JP2015162787A - 方向性結合器および合分波器デバイス - Google Patents
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Abstract
【解決手段】方向性結合器は、2次元フォトニック結晶スラブ12内に周期的に配置され、フォトニックバンド構造のフォトニックバンドギャップ帯における光波、テラヘルツ波もしくはミリ波を、2次元フォトニック結晶スラブの面内での存在を禁止するために回折させる格子点12Aと、格子点の線欠陥により形成された第1の2次元フォトニック結晶導波路141と、第1導波路141とモード結合可能な第2の2次元フォトニック結晶導波路142と、第1導波路141と第2導波路142との間に2列に配置され、半径が格子点の半径よりも小さい導波路間格子点を有する方向性結合部50とを備え、方向性結合部から入力ポート側の第1導波路141と動作帯域を一致させるため、方向性結合部の分散曲線全体が高周波側に移動するように、第2導波路142の幅を狭める。
【選択図】図5
Description
実施の形態に係る方向性結合器20および合分波器デバイス30の模式的鳥瞰構成は、図1に示すように表される。
実施の形態に係る方向性結合器20において適用するフォトニック結晶方向性結合器の動作原理説明は、図2に示すように表される。
合分波器デバイスは、周波数(波長)によって光・電磁波の経路を切り替える信号処理機能を有する。実施の形態に係る方向性結合器においては、2次元フォトニック結晶を適用することで、小型化集積化可能である。
実施の形態に係る方向性結合器20を適用した合分波器デバイス30の設計手順について、図4(a)〜図4(c)を用いて説明する。以下では簡単のため、入力1ポート、出力2ポートの例を表示するが 、多数ポートでも同様の設計が可能である。
実施の形態に係る方向性結合器20の模式的平面構成は、図5に示すように表わされる。
(a)2次元フォトニック結晶導波路141・142部分で生じる偶モード・奇モードが結合しつつ、そのモード間隔が可能な限り広くなるように、2次元フォトニック結晶導波路141・142間の離隔距離を2列間隔とする。ここで、2列に配置される導波路間孔(格子点)は、12Sで表される。
(b)偶モード・奇モードの伝搬定数ができるだけ広い周波数範囲にわたって一定となるように、導波路間孔の円孔の半径r’を、周期aの0.23倍とする。
(c)入力ポート(ポートP1)の2次元フォトニック結晶導波路14と動作帯域を一致させるため、方向性結合部50の分散曲線全体が高周波側に移動するように、2次元フォトニック結晶導波路142の導波路幅を0.15a狭める。ここで、2次元フォトニック結晶導波路142の導波路幅は、はじめ0.3a狭めると共に、下記の2次元フォトニック結晶導波路141の幅を0.15a狭める結果として、0.3a−0.15aとなり、0.15a狭められている。
(d)バー状態(ポートP1−P2)とクロス状態(ポートP1−P3)の分離度を向上させるため、方向性結合部50からポートP2に繋がる2次元フォトニック結晶導波路141の幅を0.15a狭め、クロス動作の周波数帯域において、ポートP2へのモードギャップを形成する。
波数方向の説明図は図6(a)に示すように表わされ、規格化周波数と規格化波数との関係を表すフォトニックバンド図の計算例は図6(b)に示すように表わされ、理想的なフォトニックバンド図は図6(c)に示すように模式的に表わされる。また、図6(c)において、曲線Aは偶モード、曲線Bは奇モードに対応している。
2次元フォトニック結晶スラブ12は、2次元周期構造を有する誘電体板構造を備える。2次元フォトニック結晶スラブ12には、その設計により、電磁モードが存在できないフォトニックバンドギャップ(PBG:Photonic Band Gap)が現れる。さらに周期構造を乱すことで、PBG内に導波モードを導入し、波長サイズ以下の微小領域での低損失な導波路を実現することができる。
次にモード間隔を縦に狭める方法を説明する。2本の2次元フォトニック結晶導波路141・142間の結合の強さを調整するために、2次元フォトニック結晶導波路141・142間の孔の列数を変化させる。
実施の形態に係る方向性結合器20において、2次元フォトニック結晶導波路141・142間が2列間隔の場合の導波路間孔の半径r’の説明図は、図11(a)に示すように表わされ、導波路間孔の半径r’をパラメータとするフォトニックバンド図は、図11(b)に示すように表わされる。
実施の形態に係る方向性結合器において、2次元フォトニック結晶導波路141・142間が2列間隔の場合の導波路幅シフト量sの説明図は、図12(a)に示すように表わされ、導波路幅シフト量sをパラメータとするフォトニックバンド図は、図12(b)に示すように表わされる。
実施の形態に係る方向性結合器20において、図6・図7・図9・図10・図11・図12において説明した結果にも基づいて得られたフォトニックバンド図の例は、図13に示すように表される。図13の結果は、図5に示された構造の方向性結合部50におけるバンド計算結果である。すなわち、導波路間孔12Sは2列に配置されており、導波路間孔12Sの半径r’は0.23aに等しく、導波路幅シフト量sは0.15aに等しい。
実施の形態に係る方向性結合器において、透過特性のシミュレーション結果は、図15に示すように表される。図15において、1−2(bar)で示される曲線は、ポートP1・P2間を伝播するテラヘルツ波、1−3(cross)で示される曲線は、ポートP1・P3間を伝播するテラヘルツ波、2−3で示される曲線は、ポートP2・P3間を伝播するテヘルツ波の透過特性を示す。また、BBは、ポートP1・P2間を伝播するテラヘルツ波が良好な伝播特性を示す周波数範囲(bar band)を表す。CBは、ポートP1・P3間を伝播するテラヘルツ波が良好な伝播特性を示す周波数範囲(cross band)を表す。
実施の形態に係る方向性結合器の動作確認のための実験評価系の写真は、図17(a)に示すように表され、実験に適用した方向性結合器20のサンプルの写真は、図17(b)に示すように表され、図17(a)に対応する実験評価系の模式的ブロック構成は、図17(c)に示すように表される。
さらなる広帯域化への方法として、方向性結合器の並列接続構成を採用しても良い。
f2=(a1/a2)f1、f3=(a2/a3)f2 (1)
B2=(f2/f1)B1、B3=(f3/f2)B2 (2)
さらに、多段に並列接続された方向性結合器においても、隣接する方向性結合器間において、(1)、(2)式と同様の関係が成立する。
実施の形態に係る方向性結合器において、方向性結合器201・202を2段並列化した構造の具体例の平面パターン構成は、図22に示すように表される。図22の構成においては、ポートP1・P2間のバー状態の2次元フォトニック結晶導波路1411・1412に対して、分岐されたクロス状態の2次元フォトニック結晶導波路1431・1432を備える点は、上記の実施の形態と同様である。さらに、図22の構成においては、ポートP3・P4間のバー構造の2次元フォトニック結晶導波路1411(R)・1412(R)に対して、分岐されたクロス状態の2次元フォトニック結晶導波路1431(R)・1432(R)を備える。
(変形例1)
実施の形態に係る方向性結合器の他の構成例であって、変形例1に係る方向性結合器20の構成例は、図25(a)に示すように表される。ここで、右下の□はサンプル識別のためのマークであり、デバイスの構成要件とは無関係である。以下同様である。
実施の形態に係る方向性結合器の他の構成例であって、変形例2に係る方向性結合器20の構成例は、図25(b)に示すように表される。
実施の形態に係る方向性結合器の他の構成例であって、変形例3に係る方向性結合器20の構成例は、図25(c)に示すように表される。
実施の形態に係る方向性結合器の他の構成例であって、変形例4に係る方向性結合器20の構成例は、図25(d)に示すように表される。
実施の形態に係る方向性結合器20および合分波器デバイス30に適用可能な2次元フォトニック結晶スラブ12において、格子点12Aの周期構造であって、正方格子・三角格子・長方格子・菱型格子(面心長方格子)の配置例は、図26(a)・図27(a)・図28(a)・図29(a)に示すように模式的に表され、対応する2次元フォトニック結晶スラブ12のバンド構造は、図26(b)・図27(b)・図28(b)・図29(b)に示すように表される。
[その他の実施の形態]
上記のように、本発明は実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述および図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
微小集積光デバイスなど幅広い応用分野に適用可能である。
12…2次元フォトニック結晶スラブ
12A…格子点(空孔)
12S…導波路間格子点(空孔)
14、141、142、143、14R、14T…2次元フォトニック結晶導波路
18T…光源(送信器)
18R…検出器(受信器)
20…方向性結合器
30…合分波器デバイス
22…ミキサ
24…逓倍器
26、28…導波管
32…スペクトラムアナライザ
34…マイクロ波発生器
50…方向性結合部
60…入出力機構(グレーティングカプラ)
a、a1、a2、a3…周期(格子定数)
r…(格子点(空孔)12Aの)半径
r’…(導波路間格子点(空孔)12S)の半径
f、f1、f2、f3…周波数
B、B1、B2、B3…帯域
IP1、IP2、…、IPn…入力ポート
OP1、OP2、…、OPn…出力ポート
P1、P2、P3、P4…ポート
LC…結合長
Claims (27)
- 2次元フォトニック結晶スラブと、
前記2次元フォトニック結晶スラブ内に周期的に配置され、前記2次元フォトニック結晶スラブのフォトニックバンド構造のフォトニックバンドギャップ帯における光波、テラヘルツ波もしくはミリ波を、前記2次元フォトニック結晶スラブの面内での存在を禁止するために回折させる格子点と、
前記2次元フォトニック結晶スラブ内に前記格子点の線欠陥により形成される第1の2次元フォトニック結晶導波路と、
前記2次元フォトニック結晶スラブ内に前記格子点の線欠陥により形成され、前記第1の2次元フォトニック結晶導波路とモード結合可能な第2の2次元フォトニック結晶導波路と、
前記第1の2次元フォトニック結晶導波路と前記第2の2次元フォトニック結晶導波路との間に配置され、大きさが前記格子点よりも小さい導波路間格子点を有する方向性結合部と
を備えることを特徴とする方向性結合器。 - 前記第2の2次元フォトニック結晶導波路は、前記第1の2次元フォトニック結晶導波路と並行に配置されることを特徴とする請求項1に記載の方向性結合器。
- 前記導波路間格子点は、2列に配置されることを特徴とする請求項1または2に記載の方向性結合器。
- 前記第1の2次元フォトニック結晶導波路は、第1ポートおよび第2ポートを有することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の方向性結合器。
- 前記方向性結合部から前記第1ポート側の前記第1の2次元フォトニック結晶導波路と動作帯域を一致させるため、前記方向性結合部の分散曲線全体が高周波側に移動するように、前記第2の2次元フォトニック結晶導波路の幅を、前記格子点の線欠陥により形成される幅に比べて、狭めたことを特徴とする請求項4に記載の方向性結合器。
- 前記2次元フォトニック結晶スラブ内に前記格子点の線欠陥により形成され、前記第2の2次元フォトニック結晶導波路と交差して配置され、第3ポートを有する第3の2次元フォトニック結晶導波路を備え、
前記第1ポートと前記第2ポート間のバー状態と、前記第1ポートと前記第3ポート間のクロス状態の信号分離度を高くするために、前記方向性結合部から前記第2ポート側の前記第1の2次元フォトニック結晶導波路の幅を、前記格子点の線欠陥により形成される幅に比べて、狭めたことを特徴とする請求項5に記載の方向性結合器。 - 前記方向性結合部の長さは、前記第2の2次元フォトニック結晶導波路の長さに等しいことを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の方向性結合器。
- 前記第2の2次元フォトニック結晶導波路の長さは、結合長に等しいことを特徴とする請求項7に記載の方向性結合器。
- 前記結合長は、前記格子点の周期の4倍に等しいことを特徴とする請求項8に記載の方向性結合器。
- 前記格子点は、正方格子、長方格子、面心長方格子、若しくは三角格子のいずれかに配置されていることを特徴とする請求項1〜9のいずれか1項に記載の方向性結合器。
- 前記格子点は、多角形、円形、楕円形若しくは長円形のいずれかの形状を備えることを特徴とする請求項1〜10のいずれか1項に記載の方向性結合器。
- 前記格子点および前記導波路間格子点は三角格子に配置され、かつ円孔で形成され、前記導波路間格子点の半径は、前記格子点の半径よりも小さく、かつ前記格子点の周期の0.23倍に等しいことを特徴とする請求項1〜9のいずれか1項に記載の方向性結合器。
- 前記格子点および前記導波路間格子点は三角格子に配置され、かつ円孔で形成され、前記第2の2次元フォトニック結晶導波路の幅を、前記格子点の周期の0.15倍狭めたことを特徴とする請求項5に記載の方向性結合器。
- 前記格子点および前記導波路間格子点は三角格子に配置され、かつ円孔で形成され、前記方向性結合部から前記第2ポート側の前記第1の2次元フォトニック結晶導波路の幅を前記格子点の周期の0.15倍狭めたことを特徴とする請求項6に記載の方向性結合器。
- 前記2次元フォトニック結晶スラブは、半導体材料で形成されたことを特徴とする請求項1〜14のいずれか1項に記載の方向性結合器。
- 前記半導体材料は、シリコン(Si)、GaAs、InP、GaN、さらに、GaInAsP/InP系、InGaAs/GaAs系、GaAlAs/GaAs系若しくはGaInNAs/GaAs系、GaAlInAs/InP系、AlGaInP/GaAs系、GaInN/GaN系の内、いずれかを適用可能であることを特徴とする請求項15に記載の方向性結合器。
- 請求項1〜16のいずれか1項に記載の方向性結合器を複数個並列接続したことを特徴とする方向性結合器。
- 前記第1ポートは、前記第1の2次元フォトニック結晶導波路が延伸した前記フォトニック結晶スラブの端面に配置され、前記第1の2次元フォトニック結晶導波路が延伸した第1断熱的モード変換機構部を備えることを特徴とする請求項4に記載の方向性結合器。
- 前記第2ポートは、前記第1の2次元フォトニック結晶導波路が延伸した前記フォトニック結晶スラブの端面に配置され、前記第1の2次元フォトニック結晶導波路が延伸した第2断熱的モード変換機構部を備えることを特徴とする請求項4に記載の方向性結合器。
- 前記第3ポートは、前記第3の2次元フォトニック結晶導波路が延伸した前記フォトニック結晶スラブの端面に配置され、前記第3の2次元フォトニック結晶導波路が延伸した第3断熱的モード変換機構部を備えることを特徴とする請求項6に記載の方向性結合器。
- 前記断熱的モード変換機構部は、前記2次元フォトニック結晶スラブの平面視において、前記2次元フォトニック結晶スラブの前記端面から離隔するにしたがって、先端部が細くなるテーパー形状を備えることを特徴とする請求項18〜20のいずれか1項に記載の方向性結合器。
- 請求項1〜21のいずれか1項に記載の方向性結合器を備えることを特徴とする合分波器デバイス。
- 前記方向性結合器と結合される入出力機構と、
前記方向性結合器と結合される検出器と、
前記方向性結合器結合される送信器と
を備えることを特徴とする請求項22に記載の合分波器デバイス。 - 前記方向性結合器と前記入出力機構、前記方向性結合器と前記検出器および前記方向性結合器と前記送信器間は、前記2次元フォトニック結晶スラブの前記格子点の線欠陥により形成される導波路を介して結合されることを特徴とする請求項23に記載の合分波器デバイス。
- 前記入出力機構は、1次元フォトニック結晶からなるグレーティングカプラで構成されることを特徴とする請求項24に記載の合分波器デバイス。
- 前記検出器は、共鳴トンネルダイオードを搭載したテラヘルツ波受信器、あるいはショットキーバリアダイオードで構成されることを特徴とする請求項24に記載の合分波器デバイス。
- 前記送信器は、共鳴トンネルダイオードを搭載したテラヘルツ波送信器、あるいは半導体レーザで構成されることを特徴とする請求項24に記載の合分波器デバイス。
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