CN1846156A - 二维光子晶体分合波器 - Google Patents

Abstract

本发明的二维光子晶体分合波器，其在周期地配置空位(22)而形成的二维光子晶体上设置输入波导(23)和输出波导(24)，并通过在两波导之间设置使空位(22)缺损的二个点状缺陷(25)、(26)，从而防止由二维光子晶体平板合分波器中的波长的误差引起的效率的降低或与其他波长的串扰。

Description

二维光子晶体分合波器

技术领域

本发明涉及在波分多路通信等上所使用的二维光子晶体分合波器。特别是涉及对该分合波的特性进行改进的技术。

背景技术

近年，波分多路(Wavelength Division Multiplexing：WDM)传输系统的技术正在发展。该WDM是使多个波长(频率)的光(对于本说明书中使用的“光”，假设包括电磁波。)在一条传输路上传播，并分别载有独立的信号进行信息传输的技术。为了在传输路的入口侧上将各波长的光混合、并将混合的光在出口侧上按各波长取出，需要光的合波器(multiplexer)及分波器(demultiplexer)、或波长滤波器(filter)。以往，虽然在分波器上使用如阵列波导衍射光栅，但在该分波器中，为了将光的损失变小，现状是使用了几cm角左右的比较大的元件。

对此，为了传输系统的大容量化及装置的小型化，正在开发利用光子晶体的分波器、合波器或波长滤波器。所谓光子晶体是持有周期折射率分布的功能材料，并对于光的能量(energy)形成能带结构。特别是，其特征在于：可形成不能进行光传播的能量区域(光子能带隙(photonic bandgap))。通过在光子晶体中的折射率分布上导入适当的缺陷，从而在光子能带隙中形成由该缺陷引起的能级(缺陷能级)。由此，可存在和光子能带隙中的能量相对应的波长范围中、仅和缺陷能级的能量相对应的波长的光。通过将晶体中的所述缺陷形成为线状而成为波导，通过将晶体中的所述缺陷形成为点状而成为谐振器。在该点状缺陷中谐振的光的波长(谐振波长)，根据点状缺陷的形状而不同。

在非专利文献1中，记载着对将由高折射率材料构成的无限长的圆柱体排列为正方格子状的光子晶体进行计算机模拟后的结果。在该结构中，虽然能在与正方格子平行的面内进行基于光子能带隙的光的控制，但是在垂直于该面的方向上不能进行光的控制。由此，这样构成的光子晶体并不实用。

在专利文献1中记载着：在板状的主体上，通过对与主体不同的折射率的区域(以下，假定其为“异折射率区域”)周期地进行排列而设置了周期折射率分布的光子晶体。在这样的结构中，在主体的面内形成光子能带隙，进一步因为通过在垂直于主体的方向上主体和周围的空气的折射率差而使光在主体内被限制(confine)，所以能控制主体内的光。再有，通过使异折射率区域缺损为线状而形成波导([0025]、图1)，通过使其缺损为点状而形成点状缺陷([0029]、图1)。在专利文献1中作为实施例，公开了将由圆柱孔构成的异折射率区域周期地排列为三角格子，并将波导附近的一个圆柱孔的口径变大而形成了一个点状缺陷的二维光子晶体。

非专利文献1：凡·等人，Physical Review Letters，(美国)，美国物理学会，1998年，第80卷，960～963页(S.Fan et al.，“Channel Drop Tunnelingthrough Localized States”，Physical Review Letters，(US)，AmericanPhysical Society，1998，vol.80，pp.960-963)

专利文献1：特开2001-272555号公报([0025]、[0029]、图1)

这样的二维光子晶体，作为将传播波导且多个波长重叠后的光中具有点状缺陷的谐振波长的光通过点状缺陷而被分波到晶体外部的分波器起作用。再有，也可作为将具有点状缺陷的谐振波长的光从晶体外部合波到传播波导的重叠光的合波器起作用。这样，因为同一个二维光子晶体作为分波器和合波器起作用，所以在本说明书中，将这样的二维光子晶体称为“分合波器”。进一步，将不同形状的多个点状缺陷设置在波导附近的二维光子晶体，成为各点状缺陷将各自不同波长的光分合波的分合波器。通过在多个波长的光上分别载有独立的信号，从而能利用分波器从传输路(波导)上取出规定的信号，或通过合波器将规定的信号导入到传输路中。

在这样的分合波器中，点状缺陷不仅对具有该谐振波长λ₀的光、也对将谐振波长λ₀作为中心的某个波长宽度中所包括的光以一定的比例进行分合波。在上述现有的二维光子晶体分合波器中，分合波光谱成为如图1所示那样、以谐振波长λ₀为中心的洛伦兹函数(Lorentz Function)。显示：在洛伦兹函数(Lorentz Function)形的情况下，分合波光谱的峰值尖锐，并在谐振波长λ₀附近，随着远离λ₀，分合波光谱的值急剧地变小的同时，随着远离λ₀而引出长波麓的分布。在具有这样的洛伦兹函数(LorentzFunction)形的分合波光谱的情况下，关于分合波存在以下2个应该改进的问题。

第1问题是起因于分合波光谱的峰值尖锐的问题。由于装置的时效变化或温度变化等，在传播波导的光的波长上产生误差，或在分合波器的谐振波长上也产生误差。因此，在点状缺陷的谐振波长(分合波光谱的峰顶(peak top)的波长)λ₀和传播波导的光的波长λ₁之间产生误差δλ。即使该误差非常小，也如图1所示，λ₁中的分合波光谱的值比λ₀中的值大幅度减少。这意味着在分合波光谱是洛伦兹函数(Lorentz Function)形的情况下，稍微一点波长的偏差就会使分合波的效率降低。

第2问题是起因于分合波光谱的长波麓的问题。由于具有这样的波麓，故混入具有远离λ₀的波长的不期望的光，并成为噪音的原因。进一步，该波麓和邻接的信道的信号波长重合，成为2个信号串扰(crosstalk)的原因。

发明内容

本发明要解决的问题，是提供一种能防止因各点状缺陷的分合波光谱的峰值形状而产生的、由输入信号或谐振波长的偏差引起的分合波效率的降低或由分合波光谱的波麓的影响引起的串扰的二维光子晶体分合波器。

为了解决所述问题而进行的本发明涉及的二维光子晶体分合波器，其特征在于，具备：

a)平板(slab)状的主体；

b)在所述主体内以规定周期配置为格子状的多个、折射率不同于主体的区域；

c)设置在所述主体上的、由将所述异折射率区域的缺陷设置为线状的波导构成的第1光导入导出部；

d)设置在所述主体上的第2光导入导出部；和

e)点状缺陷谐振器，其在第1光导入导出部和第2光导入导出部之间，将点状缺陷以2个以上串联的方式进行配置，该点状缺陷是将所述异折射率区域的缺陷设置成点状而构成的点状缺陷，并具有几乎相同的谐振波长。

在本发明的二维光子晶体分合波器中，作为与面内方向的大小相比其厚度非常薄的板状体的平板成为主体。在该主体内，将多个折射率不同于该主体的区域以规定的周期设置成格子状。由此，成为形成了使由其周期决定的规定波段的光在主体的面内方向上不通过的光子能带隙(photonicbandgap)的二维光子晶体。在该二维光子晶体中，因为通过采用上述的结构，从而在主体和主体外(例如空气)之间因两者的折射率之差而产生全反射，所以在主体和主体外之间光不会遗漏。在此，在配置异折射率区域的格子中存在三角格子或正方格子等。再有，异折射率区域，虽然也可以是折射率比主体还低的区域或还高的区域的任何一个，但是在可以使与主体的折射率之差变大并且制造容易的方面，希望通过在主体上周期地开设空位而形成。

在该主体上设置由将异折射率区域的缺陷设置为线状的波导构成的第1光导入导出部。该波导，典型地通过使异折射率区域缺损为线状、即不设置异折射率区域而形成。该波导，在作为分波器使用时成为用于将重叠了多个波长的光导入分波器的光导入部；在作为合波器使用时则成为用于将重叠了多个波长的光取出到外部的光导出部。

再有，在该主体上设置第2光导入导出部。第2光导入导出部，在作为分波器使用时则成为用于将规定的波长的光取出到晶体外部的光导出部；在作为合波器使用时则成为用于将规定的波长的光导入合波器的光导入部。该第2光导入导出部可看作为波导、或点状缺陷。在将第2光导入导出部看作为点状缺陷时，通过将异折射率区域的缺陷设置为点状而形成。对于该点状缺陷，可以利用将异折射率区域形成为和其他异折射率区域或不同大小或使其缺损等。再有，设置缺陷的异折射率区域可形成为一个或邻接的多个。在设置邻接的多个缺陷时，该多个缺陷相辅相成，可认为是一个点状缺陷。如上所述，为了将光取出到晶体外部或导入到合波器，希望该点状缺陷和晶体外部之间的Q值比后述的点状缺陷谐振器还小。在此，Q值是表示谐振器的性能的值，根据定义，其和单位时间内从谐振器向外部漏出的能量的比率成反比。由此，Q值越大，从谐振器向外部的光的能量的漏出越小。另一方面，在将第2光导入导出部看作为波导时，该波导通过和第1光导入导出部的波导相同的方法来形成。也可以在该第2光导入导出部的波导的附近进一步设置点状缺陷，从该波导通过点状缺陷将光取出到晶体外部或导入到合波器。

在第1光导入导出部和第2光导入导出部之间，将谐振波长几乎相同的点状缺陷谐振器以2个以上串联的方式进行配置。在这样的配置中，包括：在和第1光导入导出部的波导相垂直的方向上进行的配置、在相对于波导倾斜的方向上进行的配置、以之字形(zigzag)方式进行的配置。再有，点状缺陷谐振器，可以通过和上述光导入导出部的点状缺陷相同的方法来形成。

因为该点状缺陷谐振器并非直接进行和外部的光的导出导入，所以希望使从谐振器到晶体外部的光的漏出减少。通过使异折射率区域缺损、即不设置异折射率区域而形成的施主(donor)型缺陷，因为和将异折射率区域的大小变大的受主(acceptor)型缺陷等相比、其点状缺陷谐振器和晶体外部之间的Q值(Q_V)要大，所以可以适当地运用在点状缺陷谐振器上。进一步，通过使点状缺陷谐振器附近的异折射率区域从根据排列周期而决定的位置开始变位，从而可以使Q_V变大。例如，在使邻接的3个异折射率区域缺损为直线状的点状缺陷中，相对于没有异折射率区域的变位时Q_v～5200，通过在点状缺陷上使最近接的2个异折射率区域变位而能形成Q_v～45000。

在第1光导入导出部和与该光导入导出部最近的点状缺陷谐振器之间、邻接的2个点状缺陷谐振器之间、及第2光导入导出部和与该光导入导出部最近的点状缺陷谐振器之间对光进行交换，由各构成要素或其间的距离等决定的Q值成为光交换的指标。

如上那样构成的二维光子晶体光分合波器，如下所述地作为分波器及合波器动作。首先，对作为从多个波长的重叠光中将规定波长的光分波的分波器的动作进行说明。如果使重叠光在第1光导入导出部的波导中传播，则重叠光中只有点状缺陷谐振器的谐振波长的光在和第1光导入导出部最近的点状缺陷谐振器上被捕获。该光，依次在邻接的点状缺陷谐振器上被捕获、最终在第2光导入导出部上被捕获并被取出到晶体外部。在作为合波器时，点状缺陷谐振器的谐振波长的光由第2光导入导出部导入，依照和分波器相反的顺序在点状缺陷谐振器上被捕获。该光，最终被导入到重叠光传播的第1光导入导出部的波导中，并合波到该重叠光上。

对本发明的分合波器中所分波合波的光的光谱进行考察。在此，如图2(a)所示，以在2个光导入导出部之间设置了2个点状缺陷谐振器的情况为例进行说明。此外，为了比较，如图2(b)所示对将在2个光导入导出部之间仅设置了1个点状缺陷谐振器的现有的分合波器中的分合波光谱一起进行考察。

在图2(a)中，在由波导构成的第1光导入导出部11、和由形成为与此相同形状的波导构成的第2光导入导出部12之间，配置着谐振波长均为λ₀、谐振频率均为ω₀(＝2πc/λ₀、c是光速)的2个点状缺陷谐振器13及14。第1光导入导出部和与此相近侧的点状缺陷谐振器之间的Q值、及第2光导入导出部和与此相近侧的点状缺陷谐振器之间的Q值皆假定为Q_in，而点状缺陷谐振器和晶体外部之间的Q值假定为Q_v。在此，利用由τ_e＝2Q_in/ω₀、τ₀＝2Q_v/ω₀所定义的衰减常数τ_e、τ₀来进行分析。再有，假定2个点状缺陷谐振器之间的互耦合系数为μ。该μ，在没有波导的情况下且将2个谐振器的振幅假定为a_L及a_R时，由da_L/dt＝(jω₀-1/τ₀)a_L-jμa_R及da_R/dt＝(jω₀-1/τ₀)a_R-jμa_L而求得。因而，利用这些参数、通过模式耦合理论计算的分合波光谱I(ω)为：

[数1]

$I\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{1}{\frac{{{\mathrm{\τ}}_e}^2}{{\mathrm{\μ}}^2}[{\{{(\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_0}+\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_e})}^2+{\mathrm{\μ}}^2\}}^2+2\{{(\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_0}+\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_e})}^2-{\mathrm{\μ}}^2\}{(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_0)}^2+{(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_0)}^4]}---\left(1\right)$

另一方面，如(b)所示，如果对在由波导构成的第1光导入导出部15、和由与此相同的波导构成的第2光导入导出部16之间仅配置1个点状谐振器17的现有的分合波器中的分合波光谱用所述相同的方式进行计算，则为：

[数2]

$I\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{1}{{(\frac{{\mathrm{\τ}}_e}{{\mathrm{\τ}}_0}+2)}^2+{{\mathrm{\τ}}_e}^2{\left({\mathrm{\ω}-\mathrm{\ω}}_0\right)}^2}---\left(2\right)$

式(2)表示所述洛伦兹形的分合波光谱，在其分母上具有频率ω²的项。相对于此，在式(1)中其分母内除了ω²的项外还具有ω⁴的项。该分母内的ω⁴的项，比ω²的项在和谐振频率ω₀相近的区域上有助于将分合波光谱的值增大，并在远离ω₀的区域上有助于将分合波光谱的值减小。由此，在本发明的分合波器中，和现有的分合波器相比分合波光谱的值(i)在和ω₀相近区域中变大、(ii)在远离ω₀的区域上变小。

在式(1)中，在μ²＝(1/τ₀+1/τ_e)²时分母的ω²的项为0，基于所述ω⁴的项的倾向最为显著。

对在式(1)中形成为μ²＝(1/τ₀+1/τ_e)²、和式(2)的分合波光谱图的一例在图3中进行例示。实线对应于式(1)、虚线对应于式(2)。横轴是波长、纵轴由作为分合波光谱I(λ)的分贝(decibel)表示的I_dB＝10×log[I(λ)/I(λ₀)]来表示。谐振波长λ₀为1550nm。另外，(b)是(a)的放大图。从这样的分合波光谱的形状，可清楚根据本发明的二维光子晶体光分合波器获得了以下的效果。首先，(i)通过在和ω₀相近的区域上分合波光谱的值变大，从而即使在波导中的光的波长上产生误差、或谐振器上产生误差，传播波导的光的频率ω₁从谐振器的谐振频率ω₀偏离，也因为频率ω₁中的分合波光谱的值变大，所以和现有的分合波器相比，其分合波的效率提高。(i)的情况，如图3所示，因为谐振频率ω₀附近的分合波光谱的形状变得平坦，所以以下，将分合波光谱的这种平坦形状称为“平顶”(flat top)。再有，(ii)通过在远离ω₀的区域上分合波光谱的值变小，从而可防止在分合波的光中混入不期望的频率的光而产生噪音、或和邻接信道的信号频率重合而产生串扰。

在分合波器中，在频率从谐振频率偏离了0.005％时，希望分合波光谱的值为谐振频率ω₀中的值的-1dB(79％)以上。为此，希望作为μ²和[(ω₀/2)×(1/Q_in+1/Q_v)]²之比的μ²/[(ω₀/2)×(1/Q_in+1/Q_v)]²为0.2～10。在本说明书中将该比称为耦合比。在该比为1、即μ²＝[(ω₀/2)×(1/Q_in+1/Q_v)]²时，式(1)的分母中的(ω-ω₀)²的项为0，并形成最理想的平顶。

在所述模型(model)中，虽然以点状缺陷谐振器是2个而第2光导入导出部是波导的情况为例进行了说明，但是即使在该个数为比2个还大的N个的情况时下，根据ω^2N项的影响，也可获得和所述模型的情况相同的效果。在第1光导入导出部和第2光导入导出部之间的距离长的情况下，为了连接2个光导入导出部之间而将点状缺陷谐振器设置为3个以上的方式是有益的。但是，在将点状缺陷谐振器的个数设为3个以上时，因为对于每一个点状缺陷谐振器其和周围的关系不同，所以将用于获得相同的谐振频率及Q值的设计在每一个点状谐振器上进行。同样地，即使在第2光导入导出部是点状缺陷的情况等下，也因为根据第2光导入导出部和第1光导入导出部(波导)的相异，在每一个点状缺陷谐振器上其和周围的关系不同，所以和以上同样地独立执行各点状缺陷谐振器的设计。另外，在点状缺陷谐振器的个数是2个、第2光导入导出部是波导的情况下，也可配置为使2个点状缺陷谐振器及2个光导入导出部点对称。由此，因为在2个点状缺陷谐振器彼此之间其和周围的关系相同，所以如果将点状缺陷谐振器形成为同种的谐振器，则能获得相同的谐振频率及Q值，并使分合波器的设计容易。

即使是具有点状缺陷谐振器的谐振波长的光，也以一定的比率(透过率)从第1光导入导出部以不导入点状缺陷谐振器的方式通过。再有，该光以一定的比率(反射率)被点状缺陷谐振器反射。进一步，在将第2光导入导出部形成为波导的情况下，在该波导的两端上传播光。通过将其抑制，而能使分波及合波效率提高。因此，在第1光导入导出部及/或第2光导入导出部上，希望设置对具有点状缺陷谐振器的谐振波长的光进行反射的反射部。通过在第1光导入导出部上设置反射部，从而使在点状缺陷谐振器上未被导入而通过的光由反射部反射，并导入到点状缺陷谐振器上。再有，通过对点状缺陷谐振器和反射部的距离进行适当地设定，从而可以使被点状缺陷谐振器反射的光和由反射部反射的光干涉而减弱。进一步，通过在第2光导入导出部上设置反射部，从而只从第2光导入导出部的波导的一方端部进行光的取出或导入。

这样的反射部，例如，能用以下的方式构成。将所述主体划分为多个区域(禁带区域)，并在各禁带区域上以各自不同的周期配置异折射率区域，以通过该多个禁带区域的方式配置第1光导入导出部和第2光导入导出部。因为波导的透过波段根据异折射率区域的周期而不同，所以通过适当地设定各禁带区域的周期，从而在点状缺陷谐振器所属的禁带区域上，使该点状缺陷谐振器的谐振波长被包括在第1光导入导出部或第2光导入导出部的波导透过波段中，而在其他的禁带区域上不被包括在该波导透过波段中。因此，该谐振波长的光不能传播该其他禁带区域的波导，而在该禁带区域和邻接的禁带区域的边界上被反射。这样，该境界成为反射部。将如此多个由禁带区域构成的结构、在本说明书中称为“异质结构”(heterostructure)。

如图4那样，在第1光导入导出部11上设置第1反射部18、在第2光导入导出部12上设置第2反射部19的情况下，分合波光谱I(ω)为：

[数3]

$I\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{4}{\frac{{{\mathrm{\τ}}_e}^2}{{\mathrm{\μ}}^2}[{\{{(\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_0}+\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_e})}^2+{\mathrm{\μ}}^2\}}^2+2\{{(\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_0}+\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_e})}^2-{\mathrm{\μ}}^2\}{(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_0)}^2+{(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_0)}^4]}---\left(3\right)$

并成为没有反射部时的分合波光谱的4倍。特别是，在μ²＝(1/τ₀+1/τ_e)²、且Q_in＜＜Q_v时，ω＝ω₀中的分合波光谱的值为1、即分合波的效率为100％。

附图说明

图1是用于说明现有的二维光子晶体分合波器的分合波光谱的问题点的图。

图2是本发明的二维光子晶体分合波器(a)、和作为比较例的仅设置了1个点状缺陷谐振器的二维光子晶体分合波器(b)的示意图。

图3是表示本发明的二维光子晶体分合波器的分合波光谱的一例的曲线。

图4是具有异质结构(heterostrcture)的二维光子晶体分合波器的示意图。

图5是本发明的二维光子晶体分合波器的一实施例的立体图(a)及平面图(b)。

图6是用于对本实施例的二维光子晶体分合波器具有点状缺陷进行说明的平面图。

图7是比较例的二维光子晶体分合波器的示意图。

图8是表示通过模式耦合理论计算本实施例和比较例的二维光子晶体分合波器中的分合波光谱的结果的曲线。

图9是表示通过FDTD法计算本实施例的二维光子晶体分合波器中的分合波光谱的结果的曲线。

图10是其他实施例的二维光子晶体分合波器的平面图。

图11是表示本发明的二维光子晶体分合波器的其他实施例的示意图。

图12是具有异质结构的二维光子晶体分合波器的一实施例的平面图。

图13是表示具有异质结构的二维光子晶体分合波器中的波导透过波段的图。

图中：11、15-第1光导入导出部，12、16-第2光导入导出部，13、14、17-点状缺陷谐振器，21-主体，22-空位，23、65-输入波导，24、66-输出波导，25、26、31、32、51、67、68-点状缺陷。

具体实施方式

在图5中表示本发明的二维光子晶体分合波器的一实施例的立体图(a)及平面图(b)。主体21具有平板状的形状。在主体21上通过将空位22开设为周期a的三角格子状来设置异折射率区域。在主体上，通过使空位22仅一列缺损为线状、即不设置空位22，而设置输入波导23及输出波导24。在输入波导23和输出波导24之间，设置相同形状的2个点状缺陷25及26。对该点状缺陷25及26以后进行详细说明。输入波导23和点状缺陷25的距离、及点状缺陷26和输出波导24的距离任何一个是空位22分离5列份的距离、即(5/2)×3^0.5a。此外，点状缺陷25及点状缺陷26的距离是4×3^0.5a。另外，在以下的计算中，将a的值取为420nm、空位22的口径取为240nm。在该二维光子晶体分合波器中，配置为使2个点状缺陷及2条波导都为点对称。

点状缺陷25及26，如图6所示，任何一个都是通过使3个空位22缺损为直线状而形成。在这样的点状缺陷中，因为在该位置全部存在主体21的材料，所以因主体21和外部的空气的折射率差，光容易被限制(confine)。因此，在这样的点状缺陷中，光漏出到主体21面的外部的状况被抑制，可以获得高的Q值。进一步，将和这些点状缺陷最近的空位221及222，配置在和配置为三角格子点的情况(a)相比向点状缺陷的外侧仅移动(shift)了0.15a的位置(b)上。根据本发明者们的计算，通过这样使空位221及222如此移位，从而可以使作为点状缺陷和晶体外部之间的Q值的Q_v，比未移位时(Q_v～5200)更大，可以为Q_v～46600。

本实施例的二维光子晶体分合波器中的Q值等参数，除了所述Q_v～46600以外，从利用时域差分法(Finite Difference Time Domain method；FDTD法)的计算可以获得以下的值。作为输入波导23和点状缺陷25之间、及点状缺陷26和输出波导24之间的Q值的Q_in是Q_in～3590。再有，点状缺陷25和点状缺陷26之间的互耦合系数μ是～-1.42×10^-4ω₀。由此，所述耦合比的值为0.90，其包括在所述期望范围(0.2～10)内。再有，点状缺陷25及26的谐振波长λ₀是1581.6nm。

利用这些参数，首先通过模式耦合理论对本实施例的二维光子晶体分合波器的分合波光谱进行求取。为了进行比较，如图7所示，对从本实施例的构成中将一方的点状缺陷去除而只设置1个点状缺陷31的二维光子晶体分合波器((a)、比较例1)、和设置了与输入波导23的距离及与输出波导24的距离任何一个都是(5/2)×3^0.5a的仅1个点状缺陷32的二维光子晶体分合波器((b)、比较例2)，进行相同的计算。并将这些计算结果在图8中表示。纵轴由作为分合波光谱I(λ)的分贝(decibel)表示的I_dB＝10×log[I(λ)/I(λ₀)]来表示。本实施例的分合波光谱40，(i)在谐振波长λ₀附近，本实施例和比较例相比其分合波光谱变大、显示平顶(flat top)形状。例如，在I_dB是-1dB(I(λ)～0.79I(λ₀))以上的波长范围，相对于在比较例1的分合波光谱41中是0.25nm、在比较例2的分合波光谱42中是0.45nm，在本实施例中是0.43nm，并且比比较例1还要大。由此，在本实施例中由光的振荡器的误差等引起谐振波长λ₀从本来的值偏离的情况下，和比较例1相比其可以将损失抑制为更小。再有，本实施例的分合波光谱，(ii)在从谐振波长λ₀偏离了约0.4nm以上的波长上，本实施和比较例相比，其分合波光谱变小、并显示短的波麓的形状。在I_dB是-20dB(I(λ)～0.011I(λ₀))的波长范围，相对于在比较例1中是4.8nm、在比较例2中是9.2nm，在本实施例中是2.01nm并比任何一个比较例都要小。由此，在本实施例中，和比较例相比，可以抑制从谐振波长λ₀偏离的波长域的信号为原因而产生噪音的情况、或其他信道的信号混信(串扰)的情况。

以上所述的根据模式耦合理论的计算方法，虽然具有使分合波光谱以函数式获得之类的优点，但是也容易受到Q值或互耦合系数μ的误差的影响。因而，并不求取Q值或μ而执行将分合波光谱在数值上获得的FDTD法的计算。并将该结果在图9上以黑圆标记表示。虽然和由模式耦合理论的计算结果相比，其分合波光谱的线宽变狭，但和由模式耦合理论的计算结果相同，可以获得具有谐振波长λ₀附近的平顶(flat top)形状、和在偏离了谐振波长λ₀的波长上的短波麓形状的分合波光谱。

再有，如果对如图10所示那样将点状缺陷26比点状缺陷25在波导垂直方向上偏移(7/2)×3^0.5a、而在波导长度方向上仅偏移1.5a而进行配置的情况下通过FDTD法对其分合波光谱进行求取，则为图9的三角标记那样。根据图9的2组数据，在重视对应于谐振波长λ₀的偏离的情况时，也可采用谐振波长附近值更大的图10的构成；而在重视抑制噪音或串扰的情况时，也可采用图5的构成。

在上述实施例中，虽然以输出波导24构成分波器中的光的输出部，但也可以用点状缺陷构成该输出部。这样的点状缺陷，在合波器中为输入部。例如，如图11所示，作为分波器的输出部(合波器的输入部)，设置和点状缺陷25及26相同地使3个空位缺损为直线状的点状缺陷51。通过将距点状缺陷51最近的空位的位置设定在和点状缺陷25及26的情况相比接近三角格子的格子点的位置上，从而可以将点状缺陷51的Q值设定为和点状缺陷25及26相比还要小的值。从输入波导23分波后的光，经过点状缺陷25及26，并从Q值小的点状缺陷51的主体表面射出到晶体外部。

再有，本发明的二维光子晶体分合波器，可以采用使空位的口径变化了等其他的点状缺陷的形态、或以正方格子等其他的周期配置来配置空位的形态等。

接着，对在第1光导入导出部及第2光导入导出部上设置了反射部的构成中、具有异质结构(heterostructure)的二维光子晶体分合波器的一实施例在图12上进行图示。主体61由2个禁带区域63及64构成。输入波导65及输出波导66任一个都是同一形状，并通过2个禁带区域63及64。空位62的周期，在禁带区域63上是a₁，在禁带区域64上是a₂；并具有a₁＞a₂的关系。在输入波导65及输出波导66之间配置着相同形状的2个点状缺陷67及68。

在该构成中，2个禁带区域中的波导透过波段为图13那样。在此，因为输入波导65和输出波导66是相同形状，所以波导通过波段也是相同的。通过使禁带区域63和禁带区域64的周期不同，从而存在虽然包含在禁带区域63的波导透过波段73内，但不被包含在禁带区域64的波导透过波段74内的波段75。通过适当地设定所述2个周期，使点状缺陷67、68的谐振波长包含在该波段75内，从而可以将传播输入波导65的该谐振波长的光在禁带区域63和禁带区域64的境界上被反射。因为从输入波导65未被导入到点状缺陷67及68而通过的所述谐振波长的光通过该反射而被导入到点状缺陷67及68上，所以提高其分波效率。同样地，因为在所分波的光从点状缺陷67及68被导入到输出波导66时，在禁带区域63和禁带区域64的境界上被反射而仅从输出波导66的一方取出，所以这一点也有助于分波效率的提高。

Claims (10)

1、一种二维光子晶体分合波器，其中具备：

a)平板状的主体；

b)在所述主体内以规定周期配置为格子状的多个、折射率不同于主体的区域；

c)设置在所述主体上的、由将所述异折射率区域的缺陷设置为线状的波导构成的第1光导入导出部；

d)设置在所述主体上的第2光导入导出部；和

e)点状缺陷谐振器，其在第1光导入导出部和第2光导入导出部之间，将点状缺陷以2个以上串联的方式进行配置，该点状缺陷是将所述异折射率区域的缺陷设置为点状而构成的点状缺陷，并具有几乎相同的谐振波长。

2、根据权利要求1所述的二维光子晶体分合波器，其特征在于，

第2光导入导出部，是和晶体外部之间的Q值比所述点状缺陷谐振器的Q值还小的点状缺陷。

3、根据权利要求2所述的二维光子晶体分合波器，其特征在于，

所述点状缺陷谐振器之中至少一个是通过使所述异折射率区域缺损而形成的施主型缺陷。

4、根据权利要求1所述的二维光子晶体分合波器，其特征在于，

第2光导入导出部是将所述异折射率区域的缺陷设置为线状的波导。

5、根据权利要求4所述的二维光子晶体分合波器，其特征在于，

在第2光导入导出部上设置了将所述谐振波长的光反射的第2反射部。

6、根据权利要求1至5中任一项所述的二维光子晶体分合波器，其特征在于，

在第1光导入导出部上设置了将所述谐振波长的光反射的第1反射部。

7、根据权利要求5或6所述的二维光子晶体分合波器，其特征在于，

所述本体由所述异折射率区域周期不同的多个禁带区域构成，第1光导入导出部或第2光导入导出部通过该多个禁带区域；所述谐振波长在所述点状缺陷谐振器所属的禁带区域上被包括在第1光导入导出部或第2光导入导出部的波导透过波段内，而在其他禁带区域上不被包括在该波导透过波段内。

8、根据权利要求1至7中任一项所述的二维光子晶体分合波器，其特征在于，

点状缺陷谐振器的个数是2个，而且该2个点状缺陷谐振器及所述2个光导入导出部被配置为点对称。

9、根据权利要求1至8中任一项所述的二维光子晶体分合波器，其特征在于，

使所述点状缺陷谐振器附近的异折射率区域从所述配置周期所决定的位置开始变位。

10、根据权利要求1至9中任一项所述的二维光子晶体分合波器，其特征在于，

将用[(ω₀/2)×(1/Q_in+1/Q_v)]²和2个点状缺陷谐振器之间的互耦合系数μ的平方之比定义的耦合比μ²/[(ω₀/2)×(1/Q_in+1/Q_v)]²设为0.2～10，其中[(ω₀/2)×(1/Q_in+1/Q_v)]²是由点状缺陷谐振器的谐振频率ω₀、作为点状缺陷谐振器和第1及第2光导入导出部之间的Q值的Q_in、以及作为点状缺陷谐振器和晶体外部之间的Q值的Q_v而决定的值。

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