KR20050085404A - 경계반사를 이용한 2차원 포토닉 결정 광 분합파기 - Google Patents

경계반사를 이용한 2차원 포토닉 결정 광 분합파기 Download PDF

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KR20050085404A
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Abstract

각 금제대 영역(301, 302, ...)마다 다른 주기로 빈 구멍(32)을 주기적으로 배치하고, 빈 구멍(32)을 선 형상으로 결손시킴으로써 도파로(33)를 형성하고, 각 금제대 영역마다 점 형상 결함(341, 342, ...)을 형성한 면(面) 내 헤테로 구조 2차원 포토닉 결정 광합분파기에 있어서, 이 점 형상 결함을 통과한 광이 금제대 영역 경계(351, 352)에 있어서 반사되어 소정의 점 형상 결함에 도입됨으로써, 점 형상 결함으로부터 취출되는 광의 분파효율을 향상시킨다.

Description

경계반사를 이용한 2차원 포토닉 결정 광 분합파기{Two-dimensional photonic crystal optical multiplexer/demultiplexer utilizing boundary reflection}
본 발명은, 파장(波長)분할 광(光)다중통신(多重通信) 등에 이용되는 2차원 포토닉(photonic) 결정(結晶) 광(光)분합파(分合派) 디바이스에 관한 것이다. 특히, 그 분합파의 효율을 향상시키는 기술에 관한 것이다.
근년, 새로운 광디바이스로서, 포토닉 결정이 주목받고 있다. 포토닉 결정이란 주기(週期)굴절율(屈折率)분포를 가진 기능 재료이며, 광이나 전자파의 에너지에 대하여 밴드(band) 구조를 형성한다. 특히, 광이나 전자파의 전파가 불가능하게 되는 에너지 영역(포토닉 밴드 갭)이 형성되는 것이 특징이다.
포토닉 결정 중의 굴절율분포에 적절한 결함을 도입함으로써, 포토닉 밴드 갭 중에 이 결함에 의한 에너지 준위(결함준위)가 형성된다. 이것에 의해, 포토닉 밴드 갭 중의 에너지에 대응하는 파장범위 중, 결함준위의 에너지에 대응하는 파장의 광만이 존재 가능하게 된다. 결정 중의 상기 결함을 선(線) 형상으로 하면 도파로가 되고, 결정 중의 결함을 점(点) 형상으로 하면 공진기가 된다.
포토닉 결정에는, 2차원 결정 혹은 3차원 결정을 이용할 수 있다. 양자에 각각 특징이 있지만, 이 중 2차원 결정은 제작이 비교적 용 이하다고 하는 점에서 유리하다. 일본국 특허공개 2001-272555호 공보에는, 2차원 포토닉 결정에 있어서, 원기둥 구멍을 삼각격자 형상으로 주기적으로 배열함으로써 주기굴절율분포를 마련하고, 이 원기둥 구멍을 선 형상으로 결손시킴으로써 도파로를 형성해([0025], 도 1), 도파로 근방에 점 결함을 형성하는([0029], 도 1) 것이 기재되어 있다. 일본국 특허공개 2001-272555호 공보에 있어서는, 실시예로서 주기적으로 배열된 원기둥 구멍의 직경을 크게 함으로써 형성되는 점 결함에 대해서 검토하고 있다.
또한, 본원 출원인들은, 일본국 특허공개 2003-279764호 공보에 있어서, 주기굴절율분포를 형성하는 이(異)굴절률 영역 중 인접하는 2개 이상의 이굴절률 영역을 결함(缺陷)으로 함으로써 클러스터 결함을 형성하는 것을 제안하고 있다. 여기서 이굴절률 영역의 결함은, 그 이굴절률 영역의 굴절율을 다른 이굴절률 영역의 굴절율과 다른 것으로 함으로써 형성한다. 다른 이굴절률 영역보다도 굴절율이 낮은 것을 억셉터(acceptor)형 결함, 높은 것을 도너(donor)형 결함이라고 부른다. 상기 일본국 특허공개 2001-272555호 공보에 기재된, 원기둥 구멍을 크게 함으로써 형성하는 결함은 억셉터형 결함이며, 이굴절률 영역을 마련하지 않는 것에 의해 형성하는 결함은 도너형 결함이다. 클러스터 결함과, 1개의 이굴절률 영역만을 결손시켜서 형성되는 점 결함을 총칭해서 「점 형상 결함」이라고 부른다.
상기 일본국 특허공개 2003-279764호 공보에 있어서, 본원 출원인들은 더욱, 각각 다른 주기로 이굴절률 영역을 배치한 복수의 금제대(禁制帶; forbidden band) 영역을 가지고, 각각의 금제대 영역에 점 형상 결함을 마련한 면(面) 내 헤테로(hetero) 구조 2차원 포토닉 결정을 제안하고 있다. 이에 의하여, 각 금제대 영역에 같은 형상의 점 형상 결함을 마련했을 경우에, 이굴절률 영역의 주기의 차이에 의해, 각 점 형상 결함에 있어서 다른 파장의 광을 공진시킬 수 있다.
이들의 점 형상 결함을 마련한 2차원 포토닉 결정에는 다양한 용도가 생각되지만, 그 전형적인 예로서 광다중통신을 들 수 있다. 근년의 광다중통신에 있어서는, 1개의 전송로에 복수의 파장의 광을 전파시켜 각각 별개인 신호를 싣는 파장분할 다중방식이 이용된다. 2차원 포토닉 결정은, 각 파장에 대응하는 복수의 점 형상 결함을 도파로의 근방에 마련함으로써, 도파로 중을 전파하는 광 중 특정의 파장의 광(신호)을 점 형상 결함으로부터 취출(取出; 꺼내기)하는 분파기(分波器; demultiplexer)나, 특정한 파장의 광을 점 형상 결함으로부터 도파로에 도입하는 합파기(合波器; multiplexer)로서 이용할 수 있다.
상기 종래의 2차원 포토닉 결정을 분파기로서 이용할 경우에, 도파로를 통과하는 광 중, 어떤 점 형상 결함으로부터 분파되는 파장의 광이 모두 그 점 형상 결함에 유입하면, 분파효율은 100%가 될 것이다. 그러나, 실제로는 분파되는 파장의 광의 적어도 50% 이상은 그 점 형상 결함에 유입하지 않고, 도파로를 통과해 버린다. 따라서, 실제의 분파효율은 50% 이하에 머무르고 있었다.
또한, 2차원 포토닉 결정을 합파기로서 이용할 경우에는, 합파시키는 광이 점 형상 결함으로부터 도파로에 유입할 때에, 도파로의 양 측으로 나뉜다. 따라서, 합파된 광의 도파로로부터의 취출 효율은 최고라도 50%에 머무르고 있었다.
본 발명은 이러한 과제를 해결하기 위해서 이루어진 것으로서, 그 목적으로 하는 바는 높은 분파효율 및 합파효율을 가지는 2차원 포토닉 결정 광 분합파기를 제공하는 것에 있다.
도 1은, 본 발명에 관련되는 경계반사를 이용한 2차원 포토닉 결정 광 분합파기의 제1 태양의 1구성예를 나타내는 평면도.
도 2는, 경계반사를 이용한 2차원 포토닉 결정 광 분합파기의 제1 태양의 다른 구성예를 나타내는 평면도.
도 3은, 본 발명에 관련되는 경계반사를 이용한 2차원 포토닉 결정 광 분합파기의 제2 태양의 1구성예를 나타내는 평면도 및 도파로의 투과대역과 공진주파수에 대해서 금제대 영역간의 관계를 나타내는 모식도.
도 4는, 이굴절률 영역을 직선 형상으로 3개 매립한 도너형 클러스터 결함에 의한 결함준위를 나타내는 그래프.
도 5는, 도 3의 구성예의 2차원 포토닉 결정을 광 분파기로서 이용했을 경우의 광의 투과·반사를 나타내는 도면.
도 6은, 도 3의 구성예의 2차원 포토닉 결정을 광 합파기로서 이용했을 경우의 광의 투과·반사를 나타내는 도면.
도 7은, 본 발명에 관련되는 경계반사를 이용한 2차원 포토닉 결정 광 분파기의 분파효율을 계산하기 위한 5개의 파라미터를 나타내는 도면.
도 8은, 경계반사를 이용한 2차원 포토닉 결정 광 분파기가 Qp = Qv인 경우의 분파효율의 계산 결과를 나타내는 도면.
도 9는, 도 8(a)의 2L/λ를 횡축으로 하여 분파효율을 구한 그래프.
도 10은, 2L/λ0가 반(半)정수인 경우에 분파되는 광의 스펙트럼 강도를 나타내는 도면.
도 11은, 2L/λ0가 정수인 경우에 분파되는 광의 스펙트럼 강도를 나타내는 도면.
도 12는, 경계반사를 이용한 2차원 포토닉 결정 광 분파기가 Qp = 2Qv인 경우의 분파효율의 계산 결과를 나타내는 도면.
상기 과제를 해결하기 위해서 이루어진 본 발명에 관련되는 경계반사를 이용한 2차원 포토닉 결정 광 분합파기의 제1 태양의 것은,
a) 슬래브(slab) 형상의 본체와,
b) 상기 본체에 주기적으로 배열된 복수의, 본체와는 굴절율이 다른 영역과,
c) 상기 이(異)굴절률 영역의 결함을 선(線) 형상으로 마련함으로써 형성되는 도파로와,
d) 상기 도파로의 근방에, 상기 이굴절률 영역의 결함을 점(点) 형상으로 마련함으로써 형성되는 점 형상 결함과,
e) 상기 도파로의 일방의 단(端)에 마련한, 상기 점 형상 결함의 공진파장의 광 중 적어도 그 일부를 반사하는 제1반사부와,
를 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 관련되는 경계반사를 이용한 2차원 포토닉 결정 광 분합파기의 제2 태양의 것은,
a) 슬래브 형상의 본체와,
b) 상기 본체 내에 마련한 2 이상의 금제대(禁制帶; forbidden band) 영역과,
c) 각 금제대 영역 내에 있어서, 각 금제대 영역마다 다른 주기로 주기적으로 본체에 배열된 복수의, 본체와는 굴절율이 다른 영역과,
d) 각 금제대 영역 내에 있어서 상기 이(異)굴절률 영역의 결함을 선 형상으로 마련함으로써 형성되고, 모든 금제대 영역을 통과하는 도파로와,
e) 각 금제대 영역 내에 있어서 상기 도파로의 근방에 마련한 점 형상 결함과,
f) 상기 도파로의 일방의 단에 마련한, 상기 점 형상 결함의 공진파장의 광 중 적어도 그 일부를 반사하는 제1반사부와,
를 구비하며,
g) 각 금제대 영역에 있어서의 도파로의 투과파장 대역의 일부가, 그 금제대 영역보다도 상기 제1반사부 측에 있는 모든 금제대 영역의 도파로 투과파장 대역에 포함되지 않고, 또한 그 금제대 영역보다도 상기 제1반사부의 반대 측에 있는 모든 금제대 영역의 도파로 투과파장 대역에 포함되고,
h) 각 금제대 영역에 마련되는 상기 점 형상 결함에 있어서의 공진파장이, 상기 일부의 투과파장 대역에 포함되는,
것을 특징으로 한다.
본 발명의 경계반사를 이용한 2차원 포토닉 결정 광 분합파기는, 면 내 방향의 크기에 비교해서 두께가 충분히 얇은 판 형상체인 슬래브를 본체로 해서 이 본체에, 본체와는 굴절율이 다른 영역을 주기적으로 배치함으로써 구성되는 2차원 포토닉 결정을 모체로 한다. 이 모체인 2차원 포토닉 결정에 있어서는, 주기적인 이(異)굴절률 영역의 존재에 의해 포토닉 밴드 갭이 형성되어, 그 범위 내의 에너지를 가지는 광이 존재할 수 없다. 즉, 거기에 대응하는 파장대의 광은 본체를 통과할 수 없다. 본체의 재료로서는, 예컨대 Si나 InGaAsP를 이용할 수 있다. 이굴절률 영역이란, 본체의 재료와는 다른 굴절율을 가지는 재료로 이루어지는 부재를 본체 내에 배치하는 것인데, 전형적인 예로서 상기 일본국 특허공개 2001-272555호 공보에 기재된 원기둥 구멍이 있다. 원기둥 구멍을 이용하면, 본체에 구멍을 뚫기만 하면 좋으므로, 어떠한 부재를 본체에 배치하는 것보다도 용이하게 제작할 수 있다.
이 이굴절률 영역의 일부에 결함을 마련하면, 거기에서 주기성이 어지럽혀진다. 결함의 굴절율이나 크기 등의 파라미터를 적절하게 설정함으로써, 포토닉 밴드 갭 중에 결함준위가 형성되어, 이 결함준위의 에너지에 대응하는 파장의 광이 결함의 위치에 있어서 존재할 수 있게 된다. 이 결함을 선 형상으로 연속적으로 마련함으로써, 포토닉 밴드 갭 중의 일정한 파장범위의 광을 투과시키는 도파로를 형성한다. 이 도파로는, 광 분파기에 있어서는 분파 전의, 광 합파기에 있어서는 합파 후의, 복수의 파장성분을 중첩한 광을 도파시키는 것이다. 이 중첩한 광은, 광 분파기의 경우에는 도파로의 일방의 단(端)에서 도입되고, 광 합파기의 경우에는 도파로의 일방의 단에서 취출된다.
도파로의 근방에 점 형상 결함을 마련한다. 이 점 형상 결함은 상기의 점 결함 및 클러스터 결함의 어느 것이라도 좋다. 또한, 점 결함 또는 클러스터 결함을 구성하는 이굴절률 영역의 결함은, 상기의 억셉터형 및 도너형의 어느 것이라도 좋다. 점 형상 결함의 종류, 크기, 위치 등의 파라미터를 적절하게 설정함으로써, 포토닉 밴드 갭 중에 소정의 결함준위가 형성되어, 결함준위의 에너지에 대응하는 파장의 광만이 결함위치에 있어서 공진한다. 광 분파기의 경우, 도파로를 전파하는 복수의 파장성분을 중첩한 광 중 점 형상 결함의 공진파장에 대응하는 광이 도파로로부터 점 형상 결함에 도입되어, 점 형상 결함으로부터 외부에 취출(取出; 꺼내기)된다. 광 합파기의 경우, 점 형상 결함의 공진파장에 대응하는 광이 외부에서 점 형상 결함을 경유해서 도파로에 도입된다.
여기까지 기술한 모체인 2차원 포토닉 결정에 도파로 및 점 형상 결함을 마련하는 구성은, 일본국 특허공개 2001-272555호 공보 및 일본국 특허공개 2001-279764호 공보에 있어서 제안된 것과 같다. 본 발명에 있어서는 더욱, 도파로의 양단 중 상기의 중첩한 광의 도입·취출을 행하는 단과는 반대 측의 단이, 소정 파장의 광의 적어도 일부를 반사하도록 한다. 이 도파로 단부를 제1반사부라고 부른다.
제1반사부의 전형적인 예로서, 도파로를 2차원 포토닉 결정 본체의 단부까지 달하도록 한 것을 들 수 있다. 이 구성에 있어서, 본체 단부가 주위의 공간에 접하고 있을 경우, 본체 단부에 있어서 결정이 불연속이 되어, 본체 단부에 달하는 도파로 단부에서 광의 일부가 반사한다. 즉, 이 도파로 단부는, 광을 반사시키는 부재를 별도 마련하지 않고 제1반사부가 된다.
제1반사부의 다른 예로서, 상기와 마찬가지로 도파로를 2차원 포토닉 결정 본체의 단부까지 달하게 형성하고, 더욱 본체 단부에 상기 점 형상 결함에 있어서의 공진파장의 광을 투과하지 않는 2차원 포토닉 결정을 접속한 것을 들 수 있다. 이에 의하여, 도파로 단부는 점 형상 결함에 있어서의 공진파장의 광을 모두 반사하는 제1반사부가 된다.
이 구성에 의해, 광 분파기의 경우에는, 점 형상 결함의 공진파장에 대응하는 도파로 중의 광 중, 점 형상 결함에 도입되지 않고 통과한 광은, 제1반사부에서 반사되어, 다시 그 점 형상 결함으로 되돌아온다. 따라서, 점 형상 결함에 도입되지 않고 손실이 되는 광의 강도가 종래보다도 감소하여, 광의 분파효율이 향상한다. 한편, 광 합파기의 경우에는, 점 형상 결함으로부터 도파로에 도입된 광 중, 도파로의 광의 취출을 행하는 단과는 반대 측의 단을 향해서 전파하는 광은, 제1반사부에서 반사되어, 취출 측의 도파로 단부에 되돌아온다. 따라서, 취출 측과는 반대 측의 단에 있어서 손실이 되는 광의 강도가 종래보다도 감소하여, 광의 합파효율이 향상한다.
점 형상 결함과 제1반사부의 사이의 거리를 적절하게 설정함으로써, 분파효율 또는 합파효율을 더욱 높일 수 있다. 광 분파기의 경우, 도파로 중의 광 중 점 형상 결함의 공진파장에 대응하는 광이 점 형상 결함에 의해 반사됨에 의한 손실도 생긴다. 따라서, 제1반사부에서 반사되는 광과 점 형상 결함에서 반사되는 광이 중합되었을 때에 간섭에 의해 약화되도록, 즉 양자의 위상차가 π가 되도록, 점 형상 결함과 제1반사부의 사이의 거리를 설정하는 것이 바람직하다. 이에 의하여, 그들 광이 공히 존재하기 어려워지기 때문에, 점 형상 결함으로부터 분파되는 광의 강도가 높아져서, 분파효율이 향상한다. 다만, 점 형상 결함에서는 거기에서 반사하는 광의 위상이 반전하고, 제1반사부에서는 거기에서 반사하는 광의 위상은 제1반사부의 구성에 의해 다른 변화를 한다. 예컨대, 제1반사부가 슬래브와 공기와의 경계로 이루어질 경우에는, 거기에서 반사하는 광의 위상은 변화되지 않는다. 따라서, 분파효율·합파효율을 높이기 위해서, 점 형상 결함과 제1반사부의 사이의 거리는, 그 점 형상 결함에 있어서의 공진파장의 n/2(n은 양의 정수, 이하 같음)배로 하는 것이 바람직하다. 한편, 제1반사부가 금속면으로 이루어질 경우에는, 거기에서 반사하는 광의 위상은 반전한다. 이 경우에는, 상기 거리를 점 형상 결함의 공진파장의 (2n-1)/4배로 하는 것이 바람직하다.
광 합파기의 경우에는, 점 형상 결함으로부터 도파로에 도입된 광 중, 광의 취출을 행하는 도파로 단부로 직접 향하는 광과 제1반사부에서 반사되는 광이 중합되었을 때에 간섭에 의해 강화할 수 있도록, 즉 양자의 위상차가 0이 되도록 점 형상 결함과 제1반사부의 사이의 거리를 설정하는 것이 바람직하다. 이에 의하여, 합파효율이 향상한다. 도파로 단부로 직접 향하는 광의 위상이 변화되지 않고, 또한, 제1반사부에 있어서, 반사되는 광의 위상이 상기와 같아지기 때문에, 상기 거리는, 제1반사부가 슬래브와 공기의 경계로 이루어질 경우에는 점 형상 결함의 공진파장의 n/2배로, 제1반사부가 금속면으로 이루어질 경우에는 점 형상 결함의 공진파장의 (2n-1)/4배로 하는 것이 바람직하다.
광 분파기에 있어서는 더욱, 제1반사부와는 반대 측의 도파로 단부에, 점 형상 결함에 있어서의 공진파장의 광 중 적어도 그 일부를 반사하는 제2반사부를 마련함으로써 분파효율을 향상시킬 수 있다. 이러한 제2반사부는, 예컨대 도파로를 2차원 포토닉 결정 본체의 단부까지 달하게 함으로써 구성할 수 있다. 이 경우의 분파효율의 향상은, 제1반사부나 점 형상 결함에서 반사되는 광이 제2반사부에서 더욱 반사되어, 점 형상 결함에 도입됨에 의한다. 더욱, 도파로에 도입되어 점 형상 결함을 향하는 광과, 점 형상 결함이나 제1반사부에서 반사되어 더욱 이 제2반사부에서 반사된 광이 간섭에 의해 강화할 수 있도록, 즉 양자의 위상차가 0이 되도록 점 형상 결함과 제2반사부의 사이의 거리를 설정하는 것이 바람직하다. 이에 의하여, 분파효율이 더욱 향상한다.
광 분파기의 분파효율은, 점 형상 결함과 외부의 사이의 결합 상수인 Q값에도 의존한다. Q값은 점 형상 결함의 공진기로서의 날카로움을 나타내는 값이며, 공진기의 공진주파수(각주파수) ωr, 공진기에 축적되는 에너지 E0, 외부와의 결합에 의해 단위시간에 상실되는 에너지 E1에 의해, Q = ωr × E0/E1으로 정의된다. 공진기에 있어서는, Q값이 높은 쪽이 주파수선택성이 늘어나기 때문에 바람직하다. 그것에 대해서 광 분파기에 있어서는, 주파수선택성의 이외에, 도파로로부터 자유공간에 효율적으로 광을 분파할 필요가 있기 때문에, 점 형상 결함과 도파로의 사이의 결합 상수 Qp와, 점 형상 결함과 공기의 사이의 결합 상수 Qv를 적절하게 설정할 필요가 있다. 예컨대, 도파로 단부에서의 반사가 없을 경우에는, Qp = Qv의 때에 분파효율이 최대가 되고, 그 값은 상기와 같이 50%가 된다.
점 형상 결함의 공진파장의 광이 도파로의 제1반사부에서 전반사할 경우에 대해서, 분파효율 η는 모드 결합 방정식에 의해 이하의 수학식 1과 같이 구해진다.
여기에서, L은 도파로의 점 형상 결함에 최근접의 위치와 제1반사부의 사이의 거리다. β는 도파로의 전파 상수로서, 도파로 내에서의 광의 파장 λ'을 이용하고, β = 2π/λ'로 정의된다. 상기와 같이 제1반사부에서 반사되는 광과 점 형상 결함에서 반사되는 광의 위상차가 π가 되도록 L을 정하면, exp(-2jβL) = -1이 된다. 이 경우, 분파효율 η는
이 된다.
수학식 2로부터, Qp/Qv를 1.4∼2.8로 하면, 분파효율은, 손실이 실용상 무시할 수 있는 97% 이상이 된다. Qp/Qv = 2인 때, 분파효율은 100%가 되어, 도파로 중의 소정 파장의 광을 점 형상 결함에 의해 손실 없이 분파할 수 있다.
종래의 2차원 포토닉 결정 광 분파기에서는 상기와 같이, 분파효율의 최대치는, Qp/Qv = 1로 했을 경우에 얻을 수 있는 50%였다. 본 발명에 의해, 2차원 포토닉 결정 광 분파기에 있어서 분파효율을 최대 100%로 하는 것이 가능해졌다. 또한, Qp/Qv = 1인 경우에 있어서도, 본 발명의 광 분파기에서는 분파효율을 종래보다도 높은 88%로 할 수 있다.
분파효율을 제어하는 상기 조건은, 점 형상 결함 및 도파로의 점 형상 결함에 최근접의 위치부터 제1반사부 측에 관한 파라미터만을 포함하는 것이다. 한편, 예컨대 제1반사부와는 반대 측의 도파로 단부와 상기 최근접 위치의 사이의 거리나, 이 도파로 단부에 있어서의 광의 반사율 등의, 제1반사부와는 반대 측에 관한 파라미터에 대해서는 어떠한 한정은 없다.
분파효율을 높게 하기 위해서 Qp와 Qv의 비를 제어하기 위해서는, 예컨대 점 형상 결함과 도파로의 사이의 거리를 조절함으로써 Qp의 값을 제어하면 좋다. 또한, 도파로의 폭을 조절함으로써도 Qp의 값을 제어할 수 있다. 이들의 조절에 의해 공진파장은 조금 변화되지만, 그 크기는 실용상 무시할 수 있는 정도로 작다. 공진파장의 변화를 무시할 수 없을 경우라도, 이굴절률 영역의 주기를 조절함으로써, Qp와 Qv의 비를 유지한 채 공진파장을 재조정할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 제2 태양의 경계반사를 이용한 2차원 포토닉 결정 광 분합파기에 대해서 설명한다. 이 2차원 포토닉 결정 광 분합파기는, 일본국 특허공개 2003-279764호 공보에 있어서 제안한 면 내 헤테로(hetero) 구조를 가진다.
본체를, 분합파하는 파장의 종류의 수와 같은 수의 영역으로 나눈다. 이 영역을 금제대(禁制帶; forbidden band) 영역이라고 부른다. 본 발명에 있어서는, 분합파하는 파장의 승순(昇順) 또는 강순(降順)으로 금제대 영역이 늘어서도록 한다. 각 금제대 영역마다 다른 주기로 이굴절률 영역을 배치한다.
금제대 영역의 모두를 통하도록 이굴절률 영역의 결함을 선 형상으로 연속적으로 마련함으로써, 도파로를 형성한다. 이 도파로의 광의 도입(광 분파기의 경우) 또는 취출(광 합파기의 경우)을 행하는 도파로 단부와는 반대 측의 도파로 단부에, 상기와 마찬가지로 제1반사부를 마련한다. 도파로가 2차원 포토닉 결정 본체의 단부까지 달함으로써 이 제1반사부가 되는 것, 및 그 경우는 광을 반사시키는 부재를 별도 마련하지 않고 제1반사부가 형성되는 것은, 상기와 같다. 또한, 그 본체 단부가 속하는 금제대 영역에 있어서 분합파하는 파장의 광을 투과하지 않는 2차원 포토닉 결정을 접속해도 좋다.
이굴절률 영역의 주기가 금제대 영역에 의해 다르기 때문에, 도파로를 투과할 수 있는 광의 파장대역은, 금제대 영역에 의해 다르다. 이굴절률 영역의 주기가 클수록 도파로 투과파장 대역은 장파장 측으로 시프트한다. 제2 태양에서는, 이를 이용하여, 제1반사부 측을 향해서 분합파하는 파장의 승순으로 금제대 영역을 늘어 놓을 경우에는 그 순서대로 이굴절률 영역의 주기를 크게 하고, 분합파하는 파장의 강순으로 금제대 영역을 늘어 놓을 경우에는 그 순서대로 이굴절률 영역의 주기를 작게 한다. 이에 의하여, 각 금제대 영역에 있어서의 일부의 도파로 투과파장대가, 제1반사부의 반대 측에 속하는 모든 도파로 투과파장 대역에는 포함되지만, 제1반사부 측에 인접하는 금제대 영역의 도파로 투과파장 대역에는 포함되지 않도록 할 수 있다. 각 금제대 영역에 있어서, 이 일부 도파로 투과파장 대역이, 분합파하는 광의 파장을 포함하도록, 이굴절률 영역의 주기를 결정한다.
각 금제대 영역마다, 각각 분합파하는 파장의 광을 공진하는 점 형상 결함을 마련한다. 점 형상 결함은, 상기의 점 결함 및 클러스터 결함의 어느 것이라도 좋고, 점 결함 또는 클러스터 결함을 구성하는 이굴절률 영역의 결함은, 상기의 억셉터형 및 도너형의 어느 것이라도 좋다.
이에 의하여, 각 금제대 영역에 있어서, 그 금제대 영역에 속하는 점 형상 결함의 공진파장은, 제1반사부 측에 인접하는 금제대 영역의 도파로 투과파장 대역에는 포함되지 않는다. 따라서, 광 분파기의 경우에, 어떤 금제대 영역에서 분파되는 파장을 가지면서 그 금제대 영역의 점 형상 결함에 도입되지 않고 통과한 광은, 제1반사부 측에 인접하는 금제대 영역의 도파로를 투과할 수가 없어서, 그 금제대 영역과 제1반사부 측에 인접하는 금제대 영역의 경계에 있어서 모두 반사된다. 이렇게 해서 반사된 광은 그 금제대 영역에 속하는 점 형상 결함으로 되돌아온다. 그 때문에 각 금제대 영역의 점 형상 결함에 있어서의 광의 분파효율이, 금제대 영역 계면의 반사가 없을 경우보다도 향상한다. 광 합파기의 경우에는, 각 금제대 영역에 있어서, 점 형상 결함으로부터 도파로에 도입되는 점 형상 결함의 공진파장의 광 중, 도파로의 광의 취출 측과는 반대 측인 제1반사부 측으로 전파하는 광은, 인접 금제대 영역과의 경계에 있어서 모두 반사되어, 광의 취출 측으로 향해서 전파한다. 이것에 의해 합파효율도 마찬가지로 향상한다.
각 금제대 영역에 있어서, 그 금제대 영역과 제1반사부 측에 인접하는 금제대 영역의 경계와, 그 금제대 영역의 점 형상 결함의 사이의 거리를 적절하게 설정 함으로써, 분파효율 또는 합파효율을 더욱 높일 수 있다. 광 분파기의 경우에는, 금제대 영역에 속하는 점 형상 결함에 있어서의 반사광과 그 인접 금제대 영역 경계에 있어서의 반사광이 중합되었을 때에 간섭에 의해 약화되도록, 즉 양자의 위상차가 π가 되도록 이 거리를 설정하는 것이 바람직하다. 광 합파기의 경우에는, 점 형상 결함으로부터 도파로의 광의 취출구 측을 향하는 광과, 그것과는 반대 측을 향해 인접 금제대 영역 경계에 있어서 반사되는 광이 중합되었을 때에 간섭에 의해 강화할 수 있도록, 즉 양자의 위상차가 0이 되도록 이 거리를 설정하는 것이 바람직하다.
다만, 제1반사부가 속하는 금제대 영역에 있어서는, 제1반사부 측에 인접 금제대 영역이 없다. 제1반사부 측으로 전파하는 광은 제1반사부에 있어서 반사된다. 따라서, 제1반사부가 속하는 금제대 영역에 있어서는, 점 형상 결함과 제1반사부의 사이의 거리를 설정한다. 그 조건은 다른 금제대 영역에 있어서의 점 형상 결함과 인접 금제대 영역 경계의 사이의 거리의 조건과 같다.
이 제2 태양의 경우도, 상기 제1 태양의 경우와 마찬가지로, 광 분파기에 있어서는 Qp/Qv를 조절함으로써 분파효율을 향상시킬 수 있다. 제2 태양에 있어서는, 분파하는 파장의 광은 인접 금제대 영역 경계에 있어서 전반사된다. 따라서, 상기 제1 태양에 있어서 제1반사부에서 전반사한다고 하는 조건에 의해 구해진 수학식 1은, 제2 태양에 있어서는, 제1반사부를 마련한 금제대 영역을 제외하고, 각 금제대 영역에 있어서 성립된다. 이는, 제1 태양의 경우와는 다르며, 제2 태양의 구성을 취하면 반드시 성립되는 것이다. 더욱, 제1반사부를 소정 파장의 광이 전반사하도록 구성하면, 제1반사부를 마련한 금제대 영역을 포함하는 모든 금제대 영역에 있어서 수학식 1이 성립된다.
인접 금제대 영역 경계로 반사되는 광과 점 형상 결함에서 반사되는 광의 위상차가 π가 되도록, 상기 최근접 위치와 인접 금제대 영역 경계의 사이의 거리를 정한다. 상기 제1 태양의 경우와 마찬가지로, 각 금제대 영역에 있어서 Qp/Qv를 1.4∼2.8로 하면, 분파효율을 각 금제대 영역의 어느 것에 있어서도 97% 이상으로 할 수 있다. 또한, 각 금제대 영역에 있어서 Qp/Qv = 2로 하면, 그 금제대 영역에 있어서의 분파효율을 10O%로 할 수 있다.
각 금제대 영역에 있어서의 분파효율에는, 다른 금제대 영역에 관한 파라미터는 기여하지 않는다. 따라서, 각 금제대 영역마다 분파효율이 최대가 되도록 독립적으로 설계하면 좋다.
이굴절률 영역의 배열 주기와 크기, 및 점 형상 결함의 크기를 같은 비율로 변화시킴으로써, Q값 등을 변화시키지 않고 점 형상 결함에 있어서의 공진파장을 제어할 수 있다. 따라서, 1개의 금제대 영역에 있어서 이 이굴절률 영역 및 점 형상 결함의 파라미터를 정해서 최적인 Qp/Qv의 값을 설정하면, 같은 조건으로 금제대 영역을 확대 또는 축소함으로써, 이 최적인 Qp/Qv를 유지한 채 각 금제대 영역 공진파장을 용이하게 설정할 수 있다.
(1) 본 발명에 관련되는 경계반사를 이용한 2차원 포토닉 결정 광 분합파기의 구성예
도 1에, 본 발명에 관련되는 경계반사를 이용한 2차원 포토닉 결정 광 분합파기의 제1 태양의 1구성예를 나타낸다. 본체(11)에, 이굴절률 영역인 빈 구멍(vacancy; 12)을 삼각격자 형상으로 주기적으로 배치한다. 빈 구멍(12)을 선 형상으로 결손시킴으로써 도파로(13)를 형성한다. 도파로(13)의 양단은 공히 본체(11)의 단부(端部)에 달한다. 이 실시예에 있어서는 단부에는 전파(傳播)광(光)을 반사시키기 위한 부재는 마련하지 않지만, 본체와 공기와의 굴절율의 차이에 의해, 제1본체 단부(15)에 달하는 도파로 단부는 도파로(13)를 전파하는 광의 일부를 반사하는 제1반사부(17)가 된다. 한편, 그 반대 측인 제2본체 단부(16)에 있어서는, 도파로의 전파광의 도입(광 분파기의 경우) 또는 취출(광 합파기의 경우)이 행해진다. 다만, 제2본체 단부(16)는, 제1본체 단부(15)와 마찬가지로 도파로의 전파광의 일부를 반사한다.
도파로(13)의 근방이며, 또한 제1본체 단부(15)로부터 소정의 거리(L)만큼 벗어난 위치에, 점 형상 결함을 마련한다. (a)는 억셉터형 점 결함(141), (b)는 도너형 클러스터 결함(142)을 마련하는 예다. 거리(L)는 점 형상 결함과 제1본체 단부(15)의 사이의 거리를, 거리(L')는 점 형상 결함과 제2본체 단부(16)의 사이의 거리를 나타낸다.
도 2에, 제1 태양의 다른 예를 나타낸다. 제1본체 단부(15)에, 점 형상 결함(14)의 공진파장의 광을 투과하지 않는 2차원 포토닉 결정(21)을 접속한다. 이에 의하여, 제1본체 단부(15)에 있어서, 점 형상 결함(14)의 공진파장의 광은 모두 반사된다.
거리(L 및 L')나 도파로의 양단부의 반사율 등의 파라미터를 적절하게 설정 함으로써, 광의 분파·합파효율을 종래보다도 높일 수 있다. 도 1과 같이 제1반사부가 공기와 접하고 있을 경우에는, 분파할 때에, 거리(L)를 그 점 형상 결함에 있어서의 공진파장(λ0)의 n/2(n은 양의 정수)배로 하면 분파효율이 높아진다. 이는, 도파로(13)의 점 형상 결함보다도 제2본체 단부(16) 측에 있어서, 제1본체 단부(15) 측의 도파로 단부에 의해 위상이 변화되지 않고 반사하는 광과, 점 형상 결함에 의해 반사해서 위상이 반전하는 광이 간섭에 의해 서로 약화시키기 때문이다. 한편, 합파할 때는, 거리(L)를 그 점 형상 결함에 있어서의 공진파장의 n/2배로 하면 합파효율이 높아진다. 이는, 점 형상 결함으로부터 직접 도파로의 제2본체 단부(16) 측을 향하는 광과, 제1본체 단부(15) 측의 도파로 단부에 의해 반사되어 제2본체 단부(16) 측을 향하는 광이 간섭에 의해 서로 강화하기 때문이다.
다만, 상기에 있어서 λ0는, 굴절율 매체인 도파로를 전파할 때의 파장이며, 점 형상 결함으로부터 분파된 공기 중에 있어서의 파장(λ)과는 다르다.
도 3에, 경계반사를 이용한 2차원 포토닉 결정 광 분합파기의 제2 태양의 1구성예를 나타낸다. 도 3 좌도의 광 분합파기는, 복수의 금제대 영역으로 이루어지는 헤테로(hetero) 구조를 가진다. 이 예에서는, 각 금제대 영역(301, 302, 303, ...)에 있어서의 빈 구멍(32)의 배열 주기(a1, a2, a3, ...)는, a1 > a2 > a3 > ...가 되도록 한다. 모든 금제대 영역을 통과하도록 빈 구멍(32)을 선 형상으로 결손시킴으로써 도파로(33)를 마련한다. 각 금제대 영역(301, 302, 303, ...)에 있어서 도파로(33)의 근방에, 직선 형상으로 인접한 3 빈 구멍 결손 직선 형상 도너형 클러스터 결함(341, 342, 343, ...)을 마련한다.
도 4에, 평면파 전개법에 의해 계산한, 3 빈 구멍 결손 직선 형상 도너형 클러스터 결함에 있어서의 공진주파수를 나타낸다. 다만, 이 계산의 상세는, 일본국 특허공개 2003-279764호 공보에 있어서 기술되어 있다. 도면의 종축은, 광의 주파수에 a/c(a는 이굴절률 영역의 배열 주기, c는 광속)를 곱해서 무차원으로 한 규격화 주파수다. 도파로의 투과대역(41)(규격화 주파수 0.267∼0.280) 중에는, 단일의 결함준위(42)가 존재한다. 이 결함준위(42)의 값은 약 O.267(규격화 주파수)이며, 도파로 투과대역(41)의 단부 근방에 해당한다. 상기 결함준위(42)의 규격화 주파수에 c를 곱해 이 예의 배열 주기(a1, a2, a3, ...)로 나눔으로써, 각 3 빈 구멍 결손 직선 형상 도너형 클러스터 결함(341, 342, 343, ...)에 있어서의 공진주파수를 구할 수 있다.
도파로의 투과대역과 공진주파수에 대해서, 금제대 영역간의 관계를 도 3 우도에 모식적으로 나타낸다. 이 예에서는 결함준위가 도파로 투과대역의 단부 근방인 것에 의해, 어느 금제대 영역에 있어서도, 결함준위(52)는 도파로의 광 도출입부(36) 측의 인접 금제대 영역의 도파로 투과대역(51)에는 포함되고, 그와는 반대 측의 인접 금제대 영역의 도파로 투과대역(51)에는 포함되지 않는다. 예컨대, 금제대 영역(302)의 결함준위(f2)는, 광 도입부(36) 측에 있는 금제대 영역(301)의 도파로 투과대역에는 포함되고, 그와는 반대 측에 있는 금제대 영역(303)의 도파로 투과대역에는 포함되지 않는다.
따라서, 각 금제대 영역에 있어서, 3 빈 구멍 결손 직선 형상 도너형 클러스터 결함의 공진주파수의 광은, 광 도입부(36)로부터 그 금제대 영역까지는 도파로를 투과하여, 그 3 빈 구멍 결손 직선 형상 도너형 클러스터 결함에 도달할 수 있다. 한편, 그 3 빈 구멍 결손 직선 형상 도너형 클러스터 결함을 통과해 도파로 내를 더욱 진행하는 광(종래는 손실이 되는 광)은, 옆의 금제대 영역으로 투과할 수가 없어서 경계면에 있어서 반사되어, 다시 그 3 빈 구멍 결손 직선 형상 도너형 클러스터에 도달한다. 예컨대, 도 5에 나타내는 바와 같이, 광 분파기에 있어서, 도파로(33)를 투과하는 주파수(f2)의 광은, 굵은 실선으로 나타내는 바와 같이 3 빈 구멍 결손 직선 형상 도너형 클러스터 결함(342)에 도입된다. 그 주파수(f2)의 광의 일부는 결함(342)을 통과해 도파로를 더욱 진행하지만, 금제대 영역(303)의 도파로가 주파수(f2)의 광을 투과하지 않기 때문에, 경계면(352)에서 반사되어 다시 결함(342)에 도달한다(도 5 중의 굵은 파선을 참조). 이렇게 해서, 3 빈 구멍 결손 직선 형상 도너형 클러스터 결함(341, 342, 343, ...)을 공진주파수의 광이 통과함에 의한 광의 손실을 억제하여, 각 결함에 있어서의 광의 분파효율을 향상시킬 수 있다.
도 3의 예를 광 합파기로서 이용할 경우에도, 효율을 향상시킬 수 있다. 도 6에 나타내는 바와 같이, 직선 형상 도너형 클러스터 결함으로부터 합파하는 광의 일부인, 광 도출입부(36)의 반대 측으로 진행하는 광은, 금제대 영역의 경계면에 있어서 반사된다(도 6 중의 굵은 파선 참조). 이로 인하여, 결함으로부터 합파하는 광은 모두 도파로의 광 도출입부(36)에 달한다.
다만, 광 분파기의 경우는, 금제대 영역의 경계면에서 반사된 광이 직선 형상 도너형 클러스터 결함에 들어가지 않고 광 도출입부(36) 측으로 통과해 버려 분파효율이 100%가 안될 경우가 있다. 따라서, 후술하는 바와 같이, 결함과 경계면의 사이의 거리 등을 적절하게 설정하는 것이 필요하게 된다.
직선 형상 도너형 클러스터 결함에는 빈 구멍 결손 수가 2개 또는 4개 이상의 것도 있지만, 상기한 바와 같이 도파로 투과대역의 단부 근방에 단일의 결함준위가 형성되는 3 빈 구멍 결손 직선 형상 도너형 클러스터 결함을 이용하는 것이 바람직하다.
(2) 본 발명에 관련되는 경계반사를 이용한 2차원 포토닉 결정 광 분파기의 분파효율의 계산
이하에, 본 발명에 관련되는 분파기의 분파효율을, 모드 결합 이론에 기해 계산한 결과를 나타낸다. 여기에서는, 도 1이나 도 2에 나타내는 제1 태양의 광 분파기의 구성에 기해서 설명하지만, 이하의 결과는 제2 태양의 헤테로 구조의 광 분파기에 있어서도 각 금제대 영역마다 제1 태양의 광 분파기와 마찬가지로 얻을 수 있다.
5개의 광의 진폭(A, S+1, S-1, S+2, S-2)을 파라미터로 한다. 도 7에 나타내는 바와 같이, A는 점 형상 결함(72)으로부터 분파되는 공진파장(λ0)의 광의 진폭, S+1은 제1본체 단부(73) - 점 형상 결함(72) 사이의 도파로(711) 내를 점 형상 결함(72)을 향해서 전파하는 파장(λ0)의 광의 진폭, S-1은 도파로(711) 내를 제1본체 단부(73) 측을 향해서 전파하는 파장(λ0)의 광의 진폭, S+2는 제2본체 단부(74) - 점 형상 결함(72) 사이의 도파로(712) 내를 점 형상 결함(72) 측을 향해서 전파하는 파장(λ0)의 광의 진폭, S-2는 도파로(712) 내를 제2본체 단부(74) 측을 향해서 전파하는 파장(λ0)의 광의 진폭이다. 또한, 제1본체 단부(73) 및 제2본체 단부(74)에 있어서의 강도(强度)반사율을 R1 및 R2, 진폭(振幅)반사율을 r1 및 r2로 한다. 더욱이, 도파로(71)와 점 형상 결함(72)의 사이의 Q값을 Qp, 점 형상 결함(72)과 자유공간의 사이의 Q값을 Qv로 한다.
모드 결합 이론에 의해 상기 5개의 파라미터(A, S+1, S-1, S+2, S-2)의 관계가 3개의 식으로 기술된다. 또한, 제1본체 단부(73) 및 제2본체 단부(74)에 있어서의 반사에 관해서 2개의 식이 도출된다. 이들의 연립방정식을 푸는 것에 의해 5개의 파라미터를 계산하여, A의 값으로부터 분파효율을 구한다.
도 8 ~ 도 11에, Qp = Qv인 경우에 대해서 계산을 행한 결과를 나타낸다. 이 Qp = Qv라고 하는 조건은, 경계반사를 고려하지 않는 종래의 2차원 포토닉 결정 광 분파기에 있어서 분파효율을 최대(50%)로 하는 것이다.
도 8(a)에, 강도반사율 R1을 1, R2를 O으로 했을 경우의 분파기의 분파효율을 나타낸다. 제1본체 단부(73)에서는, 광은 금속 미러에 의해 위상이 반전해서 반사하는 것으로 한다. 따라서, 진폭반사율 r1을 -1로 한다. 다만, 도면의 종축은 거리(L)를 2배 하여 파장(λ)으로 나눈 것이며, 횡축은 거리(L')를 2배 하여 파장(λ)으로 나눈 것이다. (a)에 있어서는 거리 L'에는 의존하지 않고 일정한 값을 나타내고 있다. 이하에서는 거리 L에 주목한다. 도 9는, 2L/λ를 횡축(2L'/λ는 도 8(a)의 계산 범위 내의 임의의 값)으로 하여 분파효율을 나타내는 그래프다. 2L/λ가 반(半)정수인 때에 분파효율이 약 88%가 된다. 이것은, 종래의 2차원 포토닉 결정 광 분파기의 상기 최대 분파효율(50%)보다도 향상되어 있다. 그 이유는, 도파로(711) 내에 있어서, 본체 단부(74)에 의해 반사된 광과 점 형상 결함(72)에 의해 반사된 광이 간섭에 의해 서로 소거하여, 그에 의해서 점 형상 결함(72)으로부터 분파되는 광의 진폭이 증대했기 때문이라고 생각된다. 이와 반대의 이유에 의해, 2L/λ가 정수인 때에 분파효율이 O%가 된다.
도 8(b)에, 강도반사율 R1을 1, R2를 0.18로 했을 경우의 분파기의 분파효율을 나타낸다. 제1본체 단부(73)에서는 금속 미러에 의해, 제2본체 단부(74)에서는 공기에 의해, 각각 광이 반사하는 것으로 한다. 이 R2의 값은, 본체와 공기와의 계면에 있어서의 광의 반사의 실험에서 구한 것이다. 진폭반사율 r1은 (a)의 경우와 마찬가지로 -1로 한다. 한편, 제2본체 단부(73)에서는 반사에 의해 광의 위상이 변화되지 않기 때문에, 진폭반사율 r2는 +(O.18)0.5으로 한다. (b)에 있어서는 분파효율은 거리(L')에도 의존한다. 종축, 횡축 공히 반(半)정수인 때에, 분파효율은 (a)의 경우보다도 더욱 향상하여, 100%가 된다.
도 10 및 도 11에, 공진파장의 중앙값이 1.5μm(공기 중에 취출했을 때의 파장)인 점 형상 결함에 있어서, 강도반사율(R1, R2)및 진폭반사율(r1, r2)을 도 8(b)의 경우와 마찬가지로 했을 경우에, 분파되는 광의 스펙트럼 강도를 나타낸다. 2L/λ0, 2L'/λ0가 모두 반(半)정수인 도 10(a)의 경우에는, 공진파장의 중앙값에 있어서 점 형상 결함으로부터 취출되는 광의 강도가 1OO%가 된다. 2L/λ0가 반(半)정수, 2L'/λ0가 정수인 도 10(b)의 경우에는, 공진파장의 중앙값에 있어서는 점 형상 결함으로부터 취출되는 광의 강도가 약 60%에 머물고, 그것보다도 조금 벗어난 파장에 있어서 강도가 100%가 된다. 2L/λ0가 정수인 도 11(a) 및 (b)의 경우에는, 모두 공진파장의 중앙값에 있어서는 강도가 O%가 된다.
다음으로, Qp = 2Qv로 했을 경우에 대해서 계산을 행한 결과를 도 12에 나타낸다. Q값 이외의 조건은 도 8(a) 및 도 9의 경우와 같이(R1 = 1, R2 = 0, r1 = -1) 한다. 도 12(a)는 2L/λ를 종축, 2L'/λ를 횡축으로 하여 분파효율을 나타내는 도면이다. 도 12(b)는, 2L/λ를 횡축(2L'/λ는 (a)의 계산 범위 내의 임의의 값)으로 한 분파효율의 그래프이다. Qp = Qv의 경우와 마찬가지로, 분파효율은 L'에 의존하지 않는다. 한편, Qp = Qv의 경우와는 다르게, 2L/λ가 반(半)정수인 때에 분파효율이 100%가 된다. 따라서, Qp = 2Qv로 함으로써, 도 8(b)와 같이 제2반사부를 마련하지 않고, 또한 L'을 한정하지 않고, 분파효율을 100%로 할 수 있다.
본 발명은, 파장분할 광다중통신 등에 이용되는 2차원 포토닉 결정 광 분합파 디바이스에 이용되는 것이다.

Claims (20)

  1. a) 슬래브(slab) 형상의 본체와,
    b) 상기 본체에 주기적으로 배열된 복수의, 본체와는 굴절율이 다른 영역과,
    c) 상기 이(異)굴절률 영역의 결함을 선(線) 형상으로 마련함으로써 형성되는 도파로와,
    d) 상기 도파로의 근방에, 상기 이굴절률 영역의 결함을 점(点) 형상으로 마련함으로써 형성되는 점 형상 결함과,
    e) 상기 도파로의 일방의 단(端)에 마련한, 상기 점 형상 결함의 공진파장의 광 중 적어도 그 일부를 반사하는 제1반사부와,
    를 구비하는 것을 특징으로 하는, 경계반사를 이용한 2차원 포토닉 결정 광 분합파기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1반사부를 마련한 도파로 단부가 본체의 단부에 달하는 것을 특징으로 하는 경계반사를 이용한 2차원 포토닉 결정 광 분합파기.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 본체 단부가 공간에 접하고 있는 것을 특징으로 하는 경계반사를 이용한 2차원 포토닉 결정 광 분합파기.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 점 형상 결함에 있어서의 공진파장의 광을 투과하지 않는 2차원 포토닉 결정을 상기 본체 단부에 접속한 것을 특징으로 하는 경계반사를 이용한 2차원 포토닉 결정 광 분합파기.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 점 형상 결함에 있어서의 공진파장을 가져 이 점 형상 결함에서 반사되는 광이라고, 동(同)파장으로 이 점 형상 결함을 통과해 상기 제1반사부에서 반사되는 광의 위상차가 π가 되도록, 제1반사부와 점 형상 결함의 사이의 거리를 설정한 것을 특징으로 하는 경계반사를 이용한 2차원 포토닉 결정 광 분합파기.
  6. 청구항 1 내지 청구항 4 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 점 형상 결함에 있어서의 공진파장을 가져 이 점 형상 결함으로부터 도파로에 도입되는 광과, 동(同)파장으로 상기 제1반사부에서 반사되는 광의 위상차가 0이 되도록, 제1반사부와 점 형상 결함의 사이의 거리를 설정한 것을 특징으로 하는 경계반사를 이용한 2차원 포토닉 결정 광 분합파기.
  7. 청구항 1 내지 청구항 6 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1반사부와는 반대 측의 도파로 단부에, 상기 공진파장의 광 중 적어도 그 일부를 반사하는 제2반사부를 구비하는 것을 특징으로 하는 경계반사를 이용한 2차원 포토닉 결정 광 분합파기.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 점 형상 결함에 있어서의 공진파장을 가져 상기 제2반사부 측에서 도입되는 광과, 동(同)파장으로 제2반사부 측에서 도입되어 이 점 형상 결함에서 반사되어 더욱 제2반사부에서 반사되는 광의 위상차가 0이 되도록, 제2반사부와 점 형상 결함의 사이의 거리를 설정한 것을 특징으로 하는 경계반사를 이용한 2차원 포토닉 결정 광 분합파기.
  9. 청구항 1 내지 청구항 8 중의 어느 한 항에 있어서,
    점 형상 결함의 공진파장의 광을 상기 제1반사부에서 전반사시켜, 상기 점 형상 결함과 도파로의 사이의 결합 상수Qp과, 이 점 형상 결함과 공기의 사이의 결합 상수Qv의 비인 Qp/Qv를 1.4∼2.8로 하는 것을 특징으로 하는 경계반사를 이용한 2차원 포토닉 결정 광 분합파기.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 Qp/Qv를 2로 하는 것을 특징으로 하는 경계반사를 이용한 2차원 포토닉 결정 광 분합파기.
  11. a) 슬래브 형상의 본체와,
    b) 상기 본체 내에 마련한 2 이상의 금제대 영역과,
    c) 각 금제대 영역 내에 있어서, 각 금제대 영역마다 다른 주기로 주기적으로 본체에 배열된 복수의, 본체와는 굴절율이 다른 영역과,
    d) 각 금제대 영역 내에 있어서 상기 이(異)굴절률 영역의 결함을 선 형상으로 마련함으로써 형성되고, 모든 금제대 영역을 통과하는 도파로와,
    e) 각 금제대 영역 내에 있어서 상기 도파로의 근방에 마련한 점 형상 결함과,
    f) 상기 도파로의 일방의 단(端)에 마련한, 상기 점 형상 결함의 공진파장의 광 중 적어도 그 일부를 반사하는 제1반사부와,
    를 구비하며,
    g) 각 금제대 영역에 있어서의 도파로의 투과파장 대역의 일부가, 그 금제대 영역보다도 상기 제1반사부 측에 있는 모든 금제대 영역의 도파로 투과파장 대역에 포함되지 않고, 또한 그 금제대 영역보다도 상기 제1반사부의 반대 측에 있는 모든 금제대 영역의 도파로 투과파장 대역에 포함되고,
    h) 각 금제대 영역에 마련되는 상기 점 형상 결함에 있어서의 공진파장이, 상기 일부의 투과파장 대역에 포함되는,
    것을 특징으로 하는, 경계반사를 이용한 2차원 포토닉 결정 광 분합파기.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 점 형상 결함이, 인접하는 3개의 이굴절률 영역을 결손시킴으로써 구성되는 직선 형상 도너형 클러스터 결함인 것을 특징으로 하는 경계반사를 이용한 2차원 포토닉 결정 광 분합파기.
  13. 청구항 11 또는 청구항 12에 있어서,
    상기 제1반사부를 마련하는 도파로 단부가 본체의 단부에 달하는 것을 특징으로 하는 경계반사를 이용한 2차원 포토닉 결정 광 분합파기.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 본체 단부가 공간에 접하고 있는 것을 특징으로 하는 경계반사를 이용한 2차원 포토닉 결정 광 분합파기.
  15. 청구항 13에 있어서,
    상기 점 형상 결함에 있어서의 공진파장의 광을 투과하지 않는 2차원 포토닉 결정을 상기 본체 단부에 접속한 것을 특징으로 하는 경계반사를 이용한 2차원 포토닉 결정 광 분합파기.
  16. 청구항 11 내지 청구항 15 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1반사부가 속하는 금제대 영역을 제외하는 금제대 영역에 있어서는 상기 제1반사부 측의 인접 금제대 영역과의 경계면과 그 금제대 영역에 마련하는 점 형상 결함의 사이의 거리를, 상기 제1반사부가 속하는 금제대 영역에 있어서는 제1반사부와 그 금제대 영역에 마련하는 점 형상 결함의 사이의 도파로 길이방향의 거리를, 그 금제대 영역의 점 형상 결함의 공진파장을 가지고 이 점 형상 결함에서 반사되는 광과, 동(同)파장으로 이 점 형상 결함을 통과해서 상기 금제대 영역 경계면 또는 제1반사부에서 반사되는 광의 위상차가 π가 되도록, 설정한 것을 특징으로 하는 경계반사를 이용한 2차원 포토닉 결정 광 분합파기.
  17. 청구항 11 내지 청구항 15 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1반사부가 속하는 금제대 영역을 제외하는 금제대 영역에 있어서는 상기 제1반사부 측의 인접 금제대 영역과의 경계면과 그 금제대 영역에 마련하는 점 형상 결함의 사이의 거리를, 상기 제1반사부가 속하는 금제대 영역에 있어서는 제1반사부와 그 금제대 영역에 마련하는 점 형상 결함의 사이의 도파로 길이방향의 거리를, 그 금제대 영역의 점 형상 결함의 공진파장을 가져 이 점 형상 결함으로부터 도파로에 도입되는 광과, 동(同)파장으로 상기 금제대 영역 경계면 또는 제1반사부에서 반사되는 광의 위상차가 0이 되도록, 설정한 것을 특징으로 하는 경계반사를 이용한 2차원 포토닉 결정 광 분합파기.
  18. 청구항 11 내지 청구항 17 중의 어느 한 항에 있어서,
    각 금제대 영역에 있어서의 점 형상 결함과 도파로의 사이의 결합 상수 Qp와, 이 점 형상 결함과 공기의 사이의 결합 상수 Qv의 비인 Qp/Qv를 1.4∼2.8로 하는 것을 특징으로 하는 경계반사를 이용한 2차원 포토닉 결정 광 분합파기.
  19. 청구항 18에 있어서,
    상기 Qp/Qv를 2로 하는 것을 특징으로 하는 경계반사를 이용한 2차원 포토닉 결정 광 분합파기.
  20. 청구항 18 또는 청구항 19에 있어서,
    상기 제1반사부가 속하는 금제대 영역의 점 형상 결함의 공진파장의 광을 상기 제1반사부에서 전반사시키는 것을 특징으로 하는 경계반사를 이용한 2차원 포토닉 결정 광 분합파기.
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