JP2008040230A - Photonic crystal waveguide - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a photonic crystal waveguide in which terminal end reflection of a waveguide can be sharply reduced using comparatively simple structure. <P>SOLUTION: The photonic crystal waveguide is constituted of a photonic crystal PC of which the grid B is periodically arranged, the waveguide 10 constituted by introducing a line defect into the photonic crystal PC, a radioactive guide 21 projecting along the optical axis direction of the waveguide 10 from an interface 11 of the photonic crystal PC, and the like, the number of grids arranged in the direction perpendicular to the optical axis direction is designed so as to be less in the radioactive guide 21 than in the waveguide 10. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、光集積回路等に応用可能なフォトニック結晶導波路に関する。   The present invention relates to a photonic crystal waveguide applicable to an optical integrated circuit or the like.

フォトニック結晶は、周期的な屈折率分布をもつ機能材料であり、光や電磁波の波長オーダーの周期で格子が整列することによりブラッグ反射条件が成立して、いわゆるフォトニックバンドギャップ(禁止帯)を形成する。   A photonic crystal is a functional material having a periodic refractive index distribution, and the Bragg reflection condition is established when the grating is aligned with a period of the wavelength order of light and electromagnetic waves, so-called photonic band gap (forbidden band). Form.

こうしたフォトニック結晶に線欠陥を導入すると、その領域に光が強く閉じ込められ、光についての微小な導波路を形成することができる。また、フォトニック結晶に点欠陥を導入すると、光についての微小な共振器を形成することができる。   When a line defect is introduced into such a photonic crystal, light is strongly confined in that region, and a minute waveguide for the light can be formed. Further, when a point defect is introduced into the photonic crystal, a minute resonator for light can be formed.

図14は、従来のフォトニック結晶導波路の一例を示す平面図である。フォトニック結晶PCは、多数の格子Bがxy面内に三角格子状に配列した2次元フォトニック結晶である。   FIG. 14 is a plan view showing an example of a conventional photonic crystal waveguide. The photonic crystal PC is a two-dimensional photonic crystal in which a large number of lattices B are arranged in a triangular lattice pattern in the xy plane.

このフォトニック結晶PCの内部に線欠陥を導入することによって、導波路10が形成されている。フォトニック結晶PCは、界面11において大気等の外部媒体20と接合している。導波路10の出力端は、界面11で外部媒体20に連結しており、導波路10の入力端は、結晶内部に形成された光回路(不図示)に連結している。   A waveguide 10 is formed by introducing a line defect into the photonic crystal PC. The photonic crystal PC is bonded to an external medium 20 such as the atmosphere at the interface 11. The output end of the waveguide 10 is connected to the external medium 20 at the interface 11, and the input end of the waveguide 10 is connected to an optical circuit (not shown) formed inside the crystal.

この導波路10に沿って、光L1がx方向に進行して界面11に到達すると、その大部分は光L2として外部媒体20に進入するが、その一部は光L3として結晶内部に向かって反射する。こうした終端反射は、界面11における急激な構造変化に起因するものであり、反射した光L3はノイズ光となって、内部の光回路の機能を低下させたり、悪影響を及ぼすことがある。   When the light L1 travels in the x direction and reaches the interface 11 along the waveguide 10, most of the light enters the external medium 20 as light L2, but a part of the light L1 enters the inside of the crystal as light L3. reflect. Such terminal reflection is caused by an abrupt structural change at the interface 11, and the reflected light L3 becomes noise light, which may deteriorate the function of the internal optical circuit or adversely affect it.

特開2004−109269号公報JP 2004-109269 A John D. Joannopoulos, Robert D. Meade, and Joshun N. Winn, "Photonic Crystals", Princeton University Press, 1995John D. Joannopoulos, Robert D. Meade, and Joshun N. Winn, "Photonic Crystals", Princeton University Press, 1995 廣瀬泰光、上林利生、「三角格子PBG導波路の入出力特性の解析」、電子情報通信学会エレクトロニクスソサイエティ大会、C-3-92, 2004Yasuaki Hirose and Toshio Kamibayashi, “Analysis of Input / Output Characteristics of Triangular PBG Waveguide”, IEICE Electronics Society Conference, C-3-92, 2004 徳島正敏、牛田淳、五明明子、「ピラー型正方格子フォトニック結晶線欠陥導波路の群遅延測定」、電子情報通信学会総合大会、C-3-80, 2006Masatoshi Tokushima, Atsushi Ushida, Akiko Gomei, “Group Delay Measurement of Pillar-type Square Lattice Photonic Crystal Defect Waveguide”, IEICE General Conference, C-3-80, 2006 宇野亨、「FDTD法による電磁界およびアンテナ解析」、コロナ社、1998Satoshi Uno, "Electromagnetic field and antenna analysis by FDTD method", Corona, 1998

上記の非特許文献2では、フォトニックスラブ導波路の入出力部に無反射(AR)コーティングを設けたり、出力端形状をレンズ状にすることにより、反射を低減する試みが提案されている。   Non-Patent Document 2 proposes an attempt to reduce reflection by providing a non-reflective (AR) coating at the input / output portion of the photonic slab waveguide or by forming the output end shape into a lens shape.

本発明の目的は、比較的簡単な構造を用いて、導波路の終端反射を大幅に低減できるフォトニック結晶導波路を提供することである。   An object of the present invention is to provide a photonic crystal waveguide that can significantly reduce the terminal reflection of the waveguide by using a relatively simple structure.

上記目的を達成するために、本発明に係るフォトニック結晶導波路は、格子が周期的に配列したフォトニック結晶と、
フォトニック結晶内に線欠陥を導入して構成される導波路と、
フォトニック結晶の界面から導波路の光軸方向に沿って突出した放射性ガイドとを備え、
該光軸方向に垂直な方向に配列した格子数は、導波路内部と比べて放射性ガイドの方が少ないことを特徴とする。
In order to achieve the above object, a photonic crystal waveguide according to the present invention includes a photonic crystal in which lattices are periodically arranged,
A waveguide configured by introducing a line defect into the photonic crystal;
A radioactive guide protruding from the interface of the photonic crystal along the optical axis direction of the waveguide,
The number of gratings arranged in the direction perpendicular to the optical axis direction is smaller in the radioactive guide than in the inside of the waveguide.

本発明において、放射性ガイドは、両側1列の格子列で構成されることが好ましい。   In the present invention, it is preferable that the radioactive guide is composed of a grid row on both sides.

また本発明において、放射性ガイドは、両側複数の格子列で構成されることが好ましい。   In the present invention, the radioactive guide is preferably composed of a plurality of grid rows on both sides.

また本発明において、両側複数の格子列で構成された放射性ガイドにおいて、導波路の光軸方向に沿った格子数は、内側格子列と比べて外側格子列の方が少ないことが好ましい。   In the present invention, in the radioactive guide constituted by a plurality of grating arrays on both sides, the number of gratings along the optical axis direction of the waveguide is preferably smaller in the outer grating array than in the inner grating array.

また本発明において、放射性ガイドは、一方の片側の格子列数が、他方の片側の格子列数より少ないことが好ましい。   In the present invention, the radioactive guide preferably has a smaller number of lattice rows on one side than the number of lattice rows on the other side.

また本発明において、フォトニック結晶内に、第1の線欠陥と第2の線欠陥が近接配置して構成される方向性結合器を備えることが好ましい。   Moreover, in this invention, it is preferable to provide the directional coupler comprised by arrange | positioning the 1st line defect and the 2nd line defect adjacently in a photonic crystal.

また本発明において、フォトニック結晶が3次元フォトニック結晶であって、放射性ガイドは、光軸方向に関して所定の周方向に配列した格子数が減少している領域を有することが好ましい。   In the present invention, it is preferable that the photonic crystal is a three-dimensional photonic crystal, and the radioactive guide has a region where the number of lattices arranged in a predetermined circumferential direction is reduced with respect to the optical axis direction.

本発明によれば、フォトニック結晶の界面から導波路の光軸方向に沿って突出するように放射性ガイドを設け、該光軸方向に垂直な方向に配列した格子数は、導波路内部と比べて放射性ガイドの方が少なくなるように設計している。これにより導波路の出力端における急激な構造変化を緩和して、放射性ガイドの周辺から光がエバネッセント波となって徐々に漏れ出すようになり、結晶内部に向って進行する反射光を大幅に低減できる。   According to the present invention, the radioactive guide is provided so as to protrude from the interface of the photonic crystal along the optical axis direction of the waveguide, and the number of gratings arranged in the direction perpendicular to the optical axis direction is larger than that in the waveguide. The design is such that there are fewer radioactive guides. This alleviates sudden structural changes at the output end of the waveguide, and light gradually leaks out from the periphery of the radioactive guide as evanescent waves, greatly reducing reflected light traveling toward the inside of the crystal. it can.

図1は、各種フォトニック結晶を示す斜視図である。図1(a)は、x方向に周期的な屈折率分布をもつ1次元フォトニック結晶を示す。図1(b)は、x方向およびz方向に周期的な屈折率分布をもつ2次元フォトニック結晶を示す。図1(c)は、x方向、y方向およびz方向に周期的な屈折率分布をもつ3次元フォトニック結晶を示す。   FIG. 1 is a perspective view showing various photonic crystals. FIG. 1A shows a one-dimensional photonic crystal having a periodic refractive index distribution in the x direction. FIG. 1B shows a two-dimensional photonic crystal having a periodic refractive index distribution in the x and z directions. FIG. 1C shows a three-dimensional photonic crystal having a periodic refractive index distribution in the x, y, and z directions.

こうしたフォトニック結晶は、空間に多数の実格子を配列したタイプと、母材に多数の空格子を配列したタイプとがあり、いずれも周期的な屈折率分布を有することにより、1次元方向、2次元方向あるいは3次元方向についてのブラッグ反射条件が成立する。   Such photonic crystals are classified into a type in which a large number of real lattices are arranged in a space and a type in which a large number of vacancies are arranged in a base material. The Bragg reflection condition for the two-dimensional direction or the three-dimensional direction is satisfied.

図2は、線欠陥による導波路形成の様子を示す斜視図である。1つの格子Bがy方向に平行な円柱形状をなし、多数の格子Bがxz面内で三角格子状に配列することによって2次元フォトニック結晶PCを構成している。   FIG. 2 is a perspective view showing how a waveguide is formed by a line defect. One lattice B has a cylindrical shape parallel to the y direction, and a large number of lattices B are arranged in a triangular lattice shape in the xz plane to constitute a two-dimensional photonic crystal PC.

こうしたフォトニック結晶PCにおいて、x方向に沿った1列分の格子Bを除去して、1列分の線欠陥Dを設けることによって、図2(b)に示すように、光Lが通過する導波路10を形成することができる。   In such a photonic crystal PC, by removing the lattice B for one column along the x direction and providing a line defect D for one column, the light L passes as shown in FIG. A waveguide 10 can be formed.

例えば、格子Bを構成する円柱がGaAs結晶(比誘電率ε=11.4)で形成され、円柱半径が0.113μmで、円柱の中心間距離が0.563μmである場合、波長1.5μmの光についてブラッグ反射条件が成立し、さらに1列分の線欠陥Dを設けることにより波長1.5μmの光についての導波路10が形成される。   For example, when the cylinder constituting the lattice B is formed of GaAs crystal (relative permittivity ε = 11.4), the cylinder radius is 0.113 μm, and the distance between the centers of the cylinders is 0.563 μm, the wavelength is 1.5 μm. The Bragg reflection condition is established for the light of, and the waveguide 10 for the light having a wavelength of 1.5 μm is formed by providing the line defect D for one row.

図3は、本発明の第1実施形態を示す平面図である。フォトニック結晶PCは、多数の格子Bがxy面内に三角格子状に配列した2次元フォトニック結晶である。このフォトニック結晶PCの内部に線欠陥を導入することによって、x方向に沿った光軸を有する導波路10が形成されている。フォトニック結晶PCは、界面11において大気等の外部媒体20と接合している。   FIG. 3 is a plan view showing the first embodiment of the present invention. The photonic crystal PC is a two-dimensional photonic crystal in which a large number of lattices B are arranged in a triangular lattice pattern in the xy plane. By introducing a line defect into the photonic crystal PC, a waveguide 10 having an optical axis along the x direction is formed. The photonic crystal PC is bonded to an external medium 20 such as the atmosphere at the interface 11.

放射性ガイド21は、界面11から導波路10の光軸方向に沿って突出している。光軸方向に垂直なy方向に配列した格子数は、導波路10の内部と比べて放射性ガイド21の方が少なくなるように設計している。   The radioactive guide 21 protrudes from the interface 11 along the optical axis direction of the waveguide 10. The number of gratings arranged in the y direction perpendicular to the optical axis direction is designed so that the radioactive guide 21 is smaller than the inside of the waveguide 10.

導波路10の出力端は、放射性ガイド21と連結しており、導波路10の入力端は、結晶内部に形成された光回路(不図示)に連結している。   The output end of the waveguide 10 is connected to the radioactive guide 21, and the input end of the waveguide 10 is connected to an optical circuit (not shown) formed inside the crystal.

導波路10に沿って、光L1がx方向に進行して放射性ガイド21に進入すると、放射性ガイド21の周辺から光L4がエバネッセント波となって外部媒体20へ向けて徐々に漏れ出すようになる。また、放射性ガイド21に進入した光L2は、徐々に減衰して、放射性ガイド21の末端に到達するまでに光強度はゼロになる。従って、結晶内部に向って進行する反射光を大幅に低減することができる。   When the light L1 travels in the x direction and enters the radioactive guide 21 along the waveguide 10, the light L4 gradually emanates from the periphery of the radioactive guide 21 to the external medium 20 as an evanescent wave. . Further, the light L2 that has entered the radioactive guide 21 is gradually attenuated, and the light intensity becomes zero before reaching the end of the radioactive guide 21. Therefore, the reflected light traveling toward the inside of the crystal can be greatly reduced.

本実施形態では、放射性ガイド21を両側1列の格子列で構成しているため、光L4が速やかに外部へ漏出するようになる。その結果、光L2も速やかに減衰するため、放射性ガイド21のx方向長さを短くできる。   In the present embodiment, since the radioactive guide 21 is composed of one row of grids on both sides, the light L4 is quickly leaked to the outside. As a result, the light L2 is also attenuated quickly, so that the length of the radioactive guide 21 in the x direction can be shortened.

なお、本実施形態では、2次元フォトニック結晶に、両側1列の格子列で構成された放射性ガイド21を設けた例を説明したが、3次元フォトニック結晶の場合、1列分の格子列が円筒状に配列された放射性ガイドを設けることによって同様な効果が得られる。   In the present embodiment, the example in which the radioactive guide 21 configured by one side of the lattice array is provided on the two-dimensional photonic crystal has been described. However, in the case of the three-dimensional photonic crystal, the lattice array for one column is provided. A similar effect can be obtained by providing a radioactive guide arranged in a cylindrical shape.

次に、この放射性ガイド21の動作についてFDTD(Finite Difference Time Domain)法(時間領域差分法)を用いて数値解析した結果を説明する。   Next, the results of numerical analysis of the operation of the radioactive guide 21 using the FDTD (Finite Difference Time Domain) method (time domain difference method) will be described.

図4は、FDTD法による解析結果の一例を示す説明図である。なお、図4自体は、平面波展開法によりフォトニックバンドギャップを求めたものである。フォトニック結晶として、真空(ε=1)背景中にGaAs結晶(ε=11.4)、半径r=0.1126μmの誘電体円柱を格子間隔a=0.563μmで三角格子状に配列したものを使用し、図3に示すように、x方向に沿って1列分の格子列を除去することによって導波路の性質を付与した。   FIG. 4 is an explanatory diagram showing an example of an analysis result by the FDTD method. In addition, FIG. 4 itself has calculated | required the photonic band gap by the plane wave expansion method. As a photonic crystal, a GaAs crystal (ε = 11.4) in a vacuum (ε = 1) background and dielectric cylinders with a radius r = 0.1126 μm arranged in a triangular lattice with a lattice spacing a = 0.563 μm As shown in FIG. 3, the properties of the waveguide were imparted by removing one row of lattice rows along the x direction.

2次元フォトニック結晶での光の偏光モードには、円柱に沿ったy方向に磁界成分、x方向およびz方向に電界成分を有するTE(Transverse Electric)モードと、y方向に電界成分、x方向およびz方向に磁界成分を有するTM(Transverse Magnetic)モードがある。ここでは、光の偏光モードをTMモードとし、波長1.45〜1.7μmについて波長特性を解析した。FDTD法の空間セルサイズは、38.5nmとし、時間ステップは、9.1×10−17秒とした。吸収境界条件としては、完全整合層(PML:Perfectly Matched Layer)を用い、PML層数24とし、導電率次数2とした。 The polarization mode of light in the two-dimensional photonic crystal includes a TE (Transverse Electric) mode having a magnetic field component in the y direction along the cylinder, an electric field component in the x direction and the z direction, an electric field component in the y direction, and the x direction. There is also a TM (Transverse Magnetic) mode having a magnetic field component in the z direction. Here, the polarization mode of light was set to TM mode, and the wavelength characteristics were analyzed for wavelengths of 1.45 to 1.7 μm. The spatial cell size of the FDTD method was 38.5 nm, and the time step was 9.1 × 10 −17 seconds. As the absorbing boundary condition, a perfectly matched layer (PML) was used, the number of PML layers was 24, and the conductivity order was 2.

その結果、図4の白抜き線で示すように、格子間隔aで規格化した半径(r/a)が0.2において、規格化周波数(ωa/2πc)が約0.3〜約0.45に該当する波長を持つ光は、TMモードで線欠陥導波路において導波されることが判った。   As a result, as indicated by white lines in FIG. 4, when the radius (r / a) normalized by the lattice spacing a is 0.2, the normalized frequency (ωa / 2πc) is about 0.3 to about 0.00. It has been found that light having a wavelength corresponding to 45 is guided in the line defect waveguide in the TM mode.

図5は、比較例として放射性ガイド無しの導波路について解析した結果を示すもので、図5(a)は放射性ガイド無しの導波路の平面図、図5(b)は導波路の模式図、図5(c)〜(e)はパルス光の時間変化を描写した画像である。   FIG. 5 shows the result of analysis of a waveguide without a radioactive guide as a comparative example. FIG. 5A is a plan view of the waveguide without a radioactive guide, and FIG. 5B is a schematic diagram of the waveguide. FIGS. 5C to 5E are images depicting temporal changes in pulsed light.

フォトニック結晶は、図4と同じ条件で誘電体円柱を三角格子状に配列したものであり、x方向に沿って1列分の格子列を除去することによって導波路を形成している。FDTD法の解析条件も図4と同じ条件であり、光の波長は1.45μmとした。   The photonic crystal is obtained by arranging dielectric cylinders in a triangular lattice shape under the same conditions as in FIG. 4, and a waveguide is formed by removing one lattice row along the x direction. The analysis conditions of the FDTD method were also the same as those in FIG. 4, and the light wavelength was 1.45 μm.

まず、初期条件に従ってパルス光が導波路に沿ってx方向に進行すると、109fs(フェムト秒)の時間経過後に、図5(c)に示すように、導波路10を中心として上下方向にエバネッセント波がしみ出すような光強度分布を示す。さらに、218fsの経過後は、図5(d)に示すように、パルス光が導波路10の出力端を通過して、外部媒体20に向けて放射されている。さらに、309fsの経過後は、終端反射による光が導波路10を−x方向に進行している。   First, when the pulsed light travels in the x direction along the waveguide according to the initial conditions, after elapse of 109 fs (femtosecond), as shown in FIG. A light intensity distribution that oozes out. Further, after the elapse of 218 fs, the pulsed light is radiated toward the external medium 20 through the output end of the waveguide 10 as shown in FIG. Further, after 309 fs has elapsed, light due to terminal reflection proceeds in the waveguide 10 in the −x direction.

従って、放射性ガイド無しの導波路では、導波路の出力端において結晶内部に向かって進行する反射光が発生することが判る。   Therefore, it can be seen that in a waveguide without a radioactive guide, reflected light traveling toward the inside of the crystal is generated at the output end of the waveguide.

図6は、本発明の第1実施形態に係る放射性ガイド有りの導波路について解析した結果を示すもので、図6(a)は放射性ガイド有りの導波路の平面図、図6(b)は導波路の模式図、図6(c)〜(e)はパルス光の時間変化を描写した画像である。FDTD法の解析条件は、図5のものと同じである。   FIG. 6 shows the result of analysis of a waveguide with a radioactive guide according to the first embodiment of the present invention. FIG. 6 (a) is a plan view of the waveguide with a radioactive guide, and FIG. Schematic diagrams of the waveguide, FIGS. 6C to 6E are images depicting temporal changes in pulsed light. The analysis conditions of the FDTD method are the same as those in FIG.

まず、初期条件に従ってパルス光が導波路に沿ってx方向に進行すると、109fs(フェムト秒)の時間経過後に、図6(c)に示すように、導波路10を中心として上下方向にエバネッセント波がしみ出すような光強度分布を示す。さらに、218fsの経過後は、図6(d)に示すように、パルス光が導波路10の出力端を通過して、放射性ガイド21を通過しながら外部媒体20に漏出している。さらに、309fsの経過後は、光の大部分が消失してしまい、終端反射による反射光は殆ど発生していない。   First, when the pulsed light travels in the x direction along the waveguide in accordance with the initial conditions, after elapse of 109 fs (femtosecond), as shown in FIG. A light intensity distribution that oozes out. Further, after the elapse of 218 fs, as shown in FIG. 6D, the pulsed light passes through the output end of the waveguide 10 and leaks to the external medium 20 while passing through the radioactive guide 21. Further, after 309 fs has elapsed, most of the light has disappeared, and almost no reflected light is generated due to terminal reflection.

従って、本発明に係る放射性ガイドを備えた導波路では、結晶内部に向かって進行する反射光が殆ど発生しないことが判る。その結果、反射ノイズ光による内部の光回路の機能低下を確実に防止することができる。   Therefore, it can be seen that in the waveguide provided with the radioactive guide according to the present invention, almost no reflected light traveling toward the inside of the crystal is generated. As a result, it is possible to reliably prevent the function deterioration of the internal optical circuit due to the reflected noise light.

次に、終端反射による反射率の定量評価について説明する。   Next, the quantitative evaluation of the reflectance by the terminal reflection will be described.

図7(a)は、反射光のパワー評価領域を示す平面図であり、図7(b)は、終端反射率の波長依存性を示すグラフである。パルス光の時間幅を90fsに設定し、評価式は、下記の式(1)に示すように、各時間ステップにおいてパワー評価領域の全セルの電界の2乗値の和を計算し、それら時間ステップごとの値を足し合わせ、領域を通過する光のエネルギーを求めている。反射率は、反射光のエネルギーを入射パルス光のエネルギーで除算することによって得られる。そして、波長1.45〜1.7μmについて終端反射率を計算した。   Fig.7 (a) is a top view which shows the power evaluation area | region of reflected light, FIG.7 (b) is a graph which shows the wavelength dependence of terminal reflectance. The time width of the pulsed light is set to 90 fs, and the evaluation formula calculates the sum of the square values of the electric fields of all the cells in the power evaluation region at each time step as shown in the following formula (1). By adding the values for each step, the energy of light passing through the region is obtained. The reflectance is obtained by dividing the energy of the reflected light by the energy of the incident pulsed light. And the termination | terminus reflectance was calculated about wavelength 1.45-1.7micrometer.

Figure 2008040230
Figure 2008040230

その結果、図7(b)に示すように、放射性ガイド無しの導波路(図5)は、約0.17〜約0.26の反射率を示した。一方、本発明に係る放射性ガイド21を備えた導波路(図6)は、約0.01〜約0.03の反射率を示し、導波路の終端反射を大幅に低減できることが判る。   As a result, as shown in FIG. 7B, the waveguide without the radioactive guide (FIG. 5) exhibited a reflectivity of about 0.17 to about 0.26. On the other hand, the waveguide (FIG. 6) provided with the radioactive guide 21 according to the present invention exhibits a reflectance of about 0.01 to about 0.03, and it can be seen that the terminal reflection of the waveguide can be greatly reduced.

図8(a)は、本発明の第2実施形態を示す平面図であり、図8(b)は、その模式図である。図8(c)は、その終端反射率の波長依存性を示すグラフである。   FIG. 8A is a plan view showing a second embodiment of the present invention, and FIG. 8B is a schematic diagram thereof. FIG. 8C is a graph showing the wavelength dependence of the terminal reflectance.

フォトニック結晶PCは、上述と同様に、多数の格子がxy面内に三角格子状に配列した2次元フォトニック結晶である。このフォトニック結晶PCの内部に線欠陥を導入することによって、x方向に沿った光軸を有する導波路10が形成されている。フォトニック結晶PCは、界面11において大気等の外部媒体20と接合している。   As described above, the photonic crystal PC is a two-dimensional photonic crystal in which a large number of lattices are arranged in a triangular lattice pattern in the xy plane. By introducing a line defect into the photonic crystal PC, a waveguide 10 having an optical axis along the x direction is formed. The photonic crystal PC is bonded to an external medium 20 such as the atmosphere at the interface 11.

放射性ガイド22は、界面11から導波路10の光軸方向に沿って突出している。光軸方向に垂直なy方向に配列した格子数は、導波路10の内部と比べて放射性ガイド22の方が少なくなるように設計している。   The radioactive guide 22 protrudes from the interface 11 along the optical axis direction of the waveguide 10. The number of gratings arranged in the y direction perpendicular to the optical axis direction is designed so that the radioactive guide 22 is smaller than the inside of the waveguide 10.

導波路10の出力端は、放射性ガイド22と連結しており、導波路10の入力端は、結晶内部に形成された光回路(不図示)に連結している。   The output end of the waveguide 10 is connected to the radioactive guide 22, and the input end of the waveguide 10 is connected to an optical circuit (not shown) formed inside the crystal.

本実施形態では、放射性ガイド22を両側複数(ここでは2列)の格子列で構成している。そのため、図6に示した両側1列の格子列のものと比べて、界面11における構造変化がより緩やかになるため、反射光をより低減することができる。   In the present embodiment, the radioactive guide 22 is configured by a plurality of grid rows on both sides (here, two rows). For this reason, the structural change at the interface 11 becomes more gradual than in the case of the lattice array of one side on both sides shown in FIG. 6, and the reflected light can be further reduced.

また、放射性ガイド22において、x方向に沿った格子数は、内側格子列と比べて外側格子列の方が少なくなるように設計している。そのため、放射性ガイド22のy方向に沿った格子数が徐々に減少するようになり、段差部分での反射光の発生を抑制することができる。   In the radioactive guide 22, the number of lattices along the x direction is designed to be smaller in the outer lattice row than in the inner lattice row. Therefore, the number of lattices along the y direction of the radioactive guide 22 gradually decreases, and the generation of reflected light at the step portion can be suppressed.

図8(c)に示すように、図6に示した放射性ガイド21を備えた導波路と比較すると、本実施形態に係る放射性ガイド22を備えた導波路は、波長1.6〜1.7μmにおいて反射率がさらに低下していることが判る。   As shown in FIG. 8C, compared with the waveguide having the radioactive guide 21 shown in FIG. 6, the waveguide having the radioactive guide 22 according to this embodiment has a wavelength of 1.6 to 1.7 μm. It can be seen that the reflectance is further reduced.

なお、本実施形態では、2次元フォトニック結晶に、両側複数列の格子列で構成された放射性ガイド21を設けた例を説明したが、3次元フォトニック結晶の場合、複数の格子列が円筒状に配列された放射性ガイドを設けることによって同様な効果が得られる。   In this embodiment, the example in which the radioactive guide 21 configured by a plurality of lattice arrays on both sides is provided on the two-dimensional photonic crystal has been described. However, in the case of a three-dimensional photonic crystal, the plurality of lattice arrays are cylindrical. A similar effect can be obtained by providing radioactive guides arranged in a shape.

図9(a)は、本発明の第3実施形態を示す平面図であり、図9(b)は、その模式図である。図9(c)は、その終端反射率の波長依存性を示すグラフである。   Fig.9 (a) is a top view which shows 3rd Embodiment of this invention, FIG.9 (b) is the schematic diagram. FIG. 9C is a graph showing the wavelength dependence of the terminal reflectance.

フォトニック結晶PCは、上述と同様に、多数の格子がxy面内に三角格子状に配列した2次元フォトニック結晶である。このフォトニック結晶PCの内部に線欠陥を導入することによって、x方向に沿った光軸を有する導波路10が形成されている。フォトニック結晶PCは、界面11において大気等の外部媒体20と接合している。   As described above, the photonic crystal PC is a two-dimensional photonic crystal in which a large number of lattices are arranged in a triangular lattice pattern in the xy plane. By introducing a line defect into the photonic crystal PC, a waveguide 10 having an optical axis along the x direction is formed. The photonic crystal PC is bonded to an external medium 20 such as the atmosphere at the interface 11.

放射性ガイド23は、界面11から導波路10の光軸方向に沿って突出している。光軸方向に垂直なy方向に配列した格子数は、導波路10の内部と比べて放射性ガイド23の方が少なくなるように設計している。   The radioactive guide 23 protrudes from the interface 11 along the optical axis direction of the waveguide 10. The number of gratings arranged in the y direction perpendicular to the optical axis direction is designed so that the radioactive guide 23 is smaller than the inside of the waveguide 10.

導波路10の出力端は、放射性ガイド23と連結しており、導波路10の入力端は、結晶内部に形成された光回路(不図示)に連結している。   The output end of the waveguide 10 is connected to the radioactive guide 23, and the input end of the waveguide 10 is connected to an optical circuit (not shown) formed inside the crystal.

本実施形態では、放射性ガイド23は、導波路10を中心として下片側の格子列数が、上片側の格子列数より少なくなるように設計している。典型的には、上片側の格子列がフォトニック結晶PCと連続し、下片側の格子列数は1列のみとした片側放射性ガイド23として構成される。そのため、図6に示した両側1列の格子列のものと比べて、界面11における構造変化がより緩やかになるため、反射光をより低減することができる。   In the present embodiment, the radioactive guide 23 is designed so that the number of lattice rows on the lower side with respect to the waveguide 10 is smaller than the number of lattice rows on the upper side. Typically, it is configured as a one-side radioactive guide 23 in which the upper half lattice line is continuous with the photonic crystal PC and the lower half lattice line number is only one. For this reason, the structural change at the interface 11 becomes more gradual than in the case of the lattice array of one side on both sides shown in FIG. 6, and the reflected light can be further reduced.

図9(c)に示すように、図6に示した放射性ガイド21を備えた導波路と比較すると、本実施形態に係る放射性ガイド23を備えた導波路は、波長1.55〜1.7μmにおいて反射率がさらに低下していることが判る。   As shown in FIG. 9C, compared with the waveguide having the radioactive guide 21 shown in FIG. 6, the waveguide having the radioactive guide 23 according to the present embodiment has a wavelength of 1.55 to 1.7 μm. It can be seen that the reflectance is further reduced.

図10は、本発明の第4実施形態を示す平面図である。フォトニック結晶PCは、上述と同様に、多数の格子がxy面内に三角格子状に配列した2次元フォトニック結晶である。フォトニック結晶PCは、界面11において大気等の外部媒体20と接合している。このフォトニック結晶PCの内部に線欠陥を導入することによって、x方向に沿った光軸を有する導波路10が形成されている。   FIG. 10 is a plan view showing a fourth embodiment of the present invention. As described above, the photonic crystal PC is a two-dimensional photonic crystal in which a large number of lattices are arranged in a triangular lattice pattern in the xy plane. The photonic crystal PC is bonded to an external medium 20 such as the atmosphere at the interface 11. By introducing a line defect into the photonic crystal PC, a waveguide 10 having an optical axis along the x direction is formed.

本実施形態では、この導波路10に近接するように、例えば、1列の格子列が介在するように、線欠陥からなる第2の導波路12が形成され、方向性結合器15を構成している。   In the present embodiment, the second waveguide 12 made of a line defect is formed so as to be close to the waveguide 10, for example, so that one row of lattices is interposed, and the directional coupler 15 is configured. ing.

放射性ガイド21は、界面11から導波路12の光軸方向に沿って突出している。光軸方向に垂直なy方向に配列した格子数は、導波路12の内部と比べて放射性ガイド21の方が少なくなるように設計している。   The radioactive guide 21 protrudes from the interface 11 along the optical axis direction of the waveguide 12. The number of gratings arranged in the y direction perpendicular to the optical axis direction is designed so that the radioactive guide 21 is smaller than the inside of the waveguide 12.

導波路12の出力端は、放射性ガイド21と連結しており、導波路10の入力端は、結晶内部に形成された光回路(不図示)に連結している。   The output end of the waveguide 12 is connected to the radioactive guide 21, and the input end of the waveguide 10 is connected to an optical circuit (not shown) formed inside the crystal.

光L1aが導波路10に沿って進行し、方向性結合器15に進入すると、エバネッセント波を介して導波路12にシフトし、光L1bとなってx方向に進行するようになる。光L1bが放射性ガイド21に進入すると、放射性ガイド21の周辺から光L4がエバネッセント波となって外部媒体20へ向けて徐々に漏れ出すようになる。また、放射性ガイド21に進入した光L2は、徐々に減衰して、放射性ガイド21の末端に到達するまでに光強度はゼロになる。従って、結晶内部に向って進行する反射光を大幅に低減することができる。   When the light L1a travels along the waveguide 10 and enters the directional coupler 15, it shifts to the waveguide 12 via the evanescent wave and travels in the x direction as light L1b. When the light L 1 b enters the radioactive guide 21, the light L 4 becomes an evanescent wave from the periphery of the radioactive guide 21 and gradually leaks toward the external medium 20. Further, the light L2 that has entered the radioactive guide 21 is gradually attenuated, and the light intensity becomes zero before reaching the end of the radioactive guide 21. Therefore, the reflected light traveling toward the inside of the crystal can be greatly reduced.

このように方向性結合器15と放射性ガイド21を組合せることによって、多様な終端回路を構成することができる。なお、ここでは、図3に示した放射性ガイド21との組合せについて説明したが、図8に示した放射性ガイド22または図9に示した放射性ガイド23との組合せも容易に実現できる。   By combining the directional coupler 15 and the radioactive guide 21 in this way, various termination circuits can be configured. Although the combination with the radioactive guide 21 shown in FIG. 3 has been described here, the combination with the radioactive guide 22 shown in FIG. 8 or the radioactive guide 23 shown in FIG. 9 can also be easily realized.

図11は、本発明の第5実施形態を示す斜視図であり、図12は、導波路の終端付近でのyz面に沿った断面図である。フォトニック結晶PCは、多数の格子が、ブラヴェ格子の単位セル、例えば、立方晶で配列した3次元フォトニック結晶である。フォトニック結晶PCは、界面11において大気等の外部媒体20と接合している。このフォトニック結晶PCの内部に線欠陥を導入することによって、x方向に沿った光軸を有する導波路16が形成されている。   FIG. 11 is a perspective view showing a fifth embodiment of the present invention, and FIG. 12 is a cross-sectional view along the yz plane near the end of the waveguide. The photonic crystal PC is a three-dimensional photonic crystal in which a large number of lattices are arranged in unit cells of Brave lattice, for example, cubic crystals. The photonic crystal PC is bonded to an external medium 20 such as the atmosphere at the interface 11. By introducing a line defect into the photonic crystal PC, a waveguide 16 having an optical axis along the x direction is formed.

導波路16の終端付近は、図12に示すように、導波路16の光軸方向に関して所定の周方向に配列した格子数が減少している領域が設けられ、この格子欠落部分が放射性ガイド24として機能する。ここでは、特定の周方向に配列した1列分の格子列を除去した例を示す。   In the vicinity of the end of the waveguide 16, as shown in FIG. 12, there is provided a region where the number of lattices arranged in a predetermined circumferential direction with respect to the optical axis direction of the waveguide 16 is reduced. Function as. Here, an example is shown in which one grid row arranged in a specific circumferential direction is removed.

図13は、放射性ガイド24の別の例を示すyz面に沿った断面図である。この放射性ガイド24は、導波路16の光軸方向に関して特定の周方向の角度範囲に渡って格子列を除去することで構成している。   FIG. 13 is a cross-sectional view along the yz plane showing another example of the radioactive guide 24. The radioactive guide 24 is configured by removing the lattice rows over a specific circumferential angular range with respect to the optical axis direction of the waveguide 16.

いずれの放射性ガイド24においても、光L1が導波路16に沿ってx方向に進行して、放射性ガイド24に進入すると、放射性ガイド24の周辺のうち格子欠落部分から光L4がエバネッセント波となって徐々に漏れ出すようになる。また、格子欠落部分のx方向長さを充分に確保することにより、放射性ガイド24に進入した光は、放射性ガイド24の末端に到達するまでに光強度はゼロになる。従って、結晶内部に向って進行する反射光を大幅に低減することができる。   In any of the radioactive guides 24, when the light L1 travels in the x direction along the waveguide 16 and enters the radioactive guide 24, the light L4 becomes an evanescent wave from the lattice missing portion around the radioactive guide 24. It gradually begins to leak. In addition, by sufficiently securing the length in the x direction of the lattice missing portion, the light intensity that has entered the radioactive guide 24 becomes zero before reaching the end of the radioactive guide 24. Therefore, the reflected light traveling toward the inside of the crystal can be greatly reduced.

本発明は、導波路の終端反射を大幅に低減できる点で、産業上極めて有用である。   The present invention is extremely useful industrially in that the end reflection of the waveguide can be greatly reduced.

各種フォトニック結晶を示す斜視図である。It is a perspective view which shows various photonic crystals. 線欠陥による導波路形成の様子を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the mode of the waveguide formation by a line defect. 本発明の第1実施形態を示す平面図である。It is a top view which shows 1st Embodiment of this invention. FDTD法による解析結果の一例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows an example of the analysis result by FDTD method. 比較例として放射性ガイド無しの導波路について解析した結果を示すもので、図5(a)は放射性ガイド無しの導波路の平面図、図5(b)は導波路の模式図、図5(c)〜(e)はパルス光の時間変化を描写した画像である。FIG. 5A shows a result of analysis of a waveguide without a radioactive guide as a comparative example. FIG. 5A is a plan view of the waveguide without a radioactive guide, FIG. 5B is a schematic diagram of the waveguide, and FIG. ) To (e) are images depicting temporal changes in pulsed light. 本発明の第1実施形態に係る放射性ガイド有りの導波路について解析した結果を示すもので、図6(a)は放射性ガイド有りの導波路の平面図、図6(b)は導波路の模式図、図6(c)〜(e)はパルス光の時間変化を描写した画像である。FIGS. 6A and 6B show analysis results of the waveguide with a radioactive guide according to the first embodiment of the present invention, FIG. 6A is a plan view of the waveguide with a radioactive guide, and FIG. 6B is a schematic diagram of the waveguide. FIGS. 6 (c) to 6 (e) are images depicting temporal changes in pulsed light. 図7(a)は反射光のパワー評価領域を示す平面図であり、図7(b)は終端反射率の波長依存性を示すグラフである。FIG. 7A is a plan view showing a power evaluation region of reflected light, and FIG. 7B is a graph showing the wavelength dependence of the terminal reflectance. 図8(a)は本発明の第2実施形態を示す平面図であり、図8(b)はその模式図であり、図8(c)はその終端反射率の波長依存性を示すグラフである。FIG. 8A is a plan view showing a second embodiment of the present invention, FIG. 8B is a schematic diagram thereof, and FIG. 8C is a graph showing the wavelength dependence of the terminal reflectance. is there. 図9(a)は本発明の第3実施形態を示す平面図であり、図9(b)はその模式図であり、図9(c)はその終端反射率の波長依存性を示すグラフである。FIG. 9A is a plan view showing a third embodiment of the present invention, FIG. 9B is a schematic view thereof, and FIG. 9C is a graph showing the wavelength dependence of the terminal reflectance. is there. 本発明の第4実施形態を示す平面図である。It is a top view which shows 4th Embodiment of this invention. 本発明の第5実施形態を示す斜視図である。It is a perspective view which shows 5th Embodiment of this invention. 導波路の終端付近でのyz面に沿った断面図である。It is sectional drawing along yz plane in the vicinity of the termination | terminus of a waveguide. 放射性ガイド24の別の例を示すyz面に沿った断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view along the yz plane showing another example of the radioactive guide 24. 従来のフォトニック結晶導波路の一例を示す平面図である。It is a top view which shows an example of the conventional photonic crystal waveguide.

符号の説明Explanation of symbols

10,12,16 導波路
11 界面
15 方向性結合器
20 外部媒体
21,22,23,24 放射性ガイド
B 格子
D 線欠陥
PC フォトニック結晶


10, 12, 16 Waveguide 11 Interface 15 Directional coupler 20 External medium 21, 22, 23, 24 Radiation guide B Lattice D Line defect PC Photonic crystal


Claims (7)

格子が周期的に配列したフォトニック結晶と、
フォトニック結晶内に線欠陥を導入して構成される導波路と、
フォトニック結晶の界面から導波路の光軸方向に沿って突出した放射性ガイドとを備え、
該光軸方向に垂直な方向に配列した格子数は、導波路内部と比べて放射性ガイドの方が少ないことを特徴とするフォトニック結晶導波路。
A photonic crystal with periodically arranged lattices;
A waveguide configured by introducing a line defect into the photonic crystal;
A radioactive guide protruding from the interface of the photonic crystal along the optical axis direction of the waveguide,
A photonic crystal waveguide characterized in that the number of gratings arranged in a direction perpendicular to the optical axis direction is smaller in the number of radioactive guides than in the inside of the waveguide.
放射性ガイドは、両側1列の格子列で構成されることを特徴とする請求項1記載のフォトニック結晶導波路。   2. The photonic crystal waveguide according to claim 1, wherein the radioactive guide is composed of a lattice array on one side. 放射性ガイドは、両側複数の格子列で構成されることを特徴とする請求項1記載のフォトニック結晶導波路。   2. The photonic crystal waveguide according to claim 1, wherein the radioactive guide is composed of a plurality of lattice arrays on both sides. 両側複数の格子列で構成された放射性ガイドにおいて、導波路の光軸方向に沿った格子数は、内側格子列と比べて外側格子列の方が少ないことを特徴とする請求項3記載のフォトニック結晶導波路。   4. The photo according to claim 3, wherein the number of gratings along the optical axis direction of the waveguide is smaller in the outer grating array than in the inner grating array in the radioactive guide composed of a plurality of grating arrays on both sides. Nick crystal waveguide. 放射性ガイドは、一方の片側の格子列数が、他方の片側の格子列数より少ないことを特徴とする請求項1記載のフォトニック結晶導波路。   The photonic crystal waveguide according to claim 1, wherein the radioactive guide has a smaller number of lattice rows on one side than the number of lattice rows on the other side. フォトニック結晶内に、第1の線欠陥と第2の線欠陥が近接配置して構成される方向性結合器を備えることを特徴とする請求項1記載のフォトニック結晶導波路。   2. The photonic crystal waveguide according to claim 1, further comprising: a directional coupler in which the first line defect and the second line defect are arranged close to each other in the photonic crystal. フォトニック結晶が3次元フォトニック結晶であって、放射性ガイドは、光軸方向に関して所定の周方向に配列した格子数が減少している領域を有することを特徴とする請求項1記載のフォトニック結晶導波路。


2. The photonic crystal according to claim 1, wherein the photonic crystal is a three-dimensional photonic crystal, and the radioactive guide has a region where the number of lattices arranged in a predetermined circumferential direction with respect to the optical axis direction is reduced. Crystal waveguide.


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