DE602004002135T2

DE602004002135T2 - Hohlraumresonator eines zweidimensionalen photonischen Kristalls und Ein-/Auskoppel-Filter für optische Kanäle

Info

Publication number: DE602004002135T2
Application number: DE602004002135T
Authority: DE
Inventors: Susumu Noda; Takashi 2-108 Katsura-Daini-Goudoush Asano; Yoshihiro Akahane
Original assignee: Kyoto University; Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Kyoto University; Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2003-03-17
Filing date: 2004-03-12
Publication date: 2007-07-19
Anticipated expiration: 2024-03-13
Also published as: US20070086716A1; EP1460457A3; EP1460457B1; KR20040082301A; CN1531154A; EP1460457A2; US7450810B2; US20040184754A1; DE602004002135D1; CA2460112A1; TW200500665A; JP2004279800A; JP4171326B2; CN100391061C

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Kavitäten und Kanal-Hinzufüg-/Fallenlass-Filter, die photonische Kristalle verwenden, und insbesondere auf Verbesserungen in den Eigenschaften der Kavitäten und Kanal-Hinzufüg-/Fallenlass-Filter, basierend auf zweidimensionalen photonischen Kristallen bzw. Photonkristallen.
Es sollte verstanden werden, dass in der vorliegenden Spezifizierung die Signifikanz des Ausdrucks "Licht" so verstanden werden muss, dass auch elektromagnetische Wellen enthalten sind, die relativ zu sichtbarem Licht von längerer als auch kürzerer Wellenlänge sind.
Beschreibung des Stands der Technik
Zusammen mit Fortschritten in Wellenlängenmultiplex-(WDM)-Optischen-Kommunikationssystemen der vergangenen Jahre ist die Bedeutung von extrem kurzen Hinzufüg-/Fallenlass-Filter bzw. Add/Drop-Filter und Kanalfilter zunehmend, in denen eine vergrößerte Kapazität das Ziel ist. In diesem Gebiet werden dann Versuche gemacht, außergewöhnliche kleine optische Hinzufüg-/Fallenlass-Filter zu entwickeln, durch verwenden von photonischen Kristallen. Insbesondere können mit photonischen Kristallen neue optische Eigenschaften realisiert werden, durch Ausnutzen von künstlichen periodischen Strukturen, in denen eine kristallgitterartige periodische Brechungsindexverteilung künstlich innerhalb des Stammmaterials eingegeben wird.
Ein wichtiges Merkmal von photonischen Kristallen ist die Anwesenheit von photonischen Bandabständen. Mit photonischen Kristallen mit dreidimensionaler Brechungsindexperiodizität (3D-photonischen Kristallen) können perfekte Bandabstände bzw. Bandlücken gebildet werden, in denen die Übertragung von Licht in jeder Richtung verhindert wird. Zu den Möglichkeiten bei diesen Kristallen zählen die Ortsbeschränkung von Licht, Steuerung von spontaner Emission und Formation von Wellenleitern durch das Einfügen von Liniendefekten, bzw. geraden Defekten, wobei die Realisierung von extrem kleinen photonischen integrierten Schaltkreisen vorhergesehen werden kann.
Indessen florieren Studien zur Verwendung von photonischen Kristallen mit einer zweidimensionalen periodischen Brechungsindexstruktur (2D-photonischen Kristallen), weil die Kristalle vergleichsweise leicht hergestellt werden können. Eine periodische Brechungsindexstruktur in 2D-photonischen Kristallen kann gebildet werden beispielsweise durch Anordnen von Luftsäulen in einer quadratischen Gitter- oder dreieckigen Gittergeometrie, die ein Hochbrechungsindexplattenmaterial perforieren (gewöhnlich genannt ein "Slab" bzw. Platte). Alternativ kann die Struktur innerhalb eines Niedrigindexmaterials gebildet werden durch Anordnen von Pfosten in einer 2D-Gittergeometrie innerhalb desselben, die aus einem Hochbrechungsindexmaterial hergestellt sind. Photonische Bandabstände können aus solchen periodischen Brechungsindexstrukturen hergestellt werden, was die Übertragung von Licht zu steuern ermöglicht, das sich in einer ebenen Richtung (Richtung parallel zu beiden Hauptseiten der Platte) ausbreitet. Wellenleiter können beispielsweise hergestellt werden durch Einfügen von Liniendefekten in eine periodische Brechungsstruktur. (Siehe beispielsweise Physical Review B, Bol. 62, 2000, Seiten 4488–4492).
10 stellt in einer schematischen schrägen Ansicht ein Kanal-Hinzufüg-/Fallenlass-Filter dar, das in der japanischen ungeprüften Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2001–272555 offenbart ist. (In den Zeichnungen in der vorliegenden Anmeldung kennzeichnen identische Bezugszeichen identische oder ähnliche Teile). Der Kanal-Hinzufüg-/Fallenlass-Filter in 10 nutzt ein 2D-photonisches Kristall mit, konfiguriert innerhalb einer Platte 1, zylindrischen durchgängigen Löchern 2 von identischem Durchmesser (gewöhnlich versetzt mit Luft), die an den Eckpunkten eines 2D-dreieckigen Gitters gebildet werden. In einem 2D-photonischen Kristall dieser Art wird Licht am Ausbreiten in einer in-ebenen Richtung innerhalb der Platte 1 durch einen Bandabstand gehindert, und in der Richtung normal zu der Ebene (Richtung rechtwinklig zu den zwei Hauptseiten der Platte) ist es eingeengt aufgrund einer Totalreflektion, die bei der Schnittstelle mit der Niedrigbrechungsindexauskleidung auftritt (beispielsweise Luft).
Das photonische Kristall in 10 enthält einen Wellenleiter 3, der aus einem geraden Liniendefekt besteht. Dieser gerade Liniendefekt 3 enthält einen geradlinigen Bereich von einer Vielzahl von Gitterpunkten, die aneinander grenzen, wobei die durchgehenden Löcher 2 in diesen Gitterpunkten fehlen. Da Licht in der Lage ist, sich durch Defekte in dem 2D-photonischen Kristall auszubreiten, kann der gerade Liniendefekt verwendet werden als ein linearer Wellenleiter. Bei linearen Wellenleitern ist das Spektrum von Wellenlängen, in denen Licht übertragen werden kann, mit einem geringen Verlust vergleichsweise breit; daher kann ein breiter Bereich von Wellenlängen mit Signalen in einer Vielzahl von Kanälen durch sie ausgebreitet werden.
Es wird erkannt werden, dass die Breite der geradlinigen Defekte als Wellenleiter verschiedentlich verändert werden kann, gemäß den verlangten Eigenschaften. Der typischste Wellenleiter wird wie oben beschrieben, erhalten durch Weglassen von Durchgangslöchern in einer Reihe in der Gitterpunktlinie. Nichtsdestotrotz können Wellenleiter hergestellt werden durch Weglassen von Durchgangslöchern in einer Vielzahl von benachbarten Reihen in den Gitterpunktlinien. Über dies hinaus ist ein Wellenleiter nicht begrenzt in der Breite auf ganze Vielfache der Gitterkonstante, aber kann eine willkürliche Breite aufweisen. Beispielsweise ist es möglich, einen Wellenleiter mit einer Breite der Wahl herzustellen durch relatives Versetzen des Gitters auf jeder Seite eines linearen Wellenleiters auf den Abstand der Wahl.
Das photonische Kristall, das in 10 dargelegt wird, enthält auch eine Kavität 4, die aus einem Punktdefekt besteht. Der Punktdefekt 4 enthält einen einzelnen Gitterpunkt und durch den Gitterpunkt wird ein Durchgangsloch gebildet, das verglichen mit den anderen Gitterpunkten einen großen Durchmesser hat. Ein Defekt in dieser Weise, der einen relativ großen Durchmesser eines Durchgangslochs enthält, wird im Allgemeinen ein Akzeptor-artiger Punktdefekt genannt. Andererseits wird im Allgemeinen ein Defekt, in dem ein Durchgangsloch in einem Gitterpunkt fehlt, ein Donator-artiger Punktdefekt genannt. Die Kavität 4 ist angeordnet neben dem Wellenleiter 3 innerhalb eines Bereichs, in dem sie gegenseitig einen elektromagnetischen reziproken Effekt ausüben können.
In einem 2D-photonischen Kristall, wie der, der in 10 dargestellt ist, wird, falls Licht 5, das eine Vielzahl von Wellenlängenbereichen (λ₁, λ₂, ... λ_j, ...) enthält, in den Wellenleiter eingeführt wird, Licht, das die spezifische Wellenlänge λ_i aufweist, das der Resonanzfrequenz der Kavität 4 entspricht, gefangen in der Kavität und während es in dem Inneren des Punktdefekt resoniert, wird Licht 6 der Wellenlänge λ_i emittiert in die Richtung der Normale, in der der Q-Faktor bzw. Gütefaktor, der auf die endliche Dicke der Platte 1 zurückzuführen ist, klein wird. Dies bedeutet, dass das photonische Kristall in 10 als ein Kanal-Fallenlass-Filter verwendet werden kann. Umgekehrt kann durch Scheinen von Licht in den Punktdefekt 4 in Richtung der Normale der Platte Licht der Wellenlänge λ_i, das innerhalb der Kavität 4 resoniert, in den Wellenleiter 3 eingebracht werden. Dies bedeutet, dass das photonische Kristall in 10 auch verwendet werden kann als ein Kanal-Hinzufüg-Filter. Es wird erkannt werden, dass der Transfer von Licht zwischen entweder dem Wellenleiter 3 oder der Kavität 4 und der Außenseite veranlasst werden kann, stattzufinden durch nahes Aneinanderbringen einer optischen Faser oder eines optoelektronischen Transducers in der Nähe der Wellenleiterendseiten oder der Nähe der Kavität. Natürlich kann in diesem Fall eine kollimierende Linse (Kollimator) entweder zwischen die Wellenleiterendseite oder die Kavität und die Optische-Faser-Endseite oder den optoelektronischen Transducer eingeführt werden.
In einem optischen Hinzufüg-/Fallenlass-Filter, wie dem der in 10 gezeigt ist, können durch passendes Konfigurieren des Abstands zwischen dem Wellenleiter 3, bestehend aus dem Liniendefekt und der Kavität 4, bestehend aus dem Punktdefekt, das Verhältnis der optischen Intensitäten in einer spezifischen Wellenlänge, die zwischen dem Wellenleiter und der Kavität transferiert wird, geregelt werden. Auch wird in 10, da keine Asymmetrie eingeführt wird bezüglich dem Punktdefekt 4 in der Richtung der Normalen zu der Platte 1, Licht in beide vertikale Richtungen von dem Punktdefekt 4 ausgegeben; aber es ist möglich, die Ausgabe von Licht in nur eine oder die andere vertikale Richtung zu veranlassen, durch Einführen einer Asymmetrie in dem Punktdefekt 4 in der Ebene-Normale-Richtung. Ein Beispiel eines Mechanismus, der verwendet werden kann, um diese Art von Asymmetrie einzuführen, ist ein Verfahren, in dem der Durchmesser des Punktdefekts 4, der rund ist, kontinuierlich oder diskontinuierlich entlang der Dicke der Platte variiert wird. Ferner wird es mit Bezug auf 10, obwohl der Kanal-Hinzufüg-/Fallenlass-Filter in der Figur nur eine einzelne Kavität enthält, sofort verstanden werden, dass durch Anordnen entlang des Wellenleiters eine Vielzahl von Kavitäten, die sich voneinander in der Resonanzwellenlänge unterscheiden, optische Signale in einer Vielzahl von Kanälen hinzugefügt/fallengelassen werden können.
Mit dem Q-Faktor einer Kavität, die einen Akzeptor-artigen Punktdefekt verwendet, wie zum Beispiel offenbart in der japanischen ungeprüften Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2001-272555, der um die 500 ist, ist die Halbwertsbreite (FWHM, Full Width at Half Maximum) in der Spitzenwellenlänge einschließlich Lichtausgabe von einer Kavität dieser Art um die 3 nm.
Jedoch wird ein Verwenden von Multikanalsignalen für WDM-Kommunikationen um ungefähr 100 GHz mit einem Wellenlängenspitzenabstand von ungefähr 0,8 nm untersucht. Dies bedeutet, dass bei einer Kavität, wie zum Beispiel offenbart in der ungeprüften Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2001-272555, die Größe des Q-Faktors nicht ausreichend ist und bei der 3-nm FWHM die Kavität vollkommen unpassend zum Trennen von Multikanalsignalen ist, dessen Spitzenwellenlängenabstand ungefähr 0,8 nm ist. Kurz gesagt, gibt es einen Bedarf, den Q-Faktor der Kavitäten zu erhöhen, die 2D-photonische Kristalle verwenden, um die FWHM der Spitzen-Wellenlängenspektra, die sie ausgeben, zu reduzieren.
In Applied Physics Letters, Band 82, 3. März, 2003, Seiten 1341–1343, sich beziehend auf den Oberbegriff des Anspruchs 1, offenbaren Yoshihiro Akahane et al. das Design eines Kanal-Fallenlass-Filters unter Verwendung einer Donator-artigen Kavität mit hohem Gütefaktor in einer zwei-dimensionalen photonischen Kristallplatte. Das Design eines oberflächenemittierenden Kanal-Fallenlass-Filters, basierend auf Punktdefektkavitäten und Liniendefektwellenleitern, wird beschrieben, wobei die Filterauflösung und die Lichtemissionseigenschaften verbessert werden. Durch Anwenden eines Donator-artigen Punktdefekts mit drei weggelassenen Löchern einer linearen Form, erhöht sich der Gütefaktor des Filters theoretisch verglichen mit Akzeptor-artigen Defekten. Ein drei-dimensionales Finite-Difference-Time-Domain-Verfahren wurde verwendet für die Berechnung von Parametern, wie zum Beispiel Radius der Luftlöcher und Dicke der Platte.
In dem Journal of Applied Physics, Band 92, 15. Juli 2002, Seiten 654–659 offenbaren Joon Huh et al. einen nicht-entarteten Monopolmodus einer zwei-dimensionalen dreieckigen photonischen Bandabstandskavität mit einfachem Defekt. In diesem Schriftstück wird der zwei-dimensionale Monopolmodus untersucht als Kandidat für einen nicht-entarteten photonischen Bandabstandskavitätsmodus. Die Resonanzfrequenz des Modus wurde untersucht durch Variieren der Radii, Positionen und Formen der nächsten Nachbarluftlöcher, unter Verwendung einer drei-dimensionalen Finite-Difference-Time-Domain-Berechnung. Dabei ist es möglich, interessierende Quantitäten zu erhalten, wie zum Beispiel Gütefaktoren, Durchlässigkeit, Resonanzfrequenzen und Feldverteilungen.
US 2002/0191905 A1 beschreibt Multikanalwellenlängenmultiplexen unter Verwendung von photonischen Kristallen. Das Multikanalwellenlängenmultiplexgerät dieses Schriftstücks enthält ein zwei-dimensionales photonisches Kristall bestehend aus zwei primären Komponenten, einem wellenleitenden Element, erzeugt durch Liniendefekte und frequenzselektive Elemente, erzeugt durch Mikrokavitäten mit hohem Q-Wert.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, hinsichtlich der Situation bei der herkömmlichen Technologie, ist eine Hoch-Q-Kavität zu bieten innerhalb eines 2D-photonischen Kristalls, während der Strahlungswinkel des emittierten Lichts verringert wird, und ferner solch eine Kavität mit einem Wellenleiter zu verbinden, um einen Kanal-Hinzufüg-/Fallenlass-Filter mit hoher Wellenlängenauflösung bereitzustellen.
Diese Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird gelöst durch ein zwei-dimensionales photonisches Kristall mit den Merkmalen des Anspruchs 1, sowie durch einen Kanal-Hinzufüg-/Fallenlass-Filter mit den Merkmalen von Anspruch 7.
Eine Kavität, die aus einem Punktdefekt innerhalb eines zwei-dimensionalen photonischen Kristalls gemäß der vorliegenden Erfindung erstellt wird, – der 2D-photonische Kristall ist konfiguriert durch eine Anordnung in einem zwei-dimensionalen Gitter von Punkten, definiert in einer Platte, von Niedrigbrechungsindexsubstanzen mit einem niedrigen Brechungsindex relativ zu der Platte und mit einer vorbestimmten identischen Dimension und Form – ist dadurch gekennzeichnet, dass der Punktdefekt eine Vielzahl von drei oder mehr Gitterpunkten enthält, die einander benachbart sind, und in diesen Gitterpunkten gibt es keine Substanzen mit einem niedrigen Brechungsindex, und dadurch, dass die Substanz mit niedrigem Brechungsindex, die angeordnet werden sollte, um zu mindestens einem der Gitterpunkte am nächsten zu dem Punktdefekt zu entsprechen, ist in der Größe verändert von der vorbestimmten Dimension.
Bevorzugt enthält der Punktdefekt sechs oder weniger Gitterpunkte. Die Lichtwellenlänge, die in der Kavität resoniert, bzw. schwingt, ist anpassbar in Abhängigkeit von der Dimension und Form des Punktdefekts oder kann angepasst werden durch Ändern der Gitterkonstante des photonischen Kristalls.
Die Substanzen mit niedrigem Brechungsindex können in Säulen gefüllt werden, die die Platte durchdringen.
Ein Kanal-Hinzufüg-/Fallenlass-Filter mit einer oder mehreren Kavitäten, wie in dem vorhergehendem, enthält einen oder mehrere Wellenleiter, die aus einem Liniendefekt innerhalb des zwei-dimensionalen photonischen Kristalls hergestellt sind und ist gekennzeichnet dadurch, dass die Kavität angeordnet ist neben dem Wellenleiter, mit einer Trennung, bei der zwischen ihnen ein elektromagnetischer reziproker Effekt produziert wird. Indem eine Vielzahl von Kavitäten enthalten ist, die sich von einander in der Resonanzfrequenz unterscheiden, kann ein Kanal-Hinzufüg-/Fallenlass-Filter dieser Art als ein Kanal-Hinzufüg-/Fallenlass-Filter für Multikanal-Optische-Kommunikation funktionieren.
Aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen werden die vorhergehenden und andere Aufgaben, Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung sofort dem Fachmann ersichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine schematische Draufsicht zum Erklären der Hauptmerkmale in einem Beispiel einer Kavität in einem photonischen Kristall gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 zeigt ein Bild, in einer Simulation, die sich auf ein Beispiel einer Kavität innerhalb eines 2D-photonischen Kristalls bezieht, wobei das Strahlungsmuster nicht von der Kavität gezeigt wird, gesehen von der Richtung lotrecht bzw. normal zu der Platte;
3 zeigt ein Bild, in einer Simulation, die sich auf ein Beispiel einer Kavität gemäß der vorliegenden Erfindung bezieht, das das Strahlungsmuster von Licht von der Kavität zeigt, gesehen in der Richtung senkrecht zu der Platte;
4 zeigt ein Bild, in einer Simulation, die sich auf ein anderes Beispiel einer Kavität gemäß der vorliegenden Erfindung bezieht, das das Strahlungsmuster von Licht von der Kavität zeigt, gesehen in der Richtung senkrecht zu der Platte;
5 zeigt ein Bild, in einer Simulation, die sich auf noch eine anderes Beispiel einer Kavität gemäß der vorliegenden Erfindung bezieht, das das Strahlungsmuster von Licht von der Kavität zeigt, gesehen in der Richtung senkrecht zu der Platte;
6 zeigt ein Schaubild, das die Beziehung zwischen Q-Faktor und Radius r der Durchgangslöcher am nächsten zu einem Punktdefekt, wie in 1 dargestellt, aufzeigt;
7 zeigt ein Schaubild, das das Leistungsverhältnis der Seitenkeulen aufträgt mit Bezug auf den Hauptemissionsstrahl von einer Kavität, in Beziehung zu dem Radius r des nächsten Durchgangslochs;
8 zeigt eine Draufsicht, die schematisch eine Situation dargestellt, in der nicht nur mindestens der Radius von einem der Durchgangslöcher, entsprechend zu den Gitterpunkten am nächsten zu einem Punkdefekt, aber auch mindestens der von einem der Durchgangslöcher, entsprechend zu den sekundär angrenzenden Gitterpunkten, von einem vorbestimmten Radius von seinen entsprechenden Gitterpunkten verändert wird;
9 zeigt eine schematische schräge Ansicht, die ein Kanal-Hinzufüg-/Fallenlass-Filter in einem anderen Beispiel einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
10 zeigt eine schematische schräge Ansicht, die ein Kanal-Hinzufüg-/Fallenlass-Filter darstellt, das ein 2D-photonisches Kristall gemäß dem Stand der Technik verwendet; und
11A und B zeigen schematische Draufsichten, die Beispiele von Donator-artigen Punktdefekten repräsentieren, die eine Vielzahl von Gitterpunkten in einem 2D-photonischen Kristall enthalten.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Anfangs schauten die gegenwärtigen Erfinder in die Eigenschaften bei einem 2D-photonischen Kristall nicht von einer Kavität, bestehend aus einem Akzeptor-artigen Defekt, wie in 10, aber von einer Kavität, die aus einem Donator-artigen Punktdefekt besteht. Wie früher beschrieben, enthalten Donator-artige Defekte einen oder mehr Gitterpunkte und Durchgangslöcher fehlen in diesen Gitterpunkten.
Was bis jetzt hauptsächlich studiert wurde, sind Punktdefekte mit nur einem einzelnen Gitterpunkt aus der Perspektive, dass hinsichtlich ihrer strukturellen Einfachheit sie leichter elektromagnetisch analysiert werden können, und dass sie eine Minimalgröße aufweisen. Dies bedeutete, dass auch mit Donorarten Punktdefekte, die eine Vielzahl von Gitterpunkten enthalten, nicht bis jetzt extensiv studiert wurden. Unter den gegebenen Umständen untersuchten dann die Erfinder die Eigenschaften der Donator-artigen Punktdefekte, die eine Vielzahl von Gitterpunkten enthalten.
11 zeigt eine schematische Draufsicht, die einen Teil eines 2D-photonischen Kristalls repräsentiert mit einem Donator-artigen Punktdefekt, der eine Vielzahl von Gitterpunkten enthält. In diesem 2D-photonischen Kristall werden Durchgangslöcher 2 an den Eckpunkten eines dreieckigen Gitters bereitgestellt, das innerhalb einer Platte 1 konfiguriert ist. Der Punktdefekt 4 in 11A enthält 3 Gitterpunkte, die voneinander benachbart sind in einer Liniensegmentform, wobei keine Durchgangslöcher 2 in diesen Gitterpunkten bereitgestellt sind. Indessen enthält der Punktdefekt 4 in 11B drei Gitterpunkte, die voneinander benachbart sind, in einer dreieckigen Geometrie, wobei keine Durchgangslöcher 2 in diesen Gitterpunkten bereitgestellt sind. In anderen Worten kann der Punktdefekt 4 so gebildet werden, dass er eine Vielzahl von Gitterpunkten, die miteinander benachbart sind in einer Dimension, enthalten oder kann gebildet werden, so dass eine Vielzahl von Gitterpunkten enthalten ist, die einander zwei-dimensional benachbart sind.
Unter Verwendung des weitbekannten Finite-Difference-Time-Domain-(FDTD)-Verfahren (siehe die japanische ungeprüfte Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2001-27255), führten die vorliegenden Erfinder elektromagnetische Analysen an Donator-artigen Defekten durch, enthaltend eine Vielzahl von Gitterpunkten, wobei sie gefunden haben, dass verglichen mit Kavitäten bestehend aus Donator-artigen Punktdefekten, die ein oder zwei Gitterpunkte enthalten, hohe Q-Werte erhalten werden bei Kavitäten, bestehend aus Donator-artigen Punktdefekten, die drei oder mehr Gitterpunkte enthalten. Nichtsdestotrotz wird, falls die Anzahl der Gitterpunkte, die in dem Punktdefekt enthalten sind, zu groß ist, die Anzahl von resonanten Modi unerwünscht groß, womit die Anzahl von Gitterpunkten bevorzugt sechs oder kleiner ist.
Bei einer Kavität beispielsweise, wie dargestellt in 11A, mit der einfachen Basisstruktur, Q = 5200, und wenn zusammengesetzt mit einem Wellenleiter, ist der Filter in der Lage einen Q-Faktor von 2600 hervorzubringen, wobei die FWHM der Lichtausgabe von der Kavität ungefähr 0,6 nm ist. Unter Berücksichtigung von einem Übersprechen in der WDM-Optischen-Kommunikation, die Multikanalsignale bei ungefähr 100 GHz verwendet mit einem Wellenlängenspitzenabstand von ungefähr 0,8 nm, sind weitere Verbesserungen im Q-Faktor zu wünschen.
1 zeigt eine schematische Draufsicht zum Erklären von Hauptmerkmalen in einem Beispiel einer Kavität, wie durch die vorliegende Erfindung definiert. Ein zwei-dimensionales Gitter von dreieckigen Eckpunkten ist in diesem 2D-photonischen Kristall in 1 definiert und runde zylindrische Durchgangslöcher 2 mit vorbestimmten identischen Durchmesser werden gebildet an den Gitterpunkten. Die Abstände zwischen am nächsten aneinander grenzenden Gitterpunkten in (die Gitterkonstante von) dem dreieckigen Gitter wird durch a gekennzeichnet. Der Donator-artige Punktdefekt 4, dargestellt in 1, enthält drei Gitterpunkte, die voneinander benachbart sind, und eine Liniensegmentformation aufweisen; die Durchgangslöcher 2 fehlen in diesen Gitterpunkten.
Ein Hauptmerkmal bei dem Donator-artigen Punktdefekt 4 gemäß der vorliegenden Erfindung ist, dass die Größe von mindestens einem der Durchgangslöcher 2, am nächsten zu dem Punktdefekt (die Löcher repräsentiert durch gestrichelte Linien in 1), verringert wird oder vergrößert wird relativ zu den anderen Durchgangslöchern.
Der Q-Faktor und das Elektrische-Feld-Muster (Strahlungsmuster) für eine Kavität, hergestellt aus einem Donator-artigen Punktdefekt 4, wie in 1 dargestellt, wurden durch das FDTD-Verfahren simuliert. Die Simulationsparameter wurden konfiguriert durch Auswählen von Silizium für die Platte 1 und durch Setzen von ungefähr 1,55 µm, das im Allgemeinen bei optischer Kommunikation verwendet wird, als die Wellenlänge λ; 0,42 µm für die Gitterkonstante a; 0,6a für die Dicke der Platte; und 0,29a für den vorbestimmten Teilradius der Durchgangslöcher 2.
Für einen Fall, wo jedes der Durchgangslöcher 2, am nächsten zum Punktdefekt 4 (die Löcher repräsentiert durch gestrichelte Linien in 1) einen vorbestimmten Radius r = 0,29a aufweisen, der identisch ist zu dem der anderen Durchgangslöcher in der Simulation unter diesen Bedingungen, wurde ein Q-Faktor von 5200 erhalten; 2 zeigt das Strahlungsmuster von Licht von der Kavität 4 in diesem Fall, gesehen in der Richtung senkrecht zu der Platte 1. Für Fälle, wo die Größe der Durchgangslöcher 2a und 2b, die die Gitterpunkte am nächsten entsprechend entgegengesetzten Enden des Punktdefekts 4 sind (siehe 1), wurde von dem vorbestimmten Radius r = 0,29a der anderen Durchgangslöcher auf 0,19a und weiter auf 0,14a in ähnlichen Simulationen verändert, wobei Q-Faktoren von 19600 und 66700 entsprechend erhalten wurden; 3 und 4 zeigen die entsprechenden Strahlungsmuster von Licht von der Kavität 4 in diesen Fällen.
Wie aus diesen Simulationen verstanden wird, erhöht bei einem Donator-artigen Punktdefekt, der drei Gitterpunkte benachbart voneinander in einer Liniensegmentformation enthält, ein Ändern der Größe des Durchgangslochs benachbart zu beiden Enden des Liniensegments von einem vorbestimmten Radius r = 0,29a der anderen Durchgangslöcher 2 auf 0,14a dramatisch den Q-Faktor von 5200 auf 66700 und indessen, wie aus einem Vergleich zwischen 2 und 4 verstanden wird, wird der Strahlungswinkel des Lichts reduziert.
In einem weiteren Fall, in dem der Radius der Durchgangslöcher 2a und 2b, benachbart zu den entsprechenden Enden des Punktdefekts 4, auf 0,09a verändert wurde, wurde ein noch höherer Q = 103900 erhalten. 5 zeigt das Strahlungsmuster von Licht von der Kavität in diesem Fall. Verglichen mit 4 ist in 5 der Strahlungswinkel des Lichts groß und die Seitenkeulen (sekundäre Strahlen) über und unter dem Hauptemissionsstrahl in dem Zentrum in 5 sind auffällig. Dies bedeutet, dass mit einer Vergrößerung eines Ausmaßes, mit dem die Größe der Durchgangslöcher 2 am nächsten zu dem Punktdefekt 4 von dem vorbestimmten Radius verändert wird, der Q-Faktur auch zu einem vergrößerten Wert tendiert, aber hinsichtlich des Strahlungswinkels des Lichts von der Kavität 4 sollte ein Änderungsausmaß in der Durchgangslochgröße nicht notwendigerweise groß sein.
Nun wird Bezug genommen auf 6, die ein Schaubild zeigt, das das Verhältnis zwischen Q-Faktor und Radius r der Durchgangslöcher 2a und 2b am nächsten zu dem Punktdefekt, wie in 1 dargestellt, aufträgt. In dem Schaubild repräsentierte die horizontale Achse den Radius r der Durchgangslöcher am nächsten zu dem Punktdefekt 4, skaliert durch die Gitterkonstante a, während die vertikale Achse den Q-Faktor ausgibt. Aus 6 wird es verstanden werden, dass es eine Grenze gibt hinsichtlich wie weit ein Q-Faktor vergrößert wird, durch Vergrößern des Ausmaßes, mit dem der Radius R der nächsten Durchgangslöcher 2a und 2b verändert wird. Insbesondere erhöht sich der Q-Faktor exponentiell, wenn der Radius r verringert wird auf 0,09a, wobei ein Maximumwert von 103900 erreicht wird; aber falls der Radius r weiter verringert wird, verringert sich der Q-Faktor im Gegenteil unversehens.
In dem 7-Schaubild wird die Beziehung zwischen dem Radius r der nächsten Durchgangslöcher 2a und 2b und das Leistungsverhältnis der Seitenkeulen, die klar in 5 ersichtlich sind, zu dem Hauptemissionsstrahl gezeigt. In dem Schaubild kennzeichnet die horizontale Achse den Radius r der nächsten Durchgangslöcher 2a und 2b, skaliert durch die Gitterkonstante a, während die vertikale Achse das Verhältnis der Seitenkeulenemissionsleistung zu dem Hauptemissionsstrahl ausdrückt. In 7 ist es evident, dass der Emissionsstrahlstrahlungswinkel, enthaltend die Seitenkeulen, kleiner in dem Fall ist, wo r = 0,14a, während er größer ist in dem Fall, wo r = 0,04a ist.
Ein hohes Q = 53700 wurde auch erhalten in einem Fall, wo der Radius von allen der Durchgangslöcher 2 am nächsten zu dem Punktdefekt 4, die durch gestrichelte Linien in 1 repräsentiert sind, verändert wurde von 0,29a auf 0,19a. In diesem Fall wurde jedoch das Verhältnis von Seitenkeulenemissionsleistung zu dem Hauptemissionsstrahl, emittiert von der Kavität 4, sehr groß, was unpassend ist hinsichtlich des Strahlungsmusters.
Es wird Bezug genommen auf 8, die eine schematische Draufsicht darstellt, während diese ähnlich zu 1 ist, stellt einen Fall dar, wo nicht nur mindestens eines der Durchgangslöcher 2 (gekennzeichnet durch gestrichelte Linien) entsprechend zu den Gitterpunkten am nächsten zu dem Punktdefekt 4, aber auch mindestens eines der Durchgangslöcher 2 (gekennzeichnet durch gestrichelte Linien) entsprechend zu den sekundär angrenzenden Gitterpunkten ein Radius von dem vorbestimmten Radius r der anderen Durchgangslöcher 2 geändert hat. Was am Effektivsten ist beim Verbessern des Q-Faktors der Kavität ist, wie oben beschrieben, ein Ändern des Radius der Durchgangslöcher 2 entsprechend zu den Gitterpunkten am nächsten zu dem Punktdefekt 4 von dem vorbestimmten Radius der anderen Durchgangslöcher 2, obwohl zusätzlich ein Ändern des Radius von Durchgangslöchern 2 entsprechend zu den sekundär angrenzenden Gitterpunkten von dem vorbestimmten Radius der anderen Durchgangslöcher 2 auch einen Effekt eines Verbessern des Q-Faktors produziert.
Es sollte bemerkt werden, dass die Kavität 4 gemäß der vorliegenden Erfindung, wie oben beschrieben, auch, wie es dem Fachmann sofort ersichtlich wird, anwendbar ist auf einen Kanal-Hinzufüg-/Fallenlass-Filter, wie zum Beispiel in 10 dargestellt. Es sollte auch verstanden werden, dass, wenn eine Kavität 4 gemäß der vorliegenden Erfindung bei einem Kanal-Fallenlass-/Hinzufüg-Filter angewandt wird, ein Multikanal-Kanal-Hinzufüg-/Fallenlass-Filter, das optische Kommunikationen in einer Vielzahl von Kanälen unterschiedlich voneinander in der Wellenlänge handhaben kann, natürlich hergestellt werden kann durch Anordnen einer Vielzahl von Kavitäten nahe entlang eines einzelnen Wellenleiters, die sich voneinander in der Resonanzfrequenz unterscheiden. Durch Anordnen der Endseite einer optischen Faser, um der Kavität 4 nahe gegenüber zu stehen, kann auch das Licht, das von der Kavität 4 in Richtung senkrecht zu der Platte emittiert wird, eingeführt werden in die optische Faser. Des Weiteren kann, durch Anordnen eines optoelektrischen Transducers, so dass er der Kavität 4 nahe gegenüber steht, eine Intensitätsmodulation in dem Licht von der Kavität empfangen werden. Es wird von dem Fachmann erkannt werden, dass eine kollimierende Linse (Kollimator) eingefügt werden kann zwischen der Kavität 4 und entweder der Optischen-Faser-Endenseite oder dem optoelektronischen Transducer.
Nun wird auf 9 Bezug genommen, wobei schematisch in einer schrägen Ansicht ein Kanal-Hinzufüg-/Fallenlass-Filter in einem anderen Beispiel einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt wird. Obwohl der Kanal-Hinzufüg-/Fallenlass-Filter von 9 dem von 10 ähnelt, wird in 9 eine Kavität nahe einem ersten geraden Wellenleiter 3a angeordnet und ferner wird ein zweiter Wellenleiter 3b neben der Kavität 4 angeordnet. In diesem Beispiel kann, wie früher beschrieben, ein optisches Signal einer spezifischen Wellenlänge innerhalb der Kavität 4 von optischen Signalen extrahiert werden, die eingeführt werden in den ersten Wellenleiter 3a, aber mit dem zweiten Wellenleiter 3b, der neben der Kavität 4 angeordnet ist, wird das extrahierte optische Signal von der Kavität 4 eingegeben, nicht in der Ebenen-Normalen von, aber in den zweiten Wellenleiter 3b in, die Platte 1. Dies bedeutet, dass in einem Kanal-Hinzufüg-/Fallenlass-Filter, das einen 2D-photonischen Kristall verwendet, ein optisches Signal einer gegebenen Wellenlänge unter optischen Signalen, die durch einen Wellenleiter hindurchgehen, selektiv in einen anderen Wellenleiter geführt werden kann.
Ein Material, dessen Brechungsindex groß ist, wird als Platte 1 für den photonischen Kristall bevorzugt, insofern als es Licht entlang der Dicke eingrenzen muss. In den oben beschriebenen Ausführungsformen wurde eine Si-(Silizium)-Platte verwendet, aber Materialien, außer Silizium, die verwendet werden können, sind: Gruppe IV Halbleiter, wie zum Beispiel Ge, Sn, C und SiC; Gruppe III–V Halbleiterzusammensetzungen, wie zum Beispiel GaAs, InP, GaN, GaP, AlP, AlAs, GaSb, InAs, AlSb, InSb, InGaAsP und AlGaAs; Gruppe II–VI Halbleiterzusammensetzungen, wie zum Beispiel ZnS, CdS, ZnSe, HgS, MnSe, CdSe, ZnTe, MnTe, CdTe und HgTe; Oxide, wie zum Beispiel SiO₂, Al₂O₃ und TiO₂; Siliziumnitride; verschiedene Gläser aller Art, wie zum Beispiel Natronkalkglas; wie auch organische Substanzen, wie zum Beispiel PMMA (Polymethylmetaakrylat). In Situationen, wo eine Verstärkung von optischen Signalen in photonischen Kristallen, zusammengesetzt aus diesen Platten, erwünscht ist, können sie mit Er, Tm, Alq3 (C₂₇H₁₈AlN₃O₃) versetzt werden.
Es wird bevorzugt, dass der Brechungsindex der Platte 1 größer als Luft 2,0 oder größer ist, wobei 3,0 oder größer noch bevorzugter ist. Es wird von einem Fachmann erkannt werden, dass während Luft sich innerhalb der Durchgangslöcher 2 in den oben beschriebenen Ausführungsformen befindet, eine Substanz mit einem niedrigen Brechungsindex relativ zu der Platte 1 natürlich in die Durchgangslöcher 2 gefüllt werden kann. Eine Substanz, wie zum Beispiel leitendes Polythiophen, kann als Material mit einem niedrigen Brechungsindex verwendet werden. Ferner ist das innerhalb der Platte 1 konfigurierte zwei-dimensionale Gitter nicht begrenzt auf ein dreieckiges Gitter, aber kann als irgendein anderes reguläres zwei-dimensionales Gitter nach Wahl konfiguriert werden. Der Querschnitt der Durchgangslöcher 2 ist nicht begrenzt auf eine runde Form, aber kann andere Formen aufweisen; oder die Querschnittsform kann entlang der Plattendicke variiert werden.
Wie im Vorhergehenden, bietet die vorliegende Erfindung in einem 2D-photonischen Kristall Kavitäten, in denen der Q-Faktor erhöht wird, und durch Kombinieren einer Kavität dieser Art mit einem Wellenleiter ist weiter ein Kanal-Hinzufüg-/Fallenlass-Filter mit hoher Wellenlängenauflösung verfügbar.
Nur ausgewählte Ausführungsformen wurden ausgewählt, um die vorliegende Erfindung darzustellen. Dem Fachmann wird jedoch aus der vorhergehenden Offenbarung ersichtlich werden, dass verschiedene Änderungen und Modifizierungen hierin ausgeführt werden können, ohne den Umfang der Erfindung, wie in den anhängenden Ansprüchen definiert, zu verlassen. Ferner wird die vorhergehende Beschreibung der Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung nur zur Darstellung bereitgestellt und nicht zum Begrenzen der Erfindung, wie sie in den anhängenden Ansprüchen und ihren Äquivalenten definiert ist.

Claims

Ein zweidimensionales photonisches Kristall bzw. Photonenkristall, umfassend eine Platte (1) mit einem zweidimensionalen Gitter an Gitterpunkten, enthaltend ein Kavitätsteil (4) umgeben von einem Gitterteil mit Gitterpunkten, in denen Löcher (2) angeordnet sind, die mit einer Substanz eines niedrigen Brechungsindex gefüllt sind, die einen niederen Brechungsindex relativ zu der Platte aufweist und eine vorbestimmte identische Dimension und Größe hat, wobei das Kavitätsteil (4) einen Defekt (4) mit einer Mehrzahl von drei oder mehr benachbarten Gitterpunkten aufweist, in denen die Löcher fehlen, und die Mehrzahl an Gitterpunkten in der Form eines geraden Abschnitts angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Löcher (2a, 2b), die bei den Gitterpunkten des umgebenden Gitterteils sind, die am nächsten zu den entsprechend entgegengesetzten Enden des Defekts (4) sind, eine Dimension aufweisen, die von der vorbestimmten Dimension der übrig bleibenden Löcher (2) unterschiedlich ist.
Ein photonisches Kristall, wie in Anspruch 1 dargelegt, wobei der Defekt sechs oder weniger der Gitterpunkte enthält.
Ein photonisches Kristall, wie in einem der Ansprüche 1 oder 2 dargelegt, wobei die Wellenlänge des Lichts, die in dem Kavitätsteil resoniert, anpassbar ist, in Abhängigkeit der Dimension des Defekts.
Ein photonisches Kristall, wie in einem der Ansprüche 1 bis 3 dargelegt, wobei die Substanzen mit niedrigem Brechungsindex in Säulen gefüllt sind, die die Platte durchdringen.
Ein photonisches Kristall, wie in einem der Ansprüche 1 bis 4 dargelegt, wobei die Platte einen Brechungsindex von 2,0 oder größer aufweist.
Ein photonisches Kristall, wie in einem der Ansprüche 1 bis 5 dargelegt, wobei die Substanzen mit niedrigem Brechungsindex Luft sind.
Ein Kanal-Hinzufüg-/Fallenlass-Filter mit einem zweidimensionalen photonischen Kristall, wie in einem der Ansprüche 1 bis 6 dargelegt, umfassend mindestens einen Wellenleiter, der aus einem geraden Defekt innerhalb des zweidimensionalen photonischen Kristalls gemacht ist, wobei das Kavitätsteil des photonischen Kristalls angeordnet ist, neben dem Wellenleiter, innerhalb eines Abstands, in dem ein elektromagnetischer reziproker Effekt hervorgerufen wird zwischen der Kavität und dem Wellenleiter.
Ein Kanal-Hinzufüg-/Fallenlass-Filter, wie in Anspruch 7 dargelegt, umfassend eine Vielzahl dieser Kavitätsteile, wobei die Kavitätsteile sich hinsichtlich einer Resonanzfrequenz voneinander unterscheiden.