JP2007017494A - Photonic crystal waveguide - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はフォトニック結晶導波路に関し、特に、二次元フォトニック結晶を用いたフォトニック結晶導波路に関するものである。 The present invention relates to a photonic crystal waveguide, and more particularly to a photonic crystal waveguide using a two-dimensional photonic crystal.
近年、通信需要の爆発的な増加に伴ってネットワークの伝送速度は飛躍的に増大し、従来は導線によるネットワークが構築されてきた加入者系においても、光によるネットワークの構築が進んでいる。加入者系における光によるネットワーク構築には、通信機器のコストの低減や小型化のために、通信機器内部で用いられる光部品の小型化や高集積化が求められており、そのための研究開発が急速に進んでいる。 In recent years, with the explosive increase in communication demand, the transmission speed of networks has increased dramatically, and the construction of optical networks is progressing even in subscriber systems that have been constructed with conventional conductor networks. In order to reduce the cost and reduce the size of communication equipment, it is necessary to reduce the size and increase the integration of optical components used inside the communication equipment. Progressing rapidly.
このような光部品を構成する基本構造である導波路としては、たとえばフォトニック結晶を用いたフォトニック結晶導波路がある。フォトニック結晶とは、屈折率の異なる2種類の材料を光の波長と同程度の周期で並べた構造体のことである。この構造体では、電子が固体結晶における周期的ポテンシャル分布により反射されて、電子のエネルギーに対するバンド構造が形成されるのと同様に、光子が周期的な屈折率分布により反射されて、光子のエネルギーに対するバンド構造が形成される。このバンド構造はフォトニックバンドギャップ(PBG:Photonic Band Gap)と呼ばれる。 As a waveguide which is a basic structure constituting such an optical component, for example, there is a photonic crystal waveguide using a photonic crystal. A photonic crystal is a structure in which two types of materials having different refractive indexes are arranged with a period similar to the wavelength of light. In this structure, the electrons are reflected by the periodic potential distribution in the solid crystal to form a band structure with respect to the energy of the electrons. Is formed. This band structure is called a photonic band gap (PBG).
フォトニック結晶は、このフォトニックバンドギャップを含め、異方性および分散性という応用上3つの重要な特長を有している。フォトニック結晶導波路では、フォトニック結晶のこれらの特長を生かして、低損失を図り、媒質との高い相互作用が得られる構造が検討されてきた。 The photonic crystal has three important features in terms of anisotropy and dispersibility, including the photonic band gap. For photonic crystal waveguides, a structure has been studied that makes use of these features of photonic crystals to achieve low loss and high interaction with a medium.
ところが、フォトニック結晶導波路では、入射端部および出射端部におけるフォトニック結晶導波路の屈折率がフォトニック結晶導波路の外部の媒質の屈折率と異なるため、フォトニック結晶導波路に外部から信号光を入射させる場合やフォトニック結晶導波路から外部へ出射させる場合には、その屈折率の差により境界面で反射損失が生じることになる。一般に、この反射損失を含めてすべての損失は伝送される信号光の波形の劣化を招くことになるため、信号光をエラー無しで伝送するには反射損失を低減することが重要となる。この反射損失は屈折率の差が大きいほど大きくなる。 However, in the photonic crystal waveguide, the refractive index of the photonic crystal waveguide at the entrance end and the exit end is different from the refractive index of the medium outside the photonic crystal waveguide. When signal light is incident or emitted from the photonic crystal waveguide to the outside, reflection loss occurs at the boundary surface due to the difference in refractive index. In general, all the losses including the reflection loss cause deterioration of the waveform of the transmitted signal light. Therefore, it is important to reduce the reflection loss in order to transmit the signal light without error. This reflection loss increases as the difference in refractive index increases.
したがって、空気中からフォトニック結晶導波路に信号光を入射させたり、フォトニック結晶導波路から外部の空気中へ信号光を出射させたりして、入出力を行なう場合には、フォトニック結晶導波路を構成する媒質の屈折率と空気の屈折率との差が非常に大きくなり、この反射損失は大きな問題となる。たとえば特許文献1および特許文献2には、このような反射損失を低減するための手法が提案されている。
Therefore, when inputting / outputting signal light from the air to the photonic crystal waveguide or emitting signal light from the photonic crystal waveguide to the outside air, the photonic crystal guide is used. The difference between the refractive index of the medium constituting the waveguide and the refractive index of air becomes very large, and this reflection loss becomes a serious problem. For example,
特許文献1では、フォトニック結晶導波路の入射端部および出射端部に、フォトニック結晶からなる反射防止層が設けられている。反射防止層の厚さおよび有効屈折率を、反射防止層の前面と後面で生じる各々の反射波が互いに干渉して打ち消し合うように設定することによって、反射損失を低減している。なお、この反射防止層の厚さとは、信号光の伝播方向の厚さをいう。
In
また、特許文献2では、フォトニック結晶導波路として、周期構造が形成された2次元フォトニック結晶構造に線欠陥が導入された線欠陥導波路が用いられ、この線欠陥導波路に細線導波路を介して信号光を入射させる構造が提案されている。この場合、細線導波路と線欠陥導波路の境界面において反射損失が生じる。そのため、この反射損失を低減するために、細線導波路と線欠陥導波路との接続部分付近の線欠陥の両脇の形状を円を直線で切り取った形状とし、フォトニック結晶導波路の奥に入るにしたがってその切り取る面積を小さくしている。
しかしながら、従来のフォトニック結晶導波路では次のような問題点があった。まず、特許文献1におけるフォトニック結晶導波路では、干渉によって反射波が打ち消されるようにフォトニック結晶からなる反射防止層の有効屈折率と厚さとを設定する必要がある。ところが、フォトニック結晶は周期的な構造を有しているため、厚さはこの単位周期の整数倍であることが必要となり、このため反射を完全に無くすための条件となる厚さを設定できない。このように、反射防止層が所望の厚さに設定されていない場合は、反射損失を十分に低減することができないという問題があった。
However, the conventional photonic crystal waveguide has the following problems. First, in the photonic crystal waveguide in
また、特許文献2におけるフォトニック結晶導波路では、線欠陥導波路に信号光を入射させるための細線導波路に関しては、反射損失を低減するための構造を備えていない。このため、細線導波路に信号光が入射する際に、信号光は大きな反射損失を受けてしまうとう問題がある。このように、従来のフォトニック結晶導波路では、反射損失を十分に抑えることができないという問題があった。
In addition, the photonic crystal waveguide disclosed in
本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、反射損失の低減が十分に図られるフォトニック結晶導波路を提供することである。 The present invention has been made to solve such problems, and an object of the present invention is to provide a photonic crystal waveguide in which reflection loss can be sufficiently reduced.
本発明に係るフォトニック結晶導波路は、所定の信号光を入射させる入射端部と入射して伝播した信号光を出射する出射端部とを有するフォトニック結晶部材を用いたフォトニック結晶導波路であって、フォトニック結晶部材に周期的に配置された複数の空孔を備えている。その複数の空孔は、入射端部から信号光の伝播方向に沿って空孔の開口面積が徐々に異なるように形成された一連の第1空孔を含んでいる。 The photonic crystal waveguide according to the present invention is a photonic crystal waveguide using a photonic crystal member having an incident end portion for inputting predetermined signal light and an output end portion for emitting signal light that has entered and propagated. And it is provided with a plurality of holes periodically arranged in the photonic crystal member. The plurality of holes include a series of first holes formed so that the opening areas of the holes gradually differ from the incident end along the propagation direction of the signal light.
この構造によれば、入射端部から信号光の伝播方向に沿って空孔の開口面積が徐々に異なるように一連の第1空孔が形成されていることによって、フォトニック結晶導波路の外部から入射してフォトニック結晶導波路を伝播する信号光に対して、信号光が伝播するにしたがって屈折率を徐々に異ならせることができる。これにより、外部と入射端部との境界において、外部の屈折率とフォトニック結晶導波路の入射端部側の屈折率との差をより縮めることができ、その結果、外部と入射端部との境界における反射損失をより低減することができる。 According to this structure, the series of first holes are formed so that the opening area of the holes gradually varies along the propagation direction of the signal light from the incident end, so that the outside of the photonic crystal waveguide is formed. The refractive index can be gradually changed as the signal light propagates with respect to the signal light that is incident on and propagates through the photonic crystal waveguide. Thereby, at the boundary between the outside and the incident end, the difference between the external refractive index and the refractive index on the incident end side of the photonic crystal waveguide can be further reduced. The reflection loss at the boundary can be further reduced.
また、複数の空孔は、出射端部に向かって伝播する信号光の伝播方向に沿って空孔の開口面積が徐々に異なるように形成された一連の第2空孔を含んでいることが好ましい。 The plurality of holes may include a series of second holes formed such that the opening areas of the holes gradually differ along the propagation direction of the signal light propagating toward the emission end. preferable.
この場合には、フォトニック結晶導波路を出射端部に向かって伝播する信号光に対して、信号光が伝播するにしたがって屈折率を徐々に異ならせることができる。これにより、フォトニック結晶導波路の出射端部の屈折率と外部の屈折率との差をより縮めることができ、その結果、出射端部と外部との境界における反射損失をより低減することができる。 In this case, with respect to the signal light propagating through the photonic crystal waveguide toward the emission end, the refractive index can be gradually changed as the signal light propagates. As a result, the difference between the refractive index of the exit end of the photonic crystal waveguide and the external refractive index can be further reduced, and as a result, the reflection loss at the boundary between the exit end and the outside can be further reduced. it can.
外部が屈折率1の空気の場合に、外部と入射側端部との界面における屈折率の差を小さくするとともに、出射側端部と外部との界面における屈折率の差を小さくするには、フォトニック結晶部材は、信号光の入射側と出射側にそれぞれ配設される1対の第1の導波路領域と、1対の第1の導波路領域によって挟まれるように配設された第2の導波路領域とを含み、一連の第1空孔は1対の第1の導波路領域のうちの一方の第1の導波路領域に配置されて、入射端部から第2の導波路領域に向かって一連の第1空孔の開口面積が徐々に小さくなるように設定され、一連の第2空孔は1対の第1の導波路領域のうちの他方の第1の導波路領域に配置され、第2の導波路領域から出射端部に向かって一連の第2空孔の開口面積が徐々に大きくなるように設定されていることが好ましい。 When the outside is air having a refractive index of 1, in order to reduce the difference in refractive index at the interface between the outside and the incident side end, and to reduce the difference in refractive index at the interface between the emission side end and the outside, The photonic crystal member is disposed so as to be sandwiched between a pair of first waveguide regions and a pair of first waveguide regions respectively disposed on the incident side and the emission side of the signal light. And a series of first air holes are disposed in one first waveguide region of the pair of first waveguide regions, and the second waveguide extends from the incident end. The opening area of the series of first holes is gradually reduced toward the area, and the series of second holes is the other first waveguide area of the pair of first waveguide areas. The opening area of the series of second holes gradually increases from the second waveguide region toward the emission end. It may preferably be set to.
また、信号光として、フォトニックバンドギャップ内の波長を有する信号光をフォトニック結晶導波路を伝播させるには、複数の空孔は、一連の第1空孔および第2空孔のうちの一番小さい開口面積よりも小さい所定の一定の開口面積を有して第2の導波路領域に配置された複数の第3空孔を含み、複数の空孔はフォトニック結晶部材に2次元的に配置され、フォトニック結晶部材は、複数の空孔のうち線状に空孔が形成されていない欠陥領域からなる線欠陥導波路領域を含んでいることが好ましい。 Further, in order to propagate signal light having a wavelength within the photonic band gap as the signal light through the photonic crystal waveguide, the plurality of holes are one of a series of first holes and second holes. A plurality of third holes disposed in the second waveguide region having a predetermined constant opening area smaller than the smallest opening area, the plurality of holes being two-dimensionally formed in the photonic crystal member; The arranged and photonic crystal member preferably includes a line defect waveguide region composed of a defect region in which the holes are not formed linearly among the plurality of holes.
この場合には、信号光は線欠陥導波路領域を伝播することになる。
さらに、信号光としてバンド構造内の波長を有する信号光をフォトニック結晶導波路を伝播させるには、フォトニック結晶部材は、複数の空孔が1次元的に配列された細線導波路領域を含んでいることが好ましい。
In this case, the signal light propagates through the line defect waveguide region.
Further, in order to propagate signal light having a wavelength in the band structure as signal light through the photonic crystal waveguide, the photonic crystal member includes a thin wire waveguide region in which a plurality of holes are arranged one-dimensionally. It is preferable that
さらに、フォトニック結晶に起因するバンド構造に基づいて得られる分散性によって、信号光の群速度や媒質との相互作用を制御するには、細線導波路領域では、複数の空孔が信号光の入射側から出射側の全領域にわたって周期的に配置されていることが好ましい。 Furthermore, in order to control the group velocity of signal light and the interaction with the medium by the dispersibility obtained based on the band structure caused by the photonic crystal, a plurality of vacancies are formed in the thin wire waveguide region. It is preferable that they are periodically arranged over the entire region from the incident side to the emission side.
また、屈折率の変化をより大きくして境界面における屈折率の変化を緩和するには、空孔の開口形状として長方形が好ましい。 In order to further increase the change in the refractive index and reduce the change in the refractive index at the interface, a rectangular shape is preferable as the opening shape of the holes.
実施の形態1
本発明の実施の形態1に係るフォトニック結晶導波路として、SOI(Silicon On Insulator)基板を用いた線欠陥導波路について説明する。図1に示すように、フォトニック結晶導波路10は、2つの第1の導波路領域23a,23bと1つの第2の導波路領域24とによって構成される。第1の導波路領域23aは、第2の導波路領域24に対して信号光の進行方向(Z軸方向)の入射側に位置し、第1の導波路領域23bは、第2の導波路領域24に対して信号光の出射側に位置する。第2の導波路領域24は、第1の導波路領域23aと第1の導波路領域23bとによって挟み込まれるように配設されている。
A line defect waveguide using an SOI (Silicon On Insulator) substrate will be described as the photonic crystal waveguide according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the
第1の導波路23a,23bおよび第2の導波路24には、それぞれ所定の開口径を有する複数の空孔2が形成されている。その各空孔2は、図2および図3に示すように、シリコン基板21上にシリコン酸化膜22を介在させて形成されたシリコン層1に形成されている。
A plurality of
第1の導波路23aにおける空孔2a〜2gは、光の伝播方向(Z軸方向)に沿って開口径が徐々に小さくなるように形成されている。一方、第1の導波路23bにおける空孔2g〜2aは、信号光の伝播方向(Z軸方向)に沿って開口径が徐々に大きくなるように形成されている。各空孔2a〜2gの開口径は、たとえば、空孔2a=0.27μm、空孔2b=0.26μm、空孔2c=0.25μm、空孔2d=0.24μm、空孔2e=0.23μm、空孔2f=0.22μm、空孔2g=0.21μmとされる。そして、第2の導波路24における空孔2hは、一定の開口径をもって形成され、その開口径は、たとえば、0.20μmとされる。また、Z軸と直交する方向に沿って位置する各空孔2は、たとえば、図3に示すように、同じ開口径となるように形成されている。
The
図4に示すように、各空孔2は、正三角形(仮想の三角格子)の頂点に円形の空孔の中心が位置するように周期的に形成されている。フォトニック結晶導波路10では、この周期(正三角形の一辺の長さ)は0.40μmとされる。そして、図5に示すように、このように周期的に配置されるべき空孔のうち、空孔が形成されていない部分がフォトニック結晶導波路における欠陥と称される。
As shown in FIG. 4, each
このフォトニック結晶導波路10では、図6に示すように、この欠陥を信号光の進行方向に沿って線状に配置させることによって、線欠陥導波路6が形成されている。線欠陥導波路6では、PBG内に形成される線欠陥の準位に対応する波長を有する信号光(たとえば波長=1550nm)が、線欠陥に沿って伝播することになる。本フォトニック結晶導波路10は上記のように構成される。
In the
次に、上述したフォトニック結晶導波路の製造方法について説明する。まず、図7に示すように、シリコン基板21上に厚さ約3μm、屈折率約1.4のシリコン酸化膜22を介在させて、厚さ約0.25μm、屈折率3.5のシリコン層1が形成されたSOI基板が用意される。そのシリコン層1の表面にレジスト膜30が塗布形成される。
Next, a method for manufacturing the above-described photonic crystal waveguide will be described. First, as shown in FIG. 7, a
次に、レジスト膜30に通常のEB(Electron Beam)による露光処理を施すことにより、図8に示すように、線欠陥を有する2次元フォトニック結晶構造を形成するためのパターンを有するレジスト膜30aが形成される。ここで、レジストパターンとしては、たとえば、図1に示される空孔を形成するためのパターンが形成される。
Next, a resist
次に、図9に示すように、パターニングされたレジスト膜30aをマスクとして、シリコン層1に一般的なドライエッチングを施すことにより、シリコン酸化膜22の表面を露出する空孔2が形成される。その後、図10に示すように、残ったレジスト膜30aが所定の剥離液によって除去される。こうして、図1〜図3に示されるフォトニック結晶導波路10が完成する。
Next, as shown in FIG. 9, by using the patterned resist
上述したフォトニック結晶導波路10では、たとえば屈折率1の空気中を伝播する所定の信号光がフォトニック結晶導波路10の入射端部23aaから第1の導波路領域23aに入射する。第1の導波路領域23aに入射した信号光は、第1の導波路領域23aにおける線欠陥導波路6から第2の導波路領域における線欠陥導波路6を経て第1の導波路領域23bにおける線欠陥導波路6を伝播し、出射端部23bbから再び外部の空気に出射される。
In the
このとき、信号光が入射する第1の導波路領域23aでは、入射端部23aaから信号光の進行方向(Z軸方向)に沿って、空孔2の開口径が徐々に小さくなっている。これにより、フォトニック結晶導波路10の外部に位置する空気(屈折率1)を伝播して入射端部23aaからフォトニック結晶導波路10内に入射し、フォトニック結晶導波路10内を伝播する信号光に対して、第1の導波路領域23aでは信号光が伝播するにしたがって屈折率は徐々に大きくなる。
At this time, in the
そのため、信号光が屈折率1の空気から第2の導波路領域の屈折率(有効屈折率)を有するフォトニック結晶導波路に直接入射する場合と比べて、外部と第1の導波路領域23a(入射端部23aa)との境界において、空気の屈折率と第1の導波路領域23aの屈折率との差をより縮めることができる。その結果、外部と第1の導波路領域23aとの境界における反射損失をより低減することができる。
Therefore, as compared with the case where the signal light is directly incident on the photonic crystal waveguide having the refractive index (effective refractive index) of the second waveguide region from the air having the refractive index of 1, the first and the
また、第1の導波路領域23aと第2の導波路領域24との境界25では両者の屈折率の差がほとんどなくなり、反射損失を生じさせることなく第1の導波路領域23から第2の導波路領域24へ信号光を伝播させることができる。
In addition, at the
さらに、第2の導波路領域24と第1の導波路領域23bとの境界25においても両者の屈折率の差がほとんどなくなり、反射損失を生じさせることなく第2の導波路領域24から第1の導波路領域23bへ信号光を伝播させることができる。
Furthermore, there is almost no difference in refractive index between the
そして、第1の導波路領域23bでは、第1の導波路領域23aとは反対に、出射端部23bbへ向かって信号光が伝播するにしたがって屈折率は徐々に小さくなる。これにより、外部と第1の導波路領域23b(出射端部23bb)との境界において、空気の屈折率と第1の導波路領域23bの屈折率との差をより縮めることができて、外部と第1の導波路領域23bとの境界における反射損失をより低減することができる。
In the
また、上述したフォトニック結晶導波路の第1の導波路領域23a,23bに配置される空孔2においては、Z軸方向と直交する方向には開口面積を一定にしたうえで、Z軸方向に沿って開口面積が徐々に異なるように配置されている。これにより、Z軸方向における屈折率の変化を明確に形成することができて、反射損失をより効果的に低減することができる。
Further, in the
上述したフォトニック結晶導波路10の反射損失を評価したところ、反射損失はほぼ0dBであることが確認された。これに対して、第1の導波路領域23a,23bを備えないフォトニック結晶導波路では反射損失が3dBであり、上述したフォトニック結晶導波路10では反射損失が大幅に低減できることが判明した。
When the reflection loss of the
なお、上述したフォトニック結晶導波路10では、空孔2として開口形状が円形のものを例に挙げて説明した。開口形状としては円形に限られるものではなく、開口面積を徐々に異ならせることができる形状であれば、他の形状でもよい。特に、外部の媒質が空気の場合には、第1の導波路領域23aにおける入射側に配置される空孔の開口面積をより大きくすることで外部と第1の導波路領域23aとの境界における屈折率の差を小さくして、信号光が入射する際の反射損失をより低減することができる。また、同様に、第1の導波路領域23bにおける出射側に配置される空孔の開口面積をより大きくすることで外部と第1の導波路領域23bとの境界における屈折率の差を小さくして、信号光が出射する際の反射損失をより低減することができる。
In the
また、円形の空孔2の開口径としては、周期構造の単位長さ(0.40μm)よりも小さい空孔を配置した場合を例に挙げて説明したが、開口径をこの単位長さよりも大きく設定して、隣り合う空孔同士が繋がった構造としてもよい。この場合には、外部と第1の導波路領域23a、23bとの境界における屈折率の差がさらに小さくなって、信号光が入射する際の反射損失と出射する際の反射損失をそれぞれさらに低減することができる。
Moreover, as an opening diameter of the
さらに、上記フォトニック結晶導波路10の第1の導波路領域23a,23bでは、Z軸方向に沿って7つの空孔2が配置されているように、Z軸方向の長さを7周期分とした場合を例に挙げて説明した。第1の導波路領域23a,23bのZ軸方向の長さとしては、反射損失の低減効果が得られるのであれば、この周期に限られるものではない。
Further, in the
また、フォトニック結晶導波路10を伝播させる信号光として、波長1550nmの信号光を例に挙げて説明したが、信号光としては、光通信用の波長域(1300nm〜1600nm程度)の信号光を伝播させることができる。
In addition, the signal light having a wavelength of 1550 nm has been described as an example of the signal light propagating through the
また、上述したフォトニック結晶導波路10では、SOI基板のシリコン層1に線欠陥導波領域を形成した場合を例に挙げて説明したが、クラッド層とそのクラッド層の屈折率よりも高い屈折率を有する導波路層とによって信号光を閉じ込めて、導波路層がフォトニック結晶構造を形成することができる部材であれば、他の材料を適用してもよい。
In the
実施の形態2
前述したフォトニック結晶導波路では、光導波路として線欠陥導波路を用いてフォトニックバンドギャップ内の波長を有する信号光を伝播させる場合について説明した。ここでは、フォトニック結晶導波路としてシリコン細線導波路を例に挙げて説明する。シリコン細線導波路では、光導波路にフォトニック結晶が形成されるため、信号光としては、フォトニックバンドギャップ内ではなく、バンド構造内の波長を有する信号光が伝播されることになる。
In the above-described photonic crystal waveguide, the case where signal light having a wavelength in the photonic band gap is propagated using a line defect waveguide as an optical waveguide has been described. Here, a silicon fine wire waveguide will be described as an example of the photonic crystal waveguide. In the silicon thin wire waveguide, since a photonic crystal is formed in the optical waveguide, signal light having a wavelength in the band structure is propagated as signal light, not in the photonic band gap.
図11に示すように、フォトニック結晶導波路10は、2つの第1の導波路領域23a,23bと1つの第2の導波路領域24とからなるシリコン細線導波路7によって構成される。2つの第1の導波路領域23a,23bのそれぞれには、複数の空孔3が1次元的に配置されている。シリコン細線導波路7の幅Wは約0.50μmとされる。各空孔3は、図12に示すように、シリコン基板21上にシリコン酸化膜22を介在させて形成されたシリコン層1に形成されている。
As shown in FIG. 11, the
第1の導波路23aにおける空孔3a〜3jは、信号光の伝播方向(Z軸方向)に沿って開口径が徐々に小さくなるように形成されている。一方、第1の導波路23bにおける空孔3j〜3aは、信号光の伝播方向(Z軸方向)に沿って開口径が徐々に大きくなるように形成されている。各空孔3a〜3jの開口径は、たとえば、空孔3a=0.34μm、空孔3b=0.31μm、空孔3c=0.28μm、空孔3d=0.25μm、空孔3e=0.22μm、空孔3f=0.19μm、空孔3g=0.16μm、空孔3h=0.13μm、空孔3i=0.10μm、空孔3j=0.07μmとされる。また、空孔の周期(隣接する空孔間の長さ)Lは0.45μmとされる。
The
上述したフォトニック結晶導波路10では、所定の信号光として、バンド構造内の波長を有するたとえば波長1300nmの信号光が、屈折率1の空気を伝播し、フォトニック結晶導波路10の入射端部23aaから第1の導波路領域23aに入射する。第1の導波路領域23aに入射した信号光は、第1の導波路領域23aから第2の導波路領域24を経て第1の導波路領域23bを伝播し、出射端部23bbから再び外部の空気に出射される。
In the
このとき、信号光が入射する第1の導波路領域23aでは、入射端部23aaから信号光の進行方向(Z軸方向)に沿って、空孔2の開口径が徐々に小さくなっている。これにより、フォトニック結晶導波路10の外部に位置する空気(屈折率1)を伝播して入射端部23aaからフォトニック結晶導波路10内に入射し、フォトニック結晶導波路10内を伝播する信号光に対して、第1の導波路領域23aでは信号光が伝播するにしたがって屈折率は徐々に大きくなる。
At this time, in the
そのため、信号光が屈折率1の空気から第2の導波路領域の屈折率(有効屈折率)を有するフォトニック結晶導波路に直接入射する場合と比べて、外部と第1の導波路領域23a(入射端部23aa)との境界において、空気の屈折率と第1の導波路領域23aの屈折率との差をより縮めることができる。その結果、外部と第1の導波路領域23aとの境界における反射損失をより低減することができる。
Therefore, as compared with the case where the signal light is directly incident on the photonic crystal waveguide having the refractive index (effective refractive index) of the second waveguide region from the air having the refractive index of 1, the first and the
また、第1の導波路領域23aと第2の導波路領域24との境界25では両者の屈折率の差がほとんどなくなり、反射損失を生じさせることなく第1の導波路領域23から第2の導波路領域24へ信号光を伝播させることができる。
In addition, at the
さらに、第2の導波路領域24と第1の導波路領域23bとの境界25においても両者の屈折率の差がほとんどなくなり、反射損失を生じさせることなく第2の導波路領域24から第1の導波路領域23bへ信号光を伝播させることができる。
Furthermore, there is almost no difference in refractive index between the
そして、第1の導波路領域23bでは、第1の導波路領域23aとは反対に、出射端部23bbへ向かって信号光が伝播するにしたがって屈折率は徐々に小さくなる。これにより、外部と第1の導波路領域23b(出射端部23bb)との境界において、空気の屈折率と第1の導波路領域23bの屈折率との差をより縮めることができて、外部と第1の導波路領域23bとの境界における反射損失をより低減することができる。
In the
上述したフォトニック結晶導波路10の反射損失を評価したところ、反射損失はほぼ0dBであることが確認された。これに対して、第1の導波路領域23a,23bを備えないフォトニック結晶導波路では反射損失が3dBであり、上述したフォトニック結晶導波路10では反射損失が大幅に低減できることが判明した。
When the reflection loss of the
なお、上記フォトニック結晶導波路10の第1の導波路領域23a,23bでは、Z軸方向に沿って10個の空孔2が配置されているように、Z軸方向の長さを10周期分とした場合を例に挙げて説明した。第1の導波路領域23a,23bのZ軸方向の長さとしては、反射損失の低減効果が得られるのであれば、この周期に限られるものではない。
In the
また、上述したフォトニック結晶導波路10では、SOI基板のシリコン層1に細線導波路領域を形成した場合を例に挙げて説明したが、クラッド層とそのクラッド層の屈折率よりも高い屈折率を有する導波路層とによって信号光を閉じ込めて、導波路層がフォトニック結晶構造を形成することができる部材であれば、他の材料を適用してもよい。
In the
実施の形態3
ここでは、フォトニック結晶導波路としてシリコン細線導波路の他の例に挙げて説明する。図13に示すように、フォトニック結晶導波路10は、2つの第1の導波路領域23a,23bと1つの第2の導波路領域24とからなるシリコン細線導波路8によって構成される。そして、このフォトニック結晶導波路10では、2つの第1の導波路領域23a,23bのそれぞれには、複数の空孔4が1次元的に配置され、さらに、第2の導波路領域24にも複数の空孔4が1次元的に配置されている。そのシリコン細線導波路8の幅Wは約0.50μmとされる。各空孔4は、図14に示すように、シリコン基板21上にシリコン酸化膜22介在させて形成されたシリコン層1に形成されている。
Here, another example of a silicon fine wire waveguide will be described as a photonic crystal waveguide. As shown in FIG. 13, the
第1の導波路23aにおける空孔4a〜4gは、信号光の伝播方向(Z軸方向)に沿って開口径が徐々に小さくなるように形成されている。一方、第1の導波路23bにおける空孔4g〜4aは、信号光の伝播方向(Z軸方向)に沿って開口径が徐々に大きくなるように形成されている。各空孔4a〜4gの開口径は、たとえば、空孔4a=0.34μm、空孔4b=0.32μm、空孔4c=0.30μm、空孔4d=0.28μm、空孔4e=0.26μm、空孔4f=0.24μm、空孔4g=0.22μmとされ、そして、空孔4h=0.20μmとされる。また、空孔の周期(隣接する空孔間の長さ)は0.45μmとされる。
The
上述したフォトニック結晶導波路10では、2つの第1の導波路領域23a,23bと1つの第2の導波路領域24のそれぞれに空孔4が1次元的に配置され、シリコン細線導波路の全体(全長)にわたって、1次元フォトニック結晶構造が形成されている。このフォトニック結晶導波路にバンド構造内の波長を有する信号光を伝播させる場合には、このフォトニック結晶に起因するバンド構造に基づいて得られる様々な分散性により、信号光の群速度や媒質との相互作用を制御することが可能となる。
In the
すなわち、フォトニック結晶の構造によってバンドの曲がりが変わり、そのバンドの曲がりは屈折率に対応するため、フォトニック結晶の構造によって屈折率をさまざまに変えることができる。こうして、屈折率の大きさを変えられることで、光の群速度を変えることができ、媒質との相互作用を制御することができる。この場合、入射した信号光の光強度が大きいと非線形な相互作用の効果が増大し、この非線形相互作用が光信号処理として利用される。したがって、十分に高い光強度により強い非線形相互作用を得るために、入射端部および出射端部における反射損失を低減することは重要になる。 In other words, the bending of the band changes depending on the structure of the photonic crystal, and the bending of the band corresponds to the refractive index. Therefore, the refractive index can be variously changed depending on the structure of the photonic crystal. Thus, by changing the size of the refractive index, the group velocity of light can be changed, and the interaction with the medium can be controlled. In this case, if the light intensity of the incident signal light is large, the effect of nonlinear interaction increases, and this nonlinear interaction is used as optical signal processing. Therefore, in order to obtain a strong nonlinear interaction with a sufficiently high light intensity, it is important to reduce the reflection loss at the entrance end and the exit end.
上述したフォトニック結晶導波路10では、信号光が入射する第1の導波路領域23aでは入射端部23aaから信号光の進行方向(Z軸方向)に沿って、空孔4の開口径が徐々に小さくなっている。これにより、フォトニック結晶導波路10の外部に位置する空気(屈折率1)を伝播して入射端部23aaからフォトニック結晶導波路10内に入射し、フォトニック結晶導波路10内を伝播する信号光に対して、第1の導波路領域23aでは信号光が伝播するにしたがって屈折率は徐々に大きくなる。
In the
その結果、外部と第1の導波路領域23a(出射端部23bb)との境界において、空気の屈折率と第1の導波路領域23aの屈折率との差がより縮められて、外部と第1の導波路領域23aとの境界における反射損失をより低減することができる。
As a result, the difference between the refractive index of air and the refractive index of the
また、第1の導波路領域23aと第2の導波路領域24との境界25では両者の屈折率の差がほとんどなくなり、反射損失を生じさせることなく第1の導波路領域23から第2の導波路領域24へ信号光を伝播させることができる。
In addition, at the
さらに、第2の導波路領域24と第1の導波路領域23bとの境界25においても両者の屈折率の差がほとんどなくなり、反射損失を生じさせることなく第2の導波路領域24から第1の導波路領域23bへ信号光を伝播させることができる。
Furthermore, there is almost no difference in refractive index between the
そして、第1の導波路領域23bでは、第1の導波路領域23aとは反対に、出射端部23bbへ向かって信号光が伝播するにしたがって屈折率は徐々に小さくなる。その結果、外部と第1の導波路領域23b(出射端部23bb)との境界において、空気の屈折率と第1の導波路領域23bの屈折率との差がより縮められて、外部と第1の導波路領域23bとの境界における反射損失をより低減することができる。
In the
変形例
次に、上述したフォトニック結晶導波路の変形例について説明する。上述したフォトニック結晶導波路の空孔の平面形状が略円形であるのに対して、変形例に係るフォトニック結晶導波路10では、図15および図16に示すように、シリコン層1に形成される空孔5の平面形状は矩形とされる。矩形状の各空孔のZ軸方向の長さは、上述したフォトニック結晶導波路に形成された対応する円形状の各空孔4の直径と同じ長さに設定されている。また、矩形状の各空孔5のZ軸と直交する方向の長さは、シリコン細線導波路の幅Wと同じ長さに設定されている。すなわち、変形例に係るフォトニック結晶導波路10では、シリコン細線導波路に間隙が形成されていることになる。
Modified Example Next, a modified example of the above-described photonic crystal waveguide will be described. Whereas the planar shape of the holes of the photonic crystal waveguide described above is substantially circular, the
特に、変形例に係るフォトニック結晶導波路10では、空孔5の平面形状を矩形状にすることによって、円形の空孔と比べて空孔5の領域(面積)が増加する。これにより、第1の導波路領域23a,23bにおける屈折率の変化の幅をより大きくすることができ、第1の導波路領域23a,23bと空気との境界における屈折率の差がさらに縮まって、境界面における屈折率の急峻な変化をより緩和することができる。
In particular, in the
なお、変形例に係るフォトニック結晶導波路では、矩形状の各空孔のZ軸と直交する方向の長さを、シリコン細線導波路の幅と同じ長さに設定した場合を例に挙げて説明した。フォトニック結晶導波路としては、空孔の面積をZ軸方向に沿って徐々に変化させることができれば、空孔の長さをシリコン細線導波路の幅よりも短く設定してもよい。また、空孔の平面形状を正方形となるように空孔を形成してもよい。 In the photonic crystal waveguide according to the modification, the length of each rectangular hole in the direction perpendicular to the Z-axis is set to the same length as the width of the silicon wire waveguide as an example. explained. As the photonic crystal waveguide, the length of the holes may be set shorter than the width of the silicon wire waveguide as long as the area of the holes can be gradually changed along the Z-axis direction. Further, the holes may be formed so that the planar shape of the holes is a square.
今回開示された実施の形態は例示にすぎず、これに制限されるものではない。本発明は上記で説明した範囲ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲でのすべての変更が含まれることが意図される。 The embodiment disclosed this time is merely an example, and the present invention is not limited to this. The present invention is defined by the terms of the claims, rather than the scope described above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
1 シリコン層、2,3,4,5 空孔、6 線欠陥導波路、7,8,9 シリコン細線導波路、10 フォトニック結晶導波路、21 シリコン基板、22 シリコン酸化膜、23a,23b 第1の導波路領域、24 第2の導波路路領域、25 境界面。
1 Silicon layer, 2, 3, 4, 5 holes, 6-line defect waveguide, 7, 8, 9 Silicon thin-line waveguide, 10 Photonic crystal waveguide, 21 Silicon substrate, 22 Silicon oxide film, 23a,
Claims (7)
前記フォトニック結晶部材に周期的に配置された複数の空孔を備え、
複数の前記空孔は、前記入射端部から信号光の伝播方向に沿って前記空孔の開口面積が徐々に異なるように形成された一連の第1空孔を含む、フォトニック結晶導波路。 A photonic crystal waveguide using a photonic crystal member having an incident end for entering predetermined signal light and an exit end for emitting signal light that has entered and propagated,
Comprising a plurality of holes periodically arranged in the photonic crystal member;
The plurality of vacancies include a series of first vacancies formed such that the opening areas of the vacancies gradually differ from the incident end along the propagation direction of the signal light.
前記信号光の入射側と出射側にそれぞれ配設される1対の第1の導波路領域と、
1対の前記第1の導波路領域によって挟まれるように配設された第2の導波路領域と
を含み、
前記一連の第1空孔は1対の前記第1の導波路領域のうちの一方の第1の導波路領域に配置されて、前記入射端部から前記第2の導波路領域に向かって前記一連の第1空孔の開口面積が徐々に小さくなるように設定され、
前記一連の第2空孔は1対の前記第1の導波路領域のうちの他方の第1の導波路領域に配置され、前記第2の導波路領域から前記出射端部に向かって前記一連の第2空孔の開口面積が徐々に大きくなるように設定された、請求項2記載のフォトニック結晶導波路。 The photonic crystal member is
A pair of first waveguide regions respectively disposed on an incident side and an output side of the signal light;
A second waveguide region disposed to be sandwiched between the pair of first waveguide regions,
The series of first air holes is disposed in one first waveguide region of the pair of first waveguide regions, and is directed from the incident end toward the second waveguide region. The opening area of the series of first holes is set to be gradually reduced,
The series of second air holes are arranged in the other first waveguide area of the pair of first waveguide areas, and the series of second holes are directed from the second waveguide area toward the emission end. The photonic crystal waveguide according to claim 2, wherein the opening area of the second hole is set to be gradually increased.
複数の前記空孔は前記フォトニック結晶部材に2次元的に配置され、
前記フォトニック結晶部材は、複数の前記空孔のうち線状に空孔が形成されていない欠陥領域からなる線欠陥導波路領域を含む、請求項3記載のフォトニック結晶導波路。 The plurality of holes are arranged in the second waveguide region with a predetermined constant opening area smaller than the smallest opening area in the series of the first hole and the second hole. A plurality of third holes formed,
The plurality of holes are two-dimensionally arranged in the photonic crystal member,
4. The photonic crystal waveguide according to claim 3, wherein the photonic crystal member includes a line defect waveguide region including a defect region in which a plurality of holes are not formed in a linear shape. 5.
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