CN1732395A - 利用边界反射的二维光子结晶光波分离/合成器 - Google Patents

Abstract

提供一种平面异质结构二维光子结晶光波分离/合成器，其中，在每个禁带区(301、302、…)，以不同的周期，周期性地排列空孔(32)，通过使空孔(32)线状缺损形成波导路径(33)，在每个禁带区形成点状缺陷(341、342、…)。通过了该点状缺陷的光在禁带区边界(351、352)被反射，通过将其导入指定的点状缺陷，能使从点状缺陷中取出的光的分离效率提高。

Description

利用边界反射的二维光子结晶光波分离/合成器

技术领域

本发明涉及用于波分光多路通信等的二维光子结晶光波分离/合成设备，特别涉及提高光波分离/合成的效率的技术。

背景技术

近年，作为新型的光学设备，光子结晶受到关注。所谓光子结晶是具有周期折射率分布的功能材料，对于光和电磁波的能量形成波段构造。特别是，具有形成光和电磁波不能传播的能量区域(光子禁带)的特征。

通过在光子结晶中的折射率分布中导入适当的缺陷，在光子禁带中，由此缺陷形成能量能级(缺陷能级)。由此，在和光子禁带中的能量对应的波长范围之中，只有和缺陷能级的能量对应的波长的光是可能存在的。如果使结晶中的所述缺陷为直线状，则成为波导路径，如果使结晶中的缺陷为点状，则成为谐振器。

在光子结晶中，能够采用二维结晶或者3维结晶。两者分别具有其特点。其中二维结晶在制作比较容易这点上是有利的。在特开2001-272555号公报中，记载了在二维光子结晶中，通过以三角格子状周期地排列圆柱孔，设计周期折射率分布，通过使此圆柱孔缺损为直线状，形成波导路径([0025]、图1)，在波导路径附近形成点缺陷([0029]、图1)。在特开2001-272555号公报中，作为实施例，对通过增大周期排列的圆柱孔的孔径而形成的点状缺陷进行研究。

另外，本申请人等，在特开2003-279764号公报中，提出了通过使形成周期折射率分布的不同折射率区域之中的相邻2个以上的不同折射率区域成为缺陷，形成簇缺陷。此处，不同折射率区域的缺陷，是通过使其不同折射率区域的折射率和其它的不同折射率区域的折射率不同形成的。折射率比其它的不同折射率区域低的称为受主型缺陷，高的称为施主型缺陷。在所述特开2001-272555号公报中记载的、通过增大圆柱孔而形成的缺陷是受主型缺陷，通过不设计不同折射率区域形成的缺陷是施主型缺陷。将簇缺陷和只缺损1个不同折射率区域而形成的点缺陷总称为“点状缺陷”。

在所述特开2003-279764号公报中，本申请人等进一步提出了具有以各自不同的周期排列了不同折射率区域的多个禁带区，在各个禁带区中设置了点状缺陷的平面异质结构二维光子结晶。由此，当在各个禁带区中设置了相同形状的点状缺陷的情况下，由于不同折射率区域的周期的不同，能使各个点状缺陷中不同波长的光共振。

设置了这些点状缺陷的二维光子结晶有各种各样的用途，作为其典型例能举出光多路通信。近年的光多路通信中，采用了在一条传送通路中传输多个波长的光，在各个波长的光中承载其它信号的波分多路复用方式。二维光子结晶通过在波导路径附近设置和各波长对应的多个点状缺陷，能够作为从点状缺陷中取出在波导路径中传输的光中特定波长的光(信号)的光波分离器和将特定波长的光从点状缺陷导入波导路径中的光波合成器使用。

所述以往的二维光子结晶作为光波分离器使用的情况下，通过波导路径的光之中，从某一点状缺陷被分离的波长的光如果全部流入该点状缺陷，则分离效率应当为100％。但是，实际上被分离的波长的光至少有50％以上没有流入该点状缺陷，而是通过了波导路径。因此，实际的分离效率维持在50％以下。

另外，二维光子结晶作为光波合成器使用的情况下，当合成的光从点状缺陷流入波导路径时，被分到波导路径的两侧。因此，从波导路径中取出被合成的光的效率即使最高也只维持在50％。

发明内容

本发明正是为解决这样的问题的发明，其目的在于提供一种具有高分离效率以及合成效率的二维光子结晶光波分离/合成器。

为解决上述课题，有关本发明的利用边界反射的二维光子结晶光波分离/合成器的第一方式，其特征在于包括：(a)平板状的主体；(b)多个不同折射率区域，在所述主体上周期地排列，与主体折射率不同；(c)波导路径，通过将所述不同折射率区域的缺陷设置为直线状而形成；(d)点状缺陷，在所述波导路径的附近通过将所述不同折射率区域的缺陷设置为点状而形成；(e)第一反射部，设置在所述波导路径的另外一端，将所述点状缺陷的共振波长的光中的至少一部分反射。

再有，有关本发明的利用边界反射的二维光子结晶光波分离/合成器的第二方式，其特征在于，包括：(a)平板状的主体；(b)2个以上的禁带区，设置在所述主体内；(c)多个不同折射率区域，在各个禁带区内按每个禁带区不同的周期而周期性地在主体配置，与主体折射率不同；(d)波导路径，通过在各个禁带区内将所述不同折射率区域的缺陷设置为直线状而形成、穿过全部禁带区；(e)点状缺陷，在各个禁带区内设置在所述波导路径的附近；(f)第一反射部，设置在所述波导路径的一端，将所述点状缺陷的共振波长的光中的至少一部分反射；(g)在各禁带区中波导路径的透过波段的一部分和其禁带区相比，不包含在位于所述第一反射部一侧的全部禁带区的波导路径透过波段中，而且和其禁带区相比，包含在位于所述第一反射部一侧的全部禁带区的波导路径透过波段中；(h)在各禁带区设置的所述点状缺陷中的共振波长包含在所述一部分的透过波段中。

本发明的利用边界反射的二维光子结晶光波分离/合成器将和水平方向的大小相比，厚度十分薄的板状的平板作为主体，将通过在此主体上周期性地排列与主体折射率不同的区域所构成的二维光子结晶作为母体。在此母体的二维光子结晶中，由于周期的不同折射率区域的存在，形成光子禁带，携带该范围内的能量的光不能存在。即，与其对应的波段的光不能通过主体。作为主体的材料，例如能采用Si和InGaAsP。所谓不同折射率区域是指将由和主体材料具有不同折射率的材料构成的构件配置在主体内的区域，作为典型例有在所述特开2001-272555号公报中记载的圆柱孔。如果采用圆柱孔，只要在主体上开孔即可，比起在主体上配置何种构件都能够容易制作。

如果在此不同折射率区域的一部分设置缺陷，则在此部分，周期性被打乱。通过适当地设定缺陷的折射率和大小等的参数，在光子禁带中形成缺陷能级，和此缺陷能级的能量对应的波长的光在缺陷的位置能够存在。通过将此缺陷连续地设置为直线状，形成透过光子禁带中一定波长范围的光的波导路径。此波导路径是对在光波分离器中分离前的、在光波合成器中合成后的、重叠了多种波长成分的光进行导波的器件。此重叠了的光在光波合成器的情况下被从波导路径的一端导入，在光波分离器的情况下被从波导路径的一端取出。

在波导路径的附近设置点状缺陷。此点状缺陷可以是所述的点缺陷以及簇缺陷的任意一种。另外，构成点缺陷或者簇缺陷的不同折射率区域的缺陷可以是所述受主型以及施主型的任意一种。通过适当设定点状缺陷的种类、大小、位置等的参数，在光子禁带中形成确定的缺陷能级，只有缺陷能级的能量所对应的波长的光在缺陷位置共振。光波分离器的情况下，重叠了在波导路径传播的多个波长成分的光之中和点状缺陷的共振波长对应的光从波导路径被导入到点状缺陷，从点状缺陷取出到外部。光波合成器的情况下，和点状缺陷的共振波长对应的光从外部经由点状缺陷被导入到波导路径中。

至此为止叙述的在母体的二维光子结晶中设置波导路径以及点状缺陷的构成和在特开2001-272555号公报以及特开2003-279764号公报中提出的构成相同。在本发明中，进一步，在波导路径的两端中，和进行所述重叠的光的导入/取出的一端相反之一端将指定波长的光的至少一部分反射。此波导路径端部称为第一反射部。

作为第一反射部的典型例，能列举出使波导路径达到二维光子结晶主体的端部为止形成的情况。在此构成中，当主体端部和周围空间相连接的情况下，在主体端部，结晶变为不连续，在到达主体端部的波导路径端部，光的一部分反射。即，此波导路径端部成为不用另外设置反射光的构件的第一反射部。

作为第一反射部的其它例子能列举出和所述同样地，直到到达二维光子结晶主体的端部为止这样形成波导路径，进一步在主体端部连接了在所述点状缺陷中不透过共振波长的光的二维光子结晶的情况。由此，波导路径端部成为全部反射点状缺陷中共振波长的光的第一反射部。

由此构成，当光波分离器的情况下，和点状缺陷的共振波长对应的波导路径中的光之中，没有被导入点状缺陷而通过的光在第一反射部被反射，再次返回到该点状缺陷中。因此，没有被导入点状缺陷而损失的光的强度比以往减少，光的分离效率提高。另一方面，当光波合成器的情况下，从点状缺陷被导入波导路径的光中，向着和进行波导路径的光的取出的一端相反一侧的一端传播的光在第一反射部被反射，返回到取出一侧的波导路径端部。因此，在和取出一侧相反一侧的端部，损失的光的强度比以往减少，光的合成效率提高。

通过适当地设定点状缺陷和第一反射部之间的距离，能使分离效率或者合成效率进一步提高。光波分离器的情况下，波导路径中的光之中，与点状缺陷的共振波长对应的光由于通过点状缺陷被反射，也产生损失。因此，优选设定点状缺陷和第一反射部间的距离，以使在第一反射部被反射的光和在点状缺陷被反射的光重合时而由干扰被减弱，即两者的相位差为π。由此，因为这些光变得难于同时存在，所以从点状缺陷被分离的光的强度增强，分离效率提高。还有，在点状缺陷中，在此反射的光的相位翻转，在第一反射部，在此反射的光的相位由于第一反射部的构成，进行不同的变化。例如，当第一反射部由平板和空气的边界构成的情况下，在此反射的光的相位不变化。由此，为了提高了分离效率、合成效率，优选点状缺陷和第一反射部间的距离为在此点状缺陷中共振波长的n/2(n为正整数，以下相同)倍。另一方面，当第一反射部由金属面构成的情况下，在此反射的光的相位翻转。此种情况下，优选使上述距离为点状缺陷的共振波长的(2n-1)/4倍。

光波合成器的情况下，优选设定点状缺陷和第一反射部间的距离，以使从点状缺陷被导入波导路径的光中直接面向进行光的取出的波导路径端部的光和在第一反射部被反射的光重合时因干扰被增强，即两者的相位差为0。由此，合成效率提高。不使直接面向波导路径端部的光的相位变化，另外，由于在第一反射部被反射的光的相位为上述那样，所以优选上述距离当第一反射部是由平板和空气的边界构成的情况下，是点状缺陷的共振波长的n/2倍，当第一反射部是由金属面构成的情况下，为点状缺陷的共振波长的(2n-1)/4倍。

在光波分离器中，进一步在和第一反射部相对一侧的波导路径端部，通过设置将点状缺陷中共振波长的光之中至少一部分反射的第二反射部，能使合成效率提高。这样的第二反射部例如能够通过使波导路径到达二维光子结晶主体的端部为止这样构成。此种情况的合成效率的提高是通过在第一反射部和点状缺陷被反射的光在第二反射部被进一步反射，被导入点状缺陷中实现的。进一步，优选设定点状缺陷和第二反射部间的距离，以使被导入波导路径、面向点状缺陷的光和在点状缺陷以及第一反射部被反射、进一步在此第二反射部被反射的光通过干扰被增强，即两者的相位差为0。由此，分离效率进一步提高。

光波分离器的分离效率还依赖于作为点状缺陷和外部间的耦合常数的Q值。Q值是作为表示点状缺陷的谐振器的尖锐度的值，由谐振器的共振频率(角频率)ω_r、在谐振器中积累的能量E₀、由于和外部的结合在单位时间损失的能量E₁定义为Q＝ω_r×E₀/E₁。在谐振器中，由于Q值大，频率选择性增加，所以优选。与此相对，在光波分离器中，除了频率选择性之外，由于从波导路径向自由空间效率良好地对光进行分离是必要的，所以适当地设定点状缺陷和波导路径间的耦合常数Q_P、点状缺陷和空气间的耦合常数Q_v是必要的。例如，当没有在波导路径端部的反射的情况下，Q_P＝Q_v时，分离效率为最大，其值如前所述为50％。

对于点状缺陷的共振波长的光在波导路径的第一反射部全反射的情况，分离效率η通过模式结合方程式，如以下的公式(1)被求出。

$\mathrm{\η}=\frac{2\mathrm{QpQv}{|1-\exp (-2\mathrm{j\βL})|}^2}{{|\mathrm{Qp}+\mathrm{Qv}(1-\exp (-2\mathrm{j\βL}))|}^2}----\left(1\right)$

此处，L为和波导路径的点状缺陷最接近的位置与第一反射部之间的距离。β是波导路径的传输常数，利用在波导路径内的光的波长λ’，定义β＝2π/λ’。如果如前述这样，在第一反射部被反射的光和在点状缺陷被反射的光的相位差为π这样定义L，则exp(-2JβL)＝-1。此种情况下，分离效率为

$\mathrm{\η}=\frac{8\mathrm{QpQv}}{{|\mathrm{Qp}+2\mathrm{Qv}|}^2}----\left(2\right)$

根据公式(2)，如果设Qp/Qv为1.4～2.8，分离效率为实际使用时可以无视损失的97％以上。Qp/Qv＝2时，分离效率为100％，波导路径中的指定波长的光能由点状缺陷无损失地被分离。

在以往的二维光子结晶光波分离器中，如前所述，分离效率的最大值是在Qp/Qv＝1时得到的50％。根据本发明，在二维光子结晶光波分离器中使分离效率达到最大100％成为可能。另外，即使Qp/Qv＝1的情况下，在本发明的光波分离器中也能使分离效率是比以往高的88％。

控制分离效率的所述条件只包括关于从与点状缺陷以及波导路径的点状缺陷最接近的位置开始至第一反射部一侧的参数。另一方面，例如对于和第一反射部相反一侧的波导路径端部与所述最接近的位置间的距离以及在此波导路径端部的光的反射率等的关于和第一反射部相反一侧的参数，没有任何限定。

为了使分离效率高，控制Qp和Qv之比，例如只要通过调节点状缺陷和波导路径间的距离，控制Qp的值即可。另外，通过调节波导路径的宽度，也能够控制Qp的值。通过这些调节，共振波长只有微小变化，其大小是实际使用中能忽视的程度那样小。即使是共振波长的变化不能忽视的情况下，通过调节不同折射率区域的周期，也能够在保持Qp与Qv之比的情况下再调整共振波长。

接着，对于利用本发明的第二方式的边界反射的二维光子结晶光波分离/合成器进行说明。此二维光子结晶光波分离/合成器具有特开2003-279764号公报中提出的平面异质结构。

将主体分为与光波分离/合成的波长种类相同数量的区域。将此区域称为禁带区。在本发明中，按照光波分离/合成的波长的升序或者降序排列禁带区。在每个禁带区以不同的周期配置不同折射率区域。

通过贯通全部禁带区这样以直线状连续地设置不同折射率区域的缺陷，形成波导路径。在和进行此波导路径的光的导入(光波分离器时)或者取出(光波合成器时)的波导路径端部相反一侧的波导路径端路上和所述同样地设置第一反射部。波导路径通过直到到达二维光子结晶主体的端部为止成为此第一反射部以及此种情况下不另外设置使光反射的构件而形成第一反射部，这些和上述是相同的。另外，也可以在属于此主体端部的禁带区连接不透过光波分离/合成的波长的光的二维光子结晶。

由于不同折射率区域的周期根据禁带区不同，所以能够透过波导路径的光的波段根据禁带区而不同。不同折射率区域的周期越大，波导路径透过波段越向长波一侧移动。在第二方式中，利用此特点，当向第一反射部一侧按照光波分离/合成的波长的升序排列禁带区时，按此顺序，不同折射率区域的周期变大，当按照光波分离/合成的波长的降序排列禁带区时，按此顺序，不同折射率区域的周期变小。由此，在各个禁带区中一部分的波导路径透过波段包含在属于第一反射部的相反一侧的全部波导路径透过波段中，但能使其不包含在和第一反射部一侧相邻的禁带区的波导路径透过波段中。在各个禁带区中，使此一部分波导路径透过波段包含光波分离/合成的光的波长这样决定不同折射率区域的周期。

在每个禁带区中，分别设置使光波分离/合成的波长的光共振的点状缺陷。点状缺陷可以是所述的点缺陷以及簇缺陷的任意一种，构成点缺陷或者簇缺陷的不同折射率区域的缺陷也可以是所述的受主型以及施主型的任意一种。

由此，在各个禁带区中，属于其禁带区的点状缺陷的共振波长不包含在和第一反射部一侧相邻的禁带区的波导路径透过波段中。因此，当是光波分离器的情况下，具有在某一禁带区被分离的波长的同时，不被导入其禁带区的点状缺陷、通过的光不能够透过和第一反射部一侧相邻的禁带区的波导路径，在此禁带区和第一反射部一侧相邻的禁带区的边界被全部反射。这样被反射的光返回到属于该禁带区的点状缺陷。因此各个禁带区的点状缺陷中光的分离效率比没有禁带区边界的反射的情况提高。当光波合成器的情况，在各个禁带区中，从点状缺陷被导入波导路径的点状缺陷的共振波长的光之中，作为和波导路径的光的取出侧相反一侧的第一反射部一侧传播的光在与相邻禁带区的边界被全部反射，向着光的取出一侧传播。由此，合成效率也同样提高。

在各禁带区中，通过适当设定该禁带区和与第一反射部一侧相邻的禁带区之间的边界、以及该禁带区的点状缺陷之间的距离，能够进一步提高分离效率或者合成效率。当是光波分离器的情况下，属于禁带区的点状缺陷的反射光和在此相邻禁带区边界上的反射光重合时，由于干扰被减弱。即优选两者的相位差为π这样设定此距离。当是光波合成器的情况下，当从点状缺陷朝向波导路径的光取出口一侧的光和面向与此相反一侧、在相邻禁带区边界被反射的光重合时，由于干扰被增强，即优选两者的相位差为0这样设定此距离。

还有，在属于第一反射部的禁带区中，没有和第一反射部一侧相邻的禁带区。在第一反射部一侧传播的光在第一反射部被反射。因此，在属于第一反射部的禁带区中，设定点状缺陷和第一反射部之间的距离。其条件和在其它禁带区中，点状缺陷和相邻的禁带区边界间的距离的条件相同。

此第二方式的情况也和所述第一方式的情况相同，在光波分离器中，能通过调节Qp/Qv使分离效率提高。在第二方式中，光波分离的波长的光在相邻禁带区边界被全反射。即，通过在所述第一方式中在第一反射部全反射这样的条件求出的公式(1)，在第二方式中除了设置了第一反射部的禁带区，在各个禁带区中都成立。这和第一方式的情况不同，是只要采用了第二方式的构成就必然成立的。进一步，如果使指定波长的光全反射这样构成第一反射部，在包括设置了第一反射部的禁带区的全部禁带区中，公式(1)成立。

使在相邻禁带区边界被反射的光和在点状缺陷被反射的光的相位差为π这样，决定所述最近位置和相邻禁带区边界间的距离。和所述第一方式同样地，在各个禁带区中，如果使Qp/Qv为1.4～2.8，能使分离效率在各禁带区的任意一个中都在97％以上。另外，在各禁带区中，如果使Qp/Qv＝2，能使在此禁带区中分离效率为100％。

在各禁带区中的分离效率和关于其它禁带区的参数无关。因此，对于每个禁带区，使分离效率为最大这样独立地设计即可。

通过使不同折射率区域的排列周期和大小以及点状缺陷的大小以相同比例变化，能够使Q值等不变化，控制点状缺陷中的共振波长。即如果在1个禁带区中，决定此不同折射率区域以及点状缺陷的参数，设定最适当的Qp/Qv的值，通过以相同条件扩大或者缩小禁带区，能保持此最适当Qp/Qv的情况下容易地设定各个禁带区共振波长。

附图说明

图1是表示关于本发明的利用边界反射的二维光子结晶光波分离/合成器的第一方式的一种构成例的平面图。

图2是表示利用边界反射的二维光子结晶光波分离/合成器的第一方式的另一种构成例的平面图。

图3是表示关于本发明的利用边界反射的二维光子结晶光波分离/合成器的第二方式的一种构成例的平面图以及表示对于波导路径的透过波段和共振频率的禁带区间的关系的模式图。

图4是表示通过以直线状埋入3个不同折射率区域的施主型簇缺陷的缺陷能级的图表。

图5是表示将图3的构成例的二维光子结晶作为光波分离器使用时的光的透过、反射的图。

图6是表示将图3的构成例的二维光子结晶作为光波合成器使用时的光的透过、反射的图。

图7是表示为了计算关于本发明的利用边界反射的二维光子结晶光波分离器的分离效率的5个参数的图。

图8是表示利用边界反射的二维光子结晶光波合成器在Qp＝Qv时的合成效率的计算结果的图。

图9是将图8(a)的2L/λ作为横轴求出的分离效率的图表。

图10是表示2L/λ为带0.5的整数时被分离的光的光谱强度的图。

图11是表示2L/λ为整数时被分离的光的光谱强度的图。

图12是表示利用边界反射的二维光子结晶光波分离器在Qp＝2Qv时的分离效率的计算结果的图。

具体实施方式

(1)关于本发明的利用边界反射的二维光子结晶光波分离/合成器的构成例

在图1中表示关于本发明的利用了边界反射的二维光子结晶光波分离/合成器的第一方式的一种构成例。在主体11上，将作为不同折射率区域的空孔12以三角格子形状周期地排列。通过使空孔12以线状缺损形成波导路径13。波导路径13的两端均到达主体11的端部。在此实施例中，在端部没有设置为了使传播的光反射的构件，但由于主体和空气的折射率不同，到达第一主体端部15的波导路径端部成为反射传播波导路径13的光的一部分的第一反射部17。另一方面，在作为其相反一侧的第二主体端部16，进行波导路径传播光的导入(光波分离器时)或者取出(光波合成器时)。还有，第二主体端部16和第一主体端部15同样地反射波导路径的传播光的一部分。

在波导路径13的附近、而且与第一主体端部15只相距指定距离L的位置设置点状缺陷。(a)是设置受主型点缺陷141、(b)是设置施主型簇缺陷142的例子。距离L表示点状缺陷和第一主体端部15之间的距离，距离L’表示点状缺陷和第二主体端部16间的距离。

在图2中表示第一方式的另一例子。在第一主体端部15连接不透过点状缺陷14的共振波长的光的二维光子结晶21。由此，在第一主体端部15，点状缺陷14的共振波长的光被全部反射。

通过适当设定距离L和L’以及波导路径两个端部的反射率等的参数，能使光波分离/合成效率比以往提高。如图1所示，当第一反射部处于空气中时，在光波分离时，如果使距离L为其点状缺陷中共振波长λ₀的n/2(n为正整数)倍，则分离效率提高。这是因为在比波导路径13的点状缺陷更靠近第二主体端部16的一侧，由第一主体端部15一侧的波导路径端部在相位不变化情况下反射的光和通过点状缺陷反射而相位翻转的光由于干扰被相互减弱。另一方面，光波合成时，如果使距离L为点状缺陷中共振波长的n/2倍，则合成效率提高。这是因为来自点状缺陷，直接面向波导路径的第二主体端部16一侧的光和由第一主体端部15一侧的波导路径端部被反射、面向第二主体端部16一侧的光由于干扰被相互增强的原因。

还有，在前面叙述中，λ₀是传播作为折射率介质的波导路径时的波长，和从点状缺陷中被分离而在空气中的波长λ不同。

在图3中表示利用边界反射的二维光子结晶光波分离/合成器的第二方式的一种构成例。图3左图的光波分离/合成器具有由多个禁带区形成的异质结构。在此例中，各个禁带区301、302、303、…中，空孔32的排列周期a₁、a₂、a₃、…成为a₁＞a₂＞a₃＞…。通过全部禁带区这样，使空孔32以线状缺损，设置波导路径33。在各个禁带区301、302、303、…中波导路径33的附近，以直线状设置相邻的3空孔缺损直线状施主型簇缺陷341、342、343、…。

在图4中表示由平面波展开法计算的、3个空孔缺损直线状施主型簇缺陷中的共振频率。还有，此计算的详细在特开2003-279764号公报中有说明。图中纵轴是光的频率乘以a/c(a是不同折射率区域的排列周期、c是光速)后成为无量纲的标准化频率。在波导路径的透过波段41(标准化频率0.267～0.280)中存在单一的缺陷能级42。此缺陷能级42的值大约为0.267(标准化频率)，相当于波导路径透过波段41的端部附近。通过c乘以所述缺陷能级42的标准化频率然后除以此例的排列周期a₁、a₂、a₃，能够求出各个3空孔缺损直线状施主型簇缺陷341、342、343、…中的共振频率。

对于波导路径的透过波段和共振频率，在图3的右图中模式地表示禁带区间的关系。在此例中，通过缺陷能级在波导路径透过波段的端部附近，在任意一个禁带区中，缺陷能级52都包含在波导路径的光导入部36一侧的相邻禁带区的波导路径透过波段51中，而不包含在与此相反一侧的相邻禁带区的波导路径透过波段51中。例如，禁带区302的缺陷能级f₂包含在位于光导入部36一侧的禁带区301的波导路径透过波段中，而不包含在位于与此相反一侧的禁带区303的波导路径透过波段中。

因此，在各个禁带区中，3空孔缺损直线状施主型簇缺陷的共振频率的光从光导入部36至其禁带区为止透过波导路径，能够到达此3空孔缺损直线状施主型簇缺陷。另一方面，通过此3空孔缺损直线状施主型簇缺陷，进一步在波导路径内行进的光(以往成为损失的光)不能透过相邻的禁带区，在边界面被反射，再次到达此3空孔缺损直线状施主型簇。例如，如图5所示，在光波分离器中，透过波导路径33的频率f₂的光如粗实线所示，被导入3空孔缺损直线状施主型簇缺陷342中。此频率f₂的光的一部分通过缺陷342进一步在波导路径中行进，但由于禁带区303的波导路径不透过频率f₂的光，所以在边界面352被反射，再次到达缺陷342(参照图5中的粗虚线)。这样，由于共振频率的光通过3空孔缺损直线状施主型簇缺陷341、342、343、…，能够抑制光的损失，使在各缺陷中光的分离效率提高。

将图3的例子作为光波合成器使用的情况下也能提高效率。如图6所示，作为由直线状施主型簇缺陷合成的光的一部分、向着和光导出导入部36的相反一侧行进的光在禁带区的边界面被反射(参照图6中的粗虚线)。因此，由缺陷合成的光全部到达波导路径的光导出导入部36。

还有，在光波分离器的情况下，存在在禁带区的边界面被反射的光不进入直线状施主型簇缺陷而通过了光导出导入部36一侧，分离效率不是100％的情况。因此，如后所述，有必要适当设定缺陷和边界面间的距离等。

在直线状施主型簇缺陷中也有空孔缺损数为2个或者4个以上的情况，如上所述，优选采用在波导路径透过波段的端部附近形成单一的缺陷能级的3空孔缺损直线状施主型簇缺陷。

(2)关于本发明的利用边界反射的二维光子结晶光波分离器的分离效率的计算

以下，表示基于模式结合理论计算的关于本发明的光波分离器的分离效率的结果。此处，虽然是基于图1和图2所示的第一方式的光波分离器的构成进行说明，但以下的结果在第二方式的异质结构的光波分离器中的每个禁带区也能够和第一方式的光波分离器同样地得到。

将5个光的振幅A、S₊₁、S_-1、S₊₂、S_-2作为参数。如图7所示，A是从点状缺陷72被分离的共振波长λ₀的光的振幅，S₊₁是在第一主体端部73一点状缺陷72间的波导路径711内，向着点状缺陷72传播的波长λ₀的光的振幅，S_-1是在波导路径711内，向着第一主体端部73一侧传播的波长λ₀的光的振幅，S₊₂是在第二主体端部74一点状缺陷72间的波导路径712内，向着点状缺陷72一侧传播的波长λ₀的光的振幅，S_-2是在波导路径712内，向着第二主体端部74一侧传播的波长λ₀的光的振幅。另外，设第一主体端部73以及第二主体端部74中，强度反射率为R₁和R₂、振幅反射率为r₁和r₂。进一步，设波导路径71和点状缺陷72间的Q值为Qp、点状缺陷72和自由空间之间的Q值为Qv。

根据模式结合理论，所述5个参数A、S₊₁、S_-1、S₊₂、S_-2的关系由3个公式记述。另外，对于第一主体端部73以及第二主体端部74中反射，导出2个公式。通过求解这些连立方程式计算5个参数，从A值中求出分离效率。

在图8～11中表示对于Qp＝Qv的情况进行计算的结果。此Qp＝Qv的条件是没有考虑边界反射，以往的二维光子结晶光波分离器中使分离效率为最大(50％)时的条件。

在图8(a)中表示使强度反射率R₁为1、R₂为0时的光波分离器的分离效率。是在第一主体端部73中，光由于金属反射镜相位翻转反射的情况。因此，设振幅反射率r₁为-1。还有，图中纵轴是距离L的2倍除以波长λ的结果，横轴是距离L’的2倍除以波长λ的结果。(a)中表示不依赖于距离L’、成恒定的值。以下关注距离L。图9表示将2L/λ作为横轴(2L/λ’为图8(a)的计算范围内的任意值)，分离效率的图表。2L/λ为带0.5的整数时，分离效率约为88％。这比以往的二维光子结晶光波分离器的所述最大分离效率(50％)还有提高。其理由考虑是因为在波导路径711内，由主体端部74反射的光和由点状缺陷72反射的光由于干扰相互抵消，由此，从点状缺陷72被分离的光的振幅增大。根据与此相反的理由，当2L/λ为整数时，分离效率为0％。

在图8(b)中表示设强度反射率R₁为1、R₂为0.18时的光波分离器的分离效率。在第一主体端部73由金属反射镜，而在第二主体端部74由空气分别将光反射。此R₂的值是从在主体和空气的边界进行光反射的实验中求出的值。振幅反射率r₁和(a)的情况同样为-1。另一方面，在第二主体端部73中由于通过反射，光的相位没有变化，振幅反射率r₂为+(0.18)^0.5。在(b)中分离效率不依赖于距离L’。纵轴、横轴同时为带0.5的整数时，分离效率比(a)的情况进一步提高，为100％。

在图10以及图11中表示在共振波长的中间值为1.5μm(取出到空气中时的波长)的点状缺陷中，强度反射率R₁、R₂以及振幅反射率r₁、r₂和图8(b)的情况相同时，被分离的光的光谱强度。作为2L/λ₀、2L’/λ₀的任意一个都是带0.5的整数时的图10(a)的情况下，从共振波长的中间值的点状缺陷中取出的光的强度为100％。作为2L/λ₀为带0.5的整数，2L’/λ₀为整数时的图10(b)的情况下，从共振波长的中间值的点状缺陷中取出的光的强度维持在大约60％，在与此略微错开的波长下，强度为100％。作为2L/λ₀为整数时的图11(a)以及(b)的情况下，任意一种情况在共振波长的中间值的强度都为0％。

接着，对于Qp＝2Qv的情况进行计算的结果在图12表示。Q值以外的条件和图8(a)以及图9的情况相同(R₁＝1，R₂＝0，r₁＝-1)。图12(a)是表示将2L/λ作为纵轴，2L’/λ作为横轴的分离效率的图。图12(b)是2L/λ作为横轴(2L’/λ是(a)的计算范围内的任意值)的分离效率的图表。和Qp＝Qv的情况同样地，分离效率不依赖于L’。另一方面，和Qp＝Qv的情况不同，2L/λ为带0.5的整数时，分离效率为100％。即通过使Qp＝2Qv，如图8(b)这样不设置第二反射部，另外不限定L’，就能够使分离效率提高至100％。

Claims (20)

1、一种利用边界反射的二维光子结晶光波分离/合成器，其特征在于，包括：

(a)平板状的主体；

(b)多个不同折射率区域，在所述主体上周期地排列，与主体折射率不同；

(c)波导路径，通过将所述不同折射率区域的缺陷设置为直线状而形成；

(d)点状缺陷，在所述波导路径的附近通过将所述不同折射率区域的缺陷设置为点状而形成；

(e)第一反射部，设置在所述波导路径的另外一端，将所述点状缺陷的共振波长的光中的至少一部分反射。

2、根据权利要求1所述的利用边界反射的二维光子结晶光波分离/合成器，其特征在于，

设置了所述第一反射部的波导路径端部到达主体的端部。

3、根据权利要求2所述的利用边界反射的二维光子结晶光波分离/合成器，其特征在于，

所述主体端部与空间相接。

4、根据权利要求2所述的利用边界反射的二维光子结晶光波分离/合成器，其特征在于，

不透过所述点状缺陷的共振波长的光的二维光子结晶和所述主体端部相连接。

5、根据权利要求1～4中任一项所述的利用边界反射的二维光子结晶光波分离/合成器，其特征在于，

按照让具有所述点状缺陷中的共振波长而在此点状缺陷反射的光和具有相同波长而通过此点状缺陷并在所述第一反射部反射的光之间的相位差为π的方式，设定第一反射部和点状缺陷之间的距离。

6、根据权利要求1～4中任一项所述的利用边界反射的二维光子结晶光波分离/合成器，其特征在于，

按照让具有所述点状缺陷中的共振波长而从此点状缺陷被导入波导路径的光和具有相同波长而在所述第一反射部反射的光之间的相位差为0的方式，设定第一反射部和点状缺陷之间的距离。

7、根据权利要求1～6中任一项所述的利用边界反射的二维光子结晶光波分离/合成器，其特征在于，

在和所述第一反射部相反一侧的波导路径端部具备第二反射部，其将所述共振波长的光之中至少一部分反射。

8、根据权利要求7所述的利用边界反射的二维光子结晶光波分离/合成器，其特征在于，

按照让具有所述点状缺陷中的共振波长而从所述第二反射部一侧导入的光和具有相同波长而从所述第二反射部导入、并在此点状缺陷被反射、进一步在第二反射部被反射的光之间的相位差为0的方式，设定第二反射部和点状缺陷之间的距离。

9、根据权利要求1～8中任一项所述的利用边界反射的二维光子结晶光波分离/合成器，其特征在于，

在所述第一反射部将点状缺陷的共振波长的光全反射，将所述点状缺陷与波导路径间的耦合常数Qp和该点状缺陷与空气间的耦合常数Qv之比Qp/Qv设为1.4～2.8。

10、根据权利要求9所述的利用边界反射的二维光子结晶光波分离/合成器，其特征在于，

将所述Qp/Qv设为2。

11、一种利用边界反射的二维光子结晶光波分离/合成器，其特征在于，包括：

(a)平板状的主体；

(b)2个以上的禁带区，设置在所述主体内；

(c)多个不同折射率区域，在各个禁带区内按每个禁带区不同的周期而周期性地在主体配置，与主体折射率不同；

(d)波导路径，通过在各个禁带区内将所述不同折射率区域的缺陷设置为直线状而形成、穿过全部禁带区；

(e)点状缺陷，在各个禁带区内设置在所述波导路径的附近；

(f)第一反射部，设置在所述波导路径的一端，将所述点状缺陷的共振波长的光中的至少一部分反射；

(g)在各禁带区中波导路径的透过波段的一部分和其禁带区相比，不包含在位于所述第一反射部一侧的全部禁带区的波导路径透过波段中，而且和其禁带区相比，包含在位于所述第一反射部一侧的全部禁带区的波导路径透过波段中；

(h)在各禁带区设置的所述点状缺陷中的共振波长包含在所述一部分的透过波段中。

12、根据权利要求11所述的利用边界反射的二维光子结晶光波分离/合成器，其特征在于，

所述点状缺陷是通过使相邻的3个不同折射率区域缺损而构成的直线状施主型簇缺陷。

13、根据权利要求11或者12所述的利用边界反射的二维光子结晶光波分离/合成器，其特征在于，

设置所述第一反射部的波导路径端部到达主体的端部。

14、根据权利要求13所述的利用边界反射的二维光子结晶光波分离/合成器，其特征在于，

所述主体端部与空间相接。

15、根据权利要求13所述的利用边界反射的二维光子结晶光波分离/合成器，其特征在于，

不透过所述点状缺陷中的共振波长的光的二维光子结晶与所述主体端部相连接。

16、根据权利要求11～15中任一项所述的利用边界反射的二维光子结晶光波分离/合成器，其特征在于，

设定在除了属于所述第一反射部的禁带区的禁带区中的与所述第一反射部一侧的相邻禁带区的边界面和在此禁带区中设置的点状缺陷之间的距离、以及在属于所述第一反射部的禁带区中的第一反射部和在此禁带区中设置的点状缺陷之间的波导路径长轴方向的距离，以使具有此禁带区的点状缺陷的共振波长且在此点状缺陷反射的光和具有相同波长而通过此点状缺陷并且在所述禁带区边界面或者在第一反射部反射的光之间的相位差为π。

17、根据权利要求11～15中任一项所述的利用了边界反射的二维光子结晶光波分离/合成器，其特征在于，

设定在除了属于所述第一反射部的禁带区的禁带区中的与所述第一反射部一侧的相邻禁带区的边界面和在此禁带区中设置的点状缺陷之间的距离、以及在属于所述第一反射部的禁带区中的第一反射部和在此禁带区中设置的点状缺陷之间的波导路径长轴方向的距离，以使具有此禁带区的点状缺陷的共振波长且从此点状缺陷被导入波导路径的光和具有相同波长而在所述禁带区边界面或者在第一反射部反射的光之间的相位差为0。

18、根据权利要求11～17中任一项所述的利用边界反射的二维光子结晶光波分离/合成器，其特征在于，

将在各个禁带区中的点状缺陷与波导路径间的耦合常数Qp和该点状缺陷与空气间的耦合常数Qv之比Qp/Qv设为1.4～2.8。

19、根据权利要求18所述的利用边界反射的二维光子结晶光波分离/合成器，其特征在于，

将所述Qp/Qv设为2。

20、根据权利要求18或者19所述的利用边界反射的二维光子结晶光波分离/合成器，其特征在于，

使属于所述第一反射部的禁带区的点状缺陷的共振波长的光在所述第一反射部全反射。

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