JP2005091925A - Optical control element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、線欠陥導波路を有するフォトニック結晶及び発光素子を備えた光制御素子に関する。 The present invention relates to a light control element including a photonic crystal having a line defect waveguide and a light emitting element.
従来、光スイッチなどの光制御素子の構成に関しては、光の経路変換器の機構及び光の経路変換器に用いられる材料の点で様々な構成が提案されている。例えば、光が伝わる光チャネルに整合した屈折率を有する作動流体内に、その作動流体の屈折率とは異なる屈折率を有する光路変更液体を移動させることで、光チャネルの中を伝わる光の経路を変更する方法が開示されている(例えば、特許文献1参照。)。また、永久磁石片からなる可動ミラーを、二つの電磁石の間に配置し、電磁石を作動させることで、可動ミラーを光導波路に出入りさせ、光導波路を通過する光の経路を変更する方法もまた開示されている(例えば、特許文献2参照。)。また、基幹系の光伝送システムにおいては、Micro Electro−Mechanical System(MEMS)のようなマイクロマシン技術によって、ミクロンサイズのミラー又はシャッターを挿入して光の経路を変える方法が採用されている。これらの方法によれば、光スイッチを、簡単な装置又は素子を用いて形成することができると共に、光スイッチの消光比を大きくすることができるという利点がある。しかしながら、特許文献1に開示される方法では、光路変更液体を移動させるために、熱式圧力発生装置を使用し、特許文献2に開示される方法では、可動ミラーを移動させるために電磁石を使用している。このように、熱式圧力発生装置又は電磁石による機械的な物体の移動を用いているため、光スイッチのスイッチング速度を高めることは、困難である。
2. Description of the Related Art Conventionally, regarding the configuration of a light control element such as an optical switch, various configurations have been proposed in terms of the mechanism of an optical path converter and materials used for the optical path converter. For example, by moving an optical path changing liquid having a refractive index different from the refractive index of the working fluid into the working fluid having a refractive index matched to the optical channel through which the light travels, the path of light traveling through the optical channel Has been disclosed (see, for example, Patent Document 1). In addition, there is a method in which a movable mirror made of a permanent magnet piece is disposed between two electromagnets and the electromagnet is operated to move the movable mirror into and out of the optical waveguide and change the path of light passing through the optical waveguide. (For example, refer to Patent Document 2). Further, in a basic optical transmission system, a method of changing a light path by inserting a micron-sized mirror or shutter by a micromachine technique such as Micro Electro-Mechanical System (MEMS) is adopted. According to these methods, the optical switch can be formed using a simple device or element, and there is an advantage that the extinction ratio of the optical switch can be increased. However, in the method disclosed in
また、高速な応答を示す光制御素子として、ニオブ酸リチウムで形成された方向性結合器型の光制御素子又はマッハツェンダー型の光制御素子が、一般に製造されている。しかしながら、これらの光制御素子の素子長は、大きく、数cm程度である。よって、これらの光制御素子は、比較的大きい装置で構成してもよい基幹系又はメトロ系の光伝送システムには適用できるが、機器内のボード間における光伝送のような小型化が要求される光伝送に用いることは困難である。また、これらの光制御素子における光導波路には、ニオブ酸リチウムにチタンを拡散させて得られる、1%以下の小さい屈折率差を有する低屈折率差導波路を用いているために、シングルモードであっても導波路光の伝播領域が広くなる。このため、光制御素子に電界を印加する電極間距離が大きくなり、光制御素子を小型化すると共に光制御素子に印加する電圧を小さくすることが困難である。 In general, a directional coupler type light control element or a Mach-Zehnder type light control element formed of lithium niobate is manufactured as a light control element showing a high-speed response. However, the element length of these light control elements is large, about several cm. Therefore, these light control elements can be applied to a backbone or metro optical transmission system that may be configured with a relatively large device, but miniaturization such as optical transmission between boards in equipment is required. It is difficult to use for optical transmission. In addition, since the optical waveguide in these light control elements uses a low refractive index difference waveguide having a small refractive index difference of 1% or less obtained by diffusing titanium in lithium niobate, it is a single mode. Even so, the propagation area of the waveguide light is widened. For this reason, the distance between electrodes for applying an electric field to the light control element is increased, and it is difficult to reduce the voltage applied to the light control element while reducing the size of the light control element.
上記の従来技術に対して、フォトニック結晶と呼ばれる、誘電率が光の波長程度で周期的に大きく変化する結晶を用いると、その誘電体周期構造によって光子の禁制帯であるフォトニックバンドギャップを形成し、また、その強い分散性によって特異な効果を示すため、光制御素子を小型化することができる。すなわち、フォトニック結晶を使用することで、例えば光経路変更機能を有する光スイッチ及び光強度変調器としての、極めて微小な光制御素子を形成することができる可能性がある。 In contrast to the above-described prior art, when a crystal called a photonic crystal whose permittivity changes periodically at a wavelength around the wavelength of light is used, the photonic band gap, which is a forbidden band of photons, is caused by the dielectric periodic structure. The light control element can be downsized because it is formed and exhibits a unique effect due to its strong dispersibility. That is, by using a photonic crystal, for example, there is a possibility that an extremely small light control element as an optical switch and an optical intensity modulator having an optical path changing function can be formed.
フォトニック結晶を用いた光制御素子としては、スーパプリズム効果(例えば、非特許文献1参照。)を利用した光制御素子(例えば、特許文献3参照。)が開示されている。このスーパプリズム効果は、フォトニック結晶の強い分散性であり、光のわずかな波長差で光の屈折角が大きく変化する現象である。図1は、特許文献3に開示されるスーパプリズム効果を利用した光スイッチを示す。この光スイッチにおいては、光が、導波路を通じてフォトニック結晶の固有軸に対して斜めに入射すると、光は、電流注入前には、フォトニック結晶の分散性によってチャネル(CH)1の導波路へ出力されるが、電流注入によりフォトニック結晶を構成する媒質の屈折率を変化させると、光は、スーパプリズム効果によって光の偏向角が大きく変わり、チャネル(CH)2の導波路へ出力される。このような光制御素子は、フォトニック結晶を利用することで、非常に小型化することが可能である。なお、図1に示すフォトニック結晶には、線欠陥導波路は導入されていないが、上述のような光の波長に大きく依存した光の制御は、フォトニック結晶内に設けた線欠陥導波路においても実現することができる。 As a light control element using a photonic crystal, a light control element (for example, see Patent Document 3) utilizing a super prism effect (for example, see Non-Patent Document 1) is disclosed. The super prism effect is a strong dispersibility of the photonic crystal and is a phenomenon in which the refraction angle of light changes greatly with a slight wavelength difference of light. FIG. 1 shows an optical switch using the super prism effect disclosed in Patent Document 3. In this optical switch, when light is incident obliquely with respect to the natural axis of the photonic crystal through the waveguide, the light is guided to the waveguide of the channel (CH) 1 by the dispersibility of the photonic crystal before current injection. However, if the refractive index of the medium constituting the photonic crystal is changed by current injection, the light deflection angle is greatly changed by the super prism effect, and the light is output to the channel (CH) 2 waveguide. The Such a light control element can be very miniaturized by using a photonic crystal. Although the line defect waveguide is not introduced into the photonic crystal shown in FIG. 1, the control of light greatly dependent on the wavelength of light as described above is performed in the line defect waveguide provided in the photonic crystal. Can also be realized.
しかしながら、フォトニック結晶のスーパプリズム効果は、光の入射角度及び光の波長に極めて敏感であり、光の波長が、少しでも変化すると、光の偏向角が大きく変化してしまい、実際には、光の偏向角を高い精度で制御することが困難である。また、フォトニック結晶を射出する光のビームの広がりは、入射した光のビームよりも大きくなるので、フォトニック結晶で制御した光のビームの利用は、制限されてしまう。また、フォトニック結晶内に設けた線欠陥導波路においても同様に、利用するレーザの波長が、温度等で変動すると、フォトニック結晶内の線欠陥導波路に光を伝播させることができない場合もある。 However, the super prism effect of the photonic crystal is extremely sensitive to the incident angle of light and the wavelength of light. When the wavelength of light changes even slightly, the deflection angle of light changes greatly. It is difficult to control the deflection angle of light with high accuracy. Further, since the spread of the light beam emitted from the photonic crystal is larger than that of the incident light beam, the use of the light beam controlled by the photonic crystal is limited. Similarly, in the case of a line defect waveguide provided in a photonic crystal, if the wavelength of the laser to be used fluctuates due to temperature or the like, light may not be propagated to the line defect waveguide in the photonic crystal. is there.
また、ニオブ酸リチウム及びニオブ酸タンタルのような光学結晶は、他の材料と比較して大きい非線形光学定数を有し、広い波長範囲で透明性を有することため、これらの結晶は、波長変換素子、光変調素子、及び光演算素子のような導波路型又はバルク型の光制御素子に利用されている。しかしながら、これら光学結晶の非線形光学定数の絶対値は、小さいため、光の波長変換の効率を高めるためには、数cm程度の光学結晶の長さが必要になる。よって、これら光学結晶を用いて形成した光制御素子の大きさが、大きくなってしまう。また、光の波長の変動に対するこれら光学結晶の許容量も小さく、光の波長変動を抑制するためには、温度の調節が必要である。さらに、入射光の光軸に対するこれら光学結晶の位置の調整に関する許容値も小さい。よって、これら光学結晶を用いて形成した光制御素子は、非常に高価になってしまう。
本発明は、フォトニック結晶の線欠陥導波路を伝播する光の波長を安定化させると共にフォトニック結晶の線欠陥導波路を伝播する光の透過率を向上させる光制御素子を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a light control element that stabilizes the wavelength of light propagating through a line defect waveguide of a photonic crystal and improves the transmittance of light propagating through the line defect waveguide of a photonic crystal. And
請求項1記載の発明は、線欠陥導波路を有するフォトニック結晶及び発光素子を備えた光制御素子において、前記線欠陥導波路は、前記発光素子から発せられた光の波長を共振させることを特徴とする。
The invention according to
請求項1記載の発明によれば、前記線欠陥導波路は、前記発光素子から発せられた光の波長を共振させるので、フォトニック結晶の線欠陥導波路を伝播する光の波長を安定化させると共にフォトニック結晶の線欠陥導波路を伝播する光の透過率を向上させる光制御素子を提供することができる。 According to the first aspect of the present invention, since the line defect waveguide resonates the wavelength of light emitted from the light emitting element, the wavelength of light propagating through the line defect waveguide of the photonic crystal is stabilized. In addition, it is possible to provide a light control element that improves the transmittance of light propagating through a line defect waveguide of a photonic crystal.
請求項2記載の発明は、請求項1記載の光制御素子において、前記フォトニック結晶の少なくとも一部は、電気光学効果を有する材料で形成されることを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the light control element according to the first aspect, at least a part of the photonic crystal is formed of a material having an electro-optic effect.
請求項2記載の発明によれば、前記フォトニック結晶の少なくとも一部は、電気光学効果を有する材料で形成されるので、屈折率変調器を有する、より小型の光制御素子を提供することができる。 According to the second aspect of the present invention, since at least a part of the photonic crystal is formed of a material having an electro-optic effect, it is possible to provide a more compact light control element having a refractive index modulator. it can.
請求項3記載の発明は、請求項1又は2記載の光制御素子において、前記フォトニック結晶の少なくとも一部は、前記光の波長を変換する非線形光学効果を有する材料で形成されることを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the light control element according to the first or second aspect, at least a part of the photonic crystal is formed of a material having a nonlinear optical effect for converting a wavelength of the light. And
請求項3記載の発明によれば、前記フォトニック結晶の少なくとも一部は、前記光の波長を変換する非線形光学効果を有する材料で形成されるので、波長変換器を有する、より小型の光制御素子を提供することができる。 According to the invention of claim 3, since at least a part of the photonic crystal is formed of a material having a nonlinear optical effect for converting the wavelength of the light, a more compact light control having a wavelength converter. An element can be provided.
請求項4記載の発明は、請求項3記載の光制御素子において、前記光の波長及び前記非線型光学効果によって変換された光の波長は、前記フォトニック結晶のフォトニックバンドギャップに含まれることを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the light control element according to the third aspect, the wavelength of the light and the wavelength of the light converted by the nonlinear optical effect are included in the photonic band gap of the photonic crystal. It is characterized by.
請求項4記載の発明によれば、前記光の波長及び前記非線型光学効果によって変換された光の波長は、前記フォトニック結晶のフォトニックバンドギャップに含まれるので、非線型光学効果によって波長変換された光を、線欠陥導波路に沿って効率良く伝播させることが可能な光制御素子を提供することができる。 According to the invention of claim 4, since the wavelength of the light and the wavelength of the light converted by the nonlinear optical effect are included in the photonic band gap of the photonic crystal, the wavelength conversion is performed by the nonlinear optical effect. It is possible to provide a light control element capable of efficiently propagating the emitted light along the line defect waveguide.
請求項5記載の発明は、請求項4記載の光制御素子において、前記フォトニックバンドギャップは、複数のフォトニックバンドギャップを有し、前記変換された光の波長が含まれるフォトニックバンドギャップと前記光の波長が含まれるフォトニックバンドギャップとは、異なることを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, in the light control element according to the fourth aspect, the photonic band gap includes a plurality of photonic band gaps, and includes a photonic band gap including the wavelength of the converted light. It is different from the photonic band gap including the wavelength of the light.
請求項5記載の発明によれば、前記フォトニックバンドギャップは、複数のフォトニックバンドギャップを有し、前記変換された光の波長が含まれるフォトニックバンドギャップと前記光の波長が含まれるフォトニックバンドギャップとは、異なるので、発光素子から発せられた光の波長と非線型光学効果によって波長変換された光の波長とが大きく異なる場合でも、非線型光学効果によって波長変換された光を、線欠陥導波路に沿って効率良く伝播させることが可能な光制御素子を低コストで簡単に提供することができる。 According to a fifth aspect of the present invention, the photonic band gap has a plurality of photonic band gaps, and a photonic band gap including the wavelength of the converted light and a photo including the wavelength of the light. Since it is different from the nick band gap, even if the wavelength of the light emitted from the light emitting element and the wavelength of the light converted by the nonlinear optical effect are greatly different, the light converted by the nonlinear optical effect A light control element capable of efficiently propagating along the line defect waveguide can be easily provided at low cost.
請求項6記載の発明は、請求項3乃至5いずれか1項記載の光制御素子において、前記非線型光学効果によって変換された光は、前記線欠陥導波路の方向と異なる方向へ射出されることを特徴とする。 According to a sixth aspect of the present invention, in the light control element according to any one of the third to fifth aspects, the light converted by the nonlinear optical effect is emitted in a direction different from a direction of the line defect waveguide. It is characterized by that.
請求項6記載の発明によれば、前記非線型光学効果によって変換された光は、前記線欠陥導波路の方向と異なる方向へ射出されるので、非線型光学効果によって波長変換された光を、線欠陥導波路の方向と異なる方向に効率良く伝播させることが可能な光制御素子を提供することができる。 According to the invention of claim 6, since the light converted by the nonlinear optical effect is emitted in a direction different from the direction of the linear defect waveguide, the light wavelength-converted by the nonlinear optical effect is An optical control element capable of efficiently propagating in a direction different from the direction of the line defect waveguide can be provided.
請求項7記載の発明は、請求項3又は6記載の光制御素子において、前記フォトニック結晶は、前記線欠陥導波路と異なる線欠陥導波路をさらに有し、前記線欠陥導波路と異なる線欠陥導波路は、前記非線型光学効果によって変換された光の波長を共振させることを特徴とする。 The invention according to claim 7 is the light control element according to claim 3 or 6, wherein the photonic crystal further includes a line defect waveguide different from the line defect waveguide, and the line different from the line defect waveguide. The defect waveguide resonates the wavelength of the light converted by the nonlinear optical effect.
請求項7記載の発明によれば、前記フォトニック結晶は、前記線欠陥導波路と異なる線欠陥導波路をさらに有し、前記線欠陥導波路と異なる線欠陥導波路は、前記非線型光学効果によって変換された光の波長を共振させるので、発光素子から発せられた光の波長と非線型光学効果によって波長変換された光の波長のクロストークを低減させることが可能な光制御素子を低コストで簡単に提供することができる。 According to a seventh aspect of the present invention, the photonic crystal further includes a line defect waveguide different from the line defect waveguide, and the line defect waveguide different from the line defect waveguide includes the nonlinear optical effect. Resonates the wavelength of the light converted by the light source, thus reducing the cost of the light control element that can reduce the crosstalk between the wavelength of the light emitted from the light emitting element and the wavelength of the light converted by the nonlinear optical effect. Can be provided easily.
請求項8記載の発明は、請求項3乃至7いずれか1項記載の光制御素子において、前記フォトニック結晶は、前記光の位相と前記非線型光学効果によって変換された光の位相とを整合させる擬似位相整合構造を有することを特徴とする。 The invention according to claim 8 is the light control element according to any one of claims 3 to 7, wherein the photonic crystal matches the phase of the light with the phase of the light converted by the nonlinear optical effect. It has the quasi phase matching structure to be made.
請求項8記載の発明によれば、前記フォトニック結晶は、前記光の位相と前記非線型光学効果によって変換された光の位相とを整合させる擬似位相整合構造を有するので、発光素子から発せられた光の波長を、非線型光学効果によって、線欠陥導波路におけるより短い間隔で効率良く変換することが可能な光制御素子を提供することができる。 According to an eighth aspect of the present invention, the photonic crystal has a quasi-phase matching structure that matches the phase of the light and the phase of the light converted by the nonlinear optical effect. Thus, it is possible to provide a light control element capable of efficiently converting the wavelength of the light with a non-linear optical effect at a shorter interval in the line defect waveguide.
請求項9記載の発明は、請求項3乃至7いずれか1項記載の光制御素子において、前記光の位相速度は、前記非線型光学効果によって変換された光の位相速度と一致することを特徴とする。 The invention according to claim 9 is the light control element according to any one of claims 3 to 7, wherein the phase velocity of the light coincides with the phase velocity of the light converted by the nonlinear optical effect. And
請求項9記載の発明によれば、前記光の位相速度は、前記非線型光学効果によって変換された光の位相速度と一致するので、発光素子から発せられた光の波長を、非線型光学効果によって、線欠陥導波路におけるより短い間隔で効率良く変換することが可能であり、より小型で、より低コストな光制御素子を提供することができる。 According to the ninth aspect of the invention, since the phase velocity of the light matches the phase velocity of the light converted by the nonlinear optical effect, the wavelength of the light emitted from the light emitting element is changed to the nonlinear optical effect. Therefore, it is possible to efficiently convert at a shorter interval in the line defect waveguide, and it is possible to provide a light control element that is smaller and lower in cost.
請求項10記載の発明は、請求項1乃至9いずれか1項記載の光制御素子において、前記発光素子は、複数の発光素子であり、前記線欠陥導波路は、前記複数の発光素子に対応して設けられた複数の線欠陥導波路であることを特徴とする。
The invention according to
請求項10記載の発明によれば、前記発光素子は、複数の発光素子であり、前記線欠陥導波路は、前記複数の発光素子に対応して設けられた複数の線欠陥導波路であるので、空間的により小さい面積で光を効率良く射出し、複数の線欠陥導波路の光学損傷を低下させて、光制御素子の信頼性を向上させることができる。
According to the invention of
本発明によれば、フォトニック結晶の線欠陥導波路を伝播する光の波長を安定化させると共にフォトニック結晶の線欠陥導波路を伝播する光の透過率を向上させる光制御素子を提供することができる。 According to the present invention, there is provided an optical control element that stabilizes the wavelength of light propagating through a line defect waveguide of a photonic crystal and improves the transmittance of light propagating through the line defect waveguide of a photonic crystal. Can do.
次に、本発明による光制御素子の実施の形態を図面と共に説明する。 Next, an embodiment of a light control element according to the present invention will be described with reference to the drawings.
まず、本発明の第一の実施形態による光制御素子を図2及び図3と共に説明する。本発明の第一の実施形態による光制御素子は、線欠陥導波路を有するフォトニック結晶及び発光素子を備え、前記線欠陥導波路は、前記発光素子から発せられた光の波長を共振させる光制御素子である。図2は、本発明の第一の実施形態による光制御素子を示す。図2に示す光制御素子は、発光素子としての端面型半導体レーザ10及び基板20に設けられたフォトニック結晶30を有し、フォトニック結晶30は、スラブ型フォトニック結晶であり、その内部に線欠陥導波路40を有する。端面型半導体レーザ10は、フォトニック結晶30の基板20と同じ基板に設けてもよく、フォトニック結晶30の基板20と異なる基板に設けてもよい。また、端面型半導体レーザ10などの発光素子から射出された光をフォトニック結晶30の線欠陥導波路40に結合させる光結合手段を設けてもよい。一方、端面型半導体レーザ10などの発光素子は、フォトニック結晶30の線欠陥導波路30の線欠陥導波路40に埋め込んでもよい。また、端面型半導体レーザ10のような面発光レーザの発光素子の部分をエッチングにより切り出して、発光素子の部分を線欠陥導波路に埋め込んでもよい。
First, the light control element according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The light control element according to the first embodiment of the present invention includes a photonic crystal having a line defect waveguide and a light emitting element, and the line defect waveguide resonates the wavelength of light emitted from the light emitting element. Control element. FIG. 2 shows a light control element according to the first embodiment of the present invention. The light control element shown in FIG. 2 has an end face
フォトニック結晶30は、空孔又は柱のような周期構造50を三角配列に配置させている。フォトニック結晶30における空孔及び柱のような周期構造50を調整することで、光子の禁制体であるフォトニックバンドギャップを形成することができる。フォトニック結晶30の特性は、フォトニック結晶30の基材の誘電率と空孔及び柱のような周期構造50の誘電率との差、基材における周期構造50の配置、光の波長と周期構造50の大きさとの関係、隣接する周期構造の間の距離などによって決定される。よって、これらの要素のいずれかを変化させることでフォトニック結晶30の特性を変化させることができ、所望のフォトニックバンドギャプを有するフォトニック結晶30を提供することができる。なお、フォトニック結晶30及び線欠陥導波路40は、複数のフォトニックバンドギャップを形成して、レーザの波長を固定する部分と光を伝播させる部分とを分離するように設計してもよい。
The
また、図3(a)、(b)、及び(c)に示すように、空孔及び柱のような周期構造50のない部分を直線(列)状に設けることで、線欠陥導波路40を形成することができる。図3(a)は、空孔又は柱のような周期構造50の間に一列の欠陥を有するフォトニック結晶30を示す。図3(b)は、空孔又は柱のような周期構造50の間に設けられた一列の欠陥の幅を変化させた(減少させた)フォトニック結晶30を示す。図3(c)は、空孔及び柱のような第一の周期構造51に加えて、第一の周期構造51と異なる第二の周期構造52を設けたフォトニック結晶30を示す。このように、空孔及び柱のような周期構造50の形態を変ること、及び/又は、複数の異なる形態の空孔又は柱のような周期構造50を設けることにより、フォトニック結晶30の線欠陥導波路40を形成することができる。線欠陥導波路40が、フォトニック結晶30における欠陥の存在しない部分によって形成されたフォトニックバンドギャップに含まれる(波長などの)伝播モードを有するように、これらの線欠陥導波路40を形成することができる。
Further, as shown in FIGS. 3A, 3B, and 3C, a
このようにして形成されたフォトニック結晶30の線欠陥導波路40は、そのQ値(=光の周波数×共振器に蓄えられた場のエネルギー/共振器から散逸するパワー)が非常に高いため、端面型半導体レーザ10からのレーザ光の波長をモードロックすることができる共振器となり得る。ここで、フォトニック結晶30の線欠陥導波路40における光の群速度の遅延及び光の異常分散等を利用するためには、線欠陥導波路40を伝播する光の波長を固定することが好ましく、フォトニック結晶30の線欠陥導波路40は、光の波長を容易に固定することができる。すなわち、線欠陥導波路40は、端面型半導体レーザ10からのレーザ光の波長を、線欠陥導波路40を伝播する光の波長に自己整合的に固定することができる。特に、端面型半導体レーザ10のような発光素子が、フォトニック結晶30の外部に設けられるときには、フォトニック結晶30の線欠陥導波路40は、発光素子の外部共振器となり、フォトニック結晶から射出される光の波長を固定することができる。よって、端面型半導体レーザ10からのレーザ光を、フォトニック結晶30の線欠陥導波路40に高い効率で結合させると共に伝播させることができる。また、フォトニック結晶30の線欠陥構造40は、光を線欠陥構造40の微小空間に閉じ込めるので、その光を共振させる効率を大きく向上させることができる。
The
本発明の第一の実施形態による光制御素子は、フォトニック結晶30の線欠陥導波路40を伝播する光の波長を安定化させると共にフォトニック結晶30の線欠陥導波路40を伝播する光の透過率を向上させることができる。
The light control element according to the first embodiment of the present invention stabilizes the wavelength of the light propagating through the
光制御素子におけるフォトニック結晶30は、例えば、リソグラフィー及びエッチングの技術を使用して、光の波長程度の厚さを有する屈折率3の半導体薄膜に二次元の円形の空気孔を形成することで、製造することができる。この空気孔は、必ずしも円形である必要はなく、方形及び多角形の空気孔であってもよい。具体的には、このフォトニック結晶30は、量子井戸又は歪量子井戸が形成されたInP基板又はGaAs基板の薄膜の一部を選択エッチングにより空気に露出させることによって、形成することができる。また、フォトニック結晶30は、屈折率1.45のSiO2上に形成された波長程度の厚さのSi薄膜であるSOI(Silicon On Insulator)基板を用いても形成することができる。SOI基板は、電子回路用に開発されたため、結晶の品質及びコストの点できわめて利用価値が高い。薄膜の厚さ方向では、半導体と半導体に形成された空気孔との界面における全反射によって光が閉じ込められるが、薄膜の面に沿った方向では、半導体に形成された空気孔の周期構造に依存した二次元フォトニック結晶の特性を利用することができる。このようなスラブ型二次元フォトニック結晶30に、光導波路を接続することで、本発明の第一の実施形態による光制御素子を形成することができる。
The
また、このようなフォトニック結晶30は、ニオブ酸リチウム、ニオブ酸チタン、及びKTP(リン酸チタニルカリウム)のような無機結晶若しくはPZT及びPZLTのようなセラミックスで形成された薄膜を、低屈折率の媒質上に、又は空気を境界とするエアーブリッジ構造に形成することによっても、製造することができる。さらに、ネマチック構造若しくはスメクチック構造を有する液晶、又はアゾ色素、スチルベンゼン色素、及びダストのような有機分子若しくは有機結晶の薄膜を、低誘電体層上に形成することによってもフォトニック結晶30を形成することができる。
In addition, such a
フォトニック結晶30は、三次元フォトニック結晶であってもよい。例えば、ストライプ状の半導体に有機材料を導入して屈折率の周期構造を形成したものを積層することで、三次元フォトニック結晶を製造することができる。
The
次に、本発明の第二の実施形態による光制御素子を説明する。本発明の第二の実施形態による光制御素子は、線欠陥導波路を有するフォトニック結晶及び発光素子を備え、線欠陥導波路は、発光素子から発せられた光の波長を共振させ、フォトニック結晶の少なくとも一部は、電気光学効果を有する材料で形成される光制御素子である。 Next, a light control element according to the second embodiment of the present invention will be described. The light control element according to the second embodiment of the present invention includes a photonic crystal having a line defect waveguide and a light emitting element, and the line defect waveguide resonates the wavelength of light emitted from the light emitting element, and photonics. At least a part of the crystal is a light control element formed of a material having an electro-optic effect.
フォトニックバンドギャップを有するフォトニック結晶において、フォトニック結晶の基材の屈折率及び/又は空孔及び柱のような周期構造の屈折率を変化させると、フォトニック結晶のフォトニックバンドを変化させることができる。このように、フォトニック結晶の材料の屈折率を変化させると、フォトニック結晶の線欠陥導波路における光の透過率が変化する。例えば、ある一定の波長を有する光に対して、フォトニック結晶の材料の屈折率を変化させる前には、その光は、フォトニック結晶の線欠陥導波路を伝播するが、フォトニック結晶の材料の屈折率を変化させた後には、その光は、フォトニック結晶の線欠陥導波路を伝播しない。また、フォトニック結晶の材料の屈折率を変化させると、フォトニック結晶の線欠陥導波路を伝播する光の位相を変調することができ、よって、フォトニック結晶の線欠陥導波路を伝播する光の強度を変調することができる。 In a photonic crystal having a photonic band gap, changing the refractive index of the substrate of the photonic crystal and / or the refractive index of a periodic structure such as a hole and a column changes the photonic band of the photonic crystal. be able to. As described above, when the refractive index of the material of the photonic crystal is changed, the light transmittance in the line defect waveguide of the photonic crystal is changed. For example, for light having a certain wavelength, before changing the refractive index of the photonic crystal material, the light propagates through the photonic crystal line defect waveguide, but the photonic crystal material After changing the refractive index of the light, the light does not propagate through the line defect waveguide of the photonic crystal. Also, by changing the refractive index of the photonic crystal material, the phase of the light propagating through the photonic crystal line defect waveguide can be modulated, and thus the light propagating through the photonic crystal line defect waveguide. The intensity of can be modulated.
ここで、フォトニック結晶の材料の屈折率を、電気光学効果、熱光学効果、半導体薄膜のキャリアプラズマ効果、及び光カー効果などを用いて変化させることができる。すなわち、フォトニック結晶の少なくとも一部の材料を、電気光学効果、熱光学効果、半導体薄膜のキャリアプラズマ効果、及び光カー効果などを有する材料で形成すれば、フォトニック結晶の材料の屈折率を変化させることができる。本発明の第二の実施形態による光制御素子においては、フォトニック結晶の少なくとも一部を、電気光学効果を有する材料で形成している。 Here, the refractive index of the material of the photonic crystal can be changed using an electro-optic effect, a thermo-optic effect, a carrier plasma effect of a semiconductor thin film, a light Kerr effect, and the like. That is, if at least a part of the material of the photonic crystal is formed of a material having an electro-optic effect, a thermo-optic effect, a semiconductor thin film carrier plasma effect, an optical Kerr effect, etc., the refractive index of the photonic crystal material can be increased. Can be changed. In the light control element according to the second embodiment of the present invention, at least a part of the photonic crystal is formed of a material having an electro-optic effect.
フォトニック結晶の線欠陥導波路を、電気光学効果を有する材料で形成するときには、フォトニック結晶の線欠陥導波路のような光が閉じこめられる微小空間に、微小電極を配置することになるため、微小電極の間隔を減少させることができる。その結果、屈折率変調器を有する、より小型の光制御素子を提供することができる。 When a line defect waveguide of a photonic crystal is formed of a material having an electro-optic effect, a micro electrode is disposed in a minute space in which light is confined, such as a line defect waveguide of a photonic crystal. The distance between the microelectrodes can be reduced. As a result, a more compact light control element having a refractive index modulator can be provided.
また、線欠陥導波路の周囲に配置された微小電極の間隔が小さいため、線欠陥導波路に沿った単位長さ当たりの屈折率を、より低電圧で変化させることができ、その結果、光制御素子の消費電力を低下させることができる。 In addition, since the distance between the microelectrodes arranged around the line defect waveguide is small, the refractive index per unit length along the line defect waveguide can be changed at a lower voltage. The power consumption of the control element can be reduced.
さらに、フォトニック結晶の少なくとも一部の材料が、電気光学効果を有する材料であるため、フォトニック結晶の材料の屈折率を高速に変化させることができる。これにより、光制御素子を高速で駆動させることができる。 Furthermore, since at least a part of the material of the photonic crystal is a material having an electro-optic effect, the refractive index of the material of the photonic crystal can be changed at high speed. Thereby, the light control element can be driven at high speed.
このようなフォトニック結晶の少なくとも一部を、電気光学効果を有する材料で形成した光制御素子において、フォトニック結晶の材料の屈折率を変化させた場合におけるフォトニックバンドギャップの変化について、フォトニックバンド解析に基づくシミュレーションを行った。図4は、フォトニック結晶の材料の屈折率を変化させた場合におけるフォトニックバンドギャップの変化について、フォトニックバンド解析の手法一つである平面波展開法による計算結果を示す。 Regarding the change of the photonic band gap when the refractive index of the material of the photonic crystal is changed in a light control element in which at least a part of such a photonic crystal is formed of a material having an electro-optic effect. Simulation based on band analysis was performed. FIG. 4 shows the calculation result by the plane wave expansion method, which is one of the photonic band analysis methods, for the change of the photonic band gap when the refractive index of the material of the photonic crystal is changed.
ここで、シミュレーションに用いた光制御素子のモデルのフォトニック結晶は、屈折率3.5の基材、及び基材中に三角格子に配列した円孔を有し、その円孔の内部には屈折率1.4又は1.6の媒質が埋め込まれている。実際に、このようなフォトニック結晶を、半導体の基材に設けた円孔に液晶を充填することによって形成することができる。なお、隣接する円孔間の距離ピッチa及び円孔の半径rは、r=0.90aの関係を有する。また、線欠陥導波路の部分は、省略した。シミュレーションは、フォトニック結晶の二次元解析として行われ、基材の面内に電界が存在する電気的横波(Transverse Electric)(TE)モードの光に関するフォトニックバンドを計算した。シミュレーションの結果を図4に示す。図4(a)は、円孔に屈折率1.4の媒質を埋め込んだフォトニック結晶のバンド図であり、図4(b)は、円孔に屈折率1.6の媒質を埋め込んだフォトニック結晶のバンド図である。図4(a)及び図4(b)において、横軸は、Γ−X−J−Γ方向における波数であり、縦軸は、光の規格化周波数である。 Here, the photonic crystal of the model of the light control element used in the simulation has a base material with a refractive index of 3.5 and circular holes arranged in a triangular lattice in the base material, and inside the circular holes. A medium having a refractive index of 1.4 or 1.6 is embedded. Actually, such a photonic crystal can be formed by filling a circular hole provided in a semiconductor substrate with liquid crystal. The distance pitch a between adjacent circular holes and the radius r of the circular holes have a relationship of r = 0.90a. Further, the line defect waveguide portion is omitted. The simulation was performed as a two-dimensional analysis of the photonic crystal, and a photonic band related to light in an electrical transverse wave (TE) mode in which an electric field exists in the plane of the substrate was calculated. The simulation results are shown in FIG. FIG. 4A is a band diagram of a photonic crystal in which a medium having a refractive index of 1.4 is embedded in a circular hole, and FIG. 4B is a photo in which a medium having a refractive index of 1.6 is embedded in the circular hole. It is a band figure of a nick crystal. 4A and 4B, the horizontal axis represents the wave number in the Γ-X-J-Γ direction, and the vertical axis represents the normalized frequency of light.
図4(a)及び図4(b)におけるバンド図の斜線で表した部分が、フォトニックバンドギャップであり、二次元面内のあらゆる方向の波数に対して、光の伝播が禁止されている光の規格化周波数の領域である。図4(b)に示す円孔に屈折率1.6の媒質を埋め込んだフォトニック結晶のフォトニックバンドギャップの規格化周波数は、図4(a)に示す円孔に屈折率1.4の媒質を埋め込んだフォトニック結晶のフォトニックバンドギャップの規格化周波数よりも低い周波数へシフトしている。図4(a)及び図4(b)より、規格化周波数0.35の光は、円孔に屈折率1.4の媒質を埋め込んだフォトニック結晶のフォトニックバンドギャップに含まれるため、フォトニック結晶(の線欠陥導波路以外の部分)を伝播しないが、円孔に屈折率1.6の媒質を埋め込んだフォトニック結晶のフォトニックバンドギャップには含まれないため、フォトニック結晶(の線欠陥導波路以外の部分)を伝播する。このように、フォトニック結晶に形成された周期構造の屈折率を変化させることによって、フォトニック結晶内の光の伝播を制御することができる。 The hatched portions of the band diagrams in FIGS. 4A and 4B are photonic band gaps, and light propagation is prohibited for wave numbers in all directions in the two-dimensional plane. This is the region of the normalized frequency of light. The normalized frequency of the photonic band gap of the photonic crystal in which a medium having a refractive index of 1.6 is embedded in the circular hole shown in FIG. 4B is the refractive index of 1.4 in the circular hole shown in FIG. The frequency shifts to a frequency lower than the normalized frequency of the photonic band gap of the photonic crystal in which the medium is embedded. 4 (a) and 4 (b), the light with a normalized frequency of 0.35 is included in the photonic band gap of a photonic crystal in which a medium having a refractive index of 1.4 is embedded in a circular hole. Although it does not propagate in the nick crystal (the part other than the line defect waveguide), it is not included in the photonic band gap of the photonic crystal in which the medium having a refractive index of 1.6 is embedded in the circular hole. Propagates other than the line defect waveguide). As described above, the propagation of light in the photonic crystal can be controlled by changing the refractive index of the periodic structure formed in the photonic crystal.
フォトニック結晶に形成された周期構造の屈折率が変化させることで、フォトニック結晶内の光の伝播、すなわち透過を制御することができることを、時間領域差分法(Finite Difference Time Domain Method)(FDTD) を用いたシミュレーションによって確認した。上述したフォトニック結晶のモデルにおいて、光の波長を1.3μm、円孔のピッチaを0.44μm、円孔の半径rを0.198μm(2r=0.9a)に設定した。また、フォトニック結晶における周期構造を有する部分を10層とし、このフォトニック結晶は、厚さ4μmの極めて薄い層を有する。ここで、Γ−X方向に平面波の光を入射させた場合に、フォトニック結晶の入射側におけるパワーとフォトニック結晶の射出側における光のパワーとの比から算出した、フォトニック結晶に対する光の透過率を図5に示す。図5に示すように、波長1.3μmの光を上述したフォトニック結晶に入射させた場合に、フォトニック結晶の周期構造の屈折率を変化させることによって、フォトニック結晶の透過率の変化は、35dB以上になる。この結果は、フォトニック結晶に対する光の透過の制御に関して十分な消光比を与え、30dB以上の消光比が、50nmの広い波長の範囲で得られる。十分な消光比が得られる波長の範囲が広いと、端面型半導体レーザ10のような発光素子の発熱などに起因する発振波長の変動を高精度に制御する必要がないという利点がある。
By changing the refractive index of the periodic structure formed in the photonic crystal, it is possible to control the propagation, that is, the transmission of light in the photonic crystal, which is described in the time domain difference method (FDTD). ) Was confirmed by simulation. In the photonic crystal model described above, the wavelength of light was set to 1.3 μm, the pitch a of the circular holes was set to 0.44 μm, and the radius r of the circular holes was set to 0.198 μm (2r = 0.9a). Further, the portion having a periodic structure in the photonic crystal is composed of 10 layers, and this photonic crystal has a very thin layer having a thickness of 4 μm. Here, when plane wave light is incident in the Γ-X direction, the light of the photonic crystal calculated from the ratio between the power on the incident side of the photonic crystal and the light power on the exit side of the photonic crystal is calculated. The transmittance is shown in FIG. As shown in FIG. 5, when light having a wavelength of 1.3 μm is incident on the above-described photonic crystal, the transmittance of the photonic crystal is changed by changing the refractive index of the periodic structure of the photonic crystal. , 35 dB or more. This result gives a sufficient extinction ratio for controlling the transmission of light to the photonic crystal, and an extinction ratio of 30 dB or more is obtained in a wide wavelength range of 50 nm. If the range of wavelengths that can provide a sufficient extinction ratio is wide, there is an advantage that it is not necessary to control fluctuations in the oscillation wavelength due to heat generation of a light emitting element such as the end-
次に、本発明の第三の実施形態による光制御素子を図6と共に説明する。本発明の第三の実施形態による光制御素子は、線欠陥導波路を有するフォトニック結晶及び発光素子を備え、線欠陥導波路は、発光素子から発せられた光の波長を共振させ、フォトニック結晶の少なくとも一部が、発光素子から発せられた光の波長を変換する非線形光学効果を有する材料で形成された光制御素子である。図6は、本発明の第三の実施形態による光制御素子を示す。図6に示すように、発光素子としての端面型半導体レーザ10及び基板20に設けられたスラブ型のフォトニック結晶30を有し、フォトニック結晶30は、その内部に線欠陥導波路40を有し、フォトニック結晶30の少なくとも一部が、発光素子から発せられた光の波長を変換する非線形光学効果を有する材料で形成されている。
Next, a light control element according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The light control element according to the third embodiment of the present invention includes a photonic crystal having a line defect waveguide and a light emitting element, and the line defect waveguide resonates the wavelength of light emitted from the light emitting element, and photonics. At least a part of the crystal is a light control element formed of a material having a nonlinear optical effect that converts the wavelength of light emitted from the light emitting element. FIG. 6 shows a light control element according to a third embodiment of the present invention. As shown in FIG. 6, it has an end face
従来、非線形光学材料の非線形光学効果を効率良く利用するときには、非線形光学効果の波長依存性が高いため、非線形光学材料の温度を調節すると同時に非線形光学材料に入射する光の波長を制御すること、及びその入射角を厳密に調整することが必要であった。しかしながら、本発明の第三の実施形態による光制御素子においては、フォトニック結晶30の少なくとも一部に非線形光学材料を用いている。フォトニック結晶30の線欠陥導波路40は、外部共振器として作用して、フォトニック結晶30の線欠陥導波路40で共振する光の波長を自己整合的に固定し、その波長の光が、フォトニック結晶30の線欠陥導波路40を伝播する。このため、フォトニック結晶30の線欠陥導波路40で共振する光の波長が、フォトニック結晶30に含まれる非線形光学材料の非線形光学効果に最適な波長であるように、フォトニック結晶30を設計すれば、光の波長を固定する特殊な制御なしに、発光素子から発せられた光の波長を、非線形光学効果に最適な波長に自己整合的に固定させることができる。従って、本発明の第三の実施形態による光制御素子においては、非線形光学材料の非線形光学効果を安定して効率良く利用できるようになる。
Conventionally, when the nonlinear optical effect of the nonlinear optical material is efficiently used, the wavelength dependence of the nonlinear optical effect is high, so that the wavelength of light incident on the nonlinear optical material is controlled at the same time as adjusting the temperature of the nonlinear optical material. It was necessary to strictly adjust the incident angle. However, in the light control element according to the third embodiment of the present invention, a nonlinear optical material is used for at least a part of the
また、本発明の第三の実施形態による光制御素子においては、フォトニック結晶30の線欠陥導波路40に入射する光を利用することにより、外部共振器としてのフォトニック結晶30のQ値を大きくすることができるので、高い効率及び低いしきい値でレーザ光を発振させ、高出力のレーザ光を得ることができ、非線形光学効果を高い効率で利用することができる。
Further, in the light control element according to the third embodiment of the present invention, the light incident on the
さらに、フォトニック結晶30の線欠陥導波40が非常に狭いので、フォトニック結晶30の線欠陥導波40を伝播する光を微小空間に閉じこめ、その光の電界密度を大きくすることができ、非線形光学効果を高めることができる。また、波長変換器を有する、より小型の光制御素子を提供することができる。
Furthermore, since the
加えて、線欠陥導波路40は、線欠陥導波路40を伝播する光の群速度を遅延させる(規格化周波数の変化が小さくする)ことができるので、実効的な非線形光学定数を大きくすることができ、非線形光学効果をさらに高い効率で利用することができる。
In addition, the
このように、本発明の第三の実施形態による光制御素子においては、端面型半導体レーザ10から発せられた光の波長を、非線形光学効果により変換し、非線形光学効果により変換された波長の光を、共振器としてのフォトニック結晶30の線欠陥導波路40に伝播させて、エネルギー密度の高い波長変換された光を得ることができる。
As described above, in the light control element according to the third embodiment of the present invention, the wavelength of light emitted from the end facet
なお、非線形光学材料の非線形光学効果は、図6に示す第二高調波発生(SHG)、第3高調波発生、第4高調波発生、及び4光波混合効果等を含む。よって、本発明の第三の実施形態による光制御素子を、上記の非線形光学効果を用いた、光強度変調器、光路変換器、及び光位相変調器として利用することができ、光スイッチのみならず、効率の高い小型のDUMUX及び光ルーティング素子を実現できる。 The nonlinear optical effect of the nonlinear optical material includes the second harmonic generation (SHG), the third harmonic generation, the fourth harmonic generation, and the four-wave mixing effect shown in FIG. Therefore, the light control element according to the third embodiment of the present invention can be used as a light intensity modulator, an optical path converter, and an optical phase modulator using the above-described nonlinear optical effect. Therefore, a highly efficient small DUMUX and optical routing element can be realized.
上述した第二の実施形態及び/又は第三の実施形態における光制御素子は、例えば半導体基板及び液晶を用いて製造することができる。すなわち、GaAs又はSi基板にフォトリソグラフィー及びエッチングによって1μm以下の微小円孔を製作し、製作された円孔部分に液晶を注入することで、フォトニック結晶を形成することができる。ここで、ネマチック液晶に代表される液晶の多くは、電界の印加によって変化する屈折率異方性を示し、その屈折率の変化は、0.2程度である。また、スラブ型フォトニック結晶においては、フォトニック結晶の線欠陥導波路を挟む方向に光を閉じ込めることができる。このような薄膜のスラブ型フォトニック結晶は、SOI基板を用いて形成することができる。スラブ型フォトニック結晶の線欠陥導波路の厚さは、好ましくは、1μm以下であり、より好ましくは、線欠陥導波路を光が単一のモードで伝搬するような厚さである。このようにして、微小円孔内の屈折率を変化させることが可能なフォトニック結晶を形成することができる。 The light control element in the second embodiment and / or the third embodiment described above can be manufactured using, for example, a semiconductor substrate and a liquid crystal. In other words, a photonic crystal can be formed by manufacturing a minute hole of 1 μm or less on a GaAs or Si substrate by photolithography and etching and injecting liquid crystal into the manufactured hole. Here, many of liquid crystals typified by nematic liquid crystals exhibit refractive index anisotropy that changes when an electric field is applied, and the change in the refractive index is about 0.2. Further, in the slab type photonic crystal, light can be confined in the direction sandwiching the line defect waveguide of the photonic crystal. Such a thin slab photonic crystal can be formed using an SOI substrate. The thickness of the line defect waveguide of the slab type photonic crystal is preferably 1 μm or less, and more preferably such that light propagates through the line defect waveguide in a single mode. In this way, a photonic crystal capable of changing the refractive index in the minute hole can be formed.
一方、SOI基板上にSiの円柱を形成して、Siの円柱の周囲を液晶で埋めて、光導波路を有機材料で形成してもよい。このとき、高誘電率材料であるSiの円柱が、低誘電率の液晶で囲まれるが、設計値を最適化することで、フォトニック結晶に電気光学効果及び非線形光学効果を与えることができる。このようにして、屈折率の低い光導波路を形成することができるため、フォトニック結晶の線欠陥導波路に光ファイバなどの光結合手段を比較的容易に結合させることができる。 On the other hand, an Si waveguide may be formed on the SOI substrate, the periphery of the Si cylinder may be filled with liquid crystal, and the optical waveguide may be formed of an organic material. At this time, a cylinder of Si, which is a high dielectric constant material, is surrounded by a liquid crystal having a low dielectric constant. By optimizing the design value, an electro-optic effect and a nonlinear optical effect can be given to the photonic crystal. In this way, since an optical waveguide having a low refractive index can be formed, an optical coupling means such as an optical fiber can be relatively easily coupled to a line defect waveguide of a photonic crystal.
また、上述した第二の実施形態及び/又は第三の実施形態における光制御素子は、以下のように製造することもできる。ニオブ酸リチウム(LN)のZ軸カット結晶で形成された基板の表面を、メタルマスクを介してCF系ガスでドライエッチングする。このドライエッチングにより、1μmの深さの微細孔を表面に有する基板が得られる。次に、熱酸化シリコン膜付きシリコン基板と上述の表面に微細孔を有するLN基板とを張り合わせて、両方の酸化物の膜を接合させる。次に、LN基板の裏面を、機械研磨、CMP研磨、又はイオン研磨して、LN基板の厚さを1μmまで減少させ、微細孔を貫通させる。なお、微細孔に予めシリコン酸化物、シリコン窒化膜、又は高分子膜を充填しておくことで、研磨による微細孔の破損を減少させることができる。次に、レジストマスクを用いてシリコン酸化膜及び微細孔の充填物質をウエットエッチングにより部分的に除去して、エアギャップ・スラブ型LNフォトニック結晶を製造することができる。 The light control element in the second embodiment and / or the third embodiment described above can also be manufactured as follows. The surface of the substrate formed of a Z-axis cut crystal of lithium niobate (LN) is dry-etched with a CF-based gas through a metal mask. By this dry etching, a substrate having micropores with a depth of 1 μm on the surface can be obtained. Next, the silicon substrate with the thermally oxidized silicon film and the LN substrate having fine holes on the above surface are bonded together to bond both oxide films. Next, the back surface of the LN substrate is mechanically polished, CMP-polished, or ion-polished to reduce the thickness of the LN substrate to 1 μm and penetrate the fine holes. Note that, by filling the fine holes with silicon oxide, silicon nitride film, or polymer film in advance, breakage of the fine holes due to polishing can be reduced. Next, the air gap slab type LN photonic crystal can be manufactured by partially removing the silicon oxide film and the filling material of the fine holes by wet etching using a resist mask.
なお、LN基板の微細孔又は微細孔付近の上下部分に電極を予め設けておくと、微小空間に強電界を印加することができる。また、シリコン基板上に電気駆動素子を設けて、エレクトロフォレシスによりLN基板上の電極とシリコン基板上の電気駆動素子とを電気的に接続し、複合基板による電気駆動素子一体型の光制御素子を製造することもできる。ニオブ酸リチウムの代わりに、ニオブ酸チタン、KTP、SBN(SrBaNb複合酸化物)、及びチタン酸バリウム等の無機結晶、高い屈折率の有機材料、又はPZT、PZLT、及びチタン酸バリウムのような無機セラミックスの基板に、ドライエッチングによって、同様に微細孔を製造してもよい。また、シリコン基板の代わりに、LN基板、MgOドープLN基板、GaAs基板、又はその他の基板を用いてもよい。 If electrodes are provided in advance in the upper and lower portions of the LN substrate or in the vicinity of the minute holes, a strong electric field can be applied to the minute space. In addition, an electric drive element is provided on the silicon substrate, and the electrode on the LN substrate and the electric drive element on the silicon substrate are electrically connected by electrophoresis, and the light control element integrated with the electric drive element by the composite substrate is provided. It can also be manufactured. Instead of lithium niobate, inorganic crystals such as titanium niobate, KTP, SBN (SrBaNb composite oxide) and barium titanate, organic materials with high refractive index, or inorganic such as PZT, PZLT and barium titanate Micropores may be similarly produced on a ceramic substrate by dry etching. Further, instead of the silicon substrate, an LN substrate, an MgO-doped LN substrate, a GaAs substrate, or another substrate may be used.
さらに、これらのLN基板から製造したフォトニック結晶の一部に、プロトン拡散又はチタン拡散によって導波路を形成してもよく、ダイシング又はドライエッチングによるリッジ型又は埋め込み型の導波路を設けてもよい。さらに、複数のフォトニック結晶の層を積層させて、多層のスラブ型導波路又は三次元導波路を形成してもよい。 Further, a waveguide may be formed by proton diffusion or titanium diffusion in a part of the photonic crystal manufactured from these LN substrates, and a ridge type or buried type waveguide by dicing or dry etching may be provided. . Further, a plurality of photonic crystal layers may be stacked to form a multilayer slab waveguide or a three-dimensional waveguide.
なお、LN若しくはPZTの薄膜、又はフォトニック結晶の薄膜の材料は、結晶に限定されず、ゾルゲル法を用いた前駆体及びその前駆体をドライエッチングして得られるものであってもよい。また、シリコン基板上にドライエッチングにより形成した微細孔に液晶を充填してもよい。フォトニック結晶は、液晶の配向を基板に対して垂直な方向とし、横方向の電界を印加するように製造した液晶フォトニック結晶であってもよい。さらに、LN基板のような電気光学効果を有する基板に液晶を部分的に充填して、非線形光学効果に加えて電気光学効果を有するフォトニック結晶を形成してもよい。 The material of the thin film of LN or PZT or the thin film of photonic crystal is not limited to a crystal, and may be obtained by dry etching a precursor using a sol-gel method and the precursor. In addition, liquid crystal may be filled in fine holes formed by dry etching on a silicon substrate. The photonic crystal may be a liquid crystal photonic crystal manufactured such that the orientation of the liquid crystal is in a direction perpendicular to the substrate and a lateral electric field is applied. Further, a liquid crystal may be partially filled in a substrate having an electrooptic effect such as an LN substrate to form a photonic crystal having an electrooptic effect in addition to the nonlinear optical effect.
次に、本発明の第四の実施形態による光制御素子を図7と共に説明する。本発明の第四の実施形態による光制御素子は、線欠陥導波路を有するフォトニック結晶及び発光素子を備え、線欠陥導波路は、発光素子から発せられた光の波長を共振させ、フォトニック結晶30の少なくとも一部が、発光素子から発せられた光の波長を変換する非線形光学効果を有する材料で形成されており、発光素子から発せられた光の波長及び非線型光学効果によって変換された光の波長は、フォトニック結晶のフォトニックバンドギャップに含まれる光制御素子である。図7は、本発明の第四の実施形態による光制御素子を示す。図7に示すように、発光素子としての端面型半導体レーザ10及び基板20に設けられたスラブ型のフォトニック結晶30を有し、フォトニック結晶30は、端面型半導体レーザ10から射出された光の波長に対して最適化された非線形光学材料で形成されている。また、フォトニック結晶30は、第一の周期構造(空孔又は柱)51及び第二の周期構造(空孔又は柱)52によって形成された線欠陥導波路40を有する。
Next, a light control element according to a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The light control element according to the fourth embodiment of the present invention includes a photonic crystal having a line defect waveguide and a light emitting element, and the line defect waveguide resonates the wavelength of light emitted from the light emitting element, and photonic At least a part of the
本発明の第四の実施形態による光制御素子におけるフォトニック結晶30は、複数の高次の伝播モードを含むフォトニックバンドギャップを有する。その結果、フォトニック結晶30の線欠陥導波路40を伝播することができる光の波長帯域を拡大することができる。このため、フォトニック結晶30の上部からシグナル光を線欠陥導波路40に入射することにより、光波を混合して、線欠陥導波路40を伝播する光の波長を、10%以内で変換させることができるが、非線形光学効果によって波長変換される前の光と、非線形光学効果によって波長変換された光とが、フォトニック結晶30のフォトニックバンドギャップ内の伝播モードに含まれるように、フォトニック結晶30を構成することができる。すなわち、フォトニック結晶30の第一の周期構造(空孔又は柱)51によって、端面型半導体レーザ10から発せられた非線形光学効果によって波長変換される前の光を閉じ込め、フォトニック結晶30の第二の周期構造(空孔又は柱)52によって、非線形光学効果によって波長変換された光を閉じ込めることができる。このようにして、非線形光学効果によって波長変換された光もまた非常に高密度に得ることができる。なお、シグナル光のフォトニック結晶への入射は、フォトニック結晶の上部からの入射に限定されない。フォトニック結晶30に形成された周期構造は、上記の第一の周期構造51と第二の周期構造52との組み合わせに限定されず、単純な線欠陥導波路であってもよく、複数の径の異なる空孔又は柱又はその他の周期構造であってもよい。また、フォトニック結晶30に第一の線欠陥導波路に交差した第二の線欠陥導波路を設けて、その第二の線欠陥導波路からシグナル光を入射させてもよく、第一の線欠陥導波路に近接配置した第二の線欠陥導波路を設けて、第一の線欠陥導波路を伝播する光と第二の線欠陥導波路を伝播する光を共振させてもよい。
The
このように、本発明の第四の実施形態による光制御素子によれば、非線型光学効果によって波長変換される前の光の波長及び非線型光学効果によって波長変換された後の光の波長を含む、異なる複数の波長の伝播モードが、フォトニック結晶30のフォトニックバンドギャップに含まれるので、非線型光学効果によって波長変換された光を、線欠陥導波路に沿って効率良く伝播させることができる。すなわち、発光素子から発せられた光の波長を効率良く変換することができると同時に、波長変換された光の進行方向を線欠陥導波路に沿った方向に制御することができる。
As described above, according to the light control element of the fourth embodiment of the present invention, the wavelength of the light before wavelength conversion by the nonlinear optical effect and the wavelength of the light after wavelength conversion by the nonlinear optical effect are set. Including the propagation modes of a plurality of different wavelengths included in the photonic band gap of the
次に、本発明の第五の実施形態による光制御素子を説明する。本発明の第五の実施形態による光制御素子は、線欠陥導波路を有するフォトニック結晶及び発光素子を備え、線欠陥導波路は、発光素子から発せられた光の波長を共振させ、フォトニック結晶の少なくとも一部が、発光素子から発せられた光の波長を変換する非線形光学効果を有する材料で形成されており、フォトニックバンドギャップは、複数のフォトニックバンドギャップを有し、非線形光学効果によって変換された後の光の波長が含まれるフォトニックバンドギャップと非線形光学効果によって変換される前の光の波長が含まれるフォトニックバンドギャップとは異なる、光制御素子である。 Next, a light control element according to a fifth embodiment of the present invention will be described. The light control element according to the fifth embodiment of the present invention includes a photonic crystal having a line defect waveguide and a light emitting element, and the line defect waveguide resonates the wavelength of light emitted from the light emitting element, and photonic At least a part of the crystal is formed of a material having a nonlinear optical effect that converts the wavelength of light emitted from the light emitting element, and the photonic band gap has a plurality of photonic band gaps, and the nonlinear optical effect The light control element is different from the photonic band gap including the wavelength of the light after being converted by the non-linear optical effect and the photonic band gap including the wavelength of the light before being converted by the nonlinear optical effect.
具体的には、発光素子としての端面型半導体レーザ及び基板に設けられたスラブ型のフォトニック結晶を有し、フォトニック結晶は、端面型半導体レーザから射出された光の波長に対して最適化された非線形光学材料で形成されている。また、フォトニック結晶は、第一の周期構造(空孔又は柱)及び第二の周期構造(空孔又は柱)によって形成された線欠陥導波路を有する。これにより、フォトニック結晶は、複数のフォトニックバンドギャップを有し、非線形光学効果によって変換された後の光の波長が含まれるフォトニックバンドギャップと非線形光学効果によって変換される前の光の波長が含まれるフォトニックバンドギャップとは異なっている。すなわち、非線形光学効果によって変換された後の光の波長が含まれるフォトニックバンドギャップと非線形光学効果によって変換される前の光の波長を含む、複数の異なる波長の伝播モードが、それぞれ、異なるフォトニックバンドギャップに属すると共に、同一の線欠陥導波路を形成する。これらのフォトニックバンドギャップが、それぞれ、少なくとも一つの伝播モードを含むように、フォトニック結晶を構成し、これらの複数の伝播モードを用いて、複数の波長の光を、同一の線欠陥導波路を介して伝播させることができる。 Specifically, it has an end face semiconductor laser as a light emitting element and a slab type photonic crystal provided on the substrate, and the photonic crystal is optimized for the wavelength of light emitted from the end face semiconductor laser. Formed of a nonlinear optical material. The photonic crystal has a line defect waveguide formed by a first periodic structure (hole or column) and a second periodic structure (hole or column). As a result, the photonic crystal has a plurality of photonic band gaps, and includes the photonic band gap including the wavelength of light after being converted by the nonlinear optical effect and the wavelength of light before being converted by the nonlinear optical effect. It is different from the photonic band gap that contains. That is, the propagation modes of a plurality of different wavelengths including the photonic band gap including the wavelength of the light after being converted by the nonlinear optical effect and the wavelength of the light before being converted by the nonlinear optical effect are different from each other. It belongs to the nick band gap and forms the same line defect waveguide. The photonic crystal is configured so that each of these photonic band gaps includes at least one propagation mode, and using these plurality of propagation modes, light of a plurality of wavelengths is transmitted to the same line defect waveguide. Can be propagated through.
例えば、発光素子から発せられた光の波長を、SHGにより二分の一の波長に変換した場合には、元の波長、及び二分の一の波長を両方とも同一のフォトニックバンドギャップ内に包含する、広いフォトニックバンドギャップを得るように、フォトニック結晶を構成することは、非常に困難である。しかしながら、本発明の第五の実施形態による光制御素子においては、非常に異なる二つの波長の光を、同一の線欠陥導波路構造に同時に伝播することができる。このように、発明の第五の実施形態による光制御素子によれば、発光素子から発せられた光の波長と非線型光学効果によって波長変換された光の波長とが大きく異なる場合でも、非線型光学効果によって波長変換された光を、線欠陥導波路に沿った方向に効率良く伝播させることが可能な光制御素子を低コストで簡単に提供することができる。 For example, when the wavelength of light emitted from a light emitting element is converted to a half wavelength by SHG, both the original wavelength and the half wavelength are included in the same photonic band gap. It is very difficult to construct a photonic crystal so as to obtain a wide photonic band gap. However, in the light control element according to the fifth embodiment of the present invention, light of two very different wavelengths can be simultaneously propagated to the same line defect waveguide structure. Thus, according to the light control element according to the fifth embodiment of the present invention, even when the wavelength of light emitted from the light emitting element and the wavelength of light wavelength-converted by the nonlinear optical effect are greatly different, It is possible to easily provide a light control element capable of efficiently propagating light converted in wavelength by the optical effect in a direction along the line defect waveguide at low cost.
次に、本発明の第六の実施形態による光制御素子を説明する。本発明の第六の実施形態による光制御素子は、線欠陥導波路を有するフォトニック結晶及び発光素子を備え、線欠陥導波路は、発光素子から発せられた光の波長を共振させ、フォトニック結晶の少なくとも一部が、発光素子から発せられた光の波長を変換する非線形光学効果を有する材料で形成されており、非線型光学効果によって変換された光は、線欠陥導波路の方向と異なる方向へ射出される光制御素子である。 Next, a light control element according to a sixth embodiment of the present invention will be described. A light control element according to a sixth embodiment of the present invention includes a photonic crystal having a line defect waveguide and a light emitting element, and the line defect waveguide resonates the wavelength of light emitted from the light emitting element, and At least a part of the crystal is formed of a material having a nonlinear optical effect that converts the wavelength of light emitted from the light emitting element, and the light converted by the nonlinear optical effect is different from the direction of the line defect waveguide. The light control element is emitted in the direction.
図8は、本発明の第六の実施形態による光制御素子を示す。図8に示すように、本発明の第六の実施形態による光制御素子は、発光素子としての端面型半導体レーザ10及び基板20に設けられたスラブ型のフォトニック結晶30を有し、フォトニック結晶30は、その内部に線欠陥導波路40を有し、端面型半導体レーザ10から射出された光の波長に対して最適化された非線形光学材料で形成され、非線型光学効果によって変換された光が、線欠陥導波路40の方向と異なる方向へ射出されるように形成されている。
FIG. 8 shows a light control element according to a sixth embodiment of the present invention. As shown in FIG. 8, the light control element according to the sixth embodiment of the present invention has an end face
図8に示す光制御装置においては、端面型半導体レーザ10から射出された光は、フォトニック結晶30の線欠陥導波路40に閉じ込められるが、高調波発生のような非線型光学効果によって波長変換された光は、フォトニック結晶30の線欠陥導波路40に閉じ込めらない。この波長変換された光は、指向性を有し、フォトニック結晶30の線欠陥導波路40以外の部分を伝播する。このように、波長変換された光の透過率は、フォトニック結晶30の特定方向で高くなっている。つまり、フォトニック結晶30は、波長変換された光の光軸が特定方向に方向付けられるように、最適化されている。
In the light control apparatus shown in FIG. 8, the light emitted from the end facet
よって、本発明による第六の実施形態の光制御素子によれば、非線型光学効果によって波長変換された光を、線欠陥導波路の方向と異なる方向に効率良く伝播させることができる。また、本発明による第六の実施形態の光制御素子においては、波長変換した光の進行方向を効率良く制御することができ、光制御素子の製造方法をより簡単にして、製造コストを下げることができる。 Therefore, according to the light control element of the sixth embodiment of the present invention, the light whose wavelength is converted by the nonlinear optical effect can be efficiently propagated in a direction different from the direction of the line defect waveguide. Further, in the light control element of the sixth embodiment according to the present invention, the traveling direction of the wavelength-converted light can be controlled efficiently, the manufacturing method of the light control element is simplified, and the manufacturing cost is reduced. Can do.
次に、本発明の第七の実施形態による光制御素子を説明する。本発明の第七の実施形態による光制御素子は、線欠陥導波路を有するフォトニック結晶及び発光素子を備え、線欠陥導波路は、発光素子から発せられた光の波長を共振させ、フォトニック結晶は、線欠陥導波路と異なる線欠陥導波路をさらに有し、フォトニック結晶の少なくとも一部は、発光素子から発せられた光の波長を変換する非線形光学効果を有する材料で形成され、線欠陥導波路と異なる線欠陥導波路は、非線型光学効果によって変換された光の波長を共振させる光制御素子である。図9は、本発明による光制御素子の第七の実施形態を示す。 Next, a light control element according to a seventh embodiment of the present invention will be described. A light control element according to a seventh embodiment of the present invention includes a photonic crystal having a line defect waveguide and a light emitting element. The line defect waveguide resonates the wavelength of light emitted from the light emitting element, and The crystal further includes a line defect waveguide different from the line defect waveguide, and at least a part of the photonic crystal is formed of a material having a nonlinear optical effect that converts a wavelength of light emitted from the light emitting element, A line defect waveguide different from the defect waveguide is a light control element that resonates the wavelength of light converted by the nonlinear optical effect. FIG. 9 shows a seventh embodiment of the light control element according to the invention.
図9に示すように、発光素子としての端面型半導体レーザ10及び基板20に設けられたスラブ型のフォトニック結晶30を有し、フォトニック結晶30は、端面型半導体レーザ10から射出された光の波長に対して最適化された非線形光学材料で形成され、その基材に第一の周期構造51及び第二の周期構造52を有し、第一の線欠陥導波路41及び第二の線欠陥導波路42を有している。このようなフォトニック結晶30においては、第一の線欠陥導波路41は、端面型半導体レーザ10から射出された光を伝播させ、第二の線欠陥導波路42は、非線形光学材料の非線形光学効果によって変換された光を伝播させる。これにより、端面型半導体レーザ10から射出された光と、非線形光学材料の非線形光学効果によって変換された光とを、それぞれ、第一の線欠陥導波路41及び第二の線欠陥導波路42に高密度に閉じ込めて、高い効率でそれらの光を結合させるか、又は分離することができる。好ましくは、フォトニック結晶30が、二つの線欠陥導波路41、42を有する場合には、これら二つの線欠陥導波路41、42は、平行である。さらに、フォトニック結晶30に一つ以上の線欠陥導波路及び/又は点欠陥導波路を追加して、線欠陥導波路41、42と共振させることによって、平行シフト位置を変動させてもよい。なお、第二の線欠陥導波路42の代わりに、点欠陥導波路を設けて、非線形光学効果によって変換された光を、点欠陥導波路へ強制的に共振させて、この点欠陥導波路から波長変換された光を取り出すこともできる。
As shown in FIG. 9, an end
このような光制御素子は、異なる複数の線欠陥導波路を伝播する光の複数の伝播モードを用いているので、発光素子から発せられた光及び非線形光学効果によって波長変換された光を効率良く制御することができ、発光素子から発せられた光の波長と非線型光学効果によって波長変換された光の波長のクロストークを低減させることができ、光制御素子を低コストで簡単に製造することができる。 Since such a light control element uses a plurality of propagation modes of light propagating through a plurality of different line defect waveguides, the light emitted from the light emitting element and the light whose wavelength is converted by the nonlinear optical effect can be efficiently used. The crosstalk between the wavelength of the light emitted from the light emitting element and the wavelength of the light converted by the nonlinear optical effect can be reduced, and the light control element can be easily manufactured at low cost. Can do.
次に、本発明の第八の実施形態による光制御素子を説明する。本発明の第八の実施形態による光制御素子は、線欠陥導波路を有するフォトニック結晶及び発光素子を備え、線欠陥導波路は、発光素子から発せられた光の波長を共振させ、フォトニック結晶は、線欠陥導波路と異なる線欠陥導波路をさらに有し、フォトニック結晶の少なくとも一部は、発光素子から発せられた光の波長を変換する非線形光学効果を有する材料で形成され、フォトニック結晶は、発光素子から発せられた光の位相と非線型光学効果によって変換された光の位相とを整合させる擬似位相整合構造を有する光制御素子である。 Next, a light control element according to an eighth embodiment of the present invention will be described. The light control element according to the eighth embodiment of the present invention includes a photonic crystal having a line defect waveguide and a light emitting element, and the line defect waveguide resonates the wavelength of light emitted from the light emitting element, and photonic The crystal further includes a line defect waveguide different from the line defect waveguide, and at least a part of the photonic crystal is formed of a material having a nonlinear optical effect that converts a wavelength of light emitted from the light emitting element, A nick crystal is a light control element having a pseudo phase matching structure that matches the phase of light emitted from a light emitting element with the phase of light converted by a nonlinear optical effect.
図10(a)は、本発明による光制御素子の第八の実施形態を示す。図10(a)に示すように、発光素子としての端面型半導体レーザ10及び基板20に設けられたスラブ型のフォトニック結晶30を有し、フォトニック結晶30は、端面型半導体レーザ10から射出された光の波長に対して最適化された非線形光学材料で形成され、フォトニック結晶30は、発光素子としての端面型半導体レーザ10から発せられた光の位相と非線型光学効果によって変換された光の位相とを整合させる擬似位相整合構造60を有する。この擬似位相整合構造60は、図10(b)に示すように強電解のパルス印加によって微細な結晶軸の分極反転処理を施す(矢印は、擬似位相整合構造60を構成する結晶軸の分極を表す。)ことによって得られた導波路であり、フォトニック結晶30の線欠陥導波路40又はそれに隣接する部分に設けられている。擬似位相整合構造60によれば、発光素子としての端面型半導体レーザ10から発せられた光の波長と非線形光学効果により変換された光の波長との位相屈折率分散による光の位相の不整合を解消することがきる。よって、非線形光学効果による光の波長を、より高い効率で、短い距離で変換することができる。このような擬似位相整合構造60としては、分極反転構造であってもよく、分極構造が周期的に存在しない擬似分極反転構造であってもよい。また、線欠陥導波路40を伝播する光の波長以下の長さに対応する周期の反結合分極反転構造であっても同様に非線形効果を高めることができる。より具体的には、LN基板、LT基板、又はKTP基板に対して分極反転処理を施して得られた擬似位相整合構造60を設けて、この擬似位相整合構造60と、屈折率変調部分及び/又は非線形光学効果と組み合わせることもできる。また、線欠陥導波路40により、光の群速度を低下させて、実効的な非線形光学定数を大きくすることができる。
FIG. 10A shows an eighth embodiment of the light control element according to the present invention. As shown in FIG. 10A, an end face
擬似位相整合構造60によれば、非線形光学効果による特定のSHG光、4光波混合光、又は元の入力光のみを、微小領域において選択的に反射又は透過させ、光の経路を変更することができる。擬似位相整合構造60は、反結合擬似位相整合を利用するものであってもよい。また、フォトニック結晶30の構造を調整して非線形励起構造にすることによって、擬似位相整合構造60を必要とせず、端面型半導体レーザ10から発せられた光の位相速度と非線形光学効果により変換された光の位相速度を一致又は変化させてもよい。また、フォトニック結晶30の構造は、線欠陥導波路40を伝播する光に位相速度の変化を与える擬似位相整合構造にしてもよい。
According to the quasi
また、上述したように、フォトニック結晶30の空孔若しくは柱構造又は基板に垂直に形成された構造によって提供される空隙を有する構造によって、電極間の電圧印加部分又はイオン拡散による分極反転処理部分が分離されるので、微細なピッチの擬似位相整合構造60を設けることができる。さらに、フォトニック結晶30の空孔若しくは柱構造又は基板に垂直に形成された構造に溝を設け、空孔及び柱などの構造に設けた電極に電圧を印加することで、互いに分離されたこれらの構造を得ることもできる。
Further, as described above, a voltage application portion between electrodes or a polarization inversion processing portion by ion diffusion is provided by a structure provided with a void or a column structure of the
このように、本発明の第八の実施形態による光制御素子は、発光素子から発せられた光の波長を、非線型光学効果によって、線欠陥導波路におけるより短い間隔で効率良く変換することが可能な光制御素子を提供することができる。また、フォトニック結晶の線欠陥導波路に擬似位相整合構造を設けているので、線欠陥導波路を伝播する光の位相整合が可能となり、利用波長制限を広げることができる。 As described above, the light control element according to the eighth embodiment of the present invention can efficiently convert the wavelength of the light emitted from the light emitting element at a shorter interval in the line defect waveguide by the nonlinear optical effect. Possible light control elements can be provided. In addition, since the quasi phase matching structure is provided in the line defect waveguide of the photonic crystal, phase matching of light propagating through the line defect waveguide becomes possible, and the use wavelength limitation can be widened.
次に、本発明の第九の実施形態による光制御素子を説明する。本発明の第九の実施形態による光制御素子は、線欠陥導波路を有するフォトニック結晶及び発光素子を備え、線欠陥導波路は、発光素子から発せられた光の波長を共振させ、フォトニック結晶は、線欠陥導波路と異なる線欠陥導波路をさらに有し、フォトニック結晶の少なくとも一部は、発光素子から発せられた光の波長を変換する非線形光学効果を有する材料で形成され、発光素子から発せられた光の位相速度は、非線型光学効果によって変換された光の位相速度と一致する光制御素子である。 Next, a light control element according to a ninth embodiment of the present invention will be described. The light control element according to the ninth embodiment of the present invention includes a photonic crystal having a line defect waveguide and a light emitting element, and the line defect waveguide resonates a wavelength of light emitted from the light emitting element, and The crystal further has a line defect waveguide different from the line defect waveguide, and at least a part of the photonic crystal is formed of a material having a nonlinear optical effect that converts a wavelength of light emitted from the light emitting element, and emits light. The phase velocity of the light emitted from the element is a light control element that matches the phase velocity of the light converted by the nonlinear optical effect.
図11(a)は、本発明の第九の実施形態による光制御素子を示す。図11(a)に示すように、発光素子としての端面型半導体レーザ10及び基板20に設けられたスラブ型のフォトニック結晶30を有し、フォトニック結晶30は、端面型半導体レーザ10から射出された光の波長に対して最適化された非線形光学材料で形成され、フォトニック結晶30は、発光素子としての端面型半導体レーザ10から発せられた光の位相速度と、非線型光学効果によって変換された光の位相速度とが一致するように構成されている。このため、光制御素子は、フォトニック結晶30の線欠陥導波路40に擬似位相整合構造60を用いないで、非常に高い効率で非線形効果を生じさせることができる。例えば、図11(b)に示すように、発光素子としての端面型半導体レーザ10から発せられた光の位相速度と、第二高調波発生による光の位相速度との一致を示し、発光素子からの光の波の節と第二高調波の節との一致を示す。なお、フォトニック結晶30の微細構造を調整することにより、フォトニック結晶30の線欠陥導波路40を伝播する光を制御することが可能である。すなわち、フォトニック結晶30の微細構造を有する材料の波長に対する分散を選択することによって、又は、異なる分散を有する複数の材料を組み合わせることによって、その特定の波長に対して色消処理をして、光の位相速度を一致させることができる。
FIG. 11A shows a light control element according to the ninth embodiment of the present invention. As shown in FIG. 11A, an end
このように、本発明の第九の実施形態による光制御素子は、フォトニック結晶の構成及び材料を調整することによって、二つ以上の異なる波長の光の位相速度を一致させることができるので、発光素子から発せられた光の波長を、非線型光学効果によって、線欠陥導波路におけるより短い間隔で効率良く変換することが可能である。また、フォトニック結晶に分極周期構造を形成する工程が不要であるので、より小型で、より低コストな光制御素子を容易に製造することができる。 Thus, the light control element according to the ninth embodiment of the present invention can match the phase velocities of two or more different wavelengths of light by adjusting the configuration and material of the photonic crystal, The wavelength of the light emitted from the light emitting element can be efficiently converted at a shorter interval in the line defect waveguide by the nonlinear optical effect. Further, since the step of forming the polarization periodic structure in the photonic crystal is not required, a light control element that is smaller in size and lower in cost can be easily manufactured.
次に、本発明の第十の実施形態による光制御素子を説明する。本発明の第十の実施形態による光制御素子は、上記第一の実施形態から上記第九の実施形態までの光制御素子であり、ただし、上記発光素子は、複数の発光素子であり、上記線欠陥導波路は、これら複数の発光素子に対応して設けられた複数の線欠陥導波路である。 Next explained is a light control element according to the tenth embodiment of the invention. The light control element according to the tenth embodiment of the present invention is the light control element from the first embodiment to the ninth embodiment, provided that the light emitting element is a plurality of light emitting elements, The line defect waveguide is a plurality of line defect waveguides provided corresponding to the plurality of light emitting elements.
図12(a)及び(b)は、本発明の第十の実施形態による光制御素子を示す。図12(a)に示す光制御素子は、図6に示した光制御素子に、複数の発光素子としての端面型半導体レーザ10を設け、それぞれの端面型半導体レーザ10に対応した線欠陥導波路40が、フォトニック結晶30にアレイ状に配列された光制御素子である。また、図12(b)に示す光制御素子は、図8に示した光制御素子に、複数の発光素子としての端面型半導体レーザ10を設け、それぞれの端面型半導体レーザ10に対応した線欠陥導波路40がフォトニック結晶30にアレイ状に配列された光制御素子である。なお、図12(b)に示す光制御素子においては、端面型半導体レーザ10から発せられた光を集光レンズ15によって対応する線欠陥導波路40に入射させる。すなわち、図12(a)及び(b)に示す光制御素子において、発光素子としての端面型半導体レーザ10から発する光が、フォトニック結晶30に設けられたそれぞれの線欠陥導波路40に光結合される。また、複数の発光素子の少なくとも一つが、他の発光素子と異なる波長の光を射出してもよい。この場合には、他の光の波長と異なる波長の光が入射する線欠陥導波路40が、その異なる波長の光(又は非線型光学効果によって変換された光)を伝播するように、フォトニック結晶30の周期構造が形成される。
FIGS. 12A and 12B show a light control element according to the tenth embodiment of the present invention. The light control element shown in FIG. 12A is provided with an end face
ここで、複数の発光素子30は、互いに隣接して配置され、複数の線欠陥導波路40もまた互いに隣接して配置される。また、フォトニック結晶30の個々の線欠陥導波路40は、光を閉じ込めることができるため、線欠陥導波路40の間のピッチを、従来の導波路よりも小さくすることができる。よって、図12(a)及び図12(b)に示す光制御素子においてフォトニック結晶の材料の一部が非線型光学効果を有する材料である場合に、非線型光学効果によって変換された光を、空間的に非常に小さい断面積から高い出力で射出させることができる。逆に、高出力の非線型光学効果によって変換された光を得ることができるので、個々の線欠陥導波路40から出力される光を低減できる。その結果、フォトニック結晶30の光学損傷を低下させ、光制御素子の信頼性を向上させることもできる。また、これら複数の線欠陥導波路40を互いに共振させて、シングルモードの光が伝播する一つの幅広い線欠陥導波路として、幅広いビーム光を射出することもできる。
Here, the plurality of
このように、本発明の第十の実施形態による光制御素子によれば、光を空間的により小さい面積から効率良く射出し、複数の線欠陥導波路の光学損傷を低下させて、光制御素子の信頼性を向上させることができる。 As described above, according to the light control element according to the tenth embodiment of the present invention, light is efficiently emitted from a spatially smaller area, optical damage of the plurality of line defect waveguides is reduced, and the light control element Reliability can be improved.
以上、本発明の実施の形態(例)を具体的に説明してきたが、本発明は、これらの実施の形態(例)に限定されるものではなく、これら本発明の実施の形態(例)を、本発明の主旨及び範囲を逸脱することなく、変更又は変形することができる。例えば、図2乃至図13に示す光制御素子は、それぞれのフォトニック結晶が発光素子の外部共振器として使用される場合に限定されず、内部共振器又は外部共振器を有する発光素子からの発せられる光を、電気光学効果を有する材料又は非線形光学効果を有する材料を含むフォトニック結晶に入射させる場合にも用いることができる。 Although the embodiments (examples) of the present invention have been specifically described above, the present invention is not limited to these embodiments (examples), and these embodiments (examples) of the present invention. Can be changed or modified without departing from the spirit and scope of the present invention. For example, the light control elements shown in FIG. 2 to FIG. 13 are not limited to the case where each photonic crystal is used as an external resonator of a light emitting element, and emit light from a light emitting element having an internal resonator or an external resonator. It can also be used when incident light is incident on a photonic crystal containing a material having an electro-optic effect or a material having a nonlinear optical effect.
本発明は、フォトニック結晶の線欠陥導波路を伝播する光の波長を安定化させると共にフォトニック結晶の線欠陥導波路を伝播する光の透過率を向上させる光制御素子に適用することができる。 The present invention can be applied to a light control element that stabilizes the wavelength of light propagating through a line defect waveguide of a photonic crystal and improves the transmittance of light propagating through the line defect waveguide of a photonic crystal. .
10 端面型半導体レーザ
15 集光レンズ
20 基板
30 スラブ型フォトニック結晶
40、41、42 線欠陥導波路
50、51、52 空孔又は柱
60 擬似位相整合構造
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記線欠陥導波路は、前記発光素子から発せられた光の波長を共振させることを特徴とする光制御素子。 In a light control element comprising a photonic crystal having a line defect waveguide and a light emitting element,
The light control element, wherein the line defect waveguide resonates a wavelength of light emitted from the light emitting element.
前記非線型光学効果によって変換された光は、前記線欠陥導波路を伝播することを特徴とする請求項3記載の光制御素子。 The wavelength of the light and the wavelength of the light converted by the nonlinear optical effect are included in the photonic band gap of the photonic crystal,
4. The light control element according to claim 3, wherein the light converted by the non-linear optical effect propagates through the line defect waveguide.
前記変換された光の波長が含まれるフォトニックバンドギャップと前記光の波長が含まれるフォトニックバンドギャップとは、異なることを特徴とする請求項4記載の光制御素子。 The photonic band gap has a plurality of photonic band gaps,
5. The light control element according to claim 4, wherein a photonic band gap including the wavelength of the converted light is different from a photonic band gap including the wavelength of the light.
前記線欠陥導波路と異なる線欠陥導波路は、前記非線型光学効果によって変換された光の波長を共振させることを特徴とする請求項3又は6記載の光制御素子。 The photonic crystal further has a line defect waveguide different from the line defect waveguide,
The light control element according to claim 3 or 6, wherein a line defect waveguide different from the line defect waveguide resonates a wavelength of light converted by the nonlinear optical effect.
前記線欠陥導波路は、前記複数の発光素子に対応して設けられた複数の線欠陥導波路であることを特徴とする請求項1乃至9いずれか1項記載の光制御素子。
The light emitting element is a plurality of light emitting elements,
The light control element according to claim 1, wherein the line defect waveguide is a plurality of line defect waveguides provided corresponding to the plurality of light emitting elements.
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