KR20040073317A

KR20040073317A - 2차원 포토닉 결정 중의 공진기와 파장 분합파기

Info

Publication number: KR20040073317A
Application number: KR1020040008260A
Authority: KR
Inventors: 노다스스무; 아사노다카시; 아카하네요시히로
Original assignee: 교또 다이가꾸; 스미토모 덴키 고교 가부시키가이샤
Priority date: 2003-02-10
Filing date: 2004-02-09
Publication date: 2004-08-19
Also published as: JP2004245866A; CA2456515A1; EP1445630A3; CN1521524A; JP3847261B2; CN100365453C; EP1445630A2; DE602004032074D1; EP1445630B1; TW200428730A; US7120344B2; US20040165850A1

Abstract

2차원 포토닉(photonic) 결정 중에 있어서, Q 값이 높아진 공진기를 제공하고, 또한 그러한 공진기와 도파로를 조합하여 높은 파장 분해능을 갖는 파장 분합파기를 제공한다.

2차원 포토닉 결정 중의 점 형상 결함으로 이루어지는 공진기에서는, 2차원 포토닉 결정은 판재(1) 내에 설정된 2차원 격자점에서 판재(1)에 비해 작은 굴절율을 갖고 또한 동일한 치수 형상의 저 굴절율 물질(2)을 배치함으로써 구성되어 있으며, 점 형상 결함(4)은 3 이상의 서로 인접하는 복수의 격자점을 포함하고 있고 이들의 격자점에는 저 굴절율 물질(2)이 배치되어 있지 않고, 점 형상 결함(4)에 가장 근접한 격자점 중 적어도 하나에 대응하여 배치되어야 할 저 굴절율 물질(2)이 그 격자점으로부터 소정 거리만큼 변위시켜 배치되어 있는 것을 특징으로 하고 있다.

Description

2차원 포토닉 결정 중의 공진기와 파장 분합파기{TWO-DIMENSIONAL PHOTONIC CRYSTAL CAVITY AND CHANNEL ADD/DROP FILTER}

본 발명은 포토닉(photonic) 결정을 이용한 공진기 및 파장 분합파기에 관한 것으로, 특히 2차원 포토닉 결정을 이용한 공진기 및 파장 분합파기의 특성 개선에 관한 것이다. 또, 본원 명세서에 있어서의 「광」이란 용어의 의미는, 가시광에 비해 파장이 긴 또는 짧은 전자파도 포함하는 것으로 한다.

최근의 파장 분할 다중 통신 시스템의 진전에 따라, 대용량화를 목표로 한 초소형의 분합파기나 파장 필터의 중요성이 높아지고 있다. 그래서, 포토닉 결정을 이용하여 매우 소형의 광 분합파기를 개발하는 것이 시도되고 있다. 즉, 포토닉 결정에 있어서는, 모재 중에서 결정 격자와 같이 주기적인 굴절율 분포가 인공적으로 마련되고, 그 인공적 주기 구조를 이용하여 신규인 광학 특성을 실현하는것이 가능하다.

포토닉 결정이 갖는 중요한 특성으로서, 포토닉 밴드 갭의 존재가 있다. 3차원적 굴절율 주기를 갖는 포토닉 결정(3차원 포토닉 결정)에서는, 모든 방향에 대해 광의 전파가 금지되는 완전 밴드 갭을 형성할 수 있다. 이에 따라, 국소적인 광의 구속, 자연 방출광의 제어, 선 형상 결함의 도입에 의한 도파로의 형성 등이 가능해져, 미소 광 회로의 실현이 기대될 수 있다.

한편, 2차원적 굴절율 주기 구조를 갖는 포토닉 결정(2차원 포토닉 결정)은 비교적 용이하게 제작될 수 있기 때문에, 그 이용이 한창 검토되고 있다. 2차원 포토닉 결정의 굴절율 주기 구조는, 예컨대 고 굴절율의 판재(통상 「슬랩(slab)」이라 칭함)를 관통하는 원주 구멍을 정방 격자 형상 또는 육방 격자 형상으로 배열함으로써 형성될 수 있다. 또는, 저 굴절율 판재 중에 고 굴절율 재료의 원주를 2차원 격자 형상으로 배열함으로써 형성될 수 있다. 이러한 굴절율 주기 구조로부터 포토닉 밴드 갭이 발생하여, 판재 중의 면내 방향(판재의 양 주면에 평행한 방향)에 있어서 광의 전파가 제어될 수 있다. 예컨대, 굴절율 주기 구조 중에 선 형상의 결함을 도입함으로써, 도파로를 형성할 수 있다(예컨대, Physical Review B, Vol.62, 2000, pp.4488-4492 참조).

도 12는, 일본 특허 공개 2001-272555 호 공보에 개시된 파장 분합파기를 모식적인 사시도로 나타내고 있다. 또, 본원의 도면에 있어서, 동일한 참조 부호는 동일 또는 상당 부분을 나타내고 있다. 도 12의 파장 분합파기는, 판재(1) 내에 설정된 2차원 육방 격자점으로 형성된 동일 지름의 원통형 관통 구멍(2)(통상, 구멍 내부는 공기)을 갖는 2차원 포토닉 결정을 이용하고 있다. 이러한 2차원 포토닉 결정에 있어서, 광은 판재(1)의 면내 방향에서는 밴드 갭에 의해 전파가 금지되고, 면에 수직하는 방향(판재의 양 주면에 직교하는 방향)으로는 저 굴절율 재료(예컨대, 공기)와의 계면에 의한 전 반사에 의해 가두어진다.

도 12에 있어서의 포토닉 결정은, 직선 형상의 결함으로 이루어지는 도파로(3)를 포함하고 있다. 이 직선 형상 결함(3)은 서로 인접하여 직선 형상으로 배열된 복수의 격자점을 포함하고, 이들의 격자점에는 관통 구멍(2)이 형성되어 있지 않다. 광은 2차원 포토닉 결정의 결함 내를 전파할 수 있어, 직선 형상 결함(3)은 직선 형상 도파로로서 작용할 수 있다. 직선 형상 도파로에 있어서는, 광을 저 손실로 전파시킬 수 있는 파장 영역이 비교적 넓고, 따라서 복수 채널의 신호를 포함하는 복수 파장 대역의 광을 전파시킬 수 있다.

또, 도파로로서의 직선 형상 결함의 폭은, 그 도파로로서 구해지는 특성에 따라서, 각각 변경하는 것이 가능하다. 가장 전형적인 도파로는, 상술한 바와 같이, 1열의 격자점열에 관통 구멍을 형성하지 않는 것에 의해 얻어진다. 그러나, 도파로는, 인접하는 복수열의 격자점열에 관통 구멍을 형성하지 않는 것에 의해서도 형성될 수 있다. 또한, 도파로의 폭은 격자 정수의 정수 배에 한정되지 않고, 임의의 폭을 갖는 것도 가능하다. 예컨대, 직선 형상 도파로의 양측의 격자를 임의의 거리만큼 상대적으로 변위시킴으로써, 임의의 폭의 도파로를 형성하는 것도 가능하다.

도 12에 있어서의 포토닉 결정은, 점 형상 결함으로 이루어지는 공진기(4)를포함하고 있다. 이 점 결함(4)은 하나의 격자점을 포함하고, 그 격자점에는 다른 격자점에 비해 큰 지름의 관통 구멍이 형성되어 있다. 이와 같이 상대적으로 큰 지름의 관통 구멍을 포함하는 결함은, 일반적으로 억셉터(accepter)형의 점 형상 결함으로 칭해지고 있다. 한편, 격자점에 관통 구멍이 형성되어 있지 않은 결함은, 일반적으로 도너형의 점 형상 결함으로 칭해지고 있다. 공진기(4)는, 도파로(3)에 대해 전자기적으로 상호 작용을 미칠 수 있는 범위 내에 근접하여 배치된다.

도 12에 도시되어 있는 바와 같은 2차원 포토닉 결정에 있어서, 복수의 파장 대역(λ1, λ2,..λi,...)을 포함하는 광(5)을 도파로(3) 내에 도입하면, 공진기(4)의 공진 주파수에 대응하는 특정 파장 λi을 갖는 광이 그 공진기에 포획되고, 점 형상 결함 내부에서 공진하고 있는 동안에, 판재(1)의 유한 두께에 기인하는 Q 값이 작은 면에 수직하는 방향으로 파장 λi의 광(6)이 방사된다. 즉, 도 12의 포토닉 결정은 파장 분파기로서 작용할 수 있다. 반대로, 판재(1)의 면에 수직하는 방향으로 광을 점 형상 결함(4) 내에 입사함으로써, 그 공진기(4) 내에서 공진하는 파장 λi의 광을 도파로(3) 내에 도입할 수 있다. 즉, 도 12의 포토닉 결정은 파장 합파기로서도 작용할 수 있다. 또, 도파로(3) 또는 공진기(4)와 외부 사이의 광의 전달은, 그 도파로의 단면 근방 또는 공진기 근방에 광 파이버 또는 광전 변환 소자를 근접 배치함으로써 실행할 수 있다. 물론, 그 경우에, 도파로 단면 또는 공진기와 광 파이버 단면 또는 광전 변환 소자와의 사이에 집광 렌즈(콜리메이터)가 삽입되더라도 좋다.

도 12에 도시되어 있는 바와 같은 파장 분합파기에 있어서, 선 형상 결함으로 이루어지는 도파로(3)와 점 형상 결함으로 이루어지는 공진기(4)와의 간격을 적절하게 설정함으로써, 이들 도파로와 공진기의 사이에서 전달하는 특정 파장의 광 강도의 비율을 제어하는 것도 가능하다. 또한, 도 12에 있어서 점 형상 결함(4)에 관해서 판재(1)의 면에 수직하는 방향으로 비대칭성이 도입되어 있지 않기 때문에, 광은 그 점 형상 결함(4)의 상하 방향으로 출력되지만, 점 형상 결함(4)에 있어서 면에 수직하는 방향으로 비대칭성을 도입함으로써, 상하 중 어느 하나에만 광을 출력시키는 것도 가능하다. 그러한 비대칭성의 도입 방법으로서는, 예컨대 원형 단면의 점 형상 결함(4)의 지름을 판재의 두께 방향으로 연속적 또는 불연속적으로 변화시키는 방법을 이용할 수 있다. 또한, 도 12의 파장 분합파기는 단일의 공진기만을 포함하고 있지만, 서로 공진 파장이 상이한 복수의 공진기를 도파로에 따라 배치함으로써, 복수 채널의 광 신호를 분합파할 수 있음을 용이하게 이해하게 될 것이다.

일본 특허 공개 2001-272555 호 공보에 개시되어 있는 바와 같은 억셉터형의 점 형상 결함을 이용한 공진기의 Q 값은 500 정도이며, 그러한 공진기로부터 출력되는 피크 파장의 광의 반값전폭(FWHM)은 3㎚ 정도이다.

그러나, 파장 분할 다중 통신에 있어서는, 약 100 GHz의 주파수로 약 0.8㎚의 피크 파장 간격의 다채널 신호를 이용하는 것이 검토되고 있다. 즉, 일본 특허공개 2001-272555 호 공보에 개시되어 있는 바와 같은 공진기에서는 Q 값의 크기가 불충분하고, 3㎚의 반값전폭에서는 약 0.8㎚의 피크 파장 간격의 다채널 신호를 서로 분리하는 데에는 완전히 불충분하다. 즉, 2차원 포토닉 결정을 이용한 공진기의 Q 값을 높이고, 거기로부터 출력되는 피크 파장의 광의 반값전폭을 작게 하는 것이 요망되고 있다.

이러한 종래 기술에 있어서의 상황을 감안하여, 본 발명의 주요한 목적은, 2차원 포토닉 결정 중에 있어서, Q 값이 높아진 공진기를 제공하고, 또한 그러한 공진기와 도파로를 조합하여 높은 파장 분해능을 갖는 파장 분합파기를 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 2차원 포토닉 결정 중의 공진기의 일례에 있어서의 주요한 특징을 설명하기 위한 모식적인 평면도,

도 2는 2차원 포토닉 결정 중의 공진기의 일례에 관한 시뮬레이션에 있어서 판재의 면에 수직하는 방향으로부터 본 공진기로부터의 광의 방사 패턴을 도시하는 도면,

도 3은 본 발명에 따른 공진기의 일례에 관한 시뮬레이션에 있어서 판재의 면에 수직하는 방향으로부터 본 공진기로부터의 광의 방사 패턴을 도시하는 도면,

도 4는 본 발명에 따른 공진기의 다른 예에 관한 시뮬레이션에 있어서 판재의 면에 수직하는 방향으로부터 본 공진기로부터의 광의 방사 패턴을 도시하는 도면,

도 5는 도 1에 도시되어 있는 바와 같은 점 형상 결함에 있어서의 Γ-J 방향의 n의 변위 거리와 공진기의 Q 값과의 관계를 도시하는 도면,

도 6은 공진기로부터의 주 방사광에 대한 사이드 로브(side lobes)의 파워 비를 n의 변위 거리와의 관계로 나타내는 그래프,

도 7은 본 발명에 따른 공진기의 또 다른 예에 관한 시뮬레이션에 있어서 판재의 면에 수직하는 방향으로 본 공진기로부터의 광의 방사 패턴을 나타내고 있는 도면.

도 8은 점 형상 결함에 가장 근접한 격자점에 대응하는 적어도 하나의 관통 구멍 뿐만 아니라, 두 번째로 근접한 격자점에 대응하는 적어도 하나의 관통 구멍을 그 대응하는 격자점으로부터 소정 거리만큼 변위시키는 상황을 나타내는 모식적인 평면도,

도 9는 본 발명에 의해서 실제로 제작된 2차원 포토닉 결정의 파장 분합파기를 나타내는 주사형 전자 현미경(SEM) 사진도,

도 10은 도 9 중의 도파로 내로 각종 파장을 포함하는 광을 도입한 경우에 공진기로부터 판재의 면에 수직하는 방향으로 방사된 광의 파장과 강도의 관계를 나타내는 그래프,

도 11은 본 발명의 실시예의 다른 예에 있어서의 파장 분합파기를 나타내는 모식적인 사시도,

도 12는 선행 기술에 따른 2차원 포토닉 결정을 이용한 파장 분합파기를 나타내는 모식적인 사시도,

도 13은 2차원 포토닉 결정 중에 있어서 복수의 격자점을 포함하는 도너(donor)형 점 형상 결함의 예를 나타내는 모식적인 평면도.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1 : 판재

2 : 관통 구멍

3, 3a, 3b : 도파로

4 : 광 형상 결함으로 이루어지는 공진기

5 : 도파로에 도입되는 광

6 : 공진기로부터 방사되는 광

본 발명에 따른 2차원 포토닉 결정 중의 점 형상 결함으로 이루어지는 공진기에서는, 2차원 포토닉 결정은 판재 내에 설정된 2차원 격자점에서 판재에 비해 작은 굴절율을 갖고 또한 동일한 치수 형상의 저 굴절율 물질을 배치함으로써 구성되어 있고, 점 형상 결함은 3 이상의 서로 인접하는 복수의 격자점을 포함하고 있으며 이들의 격자점에는 저 굴절율 물질이 배치되어 있지 않고, 점 형상 결함에 가장 근접한 격자점 중 적어도 하나에 대응하여 배치되어야 할 저 굴절율 물질이 그 격자점으로부터 소정 거리만큼 변위시켜 배치되어 있는 것을 특징으로 하고 있다.

또, 점 형상 결함에 두 번째로 근접한 격자점 중 적어도 하나에 대응하여 배치되어야 할 저 굴절율 물질도, 그 격자점으로부터 소정량만큼 변위시켜 배치되어있더라도 좋다. 또한, 점 형상 결함은, 6 이하의 격자점을 포함하고 있는 것이 바람직하다. 공진기에 있어서 공진하는 광의 파장은, 점 형상 결함의 치수 형상에 의존하여 조정될 수 있고, 또한 포토닉 결정의 격자 정수를 변경하는 것에 의해서도 조정될 수 있다. 점 형상 결함은, 선분 형상으로 배열된 복수의 격자점을 포함하고 있는 것이 바람직하다.

저 굴절율 물질은, 판재를 관통하는 원주 내에 충전될 수 있다. 2차원 격자점은 육방 격자 배열되어 있는 것이 바람직하다. 판재는, 2.0 이상의 굴절율을 갖는 것이 바람직하다.

이상과 같은 공진기를 1 이상 포함하는 본 발명에 따른 파장 분합파기는, 2차원 포토닉 결정 중의 선 형상 결함으로 이루어지는 도파로를 1 이상 포함하고, 공진기는 도파로에 대해 전자기적으로 상호 작용을 발생하는 거리 내에 근접하여 배치되어 있는 것을 특징으로 하고 있다. 이러한 파장 분합파기는, 서로 공진 주파수가 상이한 복수의 공진기를 포함하는 것에 의해, 멀티채널 광 신호용의 파장 분합파기로서 작용할 수 있다.

(발명의 실시예)

우선, 본 발명자 등은, 도 12에서와 같은 2차원 포토닉 결정 중의 억셉터형의 점 형상 결함으로 이루어지는 공진기가 아니라, 도너형의 점 형상 결함으로 이루어지는 공진기의 특성에 대해 조사하였다. 전술한 바와 같이, 도너형의 점 형상 결함은 1 이상의 격자점을 포함하고, 그 격자점에는 관통 구멍이 형성되어 있지 않다.

종래에서는, 단일의 격자점만을 포함하는 점 형상 결함이, 그 구조의 단순성으로부터 전자적 해석이 용이하고, 또한 최소한의 사이즈라고 하는 관점에서 주로 검토되어 왔다. 즉, 도너형에 있어서도, 복수의 격자점을 포함하는 점 형상 결함에 대해서는, 종래에서는 그다지 조사되어 있지 않았다. 그래서, 본 발명자 등은, 복수의 격자점을 포함하는 도너형 점 형상 결함의 특성에 대해 조사하였다.

도 13은, 복수의 격자점을 포함하는 도너형 점 형상 결함을 포함하는 2차원 포토닉 결정의 일부를 나타내는 모식적인 평면도이다. 이 2차원 포토닉 결정에 있어서, 판재(1) 중에 설정된 육방 격자점에 관통 구멍(2)이 마련되어 있다. 도 13의 (a)의 점 형상 결함(4)은 선분 형상으로 서로 인접하는 3개의 격자점을 포함하고, 이들의 격자점에는 관통 구멍(2)이 마련되어 있지 않다. 한편, 도 13의 (b)의 점 형상 결함(4)은 삼각형 형상으로 서로 인접하는 3개의 격자점을 포함하고, 이들의 격자점에는 관통 구멍(2)이 마련되어 있지 않다. 즉, 점 형상 결함(4)은, 1 차원적으로 서로 인접하는 복수의 격자점을 포함하여 형성될 수 있고, 2차원적으로 서로 인접하는 복수의 격자점을 포함하여 형성되더라도 좋다.

본 발명자 등이 복수의 격자점을 포함하는 도너형 점 형상 결함에 대해 주지의 시간 영역 차분(FDTD)법(일본 특허 공개 2001-272555 호 공보 참조)을 이용하여 전자적 해석을 행한 바, l개 또는 2개의 격자점을 포함하는 도너형 점 형상 결함으로 이루어지는 공진기에 비해, 3개 이상의 격자점을 포함하는 도너형 점 형상 결함으로 이루어지는 공진기에서 높은 Q 값이 얻어지는 것을 알 수 있었다. 단, 점 형상 결함에 포함되는 격자점의 수가 너무 커지면 공진 모드의 수가 많아져서 바람직하지 않고, 그 격자점의 수는 6 이하인 것이 바람직하다.

예컨대, 도 13의 (a)에 도시되어 있는 바와 같은 공진기에 있어서, 그 단체에서는 Q=5200이며, 도파로와 조합하면 약 2600의 Q 값이 얻어지고, 그 공진기로부터의 출력 광의 반값전폭은 약 0.6㎚으로 될 수 있다. 그러나, 전술한 바와 같이 약 100 GHz의 주파수로 약 0.8㎚의 파장 피크 간격의 다채널 신호를 이용하는 파장 분할 다중 통신에 있어서의 누화를 고려하면, Q 값의 향상이 더 요망된다.

도 1은, 본 발명에 따른 공진기의 일례에 있어서의 주요한 특징을 설명하기 위한 모식적인 평면도이다. 이 도 1의 2차원 포토닉 결정에 있어서, 판재(1) 내에 2차원 육방 격자점이 설정되어 있고, 이들의 격자점에 동일 형태의 원통형 관통 구멍(2)이 형성되어 있다. 이 육방 격자에 있어서의 가장 근접한 격자점 간격(격자 정수)은, a로 나타내어져 있다. 도 1에 도시된 도너형 점 형상 결함은 서로 선분 형상으로 인접하여 배열된 3개의 격자점을 포함하고 있고, 이들의 격자점에는 관통 구멍(2)이 형성되어 있지 않다.

본 발명에 따른 도너형 점 형상 결함에 있어서의 주요한 특징은, 그 점 형상 결함에 가장 근접한 관통 구멍(2) 중 적어도 하나가 그 대응하는 격자점으로부터 소정 거리만큼 변위시켜 형성되어 있는 것이다. 도 1에 있어서, 서로 직교하는 Γ-X 축과 Γ-J 축은, 관통 구멍(2)이 그 대응하는 격자점으로부터 어긋나 있는 방향을 나타내고 있다. 또한, 도 1 중의 부호 1, m, 및 n으로 도시된 화살표는, 점 형상 결함에 가장 근접한 격자점에 대응하여 형성되는 관통 구멍(2)이 이들의 격자점으로부터 변위시키는 방향을 나타내고 있다. 또, 도 1 중의 변위 방향은 단순한 예시로서, 임의의 방향으로 변위시켜도 됨은 말할 필요도 없다.

이후, 점 형상 결함에 가장 근접한 관통 구멍(2)이 이들의 대응하는 격자점으로부터 변위시키고 있는 상태가, 변위 거리=(1, m, n)로서 표시된다. 예컨대, 변위 거리=(O.1a, 0.2a, 0.3a)의 표시는, 부호 l로 나타내어진 화살표에 대응하는 관통 구멍이 이들의 대응하는 격자점으로부터 O.1a의 거리만큼 변위시키고 있는 것을 의미하며, 마찬가지로 부호 m으로 나타내어진 화살표에 대응하는 관통 구멍이 이들의 대응하는 격자점으로부터 0.2a의 거리만큼 변위시키고 있는 것을 의미하며, 그리고 부호 n으로 나타내어진 화살표에 대응하는 관통 구멍이 이들의 대응하는 격자점으로부터 0.3a의 거리만큼 변위시키고 있는 것을 의미하고 있다.

도 1에 도시되어 있는 바와 같은 도너형 점 형상 결함(4)으로 이루어지는 공진기에 대해, Q 값과 광 방사 패턴이 FDTD법에 의해서 시뮬레이트되었다. 그 시뮬레이션 조건에 있어서, 판재(1)로서 Si, 파장 λ로서 일반적으로 광 통신에서 이용되고 있는 1.55㎛ 근방, 격자 정수 a로서 0.42㎛, 판재(1)의 두께로서 0.6a, 그리고 관통 구멍(2)의 단면 반경 r로서 0.29a가 설정되었다.

이러한 조건 하에 있어서의 시뮬레이션에서, (1, m, n)=(O, O, 0)인 경우에 Q 값으로서 5200이 얻어지고, 도 2는 그 경우에 있어서 판재(1)의 면에 수직하는 방향으로부터 본 공진기(4)로부터의 광의 방사 패턴을 나타내고 있다. 마찬가지의 시뮬레이션에 있어서, (1, m, n)=(0, 0, 0.15a)인 경우에 Q 값으로서 43000이 얻어지고, 도 3은 그 경우에 있어서의 공진기(4)로부터의 광의 방사 패턴을 나타내고있다.

이러한 시뮬레이션으로부터 알 수 있는 바와 같이, 선분 형상으로 서로 인접하는 3개의 격자점을 포함하는 도너형 점 형상 결함에 있어서, 그 선분의 양단에 인접하는 관통 구멍을 그 대응하는 격자점으로부터 0.15a의 거리만큼 변위시킴으로써, Q 값이 5200으로부터 43000으로 크게 높아지고, 또한 도 2와 도 3의 비교로부터 알 수 있는 바와 같이 광의 방사각도 작아지고 있다.

또한 n의 변위 거리를 크게 하고 (1, m, n)=(0, 0, 0.20a)으로 한 경우, 더욱 높은 Q 값= 100000이 얻어지고, 도 4는 그 경우에 있어서의 공진기로부터의 광의 방사 패턴을 나타내고 있다. 도 4에 있어서는 도 3에 비해 광의 방사각이 커지고 있고, 도 4에 있어서의 중앙의 주 방사광의 상하에서 사이드 로브(부차광)가 현저하게 되어 있다. 즉, 점 형상 결함(4)에 가장 근접한 관통 구멍(2)을 그 대응하는 격자점으로부터 변위시키는 거리를 증대시킴에 따라 Q 값도 증대하는 경향에 있지만, 공진기(4)로부터의 광의 방사각의 관점에서는 반드시 그 변위 거리가 큰 쪽이 좋은 것은 아니다.

도 5의 그래프는, 도 1에 도시되어 있는 바와 같은 점 형상 결함에 있어서의 Γ-J 방향의 n의 변위 거리와 Q 값과의 관계를 나타내고 있다. 이 그래프에 있어서, 가로축은 n의 변위 거리를 격자 정수 a로 규격화하여 나타내고 있고, 세로축은 Q 값을 나타내고 있다. 도 5로부터, n의 변위 거리의 증대에 의한 Q 값의 증대에도 한계가 있는 것을 알 수 있다. 즉, n의 변위 거리가 0.20a까지 증대함에 따라 Q 값도 지수 함수적으로 증대하여 극대값의 100000에 도달하지만, n의 변위 거리가더 증대하면 Q 값은 반대로 급감한다.

도 6의 그래프에 있어서는, 도 4에서 명료하게 보이는 바와 같은 사이드 로브와 주방사광의 파워 비가, n의 변위 거리와의 관계로 도시되어 있다. 이 그래프에서, 가로축은 n의 변위 거리를 격자 정수 a로 규격화하여 나타내고 있고, 세로축은 주방사광에 대한 사이드 로브의 방사 파워 비를 나타내고 있다. 도 6에 있어서, 사이드 로브를 포함하는 방사광의 방사각은 n의 변위 거리가 0.15a인 경우에 가장 작고, n의 변위 거리가 0.25a인 경우에 가장 크게 됨을 알 수 있다.

변위 거리가 (1, m, n)=(O.11a, O.11a, O)인 경우에 있어서도, 관통 구멍이 격자점으로부터 변위시키고 있지 않은 (1, m, n)=(O, O, O)인 경우에 비해 높은 Q 값=11900이 얻어지고, 도 7은 그 경우에 있어서의 공진기로부터의 광의 방사 패턴을 나타내고 있다. 도 7에 있어서, (l, m, n)=(0, 0, 0)인 경우의 도 3과의 비교로부터 알 수 있는 바와 같이, 광 방사의 방사각도 작아지고 있다.

도 8이 모식적인 평면도는, 도 1과 유사하고 있지만, 점 형상 결함(4)에 가장 근접한 격자점에 대응하는 적어도 하나의 관통 구멍(2) 뿐만 아니라, 두 번째로 근접한 격자점에 대응하는 적어도 하나의 관통 구멍(2)도 그 대응하는 격자점으로부터 소정 거리만큼 변위시키는 경우를 모식적으로 나타내고 있다. 공진기의 Q 값의 향상을 위해서는, 상술한 바와 같이 점 형상 결함(4)에 가장 근접한 격자점에 대응하는 관통 구멍을 그 대응하는 격자점으로부터 소정 거리만큼 변위시키는 것이 가장 효과적이지만, 두 번째로 근접한 격자점에 대응하는 관통 구멍(2)을 그 대응하는 격자점으로부터 소정 거리만큼 변위시키는 것도 Q 값을 더 개선하는 효과를발생한다.

도 9는, 실제로 제작된 2차원 포토닉 결정의 일부를 나타내는 주사형 전자 현미경(SEM) 사진이다. 이 2차원 포토닉 결정에 있어서의 판재(1)의 재질, 2차원 격자 정수, 관통 구멍(2)의 직경, 점 형상 결함(4)이 포함하는 격자점의 수 및 배열 등의 설정 조건은 상술한 시뮬레이션에 있어서의 경우와 마찬가지이고, 변위 거리는 (1, m, n)=(O, O, O.15a)로 설정되었다. 도 9의 포토닉 결정은, 전자선 리소그래피나 반응성 이온 에칭을 이용하여 (일본 특허 공개 2001-272555 호 공보 참조) 제작되어, 점 형상 결함(4) 이외에 직선 형상 도파로(3)를 포함하고 있다. 즉, 도 9에 있어서의 점 형상 결함으로 이루어지는 공진기(4)와 직선 형상 도파로(3)는 소정의 파장의 광을 전달할 수 있어, 파장 분합파기로서 작용할 수 있다.

도 10의 그래프는, 실제로 도 9 중의 도파로(3) 내에 각종 파장을 포함하는 광을 도입한 경우에, 공진기(4)로부터 판재(1)의 면에 수직하는 방향으로 방사된 광의 파장과 강도의 관계를 나타내고 있다. 즉, 이 그래프의 가로축은 파장(㎚)을 나타내고, 세로축은 광 강도(a. u. : 임의 단위)를 나타내고 있다. 도 10으로부터 알 수 있는 바와 같이, 도 9의 파장 분합파기에 포함되는 공진기(4)는 도파로(3)에 도입된 파장의 광으로부터 약 1578.2㎚의 피크 파장을 갖는 광을 약 0.045㎚의 반값전폭(FWHM)으로 추출하여 방출하고, 상술한 시뮬레이션으로 예상된 바와 같이 약 351000의 높은 Q 값을 갖고 있다. 이와 같이, 본 발명에 의하면, 높은 파장 분해능을 갖는 파장 분합파기가 얻어지는 것을 알 수 있다.

또, 도 9의 파장 분합파기에서는 1개의 도파로의 근방에 1개의 공진기만이 배치되어 있지만, 서로 공진 주파수가 상이한 복수의 공진기를 1개의 도파로를 따라 근접 배치함으로써, 서로 파장이 상이한 복수 채널의 광 신호를 처리할 수 있는 다중 채널 파장 분합파기를 형성할 수 있음은 말할 필요도 없다. 또한, 공진기(4)에 근접 대면시켜 광 파이버의 단면을 배치함으로써, 공진기(4)로부터 판재(1)의 면에 수직하는 방향으로 방사되는 광을 그 광 파이버 내에 도입할 수 있다. 또한, 공진기(4)에 근접 대면하여 광전 변환 소자를 배치함으로써, 공진기로부터의 광의 강도 변조를 수신할 수 있다. 물론, 공진기(4)와 광 파이버 단면 또는 광전 변환 소자와의 사이에 집광 렌즈(콜리메이터)가 삽입되더라도 좋다.

도 11은, 본 발명의 실시예의 다른 예에 있어서의 파장 분합파기를 모식적인 사시도로 나타내고 있다. 도 11의 파장 분합파기는 도 9의 것과 유사하지만, 도 11에 있어서는 제 1 직선 형상 도파로(3a)에 근접하여 공진기(4)가 배치되고, 또한 그 공진기(4)에 근접하여 제 2 직선 형상 도파로(3b)가 배치되어 있다. 이 경우, 전술한 바와 같이 제 1 도파로(3a)에 도입된 광 신호로부터 특정 파장의 광 신호가 공진기(4) 내에 추출될 수 있지만, 제 2 도파로(3b)가 공진기(4)에 근접하여 배치되어 있는 경우에는, 그 추출된 광 신호는 공진기(4)로부터 판재(1)의 면에 수직하는 방향이 아니라 제 2 도파로(3b) 내에 도입하는 것으로 된다. 즉, 2차원 포토닉 결정을 이용하는 파장 분합파기에 있어서, 1개의 도파로를 전파하고 있는 광 신호 중의 특정 파장의 광 신호를 선택하여 다른 도파로 내로 유도할 수 있다.

포토닉 결정용의 판재(1)로서는, 그 두께 방향으로 광을 가둘 필요가 있으므로 굴절율이 큰 재료가 바람직하다. 상술한 실시예에서는 Si의 판재가 이용되고 있지만, 그 외에도 Ge, Sn, C, 및 SiC 등의 Ⅳ족 반도체 ; GaAs, InP, GaN, GaP, AlP, AlAs, GaSb, InAs, AlSb, InSb, InGaAsP, 및 AlGaAs 등의 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 ; ZnS, CdS, ZnSe, HgS, MnSe, CdSe, ZnTe, MnTe, CdTe, 및 HgTe 등의 Ⅱ-Ⅵ 족 화합물 반도체 ; SiO₂, A1₂O₃, 및 TiO₂등의 산화물 ; 실리콘 질화물 ; 소다 석회 유리 등의 각종 유리 ; 그 위에 Alq3(C₂₇H₁₈AlN₃O₃) 등의 유기물을 이용할 수 있다. 또한, 이들의 판재로 이루어지는 포토닉 결정 중에 있어서, 광 신호의 증폭이 요망되는 경우에는, Er가 도핑되더라도 좋다.

판재(1)의 굴절율은, 구체적으로는 공기보다 크고, 2.0 이상인 것이 바람직하며, 3.0 이상인 것이 보다 바람직하다. 또, 상술한 실시예에서는 관통 구멍(2) 내에 공기가 존재하고 있지만, 판재(1)에 비해 저 굴절율의 물질이 이들의 관통 구멍(2) 내에 충전되더라도 됨은 말할 필요도 없다. 그러한 저 굴절율의 물질로서, 예컨대, 폴리티오펜 유도체 등을 이용할 수 있다. 또한, 판재(1) 중에 설정되는 2차원 격자는 육방 격자로 한정되지 않고, 다른 규칙적인 임의의 2차원 격자를 설정하는 것도 가능하다. 또한, 관통 구멍(2)의 단면은 원형으로 한정되지 않고 다른 형상이라도 좋고, 판 두께 방향에서 단면 형태를 변화시키더라도 좋다.

이상과 같이, 본 발명에 의하면, 2차원 포토닉 결정 중에 있어서, Q 값이 높아진 공진기를 제공하고, 또한 그러한 공진기와 도파로를 조합하여 높은 파장 분해능을 갖는 파장 분합파기를 제공할 수 있다.

Claims

2차원 포토닉 결정 중의 점 형상 결함으로 이루어지는 공진기로서,

상기 2차원 포토닉 결정은 판재 내에 설정된 2차원 격자점에서 상기 판재에 비해 작은 굴절율을 갖고 또한 동일한 치수 형상의 저 굴절율 물질을 배치함으로써 구성되어 있고,

상기 점 형상 결함은 3 이상의 서로 인접하는 복수의 격자점을 포함하고 있고, 이들의 격자점에는 상기 저 굴절율 물질이 배치되어 있지 않으며,

상기 점 형상 결함에 가장 근접한 격자점 중 적어도 하나에 대응하여 배치되어야 할 상기 저 굴절율 물질이 그 격자점으로부터 소정 거리만큼 변위되어져 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 공진기.
제 1 항에 있어서,

상기 점 형상 결함에 두 번째로 근접한 격자점 중 적어도 하나에 대응하여 배치되어야 할 상기 저 굴절율 물질도 그 격자점으로부터 소정량만큼 변위되어져 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 공진기.
제 1 항에 있어서,

상기 점 형상 결함은 6 이하의 상기 격자점을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 공진기.
제 1 항에 있어서,

상기 공진기에서 공진하는 광의 파장은 상기 점 형상 결함의 치수 형상에 의존하여 조정될 수 있는 것을 특징으로 하는 공진기.
제 1 항에 있어서,

상기 점 형상 결함은 선분 형상으로 배열된 상기 복수의 격자점을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 공진기.
제 1 항에 있어서,

상기 저 굴절율 물질은 상기 판재를 관통하는 원주 내에 충전되어 있는 것을 특징으로 하는 공진기.
제 1 항에 있어서,

상기 2차원 격자점은 육방 격자 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 공진기.
제 1 항에 있어서,

상기 판재는 2.0 이상의 굴절율을 갖는 것을 특징으로 하는 공진기.
제 1 항에 있어서,

상기 저 굴절율 물질은 공기인 것을 특징으로 하는 공진기.
청구항 1에 기재된 공진기를 1 이상 포함하는 파장 분합파기로서,

상기 2차원 포토닉 결정 중의 선 형상 결함으로 이루어지는 도파로도 1 이상 포함하며,

상기 공진기는 상기 도파로에 대해 전자기적으로 상호 작용을 발생하는 거리 내에 근접하여 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 파장 분합파기.
제 10 항에 있어서,

서로 공진 주파수가 상이한 복수의 상기 공진기를 포함하는 것을 특징으로하는 파장 분합파기.