JP2016024413A - Optical circuit - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical circuit with which it is possible to obtain high efficiency of optical coupling between a photonic crystal resonator and an optical waveguide more easily.SOLUTION: A core 152 of an optical waveguide 151 is disposed on a photonic crystal resonator 101 and extending, with the direction parallel to the extension direction of a resonance part 121 as a waveguide direction. Unlike the resonance part 121, the optical waveguide 151 is disposed in a layer on a plane parallel to the plane of the photonic crystal resonator 101. In addition, the center line in the waveguide direction of the core 152 configuring the optical waveguide 151 is disposed between a row 131 of lattice elements adjoining the resonance part 121 and extending in the same direction as the resonance part 121 and a row 132 of lattice elements adjoining this lattice element row and extending in the same direction as the resonance part 121.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、フォトニック結晶共振器に光結合する光導波路を備える光回路に関する。   The present invention relates to an optical circuit including an optical waveguide that is optically coupled to a photonic crystal resonator.

近年、インターネットにおける爆発的なトラフィックの増加に対応するため、ノード間を結ぶ伝送には光が用いられ、低損失性を生かして大容量化が実現されている。また、ボード間、ラック間と言った近距離の伝送においても、光の高速性を生かして電気の配線の置き換えが進んでいる。さらには、LSI(Large Scale Integration)のチップ間、チップ内においても、電気配線のボトルネックが指摘され、光による配線の可能性の検討が進められている。このような光配線の光源として、マイクロキャビティレーザが用いられている。マイクロキャビティレーザは、大規模な光集積回路あるいはLSIとの集積化を目指したミクロンオーダのサイズのレーザである。   In recent years, in order to cope with an explosive increase in traffic on the Internet, light is used for transmission between nodes, and a large capacity is realized by taking advantage of low loss. In addition, even in short-distance transmission such as between boards and between racks, replacement of electrical wiring is taking advantage of the high speed of light. Furthermore, bottlenecks in electrical wiring have been pointed out between LSIs (Large Scale Integration) and within chips, and the possibility of wiring by light is being studied. A microcavity laser is used as a light source for such an optical wiring. The microcavity laser is a micron-order size laser aimed at integration with a large-scale optical integrated circuit or LSI.

このような中で、フォトニック結晶共振器を持つマイクロキャビティレーザが、注目を集めている(非特許文献1,非特許文献2,非特許文献3参照)。特に、非特許文献2では、非特許文献1などに示されたデバイスにおいて現れる、デバイスの温度上昇とキャリアの拡散という特性低下の2つの主要因を、埋め込みヘテロ(buried heterostructure;BH)構造により解消する手段が提案されている(非特許文献2参照)。   Under such circumstances, a microcavity laser having a photonic crystal resonator has attracted attention (see Non-Patent Document 1, Non-Patent Document 2, and Non-Patent Document 3). In particular, Non-Patent Document 2 eliminates the two main causes of the device degradation shown in Non-Patent Document 1, such as device temperature rise and carrier diffusion, by a buried heterostructure (BH) structure. Means to do this have been proposed (see Non-Patent Document 2).

ここで、上述したマイクロキャビティレーザについて、図5を用いて説明する。図5は、マイクロキャビティレーザの構成を示す平面図(a)および断面図(b)である。断面図は、光が導波する歩行に垂直な面を示している。このマイクロキャビティレーザは、まず、InP基板からなる基部501と、基部501に設けられた柱状の複数の中空構造502とからなるフォトニック結晶503に、線欠陥光導波路504を設けている。中空構造502は、例えば平面視で三角格子状に配列している。また、線欠陥光導波路504は、周期的な間隔で設けられた中空構造502の中に、線状に連続した部分の中空構造502をなくした構造であり、この領域に光が導波する。   Here, the above-described microcavity laser will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a plan view (a) and a sectional view (b) showing the configuration of the microcavity laser. The cross-sectional view shows a plane perpendicular to the walk in which light is guided. In this microcavity laser, first, a line defect optical waveguide 504 is provided in a photonic crystal 503 including a base portion 501 made of an InP substrate and a plurality of columnar hollow structures 502 provided in the base portion 501. For example, the hollow structures 502 are arranged in a triangular lattice shape in a plan view. The line defect optical waveguide 504 has a structure in which the hollow structure 502 in a linearly continuous portion is eliminated from the hollow structure 502 provided at periodic intervals, and light is guided to this region.

上述した構成のフォトニック結晶503の線欠陥光導波路504は、共振部521と、共振部521を挾む2つのミラー領域522とから構成され、共振部521の線欠陥光導波路504に、活性媒質505が設けられて(埋め込まれて)いる。活性媒質505は、InGaAs層からかるコア層の上下を、InGaAsPからなるクラッド層で覆った構成とされている。このように、ミラー領域522に挾まれた共振部521により、フォトニック結晶共振器が構成される。   The line-defect optical waveguide 504 of the photonic crystal 503 having the above-described configuration includes a resonance part 521 and two mirror regions 522 sandwiching the resonance part 521. The line-defect optical waveguide 504 of the resonance part 521 includes an active medium. 505 is provided (embedded). The active medium 505 is configured such that the upper and lower sides of a core layer made of an InGaAs layer are covered with a cladding layer made of InGaAsP. Thus, the photonic crystal resonator is constituted by the resonance part 521 sandwiched between the mirror regions 522.

このマイクロキャビティレーザは、活性媒質505が、基部501に埋め込まれたBH構造となっているため、活性媒質505の励起に伴い生じる熱を効率的に放出でき、かつ共振部521への高いキャリア閉じ込めを実現できる。   Since this microcavity laser has a BH structure in which the active medium 505 is embedded in the base 501, heat generated by excitation of the active medium 505 can be efficiently released, and high carrier confinement in the resonator 521 can be achieved. Can be realized.

さらに、BH構造を用いたレーザをフォトニック結晶線欠陥光導波路と結合させることにより、面内光出力も可能とする構造が提案されている(非特許文献3参照)。フォトニック結晶を用いたマイクロキャビティレーザは、将来の平面光集積回路用の光源として有望視されている。また、同類の構造が光メモリなど光情報処理用のデバイスとしても注目を集めている(非特許文献4参照)。   Further, a structure that enables in-plane light output by coupling a laser using a BH structure with a photonic crystal line defect optical waveguide has been proposed (see Non-Patent Document 3). Microcavity lasers using photonic crystals are promising as light sources for future planar optical integrated circuits. A similar structure is also attracting attention as a device for optical information processing such as an optical memory (see Non-Patent Document 4).

また、光配線を用いた光処理デバイスの高集積化・高密度実装化には、基板上の光回路で用いられている光を、他の基板上の他の処理が行われる光回路に導波させることが必要となる。例えば、マイクロキャビティレーザなどで用いられるフォトニック結晶共振器で共振する光を、他の基板上に設けられた光導波路を用いて取り出すようにすればよい。例えば、フォトニック結晶共振器の直上に、光導波路を近接かつ該共振器の延在方向に沿うように配置する技術が提案されている(非特許文献5,非特許文献6参照)。   In addition, for high integration and high-density mounting of optical processing devices using optical wiring, light used in optical circuits on substrates is guided to optical circuits on other substrates where other processing is performed. It is necessary to make it wave. For example, light that resonates with a photonic crystal resonator used in a microcavity laser or the like may be extracted using an optical waveguide provided on another substrate. For example, a technique has been proposed in which an optical waveguide is disposed immediately above a photonic crystal resonator so as to be along the extending direction of the resonator (see Non-Patent Documents 5 and 6).

非特許文献5では、図6に示すように、InP基板に空気穴を三角格子状に設けたフォトニック結晶の線欠陥領域に設けたフォトニック結晶共振器601に、光導波路602を組み合わせている。光導波路602は、シリコン基部603の上に形成された酸化シリコンからなる下部クラッド層604と、下部クラッド層604の上に形成されたコア605と、これらの上に形成されたベンゾシクロブテン(BCB)からなる上部クラッド層606を備える。   In Non-Patent Document 5, as shown in FIG. 6, an optical waveguide 602 is combined with a photonic crystal resonator 601 provided in a line defect region of a photonic crystal in which air holes are provided in a triangular lattice shape in an InP substrate. . The optical waveguide 602 includes a lower clad layer 604 made of silicon oxide formed on a silicon base 603, a core 605 formed on the lower clad layer 604, and a benzocyclobutene (BCB) formed thereon. The upper clad layer 606 is provided.

フォトニック結晶共振器601の共振部と光導波路602のコア605とが、各々の光導波方向を同一として重ね合わせる状態に、光導波路602の上にフォトニック結晶共振器601が配置されている。このように配置することで、フォトニック結晶共振器601で共振する光を、光導波路602に結合させて取り出すようにしている。   The photonic crystal resonator 601 is disposed on the optical waveguide 602 so that the resonating part of the photonic crystal resonator 601 and the core 605 of the optical waveguide 602 overlap each other with the same optical waveguide direction. With this arrangement, the light resonating in the photonic crystal resonator 601 is coupled to the optical waveguide 602 and extracted.

上述したように光結合させた光回路構成によれば、フォトニック結晶共振器で共振する光を、他の基板上に設けた光回路に導波させてさらに別の光処理を行わせるなどの、光処理デバイスの高集積化・高密度実装が実現できるようになる。   According to the optical circuit configuration in which the optical coupling is performed as described above, the light resonating in the photonic crystal resonator is guided to the optical circuit provided on another substrate, and further optical processing is performed. High integration and high-density mounting of optical processing devices can be realized.

K. Nozaki et al. , "Room temperature continuous wave operation and controlled spontaneous emission in ultrasmall photonic crystal nanolaser", Optics Express, vol.15, no.12, pp.7506-7514, 2007.K. Nozaki et al., "Room temperature continuous wave operation and controlled spontaneous emission in ultrasmall photonic crystal nanolaser", Optics Express, vol.15, no.12, pp.7506-7514, 2007. S. Matsuo et al. , "High-speed ultracompact buried heterostructure photonic-crystal laser with 13 fJ of energy consumed per bit transmitted", Nature Photonics, vol.4, pp.648-654, 2010.S. Matsuo et al., "High-speed ultracompact buried heterostructure photonic-crystal laser with 13 fJ of energy consumed per bit transmitted", Nature Photonics, vol.4, pp.648-654, 2010. S. Matsuo et al. , "20-Gbit/s directly modulated photonic crystal nanocavity laser with ultra-low power consumption", Opt. Express, vol.19, no.3, pp.2242-2250, 2011.S. Matsuo et al., "20-Gbit / s directly modulated photonic crystal nanocavity laser with ultra-low power consumption", Opt. Express, vol.19, no.3, pp.2242-2250, 2011. K. Nozaki et al. ,"Ultralow-power all-optical RAM based on nanocavities", Nature Photonics, vol.6, pp.248-252, 2012.K. Nozaki et al., "Ultralow-power all-optical RAM based on nanocavities", Nature Photonics, vol.6, pp.248-252, 2012. Y. Halioua et al. ,"Hybrid InP-based photonic crystal lasers on silicon on insulator wires", APPLIED PHYSICS LETTERS,vol.95, 201119, 2009.Y. Halioua et al., "Hybrid InP-based photonic crystal lasers on silicon on insulator wires", APPLIED PHYSICS LETTERS, vol.95, 201119, 2009. Min Qiu, "Vertically coupled photonic crystal optical filters",OPTICS LETTERS, vol.30, no.12, pp.1476-1478, 2005.Min Qiu, "Vertically coupled photonic crystal optical filters", OPTICS LETTERS, vol.30, no.12, pp.1476-1478, 2005.

しかしながら、上述した光回路の構成では、フォトニック結晶共振器と光導波路との間で、光結合の高い効率を得ることが容易ではないという問題がある。上述した技術において、フォトニック結晶共振器の共振部と光導波路との光結合の効率は、これらの位置合わせの状態に大きく影響する。このため、高い光結合効率を得るためには、フォトニック結晶共振器の共振部の延在方向中心線と光導波路の導波方向中心線とを、非常に高い精度で位置合わせする必要がある。しかしながら、この位置合わせに高い精度を得ることが容易ではない。   However, in the configuration of the above-described optical circuit, there is a problem that it is not easy to obtain high optical coupling efficiency between the photonic crystal resonator and the optical waveguide. In the above-described technique, the efficiency of optical coupling between the resonating part of the photonic crystal resonator and the optical waveguide greatly affects the alignment state. For this reason, in order to obtain a high optical coupling efficiency, it is necessary to align the extending direction center line of the photonic crystal resonator and the waveguide direction center line of the optical waveguide with very high accuracy. . However, it is not easy to obtain high accuracy for this alignment.

例えば、フォトニック結晶共振器を構成するフォトニック結晶の格子定数が422nmの場合、フォトニック結晶共振器の共振部は、幅が約600nmと非常に細い。また、上述したような光回路を構成するSiコアによる光導波路では、コア幅が数100nmと非常に細い。このように細いコアと共振部とを、各々の光導波方向を同一として重ね合わせて高い結合効率を得るためには、位置合わせの制度を少なくとも数10nm以下とする必要がある。しかしながら、このような高い位置合わせ精度を実現することは容易ではなく、上述した技術では、フォトニック結晶共振器と光導波路との間で、光結合の高い効率を得ることが容易ではないという問題があった。   For example, when the lattice constant of the photonic crystal constituting the photonic crystal resonator is 422 nm, the resonance part of the photonic crystal resonator has a very narrow width of about 600 nm. In addition, in the optical waveguide using the Si core that constitutes the optical circuit as described above, the core width is very thin as several hundred nm. In order to obtain a high coupling efficiency by superposing the thin core and the resonating part in the same optical waveguide direction as described above, the alignment system needs to be at least several tens of nm or less. However, it is not easy to achieve such a high alignment accuracy, and it is not easy to obtain high efficiency of optical coupling between the photonic crystal resonator and the optical waveguide with the above-described technique. was there.

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、フォトニック結晶共振器と光導波路との間における光結合の高い効率が、より容易に得られるようにすることを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and is intended to make it easier to obtain high efficiency of optical coupling between a photonic crystal resonator and an optical waveguide. Objective.

本発明に係る光回路は、基部および基部に周期的に設けられて周囲と屈折率が異なる柱状の複数の格子要素を備えるフォトニック結晶から構成され、所定の方向に延在する共振部を備えるフォトニック結晶共振器と、フォトニック結晶共振器の上に配置され、共振部の延在方向に平行な方向を導波方向として延在して共振部と異なる層に配置された光導波路とを備え、光導波路の導波方向の中心線は、共振部に隣接して共振部と同一方向に延在する格子要素の列とこの格子要素列に隣接して共振部と同一方向に延在する格子要素の列との間に配置されている。なお、格子要素は、三角格子または四角格子に配列されていればよい。   An optical circuit according to the present invention includes a base and a photonic crystal that is periodically provided at the base and includes a plurality of columnar lattice elements having different refractive indexes from the surroundings, and includes a resonance unit that extends in a predetermined direction. A photonic crystal resonator, and an optical waveguide disposed on the photonic crystal resonator and extending in a direction parallel to the extending direction of the resonant portion as a waveguide direction and disposed in a layer different from the resonant portion The center line in the waveguide direction of the optical waveguide is adjacent to the resonance portion and extends in the same direction as the resonance portion, and adjacent to the lattice element row and extends in the same direction as the resonance portion. Arranged between the grid element rows. Note that the lattice elements may be arranged in a triangular lattice or a square lattice.

以上説明したことにより、本発明によれば、フォトニック結晶共振器と光導波路との間における光結合の高い効率が、より容易に得られるようになるという優れた効果が得られる。   As described above, according to the present invention, it is possible to obtain an excellent effect that the high efficiency of optical coupling between the photonic crystal resonator and the optical waveguide can be obtained more easily.

図1は、本発明の実施の形態における光回路の構成を示す平面図である。FIG. 1 is a plan view showing a configuration of an optical circuit according to an embodiment of the present invention. 図2は、本発明の実施の形態における光回路の構成を示す斜視図である。FIG. 2 is a perspective view showing the configuration of the optical circuit in the embodiment of the present invention. 図3は、フォトニック結晶共振器101と光導波路151との光結合構造に関する原理を説明する説明図である。FIG. 3 is an explanatory diagram for explaining the principle regarding the optical coupling structure between the photonic crystal resonator 101 and the optical waveguide 151. 図4は、光導波路がx軸方向に位置ずれしたときの、共振部とコアとの光結合効率を、計算機シミュレーションにより導出した結果を示す特性図である。FIG. 4 is a characteristic diagram showing the result of deriving the optical coupling efficiency between the resonance part and the core by computer simulation when the optical waveguide is displaced in the x-axis direction. 図5は、マイクロキャビティレーザの構成を示す平面図(a)および断面図(b)である。FIG. 5 is a plan view (a) and a sectional view (b) showing the configuration of the microcavity laser. 図6は、フォトニック結晶共振器の上に光導波路を配置して光結合させている光回路の構成を示す斜視図である。FIG. 6 is a perspective view showing a configuration of an optical circuit in which an optical waveguide is disposed on a photonic crystal resonator and optically coupled.

以下、本発明の実施の形態について図1,2を参照して説明する。図1は、本発明の実施の形態における光回路の構成を示す平面図である。また、図2は、本発明の実施の形態における光回路の構成を示す斜視図である。この光回路は、フォトニック結晶共振器101と光導波路151とを備える。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a plan view showing a configuration of an optical circuit according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a perspective view showing the configuration of the optical circuit in the embodiment of the present invention. This optical circuit includes a photonic crystal resonator 101 and an optical waveguide 151.

フォトニック結晶共振器101は、基部102および基部102に設けられた複数の格子要素103を備えるフォトニック結晶から構成されている。格子要素103は、例えば中空の円柱であり、平面視で三角格子状に配列している。各格子要素103は、同一形状とされている。このようなフォトニック結晶において、格子要素103を形成しない部分(線欠陥部)による線欠陥光導波路104を備える。   The photonic crystal resonator 101 is composed of a photonic crystal including a base 102 and a plurality of lattice elements 103 provided on the base 102. The lattice elements 103 are, for example, hollow cylinders, and are arranged in a triangular lattice shape in plan view. Each lattice element 103 has the same shape. Such a photonic crystal includes a line defect optical waveguide 104 formed by a portion (line defect portion) where the lattice element 103 is not formed.

線欠陥光導波路104は、共振部121と、共振部121を挾む2つのミラー領域122とから構成されている。共振部121を設けることで、共振器としている。共振部121の線欠陥光導波路104には、基部102とは屈折率の異なる材料からなる媒質部105が設けられて(埋め込まれて)いる。ここで、線欠陥光導波路104は、第1方向に延在しており、共振部121も第1方向に延在している。図1,図2では、z軸方向を第1方向としている。なお、媒質部105を、活性な媒質から構成することで、フォトニック結晶共振器101をレーザとすることができる。   The line defect optical waveguide 104 includes a resonating part 121 and two mirror regions 122 sandwiching the resonating part 121. A resonator is provided by providing the resonance unit 121. The line defect optical waveguide 104 of the resonance part 121 is provided (embedded) with a medium part 105 made of a material having a refractive index different from that of the base part 102. Here, the line defect optical waveguide 104 extends in the first direction, and the resonance part 121 also extends in the first direction. 1 and 2, the z-axis direction is the first direction. Note that the photonic crystal resonator 101 can be a laser by forming the medium unit 105 from an active medium.

上述した構成のフォトニック結晶共振器101の上に、光導波路151が配置されている。図1,図2では、フォトニック結晶共振器101の平面の法線方向であるy軸方向の上に、光導波路151が配置されている。なお、図1,図2では、光導波路151を構成するコア152を示し、クラッドなどの他の構成は省略している。光導波路151は、例えばシリコン(Si)からなるコア152によるSi細線導波路であってもよい。Si細線導波路は、例えばSi基板上に設けた絶縁膜(例えばSiO2)を下部クラッドとして形成されていればよい。あるいは、Si基板に中空構造で形成され、空気をクラッドとしてもよい。 An optical waveguide 151 is disposed on the photonic crystal resonator 101 having the above-described configuration. In FIG. 1 and FIG. 2, the optical waveguide 151 is disposed on the y-axis direction that is the normal direction of the plane of the photonic crystal resonator 101. 1 and 2, the core 152 constituting the optical waveguide 151 is shown, and other configurations such as cladding are omitted. The optical waveguide 151 may be, for example, a Si fine wire waveguide having a core 152 made of silicon (Si). The Si wire waveguide may be formed, for example, using an insulating film (for example, SiO 2 ) provided on a Si substrate as a lower clad. Alternatively, the Si substrate may be formed with a hollow structure, and air may be used as the cladding.

ここで、本発明では、光導波路151のコア152は、フォトニック結晶共振器101の上に配置され、共振部121の延在方向に平行な方向を導波方向として延在している。また、共振部121と異なり、フォトニック結晶共振器101の平面と平行な面上の層に、光導波路151は配置されている。加えて、光導波路151を構成するコア152の導波方向の中心線は、共振部121に隣接して共振部121と同一方向に延在する格子要素の列131とこの格子要素列に隣接して共振部121と同一方向に延在する格子要素の列132との間に配置されている。   Here, in the present invention, the core 152 of the optical waveguide 151 is disposed on the photonic crystal resonator 101 and extends in the direction parallel to the extending direction of the resonance part 121 as the waveguide direction. Unlike the resonance part 121, the optical waveguide 151 is arranged in a layer on a plane parallel to the plane of the photonic crystal resonator 101. In addition, the center line in the waveguide direction of the core 152 constituting the optical waveguide 151 is adjacent to the resonance element 121 and the lattice element array 131 extending in the same direction as the resonance element 121 and the lattice element array. And the resonance element 121 and the row 132 of lattice elements extending in the same direction.

なお、図1では、共振部121の紙面右側の列131と列132との間に、コア152の中心線が配置されている場合を例示しているが、これに限るものではない。共振部121の紙面右側の格子要素の列133と格子要素の列134との間に、コア152の中心線が配置されていても同様である。   1 illustrates the case where the center line of the core 152 is disposed between the row 131 and the row 132 on the right side of the plane of the resonance unit 121, but the present invention is not limited to this. The same applies to the case where the center line of the core 152 is arranged between the lattice element row 133 and the lattice element row 134 on the right side of the resonance portion 121 in the drawing.

上述した実施の形態によれば、光導波路151が、列131(列133)と列132(列134)の間隔の間でずれてもよいため、フォトニック結晶共振器101と光導波路151との位置ずれに対する許容度が増し、高い位置合わせ精度を要することなく、両者の光学的な結合を得ることができるようになる。   According to the above-described embodiment, the optical waveguide 151 may be shifted between the interval between the row 131 (row 133) and the row 132 (row 134), so that the photonic crystal resonator 101 and the optical waveguide 151 The tolerance for misregistration increases, and optical coupling between the two can be obtained without requiring high alignment accuracy.

以下、より詳細に説明する。まず、図3を用いてフォトニック結晶共振器101と光導波路151との光結合構造に関する原理を説明する。なお以下では、まず、基部102をInPから構成し、媒質部105をInGaAsPから構成している。また、格子要素103は、中空の円柱として空気から構成されたものとしている。従って、屈折率は、媒質部105>基部102>格子要素103となる。また、光導波路151のコア152をシリコンから構成し、クラッドを空気から構成した場合を例に説明する。   This will be described in more detail below. First, the principle regarding the optical coupling structure between the photonic crystal resonator 101 and the optical waveguide 151 will be described with reference to FIG. In the following, first, the base portion 102 is made of InP, and the medium portion 105 is made of InGaAsP. Moreover, the lattice element 103 is assumed to be composed of air as a hollow cylinder. Therefore, the refractive index is medium part 105> base part 102> lattice element 103. The case where the core 152 of the optical waveguide 151 is made of silicon and the clad is made of air will be described as an example.

まず、図3の(a)は、フォトニック結晶共振器101のモード形状を「波数空間」にプロットしたものである。また、図3の(b−1)は、コア152が延在する方向をz軸に合わせ、コア幅300nmとした光導波路151のモード形状を、同じく「波数空間」にプロットしたものである。また、図3の(b−2)は、コア152が延在する方向をz軸に合わせ、コア幅400nmとした光導波路151のモード形状を、同じく「波数空間」にプロットしたものである。また、図3の(b−3)は、コア152が延在する方向をz軸に合わせ、コア幅500nmとした光導波路151のモード形状を、同じく「波数空間」にプロットしたものである。なお、いずれにおいても、コアの厚さは245nmである。   First, FIG. 3A is a plot of the mode shape of the photonic crystal resonator 101 in the “wave number space”. 3B-1 is a plot of the mode shape of the optical waveguide 151 with the core width of 300 nm aligned with the z-axis in the direction in which the core 152 extends in the “wave number space”. Also, (b-2) of FIG. 3 is a plot of the mode shape of the optical waveguide 151 with the core width of 400 nm aligned in the direction in which the core 152 extends along the “wave number space”. 3B-3 is a plot of the mode shape of the optical waveguide 151 with the core width of 500 nm aligned in the z-axis with the direction in which the core 152 extends in the “wave number space”. In any case, the thickness of the core is 245 nm.

図3の(a)に示すように、フォトニック結晶共振器101のモードは、延在する方向をz軸に合わせた場合、規格化波数Kz=0.5付近にx軸に平行な方向に線状のモードを有する。また、図3の(b−1),(b−2),(b−3)に示されるように、光導波路151のモードも、導波方向をz軸に合わせた場合、x軸に平行な方向に線状のモードを有する。このモードのkz軸上の位置は、コア152の幅や厚さで調整される。また、コア152導波方向中心線が、フォトニック結晶共振器101の延在方向の中心線と合致すると、両者のモード結合係数が最大となる。   As shown in FIG. 3A, when the extending direction is aligned with the z axis, the mode of the photonic crystal resonator 101 is in a direction parallel to the x axis near the normalized wave number Kz = 0.5. It has a linear mode. As shown in (b-1), (b-2), and (b-3) of FIG. 3, the mode of the optical waveguide 151 is also parallel to the x-axis when the waveguide direction is aligned with the z-axis. It has a linear mode in any direction. The position on the kz axis in this mode is adjusted by the width and thickness of the core 152. When the center line in the waveguide direction of the core 152 coincides with the center line in the extending direction of the photonic crystal resonator 101, the mode coupling coefficient of both is maximized.

次に、図3の(c)は、図3の(a)を実空間で示したものである。波数空間における共振部121とコア152との波数合致条件は、フォトニック結晶共振器モードのz軸方向の位相と、光導波路モードの位相とが、実空間において合致する条件に相当する。ただし、実空間におけるフォトニック結晶共振器のモード形状は、光導波路のモード形状と極端に異なるため、実空間のフィールド分布のマッチングも考慮する必要がある。   Next, (c) of FIG. 3 shows (a) of FIG. 3 in real space. The wave number matching condition between the resonance unit 121 and the core 152 in the wave number space corresponds to a condition in which the phase in the z-axis direction of the photonic crystal resonator mode and the phase of the optical waveguide mode match in real space. However, since the mode shape of the photonic crystal resonator in the real space is extremely different from the mode shape of the optical waveguide, it is necessary to consider the matching of the field distribution in the real space.

図3の(c)に示すように、フォトニック結晶共振器のモードは、z軸直上のモード形状と、ここより±0.5×a√3(aはフォトニック結晶の格子定数)程度だけ、x軸方向に離れた位置(線欠陥導波路に最近接の穴列近辺)のモード形状の位相がπずれている。このため、共振部121に最近接の穴列とz軸の間にフィールド強度がゼロとなる節部301が存在する。   As shown in FIG. 3C, the mode of the photonic crystal resonator has a mode shape just above the z-axis and about ± 0.5 × a√3 (a is a lattice constant of the photonic crystal) from here. The phase of the mode shape at a position distant in the x-axis direction (near the hole array closest to the line defect waveguide) is shifted by π. For this reason, there is a node 301 where the field intensity is zero between the hole array closest to the resonance part 121 and the z-axis.

一方、光導波路151は、上述のような節領域を持たないため、図3の(c)に示すように、コア152の導波方向中心を節部301上に配置すると、フォトニック結晶共振器モードと光導波路モードとの結合効率が、極端に低下する。結合効率を高くするには、コア152の導波方向中心を節部301から避けて配置することが重要となる。従来では、コア152の導波方向の中心線を、共振部121の延在方向中心線(z軸)上に厳密に合わせることで節部301を避け、結合効率を上げている。   On the other hand, since the optical waveguide 151 does not have a node region as described above, when the center of the core 152 in the waveguide direction is disposed on the node 301 as shown in FIG. The coupling efficiency between the mode and the optical waveguide mode is extremely lowered. In order to increase the coupling efficiency, it is important to arrange the core 152 away from the node 301 in the waveguide direction center. Conventionally, the center line in the waveguide direction of the core 152 is strictly aligned with the center line (z-axis) in the extending direction of the resonance part 121, thereby avoiding the node 301 and increasing the coupling efficiency.

一方、本発明においては、共振部121の延在方向中心線と、コア152の導波方向の中心線との位置関係に所定のオフセットを持たせることで結合効率を上げている。図4の(a)に、導波方向に垂直な方向(x軸方向)の、共振部121の延在方向中心線と、コア152の導波方向の中心線とのずれ量Δxと、両者の間の結合効率(η)との関係を示す。結合効率(η)は、光導波路から共振部へ入力したときの反射率(R)から換算している。   On the other hand, in the present invention, the coupling efficiency is increased by giving a predetermined offset to the positional relationship between the extending direction center line of the resonance portion 121 and the center line of the core 152 in the waveguide direction. FIG. 4A shows the amount of deviation Δx between the center line in the extending direction of the resonance part 121 and the center line in the waveguide direction of the core 152 in the direction perpendicular to the waveguide direction (x-axis direction). Shows the relationship with the coupling efficiency (η). The coupling efficiency (η) is converted from the reflectance (R) when input from the optical waveguide to the resonance part.

なお、図4の(a)に示す結果の計算に用いた構造因子を次に示す。基部の材料はInP、格子定数a=422nm、格子要素は、半径100nmの中空の円柱、基部の板厚は245.4nmとした。また、媒質部は、InGaAsPから構成し、x軸方向の幅350nm×z軸方向の長さ3.8μm×y軸方向の厚さ145.4nmとした。また、光導波路のコアは、シリコンから構成し、x軸方向の幅420nm×y軸方向の厚さ245nmとした。   In addition, the structure factor used for calculation of the result shown to (a) of FIG. 4 is shown next. The base material was InP, the lattice constant a = 422 nm, the lattice element was a hollow cylinder with a radius of 100 nm, and the base plate thickness was 245.4 nm. The medium part is made of InGaAsP and has a width in the x-axis direction of 350 nm × a length in the z-axis direction of 3.8 μm × a thickness in the y-axis direction of 145.4 nm. The core of the optical waveguide is made of silicon and has a width in the x-axis direction of 420 nm × a thickness in the y-axis direction of 245 nm.

前述したように、Δx=200nm付近にフォトニック結晶共振器モードの節部が存在し、節部の付近で結合効率が激減する。従って、従来の結合構造では、コアの中心位置がΔx=0になるよう配置する。このため、コアの中心位置がx軸方向に少しずれただけで結合効率が激減してしまう構造となっている。一方で、本発明によるコアの配置によれば、Δx=500nm近辺の領域401に、コアの中心位置を配置する。   As described above, a photonic crystal resonator mode node exists in the vicinity of Δx = 200 nm, and the coupling efficiency is drastically reduced in the vicinity of the node. Therefore, in the conventional coupling structure, the cores are arranged so that the center position of Δx = 0. For this reason, the coupling efficiency is drastically reduced when the center position of the core is slightly shifted in the x-axis direction. On the other hand, according to the arrangement of the core according to the present invention, the center position of the core is arranged in the region 401 near Δx = 500 nm.

図4の(a)に示すように、位置ずれ量Δxが360nm〜720nmにわたって、90%以上の結合効率が得られることが分かる。この範囲が、本発明の構成において許容される位置ずれ量となる。従来技術では数10nm程度であったため、1桁以上の位置ずれを許容することができるようになる。なお、図4の(a)に示す領域401を実空間で示すと、図4の(b)の領域402,領域403に示すように、共振部に最近接の穴列から数えて1列目の穴列と2列目の穴列との間にコアの中心を配置することにより、従来よりも1桁以上の位置合わせ誤差を許容する結合構造が実現できる。   As shown in FIG. 4A, it can be seen that a coupling efficiency of 90% or more is obtained when the positional deviation amount Δx is 360 nm to 720 nm. This range is the amount of positional deviation allowed in the configuration of the present invention. Since the conventional technique has a thickness of about several tens of nanometers, a positional shift of one digit or more can be allowed. When the region 401 shown in FIG. 4A is shown in real space, as shown in the region 402 and the region 403 in FIG. 4B, the first row counting from the nearest hole row to the resonance portion. By arranging the center of the core between the second hole row and the second hole row, it is possible to realize a coupling structure that allows an alignment error of one digit or more than the conventional one.

以上に説明したように、本発明では、光導波路の導波方向の中心線を、共振部に隣接して共振部と同一方向に延在する格子要素の列(1つめの穴列)とこの格子要素列に隣接して共振部と同一方向に延在する格子要素の列(2つめの穴列)との間に配置した。この結果、共振部と光導波路の高効率結合のために必要な基板面内方向の位置合わせ精度を緩和し、従来よりも1桁以上の位置合わせ誤差を許容する結合構造が実現可能となり、フォトニック結晶共振器と光導波路との間における光結合の高い効率が、より容易に得られるようになる。   As described above, in the present invention, the center line in the waveguide direction of the optical waveguide is aligned with the lattice element row (first hole row) adjacent to the resonance portion and extending in the same direction as the resonance portion. It was arranged between a lattice element row (second hole row) adjacent to the lattice element row and extending in the same direction as the resonance part. As a result, it is possible to realize a coupling structure that relaxes the alignment accuracy in the substrate plane direction required for high-efficiency coupling between the resonance part and the optical waveguide, and allows an alignment error of one digit or more than before. High efficiency of optical coupling between the nick crystal resonator and the optical waveguide can be obtained more easily.

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、共振部121は、媒質部105を設ける構成に限るものではなく、線欠陥光導波路104の幅を部分的に変調した構成としてもよい。また、線欠陥光導波路104を、格子要素103で終端した構成としてもよく、フォトニック結晶線欠陥を用いた種々のフォトニック結晶共振器を用いることができる。   The present invention is not limited to the embodiment described above, and many modifications and combinations can be implemented by those having ordinary knowledge in the art within the technical idea of the present invention. It is obvious. For example, the resonance unit 121 is not limited to the configuration in which the medium unit 105 is provided, and may have a configuration in which the width of the line defect optical waveguide 104 is partially modulated. The line defect optical waveguide 104 may be terminated with the lattice element 103, and various photonic crystal resonators using photonic crystal line defects can be used.

また、上述では、格子要素103を平面視で三角格子状に配列した場合について説明したが、これに限るものではなく、四角格子に配列してもよい。また、格子要素103は、基部102と屈折率が異なる部分であればよく、中空に限らず、基部102と異なる屈折率の材料から構成された円柱形状であってもよい。   In the above description, the case where the lattice elements 103 are arranged in a triangular lattice shape in plan view has been described. However, the present invention is not limited to this, and the lattice elements 103 may be arranged in a square lattice. The lattice element 103 may be a part having a refractive index different from that of the base 102, and is not limited to being hollow, and may be a cylindrical shape made of a material having a refractive index different from that of the base 102.

101…フォトニック結晶共振器、102…基部、103…格子要素、104…線欠陥光導波路、105…媒質部、121…共振部、122…ミラー領域、151…光導波路、152…コア。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ... Photonic crystal resonator, 102 ... Base part, 103 ... Lattice element, 104 ... Line defect optical waveguide, 105 ... Medium part, 121 ... Resonant part, 122 ... Mirror area | region, 151 ... Optical waveguide, 152 ... Core.

Claims (2)

基部および前記基部に周期的に設けられて周囲と屈折率が異なる柱状の複数の格子要素を備えるフォトニック結晶から構成され、所定の方向に延在する共振部を備えるフォトニック結晶共振器と、
前記フォトニック結晶共振器の上に配置され、前記共振部の延在方向に平行な方向を導波方向として延在して前記共振部と異なる層に配置された光導波路と
を備え、
前記光導波路の導波方向の中心線は、前記共振部に隣接して前記共振部と同一方向に延在する格子要素の列とこの格子要素列に隣接して前記共振部と同一方向に延在する格子要素の列との間に配置されている
ことを特徴とする光回路。
A photonic crystal resonator including a base and a photonic crystal that is periodically provided on the base and includes a plurality of columnar lattice elements having a refractive index different from that of the surroundings, and includes a resonator that extends in a predetermined direction;
An optical waveguide disposed on the photonic crystal resonator and extending in a direction parallel to the extending direction of the resonance unit as a waveguide direction and disposed in a layer different from the resonance unit;
A center line in the waveguide direction of the optical waveguide is adjacent to the resonance portion and extends in the same direction as the resonance portion, and adjacent to the lattice element row and extends in the same direction as the resonance portion. An optical circuit characterized in that the optical circuit is arranged between existing rows of lattice elements.
請求項1記載の光回路において、
前記格子要素は、三角格子または四角格子に配列されている
ことを特徴とする光回路。
The optical circuit according to claim 1.
The optical element, wherein the lattice elements are arranged in a triangular lattice or a square lattice.
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