CN101019052A - 二维光子晶体及采用其的光设备 - Google Patents

二维光子晶体及采用其的光设备 Download PDF

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CN101019052A CNA2005800284727A CN200580028472A CN101019052A CN 101019052 A CN101019052 A CN 101019052A CN A2005800284727 A CNA2005800284727 A CN A2005800284727A CN 200580028472 A CN200580028472 A CN 200580028472A CN 101019052 A CN101019052 A CN 101019052A
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野田进
浅野卓
北川均
高山清市
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Kyoto University
TDK Corp
Alps Alpine Co Ltd
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Kyoto University
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Abstract

本发明的目的在于提供一种具有宽的完全光子带隙(PBG)的二维光子晶体。在切片状的主体(31)上三角点阵状周期性配置与切片面平行的方向的截面形状为正三角形的空孔(32)。用主体(31)的材料覆盖该空孔(32)的上面及下面，由此使所述截面形状在与切片面垂直的方向上不一样。由此，相对于TM偏振波的PBG变宽，与相对于TE偏振波的PBG重合的能量的范围变宽。该重合的部分是完全PBG。具有与完全PBG内的能量对应的波长的光的TE偏振波、TM偏振波双方无法在光子晶体内传播。因此，如果在该光子晶体上设置波导或谐振器，则能够防止具有所述波长的光从其向光子晶体内泄漏而造成损失。

Description

二维光子晶体及采用其的光设备
技术领域
本发明涉及在波长分割多路通信等领域中光分合波器等所采用的二维光子晶体。另外，本申请所采用的“光”也包括可见光以外的电磁波。
背景技术
光通信是承担今后的宽频带通信的中心任务的通信方式。为了普及光通信，对其系统所使用的光部件类，要求更高性能化、小型化、廉价化，作为满足如此要求的下一代光通信部件的有力候选之一，有利用了光子晶体的光通信用设备。它们已经局部进入实用化阶段，偏振波分散补偿用光子晶体纤维等已经用于实用。现在，波长分割多路通信(WavelengthDivision Multiplexing：WDM)所使用的光分合波器等的开发也进而向实用化发展。
光子晶体是在电介质上人工形成周期结构而成的晶体。该周期结构通常通过在电介质主体内周期性配置折射率与电介质主体不同的区域(异折射率区域)而形成。通过该周期结构，在晶体中形成与光的能量相关的带结构，形成无法传播光的能量区域。如此的能量区域被称为“光子带隙”(Photonic Band Gap：PBG)。形成PBG的能量区域(波段)由电介质的折射率或周期结构的周期决定。
此外，通过在该光子晶体中导入适当的缺陷，而在PBG中形成能级(缺陷能级)，从而只有与该缺陷能级对应的波长的光可存在于该缺陷的附近。因此，具有如此缺陷的光子晶体可用作该波长的光谐振器。进而，通过线状设置该缺陷，能够用作波导。
作为所述技术的一例，在专利文献1中记载了如下的二维光子晶体：在主体(切片)上周期性配置异折射率区域，并在该周期性配置上线状地设置缺陷，由此形成波导，并且与该波导邻接而形成点状缺陷。该二维光子晶体作为将在波导内传播的各种波长的光中与谐振器的谐振波长一致的波长的光向外部取出的分波器而发挥功能，并且还作为将所述光从外部向波导导入的合波器而发挥功能。
包括在专利文献1中记载的二维光子晶体，在多种二维光子晶体中设计成，相对于电场与主体平行地振动的TE偏振波或磁场与主体平行地振动的TM偏振波中任一偏振波的光形成PBG。因此，在将包含两偏振波的光导入二维光子晶体的波导或谐振器时，由于一偏振波在主体内散逸，所以波导的传播效率下降。例如，在将周期结构形成为三角点阵(三角格子)，将异折射率区域形成为圆形(圆柱状)的情况下，只相对于TE偏振波形成PBG，但在如此的二维光子晶体的波导或谐振器中，几乎不产生TE偏振波的损失，与此相对，TM偏振波由于未形成PBG，所以在主体内自由传播，从而发生损失。
因此，一直在研究相对于TE偏振波及TM偏振波的双方形成PBG，使该两PBG具有共用域的二维光子晶体。以下，将该共用域称为“完全光子带隙(完全PBG)”。例如，在非专利文献1中，如图1所示，记载了通过在切片状的主体11上三角点阵状周期性配置三角形(三角柱状)的空孔12，从而形成完全PBG的二维光子晶体。在该二维光子晶体中，完全PBG内的波长的光无论是TE偏振波及TM偏振波中的哪一种，都不从波导或谐振器等向主体内泄漏，不会产生波导的传播效率的下降。
专利文献1：特开2001-272555号公报([0023]～[0027]、[0032]、图1、图5～图6)
非专利文献1：北川均等，“二维光子晶体切片的完全光子带隙”，第50次应用物理学关系联合讲演会讲演预稿集，社团法人应用物理学会，2003年3月，p.1129
如果完全PBG大，则在TE偏振波及TM偏振波中的任一种都不向主体内泄漏的条件下，例如具有容易使波导的透射波段域和谐振器的谐振波长一致等、光设备的设计自由度增大的效果。但是，如上所述，至今虽深入进行了与形成完全PBG的二维光子晶体相关的研究，但是还不能说得到了充分大的完全PBG。
发明内容
本发明所要解决的课题在于，提供一种具有比以往的二维光子晶体大的完全PBG的二维光子晶体及采用该二维光子晶体的光设备。
为了解决所述问题，本发明提供一种二维光子晶体，其通过在切片状的主体上周期性配置折射率与该主体不同的相同形状的区域而成，其特征在于，
配置所述异折射率区域的阵点的排列满足6mm的对称性，
所述异折射率区域的由与主体平行的面形成的截面形状满足3m的对称性，且该截面形状在与主体垂直的方向上不一样。
所述异折射率区域的由与所述主体垂直的面形成的截面的缘形状可由朝向该异折射率区域的垂直中心线呈凸状、凹状、“コ”字状、或倾斜线状或者它们的组合的形状构成。此外，所述异折射率区域的上面或下面中的一方或双方可被闭塞。
所述主体的上面或下面中的一方或双方可与折射率跟主体不同的包层部件相接。在此种情况下，包层部件可采用由折射率比空气高、且折射率比主体的材料低的材料构成的部件。例如，主体采用由Si构成的部件，所述包层部件采用由SiO2构成的部件。
优选，所述异折射率区域由空孔构成。
本发明的光波导设备通过在所述本发明的二维光子晶体上线状设置异折射率区域的缺陷而成。此外，本发明的光谐振器设备通过在所述本发明的二维光子晶体上点状设置异折射率区域的缺陷而成。本发明的光分合波器具备：所述本发明的二维光子晶体；通过在该二维光子晶体上线状设置异折射率区域的缺陷而成的至少1根光波导；通过在该光波导的附近点状设置异折射率区域的缺陷而成的至少1个光谐振器。
本发明的二维光子晶体的制造方法是通过在切片状的主体上周期性配置空孔而成的二维光子晶体的制造方法，其特征在于，具有：
在所述主体上形成空孔的空孔形成工序；
在与所述空孔相接的所述主体的上面或下面中的一方或双方上粘接具有与该主体相同的折射率的板状的部件的工序。
还有，在本申请中为了便于说明，采用二维光子晶体的主体或异折射率区域的“上面”、及“下面”的表达，但这并不限定二维光子晶体的朝向，只不过是简单地表示1个方向。
附图说明
图1是表示在切片状的主体上周期性设置有三角柱状的空孔的以往的二维光子晶体的一例的立体图。
图2是用于说明本发明的异折射率区域的形状的图。
图3是表示本发明的异折射率区域的形状的例子的图。
图4是表示用于说明异折射率区域的形状的截面的立体图。
图5是表示本发明的二维光子晶体的一实施例的立体图(a)、俯视图(b)及截面图(c)。
图6是表示本发明的二维光子晶体的制造方法的一实施例的截面图。
图7是表示本发明的二维光子晶体的另一实施例的俯视图。
图8是表示比较例的二维光子晶体的完全PBG的计算结果的图。
图9是表示本实施例的二维光子晶体的完全PBG的计算结果的图。
图10是表示本实施例的二维光子晶体的完全PBG的计算结果的图。
图11是表示本实施例的二维光子晶体的完全PBG的计算结果的图。
图中：11、21、31、81-主体，12、32、54a、54b、54c、56、82-空孔，22-主体21的平行方向的截面，23、55-异折射率区域，24-由截面22切断的异折射率区域23的截面，25-与主体21垂直的面，26-由面25切断时的异折射率区域23的缘，40-SOI衬底，41、46-SiO2衬底，42、47-Si薄膜，43-抗蚀剂，48-二维光子晶体，51-阵点，83-包层部件。
具体实施方式
本发明的二维光子晶体的特征在于异折射率区域的形状及其周期性的配置，但是就在切片状的主体上周期性配置折射率与其不同的区域(异折射率区域)这一点而言，与例如在专利文献1中记载的以往的二维光子晶体相同。异折射率区域可通过埋入折射率与主体不同的任何部件来形成，但也可通过在主体上设置空孔来形成。由于后者制作容易，还能够充分增大与主体的折射率的差，因此优选后者。
下面说明该异折射率区域的形状。另外，以下，将与主体平行的方向作为平面方向，将主体的厚度方向作为垂直方向。异折射率区域的平面形状为具有3次旋转对称轴和包含该旋转轴的垂直镜映面的、具有对称性的形状。该对称性在国际表记即海尔曼摩根(ヘルレマンモ一ガン)表记中表示为“3m”、在舍恩夫利斯(シエ一ンフリ一ス)表记中表示为“C3v”。具有如此对称性的平面形状例如有正三角形状、或分别以正三角形状的3个顶点为中心的3个圆形的异折射率区域的集合体等。
异折射率区域的平面形状在垂直方向上不一样。即，如图2所示，在主体21的平行方向的截面22切断的异折射率区域23的截面24的形状，在将该面22沿与其垂直的方向移动时变化。图3(a)～(f)示出该变化方式的例子。图3(a)表示在与主体21垂直的面25(图4)切断时的异折射率区域23的缘26的形状朝向异折射率区域23的垂直中心线27成为凸状，(b)表示成为凹状，(c)表示成为“コ”字状，(d)表示成为倾斜线。此外，如(e)所示，可以是闭塞了异折射率区域23的上面及下面的形状，或如(f)所示，也可以是只闭塞了异折射率区域23的上面及下面之一的形状。
多个设在主体上的异折射率区域的周期性的配置为，其配置的位置的阵点的排列在海尔曼摩根表记的表达下为6mm(在舍恩夫利斯表记下为C6v)。
如上所述，通过以具有6mm的对称性的阵点状配置多个平行方向的截面形状具有3m的对称性的异折射率区域，从而形成相对于TE偏振波和TM偏振波双方的PBG。另外，通过再将垂直方向的截面形状形成为不一样的形状，与平面形状在垂直方向上一样时相比，TM偏振波的PBG增大，由此与TE偏振波的PBG重合，或者该重合增大。由此，能够得到比以往大的完全PBG。其结果，采用了二维光子晶体的光设备的设计自由度增大。
通过在本发明的二维光子晶体的主体所具有的上下2个面中的一方或双方上设置折射率与主体不同的部件(包层部件)，能够增大完全PBG。这是因为，由于如此的包层部件存在于主体的上下，因此与主体垂直的方向的电磁场分布平坦化，这最终能够增大成为PBG的起源的电介质带和空气带的作为电磁场分布整体的差。包层部件的材料可以是折射率比主体大的材料，也可以是比其小的材料，但在多种二维光子晶体中，通常，由于为了增大与空气的折射率的差，主体的材料采用折射率大的材料，所以包层部件自然采用折射率比主体小的材料。此外，在主体的材料采用了Si的情况下，包层部件的材料采用SiO2为好。在此种情况下，可利用Si层和SiO2层叠层而成的市售的SOI(Silicon On Insulator)衬底。
本发明的二维光子晶体通过线状设置异折射率区域的缺陷而成为光波导设备，通过点状设置缺陷而成为光谐振器设备。此外，通过在如此的光波导的附近设置光谐振器而成为光分合波器。在这些设备中，只在线状或点状配置的缺陷的位置上，形成光能够存在于完全PBG内的能级(缺陷能级)。具有与该缺陷能级对应的波长(频率)的光能够只存在于缺陷内，与此相对，在缺陷的外部的二维光子晶体内，由于存在完全PBG，因此无法传播TE偏振波、TM偏振波双方。因此，能够防止缺陷内的光向缺陷外的二维光子晶体内泄漏。由此，能够抑制光波导或光谐振器中的光的损失。
另外，在异折射率区域的、由与主体平行的面形成的截面形状不满足3m的对称性、在垂直方向上不一样的情况下，无法形成完全PBG。但是，具有该截面形状不满足3m的对称性、在垂直方向上不一样的异折射率区域的二维光子晶体，起到如下的效果：(i)TE-PBG增大、(ii)波导的透射波段域增大、(iii)光谐振器的Q值增大。
[实施例]
(1)本发明的二维光子晶体的一实施例
采用图5的主体的立体图(a)、与主体平行地切断时的截面图(b)、及与主体垂直地切断时的截面图(c)，来说明本发明的二维光子晶体的一结构。首先，例如在由Si构成的切片状的主体31上以周期a配置空孔32。该空孔32的配置为三角点阵状，该三角点阵的阵点的排列满足6mm的对称性。但是，空孔32由于具有闭塞了其上面及下面的形状(图5(c))，所以不会在主体的表面出现。各空孔32的平面形状如图5(b)所示为正三角形，该形状满足3m的对称性。
(2)制造方法
采用图6，说明图5所示的二维光子晶体的制造方法的一例。
在本实施例中，采用在由SiO2构成的衬底41上形成有成为主体的Si薄膜42的SOI衬底40(a)。在Si薄膜42上涂敷抗蚀剂43，在抗蚀剂43上三角点阵状形成平面形状为正三角形(由于图6是与Si薄膜42垂直的方向的截面图，所以未示出其形状。)的孔44(b)。孔44可利用在曝光或电子射线描绘等半导体装置的制造中通常采用的方法形成。接着，通过采用了蚀刻气体(例如SF6气体)的干式蚀刻等方法，在Si薄膜42上穿孔正三角柱形的空孔45(c)。此处，通过调节进行蚀刻的时间，可在途中停止空孔45的穿孔，在孔44的衬底41侧局部残留Si薄膜42。接着，除去抗蚀剂(d)。与此不同，预先制作在由SiO2构成的衬底46上形成有Si薄膜47的衬底，重合Si薄膜42和Si薄膜47(e)，粘接两者(f)。该粘接例如可采用加热到900～1100℃进行热粘接的方法等。由此，Si薄膜42和47形成为一体。最后，通过采用了蚀刻液(例如HF水溶液)的湿式蚀刻等方法除去SiO2衬底41和46(g)，由此得到本发明的二维光子晶体48。另外，如后所述在设置包层部件的情况下，也可以不除去SiO2衬底41和46，将其作为包层部件即可。
(3)本发明的二维光子晶体的其它实施例
图7是将空孔的平行方向的截面形状形成为正三角形以外的形状时的、主体的平行方向的截面图。与主体垂直地切断时的空孔的截面形状与图5(c)相同。在图7(a)的例中，设置以正三角形52的顶点53a、53b、53c为中心的3个圆柱状的空孔54a、54b、54c，该3个空孔成为一体，作为1个异折射率区域55发挥作用。此外，由该3个空孔构成的异折射率区域满足3m的对称性。另外，三角点阵状配置如此的异折射率区域55。配置该异折射率区域55的阵点的排列满足6mm的对称性。图7(b)是图7(a)的3个圆柱状的空孔54a、54b、54c重合，由此成为1个空孔56的图。与所述的例子同样，三角点阵状配置空孔56。在该例中，空孔56也满足3m的对称性，配置空孔56的阵点的排列满足6mm的对称性。
(4)本实施例的二维光子晶体的完全PBG值
以下，就所述实施例的二维光子晶体中的若干个，示出通过计算求出完全PBG的宽度的值(以下，称为完全PBG值)的结果。计算采用了三维时间域差分(Finite Difference Time Domain：FDTD)法。该三维FDTD法比非专利文献1等采用的平面波展开法复杂，但结果的值更准确。并且，示出TM偏振波的PBG(以下，称为TM-PBG)和TE偏振波的PBG(以下，称为TE-PBG)的值。如上所述，完全PBG是TM-PBG和TE-PBG重叠的能量区域。在以下的计算结果中，PBG值是将用频率表示的PBG宽度Δω用其PBG的中心值ω 0除并以百分率表示的值。
[比较例]
首先，为了比较，就以往的二维光子晶体而言，计算了TM-PBG值和完全PBG值(图8)。(a)～(c)中，主体81都由Si构成(在后述的计算例1～3中也同样)。空孔82的平面形状由(i)正三角形、或(ii)分别以正三角形的3个顶点为中心的3个圆构成。将空孔的体积用主体的体积除而得的值即填充因数fair，在(i)中为0.45，在(ii)中为0.58。主体81的厚度为空孔82的周期a的0.8倍。此外，主体81，在(a)中上面及下面双方均与空气相接，在(b)中上面与空气相接，下面与比主体充分厚的由SiO2构成的包层部件83相接，在(c)中上面及下面双方均与包层部件83相接。图8示出这些结构的TM-PBG值和完全PBG值的计算结果。该结果表明，只在(a)(i)时和(c)(ii)时形成完全PBG，其值为0.4％及1.2％。
[计算例1]
接着，作为本发明的二维光子晶体的例子，计算如下的二维光子晶体的完全PBG值(图9)，即，空孔82的平面形状为正三角形，空孔82的上面及下面被闭塞。空孔82的填充因数为fair＝0.45。空孔的高度为0.6a，闭塞空孔82的上面及下面的覆盖层的高度在上面、下面都为0.1a。该图9(a)～(c)的结构是，主体81的上面及下面与所述图8的(a)～(c)的各结构对应，同样与空气、或由SiO2构成的包层部件83相接。
计算的结果表明，完全PBG值为(a)2.1％、(b)2.6％、(c)3.1％，比所述图8的比较例的情况大。此时，TM-PBG值也为(a)2.1％、(b)2.6％、(c)3.1％。就(b)、(c)而言，在对应的图8的比较例中TM-PBG不开放，与此相对，在本实施例中TM-PBG开放，所以只在本计算例的情况下完全PBG开放。此外，就(a)而言，TM-PBG比对应的图8的比较例大，由此完全PBG也大。此外，由本计算例明确可知，通过设置包层部件83，完全PBG更加增大。
[计算例2]
接着，计算图7(a)所示的二维光子晶体、即空孔82的平面形状为在正三角形的3个顶点上配置了3个圆的中心的形状、且空孔82的上面及下面被闭塞的二维光子晶体的完全PBG值(图10)。在(a)中将空孔及覆盖层的高度分别形成为0.6a及0.1a(上面、下面都一样)，在(b)中将空孔及覆盖层的高度分别形成为0.7a及0.05a。(c)是在(b)的上下设置有由SiO2构成的包层部件83的图。
计算的结果表明，完全PBG值为(a)2.0％、(b)3.5％、(c)3.2％，比所述比较例的情况大。由此明确可知，在主体的厚度相同(0.8a)时，如果使空孔的高度变化，则完全PBG的大小也变化。此处，在(a)及(c)的情况下，与计算例1的情况不同，完全PBG小于TM-PBG。这是因为，在计算例1及图10(b)的情况下，TM-PBG完全包含在TE-PBG的能量范围内，与此相对，在图10(a)及(c)的情况下，TM-PBG只与TE-PBG的一部分重合。
还有，如果比较图10(a)和(b)，则可认为通过增大空孔的高度(减小覆盖层的高度)，完全PBG增大，但是在进一步增大空孔的高度、减小覆盖层的情况下(图8(a)(ii))，需要注意未形成完全PBG。
[计算例3]
进而，计算空孔82的平面形状为图7(b)所示的形状、且只是下面被闭塞的二维光子晶体的完全PBG(图11)。在(a)中空孔的高度为0.75a，只在空孔的下面设置的覆盖层的高度为0.05a。(b)是只在(a)的下面设置有由SiO2构成的包层部件83的图。计算的结果表明，完全PBG值为(a)4.4％、(b)3.0％。在(a)中得到比所述各实施例大的完全PBG。

Claims (11)

1.一种二维光子晶体，其通过在切片状的主体上周期性配置折射率与该主体不同的相同形状的区域而成，其特征在于，
配置所述异折射率区域的阵点的排列满足6mm的对称性，
所述异折射率区域的由与主体平行的面形成的截面形状满足3m的对称性，且该截面形状在与主体垂直的方向上不一样。
2.如权利要求1所述的二维光子晶体，其特征在于，所述异折射率区域的由与所述主体垂直的面形成的截面的缘形状，由朝向该异折射率区域的垂直中心线呈凸状、凹状、“コ”字状、或倾斜线状或者它们的组合的形状构成。
3.如权利要求1所述的二维光子晶体，其特征在于，所述异折射率区域的上面或下面中的一方或双方被闭塞。
4.如权利要求1所述的二维光子晶体，其特征在于，所述主体的上面或下面中的一方或双方与折射率跟该主体不同的包层部件相接。
5.如权利要求4所述的二维光子晶体，其特征在于，所述包层部件由折射率比空气高、且折射率比主体的材料低的材料构成。
6.如权利要求5所述的二维光子晶体，其特征在于，所述主体由Si构成，所述包层部件由SiO2构成。
7.如权利要求1～6中任一项所述的二维光子晶体，其特征在于，所述异折射率区域由空孔构成。
8.一种光波导设备，其特征在于，通过在如权利要求1～6中任一项所述的二维光子晶体上线状设置异折射率区域的缺陷而成。
9.一种光谐振器设备，其特征在于，通过在如权利要求1～6中任一项所述的二维光子晶体上点状设置异折射率区域的缺陷而成。
10.一种光分合波器，其特征在于，具备：如权利要求1～6中任一项所述的二维光子晶体；通过在该二维光子晶体上线状设置异折射率区域的缺陷而成的至少1根光波导；通过在该光波导的附近点状设置异折射率区域的缺陷而成的至少1个光谐振器。
11.一种二维光子晶体的制造方法，其是通过在切片状的主体上周期性配置空孔而成的二维光子晶体的制造方法，其特征在于，具有：
在所述主体上形成空孔的空孔形成工序；
在与所述空孔相接的所述主体的上面或下面中的一方或双方上粘接具有与该主体相同的折射率的板状的部件的工序。
CNA2005800284727A 2004-08-30 2005-08-30 二维光子晶体及采用其的光设备 Pending CN101019052A (zh)

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