JP2006064878A - Optical device and method of controlling light - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、主として光通信分野で用いられる光デバイスに関し、特に、光減衰器および光利得等価器として機能する光デバイスならびに光制御方法に関する。 The present invention relates to an optical device mainly used in the field of optical communication, and more particularly to an optical device that functions as an optical attenuator and an optical gain equalizer, and an optical control method.
光通信分野等において、特定の波長で光減衰を与えることができる光デバイスが必要とされる場合がある。例えば、エルビウムドープ光ファイバアンプ(EDFA)の利得等価が挙げられる。 In the optical communication field or the like, an optical device that can provide optical attenuation at a specific wavelength may be required. For example, the gain equivalent of an erbium doped optical fiber amplifier (EDFA) can be mentioned.
このような用途では、非特許文献1に記載のように、長周期ファイバブラッググレーティングやファブリ・ペローエタロンフィルタ、平面光導波路などのフィルタデバイスとの組み合わせで実現されてきた(以下、従来技術1とする)。
In such applications, as described in Non-Patent
また、伝送経路が複雑な場合はフィルタデバイスの減衰特性が可変である必要があり、可変利得等価器が用いられる。例えば、非特許文献2記載の光ファイバグレーティングを形成された導波路とクラッドとなる液晶を組み合わせ、液晶によるクラッドへの印加電界の制御により実現されている(以下、従来技術2とする)。
When the transmission path is complicated, the attenuation characteristic of the filter device needs to be variable, and a variable gain equalizer is used. For example, this is realized by combining a waveguide formed with an optical fiber grating described in Non-Patent
尚、可変利得等価器に要求される減衰特性は常時変動する性質ではなく、ひとたび減衰特性が選択された後はしばらくの間、同じ減衰特性を保持する使用状態が多いため、減衰特性を変更するとき以外は、外部からのエネルギー供給無しに減衰特性が保持される半固定動作が望ましい。 The attenuation characteristics required for the variable gain equalizer are not constantly changing, and once the attenuation characteristics are selected, the same attenuation characteristics are often used for a while, so the attenuation characteristics are changed. In other cases, a semi-fixed operation in which the attenuation characteristic is maintained without external energy supply is desirable.
一方、非特許文献3にあるように、構造により一様物質とは異なる物性を得ようとする試みも活発である。特に、近年フォトニック結晶と呼ばれる2種類以上の物質からなる光の波長程度の周期を持つ2次元または3次元の周期構造体が注目を集めている。
On the other hand, as described in
フォトニック結晶の元となるフォトニックバンドの概念は非特許文献4により発表され、非特許文献5にてフォトンの局在など重要な性質が提示されたことにより注目を集めた。実際に作製され、フォトニックバンドギャップが確認されたフォトニック結晶は、Yablonotiteと呼ばれる構造体(特許文献1参照)が最初であり、以後、ウッドパイル構造(非特許文献6参照)、OPAL(微小球配列構造、非特許文献7参照)、エアホール(非特許文献8参照)、段差上多層膜(自己クローニング型、特許文献2および非特許文献9参照)などの種々の構造が実現されてきた。
The concept of the photonic band that is the origin of the photonic crystal was announced by Non-Patent
フォトニック結晶特有の現象には多々あるが、フォトニックバンドギャップは最もよく知られている。そして、フォトニックバンド中でもフォトニックバンド構造の制御により従来の結晶では実現できない現象(スーパープリズム現象、非特許文献10参照)や、スーパーコリメータ現象(非特許文献11参照)、スーパーレンズ現象(非特許文献12参照)が見つかり、フォトニックバンドギャップよりもバンド構造を制御することに注目が集まった。フォトニックバンド構造の制御は、フォトニックバンド工学という分野を作り出している(非特許文献13参照)。そこで、本件中では、フォトニック結晶の定義として「フォトニックバンドギャップを有する周期構造体」ではなく、「2種類以上の物質からなる光の波長程度の周期を持つ2次元または3次元の周期構造体」を用いる。 Although there are many phenomena specific to photonic crystals, the photonic band gap is best known. Further, even in a photonic band, a phenomenon that cannot be realized by a conventional crystal by controlling the photonic band structure (super prism phenomenon, see Non-Patent Document 10), super collimator phenomenon (see Non-Patent Document 11), super lens phenomenon (Non-patent Document) Reference 12) was found, and attention was focused on controlling the band structure rather than the photonic band gap. Control of the photonic band structure has created a field called photonic band engineering (see Non-Patent Document 13). Therefore, in this case, the definition of the photonic crystal is not “a periodic structure having a photonic band gap”, but “a two-dimensional or three-dimensional periodic structure having a period of about the wavelength of light composed of two or more substances”. Use "body".
フォトニック結晶は、結晶中の原子の周期性の影響で電子のバンド構造が変化するように、フォトンが屈折率(または誘電率)の周期性を感じることでフォトニックバンドの折り返しが生じ、さらに、屈折率や周期を選択することでフォトニックバンド構造を制御できる。フォトニック結晶には様々な興味深い特徴があるが、フォトニック結晶と原子あるいは分子の周期配列による結晶との比較については、非特許文献14にまとめられている。また、バンド構造の起源などの詳しい説明が、非特許文献15でなされている。
Photonic crystals cause photonic band folding when photons sense the periodicity of the refractive index (or dielectric constant), as the band structure of electrons changes due to the periodicity of atoms in the crystal. The photonic band structure can be controlled by selecting the refractive index and period. Photonic crystals have various interesting characteristics, but the comparison between photonic crystals and crystals based on periodic arrangement of atoms or molecules is summarized in
次に、フォトニック結晶中の光の伝搬についてこれまで知られている形態について説明する。 Next, a form known so far for the propagation of light in the photonic crystal will be described.
フォトニック結晶の伝搬域における分散曲線が折り返す波長近傍では群速度が遅くなるが、この現象はフォトンが多重反射しながら伝搬することに相当するため、フォトンと媒質との相互作用が大きくなる(非特許文献16参照)。また、フォトニックバンド端では定在波状態になり、フォトニックバンドギャップ内の波長の光は反射する。 The group velocity decreases near the wavelength where the dispersion curve in the propagation region of the photonic crystal turns, but this phenomenon corresponds to the fact that photons propagate with multiple reflections, so the interaction between photons and the medium increases (non- (See Patent Document 16). Moreover, it becomes a standing wave state at the end of the photonic band, and light having a wavelength within the photonic band gap is reflected.
従来技術1に記載される種々の光減衰器は、特定波長のみに可変の光減衰を付与することが困難である。従来技術2は、特定波長のみに可変の光減衰を付与することが可能であるものの、半固定動作が不可能であるため、常時電界印加または加熱する必要があり、運用に伴うリスクが大きい。
The various optical attenuators described in
さらに、前述した文献は、フォトニックス結晶に入射光を照射した場合における現象について何等開示していないし、入射光を照射した場合の特性を利用したデバイス等について示唆されていない。 Furthermore, the above-described documents do not disclose any phenomenon in the case where the photonic crystal is irradiated with incident light, and do not suggest a device using the characteristics when incident light is irradiated.
本発明者等は、フォトニックス結晶に対して斜めに光を入射した場合に特定の波長のみに光損失、光減衰等が生じるという新規な現象を発見し、当該現象を利用したデバイスを提案すると共に、当該新規な現象の制御方法を提案するものである。 The present inventors have discovered a novel phenomenon in which light loss, light attenuation, etc. occur only at a specific wavelength when light is incident on the photonic crystal obliquely, and a device using the phenomenon is proposed. At the same time, a method for controlling the novel phenomenon is proposed.
本発明者等はまた、当該提案によれば、上述の従来技術1、2による問題点を解決し得ること見出した。
The present inventors have also found that according to the proposal, the problems due to the above-described
それ故、本発明の目的は、フォトニックス結晶に入射光を照射した場合、特定の波長において光損失、光減衰等が生じることを利用した光デバイスを提供することである。 Therefore, an object of the present invention is to provide an optical device utilizing the fact that light loss, light attenuation, and the like occur at a specific wavelength when a photonic crystal is irradiated with incident light.
本発明の他の目的は、特定波長を減衰させるフォトニックス結晶を用いて光を制御する方法を提供することである。 Another object of the present invention is to provide a method of controlling light using a photonic crystal that attenuates a specific wavelength.
本発明によれば、2種類以上の媒質から成り、屈折率が周期的な構造を持ち、フォトンのバンド構造を有する周期構造体を有し、前記周期構造体は、当該周期が、3次元の直交座標x,y,zにおいて、x,z方向の二方向もしくはx,y,z方向の三方向に存在していると共に、前記z方向に延びる軸を含む対称面に対して電磁界分布が反対称であるモードを呈することが可能であり、前記周期構造体への非エバネッセントな入射光は、前記z方向に対して0°よりも大きい入射角で入射される光デバイスにおいて、例えば、以下の態様(1)〜(10)が得られる。 According to the present invention, the periodic structure is composed of two or more kinds of media, has a periodic refractive index, and has a photon band structure, and the periodic structure has a three-dimensional period. In the Cartesian coordinates x, y, and z, the electromagnetic field distribution is present in two directions in the x and z directions or in three directions in the x, y, and z directions, and the symmetry plane that includes the axis extending in the z direction. In an optical device that can exhibit an antisymmetric mode and non-evanescent incident light on the periodic structure is incident at an incident angle greater than 0 ° with respect to the z direction, for example, Embodiments (1) to (10) are obtained.
(1)前記周期構造体は、前記入射光のうちの前記電磁界分布が反対称である前記モードの存在する波長の光に、透過損失または反射損失を与える。
(2)前記周期構造体は、前記入射光のうちの前記電磁界分布が反対称である前記モードの存在する波長の光に、直交する偏波のうちの少なくとも一方に対する実効的なフォトンのバンドギャップを生じさせる。
(3)前記周期構造体は、前記z方向に延びる軸を含む対称面に対して電磁界分布が反対称であるモードと、直交する偏波のうちの少なくとも一方の対称モードとが存在するものである。
(4)前記周期構造体は、前記z方向に対して0°よりも大きい入射角で入射される前記入射光のうちの前記電磁界分布が反対称である前記モードの存在する波長の光を光軸外へ放射させる。
(5)前記入射光のうちの前記電磁界分布が反対称である前記モードの存在する波長の光に対する透過損失を変化させるべく、前記周期構造体への前記入射光の入射角を相対的に変化させる手段をさらに有している。
(6)前記周期構造体の光の入射側に配置された、偏光分離素子および偏光回転子をさらに有し、前記周期構造体には、互いに実質的に同一の偏光状態を持つ2つのビームが入射される。
(7)光デバイスの入射ポートから出射ポートに向かう方向に並んだ複数の前記周期構造体を有している。
(8)前記複数の周期構造体は、前記x方向または前記y方向の周期が相互に異なる。
(9)前記複数の周期構造体は、前記z方向の周期が相互に同一である。
(10)前記複数の周期構造体に対する光の入射角が各個独立に制御可能であり、かつ、各前記周期構造体に対する入射角がx方向,y方向,z方向を軸に独立に制御可能である。
(1) The periodic structure imparts transmission loss or reflection loss to light having a wavelength in which the electromagnetic field distribution of the incident light has an antisymmetric distribution.
(2) The periodic structure has an effective photon band for at least one of polarized waves orthogonal to light having a wavelength in which the electromagnetic field distribution of the incident light has an anti-symmetric distribution. Create a gap.
(3) The periodic structure has a mode in which an electromagnetic field distribution is antisymmetric with respect to a symmetry plane including an axis extending in the z direction, and at least one symmetrical mode of orthogonal polarized waves It is.
(4) The periodic structure emits light having a wavelength in which the mode exists in which the electromagnetic field distribution is antisymmetric among the incident light incident at an incident angle larger than 0 ° with respect to the z direction. Radiate out of the optical axis.
(5) The incident angle of the incident light to the periodic structure is relatively set so as to change the transmission loss for light having a wavelength in which the electromagnetic field distribution of the incident light is antisymmetric. It further has means for changing.
(6) It further has a polarization separation element and a polarization rotator arranged on the light incident side of the periodic structure, and the periodic structure has two beams having substantially the same polarization state. Incident.
(7) The plurality of periodic structures are arranged in a direction from the incident port to the emission port of the optical device.
(8) The plurality of periodic structures have different periods in the x direction or the y direction.
(9) The plurality of periodic structures have the same z-direction period.
(10) The incident angles of light with respect to the plurality of periodic structures can be independently controlled, and the incident angles with respect to the periodic structures can be independently controlled with the x, y, and z directions as axes. is there.
本発明によればまた、フォトニック結晶体を用い、前記フォトニック結晶体のフォトンのバンド構造における反対称モードを、該フォトニック結晶体への非エバネッセントな入射光を斜めに入射することによって励振することにより、下記Aおよび/または下記B:(A)入射光のうちの反対称モードの存在する波長の光に、透過損失または反射損失を生じさせる、(B)入射光のうちの反対称モードの存在する波長の光に、直交する偏波のうちの少なくとも一方に対する実効的な光波のバンドギャップを生じさせる、をなすことを特徴とする光制御方法が得られる。 According to the present invention, a photonic crystal is used to excite the antisymmetric mode in the photon band structure of the photonic crystal by obliquely entering non-evanescent incident light on the photonic crystal. A and / or B below: (A) A transmission loss or a reflection loss is caused in the light having the antisymmetric mode in the incident light. (B) The antisymmetric in the incident light. An optical control method characterized in that an effective light wave bandgap for at least one of orthogonally polarized waves is generated in light having a wavelength in which a mode exists.
本発明によればさらに、予め定められたフォトンのバンド構造を有するフォトニック結晶体と、所定の入射光とを使用して、前記入射光の前記フォトニック結晶体に対する相対的な角度を変化させることにより、前記入射光の透過損失または反射損失を変化させることを特徴とする光制御方法が得られる。 According to the present invention, a relative angle of the incident light with respect to the photonic crystal body is changed using a photonic crystal body having a predetermined photon band structure and predetermined incident light. As a result, a light control method characterized by changing the transmission loss or reflection loss of the incident light can be obtained.
本発明によれば、特定波長のみに可変の光減衰を付与することが可能であり、かつ、ほぼ任意の減衰特性が得られ、かつ、各波長の減衰幅(ダイナミックレンジ)が大きい上に半固定動作が可能であるため常時電界印加または加熱する必要がなく、運用に伴うリスクおよびコストが小さい。 According to the present invention, variable optical attenuation can be given only to a specific wavelength, almost arbitrary attenuation characteristics can be obtained, the attenuation width (dynamic range) of each wavelength is large, and half Since fixed operation is possible, there is no need to constantly apply an electric field or heat, and the risks and costs associated with operation are small.
本発明による光デバイスは、予め定められたフォトンのバンド構造を有するフォトニック結晶体を有し、このフォトニック結晶体に所定の非エバッセントな入射光を入射する際に、入射光のフォトニック結晶体に対する相対的な角度を変化させることにより、入射光の透過損失または反射損失等を任意に変化させることが可能である。 An optical device according to the present invention has a photonic crystal body having a predetermined photon band structure, and when a predetermined non-evanescent incident light is incident on the photonic crystal body, the photonic crystal of the incident light By changing the relative angle with respect to the body, it is possible to arbitrarily change the transmission loss or reflection loss of incident light.
以下、この光デバイスと、本発明による光制御方法とについて、幾つかの実施例を挙げて詳細に説明する。 Hereinafter, the optical device and the light control method according to the present invention will be described in detail with reference to some examples.
以下、本発明による光デバイスとしての光減衰器の実施例1を、図1〜図15を参照して説明する。 A first embodiment of an optical attenuator as an optical device according to the present invention will be described below with reference to FIGS.
図1(a)〜(d)はそれぞれ、本発明による光減衰器の構成と動作を示す模式図である。 1A to 1D are schematic views showing the configuration and operation of an optical attenuator according to the present invention.
図1(a)を参照して、本光減衰器は、光ファイバ101と、1/4波長板102と、1/2波長板103と、レンズ104と、2次元フォトニック結晶105と、2次元フォトニック結晶106と、レンズ107と、光ファイバ108とからなり、2次元フォトニック結晶105および106は、ビームの入射角が可変である。尚、1/4波長板102および1/2波長板103の組み合わせを用いて、直線偏波を得ることができる。
1A, this optical attenuator includes an
図1(b)〜(d)に示す光減衰器も、図1(a)に示した光減衰器と同様に、光ファイバ101と、1/4波長板102と、1/2波長板103と、レンズ104と、2次元フォトニック結晶105と、2次元フォトニック結晶106と、レンズ107と、光ファイバ108とを有しているが、2次元フォトニック結晶105および106のうちの少なくとも一方の配置が、後述の図2におけるx方向を中心軸とした角度付けがなされている。
Similarly to the optical attenuator shown in FIG. 1A, the optical attenuator shown in FIGS. 1B to 1D also has an
図2は、2次元フォトニック結晶105、106の模式図である。
FIG. 2 is a schematic diagram of the two-dimensional
図2の構造は、特許文献3で開示される自己クローニング型フォトニック結晶と呼ばれる構造であり、自己クローニング法と呼ばれる工法で最初に作製されたことからこの呼称がある。自己クローニング法とは、凹凸や三角波形状、サインカーブ形状などに加工された基板上に、最適化された条件下で多層膜堆積を行うことにより基板形状を保存したまま多次元周期構造を形成する技術である。そして、薄膜である自己クローニング型フォトニック結晶は大面積化に特に適する。自己クローニング型フォトニック結晶はz方向の多層構造体であって、そのユニットセルに含まれる高屈折率媒質層(低屈折率媒質層でも構わない)がx方向にほぼV字形であることが特徴である。
The structure of FIG. 2 is a structure called a self-cloning photonic crystal disclosed in
図3は、2次元フォトニック結晶105、106に用いる基板の側面図である。
FIG. 3 is a side view of a substrate used for the two-dimensional
2次元フォトニック結晶105、106に用いる基板の材質は溶融石英であり、基板401上にはEB露光によるリソグラフィー工程とドライエッチングで0.5μmピッチの矩形の凹凸(以下、基板パターンとする)が形成されている。
The material of the substrate used for the two-dimensional
さらに、図4に記載されるように基板401上に適切な条件下でrfバイアススパッタリング法によりSiO2膜402を堆積させることで三角波形状の整形層を形成し、その上に図5に記載されるようにa−Si:H膜とSiO2膜とが基板上に形成された三角波形状の形を保持したまま交互に都合14周期成膜されており、2次元屈折率周期構造体をなす。また、フォトニック結晶部の上には、五酸化ニオブ(以下、Nb2O5とする)とSiO2による反射防止膜が同じく自己クローニング法で積層される。
Further, as shown in FIG. 4, a triangular wave shaped shaping layer is formed by depositing a SiO 2 film 402 on the
実施例1におけるフォトニック結晶のユニットセルは、図6に示されるように、Z軸と直交する方向の周期が500nm、Z方向の水素化アモルファスシリコン(以下a−Si:H)膜の厚さが233nm、SiO2膜の厚さが350nmでZ方向の周期が14周期ある。また、頂角は100度である。図6記載のユニットセルは、自己クローニング型フォトニック結晶の最も基本的な構成で、2つの屈折率の異なる物質からなり、外形が長方形でZ軸に対して対称で高屈折率部の形状が逆V字形状になっていることから、本件中では以下、2次元2物質対称V型長方形ユニットセルと呼称する。 As shown in FIG. 6, the unit cell of the photonic crystal in Example 1 has a period of 500 nm in the direction orthogonal to the Z axis and the thickness of the hydrogenated amorphous silicon (hereinafter a-Si: H) film in the Z direction. Is 233 nm, the thickness of the SiO 2 film is 350 nm, and the period in the Z direction is 14 periods. The apex angle is 100 degrees. The unit cell shown in FIG. 6 is the most basic configuration of a self-cloning photonic crystal, and is made of two materials having different refractive indexes, is rectangular in shape, symmetrical with respect to the Z axis, and has a high refractive index portion. Since it has an inverted V shape, it is hereinafter referred to as a two-dimensional two-material symmetric V-shaped rectangular unit cell in this case.
次に、材料の物性について説明する。SiO2は、屈折率が1.46である。一方、a−Si:Hは、Eg=1.7eVかつ屈折率が3.4である。溶融石英も、SiO2からなり屈折率は1.46である。a−Si:Hは、アモルファスシリコンのダングリングボンドと水素原子を結合させて終端させたものである。基板は溶融石英を用いる。 Next, physical properties of the material will be described. SiO 2 has a refractive index of 1.46. On the other hand, a-Si: H has Eg = 1.7 eV and a refractive index of 3.4. Fused quartz is also made of SiO 2 and has a refractive index of 1.46. a-Si: H is formed by bonding dangling bonds of amorphous silicon and hydrogen atoms to terminate them. As the substrate, fused quartz is used.
実施例1では、フォトニック結晶における高屈折率材料としてa−Si:Hを用いたが、屈折率n=2程度またはそれ以上の材料であれば利用できる。ただし、材料の屈折率比が大きいほど少ない周期数でフォトニックバンド構造の影響を得られる。 In Example 1, a-Si: H was used as the high refractive index material in the photonic crystal, but any material having a refractive index n = 2 or higher can be used. However, as the refractive index ratio of the material increases, the influence of the photonic band structure can be obtained with a smaller number of periods.
次に、作製方法について説明する。図2の構成は自己クローニング法に従い、rfバイアススパッタリング(スパッタエッチングも効果を伴うrfスパッタリング)により作製する。a−Si:H膜を積層する場合のターゲットはシリコンであり、堆積ガスはアルゴンと水素の混合ガスで、ガス圧力は0.3Paから1.0Paとする。SiO2膜を積層する場合のターゲットは石英であり、堆積ガスはアルゴンと酸素の混合ガスで、ガス圧力は0.3Paから1.0Paとする。印加するバイアスはその最適値に他の成膜条件との依存性や装置依存性があるものの、数十Vの程度である。薄膜プロセスにおける基板加熱温度は通常では材料の融点の0.3倍以上が望ましいとされるが、実施例1では基板加熱温度を570Kとする。 Next, a manufacturing method will be described. The structure shown in FIG. 2 is produced by rf bias sputtering (rf sputtering with an effect of sputter etching) according to the self-cloning method. When the a-Si: H film is stacked, the target is silicon, the deposition gas is a mixed gas of argon and hydrogen, and the gas pressure is 0.3 Pa to 1.0 Pa. The target for laminating the SiO 2 film is quartz, the deposition gas is a mixed gas of argon and oxygen, and the gas pressure is 0.3 Pa to 1.0 Pa. The bias to be applied is on the order of several tens of volts although the optimum value depends on other film forming conditions and on the apparatus. In general, the substrate heating temperature in the thin film process is desirably 0.3 times or more the melting point of the material. In Example 1, the substrate heating temperature is 570K.
次に、成膜方法について補足する。自己クローニング型フォトニック結晶作製方法として前記rfバイアススパッタリング法、ECRスパッタリング法が知られているが、条件設定によってはピラミッド型に整形された基板上にバイアスを加えないrfマグネトロンスパッタリングとスパッタリングやイオンガンまたはRIEなどのエッチングの組み合わせによっても自己クローニング型フォトニック結晶を形成することが可能である。 Next, it supplements about the film-forming method. The rf bias sputtering method and the ECR sputtering method are known as a self-cloning photonic crystal production method, but depending on the condition setting, rf magnetron sputtering and sputtering or ion gun that do not apply a bias to a pyramid shaped substrate. A self-cloning photonic crystal can also be formed by a combination of etching such as RIE.
基板上への凹凸の形成方法について補足する。電子ビーム(以下、EB)によるリソグラフィーとエッチングを組み合わせた工程、光またはX線露光によるリソグラフィーとエッチングを組み合わせた工程、またはナノインプリント等が利用できる。また、石英のよう紫外領域まで透明材料の基板への適用はできないものの、紫外線領域で不透明な材料の基板または透明基板上に積層された十分な厚さの紫外線領域で不透明材質の膜を用いれば、干渉露光とエッチングを組み合わせた工程でも基板上への凹凸を形成できる。実施例1では凸凹の形状精度に優れエッチングが容易であることから、溶融石英基板に対してEBによるリソグラフィーとエッチングを組み合わせた工程を採用する。リソグラフィーとエッチングに関しては、非特許文献17に記載されている。
It supplements about the formation method of the unevenness | corrugation on a board | substrate. A process combining lithography and etching by electron beam (hereinafter referred to as EB), etching, a process combining lithography and etching by light or X-ray exposure, or nanoimprinting can be used. In addition, although it cannot be applied to a transparent material substrate up to the ultraviolet region, such as quartz, a substrate made of an opaque material in the ultraviolet region or a film made of an opaque material in a sufficiently thick ultraviolet region laminated on a transparent substrate. Irregularities on the substrate can be formed even in a process combining interference exposure and etching. In Example 1, since the shape accuracy of the unevenness is excellent and etching is easy, a process combining lithography and etching by EB is adopted for the fused quartz substrate.
次に、三角波形状の整形層の形成について補足する。三角波形状の形成は、図3のような矩形の基板パターンの上に適切な条件下でrfバイアススパッタリングで膜を堆積させることで形成するか、図3のような矩形の基板パターンの上に適切な条件下でrfスパッタリングで膜を堆積した後に、スパッタエッチングで整形することで形成する。 Next, it supplements about formation of the shaping layer of a triangular wave shape. The triangular wave shape can be formed by depositing a film by rf bias sputtering on a rectangular substrate pattern as shown in FIG. 3 under appropriate conditions, or on a rectangular substrate pattern as shown in FIG. The film is formed by depositing a film by rf sputtering under various conditions and then shaping it by sputter etching.
図6記載の2次元2物質V型長方形ユニットセルは最も自己クローニング法で作製しやすい形状であり、Z方向の積層周期が100周期を越える場合にも対応できる。逆にZ方向の積層周期が10周期程度であれば図7のような形状のユニットセルによるフォトニック結晶も実現できる。 The two-dimensional two-substance V-shaped rectangular unit cell shown in FIG. 6 has a shape that is most easily produced by the self-cloning method, and can cope with a case where the stacking period in the Z direction exceeds 100 periods. Conversely, if the stacking period in the Z direction is about 10 periods, a photonic crystal with a unit cell having a shape as shown in FIG. 7 can be realized.
次に、周期構造について説明する。実施例1は自己クローニング型と呼ばれる構造を採用しているが、実施例1を特徴づけるフォトニックバンド構造に由来する透過損失の変化は他の構造を採用するフォトニック結晶でも実現可能である。 Next, the periodic structure will be described. Example 1 employs a structure called a self-cloning type, but the change in transmission loss derived from the photonic band structure that characterizes Example 1 can also be realized by a photonic crystal employing another structure.
他の重要な項目は、大面積のフォトニック結晶を容易に製造できることであり、これらを満たす周期構造として、自己クローニング型が最適である。 Another important item is that a large-area photonic crystal can be easily manufactured, and the self-cloning type is optimal as a periodic structure that satisfies these.
ここで、各材料の屈折率とユニットセルの形状から、図8と図9に示すバンド構造を有する。 Here, from the refractive index of each material and the shape of the unit cell, it has the band structure shown in FIGS.
尚、偶対称モードは電界強度分布が図10に示すように中心軸対称のモードで、反対称モードは図11に示すように中心軸に対して反対称になるモードをいう(非特許文献18参照)。 The even symmetric mode is a mode in which the electric field intensity distribution is symmetric with respect to the central axis as shown in FIG. 10, and the antisymmetric mode is a mode in which the electric field intensity distribution is antisymmetric with respect to the central axis as shown in FIG. reference).
解析には、有限差分時間領域法(FDTD法)を用いた計算プログラムを用いた。尚、フォトニック結晶の解析手法に関しては、非特許文献19に詳述されている。また、バンド構造の計算は周期数無限大の条件下で行う。 For the analysis, a calculation program using a finite difference time domain method (FDTD method) was used. The photonic crystal analysis method is described in detail in Non-Patent Document 19. The band structure is calculated under an infinite period.
ここで、実際に作製される自己クローニング型フォトニック結晶と図6のユニットセルは、実際に作製される自己クローニング型フォトニック結晶は頂点が僅かに曲線形状になるなど完全には一致しないが、実際に作製される自己クローニング型フォトニック結晶のなす近似形状のユニットセルを用いたバンド構造の計算結果と偶対称モードに由来する光学特性はほぼ完全に一致する。また、実際にはZ方向は14周期であるが、その条件下でも偶対称モードのバンド構造に由来する光学特性は計算結果とほぼ一致することが確かめられている。 Here, the self-cloning photonic crystal actually produced and the unit cell of FIG. 6 are not completely coincident with each other, such as the self-cloning photonic crystal actually produced has a slightly curved shape, The calculation results of the band structure using the unit cell of the approximate shape formed by the self-cloned photonic crystal actually produced and the optical characteristics derived from the even symmetric mode almost coincide. Actually, the Z direction is 14 periods, but it has been confirmed that the optical characteristics derived from the band structure of the even symmetric mode almost coincide with the calculation results even under such conditions.
以下、実施例1の2次元フォトニック結晶の測定データと比較データを示し、実施例1の効果を説明する。 Hereinafter, the measurement data and comparison data of the two-dimensional photonic crystal of Example 1 will be shown, and the effect of Example 1 will be described.
まず、方向について定義する。図12に示すように自己クローニング型2次元フォトニック結晶の膜に形成された溝と平行な方向をx方向、自己クローニング型2次元フォトニック結晶の膜に形成された溝と垂直な方向をy方向とする。 First, the direction is defined. As shown in FIG. 12, the direction parallel to the groove formed in the self-cloning type two-dimensional photonic crystal film is x direction, and the direction perpendicular to the groove formed in the self-cloning type two-dimensional photonic crystal film is y. The direction.
図13に、図1における2次元フォトニック結晶106を取り除き、2次元フォトニック結晶105をy軸回りを0度で固定し、x軸周りで0度(垂直入射)2度、5度、10度回転させた場合のTM偏波に対する透過損失波長特性を示す。図13を参照すると、垂直入射時は損失が無く、2度、5度では損失が増加していることがわかる。
In FIG. 13, the two-
図14に、図1における2次元フォトニック結晶106を取り除き、2次元フォトニック結晶105のみを用いた場合におけるx軸回りを10度で固定し、y軸周りで0度(垂直入射)2度、5度と回転させた場合のTM偏波に対する透過損失波長特性を示す。図14によれば、x軸回りの回転と組み合わせればy軸回りの回転の影響も表れ、かつ減衰量の調整に用いることができることがわかる。
In FIG. 14, when the two-
図15に、図1における2次元フォトニック結晶106を取り除き2次元フォトニック結晶105をx軸回りで2度、5度、10度で回転させ、y軸周りを2度で固定させた場合のTM偏波に対する透過損失波長特性を示す。
FIG. 15 shows a case where the two-
尚、2次元フォトニック結晶106をz軸周りで回転させることにより、1480nmから1560nmの全域に同量のTM偏波に対する透過損失を与えられる。これは、2次元フォトニック結晶106が偏光子としての機能をも有することに由来する。
Incidentally, by rotating the two-
以上のように、2次元フォトニック結晶に対して斜め入射することで、図16に示されるような反対称モードの存在する特定波長帯域のみに大きな減衰幅を持つ可変光減衰器が実現できることがわかる。 As described above, it is possible to realize a variable optical attenuator having a large attenuation width only in a specific wavelength band in which an antisymmetric mode exists as shown in FIG. 16 by obliquely entering the two-dimensional photonic crystal. Recognize.
また、透過損失の発生状況を調べるため積分球による測定を行ったところ、図17に示すようにTM偏波に対する透過損失増加分に見合う量の反射光の増加と、散乱光及び回折光に類似した伝搬方向の異常なビームの発生が認められた。以降、この散乱光及び回折光に類似した伝搬方向の異常なビームをまとめて、光軸外への放射と呼ぶ。 Further, when measurement was performed with an integrating sphere to examine the occurrence of transmission loss, as shown in FIG. 17, an increase in the amount of reflected light commensurate with the increase in transmission loss with respect to the TM polarization, and similar to scattered light and diffracted light. The generation of abnormal beams in the propagation direction was observed. Hereinafter, the abnormal beams in the propagation direction similar to the scattered light and diffracted light are collectively referred to as emission to the outside of the optical axis.
前述の入射角依存性について、バンド構造から説明する。図18は、x軸回りで10度斜め入射した場合のバンド図であり、垂直入射時の反対称モード波長の存在波長域にバンドギャップが存在することがわかる。しかし、バンド構造は周期数無限で定義されるので14周期ではバンドギャップは開ききらず、入射光の一部成分は群速度の低下に伴い散乱して、結果として前述の特性になると考えられている。 The aforementioned incident angle dependency will be described from the band structure. FIG. 18 is a band diagram when the incident angle is 10 degrees around the x-axis, and it can be seen that a band gap exists in the wavelength range of the antisymmetric mode wavelength at the time of vertical incidence. However, since the band structure is defined with an infinite number of periods, the band gap is not fully opened in 14 periods, and some components of incident light are scattered as the group velocity decreases, resulting in the aforementioned characteristics. .
図19に、図1における2次元フォトニック結晶105を取り除き2次元フォトニック結晶106をx軸回りで5度、10度、15度で回転させ、y軸周りを5度で固定させた場合のTM偏波に対する透過損失波長特性を示す。2次元フォトニック結晶106は2次元フォトニック結晶105と同一の基板上にa−Si:Hを220nm、SiO2を330nmの厚さで交互に14周期積層してある。図19からフォトニック結晶の厚さ方向の構成によって反対称モード波長を変えることができることがわかる。
FIG. 19 shows a case where the two-
さらに、同一入射角において、図20に示すようにフォトニック結晶の周期数によって透過損失が変化する。図20は、X方向の周期が230nmで屈折率約2.4の材料と屈折率約1.5の材料からなる2次元フォトニック結晶における同一基板上に連続して積層した12周期と55周期での入射角5度におけるTM偏波に対する透過率である。 Furthermore, at the same incident angle, the transmission loss varies depending on the number of periods of the photonic crystal as shown in FIG. FIG. 20 shows 12 cycles and 55 cycles of a two-dimensional photonic crystal composed of a material having a refractive index of about 2.4 and a refractive index of about 1.5 and a layer having a refractive index of about 1.5 and a thickness of 230 nm. The transmittance with respect to TM polarization at an incident angle of 5 degrees.
図20からも明らかなように、周期数を増やすことによって、反対称モードが存在する波長の透過損失を増大させることができる。 As is apparent from FIG. 20, the transmission loss of the wavelength where the antisymmetric mode exists can be increased by increasing the number of periods.
次に、複数枚のフォトニック結晶を用いた光減衰器の原理について説明する。数nmの波長範囲の減衰を受け持つフォトニック結晶を複数種直列に配置し、各々独立に入射角を調整することで広い波長範囲に亘って、減衰曲線をほぼ自由に調整できる。例えば、図21に示すようにエルビウムドープ光ファイバアンプのゲインカーブを補正する減衰曲線も得られる。 Next, the principle of an optical attenuator using a plurality of photonic crystals will be described. By arranging a plurality of types of photonic crystals having attenuation in the wavelength range of several nm in series and independently adjusting the incident angle, the attenuation curve can be adjusted almost freely over a wide wavelength range. For example, as shown in FIG. 21, an attenuation curve for correcting the gain curve of an erbium-doped optical fiber amplifier is also obtained.
図22および図23に、図1記載の光減衰器の代表的な特性を示す。図22は、2次元フォトニック結晶105をy軸回り5度、x軸回り15度回転させ、2次元フォトニック結晶106をy軸回り2度、x軸回り10度回転させた場合の透過損失波長依存性2201と2次元フォトニック結晶105をy軸回り5度、x軸回り0度回転させ、2次元フォトニック結晶106をy軸回り2度、x軸回り0度回転させた場合のTM偏波に対する透過損失波長依存性2202である。後者の場合はほぼ損失なくフラットで、前者の場合は各々の2次元フォトニック結晶の透過損失の足しあわせの特性が得られている。
22 and 23 show typical characteristics of the optical attenuator shown in FIG. FIG. 22 shows transmission loss when the two-
図23は、2次元フォトニック結晶105をy軸回り5度、x軸回り5度回転させ、2次元フォトニック結晶106をy軸回り2度、x軸回り10度回転させた場合の透過損失波長依存性2301と、2次元フォトニック結晶105をy軸回り5度、x軸回り10度回転させ、2次元フォトニック結晶106をy軸回り2度、x軸回り5度回転させた場合のTM偏波に対する透過損失波長依存性2302である。いずれも各々の2次元フォトニック結晶の透過損失の足しあわせの特性が得られている。
FIG. 23 shows transmission loss when the two-
本発明の実施例2を、図24を用いて説明する。 A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
図24は、シングルモード光ファイバ2401およびレンズ2402からなるファイバコリメータと、シングルモード光ファイバ2412およびレンズ2411からなるファイバコリメータとによる光結合系と、2次元フォトニック結晶2406および2407ならびに偏波状態制御手段とからなる可変光減衰器の模式図である。フォトニック結晶2406および2407は、実施例1のフォトニック結晶105および106と同じである。
FIG. 24 illustrates an optical coupling system including a fiber collimator including a single mode optical fiber 2401 and a
実施例2の特徴は、入射偏波状態に減衰特性が依存しない可変光減衰器であることである。 The feature of the second embodiment is that it is a variable optical attenuator whose attenuation characteristic does not depend on the incident polarization state.
図24の構成の動作について説明する。シングルモード光ファイバ2401からランダムな偏波状態の光が射出した後にレンズ2402で平行ビームに変換される。次いで、ウォークオフ結晶偏光分離素子2403で直交する2つの偏光のビームに分離され、c軸の向きが互いに45度異なる1/2波長板2404、1/2波長板2405で2つのビームの偏波状態が2次元フォトニック結晶2406および2次元フォトニック結晶2407に対するTM偏波に変換される。次いで、2次元フォトニック結晶2406および2次元フォトニック結晶2407で各々の特性に応じた減衰量が与えられた後に、c軸の向きが互いに45度異なる1/2波長板2408および1/2波長板2409で2つのビームの持つ偏波状態が直交する偏波状態に変換され、ウォークオフ結晶偏光分離素子2410で偏波合成されてレンズ2411を経てシングルモード光ファイバ2412に入射し出力される。このような「偏光分離→偏波変換(2つの同一偏波状態を有するビーム)→偏光依存性を有する何らかの過程→偏波変換(2つの互いに直交する偏波状態を有するビーム)→偏光合成」という過程は、特許文献4において、偏光無依存デバイスを実現する手段として開示されている。
The operation of the configuration of FIG. 24 will be described. After light in a randomly polarized state is emitted from the single mode optical fiber 2401, it is converted into a parallel beam by the
実際の光通信で可変光減衰器を必要とする構成では、経路にはランダムな偏波状態で光が伝搬するため、実施例2のように偏光無依存化が必要であり、実施例2の構成は、簡素でありながらPDL(損失の偏光依存性)を容易に0.1dB以下に抑制できる。 In a configuration that requires a variable optical attenuator in actual optical communication, light propagates in a random polarization state in the path, so that polarization independence is necessary as in the second embodiment. Although the configuration is simple, PDL (polarization dependence of loss) can be easily suppressed to 0.1 dB or less.
本発明の実施例3を、図25を用いて説明する。 A third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
図25は、シングルモード光ファイバ2501とレンズ2502とからなるファイバコリメータと、シングルモード光ファイバ2508とレンズ2507とからなるファイバコリメータと、3次元フォトニック結晶2503〜2506とを有する可変光減衰器である。
FIG. 25 shows a variable optical attenuator having a fiber collimator including a single mode optical fiber 2501 and a
実施例3の特徴は、図26に示すような自己クローニング型3次元フォトニック結晶を用いることで、入射偏波状態に減衰特性が依存しない可変光減衰器であることである。また、3次元フォトニック結晶の場合は回転軸を、図27のようにフォトニック結晶の凹凸に対して45度にする。 A feature of the third embodiment is that it is a variable optical attenuator whose attenuation characteristic does not depend on the incident polarization state by using a self-cloning type three-dimensional photonic crystal as shown in FIG. In the case of a three-dimensional photonic crystal, the rotation axis is set to 45 degrees with respect to the unevenness of the photonic crystal as shown in FIG.
2次元フォトニック結晶の場合は偏波依存性が大きいが、3次元フォトニック結晶の場合は正方格子型であれば偏波依存性がほぼキャンセルされる。実施例3は実施例2に比べより簡素な構成であり、低価格化に適する。 In the case of a two-dimensional photonic crystal, the polarization dependency is large, but in the case of a three-dimensional photonic crystal, the polarization dependency is almost canceled if it is a square lattice type. The third embodiment has a simpler configuration than that of the second embodiment, and is suitable for reducing the price.
本発明の実施例4を、図28(a)および(b)を用いて説明する。 A fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 28 (a) and 28 (b).
図28(a)および(b)は、光入射および出射ポートをなすファイバコリメータ2801および2082と、2次元フォトニック結晶2813〜2817と、各2次元フォトニック結晶対する回転機構であるステッピングモータ2818〜2822と、ルチルウォークオフ結晶偏光分離素子2804および2810と、水晶1/2波長板2805、2806、2808、および2809と、2次元フォトニック結晶偏光分離素子2807と、PMD補償板2803および2811と、光スペクトラムアナライザ2812とからなる可変光減衰器の構成例を示す側面図および平面図である。
FIGS. 28A and 28B show fiber collimators 2801 and 2082 that form light incident and output ports, two-dimensional photonic crystals 2813 to 2817, and stepping motors 2818 to 28 that are rotation mechanisms for the respective two-dimensional photonic crystals. 2822, rutile walk-off crystal
実施例4では、「偏波分散付与→偏光分離→偏波変換(2つの同一偏波状態を有するビーム)→2次元フォトニック結晶の回転機構による特定波長の可変減衰機構→反射(一部透過)→偏波分散補償→2次元フォトニック結晶の回転機構による特定波長の可変減衰機構→偏波変換(2つの互いに直交する偏波状態を有するビーム)→偏光合成→偏波分散補償」の過程を行っている。 In Example 4, “polarization dispersion imparting → polarization separation → polarization conversion (two beams having the same polarization state) → variable attenuation mechanism of a specific wavelength by the rotation mechanism of a two-dimensional photonic crystal → reflection (partial transmission) ) → Polarization dispersion compensation → Variable attenuation mechanism of specific wavelength by rotation mechanism of two-dimensional photonic crystal → Polarization conversion (two beams having two orthogonal polarization states) → Polarization synthesis → Polarization dispersion compensation ” It is carried out.
また、前記一部透過成分は、別経路で、「偏波変換(2つの互いに直交する偏波状態を有するビーム)→偏光合成→偏波分散補償」の過程を経て、光スペクトラムアナライザ2812に入射する。 In addition, the partially transmitted component is incident on the optical spectrum analyzer 2812 through a process of “polarization conversion (two beams having polarization states orthogonal to each other) → polarization synthesis → polarization dispersion compensation” on another path. To do.
実施例4の特徴は、反射機構によりフォトニック結晶による光減衰機構を2度透過させることで、同一のフォトニック結晶を用いる場合はより小さい入射角で必要とする光減衰量を得られることにある。また、前記反射機構として2次元フォトニック結晶偏光分離素子2807を用いており、入射光の偏波方向と2次元フォトニック結晶偏光子の軸方向の間になす角度を選択することにより透過率と反射率を選択できる。 The feature of the fourth embodiment is that the light attenuation mechanism by the photonic crystal is transmitted twice by the reflection mechanism, so that the required light attenuation can be obtained at a smaller incident angle when the same photonic crystal is used. is there. Further, a two-dimensional photonic crystal polarization separation element 2807 is used as the reflection mechanism, and the transmittance and the transmittance can be selected by selecting an angle formed between the polarization direction of incident light and the axial direction of the two-dimensional photonic crystal polarizer. Reflectivity can be selected.
さらに、引き回しスペースが必要になるファイバコリメータ2801およびファイバコリメータ2802を一方に配置することにより省スペース化の効果もある。
Further, by arranging the fiber collimator 2801 and the
また、2次元フォトニック結晶2813〜2817はそれぞれ、x方向の周期が異なり、かつ膜の厚さが共通の5種類の2次元フォトニック結晶であり、それぞれが約8nmから12nmの範囲の減衰を受け持ち、光通信のCバンド帯(1525nm〜1565nm)全体をカバーする。膜厚構成が共通でx方向の周期が異なる場合に反対称モード波長がシフトすることは非特許文献20に開示されており、同時に4種類のフォトニック結晶を同時に積層することにより、z方向の周期、各層の屈折率およびユニットセルの頂点の角度は共通になるため、4種類のフォトニック結晶の反対称モード波長の間隔を一定範囲内に納めることが容易になり、4種類のフォトニック結晶を別々に作製する場合に比べ低コストになる。
The two-dimensional photonic crystals 2813 to 2817 are five types of two-dimensional photonic crystals having different periods in the x direction and having a common film thickness, and each has an attenuation of about 8 nm to 12 nm. Covers the entire C band of optical communication (1525 nm to 1565 nm). It is disclosed in
また、1535nm近傍に反対称モードを有するフォトニック結晶のみ2枚使用される。1535nmは、エルビウムドーム光ファイバアンプのゲインのピークがある。 Only two photonic crystals having an antisymmetric mode near 1535 nm are used. 1535 nm has a gain peak of the erbium dome optical fiber amplifier.
2次元フォトニック結晶2813はx方向の周期が516nm、2次元フォトニック結晶2814はx方向の周期が518nm、2次元フォトニック結晶2815はx方向の周期が520nm、2次元フォトニック結晶2816はx方向の周期が522nm、2次元フォトニック結晶2817はx方向の周期が524nmで、周期構造をなすSiO2層の厚さは330nmでa−Si:H層は210nmである。
The two-dimensional photonic crystal 2813 has an x-direction period of 516 nm, the two-
また、フォトニック結晶偏光分離素子2807は、フォトニック結晶2813と同じものが使用できる。ただし、入射光ビームは垂直入射するため反対称モードによる光減衰は生じない。 Further, the same photonic crystal 2813 as the photonic crystal polarization separation element 2807 can be used. However, since the incident light beam is perpendicularly incident, optical attenuation due to the antisymmetric mode does not occur.
また、図28には記載されていないが、筐体とステッピングモータ2818〜2822に対する制御基板、筐体等が加えられる。 Although not shown in FIG. 28, a control board, a case, and the like for the case and the stepping motors 2818 to 2822 are added.
本発明の実施例5を、図29を用いて説明する。 A fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
図29は、フォトニック結晶に対する回転機構と筐体2902を含む可変光減衰器の構成例を示す図である。基本的な構成は実施例2と同様であり、タップカプラ2909と、光スペクトラムアナライザ2911とが加えられている。また、2次元フォトニック結晶およびステッピングモータは、図28記載の可変光減衰器と同じものが用いられている。
FIG. 29 is a diagram illustrating a configuration example of a variable optical attenuator including a rotation mechanism for a photonic crystal and a
次に、2次元フォトニック結晶に対する入射角を可変にする機構について説明する。 Next, a mechanism for changing the incident angle with respect to the two-dimensional photonic crystal will be described.
2次元フォトニック結晶2812〜2816をステッピングモータ2817〜2821に連結し回転させる。ステッピングモータの回転角は制御基板を介したコンピュータにより調整する。減衰量の調整は、光スペクトラムアナライザ2911の検出結果からコンピュータ2913内に予め各フォトニック結晶の回転角(またはステッピングモータの回転量)をコンピュータ2913の記録域に記録したデータテーブルを選択し、コンピュータ2913から制御基板2912に命令を送信して行う。 Two-dimensional photonic crystals 2812 to 2816 are connected to stepping motors 2817 to 2821 and rotated. The rotation angle of the stepping motor is adjusted by a computer via a control board. The attenuation is adjusted by selecting a data table in which the rotation angle of each photonic crystal (or the rotation amount of the stepping motor) is recorded in the recording area of the computer 2913 in advance in the computer 2913 from the detection result of the optical spectrum analyzer 2911. An instruction is transmitted from 2913 to the control board 2912.
実施例5では、ステッピングモータ2817〜2821を用いたが、これは、移動量が大きいことと、半固定動作が可能であるため、移動時以外電力を消費しない点で優れているからである。本発明のフォトニック結晶の反対称モードを利用した光減衰器は、入射角度精度の要求精度が小さく、また、入射角度以外の例えばフォトニック結晶の位置ずれによる損失がほぼ発生しないため、低精度のステッピングモータで十分である。また、ロータリーエンコーダで回転角検出することが必要であるものの、サーボモータをも使用できる。 In the fifth embodiment, the stepping motors 2817 to 2821 are used because the movement amount is large and a semi-fixed operation is possible, which is excellent in that power is not consumed except during movement. The optical attenuator using the antisymmetric mode of the photonic crystal according to the present invention has a low required accuracy of the incident angle accuracy, and the loss due to the misalignment of the photonic crystal other than the incident angle hardly occurs. The stepping motor is sufficient. Moreover, although it is necessary to detect a rotation angle with a rotary encoder, a servo motor can also be used.
本発明の実施例6を、図30〜32を用いて説明する。 A sixth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
図30は、2次元フォトニック結晶105に対してy軸周りに10度斜めから入射した場合のバンド図であり、図9においてTE偏波の反対称モードのバンドが存在した波長にTE偏波のバンドが存在する。
FIG. 30 is a band diagram when the two-
ここで、波長1.45μm近傍のTE偏波のバンドは図9におけるTE偏波の反対称モードに由来し、かつ波長1.3μm以上に存在するTM偏波のモードは図8におけるTM偏波の偶対称モードに由来する。 Here, the TE polarization band in the vicinity of the wavelength of 1.45 μm is derived from the antisymmetric mode of the TE polarization in FIG. 9, and the TM polarization mode existing in the wavelength of 1.3 μm or more is the TM polarization in FIG. Derived from the even symmetry mode.
前記の図30における波長1.45μm近傍のTE偏波のバンドは、外部平面波で励振することが可能である。また、波長1.3μmから波長1.6μmの範囲では波長1.45μmを除いてTE偏波に対するバンドギャップが存在するため、TE偏波は、波長1.3μmから波長1.6μmの範囲では、波長1.45μmを除いてほぼ全て反射する。その実例を図31に示す。 The TE polarized band near the wavelength of 1.45 μm in FIG. 30 can be excited by an external plane wave. In addition, since there is a band gap with respect to the TE polarized wave except for the wavelength of 1.45 μm in the wavelength range of 1.3 μm to 1.6 μm, the TE polarized wave has a wavelength range of 1.3 μm to 1.6 μm. Most of the light is reflected except for a wavelength of 1.45 μm. An example is shown in FIG.
図31は、2次元フォトニック結晶105に対してy軸周りに10度斜めからTE偏波を入射した場合の透過率,反射率,その他の軸外への放射(散乱回折を含む)の測定データである。反対称モードの存在する波長が1520nm近傍とバンド図とずれているが、これは、a−Si:H膜の屈折率がバンド図の計算に用いた値からずれているためである。図31によれば、1520nm近傍のみ透過率が上昇し、反射率が減少し、かつ軸外への放射が生じている。また、前記の軸外への放射は入射角が大きくなるに従い増加する。
FIG. 31 shows measurement of transmittance, reflectance, and other off-axis radiation (including scattering diffraction) when TE polarized light is incident on the two-
尚、y軸周りに斜めからTM偏波を入射した場合には、バンド構造からも推察できるように、透過損失に変化はほぼ生じない。 Note that when TM polarized light is incident obliquely around the y-axis, there is almost no change in transmission loss, as can be inferred from the band structure.
図32は、ファイバコリメータ3201および3202による光結合系と、2次元フォトニック結晶3203〜3206とからなる可変光減衰器の模式図である。特に、図32(a)は各2次元フォトニック結晶に対する入射角が10度、図32(b)は各2次元フォトニック結晶に対する入射角が15度の場合を示す。 FIG. 32 is a schematic diagram of a variable optical attenuator including an optical coupling system using fiber collimators 3201 and 3202 and two-dimensional photonic crystals 3203 to 3206. In particular, FIG. 32A shows a case where the incident angle to each two-dimensional photonic crystal is 10 degrees, and FIG. 32B shows a case where the incident angle to each two-dimensional photonic crystal is 15 degrees.
図32記載の可変光減衰器の特徴は、フォトニック結晶のバンドギャップによる反射光を利用する点にある。 The feature of the variable optical attenuator shown in FIG. 32 is that the reflected light due to the band gap of the photonic crystal is used.
図32の構成の動作について説明する。ファイバコリメータ3201から出射したコリメートビームは、2次元フォトニック結晶3203〜3206に対して垂直入射時にはTE偏波なる偏波状態である。 The operation of the configuration of FIG. 32 will be described. The collimated beam emitted from the fiber collimator 3201 is in a polarization state of TE polarization when perpendicularly incident on the two-dimensional photonic crystals 3203 to 3206.
まず、2次元フォトニック結晶3203に入射した光は、反対称モードの存在する波長で一部が透過、散乱等で失われるが、それ以外は反射する。次いで、同様に2次元フォトニック結晶3204〜3206で反射してファイバコリメータ3202に至る。ここで、2次元フォトニック結晶3203〜3206に対する入射角が全て同じであれば、その入射角を変更した場合でも光はファイバコリメータ3202に至るため、可変光減衰器としての動作が可能である。
First, a part of the light incident on the two-dimensional photonic crystal 3203 is lost due to transmission, scattering or the like at a wavelength at which the antisymmetric mode exists, but the other part is reflected. Next, the light is reflected by the two-
以上幾つかの実施例によって本発明を説明してきたが、本発明は、その請求の範囲内において種々に変形可能であることは、当業者にとっては明らかなことである。 While the present invention has been described in terms of several embodiments, it will be apparent to those skilled in the art that the present invention can be variously modified within the scope of the claims.
101 光ファイバ
102 1/4波長板
103 1/2波長板
104 レンズ
105、106 2次元フォトニック結晶
107 レンズ
108 光ファイバ
401 基板
402、502、504 SiO2膜
501、503、505 a−Si:H膜
2401 シングルモード光ファイバ
2402 レンズ
2403、2410 ウォークオフ結晶偏光分離素子
2404、2405、2408、2409 1/2波長板
2406、2407 2次元フォトニック結晶
2411 レンズ
2412、2501 シングルモード光ファイバ
2502 レンズ
2503〜2506 3次元フォトニック結晶
2507 レンズ
2508 シングルモード光ファイバ
2801、2802 ファイバコリメータ
2803、2811 PMD補償板
2804、2810 ルチルウォークオフ結晶偏光分離素子
2805、2806、2808、2809 1/2波長板
2807 2次元フォトニック結晶偏光分離素子
2812、2911 光スペクトラムアナライザ
2813〜2817 2次元フォトニック結晶
2818〜2822 ステッピングモータ
2901 ファイバコリメータ
2902 筐体
2903、2908 ウォークオフ結晶偏光分離素子
2904〜2907 1/2波長板
2909 タップカプラ
2910 ファイバコリメータ
2912 制御基板
2913 コンピュータ
3201、3202 ファイバコリメータ
3203〜3206 2次元フォトニック結晶
101 optical fiber 102 quarter-
Claims (12)
前記周期構造体は、当該周期が、3次元の直交座標x,y,zにおいて、x,z方向の二方向もしくはx,y,z方向の三方向に存在していると共に、前記z方向に延びる軸を含む対称面に対して電磁界分布が反対称であるモードを呈することが可能であり、
前記周期構造体への非エバネッセントな入射光は、前記z方向に対して0°よりも大きい入射角で入射され、
前記周期構造体は、前記入射光のうちの前記電磁界分布が反対称である前記モードの存在する波長の光に、透過損失または反射損失を与えることを特徴とする光デバイス。 It is composed of two or more types of media, has a periodic structure having a refractive index periodic structure, and a photon band structure,
In the periodic structure, in the three-dimensional orthogonal coordinates x, y, and z, the period exists in two directions in the x and z directions or three directions in the x, y, and z directions, and in the z direction. It is possible to exhibit a mode in which the electromagnetic field distribution is antisymmetric with respect to a symmetry plane including the extending axis,
Non-evanescent incident light on the periodic structure is incident at an incident angle greater than 0 ° with respect to the z direction,
The optical device according to claim 1, wherein the periodic structure gives a transmission loss or a reflection loss to light having a wavelength in which the electromagnetic field distribution of the incident light is antisymmetric.
前記周期構造体は、当該周期が、3次元の直交座標x,y,zにおいて、x,z方向の二方向もしくはx,y,z方向の三方向に存在していると共に、前記z方向に延びる軸を含む対称面に対して電磁界分布が反対称であるモードを呈することが可能であり、
前記周期構造体への非エバネッセントな入射光は、前記z方向に対して0°よりも大きい入射角で入射され、
前記周期構造体は、前記入射光のうちの前記電磁界分布が反対称である前記モードの存在する波長の光に、直交する偏波のうちの少なくとも一方に対する実効的なフォトンのバンドギャップを生じさせることを特徴とする光デバイス。 It is composed of two or more types of media, has a periodic structure having a refractive index periodic structure, and a photon band structure,
In the periodic structure, in the three-dimensional orthogonal coordinates x, y, and z, the period exists in two directions in the x and z directions or three directions in the x, y, and z directions, and in the z direction. It is possible to exhibit a mode in which the electromagnetic field distribution is antisymmetric with respect to a symmetry plane including the extending axis,
Non-evanescent incident light on the periodic structure is incident at an incident angle greater than 0 ° with respect to the z direction,
The periodic structure generates an effective photon bandgap for at least one of orthogonally polarized waves in the light having a wavelength in which the electromagnetic field distribution of the incident light is antisymmetric. An optical device characterized in that
前記周期構造体には、互いに実質的に同一の偏光状態を持つ2つのビームが入射される請求項1乃至5のいずれか1つに記載の光デバイス。 A polarization separation element and a polarization rotator disposed on the light incident side of the periodic structure;
The optical device according to claim 1, wherein two beams having substantially the same polarization state are incident on the periodic structure.
各前記周期構造体に対する入射角がx方向,y方向,z方向を軸に独立に制御可能である請求項7乃至請求項9のいずれか1つに記載の光デバイス。 The incident angle of light with respect to the plurality of periodic structures can be independently controlled, and
The optical device according to any one of claims 7 to 9, wherein an incident angle with respect to each of the periodic structures can be independently controlled with respect to the x direction, the y direction, and the z direction.
前記フォトニック結晶体のフォトンのバンド構造における反対称モードを、該フォトニック結晶体への非エバネッセントな入射光を斜めに入射することによって励振することにより、下記Aおよび/または下記B:
(A)入射光のうちの反対称モードの存在する波長の光に、透過損失または反射損失を生じさせる
(B)入射光のうちの反対称モードの存在する波長の光に、直交する偏波のうちの少なくとも一方に対する実効的な光波のバンドギャップを生じさせる
をなすことを特徴とする光制御方法。 Using photonic crystals,
By exciting the antisymmetric mode in the photonic crystal structure of the photonic crystal body by obliquely incident non-evanescent incident light on the photonic crystal body, the following A and / or B:
(A) Transmission loss or reflection loss is caused in the light having the antisymmetric mode in the incident light. (B) Polarization orthogonal to the light having the antisymmetric mode in the incident light. An effective light wave band gap for at least one of the above is generated.
By using a photonic crystal body having a predetermined photon band structure and a predetermined incident light, a relative angle of the incident light with respect to the photonic crystal body is changed to thereby change the incident light. A light control method characterized by changing transmission loss or reflection loss.
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