JP2005037684A - Variable characteristic photonic crystal waveguide - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、フォトニック結晶の主として光通信への応用に関するものである。 The present invention relates to application of a photonic crystal mainly to optical communication.
フォトニック結晶はサブミクロンないしミクロンの周期をもつ2次元的または3次元的周期構造体であって、新しい光学材料として広い範囲での応用が期待され、一部ですでに実用化が始まっている革新的な技術である。利用される方面は、偏光選択、波長選択、波長に強く依存する遅延・屈折による遅延等化・波長選択などの誘電機能が主である。それらは大変興味ある性質であるが、一面それは特性が固定された受動的な回路機能である。その適用域を広げるには、それに何らかの可変特性機能を付与する事が望ましいが、従来そのような手段は知られていなかった。従って,フォトニック結晶導波路素子の重要な種類である共振器,ブラッグ反射器,方向性結合器,スーパープリズム,減衰器において特性の可変なものは存在せず,またスイッチ,温度特性補償器として挙げるべきものも見あたらなかった。 Photonic crystals are two-dimensional or three-dimensional periodic structures with sub-micron to micron periods, and are expected to be used in a wide range as new optical materials. Innovative technology. The directions to be used are mainly dielectric functions such as polarization selection, wavelength selection, delay equalization by delay and refraction, wavelength selection, and the like that strongly depend on wavelength. They are very interesting properties, but on the one hand they are passive circuit functions with fixed properties. In order to widen the application range, it is desirable to give it some variable characteristic function, but no such means has been known. Therefore, there are no resonators, Bragg reflectors, directional couplers, superprisms, and attenuators, which are important types of photonic crystal waveguide elements, and there are no switches or temperature characteristic compensators. I didn't find anything to list.
最近、フォトニック結晶と液晶とを組み合わせた可変機構を有するフォトニック結晶が提案されている(特許文献1)。これによると、導波路型のフォトニック結晶のクラッド部分に液晶を装荷することで、クラッドの屈折率を電界によって調節し、導波モードの伝搬定数を制御するものである。フォトニック結晶導波路としては、特許文献2に述べられている自己クローニング形を用いる。本手法は極めて安定にフォトニック結晶を形成できるため、実用化に適した手法である。
しかしながら、液晶を用いた屈折率制御ではいくつかの問題点がある。一つは屈折率の変化が異方的であることである。そもそも液晶は針状の分子からできており、その方向を制御するものであるため、光の伝搬方向に対して、あるいは偏波方向に対して同じ屈折率の変化量を与えることは不可能である。もう一つは、液晶では分子の方向を揃えることが重要であり、液晶を装荷する下地基板の配向処理プロセスは複雑になる。
However, there are several problems with refractive index control using liquid crystals. One is that the change in refractive index is anisotropic. In the first place, liquid crystals are made of needle-like molecules and control the direction of the molecules, so it is impossible to give the same amount of change in refractive index to the light propagation direction or the polarization direction. is there. The other is that in the liquid crystal, it is important to align the molecular direction, and the alignment process of the base substrate loaded with the liquid crystal becomes complicated.
本発明は上記の液晶によるフォトニック結晶制御機構の問題点であった、異方的な屈折率変化と配向の煩雑さを解決するためのものである。本発明の目的は、ポリマー材料の熱光学効果を利用して、フォトニック結晶導波路を伝搬する光の伝搬定数を変化させることで、位相変化量、バンドギャップや群速度を制御し、スイッチ、波長フィルタ、分岐、群遅延などの可変機能を提供するものである。 The present invention is to solve the anisotropic refractive index change and the complexity of orientation, which are problems of the photonic crystal control mechanism by the liquid crystal. The object of the present invention is to control the phase change amount, band gap and group velocity by changing the propagation constant of light propagating through the photonic crystal waveguide using the thermo-optic effect of the polymer material, It provides variable functions such as wavelength filter, branching, and group delay.
本発明は以下の通りである。
(1)フォトニック結晶導波路のクラッドの一部にポリマーを有し、その近傍にポリマーを加熱する手段を設けてフォトニック結晶導波路の導波特性あるいは遮断特性を制御できることを特徴とするフォトニック結晶導波路
(2)ヘテロ構造を有するフォトニック結晶を少なくとも一部に用いることを特徴とする上記(1)記載のフォトニック結晶導波路
(3)自己クローニング法により作製されたフォトニック結晶を少なくとも一部に用いることを特徴とする上記(1)記載のフォトニック結晶導波路
(4)自己クローニング法により作製されたヘテロ構造を有するフォトニック結晶を少なくとも一部に用いることを特徴とする上記(1)記載のフォトニック結晶導波路
(5)フォトニック結晶のX点またはΓ点付近において動作することを特徴とする上記(1)または(2)または(3)または(4)記載のフォトニック結晶導波路
(6)上記(1)または(2)または(3)または(4)のフォトニック結晶導波路を用いることにより温度特性補償または枝の位相量調節を行うことを特徴とするフォトニック結晶導波路
(7)複数のブラッグ遮断部分を含む共振器が上記(1)または(2)または(3)または(4)で記載されるフォトニック結晶導波路で構成され共通のポリマー制御部で共振波長が変化できることを特徴とする光共振器
(8)一括可変または個別に可変な複数のブラッグ遮断部分をもつ,または周期が連続的に変化していて,1個以上のポリマー制御部分により,動作波長に依存するブラッグ反射の生ずる位置が可変であるような、上記(1)または(2)または(3)または(4)記載のブラッグ反射導波路
(9)方向性結合器動作をする近接した2本のフォトニック結晶導波路が上記(1)または(2)または(3)または(4)の特徴を持ち,制御ポリマーを共有していることにより可変の結合度をもつことを特徴とする方向性結合器
(10)フォトニック結晶導波路で構成された3dB方向性結合器を用いたマッハツェンダー回路の二つの枝の少なくとも一方に上記(1)または(2)または(3)または(4)のフォトニック結晶導波路を含むことを特徴とする光デバイス
(11)上記(10)のデバイス中のマッハツェンダー回路の二つの枝それぞれが等しい特性を持つ上記(7)記載の共振器またはそれぞれ等しい上記(8)記載のブラッグ反射導波路を設けることを特徴とする光回路
(12)上記(1)または(2)または(3)または(4)で記載されたフォトニック結晶導波路が導波路に斜めな周期構造をもち,動作波長において波が透過する,またはブラッグ遮断により斜め方向へ反射される,の一方がポリマー制御部で切り替えられることを特徴とする可変ブラッグ反射器
(13)複数個のフォトニック結晶が一つ以上の点で交差しており,各導波路は上記(1)または(2)または(3)または(4)の特徴をもち,交差部の一つ以上は複数の導波路に共有されたポリマー部分によって光路が直進するまたは斜めブラッグ反射により他方の導波路へ移るか制御されることを特徴とする光スイッチ
(14)上記(1)または(2)または(3)または(4)のフォトニック結晶導波路を用いることにより波長依存性または入射角依存性を制御できることを特徴とするスーパープリズム作用をもつフォトニック結晶導波路
(15)直線導波路または曲がり導波路において上記(1)または(2)または(3)または(4)の構造を付与して形成されることを特徴とする可変光減衰器
The present invention is as follows.
(1) The photonic crystal waveguide has a polymer in a part of the clad, and a means for heating the polymer is provided in the vicinity thereof to control the waveguide characteristic or cutoff characteristic of the photonic crystal waveguide. Photonic crystal waveguide (2) A photonic crystal having a heterostructure is used at least in part. (3) The photonic crystal waveguide according to (1) above (3) A photonic crystal produced by a self-cloning method The photonic crystal waveguide according to the above (1), wherein the photonic crystal having a heterostructure produced by the self-cloning method is used at least in part. Photonic crystal waveguide described in (1) above (5) Operates near the X point or Γ point of the photonic crystal The photonic crystal waveguide according to (1), (2), (3) or (4), characterized in that (6) The photonic crystal waveguide according to (1), (2), (3) or (4) A photonic crystal waveguide characterized in that temperature characteristics are compensated or the phase amount of a branch is adjusted by using a waveguide. (7) A resonator including a plurality of Bragg blocking portions is the above (1) or (2) or (3 ) Or (4), which is composed of a photonic crystal waveguide and whose resonance wavelength can be changed by a common polymer control unit. (8) A plurality of Bragg blocking portions that are collectively variable or individually variable. (1) or (2), wherein the position where the Bragg reflection occurs depending on the operating wavelength is variable by one or more polymer control parts. Alternatively, the Bragg reflection waveguide according to (3) or (4) (9) Two adjacent photonic crystal waveguides operating as a directional coupler are the above (1) or (2) or (3) or (4 And a variable degree of coupling by sharing a control polymer. (10) A 3 dB directional coupler composed of a photonic crystal waveguide was used. An optical device comprising the photonic crystal waveguide of (1), (2), (3), or (4) in at least one of the two branches of the Mach-Zehnder circuit (11) An optical device characterized in that the two branches of the Mach-Zehnder circuit in the device are provided with the resonator according to the above (7) or the Bragg reflection waveguide according to the above (8) having the same characteristics. Path (12) The photonic crystal waveguide described in the above (1), (2), (3) or (4) has an oblique periodic structure in the waveguide, and a wave is transmitted at the operating wavelength, or Bragg A variable Bragg reflector (13), one of which is reflected in an oblique direction by blocking and switched by a polymer control unit (13). A plurality of photonic crystals intersect at one or more points. The waveguide has the above feature (1), (2), (3) or (4), and at least one of the intersecting portions is caused by a polymer portion shared by a plurality of waveguides so that the optical path goes straight or by oblique Bragg reflection. An optical switch characterized in that it is transferred to or controlled by the other waveguide (14) It is wavelength dependent by using the photonic crystal waveguide of (1) or (2) or (3) or (4) above. In the photonic crystal waveguide (15) linear waveguide or curved waveguide having a super prism action characterized in that it is possible to control the property or the incident angle dependence, the above (1) or (2) or (3) or (4) A variable optical attenuator characterized by being provided with the structure
フォトニック結晶の作製方法としては、スパッタエッチングをその一部に含む周期多層膜作製方法が定常形状の自己探索・複製効果をもつので有効である(特許文献2)。本特許願では,その方法を「自己クローニング法」と呼ぶ。なおやや狭義に拡散性デポジションと併用するものにも用いられ、スパッタエッチングとスパッタ製膜との組み合わせによる製膜方法に用いたことがある(非特許文献1)。なお,いわゆるECRスパッタリングなどのように,名前にはスパッタエッチングと明示されないが実体としてスパッタエッチング効果を有するプロセスは上の範疇に含まれる。 As a method for producing a photonic crystal, a periodic multilayer film production method including sputter etching as a part thereof is effective because it has a self-searching / replicating effect of a steady shape (Patent Document 2). In this patent application, this method is called “self-cloning method”. It is also used in a slightly narrow sense in combination with diffusive deposition, and has been used in a film forming method by a combination of sputter etching and sputter film formation (Non-patent Document 1). Note that processes having a sputter etching effect as a substance are included in the above category, although the name does not clearly indicate sputter etching, such as so-called ECR sputtering.
ヘテロ構造フォトニック結晶(あるいは格子変調されたフォトニック結晶ともいう)とは,格子タイプまたは格子方位または格子定数などの異なる周期構造が境を接してあるいは徐々に移り変わりながら形成されていることを表す言葉である。各領域はそれぞれ異なる光学的性質を持つように設計可能である。それを作製する最も便利な方法は次の通りである。基板平面上に隣接して周期構造の格子タイプまたは格子定数の異なる複数個の領域の凹凸パターンを設け,その上に自己クローニングによりフォトニック結晶を製膜して,ヘテロ構造フォトニック結晶が得られる。厚さ方向に格子定数を変化させることも勿論可能である。 Heterostructured photonic crystal (also called lattice-modulated photonic crystal) means that different periodic structures such as lattice type, lattice orientation, or lattice constant are formed on the border or gradually changing Words. Each region can be designed to have different optical properties. The most convenient way to make it is as follows. A heterostructure photonic crystal is obtained by forming a concavo-convex pattern of a plurality of regions having different lattice types or lattice constants adjacent to each other on the substrate plane, and forming a photonic crystal by self-cloning thereon. . It is of course possible to change the lattice constant in the thickness direction.
次にフォトニック結晶導波路の導波特性の制御について、ここでは簡単のため、2次元モデルの導波領域を用いて説明する。図2には、フォトニック結晶の上側クラッドの一部が均一な誘電体で置き換えられた、紙面に垂直な方向には一様な導波路を示す。円柱列201はコアを形成する2次元フォトニック結晶、直径の小さな円柱列202はクラッドを形成する2次元フォトニック結晶で、異種のフォトニック結晶から形成されると云う意味でヘテロ構造フォトニック結晶導波路である。コア部分は比較的高い平均的誘電率を、クラッドはより低い平均的誘電率をもつ。そのコア・クラッド構造で導波される光は一様な誘電体層203に電磁界の裾を有する。誘電体の誘電率が高く/低くなると、導波モードの実効屈折率(伝搬定数/真空中波数)も高く/低くなる。
Next, control of the waveguide characteristics of the photonic crystal waveguide will be described using a two-dimensional model waveguide region for simplicity. FIG. 2 shows a uniform waveguide in a direction perpendicular to the plane of the paper, where a portion of the upper cladding of the photonic crystal is replaced with a uniform dielectric. The
フォトニック結晶導波路では、モードの導波域が重要であるのと同じく、ブラッグ反射による遮断域も重要である。実際、フォトニック結晶固有の機能の多くはブラッグ領域で実現される。ヘテロ構造フォトニック結晶導波路において、遮断域も導波域同様に一様な誘電体層で制御できる。詳細は特許文献1で説明したが、ここでは結論を示す。すなわち、ブラッグ遮断域でも電磁界の横方向(伝搬方向に垂直な面内)の閉じ込めは、ブラック遮断域の外で定義された電磁界分布から推測できること、導波モードのバンドギャップはコアとクラッドのそれぞれの領域のバンドギャップに電磁界分布のパワーの重み付けで近似的に得られる。したがって、クラッドの一部に一様なポリマー材料(バンドギャップ=0)を用いても、適切な電磁界成分がクラッド内に存在すれば、導波モードは漏れのないブラッグ遮断の特性を示す。
In the photonic crystal waveguide, the cutoff region due to Bragg reflection is also important, as is the mode waveguide. In fact, many of the functions unique to photonic crystals are realized in the Bragg region. In the heterostructure photonic crystal waveguide, the cutoff region can be controlled by a uniform dielectric layer as well as the waveguide region. Details have been described in
また、クラッドに設けられた一様な誘電体の比誘電率(εDとする)が外部からの制御信号によって値が増減する場合には、たとえばεDが大きくなって伝搬定数βが小さくなる(例えば1%)と、導波路のブラッグ遮断周波数域はそれに対応して(この例では同じく1%)低い周波数帯に移動する。 Further, if the dielectric constant of the uniform dielectric provided cladding (epsilon and D) increases or decreases the value by the control signal from the outside, the propagation constant β is reduced for example epsilon D is increased (For example, 1%), the Bragg cutoff frequency region of the waveguide moves to a correspondingly lower frequency band (also 1% in this example).
以上説明したように,フォトニック結晶導波路においてクラッドの一部分をポリマーなど他の誘電体で置き換えると種々の可変特性が実現でき,導波特性を制御できる。(ここでいう導波特性とは,βが実数である通常の伝搬域の特性,複素数となるブラッグ遮断域,あるいは漏れ波などの特性を総称する意味である。)この効果を利用するには,コアとクラッドが同様のフォトニック結晶で形成されたヘテロ構造フォトニック結晶導波路が好適である。但し,いわゆるスラブ形フォトニック結晶導波路(非特許文献2)でも導波路中心部とポリマーとの間に適宜な距離をおくべくバッファ層を設けることにより、以降で述べる概念を適用することが出来る。 As described above, in the photonic crystal waveguide, when a part of the cladding is replaced with another dielectric such as a polymer, various variable characteristics can be realized, and the waveguide characteristics can be controlled. (The waveguide characteristic here is a general term for characteristics of a normal propagation band where β is a real number, a Bragg cutoff area where a complex number is used, or a leakage wave.) To use this effect A heterostructure photonic crystal waveguide having a core and a clad formed of the same photonic crystal is suitable. However, in the so-called slab type photonic crystal waveguide (Non-Patent Document 2), the concept described below can be applied by providing a buffer layer so as to provide an appropriate distance between the central portion of the waveguide and the polymer. .
はじめに、可変機構を付加するためのヘテロ構造フォトニック結晶導波路について説明する。本発明を適用させる特に適した構造として、自己クローニング型フォトニック結晶の格子変調技術を利用した光導波路が挙げられる。その構成例と動作原理を説明する。
図4(a)に示すのは、格子定数の異なる複数の2次元フォトニック結晶領域のヘテロ構造からなる、「格子定数変調型」光導波路の具体的な構成の一例である。この構造は、例えば電子ビームリソグラフィとドライエッチングなどの組み合わせによって表面に周期的な凹凸を形成した基板401の上に、高屈折率の透明材料402と低屈折率の透明材料403を交互に、前記の自己クローニング法のプロセスによって積層することで形成される。高屈折率材料としては、例えばアモルファスSi(a−Si)や五酸化タンタル(Ta2O5)、五酸化ニオブ(Nb2O5)、酸化チタン(TiO2)などを用いる。また低屈折率材料には、石英(SiO2)などを用いる。この際、前記の通り、初期の基板上の凹凸に場所による変化を付けておき、また透明材料402及び透明材料403の厚さを多層膜の最下層から最上層までの間の一部で変化させることで、格子定数の異なる領域(図4(b)の405〜408)が立体的に組み合わされたヘテロ構造フォトニック結晶を形成する(特許文献3)。基板上の凹凸形状と、自己クローニングによる定常的な波型形状をつなぐために、基板とほぼ同じ屈折率を持つ材料による整形層404を基板401と多層膜第一層目の間に積層してもよい。これは本発明において現れる全ての自己クローニング型多層膜に共通する。後の説明のために、図4(b)には図4(a)のヘテロ構造フォトニック結晶の断面を、格子定数の一定な領域毎に分けて描いたものを示しておく。
First, a heterostructure photonic crystal waveguide for adding a variable mechanism will be described. A particularly suitable structure to which the present invention is applied is an optical waveguide using a self-cloning photonic crystal lattice modulation technique. A configuration example and an operation principle will be described.
FIG. 4A shows an example of a specific configuration of a “lattice constant modulation type” optical waveguide composed of a heterostructure of a plurality of two-dimensional photonic crystal regions having different lattice constants. In this structure, for example, a
図5に格子変調技術によるフォトニック結晶導波路の、別の構成例を示す。本構造では、図4(b)の領域405,407がともに平坦な交互多層膜、すなわち1次元フォトニック結晶から構成される。図5において、Bloch波数ベクトルがz方向を向くy偏波に対する実効屈折率は、一般に1次元結晶領域中での値の方が2次元結晶領域中での値よりも大きくなる。従って本構成でも、各領域の屈折率の大小関係は図4と類似したものとなる。
FIG. 5 shows another configuration example of the photonic crystal waveguide based on the lattice modulation technique. In this structure, the
図6には格子変調技術によるフォトニック結晶導波路の、また別の構成例を示す。これは凹凸多層膜からなる2次元自己クローニング型結晶において、結晶方位を図のyz面内で角度θだけずらして、複数の領域を組み合せたものである。結晶の各部分は前述のとおり、入射光に対し人工的な異方性媒質として振舞うので、多層膜の層数、膜厚の変調の程度や結晶方位の折れ曲がり角度θなどを適切に設定すれば、屈折率差による光閉じ込め構造を実現することができる。ここに、θは例えば10度から30度程度の角度とする。図6の例では、光は断面内の領域601に閉じ込められ、結晶方位をずらして形成したクラッド602に挟まれた領域603に沿って伝搬する。以上示した光導波路の構成例は、自己クローニング法によるフォトニック結晶を用いて実現することができる構造のほんの一例であり、導波路の形態はこれに限られるものではない。
FIG. 6 shows another configuration example of the photonic crystal waveguide based on the lattice modulation technique. This is a two-dimensional self-cloning crystal composed of a concavo-convex multilayer film in which a plurality of regions are combined by shifting the crystal orientation by an angle θ within the yz plane of the figure. As described above, each part of the crystal behaves as an artificial anisotropic medium with respect to incident light. Therefore, if the number of layers of the multilayer film, the degree of film thickness modulation, the bending angle θ of the crystal orientation, etc. are appropriately set In addition, a light confinement structure based on a difference in refractive index can be realized. Here, θ is an angle of about 10 degrees to 30 degrees, for example. In the example of FIG. 6, light is confined in a
ところでフォトニック結晶は、その単位構造の形状や寸法が、使用する光の波長に対しある一定の条件を満たす場合に、その波長の光に対し異方性の透明媒質であるかのように振舞う。例えば図4(a)の構造において、透明材料402が屈折率n=2.1の五酸化タンタル(Ta2O5)、透明材料403が屈折率n=1.5の石英(SiO2)であるとし、図中にLx1,Lx2で示した積層方向の格子定数がそれぞれLx1=0.73μm、Lx2=0.62μm、水平方向の格子定数Ly1,Ly2がそれぞれLy1=0.62μm、Ly2=1.095μmとする。このとき、例えば同図中で電界ベクトルの主成分がy方向を向き、z方向にBloch波数ベクトルkzを持つ波長1.55μmの光に対して結晶の各部は透明材料として機能する。図7(a)には図4(b)の各断面領域のうち、領域405の部分の膜構造の一例を示した。このような構造中をz軸方向に進行する光の実効的な屈折率NeffはBloch波数ベクトルkzと、その光の真空中の波数k0(=2π/λ、λは真空中の波長)の比で表され、これはフォトニック・バンド構造から求めることができる。図8に、図7(a)の構造中をz方向に伝搬する、主としてy方向の電界成分を持つモードのフォトニック・バンド構造を有限差分時間領域法(FDTD法)で計算したものを示す。この場合の当該結晶領域の実効屈折率Neff=kz/k0は、図8の最低次バンドにおいて、原点から動作点まで引いた直線の傾きの逆数で与えられる。例えば波長λ=1.55μmでは動作点は801であり、この点での実効屈折率は約1.835と求められる。同様の計算によれば図4(b)の領域406、407、408の実効屈折率はそれぞれ1.822,1.818, 1.810となり、最終的にこの結晶は領域405をコアとする、チャネル型光導波路として機能することになる。導波モードの光は図4(b)の領域409に閉じ込められ、z方向に伝搬する。この際、コア領域405の寸法の一例は、x方向には多層膜が5.5周期、厚さ約4.0μm, y方向には格子7周期分、幅で約4.3μmとなる。この例のように、格子変調の空間的な配置を適切に設定することで、フォトニック結晶の各領域を光導波路のコア、あるいはクラッドとして機能させることができる。
By the way, a photonic crystal behaves as if it is a transparent medium that is anisotropic with respect to light of that wavelength when the shape and dimensions of its unit structure meet certain conditions with respect to the wavelength of light used. . For example, in the structure of FIG. 4A, the
なおフォトニック結晶による導波路において、フォトニック・バンドギャップや強い波長分散性などの効果を利用する際には、導波路が光の伝搬方向に対しても周期的な構造を有していることが望ましい。例えば図6に示した導波路は、そのような構造の一例である。このような周期性導波路における、膜の断面構造とフォトニック・バンド構造の関係の一例を説明しておく。たとえば図7(a)のような断面形状を持つ周期構造において、y方向にBloch波数ベクトルを持ち、z方向に偏光した光のフォトニック・バンド構造は図9のようになる。なおこのバンド構造はFDTD法にて計算した。ここで横軸の値が0の位置(これをΓ点と呼ぶ)では、符号901で示した0.52559≦k0≦0.55562の範囲にフォトニック・バンドギャップが開く。このように図7(a)に代表される膜構造では、Γ点でのフォトニック・バンドギャップの効果、ならびにそのバンドギャップの上下にあるフォトニック・バンドの大きな波長分散性の効果を利用することができる。
When utilizing effects such as photonic band gap and strong wavelength dispersion in waveguides made of photonic crystals, the waveguide must have a periodic structure in the light propagation direction. Is desirable. For example, the waveguide shown in FIG. 6 is an example of such a structure. An example of the relationship between the cross-sectional structure of the film and the photonic band structure in such a periodic waveguide will be described. For example, in a periodic structure having a cross-sectional shape as shown in FIG. 7A, the photonic band structure of light having a Bloch wave vector in the y direction and polarized in the z direction is as shown in FIG. This band structure was calculated by the FDTD method. Here, at a position where the value of the horizontal axis is 0 (this is called a Γ point), a photonic band gap opens in the range of 0.52559 ≦ k 0 ≦ 0.55562 indicated by
一方、自己クローニング法による多層膜の成膜において、成膜プロセス中に反応性イオンエッチングの効果を取り入れることで、図7(b)の写真に示すような、片方の媒質が分断されたような膜構造を作製することができる(非特許文献3)。この例では分断された方の媒質はSiO2,他方の媒質はアモルファスSiである。このような構造を図7(c)に示す構造で近似し、その中をz方向に進むy偏光に対するフォトニック・バンド構造をFDTD法にて計算した。結果を図12に示す。特徴として、横軸が1の位置のブリルアン・ゾーン端(X点と呼ぶ)において、符号1201で示した0.14994≦k0≦0.17504の範囲にフォトニック・バンドギャップが開く。このように図7(b)に代表される膜構造では、X点でのフォトニック・バンドギャップの効果、ならびにそのバンドギャップの上下にあるフォトニック・バンドの大きな波長分散性の効果を利用することができる。
On the other hand, in the formation of a multilayer film by the self-cloning method, by incorporating the effect of reactive ion etching during the film formation process, one of the media is separated as shown in the photograph of FIG. A film structure can be produced (Non-Patent Document 3). In this example, the divided medium is SiO 2 and the other medium is amorphous Si. Such a structure was approximated by the structure shown in FIG. 7C, and a photonic band structure for y-polarized light traveling in the z direction was calculated by the FDTD method. The results are shown in FIG. As a feature, at the Brillouin zone end (referred to as point X) where the horizontal axis is 1, a photonic band gap opens in the range of 0.14994 ≦ k 0 ≦ 0.17504 indicated by
上に述べた以外にも、自己クローニング法を利用して多様な導波路構成が可能である。図10には導波路の別の構成例を示す。すなわち凹凸パターンを形成した基板1001の上に自己クローニング法にて下部クラッド層1002を成膜し、続いて単層または数周期の多層膜からなるコア層1003を形成する。その上には上部クラッド層1004を形成してもよい。光はコア層をyz面内で伝搬する。ここで、フォトニック・バンドギャップの効果や、フォトニック・バンド端での波長分散の効果を効率的に利用するためには、凹凸の周期Λは、コア層での媒質内波長λ(=λ0/n, λ0は真空中の波長、nはコア層媒質の実効屈折率)に対し、望ましくは0.5λ≦Λ≦λ程度とするのがよい。またコア層の厚さは、図のx方向に導波路が単一モードとなるように設定するのが望ましい。例えば下部クラッド層をGeドープのSiO2(屈折率1.52),コア層をTa2O5(屈折率2.1), 上部クラッドをSiO2(屈折率1.5)でそれぞれ構成し、光の波長を1.55μmとすると、コア層の厚さは0.2μm〜0.3μmとなる。
In addition to the above, various waveguide configurations are possible using the self-cloning method. FIG. 10 shows another configuration example of the waveguide. That is, the lower
次に図4(a)、図5、図6、図10のフォトニック結晶導波路のクラッドの一部に、屈折率の可変な材料を用いることで、伝搬定数、モードの電界分布など、導波路の諸特性を可変とする方法を示す。図4(a)、図6、図10あるいは他の構造のフォトニック結晶導波路についても基本的な動作原理は同じである。 Next, by using a material having a variable refractive index as a part of the cladding of the photonic crystal waveguide shown in FIGS. 4A, 5, 6, and 10, the propagation constant, the electric field distribution of the mode, etc. can be derived. A method of making various characteristics of the waveguide variable will be described. The basic operation principle is the same for the photonic crystal waveguide of FIG. 4A, FIG. 6, FIG. 10, or other structures.
ここでは、自己クローニング型のフォトニック結晶導波路における導波光特性を、ポリマー等の屈折率の可変効果によって制御する例を示す。図1にその概念を表す平面図及びそのA−B断面の断面図を示す。断面図に示すように、コア101及びクラッド102で構成されるフォトニック結晶導波路構造において、コア101の近傍まで形成されたポリマー充填用溝103にポリマー104が充填されている。このポリマー近傍にはポリマー加熱用の薄膜ヒーター105が1対形成されている。実施例では1対であるが、その形状及びヒーターの数は限定しないものとする。この薄膜ヒーター105は例えばAu/Pt/Tiで製作する。但し、この材料のみに限定はしない。表面のAu部分により、ヒーター部分の保護及び、外部回路への配線取り出しのときにAu線でのワイヤボンディングを用いることができる効果がある。この薄膜ヒーター105による熱の閉じ込め効率を上げるために、ポリマー104と薄膜ヒーター105を挟み込むように周辺部に断熱溝106を形成している。薄膜ヒーター105によってポリマー104が加熱されることによりポリマー104の屈折率が変化し、その結果、コア101を通る導波光の特性を変化させることができる。
上記フォトニック結晶導波路において、ポリマー104をコア101から一定の間隔D(0≦D≦10μm)だけ正確に離す必要がある。また、ポリマー充填用溝103の壁面及び底面の面粗度は低い方が望ましいが、液晶等の可変光学材料と異なり配向は問題にならないので特に問題にしない。
以下に具体的な製作例を示す。
Here, an example will be shown in which the guided light characteristics in a self-cloning photonic crystal waveguide are controlled by the variable effect of the refractive index of a polymer or the like. FIG. 1 is a plan view showing the concept and a cross-sectional view taken along the line AB. As shown in the cross-sectional view, in a photonic crystal waveguide structure composed of a
In the photonic crystal waveguide, it is necessary to accurately separate the
Specific production examples are shown below.
図17〜21に製作プロセスの一例を示す。本例は、自己クローニング型のフォトニック結晶からなる光導波路にドライエッチング法で構造を加工し、ポリマーの充填・パターニングや薄膜ヒーターの形成を通して、フォトニック結晶導波路に機能性をさらに付加するプロセスである。
なお、ここでは自己クローニング型フォトニック結晶への適用を念頭に置いた作製方法を説明するが、自己クローニング法以外の手法で作製したフォトニック結晶についても、以下で述べるポリマー充填溝及びポリマー充填の形成法を適用することができる。
An example of a manufacturing process is shown in FIGS. In this example, an optical waveguide made of self-cloning photonic crystal is processed by dry etching to add functionality to the photonic crystal waveguide through polymer filling / patterning and thin film heater formation. It is.
Here, a manufacturing method with application to self-cloning photonic crystals in mind will be described. However, photonic crystals manufactured by methods other than the self-cloning method are also used for polymer filling grooves and polymer fillings described below. A forming method can be applied.
まず、自己クローニング型フォトニック結晶の製造方法を説明する。基板はSiまたはSiO2(石英)が代表的であるが、それ以外の基板もフォトニック結晶の用途に応じて選定が可能である。該基板表面の構造は電子ビーム露光やステッパーを用いたフォトリソグラフィーとドライエッチング法により、基板面をLine&Space状にパターニングし、凹凸に加工する。Line&Spaceの寸法は線幅、間隔、深さともにサブミクロンオーダとする。該基板にスパッタリング法により、高屈折率層および低屈折率層が交互に積層される。ここでは、例えば高屈折率層としてTa2O5膜を、低屈折率層としてSiO2膜を用いる。使用するスパッタリング装置は、ターゲットと基板にそれぞれRF(Radio Frequency)電力を印加する装置構成であることが望ましい。その装置を用いて、ターゲットと基板に交互にRF電力を印加しながら成膜する手法か、あるいはターゲットと基板に同時にRF電力を印加しながら成膜する手法が用いられる。膜厚は目的とするデバイスの特性により決定される。それぞれの膜を堆積させる際、自己クローニング法によりある一定の断面形状を保ちながら膜が堆積される。 First, a method for producing a self-cloning photonic crystal will be described. The substrate is typically Si or SiO 2 (quartz), but other substrates can be selected according to the use of the photonic crystal. The structure of the surface of the substrate is processed into irregularities by patterning the substrate surface into a line & space shape by electron beam exposure, photolithography using a stepper and dry etching. The dimensions of Line & Space are on the order of submicrons in terms of line width, spacing, and depth. A high refractive index layer and a low refractive index layer are alternately laminated on the substrate by sputtering. Here, for example, a Ta 2 O 5 film is used as the high refractive index layer, and an SiO 2 film is used as the low refractive index layer. The sputtering apparatus to be used preferably has an apparatus configuration in which RF (Radio Frequency) power is applied to the target and the substrate, respectively. Using the apparatus, a method of forming a film while alternately applying RF power to the target and the substrate, or a method of forming a film while simultaneously applying RF power to the target and the substrate is used. The film thickness is determined by the characteristics of the target device. When depositing each film, the film is deposited while maintaining a certain cross-sectional shape by the self-cloning method.
図17(a)に示すように、サブミクロンオーダの線幅、間隔および深さからなる所定の凹凸形状をもつ基板1701を作製する。前述の通り、電子ビーム露光あるいはステッパーを用いたフォトリソグラフィーとドライエッチング法により、基板1701面をLine&Space状にパターンニングし、凹凸に加工したものである。コア部は図5に示すように平坦のままにするが、その幅は導波路がシングルモードとなる条件で決められる。ここでは例えば3μmとした。
As shown in FIG. 17A, a
上記基板1701を、スパッタリング装置を用いて、自己クローニング法によりフォトニック結晶膜を形成する。スパッタリング装置の構成図はここでは省略する。図17(b)に示すように、整形層1702を形成した後、図17(c)に示すように、下部クラッド層1703を形成し、図17(d)に示すように、コア層1706ならびに上層クラッド層1707を連続して成膜する。また、平坦化層1708は、スパッタリングの条件を適切に選ぶことにより、波状のフォトニック結晶の表面を平坦化する層である。これらを形成する高屈折率材料(Ta2O5)1704と低屈折率材料(SiO2)1705は、屈折率、形状及び膜厚比は最適になるように調整されている。
A photonic crystal film is formed on the
図18(a)に示すように、フォトニック結晶をドライエッチングするためにマスク1801を形成する。マスク1801は、エッチング時のフォトニック結晶の側壁を良好にするため、金属とするのが好ましい。しかし、必ずしもその必要があるわけではなく、フォトレジスト等の有機系のマスクでも製作可能である。
As shown in FIG. 18A, a
図18(b)に示すように、図18(a)で説明したような金属マスク1801を用いて、ドライエッチング法でフォトニック結晶膜をエッチングする。エッチングにより、ポリマー充填用溝1802及び断熱溝1803を形成する。例えば、容量結合型RIE装置を用いて、CHF3のエッチングガスによりエッチングを行えば、SiO2とTa2O5の多層構造を良好にエッチングできる。面内分布も問題ない程度に抑えることができる。ここで、図1に示してあるポリマー充填用溝底面と導波路コアからの距離Dを所定の値に制御することが重要である。間隔Dとしては、界分布のすそが有限であるように選定する必要があり、0〜10μmとする。ただし、できるだけ薄い方が効果は大きく好ましいため、本実施例ではD=1.0μmとした。ドライエッチング後に、図18(c)に示すように、上記金属マスク1801をリムーブする。
As shown in FIG. 18B, the photonic crystal film is etched by a dry etching method using the
図19(a)に示すように、リフトオフ法にて薄膜ヒーターを形成するためにフォトレジスト1901によるパターニングを行う。薄膜ヒーターの材質によっては、必ずしもこの方法を採る必要はない。ここでは、エッチングが困難なPtを用いるのでリフトオフ法を選択している。
As shown in FIG. 19A, patterning with a
次に、図19(b)に示すように、スパッタリング法によりTi、Pt、Auの順に連続スパッタを行い、薄膜ヒーター用金属薄膜1902を成膜する。膜質の関係上大気解放せずに連続スパッタできるマルチターゲットスパッタリング装置を使用するのが好ましい。
Next, as shown in FIG. 19B, a
図19(c)に示すように、フォトレジスト1901をリムーブすることにより、薄膜ヒーター構造1903を形成する。エッチング困難な材料でもこのリフトオフ法を用いると目的の形状を得ることができる。
As shown in FIG. 19C, the thin
図20(a)に示すように、ポリマー2001をスピンコートし、全面に均一に塗布する。その後、十分に乾燥固化させる必要がある。ここでは、スピンコート法を例にあげたが、シート状のポリマー材料を真空下で熱圧着して張り合わす方法も考えられる。スピンコート法にとらわれないことで材料選択の幅が広がるメリットがある。
As shown in FIG. 20A, a
図20(b)に示すように、図20(a)で形成したポリマー2001上に金属マスク2002をパターニングする。後の工程で、ポリマー2001をエッチングするためにO2−RIEを行うので有機系のマスクよりも金属系のマスクとした方が好ましい。また、薄膜ヒーター1903と別な金属を選択することが重要である。
As shown in FIG. 20B, a
図20(c)に示すように、金属マスク2002を用いてO2−RIEを行い、ポリマー2001部分の形状を形成する。O2−RIEにより薄膜ヒーター1903が劣化する心配はない。この後、図21に示すように、金属マスク2002をリムーブし、完成となる。ポリマー2001は、加熱効率のために、薄膜ヒーター1903近傍に位置していることが重要である。
As shown in FIG. 20C, O 2 -RIE is performed using a
以上が、製作例についての説明である。実際にデバイスとして組み立てる場合は、筐体内に本素子を入れて固定し、ヒーターの配線は、Au線によるワイヤボンディングを用いることができる。ヒーター表面がAuであるために可能である。ワイヤボンディングが可能なことにより、外部回路との接続が容易であり、構造簡略化にもつながる。 The above is the description of the production example. In the case of actually assembling as a device, the present element is put in a housing and fixed, and wire bonding by Au wire can be used for heater wiring. This is possible because the heater surface is Au. Since wire bonding is possible, connection to an external circuit is easy and the structure is simplified.
図11にフォトニック結晶によるスラブ型導波路構造のクラッドの一部にポリマーの熱光学効果(以下TO効果)を用いて導波特性を可変とするための構成の一例を示す。すなわち基板401の上に下部クラッド層1102、コア層1101、そしてポリマー層1104を配置する。コア中を伝搬するモードの界分布が、ポリマー層中でも有限の値を持っていることが本質的に重要である。この条件を満たしてさえいれば、任意の厚さの上部クラッド層1103をコア層とポリマー層の間に設けてもよい。ここでは、上部クラッド層を設けた場合の構成例について説明するが、上部クラッド層がない場合でも導波路の基本的な動作原理は同じである。この他にも、上部クラッドに所定の深さの溝を形成し、そこにポリマー層を配置する構成でも良い。
FIG. 11 shows an example of a configuration for making the waveguide characteristics variable by using a polymer thermo-optic effect (hereinafter referred to as TO effect) in a part of the clad of the slab type waveguide structure made of photonic crystal. That is, the lower
ポリマー領域に隣接する薄膜ヒータに電流を流して加熱することにより、ポリマーの屈折率は変化する。導波モードの電界はポリマー層の中でも有限の値を持っているので、ポリマーの屈折率が導波モードの等価屈折率Ne (=β/k0、 βは伝搬定数)の近傍で変化すれば、導波モードの界分布、及び伝搬定数もそれに伴い変化する。ポリマーの屈折率は、Neを中心として、導波路の比屈折率差(記号Δで表す)程度の幅で変化できることが必要である。すなわちポリマーの屈折率をnとしたとき、(1−Δ)Ne≦n≦(1+Δ)Ne 程度の範囲でnを制御できればよい。なお導波路の比屈折率差は、コア、クラッドの屈折率をそれぞれn1、n0とするとき、Δ=(n1 2−n0 2)/(2n1 2)で定義される。 By applying a current to the thin film heater adjacent to the polymer region and heating it, the refractive index of the polymer changes. Since the electric field of the guided mode has a finite value in the polymer layer, the refractive index of the polymer changes near the equivalent refractive index N e (= β / k 0 , β is a propagation constant) of the guided mode. For example, the field distribution of the waveguide mode and the propagation constant change accordingly. Refractive index of the polymer around the N e, it is necessary to be able to vary the width of about relative refractive index difference of the waveguide (represented by the symbol delta). That is, when the refractive index of the polymer is n, it is only necessary that n can be controlled in the range of (1−Δ) N e ≦ n ≦ (1 + Δ) N e . The relative refractive index difference of the waveguide is defined by Δ = (n 1 2 −n 0 2 ) / (2n 1 2 ), where n 1 and n 0 are the refractive indexes of the core and the clad, respectively.
以上の構成に基き、例えば放射量可変の導波路を実現することができる。この場合、ポリマー部分に屈折率の大きな材料のカバー層を用いる。この型の素子の動作を、図13に示す等価的な断面構造および屈折率分布を用いて説明する。ここでは簡単のため、フォトニック結晶からなる下部クラッド層、コア層、上部クラッド層を、屈折率の一様な層1301、1302、1303にそれぞれ置き換えた。また同図中、1304、1305はそれぞれポリマー層と屈折率2.1のカバー層を表している。ここでは下部クラッド層及びカバー層は無限に厚く、コア層、上部クラッド層、ポリマー層の厚さはそれぞれ2.5μm、1μm、9μmとした。また導波光はTE波(電界がy方向に平行)で、波長は1.55μmとした。光の進行方向はz方向である。
Based on the above configuration, for example, a waveguide with variable radiation amount can be realized. In this case, a cover layer made of a material having a large refractive index is used for the polymer portion. The operation of this type of element will be described using the equivalent cross-sectional structure and refractive index distribution shown in FIG. Here, for simplicity, the lower clad layer, the core layer, and the upper clad layer made of photonic crystals are replaced with
なおポリマー層及びカバー層がなく、上部クラッド層1303が半無限に厚い場合には、この導波路は対称3層スラブ導波路となり、その波長1.55μmにおけるTE波の基本モードの等価屈折率は一般的な光導波路理論から、Ne=1.57と求められる。
If there is no polymer layer and cover layer and the
図13の構造において、形成される固有モードの電界分布の瞬時値を、いくつかのポリマー層の屈折率に対してFDTD法で計算した結果を図14に示す。ここではポリマーの屈折率を1.58から1.56まで変化させた例について示している。カバー層の屈折率がコア層の屈折率より大きいため、厳密にはこの構成ではリーキー導波路となるが、同図においてポリマー層屈折率=1.58及び1.56の場合の様に、ポリマー層の屈折率が比較的低い場合は、ほとんど電力は放射せず、コア層に閉じ込められて伝搬する。一方、ポリマーの屈折率が上述の3層スラブ導波路の等価屈折率(1.57)程度の値以上のとき、電力の多くがポリマー層を通りカバー層の外側に向かって放射される。図14では、ポリマー屈折率=1.57,1.575, 及び1.58の各場合がその放射の強い場合に相当し、カバー層への界の顕著な漏れ出しが見て取れる。なおカバー層の屈折率が2.1より低い場合であっても、基本的に同様の原理で動作する。 FIG. 14 shows the result of calculating the instantaneous value of the electric field distribution of the formed natural mode in the structure of FIG. 13 by the FDTD method with respect to the refractive indexes of several polymer layers. Here, an example in which the refractive index of the polymer is changed from 1.58 to 1.56 is shown. Strictly speaking, since the refractive index of the cover layer is larger than the refractive index of the core layer, a leaky waveguide is formed in this configuration, but the polymer layer refractive index = 1.58 and 1.56 in FIG. When the refractive index of the layer is relatively low, little power is radiated and propagates confined in the core layer. On the other hand, when the refractive index of the polymer is equal to or greater than the above-mentioned equivalent refractive index (1.57) of the three-layer slab waveguide, most of the electric power is radiated through the polymer layer toward the outside of the cover layer. In FIG. 14, the cases where the polymer refractive index = 1.57, 1.575, and 1.58 correspond to the cases where the radiation is strong, and the significant leakage of the field to the cover layer can be seen. Even when the refractive index of the cover layer is lower than 2.1, the operation is basically based on the same principle.
この原理に従い、ポリマー屈折率を、時間に対し例えば1.58と1.57の2値で切り替えれば、この導波路は導波・放射のON/OFF型光スイッチとして機能する。すなわち導波状態では導波路の出口側に光が出力されるが、放射状態では途中で電力が失われ、出口側まで信号は到達しない。 In accordance with this principle, if the polymer refractive index is switched between two values of 1.58 and 1.57 with respect to time, this waveguide functions as a waveguide / radiation ON / OFF type optical switch. That is, in the waveguide state, light is output to the exit side of the waveguide, but in the radiation state, power is lost on the way, and the signal does not reach the exit side.
またポリマー屈折率を連続的に微調整すれば、放射の程度を連続的に制御できるので、この導波路は可変光減衰器として機能する。 Further, if the polymer refractive index is continuously finely adjusted, the degree of radiation can be controlled continuously, so that this waveguide functions as a variable optical attenuator.
[実施例1]本実施例では、曲り導波路からなる放射型ON/OFF光スイッチと、可変光減衰器の構成例を図15、図16を使って説明する。すなわち自己クローニング型フォトニック結晶 1501の中に、前述の格子変調技術を用いて曲り導波路1502を形成する。ここで曲がり部分において、曲げの外周側にポリマー層1503を装荷する。図15(b)は図15(a)のA−A'における素子の断面の模式図である。図16には本素子の別の構成例を示す。すなわち膜厚方向に対しコア層1602と同程度の高さにポリマー層1603が存在するように構成する。なお以上の説明では加熱用ヒーターを省略している。以上の構成において、まずポリマーの屈折率が、導波路のクラッドの屈折率と同程度かそれ以下の場合に、曲げによる放射損失が小さくなるように、フォトニック結晶クラッド1501や1601、コア1502や1602の構造を設計しておく。例えばコア・クラッドの実効的比屈折率差Δが2.3%程度の場合には、曲率半径を500μm程度かあるいはそれ以上とするのが望ましい。
ポリマーを加熱しない状態では屈折率が高い。ポリマーの屈折率を、導波モードの等価屈折率Ne(=βk0, βは伝搬定数)程度かあるいはそれ以上に設定しておくと、ポリマー層を介して導波光のパワーが曲げの外周側に放射され、曲がり部分通過後の導波光のパワーが減少する(OFF状態)。次にヒータに電流を印加してポリマーを加熱すると、屈折率が低下する。導波モードの等価屈折率より小さくなるようにすると、導波光は曲り部分を通過する(ON状態)。
このような動作を実現するためにポリマー材料に要求される屈折率変化の大きさは、おおむね元の導波路の比屈折率差(Δ)程度である。すなわちポリマーの屈折率をnとしたとき、(1−Δ)Ne≦n≦(1+Δ)Ne 程度の範囲でnを制御できればよい。ポリマーの屈折率nを、この幅と同じか、あるいはそれを含むより広い幅で、時間に対し矩形波的に変化させることで、本素子をON/OFF型の光スイッチとして機能させることができる。
[Embodiment 1] In this embodiment, a configuration example of a radiation type ON / OFF optical switch composed of a curved waveguide and a variable optical attenuator will be described with reference to FIGS. That is, the
The refractive index is high when the polymer is not heated. If the refractive index of the polymer is set to the equivalent refractive index N e (= βk 0 , β is a propagation constant) of the waveguide mode or higher, the power of the guided light is changed to the outer periphery of the bending through the polymer layer. The power of the guided light after passing through the bent portion is reduced (OFF state). Next, when an electric current is applied to the heater to heat the polymer, the refractive index decreases. When the refractive index is made smaller than the equivalent refractive index of the waveguide mode, the guided light passes through the bent portion (ON state).
The magnitude of the refractive index change required for the polymer material to realize such an operation is approximately the relative refractive index difference (Δ) of the original waveguide. That is, when the refractive index of the polymer is n, it is sufficient that n can be controlled in the range of about (1−Δ) N e ≦ n ≦ (1 + Δ) N e . By changing the refractive index n of the polymer in a rectangular wave with respect to time with the same or larger width than this width, this element can function as an ON / OFF type optical switch. .
また屈折率変化の量を上記範囲内で連続的に制御すれば、曲げ部分で放射するパワーの割合を連続量として制御できるため、本素子は可変光減衰器として動作する。 Further, if the amount of change in refractive index is continuously controlled within the above range, the ratio of the power radiated at the bent portion can be controlled as a continuous amount, so that this element operates as a variable optical attenuator.
[実施例2]本実施例では周期性導波路におけるブラッグ反射の効果を、ポリマーを用いて制御するための、一連の構造について述べる。 [Embodiment 2] This embodiment describes a series of structures for controlling the effect of Bragg reflection in a periodic waveguide using a polymer.
図22(a)は図5の構造のうち、コア領域501の部分のみを抜き出して描いたものである。伝搬方向(z方向)の一部に、直交する方向にフォトニック結晶によるグレーティング2201を設けてある。このような導波路構造では、z方向に進行する光に対し、ある波長域でフォトニック・バンドギャップ(ストップバンド)が形成される。換言すればその波長域で、この導波路は分布ブラッグ反射鏡(Distrivuted Bragg Reflector: 以下DBRと略す)として機能する。図22(a)ではDBRの前後の導波領域2201Bを平坦な多層膜としたが、この領域はy方向もしくはz方向に周期的な2次元周期構造であってもよい。
FIG. 22A shows only the
ここで図22(a)の導波路の上側クラッドにポリマーを装荷して図22(b)のような構成とし、ポリマー部分2207の屈折率を変化させると、DBRの反射の波長域をシフトさせることができる。特に、入射光の波長をλ1とするとき、ポリマー2207の屈折率がn1の場合にλ1の光が遮断域に入っているようにし、またポリマー2207の屈折率がn2の場合にはストップバンドから外れてパスバンドに入っているようにする。この状況下でポリマー2207の屈折率をn1とn2との間で切り替えると、λ1の光がDBRを透過するか、反射されるかを制御することができる。したがって特定の波長に対して、ON/OFF型の光スイッチとして機能させることが可能となる。
Here, when a polymer is loaded on the upper clad of the waveguide shown in FIG. 22A to obtain the configuration shown in FIG. 22B, and the refractive index of the
さらにDBRのストップバンドの波長帯に含まれる波長と、そうでない波長とが混ざった入射光に対しては、ストップバンド内にある波長は反射され、そうでない波長は透過される。つまり波長の選択機能を実現できる。たとえば図23に示すようなストップバンドと波長の関係においては、λ1、λ2の波長は反射されλ3、λ4の波長は透過される。さらにポリマー層の屈折率を制御し、ストップバンド2301の波長帯を変化させることで、選択できる波長範囲を制御できる。
Further, for incident light in which a wavelength included in the wavelength band of the DBR's stop band and a wavelength that is not the same are mixed, the wavelength in the stop band is reflected, and the wavelength that is not is transmitted. That is, a wavelength selection function can be realized. For example, in the relationship between the stop band and the wavelength as shown in FIG. 23, the wavelengths λ 1 and λ 2 are reflected and the wavelengths λ 3 and λ 4 are transmitted. Further, by controlling the refractive index of the polymer layer and changing the wavelength band of the
また本構成のDBRは、パスバンド中の波長の光に対し、可変遅延素子として機能させることができる。複数の2つ以上の素子を並列に配置してもよいが、ここでは省略する。各遅延素子において、伝搬する光がバンドギャップ付近の群遅延の大きい周波数領域に入るように、z方向の周期を設定する。装荷したポリマー層の屈折率変化によって伝搬モードのバンド端波長を変化させ、各遅延素子で与えることのできる遅延量を詳細に制御することができる。波長1.55μm帯用には、z方向の周期は例えば0.585μm程度とする。但し、この周期は限定されるものではなく、構成材料の屈折率、構造パラメータに依存し、また必要な帯域幅、遅延量によっても異なる。コアの左右には、z軸方向に平行な溝列を形成し、面内のクラッドとして用いる。フォトニック結晶の構成材料としては、高屈折率材料にはアモルファスSiを用いる。その他Ta2O5、TiO2などの誘電体を用いても良い。また低屈折率材料には、例えばSiO2を用いる。下部クラッドは、積層周期0.42μmにて10周期程度積層する。またコア層は、積層周期0.468μmで3周期程度積層する。さらにコア層の上に、積層周期0.42μmで1周期の上部クラッド層を設ける。上部クラッドの厚さは導波モードの閉じ込め強度やポリマーの屈折率の可変範囲などを勘案して決めるが、典型的には1周期ないし数周期程度である。このような設計値での、DBRの1周期あたりの遅延時間は0.1ps/μm程度であり、遅延素子の長さを200μmに設定すると遅延量の合計は20psとすることができる。 Further, the DBR having this configuration can function as a variable delay element for light having a wavelength in the passband. A plurality of two or more elements may be arranged in parallel, but are omitted here. In each delay element, the period in the z direction is set so that the propagating light enters a frequency region with a large group delay near the band gap. The band edge wavelength of the propagation mode is changed by changing the refractive index of the loaded polymer layer, and the amount of delay that can be given by each delay element can be controlled in detail. For the wavelength 1.55 μm band, the period in the z direction is, for example, about 0.585 μm. However, this period is not limited and depends on the refractive index and structural parameters of the constituent materials, and also varies depending on the required bandwidth and delay amount. Groove rows parallel to the z-axis direction are formed on the left and right sides of the core and used as in-plane cladding. As a constituent material of the photonic crystal, amorphous Si is used for the high refractive index material. In addition, a dielectric such as Ta 2 O 5 or TiO 2 may be used. For example, SiO 2 is used as the low refractive index material. The lower clad is laminated for about 10 cycles at a lamination cycle of 0.42 μm. The core layer is laminated for about three periods with a lamination period of 0.468 μm. Further, an upper clad layer having a period of 0.42 μm and one period is provided on the core layer. The thickness of the upper clad is determined in consideration of the confinement strength of the waveguide mode and the variable range of the refractive index of the polymer, but is typically about one cycle to several cycles. With such a design value, the delay time per cycle of the DBR is about 0.1 ps / μm. When the length of the delay element is set to 200 μm, the total delay amount can be 20 ps.
一方、図24(a)に示すように、DBRの周期を導波路の進行方向に対して少しずつ変化させる構成も可能である。このようなDBRでは、入射光の波長毎に実効的な反射位置2406、2407、2408が異なる。従って入射ポートから入射した光がDBRで反射して戻ってくるまでの時間(遅延時間)は波長により異なる。この遅延時間の波長依存性を用いて、光ファイバ伝送路の分散を補償することが可能である。ここで周期構造の上側クラッドを図24(b)に示すようにポリマー2410に置き換えた構成にすると、TO効果により各波長の実効的な反射位置を制御できるため、可変分散補償器、もしくは可変遅延回路として機能する。
On the other hand, as shown in FIG. 24A, a configuration in which the DBR period is gradually changed with respect to the traveling direction of the waveguide is also possible. In such a DBR,
なお、ポリマーの屈折率を領域2409の全面で共通に変化させると、所定の屈折率における波長と分散の関係は線形な関係になるが、加熱温度をz方向において連続的に変化させることで、波長と分散の関係をより細かく制御できることになる。加熱温度を連続的に変化させる方法としては、例えば図25に示すようにポリマー部分2501に対して複数の加熱用ヒーター2502を配することで制御が可能となる。また図24(b)の構造を複数設けてそれぞれにヒーターを配し、個別に制御することでも同様の機能を実現できる。
If the refractive index of the polymer is changed in common over the entire surface of the
さらに 図26(a)に示すように、それぞれ周期が異なる図22記載のDBRを複数箇所設けた構造においても、波長によりどのDBRで反射されるかが異なるため、波長毎に異なる遅延時間を与えることができる。さらに図26(b)に示すようにそれぞれのDBRの上側クラッド部分をポリマーで置き換えて、それぞれの部分に独立にヒーターを設け温度制御することで、それぞれのDBRのストップバンドの波長域を可変にできる。ストップバンド内においても、それぞれの波長でのDBR中での実効的な反射位置をも制御することができる。従って、個々の波長に対して、遅延時間を外部から制御できる。 Further, as shown in FIG. 26 (a), even in a structure in which a plurality of DBRs shown in FIG. 22 having different periods are provided, which DBR reflects depending on the wavelength, a different delay time is given for each wavelength. be able to. Furthermore, as shown in FIG. 26 (b), the upper clad portion of each DBR is replaced with a polymer, and a temperature is controlled by independently providing a heater in each portion, so that the wavelength band of each DBR's stop band can be made variable. it can. Even within the stop band, the effective reflection position in the DBR at each wavelength can be controlled. Therefore, the delay time can be controlled from the outside for each wavelength.
なお長波長側のストップバンド端のシフトにより透過・反射を制御する場合は、入射側に近いほど周期構造の周期を短く、短波長側のストップバンド端のシフトにより透過・反射を制御する場合は、入射側に近いほど周期構造の周期を長くする。 When transmission / reflection is controlled by shifting the stop band edge on the long wavelength side, the period of the periodic structure is shortened closer to the incident side, and transmission / reflection is controlled by shifting the stop band edge on the short wavelength side. The period of the periodic structure is lengthened as it is closer to the incident side.
[実施例3]本実施例では、[実施例2]記載のDBRを用いて、入射された信号光から、所望の波長チャンネルの信号光を空間的に分離して取り出すための一連の方法について述べる。 [Embodiment 3] In this embodiment, a series of methods for spatially separating and extracting signal light of a desired wavelength channel from incident signal light using the DBR described in [Embodiment 2]. State.
まず[実施例2]に記載の各素子に対しては図27に示すように、入力部に光サーキュレータ2703を置くことで、ポート2701から入射した光を波長によりポート2702とポート2707へ分波させる光の分波回路を構成することができる。
First, as shown in FIG. 27, for each element described in [Embodiment 2], an
また、[実施例2]記載のDBRを図28に示すように導波路中に導波方向に対して、y−z面内で斜めに配置することで、DBRで反射される光を、入射方向とは異なる方向に取り出すことができる。こうした構造においても、段落番号0046記載の遮断域のシフトによる光のON/OFF機能を実現できる。さらにDBRにおける反射光が出射される位置に導波路を形成しておくことで、ポート2803から入射した光をポート2805もしくはポート2806へ、ポリマー層の屈折率制御により分岐の制御が可能となる。
In addition, as shown in FIG. 28, the DBR described in [Embodiment 2] is disposed in the waveguide at an angle in the yz plane with respect to the waveguide direction, so that the light reflected by the DBR is incident. It can be taken out in a direction different from the direction. Even in such a structure, it is possible to realize the light ON / OFF function by shifting the cut-off area described in paragraph 0046. Further, by forming a waveguide at a position where the reflected light in the DBR is emitted, it is possible to control the branching of the light incident from the
さらに図28の構成の光路切り替えスイッチを図29に示すようにアレイ状に配置することで、複数の入力と出力の経路をTO効果により切り替え可能な光スイッチが実現できる。この場合、ON状態を光が直進する場合、OFF状態を光が反射される動作とすると、たとえばポート2909から入射した光を、符号2903、符号2905のDBRをON状態とすることでポート2914に出射できるが、符号2903、符号2904をOFF状態とし、符号2906をON状態とすることでポート2913に出射できる。このように複数のスイッチのON−OFF状態を制御することで、各ポートから入射した光をそれ以外のポートにいずれかに選択的に出射できる。図中では入出力ポートを8箇所としているが、ポート数ならびにスイッチ部分を増やすことで、大規模な光路切り替えスイッチが実現可能なことは明らかである。
28 is arranged in an array as shown in FIG. 29, an optical switch capable of switching a plurality of input and output paths by the TO effect can be realized. In this case, when the light travels straight in the ON state, and the operation in which the light is reflected in the OFF state, for example, the light incident from the
さらに段落番号0046に記載した波長選択の機能を用いることで、単なる光路変換だけではなく、同じ入力ポートから入射した光であっても、異なる波長を異なる経路に分岐できる。つまり波長多重通信において従来の光分岐スイッチに比べ波長ごとの光路変換機能を備えた複雑な機能を持つ回路を実現できる。 Further, by using the wavelength selection function described in paragraph 0046, not only simple optical path conversion but also light incident from the same input port can be branched into different paths. That is, it is possible to realize a circuit having a complicated function including an optical path conversion function for each wavelength as compared with the conventional optical branching switch in the wavelength division multiplexing communication.
[実施例4]本実施例では、自己クローニング法により作製されるヘテロ構造フォトニック結晶導波路型光共振器とポリマーとを組み合わせ、ヒーターによる温度制御で共振波長をチューニングする例を示す。図30(a)は、z方向に導波機能を持つ光共振器にポリマーを導入した構造(一例)の模式図である。光は図の矢印方向に導波する。導波路断面は図30(b)のような構造となっており、図30(a)は図30(b)中のA−A'をxz平面に平行な平面で切ったものである。導波機構は[発明を実施するための最良の形態]に示した。ここではy方向に対するコア領域3001は平坦多層膜(1次元フォトニック結晶)で構成されているが、2次元フォトニック結晶としてもよい。なお基板3010と多層膜の間には[発明を実施するための最良の形態]で述べた整形層が挿入されている。共振器部分は、2つのDBR3005およびそれらで挟まれたキャビティ3006からなる。2次元フォトニック結晶は、面内方向の周期を変えることで、同一波長に対して反射体、透過体として作用させることが可能であり、前者がDBR、後者がキャビティとして機能する。なお、ここでキャビティは2次元フォトニック結晶としているが、平坦多層膜(1次元フォトニック結晶)としても同様に動作する。
[Embodiment 4] In this embodiment, an example is shown in which a heterostructure photonic crystal waveguide optical resonator manufactured by a self-cloning method is combined with a polymer, and the resonance wavelength is tuned by temperature control using a heater. FIG. 30A is a schematic diagram of a structure (example) in which a polymer is introduced into an optical resonator having a waveguide function in the z direction. Light is guided in the direction of the arrow in the figure. The waveguide cross section has a structure as shown in FIG. 30B, and FIG. 30A is obtained by cutting AA ′ in FIG. 30B along a plane parallel to the xz plane. The waveguide mechanism is shown in [Best Mode for Carrying Out the Invention]. Here, the
多層膜の構成材料は、自己クローニング法の性質上、スパッタリングできる任意の材料を選ぶことができるが、所望の波長帯で材料損失が極めて小さい(透明である)ことが望まれる。ここでは、材料系として、可視光域から赤外域までの光に対して透明であるTa2O5/SiO2系を例にとる。屈折率は波長1.5μm帯でそれぞれ2.1,1.5程度である。この場合、導波路構造を例えばクラッド3002の面内周期1.1μm、共振器構造を例えばDBR3005の面内周期0.8μm、キャビティ3006の面内周期0.6μmとし、素子全体の積層周期をコア3003部分で0.73μm(3.5周期)、クラッド3004部分で0.60μm(8.5周期ずつ)とすれば、波長1.5μm帯の光がコア3007をz方向に導波し、更に同波長帯のある特定の波長の光を取り出すことができる。上記設計ではDBRのブラッグ遮断域が波長1.45〜1.55μmの範囲であり、キャビティでの位相シフトがλ/4の奇数倍であるので、その中心波長1.50μmの光が共振により透過する。これらの波長は、構造のパラメータ(周期や各材料の充填率など)により自由に設計できる。例えばDBRの面内周期を変えれば遮断波長帯をシフトさせることができる。同様に、ポリマーの導入とそれに対する温度制御により上部クラッドの屈折率を変化させれば、導波モードの遮断波長帯、およびキャビティ部分の伝搬定数を変化させることができるので、共振波長をチューニングすることが可能になる。
As a material constituting the multilayer film, any material that can be sputtered can be selected due to the nature of the self-cloning method, but it is desirable that the material loss is extremely small (transparent) in a desired wavelength band. Here, a Ta 2 O 5 / SiO 2 system that is transparent to light from the visible light region to the infrared region is taken as an example of the material system. Refractive indexes are about 2.1 and 1.5 respectively at a wavelength of 1.5 μm. In this case, the waveguide structure is, for example, an in-plane period of 1.1 μm of the
共振器の上部にポリマーを装荷する方法はいくつも考えられるが、図30(a)は機能性領域(共振器部分)上にFIBで孔を加工してポリマー導入領域3008を形成後、スピンコートでポリマーを塗布する例である。なお孔を加工する際、上部クラッドは1周期分(厚さ0.60μm)程度を残す。また図中ではヒーターを省略している。ヒーターの温度を制御してポリマー層3008の屈折率を変化させることにより、共振波長をコントロールできる。例えば、温度を100℃上げると、共振波長は約20nm変化する。このように、フォトニック結晶導波路型共振器は、ポリマーと融合させることで、波長可変光共振器として動作する。
There are various methods for loading the polymer on the resonator. FIG. 30 (a) shows a case in which holes are formed on the functional region (resonator portion) with FIB to form a
[実施例5]ここでは、[実施例4]のポリマー装荷型フォトニック結晶光共振器とフォトニック結晶導波路からなる3dB方向性結合器の組み合わせにより可変波長ADD/DROPフィルタが実現可能であることを示す。図31は構成の概略図(上面図)である。導波路部分は全てフォトニック結晶導波路であり、断面構造は図30(b)と同様である。導波路のコア領域3001は、1次元フォトニック結晶でも2次元フォトニック結晶でもどちらでもよい。また構成材料は使用したい波長帯で透明な組み合わせであればよい。ここでは、構成材料にTa2O5/SiO2系を用いることとする。
[Embodiment 5] Here, a variable wavelength ADD / DROP filter can be realized by combining the polymer loaded photonic crystal optical resonator of [Embodiment 4] and a 3 dB directional coupler comprising a photonic crystal waveguide. It shows that. FIG. 31 is a schematic diagram (top view) of the configuration. The waveguide portions are all photonic crystal waveguides, and the cross-sectional structure is the same as that shown in FIG. The
ここで3dB方向性結合器について簡単に説明しておく。方向性結合器において、結合長Lが完全結合長Lcの1/2(L=Lc/2)であるとき、一方の導波路に入力された光パワーは、双方の導波路にそれぞれ1/2ずつに等分されて反対側のポートから出力される。即ち2本の出力ポートから出力されるパワーは、入力に対してそれぞれ3dBだけ減衰することになる。従って、L=Lc/2である方向性結合器は、「3dB方向性結合器」と呼ばれる。 Here, the 3 dB directional coupler will be briefly described. In the directional coupler, when the coupling length L is ½ of the complete coupling length L c (L = L c / 2), the optical power input to one waveguide is 1 in each waveguide. / 2 is divided equally by 2 and output from the opposite port. That is, the power output from the two output ports is attenuated by 3 dB with respect to the input. Therefore, a directional coupler with L = L c / 2 is called a “3 dB directional coupler”.
図31の構造では、2つの3dB方向性結合器が直列に接続されており、その中間に同じ特性を持つ2つのポリマー装荷共振器3103が配置されている。ここで1つの共振器が2本の導波路上に形成されていても良い。この構造では、あるポートに入力された光からある特定の波長の光のみを分波する(波長DROP)、あるいは逆に入力された光にある特定の波長の光を合波して出力する(波長ADD)、といった動作が可能となる。更に、ヒーター加熱によりポリマーの屈折率を変えることで、分波あるいは合波される波長をチューニングできる。以下で詳細な動作機構および具体例を述べる。
In the structure of FIG. 31, two 3 dB directional couplers are connected in series, and two polymer-loaded
図31において、方向性結合器を構成する導波路部分、および共振器部分の各種構造パラメータは、[実施例4]と同様であるとする。この場合、本構造は波長1.5μm帯で動作する。ポート3104から光(波長成分1.475〜1.525μm)が入射すると、3dB方向性結合器3101により光パワーが2等分され、分割された光はそれぞれ2つの共振器3103に到達する。これらの共振器は共振波長λr=1.50μmを持つ。またDBRのブラッグ遮断域は波長1.45〜1.55μmである。このとき、波長1.50μmの光のみが共振器3103を透過する。それ以外の波長を持つ光は反射されて3dB方向性結合器3101に戻る。透過した波長1.50μmの光は、3dB方向性結合器3102によって再び結合して1波となり、DROPポート3107から出力される。一方で、3dB方向性結合器3101に戻った波長1.50μm以外の光も同様に結合し、ポート3105から出力される。
In FIG. 31, it is assumed that various structural parameters of the waveguide portion and the resonator portion constituting the directional coupler are the same as those in [Example 4]. In this case, this structure operates in a wavelength band of 1.5 μm. When light (wavelength component: 1.475 to 1.525 μm) is incident from the
以上は波長DROP動作であるが、波長ADD動作は次のように行なうことができる。即ち、ADDポート3106から波長1.50μm成分が入力されると、前述と同様の原理によりポート3105から出力される。ここでポート3104から入力された波長成分1.475〜1.525μmの光は、波長1.50μmをドロップされた後にポート3105に出力される。このように、ポート3105からの出力光に波長1.50μmの成分が加えられることになる。
The above is the wavelength DROP operation, but the wavelength ADD operation can be performed as follows. That is, when a wavelength 1.50 μm component is input from the
ここで2つの共振器3103は[実施例4]で示したポリマー装荷型であり、共振波長を変えることができるため、ADD/DROPされる波長はチューニングできる。ADD/DROPフィルタを作製した後に動作波長をチューニングすることは作製歩留りの向上のため重要である。例えば、温度を100℃上げると、ADD/DROP波長が約20nm変化する。
Here, the two
なお、動作波長帯およびADD/DROPされる波長は、構造のパラメータ(周期や各材料の充填率など)により自由に設計できる。また、共振器3103の共振波長はヒーター加熱後も共通の必要があるため、ヒーターに印加する電流は共通とする。
The operating wavelength band and the ADD / DROP wavelength can be freely designed according to structural parameters (period, filling rate of each material, etc.). Further, since the resonance wavelength of the
[実施例6]本実施例では、[実施例4]で述べたポリマー装荷型共振器と光サーキュレータの組み合わせによる可変波長ADD/DROPフィルタについて示す。 [Embodiment 6] In this embodiment, a variable wavelength ADD / DROP filter using a combination of a polymer loaded resonator and an optical circulator described in [Embodiment 4] will be described.
図32は、構成の概略図である。2つの光サーキュレータ3201,3202にヘテロ構造フォトニック結晶3203が挟まれた形態となる。ヘテロ構造フォトニック結晶3203には、導波路(コア)3001とポリマー装荷型光共振器3103が組み込まれている。この構成では、ある波長帯域を持つ入力光から、ある特定の波長の光のみを分波させることができる。逆に合波も可能である。フォトニック結晶導波路の断面構造は図30(b)と同様であり、コア領域3001は1次元フォトニック結晶でも2次元フォトニック結晶でもどちらでもよい。また構成材料は使用したい波長帯で透明であればよい。ここでは構成材料にはTa2O5/SiO2系を用い、導波路の構造パラメータは[実施例4]と同様とする。以下で具体例によりその動作機構を説明する。
FIG. 32 is a schematic diagram of the configuration. A
ポート3204から入力された光は、サーキュレータ3201を介して直進し、導波路3001を通って共振器部分3103に至る。入力光は波長帯域1.475〜1.525μmを持つとする。また共振器3103の各構造パラメータを[実施例4]で示した具体例と同様とすると、共振波長λr(ヒーター加熱なし)は1.50μmである。このとき、波長1.50μmの光のみが共振器3103を透過し、導波路3001とサーキュレータ3202を介してDROPポート3206に出力される。波長1.50μm以外の光は共振器3103によって反射されてサーキュレータ3201に戻るが、ここで光路が切りかえられ、ポート3205に出力される。このように、入力光からある特定の波長をDROPすることができる。一方、ADDポート3207から波長1.50μmの光を入力すると、サーキュレータ3202と導波路3001を介して共振器3103に入射するが、共振波長が1.50μmであるためこれを透過する。その後、サーキュレータ3201によって光路が切りかえられ、ポート3205から出力される。即ち、ポート3205から出力される光の波長成分にADDポート3207から入力された波長1.50μmが加えられることになる。以上のように、図32の構成において波長ADD/DROP動作が実現できる。
The light input from the
更に、ADD/DROPされる波長は共振器3103に装荷されたポリマーのTO効果によって可変である。従って、同構造はTO効果制御型可変波長ADD/DROPフィルタとして動作する。なお、動作波長帯およびADD/DROPされる波長は、構造のパラメータ(周期や各材料の充填率など)により自由に設計できる。
Further, the ADD / DROP wavelength is variable depending on the TO effect of the polymer loaded in the
[実施例7]本実施例では、[実施例5]で示したADD/DROPフィルタを図33のように多段に接続し、それぞれの段で共振波長(ヒーター加熱前)を別々の値に設定することで、TO効果制御型の多チャンネル可変波長分波器を実現できることを示す。 [Embodiment 7] In this embodiment, the ADD / DROP filters shown in [Embodiment 5] are connected in multiple stages as shown in FIG. 33, and the resonance wavelengths (before heating the heater) are set to different values in each stage. By doing so, it is shown that a TO effect control type multi-channel variable wavelength demultiplexer can be realized.
図33のように、[実施例5]で述べた可変波長ADD/DROPフィルタを5段に接続した場合を考える。構成材料や導波路の構造などは[実施例4]と同様とする。ここで、各フィルタ3301,3302,3303,3304,3305のDROP波長即ち共振波長λrをそれぞれ1.495μm,1.500μm,1.505μm,1.510μm,1.515μmとする。ドロップ波長は、各フィルタ中の共振器の構造を適切に設計することによって変えることができる。なお、これらの波長は、ヒーター加熱前のものとする。ポート3306に例えば波長帯域1.47〜1.53μmの光を入力すると、各フィルタで波長DROP動作が次々に行なわれ、ポート3307,3308,3309,3310,3311からそれぞれ波長1.495μm,1.500μm,1.505μm,1.510μm,1.515μmの光が出力される。残りの波長は、ポート3312から出力される。更に多段に接続すれば、より多くの波長をDROPすることができる。
Consider the case where the variable wavelength ADD / DROP filters described in [Embodiment 5] are connected in five stages as shown in FIG. The constituent materials and the structure of the waveguide are the same as those in [Example 4]. Here, the DROP wavelength, that is, the resonance wavelength λ r of each of the
更に、各単位フィルタのDROP波長は[実施例5]に示したようにヒーター加熱温度により可変であるため、各ポートからの出力波長をチューニングできる。しかも各単位フィルタに対して個別のヒーターを配してそれぞれ温度調節をすることもできるため、各ポートより出力されるドロップ波長を非常に精密かつ自在に制御することが可能である。このように、本構造は、チューナブル多チャンネル波長分波器として利用できる。 Furthermore, since the DROP wavelength of each unit filter is variable depending on the heater heating temperature as shown in [Example 5], the output wavelength from each port can be tuned. Moreover, since individual temperature can be adjusted by arranging individual heaters for each unit filter, the drop wavelength output from each port can be controlled very precisely and freely. Thus, this structure can be used as a tunable multi-channel wavelength demultiplexer.
なお、分波に際して出力波長毎に遅延が生じるが、[実施例2]で示した遅延等化器を各波長に対し適切に設計して各出力ポートに設置することにより、遅延量を等しくできる。 Although delay occurs for each output wavelength during demultiplexing, the delay amount can be made equal by appropriately designing the delay equalizer shown in [Example 2] for each wavelength and installing it in each output port. .
また、本実施例では、動作波長帯を1.5μm帯としているが、各種構造パラメータを適切に設計することより、波長帯を自由に設定することができる。 In this embodiment, the operating wavelength band is 1.5 μm, but the wavelength band can be freely set by appropriately designing various structural parameters.
段落番号0072で述べた例では、各段の出力が180度逆方向になるが、更に[実施例2]で示したポリマー装荷型DBRを組み合わせれば、出力方向を揃えることができる。以下でその方法について図33を用いて説明する。 In the example described in paragraph 0072, the output of each stage is reversed by 180 degrees. However, the output direction can be made uniform by combining the polymer loaded DBR shown in [Example 2]. The method will be described below with reference to FIG.
例えば図33中の単位フィルタ3302、3304の共振器3313,3314を[実施例2]で述べたようなポリマー装荷型DBRで置き換える。DBRの構造は、そのブラッグ遮断域が使用波長帯すべてをカバーするよう選択する。このとき、フィルタ3302、3304では波長DROP動作は起こらず、それぞれ180度反射鏡の役割を果たす。従って、出力ポートは3307、3309、3311のみとなり、各波長の出力方向が図33で言うと右方向に揃えられる。この場合、単位フィルタ3302、3304のDBRより左側の部分は必要なくなる。
For example, the
なお、ここで用いるDBRは、必ずしもポリマー装荷型でなくてもよいが、ポリマーを装荷すれば、ヒーター加熱により180度反射される波長帯をチューニングでき、高い波長制御性が実現できる。 The DBR used here is not necessarily a polymer loading type, but if a polymer is loaded, a wavelength band reflected by 180 degrees by heating with a heater can be tuned, and high wavelength controllability can be realized.
[実施例8]複数のフォトニック結晶導波路を隣接して配置することで、方向性結合器を構成することができる。本実施例ではこれにポリマーを組み合わせた、結合量の可変な方向性結合器の構成例を示す。ここでは自己クローニング型フォトニック結晶を用いた場合の例を示すが、他の構造のフォトニック結晶を用いる場合でも基本的な構成と動作原理は同様である。 [Embodiment 8] A directional coupler can be formed by arranging a plurality of photonic crystal waveguides adjacent to each other. In this embodiment, a configuration example of a directional coupler having a variable amount of coupling, in which a polymer is combined with this, is shown. Here, an example in which a self-cloning photonic crystal is used is shown, but the basic configuration and operation principle are the same even when a photonic crystal having another structure is used.
図34に素子の構成の一例を示す。すなわち自己クローニング型フォトニック結晶3401の中に、前述の格子変調技術にて導波路3402及び導波路3403を形成する。ここで両者の距離の接近した、モード結合部3404の一部又は全域の上層にポリマー層3405を配置する。図35は図34のA−A'における断面構造の一例の模式図である。すなわち、一部に面内格子定数の異なる領域3501を含む、周期的な凹凸の刻まれた基板401の上に、下部クラッド層1102とコア層1101とを自己クローニング法にて積層する。多層膜を構成する高屈折率媒質は、例えばTa2O5やアモルファスSiとし、また低屈折率材料は例えばSiO2とする。Ta2O5/SiO2の組み合わせでは、x、y各方向の格子定数は、例えばそれぞれ0.6μm、1.2μmとなる。その上に上部クラッド層1103を挟んでポリマー層1104を配置する。領域3501の上方に結合導波路のコア3502と3503が形成されるが、その間隔3504は、例えばy方向の格子定数で1ないし数周期分とする。図35ではy方向に2周期の間隔を空けた場合について示した。導波路3402と導波路3403のモード結合定数は、導波モードの界分布の裾がポリマー層中にまで入り込んでいる場合、ポリマー層屈折率の関数となる。従って、例えばポリマー層の屈折率が1.57において結合部3404の長さが完全結合長Lcの(N+1/2)倍(Nは非負の整数)となるように設計しておけば、ポリマーの屈折率を1.57前後で調整することによって、図34のポート3406またはポート3407から入射した光を、50%:50%を中心とした任意の分岐比でポート3408及びポート3409に出力させることができる。
FIG. 34 shows an example of the structure of the element. That is, the
図35では導波路の基本構成として、光の進行方向に構造の一様な、図4(a)の型の格子定数変調型導波路を用いる例を示したが、図5もしくは、図6や図10のような光の進行方向に構造が周期性を持つ導波路を用いてもよい。周期性導波路を用いた場合の利点として、群速度の遅い導波モードを利用することで、完全結合長を短くすることができるため、結合部分3404やポリマー装荷部3405の物理的な長さを短くでき、従って素子全体を小型化することができるという点がある。
FIG. 35 shows an example in which a lattice constant modulation type waveguide of the type shown in FIG. 4A having a uniform structure in the light traveling direction is used as the basic configuration of the waveguide. A waveguide having a periodic structure in the light traveling direction as shown in FIG. 10 may be used. As an advantage in the case of using a periodic waveguide, since the complete coupling length can be shortened by using a waveguide mode having a slow group velocity, the physical length of the
[実施例9] 図36,37に本発明の一実施例を示す。図36(a)、(b)は2次元のフォトニック結晶からコア、クラッドを構成し、それらコア、クラッドからなるフォトニック結晶導波路を1入力1出力形マッハツェンダー回路(Mach−Zehnder回路;MZ回路)に応用した実施例の模式図である。(a)はMZ回路上面図、(b)は(a)のMZ回路のA−A'断面図である。図36(b)において点線で囲まれた部分がコアであり、2次元フォトニック結晶から構成されている。該コアは1次元フォトニック結晶とすることもできる。基板はSiまたはSiO2(石英)を用いることができる。本実施例では通信波長帯1.3〜1.7μmで透明な石英基板3601を用いた。
Ninth Embodiment FIGS. 36 and 37 show an embodiment of the present invention. 36 (a) and 36 (b) show a core and a clad made of a two-dimensional photonic crystal, and a photonic crystal waveguide comprising the core and the clad is converted into a 1-input 1-output Mach-Zehnder circuit (Mach-Zehnder circuit; It is a schematic diagram of the Example applied to the (MZ circuit). (A) is a top view of the MZ circuit, and (b) is an AA ′ sectional view of the MZ circuit of (a). In FIG. 36 (b), the part surrounded by the dotted line is the core, which is composed of a two-dimensional photonic crystal. The core can also be a one-dimensional photonic crystal. For the substrate, Si or SiO 2 (quartz) can be used. In this embodiment, a
該石英基板3601上に、電子ビーム描画とドライエッチングによって、サブミクロンの線幅、間隔および深さからなるライン&スペースを形成する。その上にスパッタデポジッションとスパッタエッチングを適度に組み合わせて、自己クローニングさせながら高屈折率膜と低屈折率膜の多層膜を積層する。本実施例では高屈折率材料としてTa2O5を低屈折率材料としてSiO2を用いた。
On the
誘電体多層膜型のフォトニック結晶内部において、基板面内方向で格子定数を小さくした領域をコア、格子定数を大きくした領域をクラッドとし、それぞれ格子定数を0.62μm,1.095μmとした。一方、基板面垂直方向では逆に格子定数を大きくした領域をコア、格子定数を小さくした領域をクラッドとし、それぞれ格子定数を0.73μm,0.62μmとした。上記構成によって、コア領域およびクラッド領域の屈折率差が生じ、TE偏波を良好にコア内に光閉じ込めすることができる。光閉じ込めの詳細については[発明を実施するための最良の形態]で記述済みであるので本実施例では省略する。 Within the dielectric multilayer film type photonic crystal, the region where the lattice constant was reduced in the in-plane direction of the substrate was the core, and the region where the lattice constant was increased was the cladding, and the lattice constants were 0.62 μm and 1.095 μm, respectively. On the other hand, in the direction perpendicular to the substrate surface, the region where the lattice constant was increased was the core, and the region where the lattice constant was decreased was the cladding, and the lattice constant was 0.73 μm and 0.62 μm, respectively. With the above configuration, a difference in refractive index between the core region and the cladding region occurs, and the TE polarization can be favorably confined in the core. The details of optical confinement have been described in [Best Mode for Carrying Out the Invention] and will not be described in the present embodiment.
上記コアの2つのY分岐と2つのアーム部3602−1,2からマッハツェンダー回路を構成し、さらにアーム部の上部にポリマーを注入する領域3604−1,2、ヒーター3605−1〜4を形成し、ポリマーを装荷する。本実施例では、ポリマー領域、ヒーターを2つのアーム部に設けたが、いずれか一方のアームに設置した構成とすることもできる。以下では、ポリマー領域、ヒーターを2つのアーム部に設置した場合のみについて説明する。 A Mach-Zehnder circuit is constituted by the two Y branches of the core and the two arm portions 3602-1 and 360, and regions 3604-1 and 3604 and heaters 3605-1 to 360-4 are injected into the upper portion of the arm portion. And loading the polymer. In the present embodiment, the polymer region and the heater are provided in the two arm portions, but a configuration in which the polymer region and the heater are provided in any one of the arms may be employed. Hereinafter, only the case where the polymer region and the heater are installed on the two arm portions will be described.
次に、自己クローニング法を用いたスパッタリング成膜について詳しく説明する。図36(b)に完成後のフォトニック結晶コアの断面図を示す。まず基板整形層3608を基板3601上に形成する。基板整形層は基板表面のライン&スペースからなる凹凸から多層膜の斜面形状にスムースに移行させるために挿入する。なお、この基板整形層は必要不可欠ではない。次に下部クラッドを形成する。Ta2O5膜3609の膜厚を310nm、SiO2膜3610の膜厚を310nmとし、合わせて1周期(620nm)として4周期積層する。その下部クラッド上にコア3615を形成する。Ta2O5膜3611の膜厚を365nm、SiO2膜3612の膜厚を365nmとし、合わせて1周期(730nm)として5周期積層する。コア層の膜厚は3.65μmとなる。該コア上に上部クラッドを形成する。Ta2O5膜3613の膜厚を310nm、SiO2膜3614の膜厚を310nmとし、合わせて1周期(620nm)として10周期成膜する。
Next, sputtering film formation using the self-cloning method will be described in detail. FIG. 36B shows a cross-sectional view of the completed photonic crystal core. First, the
次に、ポリマー制御部について詳しく説明する。両アームは1000μm離して形成し、ポリマー溝は例えばフォトリソグラフィーとドライエッチングによるか、FIB加工のみにより、100μm角、深さ5μmの形状となるように作製する。その後、スピンコートでポリマーを塗布し、メタル薄膜(例えばCr)を成膜する。フォトリソグラフィーで領域3604−1,2をパターニングして、ポリマー領域を残す。本実施例ではポリマーの種類として、アクリル系を用いたが、その他エポキシ系、ビニル系でも良い。 Next, the polymer control unit will be described in detail. Both arms are formed with a separation of 1000 μm, and the polymer groove is formed to have a shape of 100 μm square and a depth of 5 μm by, for example, photolithography and dry etching or only by FIB processing. Thereafter, a polymer is applied by spin coating to form a metal thin film (for example, Cr). Pattern regions 3604-1, 2 by photolithography to leave polymer regions. In this embodiment, acrylic type is used as the kind of polymer, but other types of epoxy and vinyl may be used.
次に、上記フォトニック結晶導波路の作用について説明する。図37(a)に示すように、ポート3703−1に入力された伝搬光がY分岐から上側コア3702−1と下側コア3702−2に入力された伝搬光の光パワーの1/2ずつ分岐される。ヒーター3705−1〜4に電流を印加しない場合には、ポリマー3704−1,2は常温であり、上側コア3702−1と下側コア3702−2において位相変化が無い。よって、分岐された伝搬光がポート3703−2で合流され、そのポートから出力される。出力光の損失は導波路の伝搬損失にほぼ等しい。 Next, the operation of the photonic crystal waveguide will be described. As shown in FIG. 37A, the propagation light input to the port 3703-1 is ½ of the optical power of the propagation light input from the Y branch to the upper core 3702-1 and the lower core 3702-2. Branch off. When no current is applied to the heaters 3705-1 to 4, the polymers 3704-1 and 3704-1 are at room temperature, and there is no phase change in the upper core 3702-1 and the lower core 3702-2. Therefore, the branched propagation light is combined at the port 3703-2 and output from the port. The loss of output light is approximately equal to the propagation loss of the waveguide.
一方、図37(b)に示すように、ポリマー3704−1を加熱し、ポリマー3704−2は加熱しない場合を説明する。ポリマー3704−1を加熱すると、Y分岐で半分に分岐された上側コア3702−1での伝搬光は、ポリマー部での屈折率変化を感じ、伝搬光の感じる屈折率が増加する。その結果、その伝搬光の位相がπだけずれることになる。このとき下側コア3702−2のポリマー領域3704−2は加熱しないので、下側コア3702−2の伝搬光の位相は変わらないとする。その結果、上側コア3702−1と下側コア3702−2の伝搬光がポート3703−2で合流されると、光出力をゼロとすることができる。このようにしてポリマーTO効果制御型ON/OFF光スイッチを作製することができる。 On the other hand, as shown in FIG. 37 (b), a case where the polymer 3704-1 is heated and the polymer 3704-2 is not heated will be described. When the polymer 3704-1 is heated, the propagating light in the upper core 3702-1 branched in half by the Y branch feels a change in the refractive index in the polymer portion, and the refractive index felt by the propagating light increases. As a result, the phase of the propagating light is shifted by π. At this time, since the polymer region 3704-2 of the lower core 3702-2 is not heated, it is assumed that the phase of the propagation light of the lower core 3702-2 does not change. As a result, when the propagation lights of the upper core 3702-1 and the lower core 3702-2 are merged at the port 3703-2, the light output can be made zero. In this way, a polymer TO effect control type ON / OFF optical switch can be produced.
上記実施例では上側のポリマー3704−1のみ動作させたが、下側のポリマー3704−2も同時に駆動させることもできる。すなわちY分岐で半分に分岐された伝搬光の上側コア3702−1の上部と下側コア3702−2の上部に配置したポリマーの温度を、バイアスした温度から上げる/下げることにより、上側コア3702−1と下側コア3702−2の伝搬光の位相差を制御し、位相差がゼロの場合にはポート3703−2での光出力をonに、位相差がπの場合には光出力をoffにすることができる。上記に加えて、フォトニック結晶導波路の直線部、Y分岐部における製造誤差等に由来する位相差がキャンセルされるようにポリマーの温度を制御することも可能である。 In the above embodiment, only the upper polymer 3704-1 is operated, but the lower polymer 3704-2 can also be driven simultaneously. That is, by raising / lowering the temperature of the polymer disposed on the upper part of the upper core 3702-1 and the upper part of the lower core 3702-2 of the propagating light branched in half by the Y branch, the upper core 3702- 1 and the lower core 3702-2 are controlled in phase difference, and when the phase difference is zero, the optical output at the port 3703-2 is turned on, and when the phase difference is π, the optical output is turned off. Can be. In addition to the above, it is also possible to control the temperature of the polymer so that a phase difference derived from a manufacturing error or the like in the linear portion or the Y branch portion of the photonic crystal waveguide is canceled.
[実施例10]図38、39に本発明の一実施例を示す。図38は2次元のフォトニック結晶導波路を構成し、2入力2出力形マッハツェンダー回路に応用した実施例の模式図である。(a)はMZ回路上面図、(b)は(a)のMZ回路のB-B'断面図である。図38(b)において点線で囲まれた部分がコアであり、2次元フォトニック結晶から構成されている。該コアは1次元フォトニック結晶とすることもできる。 [Embodiment 10] FIGS. 38 and 39 show an embodiment of the present invention. FIG. 38 is a schematic diagram of an embodiment in which a two-dimensional photonic crystal waveguide is configured and applied to a 2-input 2-output Mach-Zehnder circuit. (A) is a top view of the MZ circuit, and (b) is a BB ′ sectional view of the MZ circuit of (a). In FIG. 38 (b), the part surrounded by the dotted line is the core, which is composed of a two-dimensional photonic crystal. The core can also be a one-dimensional photonic crystal.
本光回路は、[実施例9]の場合と多層膜部およびポリマー装荷部はほぼ同様な構成である。多層膜部は、自己クローニング法を用いたスパッタリング成膜により作製する。フォトニック結晶導波路構造、自己クローニング、ヒーターの詳細については[発明を実施するための最良の形態]で記述済みである。 In the present optical circuit, the multilayer film portion and the polymer loading portion have substantially the same configuration as in the case of [Example 9]. The multilayer film part is produced by sputtering film formation using a self-cloning method. Details of the photonic crystal waveguide structure, self-cloning, and heater have been described in [Best Mode for Carrying Out the Invention].
一方、図38、39に示す本実施例は、光回路パターンが[実施例9]とは異なる。本実施例の光回路パターンは、コア3802−1,2と2箇所のコア近接領域すなわち方向性結合器部(ここでは3dBカプラとする。)3803−1,2からマッハツェンダー回路を構成する。該マッハツェンダー回路に加えて、アーム部の上部にポリマーを注入する領域3805−1,2、ヒーター領域3806−1〜4でデバイス全体が構成される。ここで、3dBカプラとは入力光の光パワーを2つの出力ポートに等分配(約3dB)する方向性結合器のことである。コア近接領域3803−1,2における結合長は完全結合長の約1/2である。本実施例では、ポリマー領域、ヒーターを2つのアーム部に設けたが、いずれか一方のアームに設置した構成とすることもできる。以下では、ポリマー領域、ヒーターを2つのアーム部に設置した場合のみについて説明する。 On the other hand, the present embodiment shown in FIGS. 38 and 39 differs from the [Embodiment 9] in the optical circuit pattern. The optical circuit pattern of this embodiment forms a Mach-Zehnder circuit from the cores 3802-1 and 2 and two core proximity regions, that is, directional coupler units (here, 3 dB couplers) 3803-1 and 3803. In addition to the Mach-Zehnder circuit, the entire device is composed of regions 3805-1 and 3805-1 and a heater region 3806-1 to 4 that inject a polymer into the upper portion of the arm portion. Here, the 3 dB coupler is a directional coupler that equally distributes the optical power of input light to two output ports (about 3 dB). The bond length in the core proximity regions 3803-1 and 2803 is about ½ of the complete bond length. In the present embodiment, the polymer region and the heater are provided in the two arm portions, but a configuration in which the polymer region and the heater are provided in any one of the arms may be employed. Hereinafter, only the case where the polymer region and the heater are installed on the two arm portions will be described.
次に、上記フォトニック結晶導波路の作用について説明する。図39(a)に示すように、ポリマー3905−1,2を加熱しない場合について説明する。ポート3904−1からの入力光(光パワーをA0とする。)は3dBカプラ3903−1において導波路3902−3と導波路3902−4にそれぞれ位相を含めてA0×1/√2、A0×j/√2に分配される。ここでjは、√(-1)である。ヒーター3906−1〜4に電流を流さず、ポリマー部3905−1,2が駆動しなかったとすると、導波路3902−3,4においては伝搬光の位相変化は無い。次に、3dBカプラ3903−2において導波路3902−3からの伝搬光A0×1/√2は導波路3902−5と導波路3902−6にそれぞれ位相を含めてA0×1/√2×1/√2、A0×1/√2×j/√2に分配される。一方、導波路3902−4からの伝搬光A0×j/√2は導波路3902−5と導波路3902−6にそれぞれ位相を含めてA0×j/√2×j/√2、A0×j/√2×1/√2に分配される。その結果、ポート3904−3ではA0×1/√2×1/√2+A0×j/√2×j/√2=0となり、光出力はゼロになる。一方、ポート3904−4ではA0×1/√2×j/√2+A0×1/√2×j/√2=jA0となり、光出力はA0になる。ポート3904−3における出力光の損失は導波路の伝搬損失と方向性結合器の結合損失を加算した値になる。
Next, the operation of the photonic crystal waveguide will be described. As shown in FIG. 39 (a), the case where the polymers 3905-1, 2 are not heated will be described. The input light from the port 3904-1 (optical power is A 0 ) includes a phase in the waveguide 3902-3 and the waveguide 3902-4 in the 3 dB coupler 3903-1, A 0 × 1 / √2, It is distributed to A 0 × j / √2. Here, j is √ (−1). If no current is supplied to the heaters 3906-1 to 3906-4 and the polymer portions 3905-1 and 2 are not driven, there is no phase change of propagating light in the waveguides 3902-3 and 4. Next, in the 3 dB coupler 3903-2, the propagation light A 0 × 1 / √2 from the waveguide 3902-3 includes A 0 × 1 / √2 including the phases in the waveguide 3902-5 and the waveguide 3902-6, respectively. × 1 / √2, A 0 × 1 / √2 × j / √2. On the other hand, the propagation light A 0 × j / √2 from the waveguide 3902-4 includes the phases in the waveguide 3902-5 and the waveguide 3902-6, respectively, A 0 × j / √2 × j / √2, A It is distributed to 0 × j / √2 × 1 / √2. As a result, at port 3904-3, A 0 × 1 / √2 × 1 / √2 + A 0 × j / √2 × j / √2 = 0, and the optical output becomes zero. On the other hand, the port 3904-4 A 0 × 1 / √2 × j / √2 + A 0 × 1 / √2 × j / √2 =
一方、図39(b)に示すように、ポリマー3905−1をヒーターで加熱し、ポリマー3905−2を加熱しない場合を説明する。ポリマー領域3905−1を加熱することにより、Y分岐で半分に分岐された伝搬光は上側コア3902−1での伝搬光がポリマー部での屈折率変化を感じて、その伝搬光のTE偏波の感じる屈折率が増加する。その結果、TE偏波の位相がπだけずれることになる。このとき下側コア3902−2のポリマー領域3905−1は加熱せず、伝搬光の位相は変わらないとする。この状態において上記と同様にして、ポート3904−3,4における光出力を求める。3dBカプラ3903−1において上記導波路3902−3と導波路3902−4にそれぞれ位相を含めてA0×1/√2、A0×j/√2に分配された伝搬光は、ポリマー部3905−1近傍の導波路のみ位相がπ変化して、それぞれA0× (−1) ×1/√2、A0×j/√2となる。次に、3dBカプラ3903−2において導波路3902−3からの伝搬光A0× (−1) ×1/√2は導波路3902−5と導波路3902−6にそれぞれ位相を含めてA0× (−1) ×1/√2×1/√2、A0× (−1) ×1/√2×j/√2に分配される。一方、導波路3902−4からの伝搬光A0×j/√2は導波路3902−5と導波路3902−6にそれぞれ位相を含めてA0×j/√2×j/√2、A0×j/√2×1/√2に分配される。その結果、ポート3904−3ではA0× (−1) ×1/√2×1/√2+A0×j/√2×j/√2=(−1)×A0となり、光出力はA0になる。一方、ポート3904−4ではA0× (−1) ×1/√2×j/√2+A0×j/√2×1/√2=0となり、光出力はゼロになる。ポート3904−4における出力光の損失は導波路の伝搬損失と方向性結合器の結合損失を加算した値になる。このようにして光路切り替え型光スイッチを作製することができる。
On the other hand, as shown in FIG. 39B, the case where the polymer 3905-1 is heated with a heater and the polymer 3905-2 is not heated will be described. By heating the polymer region 3905-1, the propagating light branched in half by the Y-branch senses the change in the refractive index of the propagating light in the upper core 3902-1 at the polymer portion, and the TE polarization of the propagating light The refractive index felt by increases. As a result, the phase of the TE polarization is shifted by π. At this time, it is assumed that the polymer region 3905-1 of the lower core 3902-2 is not heated and the phase of the propagating light does not change. In this state, the optical output at the ports 3904-3 and 4 is obtained in the same manner as described above. In the 3 dB coupler 3903-1, the propagation light distributed to A 0 × 1 / √2 and A 0 × j / √2 including the phase in the waveguide 3902-3 and the waveguide 3902-4 is the polymer portion 3905. Only the waveguide in the vicinity of −1 changes in phase by π, and becomes A 0 × (−1) × 1 / √2 and A 0 × j / √2, respectively. Next, A 0 including propagating light A 0 × (-1) × 1 / √2 each phase to the waveguide 3902-5 and the waveguide 3902-6 from the waveguide 3902-3 in 3dB coupler 3903-2 × (−1) × 1 / √2 × 1 / √2, and A 0 × (−1) × 1 / √2 × j / √2. On the other hand, the propagation light A 0 × j / √2 from the waveguide 3902-4 includes the phases in the waveguide 3902-5 and the waveguide 3902-6, respectively, A 0 × j / √2 × j / √2, A It is distributed to 0 × j / √2 × 1 / √2. As a result, the
上記実施例では上側のポリマー3905−1のみ動作させたが、下側のポリマー3905−2も同時に駆動させることもできる。すなわち3dBカプラで半分に分配された伝搬光の上側コア3902−1の上部と下側コア3902−2の上部に配置したポリマーの屈折率を制御することにより、上側コア3902−1と下側コア3902−2の伝搬光の位相差を制御し、位相差がゼロの場合にはポート3904−4から光を取り出し、位相差がπの場合には光出力をポート3904−3から取り出すことができる。上記に加えて、フォトニック結晶導波路の直線部、3dBカプラ部における製造誤差等に由来する位相差がキャンセルされるようにポリマーを制御することも可能である。以上述べた通り本発明による光スイッチはOFF時の残留信号が小さい、即ち消光比が高い特徴を持つが、なお一層高い消光比を要するときは、ガラス導波路で行われているように(非特許文献4)、多段マッハツェンダー回路を用いることができるのは明らかである。 In the above embodiment, only the upper polymer 3905-1 is operated, but the lower polymer 3905-2 can be driven simultaneously. That is, the upper core 3902-1 and the lower core are controlled by controlling the refractive indexes of the polymers arranged on the upper part of the upper core 3902-1 and the upper part of the lower core 3902-2 of the propagation light distributed in half by the 3 dB coupler. The phase difference of the propagation light of 3902-2 is controlled, and when the phase difference is zero, the light can be extracted from the port 3904-4, and when the phase difference is π, the optical output can be extracted from the port 3904-3. . In addition to the above, it is also possible to control the polymer so that the phase difference derived from the manufacturing error in the linear part and 3 dB coupler part of the photonic crystal waveguide is canceled. As described above, the optical switch according to the present invention has a feature that the residual signal at the time of OFF is small, that is, a high extinction ratio. It is obvious that a multistage Mach-Zehnder circuit can be used.
本構造を応用した光デバイスとしては、フォトニック結晶コアと誘電体単層膜コアおよび方向性結合器を適宜、配置することにより、マトリックス光スイッチ、分散制御素子なども構成することができる。 As an optical device to which this structure is applied, a matrix optical switch, a dispersion control element, and the like can be configured by appropriately arranging a photonic crystal core, a dielectric single layer film core, and a directional coupler.
[実施例11]本実施例はフォトニック結晶特有の、スーパープリズム効果の制御に関するものである。図3に、フォトニック結晶中のスーパープリズム効果、およびそれを利用した波長チューニングの機能をもつ波長分波回路の構成例を示す。図3(a)は上面図である。フォトニック結晶導波路のコア302を伝搬した波長λ1からλ3の光は、自己クローニングで作製された3次元フォトニック結晶領域301に入射される。ここで単位セルの中心を円で描いている。スーパープリズム効果により、波長毎に伝搬方向が大きく異なり波長分波することができる。スーパープリズム効果とは、面内の周期構造に起因するもので、波数ダイヤグラムの変曲点付近では僅かな波長差で伝搬方向が大きく変化する効果である(非特許文献5)。
[Embodiment 11] This embodiment relates to control of the super prism effect peculiar to a photonic crystal. FIG. 3 shows a configuration example of a wavelength demultiplexing circuit having a super prism effect in a photonic crystal and a wavelength tuning function using the super prism effect. FIG. 3A is a top view. Light having a wavelength λ 1 to λ 3 propagated through the
作製方法を以下に示す。予め、基板303上の波長分波機能をもつ部分にz軸に対して10度の方向を配列方向の一つとした正方格子状の孔列パターン(面内の周期は0.6μm)を形成する。導波路コアは平坦であるのでパターンを持たないが、周囲のクラッド304ではz軸方向に平行な溝列パターン(周期0.8μm)を形成する。次にアモルファスSi(屈折率3.2)とSiO2(屈折率1.5)からなる交互多層膜を、自己クローニング法により積層し、波長分波機能をもつ部分には3次元フォトニック結晶、導波路のコアは平坦多層膜、クラッドでは2次元フォトニック結晶を同時に形成する。ここで、下部クラッド305の積層周期は0.7μmで10周期、コア層306の積層周期は0.7μmで3周期とする。上部クラッド層307は0.7μmを1周期もしくは2周期程度を積層する。その上に、金属膜からなるヒーターを形成し、ポリマー308を装荷する。但し、構成するフォトニック結晶の構造パラメータ(配列パターンの種類(正方格子の他、三角格子であっても良い)、各膜厚、積層周期、面内周期、屈折率、凹凸の高さなど)は分岐する波長と分岐角度で決まる値であるため、限定されるものではない。
A manufacturing method is shown below. A square lattice-shaped hole array pattern (with an in-plane period of 0.6 μm) is formed in advance on a portion having a wavelength demultiplexing function on the
光をz軸方向から入射する。フォトニック結晶の格子の方位は、光の伝搬方向から傾いているため、スーパープリズム効果が生じる。その効果は、波長を1520nmから10nm増加させると、例えば伝搬角は30度程度変化する。入射する波長に対し分岐角は強く依存するが、上部のポリマー層308の屈折率を制御することにより、伝搬モードのバンド端波長を制御することができる。従って、特定の波長に対し特定の方向に伝搬させるように制御することができるようになる。これまでスーパープリズム現象は知られていたが、波長に対し敏感であるため、実際には使いづらい点があった。本構造によれば、作製した後にスーパープリズム効果の伝搬方向を制御し、特定波長の光を特定方向に伝搬させることが可能となる。
液晶で制御する方法では、屈折率の変化には異方性があるが、スーパープリズムでは伝搬方向が大きく変化するために、適していない。ポリマーによる屈折率変化は等方的であるので、特にこの用途では適している。
Light enters from the z-axis direction. Since the orientation of the lattice of the photonic crystal is tilted from the light propagation direction, a super prism effect occurs. The effect is that when the wavelength is increased from 1520 nm to 10 nm, for example, the propagation angle changes by about 30 degrees. Although the branching angle strongly depends on the incident wavelength, the band edge wavelength of the propagation mode can be controlled by controlling the refractive index of the
In the method of controlling with liquid crystal, the change in refractive index is anisotropic, but the super prism is not suitable because the propagation direction changes greatly. The refractive index change due to the polymer is isotropic and is particularly suitable for this application.
101 フォトニック結晶導波路のコア部
102 フォトニック結晶導波路のクラッド部
103 ポリマー充填用溝
104 ポリマー
105 薄膜ヒーター
106 断熱溝
201 コアを形成する2次元フォトニック結晶
202 クラッドを形成する2次元フォトニック結晶
203 一様な誘電体層
301 スーパープリズム効果を有する自己クローニング型3次元フォトニック結晶
302 コア
303 基板
304 面内のクラッド領域
305 下部クラッド
306 コア
307 上部クラッド
308 ポリマー
401 基板
402 高屈折率材料
403 低屈折率材料
404 整形層
405 格子定数、格子方位の一定な結晶領域のひとつ
406 格子定数、格子方位の一定な結晶領域のひとつ
407 格子定数、格子方位の一定な結晶領域のひとつ
408 格子定数、格子方位の一定な結晶領域のひとつ
409 光導波路のコア
501 光導波路のコア
601 光導波路のコア
602 光導波路のクラッド
603 光導波路のコア領域
801 波長1.55μmに相当する点
901 Γ点におけるフォトニック・バンドギャップ
1001 基板
1002 下部クラッド
1003 コア層
1004 上部クラッド
1101 コア層
1102 下部クラッド層
1103 上部クラッド層
1104 ポリマー層
1105 カバー層
1201 X点におけるフォトニック・バンドギャップ
1301 下部クラッド層
1302 コア層
1303 上部クラッド層
1304 ポリマー層
1305 カバー層
1501 フォトニック結晶部
1502 光導波路のコア
1503 ポリマー
1601 フォトニック結晶部
1602 光導波路のコア
1603 ポリマー
1701 基板
1702 整形層
1703 下部クラッド層
1704 高屈折率材料
1705 低屈折率材料
1706 コア層
1707 上部クラッド層
1708 平坦化層
1801 金属マスク
1802 ポリマー充填用溝
1803 断熱溝
1901 フォトレジスト
1902 薄膜ヒーター用金属薄膜
1903 薄膜ヒーター
2001 ポリマー
2002 金属マスク
2201 DBR部分
2201B 入出力導波路部分
2202 上側クラッド領域
2203 コア領域
2204 下側クラッド領域
2205 基板
2206 DBR部分
2207 ポリマー
2301 ストップバンドの波長域
2302 パスバンドの波長域
2401 周期が徐々に変化するDBR部分
2402 上側クラッド領域
2403 コア領域
2404 下側クラッド領域
2405 基板
2406 ある波長の実効的反射位置
2407 ある波長の実効的反射位置
2408 ある波長の実効的反射位置
2409 周期が徐々に変化するDBR部分
2410 ポリマー
2501 ポリマー
2502 ヒーター
2601 それぞれ周期が異なるDBRミラー部
2602 上側クラッド領域
2603 コア領域
2604 下側クラッド領域
2605 基板
2606 それぞれ周期が異なるDBRミラー部
2607 ポリマー部
2701 入力ポート
2702 出力ポート1
2703 光サーキュレータ
2704 DBR部分
2705 フォトニック結晶
2706 光導波路のコア
2707 出力ポート2
2801 DBR部分
2802 フォトニック結晶
2803 入力ポート
2804 光導波路のコア
2805 出力ポート1
2806 出力ポート2
2901 光導波路のコア
2902 フォトニック結晶
2903 DBR部分
2904 DBR部分
2905 DBR部分
2906 DBR部分
2907 入出力ポート
2908 入出力ポート
2909 入出力ポート
2910 入出力ポート
2911 入出力ポート
2912 入出力ポート
2913 入出力ポート
2914 入出力ポート
3001 コア領域(基板面内方向)
3002 クラッド領域(基板面内方向)
3003 コア領域(多層膜積層方向)
3004 クラッド領域(多層膜積層方向)
3005 DBR領域
3006 キャビティ領域
3007 コア
3008 ポリマー導入領域
3010 基板
3101 3dB方向性結合器
3102 3dB方向性結合器
3103 ポリマー装荷型フォトニック結晶光共振器
3104 入力ポート
3105 出力ポート
3106 ADDポート
3107 DROPポート
3201 光サーキュレータ
3202 光サーキュレータ
3203 フォトニック結晶
3204 入力ポート
3205 出力ポート
3206 DROPポート
3207 ADDポート
3301 可変波長ADD/DROPフィルタ
3302 可変波長ADD/DROPフィルタ
3303 可変波長ADD/DROPフィルタ
3304 可変波長ADD/DROPフィルタ
3305 可変波長ADD/DROPフィルタ
3306 入力ポート
3307 出力ポート
3308 出力ポート
3309 出力ポート
3310 出力ポート
3311 出力ポート
3312 出力ポート
3313 ポリマー装荷型光共振器(またはDBR)
3314 ポリマー装荷型光共振器(またはDBR)
3401 フォトニック結晶
3402 光導波路のコア
3403 光導波路のコア
3404 方向性結合器のモード結合領域
3405 ポリマーの装荷領域
3406 ポート1
3407 ポート2
3408 ポート3
3409 ポート4
3501 コアの形成される基板領域
3502 光導波路のコア
3503 光導波路のコア
3504 結合光導波路のコア間の間隔
3601 石英基板
3602−1,2 マッハツェンダー回路のアーム部
3603−1,2 ポート
3604−1,2 ポリマー領域
3605−1〜4 ヒーター
3608 基板整形層
3609 Ta2O5膜
3610 SiO2膜
3611 Ta2O5膜
3612 SiO2膜
3613 Ta2O5膜
3614 SiO2膜
3701 石英基板
3702−1 上側コア
3702−2 下側コア
3703−1,2 ポート
3704−1,2 ポリマー領域
3705−1〜4 ヒーター
3801 石英基板
3802−1,2 コアまたは導波路
3803−1,2 3dBカプラ
3804−1〜4 ポート
3805−1,2 ポリマー領域
3806−1〜4 ヒーター
3809 基板整形層
3810 Ta2O5膜
3811 SiO2膜
3812 Ta2O5膜
3813 SiO2膜
3814 Ta2O5膜
3815 SiO2膜
3901 石英基板
3902−1〜6 コアまたは導波路
3903−1,2 3dBカプラ
3904−1〜4 ポート
3905−1,2 ポリマー領域
3906−1〜4 ヒーター
DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 Photonic crystal waveguide core part 102 Photonic crystal waveguide clad part 103 Polymer filling groove 104 Polymer 105 Thin film heater 106 Thermal insulation groove 201 Two-dimensional photonic crystal 202 forming a core Two-dimensional photonic forming a clad Crystal 203 Uniform dielectric layer 301 Self-cloning type three-dimensional photonic crystal 302 having a super prism effect 302 Core 303 Substrate 304 In-plane cladding region 305 Lower cladding 306 Core 307 Upper cladding 308 Polymer 401 Substrate 402 High refractive index material 403 Low refractive index material 404 shaping layer 405 lattice constant, one of crystal regions with constant lattice orientation 406 lattice constant, one of crystal regions with constant lattice orientation 407 lattice constant, one of crystal regions with constant lattice orientation 408 lattice constant, lattice One of crystal regions with constant orientation 409 Optical waveguide core 501 Optical waveguide core 601 Optical waveguide core 602 Optical waveguide cladding 603 Optical waveguide core region 801 Point 901 corresponding to a wavelength of 1.55 μm Band gap 1001 Substrate 1002 Lower clad 1003 Core layer 1004 Upper clad 1101 Core layer 1102 Lower clad layer 1103 Upper clad layer 1104 Polymer layer 1105 Cover layer 1201 Photonic band gap 1301 at point X Lower clad layer 1302 Core layer 1303 Upper clad layer 1304 Polymer layer 1305 Cover layer 1501 Photonic crystal portion 1502 Optical waveguide core 1503 Polymer 1601 Photonic crystal portion 1602 Optical waveguide core 1603 Polymer 170 Substrate 1702 Shaping layer 1703 Lower clad layer 1704 High refractive index material 1705 Low refractive index material 1706 Core layer 1707 Upper clad layer 1708 Flattening layer 1801 Metal mask 1802 Polymer filling groove 1803 Thermal insulation groove 1901 Photoresist 1902 Thin film thin film 1903 Thin film heater 2001 Polymer 2002 Metal mask 2201 DBR portion 2201B Input / output waveguide portion 2202 Upper cladding region 2203 Core region 2204 Lower cladding region 2205 Substrate 2206 DBR portion 2207 Polymer 2301 Stopband wavelength region 2302 Passband wavelength region 2401 Period is Gradually changing DBR portion 2402 Upper cladding region 2403 Core region 2404 Lower cladding region 2405 Substrate 2406 Effective reflection of a certain wavelength Position 2407 Effective reflection position 2408 of a certain wavelength Effective reflection position 2409 of a certain wavelength DBR portion 2410 whose period gradually changes Polymer 2501 Polymer 2502 Heater 2601 DBR mirror part 2602 whose period is different Upper cladding area 2603 Core area 2604 Lower side Cladding region 2605 Substrate 2606 DBR mirror part 2607 having a different period Polymer part 2701 Input port 2702 Output port 1
2703
2801
2806
2901
3002 Clad region (in-plane direction of substrate)
3003 Core region (multilayer stacking direction)
3004 Clad region (Multilayer stacking direction)
3005
3314 Polymer-loaded optical resonator (or DBR)
3401
3407
3408
3409
3501
Claims (15)
A variable optical attenuator formed by adding the structure of claim 1 or claim 2 or claim 3 or claim 4 in a straight waveguide or a bent waveguide.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2003274407A JP2005037684A (en) | 2003-07-15 | 2003-07-15 | Variable characteristic photonic crystal waveguide |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2003274407A JP2005037684A (en) | 2003-07-15 | 2003-07-15 | Variable characteristic photonic crystal waveguide |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2005037684A true JP2005037684A (en) | 2005-02-10 |
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ID=34211369
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2003274407A Pending JP2005037684A (en) | 2003-07-15 | 2003-07-15 | Variable characteristic photonic crystal waveguide |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2005037684A (en) |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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JP2012198274A (en) * | 2011-03-18 | 2012-10-18 | Fujitsu Ltd | Optical device and optical modulator |
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TWI767156B (en) * | 2018-12-11 | 2022-06-11 | 美商格芯(美國)集成電路科技有限公司 | Optical switches and routers with heaters |
-
2003
- 2003-07-15 JP JP2003274407A patent/JP2005037684A/en active Pending
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