JP2004045924A

JP2004045924A - Two-dimensional photonic crystal with geometrically arrayed lattice defects

Info

Publication number: JP2004045924A
Application number: JP2002205255A
Authority: JP
Inventors: Bourelle Emmanuel; ブーレル　エマニュエル
Original assignee: Japan Aviation Electronics Industry Ltd
Current assignee: Japan Aviation Electronics Industry Ltd
Priority date: 2002-07-15
Filing date: 2002-07-15
Publication date: 2004-02-12

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a two-dimensional photonic crystal having lattice defects having a geometric array formed locally in a periodic array of the two-dimensional photonic crystal. <P>SOLUTION: The two-dimensional photonic crystal consists of a medium 1 which extends in two dimensions and the other medium 2 which is periodically arrayed in the medium 1 in a square lattice shape and differs in refractive index from the medium 1. The photonic crystal has a triangular array defect 51 formed by locally arraying the medium 2 as a triangular array in the photonic crystal. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、幾何学的配列欠陥を有する２次元フォトニック結晶に関し、特に屈折率を大きく異にする２種類の透明な媒質を光波長程度の周期で規則正しく交互に配置した２次元フォトニック結晶の周期的配列内に局所的に幾何学的な配列を有する格子欠陥を形成した幾何学的配列欠陥を有する２次元フォトニック結晶に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来例を図を参照して説明する。
或る屈折率の空孔或いは透明媒質ロッドをこれとは異なる屈折率の透明媒質内において周期的に配列形成することによりフォトニック結晶を形成することができる。このフォトニック結晶は、図１（ａ）においては、屈折率の大きい透明媒質より成る基板１とこれに三角格子状に２次元周期配列して形成した空孔２により形成されている。図１（ｂ）におけるフォトニック結晶は、空気より屈折率の大きい透明媒質のロッド３が周期的に正方格子に配列されており、透明媒質ロッド３の周囲の空気が図１（ａ）における基板１に対応する構造を有している。Ｓｉ、ＩｎＰ、ＧａＡｓの如き種々の透明媒質がフォトニック結晶を形成する媒質として選択使用される。なお、これら透明媒質ロッド３はＳｉＯ_２　薄膜の如き支持膜に保持されている。周期構造、屈折率比が特定の条件を満足するフォトニック結晶内においては、或る周波数範囲の光が一切伝播することができないという現象が生起する。この周波数範囲をフォトニックバンドギャップという。
【０００３】
ここで説明した２次元フォトニック結晶を使用して形成したフォトニック結晶導波路および波長分離器が開発されている（特開２００１−２７２５５５　公報参照）。図２を参照するに、この公報には、空気より屈折率が高い材料から形成されているスラブ１１に、このスラブ１１より屈折率の低い媒質を周期的に配列して屈折率分布を形成した２次元フォトニック結晶構造を有し、２次元フォトニック結晶の周期的配列に線状の欠陥１２が形成されており、この線状欠陥１２が導波路として機能するフォトニック結晶導波路を有し、フォトニック結晶導波路に隣接して、フォトニック結晶の周期的配列を乱す少なくとも１つの点状の欠陥１４を有し、この点状の欠陥１４が導波路中を伝播する光・電磁波のなかで、特定の波長の光・電磁波を捕獲してこれを放射し、或いは外部からの特定の波長の光・電磁波を捕獲してこれを導波路内に導入する光・電磁波取り出し／導入口として機能する構造の２次元フォトニック結晶導波路、が開示されている。なお、欠陥１４は、点状の欠陥と表現されているが、実際は２次元フォトニック結晶の周期的配列を必要な直径に亘って局所的に乱して形成した領域を意味している。以上のフォトニック結晶導波路は、線状欠陥１２を導波路としてこれにスラブ１１の導波路端面から面方向１３に波長λ_１　の光を入射し、スラブ１１の点状の欠陥１４から面と直角の方向１５に入射した波長λ_１　の光を外部に放射する。或いは、逆に、スラブ１１の点状の欠陥１４から面と直角の方向１５から波長λ_１　の光を入射し、線状欠陥１２を導波路としてスラブ１１の導波路端面から面方向１３に入射した波長λ_１　の光を外部に放射する。点状の欠陥１４の直径を変更した場合、この直径に対応するλ_１とは異なるλ_２の波長の光・電磁波を取り出し／導入することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
以上のフォトニック結晶は　このフォトニック結晶に光・電磁波を導入／取り出しする場合、フォトニック結晶に対して光を送受する外部光経路を形成付与する必要がある。即ち、一方の外部光経路はスラブ１１の導波路端面に対して面方向１３に形成する。他方の外部光経路はスラブ１１の面と直交する方向１５に点状の欠陥１４に対応して形成することになる。ところで、一方の外部光経路と他方の外部光経路とを互いに直交して形成するということは、一方の外部光経路はフォトニック結晶と共通する面内に形成することができるが、他方の外部光経路はそうすることはできないことを意味している。従って、フォトニック結晶を含む集積回路を製造するに際して、一方の外部光経路はフォトニック結晶と共に共通する面内に同一工程で形成することができるが、他方の外部光経路はこの工程とは別工程で形成しなければならない。
【０００５】
そして、点状の欠陥１４の直径を調整変更することにより、直径に対応して取り出し／導入することができる光・電磁波の波長を選択することができるが、光・電磁波の波長は欠陥１４の直径に敏感に応答して変化し、波長の微細な調整変更を実施するに困難を来す。
この発明は、上述の問題を解消した幾何学的に配列した格子欠陥を有する２次元フォトニック結晶を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
ＷＤＭ装置における光波長の同調特性を、２次元フォトニック結晶を使用して改善する。２次元フォトニック結晶を形成する光波長程度の周期で規則正しく交互に配列される媒質の周期的配列の一部を局所的に変更して配列を乱して光共振器を形成する。また、光経路をフォトニック結晶と同一平面内に一括して形成することにより、製造工程を削減する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
この発明においては、屈折率を大きく異にする２種類の透明な媒質を光波長程度の周期で正方格子に配列形成された２次元フォトニック結晶の周期的構造の一部を局所的に別の形状寸法の構造に形成する。即ち、この局所的に別の形状寸法とされた構造部分は、２次元フォトニック結晶の欠陥部分に相当する。この発明においては、この欠陥を幾何学的配列欠陥と表現している。
図３を参照するに、空気より屈折率の大きいシリコンロッド３が光波長程度の周期で規則正しく正方格子に配列形成して、周囲の空気１’との間で２次元フォトニック結晶を形成している。ここで、図３（ａ）は欠陥の存在しない２次元フォトニック結晶の周期的構造を示し、図３（ｂ）は周期的構造の一部を局所的に別の形状寸法に形成した幾何学的配列欠陥を有する２次元フォトニック結晶を示す。即ち、図３（ｂ）においては、図３（ａ）におけるシリコンロッド２１ないし２４を本来の位置には形成しないで、それぞれ、４５度回転偏位したところに形成する。これにより、本来の空孔相互間の格子間隔をａとして、図３（ｂ）に示される如く周期的構造の一部を局所的に格子間隔を√（２）ａとした正方形に置き換えた、配列を乱した幾何学的配列欠陥を有する２次元フォトニック結晶を形成することができる。
【０００８】
図４を参照するに、空気より屈折率の大きいシリコンロッド３が光波長程度の周期で正方格子に周期的に配列され、シリコンロッド３の周囲の空気１’との間で２次元フォトニック結晶を形成している。ここで、図４（ａ）は欠陥の存在しない２次元フォトニック結晶の周期的構造を示し、図４（ｂ）は周期的構造の一部を局所的に別の形状寸法に形成した欠陥を有する２次元フォトニック結晶を示す。図４（ｂ）においては、図４（ａ）における本来シリコンロッド３１およびシリコンロッド３２が配列される位置にシリコンロッドを配列しないで、これら本来の位置から、矢印の向きに左右上下方向に０．５ａ　だけ偏位した位置にシリコンロッド３３からシリコンロッド３６を配列形成する。これにより、図４（ｂ）に示される如き周期的構造の一部を局所的に長方形の配列に形成して配列を乱した幾何学的配列欠陥を形成した２次元フォトニック結晶を形成することができる。シリコンロッド３３からシリコンロッド３６は、格子間隔ａと格子間隔２ａの長方形を幾何学的配列欠陥として形成することになる。
【０００９】
図５を参照するに、これも、空気より屈折率の大きいシリコンロッド３が光波長程度の周期で正方格子に周期的に配列されて、シリコンロッド３の周囲の空気１’との間でフォトニック結晶を形成している。ここで、図５（ａ）は欠陥の存在しない２次元フォトニック結晶の周期的構造を示し、図５（ｂ）は周期的構造の一部を局所的に別の形状寸法に形成した幾何学的配列欠陥を有する２次元フォトニック結晶を示す。図５（ｂ）においては、図５（ａ）における本来シリコンロッド３１が配列される位置にシリコンロッドを配列しないで、この本来の位置から、矢印の向きに上下方向に０．５ａ　だけ偏位した位置にシリコンロッド３２およびシリコンロッド３３を配列形成することにより、図５（ｂ）に示されるが如き周期的構造の一部を局所的に三角形の配列に形成した幾何学的配列欠陥を有する２次元フォトニック結晶を形成する。即ち、上述の通りに配列形成したことにより、本来のシリコンロッド３とシリコンロッド３２およびシリコンロッド３３により、シリコンロッド３２とシリコンロッド３３の格子間隔ａと、シリコンロッド３と３２および３３の間隔√（１０）ａ／２の三角配列を幾何学的配列欠陥として形成することになる。
【００１０】
以上の図４および図５においては、シリコンロッドの直径ｄは２３４ｎｍであり、シリコンロッド相互間の格子間隔ａは５８６ｎｍである。この媒質および形状寸法の２次元フォトニック結晶を使用して、１．５５μｍの波長のみを通過する　低損失の波長フィルタを実現することができる。以下、図６を参照して説明する。
図６（ａ）において、５１はシリコンロッドを三角形配列に形成した三角形配列欠陥を示す。５２はシリコンロッドを長方形配列に形成した長方形配列欠陥を示す。５３は一直線上に整列する連続する各２個或いは各３個の格子の位置毎に１箇所にはシリコンロッド３３を配列せずにキャビティとしたキャビティ欠陥を示す。キャビティ欠陥５３は、これを１個或いは複数個使用して結合キャビティ導波路ＣＣＷを形成する。図２の従来例の如く必ずしも２次元フォトニック結晶の周期的配列に線状に欠陥１２を形成する必要はなく、間欠的に形成することに依っても導波路を構成することができる。
【００１１】
図６においては、波長１．４７μｍ、１．５１μｍ、１．５５μｍおよび１．５９μｍの光の導波についてシミュレーションを実施した。シミュレーションは、例えば、ＲＳｏｆｔ社製のソフト「Ｆｕｌｌ　Ｗａｖｅ」の如きＦＤＴＤソフトウェアを主に使用して実施する。シミュレーションにおいては、ロッドの長さを無限とした。
図６（ａ）において、１．５５μｍの波長の光は、２点鎖線の矢印の向きに水平にキャビティ欠陥５３の端面に入射してこれを導波し、長方形配列欠陥５２に到達し、ここから更に図の上側のキャビティ欠陥５３を導波して上側の端面から外部に放射されるが、この光路を介してその他の波長の光は導波されない。即ち、長方形配列欠陥５２は１．５５μｍの波長の光を選択的に導波するが、その他の波長の光は導波しない。逆に、１．５５μｍの波長の光は三角形配列欠陥５１を介して導波されることはない。このことは、三角形配列欠陥５１および長方形配列欠陥５２は共振器を構成していることを示している。なお、図６において、・印とｘ印は導波路を伝播する電磁波の電界の向きを示している。
【００１２】
この発明においては、結合キャビティ導波路ＣＣＷが、先ず、光通信用の光波長である１．５５μｍ領域の波長の光を選択する役割を果たしている。更に、長方形配列欠陥５２により１．５５μｍの波長の光のみを選択する。
ここで、波長１．５５μｍの光の透過率の最適化を図６を参照して説明する。図６（ｂ）は長方形配列の欠陥の共振器の大きさを変更することにより１．５５μｍの波長の光の透過率の最適化を実現することを説明する図である。長方形配列５２の欠陥を形成する４個のシリコンロッド３３からシリコンロッド３６の位置は図６（ｂ）に図示される如く必要に応じて変更する。図６（ｂ）において、４個のシリコンロッド３３からシリコンロッド３６の元の位置は図４（ｄ）に示される通りであり、距離ｄ’は各シリコンロッドを同時に変更する量を示している。１．５５μｍの波長の光の透過率は、距離ｄ’の関数として表１に示される如くにシミュレートされている。
【表１】

光の透過率は距離ｄ’が零である時に最適化される。共振器として動作する４個のシリコンロッドの間の距離を変更することにより、選択された波長の光の透過率を大きく変化させることができる。ここで、幾何学的共振器を形成するシリコンロッドが、フォトニック結晶の周期的構造を形成しているシリコンロッドに一例としてｄ’＝０．０２μｍ程度接近すると、光の透過率は急激に減少する。これに対して、幾何学的共振器を形成するシリコンロッドが、フォトニック結晶の周期的構造を形成しているシリコンロッドから離隔する、即ち、ｄ’を負にすると、光の透過率はリニアな減少或いは緩慢な減少を示すに到る。
【００１３】
この発明により、異なる波長の光を分離して透過させる波長デマルチプレクサも形成することができる。これを図７および図８を参照して説明する。なお、このデマルチプレクサは都合により図７および図８に分割して表現されているが、本来、１個のものである。
波長１．５６μｍの光および波長１．６０μｍの光は相異なる２導波路を介して伝送することができる。即ち、波長１．５６μｍの光は図７に示される導波路を介して伝送される一方、波長１．６０μｍの光は図８に示される導波路を介して伝送される。このデマルチプレクサは、１個の三角形配列欠陥５１と周期性が２ａの結合キャビティ導波路ＣＣＷと周期性が３ａの結合キャビティ導波路ＣＣＷとにより構成することができる。図７および図８は２導波路のデマルチプレクサの実施例であるが、この発明は３導波路以上の多導波路のデマルチプレクサを構成することができる。
【００１４】
三角格子配列欠陥５１より成る共振器を形成するシリコンロッドはその三角格子配列を変更することにより光の透過率を改善し、選択される光波長を変更することができる。図７を参照して光の透過率の制御を説明するに、１で示される位置のシリコンロッドの位置を変更し光の透過率を調整制御する。この場合、２および３で示される位置のシリコンロッドの位置は変更しない。この通りにして、選択される光波長および光の透過率は、表２に示される如くに三角形配列欠陥５１の形状寸法を変更することにより調整制御することができる。
【表２】

一例として、１で示される位置のシリコンロッドの位置をｄ’＝０．０２μｍだけ変更することにより、波長１．５６μｍの光を高い透過率で６２の方向に透過させることができる。この透過率は、三角形配列欠陥５１の形状寸法を極く小さくした場合、例えば距離ｄ’を負の領域にした場合、ほぼ直線状に減少して行く。以上の説明においては、三角形配列欠陥５１より成る共振器を１個使用した波長デマルチプレクサについて議論してきたが、この議論を形状寸法の相異なる複数の三角形配列欠陥５１より成る共振器を使用した波長デマルチプレクサに拡張することができる。
【００１５】
図７および図８の光共振器は波長のチューナビリティの精度が高い。この共振器は、２次元フォトニック結晶の周期構造を構成する本来のシリコンロッドの中心間隔ａに等しい間隔を有する２個のシリコンロッドを２次元フォトニック結晶内に付加することにより形成された。２個のシリコンロッドの周期構造を構成する本来のシリコンロッドの位置からの変位は、図７および図８の例においては√（２）ａ／２＝４１４ｎｍである。シミュレーションの結果、４１４ｎｍの位置変位により、１．５６μｍの光と１．６０μｍの光の波長差４０ｎｍが選別されることになる。ロッドの位置変位１０ｎｍに対して、波長選別精度は約１ｎｍと見積もることができる。従って、幾何学的配列欠陥より成るこの発明の光共振器は製造が比較的に容易である。というのは、およそ１ｎｍの直径の変化が、従来例では１ｎｍの波長変化に相当することになるからである。
【００１６】
以上を要約するに、２次元に展開する一方の媒質と、一方の媒質に正方格子状に周期的に配列される一方の媒質と屈折率を異にする他方の媒質とにより構成されるフォトニック結晶内に、局所的に、他方の媒質を三角形の配列に形成した幾何学的配列欠陥、長方形の配列に形成した幾何学的配列欠陥、４５度回転して正方形の配列に形成した幾何学的配列欠陥の一種或いは複数種を形成すると共に、一直線上に整列する連続する各２個或いは各３個の格子の位置毎に他方の媒質を配列しないキャビティ欠陥を形成し、幾何学的配列欠陥とキャビティ欠陥とにより導波路を形成し、波長フィルタ或いは波長マルチプレクサ／デマルチプレクサとすることができる。図６から図８において、２次元フォトニック結晶に対する何れの外部光経路も結晶の端面に対して矢印６０ないし６２により示される面方向に形成することができる。これにより、フォトニック結晶を含む集積回路を製造するに際して、何れの外部光経路もフォトニック結晶と共に共通する面内に同一工程で形成することができる。
【００１７】
この発明は、２次元フォトニック結晶の周期構造を構成する本来のシリコンロッドの他に更にシリコンロッドを付加、変位することにより、波長の同調特性を改善することができる。同様のことは、シリコンロッドに限らず、ＧａＡｓ、ＩｎＰその他の高屈折率の半導体を使用しても実現することができる。
２次元フォトニック結晶は、電子ビームリソグラフィおよび誘導結合プラズマエッチングにより製造することができる。これにより、この発明の共振器を構成する幾何学的配列欠陥を容易に製造することができる。従って、２次元フォトニック結晶導波路における波長および伝播モードのカップリングを効果的に制御することができる。幾何学的配列欠陥より成る共振器間における大きなエネルギ伝送を期待することができ、これは光ビームの強固な閉じ込めおよび効率的な２次元フォトニック結晶集積回路の製造につながる。
【００１８】
この発明による以上の２次元フォトニック結晶は、狭帯域スペクトルフィルタを構成する素子として使用することができる。狭帯域スペクトルフィルタはＷＤＭ光学装置を構成する上の必須の素子であり、狭帯域スペクトルフィルタは、光ネットワーク内の任意の場所で特定の波長の光を取り出したり、取り込んだりする。ＷＤＭにおいては、多数の波長を分離することを要請される。図７および図８の実施例における原理と同一の原理を使用して、１２８以上の異なる波長の光を分岐する波長デマルチプレクサを構成することもできる。この発明は、光通信波長帯域全域に亘って動作する光通信装置を極く微小な２次元フォトニック結晶集積回路により提供することができる。この発明の最も重要な２用途は、波長マルチプレクサ／デマルチプレクサである。
【００１９】
【発明の効果】
以上の通りであって、この発明によれば、２次元フォトニック結晶に対する何れの外部光経路も結晶の端面に対して矢印６０ないし６２により示される面方向に形成することができる。これにより、フォトニック結晶を含む集積回路を製造するに際して、何れの外部光経路もフォトニック結晶と共に共通する面内に同一工程で形成することができる。
そして、２次元フォトニック結晶内に、局所的に、幾何学的配列欠陥を形成すると共に、一直線上に整列する連続する各２個或いは各３個の格子の位置毎に他方の媒質を配列しないキャビティ欠陥を形成し、幾何学的配列欠陥とキャビティ欠陥とにより導波路を形成する構成を採用して、幾何学的配列欠陥の配列位置を調整することにより、光の透過率を容易に調整することができる。また、幾何学的配列欠陥の配列位置を調整することにより、欠陥の直径に対応して取り出し／導入することができる光・電磁波の波長を選択する場合と比較して、光波長は幾何学的配列欠陥の配列位置の調整に鈍感であり、波長の微細な調整変更を容易にしている。
【図面の簡単な説明】
【図１】２次元フォトニック結晶を説明する斜視図。
【図２】２次元フォトニック結晶導波路および波長分離器の従来例を説明する斜視図。
【図３】正方形配列欠陥の実施例を説明する図。
【図４】長方形配列欠陥の実施例を説明する図。
【図５】三角形配列欠陥の実施例を説明する図。
【図６】幾何学的配列欠陥を含む２次元フォトニック結晶を用いた波長フィルタの実施例を説明する図。
【図７】波長デマルチプレクサの実施例を説明する図。
【図８】図７の続き。
【符号の説明】
１　一方の媒質
２　他方の媒質
５１　三角形配列欠陥[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a two-dimensional photonic crystal having a geometrical arrangement defect, and more particularly to a two-dimensional photonic crystal in which two kinds of transparent media having significantly different refractive indices are regularly and alternately arranged at a period of about a light wavelength. The present invention relates to a two-dimensional photonic crystal having a geometric arrangement defect in which a lattice defect having a geometric arrangement is locally formed in a periodic arrangement.
[0002]
[Prior art]
A conventional example will be described with reference to the drawings.
A photonic crystal can be formed by periodically arranging holes or transparent medium rods having a certain refractive index in a transparent medium having a different refractive index. In FIG. 1A, the photonic crystal is formed by a substrate 1 made of a transparent medium having a large refractive index and holes 2 formed in the substrate 1 in a two-dimensional periodic arrangement in a triangular lattice. In the photonic crystal in FIG. 1B, rods 3 of a transparent medium having a higher refractive index than air are periodically arranged in a square lattice, and the air around the transparent medium rods 3 is a substrate in FIG. It has a structure corresponding to 1. Various transparent media such as Si, InP, and GaAs are selectively used as media for forming a photonic crystal. Note that these transparent medium rods 3 are held by a support film such as a SiO ₂ thin film. In a photonic crystal whose periodic structure and refractive index ratio satisfy specific conditions, a phenomenon occurs in which light in a certain frequency range cannot be transmitted at all. This frequency range is called a photonic band gap.
[0003]
A photonic crystal waveguide and a wavelength separator formed using the two-dimensional photonic crystal described here have been developed (see JP-A-2001-272555). Referring to FIG. 2, in this publication, a medium having a lower refractive index than the slab 11 is periodically arranged on a slab 11 made of a material having a higher refractive index than air to form a refractive index distribution. It has a two-dimensional photonic crystal structure, and has linear defects 12 formed in a periodic array of two-dimensional photonic crystals, and the linear defects 12 have a photonic crystal waveguide functioning as a waveguide. Has at least one point-like defect 14 adjacent to the photonic crystal waveguide that disturbs the periodic arrangement of the photonic crystal, and the point-like defect 14 is included in the light / electromagnetic wave propagating in the waveguide. It functions as a light / electromagnetic wave extraction / introduction port that captures and emits light / electromagnetic waves of a specific wavelength and captures light / electromagnetic waves of a specific wavelength from the outside and introduces them into the waveguide. Two-dimensional file Tonic crystal waveguide, is disclosed. Although the defect 14 is expressed as a point-like defect, it actually means a region formed by locally disturbing the periodic arrangement of the two-dimensional photonic crystal over a required diameter. The photonic crystal waveguide described above uses the linear defect 12 as a waveguide, and impinges light having a wavelength λ _{1 in} the plane direction 13 from the waveguide end face of the slab 11 to the surface. The light of wavelength λ ₁ incident in the direction 15 at right angles is emitted to the outside. Alternatively, conversely, light of wavelength λ ₁ is incident from a point-like defect 14 of the slab 11 from a direction 15 perpendicular to the surface, and is incident from the end face of the waveguide of the slab 11 to the surface direction 13 using the linear defect 12 as a waveguide. The light having the wavelength λ ₁ is emitted to the outside. If you change the diameter of the point-like defect 14, it is possible to take out / introduce light-waves having a wavelength different lambda ₂ and lambda ₁ corresponding to the diameter.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In the above-described photonic crystal, when light / electromagnetic waves are introduced / extracted into / from this photonic crystal, it is necessary to provide an external optical path for transmitting / receiving light to / from the photonic crystal. That is, one external light path is formed in the plane direction 13 with respect to the waveguide end face of the slab 11. The other external light path is formed corresponding to the point defect 14 in the direction 15 orthogonal to the plane of the slab 11. By the way, forming one external light path and the other external light path orthogonal to each other means that one external light path can be formed in the same plane as the photonic crystal, while the other external light path can be formed in the same plane as the photonic crystal. The light path means that you cannot do that. Therefore, when manufacturing an integrated circuit including a photonic crystal, one external optical path can be formed in the same step with the photonic crystal in the same step, while the other external optical path is formed separately from this step. It must be formed in a process.
[0005]
By adjusting and changing the diameter of the point-like defect 14, it is possible to select the wavelength of light / electromagnetic wave that can be extracted / introduced according to the diameter. It changes sensitively to diameter, making it difficult to implement fine tuning changes in wavelength.
The present invention provides a two-dimensional photonic crystal having a geometrically arranged lattice defect that solves the above-mentioned problem.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The tuning characteristic of the light wavelength in a WDM device is improved by using a two-dimensional photonic crystal. An optical resonator is formed by locally changing a part of a periodic arrangement of media regularly and alternately arranged at a cycle of a light wavelength forming a two-dimensional photonic crystal and disturbing the arrangement. Further, the number of manufacturing steps can be reduced by forming the optical path collectively in the same plane as the photonic crystal.
[0007]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
According to the present invention, a part of the periodic structure of a two-dimensional photonic crystal in which two kinds of transparent media having significantly different refractive indices are arranged in a square lattice at a period of about the light wavelength is locally separated. It is formed into a structure of the shape and dimensions. That is, the structural portion having a locally different shape and size corresponds to a defective portion of the two-dimensional photonic crystal. In the present invention, this defect is expressed as a geometrical arrangement defect.
Referring to FIG. 3, silicon rods 3 having a refractive index larger than that of air are regularly arranged in a square lattice with a period of about the light wavelength, and a two-dimensional photonic crystal is formed with surrounding air 1 '. I have. Here, FIG. 3A shows a periodic structure of a two-dimensional photonic crystal having no defect, and FIG. 3B shows a geometrical structure in which a part of the periodic structure is locally formed into another shape and size. 2 shows a two-dimensional photonic crystal having a statistical alignment defect. That is, in FIG. 3 (b), the silicon rods 21 to 24 in FIG. 3 (a) are not formed at their original positions, but are formed at positions deviated by 45 degrees, respectively. As a result, a part of the periodic structure is locally replaced with a square having a lattice spacing of √ (2) a, as shown in FIG. It is possible to form a two-dimensional photonic crystal having a geometrical arrangement defect that disturbs the arrangement.
[0008]
Referring to FIG. 4, silicon rods 3 having a refractive index larger than that of air are periodically arranged in a square lattice with a period of about the light wavelength, and a two-dimensional photonic crystal is formed between the silicon rods 3 and air 1 'around the silicon rods 3. Is formed. Here, FIG. 4A shows a periodic structure of a two-dimensional photonic crystal having no defect, and FIG. 4B shows a defect in which a part of the periodic structure is locally formed into another shape and size. 2 shows a two-dimensional photonic crystal having the same. In FIG. 4B, the silicon rods are not arranged at the positions where the

silicon rods

31 and 32 are originally arranged in FIG. 4A. The silicon rods 36 are arrayed from the silicon rods 33 at positions deviated by 0.5a. This forms a two-dimensional photonic crystal in which a part of the periodic structure is locally formed into a rectangular array as shown in FIG. Can be. From the silicon rod 33 to the silicon rod 36, a rectangle having a lattice spacing a and a lattice spacing 2a is formed as a geometrical arrangement defect.
[0009]
Referring to FIG. 5, also in this case, silicon rods 3 having a refractive index larger than that of air are periodically arranged in a square lattice at a period of about the light wavelength, and a photo-beam is formed between the silicon rods 3 and the air 1 ′ around the silicon rods 3. Nick crystals are formed. Here, FIG. 5A shows a periodic structure of a two-dimensional photonic crystal having no defect, and FIG. 5B shows a geometrical structure in which a part of the periodic structure is locally formed into another shape and size. 2 shows a two-dimensional photonic crystal having a statistical alignment defect. In FIG. 5B, the silicon rod is not arranged at the position where the silicon rod 31 is originally arranged in FIG. 5A, but is shifted from this original position by 0.5a in the vertical direction in the direction of the arrow. By arranging the silicon rods 32 and the silicon rods 33 at the set positions, there is a geometrical arrangement defect in which a part of the periodic structure is locally formed in a triangular arrangement as shown in FIG. Form a two-dimensional photonic crystal. That is, by forming the array as described above, the lattice spacing a between the

silicon rods

32 and 33 and the spacing between the

silicon rods

3 and 32 and 33 により(10) The triangular arrangement of a / 2 is formed as a geometrical arrangement defect.
[0010]
4 and 5, the diameter d of the silicon rod is 234 nm, and the lattice spacing a between the silicon rods is 586 nm. Using this medium and the two-dimensional photonic crystal having the shape and dimensions, a low-loss wavelength filter that passes only a wavelength of 1.55 μm can be realized. Hereinafter, description will be made with reference to FIG.
In FIG. 6A, reference numeral 51 denotes a triangular array defect in which silicon rods are formed in a triangular array. Reference numeral 52 denotes a rectangular array defect in which the silicon rods are formed in a rectangular array. Reference numeral 53 denotes a cavity defect in which the silicon rods 33 are not arranged at one position for each of two or three continuous lattices aligned on a straight line. One or a plurality of cavity defects 53 are used to form a coupled cavity waveguide CCW. Unlike the conventional example shown in FIG. 2, it is not always necessary to form the defects 12 linearly in a periodic array of two-dimensional photonic crystals, and a waveguide can be formed by intermittent formation.
[0011]
In FIG. 6, a simulation was performed on the waveguide of light having wavelengths of 1.47 μm, 1.51 μm, 1.55 μm, and 1.59 μm. The simulation is performed mainly using, for example, FDTD software such as software “Full Wave” manufactured by RSSoft. In the simulation, the length of the rod was infinite.
In FIG. 6A, light having a wavelength of 1.55 μm is horizontally incident on the end face of the cavity defect 53 in the direction of the two-dot chain line arrow and guided therethrough, and reaches the rectangular array defect 52. Then, the light is guided through the cavity defect 53 on the upper side of the figure and is emitted to the outside from the upper end face, but light of other wavelengths is not guided through this optical path. That is, the rectangular array defect 52 selectively guides light having a wavelength of 1.55 μm, but does not guide light having other wavelengths. Conversely, light having a wavelength of 1.55 μm is not guided through the triangular array defect 51. This indicates that the triangular array defect 51 and the rectangular array defect 52 constitute a resonator. In FIG. 6, the mark and the mark x indicate the direction of the electric field of the electromagnetic wave propagating in the waveguide.
[0012]
In the present invention, the coupling cavity waveguide CCW first plays a role of selecting light having a wavelength in the 1.55 μm region, which is an optical wavelength for optical communication. Further, only light having a wavelength of 1.55 μm is selected by the rectangular array defect 52.
Here, optimization of the transmittance of light having a wavelength of 1.55 μm will be described with reference to FIG. FIG. 6B is a diagram for explaining that the transmittance of light having a wavelength of 1.55 μm is optimized by changing the size of the resonator having the rectangular array of defects. The positions of the silicon rods 36 from the four silicon rods 33 forming the defects in the rectangular array 52 are changed as necessary as shown in FIG. 6B. In FIG. 6B, the original positions of the silicon rods 36 from the four silicon rods 33 are as shown in FIG. 4D, and the distance d 'indicates the amount by which each silicon rod is changed simultaneously. . The transmittance of light at a wavelength of 1.55 μm is simulated as shown in Table 1 as a function of the distance d ′.
[Table 1]

The light transmission is optimized when the distance d 'is zero. By changing the distance between the four silicon rods operating as a resonator, the transmittance of light of a selected wavelength can be significantly changed. Here, when the silicon rod forming the geometric resonator approaches the silicon rod forming the periodic structure of the photonic crystal by about d '= 0.02 μm as an example, the light transmittance sharply decreases. I do. On the other hand, when the silicon rod forming the geometric resonator is separated from the silicon rod forming the periodic structure of the photonic crystal, that is, when d ′ is made negative, the light transmittance becomes linear. A slow or slow decrease.
[0013]
According to the present invention, a wavelength demultiplexer that separates and transmits light having different wavelengths can also be formed. This will be described with reference to FIGS. Note that this demultiplexer is divided into FIGS. 7 and 8 for convenience, but is originally one.
Light having a wavelength of 1.56 μm and light having a wavelength of 1.60 μm can be transmitted through two different waveguides. That is, light having a wavelength of 1.56 μm is transmitted via the waveguide shown in FIG. 7, while light having a wavelength of 1.60 μm is transmitted via the waveguide shown in FIG. This demultiplexer can be composed of one triangular array defect 51, a coupled cavity waveguide CCW having a periodicity of 2a, and a coupled cavity waveguide CCW having a periodicity of 3a. FIGS. 7 and 8 show an embodiment of a two-waveguide demultiplexer. The present invention can constitute a multi-waveguide demultiplexer having three or more waveguides.
[0014]
The silicon rod forming the resonator formed by the triangular lattice array defects 51 can improve the light transmittance by changing the triangular lattice arrangement, and can change the selected light wavelength. The control of the light transmittance will be described with reference to FIG. 7. The position of the silicon rod at the position indicated by 1 is changed and the light transmittance is adjusted and controlled. In this case, the positions of the silicon rods at

positions

2 and 3 are not changed. In this way, the selected light wavelength and light transmittance can be adjusted and controlled by changing the shape and size of the triangular array defect 51 as shown in Table 2.
[Table 2]

As an example, by changing the position of the silicon rod at the position indicated by 1 by d ′ = 0.02 μm, light having a wavelength of 1.56 μm can be transmitted with high transmittance in the 62 direction. This transmittance decreases almost linearly when the shape and size of the triangular array defect 51 are made extremely small, for example, when the distance d ′ is set to a negative region. In the above description, the wavelength demultiplexer using one resonator composed of the triangular array defects 51 has been discussed, but this discussion is based on the wavelength using the resonator composed of a plurality of triangular array defects 51 having different shapes and dimensions. It can be extended to demultiplexers.
[0015]
The optical resonators of FIGS. 7 and 8 have high wavelength tunability accuracy. This resonator was formed by adding two silicon rods having a distance equal to the center distance a of the original silicon rods constituting the periodic structure of the two-dimensional photonic crystal into the two-dimensional photonic crystal. The displacement from the original position of the silicon rod constituting the periodic structure of the two silicon rods is √ (2) a / 2 = 414 nm in the examples of FIGS. As a result of the simulation, a wavelength difference of 40 nm between 1.56 μm light and 1.60 μm light is selected by the displacement of 414 nm. For a displacement of the rod of 10 nm, the wavelength selection accuracy can be estimated to be about 1 nm. Thus, the optical resonator of the present invention, comprising geometrical defects, is relatively easy to manufacture. This is because a change in diameter of about 1 nm corresponds to a change in wavelength of 1 nm in the conventional example.
[0016]
To summarize the above, a photonic composed of one medium that develops two-dimensionally and one medium that has a different refractive index from one medium that is periodically arranged in a square lattice in one medium. In the crystal, a geometrical arrangement defect in which the other medium is locally formed in a triangular arrangement, a geometrical arrangement defect in a rectangular arrangement, and a geometric arrangement formed by rotating 45 degrees into a square arrangement Form one or more types of array defects, and form a cavity defect in which the other medium is not arranged at each of two or three consecutive grids aligned in a straight line, A waveguide is formed by the cavity defect, and can be used as a wavelength filter or a wavelength multiplexer / demultiplexer. 6 to 8, any external light path for the two-dimensional photonic crystal can be formed in the plane direction indicated by arrows 60 to 62 with respect to the end face of the crystal. Accordingly, when manufacturing an integrated circuit including a photonic crystal, any external optical path can be formed in the same step with the photonic crystal in the same plane.
[0017]
According to the present invention, the wavelength tuning characteristic can be improved by adding and displacing a silicon rod in addition to the original silicon rod constituting the periodic structure of the two-dimensional photonic crystal. The same can be achieved not only by using a silicon rod but also by using GaAs, InP, or another semiconductor having a high refractive index.
Two-dimensional photonic crystals can be manufactured by electron beam lithography and inductively coupled plasma etching. This makes it possible to easily manufacture a geometrical arrangement defect constituting the resonator of the present invention. Therefore, the coupling of the wavelength and the propagation mode in the two-dimensional photonic crystal waveguide can be effectively controlled. Large energy transfer between resonators consisting of geometrical defects can be expected, which leads to strong confinement of the light beam and efficient production of two-dimensional photonic crystal integrated circuits.
[0018]
The above two-dimensional photonic crystal according to the present invention can be used as an element constituting a narrow band spectral filter. A narrow-band spectral filter is an essential element in configuring a WDM optical device, and a narrow-band spectral filter extracts or takes in light of a specific wavelength at any place in an optical network. In WDM, it is required to separate multiple wavelengths. Using the same principle as that of the embodiment of FIGS. 7 and 8, a wavelength demultiplexer for splitting light of 128 or more different wavelengths can also be configured. The present invention can provide an optical communication device that operates over the entire optical communication wavelength band by using an extremely small two-dimensional photonic crystal integrated circuit. The two most important applications of the invention are wavelength multiplexer / demultiplexers.
[0019]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, any external light path for the two-dimensional photonic crystal can be formed in the plane direction indicated by arrows 60 to 62 with respect to the end face of the crystal. Accordingly, when manufacturing an integrated circuit including a photonic crystal, any external optical path can be formed in the same step with the photonic crystal in the same plane.
Then, a geometric arrangement defect is locally formed in the two-dimensional photonic crystal, and the other medium is not arranged at every two or three continuous lattices aligned in a straight line. By adopting a configuration in which a cavity defect is formed and a waveguide is formed by the geometric arrangement defect and the cavity defect, the transmittance of light can be easily adjusted by adjusting the arrangement position of the geometric arrangement defect. be able to. In addition, by adjusting the arrangement position of the geometrically arranged defect, the light wavelength is more geometrically compared to the case where the wavelength of light or electromagnetic wave that can be extracted / introduced according to the diameter of the defect is selected. It is insensitive to the adjustment of the array position of the array defect, and facilitates fine adjustment change of the wavelength.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view illustrating a two-dimensional photonic crystal.
FIG. 2 is a perspective view illustrating a conventional example of a two-dimensional photonic crystal waveguide and a wavelength separator.
FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a square array defect.
FIG. 4 is a diagram illustrating an example of a rectangular array defect.
FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a triangular array defect.
FIG. 6 is a view for explaining an embodiment of a wavelength filter using a two-dimensional photonic crystal including a geometric arrangement defect.
FIG. 7 is a diagram illustrating an embodiment of a wavelength demultiplexer.
FIG. 8 is a continuation of FIG. 7;
[Explanation of symbols]
1 One medium 2 The other medium 51 Triangular array defect

Claims

In a photonic crystal composed of one medium that develops two-dimensionally and one medium that has a different refractive index from one medium that is periodically arranged in the form of a square lattice in one medium,
A two-dimensional photonic crystal having a geometric arrangement defect in which the other medium is locally formed in a triangular arrangement in the photonic crystal.

In a photonic crystal composed of one medium that develops two-dimensionally and one medium that has a different refractive index from one medium that is periodically arranged in the form of a square lattice in one medium,
A two-dimensional photonic crystal having a geometric arrangement defect in which the other medium is locally formed in a rectangular arrangement in the photonic crystal.

In a photonic crystal composed of one medium that develops two-dimensionally and one medium that has a different refractive index from one medium that is periodically arranged in the form of a square lattice in one medium,
A photonic crystal having a geometrical arrangement defect formed in a square arrangement by rotating the other medium 45 degrees locally in the photonic crystal.

In a photonic crystal composed of one medium that develops two-dimensionally and one medium that has a different refractive index from one medium that is periodically arranged in the form of a square lattice in one medium,
A photonic crystal characterized in that cavity defects in which the other medium is not arranged at positions of two or three continuous lattices aligned on a straight line are locally formed in the photonic crystal.

In the photonic crystal according to any one of claims 1 to 4,
A photonic crystal, wherein one medium is made of a medium having a high refractive index such as silicon, GaAs, InP or another semiconductor, and the other medium is made of a medium having a low refractive index such as air or glass.

In the photonic crystal according to any one of claims 1 to 4,
A photonic crystal, characterized in that one medium is made of a medium having a low refractive index such as air or glass, and the other medium is made of a medium having a high refractive index such as silicon, GaAs, InP or another semiconductor.

In a photonic crystal composed of one medium that develops two-dimensionally and one medium that has a refractive index different from that of one medium that is periodically arranged in a square lattice shape in one medium, One or more of a geometrical arrangement defect in which the other medium is formed in a triangular arrangement, a geometrical arrangement defect formed in a rectangular arrangement, and a geometric arrangement defect formed in a square arrangement by rotating 45 degrees. Forming seeds and forming cavity defects in which the other medium is not arranged at every two or three successive grids aligned in a straight line, the waveguide and the wavelength are formed by the geometrical arrangement defects and the cavity defects. A two-dimensional photonic crystal, wherein a separator is formed.