JP4890021B2 - OPTICAL ELEMENT AND OPTICAL MODULATOR HAVING OPTICAL ELEMENT - Google Patents

OPTICAL ELEMENT AND OPTICAL MODULATOR HAVING OPTICAL ELEMENT Download PDF

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Description

本発明は、フォトニック結晶を用いた光学素子の技術分野に関し、特に伝搬する光に対して位相変調を付与する光学素子及び光学素子を有する光変調器等に関する。   The present invention relates to a technical field of an optical element using a photonic crystal, and particularly relates to an optical element that imparts phase modulation to propagating light, an optical modulator having the optical element, and the like.

近年、光通信においてコンテンツの伝送量の増加にともなう情報処理速度の上昇は、光情報処理技術の高速化の必要性を一層高めており、これに伴い高速に応答する光変調器や光減衰器等の各種光学素子が必要とされている。   In recent years, the increase in information processing speed accompanying the increase in the amount of content transmitted in optical communication has further increased the need for faster optical information processing technology. Accordingly, optical modulators and optical attenuators that respond quickly Various optical elements such as these are required.

例えば、非特許文献1には、シリコンMach-Zehnder(MZ)型の光導波路を用いた光変調器に関する技術が開示されている。   For example, Non-Patent Document 1 discloses a technique related to an optical modulator using a silicon Mach-Zehnder (MZ) type optical waveguide.

“High-Speed sillicon Mach-Zehnder modulator" L. Liao et al, Optics Express vol.13, No.8, pp.3129-3135 (2005)“High-Speed sillicon Mach-Zehnder modulator” L. Liao et al, Optics Express vol.13, No.8, pp.3129-3135 (2005)

しかしながら、従来のシリコンにて作製されたデバイスはサイズが大きく、例えば、上記シリコンMach-Zehnder(MZ)型の光導波路を用いた光変調器は、アーム導波路の長さが3.450mm以上と非常に長く、Mach-Zehnderの分岐付近まで含めると導波路長は実に13.000mmに達し、小型化に不向きであるという問題があった。   However, conventional devices made of silicon are large in size. For example, an optical modulator using the silicon Mach-Zehnder (MZ) type optical waveguide has an arm waveguide length of 3.450 mm or more. When it is very long and includes the vicinity of the branch of Mach-Zehnder, the waveguide length actually reaches 13.000 mm, which is unsuitable for miniaturization.

特に波長多重伝送に対応した複数チャネルを有する光スイッチの技術の進展により、光信号を電気信号に変換することなく、光信号のままで切り替える光スイッチが実用化されている。このような光スイッチでは、波長の違うチャネルごとに増幅されて得られるパワーが異なるため、波長の異なる全てのチャネルで光の強度が等化されるように光の強度を調整する光減衰器などの光学素子アレイが必要になるが、製造上の都合からウェハの大きさは遵守されなければならないことから、多チャンネルに対応可能な光学素子アレイに適用することができなかった。   In particular, with the advancement of technology of optical switches having a plurality of channels corresponding to wavelength multiplexing transmission, optical switches that switch optical signals as they are without being converted into electrical signals have been put into practical use. In such an optical switch, since the power obtained by amplification is different for each channel having different wavelengths, an optical attenuator for adjusting the light intensity so that the light intensity is equalized in all channels having different wavelengths However, since the size of the wafer must be observed for manufacturing reasons, the optical element array cannot be applied to an optical element array that can handle multiple channels.

そこで、本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、高効率かつ小型の光学素子及び光学素子を有する光変調器等を提供することを目的とする。   Therefore, the present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a highly efficient and compact optical element, an optical modulator having the optical element, and the like.

上記課題を解決するため、請求項1に記載の発明は、入射端より入射した光を出射端へと導く伝送路と、前記光に対して、所定の位相変調を付与するフォトニック結晶部と、前記フォトニック結晶部の屈折率を変化させて前記位相変調を制御すべく、当該フォトニック結晶部にエネルギーを付与するエネルギー付与部と、を有し、前記フォトニック結晶部は、前記伝送路上又は前記伝送路下のいずれか一方にのみ形成され、前記伝送路とSiO又はSiONからなるクラッド層との間に、前記フォトニック結晶部が挟まれていることを特徴とする。


In order to solve the above problem, the invention according to claim 1 is a transmission path that guides light incident from an incident end to an output end, and a photonic crystal portion that applies predetermined phase modulation to the light. An energy applying unit that applies energy to the photonic crystal unit so as to control the phase modulation by changing a refractive index of the photonic crystal unit, and the photonic crystal unit is disposed on the transmission path. Alternatively, the photonic crystal part is formed only in one of the transmission lines, and the photonic crystal part is sandwiched between the transmission line and a cladding layer made of SiO 2 or SiON.


これによれば、フォトニック結晶部へ電流又は電圧等のエネルギーを僅かに与えるだけで、フォトニック結晶部の屈折率の変化によって、伝送路を伝播する光に対して位相変調を付与することが可能な高効率且つ小型の光学素子を提供することができる。   According to this, it is possible to give phase modulation to the light propagating through the transmission line by changing the refractive index of the photonic crystal part only by giving a little energy such as current or voltage to the photonic crystal part. A possible highly efficient and small optical element can be provided.

上記課題を解決するため、請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の光学素子において、前記伝送路は、前記光を2方向に分岐させる分岐部と、再び結合させ出射端へと導く結合部とを有し、前記フォトニック結晶部は、少なくとも分岐後の一方の前記伝送路上又は前記伝送路下に形成されることを特徴とする。   In order to solve the above-mentioned problem, the invention according to claim 2 is the optical element according to claim 1, wherein the transmission path is re-coupled with a branching part that branches the light in two directions, to the output end. And the photonic crystal part is formed on at least one of the transmission paths after branching or below the transmission path.

これによれば、フォトニック結晶部によって伝送路の分岐後の一方の経路又は双方の経路によって導かれる光に対して、それぞれ独立した位相変調を付与することができる構成としたので、より効率の高い小型の光学素子を提供することができる。   According to this, since it was set as the structure which can respectively give independent phase modulation with respect to the light guide | induced by the one path after the branch of a transmission path by the photonic crystal part, or both paths, more efficient A highly compact optical element can be provided.

上記課題を解決するため、請求項3に記載の発明は、請求項1又は2に記載の光学素子において、前記伝送路の入射端は、光の進行方向に対して垂直な面の断面積が、当該光の進行方向に連続的に増大するよう形成され、前記伝送路の出射端は、光の進行方向に対して垂直な面の断面積が、当該光の進行方向に連続的に減少するよう形成されることを特徴とする。   In order to solve the above-mentioned problem, the invention according to claim 3 is the optical element according to claim 1 or 2, wherein the incident end of the transmission path has a cross-sectional area perpendicular to the light traveling direction. The cross-sectional area of the plane perpendicular to the light traveling direction continuously decreases in the light traveling direction. It is formed as follows.

これによれば、有効屈折率の変化を緩やかにして、より効率よく光を光学素子内に取り入れ、或いは、光学素子外へ出射させることができる。   According to this, the change in the effective refractive index can be moderated, and light can be taken into the optical element more efficiently or can be emitted out of the optical element.

上記課題を解決するため、請求項4に記載の発明は、請求項1乃至3のいずれか一項に記載の光学素子において、前記フォトニック結晶部の少なくとも一部は、前記光の進行方向に対して垂直な面の断面積が前記光の進行方向に連続的に増大又は減少するよう形成されることを特徴とする。   In order to solve the above-mentioned problem, according to a fourth aspect of the present invention, in the optical element according to any one of the first to third aspects, at least a part of the photonic crystal portion is in a traveling direction of the light. The cross-sectional area of a plane perpendicular to the surface is formed so as to continuously increase or decrease in the light traveling direction.

これによれば、有効屈折率の変化を少なくして、伝送路を伝搬する光がフォトニック結晶部の端面で反射することを防いで、当該光に対して低損失かつ高効率に位相変調を付与できる。   According to this, the change in the effective refractive index is reduced, and the light propagating through the transmission line is prevented from being reflected by the end face of the photonic crystal portion, and phase modulation is performed with respect to the light with low loss and high efficiency. Can be granted.

上記課題を解決するため、請求項5に記載の発明は、請求項1乃至4のいずれか一項に記載の光学素子において、前記フォトニック結晶部の光の進行方向に沿った両側に、光の伝搬を抑制するバリア領域を有することを特徴とする。   In order to solve the above-mentioned problem, the invention according to claim 5 is the optical element according to any one of claims 1 to 4, wherein light is provided on both sides along the light traveling direction of the photonic crystal portion. It has a barrier region that suppresses the propagation of.

これによれば、光の進行方向に対して垂直方向への光の拡散を防いで、効率よく確実に光を伝搬させることができる。   According to this, it is possible to prevent light from diffusing in the direction perpendicular to the traveling direction of light and to propagate light efficiently and reliably.

上記課題を解決するため、請求項6に記載の発明は、請求項1乃至5のいずれか一項に記載の光学素子において、前記フォトニック結晶部は屈折率の異なる第1の物質及び第2の物質とからなり、前記第1の物質が所定のサイズと所定の配置間隔で前記第2の物質中において面状に配して形成され、かつ、前記第1の物質は、前記伝送路より低い屈折率を有する材料から成ることを特徴とする。   In order to solve the above-mentioned problem, according to a sixth aspect of the present invention, in the optical element according to any one of the first to fifth aspects, the photonic crystal portion includes a first material and a second material having different refractive indexes. The first substance is arranged in a plane in the second substance with a predetermined size and a predetermined arrangement interval, and the first substance is formed from the transmission line. It is characterized by comprising a material having a low refractive index.

これによれば、フォトニック結晶部を、誘電率の異なる第1の物質を所定サイズと所定配置間隔で第2の物質中に面状に配列することで形成することができるため、特に複雑な構造となることもなく、比較的低コストで光学素子を実現することが可能である。   According to this, the photonic crystal part can be formed by arranging the first materials having different dielectric constants in the second material in a predetermined size and a predetermined arrangement interval in a plane shape, so that it is particularly complicated. An optical element can be realized at a relatively low cost without a structure.

上記課題を解決するため、請求項7に記載の発明は、請求項6に記載の光学素子において、前記フォトニック結晶部の端部は、前記伝送路より高い屈折率を有する前記第2の物質から成り、当該端部は、前記光の進行方向に対して垂直な面の断面積が前記光の進行方向に連続的に増大又は減少するよう形成されることを特徴とする。   In order to solve the above-mentioned problem, according to a seventh aspect of the present invention, there is provided the optical element according to the sixth aspect, wherein an end portion of the photonic crystal portion has a higher refractive index than the transmission path. The end portion is formed such that a cross-sectional area of a plane perpendicular to the light traveling direction continuously increases or decreases in the light traveling direction.

これによれば、フォトニック結晶部に入射しようとする光が、当該フォトニック結晶部の端面で反射することを防いで、より一層低損失かつ高効率にフォトニック結晶部に光を取り入れることができる。   According to this, light entering the photonic crystal part is prevented from being reflected by the end face of the photonic crystal part, and light can be taken into the photonic crystal part with even lower loss and higher efficiency. it can.

上記課題を解決するため、請求項8に記載の発明は、請求項6又は請求項7に記載の光学素子において、前記第2の物質は、定常状態で所定のキャリア密度を有する半導体から成り、前記エネルギー付与部は、前記半導体のキャリア密度を変化させるべく前記フォトニック結晶部に電圧を印加する電圧印加部を有することを特徴とする。   In order to solve the above-mentioned problem, the invention according to claim 8 is the optical element according to claim 6 or claim 7, wherein the second substance is made of a semiconductor having a predetermined carrier density in a steady state. The energy applying unit includes a voltage applying unit that applies a voltage to the photonic crystal unit in order to change a carrier density of the semiconductor.

これによれば、導波路の屈折率を変化させるため、電気、熱、圧力等のエネルギーを外部から独立して付与するためのエネルギー付与部を備えることで、光に与える位相変調を自在に制御することができる。   According to this, in order to change the refractive index of the waveguide, it is possible to freely control the phase modulation applied to the light by providing an energy applying unit for applying energy such as electricity, heat and pressure independently from the outside. can do.

上記課題を解決するため、請求項9に記載の発明は、請求項8に記載の光学素子において、前記フォトニック結晶部が、分岐後の双方の前記伝送路上又は前記伝送路下に夫々形成されている場合には、前記エネルギー付与部は、前記フォトニック結晶部ごとに独立して電圧を印加する前記電圧印加部を有することを特徴とする。   In order to solve the above-mentioned problem, the invention according to claim 9 is the optical element according to claim 8, wherein the photonic crystal portions are formed on both of the transmission lines after branching or below the transmission lines, respectively. The energy applying unit includes the voltage applying unit that applies a voltage independently for each photonic crystal unit.

これによれば、フォトニック結晶部毎に、個別にエネルギーを付与することが可能になるので、それぞれのフォトニック結晶部に対応する分岐後の各伝送路を伝搬する光の位相を夫々独立して制御することが可能になる。   According to this, since energy can be individually applied to each photonic crystal part, the phase of light propagating through each branched transmission line corresponding to each photonic crystal part is made independent. Can be controlled.

上記課題を解決するため、請求項10に記載の発明は、請求項2乃至請求項9のいずれか一項に記載の光学素子において、前記伝送路、前記エネルギー付与部及び前記フォトニック結晶部は、SOI(Silicon-On-Insulator)基板上に形成され、前記フォトニック結晶部は、少なくとも分岐後の一方の前記伝送路下に形成されることを特徴とする。   In order to solve the above-described problem, the invention according to claim 10 is the optical element according to any one of claims 2 to 9, wherein the transmission path, the energy applying unit, and the photonic crystal unit are And formed on an SOI (Silicon-On-Insulator) substrate, and the photonic crystal portion is formed at least under one of the transmission lines after branching.

これによれば、フォトニック結晶部に印加する電流又は電圧等のエネルギーを僅かに変化させるだけで、伝送路を伝搬する光に対して大きな位相変調を付与することが可能な高効率且つ小型の光学素子を提供することができる。   According to this, a highly efficient and small size capable of giving a large phase modulation to light propagating through a transmission line by slightly changing energy such as current or voltage applied to the photonic crystal part. An optical element can be provided.

上記課題を解決するため、請求項11に記載の発明は、請求項2乃至請求項9のいずれか一項に記載の光学素子において、前記伝送路、前記エネルギー付与部及び前記フォトニック結晶部は、シリコン基板上に形成され、前記フォトニック結晶部は、少なくとも分岐後の一方の前記伝送路上に形成されることを特徴とする。   In order to solve the above-described problem, the invention according to claim 11 is the optical element according to any one of claims 2 to 9, wherein the transmission path, the energy applying unit, and the photonic crystal unit are The photonic crystal portion is formed on at least one of the transmission paths after branching, formed on a silicon substrate.

これによれば、フォトニック結晶部に印加する電流又は電圧等のエネルギーを僅かに変化させるだけで、伝送路を伝搬する光に対して大きな位相変調を付与することが可能な高効率且つ小型の光学素子を、より安価に提供することができる。   According to this, a highly efficient and small size capable of giving a large phase modulation to light propagating through a transmission line by slightly changing energy such as current or voltage applied to the photonic crystal part. The optical element can be provided at a lower cost.

上記課題を解決するため、請求項12に記載の発明は、請求項2乃至請求項11のいずれか一項に記載の光学素子を有する光変調器において、前記エネルギー付与部にて前記フォトニック結晶部にエネルギーを付与し、前記伝送路によって導かれる前記光に対して、所定の位相変調を付与して当該光を前記エネルギーに応じた変調光とすることを特徴とする。   In order to solve the above-described problem, an invention according to claim 12 is the optical modulator having the optical element according to any one of claims 2 to 11, wherein the photonic crystal is formed at the energy applying unit. Energy is applied to the unit, and predetermined light phase modulation is applied to the light guided by the transmission path to make the light modulated light according to the energy.

これによれば、高効率且つ小型の光変調器を比較的容易に作製できる。   According to this, a highly efficient and small-sized optical modulator can be manufactured relatively easily.

上記課題を解決するため、請求項13に記載の発明は、請求項12に記載の光変調器において、前記フォトニック結晶部が、分岐後の双方の前記伝送路上又は前記伝送路下に夫々形成されており、前記フォトニック結晶部ごとに独立して電圧を印加する前記電圧印加部は、符号が互いに反転した電圧を各前記フォトニック結晶部に印加することを特徴とする。   In order to solve the above-mentioned problem, the invention according to claim 13 is the optical modulator according to claim 12, wherein the photonic crystal part is formed on both of the transmission lines after branching or on the transmission line. The voltage application unit that applies a voltage independently to each photonic crystal part applies voltages having inverted signs to each photonic crystal part.

これによれば、符号が反転した位相変調に伴うスペクトルの広がりと位相シフトを抑制することできる、すなわちチャープ現象を抑制することができ、より変調効率の高い光変調器を作製できる。   According to this, it is possible to suppress the spread of the spectrum and the phase shift associated with the phase modulation whose code is inverted, that is, the chirp phenomenon can be suppressed, and an optical modulator with higher modulation efficiency can be manufactured.

上記課題を解決するため、請求項14に記載の発明は、請求項2乃至請求項11のいずれか一項に記載の光学素子を有する光減衰器において、前記光学素子から出射される前記光を検出する検出部と、検出された前記光の強度に基づいて前記エネルギー付与部が前記フォトニック結晶部に付与すべきエネルギーを制御する制御部と、を有することを特徴とする。   In order to solve the above-mentioned problem, an invention according to claim 14 is an optical attenuator having the optical element according to any one of claims 2 to 11, wherein the light emitted from the optical element is changed. It has a detection part to detect, and a control part which controls energy which the energy grant part should give to the photonic crystal part based on the intensity of the detected light, It is characterized by the above-mentioned.

これによれば、高効率且つ小型の光減衰器を比較的容易に作製できる。   According to this, a highly efficient and small optical attenuator can be manufactured relatively easily.

上記課題を解決するため、請求項15に記載の発明は、請求項2乃至請求項11のいずれか一項に記載の光学素子を有する無線−光変換器において、前記エネルギー付与部は、アンテナを介して受信した電波に基づいて、前記フォトニック結晶部にエネルギーを付与し、前記伝送路によって導かれる前記光に対して、所定の位相変調を付与して当該光を前記エネルギーに応じた変調光とすることを特徴とする。   In order to solve the above-mentioned problem, the invention described in claim 15 is a wireless-to-optical converter having the optical element according to any one of claims 2 to 11, wherein the energy applying unit includes an antenna. Based on the radio wave received through the device, energy is applied to the photonic crystal unit, and a predetermined phase modulation is applied to the light guided by the transmission path, and the light is modulated according to the energy. It is characterized by.

これによれば、高効率且つ小型の無線−光変換器を安価に作製できる。   According to this, a highly efficient and small-sized wireless-optical converter can be manufactured at low cost.

上記課題を解決するため、請求項16に記載の発明は、請求項15に記載の無線−光変換器において、前記フォトニック結晶部が、分岐後の双方の前記伝送路上又は前記伝送路下に夫々形成されており、前記フォトニック結晶部ごとに独立して電圧を印加する前記電圧印加部は、前記アンテナを介して受信した電波に基づいて、符号が互いに反転した電圧を各前記フォトニック結晶部に印加することを特徴とする。   In order to solve the above-mentioned problem, according to a sixteenth aspect of the present invention, in the radio-optical converter according to the fifteenth aspect, the photonic crystal portion is on both the transmission lines after branching or under the transmission lines. Each of the photonic crystal portions, each of which is formed, applies a voltage independently for each photonic crystal portion, and the voltage application unit applies voltages whose signs are inverted to each other based on radio waves received via the antenna. It applies to a part.

これによれば、より変調効率の高い無線−光変換器を作製できる。   According to this, a radio-optical converter with higher modulation efficiency can be produced.

本発明によれば、電流又は電圧等のエネルギーを僅かに与えるだけで、フォトニック結晶部の屈折率の変化によって、伝送路を伝搬する光に対して位相変調を付与することが可能な高効率且つ小型の光学素子等を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to apply phase modulation to light propagating through a transmission line by changing a refractive index of a photonic crystal portion with a slight amount of energy such as current or voltage. In addition, a small optical element or the like can be provided.

以下、本願の最良の実施形態を図面に基づいて説明する。   Hereinafter, the best embodiment of the present application will be described with reference to the drawings.

<1.光学素子の構成及び機能>
本実施形態にかかる光学素子の構成及び機能を説明する。
<1. Configuration and function of optical element>
The configuration and function of the optical element according to this embodiment will be described.

図1は、本実施形態にかかる光学素子1を模式的に表した図である。本実施形態にかかる光学素子1は、SOI(Silicon-On-Insulator)基板上に、伝送路11、フォトニック結晶部12a、12b等からなる位相変調部を形成して作製され、伝送路11によって光ファイバー等から入射した光(例えば通信用波長帯域である1.55μm帯の周波数を有する)を所定の位相変調を付与する位相変調部へと導いて位相変調を付与するよう構成されている。なお、同図は伝送路11、フォトニック結晶部12a、12b、電極13a、13b及び13c、バリア領域14以外の構成、例えば、伝送路11を覆うSiON(酸窒化シリコン)層等を省略して図示した。以下、同図を用いて本実施形態にかかる光学素子の概略構成を説明する。なお、以下の説明においてフォトニック結晶部12a、12bを総称してフォトニック結晶部12とも言う。   FIG. 1 is a diagram schematically showing an optical element 1 according to the present embodiment. The optical element 1 according to the present embodiment is manufactured by forming a phase modulation section including a transmission path 11 and photonic crystal sections 12a and 12b on an SOI (Silicon-On-Insulator) substrate. Light that is incident from an optical fiber or the like (for example, having a frequency in the 1.55 μm band that is a communication wavelength band) is guided to a phase modulation unit that applies predetermined phase modulation to apply phase modulation. In the figure, the configuration other than the transmission line 11, the photonic crystal parts 12a and 12b, the electrodes 13a, 13b and 13c, and the barrier region 14, for example, a SiON (silicon oxynitride) layer covering the transmission line 11 is omitted. Illustrated. Hereinafter, the schematic configuration of the optical element according to the present embodiment will be described with reference to FIG. In the following description, the photonic crystal portions 12a and 12b are also collectively referred to as the photonic crystal portion 12.

伝送路11は、いわゆるMach-Zehnder(MZ)型の光導波路であって、例えば、屈折率が約2.0に調整された窒化シリコン(SiN)からなる。また、伝送路11は、少なくともその一部が位相変調部のフォトニック結晶部12上に積層され、光学素子1に入射した光を閉じ込めて、フォトニック結晶部12を通過後、出射端へと導く。また、Y分岐部11a及び結合部11bを備えており、入射した光をY分岐部11aにて2方向に分岐し、各経路を伝搬する光に対して、フォトニック結晶部12a、12bにてそれぞれ独立した位相変調を施し、再び結合部11bにて各経路からの光を結合して出射するよう構成する。   The transmission line 11 is a so-called Mach-Zehnder (MZ) type optical waveguide, and is made of, for example, silicon nitride (SiN) whose refractive index is adjusted to about 2.0. Further, at least a part of the transmission line 11 is laminated on the photonic crystal part 12 of the phase modulation part, confines the light incident on the optical element 1, passes through the photonic crystal part 12, and then goes to the emission end. Lead. Moreover, the Y branch part 11a and the coupling part 11b are provided, the incident light is branched in two directions by the Y branch part 11a, and the light propagating through each path is received by the photonic crystal parts 12a and 12b. Independent phase modulation is performed, and light from each path is combined and emitted again by the coupling unit 11b.

なお、本発明の実施の形態においては、一の導波路によって構成された伝送路11、Y分岐部11aによって2つの経路に分岐させ、各経路を伝搬する光に対して独立した位相変調を施すよう構成したが、本発明はこのような構成に限定されるものではなく、例えば、方向性結合器等によって分波された入射光を、光の進行方向と垂直の方向に1μm程度の間隔を有してそれぞれ平行に隣りあう二つの伝送路を用いて伝搬し、当該各伝送路を伝搬する光に対して独立した位相変調を施し、その後に方向性結合器等によって結合するよう構成してもよい。   In the embodiment of the present invention, the transmission path 11 constituted by one waveguide and the Y branching section 11a are branched into two paths, and independent phase modulation is applied to the light propagating through each path. However, the present invention is not limited to such a configuration. For example, incident light demultiplexed by a directional coupler or the like is separated by about 1 μm in the direction perpendicular to the light traveling direction. Propagating using two transmission lines that are adjacent to each other in parallel, performing independent phase modulation on the light propagating through each transmission line, and then coupling by a directional coupler etc. Also good.

また、伝送路11の光の伝搬方向に垂直な断面のサイズは、特に限定されるものではないが、例えば、入射光の電界が基板上面に平行である場合(TE偏光)には、幅約1000nm、厚さ約400nm程度であることが好ましく、入射光の磁界が基板上面に平行である場合(TM及びTE偏光)にその偏光依存性を弱める場合には、適宜断面寸法を変化させることが好ましい。   The size of the cross section perpendicular to the light propagation direction of the transmission line 11 is not particularly limited. For example, when the electric field of incident light is parallel to the upper surface of the substrate (TE polarized light), the width is about The thickness is preferably about 1000 nm and the thickness is about 400 nm. When the magnetic field of the incident light is parallel to the upper surface of the substrate (TM and TE polarized light) and the polarization dependence is weakened, the cross-sectional dimension can be changed as appropriate. preferable.

なお、Y分岐部11aの分岐角θ1、結合部11bの結合角θ2、伝送路11の位相変調部の長さL、及び分岐後の各伝送路の間隔Wは何れも特に限定されるものではないが、例えば、Y分岐部11aの分岐角θ1及び結合部11bの結合角θ2を4.8度〜5.2度程度とし、5度程度であることが好ましい。また、分岐後の各伝送路の間隔Wは、25μm〜35μm程度とし、30μm程度であることが好ましい。   Note that the branching angle θ1 of the Y branching unit 11a, the coupling angle θ2 of the coupling unit 11b, the length L of the phase modulation unit of the transmission path 11, and the interval W between the transmission paths after branching are not particularly limited. However, for example, the branching angle θ1 of the Y branching portion 11a and the coupling angle θ2 of the coupling portion 11b are about 4.8 degrees to 5.2 degrees, and preferably about 5 degrees. Moreover, the interval W between the transmission lines after branching is set to about 25 μm to 35 μm, and preferably about 30 μm.

特に、Y分岐部11aの分岐角θ1の角度が大きすぎると、伝送路11を伝搬する光が、Y分岐部11a以降もなお直進して伝送路11を逸れてしまう。また、Y分岐部11aの分岐角θ1の角度が小さすぎると、光を完全に2方向に分岐させるために分岐後の経路に相当の長さを要し、光学素子自体の小型化を妨げることとなる。   In particular, if the angle of the branching angle θ1 of the Y branching portion 11a is too large, the light propagating through the transmission path 11 will still go straight through the Y branching section 11a and later and escape the transmission path 11. In addition, if the branch angle θ1 of the Y branch portion 11a is too small, a considerable length is required for the path after branching in order to completely branch the light in two directions, thereby preventing miniaturization of the optical element itself. It becomes.

伝送路11の位相変調部の長さLは、光学素子1自体を可能な限りコンパクトに構成するためにはできるだけ短いほうが好ましいが、その一方で、伝送路11を伝搬する光に対して所望の位相変調を確実に付与できる程度の長さは必要である。伝送路11の位相変調部の長さLと位相変調の関係については後に詳細に説明する。   The length L of the phase modulation section of the transmission line 11 is preferably as short as possible in order to make the optical element 1 itself as compact as possible. On the other hand, a desired length for the light propagating through the transmission line 11 is desired. The length is required so that the phase modulation can be reliably applied. The relationship between the length L of the phase modulation unit of the transmission line 11 and the phase modulation will be described in detail later.

位相変調部は、フォトニック結晶部12を具備して伝送路11の分岐後の各経路を伝搬する光に対して位相変調を付与する。フォトニック結晶部12は、第2の物質としてのシリコン(Si)等によって形成された母材に面状に複数の孔を形成し、当該孔に母材の屈折率(誘電率)と異なる屈折率(誘電率)であって、伝送路11より低い屈折率を有する第1の物質としての酸化シリコン(SiO2)等を充填して誘電体円柱を形成することによって、誘電体円柱が所定のサイズと所定の配置間隔で母材中において面状に配して形成される。なお、面状とは、フォトニック結晶部内に二次元方向に配列されている平面状等の形状を意味し、フォトニック結晶部12が製造工程において曲面や平面と曲面とが組み合わされた形状となった場合に当該形状に沿った配列も含むものとする。例えば、本実施形態に示す如く、SOI基板を用いて光学素子1を作製する場合には、SOI層をフォトニック結晶部12の母材として利用すれば、簡易な製造工程で光学素子1を構成することができる。 The phase modulation unit includes the photonic crystal unit 12 and applies phase modulation to light propagating through each path after branching of the transmission path 11. The photonic crystal portion 12 has a plurality of holes formed in a planar shape in a base material formed of silicon (Si) or the like as a second material, and a refraction different from the refractive index (dielectric constant) of the base material. A dielectric cylinder is formed by filling silicon oxide (SiO 2 ) or the like as a first substance having a refractive index (dielectric constant) lower than that of the transmission line 11 to form a dielectric cylinder. It is formed in a planar shape in the base material with a size and a predetermined arrangement interval. The planar shape means a planar shape or the like arranged in a two-dimensional direction in the photonic crystal portion, and the photonic crystal portion 12 is a curved surface or a shape in which a plane and a curved surface are combined in the manufacturing process. In such a case, an arrangement along the shape is also included. For example, as shown in the present embodiment, when the optical element 1 is manufactured using an SOI substrate, the optical element 1 can be configured with a simple manufacturing process if the SOI layer is used as a base material of the photonic crystal portion 12. can do.

また、フォトニック結晶部12は、光の入射端側は、光の進行方向に対して垂直な面の断面積が、光の進行方向に連続的に緩やかに増大していく逆テーパー形状に形成され、出射端側は、上記断面積が光の進行方向に連続的に緩やかに減少していく順テーパー形状になるように形成される。例えば、誘電体円柱を母材に三角格子状に配置することとし、この際、入射端側は伝送路11の光の伝搬と直行する方向に1個、2個、3個・・と所定の個数まで徐々に1個ずつ増加するよう配置し、出射端側は伝送路11の光の伝搬と直行する方向に3個、2個、1個・・と所定の個数から徐々に1個ずつ減少するよう配置する。伝送路11を伝搬する光がフォトニック結晶部12の端面で反射することを防いで、低損失かつ高効率に位相変調を付与できるようにするためである。   Further, the photonic crystal portion 12 is formed in a reverse taper shape in which the cross-sectional area of the surface perpendicular to the light traveling direction continuously and gradually increases in the light traveling direction on the light incident end side. The exit end side is formed to have a forward tapered shape in which the cross-sectional area gradually and gradually decreases in the light traveling direction. For example, the dielectric cylinders are arranged in a triangular lattice pattern on the base material, and at this time, the incident end side is one, two, three,... In a direction orthogonal to the propagation of light on the transmission path 11. Arranged so as to gradually increase one by one until the number, the emission end side gradually decreases from the predetermined number of 3, 2, 1, ... in the direction orthogonal to the propagation of light on the transmission line 11 Arrange to do. This is because the light propagating through the transmission line 11 is prevented from being reflected by the end face of the photonic crystal portion 12 and phase modulation can be applied with low loss and high efficiency.

更に、フォトニック結晶部12の入射端側及び出射端側の1個目の誘電体円柱が、位相変調部における伝送路11の中心線に重なるよう形成し、三角格子を構成する正三角形の底辺が光の伝搬方向と直交することが好ましい。伝送路11を伝搬する光に位相変調をより均一に付与するためである。なお、所定の個数は特に限定されないが、例えば、12個程度であることが好ましい。   Further, the first dielectric cylinder on the incident end side and the emission end side of the photonic crystal portion 12 is formed so as to overlap the center line of the transmission path 11 in the phase modulation portion, and the base of the equilateral triangle constituting the triangular lattice Is preferably orthogonal to the light propagation direction. This is because phase modulation is more uniformly applied to the light propagating through the transmission path 11. The predetermined number is not particularly limited, but is preferably about 12, for example.

そして、フォトニック結晶部12aに、エネルギー付与部としての電極13a及び13cによって電流又は電圧を印加(エネルギー付与)することにより、フォトニック結晶部12aを構成する母材(例えばシリコン(Si))の屈折率を変化させて、分岐後の一方の位相変調部における伝送路11を伝搬する光に対して位相変調が付与される。同様に、フォトニック結晶部12bに、エネルギー付与部としての電極13b及び13cによって電流又は電圧を印加(エネルギー付与)することにより、フォトニック結晶部12bを構成する母材(例えばシリコン(Si))の屈折率を変化させて、分岐後の他方の位相変調部における伝送路11を伝搬する光に対して位相変調が付与される。なお、電極13cはグランド接続して電極13a及び電極13bに対してのみ電流又は電圧を印加(エネルギー付与)してもよい。   A current or voltage is applied to the photonic crystal part 12a by the electrodes 13a and 13c (energy application) as the energy application part, whereby the base material (for example, silicon (Si)) constituting the photonic crystal part 12a is applied. By changing the refractive index, phase modulation is applied to the light propagating through the transmission line 11 in one of the phase modulation units after branching. Similarly, the base material (for example, silicon (Si)) which comprises the photonic crystal part 12b by applying an electric current or a voltage to the photonic crystal part 12b by the electrodes 13b and 13c (energy application) as an energy application part. And the phase modulation is applied to the light propagating through the transmission path 11 in the other phase modulation section after the branching. The electrode 13c may be connected to the ground, and a current or a voltage may be applied (energized) only to the electrode 13a and the electrode 13b.

また、光学素子1は、伝送路11の近傍以外の領域のSOI層をエッチング等によって除去してバリア領域14を設けている。このバリア領域14は、フォトニック結晶部12を構成する母材よりも屈折率の小さい材料で充填して構成する。これにより、伝送路11を伝搬する光が、SOI層を介して光の進行方向に対して垂直方向へと拡散することを防止(抑制)できる。なお、フォトニック結晶部12を構成する母材よりも屈折率の小さい材料として、例えば、フォトニック結晶部12を構成する母材がシリコン(Si)である場合には、酸化シリコン (SiO2)又は酸窒化シリコン(SiON)を用いればよい。 Further, the optical element 1 is provided with a barrier region 14 by removing the SOI layer in a region other than the vicinity of the transmission path 11 by etching or the like. The barrier region 14 is configured by filling with a material having a refractive index smaller than that of the base material constituting the photonic crystal portion 12. Thereby, it is possible to prevent (suppress) the light propagating through the transmission path 11 from diffusing in the direction perpendicular to the light traveling direction via the SOI layer. As a material having a refractive index smaller than that of the base material constituting the photonic crystal part 12, for example, when the base material constituting the photonic crystal part 12 is silicon (Si), silicon oxide (SiO 2 ). Alternatively, silicon oxynitride (SiON) may be used.

<2.位相変調の動作原理>
ここで、本発明の光学素子の位相変調の動作原理について説明する。
<2. Operation principle of phase modulation>
Here, an operation principle of phase modulation of the optical element of the present invention will be described.

図2は本実施形態にかかる光学素子1aの断面図である。光学素子1aは、伝送路11、フォトニック結晶部12、電極13s及び13t、Si(シリコン)基板15、SiO2(酸化シリコン) 層16、SOI層17、SiON(酸窒化シリコン)層18を備えて構成される。なお、ここでは光の位相変調の動作原理をわかりやすく説明するため、本発明の光学素子を位相変調素子として用いる場合における補足的な部材、例えばバリア層8等については説明を省略する。また、伝送路11、フォトニック結晶部12の機能は図1を用いて説明した機能と同様であり、電極13s及び13tも、電極13a及び13c(又は、13b及び13c)と同様に伝送路11を伝搬する光に対して電流又は電圧を印加(エネルギー付与)するものである。 FIG. 2 is a cross-sectional view of the optical element 1a according to the present embodiment. The optical element 1a includes a transmission line 11, a photonic crystal part 12, electrodes 13s and 13t, a Si (silicon) substrate 15, a SiO 2 (silicon oxide) layer 16, an SOI layer 17, and a SiON (silicon oxynitride) layer 18. Configured. Here, in order to explain the operation principle of the phase modulation of light in an easy-to-understand manner, a description of supplementary members in the case where the optical element of the present invention is used as a phase modulation element, for example, the barrier layer 8 is omitted. The functions of the transmission line 11 and the photonic crystal unit 12 are the same as those described with reference to FIG. 1, and the electrodes 13s and 13t are also similar to the electrodes 13a and 13c (or 13b and 13c). A current or a voltage is applied (energy is applied) to the light propagating through the light.

光学素子1aは、SOI基板を用いて作製される。このSOI基板は、導電性を持たせるため不純物が添加されたSi基板15上に、SiO2層16が積層され、更にその上にSi層であるSOI層17が積層された構造から成り、従来公知のSOI基板を用いることができる。 The optical element 1a is manufactured using an SOI substrate. This SOI substrate has a structure in which a SiO 2 layer 16 is laminated on a Si substrate 15 to which impurities are added in order to provide conductivity, and an SOI layer 17 which is a Si layer is further laminated thereon. A known SOI substrate can be used.

より具体的には、Si基板15は、例えば750μm程度の厚さを有し、SiO2層16は伝送路11を伝搬する光に対して下部クラッド層としても機能させるため、例えば1000nmの厚さを有することが好ましい。 More specifically, the Si substrate 15 has a thickness of, for example, about 750 μm, and the SiO 2 layer 16 also functions as a lower cladding layer for light propagating through the transmission line 11, so that the thickness is, for example, 1000 nm. It is preferable to have.

このようなSOI基板を加工して、SOI層17を部分的に除去し、SiO2層16上に、上述したシリコンを母材とするフォトニック結晶部12を形成し、その両端部にフォトニック結晶部12にエネルギーを付与するための電極13s及び13tを設ける。 By processing such an SOI substrate, the SOI layer 17 is partially removed, and the above-described photonic crystal part 12 using silicon as a base material is formed on the SiO 2 layer 16, and photonics are formed at both ends thereof. Electrodes 13 s and 13 t for applying energy to the crystal part 12 are provided.

そして、電極13s及び電極13tによってフォトニック結晶部12に電流又は電圧が印加されることにより、フォトニック結晶部12の母材の屈折率が変化して伝送路11を伝搬する光に対して位相変調が付与される。   Then, when current or voltage is applied to the photonic crystal part 12 by the electrodes 13s and 13t, the refractive index of the base material of the photonic crystal part 12 changes, and the phase of the light propagating through the transmission line 11 is changed. Modulation is applied.

図3は光の伝搬特性を周波数f(Hz)と波数kの分散曲線で表したグラフである。   FIG. 3 is a graph showing light propagation characteristics as a dispersion curve of frequency f (Hz) and wave number k.

通常、一様な物質の場合、その物質中を伝搬する光の周波数f(Hz)と波数kとは比例関係となる(同図点線)。一方、フォトニック結晶の場合、フォトニック結晶中を伝搬する光の周波数fと波数kの関係は、フォトニック結晶部12によるフォトニックギャップに近づくにつれて、勾配が徐々に小さくなり、図中実線のように直線から大きくはずれる。   Normally, in the case of a uniform substance, the frequency f (Hz) of light propagating in the substance and the wave number k are in a proportional relationship (dotted line in the figure). On the other hand, in the case of a photonic crystal, the gradient between the frequency f of light propagating in the photonic crystal and the wave number k gradually decreases as it approaches the photonic gap by the photonic crystal portion 12, and the solid line in FIG. So that it deviates greatly from the straight line.

また、電極13s及び電極13tによってフォトニック結晶部12に電流又は電圧を印加してバイアスVbiasをかけ、フォトニック結晶部12の母材の屈折率を変化させると、分散曲線は、図中実線から一点鎖線の曲線へとシフトさせることができる。同図に示す例では、バイアスVbiasをかけることによってフォトニック結晶部12の母材の屈折率を増加させ、その結果、光の周波数f(Hz)を低周波側へとシフトさせた場合の例であるが、このように、フォトニック結晶部12に印加する電流又は電圧等のエネルギーに応じて波数kを自在にシフトさせることができるのである。   Further, when a current or voltage is applied to the photonic crystal part 12 by the electrodes 13s and 13t to apply a bias Vbias and the refractive index of the base material of the photonic crystal part 12 is changed, the dispersion curve is shown by a solid line in the figure. It can be shifted to a dashed line curve. In the example shown in the figure, the bias Vbias is applied to increase the refractive index of the base material of the photonic crystal portion 12, and as a result, the light frequency f (Hz) is shifted to the low frequency side. However, in this way, the wave number k can be freely shifted according to the energy such as current or voltage applied to the photonic crystal portion 12.

また、分散曲線を僅かに変化させただけであっても、波数kのシフト量Δkは大きくなる。特に、入射光の周波数f(Hz)が、分散曲線の勾配が小さい周波数領域にある場合には、分散曲線の勾配が大きい周波数領域と比較して、波数kのシフト量Δkはより大きくなる。そして、光の位相のシフト(位相変調量)Δφは、波数シフト量Δkおよび位相変調部の長さLを用いて、次の式(1)で表すことができる。   Even if the dispersion curve is changed slightly, the shift amount Δk of the wave number k becomes large. In particular, when the frequency f (Hz) of incident light is in a frequency region where the slope of the dispersion curve is small, the shift amount Δk of the wave number k is larger than in the frequency region where the slope of the dispersion curve is large. The phase shift (phase modulation amount) Δφ of light can be expressed by the following equation (1) using the wave number shift amount Δk and the length L of the phase modulation unit.

Figure 0004890021
Figure 0004890021

従って、入射光の周波数f(Hz)が、分散曲線の勾配が小さい周波数領域にある場合には、光の位相のシフト(位相変調量)Δφがより大きくなる。   Accordingly, when the frequency f (Hz) of the incident light is in a frequency region where the gradient of the dispersion curve is small, the light phase shift (phase modulation amount) Δφ becomes larger.

このように、本実施形態にかかる光学素子1aによれば、フォトニック結晶部12に印加する電流又は電圧等のエネルギーを僅かに変化させるだけで、伝送路11を伝搬する光に対して大きな位相変調を与えることができるのである。   As described above, according to the optical element 1 a according to the present embodiment, a large phase with respect to the light propagating through the transmission line 11 can be obtained by slightly changing the energy such as current or voltage applied to the photonic crystal unit 12. Modulation can be given.

そして、本発明の光学素子を図1に示すような伝送路11をMach-Zehnder(MZ)型の光導波路を含む光学素子1として構成した場合も同様の効果を得ることができる。すなわち、電極13a、電極13b及び電極13cによって各フォトニック結晶部12a及び12bに夫々電流又は電圧を印加してバイアスをかけることにより、各経路を伝搬する光に対して夫々独立した位相変調を付与することができる。   The same effect can be obtained when the optical element of the present invention is configured as an optical element 1 including a Mach-Zehnder (MZ) type optical waveguide as shown in FIG. That is, by applying a current or voltage to each photonic crystal part 12a and 12b by the electrodes 13a, 13b and 13c, respectively, and applying a bias, independent phase modulation is applied to the light propagating through each path. can do.

また、本発明の光学素子1は、高効率の光位相変調器として用いることができるだけでなく、光の位相変化を強度変化に変換することで、光変調器(光強度変調器)、可変光減衰器或いは無線−光変換器としても用いることができる。   In addition, the optical element 1 of the present invention can be used not only as a highly efficient optical phase modulator, but also by converting a phase change of light into an intensity change so that an optical modulator (light intensity modulator), variable light It can also be used as an attenuator or a radio-optical converter.

次に、光の位相変化による光強度変化の原理について説明する。   Next, the principle of light intensity change due to light phase change will be described.

図1に示す如く、光学素子1に入射した光は、伝送路11を伝搬してY分岐部11aにて2つの経路に分岐される。そして、位相変調部において、各フォトニック結晶部12a及び12bによって、位相変調が付与される。この位相のシフト量を、夫々Δφ1およびΔφ2とすると、変調後の光、すなわち光学素子1から出射された光Eoutは、式(2)で表される。 As shown in FIG. 1, the light incident on the optical element 1 propagates through the transmission path 11 and is branched into two paths by the Y branching section 11a. And in a phase modulation part, phase modulation is provided by each photonic crystal part 12a and 12b. When the phase shift amounts are Δφ 1 and Δφ 2 , the modulated light, that is, the light E out emitted from the optical element 1 is expressed by Expression (2).

Figure 0004890021
Figure 0004890021

なお、式(2)中、|Earm|は、各経路を伝搬する光の電界強度であり、Y分岐部11aおよび結合部11bでの分岐比および結合比は、50対50としている。 In Equation (2), | E arm | is the electric field intensity of light propagating through each path, and the branching ratio and coupling ratio at the Y branching portion 11a and the coupling portion 11b are 50:50.

上記式(2)より、光学素子1から出射される光のパワーPoutは、各経路を伝搬する光のパワーをParmとすると、式(3)で表される。 From the above equation (2), the power P out of the light emitted from the optical element 1 is expressed by equation (3), where P arm is the power of the light propagating through each path.

Figure 0004890021
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光学素子1に連続光を入射した場合、各フォトニック結晶部12a及び12bにて生ずる位相シフト量Δφの差に応じて、光学素子1から出射される光の強度が変化(変調)する。光学素子1から出射される光の強度は、位相シフト量の差Δφ1−Δφ2がπの奇数倍のときに最小(ゼロ)となり、πの偶数倍(ゼロを含む)のときに最大となる。 When continuous light is incident on the optical element 1, the intensity of light emitted from the optical element 1 changes (modulates) in accordance with the difference in the phase shift amount Δφ generated in the photonic crystal portions 12a and 12b. The intensity of light emitted from the optical element 1 is minimum (zero) when the phase shift difference Δφ 1 −Δφ 2 is an odd multiple of π, and is maximum when the difference is an even multiple of π (including zero). Become.

従って、光学素子1を光変調器として用いる場合には、各フォトニック結晶部12a及び12bにて生ずる位相シフト量Δφの差をπの偶数倍からπの奇数倍に変化させれば、光学素子1から出射される光のパワーをオンからオフへと変化させることができ、変調信号として光を出射させることができる。   Therefore, when the optical element 1 is used as an optical modulator, the optical element can be changed by changing the difference in the phase shift amount Δφ generated in the photonic crystal portions 12a and 12b from an even multiple of π to an odd multiple of π. The power of light emitted from 1 can be changed from on to off, and light can be emitted as a modulation signal.

また、光学素子1を可変光減衰器として用いる場合には、伝搬する光のパワー変動に応じて、各フォトニック結晶部12a及び12bにて生ずる位相シフト量Δφの差を制御し、一定のパワーを維持するようにフィードバック制御等を行う。このとき位相シフト量Δφの差が、πの偶数倍とπの奇数倍との間の適当な値の近傍で、微小変化するよう各フォトニック結晶部12a及び12bに印加する電流又は電圧等のエネルギーを制御する。   Further, when the optical element 1 is used as a variable optical attenuator, the difference in the phase shift amount Δφ generated in each of the photonic crystal portions 12a and 12b is controlled according to the power fluctuation of the propagating light, and a constant power Feedback control or the like is performed so as to maintain the above. At this time, the current or voltage applied to each of the photonic crystal parts 12a and 12b is changed so that the difference of the phase shift amount Δφ changes minutely in the vicinity of an appropriate value between an even multiple of π and an odd multiple of π. Control energy.

また、光学素子1を無線−光変換器として用いる場合には、アンテナで受信した電波を電極13a及び13bの電極に入力し、その電波による電圧変動により、各フォトニック結晶部12a及び12bにて生ずる位相シフト量Δφの差を変動させ、電波の電界振動に応じた光強度変調を行なう。このとき、互いに位相反転させた変調電圧を電極13a及び13bに加えれば、電圧差を倍にすることができ、変調効率を増すことができる。   When the optical element 1 is used as a wireless-to-optical converter, radio waves received by the antenna are input to the electrodes 13a and 13b, and voltage fluctuations due to the radio waves cause the photonic crystal portions 12a and 12b to The difference in the amount of phase shift Δφ that occurs is varied, and the light intensity is modulated in accordance with the electric field vibration of the radio wave. At this time, if the modulation voltages whose phases are reversed are applied to the electrodes 13a and 13b, the voltage difference can be doubled and the modulation efficiency can be increased.

なお、光学素子1を光変調器、可変光減衰器、無線−光変換器として用いる場合の具体的な構成については後に図を用いて詳細に説明する。   A specific configuration when the optical element 1 is used as an optical modulator, a variable optical attenuator, or a radio-optical converter will be described in detail later with reference to the drawings.

<3.屈折率変化のメカニズム>
ここで、電圧印加によるフォトニック結晶部12の母材の屈折率の変化について図1を用いて説明する。なお、電圧印加による屈折率の変化の詳細なメカニズムは未だ確定されていない。従って、ここでは現時点で明らかとなっている電圧印加によってフォトニック結晶部12に発生する幾つかの作用について説明する。
<3. Refractive index change mechanism>
Here, a change in the refractive index of the base material of the photonic crystal portion 12 due to voltage application will be described with reference to FIG. Note that the detailed mechanism of the change in refractive index due to voltage application has not yet been determined. Therefore, here, several actions that occur in the photonic crystal portion 12 due to the voltage application that are now clear will be described.

電極13cには、ソース用電源(ソース電圧Vs)を接続する。これは、グランド端子への直接接続で代替できるため、以下、ソース電圧Vsを0Vとする。電極13bには、ドレイン用電源(ドレイン電圧Vd)を接続する。また、図示しない基板の裏側には、裏面ゲート電極(ゲート電圧VBG)をオーミック接続する。 A source power source (source voltage Vs) is connected to the electrode 13c. Since this can be replaced by direct connection to the ground terminal, hereinafter, the source voltage Vs is set to 0V. A drain power supply (drain voltage Vd) is connected to the electrode 13b. Further, a back gate electrode (gate voltage V BG ) is ohmically connected to the back side of the substrate (not shown).

また、SOI層には、不純物が添加されキャリアが分布している。このような不純物としては、半導体でも用いられている、p型元素のB(ホウ素)、Al(アルミニウム)、Ga(ガリウム)、In(インジウム)、Tl(タリウム)、n型元素のN(窒素)、P(リン)、As(砒素)、Sb(アンチモン)、Bi(ビスマス)等がある。これらのうち、p型元素では、ドープを容易に行なえることから、B(ホウ素)が特に好適であるため、ここでは、p型不純物であるホウ素(B)を添加し、キャリアとして正孔(ホール)が分布しているとする。   Further, impurities are added to the SOI layer and carriers are distributed. Examples of such impurities include p-type elements B (boron), Al (aluminum), Ga (gallium), In (indium), Tl (thallium), and n-type elements N (nitrogen), which are also used in semiconductors. ), P (phosphorus), As (arsenic), Sb (antimony), Bi (bismuth), and the like. Of these, p-type elements can be easily doped, so B (boron) is particularly suitable. Therefore, here, boron (B), which is a p-type impurity, is added and holes ( Hole) is distributed.

なお、リン(P)などのn型不純物を添加した場合、キャリアとして電子が分布するが、電子が分布した場合も、以下に説明する電圧印加により発生する作用は、自由キャリア吸収による屈折率変化を除いて、定性的に成立する。   In addition, when an n-type impurity such as phosphorus (P) is added, electrons are distributed as carriers. Even when electrons are distributed, the action generated by voltage application described below is a change in refractive index due to free carrier absorption. Except for qualitatively.

また、不純物は、面内に一様に添加されていてもよいし、伝送路の下部にp−n接合部を備えるように、p型不純物とn型不純物が添加されていてもよい。   Further, the impurities may be added uniformly in the plane, or p-type impurities and n-type impurities may be added so as to provide a pn junction at the bottom of the transmission line.

電圧印加によって発生する作用1
(1)電極13bのドレイン電圧Vdを増加させることによって、SOI層のキャリアの速度が飽和速度を越えると、電界の集中する領域付近に、空間電荷の密度が局所的に増減したダイポール層(dipole layer)と呼ばれる二極領域が発生する。図4に、フォトニックバンド構造におけるダイポール層の分布を示す。なお、ドレイン電圧Vdは35Vである。同図は、フォトニック結晶部12を上面より観察した際の分布図で、フォトニック結晶部12の母材であるシリコン(Si)中に、酸化シリコン(SiO2)からなる誘電体円柱が三角格子状に分布し、三角格子を単位格子として、10個の格子が電極間(間隔50mm)で配列される場合の一例である。
Action 1 caused by voltage application
(1) By increasing the drain voltage Vd of the electrode 13b, when the carrier velocity of the SOI layer exceeds the saturation velocity, a dipole layer (dipole layer) in which the density of space charge is locally increased or decreased near the region where the electric field is concentrated. A bipolar region called layer) occurs. FIG. 4 shows the distribution of the dipole layer in the photonic band structure. The drain voltage Vd is 35V. This figure is a distribution diagram when the photonic crystal portion 12 is observed from the upper surface, and a dielectric cylinder made of silicon oxide (SiO 2 ) is triangular in silicon (Si) which is a base material of the photonic crystal portion 12. This is an example in which 10 lattices are arranged between electrodes (interval 50 mm) with a lattice-like distribution and a triangular lattice as a unit lattice.

空間電荷の分布は、赤い領域が密度が高く、青い領域はそれとは符号が反転している。つまり、赤い領域では、背景に存在する不純物イオンの濃度に比して、キャリアの密度が過剰であり、青い領域では、キャリア密度が欠乏していることを表す。緑の領域は、空間電荷密度がほぼゼロ、すなわち、キャリアと不純物イオンの密度がほぼ平衡していることを示す。   As for the distribution of space charge, the red region has a higher density, and the blue region has a reversed sign. That is, in the red region, the carrier density is excessive as compared with the concentration of impurity ions present in the background, and in the blue region, the carrier density is deficient. The green region indicates that the space charge density is almost zero, that is, the density of carriers and impurity ions is almost balanced.

このようなダイポール層では、局所的に電界が強められ、その結果、電子系のエネルギーバンドギャップが空間的に勾配を持つ。その結果、Franz-Keldysh効果により、バンドギャップが低エネルギーシフトし、Kramers-Kronigの関係より、屈折率が増加する。これは、電圧印加による屈折率増加という実験による結果と定性的に一致する。   In such a dipole layer, the electric field is locally strengthened, and as a result, the energy band gap of the electron system has a spatial gradient. As a result, due to the Franz-Keldysh effect, the band gap is shifted by low energy, and the refractive index increases due to the Kramers-Kronig relationship. This is qualitatively consistent with the experimental results of increasing the refractive index with voltage application.

(2)また、ダイポール層が存在すれば、局所的に、キャリアの密度が増減している。キャリアの密度が増せば、静電相互作用に基づく多体相関効果(many-body correlation effect)によって、バンドギャップが低エネルギーシフトする。この場合も同様に、Kramers-Kronigの関係より、屈折率が増加する。低エネルギーシフトの効果は、キャリア密度が高いほうが強く、キャリア密度が低いと弱い。したがって、フォトニック結晶部12全体では、屈折率が増加している。   (2) If a dipole layer is present, the carrier density locally increases or decreases. As the carrier density increases, the band gap shifts to a lower energy due to the many-body correlation effect based on electrostatic interactions. In this case as well, the refractive index increases due to the Kramers-Kronig relationship. The effect of low energy shift is stronger when the carrier density is higher and weaker when the carrier density is low. Therefore, the refractive index of the entire photonic crystal portion 12 is increased.

(3)更に、キャリアの密度が増加すれば、自由キャリア吸収が増大し、その結果、屈折率は減少する。正孔がキャリアの場合、密度の増減による屈折率変化は線形ではない(密度の0.8乗に依存する)ので、位相変調部全体で平均しても、屈折率変化はゼロではない。密度の低い領域の影響が相対的に強くなるので、ダイポール層の存在により、屈折率は増加する。ただし、全体で平均すると、変化はさほど大きくないと考えられる。   (3) Furthermore, as the carrier density increases, free carrier absorption increases and, as a result, the refractive index decreases. When holes are carriers, the refractive index change due to the density increase / decrease is not linear (depends on the 0.8th power of the density), so the average refractive index change is not zero even if averaged over the entire phase modulation section. Since the influence of the low density region is relatively strong, the refractive index increases due to the presence of the dipole layer. However, on average overall, the change is not likely to be significant.

電圧印加によって発生する作用2
電極間に電圧を加えると電流が流れ、熱が発生する。発熱によりフォトニック結晶部12の母材であるシリコンの温度が上昇すると、電子系エネルギーバンドギャップが低エネルギーシフトし、Kramers-Kronigの関係より、屈折率が増加する。シミュレーションによれば、数十度の温度の上昇によって、屈折率が千分の一のオーダーで変化することがわかっている。特に、動作速度が遅いデバイスの場合にはシリコンの温度上昇による屈折率の変化は無視できない。
Action 2 caused by voltage application
When a voltage is applied between the electrodes, a current flows and heat is generated. When the temperature of silicon that is the base material of the photonic crystal part 12 rises due to heat generation, the energy band gap of the electronic system shifts to a low energy, and the refractive index increases due to the Kramers-Kronig relationship. According to the simulation, it is known that the refractive index changes on the order of a thousandth with a temperature increase of several tens of degrees. In particular, in the case of a device with a low operating speed, a change in the refractive index due to a temperature rise of silicon cannot be ignored.

以上説明したように、フォトニック結晶部12に対する電圧印加が、フォトニック結晶部12に対して上述の如く作用し、結果としてフォトニック結晶部12の母材の屈折率が変化する。この屈折率の変化が、フォトニック結晶部における波数kのシフトとして表れる。   As described above, voltage application to the photonic crystal portion 12 acts on the photonic crystal portion 12 as described above, and as a result, the refractive index of the base material of the photonic crystal portion 12 changes. This change in refractive index appears as a wave number k shift in the photonic crystal portion.

<4.伝送路11の位相変調部の長さ>
続いて、位相変調部における伝送路11の長さLについて説明する。ここでは、光学素子1を光変調器として用いた場合に決定される長さLについて説明する。なお、位相変調部における各経路の長さLは同一であるものとする。
<4. Length of phase modulation section of transmission line 11>
Next, the length L of the transmission line 11 in the phase modulation unit will be described. Here, the length L determined when the optical element 1 is used as an optical modulator will be described. In addition, the length L of each path | route in a phase modulation part shall be the same.

光学素子1を光変調器として用いた場合には、各経路の位相シフト量Δφの差がπとなる長さを、伝送路11の位相変調部の長さLとして求める。   When the optical element 1 is used as an optical modulator, the length at which the difference between the phase shift amounts Δφ of the paths becomes π is obtained as the length L of the phase modulation unit of the transmission path 11.

フォトニック結晶部12a及び12bへの印加電圧が0Vである場合には、実効屈折率はフォトニック結晶部12の母材であるシリコン(Si)と等しく3.480であり、また各経路での位相差はなく、光学素子1から出射される光のパワーは最大となる。   When the applied voltage to the photonic crystal parts 12a and 12b is 0V, the effective refractive index is 3.480, which is equal to silicon (Si) that is the base material of the photonic crystal part 12, and in each path. There is no phase difference, and the power of light emitted from the optical element 1 is maximized.

フォトニック結晶部12a及び12bへ任意の電圧を印加し、光学素子1から出射される光のパワーをモニタして、1st−modeの光のパワーが0となる長さLを求める。例えば、印加電圧を増加させ、フォトニック結晶部12の母材の屈折率を変化させた場合に、1st−modeの光のパワーが0となる長さLは以下のように見積もられる。
(1)フォトニック結晶部12の母材の屈折率が3.481の場合、Lは1.200μm、
(2)フォトニック結晶部12の母材の屈折率が3.485の場合、Lは220μm、
(3)フォトニック結晶部12の母材の屈折率が3.490の場合、Lは120μm
An arbitrary voltage is applied to the photonic crystal parts 12a and 12b, and the power of the light emitted from the optical element 1 is monitored to determine the length L at which the power of the 1st-mode light is zero. For example, when the applied voltage is increased and the refractive index of the base material of the photonic crystal portion 12 is changed, the length L at which the power of the 1st-mode light becomes 0 is estimated as follows.
(1) When the refractive index of the base material of the photonic crystal portion 12 is 3.481, L is 1.200 μm,
(2) When the refractive index of the base material of the photonic crystal portion 12 is 3.485, L is 220 μm,
(3) When the refractive index of the base material of the photonic crystal portion 12 is 3.490, L is 120 μm.

印加電圧を種々変化させて1st−modeの光のパワーが0となる長さLを求めることにより、種々の印加電圧に対応する伝送路11の位相変調部の長さL、換言すれば、種々のフォトニック結晶部12の母材の屈折率に対応する、伝送路11の位相変調部の長さLを求めることができる。   By varying the applied voltage to obtain the length L at which the power of the 1st-mode light becomes 0, the length L of the phase modulation section of the transmission line 11 corresponding to the various applied voltages, in other words, various The length L of the phase modulation part of the transmission line 11 corresponding to the refractive index of the base material of the photonic crystal part 12 can be obtained.

本発明における光学素子の構造の場合、フォトニック結晶を使用しているために印加電圧に対する屈折率変化が大きく、5V程度の印加電圧で、屈折率が3.490程度以上まで増加させることが可能である。   In the case of the structure of the optical element according to the present invention, since the photonic crystal is used, the refractive index change with respect to the applied voltage is large, and the refractive index can be increased to about 3.490 or more with an applied voltage of about 5V. It is.

これにより、低電圧すなわち低消費電力かつコンパクトな光学素子を作製することができる。電極13a及び電極13c間、及び電極13b及び電極13c間の距離を減少させたり、或いは各電極について接触抵抗の減少を図れば、更に高効率化を実現できる。   Thereby, a compact optical element having a low voltage, that is, low power consumption can be produced. If the distance between the electrode 13a and the electrode 13c and the distance between the electrode 13b and the electrode 13c are reduced or the contact resistance is reduced for each electrode, higher efficiency can be realized.

以上説明した実施形態によれば、光学素子1を入射端より入射した光を2方向に分岐させた後に、再び結合させ出射端へと導く伝送路11と、当該伝送路11をフォトニック結晶部12上に積層し、当該フォトニック結晶部12によって伝送路11の分岐後の経路によって導かれる光に対して、夫々独立して所定の位相変調を付与する構成としたので、より効率の高い小型の光学素子を提供することができる。   According to the embodiment described above, the optical element 1 is split in two directions from the light incident from the incident end, and then coupled again and led to the output end, and the transmission path 11 is connected to the photonic crystal unit. 12 is configured such that a predetermined phase modulation is independently applied to the light that is stacked on the light 12 and guided by the path after the branch of the transmission path 11 by the photonic crystal unit 12. The optical element can be provided.

また、伝送路11は、Y分岐部11a及び結合部11bを有して、伝搬する光を2方向に分岐させた後に、再び結合させ出射端へと導くよう形成し、更にフォトニック結晶部12を各分岐後の経路下にそれぞれ形成したので、各経路を伝搬する光に対して独立して位相制御を行なうことができ、より制御動作性の高い光学素子を提供することができる。また、温度変動による位相ドリフトや、共通電源を用いて、電源ノイズの位相変調への影響を除去することなどが可能となる。さらに、当該光学素子を用いて光変調や無線−光変換を行なう場合には、互いに位相反転させた変調電圧を電極13a及び電極13bに加えることにより、電圧差を倍にすることができ、変調効率を増すことができるとともに、位相変調に伴うチャープ現象を抑制することができる。   The transmission line 11 has a Y branch portion 11a and a coupling portion 11b, and is formed so that propagating light is branched in two directions and then coupled again and guided to the emission end. Further, the photonic crystal portion 12 is formed. Are formed under the path after each branch, phase control can be performed independently for the light propagating through each path, and an optical element with higher control operability can be provided. In addition, it is possible to remove the influence of power supply noise on phase modulation by using a phase drift due to temperature fluctuation or a common power supply. Furthermore, when optical modulation or radio-optical conversion is performed using the optical element, the voltage difference can be doubled by applying modulation voltages whose phases are inverted to each other to the electrodes 13a and 13b. The efficiency can be increased and the chirp phenomenon accompanying phase modulation can be suppressed.

なお、上述した実施形態では、伝送路11の分岐後の双方の経路下に、フォトニック結晶部12をそれぞれ形成したが、本発明はこの形態に限定されるものではなく、一方の経路下にのみフォトニック結晶部12を形成して、一方の経路を伝搬する光のみ位相制御を行なってもよい。   In the above-described embodiment, the photonic crystal portions 12 are formed under both paths after the branching of the transmission path 11. However, the present invention is not limited to this form, and is under one path. Only the photonic crystal part 12 may be formed, and the phase control may be performed only on the light propagating through one path.

更に伝送路11の下に、換言すれば、SOI基板上面を加工してフォトニック結晶部12を配置させたが、本発明はこの形態に限定されるものではなく、フォトニック結晶部12を伝送路11の近傍に配置させて伝送路11を伝搬する光に対して位相変調を付与できればよく、例えば、伝送路11の上にフォトニック結晶部12を積層してもよい。なお、幾つかの変形形態についてはこの後に図を用いて詳細に説明する。   Further, below the transmission path 11, in other words, the top surface of the SOI substrate is processed and the photonic crystal portion 12 is arranged. However, the present invention is not limited to this configuration, and the photonic crystal portion 12 is transmitted. It is sufficient if phase modulation can be applied to the light propagating through the transmission path 11 by being arranged in the vicinity of the path 11. For example, the photonic crystal part 12 may be laminated on the transmission path 11. Several modified embodiments will be described in detail later with reference to the drawings.

なお、上述した説明において、伝送路11のサイズ、Y分岐部11aの分岐角θ1、結合部11bの結合角θ2、伝送路11の分岐後の各経路の間隔W、伝送路11の位相変調部の長さL、フォトニック結晶部12の誘電体円柱の数などの設計例を示したが、本発明における光学素子は、これら各構成部材のサイズ等は当該設計例に限られるものではなく、入射する光のビーム径や、各構成部材に用いる材料が有する屈折率(より具体的には、各構成部材に用いる材料が有する屈折率の比)に応じて最適な大きさに設定することができる。   In the above description, the size of the transmission line 11, the branching angle θ1 of the Y branching unit 11a, the coupling angle θ2 of the coupling unit 11b, the interval W between the paths after the branching of the transmission line 11, the phase modulation unit of the transmission line 11 Although the design example such as the length L, the number of dielectric cylinders of the photonic crystal portion 12 is shown, the optical element in the present invention is not limited to the design example in terms of the size of each of these constituent members, The optimum size can be set according to the beam diameter of incident light and the refractive index of the material used for each constituent member (more specifically, the ratio of the refractive index of the material used for each constituent member). it can.

また、本発明の光学素子1には、上述の層以外にさらに他の層を設けてもよい。   Further, the optical element 1 of the present invention may be provided with other layers in addition to the above-described layers.

<5.光学素子の変形形態>
続いて、光学素子1の他の変形形態について説明する。
<5. Variation of Optical Element>
Subsequently, another modification of the optical element 1 will be described.

5−1−1.SOI基板を用いた光学素子の他の形態
図5は光学素子1bの説明図である。図1等を用いて上記説明した実施形態では、各フォトニック結晶部12への電流又は電圧の印加のための電極13cを、各フォトニック結晶部12共通としたが、本実施形態における光学素子1bは、図1における電極13cの代わりに、フォトニック結晶部12a及び12bに夫々独立した電極13d、電極13eを設けた。その他の構成は図1と同様である。
5-1-1. Other Forms of Optical Element Using SOI Substrate FIG. 5 is an explanatory diagram of the optical element 1b. In the embodiment described above with reference to FIG. 1 and the like, the electrode 13c for applying a current or voltage to each photonic crystal portion 12 is common to each photonic crystal portion 12, but the optical element in this embodiment In 1b, instead of the electrode 13c in FIG. 1, the photonic crystal parts 12a and 12b are provided with independent electrodes 13d and 13e, respectively. Other configurations are the same as those in FIG.

電極13aと電極13dの間に印加される電流又は電圧によって、フォトニック結晶部12aの母材の屈折率を変化させ、電極13bと電極13eの間に印加される電流又は電圧によって、フォトニック結晶部12bの母材の屈折率を変化させることができる。なお、電極13dと電極13eはグランド接続とし、電極13a及び電極13bに対して電流又は電圧を印加してもよい。   The refractive index of the base material of the photonic crystal portion 12a is changed by the current or voltage applied between the electrode 13a and the electrode 13d, and the photonic crystal is changed by the current or voltage applied between the electrode 13b and the electrode 13e. The refractive index of the base material of the part 12b can be changed. Note that the electrode 13d and the electrode 13e may be grounded, and a current or voltage may be applied to the electrode 13a and the electrode 13b.

これによれば、各フォトニック結晶部12に印加する電圧を完全に独立させることができるので、動作をより安定化させることができる。   According to this, since the voltage applied to each photonic crystal part 12 can be made completely independent, the operation can be further stabilized.

5−1−2.SOI基板を用いた光学素子の他の形態
図6(A)は光学素子1cの説明図である。図6(B)は図6(A)のフォトニック結晶部12aの出射端側の要部拡大図である。
5-1-2. Other Forms of Optical Element Using SOI Substrate FIG. 6A is an explanatory diagram of the optical element 1c. FIG. 6B is an enlarged view of a main part on the emission end side of the photonic crystal part 12a in FIG.

図7に光学素子1cの光の入射端側からの側面図、図8に図6(A)におけるE−E面の断面図、図9に図6(A)におけるF−F面の断面図を示した。本実施形態における光学素子1cは、伝送路11の入射端側と出射端側の形状を夫々逆テーパー形状及び順テーパー形状として形成し、フォトニック結晶部12の入射端と出射端を母材であるシリコン(Si)のみのテーパー形状を更に形成するよう構成した。   7 is a side view of the optical element 1c from the light incident end side, FIG. 8 is a cross-sectional view of the EE plane in FIG. 6A, and FIG. 9 is a cross-sectional view of the FF plane in FIG. showed that. The optical element 1c in the present embodiment is formed such that the incident end side and the emission end side of the transmission line 11 have a reverse taper shape and a forward taper shape, respectively, and the incident end and the emission end of the photonic crystal portion 12 are formed of a base material. A tapered shape of only certain silicon (Si) was further formed.

図6(A)及び図7に示すように、伝送路11は、光の入射端側には、光の進行方向に対して垂直な面の断面積が、光の進行方向に連続的に緩やかに増大していく逆テーパー形状に形成されたSiNテーパー部11cを有し、出射端側には、上記断面積が光の進行方向に連続的に緩やかに減少していく順テーパー形状に形成されたSiNテーパー部11dを有する。   As shown in FIG. 6A and FIG. 7, in the transmission line 11, the cross-sectional area of the surface perpendicular to the light traveling direction on the light incident end side is continuously moderate in the light traveling direction. It has a SiN taper portion 11c formed in a reverse taper shape that gradually increases, and on the emission end side, it is formed in a forward taper shape in which the cross-sectional area gradually and gradually decreases in the light traveling direction. The SiN taper portion 11d is provided.

このSiNテーパー部11c及び11dは、SiON層18上に積層される。このSiNテーパー部11c及び11dにより、入射された光に対する有効屈折率の変化を緩やかにして、より一層低損失かつ高効率に光を取り入れ、また光学素子1cから出射させることができる。   The SiN taper portions 11 c and 11 d are stacked on the SiON layer 18. By the SiN taper portions 11c and 11d, the change in the effective refractive index with respect to incident light can be moderated, and light can be taken in and emitted from the optical element 1c with much lower loss and higher efficiency.

そして、図6(B)及び図8に示すように、フォトニック結晶部12の端部(入射端及び出射端)を母材部分のみでテーパー形状(Siテーパー)が形成される。図6(B)は一例としてフォトニック結晶部12aの出射端の要部拡大図を示したが、フォトニック結晶部12aの入射端及びフォトニック結晶部12bの入射端、出射端も夫々同様に母材部分のみでテーパー形状(Siテーパー)を形成する。従って、有効屈折率の変化を緩やかにして、より一層低損失かつ高効率に光をフォトニック結晶部12へと導き、フォトニック結晶部12から導出することができる。   Then, as shown in FIGS. 6B and 8, a tapered shape (Si taper) is formed only at the base material portion at the ends (incident end and outgoing end) of the photonic crystal portion 12. FIG. 6B shows an enlarged view of the main part of the exit end of the photonic crystal part 12a as an example, but the entrance end of the photonic crystal part 12a and the entrance end and exit end of the photonic crystal part 12b are also the same. A taper shape (Si taper) is formed only by the base material portion. Therefore, it is possible to moderate the change in the effective refractive index, guide light to the photonic crystal part 12 with higher loss and higher efficiency, and derive the light from the photonic crystal part 12.

また図6(A)及び図9に示すように、フォトニック結晶部12の両側にバリア領域14aを設けて光の閉じ込めを行なう。このバリア領域14aは、フォトニック結晶部12と同様にシリコン(Si)母材に複数の孔を形成し、当該孔に母材の屈折率と異なる屈折率を有する酸化シリコン(SiO2)等を充填して誘電体円柱を形成して作製される。 Further, as shown in FIGS. 6A and 9, barrier regions 14a are provided on both sides of the photonic crystal portion 12 to confine light. The barrier region 14a is formed with a plurality of holes in a silicon (Si) base material, like the photonic crystal portion 12, and silicon oxide (SiO 2 ) having a refractive index different from the refractive index of the base material is formed in the holes. It is made by filling to form a dielectric cylinder.

ここで、本実施形態における光学素子1cのバリア領域14aについて具体的に説明する。   Here, the barrier region 14a of the optical element 1c in the present embodiment will be specifically described.

先ず、フォトニック結晶部12が、光伝搬領域に下肢分枝となるフォトニックバンド領域に対応する場合について説明するものとする。   First, the case where the photonic crystal part 12 corresponds to a photonic band region that becomes a leg branch in the light propagation region will be described.

フォトニック結晶部12における孔の半径をrR1、バリア領域14aにおける孔の半径をrR2、バリア領域14aとフォトニック結晶部12との境界で隣接する孔の中心間隔をdxとすると、当該バリア領域14aをフォトニックバンドギャップ領域とするためには、フォトニック結晶部12における孔の半径rR1とバリア領域14aにおける孔の半径rR2との関係が、rR1 <rR2となるよう構成する。 Assuming that the radius of the hole in the photonic crystal portion 12 is r R1 , the radius of the hole in the barrier region 14 a is r R2 , and the center interval between adjacent holes at the boundary between the barrier region 14 a and the photonic crystal portion 12 is dx. In order to make the region 14 a a photonic band gap region, the relationship between the radius r R1 of the hole in the photonic crystal portion 12 and the radius r R2 of the hole in the barrier region 14 a is set to r R1 <r R2. .

このとき、バリア領域14aとフォトニック結晶部12との境界で隣接する孔の中心間隔dxは、式(4)で示す条件を満たすよう構成する。なお、孔の中心間隔dxの下限を設定するのは、バリア領域14aとフォトニック結晶部12との境界で隣接する孔同士が重ならないようにするためであり、上限を設定するのは、境界に光が閉じ込められることを避けるためである。当該条件を満たすよう各領域の孔を形成する。   At this time, the center distance dx between adjacent holes at the boundary between the barrier region 14a and the photonic crystal portion 12 is configured so as to satisfy the condition represented by Expression (4). The lower limit of the hole center interval dx is set so that adjacent holes do not overlap at the boundary between the barrier region 14a and the photonic crystal part 12, and the upper limit is set at the boundary. This is to prevent light from being trapped. Holes in each region are formed so as to satisfy the conditions.

Figure 0004890021
Figure 0004890021

また、フォトニック結晶部12とバリア領域14aの孔の間隔(それぞれaR1、aR2)が等しくても(つまり、aR1 =aR2)、フォトニック結晶部12における孔の半径がrR1、バリア領域14aにおける孔の半径がrR2である場合に、これらの関係がrR1 >rR2となるよう構成することにより、バリア領域14aをフォトニックギャップとすることができる。この場合、各領域で孔の間隔(ピッチ)は変化しない(均一である)ため、バリア領域14aとフォトニック結晶部12との境界で隣接する孔の中心の距離(以下、中心間隔と言う。)dxの条件設定をする必要はない。 Further, even if the gaps between the photonic crystal part 12 and the barrier region 14a are equal (a R1 and a R2 respectively) (that is, a R1 = a R2 ), the radius of the hole in the photonic crystal part 12 is r R1 , When the radius of the hole in the barrier region 14a is r R2 , the barrier region 14a can be a photonic gap by configuring the relationship so that r R1 > r R2 . In this case, since the interval (pitch) of the holes does not change (is uniform) in each region, the distance between the centers of adjacent holes at the boundary between the barrier region 14a and the photonic crystal portion 12 (hereinafter referred to as the center interval). ) It is not necessary to set dx conditions.

他方、フォトニック結晶部12が、光伝搬領域に上肢分枝となるフォトニックバンド領域に対応する場合について説明する。バリア領域14aをフォトニックバンドギャップ領域とするためには、各領域の孔の間隔(ピッチ)の相関関係がaR1 >aR2となるように、又は、各領域の孔の半径の相関関係が各rR1 <rR2となるよう構成する。このとき、バリア領域14aとフォトニック結晶部12との境界で隣接する孔の中心間隔dxは、上述の場合と同様に式(4)で示す条件を満たすよう構成する。 On the other hand, the case where the photonic crystal part 12 corresponds to a photonic band region that becomes an upper limb branch in the light propagation region will be described. In order to make the barrier region 14a a photonic band gap region, the correlation between the hole intervals (pitch) in each region is a R1 > a R2 or the correlation between the hole radii in each region is Each r R1 <r R2 is configured. At this time, the center distance dx between the holes adjacent to each other at the boundary between the barrier region 14a and the photonic crystal portion 12 is configured to satisfy the condition expressed by the equation (4) as in the case described above.

また、フォトニック結晶部12とバリア領域14aの孔の間隔が等しくても(つまり、aR1 =aR2)、フォトニック結晶部12における孔の半径がrR1とバリア領域14aにおける孔の半径がrR2の相関関係がrR1 <rR2となるよう構成することにより、バリア領域14aをフォトニックギャップとすることができる。 Further, even if the distance between the holes in the photonic crystal portion 12 and the barrier region 14a is equal (that is, a R1 = a R2 ), the radius of the hole in the photonic crystal portion 12 is r R1 and the radius of the hole in the barrier region 14a is. By configuring so that the correlation of r R2 is r R1 <r R2 , the barrier region 14a can be a photonic gap.

なお、図6(B)ではフォトニック結晶部12及びバリア領域14aに形成される孔(誘電体円柱)の数は省略して図示しているが、例えば、入射端側にてフォトニック結晶部12に形成される孔を、伝送路11の光の伝搬と直行する方向に所定の個数まで徐々に1個ずつ増加させた場合における当該所定の個数が、12個のときには、バリア領域14aに形成される孔の個数は例えば5個〜6個程度であることが好ましい。   In FIG. 6B, the number of holes (dielectric cylinders) formed in the photonic crystal part 12 and the barrier region 14a is omitted, but for example, the photonic crystal part is formed on the incident end side. 12 is formed in the barrier region 14a when the predetermined number of holes is gradually increased by one to a predetermined number in the direction orthogonal to the propagation of light in the transmission path 11, one by one. The number of holes to be formed is preferably about 5 to 6, for example.

また、バリア領域14aを、バリア領域14と同様に、フォトニック結晶部12の母材の屈折率より小さい屈折率を有する材料で形成してもよい。例えば、フォトニック結晶部12の母材がシリコンである場合には、当該シリコンの屈折率よりも小さい屈折率を有するSiO2やSiON等を用いて形成すればよい。 Further, the barrier region 14 a may be formed of a material having a refractive index smaller than the refractive index of the base material of the photonic crystal portion 12, similarly to the barrier region 14. For example, when the base material of the photonic crystal portion 12 is silicon, it may be formed using SiO 2 or SiON having a refractive index smaller than that of the silicon.

5−1−3.SOI基板を用いた光学素子の他の形態
図10は、光学素子1dの説明図である。
5-1-3. Other Forms of Optical Element Using SOI Substrate FIG. 10 is an explanatory diagram of the optical element 1d.

図1や図6等を用いて説明した実施形態における光学素子は、フォトニック結晶部12aと12bによって、伝送路11の分岐後の各経路を伝搬する光に対して、それぞれ独立した位相変調を付与するよう構成したが、本実施形態における光学素子1dは、図10に示す如く伝送路11の分岐後の経路のうち一方の経路を伝搬する光に対してのみフォトニック結晶部12bを配置させ、両端の電極13b及び13cによって電流又は電圧を印加して、当該一方の経路を伝搬する光にのみ位相変調を付与する構成とした。   The optical element in the embodiment described with reference to FIG. 1 and FIG. 6 performs independent phase modulation on the light propagating through each path after branching of the transmission path 11 by the photonic crystal portions 12a and 12b. Although the optical element 1d in the present embodiment is configured to be provided, the photonic crystal portion 12b is disposed only for the light propagating through one of the paths after the branching of the transmission path 11 as shown in FIG. A current or voltage is applied by the electrodes 13b and 13c at both ends, and phase modulation is applied only to light propagating through the one path.

このように、伝送路11の分岐後の一方の経路を伝搬する光のみ位相を制御することにより、他方の経路を伝搬する光の位相との差を変化させることができるので、上記実施形態と同様に効率の高い光学素子を提供することができる。   Thus, by controlling the phase of only the light propagating through one path after the branching of the transmission path 11, the difference from the phase of the light propagating through the other path can be changed. Similarly, an optical element with high efficiency can be provided.

5−2.Si基板を用いた光学素子の他の形態
図11は、Si基板を用いた光学素子1eの説明図である。
5-2. Other Forms of Optical Element Using Si Substrate FIG. 11 is an explanatory diagram of an optical element 1e using a Si substrate.

上記説明した実施形態では、SOI基板を用いて、SOI層を加工し、フォトニック結晶部12を当該SOI基板上に配置させて、光学素子1を作製したが、ここでは、光学素子1をシリコン(Si)基板を用いて作製する場合について説明する。   In the above-described embodiment, the SOI layer is processed using the SOI substrate, and the photonic crystal portion 12 is disposed on the SOI substrate to produce the optical element 1. Here, the optical element 1 is made of silicon. A case of manufacturing using a (Si) substrate will be described.

光学素子1eは、伝送路11、フォトニック結晶部12、電極13a、13b及び13c、Si(シリコン)基板15、SiO2(酸化シリコン) 層16、SiON(酸窒化シリコン)層19を備えて構成される。なお、同図は伝送路11及びフォトニック結晶部12を覆う酸窒化シリコン(SiON)層は省略している。フォトニック結晶部12は、伝送路11上に積層される点で上記説明した実施形態と相違する。なお、各部材の機能及び動作は上記説明した実施形態と同様である。 The optical element 1e includes a transmission line 11, a photonic crystal part 12, electrodes 13a, 13b and 13c, a Si (silicon) substrate 15, a SiO 2 (silicon oxide) layer 16, and a SiON (silicon oxynitride) layer 19. Is done. In the figure, a silicon oxynitride (SiON) layer covering the transmission line 11 and the photonic crystal portion 12 is omitted. The photonic crystal part 12 is different from the above-described embodiment in that it is stacked on the transmission line 11. Note that the function and operation of each member are the same as in the above-described embodiment.

Si基板15上にSiO2層16を蒸着し、更にSiON層19を積層した上に、SiN(窒化シリコン)により伝送路11を形成する。そして、伝送路11の上にフォトニック結晶部12を積層する
なお、フォトニック結晶部12の母材となるSi層は、基板貼付技術により形成してもよいし、化学気相堆積法により形成してもよい。
A SiO 2 layer 16 is vapor-deposited on the Si substrate 15, and a SiON layer 19 is further laminated. Then, the transmission line 11 is formed of SiN (silicon nitride). Then, the photonic crystal portion 12 is laminated on the transmission line 11. Note that the Si layer that is the base material of the photonic crystal portion 12 may be formed by a substrate pasting technique or a chemical vapor deposition method. May be.

また、図12に示す光学素子1fのように、伝送路11の分岐後の経路のうち一方の経路を伝搬する光に対してのみフォトニック結晶部12bを配置させ、両端の電極13b及び13cによって電流又は電圧を印加して、当該一方の経路を伝搬する光にのみ位相変調を付与する構成としてもよい。   Further, as in the optical element 1f shown in FIG. 12, the photonic crystal portion 12b is arranged only for light propagating through one of the paths after branching of the transmission path 11, and the electrodes 13b and 13c at both ends are used. A configuration may be adopted in which phase modulation is applied only to light propagating through the one path by applying a current or voltage.

このように、SOI基板を用いずとも、従来公知のSi基板15上にSiO2層16及びSiON層19を積層することにより、光学素子1eを作製することができる。 As described above, the optical element 1e can be manufactured by laminating the SiO 2 layer 16 and the SiON layer 19 on the conventionally known Si substrate 15 without using the SOI substrate.

<6.光学素子の各デバイスへの応用例>
6−1.光変調器への応用例
続いて、光学素子を光変調器として用いる場合の例について説明する。
<6. Application example of optical element to each device>
6-1. Application Example to Optical Modulator Next, an example in which an optical element is used as an optical modulator will be described.

図13は本発明の光学素子を光変調器として用いる場合の概略説明図である。図13(A)はフォトニック結晶部12を伝送路11の分岐後の経路のうち一方の経路にのみ設けた場合の例であり、図13(B)はフォトニック結晶部12を伝送路11の分岐後の双方の経路に設けた場合の例である。   FIG. 13 is a schematic explanatory diagram when the optical element of the present invention is used as an optical modulator. FIG. 13A shows an example in which the photonic crystal portion 12 is provided only on one of the paths after branching the transmission path 11, and FIG. 13B shows the photonic crystal section 12 in the transmission path 11. It is an example in the case of being provided on both paths after branching.

半導体レーザ等からの連続光を光変調器に入射させ、伝送路11の分岐後の各経路を伝搬する光の位相シフト量Δφに基づいて、出射光(変調光)が変調用電気信号のビット列波形と同じビット列波形となるように構成する。すなわち、各フォトニック結晶部12a及び12bにて生ずる位相シフト量Δφの差をπの偶数倍からπの奇数倍に変化させれば、光学素子1から出射される光のパワーをオンからオフへと変化させることができ、変調信号として光を出射させることができる。   Continuous light from a semiconductor laser or the like is incident on an optical modulator, and based on the phase shift amount Δφ of light propagating through each path after branching of the transmission path 11, the emitted light (modulated light) is a bit string of an electrical signal for modulation. The bit string waveform is the same as the waveform. That is, if the difference in the phase shift amount Δφ generated in each of the photonic crystal portions 12a and 12b is changed from an even multiple of π to an odd multiple of π, the power of the light emitted from the optical element 1 is switched from on to off. Thus, light can be emitted as a modulation signal.

図13(A)に示すようにフォトニック結晶部12を伝送路11の分岐後の経路のうち一方の経路にのみ設けた場合には、電極13bに、位相変調のベース電圧を設定するための直流電源と高周波の変調用電気信号とをバイアスティーを介して接続し、電極13cをグランド接続する。   As shown in FIG. 13A, when the photonic crystal portion 12 is provided only on one of the paths after the branching of the transmission path 11, the base voltage for phase modulation is set on the electrode 13b. A DC power supply and a high-frequency modulation electrical signal are connected via a bias tee, and the electrode 13c is grounded.

図13(B)に示すようにフォトニック結晶部12を伝送路11の分岐後の双方の経路に設けた場合には、電極13a及び電極13bに、位相変調のベース電圧を設定するための直流電源と高周波の変調用電気信号とをバイアスティーを介して接続し、電極13cをグランド接続する。   As shown in FIG. 13B, when the photonic crystal part 12 is provided on both paths after the branching of the transmission line 11, a direct current for setting a phase modulation base voltage to the electrode 13a and the electrode 13b. A power source and a high-frequency modulation electrical signal are connected via a bias tee, and the electrode 13c is grounded.

そして、電極13a及び電極13bに接続される直流電源の電圧V2およびV1を共通として、単一の電源を電極13a及び電極13bに接続すれば、電源電圧変動などによるノイズはキャンセルされるのでノイズの低い光変調が可能となる。   If the voltages V2 and V1 of the DC power supply connected to the electrode 13a and the electrode 13b are shared, and a single power supply is connected to the electrode 13a and the electrode 13b, noise due to fluctuations in the power supply voltage is canceled, so Low light modulation is possible.

一方、電極13a及び電極13bに入力される変調用電気信号を、共通の変調用電気信号を用いて、互いに位相反転(符号反転)させて各電極13a、電極13bへと入力すれば、変調電圧振幅が倍となるので、より変調効率が高まると同時に、チャープ現象を抑制することができる。   On the other hand, if the modulation electrical signals input to the electrodes 13a and 13b are phase-inverted (sign-inverted) with each other using a common modulation electrical signal and input to the electrodes 13a and 13b, the modulation voltage Since the amplitude is doubled, the chirp phenomenon can be suppressed at the same time as the modulation efficiency is further increased.

なお、変調用電気信号のパワーが比較的小さい場合は、電極13a及び電極13bのいずれかに入力するだけでも良い。   When the power of the modulation electrical signal is relatively small, it may be input only to either the electrode 13a or the electrode 13b.

また、電極13a及び電極13bが高周波伝送回路と接続されるような場合には、バイアスティーは不要である。   Further, when the electrode 13a and the electrode 13b are connected to a high-frequency transmission circuit, no bias tee is required.

以上説明した光変調器は、1つ光学素子自体の大きさが小さいため、複数個の光変調器を同一基板上に集積させることも容易にできる。例えば、ウェハの大きさが8インチである場合には、32個の光変調器同一基板上に集積して32chの入射光に対応可能な小型光変調器を実現できる。   In the optical modulator described above, since the size of one optical element itself is small, a plurality of optical modulators can be easily integrated on the same substrate. For example, when the size of the wafer is 8 inches, it is possible to realize a small-sized optical modulator that can be integrated on 32 optical modulators on the same substrate and can handle 32 ch of incident light.

更に、変調信号用電気増幅回路等をも光変調器と同一基板上に集積することも可能である。なお、上記説明した光変調器に用いる光学素子は、SOI基板を用いたものであっても、Si基板を用いたものであってもよい。また、フォトニック結晶部12は伝送路11の上下何れに形成されていてもよい。   Furthermore, it is also possible to integrate an electric amplification circuit for a modulation signal and the like on the same substrate as the optical modulator. The optical element used in the optical modulator described above may be an SOI substrate or an Si substrate. Further, the photonic crystal part 12 may be formed either above or below the transmission path 11.

6−2.光減衰器への応用例
次に、光学素子を光減衰器として用いる場合の例について説明する。
6-2. Application example to optical attenuator Next, an example in which an optical element is used as an optical attenuator will be described.

図14は本発明の光学素子を光減衰器として用いる場合の概略説明図である。   FIG. 14 is a schematic explanatory diagram when the optical element of the present invention is used as an optical attenuator.

光減衰器は、電極13a及び電極13bに印加すべき電圧を制御する制御部と、当該光減衰器を構成する光学素子からの光を方向性結合器(図示せず)にて分波してその一部(例えば1〜10%程度)をモニター光として検出する検出部としての外部光検出部と、を備えて構成される。なお、電極13cはグランド接続とする。   The optical attenuator uses a directional coupler (not shown) to demultiplex light from a control unit that controls the voltage to be applied to the electrodes 13a and 13b and an optical element constituting the optical attenuator. An external light detection unit as a detection unit that detects a part (for example, about 1 to 10%) as monitor light is provided. The electrode 13c is grounded.

そして、外部光検出部にて検出されたモニター光の電圧信号(強度)を制御部にて受信し、制御部は、外部光検出部から送信された光の電圧信号が安定するように電極13a及び電極13bへ印加すべき直流電圧に対してフィードバック制御を行なう。このとき、電極13a及び電極13bへフィードバックされる電圧は、電極13a及び電極13bに対して互いに位相を反転させる。外部光検出部にて検出されるモニター光の電圧信号の変動は、数パーセント程度と考えられるので、位相シフト量Δφは微小となり、結果としてフィードバック電圧も微小であると考えられる。   The voltage signal (intensity) of the monitor light detected by the external light detection unit is received by the control unit, and the control unit receives the electrode 13a so that the light voltage signal transmitted from the external light detection unit is stabilized. In addition, feedback control is performed on the DC voltage to be applied to the electrode 13b. At this time, the voltage fed back to the electrode 13a and the electrode 13b reverses the phase with respect to the electrode 13a and the electrode 13b. Since the fluctuation of the voltage signal of the monitor light detected by the external light detector is considered to be about several percent, the phase shift amount Δφ is minute, and as a result, the feedback voltage is also considered minute.

以上説明した光減衰器も、1つ光学素子自体の大きさが小さいため、複数個の光変調器を同一基板上に集積させて複数チャネルに対応可能な小型光減衰器を実現することができる。また、制御用回路をシリコン電子回路で構成する場合は、制御用回路をも光変調器と同一基板上に集積することができる。   Since the optical attenuator described above is also small in the size of one optical element itself, a plurality of optical modulators can be integrated on the same substrate to realize a compact optical attenuator that can handle a plurality of channels. . Further, when the control circuit is constituted by a silicon electronic circuit, the control circuit can also be integrated on the same substrate as the optical modulator.

なお、上記説明した光減衰器に用いる光学素子は、SOI基板を用いたものであっても、Si基板を用いたものであってもよい。また、フォトニック結晶部12が伝送路11の分岐後の一方の経路にのみ配置される構成であってもよく、更に、フォトニック結晶部12は伝送路11の上下何れに形成されていてもよい。   Note that the optical element used in the optical attenuator described above may be one using an SOI substrate or one using a Si substrate. Further, the photonic crystal part 12 may be arranged only on one path after branching of the transmission line 11, and the photonic crystal part 12 may be formed above or below the transmission line 11. Good.

6−3.無線−光変換器への応用例
続いて、光学素子を無線−光変換器として用いる場合の例について説明する。
6-3. Application Example to Wireless-Optical Converter Next, an example in which an optical element is used as a wireless-optical converter will be described.

図15(A)は本発明の光学素子を無線−光変換器として用いる場合の概略説明図であり、図15(B)は図15(A)のE−E面における断面図である。   FIG. 15A is a schematic explanatory view when the optical element of the present invention is used as a wireless-to-optical converter, and FIG.

無線−光変換器は、同一基板上にループアンテナが作製されている。このとき、アンテナでの電波の受信効率を増すため、比較的屈折率の高いシリコン(Si)基板への電波の浸透を防止すべく、図15(A)において点線で図示するアンテナ下部のシリコン(Si)基板はエッチングにより除去して構成される。   In the radio-optical converter, a loop antenna is formed on the same substrate. At this time, in order to increase the radio wave reception efficiency of the antenna, in order to prevent the radio wave from penetrating into the silicon (Si) substrate having a relatively high refractive index, the silicon under the antenna (shown by a dotted line in FIG. The Si) substrate is removed by etching.

電極13a及び電極13bには位相変調のベース電圧を設定するための直流電源が接続されると共に、ループアンテナを介して電波として受信した電界振動(変調用電気信号)も、金属薄膜により構成された高周波伝送線路を通じて接続される。なお、電極13cはグランド接続する。   A DC power supply for setting a phase modulation base voltage is connected to the electrodes 13a and 13b, and an electric field vibration (modulation electric signal) received as a radio wave via a loop antenna is also composed of a metal thin film. It is connected through a high-frequency transmission line. The electrode 13c is grounded.

そして、半導体レーザ等からの連続光を無線−光変換器に入射させ、伝送路11の分岐後の各経路を伝搬する光の位相シフト量Δφに基づいて、ループアンテナを介して電波として受信した変調用電気信号により、各フォトニック結晶部12a及び12bにて生ずる位相シフト量Δφの差を変動させることにより、変調用電気信号に応じて光強度変調された出射光(変調光)が得られる。このとき、互いに位相反転させた変調電圧を電極13a及13bに加えれば、電圧差を倍にすることができ、変調効率を増すことができると同時にチャープ現象を抑制することができる。   Then, continuous light from a semiconductor laser or the like is incident on the wireless-to-optical converter, and is received as a radio wave via a loop antenna based on the phase shift amount Δφ of light propagating through each path after branching of the transmission path 11. By changing the difference of the phase shift amount Δφ generated in each photonic crystal portion 12a and 12b by the modulation electrical signal, the emitted light (modulated light) whose light intensity is modulated in accordance with the modulation electrical signal is obtained. . At this time, if the modulation voltages whose phases are reversed are applied to the electrodes 13a and 13b, the voltage difference can be doubled, the modulation efficiency can be increased, and at the same time, the chirp phenomenon can be suppressed.

なお、上記説明した無線−光変換器に用いる光学素子は、SOI基板を用いたものであっても、Si基板を用いたものであってもよい。更に、フォトニック結晶部12が伝送路11の分岐後の一方の経路にのみ配置される構成であってもよい。   Note that the optical element used in the above-described wireless-to-optical converter may be an SOI substrate or an Si substrate. Furthermore, the photonic crystal unit 12 may be arranged only on one path after the transmission path 11 is branched.

以上説明した無線−光変換器は、情報処理を短時間に実行することができるので、例えば、無線・マイクロ波などの電波を光信号へ変換するデバイスに特に有用に用いることができる。例えば、ITSシステム、テレマティクス用フォトニックネットワーク(ビークル用)のデバイス、ETC(登録商標)にて受信した信号を光に変換して伝送する場合、車載された衝突防止システムにおいて、周辺車両から反射したレーダー信号を受信し光に変換して伝送する場合など、10GHzを超える領域での光変換に対応できる。また、無線信号から光信号への変換を伴う通信ネットワークにも用いることができる。   The wireless-to-optical converter described above can execute information processing in a short time, and thus can be particularly useful for a device that converts radio waves such as radio waves and microwaves into optical signals. For example, when a signal received by an ITS system, a device of a photonic network for telematics (for a vehicle), or ETC (registered trademark) is converted into light and transmitted, it is reflected from a surrounding vehicle in an on-board collision prevention system. For example, when a radar signal is received, converted into light, and transmitted, light conversion in a region exceeding 10 GHz can be handled. It can also be used for communication networks involving conversion from radio signals to optical signals.

光ネットワークによる伝送は、電気ノイズの影響を受けることがないという特性を有するため、各種システムの安定性の向上を実現することができる。   Since transmission using an optical network has a characteristic that it is not affected by electrical noise, it is possible to improve the stability of various systems.

さらに、電気信号の伝送に用いられていた金属配線の代わりに光ファイバーを用いることで、デバイスの軽量化、コスト低減化が図れる。更に、無線−光変換器の材料としてリサイクルが容易なシリコンを用いるので、環境上も好ましい。   Furthermore, by using an optical fiber instead of the metal wiring used for transmitting an electric signal, the device can be reduced in weight and cost can be reduced. Furthermore, since silicon that can be easily recycled is used as the material of the wireless-to-optical converter, it is preferable from the environmental viewpoint.

なお、上記説明した無線−光変換器に用いる光学素子は、SOI基板を用いてもSi基板を用いてもよく、また、フォトニック結晶部12が伝送路11の分岐後の一方の経路にのみ配置される構成であってもよく、更に、フォトニック結晶部12は伝送路11の上下何れに形成されていてもよい。   The optical element used in the above-described wireless-to-optical converter may be an SOI substrate or a Si substrate, and the photonic crystal unit 12 is only on one path after the transmission path 11 is branched. The photonic crystal part 12 may be formed either above or below the transmission line 11.

本実施形態にかかる光学素子を模式的に表した図である。It is the figure which represented typically the optical element concerning this embodiment. 本実施形態にかかる光学素子1aの断面図である。It is sectional drawing of the optical element 1a concerning this embodiment. 光の伝搬特性を周波数f(Hz)と波数kの分散曲線で表したグラフである。It is the graph which expressed the propagation characteristic of light with the dispersion curve of frequency f (Hz) and wave number k. フォトニックバンド構造におけるダイポール層の分布である。It is distribution of the dipole layer in a photonic band structure. 変形形態にかかる光学素子1bの説明図である。It is explanatory drawing of the optical element 1b concerning a deformation | transformation form. (A)変形形態にかかる光学素子1cの説明図である。(B)図6(A)のフォトニック結晶部12aの要部拡大図である。(A) It is explanatory drawing of the optical element 1c concerning a deformation | transformation form. (B) It is a principal part enlarged view of the photonic crystal part 12a of FIG. 6 (A). 図6(A)における光学素子1cの光の入射端側からの側面図である。It is a side view from the incident end side of the light of the optical element 1c in FIG. 図6(A)における光学素子1cのE−E面の断面図である。It is sectional drawing of the EE surface of the optical element 1c in FIG. 6 (A). 図6(A)における光学素子1cのF−F面の断面図である。It is sectional drawing of the FF surface of the optical element 1c in FIG. 6 (A). 変形形態にかかる光学素子1dの説明図である。It is explanatory drawing of the optical element 1d concerning a modification. 変形形態にかかるSi基板を用いた光学素子1eの説明図である。It is explanatory drawing of the optical element 1e using the Si substrate concerning a deformation | transformation form. 変形形態にかかるSi基板を用いた光学素子1fの説明図である。It is explanatory drawing of the optical element 1f using the Si substrate concerning a deformation | transformation form. 本発明の光学素子を光変調器として用いる場合の概略説明図である。It is a schematic explanatory drawing in the case of using the optical element of the present invention as an optical modulator. 本発明の光学素子を光減衰器として用いる場合の概略説明図である。It is a schematic explanatory drawing at the time of using the optical element of this invention as an optical attenuator. (A)本発明の光学素子を無線−光変換器として用いる場合の概略説明図である。(B)図15(A)のE−E面の断面図である。(A) It is a schematic explanatory drawing in the case of using the optical element of this invention as a radio-optical converter. (B) It is sectional drawing of the EE surface of FIG. 15 (A).

符号の説明Explanation of symbols

1(1a、1b、1c、1d、1e、1f) 光学素子
11 伝送路
11a Y分岐部
11b 結合部
11c、11d SiNテーパー部
12(12a、12b) フォトニック結晶部
13(13a、13b、13c、電極13d、電極13e、13s、13t)
14、14a バリア領域
15 Si(シリコン)基板
16 SiO2(酸化シリコン)層
17 SOI(Silicon-On-Insulator)層
18、19 SiON(酸窒化シリコン)層
1 (1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f) Optical element 11 Transmission path 11a Y branch part 11b Coupling part 11c, 11d SiN taper part 12 (12a, 12b) Photonic crystal part 13 (13a, 13b, 13c, Electrode 13d, electrodes 13e, 13s, 13t)
14, 14a Barrier region 15 Si (silicon) substrate 16 SiO 2 (silicon oxide) layer 17 SOI (Silicon-On-Insulator) layer 18, 19 SiON (silicon oxynitride) layer

Claims (16)

入射端より入射した光を出射端へと導く伝送路と、
前記光に対して、所定の位相変調を付与するフォトニック結晶部と、
前記フォトニック結晶部の屈折率を変化させて前記位相変調を制御すべく、当該フォトニック結晶部にエネルギーを付与するエネルギー付与部と、を有し、
前記フォトニック結晶部は、前記伝送路上又は前記伝送路下のいずれか一方にのみ形成され、
前記伝送路とSiO又はSiONからなるクラッド層との間に、前記フォトニック結晶部が挟まれていることを特徴とする光学素子。
A transmission path that guides light incident from the incident end to the output end;
A photonic crystal part for applying a predetermined phase modulation to the light;
An energy application unit that applies energy to the photonic crystal unit in order to control the phase modulation by changing a refractive index of the photonic crystal unit,
The photonic crystal part is formed only on either the transmission line or the transmission line,
An optical element, wherein the photonic crystal portion is sandwiched between the transmission line and a cladding layer made of SiO 2 or SiON.
請求項1に記載の光学素子において、
前記伝送路は、前記光を2方向に分岐させる分岐部と、再び結合させ出射端へと導く結合部とを有し、
前記フォトニック結晶部は、少なくとも分岐後の一方の前記伝送路上又は前記伝送路下に形成されることを特徴とする光学素子。
The optical element according to claim 1,
The transmission path includes a branching portion that branches the light in two directions, and a coupling portion that is coupled again and led to the emission end,
The photonic crystal part is formed on at least one of the transmission paths after branching or below the transmission path.
請求項1又は2に記載の光学素子において、
前記伝送路の入射端は、光の進行方向に対して垂直な面の断面積が、当該光の進行方向に連続的に増大するよう形成され、
前記伝送路の出射端は、光の進行方向に対して垂直な面の断面積が、当該光の進行方向に連続的に減少するよう形成されることを特徴とする光学素子。
The optical element according to claim 1 or 2,
The incident end of the transmission path is formed such that a cross-sectional area of a plane perpendicular to the traveling direction of light continuously increases in the traveling direction of the light,
The optical element is characterized in that the emission end of the transmission path is formed such that a cross-sectional area of a plane perpendicular to the light traveling direction continuously decreases in the light traveling direction.
請求項1乃至3のいずれか一項に記載の光学素子において、
前記フォトニック結晶部の少なくとも一部は、前記光の進行方向に対して垂直な面の断面積が前記光の進行方向に連続的に増大又は減少するよう形成されることを特徴とする光学素子。
The optical element according to any one of claims 1 to 3,
At least a part of the photonic crystal part is formed so that a cross-sectional area of a plane perpendicular to the light traveling direction continuously increases or decreases in the light traveling direction. .
請求項1乃至4のいずれか一項に記載の光学素子において、
前記フォトニック結晶部の光の進行方向に沿った両側に、光の伝搬を抑制するバリア領域を有することを特徴とする光学素子。
The optical element according to any one of claims 1 to 4,
An optical element comprising barrier regions for suppressing light propagation on both sides of the photonic crystal portion along a light traveling direction.
請求項1乃至5のいずれか一項に記載の光学素子において、
前記フォトニック結晶部は屈折率の異なる第1の物質及び第2の物質とからなり、前記第1の物質が所定のサイズと所定の配置間隔で前記第2の物質中において面状に配して形成され、かつ、
前記第1の物質は、前記伝送路より低い屈折率を有する材料から成ることを特徴とする光学素子。
The optical element according to any one of claims 1 to 5,
The photonic crystal portion is composed of a first material and a second material having different refractive indexes, and the first material is arranged in a planar shape in the second material at a predetermined size and a predetermined arrangement interval. Formed, and
The optical element, wherein the first substance is made of a material having a refractive index lower than that of the transmission path.
請求項6に記載の光学素子において、
前記フォトニック結晶部の端部は、前記伝送路より高い屈折率を有する前記第2の物質から成り、当該端部は、前記光の進行方向に対して垂直な面の断面積が前記光の進行方向に連続的に増大又は減少するよう形成されることを特徴とする光学素子。
The optical element according to claim 6,
An end portion of the photonic crystal portion is made of the second material having a higher refractive index than the transmission path, and the end portion has a cross-sectional area of a plane perpendicular to the traveling direction of the light. An optical element formed so as to continuously increase or decrease in a traveling direction.
請求項6又は請求項7に記載の光学素子において、
前記第2の物質は、定常状態で所定の屈折率を有する半導体から成り、
前記エネルギー付与部は、前記半導体の屈折率を変化させるべく前記フォトニック結晶部に電圧を印加する電圧印加部を有することを特徴とする光学素子。
The optical element according to claim 6 or 7,
The second substance is made of a semiconductor having a predetermined refractive index in a steady state,
The optical element, wherein the energy applying unit includes a voltage applying unit that applies a voltage to the photonic crystal unit in order to change a refractive index of the semiconductor.
請求項8に記載の光学素子において、
前記フォトニック結晶部が、分岐後の双方の前記伝送路上又は前記伝送路下に夫々形成されている場合には、前記エネルギー付与部は、前記フォトニック結晶部ごとに独立して電圧を印加する前記電圧印加部を有することを特徴とする光学素子。
The optical element according to claim 8, wherein
When the photonic crystal part is formed on both of the transmission paths after branching or under the transmission path, the energy applying part applies a voltage independently for each of the photonic crystal parts. An optical element comprising the voltage application unit.
請求項2乃至請求項9のいずれか一項に記載の光学素子において、
前記伝送路、前記エネルギー付与部及び前記フォトニック結晶部は、SOI(Silicon-On-Insulator)基板上に形成され、
前記フォトニック結晶部は、少なくとも分岐後の一方の前記伝送路下に形成されることを特徴とする光学素子。
The optical element according to any one of claims 2 to 9,
The transmission path, the energy applying unit, and the photonic crystal unit are formed on an SOI (Silicon-On-Insulator) substrate,
The optical element, wherein the photonic crystal portion is formed at least under one of the transmission paths after branching.
請求項2乃至請求項9のいずれか一項に記載の光学素子において、
前記伝送路、前記エネルギー付与部及び前記フォトニック結晶部は、シリコン基板上に形成され、
前記フォトニック結晶部は、少なくとも分岐後の一方の前記伝送路上に形成されることを特徴とする光学素子。
The optical element according to any one of claims 2 to 9,
The transmission path, the energy applying unit, and the photonic crystal unit are formed on a silicon substrate,
The optical element, wherein the photonic crystal part is formed on at least one of the branched transmission lines.
請求項2乃至請求項11のいずれか一項に記載の光学素子を有する光変調器において、
前記エネルギー付与部にて前記フォトニック結晶部にエネルギーを付与し、前記伝送路によって導かれる前記光に対して、所定の位相変調を付与して当該光を前記エネルギーに応じた変調光とすることを特徴とする光変調器。
An optical modulator comprising the optical element according to any one of claims 2 to 11.
Energy is applied to the photonic crystal unit by the energy application unit, and a predetermined phase modulation is applied to the light guided by the transmission path to make the light modulated light according to the energy. An optical modulator characterized by.
請求項12に記載の光変調器において、
前記フォトニック結晶部が、分岐後の双方の前記伝送路上又は前記伝送路下に夫々形成されており、前記フォトニック結晶部ごとに独立して電圧を印加する前記電圧印加部は、符号が互いに反転した電圧を各前記フォトニック結晶部に印加することを特徴とする光変調器。
The optical modulator according to claim 12, wherein
The photonic crystal portions are formed on both of the transmission paths after branching or under the transmission paths, respectively, and the voltage application sections that apply voltages independently for each of the photonic crystal sections have the same sign. An optical modulator, wherein an inverted voltage is applied to each of the photonic crystal portions.
請求項2乃至請求項11のいずれか一項に記載の光学素子を有する光減衰器において、
前記光学素子から出射される前記光を検出する検出部と、
検出された前記光の強度に基づいて前記エネルギー付与部が前記フォトニック結晶部に付与すべきエネルギーを制御する制御部と、を有することを特徴とする光減衰器。
The optical attenuator having the optical element according to any one of claims 2 to 11,
A detection unit for detecting the light emitted from the optical element;
An optical attenuator comprising: a control unit that controls energy to be applied to the photonic crystal unit by the energy applying unit based on the detected intensity of the light.
請求項2乃至請求項11のいずれか一項に記載の光学素子を有する無線−光変換器において、
前記エネルギー付与部は、アンテナを介して受信した電波に基づいて、前記フォトニック結晶部にエネルギーを付与し、前記伝送路によって導かれる前記光に対して、所定の位相変調を付与して当該光を前記エネルギーに応じた変調光とすることを特徴とする無線−光変換器。
A wireless-to-optical converter comprising the optical element according to any one of claims 2 to 11.
The energy applying unit applies energy to the photonic crystal unit based on a radio wave received via an antenna, and applies predetermined phase modulation to the light guided by the transmission path to thereby output the light. Is a modulated light according to the energy.
請求項15に記載の無線−光変換器において、
前記フォトニック結晶部が、分岐後の双方の前記伝送路上又は前記伝送路下に夫々形成されており、前記フォトニック結晶部ごとに独立して電圧を印加する前記電圧印加部は、前記アンテナを介して受信した電波に基づいて、符号が互いに反転した電圧を各前記フォトニック結晶部に印加することを特徴とする無線−光変換器。
The radio-to-optical converter according to claim 15,
The photonic crystal part is formed on both of the transmission paths after branching or under the transmission path, respectively, and the voltage application unit that applies a voltage independently for each photonic crystal part includes the antenna. A radio-to-optical converter characterized in that, based on the radio wave received via the voltage, voltages having opposite signs are applied to the photonic crystal portions.
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