JP2011123272A - Optical device - Google Patents
Optical device Download PDFInfo
- Publication number
- JP2011123272A JP2011123272A JP2009280514A JP2009280514A JP2011123272A JP 2011123272 A JP2011123272 A JP 2011123272A JP 2009280514 A JP2009280514 A JP 2009280514A JP 2009280514 A JP2009280514 A JP 2009280514A JP 2011123272 A JP2011123272 A JP 2011123272A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- refractive index
- light
- index layer
- optical device
- periodic structure
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Landscapes
- Optical Integrated Circuits (AREA)
Abstract
Description
本発明は、エアーギャップを介して光波長以下のスポット径に集光可能な光デバイスに関し、より特定的には、光集積回路のパラレル光配線の光電変換部において高速応答に必要なナノオーダーの集光ビーム径を用いつつ、チャンネル間クロストークを低減できる光デバイスに関する。 The present invention relates to an optical device capable of condensing to a spot diameter equal to or smaller than the light wavelength through an air gap, and more specifically, a nano-order necessary for high-speed response in a photoelectric conversion part of a parallel optical wiring of an optical integrated circuit. The present invention relates to an optical device that can reduce crosstalk between channels while using a focused beam diameter.
近年の高速情報通信インフラの整備に伴い、大容量データの演算、蓄積、及び表示を行うデジタル関連機器が急速に発展してきている。この大容量データを扱うためには、電子機器内のボード間やボード上のチップ間等、比較的短距離の情報伝送において、信号伝送の高速化や信号配線の高密度化が要求される。しかしながら、電気信号を用いた配線では、配線の時定数による信号遅延やノイズ発生等の問題があるため、伝送速度の高速化や配線の高密度化にも限界がある。 With the development of high-speed information communication infrastructure in recent years, digital-related devices that calculate, store, and display a large amount of data are rapidly developing. In order to handle this large amount of data, it is required to increase the speed of signal transmission and the density of signal wiring in information transmission over a relatively short distance such as between boards in an electronic device or between chips on a board. However, wiring using electrical signals has problems such as signal delay and noise generation due to wiring time constants, and there is a limit to increasing the transmission speed and increasing the wiring density.
こうした問題を解決するために、光信号を用いた光配線が注目されている。この光配線とは、光信号を伝送するために用いられる光伝送路であり、典型的には光導波路である。例えば、基板に実装された第1チップから第2チップへ信号を短距離伝送する場合、第1チップと第2チップとの間に光導波路で光配線を形成する。第1チップが出力する電気信号は、レーザ光に変調されて光導波路を伝搬した後、再び電気信号に復調されて第2チップへ出力される。 In order to solve such problems, attention has been paid to optical wiring using optical signals. The optical wiring is an optical transmission path used for transmitting an optical signal, and is typically an optical waveguide. For example, when a signal is transmitted over a short distance from a first chip mounted on a substrate to a second chip, an optical wiring is formed by an optical waveguide between the first chip and the second chip. The electrical signal output from the first chip is modulated into laser light and propagates through the optical waveguide, and then demodulated again into an electrical signal and output to the second chip.
この光配線においては、微細及び集積化が要求され、光配線の線幅、線間間隔、及び導波路−受光素子間の距離は、おおよそ数百nm〜数十μmである。このため、適応可能な微小レンズの作製及び実装にコストがかかるとの理由から、屈折レンズを使用しないで光導波路と受光素子とを結合するバットジョイント(butt joint)が主流となっている。 The optical wiring is required to be fine and integrated, and the line width of the optical wiring, the distance between the lines, and the distance between the waveguide and the light receiving element are approximately several hundred nm to several tens of μm. For this reason, a butt joint that joins an optical waveguide and a light receiving element without using a refractive lens has become the mainstream because it is expensive to manufacture and mount an adaptable microlens.
ところが、バットジョイントでは、光導波路から受光素子へ入射される光が拡散光となるため、受光部分でのビーム径が大きくなり受光素子の応答速度が遅くなる。また、複数の光配線(チャンネル)がパラレルに配置されたパラレル光配線においては、あるチャンネルの光導波路からの拡散光が他のチャンネルの受光素子で受信される等、チャンネル間のクロストークが問題となっている。 However, in the butt joint, since the light incident on the light receiving element from the optical waveguide becomes diffused light, the beam diameter at the light receiving part is increased and the response speed of the light receiving element is decreased. Also, in parallel optical wiring in which a plurality of optical wirings (channels) are arranged in parallel, diffused light from the optical waveguide of one channel is received by the light receiving element of another channel, which causes a problem of crosstalk between channels. It has become.
受光素子を10Gbps以上で高速応答をさせるためには、受光径を波長以下のナノオーダーにする必要があり、これを実現させるために回折限界を超える光学構成が様々に提案されている。その中の1つとして、光の波長λよりも十分に小さい開口部を有する金属膜に光を入射させた時に開口部からしみ出す近接場光を利用して、金属膜の開口部近傍に配置した受光素子の受光部分に回折限界を超える波長以下のスポット径を形成する構成が提案されている。
しかしながら、この構成では、開口部が微小であるため、受光部分に受光される光量が小さく信号対雑音比(SNR)が悪いという問題がある。
In order to make the light receiving element respond at a high speed at 10 Gbps or more, it is necessary to make the light receiving diameter nano-order less than the wavelength. In order to realize this, various optical configurations exceeding the diffraction limit have been proposed. As one of them, it is arranged near the opening of the metal film using near-field light that oozes from the opening when light is incident on the metal film having an opening sufficiently smaller than the wavelength λ of the light. A configuration has been proposed in which a spot diameter of a wavelength not exceeding the diffraction limit is formed in the light receiving portion of the light receiving element.
However, this configuration has a problem that since the aperture is very small, the amount of light received by the light receiving portion is small and the signal-to-noise ratio (SNR) is poor.
そこで、金属膜上の開口部の周囲に表面周期構造を設け、この周期構造を介して金属膜への入射光とプラズモンとを共鳴させることで、開口部から波長以下のスポット径のエバネセント波を増強して光量不足を解決する技術がある(例えば、特許文献1を参照)。
しかしながら、近接場光は開口部からの距離が離れるにつれて急速に減衰する性質があるので、いくら近接場光の強度が増強されても、開口部と受光部分との距離は、約λ/4以下に制限されてしまう。一方、光導波路と金属膜状の開口部との間は、数μm以上のバットジョイントであるため、多チャンネルのパラレル光配線の場合は、他チャンネルの光導波路からの拡散光が金属膜上の開口部に到達するためクロストークが避けられない。
Therefore, by providing a surface periodic structure around the opening on the metal film and resonating incident light on the metal film and plasmon through this periodic structure, an evanescent wave with a spot diameter of less than the wavelength from the opening is generated. There is a technique for resolving the shortage of light quantity by increasing the intensity (see, for example, Patent Document 1).
However, since the near-field light has a property of rapidly decaying as the distance from the opening increases, the distance between the opening and the light-receiving portion is about λ / 4 or less, no matter how much the intensity of the near-field light is increased. It will be limited to. On the other hand, since a butt joint of several μm or more is formed between the optical waveguide and the metal film-like opening, in the case of multi-channel parallel optical wiring, diffused light from the optical waveguide of other channels is on the metal film. Cross talk is inevitable because it reaches the opening.
この近接場光を利用した受光系で多チャンネル時のクロストークの問題を解決する方法として、波長多重光を利用し、金属膜の表面に設けられた各波長に対応する複数の開口部と、各開口部を中心に同心円状の各波長に対応した異なる周期の周期構造とを有し、各波長をそれぞれ表面プラズモンに変換して電気的に分離された受光部で受光する技術がある(例えば、特許文献2を参照)。
しかしながら、同一導波路で伝送されかつ金属膜上の同一位置に照射される波長多重光を複数の開口部へ効率良く入射させるためには、複数の開口部の相互間隔を非常に小さくする必要がある。このため、各開口部の周囲に同心円状の各波長に対応した周期構造が他波長の周期構造と複雑に交差するため、チャンネル数の増加に伴って作製が困難になるだけでなく、各波長に対応した同心円状の周期構造の複雑な交差の増加により、異波長で励振されたプラズモンが結合してクロストークの原因となる。
As a method of solving the problem of crosstalk at the time of multi-channel in the light receiving system using this near-field light, using wavelength multiplexed light, a plurality of openings corresponding to each wavelength provided on the surface of the metal film, There is a technique of having a periodic structure with a different period corresponding to each wavelength concentrically around each opening, and converting each wavelength into a surface plasmon and receiving light by an electrically separated light receiving unit (for example, , See Patent Document 2).
However, in order to make the wavelength multiplexed light transmitted through the same waveguide and irradiated at the same position on the metal film efficiently enter the plurality of openings, it is necessary to make the interval between the plurality of openings very small. is there. For this reason, the periodic structure corresponding to each wavelength concentrically around each opening intersects with the periodic structure of other wavelengths in a complex manner. Due to the increase in complex crossing of the concentric periodic structures corresponding to plasmons, plasmons excited at different wavelengths are combined to cause crosstalk.
一方、近接場光を利用しないで波長以下のナノオーダーの集光スポット径を得る方法も数々報告されている。 On the other hand, many methods for obtaining a nano-order focused spot diameter below the wavelength without using near-field light have been reported.
まず、2000年に、エバネセント波の増幅作用に起因する従来の回折限界を受けずに点光源を完全な点光源に集光できるパーフェクトレンズ効果が、理論的に証明された(非特許文献1を参照)。よって、このパーフェクトレンズ効果を有する負屈折材料をレンズとして使用すれば、光導波路からの入射光を波長以下のナノオーダーの受光径に集光できるだけでなく、多チャンネルのパラレル光配線であっても各チャンネル導波路からの入射光をクロストーク無く各チャンネルの受光素子に集光することができる。
しかしながら、現時点では、パーフェクトレンズ効果を有する負屈折材料を工業的に製造できる技術が無いので、実現するのは困難である。
First, in 2000, a perfect lens effect capable of condensing a point light source to a complete point light source without being subjected to the conventional diffraction limit due to the amplification action of the evanescent wave was theoretically proved (Non-Patent Document 1). reference). Therefore, if the negative refraction material having the perfect lens effect is used as a lens, not only the incident light from the optical waveguide can be condensed to a nano-order light receiving diameter of a wavelength or less, but also a multi-channel parallel optical wiring. Incident light from each channel waveguide can be condensed on the light receiving element of each channel without crosstalk.
However, at present, there is no technology capable of industrially producing a negative refraction material having a perfect lens effect, so that it is difficult to realize.
また、従来は波長以下の解像度を得るには上述のようにエバネセント光の利用が不可欠と考えられていたが、2006年に、スーパーオシレーションを利用すればエバネセント光を利用しなくても伝搬光のみで波長以下の解像度が得られることが、理論的に証明された(非特許文献2を参照)。この結果を受け、金属膜上にスーパーオシレーション条件を満足するナノホールパターン(ペンローズパターン)を設け、回折光の干渉によるTalbot効果のセルフイメージング位置(Talbot Distance =2a2/λ(a:ナノホール間最小距離、λ:波長)の倍数)に波長以下のスポット径の集光を実現した報告がある(非特許文献3を参照)。この光学的なスーパーオシレーションは、光源の周波数よりも小さな空間周波数の伝搬光で構成されるので、原理的には開口部と受光部分との間にエバネセント光を利用した場合に比較して大きなエアーギャップを実現できる。 Conventionally, the use of evanescent light was considered to be indispensable for obtaining a resolution below the wavelength as described above. However, in 2006, if super oscillation is used, the propagating light can be used without using evanescent light. It was theoretically proved that a resolution of a wavelength or less can be obtained by using only (see Non-Patent Document 2). Based on this result, a nanohole pattern (Penrose pattern) that satisfies the super oscillation condition is provided on the metal film, and the self-imaging position of the Talbot effect due to interference of diffracted light (Talbot Distance = 2a 2 / λ (a: minimum between nanoholes There is a report that realizes condensing light with a spot diameter equal to or smaller than the wavelength (distance, λ: wavelength) (see Non-Patent Document 3). This optical super-oscillation is composed of propagating light with a spatial frequency smaller than the frequency of the light source, so in principle it is larger than when evanescent light is used between the aperture and the light receiving part. An air gap can be realized.
上記非特許文献3に記載の技術では、パーフェクトレンズ同様に波長以下のナノオーダーの集光径を実現しつつクロストークを低減する効果はある。しかし、Talbot効果のセルフイメージングによる集光は、パーフェクトレンズとは異なり、金属膜での透過損失及び自由空間での拡散が大きいので、中心軸(光軸)からの距離で光学特性が変化する従来のバルク型レンズによる伝搬光の集光に比べてエネルギー効率が悪い。例えば、非特許文献3では、a=1200nm及びλ=660nmで金属膜から約11μmの位置に波長以下ビーム径に集光することが報告されているが、光量低下により受光部分の受光量が少なくなりSNRが悪化し、実質的に高速応答できないという問題がある。
The technique described in Non-Patent
そこで、上記特許文献1及び2に記載された金属の表面プラズモンを増強する方法と異なる技術として、層状の発光源の半導体やファラデー素子の誘電体を光軸方向に半波長程度の屈折率の周期構造を有する多層膜で挟み込むことで共振器を形成し、半導体層や誘電体層の内部において電子とフォトンとの相互作用を増強する方法がある(例えば、特許文献3及び4を参照)。
Therefore, as a technique different from the method for enhancing the surface plasmon of the metal described in
この方法では、図8に示すように、高屈折率層15と低屈折率層16とが繰り返し積層された第1多層膜110と、同様に高屈折率層15と低屈折率層16とが繰り返し積層された第2多層膜120との間に、半導体層/誘電体層200を挟み込んだ構造を用いる。そして、図9に示す屈折率の周期構造を有する多層膜のフォトニックバンド特性(分散特性)のフォトニックバンドギャップ部分を利用し、半導体層/誘電体層200の内部で共振させることでQ値の大きな光量の極大部分を形成し、光軸方向zにそれぞれQ値の大きな出力や大きなファラデー回転角を得るものである。
In this method, as shown in FIG. 8, the
この特許文献3及び4に記載の共振構造を非特許文献3に記載の技術に組み合わせることが考えられる。ところが、これらを組み合わせて金属膜位置に光量の極大部分を形成しても、金属はプラズマ周波数以上の光の周波数は透過できない(反射する)。このため、金属膜位置で光量を極大化しても透過損失(反射量)が増加するだけで逆効果である。
It is conceivable to combine the resonance structures described in
それ故に、本発明の目的は、スーパーオシレーション条件を満足する伝搬光による波長以下の集光を使用する光配線の受光系において、集光強度の増加によってSNRを改善し高速応答を実現する光デバイスを提供することである。また、本発明の目的は、パラレル光配線時にチャンネル間のクロストークを低減することができる光デバイスを提供することである。 Therefore, it is an object of the present invention to improve the SNR by increasing the concentration of light and to realize a high-speed response in a light receiving system of an optical wiring that uses light of a wavelength or less by propagating light that satisfies the super oscillation condition. Is to provide a device. It is another object of the present invention to provide an optical device that can reduce crosstalk between channels during parallel optical wiring.
本発明は、入射光を集光する光デバイスに向けられている。そして、上記目的を達成するために、本発明の光デバイスは、入射光の光軸方向に屈折率が周期的に変化する第1周期構造体と、第1周期構造体と同一の屈折率及び周期で、入射光の光軸方向に屈折率が周期的に変化する第2周期構造体と、第1周期構造体と第2周期構造体との間に設けられ、光を透過する透明部分を有する膜とを備えている。第1周期構造体及び第2周期構造体は、入射光の波長について低屈折率バンド端近傍のフォトニックバンド特性を持つ周期で屈折率が変化する。膜は、第1周期構造体と第2周期構造体との間に現れる光軸方向の光量分布変化に対して、光量が極大とならない位置に配置されている。 The present invention is directed to an optical device that collects incident light. In order to achieve the above object, an optical device of the present invention includes a first periodic structure whose refractive index periodically changes in the optical axis direction of incident light, the same refractive index as the first periodic structure, and A second periodic structure whose refractive index changes periodically in the optical axis direction of the incident light, and a transparent portion that is provided between the first periodic structure and the second periodic structure and transmits light; And having a film. The first periodic structure body and the second periodic structure body have a refractive index that changes with a period having a photonic band characteristic near the edge of the low refractive index band with respect to the wavelength of the incident light. The film is disposed at a position where the light quantity does not become maximum with respect to the change in the light quantity distribution in the optical axis direction that appears between the first periodic structure and the second periodic structure.
第1及び第2周期構造体は、高屈折率層と低屈折率層とが繰り返し積層された多層膜である。膜は、第1周期構造体端の低屈折率層と第2周期構造体端の低屈折率層との間に設けられ、光量分布変化に対して光量が極小となる位置に配置されることが好ましい。また、第1周期構造体端の低屈折率層と膜との間及び第2周期構造体端の低屈折率層と膜との間に、低屈折率層と同等以下の屈折率を有する第1及び第2補助低屈折率層をさらに備えてもよい。 The first and second periodic structures are multilayer films in which a high refractive index layer and a low refractive index layer are repeatedly stacked. The film is provided between the low-refractive index layer at the end of the first periodic structure and the low-refractive index layer at the end of the second periodic structure, and is disposed at a position where the light amount is minimized with respect to the light amount distribution change. Is preferred. In addition, the second refractive index layer has a refractive index equal to or lower than that of the low refractive index layer between the low refractive index layer and the film at the end of the first periodic structure and between the low refractive index layer and the film at the end of the second periodic structure. The first and second auxiliary low refractive index layers may be further provided.
典型的には、第1周期構造体端の低屈折率層、第1補助低屈折率層、膜、第2補助低屈折率層、及び第2周期構造体端の低屈折率層の合計膜厚が、第1及び第2周期構造体の屈折率が変化する周期の1.2〜2.4倍に設計される。また、第1補助低屈折率層の膜厚と第2補助低屈折率層の膜厚とが等しいことが望ましい。また、第1及び第2周期構造体の屈折率が変化する周期が、入射光の波長の0.4〜0.8倍に設計される。 Typically, the total film of the low refractive index layer at the end of the first periodic structure, the first auxiliary low refractive index layer, the film, the second auxiliary low refractive index layer, and the low refractive index layer at the end of the second periodic structure The thickness is designed to be 1.2 to 2.4 times the period in which the refractive indexes of the first and second periodic structures change. In addition, it is desirable that the film thickness of the first auxiliary low refractive index layer is equal to the film thickness of the second auxiliary low refractive index layer. Moreover, the period in which the refractive index of the first and second periodic structures changes is designed to be 0.4 to 0.8 times the wavelength of the incident light.
また、膜は、入射光の波長以下の膜厚を有する金属膜であり、透明部分は金属膜を貫通する開口部である。この開口部を、スーパーオシレーション条件を満足する規則的なパターンで金属膜上に複数個設けておけば、光デバイスは、金属膜から出力される回折光の干渉によるTalbot効果のセルフイメージング位置で入射光の波長以下の集光径が得られる光量分布を有することになる。ここで、金属膜上に設けられる複数の開口部の形状としては、入射光の光軸を中心とする周期性の無い回転対称形状、例えばペンローズパターン形状等が挙げられる。 The film is a metal film having a film thickness equal to or less than the wavelength of incident light, and the transparent portion is an opening that penetrates the metal film. If a plurality of openings are provided on the metal film in a regular pattern that satisfies the super-oscillation condition, the optical device can be positioned at the self-imaging position of the Talbot effect due to interference of diffracted light output from the metal film. It has a light quantity distribution with which a condensed diameter equal to or smaller than the wavelength of incident light can be obtained. Here, examples of the shape of the plurality of openings provided on the metal film include a rotationally symmetric shape having no periodicity around the optical axis of incident light, such as a Penrose pattern shape.
さらに、本発明の光デバイスは、入射光を第1周期構造体へ出力する光導波路と、第2周期構造体から出力される光を受光する受光部を含む光電変換素子とをさらに備えることもできる。受光部は、最初のセルフイメージング位置に設けられることが望ましい。また、光導波路が並列に設けられた複数のコアから複数の入射光を出力する場合には、複数の入射光に対応して並列に設けられた複数の受光部を光電変換素子に設けて、第2周期構造体から出力される対応した光をそれぞれ受光するようにすればよい。なお、第1周期構造体、膜、及び第2周期構造体を単一の構成としてもよい。 Furthermore, the optical device of the present invention may further include an optical waveguide that outputs incident light to the first periodic structure, and a photoelectric conversion element that includes a light receiving unit that receives light output from the second periodic structure. it can. The light receiving unit is desirably provided at the first self-imaging position. In addition, when outputting a plurality of incident light from a plurality of cores provided with optical waveguides in parallel, a plurality of light receiving units provided in parallel corresponding to the plurality of incident lights are provided in the photoelectric conversion element, The corresponding light output from the second periodic structure may be received. Note that the first periodic structure, the film, and the second periodic structure may have a single configuration.
本発明によれば、集光強度を増加できるので、光配線における受光素子のSNRを改善できかつ高速応答を実現できる。また、本発明によれば、パラレル光配線時にはチャンネル間のクロストークを低減することができる。 According to the present invention, since the light collection intensity can be increased, the SNR of the light receiving element in the optical wiring can be improved and a high-speed response can be realized. Further, according to the present invention, crosstalk between channels can be reduced during parallel optical wiring.
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を具体的に説明する。
<第1の実施形態>
図1は、本発明の第1の実施形態に係る光デバイス1の構造を説明する図である。図2は、図1に示す光デバイス1について、光源31から出射される光の光軸32を含む平面での水平断面をA方向から見た断面図及びフォトニックバンド特性制御による光量分布を示す図である。
Embodiments of the present invention will be specifically described below with reference to the drawings.
<First Embodiment>
FIG. 1 is a view for explaining the structure of an
まず、第1の実施形態に係る光デバイス1の詳細な構造を説明する。
本発明の光デバイス1は、金属膜13を第1多層膜11と第2多層膜12とで挟み込んだ構造である。第1多層膜11は、高屈折率層15と低屈折率層16とからなる特定パターン層Pが2回以上繰り返して積層された(すなわち、屈折率が周期的に変化する)周期構造体と、この周期構造体の低屈折率層16端側にさらに積層された補助低屈折率層17とを含む構造である。同様に、第2多層膜12は、高屈折率層15と低屈折率層16とからなる特定パターン層Pが2回以上繰り返して積層された(すなわち、屈折率が周期的に変化する)周期構造体と、この周期構造体の低屈折率層16端側にさらに積層された補助低屈折率層17とを含む構造である。補助低屈折率層17の屈折率は、低屈折率層16以下であればよい。金属膜13は、規則的に分布した複数の開口部14(図2の白抜き部分)を有する。この金属膜13は、第1多層膜11の補助低屈折率層17と、第2多層膜12の補助低屈折率層17との間に挟まれる。
First, the detailed structure of the
The
第1多層膜11及び第2多層膜12の特定パターン層Pは、典型的には、入射光の波長の0.4〜0.8倍の厚みに設定される。金属膜13には、アルミニウム(Al)、金(Au)、銀(Ag)、銅(Cu)等の金属材料が用いられ、金属膜13の膜厚は、入射光の波長以下の厚みが好ましい。また、金属膜13の複数の開口部14に用いられる分布には、規則性(回転対称型)は有るが周期性は無い、例えば非特許文献3の図1に示されるペンローズパターン等が挙げられる。さらに、第1多層膜11において補助低屈折率層17とこれに隣接する低屈折率層16とを合わせた出力端低屈折率層18の膜厚と、第2多層膜12において補助低屈折率層17とこれに隣接する低屈折率層16とを合わせた入力端低屈折率層19の膜厚とが等しく、出力端低屈折率層18、入力端低屈折率層19、及び金属膜13からなる光路長Lの膜厚が特定パターン層Pの1.2〜2.4倍であることが望ましい。
The specific pattern layer P of the
次に、上記構造を有する光デバイス1において、金属膜13のペンローズパターン状に分布した複数の開口部14から出力される各回折光の光量が増強され、干渉によって集光する光の光量が増強されるメカニズムを、図3〜図5、及び図9を用いて説明する。なお、光源31から出射される光の光軸32が、光デバイス1の第1多層膜11の高屈折率層15に垂直に交わる場合を説明する。
Next, in the
まず、光軸方向zに高屈折率層と低屈折率層とが周期的に積層した多層膜(1次元フォトニック結晶)による光軸方向zの光量分布を説明する。図9は、背景技術でも説明した通り、フォトニックバンド制御による光量分布の概要を説明する図である。 First, the light quantity distribution in the optical axis direction z by a multilayer film (one-dimensional photonic crystal) in which a high refractive index layer and a low refractive index layer are periodically stacked in the optical axis direction z will be described. FIG. 9 is a diagram for explaining the outline of the light amount distribution by the photonic band control as described in the background art.
一般的に、屈折率層が周期的に変化する多層膜の進行波のフォトニックバンド特性は、図9に示すように、周期aが半波長以下の領域(0≦ka/2π≦0.5)では、光軸方向zの波数k(横軸)の増加に従って、原点から周波数ω(縦軸)が単調増加してka/2π=0.5で飽和する、高屈折率バンド23となる。さらに、周期aが半波長以上の領域(ka/2π≧0.5)では、光軸方向zの波数k(横軸)の増加に従って、ka/2π=0.5における周波数の不連続領域(フォトニックバンドギャップ)22を経た不連続点から、周波数ω(縦軸)が単調増加してka/2π=1で再び飽和する、低屈折率バンド24となる。ただし、図9は、フォトニックバンド特性を第1ブリルアンゾーン(−0.5≦ka/2π≦0.5)へ還元した表現を用いているので、半波長以上の領域(ka/2π≧0.5)は波数kを−2π(ka/2πを−1)だけ平行移動した表現で示されている。
In general, as shown in FIG. 9, the photonic band characteristics of the traveling wave of the multilayer film in which the refractive index layer periodically changes are in a region where the period a is less than a half wavelength (0 ≦ ka / 2π ≦ 0.5). ), As the wave number k (horizontal axis) increases in the optical axis direction z, the frequency ω (vertical axis) increases monotonously from the origin, and becomes a high
そして、このフォトニックバンド特性は、多層膜の周期aが半波長近傍のバンド端では光の局在が著しく、周期aが半波長よりも少し小さい高屈折率バンド端25では、光は高屈折率層側に局在(高屈折率層内で極大かつ低屈折率層内で極小)するのに対して、周期aが半波長よりも少し大きい低屈折率バンド端26では、光は低屈折率層側に局在(高屈折率層内で極小かつ低屈折率層内で極大)することが知られている。
This photonic band characteristic shows that the localization of light is remarkable at the band edge where the period a of the multilayer film is near the half wavelength, and the light is highly refracted at the high refractive
このようなフォトニックバンドを利用して、図2に示すように、第1多層膜11及び第2多層膜12の特定パターン層Pを光波長の0.4〜0.8倍に設定して低屈折率バンド端26のフォトニックバンド特性を持たせ、第1多層膜11及び第2多層膜12の低屈折率層16に光を局在させ、第1多層膜11の出力端低屈折率層18と第2多層膜12の入力端低屈折率層19とでそれぞれ光量を極大化させる。これにより、出力端低屈折率層18の光量極大部分と入力端低屈折率層19の光量極大部分との間に、少なくとも1つの光量極小部分ができる。特に、出力端低屈折率層18と入力端低屈折率層19との膜厚が等しく、光路長Lの膜厚が第1多層膜11の特定パターン層Pの1.2〜2.4倍である場合は、光量極小部分は金属膜13の位置に1つだけとなる。なお、光量極小部分が複数ある場合には、何れかの光量極小位置に金属膜13を配置すればよい。
By using such a photonic band, the specific pattern layer P of the
次に、多層膜構造と光量分布との関係について説明する。図3(金属膜位置近傍:金属膜有り)、図4(金属膜位置近傍:金属膜無し)、及び図5(集光位置近傍)のシミュレーション結果で示されるように、開口部14を光軸32上に配置させれば多層膜による光の局在と集光位置での強度は、光軸32上の光量分布で評価できる。なお、図3及び図4の上部には、第1多層膜11及び第2多層膜12における高屈折率層15及び低屈折率層16の周期構造を示している。
Next, the relationship between the multilayer film structure and the light amount distribution will be described. As shown in the simulation results of FIG. 3 (near metal film position: with metal film), FIG. 4 (near metal film position: without metal film), and FIG. If it is arranged on 32, the localization of light by the multilayer film and the intensity at the condensing position can be evaluated by the light quantity distribution on the
まず、本実施形態のように光量極小位置に金属膜13を配置させる構造における光量分布を説明する。シミュレーションに用いた定数は、入射光である点光源の波長が660nm、第1多層膜11及び第2多層膜12の特定パターン層Pの膜厚が330nm(光波長の0.5倍)、特定パターン層Pの繰り返しが3周期、高屈折率層15の屈折率が1.5、低屈折率層16の屈折率が1.0、アルミニウムの金属膜13の膜厚が100nm、出力端低屈折率層18及び入力端低屈折率層19の膜厚が247.5nm(光路長Lの膜厚が特定パターン層Pの約1.8倍)である。
金属膜13近傍の光量分布(図3及び図4の太実線)及び集光位置近傍での光量分布(図5の太実線)は、金属膜13の前後で絶対強度は変化するものの、光量の極大/極小位置は金属膜13の有無で変化がない。このため、金属膜13直後の開口部14からの放射光強度が従来(金属膜のみ、図5の細実線)よりも強められ、ファーフィールドの集光位置において従来比で約2.0倍の強い集光強度が得られることが分かる。
First, the light quantity distribution in the structure in which the
The light intensity distribution in the vicinity of the metal film 13 (thick solid line in FIG. 3 and FIG. 4) and the light intensity distribution in the vicinity of the condensing position (thick solid line in FIG. 5), although the absolute intensity changes before and after the
一方、従来のように光量極大位置に金属膜13を配置させる構造における光量分布を説明する。シミュレーションに用いた定数は、出力端低屈折率層18及び入力端低屈折率層19の膜厚が82.5nm(光路長Lの膜厚が特定パターン層Pの約0.8倍)となる以外は、上述した通りである。
金属膜13近傍の光量分布(図3及び図4の点線)及び集光位置近傍での光量分布(図5の点線)は、光量極大位置に配置された金属膜13によって入射光の大部分が反射されるので、金属膜13の位置が光量極小となる。このため、金属膜13直後の開口部14からの放射光強度が従来よりも弱められ、もはやファーフィールドの集光が確認できないレベルまで低下することが分かる。
On the other hand, the light quantity distribution in the structure in which the
The light quantity distribution in the vicinity of the metal film 13 (dotted line in FIGS. 3 and 4) and the light quantity distribution in the vicinity of the condensing position (dotted line in FIG. 5) are mostly obtained by the
このように、金属膜13では入射光の大半が反射されて光量が急減する。よって、金属膜13の位置では光量を極大にせず、金属膜13の前後で光量が極大になるように分布させると、回折光の干渉による集光の元となる金属膜13の開口部14の出力、つまり金属膜13直後の出力を増強することができる。
In this way, most of the incident light is reflected on the
なお、図3においては、第1多層膜11内の金属膜13近傍における光量分布の変化が、高/低屈折率層の周期とずれている。これは、点光源が発する球面波(同心円状に位相変化)が、第1多層膜11によって光軸方向zの平面波へ変化(光軸方向zに位相変化)している過程だからである。
In FIG. 3, the change in the light amount distribution in the vicinity of the
以上のように、本発明の第1の実施形態に係る光デバイス1によれば、入射光の波長に対して低屈折率バンド端26近傍のフォトニックバンド特性を持たせる周期で屈折率が変化する第1多層膜11と第2多層膜12との間に金属膜13を配置して、光量分布の極小位置を金属膜13上に合わせる。これにより、金属膜13による集光強度を増加できるので、光配線における受光素子のSNRを改善でき、かつ高速応答を実現できる。
As described above, according to the
<第2の実施形態>
図6は、本発明の第2の実施形態に係る光デバイス2の構造を説明する図である。この第2の実施形態に係る光デバイス2は、上記第1の実施形態に係る光デバイス1を用いた具体的な光デバイス構造を示したものである。なお、図6は、図2と同様に、入射光の光軸32を含む平面での水平断面をA方向から見た断面図を示す図である。
<Second Embodiment>
FIG. 6 is a diagram illustrating the structure of the
光デバイス2は、光導波路43と、光デバイス1と、光電変換素子58とを備える。光導波路43は、コア41及びクラッド42で構成され、コア41を伝搬してくる光を光源31からの入射光として光デバイス1へ出力する。光電変換素子58は、絶縁遮光層52、導電性の透明電極からなるアノード53、受光部分であるP層54、空乏層55、N層56、及びカソード57から構成されるPN接続型半導体である。光電変換素子58の中心軸は、光導波路43の光軸32と一致している。また、光デバイス1と光電変換素子58との距離は、光デバイス1から出力される光が最初にセルフイメージングを形成する位置にP層54が配置されるように設定される。この光デバイス1及び光電変換素子58は、遮光部51によって周囲が覆われて、金属膜13を通過する光以外の外光を遮断する。
The
以上のように、本発明の第2の実施形態に係る光デバイス2によれば、上記第1の実施形態で述べた効果に加え、入射光を受光部分であるP層54に効果的に集光させることができる。
As described above, according to the
なお、光デバイス1へ光を入射させる構成は、上述の光導波路43に限らず、光ファイバ等であってもよい。また、光導波路43の光出射端を被写体に、P層54をCCD等の撮像部にそれぞれ置き換え、照明等の外光を利用して被写体からの反射光を撮像部で受光すれば、波長以下の解像度で被写体像を撮影することができる。また、光導波路43からの光量を増強すると共に、P層54を対象物に置き換えれば、波長以下の集光効果により波長以下の精度で対象物を加工することができる。さらに、P層54を光ディスク等の光情報を記録する光メモリー部に置き換え、光導波路43等の光源31からの入射光を金属膜13へ誘導しかつ光メモリー部からの反射光を光源31以外へ誘導するホログラム等の光分離部、及び光源31以外へ誘導された反射光を受光する受光部を設ければ、光ディスク上に波長以下スポット径で光情報を記録・読み出し可能な光ピックアップを実現できる。
The configuration for making light incident on the
<第3の実施形態>
図7は、本発明の第3の実施形態に係る光デバイス3の構造を説明する図である。この第3の実施形態に係る光デバイス3は、上記第2の実施形態に係る光デバイス2を複数並べて構成した光デバイス構造を示したものである。なお、図7も、図6と同様に、入射光の光軸32を含む平面での水平断面をA方向から見た断面図を示す図である。
<Third Embodiment>
FIG. 7 is a diagram illustrating the structure of the
光デバイス3は、パラレル光導波路44と、光デバイス1と、パラレル光電変換素子59とを備える。パラレル光導波路44は、複数のコア41及び複数のクラッド42で構成され、複数のコア41をそれぞれ伝搬してくる複数の光を複数の光源31からの入射光として光デバイス1へ出力する。光デバイス1は、複数のコア41からの入射光を同時に受光可能な面積を有する。パラレル光電変換素子59は、複数の絶縁遮光層52、複数のアノード53、複数のP層54、複数の空乏層55、複数のN層56、複数のカソード57及び複数のブロック層60から構成されるPN接続型並列半導体である。パラレル光電変換素子59の各P層54の中心軸は、パラレル光導波路44の各光軸32とそれぞれ一致している。光デバイス1とパラレル光電変換素子59との距離は、光デバイス1から出力される複数の光が最初にセルフイメージングを形成する位置に複数のP層54がそれぞれ配置されるように設定される。この光デバイス1及びパラレル光電変換素子59は、遮光部51によって周囲が覆われて、金属膜13を通過する光以外の外光を遮断する。また、複数のブロック層60は、複数のN層56間のリーク電流を防止するために挿入される。
The
上記構成による光デバイス3においてパラレル光導波路44と複数のP層54との間のクロストークを低減できるメカニズムを、複数のコア41(複数のチャンネル)の間隔が数十μm以下であるパラレル光配線を一例に説明する。
In the
まず、第1の実施形態で述べたように、複数のコア41から入射される複数の光は、チャンネル毎に集光強度が増強される。チャンネル間隔が数十μm以下のパラレル光配線の異チャンネル間においては、パラレル光導波路44と金属膜13との間では全チャンネルの入射光が回折により金属膜13上に拡散するが、金属膜13上に規則的に分布した開口部14によって各チャンネル上に各入射光が集光されるので、他チャンネルの入射光は集光されない。
First, as described in the first embodiment, the light intensity of the plurality of lights incident from the plurality of
以上のように、本発明の第3の実施形態に係る光デバイス3によれば、複数の入射光を受光部分である複数のP層54に効果的に集光させることができる。よって、上記第1の実施形態で述べた効果に加え、パラレル光配線時にチャンネル間のクロストークを低減することができる。
As described above, according to the
本発明の光デバイスは、スーパーオシレーション条件を満足する伝搬光による波長以下の集光を使用する光配線の受光系等に利用可能であり、特にパラレル光配線の光電変換部において高速応答に必要なナノオーダーの集光ビーム径を用いつつ、チャンネル間クロストークを低減したい場合等に有用である。 The optical device of the present invention can be used for a light receiving system of an optical wiring that uses a light having a wavelength shorter than that of propagating light that satisfies the super oscillation condition, and is particularly necessary for a high-speed response in a photoelectric conversion unit of a parallel optical wiring. This is useful for reducing crosstalk between channels while using a nano-order focused beam diameter.
1、2、3 光デバイス
11、12、110、120 多層膜
13 金属膜
14 開口部
15 高屈折率層
16、17、18、19 低屈折率層
22 フォトニックバンドギャップ
23 高屈折率バンド
24 低屈折率バンド
25 高屈折率バンド端
26 低屈折率バンド端
31 光源
32 光軸
41 コア
42 クラッド
43、44 光導波路
51 遮光部
52 絶縁遮光層
53 アノード
54 P層
55 空乏層
56 N層
57 カソード
58、59 光電変換素子
60 ブロック層
200 半導体層/誘電体層
1, 2, 3
Claims (15)
前記入射光の光軸方向に屈折率が周期的に変化する第1周期構造体と、
前記第1周期構造体と同一の屈折率及び周期で、前記入射光の光軸方向に屈折率が周期的に変化する第2周期構造体と、
前記第1周期構造体と前記第2周期構造体との間に設けられ、光を透過する透明部分を有する膜とを備え、
前記第1周期構造体及び第2周期構造体は、前記入射光の波長について低屈折率バンド端近傍のフォトニックバンド特性を持つ周期で屈折率が変化し、
前記膜は、前記第1周期構造体と前記第2周期構造体との間に現れる光軸方向の光量分布変化に対して、光量が極大とならない位置に配置される、光デバイス。 An optical device that collects incident light,
A first periodic structure whose refractive index periodically changes in the optical axis direction of the incident light;
A second periodic structure whose refractive index periodically changes in the optical axis direction of the incident light with the same refractive index and period as the first periodic structure;
A film having a transparent portion that is provided between the first periodic structure and the second periodic structure and transmits light;
The first periodic structure and the second periodic structure have a refractive index that changes with a period having a photonic band characteristic near a low refractive index band edge with respect to the wavelength of the incident light,
The optical device is an optical device in which the amount of light is not maximized with respect to a change in light amount distribution in the optical axis direction that appears between the first periodic structure and the second periodic structure.
前記膜は、前記第1周期構造体端の低屈折率層と前記第2周期構造体端の低屈折率層との間に設けられる、請求項1に記載の光デバイス。 The first and second periodic structures are multilayer films in which a high refractive index layer and a low refractive index layer are repeatedly laminated,
2. The optical device according to claim 1, wherein the film is provided between a low refractive index layer at an end of the first periodic structure body and a low refractive index layer at an end of the second periodic structure body.
前記第2周期構造体端の低屈折率層と前記膜との間に、前記低屈折率層と同等以下の屈折率を有する第2補助低屈折率層とをさらに備える、請求項3に記載の光デバイス。 A first auxiliary low-refractive index layer having a refractive index equal to or lower than that of the low-refractive index layer between the low-refractive index layer at the end of the first periodic structure and the film,
The second auxiliary low refractive index layer having a refractive index equal to or lower than that of the low refractive index layer is further provided between the low refractive index layer at the end of the second periodic structure and the film. Optical devices.
前記光デバイスは、前記金属膜から出力される回折光の干渉によるTalbot効果のセルフイメージング位置で前記入射光の波長以下の集光径が得られる光量分布を有する、請求項8に記載の光デバイス。 A plurality of the openings are provided on the metal film in a regular pattern that satisfies super oscillation conditions.
9. The optical device according to claim 8, wherein the optical device has a light amount distribution that provides a condensing diameter equal to or less than the wavelength of the incident light at a self-imaging position of the Talbot effect due to interference of diffracted light output from the metal film. .
前記第2周期構造体から出力される光を受光する受光部を含む光電変換素子とをさらに備える、請求項1に記載の光デバイス。 An optical waveguide for outputting the incident light to the first periodic structure;
The optical device according to claim 1, further comprising: a photoelectric conversion element including a light receiving unit that receives light output from the second periodic structure.
前記光電変換素子は、前記複数の入射光に対応して並列に設けられた複数の受光部を有し、前記第2周期構造体から出力される対応した光をそれぞれ受光する、請求項12に記載の光デバイス。 The optical waveguide has a plurality of cores provided in parallel, outputs a plurality of incident light from the plurality of cores,
The photoelectric conversion element includes a plurality of light receiving portions provided in parallel corresponding to the plurality of incident lights, and receives the corresponding lights output from the second periodic structure, respectively. The optical device described.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2009280514A JP2011123272A (en) | 2009-12-10 | 2009-12-10 | Optical device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2009280514A JP2011123272A (en) | 2009-12-10 | 2009-12-10 | Optical device |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2011123272A true JP2011123272A (en) | 2011-06-23 |
Family
ID=44287216
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2009280514A Pending JP2011123272A (en) | 2009-12-10 | 2009-12-10 | Optical device |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2011123272A (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN105549192A (en) * | 2016-01-26 | 2016-05-04 | 深圳大学 | Super-diffraction limit structured light illumination device, optical template, optical system and acquisition method of super-diffraction limit structured light |
CN105717561A (en) * | 2016-04-28 | 2016-06-29 | 重庆大学 | Far-field sub-diffraction limited focusing lens based on medium-metal bar-type structure array |
CN106019441A (en) * | 2016-07-27 | 2016-10-12 | 重庆大学 | Multi-value phase-binary amplitude super-diffraction hollow ring focusing device |
US9606415B2 (en) | 2012-02-03 | 2017-03-28 | University Of Southampton | Super-oscillatory lens device |
-
2009
- 2009-12-10 JP JP2009280514A patent/JP2011123272A/en active Pending
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US9606415B2 (en) | 2012-02-03 | 2017-03-28 | University Of Southampton | Super-oscillatory lens device |
CN105549192A (en) * | 2016-01-26 | 2016-05-04 | 深圳大学 | Super-diffraction limit structured light illumination device, optical template, optical system and acquisition method of super-diffraction limit structured light |
CN105717561A (en) * | 2016-04-28 | 2016-06-29 | 重庆大学 | Far-field sub-diffraction limited focusing lens based on medium-metal bar-type structure array |
CN105717561B (en) * | 2016-04-28 | 2017-05-31 | 重庆大学 | A kind of super diffraction condenser lens in far field based on metal clad strip structure array |
CN106019441A (en) * | 2016-07-27 | 2016-10-12 | 重庆大学 | Multi-value phase-binary amplitude super-diffraction hollow ring focusing device |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US20100013040A1 (en) | Photodiode | |
JP5892875B2 (en) | Optoelectronic integrated module | |
US6856733B2 (en) | 1xN fanout waveguide photodetector | |
US8848756B2 (en) | Surface plasmon laser | |
US20070189688A1 (en) | Waveguide photodetector | |
US9063254B2 (en) | Waveguide coupled surface plasmon polarition photo detector | |
WO2010021073A1 (en) | Semiconductor photoreceptor, optical communication device, optical interconnect module, photoelectric conversion method | |
US20120006981A1 (en) | Waveguide integrated photodetector | |
US7065271B2 (en) | Optical grating coupler | |
US7664357B2 (en) | Vertical-type photonic-crystal plate and optical device assembly | |
JP5631917B2 (en) | Optical transmission / reception system and optical receiving unit | |
US8357980B2 (en) | Plasmonic high-speed devices for enhancing the performance of microelectronic devices | |
WO2013150748A1 (en) | Optical modulator, optical pickup, and optical modulation module | |
US20100158445A1 (en) | Flexible waveguide structure and optical interconnection assembly | |
JP2011123272A (en) | Optical device | |
JP2017532589A (en) | Photo diode | |
JP2011176159A (en) | Superconducting single photon detector, and mounting method of superconducting single photon detector | |
CN102112901B (en) | Nano-wire optical block devices for amplifying, modulating, and detecting optical signals | |
JP2006330697A (en) | Optical coupling structure, substrate with built-in optical transmission function, and method for manufacturing such substrate | |
JP2001042171A (en) | Active optical wiring device | |
JP7087308B2 (en) | Manufacturing method of photoreceiver, balanced photoreceiver, and photoreceiver | |
JP2008176209A (en) | Optical coupling device by surface plasmon | |
Daneshmandi et al. | A new high performance MSM hybrid plasmonic photodetector based on nanogratings and dual mode horn shape waveguide | |
JP2010258208A (en) | Superconductive single photon detecting element, method of manufacturing the superconductive single photon detecting element, and method of mounting components of superconductive single photon detector | |
KR101006959B1 (en) | Optical waveguide grating coupler with non-uniform duty ratio |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
RD02 | Notification of acceptance of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7422 Effective date: 20110826 |