JP3999152B2 - Two-dimensional photonic crystal slab and optical device using the same - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、微小光回路素子等に用いられる2次元フォトニック結晶スラブに係わり、線状欠陥及び点欠陥の導入により形成した光取り出し/導入口を有する2次元フォトニック結晶導波路及びこれを備えた光デバイスに関する。
【0002】
【従来の技術】
光の波長程度の屈折率変化周期構造を持つ物質はフォトニック結晶として知られており、その中ではその周期に対応する波長の光の存在が禁止される光に対する禁止帯、いわゆるフォトニックバンドギャップが現れ、特定の波長域の光の存在と伝搬が不可能となる。このことからフォトニック結晶は光を自由自在に制御できる可能性があるとして、次世代のエレクトロニクス、オプトエレクトロニクス材料として注目されている。
【0003】
従来の2次元フォトニック結晶導波路の一種としては、図25に示すようなものが知られている(例えば、特許文献1参照)。
この2次元フォトニック結晶導波路は、空気より屈折率が高い材料からなるスラブ材料81に円柱孔86を三角格子状に配列された2次元フォトニック結晶を有し、図25に示すように三角格子状に配列した円柱孔86を一部線状に抜き取ることによりフォトニック結晶に線状欠陥92が導入され、この線状欠陥92が導波路とされ、さらにこの線状欠陥92の近傍に上記円柱孔86の周期的配列を乱す点状欠陥94が形成され、この点状欠陥94が光の取り出し/導入口として機能する構成とされたものである。
【0004】
この2次元フォトニック結晶導波路では、外部から2次元フォトニック結晶にフォトニックバンドギャップ周波数内に相当する波長の光103を入射させると、点状欠陥94や線状欠陥92が形成されていないところでは、面内方向にはフォトニックバンドギャップがあるので、光は伝搬を禁じられ、また、面直方向には屈折率差閉じ込めによる全反射により閉じ込められるが、線状欠陥92のところは導波路とみなされるので光は伝搬し、点状欠陥94の近くまで伝搬したときに、点状欠陥94に共鳴する波長の光が点状欠陥94に捕獲され、欠陥内部で共振している間に、上下方向へ出射されるようになっている。
上記点状欠陥94は貫通孔であるので、この点状欠陥に捕獲された光は上下方向から出射されるが、利用できる光は点状欠陥94の上下のどちらか一方から出射されたものしか利用できないため、効率を良くするために孔の径に傾斜をつけることにより上下非対称構造とし、一方の方向から多く光103aが出るようにしている。
【0005】
【特許文献1】
特開2001−272555号公報
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら従来の2次元フォトニック結晶導波路においては、2次元フォトニック結晶は光の偏波モードのTE−like モード又はTM−like モードの一方に対してのみ(例えば上記三角格子状に配列された円柱孔ではTE−like モードに対してのみ)フォトニックバンドギャップをもっている構造であるため、上下非対称構造の点状欠陥94に、例えばTE−like モードの光103を入れて、一方の方向から出射させようとすると、TE−like モードがTM−like モードにモード変換してしまう。この従来のフォトニック結晶は、TM−like モードに対してはフォトニックバンドギャップをもっていない構造であるので、TM−like モードの光はフォトニック結晶の面内方向に漏れてしまうことになり、取り出し効率が悪くなってしまう。
TE−like モードとTM−like モードの両方モードに対して共通のフォトニックバンドギャップを有する構造の2次元フォトニック結晶スラブが要望されるが、そのような2次元フォトニック結晶はこれまでなかった。
【0007】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、TE−like モードとTM−like モードの両モードの光に対して共通のフォトニックバンドギャップを有する2次元フォトニック結晶スラブの提供を目的の一つとする。
また、本発明は、上記2次元フォトニック結晶スラブを備えた2次元フォトニック結晶導波路を提供することを目的の一つとする。
また、本発明は、上記2次元フォトニック結晶スラブを備え、特定波長の光の取り出し効率を向上できる2次元フォトニック結晶導波路を提供することを目的の一つとする。
また、本発明は、上記の2次元フォトニック結晶導波路が備えられた光デバイスを提供することを目的の一つとする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明の2次元フォトニック結晶スラブは、TE−like モードとTM−like モードの両モードの光に対して共通のフォトニックバンドギャップを有し、高屈折率材料からなるスラブ材に、このスラブ材よりも低屈折率材料領域が周期的に配列されて屈折率分布が形成されてなり、Δ=(n H 2 −n L 2 )/2n H 2 (式中、n H は前記高屈折率材料の屈折率、n L は前記低屈折率材料の屈折率を示す。)で定義される比屈折率差Δが0.35より大きく、且つ、0.35<(t/a)<2.0(式中、tは前記スラブ材の厚み、aは低屈折率材周期構造部における最小中心距離又は格子定数)なる関係を満たし、前記2次元フォトニック結晶の前記低屈折率材料領域は25%より多く形成され、前記スラブ材に前記低屈折率材料領域が三角格子状に配置され、前記低屈折率材料領域は三角柱状とされてなることを特徴とする。
この2次元フォトニック結晶スラブでは、この結晶スラブに外部から入射させる光がTE−like モード、TM−like モードのいずれであってもフォトニックバンドギャップにより伝搬を禁じることが可能である。
【0009】
また、本発明の2次元フォトニック結晶スラブは、高屈折率材料からなるスラブ材に、このスラブ材よりも低屈折率材料からなる領域が周期的に配列されて屈折率分布が形成されてなるものであり、
Δ=(nH 2−nL 2)/2nH 2(式中、nHは上記高屈折率材料の屈折率、nLは上記低屈折率材料の屈折率を示す。)で定義される比屈折率差Δが0.35より大きく、且つ、0.35<(t/a)<2.0(式中、tは上記スラブ材の厚み、aは低屈折率材周期構造部における最小中心距離又は格子定数)なる関係を満たし、上記2次元フォトニック結晶の上記低屈折率材料からなる領域(低屈折率材料領域ということもある)は25%より多く形成されているものである。ここでの低屈折率材料領域の割合は、低屈折率材料領域の体積%である。
【0010】
比屈折率差Δが0.35以下であると、TE−like モード、TM−like モードの両方のフォトニックバンドギャップが開かなくなってしまうため好ましくない。
また、上記t/aが上記の範囲外であると、低屈折率材料領域が占める割合がいずれであってもTE−like モードとTM−like モードの両モードの光に対して共通のフォトニックバンドギャップを有することができない。
また、低屈折率材料領域が占める割合が、25%以下であると、t/aが上記の範囲内であってもTE−like モードとTM−like モードの両モードの光に対して共通のフォトニックバンドギャップを有することができない。
【0011】
また、本発明の2次元フォトニック結晶スラブにおいては、上記スラブ材に上記低屈折率材料領域が三角格子状に配置されたものである。かかる2次元フォトニック結晶スラブによれば、60度曲げ導波路を容易に形成できる。また、上記低屈折率材料領域は、三角柱状である。
【0012】
また、上記低屈折率材料領域の形状が正三角柱状の場合の2次元フォトニック結晶スラブは、スラブ材に複数の低屈折率材料領域が配置されているが、これら複数の低屈折率材料領域は一群の平行線の方向に対して±30°の奇数倍を除いた範囲の一定の傾斜角度で配置されていることが好ましい。
複数の低屈折率材料領域は一群の平行線の方向に対して±30°の奇数倍であると、フォトニックバンドギャップが現れない。
【0013】
また、本発明の2次元フォトニック結晶スラブは、前記(t/a)が0.65≦(t/a)≦1.50とされてなることを特徴とする。
本発明の2次元フォトニック結晶スラブは、前記低屈折率材料領域が前記スラブ材に形成された平面視正三角状の孔に空気が満たされて構成され、前記低屈折率材料領域が2次元フォトニック結晶スラブの体積の25%より多く、50%未満の範囲に形成されてなることを特徴とする。
本発明の2次元フォトニック結晶スラブは、前記低屈折率材料領域が正三角柱状とされ、前記低屈折率材料領域を構成する平面視正三角形の一辺が0.3μm〜0.4μmの範囲とされ、隣り合う低屈折率材料領域のピッチが0.35μm〜0.55μmの範囲とされてなることを特徴とする。
本発明の2次元フォトニック結晶スラブは、前記正三角柱状の低屈折率材料領域が前記スラブ材の面方向に形成される一群の平行線に対して0度の傾斜角度で配置されてなることを特徴とする。
本発明の2次元フォトニック結晶スラブは、前記(t/a)の値が、0.65≦(t/a)≦1.50とされてなり、前記低屈折率材料領域が前記スラブ材に形成された平面視正三角状の孔に空気が満たされて構成され、前記低屈折率材料領域が2次元フォトニック結晶スラブの体積の25%より多く、50%未満の範囲に形成されてなることを特徴とする。
本発明の2次元フォトニック結晶スラブは、前記スラブ材に導入されたTE−like モードの光又はTM−like モードの光がスラブ材の面内方向にはフォトニックバンドギャップにより伝搬を禁じられ、面直方向には上下の低屈折率材料領域による全反射により閉じ込められる。
【0014】
また、本発明の2次元フォトニック結晶スラブは、上記スラブ材に、上記低屈折率材料からなる領域が正方格子状に配置されているものであってもよい。
かかる2次元フォトニック結晶スラブによれば、直角曲げ導波路を容易に形成できる。
【0016】
また、本発明の2次元フォトニック結晶導波路は、上記のいずれかの構成の本発明の2次元フォトニック結晶スラブに、上記フォトニック結晶の周期的配列を乱す線状の欠陥が形成され、この線状の欠陥が光を通過させる導波路とされ、該導波路の近傍に上記フォトニック結晶の周期的配列を乱す点状の欠陥が少なくとも一つ形成され、上記点状の欠陥は上記導波路中を伝搬するTE−like モードとTM−like モードの両モードの光を捕獲して放射でき、あるいは外部からのTE−like モードとTM−like モードの両モードの光を捕獲して上記導波路内に導入できる光取り出し/導入口として機能する構成とされたことを特徴とする。
【0017】
かかる構成の2次元フォトニック結晶導波路によれば、上記2次元フォトニック結晶スラブに外部から入射させる光がTE−like モード、TM−like モードのいずれであってもフォトニック結晶の周期的配列が存在する部分ではフォトニックバンドギャップにより伝搬を禁じられるが、この入射させた光は導波路(線状の欠陥)内を伝搬することができる。また、導波路内を伝搬中の光がTE−like モード、TM−like モードのいずれであっても、伝搬中の光の少なくとも一部は上記点状の欠陥に捕獲されて外部に出射できる。
また、点状の欠陥を、波長帯域中の特定チャンネルの波長のみ捕獲するよう設計することによって、特定波長の光や電磁波を取り出す分波器、合波器あるいは濾波器として機能させることができる。
【0018】
また、本発明の2次元フォトニック結晶導波路においては、上記点状の欠陥は、スラブ面に対して上下非対称の形状を有するものであってもよい。
かかる構成の2次元フォトニック結晶導波路では、導波路内を伝搬中の光は上記点状の欠陥に捕獲され、この点状の欠陥の上下の一方の方向から多くの光が出射される。また、導波路内を伝搬中の光がTE−like モード、TM−like モードのいずれであっても上記点状の欠陥から出射される光はモード変換されたものが出射されるが、上記2次元フォトニック結晶スラブはTE−like モードとTM−like モードの両モードの光に対して共通のフォトニックバンドギャップを有するので、モード変換された光が2次元フォトニック結晶スラブ内に漏れるのを防止できるので、特定波長の光の取り出し効率を向上できる。
【0019】
本発明の光デバイスは、2次元フォトニック結晶導波路が備えられたことを特徴とする。本発明の光デバイスは光アドドロップフォトニックデバイス(光アドドロップ多重装置)等のアドドロップ素子に好適に用いることができる。
【0020】
【発明の実施の形態】
次に図面を用いて本発明の実施の形態を詳細に説明する。
以下に述べる実施の形態では本発明の光デバイスを波長分波器に適用した場合について説明する。なお、本発明は以下に説明する実施の形態に限定されるものではないことは勿論であるとともに、以下の図面においては各構成部分の縮尺について図面に表記することが容易となるように構成部分毎に縮尺を変えて記載している。
(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態の波長分波器の概略構成を示す斜視図であり、図2は図1の波長分波器に備えられた2次元フォトニック結晶導波路を示す概略平面図であり、図3は図2の2次元フォトニック結晶導波路に備えられた2次元フォトニック結晶スラブに形成された複数の低屈折率材料領域を示す拡大平面図である。
本実施形態の波長分波器は、本発明の実施形態の2次元フォトニック結晶導波路10が主体として備えられたものである。
この2次元フォトニック結晶導波路10は、本発明の実施形態の2次元フォトニック結晶スラブ10aに、このフォトニック結晶の周期的配列を乱す線状の欠陥(線状欠陥)22が形成され、この線状欠陥22が光を通過させる導波路とされ、該導波路22の近傍に上記フォトニック結晶の周期的配列を乱す点状の欠陥(点状欠陥)24が形成されたものである。
【0021】
2次元フォトニック結晶スラブ10aは、TE−like モードとTM−like モードの両モードの光に対して共通のフォトニックバンドギャップを有するものである。
この2次元フォトニック結晶スラブ10aの具体的な構造としては、高屈折率材料からなるスラブ材11に、このスラブ材11よりも低屈折率材料からなる領域(低屈折率材料領域)15が三角格子状に配列されることにより、スラブ材11に低屈折率材料領域15が周期的に配列されて屈折率分布が形成されたものである。
【0022】
スラブ材11として用いる材料としては、高屈折率材料が用いられ、例えば、InGaAsP、GaAs、In、Ga、Al、Sb、As、Ge、Si、P、N、Oのうちから選択される1種または2種以上を含む材料、Si等の無機材料、無機半導体材料、有機材料のうちから適宜選択して用いられる。
低屈折率材料領域15に用いる材料は、スラブ材11を構成する高屈折率材料よりも屈折率が低い低屈折率材料が用いられ、本実施形態では空気が用いられている。
【0023】
本実施形態ではスラブ材11に複数の三角孔14が形成されている。この三角孔14は三角格子の格子点に相当する位置に形成されたものである。そして、複数の三角孔14のそれぞれに低屈折率材料としての空気が充填されて三角柱状の低屈折率材料領域15が複数形成されることにより、フォトニック結晶の周期的配列が形成されている。
低屈折率材料領域15の一辺の長さLは、中心波長1.55とした場合、0.3μm〜0.4μm程度とされる。隣合う低屈折率材料領域15と15のピッチaは0.35μm〜0.55μm程度とされる。
本実施形態では低屈折率材料領域15は正三角柱状であるので、隣合う低屈折率材料領域15と15のピッチaは、低屈折率材料領域15が周期的に配置された低屈折率材周期構造部における最小中心距離aと同じ大きさとなっている。
【0024】
この2次元フォトニック結晶スラブ10aでは、Δ=(nH 2−nL 2)/2nH 2(式中、nHは上記高屈折率材料の屈折率、nLは上記低屈折率材料の屈折率を示す。)で定義される比屈折率差Δが0.35より大きくなるようにスラブ材11に用いる材料と低屈折率材料領域15に用いる材料を選択することが先に述べた理由により好ましく、より好ましくはΔが0.45以上になるような材料を用いるのがよい。
【0025】
また、スラブ材11の厚みtとしては、0.35<(t/a)<2.0なる関係を満たすようにすることが先に述べた理由により好ましく、0.80<(t/a)<0.90なる関係を満たすことがさらに好ましい。
また、低屈折率材料領域が占める割合(低屈折率材料領域が空気からなるときは開口率)は、2次元フォトニック結晶スラブの体積100%(ここでは線状欠陥22と点状欠陥24が形成されている部分は除く)に対して25%より多くされていることが、先に述べた理由により好ましく、35%より多くされているのがさらに好ましい。
【0026】
また、複数の低屈折率材料領域15は、図2〜図3に示すように一群の平行線Mの方向に対して±30°の奇数倍を除いた範囲の一定の傾斜角度で配置されていることが先に述べた理由により好ましい。なお、図2と図3は、複数の三角柱状低屈折率材料領域15が一群の平行線Mの方向に対して0度の傾斜角度で配置されている場合である。
【0027】
上記の2次元フォトニック結晶スラブ10aに外部からTE−like モード又はTM−like モードの光R1を入射させると、フォトニック結晶内では、面内方向にはフォトニックバンドギャップにより伝搬を禁じられ、面直方向には上下の低屈折率材料による全反射により閉じこめられる。
【0028】
また、本実施形態では、2次元フォトニック結晶スラブ10aに三角格子状に配列された複数の低屈折率材料領域15の一部が線状に抜き取られることにより、フォトニック結晶スラブに線状欠陥22が導入され、この線状欠陥22中には導波モードが存在し、導波路22とされている。この導波路22は、2次元フォトニック結晶スラブ10aに入射させた光R1がTE−like モードとTM−like モードのいずれであっても伝搬できる。なお、導波路22は光を低損失で伝搬できる波長域は比較的大きく、従って、導波路22は数チャンネルの波長を含む波長帯域の光を伝搬させることができる。
【0029】
また、本実施形態では、2次元フォトニック結晶スラブ10aに形成された導波路22の近傍の低屈折率材料領域15の一部が点状に抜き取られることにより、点状欠陥24が形成されている。この点状欠陥24は導波路22中を伝搬する光RがTE−like モードとTM−like モードのいずれであっても光R1の少なくとも一部を捕獲して放射でき、あるいは外部から導入する光がTE−like モードとTM−like モードのいずれであっても捕獲して導波路22内に導入できる光取り出し/導入口として機能する構成とされている。
【0030】
上記点状欠陥24は図4に示すように円錐状にすることにより、その内径がスラブ材11の上下で変えられており、このようにすることで点状欠陥24がスラブ面に対して上下非対称の形状を有するようにされている。
点状欠陥24に捕獲された光R1は、この点状欠陥24内部で共振している間に、スラブ形状であることに起因するQ因子の小さな上下方向へ放射され、点状欠陥24の径が大きい方向から多くの光が出射される。
【0031】
また、点状欠陥24から外部に放射される光は、導波路22内を伝搬中の光がTE−like モード、TM−like モードのいずれであってもモード変換された光R2が出射されるが、先に述べたように2次元フォトニック結晶スラブ10aはTE−like モードとTM−like モードの両モードの光に対して共通のフォトニックバンドギャップを有するので、モード変換された光R2が2次元フォトニック結晶スラブ内に漏れるのを防止できるので、TE−like モードやTM−like モードなどの特定波長の光の取り出し効率を向上できる。
また、導波路22と点状欠陥24の間隔を適宜設定することにより、捕獲、放射する特定波長の光の割合を制御することができる。このため所定の割合で特定波長の光を取り出すことができる。
【0032】
なお、上記の実施形態においては、低屈折率材料領域15の形状が三角柱状である場合について説明したが、低屈折率材料領域15は、三角柱状、四角柱状、五角柱状、楕円柱状のうちいずれかの形状であってもよい。
また、点状欠陥24に上下非対称性を導入する方法として点状欠陥24の形状を円錐状にした場合について説明したが、図5に示すように点状欠陥24の径を段階的に変更することにより上下非対称性を導入してもよい。
また、スラブ材11に低屈折率材料領域15が三角格子状に配列された場合について説明したが、低屈折率材料領域の配列状態は正方格子状であってもよく、その場合の低屈折率材料領域は、円柱状、楕円柱状、三角柱状、四角柱状、五角柱状、六角柱状のうちいずれかの形状であってもよい。
【0033】
(第2の実施形態)
図6は、第2の実施形態の波長分波器の概略構成を示す斜視図であり、図7は図6の波長分波器に備えられた2次元フォトニック結晶導波路を示す概略平面図であり、図8は図6の2次元フォトニック結晶導波路に備えられた2次元フォトニック結晶スラブに形成された複数の低屈折率材料領域を示す拡大平面図である。
第2の実施形態の波長分波器が第1の実施形態の波長分波器と異なるところは、図6に示すような2次元フォトニック結晶導波路50が備えられている点であり、詳しくは、この2次元フォトニック結晶導波路50に備えられる2次元フォトニック結晶スラブ50aを構成するスラブ材11に形成された低屈折率材料領域65の配列状態が異なる点である。
【0034】
2次元フォトニック結晶スラブ50aの具体的な構造としては、スラブ材11に低屈折率材料領域65がハニカム格子状に配置され、さらにまた低屈折率材料領域65は上記の各ハニカム格子の中央にも配置されている。
低屈折率材料領域65に用いる材料としては、スラブ材11を構成する高屈折率材料よりも屈折率が低い低屈折率材料が用いられ、本実施形態では空気が用いられている。
上記ハニカム格子状に配置された低屈折率材料領域65(第1の低屈折率材料領域65aということもある。)と、ハニカム格子の中央に配置された低屈折率材料領域65(第2の低屈折率材料領域65bということもある。)は大きさが異なるものである。
【0035】
本実施形態ではスラブ材11に複数の円形孔64a、64bが形成されている。この円形孔(第1の円形孔ということもある。)64aはハニカム格子の格子点に相当する位置に形成されており、円形孔(第2の円形孔ということもある。)64bは各ハニカム格子の中央に相当する位置に形成されているものである。これら複数の第1の円形孔64aのそれぞれに低屈折率材料としての空気が充填されることで円柱状の第1の低屈折率材料領域65aが複数形成され、複数の第2の円形孔64bのそれぞれに低屈折率材料としての空気が充填されることで円柱状の第2の低屈折率材料領域65bが複数形成されることにより、フォトニック結晶の周期的配列が形成されている。
【0036】
隣合う第1の低屈折率材料領域65aと65aのピッチaは0.35μm〜 0.55μm程度とされる。上記ピッチaは、低屈折率材周期構造部における最小中心距離aということもできる。
第1の低屈折率材料領域65aの半径rは、上記ピッチaの0.30倍〜0.45倍程度とされる。
第2の低屈折率材料領域65bの半径Rは、上記第1の低屈折率材料領域65aの半径rの0倍〜1.5倍程度とされる。
本実施形態の2次元フォトニック結晶スラブ50aにおいても、比屈折率差Δが0.35より大きくなるようにスラブ材11に用いる材料と低屈折率材料領域15に用いる材料が選択して用いられている。
また、スラブ材11の厚みtと、低屈折率材周期構造部における最小中心距離aとの関係が、0.35<(t/a)<2.0なる条件を満たすようにされている。
【0037】
また、低屈折率材料領域65が占める割合は、2次元フォトニック結晶スラブの体積100%(ここでは線状欠陥22と点状欠陥24が形成されている部分は除く)に対して25%より多くされている。
さらに、本実施形態では、第2の低屈折率材料領域65bの半径Rと、隣合う第1の低屈折率材料領域65aの半径rとの関係は、0≦R/r≦1.25(但しR/r=1の場合は除く)なる条件を満たすことが好ましく、さらに好ましくは0≦R/r≦0.75、1.1≦R/r≦1.25である。
【0038】
なお、上記の実施形態においては、第2の低屈折率材料領域65bが各ハニカム格子の中央に配置されている場合について説明したが、第2の低屈折率材料領域65bは必ずしも各ハニカム格子の中央に配置されていなくてもよく、各ハニカム格子の内部(内側)に配置されていればよい。
また、第2の低屈折率材料領域65bの半径Rが0である場合、すなわち、第2の低屈折率材料領域65bが設けられていない場合も本発明の範囲内とする。
また、上記の実施形態においては低屈折率材料領域65の形状が三角柱状である場合について説明したが、低屈折率材料領域65は、円柱状、楕円柱状、三角柱状、四角柱状、五角柱状、六角柱状のうちいずれかの形状であってもよい。
また、上記の第1〜第2の実施形態においては、線状欠陥と点状欠陥がそれぞれ一づつ形成された2次元フォトニック結晶導波路について説明したが、線状欠陥と点状欠陥はそれぞれ1以上設けられていてもよい。
【0039】
【実施例】
(実験例1)
スラブ材11に形成する複数の三角柱状低屈折率材料領域15の一群の平行線Mに対する傾斜角度θを−30度〜+30度の範囲で変更した以外は図1乃至図3に示したものと同様の各種の2次元フォトニック結晶スラブ作製した。なお、ここで作製した2次元フォトニック結晶スラブは、Δ=0.46、L/a=0.85、t/a=0.80なる条件とした。
作製した各種の2次元フォトニック結晶スラブに外部からλ=1.55μmの光を入射し、バンドギャップの低屈折率材料領域傾斜角依存性についで調べた。その結果を図9に示す。なお、図10は傾斜角度θが30度の場合の三角柱状低屈折率材料領域の配列状態を示しており、図11は傾斜角度θが15度の場合の三角柱状低屈折率材料領域の配列状態を示しており、図12は傾斜角度θが0度の場合の三角柱状低屈折率材料領域の配列状態を示している。
【0040】
図9のグラフにおいて、横軸は傾斜角度θ、縦軸はバンドギャップ周波数の中心値ωgに対するバンドギャップ周波数幅Δωgの割合である。
図9に示す結果から複数の三角柱状低屈折率材料領域は一群の平行線Mに対する傾斜角度θが−30度と+30度のときはΔωg/ωgが0であり、フォトニックバンドギャップが現れていない。−30度<θ<+30度の範囲のときに、フォトニックバンドギャップが存在し、特に、傾斜角度θが0度のときは、Δωg/ωgが最大値を示しており、フォトニックバンドギャップを示す周波数幅が非常に広いことがわかる。
【0041】
(実験例2)
スラブ材11の厚みtと、三角柱状低屈折率材料領域15の割合(開口率)を変更した以外は図1乃至図3に示したものと同様の各種の2次元フォトニック結晶スラブ作製した。なお、ここで作製した2次元フォトニック結晶スラブは、Δ=0.46なる条件とした。
作製した各種の2次元フォトニック結晶スラブに外部からTE−like モードとTM−like モードの光をそれぞれ入射したときの2次元完全フォトニックバンドギャップ(2次元完全PBG)のスラブ材厚さ依存性についで調べた。その結果を図13乃至図18に示す。
【0042】
図13〜図18のグラフにおいて、横軸は空気からなる三角柱状低屈折率材料領域の開口率、縦軸は規格化周波数である。図13〜図18のグラフ中、点線に囲まれた領域はTM−like modeのときの開口率とバンドギャップの関係を示しており、実線に囲まれた領域はTE−like modeのときの開口率とバンドギャップの関係を示している。また、図13〜図18のグラフにおいて、点線に囲まれた領域と実線に囲まれた領域が重なっている部分(斜線で示される領域)が、TM−like modeとTE−like modeの両モードの光に対して共通のフォトニックバンドギャップを示している。
【0043】
図13に示すt/a=0.60の場合と図18のt/a=∞の場合は、低屈折率材料領域の開口率がいずれであってもTE−like modeとTM−like modeの両モードの光に対して共通のフォトニックバンドギャップを有していないことがわかる。
これに対して図14〜図17のt/a=0.65〜1.50の場合は、TM−like modeとTE−like modeの両モードの光に対して共通のフォトニックバンドギャップを有することができ、2次元完全フォトニックバンドギャップが存在していることがわかる。2次元完全フォトニックバンドギャップとはTE−like modeとTM−like modeの両モードの光に対して共通のフォトニックバンドギャップを有することをいう。
図15のt/a=0.80の場合は2次元完全フォトニックバンドギャップを示す周波数幅が広いことがわかる。
【0044】
(実験例3)
スラブ材11の厚みtと、R/a(Rは第2の低屈折率材料領域の半径、a隣合う第1の低屈折率材料領域のピッチ)を変更した以外は図6乃至図8に示したものと同様の各種の2次元フォトニック結晶スラブ作製した。なお、ここで作製した2次元フォトニック結晶スラブは、Δ=0.46、r=0.4aなる条件とした。
作製した各種の2次元フォトニック結晶スラブに外部からTE−like modeとTM−like modeモードの光をそれぞれ入射したときの2次元完全バンドギャップのスラブ材厚さ依存性についで調べた。その結果を図19乃至図24に示す。
【0045】
図19〜図24のグラフにおいて、横軸はR/a、縦軸は規格化周波数である。図19〜図24のグラフ中、点線に囲まれた領域はTM−like modeのときの開口率とバンドギャップの関係を示しており、実線に囲まれた領域はTE−like modeのときの開口率とバンドギャップの関係を示している。また、図19〜図24のグラフにおいて、点線に囲まれた領域と実線に囲まれた領域が重なっている部分(斜線で示される領域)がTM−like modeとTE−like modeの両モードの光に対して共通のフォトニックバンドギャップを示している。
【0046】
図19に示すt/a=0.50の場合と図24のt/a=∞の場合は、R/aがいずれであっても2次元完全バンドギャップを殆ど有していないか、あるいは全く有していない。
これに対して図20〜図23のt/a=0.60〜1.50の場合は、2次元完全フォトニックバンドギャップが存在していることがわかる。
図21のt/a=0.80の場合と図22のt/a=0.90の場合は、2次元完全フォトニックバンドギャップを示す周波数幅が広く、また、R/a依存性も小さいことがわかる。
【0047】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の2次元フォトニック結晶スラブによれば、TE−like モードとTM−like モードの両モードの光に対して共通のフォトニックバンドギャップを有する2次元フォトニック結晶スラブを実現できる。
また、本発明の2次元フォトニック結晶導波路によれば、特定波長の光の取り出し効率を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 第1の実施形態の波長分波器の概略構成を示す斜視図。
【図2】 図1の波長分波器に備えられた2次元フォトニック結晶導波路を示す概略平面図。
【図3】 図2の2次元フォトニック結晶導波路に備えられた2次元フォトニック結晶スラブに形成された複数の低屈折率材料領域を示す拡大平面図。
【図4】 図2の2次元フォトニック結晶導波路に形成された点状欠陥を示す拡大断面図。
【図5】 図2の2次元フォトニック結晶導波路に形成された点状欠陥の他の形態を示す拡大断面図。
【図6】 第2の実施形態の波長分波器の概略構成を示す斜視図。
【図7】 図6の波長分波器に備えられた2次元フォトニック結晶導波路を示す概略平面図。
【図8】 図7の2次元フォトニック結晶導波路に備えられた2次元フォトニック結晶スラブに形成された複数の低屈折率材料領域を示す拡大平面図。
【図9】 バンドギャップの低屈折率材料領域傾斜角依存性を示す図。
【図10】 θ=30度の場合の低屈折率材料領域の配列状態を示す図。
【図11】 θ=15度の場合の低屈折率材料領域の配列状態を示す図。
【図12】 θ=0度の場合の低屈折率材料領域の配列状態を示す図。
【図13】 t/a=0.60の場合の2次元完全PBG幅と開口率の関係を示す図。
【図14】 t/a=0.65の場合の2次元完全PBG幅と開口率との関係を示す図。
【図15】 t/a=0.80の場合の2次元完全PBG幅と開口率の関係を示す図。
【図16】 t/a=0.90の場合の2次元完全PBG幅と開口率の関係を示す図。
【図17】 t/a=1.50の場合の2次元完全PBG幅と開口率の関係を示す図。
【図18】 t/a=∞の場合の2次元完全PBG幅と開口率との関係を示す図。
【図19】 t/a=0.50の場合の2次元完全PBG幅とR/aの関係を示す図。
【図20】 t/a=0.60の場合の2次元完全PBG幅とR/aの関係を示す図。
【図21】 t/a=0.80の場合の2次元完全PBG幅とR/aの関係を示す図。
【図22】 t/a=0.90の場合の2次元完全PBG幅とR/aの関係を示す図。
【図23】 t/a=0.15の場合の2次元完全PBG幅とR/aの関係を示す図。
【図24】 t/a=∞の場合の2次元完全PBG幅とR/aの関係を示す図。
【図25】 従来の2次元フォトニック結晶導波路を示す概略斜視図。
【符号の説明】
10,50・・・フォトニック結晶導波路、10a,50a・・・2次元フォトニック結晶スラブ、11・・・スラブ材、14・・・三角孔、15,65・・・空気(低屈折率材料領域)、22・・・線状欠陥(導波路)、24・・・点状欠陥、64a…第1の円形孔、64b・・・第2の円形孔、65a…第1の低屈折率材料領域、65b・・・第2の低屈折率材料領域、a…ピッチ、L・・・長さ、M・・・平行線、r・・・第1の低屈折率材料領域の半径、R・・・第2の低屈折率材料領域の半径、t・・・スラブ材の厚さ。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a two-dimensional photonic crystal slab used for a micro optical circuit element or the like, and includes a two-dimensional photonic crystal waveguide having a light extraction / introduction port formed by introducing linear defects and point defects, and the same. Related to optical devices.
[0002]
[Prior art]
A material having a refractive index change periodic structure of the order of the wavelength of light is known as a photonic crystal, in which a so-called photonic band gap for light in which light having a wavelength corresponding to that period is prohibited is prohibited. Appears, and the existence and propagation of light in a specific wavelength range becomes impossible. For this reason, photonic crystals are attracting attention as next-generation electronics and optoelectronic materials because of the possibility of freely controlling light.
[0003]
As a type of a conventional two-dimensional photonic crystal waveguide, one shown in FIG. 25 is known (for example, see Patent Document 1).
This two-dimensional photonic crystal waveguide has a two-dimensional photonic crystal in which
[0004]
In this two-dimensional photonic crystal waveguide, when
Since the spot-
[0005]
[Patent Document 1]
JP 2001-272555 A
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional two-dimensional photonic crystal waveguide, the two-dimensional photonic crystal is arranged only in one of the TE-like mode and the TM-like mode of the polarization mode of light (for example, arranged in the above triangular lattice shape). Since the cylindrical hole has a photonic band gap (only for the TE-like mode), for example, the TE-
There is a need for a two-dimensional photonic crystal slab having a structure having a common photonic band gap for both the TE-like mode and the TM-like mode, but there has never been such a two-dimensional photonic crystal. .
[0007]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a two-dimensional photonic crystal slab having a common photonic band gap with respect to light in both the TE-like mode and the TM-like mode. I will.
Another object of the present invention is to provide a two-dimensional photonic crystal waveguide provided with the two-dimensional photonic crystal slab.
Another object of the present invention is to provide a two-dimensional photonic crystal waveguide that includes the two-dimensional photonic crystal slab and can improve the light extraction efficiency of a specific wavelength.
Another object of the present invention is to provide an optical device provided with the two-dimensional photonic crystal waveguide.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The two-dimensional photonic crystal slab of the present invention has a common photonic band gap for light in both the TE-like mode and the TM-like mode,A slab material made of a high refractive index material is formed by periodically arranging a low refractive index material region than the slab material to form a refractive index distribution, and Δ = (n H 2 -N L 2 ) / 2n H 2 (Where n H Is the refractive index of the high refractive index material, n L Indicates the refractive index of the low refractive index material. ) Is greater than 0.35, and 0.35 <(t / a) <2.0 (where t is the thickness of the slab material, and a is a low refractive index material). The minimum refractive index material region of the two-dimensional photonic crystal is formed to be more than 25%, and the low refractive index material region is formed in a triangular lattice on the slab material. The low refractive index material region is formed in a triangular prism shape.It is characterized by that.
In this two-dimensional photonic crystal slab, it is possible to inhibit propagation by the photonic band gap even if light incident on the crystal slab from the outside is in either the TE-like mode or the TM-like mode.
[0009]
Further, the two-dimensional photonic crystal slab of the present invention has a refractive index distribution in which a region made of a low refractive index material is periodically arranged on a slab material made of a high refractive index material. Is,
Δ = (nH 2-NL 2) / 2nH 2(Where nHIs the refractive index of the high refractive index material, nLIndicates the refractive index of the low refractive index material. ) Is greater than 0.35, and 0.35 <(t / a) <2.0, where t is the thickness of the slab material, and a is a low refractive index material. Satisfying the relationship of the minimum center distance or the lattice constant in the periodic structure portion, and the region of the two-dimensional photonic crystal made of the low refractive index material (sometimes referred to as a low refractive index material region) is formed to be more than 25% IsTheThe ratio of the low refractive index material region here is the volume% of the low refractive index material region.
[0010]
A relative refractive index difference Δ of 0.35 or less is not preferable because the photonic band gap in both the TE-like mode and the TM-like mode cannot be opened.
Further, if the t / a is outside the above range, a photonic common to the light in both the TE-like mode and the TM-like mode regardless of the proportion of the low refractive index material region. It cannot have a band gap.
Further, when the proportion of the low refractive index material region is 25% or less, even if t / a is within the above range, it is common to light in both the TE-like mode and the TM-like mode. It cannot have a photonic band gap.
[0011]
In the two-dimensional photonic crystal slab of the present invention, the low refractive index material region is arranged in a triangular lattice pattern on the slab material.TheAccording to such a two-dimensional photonic crystal slab, a 60-degree bent waveguide can be easily formed. Further, the low refractive index material region has a triangular prism shape.It is.
[0012]
Further, in the two-dimensional photonic crystal slab in the case where the shape of the low refractive index material region is a regular triangular prism shape, a plurality of low refractive index material regions are arranged in the slab material. Are preferably arranged at a constant inclination angle in a range excluding an odd multiple of ± 30 ° with respect to the direction of a group of parallel lines.
When the plurality of low refractive index material regions are an odd multiple of ± 30 ° with respect to the direction of a group of parallel lines, a photonic band gap does not appear.
[0013]
The two-dimensional photonic crystal slab of the present invention isThe (t / a) is 0.65 ≦ (t / a) ≦ 1.50.
The two-dimensional photonic crystal slab of the present invention is configured such that the low refractive index material region is filled with air in a regular triangular hole formed in the slab material, and the low refractive index material region is two-dimensional. It is characterized by being formed in a range of more than 25% and less than 50% of the volume of the photonic crystal slab.
In the two-dimensional photonic crystal slab of the present invention, the low refractive index material region has a regular triangular prism shape, and one side of a regular triangle forming the low refractive index material region has a range of 0.3 μm to 0.4 μm. The pitch of adjacent low refractive index material regions is in the range of 0.35 μm to 0.55 μm.
In the two-dimensional photonic crystal slab of the present invention, the regular triangular prism-shaped low refractive index material region is arranged at an inclination angle of 0 degree with respect to a group of parallel lines formed in the surface direction of the slab material. It is characterized by.
In the two-dimensional photonic crystal slab of the present invention, the value of (t / a) is 0.65 ≦ (t / a) ≦ 1.50, and the low refractive index material region is used as the slab material. The formed planar triangular hole is filled with air, and the low refractive index material region is formed in a range of more than 25% and less than 50% of the volume of the two-dimensional photonic crystal slab. It is characterized by that.
The two-dimensional photonic crystal slab of the present invention is a TE-like introduced into the slab material. Mode light or TM-like The mode light is prohibited from propagating by the photonic band gap in the in-plane direction of the slab material, and confined by total reflection by the upper and lower low-refractive index material regions in the plane direction.
[0014]
Moreover, the two-dimensional photonic crystal slab of the present invention may be one in which regions of the low refractive index material are arranged in a square lattice pattern on the slab material.
According to such a two-dimensional photonic crystal slab, a right-angle bending waveguide can be easily formed.
[0016]
In the two-dimensional photonic crystal waveguide of the present invention, linear defects that disturb the periodic arrangement of the photonic crystals are formed on the two-dimensional photonic crystal slab of the present invention having any one of the above-described configurations. This linear defect is a waveguide through which light passes, and at least one point-like defect that disturbs the periodic arrangement of the photonic crystal is formed in the vicinity of the waveguide. The TE-like mode and TM-like mode light propagating in the waveguide can be captured and emitted, or the TE-like mode and TM-like mode light from the outside can be captured and guided. It is characterized in that it functions as a light extraction / introduction port that can be introduced into the waveguide.
[0017]
According to the two-dimensional photonic crystal waveguide having such a configuration, the periodic arrangement of the photonic crystals is performed regardless of whether the light incident on the two-dimensional photonic crystal slab from the outside is in the TE-like mode or the TM-like mode. Propagation is prohibited by the photonic band gap in the portion where the light is present, but this incident light can propagate in the waveguide (linear defect). In addition, regardless of whether the light propagating in the waveguide is in the TE-like mode or the TM-like mode, at least a part of the propagating light can be captured by the point-like defects and emitted to the outside.
In addition, by designing the point-like defect to capture only the wavelength of a specific channel in the wavelength band, it can function as a duplexer, a multiplexer, or a filter that extracts light or electromagnetic waves having a specific wavelength.
[0018]
In the two-dimensional photonic crystal waveguide of the present invention, the point-like defect may have a shape that is asymmetrical with respect to the slab surface.
In the two-dimensional photonic crystal waveguide having such a configuration, light propagating in the waveguide is captured by the point-like defect, and a lot of light is emitted from one direction above and below the point-like defect. In addition, regardless of whether the light propagating in the waveguide is in the TE-like mode or the TM-like mode, the light emitted from the dot-like defect is emitted after mode conversion. Since the two-dimensional photonic crystal slab has a common photonic band gap for both TE-like mode and TM-like mode light, the mode-converted light leaks into the two-dimensional photonic crystal slab. Since it can prevent, the extraction efficiency of the light of a specific wavelength can be improved.
[0019]
The optical device of the present invention includes a two-dimensional photonic crystal waveguide. The optical device of the present invention can be suitably used for an add / drop element such as an optical add / drop photonic device (optical add / drop multiplexer).
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
In the embodiment described below, a case where the optical device of the present invention is applied to a wavelength demultiplexer will be described. The present invention is of course not limited to the embodiments described below, and in the following drawings, the constituent parts are shown so that the scale of each constituent part can be easily shown in the drawings. The scale is changed every time.
(First embodiment)
FIG. 1 is a perspective view illustrating a schematic configuration of the wavelength demultiplexer according to the first embodiment, and FIG. 2 is a schematic plan view illustrating a two-dimensional photonic crystal waveguide provided in the wavelength demultiplexer of FIG. FIG. 3 is an enlarged plan view showing a plurality of low-refractive index material regions formed in the two-dimensional photonic crystal slab provided in the two-dimensional photonic crystal waveguide of FIG.
The wavelength demultiplexer of this embodiment is mainly provided with the two-dimensional
In the two-dimensional
[0021]
The two-dimensional
As a specific structure of the two-dimensional
[0022]
The material used as the
The material used for the low refractive
[0023]
In the present embodiment, a plurality of
The length L of one side of the low refractive
In the present embodiment, since the low refractive
[0024]
In this two-dimensional
[0025]
Further, the thickness t of the
Further, the proportion of the low refractive index material region (the aperture ratio when the low refractive index material region is made of air) is 100% of the volume of the two-dimensional photonic crystal slab (here, the
[0026]
The plurality of low-refractive
[0027]
TE-like mode or TM-like mode light R is externally applied to the two-dimensional photonic crystal slab 10a.1In the photonic crystal, propagation is prohibited by the photonic band gap in the in-plane direction, and confined by total reflection by the upper and lower low refractive index materials in the in-plane direction.
[0028]
Further, in the present embodiment, a part of the plurality of low refractive
[0029]
In the present embodiment, a part of the low refractive
[0030]
As shown in FIG. 4, the above-mentioned dot-
Light R captured by the
[0031]
The light radiated to the outside from the
In addition, by appropriately setting the interval between the
[0032]
In the above embodiment, the case where the shape of the low refractive
Moreover, although the case where the shape of the
Moreover, although the case where the low refractive
[0033]
(Second Embodiment)
FIG. 6 is a perspective view showing a schematic configuration of the wavelength demultiplexer according to the second embodiment, and FIG. 7 is a schematic plan view showing a two-dimensional photonic crystal waveguide provided in the wavelength demultiplexer of FIG. FIG. 8 is an enlarged plan view showing a plurality of low-refractive index material regions formed in the two-dimensional photonic crystal slab provided in the two-dimensional photonic crystal waveguide of FIG.
The difference between the wavelength demultiplexer of the second embodiment and the wavelength demultiplexer of the first embodiment is that a two-dimensional
[0034]
As a specific structure of the two-dimensional
As a material used for the low refractive
The low refractive index material region 65 (also referred to as the first low refractive
[0035]
In the present embodiment, a plurality of
[0036]
The pitch a between the adjacent first low refractive
The radius r of the first low refractive
The radius R of the second low refractive
Also in the two-dimensional
Further, the relationship between the thickness t of the
[0037]
The proportion of the low refractive
Furthermore, in the present embodiment, the relationship between the radius R of the second low refractive
[0038]
In the above embodiment, the case where the second low refractive
Further, the case where the radius R of the second low refractive
In the above embodiment, the low refractive
In the first to second embodiments, the two-dimensional photonic crystal waveguide in which the linear defects and the point defects are formed one by one has been described. One or more may be provided.
[0039]
【Example】
(Experimental example 1)
1 to 3 except that the inclination angle θ with respect to a group of parallel lines M formed on the
Light of λ = 1.55 μm was incident from the outside to the various two-dimensional photonic crystal slabs produced, and the dependence of the band gap on the tilt angle of the low refractive index material region was examined. The result is shown in FIG. 10 shows an arrangement state of the triangular prismatic low refractive index material regions when the inclination angle θ is 30 degrees, and FIG. 11 shows an arrangement of the triangular prismatic low refractive index material regions when the inclination angle θ is 15 degrees. FIG. 12 shows an arrangement state of the triangular columnar low refractive index material regions when the inclination angle θ is 0 degree.
[0040]
In the graph of FIG. 9, the horizontal axis represents the tilt angle θ, and the vertical axis represents the ratio of the band gap frequency width Δωg to the center value ωg of the band gap frequency.
From the results shown in FIG. 9, in the plurality of triangular prism-shaped low refractive index material regions, Δωg / ωg is 0 when the inclination angle θ with respect to a group of parallel lines M is −30 degrees and +30 degrees, and a photonic band gap appears. Absent. A photonic band gap exists in the range of −30 degrees <θ <+30 degrees. In particular, when the inclination angle θ is 0 degree, Δωg / ωg shows the maximum value, and the photonic band gap is It can be seen that the frequency range shown is very wide.
[0041]
(Experimental example 2)
Various two-dimensional photonic crystal slabs similar to those shown in FIGS. 1 to 3 were manufactured except that the thickness t of the
Slab material thickness dependence of two-dimensional complete photonic band gap (two-dimensional complete PBG) when TE-like mode and TM-like mode light is incident on each of various fabricated two-dimensional photonic crystal slabs from the outside. Then I investigated. The results are shown in FIGS.
[0042]
In the graphs of FIGS. 13 to 18, the horizontal axis represents the aperture ratio of the triangular prism-shaped low refractive index material region made of air, and the vertical axis represents the normalized frequency. In the graphs of FIGS. 13 to 18, a region surrounded by a dotted line indicates a relationship between an aperture ratio and a band gap in the TM-like mode, and a region surrounded by a solid line indicates an opening in the TE-like mode. The relationship between rate and band gap is shown. Further, in the graphs of FIGS. 13 to 18, a portion where a region surrounded by a dotted line and a region surrounded by a solid line overlap (region indicated by diagonal lines) is both TM-like mode and TE-like mode. The photonic band gap common to all the lights is shown.
[0043]
In the case of t / a = 0.60 shown in FIG. 13 and the case of t / a = ∞ in FIG. It can be seen that there is no common photonic band gap for both modes of light.
On the other hand, in the case of t / a = 0.65 to 1.50 in FIGS. 14 to 17, the photonic band gap is common to the light in both the TM-like mode and the TE-like mode. It can be seen that a two-dimensional complete photonic band gap exists. The two-dimensional complete photonic band gap means having a common photonic band gap for light in both the TE-like mode and the TM-like mode.
In the case of t / a = 0.80 in FIG. 15, it can be seen that the frequency width indicating the two-dimensional complete photonic band gap is wide.
[0044]
(Experimental example 3)
6 to 8 except that the thickness t of the
Next, the dependence of the two-dimensional complete band gap on the thickness of the slab material when TE-like mode and TM-like mode mode light was incident on each of the prepared two-dimensional photonic crystal slabs from the outside was investigated. The results are shown in FIGS.
[0045]
In the graphs of FIGS. 19 to 24, the horizontal axis represents R / a and the vertical axis represents the normalized frequency. In the graphs of FIGS. 19 to 24, a region surrounded by a dotted line indicates a relationship between an aperture ratio and a band gap in the TM-like mode, and a region surrounded by a solid line indicates an opening in the TE-like mode. The relationship between rate and band gap is shown. Further, in the graphs of FIGS. 19 to 24, a portion where a region surrounded by a dotted line and a region surrounded by a solid line overlap (region indicated by hatching) is in both TM-like mode and TE-like mode. A common photonic band gap for light is shown.
[0046]
In the case of t / a = 0.50 shown in FIG. 19 and the case of t / a = ∞ in FIG. 24, either R / a has almost no two-dimensional complete band gap, or not at all. I don't have it.
On the other hand, in the case of t / a = 0.60 to 1.50 in FIGS. 20 to 23, it can be seen that a two-dimensional complete photonic band gap exists.
When t / a = 0.80 in FIG. 21 and t / a = 0.90 in FIG. 22, the frequency width indicating the two-dimensional complete photonic band gap is wide, and the R / a dependency is small. I understand that.
[0047]
【The invention's effect】
As described above, according to the two-dimensional photonic crystal slab of the present invention, a two-dimensional photonic crystal slab having a common photonic band gap with respect to light in both the TE-like mode and the TM-like mode is obtained. realizable.
Moreover, according to the two-dimensional photonic crystal waveguide of the present invention, the light extraction efficiency of a specific wavelength can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing a schematic configuration of a wavelength demultiplexer according to a first embodiment.
2 is a schematic plan view showing a two-dimensional photonic crystal waveguide provided in the wavelength demultiplexer of FIG. 1. FIG.
3 is an enlarged plan view showing a plurality of low-refractive index material regions formed in a two-dimensional photonic crystal slab provided in the two-dimensional photonic crystal waveguide of FIG. 2. FIG.
4 is an enlarged cross-sectional view showing a point defect formed in the two-dimensional photonic crystal waveguide of FIG. 2. FIG.
FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view showing another form of the point defect formed in the two-dimensional photonic crystal waveguide of FIG. 2;
FIG. 6 is a perspective view illustrating a schematic configuration of a wavelength demultiplexer according to a second embodiment.
7 is a schematic plan view showing a two-dimensional photonic crystal waveguide provided in the wavelength demultiplexer of FIG. 6. FIG.
8 is an enlarged plan view showing a plurality of low-refractive index material regions formed in a two-dimensional photonic crystal slab provided in the two-dimensional photonic crystal waveguide of FIG.
FIG. 9 is a graph showing the dependence of the band gap on the tilt angle of the low refractive index material region.
FIG. 10 is a diagram showing an arrangement state of low refractive index material regions when θ = 30 degrees.
FIG. 11 is a diagram showing an arrangement state of low refractive index material regions when θ = 15 degrees.
FIG. 12 is a diagram showing an arrangement state of low refractive index material regions in the case of θ = 0 degree.
FIG. 13 is a diagram showing a relationship between a two-dimensional complete PBG width and an aperture ratio when t / a = 0.60.
FIG. 14 is a diagram showing a relationship between a two-dimensional complete PBG width and an aperture ratio when t / a = 0.65.
FIG. 15 is a diagram showing a relationship between a two-dimensional complete PBG width and an aperture ratio when t / a = 0.80.
FIG. 16 is a diagram showing a relationship between a two-dimensional complete PBG width and an aperture ratio when t / a = 0.90.
FIG. 17 is a diagram showing the relationship between the two-dimensional complete PBG width and the aperture ratio when t / a = 1.50.
FIG. 18 is a diagram showing a relationship between a two-dimensional complete PBG width and an aperture ratio when t / a = ∞.
FIG. 19 is a diagram showing the relationship between the two-dimensional complete PBG width and R / a when t / a = 0.50.
FIG. 20 is a diagram showing a relationship between a two-dimensional complete PBG width and R / a when t / a = 0.60.
FIG. 21 is a diagram showing a relationship between a two-dimensional complete PBG width and R / a when t / a = 0.80.
FIG. 22 is a diagram showing a relationship between a two-dimensional complete PBG width and R / a when t / a = 0.90.
FIG. 23 is a diagram showing a relationship between a two-dimensional complete PBG width and R / a when t / a = 0.15.
FIG. 24 is a diagram showing a relationship between a two-dimensional complete PBG width and R / a when t / a = ∞.
FIG. 25 is a schematic perspective view showing a conventional two-dimensional photonic crystal waveguide.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (12)
高屈折率材料からなるスラブ材に、このスラブ材よりも低屈折率材料領域が周期的に配列されて屈折率分布が形成されてなり、
Δ=(n H 2 −n L 2 )/2n H 2
(式中、n H は前記高屈折率材料の屈折率、n L は前記低屈折率材料の屈折率を示す。)
で定義される比屈折率差Δが0.35より大きく、且つ、
0.35<(t/a)<2.0
(式中、tは前記スラブ材の厚み、aは低屈折率材周期構造部における最小中心距離又は格子定数)なる関係を満たし、前記低屈折率材料領域は2次元フォトニック結晶スラブの体積の25%より多く形成され、
前記スラブ材に前記低屈折率材料領域が三角格子状に配置され、前記低屈折率材料領域は三角柱状とされてなることを特徴とする2次元フォトニック結晶スラブ。 A two-dimensional photonic crystal slab having a common photonic band gap for light in both TE-like mode and TM-like mode ,
In the slab material made of a high refractive index material, the refractive index distribution is formed by periodically arranging the low refractive index material regions than the slab material,
Δ = (n H 2 −n L 2 ) / 2n H 2
(In the formula, n H represents the refractive index of the high refractive index material, and n L represents the refractive index of the low refractive index material.)
The relative refractive index difference Δ defined by is greater than 0.35, and
0.35 <(t / a) <2.0
(Where, t is the thickness of the slab material, a is the minimum center distance or lattice constant in the periodic structure portion of the low refractive index material), and the low refractive index material region has a volume of the two-dimensional photonic crystal slab. More than 25% formed,
The two-dimensional photonic crystal slab characterized in that the low refractive index material regions are arranged in a triangular lattice pattern on the slab material, and the low refractive index material regions are triangular prisms .
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