JP4657775B2 - Method and apparatus for measuring photonic band structure of photonic crystal waveguide - Google Patents

Method and apparatus for measuring photonic band structure of photonic crystal waveguide Download PDF

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Description

本発明は、フォトニック結晶導波路のフォトニックバンド構造の測定方法およびその装置に関し、さらに詳細には、フォトニック結晶導波路の光学特性の評価を行う際に用いて好適なフォトニック結晶導波路のフォトニックバンド構造の測定方法およびその装置に関する。   The present invention relates to a method and apparatus for measuring a photonic band structure of a photonic crystal waveguide, and more particularly, a photonic crystal waveguide suitable for use in evaluating optical characteristics of a photonic crystal waveguide. The present invention relates to a method and apparatus for measuring the photonic band structure.

なお、本明細書において、「フォトニック結晶」とは、屈折率が異なる少なくとも2種の材料を含み、かつ、これら屈折率が異なる少なくとも2種の材料が周期的構造を備えた構造体を形成するようにしたものを意味するものとする。従って、少なくともその一部に上記した周期的構造を備えた構造体を含む限りは、当該周期的構造を備えた構造体以外の構造の有無や種類は問うことなく、全て本明細書における「フォトニック結晶」に含まれるものとする。換言すれば、本明細書における「フォトニック結晶」とは、上記した周期的構造を備えた構造体そのものを意味するとともに、また、上記した周期的構造を備えた構造体を含んで構成されるより大きな構造体をも意味するものとする。   In this specification, “photonic crystal” includes at least two types of materials having different refractive indexes, and at least two types of materials having different refractive indexes form a structure having a periodic structure. It means what you do. Therefore, as long as at least a part of the structure having the periodic structure includes the structure having the periodic structure, the presence or absence of the structure other than the structure having the periodic structure is not questioned, and all “photos” in this specification are used. Included in “Nick Crystal”. In other words, the “photonic crystal” in the present specification means the structure itself having the above-described periodic structure, and includes the structure having the above-described periodic structure. It shall mean a larger structure.

また、本明細書において、「フォトニック結晶導波路」とは、上記した「フォトニック結晶」を用いて構成される光導波路構造を意味するものとする。   Further, in this specification, the “photonic crystal waveguide” means an optical waveguide structure configured using the above-mentioned “photonic crystal”.

近年、光波長程度の周期で屈折率の異なる少なくとも2種の物質を1次元、2次元あるいは3次元的に配列させた周期的構造を備えた構造体を有するフォトニック結晶が注目されている。   In recent years, a photonic crystal having a structure having a periodic structure in which at least two kinds of substances having different refractive indexes with a period of about the wavelength of light are arranged one-dimensionally, two-dimensionally or three-dimensionally has attracted attention.

このフォトニック結晶は、光波長程度のスケールで周期的に屈折率を変化させた構造を持つ人工光ナノ構造体であり、真空中の光速と比較して数十分の一以下という極端に遅い光の群速度を実現することができることが知られていて(非特許文献1参照)、こうしたフォトニック結晶は非線形分野などへの応用が期待されており、フォトニック結晶を利用した各種技術の提案が強く望まれている。   This photonic crystal is an artificial optical nanostructure having a structure in which the refractive index is periodically changed on the scale of the light wavelength, and is extremely slow, a few tenths of the speed of light in vacuum. It is known that a group velocity of light can be realized (see Non-Patent Document 1), and such photonic crystals are expected to be applied to nonlinear fields and the like, and various techniques using photonic crystals are proposed. Is strongly desired.


ところで、このフォトニック結晶を用いて構成される光導波路構造を備えたフォトニック結晶導波路は、例えば、光導波素子、光結合分波素子、レーザー素子、発光素子、光分散を利用した素子、スーパープリズム素子、スーパーコリメート素子、レンズ機能素子、負屈折素子、偏光性素子、波長変換素子、高調波発生素子、和周波・差周波発生素子、光パラメトリック増幅素子、誘導ラマン散乱素子、四波混合素子、小型レーザー光源、光スイッチ素子、光双安定素子、光論理演算素子、光変調素子あるいは位相共役光発生素子などの各種の光素子に用いられており、こうした各種の光素子の設計の最適化を行うためには、フォトニック結晶導波路に形成される光分散関係たるフォトニックバンド構造を正確に知ることが極めて重要であると認識されている。

By the way, a photonic crystal waveguide having an optical waveguide structure formed using this photonic crystal is, for example, an optical waveguide element, an optically coupled demultiplexing element, a laser element, a light emitting element, an element using light dispersion, Super prism element, super collimating element, lens functional element, negative refraction element, polarizing element, wavelength conversion element, harmonic generation element, sum frequency / difference frequency generation element, optical parametric amplification element, stimulated Raman scattering element, four-wave mixing Used in various optical elements such as optical elements, small laser light sources, optical switch elements, optical bistable elements, optical logic operation elements, optical modulation elements, and phase conjugate light generation elements, and the optimal design of these various optical elements In order to achieve this, it is extremely important to accurately know the photonic band structure that is related to the light dispersion formed in the photonic crystal waveguide. It has been recognized.

即ち、フォトニック結晶導波路による光バンド分散制御は、例えば、第2高調波発生などにおける位相整合や光スイッチング時の電場増強などの非線形光学効果を著しく増大させる可能性を持っており、フォトニック結晶導波路の特徴は、全てこのフォトニックバンド構造を操作、制御することに集約できるからである。   That is, the optical band dispersion control by the photonic crystal waveguide has a possibility of remarkably increasing nonlinear optical effects such as phase matching in second harmonic generation and electric field enhancement at the time of optical switching. This is because all the characteristics of crystal waveguides can be summarized in manipulating and controlling this photonic band structure.

つまり、フォトニックバンド構造を正確に検知することができれば、上記した各種の光素子における光機能をあらかじめ予測することが可能となるものであり、従って、フォトニックバンド構造を正確に知ることは、上記した各種の光素子の最適化設計のキーポイントになるものであった。   In other words, if the photonic band structure can be accurately detected, it is possible to predict in advance the optical functions of the various optical elements described above. Therefore, to know the photonic band structure accurately, It was a key point for the optimization design of the various optical elements described above.


従来、フォトニック結晶導波路のフォトニックバンド構造を外部から測定するには、外部からレーザー光または平行化された白色光ビームをフォトニック結晶導波路に入射し、その際に入射角度を走査し、フォトニック結晶導波路からの反射光に現れる外部光とフォトニック結晶導波路内のモードとの結合現象に起因する共鳴ディップ(鋭い反射率の極小)位置の角度依存性および周波数(エネルギー)依存性を調べるという手法を用いており、これによりフォトニックバンド構造を決定するようになされていた(非特許文献1、2参照)。

Conventionally, in order to measure the photonic band structure of a photonic crystal waveguide from the outside, a laser beam or a collimated white light beam is incident on the photonic crystal waveguide from outside and the incident angle is scanned at that time. , Angle dependence and frequency (energy) dependence of the resonance dip (minimum sharp reflectance) due to coupling phenomenon between external light appearing in reflected light from photonic crystal waveguide and mode in photonic crystal waveguide The technique of examining the property is used, and thereby the photonic band structure is determined (see Non-Patent Documents 1 and 2).

しかしながら、上記した非特許文献1、2に示すような従来の手法では、ライトライン(ω=ck (ωは光の周波数、cは光速、kは波数である。))の上側の領域、即ち、フォトニック結晶導波路の外部(空気)と結合性をもつモード(放射モード)領域の光分散関係のみしか測定することができず、ライトラインの下側の領域、即ち、フォトニック結晶導波路の外部とは結合しない導波モード領域の光分散関係を測定することはできないものであった。   However, in the conventional methods as shown in Non-Patent Documents 1 and 2, the region above the light line (ω = ck (ω is the frequency of light, c is the speed of light, and k is the wave number)), that is, Only the light dispersion relation in the mode (radiation mode) region having the coupling property with the outside (air) of the photonic crystal waveguide can be measured, and the region below the light line, that is, the photonic crystal waveguide It was impossible to measure the light dispersion relationship in the waveguide mode region that is not coupled to the outside of the light.

ここで、ライトライン下側の導波モードは、外部に光が漏洩しないため長い寿命を持ち、光損失を少なくして光を導波することができるため、フォトニック結晶導波路においては、極めて応用性が高いモードである。   Here, the waveguide mode below the light line has a long life because light does not leak to the outside, and can guide light with less optical loss. Therefore, in photonic crystal waveguides, This mode has high applicability.

従って、この導波モードの光分散関係を測定することは、フォトニック結晶導波路の動作特性を正確に把握する上で大変に重要である。具体的には、導波モードの光分散関係から、光の群速度の情報や運動量の情報、カットオフ周波数の情報などが得られ、これらは全ての上記した各種の光素子の動作において極めて重要なパラメーターである。また測定結果と理論計算設計との比較を行うことで、両者のフィードバックが可能となり、より機能的なデバイスを設計することや、各種の光素子の作製精度を検査することが可能となるものである。   Therefore, it is very important to measure the light dispersion relationship of the waveguide mode in order to accurately grasp the operation characteristics of the photonic crystal waveguide. Specifically, information on the group velocity of light, information on momentum, information on cut-off frequency, etc. can be obtained from the light dispersion relationship of the waveguide mode, which is extremely important in the operation of all the above-mentioned various optical elements. Parameter. Also, by comparing the measurement results with the theoretical calculation design, it is possible to provide feedback between the two, and it is possible to design more functional devices and to inspect the fabrication accuracy of various optical elements. is there.

ところが、上記したように、非特許文献1、2に示すような従来の手法では、肝心の導波モード領域の光分散関係を測定することができないという大きな問題点があり、新たな手法の開発が望まれていた。   However, as described above, the conventional methods as shown in Non-Patent Documents 1 and 2 have a major problem in that it is impossible to measure the light dispersion relationship in the essential waveguide mode region, and a new method has been developed. Was desired.


また、近年、2次元フォトニック結晶導波路のフォトニックバンド構造を外部から測定する手法として、2次元フォトニック結晶導波路内の欠陥導波路に対して面内導波の透過率を測定し、その透過スペクトルに現れるファブリペロー干渉縞から欠陥バンドの光分散関係を実験的に求める手法が提案されている(非特許文献3参照)。

In recent years, as a method for measuring the photonic band structure of a two-dimensional photonic crystal waveguide from the outside, the transmittance of the in-plane waveguide is measured with respect to a defect waveguide in the two-dimensional photonic crystal waveguide. There has been proposed a method for experimentally obtaining a light dispersion relation of a defect band from Fabry-Perot interference fringes appearing in the transmission spectrum (see Non-Patent Document 3).

この非特許文献3に示す手法は、面内を導波させるという意味で、導波モードの光分散関係を測定することができるものである(なお、非特許文献3に示す手法では、放射モードはロスのため測定することはできない。)。   The method shown in Non-Patent Document 3 can measure the light dispersion relationship of the waveguide mode in the sense that the light is guided in the plane (in the method shown in Non-Patent Document 3, the radiation mode is used). Cannot be measured due to loss.)

しかしながら、上記した非特許文献3に示す手法は、2次元フォトニック結晶導波路の極微小な導波路内に実際に光を入射結合して透過率を測定する必要があるため、極めて高精度な高い技術ならびに煩雑な工程を要するという問題点があった。   However, since the method shown in Non-Patent Document 3 described above needs to measure the transmittance by actually coupling light into a very small waveguide of a two-dimensional photonic crystal waveguide, it is extremely accurate. There was a problem of requiring high technology and complicated processes.

即ち、上記した非特許文献3に示す手法は、実際に2次元フォトニック結晶導波路を動作させることと等しい作業を行う必要があるので、予め測定しておくという意味合いは全く無くなってしまうものであった。   That is, since the method shown in Non-Patent Document 3 described above needs to perform the same work as actually operating the two-dimensional photonic crystal waveguide, the meaning of measuring in advance is completely lost. there were.

また、透過スペクトル上の干渉を利用するという特性上、大きなサイズの2次元フォトニック結晶導波路や、光の損失の比較的大きな2次元フォトニック結晶導波路では測定が困難になってしまうという問題点もあった。
Phys. Rev. B 69, 205109 1−6 (2004) 特開2004−133429号公報 Phys.Rev.Lett. 87, 253902 (2001)
In addition, due to the characteristic of using interference on the transmission spectrum, it is difficult to measure with a two-dimensional photonic crystal waveguide having a large size or a relatively large loss of light. There was also a point.
Phys. Rev. B 69, 205109 1-6 (2004) JP 2004-133429 A Phys. Rev. Lett. 87, 253902 (2001)

本発明は、上記したような従来の技術が有する種々の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、外部からフォトニック結晶導波路の放射モードと導波モードとにおけるフォトニックバンド構造を正確かつ簡便に測定することを可能にするとともに、測定の対象となるフォトニック結晶導波路の制約を無くしたフォトニック結晶導波路のフォトニックバンド構造の測定方法およびその装置を提供しようとするものである。   The present invention has been made in view of the various problems of the conventional techniques as described above, and an object of the present invention is to provide a photonic crystal waveguide in a radiation mode and a waveguide mode from the outside. Provided is a method and an apparatus for measuring a photonic crystal structure of a photonic crystal waveguide, which enables accurate and simple measurement of the nick band structure and eliminates restrictions on the photonic crystal waveguide to be measured. It is something to try.

上記目的を達成するために、本発明は、プリズムを利用したものであり、プリズムを利用することにより、
ω=ck/n(nはプリズムの屈折率)
より上側の領域のモードは全て測定できるため、屈折率の大きなプリズムを利用することにより、放射モードと導波モードとを含むほぼ全てのモードにおけるフォトニックバンド構造を測定することができるようになる。
In order to achieve the above object, the present invention uses a prism, and by using the prism,
ω = ck / n p (n p is the refractive index of the prism)
Since all modes in the upper region can be measured, a photonic band structure in almost all modes including a radiation mode and a waveguide mode can be measured by using a prism having a large refractive index. .

即ち、本発明によれば、従来は測定することができなかったライトライン下側の外部とは通常結合しないモードたる導波モードにおけるフォトニックバンド構造を観測することが可能となり、種々の応用の可能性を飛躍的に広げることができる。   That is, according to the present invention, it is possible to observe the photonic band structure in the waveguide mode, which is a mode that is not normally coupled to the outside under the light line, which could not be measured in the past. The potential can be expanded dramatically.


即ち、本発明のうち請求項1に記載の発明は、フォトニック結晶導波路のフォトニックバンド構造の測定方法において、フォトニック結晶導波路のフォトニック結晶層上に、上記フォトニック結晶層と所定の間隙を設けるようにして底部を対向させてプリズムを配置し、上記プリズムを介して上記フォトニック結晶導波路の上記フォトニック結晶層へ向けて入射ビームを入射するに際し、上記入射ビームが上記プリズムに入った後に上記プリズムの上記底部に入射角度が全反射角以上を満たす角度で入射し、上記入射ビームが上記プリズムの底部で全反射されて上記プリズムから出射される出射ビームに基づいてフォトニックバンド構造を測定するようにしたものである。

That is, according to the first aspect of the present invention, in the method for measuring a photonic band structure of a photonic crystal waveguide, the photonic crystal layer and the predetermined layer are formed on the photonic crystal layer of the photonic crystal waveguide. When the prism is arranged with the bottom facing each other so as to provide a gap, and when the incident beam is incident on the photonic crystal layer of the photonic crystal waveguide through the prism, the incident beam is converted into the prism. Is incident on the bottom of the prism at an angle satisfying a total reflection angle greater than or equal to the total reflection angle, and the incident beam is totally reflected on the bottom of the prism and is photonic based on the outgoing beam emitted from the prism. The band structure is measured.

また、本発明のうち請求項2に記載の発明は、本発明のうち請求項1に記載の発明において、上記入射ビームは、上記フォトニック結晶導波路内の導波モードの波数および周波数と上記入射ビームの導波路面内進行方向の波数および周波数とが一致するような、入射角度および光周波数を備えるようにしたものである。   According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the incident beam includes the wave number and frequency of a waveguide mode in the photonic crystal waveguide, and the The incident angle and optical frequency are set such that the wave number and frequency in the traveling direction of the incident beam in the waveguide plane coincide with each other.

また、本発明のうち請求項3に記載の発明は、プリズムを固定するプリズム固定機構と、基板の上に形成されたフォトニック結晶層を有するフォトニック結晶導波路を、上記フォトニック結晶層と上記プリズムの底部とが対向するように配置して固定する試料固定機構と、ヘッド部を上記フォトニック結晶導波路の上記基板へ押しつけるための基板方向微動機構と、上記プリズムと上記フォトニック結晶導波路の上記フォトニック結晶層とをθ回転方向へ相対的に微動するθ回転機構と、上記プリズムを介して上記フォトニック結晶導波路の上記フォトニック結晶層へ向けて入射ビームを入射する光源であって、該入射ビームが上記プリズムに入った後に上記プリズムの上記底部に入射角度が全反射角以上を満たす角度で入射する光源と、上記入射ビームが上記プリズムの底部で全反射されて上記プリズムから出射される出射ビームを検出する光検出器と、上記光検出器の検出結果を解析する解析手段とを有するようにしたものである。 According to a third aspect of the present invention, there is provided a prism fixing mechanism for fixing a prism, a photonic crystal waveguide having a photonic crystal layer formed on a substrate, and the photonic crystal layer. A sample fixing mechanism that is arranged and fixed so as to face the bottom of the prism , a substrate direction fine movement mechanism for pressing the head portion against the substrate of the photonic crystal waveguide, the prism, and the photonic crystal guide A θ rotation mechanism that relatively finely moves the photonic crystal layer of the waveguide in the θ rotation direction, and a light source that incidents an incident beam toward the photonic crystal layer of the photonic crystal waveguide via the prism. A light source that is incident on the bottom of the prism at an angle satisfying a total reflection angle or more after the incident beam enters the prism; A photodetector for detecting an outgoing beam emitted from the prism after the incident beam is totally reflected at the bottom of the prism and an analysis means for analyzing the detection result of the photodetector are provided.

また、本発明のうち請求項4に記載の発明は、本発明のうち請求項3に記載の発明において、さらに、上記ヘッド部と上記フォトニック結晶導波路との少なくともいずれか一方を、直交座標系のXYZ方向へ微動する微動機構とを有するようにしたものである。   According to a fourth aspect of the present invention, in the third aspect of the present invention, at least one of the head portion and the photonic crystal waveguide is further orthogonally coordinated. And a fine movement mechanism that finely moves in the XYZ direction of the system.

本発明によれば、外部からフォトニック結晶導波路の放射モードと導波モードとにおけるフォトニックバンド構造を正確かつ簡便に測定することができるようになるとともに、測定の対象となるフォトニック結晶導波路の制約を無くすことができるという優れた効果が奏される。   According to the present invention, the photonic band structure in the radiation mode and the waveguide mode of the photonic crystal waveguide can be measured accurately and easily from the outside, and the photonic crystal waveguide to be measured is measured. An excellent effect is obtained that the restriction of the waveguide can be eliminated.

以下、添付の図面を参照しながら、本発明によるフォトニック結晶導波路のフォトニックバンド構造の測定方法およびその装置の実施の形態の一例を詳細に説明するものとする。   Hereinafter, an example of an embodiment of a method and apparatus for measuring a photonic band structure of a photonic crystal waveguide according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

この本発明によるフォトニック結晶導波路のフォトニックバンド構造の測定方法およびその装置は、フォトニック結晶導波路の面内の光分散関係を正確に測定することができるものであるが、こうした本発明によるフォトニック結晶導波路のフォトニックバンド構造の測定方法およびその装置の有効性を示すために、以下においては、本発明によるフォトニック結晶導波路のフォトニックバンド構造の測定方法およびその装置により、非線形光学ポリマー2次元フォトニック結晶導波路を測定する場合を例にして説明する。   The method and apparatus for measuring the photonic band structure of a photonic crystal waveguide according to the present invention can accurately measure the in-plane light dispersion relationship of the photonic crystal waveguide. In order to show the effectiveness of the method and apparatus for measuring the photonic band structure of the photonic crystal waveguide according to the present invention, in the following, by the method and apparatus for measuring the photonic band structure of the photonic crystal waveguide according to the present invention, A case where a nonlinear optical polymer two-dimensional photonic crystal waveguide is measured will be described as an example.


まず、図1には、測定対象となる非線形光学ポリマー2次元フォトニック結晶導波路(以下、単に「2次元フォトニック結晶導波路」と適宜に称する。)の概念構成断面斜視説明図が示されている。

First, FIG. 1 is a sectional perspective view illustrating a conceptual configuration of a nonlinear optical polymer two-dimensional photonic crystal waveguide (hereinafter simply referred to as “two-dimensional photonic crystal waveguide” as appropriate) to be measured. ing.

この2次元フォトニック結晶導波路100は、非線形光学材料層としてのDR1/PMMAよりなる非線形光学ポリマー層102と、周期的屈折率変調層としてのPMMAよりなる2次元フォトニック結晶層104とを、エッチストップ層106を介して上下に積層し、構造的には分離しているが、光モード的には結合した導波コア構造を備えている。   The two-dimensional photonic crystal waveguide 100 includes a nonlinear optical polymer layer 102 made of DR1 / PMMA as a nonlinear optical material layer, and a two-dimensional photonic crystal layer 104 made of PMMA as a periodic refractive index modulation layer. It has a waveguide core structure that is stacked vertically via an etch stop layer 106 and is structurally separated but coupled in optical mode.

こうした2次元フォトニック結晶導波路100の構造は、例えば、非特許文献2に開示されており、非線形光学ポリマー層102に対する、プロセス上のダメージを軽減、回避することができるとともに、また導波時の無駄な散乱ロスも減らすことができるものである。なお、符号108はSi基板を示し、符号110はAgよりなる金属クラッド層を示している。   Such a structure of the two-dimensional photonic crystal waveguide 100 is disclosed in, for example, Non-Patent Document 2, and can reduce or avoid process damage to the non-linear optical polymer layer 102, and can also be used when guided. It is possible to reduce unnecessary scattering loss. Reference numeral 108 denotes a Si substrate, and reference numeral 110 denotes a metal clad layer made of Ag.

また、この2次元フォトニック結晶導波路100の構造においては、非線形材料に対して加工を行うことはないので、非線形材料としてLiNbOなどの加工性の良くない材料も容易に用いることができる。 Further, in the structure of the two-dimensional photonic crystal waveguide 100, since the nonlinear material is not processed, a material with poor workability such as LiNbO 3 can be easily used as the nonlinear material.

こうした2次元フォトニック結晶導波路100の作製方法の概要について説明すると、まず、洗浄したSi基板108上にAgよりなる金属クラッド層110を厚さ500nmに達するまで真空蒸着し、その上に非線形光学ポリマー層102としてモノクロロベンゼン溶液中に溶解させたDR1/PMMAを、スピンコーターにより厚さ150〜300nmにスピンコートし、その後に120〜200℃でベーキングする。   The outline of the manufacturing method of such a two-dimensional photonic crystal waveguide 100 will be described. First, a metal clad layer 110 made of Ag is vacuum-deposited on a cleaned Si substrate 108 until the thickness reaches 500 nm, and nonlinear optics is formed thereon. DR1 / PMMA dissolved in a monochlorobenzene solution as the polymer layer 102 is spin-coated to a thickness of 150 to 300 nm by a spin coater and then baked at 120 to 200 ° C.

次に、非線形光学ポリマー層102の上に、保護膜としてSOGを非常に薄く(厚さ20〜100nm)スピンコートした後に120〜300℃でベーキングしてエッチトップ層106を形成し、さらに、周期的屈折率変調層たる2次元フォトニック結晶層104として、モノクロロベンゼン溶液中に溶解させたPMMAを厚さ200〜800nmにスピンコートし、その後に120〜200℃でベーキングする。   Next, SOG as a protective film is spin-coated on the nonlinear optical polymer layer 102 very thinly (thickness 20 to 100 nm) and then baked at 120 to 300 ° C. to form an etch top layer 106. As the two-dimensional photonic crystal layer 104 serving as a refractive index modulation layer, PMMA dissolved in a monochlorobenzene solution is spin-coated to a thickness of 200 to 800 nm and then baked at 120 to 200 ° C.

さらに、ドライエッチング用ハードマスクとしてSOG(主に、SiOである。)を厚さ150〜300nmにスピンコートし、その後に120〜300℃でベーキングする。 Further, SOG (mainly SiO 2 ) is spin-coated to a thickness of 150 to 300 nm as a hard mask for dry etching, and then baked at 120 to 300 ° C.

さらにまた、ドライエッチング用ハードマスクの上にEBレジストを厚さ50〜300nmにスピンコートし、その後に120〜180℃でベーキングする。   Furthermore, an EB resist is spin-coated to a thickness of 50 to 300 nm on a dry etching hard mask, and then baked at 120 to 180 ° C.

次に、EBリソグラフィーにより、導波路上にフォトニック結晶パターン(本実施の形態では、周期600nm程度である。)を加工し、フッ素系反応ガスを用いたドライエッチングによりハードマスクにパターン転写する。   Next, a photonic crystal pattern (with a period of about 600 nm in this embodiment) is processed on the waveguide by EB lithography, and the pattern is transferred to the hard mask by dry etching using a fluorine-based reactive gas.

次に、O/Ar反応ガス(Oの濃度は10〜50%であり、全圧は0.15〜0.5Paである。)を用いたドライエッチングにより、PMMAに高精度にフォトニック結晶構造の加工を行う。 Next, photonics are applied to PMMA with high accuracy by dry etching using an O 2 / Ar reaction gas (the concentration of O 2 is 10 to 50% and the total pressure is 0.15 to 0.5 Pa). The crystal structure is processed.

最後に、必要に応じてフッ酸によりマスク除去を行い、非線形光学材料層たる非線形光学ポリマー層102と周期的屈折率変調層たる2次元フォトニック結晶層104とを分離した、2層コアを有する非線形光学ポリマー2次元フォトニック結晶導波路100が完成する。   Finally, the mask is removed with hydrofluoric acid as necessary to have a two-layer core in which the nonlinear optical polymer layer 102 as the nonlinear optical material layer and the two-dimensional photonic crystal layer 104 as the periodic refractive index modulation layer are separated. A nonlinear optical polymer two-dimensional photonic crystal waveguide 100 is completed.


次に、本発明によるフォトニック結晶導波路のフォトニックバンド構造の測定方法およびその装置により、2次元フォトニック結晶導波路100中の光分散関係たるフォトニックバンド構造を測定する場合について詳細に説明する。

Next, a detailed description will be given of a case where a photonic band structure in a two-dimensional photonic crystal waveguide 100 is measured with respect to the photonic band structure in the two-dimensional photonic crystal waveguide 100 by the method and apparatus for measuring the photonic band structure of the photonic crystal waveguide according to the present invention. To do.

ここで、図2は、本発明によるフォトニック結晶導波路のフォトニックバンド構造の測定方法を示す説明図であり、2次元フォトニック結晶導波路100中の光分散関係たるフォトニックバンド構造を測定する場合を示している。   Here, FIG. 2 is an explanatory view showing a measurement method of the photonic band structure of the photonic crystal waveguide according to the present invention, and measures the photonic band structure which is a light dispersion relation in the two-dimensional photonic crystal waveguide 100. Shows when to do.

即ち、本発明によるフォトニック結晶導波路のフォトニックバンド構造の測定方法は、2次元フォトニック結晶導波路100の2次元フォトニック結晶層104上に、2次元フォトニック結晶層104と所定の間隙gを設けるようにして底部10aを対向させてプリズム(この実施の形態においては、三角プリズムである。)10を配置し、このプリズム10を介して2次元フォトニック結晶導波路100の2次元フォトニック結晶層104へ向けて入射ビームを入射するようにしたものである。なお、間隙gには、外部媒質として空気が存在しているものとする。   In other words, the method for measuring the photonic band structure of a photonic crystal waveguide according to the present invention has a predetermined gap between the two-dimensional photonic crystal layer 104 and the two-dimensional photonic crystal layer 104 of the two-dimensional photonic crystal waveguide 100. A prism (in this embodiment, a triangular prism) 10 is arranged so that the bottom 10a is opposed so as to provide g, and the two-dimensional photonic crystal waveguide 100 of the two-dimensional photonic crystal waveguide 100 is interposed via the prism 10. An incident beam is incident on the nick crystal layer 104. It is assumed that air exists as an external medium in the gap g.

ここで、入射ビームとしては、例えば、レーザー光または平行化された白色光ビームを用いればよい。また、偏光は、光学系素子によりあらかじめ水平偏光(TE:Transverse Electric field)もしくは垂直偏光(TM:Transverse Macnetic field)の直線偏光に制御しておく。これにより、水平偏光および垂直偏光のそれぞれの光分散関係を決定することができる。   Here, for example, a laser beam or a collimated white light beam may be used as the incident beam. In addition, the polarization is previously controlled by the optical system element to linearly polarized light (TE: Transverse Electric field) or vertical polarization (TM: Transverse Machinary field). Thereby, each light dispersion relation of horizontal polarization and vertical polarization can be determined.

なお、2次元フォトニック結晶導波路100の2次元フォトニック結晶層104が小さい場合には、長焦点集光レンズにより入射ビームを集光して顕微測定する。   When the two-dimensional photonic crystal layer 104 of the two-dimensional photonic crystal waveguide 100 is small, the incident beam is condensed by a long focus condensing lens and microscopically measured.

そして、プリズム10を介して2次元フォトニック結晶導波路100の2次元フォトニック結晶層104へ向けて入射ビームを入射することになるが、その際に、入射ビームがプリズム10に入った後にプリズム10の底部10aに入射角度が全反射角以上(プリズム10の外部媒質が空気であれば、「n sinθ>1.0」である。ただし、nは、プリズム10の屈折率である。)を満たす角度で入射するように制御する。 An incident beam is incident on the two-dimensional photonic crystal layer 104 of the two-dimensional photonic crystal waveguide 100 via the prism 10. At this time, the incident beam enters the prism 10 and then enters the prism. The incident angle at the bottom 10a of the prism 10 is equal to or greater than the total reflection angle (if the external medium of the prism 10 is air, “n p sin θ> 1.0”, where n p is the refractive index of the prism 10. ) So that it is incident at an angle satisfying.

即ち、入射ビームはプリズム10に入った後にプリズム10の底部10aに当たり、その入射角度が全反射角以上を満たす角度であれば、プリズム10の底部10aで全反射されて前記プリズム10から出射されることになり、このプリズム10から出射される出射ビームに基づいてフォトニックバンド構造を測定することになる。より詳細には、この出射ビームを光検出器(図示せず。)で検出して反射率としてモニターし、それを公知の技術で解析することによりフォトニックバンド構造の測定を行うものである。   That is, the incident beam hits the bottom 10a of the prism 10 after entering the prism 10, and is totally reflected by the bottom 10a of the prism 10 and emitted from the prism 10 if the incident angle is an angle satisfying the total reflection angle or more. Thus, the photonic band structure is measured based on the outgoing beam emitted from the prism 10. More specifically, this outgoing beam is detected by a photodetector (not shown) and monitored as a reflectance, and the photonic band structure is measured by analyzing it with a known technique.

なお、光検出器は、例えば、入射ビームがレーザー光であれば、フォトダイオードやフォトマルチプライヤーのようなものを用いればよい。また、入射ビームが白色光であれば、分光器およびCCD検出器により光検出器を構成し、出射ビームを一括して検知するのが便利である。勿論、入射ビームを予めモノクロメーターにより分光してから、プリズム10へ入射して、その出射ビームを検出するようにしても良い。   For example, if the incident beam is a laser beam, a photodetector or a photomultiplier may be used as the photodetector. Further, if the incident beam is white light, it is convenient to form a photodetector with a spectroscope and a CCD detector and detect the outgoing beam collectively. Of course, the incident beam may be preliminarily dispersed by a monochromator and then incident on the prism 10 to detect the emitted beam.


ここで、入射ビームがプリズム10の底面10aで全反射する際に、間隙gには実際はエバネッセント波が浸み出している。このとき、間隙gが十分に狭く(間隙gは、一般的には、100nmから数um程度とすることが好ましい。)、かつ、隣接した2次元フォトニック結晶導波路100内の導波モードの周波数および波数と入射ビームの導波路面内進行方向の波数および周波数が一致するような、入射角度、光周波数であれば、外部入射光とフォトニック結晶内の導波モードとが結合し、導波モードが励起され光パワーが導波路面内に移行する。

Here, when the incident beam is totally reflected by the bottom surface 10 a of the prism 10, the evanescent wave actually oozes into the gap g. At this time, the gap g is sufficiently narrow (generally, the gap g is preferably about 100 nm to several um), and the waveguide mode in the adjacent two-dimensional photonic crystal waveguide 100 is also present. If the incident angle and optical frequency are such that the frequency and wave number coincide with the wave number and frequency in the direction of travel of the incident beam in the waveguide plane, the external incident light and the waveguide mode in the photonic crystal are coupled and guided. The wave mode is excited and the optical power is transferred into the waveguide plane.

このとき角度を走査して測定すれば、周波数、波数の両者が一致し結合した共鳴角度を反射率の急激な落ち込みとして検知できる。その理由は、それ以外の角度は全反射されるからである。   If the angle is scanned and measured at this time, the resonance angle in which both the frequency and the wave number coincide and are combined can be detected as a sharp drop in reflectance. The reason is that other angles are totally reflected.

従って、入射ビームの入射角および結晶対称軸に対する面内ビーム進行角をそれぞれ走査し、また入射ビームの周波数を変えたり、あるいは白色光を用いて光周波数に関しても走査することにより、スペクトルに現れる共鳴ピークの周波数および波数シフトから、フォトニックバンド分散曲線を全ての周波数領域および波数領域において追跡することができる。   Therefore, the resonance appearing in the spectrum by scanning the incident angle of the incident beam and the in-plane beam traveling angle with respect to the crystal symmetry axis, or changing the frequency of the incident beam or scanning the optical frequency using white light. From the peak frequency and wavenumber shift, the photonic band dispersion curve can be tracked in all frequency and wavenumber regions.

通常、入射ビームのフォトニック結晶導波路面内進行方向の波数は、ライトラインを越えて、ライトラインの下側の領域にとどくことは不可能であるが、プリズム10の全反射を利用することで、実効的なライトラインを
ω=ck/nはプリズムの屈折率である。
Normally, the wave number of the incident beam in the traveling direction in the photonic crystal waveguide plane cannot exceed the light line and reach the region below the light line, but use the total reflection of the prism 10. Thus, the effective light line ω = ck / n p n p is the refractive index of the prism.

まで押し下げることにより、ライトライン(ω=ck)以下の領域に至るまで測定可能になる。 By pushing down until it reaches the area below the light line (ω = ck), it becomes possible to measure.

このため、プリズム10は、屈折率の高いものを使用したほうが、測定可能領域は広がるため好ましい。プリズム10としては、より具体的には、透明性が高くで屈折率が高い、高屈折率ガラス、ルチルなどの光学結晶、半導体材料プリズムなどが好ましいが、如何なる材料のプリズムでも使用可能であることは勿論である。   For this reason, it is preferable to use a prism 10 having a high refractive index because the measurable region is widened. More specifically, the prism 10 is preferably an optical crystal such as a high refractive index glass or rutile, a semiconductor material prism, or the like, because it has high transparency and a high refractive index, but a prism of any material can be used. Of course.

プリズム10については、測定対象の2次元フォトニック結晶導波路の屈折率および測定波長の透過性により、そのつど決定するのが良い。   The prism 10 is preferably determined each time depending on the refractive index of the two-dimensional photonic crystal waveguide to be measured and the transparency of the measurement wavelength.


ここで、上記した本発明によるフォトニック結晶導波路のフォトニックバンド構造の測定方法を実施するための装置、即ち、本発明によるフォトニック結晶導波路のフォトニックバンド構造の測定装置(以下、単に「本発明装置」と適宜に称する。)20について説明する。

Here, an apparatus for carrying out the above-described method for measuring a photonic band structure of a photonic crystal waveguide according to the present invention, that is, a device for measuring a photonic band structure of a photonic crystal waveguide according to the present invention (hereinafter simply referred to as “photonic band structure”). This will be referred to as “the device of the present invention” as appropriate.

本発明装置20において、プリズム10と2次元フォトニック結晶導波路100の2次元フォトニック結晶層104との間の間隙gの大きさの調整は、良好な結合を得るために重要である。本発明装置20は、図3の概念構成説明図に示すように、その微調整のための機構を備えている。   In the device 20 of the present invention, the adjustment of the size of the gap g between the prism 10 and the two-dimensional photonic crystal layer 104 of the two-dimensional photonic crystal waveguide 100 is important for obtaining good coupling. As shown in the conceptual configuration explanatory diagram of FIG. 3, the inventive device 20 includes a mechanism for fine adjustment.

以下、図3を参照しながら本発明装置20について説明すると、本発明装置20は、プリズム10を固定するプリズム固定機構22と、プリズム10に2次元フォトニック結晶層104を対向させて2次元フォトニック結晶導波路100を固定する試料固定機構24と、試料固定機構24をマイクロメーターによる微動機構もしくはガス圧を用いた圧力調整機構により直交座標系のXYZ方向へ微動することにより2次元フォトニック結晶導波路100の位置を微調整する第1XYZ微動機構26と、丸みを帯びたヘッド部28をマイクロメーターによる微動機構もしくはガス圧を用いた圧力調整機構により微動して当該ヘッド部28を2次元フォトニック結晶導波路100のSi基板108へ押しつけるための基板方向微動機構30と、基板方向微動機構30をマイクロメーターによる微動機構もしくはガス圧を用いた圧力調整機構により直交座標系のXYZ方向へ微動することによりヘッド部28の位置を微調整する第2XYZ微動機構32と、プリズム10と2次元フォトニック結晶導波路100の2次元フォトニック結晶層104とをθ回転方向へ相対的に微動するθ回転機構34と、θ回転機構34を含み本発明装置20の全体の系をマイクロメーターによる微動機構もしくはガス圧を用いた圧力調整機構により直交座標系のXYZ方向へ微動する第3XYZ微動機構36とを有して構成されている。   Hereinafter, the inventive device 20 will be described with reference to FIG. 3. The inventive device 20 includes a prism fixing mechanism 22 for fixing the prism 10 and a two-dimensional photonic crystal layer 104 facing the prism 10. A two-dimensional photonic crystal is obtained by finely moving the sample fixing mechanism 24 for fixing the nick crystal waveguide 100 and the sample fixing mechanism 24 in the XYZ directions of the orthogonal coordinate system by a fine movement mechanism using a micrometer or a pressure adjustment mechanism using a gas pressure. The first XYZ fine movement mechanism 26 for finely adjusting the position of the waveguide 100 and the rounded head portion 28 are finely moved by a fine movement mechanism using a micrometer or a pressure adjustment mechanism using a gas pressure to thereby move the head portion 28 in a two-dimensional photo. Substrate direction fine movement mechanism 30 for pressing the nic crystal waveguide 100 against the Si substrate 108, A second XYZ fine movement mechanism 32 for finely adjusting the position of the head unit 28 by finely moving the direction fine movement mechanism 30 in the XYZ directions of the orthogonal coordinate system by a fine movement mechanism using a micrometer or a pressure adjustment mechanism using gas pressure; A θ rotation mechanism 34 that finely moves the two-dimensional photonic crystal layer 104 of the two-dimensional photonic crystal waveguide 100 relative to the θ rotation direction, and the θ rotation mechanism 34, the entire system of the device 20 of the present invention is a micrometer. And a third XYZ fine movement mechanism 36 that finely moves in the XYZ directions of the Cartesian coordinate system by a fine adjustment mechanism or a pressure adjustment mechanism using gas pressure.

なお、プリズム10へ入射ビームを入射する光源やプリズム10からの出射ビームを検出する光検出手段については、本発明装置20の付属装置として一体的に構成してもよいし、あるいは、本発明装置20とは独立した装置として構成してもよい。   Note that the light source that makes the incident beam incident on the prism 10 and the light detection means that detects the outgoing beam from the prism 10 may be integrally configured as an accessory device of the inventive device 20 or the inventive device. 20 may be configured as an independent device.


以上の構成において、丸みを帯びたヘッド部28を基板方向微動機構30および第2XYZ微動機構32により移動させて、ヘッド部28を2次元フォトニック結晶導波路100のSi基板108に押し付ける。

In the above configuration, the rounded head portion 28 is moved by the substrate direction fine movement mechanism 30 and the second XYZ fine movement mechanism 32 to press the head portion 28 against the Si substrate 108 of the two-dimensional photonic crystal waveguide 100.

この際に、プリズム10とフォトニック結晶導波路100の2次元フォトニック結晶層104の表面とを十分に平坦かつクリーンに保って置くことが重要である。視認により粗調整はできるが、最終的にはスペクトルを観測することにより最適な間隙gの間隔を調整する。   At this time, it is important to keep the prism 10 and the surface of the two-dimensional photonic crystal layer 104 of the photonic crystal waveguide 100 sufficiently flat and clean. Although coarse adjustment can be performed by visual recognition, the optimum gap g is finally adjusted by observing the spectrum.

また、ヘッド部28を2次元フォトニック結晶導波路100のSi基板108に強く強く押し付けすぎると、オーバーカップルによりモード位置が変質するため注意が必要である。   Also, if the head portion 28 is pressed too strongly and strongly against the Si substrate 108 of the two-dimensional photonic crystal waveguide 100, the mode position will be altered by over-coupling, so care must be taken.

この本発明装置20によれば、θ回転機構34を備えることにより、入射ビームの入射角度を走査することが可能である。また、θ回転機構34を備えることで、入射ビームの導波路面内進行方向のフォトニック結晶格子に対する進行角を走査することも可能である。   According to the device 20 of the present invention, the incident angle of the incident beam can be scanned by providing the θ rotation mechanism 34. Also, by providing the θ rotation mechanism 34, it is possible to scan the traveling angle of the incident beam with respect to the photonic crystal lattice in the traveling direction in the waveguide plane.

また、本発明装置20によれば、基板方向微動機構30、第1XYZ微動機構26、第2XYZ微動機構32、第3XYZ微動機構36を備えているので、ヘッド部28の位置や、2次元フォトニック結晶導波路100の位置を微調整することが可能であり、光カップリングポイントとフォトニック結晶パターン位置との位置合わせを微調整しながら行うことができ、フォトニック結晶領域が微小でも測定可能となる。   Further, according to the apparatus 20 of the present invention, since the substrate direction fine movement mechanism 30, the first XYZ fine movement mechanism 26, the second XYZ fine movement mechanism 32, and the third XYZ fine movement mechanism 36 are provided, the position of the head unit 28 and the two-dimensional photonics are provided. The position of the crystal waveguide 100 can be finely adjusted, the optical coupling point and the photonic crystal pattern position can be finely adjusted, and measurement can be performed even if the photonic crystal region is small. Become.


本発明によるフォトニック結晶導波路のフォトニックバンド構造の測定方法および本発明装置20を用いて、上記した2次元フォトニック結晶導波路100に対して、測定した反射スペクトルの入射角度依存性が図4に示されている。

Using the method for measuring a photonic band structure of a photonic crystal waveguide according to the present invention and the apparatus 20 of the present invention, the incident angle dependence of the measured reflection spectrum is shown for the two-dimensional photonic crystal waveguide 100 described above. 4.

この実施の形態においては、入射ビームの光源として、波長838nmならびに波長1549nmの半導体レーザダイオードを用いた。   In this embodiment, a semiconductor laser diode having a wavelength of 838 nm and a wavelength of 1549 nm is used as the light source of the incident beam.

図4からは、特定の入射角度領域において、非常に鋭い反射率の落ち込みが生じていることが分かる。これは、この共鳴角度において面内2次元フォトニックバンドモードと入射ビームとが結合したことを意味しており、この共鳴ピーク位置より、素子のフォトニックバンド構造を実験的に決定できる。   FIG. 4 shows that a very sharp drop in reflectance occurs in a specific incident angle region. This means that the in-plane two-dimensional photonic band mode and the incident beam are coupled at this resonance angle, and the photonic band structure of the element can be experimentally determined from this resonance peak position.

図4のスペクトルから得られた実験的なフォトニックバンド構造を、図5に示す。図5のフォトニックバンド構造中のA、B、C点が、図4の共鳴点A、B、Cにそれぞれ対応している。   An experimental photonic band structure obtained from the spectrum of FIG. 4 is shown in FIG. The points A, B, and C in the photonic band structure of FIG. 5 correspond to the resonance points A, B, and C of FIG.

図5のフォトニックバンド構造図中には、3次元FDTD法により計算した理論的フォトニックバンド構造も併せてプロットしているが、得られた実験値が極めて正確であることが分かる。これは、本発明による測定の精密さと2次元フォトニック結晶導波路100の作製精度の高さを裏付けている。   Although the theoretical photonic band structure calculated by the three-dimensional FDTD method is also plotted in the photonic band structure diagram of FIG. 5, it can be seen that the obtained experimental values are extremely accurate. This confirms the accuracy of measurement according to the present invention and the high accuracy of manufacturing the two-dimensional photonic crystal waveguide 100.

この実施の形態において、入射ビームとして波長838nmおよび1549nmの半導体レーザー光を使用した例を示したため、縦軸のエネルギー方向に関しては飛び飛びの値になっているが、入射光として白色光を用いればより連続的なバンド分散を得ることが全く同様の手法において可能である。また、図5のフォトニックバンド構造図のC点は、完全な導波モードである。   In this embodiment, since an example in which semiconductor laser light having a wavelength of 838 nm and 1549 nm is used as an incident beam has been shown, the energy direction on the vertical axis has a jump value, but if white light is used as the incident light, more It is possible to obtain continuous band dispersion in exactly the same manner. Further, point C in the photonic band structure diagram of FIG. 5 is a complete waveguide mode.

従って、本発明による手法を用いることにより、2次元フォトニック結晶導波路構造中の導波モードのバンド分散特性、即ち、フォトニックバンド構造を正確に検知、測定することができた。   Therefore, by using the method according to the present invention, it was possible to accurately detect and measure the band dispersion characteristics of the waveguide mode in the two-dimensional photonic crystal waveguide structure, that is, the photonic band structure.


なお、この本発明による手法は、フォトニック結晶導波路に欠陥を導入した際に形成される欠陥バンドモードの分散関係を測定することも可能であり、この欠陥モードは現在、欠陥導波路など様々な光機能素子に応用されていることから、その意義は大きい。

The method according to the present invention can also measure the dispersion relationship of defect band modes formed when defects are introduced into a photonic crystal waveguide. This is significant because it is applied to various optical functional elements.

また、導波モードの分散関係を正確に外部から検知できることは、光非線形素子においても大変重要な意味を持っている。導波モードは、外部に光が漏洩せず、長い寿命を持ち、光損失が少なく光を導波することができるため、当然、長い相互作用長を必要とする非線形素子では最も利用性が高い。導波モードの分散関係を正確に知ることができれば、波長変換過程などにおける位相整合条件をあらかじめ正確に設計することが可能となり、素子開発の工程上極めて有用である。また、フォトニック結晶導波路を用いた光非線形素子では群速度の低下を利用して電場強度を実効的に増大させることが重要であるが、本発明により、そのような低群速度領域をあらかじめ正確に検知しておくことが可能となる。   In addition, the ability to accurately detect the dispersion relation of the waveguide mode from the outside has a very important meaning even in an optical nonlinear element. The guided mode has the longest life, does not leak light to the outside, and can guide light with little optical loss. Therefore, of course, it is most useful for nonlinear elements that require a long interaction length. . If the dispersion relation of the waveguide mode can be accurately known, it becomes possible to design the phase matching conditions in the wavelength conversion process accurately in advance, which is extremely useful in the element development process. In addition, in an optical nonlinear element using a photonic crystal waveguide, it is important to effectively increase the electric field strength by utilizing the decrease in the group velocity. It becomes possible to detect accurately.

このように2次元フォトニック結晶導波路の導波モードに対する光分散関係たるフォトニックバンド構造を実験的に外部から直接観測する技術を比較的簡便な手法により提供する本発明は、光素子応用上、極めて重要であり、これによりフォトニック結晶導波路を用いる各種の光素子の応用性、制御性が飛躍的に向上することができる。   As described above, the present invention provides a technique for directly observing the photonic band structure, which is a light dispersion relation with respect to the waveguide mode of the two-dimensional photonic crystal waveguide, from the outside by a relatively simple method. This is extremely important, and thereby the applicability and controllability of various optical devices using photonic crystal waveguides can be dramatically improved.


なお、上記した実施の形態は、以下の(1)乃至(3)に示すように変形することができるものである。

The embodiment described above can be modified as shown in the following (1) to (3).

(1)上記した実施の形態においては、フォトニック結晶導波路として、2次元フォトニック結晶導波路、より詳細には、非線形光学ポリマー2次元フォトニック結晶導波路を測定する場合について説明したが、測定対象はこれに限られるものではないことは勿論であり、例えば、1次元フォトニック結晶導波路や3次元フォトニック結晶導波路などを含め、フォトニック結晶導波路であれば如何なる構造のものや、あるいは、如何なる作製方法で作製されたものも測定することができる。   (1) In the above-described embodiment, a case where a two-dimensional photonic crystal waveguide, more specifically, a nonlinear optical polymer two-dimensional photonic crystal waveguide is measured as a photonic crystal waveguide has been described. Of course, the measurement target is not limited to this, and for example, a photonic crystal waveguide including a one-dimensional photonic crystal waveguide or a three-dimensional photonic crystal waveguide can have any structure. Or what was produced with what kind of production methods can be measured.

(2)上記した実施の形態においては、間隙gに存在する外部媒質を空気としたが、これに限られるものではないことは勿論であり、各種の気体などを外部媒質として用いることができる。   (2) In the above embodiment, the external medium existing in the gap g is air. However, the present invention is not limited to this, and various gases can be used as the external medium.

(3)上記した実施の形態ならびに上記した(1)乃至(2)に示す変形例は、適宜に組み合わせるようにしてもよい。   (3) You may make it combine the above-mentioned embodiment and the modification shown in above-mentioned (1) thru | or (2) suitably.

本発明は、例えば、光導波素子、光結合分波素子、レーザー素子、発光素子、光分散を利用した素子、スーパープリズム素子、スーパーコリメート素子、レンズ機能素子、負屈折素子、偏光性素子、波長変換素子、高調波発生素子、和周波・差周波発生素子、光パラメトリック増幅素子、誘導ラマン散乱素子、四波混合素子、小型レーザー光源、光スイッチ素子、光双安定素子、光論理演算素子、光変調素子あるいは位相共役光発生素子などのフォトニック結晶導波路を用いた全ての光素子の最適化設計に利用することができる。   The present invention includes, for example, an optical waveguide element, an optical coupling / demultiplexing element, a laser element, a light emitting element, an element utilizing light dispersion, a super prism element, a super collimating element, a lens functional element, a negative refraction element, a polarizing element, a wavelength Conversion element, harmonic generation element, sum frequency / difference frequency generation element, optical parametric amplification element, stimulated Raman scattering element, four-wave mixing element, small laser light source, optical switch element, optical bistable element, optical logic operation element, light It can be used for optimization design of all optical elements using photonic crystal waveguides such as modulation elements or phase conjugate light generation elements.

図1は、測定対象となる非線形光学ポリマー2次元フォトニック結晶導波路の概念構成断面斜視説明図である。FIG. 1 is a cross-sectional perspective view of a conceptual configuration of a nonlinear optical polymer two-dimensional photonic crystal waveguide to be measured. 図2は、本発明によるフォトニック結晶導波路のフォトニックバンド構造の測定方法を示す説明図である。FIG. 2 is an explanatory view showing a method for measuring a photonic band structure of a photonic crystal waveguide according to the present invention. 図3は、本発明によるフォトニック結晶導波路のフォトニックバンド構造の測定装置の概念構成説明図である。FIG. 3 is an explanatory diagram of a conceptual configuration of a photonic band structure measuring apparatus for a photonic crystal waveguide according to the present invention. 図4は、本発明によるフォトニック結晶導波路のフォトニックバンド構造の測定方法および本発明によるフォトニック結晶導波路のフォトニックバンド構造の測定装置を用いて、2次元フォトニック結晶導波路に対して測定した反射スペクトルの入射角度依存性を示すグラフである。FIG. 4 illustrates a method for measuring a photonic band structure of a photonic crystal waveguide according to the present invention and a photonic band structure measuring apparatus for a photonic crystal waveguide according to the present invention. It is a graph which shows the incident angle dependence of the reflection spectrum measured in this way.

が図4に示されている。
図5は、図4のスペクトルから得られた実験的なフォトニックバンド構造を示すグラフである。
Is shown in FIG.
FIG. 5 is a graph showing an experimental photonic band structure obtained from the spectrum of FIG.

符号の説明Explanation of symbols

10 プリズム
10a 底部
20 フォトニック結晶導波路のフォトニックバンド構造の測定装置
22 プリズム固定機構
24 試料固定機構
26 第1XYZ微動機構
28 ヘッド部
30 基板方向微動機構
32 第2XYZ微動機構
34 θ回転機構
36 第3XYZ微動機構
100 2次元フォトニック結晶導波路
102 非線形光学ポリマー層
104 2次元フォトニック結晶層
106 エッチストップ層
108 Si基板
110 金属クラッド層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Prism 10a Bottom part 20 Measurement apparatus of photonic band structure of photonic crystal waveguide 22 Prism fixing mechanism 24 Sample fixing mechanism 26 First XYZ fine movement mechanism 28 Head part 30 Substrate direction fine movement mechanism 32 2nd XYZ fine movement mechanism 34 θ rotation mechanism 36 First 3XYZ fine movement mechanism 100 Two-dimensional photonic crystal waveguide 102 Non-linear optical polymer layer 104 Two-dimensional photonic crystal layer 106 Etch stop layer 108 Si substrate 110 Metal clad layer

Claims (4)

フォトニック結晶導波路のフォトニックバンド構造の測定方法において、
フォトニック結晶導波路のフォトニック結晶層上に、前記フォトニック結晶層と所定の間隙を設けるようにして底部を対向させてプリズムを配置し、
前記プリズムを介して前記フォトニック結晶導波路の前記フォトニック結晶層へ向けて入射ビームを入射するに際し、前記入射ビームが前記プリズムに入った後に前記プリズムの前記底部に入射角度が全反射角以上を満たす角度で入射し、
前記入射ビームが前記プリズムの底部で全反射されて前記プリズムから出射される出射ビームに基づいてフォトニックバンド構造を測定する
ことを特徴とするフォトニック結晶導波路のフォトニックバンド構造の測定方法。
In the measurement method of the photonic band structure of the photonic crystal waveguide,
On the photonic crystal layer of the photonic crystal waveguide, a prism is arranged with the bottom facing the photonic crystal layer so as to provide a predetermined gap,
When an incident beam is incident on the photonic crystal layer of the photonic crystal waveguide through the prism, the incident angle is greater than or equal to the total reflection angle at the bottom of the prism after the incident beam enters the prism. Incident at an angle satisfying
A method for measuring a photonic band structure of a photonic crystal waveguide, wherein the incident beam is totally reflected at a bottom of the prism and is measured based on an outgoing beam emitted from the prism.
請求項1に記載のフォトニック結晶導波路のフォトニックバンド構造の測定方法において、
前記入射ビームは、前記フォトニック結晶導波路内の導波モードの波数および周波数と前記入射ビームの導波路面内進行方向の波数および周波数とが一致するような、入射角度および光周波数を備える
ことを特徴とするフォトニック結晶導波路のフォトニックバンド構造の測定方法。
In the measuring method of the photonic band structure of the photonic crystal waveguide of Claim 1,
The incident beam has an incident angle and an optical frequency such that the wave number and frequency of the guided mode in the photonic crystal waveguide coincide with the wave number and frequency of the incident beam in the traveling direction in the waveguide plane. A method for measuring a photonic band structure of a photonic crystal waveguide.
プリズムを固定するプリズム固定機構と、
基板の上に形成されたフォトニック結晶層を有するフォトニック結晶導波路を、前記フォトニック結晶層と前記プリズムの底部とが対向するように配置して固定する試料固定機構と、
ヘッド部を前記フォトニック結晶導波路の前記基板へ押しつけるための基板方向微動機構と、
前記プリズムと前記フォトニック結晶導波路の前記フォトニック結晶層とをθ回転方向へ相対的に微動するθ回転機構と
前記プリズムを介して前記フォトニック結晶導波路の前記フォトニック結晶層へ向けて入射ビームを入射する光源であって、該入射ビームが前記プリズムに入った後に前記プリズムの前記底部に入射角度が全反射角以上を満たす角度で入射する光源と、
前記入射ビームが前記プリズムの底部で全反射されて前記プリズムから出射される出射ビームを検出する光検出器と、
前記光検出器の検出結果を解析する解析手段と
を有することを特徴とするフォトニック結晶導波路のフォトニックバンド構造の測定装置。
A prism fixing mechanism for fixing the prism;
A sample fixing mechanism for fixing a photonic crystal waveguide having a photonic crystal layer formed on a substrate so that the photonic crystal layer and the bottom of the prism face each other; and
A substrate direction fine movement mechanism for pressing a head portion against the substrate of the photonic crystal waveguide;
A θ rotation mechanism that finely moves the prism and the photonic crystal layer of the photonic crystal waveguide relatively in the θ rotation direction ;
A light source that makes an incident beam incident on the photonic crystal layer of the photonic crystal waveguide through the prism, and the incident angle is fully incident on the bottom of the prism after the incident beam enters the prism. A light source incident at an angle satisfying the reflection angle or more;
A photodetector that detects an outgoing beam that is totally reflected at the bottom of the prism and emitted from the prism;
An apparatus for analyzing a photonic band structure of a photonic crystal waveguide, comprising: an analyzing means for analyzing a detection result of the photodetector .
請求項3に記載のフォトニック結晶導波路のフォトニックバンド構造の測定装置において、さらに、
前記ヘッド部と前記フォトニック結晶導波路との少なくともいずれか一方を、直交座標系のXYZ方向へ微動する微動機構と
を有することを特徴とするフォトニック結晶導波路のフォトニックバンド構造の測定装置。
4. The measuring device for photonic band structure of photonic crystal waveguide according to claim 3, further comprising:
A measuring device for a photonic band structure of a photonic crystal waveguide, comprising: a fine movement mechanism for finely moving at least one of the head portion and the photonic crystal waveguide in an XYZ direction of an orthogonal coordinate system .
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