CN101075002A - 光波导结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种在设置于平面型二维光子晶体上的光波导结构中，呈现出优良的光子晶体特性，并且减小其波长依赖性而能够在宽广频段的波长范围中使用的光功能器件。至少从光波导(1)看包含于第n个(n为1、2、3、4或5)晶格列(Tn)的电介质柱(Hn)的平面形状是正多边形或正圆形。从光波导(1)看包含于第n个晶格列(Tn)的电介质柱(Hn)的直径rn(n＝2、3、4或5)中至少一个与基本直径r0不同。

Description

光波导结构
技术领域
本发明涉及利用平面型二维光子晶体的光波导结构。
背景技术
具有介电常数不同的两种电介质的重复结构的使用了光子晶体的光学器件，通过使用其内部多重反射现象，可以实现各种高功能、超小型器件。由于本器件的工作原理基于多重反射现象，因此在用光子晶体基板的材质(折射率N)和光子晶体结构的重复周期长度d大致决定的频率附近，器件特性具有较强的频率(波长)依赖性。该频率依赖性成为本器件的特长。但是，在宽广的波长范围中使用的场合，该特长反而成为缺点。
利用了平面型二维光子晶体的光波导记载在例如以下文献中。
专利文献1：特开2005-172932，
专利文献2：特开2003-156642，
专利文献3：特开2005-70163，
专利文献4：特开2002-350657，
非专利文献1：第53次应用物理学关系联合讲演会讲演预稿集(2006春武藏工业大学)1121页23a-L-4“具有极化波转换器的二维光子晶体波长合分波器件”田中良典等人，
非专利文献2：电子情报通信学会论文杂志C Vol.J87-C No.1 123～131页2004年1月“用于非互易性光波导不连续问题的有限元法和使用磁性光子晶体波导的光隔离器的分析”河野等人，
非专利文献3：2001 The American Physical Society“PHYSICAL REVIEWLETTERS”Vol.87，No.25“Extremely Large Group-Velocity dispersion ofLine-Defect Waveguides in Photonic Crystal Slabs”。
例如，在图1模式地表示的二维三角晶格光子晶体光波导结构，由于制作比较容易，因此实用化被积极推进。图3～图6表示该类型的器件的光延迟特性和有效的光电特性。在这里表示的光电特性是伴随电介质基板的折射率变化的波导光的等效折射率变化量。
图3表示通常的三角晶格型光子晶体的能带特性(波导模式)。这里，电介质基板由x切割的铌酸锂单晶形成。设定为偶模、TE光、周期长度d＝0.425μm、r0/d＝0.35、W/Wo＝1.0。纵轴作为归一化波数NF，横轴作为归一化波数WN。在这里，位于光子能带(NF＝0.39-0.47左右)内的偶模(相当于一般波导的基本模式)是图3所示的“PC-1模”、“PC-2模”，根据材质(基板折射率的大小)和空穴的直径r0，能带宽度和模式特性产生变化。
图4是图3的PC-1模的放大图。另外，图5表示在图3的PC-1模中的群折射率GNeff的波长λ依赖性，图6表示有效E0常数的波长λ依赖性。
有如下关系，即图4中的能带特性的斜率(一次微分值：记为“δNF1”)越小，波导特性的群折射率GNeff、有效E0常数越大。
另外，从图3、图4中可知，NF的WN依赖性的二次微分值(记为“δNF2”)在WN为0.3以下时大致为0，因而GNeff、有效E0常数的波长λ依赖性小。但是，若WN为0.3以上，则“δNF2”取正值。换言之，“δNF1”的大小|δNF1|逐渐变小。在该场合，波长λ越长，GNeff、有效E0常数单调变大。
从图5、图6中可知，尤其在长波长侧的光子能带端附近，群折射率GNeff和有效光电(E0)常数极其变大，与此同时表现出因微小的波长变化使特性有很大不同的倾向。换言之，在群折射率GNeff和有效光电(E0)常数大的区域中，特性的波长依赖性也极其变大，因此难以在宽广波段中使用。
发明内容
本发明的课题在于提供一种在设置于具备电介质膜片和由电介质柱形成的多列晶格列的平面型二维光子晶体上的光波导结构中，表现优良的光子晶体特性，并且减小其波长依赖性而能够在宽广波段的波长范围中使用的光功能器件。
第一发明是一种光波导结构，设置在具备电介质膜片和由电介质柱形成的多列晶格列的平面型二维光子晶体上，其特征在于，至少从光波导看包含于第n个(n为1、2、3、4或5)上述晶格列的上述电介质柱的平面形状是正多边形或正圆形，从光波导看包含于第n个上述晶格列的上述电介质柱的直径rn(n＝2、3、4或5)中的至少一个与基本直径r0不同。
第二发明是一种光波导结构，设置在具备电介质膜片和由电介质柱形成的多列晶格列的平面型二维光子晶体上，其特征在于，至少从光波导看包含于第n个(n为1、2、3、4或5)上述晶格列的上述电介质柱的平面形状是正多边形或正圆形，从光波导看包含于第n个上述晶格列的上述电介质柱的直径rn(n＝1、2、3、4或5)中的至少一个与基本直径r0不同，上述光波导的宽度W与上述晶格列的基本间距Wo不同。
本发明具有以下效果。
本发明人对平面型二维光子晶体器件的波导特性，详细调查了波导光的电场分布。其结果发现，按照波长在光向光波导区域外侧的扩散方法上有差异。
具体地说，可知如图7所示，在光子带隙的短波长波段(在图7中λ＝0.95μm)中，光波集中在光波导(中心)部近旁，几乎没有向外部的扩散。在中间波长波段(λ＝1.00μm)中，光封入相对减弱，光扩散到周边部。在长波长波段(λ＝1.03μm)中，表现出光向芯部的外侧进一步扩散的倾向。
另一方面，越远离芯部光强度越弱。但是，空穴部的光强度比非空穴部还相对加强。因而，根据空穴直径的大小，光向芯部外的扩散方法改变。通过应用该原理发现，尤其通过适当改变芯部近旁的空穴直径，可以改变光强度分布。从而明白，伴随该现象可以控制波导光的传播常数(等效折射率Neff)等特性的波长依赖性。
即发现，在将电介质柱的平面形状设为正多边形或正圆形光波导的条件下，使从光波导看包含于第n个晶格列的电介质柱的直径rn(n＝2、3、4或5)中至少一个与基本直径r0不同，从而可以降低上述波长依赖性。
另外发现，在将电介质柱的平面形状设为正多边形或正圆形光波导的条件下，使从光波导看包含于第n个晶格列的电介质柱的直径rn(n＝1、2、3、4或5)中至少一个与基本直径r0不同，并使光波导的宽度W与晶格列的基本间距Wo不同，从而可以降低上述波长依赖性。
附图说明
图1是模式地表示本发明的光波导结构的平面形状的俯视图。
图2是模式地表示本发明的一个实施方式的器件的立体图。
图3是在现有设计的光波导结构中，表示利用了偶模、TE光时的各模的特性的频率变化的曲线图。
图4是在现有设计的光波导结构中，表示在利用了PC-1模时的特性的频率变化的曲线图。
图5是在现有设计的光波导结构中，表示群折射率的频率变化的曲线图。
图6是在现有设计的光波导结构中，表示有效E0常数的频率变化的曲线图。
图7是表示自光波导的距离与光电场强度的关系的曲线图。
图8是在PC-1模中，表示在设W＝Wo并相对r0改变r1/d时的特性的频率变化的曲线图。
图9是在PC-1模中，表示在设W＝Wo并将r1/d固定在0.31，且改变r2/d时的特性的频率变化的曲线图。
图10是在PC-1模中，表示在设W/Wo＝0.8并改变r1/d时的特性的频率变化的曲线图。
图11是在PC-1模中，表示在设W/Wo＝1.1并改变r1/d时的特性的频率变化的曲线图。
图12是模式地表示可应用本发明的光波导结构的器件的一例的立体图。
图13是模式地表示可应用本发明的光波导结构的其他器件的一例的立体图。
图中：
1-光波导；2-基板；r0-电介质柱的基本直径；rn-从光波导结构属于第n个晶格列的电介质柱的直径；A-入射光；B-射出光；Hn-从光波导结构属于第n个晶格列Tn的电介质柱；Tn-从光波导第n个晶格列；Wo-晶格列的基本间距；W-光波导的宽度。
具体实施方式
所谓光子晶体是根据折射率不同的多种介质形成与光的波长相同程度的周期性的多维周期结构体，具有与电子的能带结构相似的光的能带结构。因此，在特定的结构上表现出光的禁带(光子带隙)。具有带隙的光子晶体作为光的绝缘体起作用。
若在具有光子带隙的光子晶体中引入扰乱周期性的线缺陷，则在带隙的频率区域内形成波导模式，可以实现约束光的光波导。
所谓平面型二维光子晶体是如下光子晶体，即在电介质薄膜片上以适当的二维周期间隔设置比电介质薄膜片还低的折射率的圆柱状或多边柱状的低折射率柱，并且用具有比电介质薄膜片还低的折射率的上部包层和下部包层夹住电介质薄膜片的上下。
在作为波导使用二维光子晶体的场合，需要封入与二维面垂直的方向的光。因此，提出了形成光波导的方法的一些方案，而任何一个都可用于本发明。
例如，在低折射率的电介质(氧化物或聚合物)上安装高折射率的半导体(折射率为3～3.5程度)薄膜的结构上装入二维光子晶体的结构(氧化物包层二维平面型光子晶体)，可以更容易制作大面积的结构，所以较好。
另外，通过使用被称为Silicon-On-Insulator(SOI)的在二氧化硅(SiO2)上安装硅(Si)薄膜的基板，可以制作高质量的氧化物包层式二维平面光子晶体。
例如也可以采用将光子晶体的上下的包层设为空气的空气桥式二维平面光子晶体。
在电介质薄膜片材料中可以添加硅、锗、砷化镓系化合物、磷化铟系化合物或者锑化铟系化合物。另外，电介质柱的材料可以使用二氧化硅、聚酰亚胺系有机化合物、环氧系有机化合物、丙烯酸系有机化合物、空气或真空。
另外，电介质柱需要以形成有规律的晶格的方式进行排列。这种晶格的形态并不特别限定，可例举三角晶格、正方形晶格。
以下，参照适当附图进行说明。
在第一、第二发明中(参照图1)，至少从光波导1看包含于第n个(n为1、2、3、4或5)晶格列T1、T2、T3、T4、T5的电介质柱H1、H2、H3、H4、H5的平面形状是正多边形或正圆形。在这里所说的正多边形的边数并不限定，但最好是正三角形、正方形、正五边形、正六边形、正八边形。另外，电介质柱的平面形状设为正圆，但允许有制造上的误差。具体地说，若考虑测定极限和误差、材料的物理参量或加工蚀刻速度的各向异性，则长径/短径比较好是在1.00±0.1以内，更好是在1.00±0.05以内。
在第一、第二发明中，从光波导1看包含于第n个(n为6以上)晶格列T6、T7...的电介质柱H6、H7...的平面形状最好是正多边形或正圆形，但也可以包含有椭圆形等异形的电介质柱。
在第一发明中，从光波导看包含于第n个晶格列的电介质柱的直径rn(n＝2、3、4或5)中至少一个与基本直径r0不同。在这里，较好是从光波导看包含于第n个晶格列的电介质柱的直径rn(n＝2、3或4)中至少一个与基本直径r0不同，更好是从光波导看包含于第n个晶格列的电介质柱的直径rn(n＝2或3)中至少一个与基本直径r0不同，最好是从光波导看包含于第二个晶格列的电介质柱的直径r2与基本直径r0不同。
所谓基本直径是指在平面型二维光子晶体中有规律地排列的电介质柱的通常的直径。在第一及第二发明中，通常从光波导1看属于第6个以后的晶格列T6、T7...的电介质柱H6、H7...的直径为r0。
从光波导看包含于第n个晶格列的电介质柱的直径rn(n＝2、3、4或5)中至少一个可以比基本直径r0大，也可以小，但最好是比基本直径r0还大。
在从光波导看包含于第n个晶格列的电介质柱的直径rn(n＝2、3、4或5)中至少一个比基本直径r0大的场合，从本发明的观点看，该rn相对r0的比率rn/r0较好是1.01以上，更好是1.03以上。另外，若rn/r0过大，则下次难以保持一定的周期，所以rn/r0较好是1.5以下，更好是1.2以下。
另外，在优选的实施方式中，从光波导看包含于第n个晶格列的电介质柱的直径rn(n＝2、3、4或5)中至少一个，比从光波导看包含于第(n-1)个晶格列的上述电介质柱的直径r(n-1)大。总之，通过使从光波导看属于外侧的晶格列的电介质柱的直径比其内侧的电介质柱的直径还大，可以进一步降低特性的波长依赖性。
根据这种观点，rn/r(n-1)较好是1.02以上，更好是1.05以上。但是，若rn/r(n-1)过大，则下次难以保持一定的规律性，所以rn/r(n-1)较好是1.8以下，更好是1.4以下。
光波导的宽度W可以设定为与晶格列的基板间距Wo大致相等。或者，光波导的宽度W可以与晶格列的基本间距Wo不同。晶格列的基本间距Wo是指在平面型二维光子晶体中作为基体的晶格列基本间距。通过使光波导的宽度W与晶格列的基本间距Wo不同，可以进一步降低特性的波长依赖性。
在该实施方式中，W/Wo的值较好是0.7以上，更好是0.8以上。另外，若W/Wo的值过大，则下次难以保持一定的规律性，所以W/Wo较好是1.3以下，更好是1.15以下。
另外，在第二发明中，至少从光波导看包含于第n个(n为1、2、3、4或5)晶格列的电介质柱的平面形状是正多边形或正圆形，从光波导看包含于第n个晶格列的电介质柱的直径rn(n＝1、2、3、4或5)中至少一个与基本直径r0不同，光波导的宽度W与晶格列的基本间距Wo不同。
在第二发明中，从光波导看包含于第n个晶格列的电介质柱的直径rn(n＝1、2、3、4或5)中至少一个与基本直径r0不同。在这里，较好是从光波导看包含于第n个晶格列的电介质柱的直径rn(n＝1、2、3或4)中至少一个与基本直径r0不同，更好是从光波导看包含于第n个晶格列的电介质柱的直径rn(n＝1、2或3)中至少一个与基本直径r0不同，最好是从光波导看包含于第一或第二个晶格列的电介质柱的直径r2与基本直径r0不同。
从光波导看包含于第n个晶格列的电介质柱的直径rn(n＝1、2、3、4或5)中至少一个可以比基本直径r0大，也可以小，但最好是比基本直径r0还大。
在从光波导看包含于第n个晶格列的电介质柱的直径rn(n＝1、2、3、4或5)中至少一个比基本直径r0大的场合，根据本发明的观点，该rn相对r0的比率rn/r0较好是1.01以上，更好是1.02以上。另外，若rn/r0过大，则下次难以保持一定的周期，所以rn/r0较好是1.8以下，更好是1.4以下。
在从光波导看包含于第n个晶格列的电介质柱的直径rn(n＝1、2、3、4或5)中至少一个比基本直径r0小的场合，根据本发明的观点，该rn相对r0的比率rn/r0较好是0.98以下，更好是0.95以下。另外，若rn/r0过小，则下次难以保持一定的周期，所以rn/r0较好是0.6以上，更好是0.8以上。
在第二发明中，光波导的宽度W与晶格列的基本间距Wo不同。晶格列的基本间距Wo是指在平面型二维光子晶体中作为基体的晶格列基本间距。通过使光波导的宽度W与晶格列的基本间距Wo不同，可以进一步降低特性的波长依赖性。
在第二发明中，W/Wo的值较好是0.7以上，更好是0.8以上。另外，若W/Wo的值过大，则下次难以保持一定的规律性，所以W/Wo较好是1.3以下，更好是1.15以下。
以下，更详细地说明本发明的作用。
第一发明及第二发明利用PC-1模，以PC-1模位于光子带隙内或其近旁的场合为对象。
图8表示W/Wo＝1.0的场合的能带特性。设r0/d＝0.35。相对r0改变属于第一列的晶格列T1的电介质柱H1的直径r1。r1/d＝0.35的场合是现有例。
从图8中可知，即使将r1/d改变为0.31或0.39，能带特性的形状变化也小。但是可知，在r1/d为0.31的场合，在WN＝0.40左右，|δNF1|比WN＜0.3小，且二次微分值δNF2成为0附近。也就是说明确了在该区域GNeff(有效E0常数)的波长λ依赖性成为0。
图9表示将从光波导看第一列的晶格列的电介质柱的直径r1/d固定在0.31，并改变属于第二列的晶格列的电介质柱的r2/d的情况。发现在WN＝0.35～0.45附近明显表现出斜率的二次微分值成为0或负值。
图10表示将W/Wo降低到0.8的情况。若改变第一列的晶格列的电介质柱的直径r1，则发现尤其在r1/d比0.35小时(r1/d＝0.31)，斜率的二次微分值较大地向负方向转移。
根据以上效果，在第一发明及第二发明中，产生波导特性的群折射率GNeff、有效E0常数大，且波长依赖性变小的现象。
另外，在专利文献2中，以减少弯曲波导上的模式转换损失为目的确保单一模式性，根据该观点，利用PC-2模，如在实施例所示，将W/Wo从1起有很大不同的场合(W/Wo＝0.7)作为实施例。在PC-1模中，由于成为光子能带外或成为多模式性，因此没有像第一及第二发明那样的上述作用效果。另外，在专利文献2的图7、图12中，作为“现有技术”表示了PC-1模，而这起因于将电介质柱的平面形状设为椭圆形，而且将孔的周期长度d、孔间隔W从等间隔Wo偏移。
另外，群折射率GNeff、有效E0常数如下定义。
GNeff＝c/[Neff-λ·(ΔNeff/Δλ)]
(c：真空中的光速，λ：波长，Neff：波导光的有效折射率)
有效E0常数＝波导光的有效折射率的变化量/基板(体积)的折射率变化量
基板(体积)的折射率变化可以通过例如普克尔效应、TO效应(伴随温度变化的折射率变化)、等离子效应(伴随向半导体的电流注入的折射率变化)等来表现。
本发明的光波导结构可应用于各种功能器件。
即，该光波导结构除了用于通常的光波导之外，还可用于利用了普克尔效应的器件、利用了根据电流注入的等离子效应的器件、利用了根据量子井结构的EO效应(光电效应)的器件、利用了根据加热器温度变化的TO效应的器件、定向耦合器、马赫-曾德光波导以及光调制器等。
例如，图2是表示外部电压施加结构的光子晶体光功能器件的立体图。在基板2的正面侧形成一对电极6，在其之间从电源5施加电压。使光如箭头A那样向光波导部分1入射，如箭头B那样射出。
例如，图12是表示外部电压施加结构的光子晶体光功能器件的立体图。在基板2的表面侧和背面侧形成一对电极8A、8B，在其之间从电源5施加电压。使光如箭头A那样向光波导部分1入射，如箭头B那样射出。
在图12的器件的场合，由例如铌酸锂单晶或钽酸锂单晶的压电单晶的z板形成基板2，利用普克尔效应。或者，利用半导体形成基板2，利用根据电流注入的等离子效应或根据量子井结构的EO效应可以调制光。另外，该结构还可用于定向耦合器或马赫-曾德式波导的光回路上。
图13是表示外部电压施加结构的光子晶体光功能器件的立体图。在基板2的表面侧形成膜加热器9，在该膜加热器9上从电源5施加电压。使光如箭头A那样向光波导部分1入射，如箭头B那样射出。基板2由聚合物形成，利用根据膜加热器9的TO效应调制光。
本发明的光波导结构对电磁波有效，因此若适当设定基板材质、周期长度d，则对光波以外的电磁波也可以得到同样的效果。作为这种电磁波，可例举微波、太赫兹波。

Claims (10)

1.一种光波导结构，设置在具备电介质膜片和由电介质柱形成的多列晶格列的平面型二维光子晶体上，其特征在于，
至少从光波导看包含于第n个(n为1、2、3、4或5)上述晶格列的上述电介质柱的平面形状是正多边形或正圆形，从光波导看包含于第n个上述晶格列的上述电介质柱的直径rn(n＝2、3、4或5)中的至少一个与基本直径r0不同。
2.根据权利要求1所述的光波导结构，其特征在于，
上述光波导的宽度W与上述晶格列的基本间距Wo大致相等。
3.根据权利要求1所述的光波导结构，其特征在于，
上述光波导的宽度W与上述晶格列的基本间距Wo不同。
4.根据权利要求1～3中任何一项所述的光波导结构，其特征在于，
从光波导看包含于第n个上述晶格列的上述电介质柱的直径rn(n＝2、3、4或5)中的至少一个比基本直径r0大。
5.根据权利要求1～4中任何一项所述的光波导结构，其特征在于，
从光波导看包含于第n个上述晶格列的上述电介质柱的直径rn(n＝2、3、4或5)中的至少一个，比从光波导看包含于第(n-1)个上述晶格列的上述电介质柱的直径r(n-1)大。
6.根据权利要求1～5中任何一项所述的光波导结构，其特征在于，
从光波导看包含于第一个上述晶格列的上述电介质柱的直径r1比基本直径r0小。
7.一种光波导结构，设置在具备电介质膜片和由电介质柱形成的多列晶格列的平面型二维光子晶体上，其特征在于，
至少从光波导看包含于第n个(n为1、2、3、4或5)上述晶格列的上述电介质柱的平面形状是正多边形或正圆形，从光波导看包含于第n个上述晶格列的上述电介质柱的直径rn(n＝1、2、3、4或5)中的至少一个与基本直径r0不同，上述光波导的宽度W与上述晶格列的基本间距Wo不同。
8.根据权利要求7所述的光波导结构，其特征在于，
从光波导看包含于第一个上述晶格列的上述电介质柱的直径r1比基本直径r0小。
9.根据权利要求7或8所述的光波导结构，其特征在于，
从光波导看包含于第n个上述晶格列的上述电介质柱的直径rn(n＝2、3、4或5)比基本直径r0大。
10.根据权利要求7～9中任何一项所述的光波导结构，其特征在于，
从光波导看包含于第n个上述晶格列的上述电介质柱的直径rn(n＝2、3、4或5)，比从光波导看包含于第(n-1)个上述晶格列的上述电介质柱的直径r(n-1)大。
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