KR20040082301A

KR20040082301A - 2차원 포토닉 결정 중의 공진기와 파장 분합파기

Info

Publication number: KR20040082301A
Application number: KR1020040017541A
Authority: KR
Inventors: 노다스스무; 아사노다카시; 아카하네요시히로
Original assignee: 교또 다이가꾸; 스미토모 덴키 고교 가부시키가이샤
Priority date: 2003-03-17
Filing date: 2004-03-16
Publication date: 2004-09-24
Also published as: DE602004002135T2; EP1460457A2; US20070086716A1; US20040184754A1; EP1460457A3; EP1460457B1; JP2004279800A; US7450810B2; CN1531154A; TW200500665A; DE602004002135D1; JP4171326B2; CA2460112A1; CN100391061C

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 결정의 통상 부분은 판재(1) 내에 설정된 2차원 격자점에서 판재(1)에 비해 작은 굴절율을 갖고 또한 소정의 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)의 치수가 소정 치수로부터 변경되어 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 실현하는 것이 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. 2차원포토닉 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 10은, 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 10의 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 10에 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 형상결함(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 10에 있어서의 포토닉 결정은, 점 형상 결함으로 이루어지는 공진기(4)를 포함하고 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 10에 도시되어 있는 바와 같은 2차원 포토닉 결정에 있어서, 복수의 파장대역(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 10의 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 10의 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 10에 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 10에 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 10의 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 반치전폭(FWHM)(full width half maximum)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 특허 공개 2001-272555 호 공보에 개시되어 있는 바와 같은 공진기에서는 Q 값의 크기가 불충분하고, 3㎚의 반치전폭에서는 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 반치전폭을 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 본 발명에 따른 공진기의 또 다른 예에 관한 시뮬레이션에 있어서 판재의 면에 수직하는 방향으로 본 공진기로부터의 광의 방사 패턴을 나타내고 있는 도면.

도 6은 도 1에 도시되어 있는 바와 같은 점 형상 결함에 있어서의 가장 근접한 관통 구멍의 반경 r과 공진기의 Q 값과의 관계를 도시하는 도면,

도 7은 공진기로부터의 주 방사광에 대한 사이드 로브(side lobes)의 파워 비를 가장 근접한 관통 구멍의 반경 r과의 관계로 나타내는 그래프,

도 8은 점 형상 결함에 가장 근접한 격자점에 대응하는 적어도 하나의 관통 구멍 뿐만 아니라, 두 번째로 근접한 격자점에 대응하는 적어도 하나의 관통 구멍의 지름도 다른 관통 구멍의 소정 지름으로부터 변화시킬 수 있는 상황을 나타내는 모식적인 평면도,

도 9는 본 발명의 실시예의 다른 예에 있어서의 파장 분합파기를 나타내는 모식적인 사시도,

도 10은 선행 기술에 따른 2차원 포토닉 결정을 이용한 파장 분합파기를 나타내는 모식적인 사시도,

도 11은 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 결정의 통상 부분은 판재 내에 설정된 2차원 격자점에서 판재에 비해 작은 굴절율을 갖고 또한 소정의 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 물질의 치수가 소정 치수로부터 변경되어 있는 것을 특징으로 하고 있다.

또, 점 형상 결함에 두 번째로 근접한 격자점 중 적어도 하나에 대응하여 배치되어야 할 저 굴절율 물질의 치수도, 소정 치수로부터 변경되어 있더라도 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 10에서와 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 전자기적 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 11은, 복수의 격자점을 포함하는 도너형 점 형상 결함을 포함하는 2차원포토닉 결정의 일부를 나타내는 모식적인 평면도이다. 이 2차원 포토닉 결정에 있어서, 판재(1) 중에 설정된 육방 격자점에 관통 구멍(2)이 마련되어 있다. 도 11의 (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 11의 (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 전자기적 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 11의 (a)에 도시되어 있는 바와 같은 공진기에 있어서, 그 단체(但體)에서는 Q=5200이며, 도파로와 조합해도 약 2600의 Q 값이 얻어지고, 그 공진기로부터의 출력 광의 반치전폭은 약 0.6㎚으로 될 수 있다. 그러나, 전술한 바와 같이 약 100 GHz의 주파수 간격, 즉 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 소정의 동일 지름의 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 결함(4)은 서로 선분 형상으로 인접하여 배열된 3개의 격자점을 포함하고 있고, 이들의 격자점에는 관통 구멍(2)이 형성되어 있지 않다.

본 발명에 따른 도너형 점 형상 결함(4)에 있어서의 주요한 특징은, 그 점 형상 결함에 가장 근접한 관통 구멍(도 1에서 파선으로 도시되어 있는 구멍)(2) 중 적어도 하나가 다른 관통 구멍에 비해 지름이 축소 또는 확대되어 있는 것이다.

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 소정 단면 반경 r로서 0.29a가 설정되었다.

이러한 조건 하에 있어서의 시뮬레이션에서, 점 형상 결함(4)에 가장 근접한 관통 구멍(도 1에 있어서 파선으로 도시되어 있는 구멍)(2) 중 어느 하나가 다른 관통 구멍과 동일한 소정 반경 r=0.29a를 갖는 경우에 Q값으로서 5200가 얻어지고, 도 2는 그 경우에 있어서 판재(1)의 면에 수직하는 방향으로부터 본 공진기(4)로부터의 광의 방사 패턴을 도시하고 있다. 마찬가지의 시뮬레이션에 있어서, 점 형상 결함(4)의 양단에 가장 근접한 격자점에 있는 관통 구멍(2a, 2b)(도 1 참조)의 반경 r이 다른 관통 구멍의 소정 반경 r=0.29a로부터 0.19a로, 더 나아가서 0.14a로 변경되는 경우에 Q 값으로서 19600 더 나아가서 66700가 얻어지고, 도 3과 도 4는 이들 경우에 있어서의 공진기(4)로부터의 광의 방사 패턴을 나타내고 있다.

이러한 시뮬레이션으로부터 알 수 있는 바와 같이, 선분 형상으로 서로 인접하는 3개의 격자점을 포함하는 도너형 점 형상 결함에 있어서, 그 선분의 양단에 인접하는 관통 구멍(2a, 2b)의 지름을 다른 관통 구멍(2)의 소정 반경 0.29a로부터 0.14a로 변경함으로써, Q 값이 5200으로부터 66700으로 현저하게 높아지고, 또한 도 2와 도 4의 비교로부터 알 수 있는 바와 같이 광의 방사각도 작아지고 있다.

또한, 점 형상 결함(4)의 양단에 인접하는 관통 구멍(2a, 2b)의 반경 r을 더 작은 0.09a로 변경한 경우, 더욱 높은 Q 값= 103900이 얻어지고, 도 5는 그 경우에 있어서의 공진기로부터의 광의 방사 패턴을 나타내고 있다. 도 5에 있어서는 도 4에 비해 광의 방사각이 커지고 있고, 도 5에 있어서의 중앙의 주 방사광의 상하에서 사이드 로브(부차 광)가 현저하게 되어 있다. 즉, 점 형상 결함(4)에 가장 근접한 관통 구멍(2)의 지름을 다른 관통 구멍의 소정 지름으로부터 변화시키는 비율을 증대시킴에 따라 Q 값도 증대하는 경향에 있지만, 공진기(4)로부터의 광의 방사각의 관점에서는 반드시 그 변화 비율이 큰 쪽이 좋은 것은 아니다.

도 6의 그래프는, 도 1에 도시되어 있는 바와 같은 점 형상 결함(4)에 있어서의 가장 근접한 관통 구멍(2a, 2b)의 반경 r과 Q 값과의 관계를 나타내고 있다.이 그래프에 있어서, 가로축은 점 형상 결함(4)에 있어서의 가장 근접한 관통 구멍(2a, 2b)의 반경 r을 격자 정수 a로 규격화하여 나타내고 있고, 세로축은 Q 값을 나타내고 있다. 도 6으로부터, 가장 근접한 관통 구멍(2a, 2b)의 반경의 변화 비율의 증대에 의한 Q 값의 증대에도 한계가 있는 것을 알 수 있다. 즉, 가장 근접한 관통 구멍(2a, 2b)의 반경 r이 0.09a까지 작아짐에 따라 Q 값도 지수 함수적으로 증대하여 극대값의 103900에 도달하지만, 반경 r을 더 작게 하면 Q 값은 반대로 급감한다.

도 7의 그래프에 있어서는, 도 5에서 명료하게 보이는 바와 같은 사이드 로브와 주 방사광의 파워 비가, 가장 근접한 관통 구멍(2a, 2b)의 반경 r과의 관계로 도시되어 있다. 이 그래프에서, 가로축은 가장 근접한 관통 구멍(2a, 2b)의 반경 r을 격자 정수 a로 규격화하여 나타내고 있고, 세로축은 주 방사광에 대한 사이드 로브의 방사 파워 비를 나타내고 있다. 도 7에 있어서, 사이드 로브를 포함하는 방사광의 방사각은 r=0.14a인 경우에 가장 작고, r=0.04a인 경우에 가장 크게 됨을 알 수 있다.

또한, 도 1에 있어서, 점 형상 결함(4)에 가장 근접하더라도 파선으로 도시되어 있는 모든 관통 구멍(2)의 반경 r을 0.29a로부터 0.19a로 변경한 경우에도, 높은 Q 값=53700이 얻어졌다. 그러나, 이 경우에는, 공진기(7)로부터 방사되는 주 방사광에 대한 사이드 로브의 방사 파워 비가 매우 크게 되어, 방사 패턴의 관점으로는 그다지 바람직하지 않았다.

도 8의 모식적인 평면도는, 도 1과 유사하지만, 점 형상 결함(4)에 가장 근접한 격자점에 대응하는 적어도 하나의 관통 구멍(파선으로 표시)(2) 뿐만 아니라, 두 번째로 근접한 격자점에 대응하는 적어도 하나의 관통 구멍(파선으로 표시)(2)도 다른 관통 구멍(2)의 소정 반경 r로부터 변경된 반경을 갖는 경우를 모식적으로 도시하고 있다. 공진기의 Q 값의 향상을 위해서는, 상술한 바와 같이 점 형상 결함(4)에 가장 근접한 격자점에 대응하는 관통 구멍(2)의 반경 r을 다른 관통 구멍(2)의 소정 반경으로부터 변화시키는 것이 가장 효과적이지만, 또한 두 번째로 근접한 격자점에 대응하는 관통 구멍(2)의 반경 r을 다른 관통 구멍(2)의 소정 반경으로부터 변화시키는 것도 Q 값을 더 개선하는 효과를 발생한다.

또한, 상술한 바와 같은 본 발명에 따른 공진기(4)는 도 10에 도시되어 있는 바와 같은 파장 분합파기에 적용할 수 있음은 말할 필요도 없다. 또한, 본 발명에 따른 공진기(4)를 파장 분합파기에 적용하는 경우에, 서로 공진 주파수가 상이한 복수의 공진기(4)를 1개의 도파로(3)를 따라 근접 배치함으로써, 서로 파장이 상이한 복수 채널의 광 신호를 처리할 수 있는 멀티채널 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 9는, 본 발명의 실시예의 다른 예에 있어서의 파장 분합파기를 모식적인사시도로 나타내고 있다. 도 9의 파장 분합파기는 도 10의 것과 유사하지만, 도 9에 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 PMMA(폴리메틸메타크릴레이트) 등의 유기물을 이용할 수 있다. 또한, 이들의 판재로 이루어지는 포토닉 결정 중에 있어서, 광 신호의 증폭이 요망되는 경우에는, Er, Tm, Alq3(C₂₇H₁₈AlN₃O₃) 등이 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 결정의 통상 부분은 판재 내에 설정된 2차원 격자점에서 상기 판재에 비해 작은 굴절율을 갖고 또한 소정의 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 물질의 치수가 상기 소정 치수로부터 변경되어 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 물질의 치수도 상기 소정 치수로부터 변경되어 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.