导(24)分波到分支波导(25)。具有一定宽度的合分波波长带内的全部波长的光就这样分波到分支波导(25)。由此，即使由于误差产生光信号波长的偏离也能够进行分波。合波时也相同。

Description

具有异晶结构的光子晶体及利用该晶体的光学器件
技术领域
本发明涉及一种在波分复用等中的光合分波器或光发送接收器等所使用的光子晶体。还有，本申请中使用的“光”也包括可见光以外的电磁波。
背景技术
近年来，光通信线路并非停留在仅连结城市间的主干线路而是不断普及到一般家庭。一般家庭中为了利用光通信需要每个家庭分别拥有将光信号和电信号相互转换的光发送接收模块。一般而言，光发送接收模块由光发送器、光接收器、波长合分波器这样的3个构成要素构成。其中，光发送器主要使用激光器二极管(LD)，光接收器主要使用光电二极管(PD)。波长合分波器至今使用施加了绝缘体多层膜加工的平板玻璃或立方棱镜类部件。但是，这些皆是比较大型的部件，为了对一般家庭进行普及，而期望着更小型化的波长合分波器。
作为新的光学器件，近年引人注目的有光子晶体。光子晶体是在电解质上形成人工周期构造的晶体。通常，周期构造是将折射率与电介质主体不同的区域(修正折射率区域)周期地设置在主体内而形成的。通过该周期构造，在晶体中与光能量有关地形成带结构，从而形成禁止光传播的能量区域(Photonic Band Gap：PBG，光子带隙)。形成PBG的能量区域(波长带)，由电介质的折射率以及周期构造的周期来确定。
通过在光子晶体中导入适当的缺陷，而使PBG中形成特定能级(缺陷能级)，由此，能够仅使对应于该缺陷能级的波长的光在该缺陷附近存在。这样的光子晶体，通过使该缺陷设置为点状而能够作为该波长的光学共振器(点状缺陷)进行使用；通过设置为线状而能够作为波导(线状缺陷)进行使用。由此，若按照使共振器和波导接近的方式进行设置，该光子晶体就能够作为波长合分波器进行使用。在该波长合分波器中，不仅能将在波导内传播的各种波长光中与共振器的共振波长一致的波长的光取出到外部(分波器)，而且能将光从外部导入到波导内(合波器)。使用了光子晶体的波长合分波器，能够比以往的使用多层膜平板玻璃或立方棱镜的合分波器小型化。
这样的波长合分波器在专利文献1中公开并记载：通过对点状缺陷的大小及形状进行适当的设定，能够对规定波长的光进行合波/分波。另外，专利文献2记载有二维光子晶体波长合分波器，其在具有多个不同周期的区域(禁带区域)的二维光子晶体上设置通过多个禁带区域的波导以及设置在每个禁带区域内的共振器。在该结构中，借助于各区域周期的不同，能够由每个共振器进行不同波长光的合波/分波。
专利文献1：特开2001-272555号公报([0023]～[0027]、图1)
专利文献2：特开2003-279764号公报([0029]～[0034]、[0057]～[0059]、图17、图18)
二维光子晶体中的点状缺陷，使得共振光的波长带的宽度较窄。尽管LD的发光波长带也非常狭窄，但由于该发光的中心波长自身通过制造等存在离散偏差，从而难以制造与目标波长严密一致的制品。由此，在将二维光子晶体波长合分波器使用在光发送接收模块中时，需要对LD进行调谐(选择)，以便使LD中使用的波长落入点状缺陷共振器的狭窄波长带内。通过进行该调谐，能够构成使用具有点状缺陷的二维光子晶体波长合分波器的、长距离主干系(support system)用的高精度的光发送接收模块。
但是，在一般家庭用的光发送接收模块中，从成本的观点来看难以进行这样的LD波长调谐。由此，希望能够借助于波长合分波器将具有一定宽度的波长带内的光进行合波/分波，从而吸收所使用的LD的波长的离散偏差。
发明内容
本发明要解决的课题，是提供一种能够适当应用在一般家庭用的光发送接收模块等上、能够对具有一定宽度的波长带内的光进行合波/分波的光子晶体。
为了解决所述问题而作成的本发明涉及的具有异晶结构的光子晶体，其特征在于，具备：
a)相互邻接的第1禁带区域和第2禁带区域；
b)主干波导，其是倾斜地通过两禁带区域的边界的波导，并按照作为第1禁带区域中的透过波长带的一部分即的合分波波长带，位于第2禁带区域中的透过波长带以外的方式，进行设定；以及
c)分支波导，其是从主干波导的与所述边界的交叉点分路到第1禁带区域内的波导，并按照其透过波长带包含所述合分波波长带的方式进行设定。
在所述结构中，沿主干波导串联设置多个禁带区域，各禁带区域的合分波波长带按照包含在位于上流侧的、全部的禁带区域中的主干波导的透过波长带的方式进行设定，该上流侧被定义为分支波导从禁带区域间的边界和主干波导的交叉点分路的一侧。这时，作为优选，对该禁带区域的主干波导的透过波长带的光进行遮断的遮挡区域连接在最下流侧的禁带区域，不仅将该禁带区域和遮挡区域的边界以相对于主干波导倾斜的方式形成，而且设置从该边界和主干波导的交叉点分路到该禁带区域内的分支波导。
还有，在本申请中，为了方便，将本发明的光子晶体作为光分波器应用时，将与主干波导中进行传播的光的上流侧及下流侧相对应的方向记载为“上流侧”及“下流侧”。
所述禁带区域优选由通过在平板状的主体上周期性地设置折射率与该主体的不相同的区域(修正(modified)折射率区域)的二维光子晶体构成。特别是，优选按照把所述修正折射率区域的缺陷设置为线状的方式形成所述主干波导，并且该修正折射率区域的周期在所述每个禁带区域中不同。或者，优选按照把所述修正折射率区域的缺陷设置为线状的方式形成所述主干波导，并且该修正折射率区域的形状或大小在所述每个禁带区域中不同。另外，优选所述修正折射率区域由空气(即空孔)构成。
优选为，按照所述合分波波长带内的光传播，而在主干波导中传播的、该合分波波长带以外的规定波长带的光不传播的方式，构成所述分支波导。此时，以下任何一种或其组合的结构更为优选。
(1)按照所述合分波波长带内的光传播，而在主干波导中传播的、该合分波波长带以外的规定波长带的光不传播的方式，设定所述分支波导的宽度。
(2)所述禁带区域由具有平板状的主体的二维光子晶体构成，并设置与所述分支波导接连的包覆构件。
(3)在所述分支波导内设置弯曲部。此时，优选为，由通过在平板状的主体上周期性地设置折射率与该主体的不相同的区域而形成的二维光子晶体构成所述禁带区域，并使位于所述弯曲部附近的修正折射率区域的大小和/或形状，与其他修正折射率区域的大小和/或形状不同。
(4)由通过在平板状的主体上周期性地设置折射率与该主体的不相同的区域而形成的二维光子晶体构成所述禁带区域，使将位于所述主干波导和所述分支波导的连接部附近的修正折射率区域的大小和/或形状，与其他修正折射率区域的大小和/或形状不同。
上述任何一种光子晶体，作为以主干波导为输入波导并以分支波导为输出波导的光分波器、以及以分支波导为输入波导并以主干波导为输出波导的光合波器，而发挥功能。
另外，能够通过上述任何一种光子晶体、设置于分支波导或第2禁带区域侧的主干波导的任何一方的光发送器、以及设置于另一方的光接收器。
在本发明中，将具有至少两个禁带区域(第1禁带区域及第2禁带区域)的光子晶体作成母体(有关禁带区域将后述)。光子晶体可以是具有平面结构的二维光子晶体、或具有立体结构的三维光子晶体的任意一种，但二维的易于制造。二维光子晶体，例如能够通过在平板状的主体上将修正折射率区域周期性地进行设置而形成。在此，修正折射率区域能够通过将折射率与主体不同的有形部件埋入主体内而形成，但从能够使折射率差增大以及制造上容易的观点而言，更优选形成为空孔。
主干波导以通过第1及第2禁带区域的方式形成。禁带区域意味着在该禁带区域内形成的主干波导的透过波长带(在波导内能够进行传播的波长带)为单一的区域。主干波导能够通过线状地设置将光子晶体的周期结构的无序(disordered)的区域而形成。
在此，将第1禁带区域中的透过波长带的一部分设定得位于第2禁带区域中的透过波长带以外。将该一部分波长带称为“合分波波长带”。由于主干波导的透过波长带依赖于光子晶体的周期结构而变化，所以，通过将每个禁带区域的周期结构形成为不同，能够调节每个禁带区域的主干波导的透过波长带。例如，在设置了所述修正折射率区域的二维光子晶体的情况下，只要邻接的修正折射率区域间的距离在每个禁带区域中不同即可。另外，即使每个禁带区域的周期相同，只要修正折射率区域的形状或大小不同就能够同样地调节主干波导的透过波长带。
因而，主干波导以相对于禁带区域的边界倾斜而通过的方式形成(将这样的边界称为“倾斜边界”)。至于倾斜边界的形状，是其与主干波导的交叉点中的接触线(二维光子晶体时)或接触面(三维光子晶体时)相对于主干波导倾斜，也就是说只要不垂直或不平行即可，而该交叉点以外位置中的倾斜边界的形状没有特别限定。
进一步，将从倾斜边界和主干波导的交叉点进行分路的分支波导设置在第1禁带区域内。该分支波导以其透过波长带包含第1禁带区域的合分波波长带的方式进行设定。例如，在将修正折射率区域周期性地设置成三角格子状的二维光子晶体的情况下，在将分支波导沿相对于第1禁带区域的主干波导旋转了60°的方向进行设置时，该分支波导的透过波长带中包含第1禁带区域的合分波波长带。还有，即使在该例中与主干波导形成的角度为60°以外，也存在分支波导包含在第1禁带区域的合分波波长带的情况。
对本发明的光子晶体的动作进行说明。
使包含合分波波长带的波长的光的多个波长成分所叠加的光从第1禁带区域侧向主干波导传播。具有该合分波波长带内的波长的光，能够在第1禁带区域内的主干波导中传播，但不能在第2禁带区域内的主干波导中传播。由此，该波长的光在两禁带区域的边界上反射。反射的光，其一部分在第1禁带区域的主干波导中在逆着所述叠加光方向进行传播，除此以外被导入到分支波导。在此，通过将第1禁带区域和第2禁带区域的边界形成得相对主干波导倾斜，能够抑制反射光在主干波导中逆方向传播。这样进行的话，能够作为，将具有合分波波长带内的波长的光从主干波导分波到规定的分支波导的分波器，而发挥功能。同样地，也能够作为将具有该合分波波长带内的波长的光从分支波导合波到主干波导的合波器而发挥功能。
能够沿主干波导3个以上形成上述那样的禁带区域、以及形成((禁带区域的数目)-1)个倾斜边界及分支波导。这时，在分别将各禁带区域视为所述第1区域时，在与此对应的第2区域间形成倾斜边界，并使分支波导从该倾斜边界和主干波导的交叉点分路。并且，在各禁带区域中，能够将合分波波长带的波长的光在位于该区域的上流侧的主干波导中进行传播并到达该区域，并且，在位于主干波导的上流侧的所有的禁带区域中的主干波导的透过波长带，包含该禁带区域的主干波导的合分波波长带。
例如，如图1所示，在位于禁带区域12内的主干波导中形成透过波长带121，并以向比透过波长带121短的波长侧移动的方式，形成位于禁带区域11内的主干波导的透过波长带111。因而，从禁带区域11观察，在位于禁带区域12的相反侧(倾斜边界的相反侧)的禁带区域13、禁带区域14…内的主干波导中，以朝向长波长侧移动的方式，顺次形成透过波长带131、141……。由此，透过波长带121中包含、而透过波长带111中的不包含的合分波波长带122，能够透过禁带区域12、13、14…内的主干波导，但由于不能透过禁带区域11内的主干波导，因此在禁带区域11和禁带区域12的倾斜边界被反射。同样地，在禁带区域13、14…内的主干波导中形成合分波波长带132、142，而它们所包含的波长的光在禁带区域12-13间、禁带区域13-14间…的倾斜边界上被反射。这样，在各禁带区域中能够分别将规定的合分波波长带的光分波到分支波导。
在将禁带区域设置为3个以上时，如所述那样，优选位于主干波导的最下流侧的禁带区域，连接不使该禁带区域内的主干波导中的透过波长带内的波长的光透过的遮挡区域，使主干波导相对于该禁带区域和遮挡区域的边界倾斜地形成，并设置从该边界和主干波导的交叉点分路到该禁带区域内的分支波导。该遮挡区域能够由其光子带隙包含该禁带区域的透过波长带的光子晶体构成。在该结构中，叠加波或所述规定波长带的光从分支波导被输入输出。通过设置这样的分支波导，即使在与遮挡区域邻接的禁带区域中也能够与其他的禁带区域同样地使光输入输出。例如，由于能够平行地形成该分支波导和其他的分支波导，从而能够将全部的输入输出部设置在光子晶体的同一侧面。
在光子晶体内形成波导和点状缺陷共振器的现有的波长合分波器中，只有位于共振器的共振波长周围的狭窄波长带的光能够进行合波·分波。相对于此，在使用本发明的光子晶体的波长合分波器中，位于合分波波长带内的全部波长的光皆可以合波·分波。由此，合波·分波的光的波长带具有比使用点状缺陷共振器时更宽的宽度。由此，即使从LD发出的光的波长产生偏离设计值的离散偏差时，在本发明的光子晶体波长合分波器中，只要该离散偏差位于合分波波长带内也能够进行合波·分波。通过这样适应波长的离散偏差，能够降低光通信机器的成本。
接着，对在分支波导内进行传播的光进行讨论。在分波时，除了位于所述合分波波长带内的波长的光，全部在与第2禁带区域的边界上被反射外，在第2区域内的主干波导能够传播的光的一部分也在该边界上反射。由此，存在分支波导内混入期望波长带以外的波长的光之担心。为了排除或降低这样波长的光的传播，优选将分支波导构成为，按照所述合分波波长带内的规定波长带的光传播、在主干波导中进行传播的该合分波波长带以外的规定波长带的光不传播。
这样的分支波导能够通过以下方式被形成：例如(1)利用随着将波导的宽度设得不同而使透过波长带移动或使其宽度增加或减少，来对分支波导的宽度进行适当的设定；或者(2)也可以以与二维光子晶体中的分支波导接连的方式设置折射率比空气高的部件(包覆构件)，从而使一部分的波长带的光漏出到晶体外部。这时，包覆构件也可以设置在平板的上下任何一面。关于设置这样的包覆构件的示例，记载在第50次应用物理学会共同关联演讲会演讲预约稿集第3分册(2003年)第1129页(社团法人应用物理学会发行)，田中良典等“诸如TM的平板波导模对二维光子晶体波导的影响”中。通过按照合分波波长带外的规定波长带的光漏出到晶体外部的方式设置包覆构件，能够使合分波波长带以外的规定波长带的光在分支波导内不传播。另外，(3)在将修正折射率区域周期性地设置在平板状主体上的二维光子晶体中，即使位于主干波导和分支波导的连接部附近的修正折射率区域(在设置弯曲部时，也可以是其附近的修正折射率区域)的大小、形状或其双方，与其他的修正折射率区域的大小、形状或其双方不同，藉此也能够控制该分支波导的透过波长带。进一步，(4)也可以形成具有以规定角度弯曲的形状的分支波导。这时，能够将透过弯曲部的波长带变狭。这记载在A.Chutinun等，Physical Review B，第62卷(2000年)，第4488～4491页(美国物理学会发行)。另外，(4)中在利用将修正折射率区域周期性地设置在平板状的主体上的二维光子晶体的情况下，进一步通过将位于弯曲部附近的修正折射率区域的大小、形状或这两者，与其他的修正折射率区域的大小、形状或这两者不同，能够更加适当地控制分支波导的透过波长带。
通过这些方法，对分支波导的透过波长带进行控制，以不包含合分波波长带以外的规定波长带、或使这些规定波长带的光漏出到晶体外部的方式，能够使该规定波长带的光在分支波导中不传播。
通过在本发明的光子晶体的分支波导或第2禁带区域侧的主干波导的任何一方设置光发送器、在另一方设置光接收器，可以构成光发送接收器。与现有的光发送接收器同样地能够将LD作为光发送器使用，将PD作为光接收器使用。在将光发送器设置在主干波导的所述位置以及将光接收器设置在分支波导的情况下，将合分波波长带内的波长的光用作接收用的信号，将所述位置中的主干波导的透过波长带的波长的光用作发送用的信号。这时，接收用的信号由倾斜边界反射并通过分支波导由光接收器接收，发送用的信号不由倾斜边界反射而从光发送器发送到外部。与此相反地，在将光接收器设置在主干波导而将光发送器设置在分支波导的情况下，只要将发送用和接收用的波长带与上述完全相反即可。
附图说明
图1是表示在本发明中形成在各禁带区域内的波导的透过波长带的一例的图。
图2是表示本发明涉及的二维光子晶体的第1实施例的俯视图。
图3是表示本实施例的二维光子晶体的波导透过波长带的图。
图4是表示本实施例的二维光子晶体作为(a)分波器及(b)合波器发挥功能的俯视图。
图5(a)及(b)分别表示本实施例及现有的二维光子晶体中进行合波/分波的光的波长带的图。
图6是在本实施例的二维光子晶体的分支波导下部设置包覆构件的示例的俯视图。
图7是表示因包覆层部件的有无而产生的光束的变化的图。
图8是表示本实施例的二维光子晶体的、对位于主干波导和分支波导的连接部的附近的空孔的直径进行调节的示例的俯视图。
图9是表示在本实施例的二维光子晶体的分支波导中设置弯曲部的示例的俯视图。
图10是表示第1实施例的变形例的俯视图。
图11是表示第1实施例的变形例的俯视图。
图12是表示第1实施例的变形例的俯视图。
图13是表示本发明涉及的二维光子晶体的第2实施例的俯视图。
图14是表示第1实施例的变形例的俯视图。
图15是表示使用本发明涉及的二维光子晶体的光发送接收器的一个实施例的俯视图。
图中：11、12、13、14、211、212、411、412、413-禁带区域，111、121、131、141、311、312-透过波长带，122、132、142、32-合分波波长带，21-主体，221、222、421、422、423-空孔，23、432、433-边界，24、44-主干波导，25、452、453-分支波导，46-遮挡区域，51-LD，52-PD，53-光纤，611、612-导模，62-空气的标线，63-二氧化硅的标线。
具体实施方式
利用图2的俯视图对具有本发明涉及的异晶结构的光子晶体的第1实施例进行说明。主体21具有平板状的形状，例如由Si或GaAs等材料构成。主体21划分为两个禁带区域211及212。在这两个禁带区域211及212中，分别将半径r1及r2(r1＜r2)的圆柱状(图2中以圆形表现)空孔221及222周期性地配置为三角格子状。三角格子的周期，在禁带区域211中设为a1而在禁带区域212中设为a2(a1＜a2)。通过这样对空孔进行周期性地配置，使得每个禁带区域中形成对应于周期的波长带的域PBG。在本实施例中使空孔的半径比r1∶r2与三角格子的周期比a1∶a2相等。
禁带区域211和212的边界23形成得与三角格子三边中的一边平行。另外，为了形成边界23不需在边界23上设置任何部件，只要在边界23的两侧将空孔的周期及/或大小设定为不同即可。
在三角格子的三边方向中、与边界23的方向不同的方向上，通过使空孔221及222呈线状缺损，来设置通过两禁带区域211及212的主干波导24。如此形成的主干波导24朝向相对于边界23倾斜60°的方向。
在从边界23和主干波导24的交点到三角格子的三边方向中与边界23及主干波导24的方向不同的方向上，使空孔222以线状缺损，从而在禁带区域212内设置分支波导25。因而，分支波导25形成在与主干波导相交60°角度的方向。
对将本实施例的二维光子晶体作为波长合分波器使用时的动作进行说明。作为该波长合分波器作为分波器的功能如下，即从禁带区域212的端部侧(图2的符号262侧)向着边界23将各种波长的重叠波输入到主干波导24，而分别使不同波长带的光分波到主干波导24的禁带区域211的端部侧(符号261侧)及分支波导25(符号263侧)。
在此，对主干波导24及分支波导25的透过波长带进行讨论。首先，在如本实施例那样将r1∶r2和a1∶a2设为相等且小于1的情况下，禁带区域211内的主干波导24的透过波长带311，如图3所示那样向比禁带区域212的透过波长带312短的波长侧移动。因而，在透过波长带312内的长波长侧，形成透过波长带311内未包含的合分波波长带32。另一方面，至于分支波导25，由于具有与禁带区域212内的主干波导24相同周期构造的无序，从而具有与该禁带区域212内的主干波导24相同的透过波长带。
由于在主干波导24中传播的重叠波中具有合分波波长带32内的波长的光(以下设为“光2”)未包含在透过波长带311中，从而不能在禁带区域211内的主干波导24中传播。由此，光2在边界23中被反射。反射的光2一部分返回到输入侧(禁带区域212侧)的主干波导24，但大部分被导入到分支波导25。
另一方面，在主干波导24中传播的叠加波中具有透过波长带311及312双方所包含的波长带33内的波长的光(设为“光1”)，通过边界23而从主干波导24的禁带区域211侧被取出。
如以上那样，光1被分波到主干波导24的禁带区域211侧，而光2被分波到分支波导25侧(图4(a))。相对于此，如果将光1从主干波导24的禁带区域211侧导入，光2从分支波导25导入，则这些光被合波后从主干波导24的禁带区域212侧被取出(图4(b))。
在本实施例中，如图5(a)所示那样，对具有某一定宽度的波长带的光进行合波/分波。相对于此，在专利文献1或专利文献2等所记载的波长合分波器中，利用使空孔缺损为点状而构成的共振器，从而如图5(b)所述那样，仅对共振器中的共振波长λ1，λ2的附近由洛伦兹分布表述的狭窄波长区域的光进行合波/分波。为此，在使用共振器的情况下，如果要合波·分波的光的波长从共振波长偏离，则或不能进行合波·分波，或所合波·分波的光强度降低，相对于此，在本实施例中即使光的波长存在某程度的偏离也能进行合波·分波。
由于存在边界23，使分支波导25中不仅有光2，还混入有主干波导24内的光1的一部分。为了抑制这样的混入，优选形成以下图6、8及9所示的结构。
图6是在分支波导25的下部设置由折射率比空气高的材料构成的包覆构件27的图。例如在主体21由Si构成的情况下，因为通过市售的SOI(silicon on insulator)基板能够将主体和包覆构件形成为一体，所以优选包覆构件27的材料使用SiO2。还有，虽然在此将包覆构件27设置在分支波导25的下部，但也可以将其设置在分支波导25的上部。
利用图7对通过设置这样的包覆构件27而获得的效果进行说明。导模611中比标线62更靠近低频率(长波长)侧的频率区域641的光在禁带区域211内的主干波导中进行传播。另一方面，在禁带区域212内的主干波导及分支波导25中，导模612中比标线62低的频率侧的频率区域632的光进行传播。在此，标线表示比其高的频率(短波长)侧的光漏出到主体面外而不能在波导中传播，并且是满足以下关系式(1)的直线，即关于角频率ω、波数k、光速c及平板表面所接触的部件的折射率n的关系式：
ω＝(c/n)×k…(1)
标线62是将式(1)的n设为空气的折射率即1的直线。所述光1的频率区域是频率区域641，光2的频率区域643是频率区域642中未包含在频率区域641中的部分。因而，频率区域641内的一部分光混入到分支波导25中。通过在分支波导25中设置由折射率1.45的SiO2构成的包覆构件，而使分支波导25的标线移动到比没有包覆构件27时的标线62低的频率(长波长)侧(图中符号63)。因而，由于式(1)的n变为1.45，因此部分混入分支波导25内的光1中比标线63高的频率侧区域65内的光就漏出到主体面外。由此，能够抑制光1混入到从分支波导25的端部(符号263侧)取出的光中。还有，图7表示在下述条件下的计算结果：即，a1＝0.40μm，a2＝0.41μm，r1＝0.29a1＝116nm，r2＝0.29a2＝119nm，两个禁带区域的边界部距离为0.405μm(＝(a1+a2)/2)，禁带区域211内的主干波导24的宽度为0.69μm，禁带区域212内的主干波导24及分支波导25的宽度为0.71μm。
图8表示在主干波导和分支波导的连接部附近设置直径与其他空孔不同的空孔223时的示例。通过将该空孔223的直径减小，能够抑制分支波导25的透过波长带中的、位于高频率侧的光透过率。由此，能够抑制频率比光2高的光1混入到分支波导25中。
图9表示在分支波导25内设置弯曲部27的示例。在该结构中，分支波导25在弯曲部27中沿倾斜60°的方向弯曲。这时，分支波导25的透过波长带中位于高频率侧的光的透过率比没有设置弯曲部时的低(参照上述A.Chutinun等，Physical ReviewB，Vol.62(2000)，p.4490)。由此能够抑制频率比光2高的光1混入到分支波导25中。另外，通过把与弯曲部27接触的空孔224的直径减小，能够进一步抑制光1混入到分支波导25中。
边界及分支波导相对于主干波导的角度并非限定于图2的示例。例如，如图10所示那样，能够按照与主干波导24相交(a)90°或(b)30°角度的方式形成分支波导25。另外，如图11所示那样，也能够按照与主干波导24相交30°的角度的方式形成边界23。并且，在所述各实施例中利用容易设计的方法将r1∶r2和a1∶a2设为相等，但这两者之比也可不同。例如，也可以，如图12所示那样，设计为a1＝a2＝a，而仅使空孔直径r1及r2在每个禁带区域中不同。
图13表示本发明涉及的具有异晶结构的光子晶体的第2实施例。该光子晶体是在主体41上将三个以上禁带区域(禁带区域411、412、413)串联设置而成的，从而边界432、433…形成在分别邻接的禁带区域间。各禁带区域的空孔421、422、423…具有周期a1、a2、a3，以及直径r1、r2、r3而形成。另外，这些值具有a1＜a2＜a3…，r1＜r2＜r3…以及a1∶a2∶a3…＝r1∶r2∶r3…的关系。因而，形成通过全部的禁带区域且与全部的边界432、433斜交叉的主干波导44，以及从边界432、433…与主干波导44的交叉点延伸分支波导452、453…。
在将第2实施例的光子晶体应用到波长合分波器的情况下，下述光由边界432、433…反射并被导入到相应的分支波导452、453…，上述光是包含在分支波导452、453…所属的禁带区域和空孔的周期·直径比其大的全部的禁带区域内的主干波导44的透过波长带中的、并且没有包含在空孔的周期/直径比其小的禁带区域内的主干波导44的透过波长带中的波长带的光。另外，包含在全部禁带区域的透过波长带的波长的光从主干波导44的禁带区域411侧被取出。由此，分别将不同波长带的光分波，并分波到主干波导44的禁带区域411侧及各分支波导中。另外，如果将各波长的光逆向导入，该光子晶体就作为合波器发挥功能。
图14表示第2实施例的变形例。该结构是将未形成主干波导的二维光子晶体(遮挡(block)区域)46与图13的禁带区域411邻接而设置的。该遮挡区域46按照该光子带隙中包含禁带区域411中的主干波导44的透过波长带的方式形成周期结构。禁带区域411和遮挡区域46的边界431，以相对于主干波导44倾斜的方式形成。另外，在禁带区域411中也与其他禁带区域411同样地形成分支波导451。在上述图13的结构中光在禁带区域411内从主干波导44输出输入，相对于此，在图14的结构中，禁带区域411中的输出输入光也与其他的禁带区域同样地从分支波导输出输入。由此，能够将全部的输出输入光从相同方向进行输出输入。
利用图15对使用第1实施例的光子晶体的光发送接收器进行说明。在禁带区域211侧的主干波导24中设置LD51，在分支波导25中设置PD52。另外，将光纤53与禁带区域212侧的主干波导24连接。LD51及PD52与设置在一般家庭等中的通信机器连接，光纤53与光通信线路连接。从通信机器输出的电信号通过LD51转换为规定波长的光信号，并发送到光通信线路。另外，从光通信线路接收的光信号通过PD52转换为电信号，并输入到通信机器。在本实施例中，通过在LD51侧(从通信机器到光通信线路的发送侧)使用所述光1的波长带，在PD52侧(从光通信线路到通信机器的接收侧)使用所述光2的波长带，能够将发送信号和接收信号波长分离而使用。这时，由于光1的波长带具有一定宽度，即使LD51的振荡波长多少存在离散偏差也不会影响发送接收信号。还有，即使在上述的示例中将LD51和PD52的位置、以及LD51及PD52使用的光的波长带替换，也能够构成光发送接收器。

Claims (15)

1、一种具有异晶结构的光子晶体，其特征在于，具备：
a)相互邻接的第1禁带区域和第2禁带区域；
b)主干波导，其是倾斜地通过两禁带区域的边界的波导，并按照作为第1禁带区域中的透过波长带的一部分的合分波波长带位于第2禁带区域中的透过波长带以外的方式，进行设定；以及
c)分支波导，其是从主干波导的与所述边界的交叉点分路到第1禁带区域内的波导，并按照其透过波长带包含所述合分波波长带的方式进行设定。
2、根据权利要求1所述的具有异晶结构的光子晶体，其特征在于，
沿主干波导串联地设置多个禁带区域，各禁带区域的合分波波长带，被设定为，包含在位于上流侧的全部的禁带区域中的主干波导的透过波长带中，所述上流侧被定义为分支波导从禁带区域间的边界和主干波导的交叉点进行分路的一侧。
3、根据权利要求2所述的具有异晶结构的光子晶体，其特征在于，
在最下流侧的禁带区域，连接对该禁带区域的主干波导的透过波长带的光进行遮断的遮挡区域，将该禁带区域和遮挡区域的边界以相对于主干波导倾斜的方式形成，并且设置从该边界和主干波导的交叉点分路到该禁带区域内的分支波导。
4、根据权利要求1所述的具有异晶结构的光子晶体，其特征在于，
所述禁带区域，由在平板状的主体上周期性地设置与该主体相比折射率不同的修正折射率区域的、二维光子晶体构成。
5、根据权利要求4所述的具有异晶结构的光子晶体，其特征在于，
按照把所述修正折射率区域的缺陷设置为线状的方式形成所述主干波导，并且该修正折射率区域的周期在所述每个禁带区域中不同。
6、根据权利要求4所述的具有异晶结构的光子晶体，其特征在于，
按照把所述修正折射率区域的缺陷设置为线状的方式形成所述主干波导，并且该修正折射率区域的形状或大小在所述每个禁带区域中不同。
7、根据权利要求4所述的具有异晶结构的光子晶体，其特征在于，
所述修正折射率区域由空气构成。
8、根据权利要求1所述的具有异晶结构的光子晶体，其特征在于，
按照所述合分波波长带内的光传播，而在主干波导中传播的、该合分波波长带以外的规定波长带的光不传播的方式，构成所述分支波导。
9、根据权利要求8所述的具有异晶结构的光子晶体，其特征在于，
按照所述合分波波长带内的光传播，而在主干波导中传播的、该合分波波长带以外的规定波长带的光不传播的方式，设定所述分支波导的宽度。
10、根据权利要求8所述的具有异晶结构的光子晶体，其特征在于，
所述禁带区域由具有平板状的主体的二维光子晶体构成，并设置与所述分支波导接连的包覆构件。
11、根据权利要求8所述的具有异晶结构的光子晶体，其特征在于，
在所述分支波导内设置弯曲部。
12、根据权利要求11所述的具有异晶结构的光子晶体，其特征在于，
由通过在平板状的主体上周期性地设置折射率与该主体不相同的区域而形成的二维光子晶体构成所述禁带区域，并使位于所述弯曲部附近的修正折射率区域的大小和/或形状，与其他修正折射率区域的大小和/或形状不同。
13、根据权利要求8所述的具有异晶结构的光子晶体，其特征在于，
由通过在平板状的主体上周期性地设置折射率与该主体不相同的区域而形成的二维光子晶体构成所述禁带区域，使位于所述主干波导和所述分支波导的连接部附近的修正折射率区域的大小和/或形状与其他修正折射率区域的大小和/或形状不同。
14、一种光合分波器，其特征在于，
作为以权利要求1所述的光子晶体的主干波导为输入波导并以分支波导为输出波导的光分波器、以及以分支波导为输入波导并以主干波导为输出波导的光合波器，而发挥功能。
15、一种光发送接收器，其特征在于，具备：
权利要求1所述的光子晶体、设置于分支波导或第2禁带区域侧的主干波导的其中一方的光发送器、以及设置于另一方的光接收器。
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