CN1732396A - 电磁波频率滤波器 - Google Patents

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Abstract

在输入波导路径(13)和输出波导路径(14)之间，接近两波导路径，设置了在规定频率的电磁波下共振的共振器(15)的电磁波频率滤波器中，在共振器(15)附近的规定范围(18)中，使输出波导路径(14)与输入波导路径(13)平行，同时，形成输出波导路径，以使在规定范围以外的范围中，输入波导路径(13)与输出波导路径(14)之间的距离比在规定范围(18)内的距离长。该电磁波频率滤波器可使用2维光子结晶最佳地构成。

Description

电磁波频率滤波器
技术领域
本发明涉及一种从波导路径取出规定频率的光或电磁波的频率滤波器。该频率滤波器用于光通信领域等中。
背景技术
在光通信中，为了使单位时间中可发送的信息量增大，使用在一条传送路径中传播多个波长(频率)的光，在各个光中载运不同信号的波分多址方式。在该波分多址方式中，在传送路径的入口侧混合各波长的光，在出口侧每隔各波长取出混合了的光。因此，必需光的合波器及分波器、或波长滤波器(频率滤波器)。
作为这样的分波器，现在使用阵列波导路径衍射光栅。然而，阵列波导路径衍射光栅通常使用石英光波导路径，为了减少光的损失，在现状中不得不使用数cm见方大小的路径。因此，为谋求分波器的小型化，研究使用光子结晶的频率滤波器。
所谓光子结晶是具有周期折射率分布的光学性能材料，对光子的能量形成频带结构。尤其是，特征是形成光不可能传播的能量区域(光子频带间隙)。通过在该光子结晶中导入适当的缺陷，在光子频带间隙中形成该缺陷所导致的能量电平(缺陷电平)。由此，在上述光子频带间隙中的能量所对应的频率范围内，只可能存在频率对应缺陷电平的能量的光。若使结晶中的上述缺陷形成线状，则成为传播规定频率光的光波导路径；若使结晶中的缺陷形成点状，则成为在规定频率的光下共振的光共振器。
在特开2001-272555号公报中(下面为专利文献1)，记载在通过将圆柱孔周期性排列成三角光栅状来设置周期折射率分布的2维光子结晶中，通过使该圆柱孔缺损成线状而形成波导路径([0025]、图1)，在波导路径附近形成点缺陷([0029]、图1)。在专利文献1中，作为实施例，研究通过增大周期性排列的圆柱孔的直径形成的点缺陷。通过该结构，制作将波导路径传播的光中具有点缺陷的共振频率的光取出到外部的分波器，及将具有点缺陷的共振频率光从外部导入波导路径的合波器。
另外，在特开2003-279764号公报(专利文献2)中，记载通过使形成周期折射率分布的不同折射率区域中相邻的2个以上的不同折射率区域成为缺陷来形成簇缺陷。这里，不同折射率区域的缺陷通过使该不同折射率区域的折射率与其他不同折射率区域的折射率不同来形成。将折射率比其他不同折射率区域高的缺陷称为供体缺陷，折射率比其他不同折射率区域低的缺陷称为受体缺陷。在所述专利文献1中记载的、通过增大圆柱孔而形成的缺陷是受体型缺陷，未设置不同折射率区域而形成的缺陷是供体型缺陷。将簇缺陷和仅缺损1个不同折射率区域形成的点缺陷总称为「点状缺陷」。
在专利文献2中，还记载具有以各个不同周期配置了不同折射率区域的多个禁止频带区域、在各个禁止频带区域中设置了点状缺陷的面内异型结构2维光子结晶。由此，在各禁止频带区域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不同，各点状缺陷在各个不同频率的光下共振。
在专利文献1及2的波长分合波器中，经点状缺陷，在波导路径和外部之间进行光的导入及取出。另外，在特表2001-508887号公报(专利文献3)中，记载在2维光子结晶内设置2个直线波导路径，在该2个直线波导路径之间设置点状缺陷(参照专利文献3的图3及图8)。通过该结构，将具有点状缺陷的共振频率的光从一波导路径导入另一波导路径。此为合波器。另外，还作成在一波导路径上传播多个频率重叠的光、仅将规定频率的光从该路径取出到另一波导路径的分波器。
若将波导路径与点状缺陷之间的距离减小到在两者之间进行光的传递的大小，则在2个波导路径之间也进行光的传递。因此，在专利文献3的结构中，存在在点状缺陷以外的位置，在2个波导路径之间产生包含规定频率以外分量的光的传递，引起信号的交调失真的问题。
此前，作为实例，叙述了使用2维光子结晶的光分波器及光合波器，但不仅对光，对电磁波也同样，另外，在具有2维光子结晶以外结构的光频率滤波器(波长滤波器)或电磁波频率滤波器中也产生同样问题。另外，在下面记载为「电磁波」的情况下，也包含光。
发明内容
本发明为解决上述课题而作成，其目的在于提供一种电磁波频率滤波器，可以高效率在2个波导路径之间传递规定频率的电磁波。
为了解决上述课题而作成的本发明的电磁波频率滤波器，其特征在于，具备：
a)波导电磁波的输入波导路径；
b)输出波导路径，是波导电磁波的波导路径，配置成在其长度方向的规定范围内与所述输入波导路径的距离比在所述规定范围外与所述输入波导路径的距离小；和
c)共振器，配置在所述输入波导路径与输出波导路径之间的所述规定范围内，在规定频率的电磁波下共振。
该电磁波频率滤波器可使用2维光子结晶构成。本发明的使用2维光子结晶的电磁波频率滤波器，其特征在于，具备：
a)2维光子结晶，设置了周期性排列在平板状的主体上的多个折射率与主体不同的区域；
b)通过将所述不同折射率区域的缺陷设置成线状而形成的输入波导路径；
c)输出波导路径，是通过将所述不同折射率区域的缺陷设置成线状而形成的波导路径，配置成在其长度方向的规定范围内与所述输入波导路径的距离比在所述规定范围外与所述输入波导路径的距离小；和
d)共振器，配置在所述输入导波路径与输出波导路径之间的所述规定范围内，由在规定频率的电磁波下共振的点状缺陷构成。
另外，该电磁波频率滤波器也可使用具有面内异型结构的2维光子结晶构成。本发明的使用具有面内异型结构的2维光子结晶的电磁波频率滤波器，其特征在于，具备：
a)面内异型结构2维光子结晶，在平板状的主体内设置2个以上禁止频带区域，在各禁止频带区域内，设置了以每个禁止频带区域中不同的周期、周期性排列在主体上的多个、折射率与主体不同的区域；
b)输入波导路径，在各禁止频带区域内，通过将所述不同折射率区域的缺陷设置成线状而形成，通过全部禁止频带区域；
c)输出波导路径，是通过在每个禁止频带区域中将所述不同折射率区域的缺陷设置成线状而形成的波导路径，配置成在其长度方向的规定范围内与所述输入波导路径的距离比在所述规定范围外与所述输入波导路径的距离小；和
d)共振器，配置在所述输入波导路径与输出波导路径之间的所述规定范围内，由在规定频率的电磁波下共振的点状缺陷构成。
在使用该面内异型结构2维光子结晶的电磁波频率滤波器中，期望各禁止频带区域的输入波导路径的穿透频率频域的一部分，不被包含于在该禁止频带区域一侧的全部禁止频带区域的输入波导路径穿透频率频域中，而被包含于在与此相反侧的全部禁止频带区域的输入波导路径穿透频率频域中，在各禁止频带区域中设置的所述共振器的共振频率被包含在所述一部分的穿透频率频域中。
下面，详细地说明上述发明。
(1)本发明的电磁波频率滤波器
本发明的电磁波频率滤波器在输入波导路径与输出波导路径之间，具有在特定的1频率分量的电磁波下共振的共振器。该电磁波频率滤波器与专利文献3的电磁波频率滤波器相同，具备该3个构成要素，但在本发明中，在该3个要素的位置关系上具有特征。即在规定范围中使输入波导路径和输出波导路径之间的距离变为最小，并在该规定范围内的输入波导路径和输出波导路径之间设置共振器。
作成这样的结构的理由如下。在该电磁波频率滤波器中，输入波导路径与共振器能量地耦合，共振器与输出波导路径同样能量地耦合，从而在输入波导路径与输出波导路径之间传递具有共振器的共振频率的电磁波。为了增大被传递的电磁波的强度，期望缩小输入波导路径-共振器之间及共振器-输出波导路径之间的距离，并加强能量的耦合。因此，在共振器存在的范围内，期望输入波导路径和输出波导路径之间的距离小。另外，若缩小输入波导路径和输出波导路径之间的距离，则未经共振器而直接传递的电磁波的强度增加。由于也传递具有共振器的共振频率以外的电磁波，所以不期望这种情况。为了避免这种情况，在共振器存在的范围以外，期望输入波导路径与输出波导路径之间的距离宽。为了同时满足这2个条件，本发明的电磁波频率滤波器作成所述结构。
通过该结构，可用作从输入波导路径将规定频率的电磁波分波到输出波导路径的分波器。也可将与该分波器相同结构的电磁波频率滤波器用作从分波器的「输出波导路径」将规定频率的电磁波导入「输入波导路径」的合波器。此时，分波器的「输出波导路径」变为合波器的输入波导路径，分波器的「输入波导路径」变为合波器的输出波导路径。另外，在本说明书中，在未特别记载的情况下，「输入波导路径」及「输出波导路径」指分波器的输入波导路径及输出波导路径。
作为本发明的输入波导路径及输入波导路径的典型结构，可举出在所述规定范围的交界，输入波导路径、输出波导路径任一或两者具有成角度弯曲的形状。另外，也可不设置弯曲部，在规定范围之外使输入导波路径、输出导波路径任一或两者平滑弯曲。
在弯曲部中，通过波导路径的所述规定范围的电磁波不一定全部通过。穿透弯曲部的电磁波的穿透率的频率依赖性与波导路径的所述规定范围中电磁波的穿透率的频率依赖性不同，依赖于弯曲部的结构。利用该特性，使弯曲部的结构最佳化，并将共振器的共振频率包含在具有规定值以上的穿透率的高穿透率频率频域中，从而可高效率地通过该频率的电磁波。另外，在弯曲部中，难以通过规定频率以外的、变成噪声的电磁波，可降低噪声。
进一步地，由于可从输入波导路径中分离输出波导路径的端部，所以可在期望的位置配置输出波导路径的端部。这在专利文献3的直线状的输出波导路径中是不可能的。
也可对1个输入波导路径设置多条输出波导路径。此时，在每个输出波导路径中，在与输入波导路径之间设置共振器。通过各共振器在不同频率的电磁波下共振，可在不同的多个频率叠加了的电磁波传播的输入波导路径和各输出波导路径之间，传递各自不同频率的电磁波。另外，若作成专利文献3的结构，则由于输出波导路径是平行输入波导路径的直线状，所以不能设置多条输出波导路径。
通过在输出波导路径的、未进行电磁波的输出输入侧设置反射部，适当地设定共振器与反射部之间的距离，可提高分波效率或合波效率。这样的反射部可通过在输出波导路径中设置终点(端部)或设置弯曲部来形成。这里，用作反射部的弯曲部可以是设置在规定范围交界的所述弯曲部，也可另外设置。
在分波器的情况时，期望设定共振器与反射部之间的距离，以使从共振器导入输出波导路径的电磁波中、向反射部的相反侧(输入输出侧)传播的电磁波，与由反射部反射、向输入输出侧传播的电磁波的相位差为0。由此，该2个电磁波由于干扰而加强，可增强取出的电磁波的强度。另外，在由反射部反射电磁波时，相位因反射部的结构不同而变化。在该反射时相位反向的情况下，使共振器与反射部之间的距离为共振波长的(2n-1)/4倍(n为正整数，下面相同)。另外，在反射时相位不变化的情况下，使该距离为共振波长的n/2倍。
在合波器的情况时，期望设定共振器与反射部之间的距离，以使从合波器的输入波导路径(分波器的输出波导路径)向共振器的电磁波中、由共振器反射的电磁波，与通过共振器、由反射部反射的电磁波的相位差为π。由此，该2个反射波由于干扰而减弱，可增强导入共振器的电磁波的强度。另外，与反射部的情况相同，在由共振器反射电磁波时，相位也因共振器的结构不同而变化。在共振器及反射部中，在电磁波的相位都反向、或相位都不变化时，使该距离为共振波长的(2n-1)/4倍。另外，在只在共振器或反射部一方的反射中电磁波的相位反向，在另一方反射中相位不变化的情况下，使该距离为共振波长的n/2倍。
(2)使用2维光子结晶的本发明的电磁波频率滤波器
此前叙述的电磁波频率滤波器，例如也可用使用了电介质波导路径及环共振器的电磁波滤波器等构成，但在电磁波损失少、且谋求装置小型化的观点上，最好是使用下述的2维光子结晶。
本发明的2维光子结晶电磁波频率滤波器，将厚度比面内方向的尺寸薄得多的板状体的平板作为主体，将在该主体上周期性配置折射率与其不同的区域所构成的2维光子结晶作为母体。在该母体的2维光子结晶中，利用周期性的不同折射率区域的存在来形成光子频带间隙，具有该范围内的能量的电磁波不能存在。即，对应该范围的频带的电磁波不能通过主体。作为主体的材料，例如可使用Si或InGaAsP。所谓不同折射率区域，是由具有与主体不同折射率的材料构成的区域，但作为典型例，有在所述专利文献1中记载的圆柱孔。若是圆柱孔，则只要在主体上开孔就行，可比在主体上配置任何部件都容易制作。
若在主体内周期性配置的不同折射率区域的一部分中设置缺陷，因而打乱周期性。通过适当设定缺陷的折射率或尺寸等参数，可在光子频带间隙中形成缺陷电平，在缺陷的位置存在对应该缺陷电平能量的频率的电磁波。通过将该缺陷连续地设置成线状，可形成穿透光子频带间隙中一定频率范围的电磁波的波导路径。在本发明中，形成输入波导路径和输出波导路径，以使在规定的范围中两者距离变为最小。
在作为所述规定范围内的、输入波导路径和输出波导路径之间的不同折射率区域中设置点状缺陷。该点状缺陷可是所述点缺陷及簇缺陷之一，另外，也可是所述受体型及供体型之一。通过适当地设定点状缺陷的种类、尺寸、位置等参数，在光子频带间隙中形成规定的缺陷电平，仅对应缺陷电平能量的频率的电磁波在缺陷位置共振。即，该点状缺陷变成共振器。
通过该结构，可在输入波导路径和输出波导路径之间传递具有共振器的共振频率的电磁波。与此同时，可防止在输入波导路径和输出波导路径之间直接传递具有共振频率以外的频率的电磁波。
为了抑制电磁波从共振器沿垂直于结晶面的方向泄漏而形成的损失，期望共振器是使不同折射率区域缺损了的供体型点状缺陷。
通过在输入波导路径或输出波导路径的所述规定范围的交界设置弯曲部，可使在规定范围中两波导路径的距离变为最小。通过调节该弯曲部中不同折射率区域的折射率、周期、形状、尺寸中的至少1个参数，可控制该弯曲部的穿透频率频域。利用该点，在该弯曲部，具有共振器的共振频率的电磁波可容易通过，而共振频率以外频率的电磁波难以通过。由此，弯曲部起到降低输出波导路径中规定频率以外的成为噪声的电磁波的作用。
与上述相同，在2维光子结晶中，通过在输出波导路径的电磁波输出输入侧的相反侧设置由端部或弯曲部等构成的反射部，适当地设定共振器与反射部之间的距离，可提高分波效率或合波效率。该距离的条件也与上述相同。另外，在由2维光子结晶的点状缺陷反射电磁波时，由于电磁波的相位反向，所以合波器中共振器-反射部之间的距离必需考虑由反射部反射的电磁波的相位变化后设定。
与上述相同，通过设置多条输出波导路径，在每个输出波导路径中设置在不同频率的电磁波下共振的共振器，从而可在输入波导路径和各输出波导路径之间，传递各自不同的、单一频率的电磁波。
存在具有通过光、压力、热等来自外部的作用、折射率变化的性质的材料。例如，在InGaAsP系或InGaAlAsP系等的半导体中，存在由于量子井的频带充填效应，通过照射激光，电荷密度变化，折射率变化的半导体。若在共振器(点状缺陷)的一部分或全部中使用这样的材料，则随着外部作用导致的折射率的变化，共振器的共振频率变化。由此，可仅外部作用施加中，在输入波导路径和输出波导路径之间传递规定频率的电磁波。与此相反，可在外部作用施加中不传递规定频率的电磁波。这样通过外部作用，起到ON/OFF向输出波导路径的取出(分波器时)或导入(合波器时)的开关的作用。进一步地，通过调节外部作用的强度，还可控制传递的电磁波的频率。
通过设置多条输出导波路径、在每个共振器中设置该折射率可变材料，从而可通过外部作用的施加，选择进行电磁波传递的输出波导路径。在多条输出波导路径中，若在波导路径附近设置各自不同的共振频率的共振器，则可通过外部作用选择输出波导路径，并选择输出电磁波的频率。相反，在多条输出波导路径中，若在波导路径附近设置相同共振频率的共振器，则可从不同的输出波导路径输出相同频率的输出电磁波。
如上所述，由于电磁波沿垂直于结晶面的方向从共振器泄漏而形成损失，所以期望有所抑制，但有时有意识地从共振器使电磁波稍微地泄漏是有用的。例如，通过测定泄漏的电磁波，可测定在输入波导路径和输出波导路径之间传递的电磁波的强度。
(3)使用面内异型结构2维光子结晶的本发明的电磁波频率滤波器
使用在专利文献2中提议的面内异型结构2维光子结晶，构成本发明的电磁波频率滤波器如下。将主体分成与分合波的频率种数相同数量的区域。将该区域称为禁止频带区域。在每个禁止频带区域以不同周期配置不同折射率区域，形成共同的禁止频带区域。通过连续地设置不同折射率区域的缺陷成线状，使其通过全部禁止频带区域，来形成输入波导路径。在每个禁止频带区域中，设置输出波导路径，以使在规定范围中与输入波导路径的距离变为最小。在各输出波导路径和输入波导路径之间的所述规定范围内设置点状缺陷(共振器)。期望该点状缺陷与上述相同是供体型点状缺陷。由于共振频率依赖于不同折射率区域的周期，所以通过在每个禁止频带区域中设定不同折射率区域的周期，可控制导入各输出波导路径(分波器时)的电磁波的频率。
进一步地，期望在输入波导路径中，沿电磁波传播的方向，按共振频率的上升顺序或下降顺序排列禁止频带区域。在按共振频率的上升顺序排列禁止频带区域时，按该顺序减小不同折射率区域的周期；在按下降顺序排列禁止频带区域时，按该顺序增大不同折射率区域的周期。由此，各禁止频带区域的输入波导路径的穿透频率频域的一部分可不包含在相邻叠加波的传播方向的禁止频带区域的输入波导路径穿透频率频域中。在每个禁止频带区域中，设置将包含在该一部分穿透频率频域的频率作为共振频率的共振器。由此，在分波器中，对应点状缺陷的共振频率的电磁波中、未导入点状缺陷而通过的电磁波，在与相邻禁止频带区域的交界被全部反射，再次返回到该点状缺陷中。因此，可提高通过该共振器、导入输出波导路径的电磁波的比例，提高分波效率。在合波器中也可同样地提高效率。
与上述相同，在面内异型结构2维光子结晶中，通过在输出波导路径的电磁波输入输出侧的相反侧设置反射部，适当地设定共振器与反射部之间的距离，可提高分波效率或合波效率。该距离的条件也与上述相同。此时的反射部除由所述输出波导路径的端部或折射部等构成之外，还可在与不穿透该共振器的共振频率的电磁波的相邻禁止频带区域的交界之前，设置输出波导路径，使该交界成为反射部。
通过在共振器中使用折射率因外部作用而变化的材料，可ON/OFF向输出波导路径的电磁波的取出或导入，及通过检测从共振器的电磁波的泄漏，可检测在输入波导路径和各输出波导路径之间传递的电磁波的强度，对面内异型结构2维光子结晶电磁波频率滤波器而言可同样适用。
如本发明所述，通过在共振器存在的规定范围内，使输入波导路径和输出波导路径之间的距离接近，在规定范围以外使两者的距离远离，从而可以高效率，经共振器，在输入波导路径和输出波导路径之间传递规定频率的电磁波。与此同时，可防止在两波导路径之间传递规定频率以外的电磁波。另外，在本发明中，由于可从输入波导路径分离输出波导路径的端部，所以可在期望的位置配置输出波导路径的端部，可在期望的位置输出规定频率的电磁波。
期望该电磁波频率滤波器使用2维光子结晶构成。尤其是，通过在共振器中使用供体型点状缺陷，在输入波导路径与输出波导路径的电磁波传递时，可防止电磁波从共振器向外部泄漏而形成的损失。另外，通过使用面内异型结构2维光子结晶，在禁止频带区域交界反射穿透输入波导路径的规定频率的电磁波，可提高导入共振器的电磁波的强度，可提高输入波导路径和输出波导路径的传递效率。
附图说明
图1是作为本发明的电磁波频率滤波器的一实施例的、使用了2维光子结晶的电磁波频率滤波器的模式图。
图2是说明在图1的电磁波频率滤波器中电磁波分波的图。
图3是取出或导入具有不同频率的多种电磁波的、具有2维光子结晶的电磁波频率滤波器的一实施例的模式图。
图4是具有向期望的输出波导路径输出具有规定频率的电磁波的开关功能的、使用了2维光子结晶的电磁波频率滤波器的一实施例的模式图。
图5是作为本发明的电磁波频率滤波器的一实施例的、使用了面内异型结构2维光子结晶的电磁波频率滤波器的一结构例的模式图。
图6是说明在图5的电磁波频率滤波器中电磁波分波的图。
图7是就图5的电磁波频率滤波器中输入波导路径的穿透频率频域和共振频率，表示禁止频带区域之间的关系的模式图。
图8是表示调节输出波导路径的弯曲部的空孔参数的一实例的模式图。
图9是表示计算了图1及图8中输出波导路径的弯曲部的穿透率的结果的图表。
图10是表示根据输出波导路径与共振器之间的距离来计算具有各波导路径端部的共振器的共振波长的电磁波强度的结果的图表。
具体实施方式
作为本发明的电磁波频率滤波器的一实施例，在图1中表示使用了2维光子结晶的电磁波(光)频率滤波器的一结构例。在主体11上，将作为不同折射率区域的空孔12周期性地配置成三角光栅状。通过使空孔12缺损成线状，形成输入波导路径13。同样地，通过使空孔12缺损成线状，形成输出波导路径14，使其在规定范围18中与输入波导路径13平行，在规定范围以外的范围离开输入波导路径13。在输出波导路径14的一端连接外部波导路径16。外部波导路径16可使用例如由与主体11相同的材料构成的细线波导路径。在输出波导路径14的另一端，通过设置空孔12(不设置空孔12的缺损)，来设置终端部172。终端部172成为规定范围18的一端。在规定范围18的另一端，形成输出波导路径14的弯曲部171。在规定范围18内、即输入波导路径13及输出波导路径14之间形成点状缺陷15。这里，使用通过使3个空孔缺损成直线状而形成的直线状供体型簇缺陷。
用图2说明图1的电磁波频率滤波器的动作。在输入波导路径13中传播多个频率f1，f2，...fn叠加了的电磁波。其中，点状缺陷15的共振频率fk的电磁波经点状缺陷15导入输出波导路径14。导入输出波导路径14的电磁波经弯曲部171取出到外部波导路径16。
在该结构中，由于输入波导路径13和输出波导路径14在所述规定范围18以外的范围不接近，所以可抑制在2个波导路径之间传递包含规定频率以外分量的电磁波。另外，由于点状缺陷15是供体型点状缺陷，所以可抑制电磁波漏出到2维光子结晶面外而形成的损失。
在图3中，表示使用了2维光子结晶的电磁波频率滤波器的另一结构例。在与图1的电磁波频率滤波器相同地设置了主体11、空孔12及输入波导路径13的光子结晶中，设置多条输出波导路径(输出波导路径141、142、…)、与之连接设置外部波导路径161、162、…。在各输出波导路径141、142、…与输入波导路径13之间，设置具有各自不同的共振频率的点状缺陷151、152、…。这里，表示在点状缺陷151中使用直线状3缺陷供体型簇缺陷、在点状缺陷152中使用三角形3缺陷供体型簇缺陷的实例。另外，在图3中表示了2组输出波导路径、外部波导路径及点状缺陷，但在3组以上的情况中也可同样地构成。
通过该结构，在输入波导路径13传播的多个频率f1，f2，…fn叠加了的电磁波中，具有各点状缺陷151、152、…的共振频率的电磁波经各点状缺陷、导入输出波导路径141、142、…。这起到将具有不同频率的多个电磁波抽出到输出波导路径的电磁波频率滤波器的作用。
在图4中，表示使用了2维光子结晶的电磁波频率滤波器的再一结构例。与图3的电磁波频率滤波器相同，设置主体11、空孔12、输入波导路径13、多个输出波导路径(143、144、…)及外部波导路径(163、164、…)。在本结构例中，在全部输出波导路径143、144、…和输入波导路径13之间，设置埋入由折射率因照射激光而变化的InGaAsP系或InGaAlAs系材料构成之相同折射率可变材料193、194、…的相同点状缺陷153、154、…。
点状缺陷153、154的共振频率，在未向折射率可变材料照射激光时为f1，在向折射率可变材料照射激光时为f1′，因激光照射的有无而不同。通过向折射率可变材料193、194、…之一照射激光，可将输入波导路径13传播的频率f1′的电磁波取出到外部波导路径163、164、…中期望的外部波导路径。例如在将频率f1′的电磁波取出到外部波导路径164时，向折射率可变材料194照射激光。这时，在输入波导路径13上传播的频率f1′的电磁波，由于在点状缺陷153中，共振频率f1与该电磁波的频率不同，所以未被导入输出波导路径143地通过；在点状缺陷154中，由于共振频率与该电磁波的频率一致，所以被导入输出波导路径144，被取出到期望的外部波导路径164。这样，埋入了折射率可变材料的点状缺陷153、154、…起到通过激光照射而动作的开关的任务。
在图5中，表示使用了面内异型结构2维光子结晶的电磁波频率滤波器的一结构例。将主体21分割成多个区域(禁止频带区域)，在每个区域，以不同的排列周期a1、a2、a3配置空孔22。这里，表示了3个禁止频带区域201、202、203，但在图5的上方也可再设置禁止频带区域。使各禁止频带区域中空孔32的排列周期a1、a2、a3…为a1＞a2＞a3。形成输入波导路径23，使其通过全部禁止频带区域。在每个禁止频带区域中，与图1的电磁波频率滤波器相同，形成具有弯曲部的输出波导路径241、242、243、…、点状缺陷251、252、253、…及外部波导路径261、262、263、…。在各点状缺陷中使用直线状3缺陷供体型簇缺陷。
用图6来说明图5的电磁波频率滤波器的动作。在输入波导路径23上传播的多个频率f1，f2，…fn叠加了的电磁波中，点状缺陷251的共振频率fkl的电磁波经点状缺陷251导入输入波导路径241。同样地，点状缺陷252、253、…的共振频率fk2，fk3，…的电磁波经各自的点状缺陷导入输出波导路径242，243，…。将导入各输入波导路径的电磁波取出到各自连接的外部波导路径。
与图1的电磁波频率滤波器相同，由于点状缺陷是供体型点状缺陷，所以可抑制电磁波向面外方向的损失。在利用后述的禁止频带区域交界的电磁波的反射时，尤其期望使用直线状3缺陷供体型簇缺陷。
在面内异型结构2维光子结晶中，依赖于空孔32的排列周期，在每个禁止频带区域，输入波导路径23中可传播的电磁波的频率频域不同。因此，如图7所示，在频率fa的电磁波包含在可于禁止频带区域201内的输入波导路径中传播的频率频域311的端部时，不被包含在禁止频带区域202内的输入波导路径频率频域312中。此时，在禁止频带区域201和禁止频带区域202的交界271中，反射在禁止频带区域201内的输入波导路径中传播的频率fa的电磁波。若设置使该fa成为共振频率的点状缺陷251，则由于输入波导路径传播的频率fa的电磁波未进入点状缺陷251而通过，在交界271中被反射，所以可使经点状缺陷251导入输出波导路径241的频率fa的电磁波的强度比没有该反射时高。若共振频率在输入波导路径的频率频带的端部，则满足上述条件。若使用所述3缺损直线状供体型簇缺陷，则可满足这样的条件。
由点状缺陷反射电磁波是减弱导入输出波导路径的电磁波强度的原因之一。在由于交界271、272、273、…的反射，电磁波的相位反向时，使点状缺陷251、252、253、…与交界271、272、273、…之间的距离L1、L2、L3、…成为各点状缺陷的共振波长的(2n-1)/2倍。由此，可干扰并抑制在交界271、272、273、…中反射的电磁波和由点状缺陷251、252、253、…反射的电磁波，进一步提高导入输出波导路径的电磁波的强度。
通过输出波导路径的规定范围(例如图1的141)的电磁波不一定全部通过弯曲部(例如图1的171)。通过调节弯曲部附近的空孔12的周期、形状、尺寸，可控制弯曲部的电磁波穿透率的频率依赖性。在图8及图9中表示其一实例。图8中，在图1的输出波导路径的弯曲部171的附近，使位于外侧角部的空孔121的直径比其他空孔的直径小。在图9(a)中表示关于弯曲部空孔的参数与周围相等的情况(图1)，图9(b)中表示根据FDTD法(时间区域差分法)计算了图8情况的电磁波频率频域的穿透率及反射率的结果。在图9(b)的计算中，设图8的空孔121的半径为0.23a(a是空孔12的排列周期)，其他空孔12的半径为0.29a。通过使弯曲部空孔的直径变化，可使穿透率为最大的标准频率(频率乘以a/c(c是光速)，成为无维度的频率)从0.271((a)的情况)变至0.267((b)的情况)。由此，可与所述3缺损直线状供体型簇缺陷的共振频率0.267(标准频率)一致，高效率地通过规定频率的电磁波。
在图8的实例中，共振器的共振频率和弯曲部的最大穿透率的频率都与排列周期a成正比。因此，若就1个共振频率进行共振器及弯曲部的设计，则对另外的共振频率而言，也可通过调节排列周期a，容易地使共振器的共振频率与弯曲部的最大穿透率的频率一致。这尤其是在使用异型结构时，不必在每个不同折射率区域进行弯曲部设计上是有用的。另外，这样的控制在调节弯曲部附近的空孔12的其他参数时也同样适用。
在输出波导路径两端中的一端设置终端部时，在另一端与外部的电磁波的传递效率依赖于终端部与共振器之间的距离。对此，使用图10(a)表示的实例来计算。设输入波导路径13的一端为端口1，另一端为端口2，进行输出波导路径14的电磁波的传递侧为端口3，终端部侧为端口4。在端口1及端口3中设反射率为0。在端口2侧，例如由于存在相邻不同折射率区域等理由，设反射率为1。设作为波导路径终端部的端口4的反射率为1。另外，设端口1～端口3各自距共振器的距离d1、d2、d3均为共振波长的(2n-1)/4倍(n为正整数)。在图10(b)中表示对各端口计算了端口4和共振器之间的距离d4在共振波长的1～1.5倍之间的、具有共振器的共振波长的电磁波的强度的结果。根据该图，可知在距离d4为共振波长的1.25倍时，将具有共振器的共振波长的电磁波全部输出到端口3。这对应于使输出波导路径的端部与共振器之间的距离为共振波长的(2n-1)/4倍(n为正整数)的情况。

Claims (22)

1、一种电磁波频率滤波器，其特征在于，具备：
a)波导电磁波的输入波导路径；
b)输出波导路径，是波导电磁波的波导路径，配置成在其长度方向的规定范围内与所述输入波导路径的距离比在所述规定范围外与所述输入波导路径的距离小；和
c)共振器，配置在所述输入波导路径与输出波导路径之间的所述规定范围内，在规定频率的电磁波下共振。
2、根据权利要求1所述的电磁波频率滤波器，其特征在于：
配备多条所述输出波导路径，在各输出波导路径与所述输入波导路径之间且规定范围内配备共振器，对每个输出波导路径，在规定频率的电磁波下共振。
3、根据权利要求2所述的电磁波频率滤波器，其特征在于：
所述每个输出波导路径的共振器的共振频率各不相同。
4、根据权利要求1-3之一所述的电磁波频率滤波器，其特征在于：
所述输入波导路径和输出波导路径之一或双方在所述规定范围的端部具有弯曲部。
5、根据权利要求4所述的电磁波频率滤波器，其特征在于：
所述共振器的共振频率被包含于所述弯曲部的高穿透率频率频带中。
6、一种电磁波频率滤波器，其特征在于，具备：
a)2维光子结晶，设置了周期性排列在平板状的主体上的多个折射率与主体不同的区域；
b)通过将所述不同折射率区域的缺陷设置成线状而形成的输入波导路径；
c)输出波导路径，是通过将所述不同折射率区域的缺陷设置成线状而形成的波导路径，配置成在其长度方向的规定范围内与所述输入波导路径的距离比在所述规定范围外与所述输入波导路径的距离小；和
d)共振器，配置在所述输入导波路径与输出波导路径之间的所述规定范围内，由在规定频率的电磁波下共振的点状缺陷构成。
7、根据权利要求6所述的电磁波频率滤波器，其特征在于：
所述点状缺陷是通过使不同折射率区域欠缺来形成的供体型点状缺陷。
8、根据权利要求6或7所述的电磁波频率滤波器，其特征在于：
配备多条所述输出波导路径，在各输出波导路径与所述输入波导路径之间且规定范围内配备共振器，对每个输出波导路径，在规定频率的电磁波下共振。
9、根据权利要求8所述的电磁波频率滤波器，其特征在于：
所述每个输出波导路径的共振器的共振频率各不相同。
10、一种电磁波频率滤波器，其特征在于，具备：
a)面内异型结构2维光子结晶，在平板状的主体内设置2个以上禁止频带区域，在各禁止频带区域内，设置了以每个禁止频带区域中不同的周期、周期性排列在主体上的多个、折射率与主体不同的区域；
b)输入波导路径，在各禁止频带区域内，通过将所述不同折射率区域的缺陷设置成线状而形成，通过全部禁止频带区域；
c)输出波导路径，是通过在每个禁止频带区域中将所述不同折射率区域的缺陷设置成线状而形成的波导路径，配置成在其长度方向的规定范围内与所述输入波导路径的距离比在所述规定范围外与所述输入波导路径的距离小；和
d)共振器，配置在所述输入波导路径与输出波导路径之间的所述规定范围内，由在规定频率的电磁波下共振的点状缺陷构成。
11、根据权利要求10所述的电磁波频率滤波器，其特征在于：
所述点状缺陷是通过使不同折射率区域欠缺来形成的供体型点状缺陷。
12、根据权利要求10或11所述的电磁波频率滤波器，其特征在于：
各禁止频带区域中的输入波导路径的穿透频率频域的一部分不包含于位于该禁止频带区域一侧的全部禁止频带区域之输入波导路径穿透频率频域中，而包含于位于与其相反侧的全部禁止频带区域之输入波导路径穿透频率频域中，设置在各禁止频带区域中的所述共振器的共振频率，包含于所述一部分的穿透频率频域中。
13、根据权利要求12所述的电磁波频率滤波器，其特征在于：
在所述各禁止频带区域中，设定与所述一侧邻接禁止频带区域之交界面和属于该禁止频带区域的共振器之间的距离，以使具有该禁止频带区域的共振器之共振频率并由该共振器反射的电磁波，与以相同频率通过该点状缺陷并由禁止频带区域界面反射的电磁波之间的相位差为π。
14、根据权利要求12或13所述的电磁波频率滤波器，其特征在于：
所述点状缺陷是通过使直线状相邻的3个不同折射率区域欠缺来形成的直线状供体型簇缺陷。
15、根据权利要求6-14之一所述的电磁波频率滤波器，其特征在于：
所述输入波导路径和输出波导路径之一或双方在所述规定范围的端部具有弯曲部。
16、根据权利要求15所述的电磁波频率滤波器，其特征在于：
所述共振器的共振频率包含于所述弯曲部的高穿透率频率频带中。
17、根据权利要求16所述的电磁波频率滤波器，其特征在于：
所述弯曲部中的不同折射率区域在折射率、周期、形状或大小之一上与其它不同折射率区域不同。
18、根据权利要求6-17之一所述的电磁波频率滤波器，其特征在于：
至少一个所述共振器的部分或全部，由折射率随着来自外部的作用而变化的材料构成。
19、根据权利要求1-18之一所述的电磁波频率滤波器，其特征在于：
在所述输出波导路径中设置反射具有所述共振器的共振频率之电磁波的反射部，设定共振器与反射部之间的距离，以使从共振器导入到输出波导路径的电磁波与由反射部反射的电磁波之相位差为0。
20、根据权利要求1-18之一所述的电磁波频率滤波器，其特征在于：
在所述输出波导路径中设置反射具有所述共振器的共振频率之电磁波的反射部，设定共振器与反射部之间的距离，以使由共振器反射的电磁波与由反射部反射的电磁波之相位差为π。
21、根据权利要求19或20所述的电磁波频率滤波器，其特征在于：
所述反射部由输出波导路径的端部、设置在所述规定范围的端部之弯曲部、设置在规定范围的端部之外的位置上之弯曲部、以及与所述一侧的邻接禁止频带区域之交界面中任一个构成。
22、根据权利要求1-21之一所述的电磁波频率滤波器，其特征在于：
至少一个所述共振器向外部放射共振的电磁波的一部分。
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