JP2005070805A - フォトニック結晶光リングデバイス - Google Patents

Abstract

【課題】 光リングと他の光回路との接続のために特殊な装置を必要とせず、また、外部からの制御光により光リングと入出力導波路の結合強度を任意に制御できる光リングデバイスを提供する。
【解決手段】 本発明は、入出力用の導波路とリング状の導波路を同一フォトニック結晶内に有して、入力光を入出力用の導波路からリング状の導波路に入力し、そしてそこから入出力用の導波路に出力光を取り出す。本発明は、リング状の導波路と入出力用の導波路の接続部において、局所的に非線形媒質を埋め込んだ領域を形成し、該非線形媒質を用いて欠陥を形成すると共に、入出力導波路に連続する制御光用導波路を備えて、光リング導波路と入出力導波路間の光の行き来を制御するよう構成して光バッファメモリとして機能させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光通信、光計測、光演算等に利用することのできる光バッファメモリに用いられる光リングデバイスに関する。

光バッファメモリとか光多連パルス発生素子に用いられる光リングデバイスは、図９に示すような構成を有している。入出力用の導波路、リング状の導波路およびこれらを接続するインターフェース素子から構成されている。入力光を光リングに入力し、一定時間経過後そのまま取り出すようなインターフェース素子を持つ場合は、光バッファ素子として機能する。また、入力光パルスを光リングに入力し、光リングから一部の光だけを出力用導波路に取り出すようなインターフェース素子を持つ場合は、光パルスが光リングを一回りする一定の時間間隔でパルス列が出力用導波路から取り出され、光多連パルス発生素子として機能する。光バッファメモリ応用の場合、光通信で用いる１パケットの光パルス列(数百パルス列)を蓄積する必要があり、長い蓄積時間が要求される(40GHz, 500パルスで12.5ns以上)。一方、光多連パルス発生素子ではリングを一周する時間は取り出したいパルス列の時間間隔でよいため、比較的短い蓄積時間(40GHzのパルス列を作るには、約25ps)で多連パルス発生素子として機能する。

従来の光リングを用いたデバイスは、短い蓄積時間でよい用途では、平面光回路を用いたものや誘電体微小球をリングとするものなどがあるが、平面光回路ではロスなく曲げることの出来る曲率に制限があり小型化できない。また誘電体微小球では光の入出射のためのアライメントが複雑になるなど問題がある。

図２は、リングを微小球を用いて構成した従来技術を示す図である。リング導波路として、SiO₂などの誘電体を用い、SiO₂リングへの光入出力導波路としてプリズムを使用する。プリズムを通して入射した光パルスが誘電体球に入り、誘電体球中を周回する。そして、周回毎に光パルスエネルギーの一部がプリズム側に取り出され、残りは誘電体球中を周回する。これ繰り返すことにより、結果として、多連パルス発生素子として機能する。しかしながら、これを実現するためには、誘電体球、プリズムおよび外部からの入射光の光軸をそれぞれ一致させる必要があり、その調整・保持などが複雑になる。

長い光蓄積時間や、長いパルス列を蓄積する必要のある光バッファメモリ等では、光ファイバ束などの大きなリングを必要する。図3は光バッファメモリ素子の模式図である。光蓄積用の光ファイバリングと、入出力用ファイバ、およびそれらの間を結合するための結合器から構成される。入力ファイバから入った光パルス列は、結合器を通して光ファイバリングへ入射する。光ファイバリング中を一定時間周回した後、結合器を通して出力側の光ファイバへと取り出されることにより、光バッファメモリとして機能する。これを実現するためには、500m程度の光ファイバリングが必要となる。遅延時間を精密制御するためにはリング導波路部の温度を安定化し、屈折率や長さなどの光学定数を一定に保つ必要があるが、この長大なファイバリングの温度を安定させるためにはかなり大掛かりな装置が必要とされる。また、結合器に関しては、現在最も一般的に用いられているものは、入・出力用光ファイバと光ファイバリングを直結する構造であり、これでは、光バッファに光パルス列を蓄積できる時間が、一定にしかならない。このため、実際に光ルータなどで利用する際には、蓄積時間の異なる複数の光バッファを用意して光スイッチで使用するバッファを選択するなどの複雑な装置構成を強いられるという問題がある。

それ故、本発明は、短い蓄積時間の用途においては、リング外部との接続に利用されていたような光軸の調整などが困難なプリズムなどを用いる必要を無くして、光リングと他の光回路との接続のために特殊な装置を必要としない光リングデバイスを提供することを目的としている。
また、本発明は、蓄積時間の長い用途では、光ファイバリング及び入出射用ファイバとの結合のための結合器を用いる必要を無くして、外部からの制御光により光リングと入出力導波路の結合強度を任意に制御でき、その結果として、従来デバイスでは不可能であった任意のタイミングで蓄積した光を取り出す機能を持った光リングデバイスを実現することを目的としている。

本発明のフォトニック結晶光リングデバイスは、入出力用の導波路とリング状の導波路を同一フォトニック結晶内に有して、入力光を入出力用の導波路からリング状の導波路に入力し、そしてそこから入出力用の導波路に出力光を取り出すものである。本発明は、フォトニック結晶構造を有し、該フォトニック結晶中の周期構造を連続的又は離散的に除去して導波路として機能する欠陥列を形成することにより、入出力用の導波路及びリング状の導波路を構成する。
本発明の光リングデバイスは、リング状の導波路と入出力用の導波路の近接配置部において、両導波路の間の結合量を可変に制御する構成を、フォトニック結晶構造中に一体化して備えることができる。
本発明の光リングデバイスは、リング状の導波路と入出力用の導波路の近接配置部において、局所的に非線形媒質を埋め込んだ領域を形成し、該非線形媒質を用いて欠陥を形成すると共に、入出力導波路に連続する制御光用導波路を備えて、光リング導波路と入出力導波路間の光の行き来を制御するよう構成して光バッファメモリとして機能させる。

本発明によれば、フォトニック結晶導波路ではフォトニック結晶のバンドギャップにより光を閉じ込めているため、導波路を急峻に曲げることができ、特に光リング導波路のような構造をとる場合、より小さな構造とすることが可能となる。また、複数の導波路構造を一つのフォトニック結晶構造中に作成できることから光リングと入出力用の直線導波路が一体形成でき、入出力デバイスを含めた光リングデバイスがモノリシックに実現できる。
また、群速度の遅い遅延線型のリング導波路を用いることにより、従来よりも1/1000程度の大きさの光リングデバイスが実現できる。

図１に本発明を具体化するフォトニック結晶リング導波路を用いた光リングデバイスの模式図を示す。フォトニック結晶とは屈折率の異なる媒質を周期的に並べた構造のことであり、フォトニックバンドギャップと呼ばれる特定の周波数範囲の光を伝播させないという性質をもつ。フォトニック結晶中の周期構造を一部除去する(欠陥)ことにより、フォトニックバンドギャップの範囲の光は欠陥だけに存在し、その周囲のフォトニック結晶には伝播できなくなる。そこで、欠陥を連続して形成すると、その欠陥列に沿ってのみ光が伝播し、その周囲には光が漏れなくなり、光導波路として機能する。また、光導波路を曲げる場合、光ファイバや通常の屈折率差閉じ込め型の導波路では、全反射により光を導波路中に閉じ込めて伝播を行っているため、急激な曲がり部分では全反射の条件が破れて光の損失が生じる。そこで、損失を避けるために大きな曲率でゆっくりと光を曲げる必要がある。ところが、フォトニック結晶導波路ではフォトニック結晶のバンドギャップにより光を閉じ込めているため、導波路を急峻に曲げることができ、特に光リング導波路のような構造をとる場合、より小さな構造とすることが可能となる。また、複数の導波路構造を一つのフォトニック結晶構造中に作成できることから図１に示すように、光リングと入出力用の直線導波路が一体形成できる。直線導波路とリング導波路の間を適当な距離だけ離して設置すると、入射用の直線導波路から入った光パルスのエネルギーのうち一部が光リングに結合する。そして、光リングを周回するたび毎に、光パルスのエネルギーの一部が直線導波路に取り出され、光多連パルス発生素子として機能する。また、直線導波路とリング導波路間は、例示では適当な距離を離すとしたが、ある一定割合の光学的な結合を達成できるものであるならば、両者をより近接させる、あるいは欠陥を介して結合させるなどの方法も利用できる。

蓄積時間の長い用途において、本発明では、図１のリング状光導波路部を群速度が1/1000遅延線型の導波路とすることにより、従来の1/1000程度の小型の光リングでデバイスが実現できる。遅延線型導波路とは、通常のフォトニック結晶導波路は連続して欠陥列を設置するのであるが、欠陥をある程度距離を離して離散的に配置することにより形成する導波路のことであり、群速度を遅くすることができる。

図４は、光リング導波路、入出力導波路とそれらを光学的に接続する局所的に非線形媒質を埋め込んだ領域、および非線形媒質の状態を制御するための制御光用導波路からなる構造を示す。非線形媒質は制御光の有無により屈折率変化を受ける。非線形媒質を用いて欠陥を形成すると、その欠陥は共振器として機能する。欠陥(共振器)部は共鳴準位の光のみを透過することができる。欠陥の共鳴する準位は欠陥を形成する媒質の屈折率変化により変動するため、共鳴準位を人為的に制御できる欠陥が形成できる。光リング導波路と入出力導波路の間に欠陥を設置すると、共鳴準位に共鳴した光のみが光リング導波路と入出力導波路間で行き来できるが、共鳴準位以外の光は行き来できない。そこで、光リング導波路と入出力導波路間に非線形媒質を有する欠陥を設置することにより、人為的に光リング導波路と入出力導波路間の光の行き来を制御することが可能となる。たとえば、制御光が当たったときのみ光リング導波路と入出力導波路間の光結合が可能なように設計しておくと、光パルス列が入力導波路に来たときに制御光を当てると光パルス列を光リング導波路に導くことが出来る。その後、制御光を止めると、光パルス列は光リング導波路内を循環し、光信号を記憶できる。その後再び制御光を当てると、光パルス列は光リング導波路から出力用導波路に移動し、記憶した光信号を取り出すことができる。このような制御構成を用いることにより、任意の時点で光信号を取り出すことの出来る光バッファメモリが実現可能となる。また、光リング導波路として、遅延線型の光導波路を用いると、遅延線型リング導波路中では光の群速度が非常に遅くなるため、より小さな大きさで光バッファメモリを実現できる。入出力導波路と光リング導波路との結合は、図示したような構成以外にも、入力側導波路、出力側導波路を個別にし、光リング導波路と光結合が取れるように配置することも可能である。

図５に、空気クラッド２次元フォトニック結晶スラブ構造中に形成したフォトニック結晶多連パルス発生デバイスの構造例を示す。まずは基盤となる媒質上に、選択エッチング用の層とコアとなる層を形成する。コア部は対応する波長に対して透明な材料でなければならないので、たとえば光通信の1.55μm帯ではGaAsなどを用いる。選択エッチング用の層はコアと選択比の高い材料(GaAsに対してはAlGaAsなど)を用いる。コアの厚さは対応する波長がシングルモードで伝播する厚さとする。コア部に周期的な空孔を設けてフォトニック結晶を形成するが、その一部を空孔とせずに直線的、および周回的に配列して直線導波路およびリング導波路構造を形成する。その後、空孔を通して選択エッチングを行うことにより、コアの下部に空気クラッド領域を設ける。

リング導波路と直線導波路を隣接して配置することにより、直線導波路に単光パルスを入射すると、その一部がリング導波路に結合し、光パルスはリング導波路を周回する。リング導波路を周回する毎に光パルスの一部は再び直線導波路と結合し、出力側に強度が順次減衰する光パルス列が取り出されることになる。光パルス列の間隔は光パルスがリング導波路中を１週する時間で決まるため、リング導波路の長さ、および２次元フォトニック結晶の格子定数を変化させることによる導波モードの群速度を変化させることにより任意に設計可能である。また、光パルス列の各パルスの強度比はリング導波路と直線導波路の結合状態で決まるため、直線導波路とリング導波路の距離、両者の間の結晶構造を変調することにより任意に設計可能である。

また、クラッド部を空気とせずにコアよりも低い屈折率の媒質(SiO₂など)とすることにより、空気クラッドの場合よりもより強固なデバイスが実現できる。
図６はリング導波路部を不連続な欠陥列からなる構造としたものである。不連続な欠陥列からなる導波路は、非常に群速度が1/1000程度と非常に遅く出来、遅延線効果があるためこの構造では図５で示した構造と比較して、同じ時間間隔のパルス列を形成する場合、より小さな構造で実現できる。これも、上述のデバイスと同様に下部クラッドを低屈折率媒質で置き換えた構造が考えられる。

図７は直線導波路、リング導波路、非線形媒質を持つ共振器からなる光バッファメモリの構造例である。信号光を直線導波路からリング導波路へ入射し、信号光パルス列はリング導波路を周回しつづける。フォトニック結晶導波路の効果により、半径の小さなリング導波路でも損失なく周回することが出来ることと、群速度が遅くなるような導波モードを設計することにより、従来の光ファイバリングよりも小さな構造で光パルス列の保存が可能となる。出力側には非線形媒質を持った共振器を介して直線導波路と接続する。通常時は共振周波数と信号光の周波数をずらしておくことにより、信号光はリング導波路内を巡回しつづける。制御光により、非線形媒質の屈折率を変動させたときに、信号光の周波数と共鳴するように共振器を設計しておくと、制御光のあるときのみ信号光列を取り出すことが出来、光バッファメモリとして機能する。非線形媒質部は選択成長により部分的にInAs量子ドットなどを形成することにより実現する。

図８は図７の光リング部に遅延線導波路を用いたリング導波路にしたものである。群速度の非常に遅い遅延線リング導波路にすることにより、より小型、もしくは長いパケット長の光通信に対応した光バッファメモリが実現できる。

本発明を具体化するフォトニック結晶リング導波路を用いた光リングデバイスの模式図を示す。 リングを微小球を用いて構成した従来技術を示す図である。 光バッファメモリ素子の従来技術を示す模式図である。 光リング導波路と入出力導波路間の光の行き来を制御する構成を有する光リングデバイスの模式図を示す。 空気クラッド２次元フォトニック結晶スラブ構造中に形成したフォトニック結晶多連パルス発生デバイスの構造例を示す。 リング導波路部を不連続な欠陥列からなる構造としたものである。 直線導波路、リング導波路、非線形媒質を持つ共振器からなる光バッファメモリの構造例である。 図７の光リング部に遅延線導波路を用いたリング導波路にしたものである。 光バッファメモリとか光多連パルス発生素子に用いられる光リングデバイスの従来の構成を示す図である。

Claims (1)

1. フォトニック結晶中の周期構造を連続的又は離散的に除去して導波路として機能する欠陥列を形成することにより、リング状の導波路および、該導波路への入出力用の導波路を単一フォトニック結晶中に一括形成し、
   前記リング状の導波路と前記入出力用の導波路の接続部において、局所的に非線形媒質を埋め込んだ領域を形成し、該非線形媒質を用いて欠陥を形成すると共に、前記入出力導波路に連続する制御光用導波路を備えて、前記光リング導波路と前記入出力導波路間の光の行き来を制御するよう構成して光バッファメモリとして機能させることを特徴とする光リングデバイス。