JPH11271541A - 波長分波回路 - Google Patents
波長分波回路Info
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- JPH11271541A JPH11271541A JP10092426A JP9242698A JPH11271541A JP H11271541 A JPH11271541 A JP H11271541A JP 10092426 A JP10092426 A JP 10092426A JP 9242698 A JP9242698 A JP 9242698A JP H11271541 A JPH11271541 A JP H11271541A
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- Japan
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- wavelength
- demultiplexing circuit
- wavelength demultiplexing
- refractive index
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
- G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
- G02B6/122—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths
- G02B6/1225—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths comprising photonic band-gap structures or photonic lattices
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Abstract
(57)【要約】
【課題】サイズの小型化を達成するとともに、高速化、
伝送効率等の素子特性、性能向上を図り、高集積化に好
適な波長分波回路の提供。 【解決手段】従来のＡＷＧのように個別に導波路を形成
せず、屈折率の異なる材料を周期的に配列することによ
り、通常の光学結晶にはない強い波長分散特性を作り出
し、波長偏向制御を行うものであり、背景媒質４に原子
媒質５を２次元三角配置状に埋め込んだ構造を持つ基板
１の両側を第一のクラッド２及び第二のクラッド３で挟
み、光信号の入射面６は入射方向に対して一定の角度で
傾いており、出射面７から出力される。原子媒質５の隣
接間隔は光信号の波長に合わせて設計してあり、基板１
の厚さは光信号が基板１内に十分閉じ込められ且つ光の
進行方向が基板面から大きく逸れないように設計されて
いる。
伝送効率等の素子特性、性能向上を図り、高集積化に好
適な波長分波回路の提供。 【解決手段】従来のＡＷＧのように個別に導波路を形成
せず、屈折率の異なる材料を周期的に配列することによ
り、通常の光学結晶にはない強い波長分散特性を作り出
し、波長偏向制御を行うものであり、背景媒質４に原子
媒質５を２次元三角配置状に埋め込んだ構造を持つ基板
１の両側を第一のクラッド２及び第二のクラッド３で挟
み、光信号の入射面６は入射方向に対して一定の角度で
傾いており、出射面７から出力される。原子媒質５の隣
接間隔は光信号の波長に合わせて設計してあり、基板１
の厚さは光信号が基板１内に十分閉じ込められ且つ光の
進行方向が基板面から大きく逸れないように設計されて
いる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、光集積回路に関
し、特に光通信、光制御などに用いられ、波長多重光伝
送方式などに用いて好適な平面型光集積回路に関する。
し、特に光通信、光制御などに用いられ、波長多重光伝
送方式などに用いて好適な平面型光集積回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】波長多重光通信方式においては、波長多
重された複数の信号光を、分波する、あるいは複数の信
号光を１本の導波路に合波する機能のデバイスが不可欠
である。そのような機能を有する光デバイスとして、ア
レイ導波路格子を用いた素子（以下、「ＡＷＧ」（Ａrr
ay Ｗave Ｇuide）という）が有力視されている。そ
の一例として、高橋らによって、１９９２年発行の電子
情報通信学会春季大会予稿第４分冊の第２７２頁に開示
されたＡＷＧの平面構造を図１３に示す。
重された複数の信号光を、分波する、あるいは複数の信
号光を１本の導波路に合波する機能のデバイスが不可欠
である。そのような機能を有する光デバイスとして、ア
レイ導波路格子を用いた素子（以下、「ＡＷＧ」（Ａrr
ay Ｗave Ｇuide）という）が有力視されている。そ
の一例として、高橋らによって、１９９２年発行の電子
情報通信学会春季大会予稿第４分冊の第２７２頁に開示
されたＡＷＧの平面構造を図１３に示す。
【０００３】図１３を参照すると、このＡＷＧ素子にお
いては、Ｓｉ基板からなる導波路基板５１上に石英系の
光導波路を形成しており、１１本の入力光導波路５２、
凹面構造のスラブ導波路からなる入力側スターカップラ
５３、アレイ導波路格子５４、出力側スターカップラ５
５、及び、出力導波路５６を備えている。１１本の入力
導波路５２の内の１本の導波路から入力された、波長の
異なる複数の信号光は、アレイ導波路格子部５４で波長
によって決定される位相シフトを受け、異なる出力ポー
トに出力される。すなわち、波長多重された信号光を分
波することができる。
いては、Ｓｉ基板からなる導波路基板５１上に石英系の
光導波路を形成しており、１１本の入力光導波路５２、
凹面構造のスラブ導波路からなる入力側スターカップラ
５３、アレイ導波路格子５４、出力側スターカップラ５
５、及び、出力導波路５６を備えている。１１本の入力
導波路５２の内の１本の導波路から入力された、波長の
異なる複数の信号光は、アレイ導波路格子部５４で波長
によって決定される位相シフトを受け、異なる出力ポー
トに出力される。すなわち、波長多重された信号光を分
波することができる。
【０００４】高橋らは、４１本のアレイ導波路格子を用
い、１．５μｍ波長帯において、周波数間隔１０ＧＨ
ｚ、チャンネル数１１の合分波器を製作し、クロストー
ク−１４ｄＢ、挿入損失８ｄＢ、３ｄＢ透過帯域幅６．
５ＧＨｚの特性を得ている。比屈折率差は７５％、基板
サイズは４ｃｍ×６ｃｍである。なお、同様のＡＷＧ素
子は、例えば特公平７−１１７６１２号公報にも開示さ
れている。
い、１．５μｍ波長帯において、周波数間隔１０ＧＨ
ｚ、チャンネル数１１の合分波器を製作し、クロストー
ク−１４ｄＢ、挿入損失８ｄＢ、３ｄＢ透過帯域幅６．
５ＧＨｚの特性を得ている。比屈折率差は７５％、基板
サイズは４ｃｍ×６ｃｍである。なお、同様のＡＷＧ素
子は、例えば特公平７−１１７６１２号公報にも開示さ
れている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来のＡＷＧ素子は下記記載の問題点を有している。
た従来のＡＷＧ素子は下記記載の問題点を有している。
【０００６】第１の問題点は、素子サイズが大きくな
る、ということである。その理由は、光の進む進路一つ
一つに、個別に導波路を作成する必要があり、各導波路
の曲げ半径に制限があるからである。
る、ということである。その理由は、光の進む進路一つ
一つに、個別に導波路を作成する必要があり、各導波路
の曲げ半径に制限があるからである。
【０００７】第２の問題点は、クロストークの低減が困
難である、ということである。その理由は、導波路を構
成するコアとクラッドの屈折率差をいくら大きくしても
ある程度の光信号の染み出しを避けられず、また上記サ
イズの制限からしても、導波路ピッチを十分大きくとる
ことは不可能である、からである。
難である、ということである。その理由は、導波路を構
成するコアとクラッドの屈折率差をいくら大きくしても
ある程度の光信号の染み出しを避けられず、また上記サ
イズの制限からしても、導波路ピッチを十分大きくとる
ことは不可能である、からである。
【０００８】したがって、本発明は、上記問題点に鑑み
てなされたものであって、その目的は、サイズの小型化
を達成し、高速化、伝送効率等の素子特性、性能向上を
図り、高集積化に好適とされる波長分波回路を提供する
ことにある。
てなされたものであって、その目的は、サイズの小型化
を達成し、高速化、伝送効率等の素子特性、性能向上を
図り、高集積化に好適とされる波長分波回路を提供する
ことにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成する本発
明は、波長一つ一つに導波路を形成することなく、基板
自体に波長偏向特性を持たせるようにしたものである。
より詳細には、本発明の波長分波回路は、基板自体に、
全体的に２次元格子状に屈折率の異なる媒質からなる周
期構造が形成されている。
明は、波長一つ一つに導波路を形成することなく、基板
自体に波長偏向特性を持たせるようにしたものである。
より詳細には、本発明の波長分波回路は、基板自体に、
全体的に２次元格子状に屈折率の異なる媒質からなる周
期構造が形成されている。
【００１０】
【発明の実施の形態】本発明の好ましい実施の形態につ
いて以下に説明する。本発明の波長分波回路は、その好
ましい実施の形態において、基板自体に、全体的に２次
元格子状に屈折率の異なる媒質からなる周期構造が形成
されている。基板の周期構造により、２次元状のフォト
ニック結晶が形成され、これにより、屈折率分散の異方
性が生じる。
いて以下に説明する。本発明の波長分波回路は、その好
ましい実施の形態において、基板自体に、全体的に２次
元格子状に屈折率の異なる媒質からなる周期構造が形成
されている。基板の周期構造により、２次元状のフォト
ニック結晶が形成され、これにより、屈折率分散の異方
性が生じる。
【００１１】この屈折率分散の異方性により、異なる波
長の光を同一進路で入射しても、異なる進路で伝播する
ようになる。つまり、通常の光学結晶のプリズム効果に
似た振る舞いを示す。
長の光を同一進路で入射しても、異なる進路で伝播する
ようになる。つまり、通常の光学結晶のプリズム効果に
似た振る舞いを示す。
【００１２】このフォトニック結晶では、通常の光学結
晶に比べ、格段に大きな偏向特性が得られると共に、吸
収を伴わないという点で、実際のデバイスに利用でき
る。
晶に比べ、格段に大きな偏向特性が得られると共に、吸
収を伴わないという点で、実際のデバイスに利用でき
る。
【００１３】本発明の実施の形態について図面を参照し
て説明する。図１は、本発明に係る波長分波回路の好ま
しい実施の形態の概略構成を模式的に示す分解斜視図で
ある。
て説明する。図１は、本発明に係る波長分波回路の好ま
しい実施の形態の概略構成を模式的に示す分解斜視図で
ある。
【００１４】図１を参照すると、本発明の波長分波回路
は、その好ましい実施の形態において、基板１の両面
を、第一のクラッド２及び第二のクラッド３で挟み込ん
だ構造となっている。そして、基板１は、背景媒質４に
原子媒質５を２次元三角配置状に周期的に埋め込んだ構
造とされている。
は、その好ましい実施の形態において、基板１の両面
を、第一のクラッド２及び第二のクラッド３で挟み込ん
だ構造となっている。そして、基板１は、背景媒質４に
原子媒質５を２次元三角配置状に周期的に埋め込んだ構
造とされている。
【００１５】図２は、基板１を、クラッドと対向する面
に平行に切断した平面形状を示す図である。図２を参照
すると、光信号の入射面６は、入射方向に対して一定の
角度で傾いており、出射面７から出力される構造とされ
ている。
に平行に切断した平面形状を示す図である。図２を参照
すると、光信号の入射面６は、入射方向に対して一定の
角度で傾いており、出射面７から出力される構造とされ
ている。
【００１６】原子媒質５の隣接間隔は、光信号の波長に
合わせて設計されており、基板１の厚さは、光信号が基
板１内に十分閉じ込められ、かつ、光の進行方向が基板
面から大きく逸れないように設計されている。
合わせて設計されており、基板１の厚さは、光信号が基
板１内に十分閉じ込められ、かつ、光の進行方向が基板
面から大きく逸れないように設計されている。
【００１７】次に、本発明の実施の形態の動作について
図１０を参照して説明する。
図１０を参照して説明する。
【００１８】波長多重されている入射光８は、基板１内
に入射した後、波長毎に別れて伝播光９となって進行す
る。出射光１０は、図示のごとく、ほぼ等間隔に出射さ
れる。この原理については、以下の実施例で詳しく説明
する。
に入射した後、波長毎に別れて伝播光９となって進行す
る。出射光１０は、図示のごとく、ほぼ等間隔に出射さ
れる。この原理については、以下の実施例で詳しく説明
する。
【００１９】
【実施例】本発明の実施例について図面を参照して以下
に説明する。図３は、本発明の一実施例を説明するため
の図であり、基板を、クラッドと対向する面に平行に切
断した平面の具体的構成を示す図である。なお、本発明
の一実施例の波長分波回路の全体の構成は、図１に示し
た構成と同一である。
に説明する。図３は、本発明の一実施例を説明するため
の図であり、基板を、クラッドと対向する面に平行に切
断した平面の具体的構成を示す図である。なお、本発明
の一実施例の波長分波回路の全体の構成は、図１に示し
た構成と同一である。
【００２０】図３を参照すると、本発明の一実施例にお
いては、基板１において、背景媒質４をＳｉ（シリコ
ン）とし、原子媒質５を空気とする。つまり、基板１
を、Ｓｉ基板中に貫通穴を設けて構成したものである。
いては、基板１において、背景媒質４をＳｉ（シリコ
ン）とし、原子媒質５を空気とする。つまり、基板１
を、Ｓｉ基板中に貫通穴を設けて構成したものである。
【００２１】ここで、基板１の厚さは１．９μｍであ
り、原子媒質５の形状は円柱状（図１参照）とし、開口
径０．７７μｍであり、そのアスペクト比は２．６とな
る。このアスペクト比であれば、原子媒質５をなす貫通
穴は、エッチング加工による作製も可能である。そして
原子媒質５の配列ピッチは０．８３μｍピッチとする。
そして、図１に示すように、この基板１の両面に、クラ
ッド２及び３となる十分な厚さのＳｉＯ2を貼り付け
る。
り、原子媒質５の形状は円柱状（図１参照）とし、開口
径０．７７μｍであり、そのアスペクト比は２．６とな
る。このアスペクト比であれば、原子媒質５をなす貫通
穴は、エッチング加工による作製も可能である。そして
原子媒質５の配列ピッチは０．８３μｍピッチとする。
そして、図１に示すように、この基板１の両面に、クラ
ッド２及び３となる十分な厚さのＳｉＯ2を貼り付け
る。
【００２２】結晶配列は、図３に示すように、三角格子
状とし、光入射面をＪ面（図３に示した、逆格子空間の
Ｊ点方向に垂直な面）に、光出射面をＸ面（図中のＢri
llouin Ｚone；ブリルアンゾーン参照）にとる。結晶
長は１ｍｍとする。
状とし、光入射面をＪ面（図３に示した、逆格子空間の
Ｊ点方向に垂直な面）に、光出射面をＸ面（図中のＢri
llouin Ｚone；ブリルアンゾーン参照）にとる。結晶
長は１ｍｍとする。
【００２３】次に本発明の一実施例の動作について説明
する。
する。
【００２４】１．＜フォトニックバンド構造＞：図３に
示した、この結晶構造で得られるフォトニックバンド構
造を、図４に示す。ここでは、磁場の偏波面がＳｉ面内
にあるＴＭモードのみを示しており、これを例に説明す
る。
示した、この結晶構造で得られるフォトニックバンド構
造を、図４に示す。ここでは、磁場の偏波面がＳｉ面内
にあるＴＭモードのみを示しており、これを例に説明す
る。
【００２５】図４において、一点鎖線は、真空中から入
射する光の分散直線（ω＝ｃｋ）であり、Γ―Ｘ間では
結晶内の分散曲線と２点で交差する。ここではより微係
数の小さい下から３番目の分枝（実線で示す）を用い
る。この分枝は、電子系との類似性から、“Ｈｅａｖｙ
Ｐｈｏｔｏｎ”（ヘヴィフォトン；重い光子）と呼ば
れる。図５に、この分枝の拡大詳細図を示す。
射する光の分散直線（ω＝ｃｋ）であり、Γ―Ｘ間では
結晶内の分散曲線と２点で交差する。ここではより微係
数の小さい下から３番目の分枝（実線で示す）を用い
る。この分枝は、電子系との類似性から、“Ｈｅａｖｙ
Ｐｈｏｔｏｎ”（ヘヴィフォトン；重い光子）と呼ば
れる。図５に、この分枝の拡大詳細図を示す。
【００２６】２．＜波長分散特性＞：この分散関係か
ら、屈折率の波長依存性を求め、これより結晶内でのビ
ーム伝播特性が得られる。図８に、屈折率（Ｒefrectiv
e Ｉndex）の波長（Ｗavelength）依存性を、図６に伝
播角（Ａngle）の波長依存性を、また図９に結晶長１ｍ
ｍの出射端での空間分布（縦軸は距離μｍ）を示す。図
９に示すように、波長１．５μｍを中心としてほぼリニ
アな空間分布特性が得られており、結晶長の半分に相当
する５００μｍの分布幅が得られる。
ら、屈折率の波長依存性を求め、これより結晶内でのビ
ーム伝播特性が得られる。図８に、屈折率（Ｒefrectiv
e Ｉndex）の波長（Ｗavelength）依存性を、図６に伝
播角（Ａngle）の波長依存性を、また図９に結晶長１ｍ
ｍの出射端での空間分布（縦軸は距離μｍ）を示す。図
９に示すように、波長１．５μｍを中心としてほぼリニ
アな空間分布特性が得られており、結晶長の半分に相当
する５００μｍの分布幅が得られる。
【００２７】屈折率ｎの波長依存性は、
【００２８】
【数１】
【００２９】の関係より、
【００３０】
【数２】
【００３１】となり、屈折率ｎは、図５の傾きの逆数か
ら得られる。
ら得られる。
【００３２】結晶内ビーム伝播角Θ２は上記ｎを用いて
スネルの式から、次式（３）で与えられる。
スネルの式から、次式（３）で与えられる。
【００３３】
【数３】
【００３４】これより、図９に示した空間分布が求めら
れる。
れる。
【００３５】入射光の結晶内への透過率Ｔの波長依存性
は、屈折率ｎとの関係で、次式（４）によって与えられ
る。
は、屈折率ｎとの関係で、次式（４）によって与えられ
る。
【００３６】
【数４】
【００３７】図４の一点鎖線で示した入射光分散との交
点に近いほど高い透過率を示す。透過率（Ｔransmisivi
ty）の計算結果は、図７に示すように、１．４９μｍか
ら１．５１μｍの全波長域で９０％以上となる。
点に近いほど高い透過率を示す。透過率（Ｔransmisivi
ty）の計算結果は、図７に示すように、１．４９μｍか
ら１．５１μｍの全波長域で９０％以上となる。
【００３８】以上得られた結果をまとめ、空間伝播の様
子を、図１０に示す。図１０を参照すると、出射端に、
１２５μｍピッチでファイバを配列した場合で５波、導
波路に導入するとして２５μｍピッチを想定すると、２
５波のＷＤＭ（ＷavelengthＤivision Ｍultiplex）ス
プリッターを実現できることになる。
子を、図１０に示す。図１０を参照すると、出射端に、
１２５μｍピッチでファイバを配列した場合で５波、導
波路に導入するとして２５μｍピッチを想定すると、２
５波のＷＤＭ（ＷavelengthＤivision Ｍultiplex）ス
プリッターを実現できることになる。
【００３９】厳密には入射角と結晶内の伝播角は異なる
ため、実際の伝播方向でのバンド構造を反映させなくて
はならないが、三角格子ではバンド構造がほぼ等方的で
あり近似的に正しい解が得られる。
ため、実際の伝播方向でのバンド構造を反映させなくて
はならないが、三角格子ではバンド構造がほぼ等方的で
あり近似的に正しい解が得られる。
【００４０】３．＜基板厚条件＞：スラブ構造のフォト
ニック結晶を２次元系として扱うことが出来るために
は、層方向に、平面波であるものとして近似できなくて
はならない。つまり、伝播角が面内からあまり逸れては
ならない。また、フォトニックバンドを形成するには屈
折率差の大きいことが重要であるから、スラブへの光閉
じ込めが弱いと、実効的に平均化され、顕著な効果が得
られない。これらを考慮して最適なスラブ厚を導出する
必要がある。厳密には３次元構造を正確に取り込む必要
があるが、本解析では、変数分離が可能であるとして、
近似的に以下のように仮定する。
ニック結晶を２次元系として扱うことが出来るために
は、層方向に、平面波であるものとして近似できなくて
はならない。つまり、伝播角が面内からあまり逸れては
ならない。また、フォトニックバンドを形成するには屈
折率差の大きいことが重要であるから、スラブへの光閉
じ込めが弱いと、実効的に平均化され、顕著な効果が得
られない。これらを考慮して最適なスラブ厚を導出する
必要がある。厳密には３次元構造を正確に取り込む必要
があるが、本解析では、変数分離が可能であるとして、
近似的に以下のように仮定する。
【００４１】・スラブへの光閉じ込め率：０．７以上。 ・伝播角の面内からのずれによるＴＥ−ＴＭミキシン
グ：０．１以下。 ・スラブ内の電磁場分布は均一分布。
グ：０．１以下。 ・スラブ内の電磁場分布は均一分布。
【００４２】これらの近似のもとに得られるスラブ厚条
件を以下順に説明する。
件を以下順に説明する。
【００４３】３−１．＜光閉じ込め率に対する条件＞：
フォトニック結晶の特異的な屈折率分散は、屈折率差の
大きい媒質を周期的に並べることにより得られる。従っ
て、このコントラストを落とすことのないよう、Ｓｉス
ラブへの光閉じ込め率を高く保つ必要がある。
フォトニック結晶の特異的な屈折率分散は、屈折率差の
大きい媒質を周期的に並べることにより得られる。従っ
て、このコントラストを落とすことのないよう、Ｓｉス
ラブへの光閉じ込め率を高く保つ必要がある。
【００４４】まず、Ｓｉスラブの膜厚ｄを屈折率分布で
規格化した規格化膜厚Ｄを以下の様に定義する。
規格化した規格化膜厚Ｄを以下の様に定義する。
【００４５】
【数５】
【００４６】ここで、ε１、ε２はそれぞれスラブ及び
クラッドの誘電率を、λ0は真空中の波長を示す。
クラッドの誘電率を、λ0は真空中の波長を示す。
【００４７】このＤを用いて、スラブへの光閉じ込め係
数（confinement factor）Γは、図１１に示すような
関係を示す。
数（confinement factor）Γは、図１１に示すような
関係を示す。
【００４８】ここで、Γ（ｎ＝０）は基本モードの光閉
じ込め率を、Γ（ｎ＝１）は第一高次モードの光閉じ込
め率を表す。規格化膜厚Ｄの増加にしたがって閉じ込め
は徐々に増加していくが、Ｄ＝３．２で高次モードが出
現し、多モード状態となる。この関係より、シングルモ
ードを保ちながら閉じ込め率７０％以上得るためには、
次式（８）が必要条件となる。
じ込め率を、Γ（ｎ＝１）は第一高次モードの光閉じ込
め率を表す。規格化膜厚Ｄの増加にしたがって閉じ込め
は徐々に増加していくが、Ｄ＝３．２で高次モードが出
現し、多モード状態となる。この関係より、シングルモ
ードを保ちながら閉じ込め率７０％以上得るためには、
次式（８）が必要条件となる。
【００４９】
【数６】
【００５０】３−２．＜伝播角に対する条件＞：完全な
２次元結晶ではＴＥとＴＭはそれぞれ場の固有モードと
なっており、カップリングはなく近似は入らない。ただ
し、現実の系では面内から逸れたビーム(Out of Plan
e Propagation）も考慮する必要があり、厳密には確か
にこのカップリングがある程度生じる。これを抑制する
には伝播角をできるだけ面内に揃える必要がある。
２次元結晶ではＴＥとＴＭはそれぞれ場の固有モードと
なっており、カップリングはなく近似は入らない。ただ
し、現実の系では面内から逸れたビーム(Out of Plan
e Propagation）も考慮する必要があり、厳密には確か
にこのカップリングがある程度生じる。これを抑制する
には伝播角をできるだけ面内に揃える必要がある。
【００５１】光強度が半分となる伝播角Θ1/2をやはり
屈折率分布で規格化した規格化伝播角Φ1/2を次式
（９）のように定義する。
屈折率分布で規格化した規格化伝播角Φ1/2を次式
（９）のように定義する。
【００５２】
【数７】
【００５３】この規格化伝播角Φ1/2の規格化膜厚Ｄ依
存性は、図１２のようになることが示される。
存性は、図１２のようになることが示される。
【００５４】光閉じ込めに対する条件（上式（８））よ
り、Ｄは２．０から３．２であることから、Φ1/2は、
次式（１０）となる。
り、Ｄは２．０から３．２であることから、Φ1/2は、
次式（１０）となる。
【００５５】
【数８】
【００５６】従って、実際の伝播角θ1/2を十分小さく
とるには、δεをできるだけ小さく設計する必要があ
る。ｓinθ1/2はＴＥ波とＴＭ波の結合係数を表すの
で、これを０．１以下に制限すると、上式（９）及び
（１０）より、次式（１１）が得られる。
とるには、δεをできるだけ小さく設計する必要があ
る。ｓinθ1/2はＴＥ波とＴＭ波の結合係数を表すの
で、これを０．１以下に制限すると、上式（９）及び
（１０）より、次式（１１）が得られる。
【００５７】
【数９】
【００５８】波長１．５μｍでのＳｉＯ2の屈折率を
１．４６とすると、フォトニック結晶の屈折率は１．４
８以下でなければならないことになる。以下に説明する
ように、屈折率を１．４８に設計できるとして、実際の
膜厚ｄは、次式（１２）のようになる。
１．４６とすると、フォトニック結晶の屈折率は１．４
８以下でなければならないことになる。以下に説明する
ように、屈折率を１．４８に設計できるとして、実際の
膜厚ｄは、次式（１２）のようになる。
【００５９】
【数１０】
【００６０】４．＜フォトニック結晶の実効屈折率＞：
Ｓｉ基板を三角格子配列で円筒状にくり貫いたフォトニ
ック結晶では、半導体中の空気の充填率(filing facto
r：ｆｆ)は、次式（１３）で表せる。
Ｓｉ基板を三角格子配列で円筒状にくり貫いたフォトニ
ック結晶では、半導体中の空気の充填率(filing facto
r：ｆｆ)は、次式（１３）で表せる。
【００６１】
【数１１】
【００６２】ここでｄholeは穴の直径、ｐは格子定数で
０．８３μｍである。
０．８３μｍである。
【００６３】電磁場が平均的に分布しているとした時の
実効屈折率ｎｅffは、この充填率ｆｆを用いて、次式
（１４）で与えられる。
実効屈折率ｎｅffは、この充填率ｆｆを用いて、次式
（１４）で与えられる。
【００６４】
【数１２】
【００６５】ここでｎ1は空気の屈折率で１、ｎ2はＳｉ
の屈折率で３．２４である。
の屈折率で３．２４である。
【００６６】従って、前節までに求めた条件、
【数１３】
【００６７】を満たすためには、ｄholeは次式（１６）
の条件とすればよいことがわかる。
の条件とすればよいことがわかる。
【００６８】
【数１４】
【００６９】以上より、Ｓｉ穴のアスペクト比は２．６
以上あれば十分であることが分かる。
以上あれば十分であることが分かる。
【００７０】本発明の他の実施例について説明する。前
記実施例では、Ｓｉ中に空気貫通穴を設ける構成で説明
したが、その他にも、例えば穴中にＳｉＯ2を埋める、
あるいはＳｉ基板に、酸化などの方式で、ＳｉＯ2など
の屈折率の異なる媒質を形成するようにしてもよい。
記実施例では、Ｓｉ中に空気貫通穴を設ける構成で説明
したが、その他にも、例えば穴中にＳｉＯ2を埋める、
あるいはＳｉ基板に、酸化などの方式で、ＳｉＯ2など
の屈折率の異なる媒質を形成するようにしてもよい。
【００７１】また、ＳｉでなくともＧａＡｓ、ＧａＮな
ど、他の材料を用いても作製可能である。
ど、他の材料を用いても作製可能である。
【００７２】さらに、クラッドを片側のみにすること
や、クラッド材料をＳｉＯ2以外の他の材料としたり、
貼り付けではなくクラッド上に基板材料を直接、結晶成
長などの方法で形成することも可能である。
や、クラッド材料をＳｉＯ2以外の他の材料としたり、
貼り付けではなくクラッド上に基板材料を直接、結晶成
長などの方法で形成することも可能である。
【００７３】前記実施例では、三角格子を例に取って説
明したが、正方格子など他の格子配列でも可能であり、
またより偏向特性を向上するために、格子配列中に意図
的に不均一性を導入するようにしてもよい。
明したが、正方格子など他の格子配列でも可能であり、
またより偏向特性を向上するために、格子配列中に意図
的に不均一性を導入するようにしてもよい。
【００７４】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば下
記記載の効果を奏する。
記記載の効果を奏する。
【００７５】本発明の第１の効果は、小型・軽量化、高
集積化を達成すると共に、高速化、伝送効率向上などの
特性・性能を向上することができる、ということであ
る。
集積化を達成すると共に、高速化、伝送効率向上などの
特性・性能を向上することができる、ということであ
る。
【００７６】その理由は、本発明においては、偏向角を
大きく取れ、サイズが小さくなるため、伝送距離も短く
なり、分岐損失も小さいためであるである。
大きく取れ、サイズが小さくなるため、伝送距離も短く
なり、分岐損失も小さいためであるである。
【００７７】本発明の第２の効果は、生産性の向上す
る、ということである。
る、ということである。
【００７８】その理由は、本発明においては、素子サイ
ズが小さくなり、同一面積のウエハから得られる素子数
が多くなるからである。
ズが小さくなり、同一面積のウエハから得られる素子数
が多くなるからである。
【図１】本発明の波長分波回路の実施の形態の構成を概
略を示す図である。
略を示す図である。
【図２】本発明の波長分波回路の実施の形態における基
板部の断面を模式的に示す図である。
板部の断面を模式的に示す図である。
【図３】本発明の一実施例を説明するための図であり、
基板の断面を模式的に示す図でる。
基板の断面を模式的に示す図でる。
【図４】本発明の一実施例を説明するための図であり、
波長分波回路で得られるフォトニックバンド構造であ
る。
波長分波回路で得られるフォトニックバンド構造であ
る。
【図５】本発明の一実施例を説明するための図であり、
解析で用いるΓ−Ｘ間の下から３番目の分枝の分散関係
詳細を示す図である。
解析で用いるΓ−Ｘ間の下から３番目の分枝の分散関係
詳細を示す図である。
【図６】本発明の一実施例を説明するための図であり、
屈折率の波長依存性を示す図である。
屈折率の波長依存性を示す図である。
【図７】本発明の一実施例を説明するための図であり、
結晶内伝播光の伝播角の波長依存性を示す図である。
結晶内伝播光の伝播角の波長依存性を示す図である。
【図８】本発明の一実施例を説明するための図であり、
結晶長を１ｍｍとした時の伝播光出射位置の波長依存性
を示す図である。
結晶長を１ｍｍとした時の伝播光出射位置の波長依存性
を示す図である。
【図９】本発明の一実施例を説明するための図であり、
入射光の結晶内への透過率の波長依存性を示す図であ
る。
入射光の結晶内への透過率の波長依存性を示す図であ
る。
【図１０】本発明の一実施例を説明するための図であ
り、空間伝播の様子を示す図である。
り、空間伝播の様子を示す図である。
【図１１】本発明の一実施例を説明するための図であ
り、閉じ込め係数Γと規格化膜厚Ｄの関係を示す図であ
る。
り、閉じ込め係数Γと規格化膜厚Ｄの関係を示す図であ
る。
【図１２】本発明の一実施例を説明するための図であ
り、規格化伝播角と規格化膜厚の関係を示す図である。
り、規格化伝播角と規格化膜厚の関係を示す図である。
【図１３】従来例のアレイ導波路格子の構造概略図であ
る。
る。
１ 基板 ２、３ クラッド ４、背景媒質 ５、原子媒質 ６ 入射面 ７ 出射面 ５１ 導波路基板 ５２ 入力光導波路 ５３ 入力側スターカップラ ５４ アレイ導波路格子 ５５ 出力側スターカップラ ５６ 出力導波路
Claims (13)
- 【請求項１】波長に応じて伝送経路を切り分ける波長分
波回路において、 導波領域全体に屈折率の異なる媒質を周期的に配列する
ことにより、通常の光学結晶にはない波長分散特性を作
り出し、その波長分散特性を制御することによって波長
分波を行う、ことを特徴とする波長分波回路。 - 【請求項２】請求項１記載の波長分波回路において、前
記波長分散特性のうち、分散の強い、“重い光子状態”
（“Ｈｅａｖｙ Ｐｈｏｔｏｎ”）を用いることによ
り、波長分波を行う、ことを特徴とする波長分波回路。 - 【請求項３】請求項１又は２記載の波長分波回路におい
て、導波領域を基板状とし、屈折率の異なる材料を２次
元周期的に配置することによって波長分散特性を制御す
ることを特徴とする波長分波回路。 - 【請求項４】請求項３記載の波長分波回路において、２
次元周期配列を、三角格子状とすることにより、重い光
子状態を作り出す、ことを特徴とする波長分波回路。 - 【請求項５】請求項３又は４記載の波長分波回路におい
て、基板に２次元周期的な貫通穴を配設することで屈折
率差が設けられている、ことを特徴とする波長分波回
路。 - 【請求項６】前記貫通穴がエッチング加工によって形成
されていることを特徴とする請求項５記載の波長分波回
路。 - 【請求項７】請求項３、４、５、及び６のいずれか一に
記載の波長分波回路において、導波基板の両面を低屈折
率の材料で挟み、機械強度を保ちつつ伝播モードを２次
元面内に制御してある、ことを特徴とする波長分波回
路。 - 【請求項８】背景媒質中に、該背景媒質と屈折率の異な
る媒質を、二次元的に複数個所定のピッチで配設するこ
とで屈折率の波長分散異方性を有する導波領域を構成
し、前記導波領域への入射光が前記導波領域中で波長に
応じてその伝送経路を変える、ことを特徴とする波長分
波回路。 - 【請求項９】導波領域をなす基板に、該基板表面からみ
て、２次元格子状に、前記基板と屈折率の異なる媒質を
複数配設することで、前記基板自体に波長偏向特性を持
たせ、前記基板に入射した光が波長に応じて前記基板中
でその伝送経路を変える、ことを特徴とする波長分波回
路。 - 【請求項１０】前記基板中に設けられる前記屈折率の異
なる媒質が、所定間隔で二次元周期的に配設されてい
る、ことを特徴とする請求項９記載の波長分波回路。 - 【請求項１１】前記基板の一の側面を入射面とし、前記
入射面が前記入射光と、所定の角度をなし、前記入射面
と対向する他側の側面を出射面とする、ことを特徴とす
る請求項９記載の波長分波回路。 - 【請求項１２】前記基板の厚さは、光信号が基板内に十
分閉じ込められ、かつ、その進行方向が前記基板面から
大きく逸れないように設定されている、ことを特徴とす
る請求項９記載の波長分波回路。 - 【請求項１３】前記基板中に設けられる前記屈折率の異
なる媒質が、前記基板表面から裏面側へ貫通する孔中の
空気、もしくは前記孔に、前記基板と屈折率の異なる部
材を充填して構成されている、ことを特徴とする請求項
９記載の波長分波回路。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP09242698A JP3349950B2 (ja) | 1998-03-20 | 1998-03-20 | 波長分波回路 |
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|---|---|---|---|
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|---|---|
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ID=14054116
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|---|---|---|---|
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-
1998
- 1998-03-20 JP JP09242698A patent/JP3349950B2/ja not_active Expired - Fee Related
-
1999
- 1999-03-18 US US09/271,824 patent/US6188819B1/en not_active Expired - Lifetime
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