KR20060064059A

KR20060064059A - 전자기파 주파수 필터

Info

Publication number: KR20060064059A
Application number: KR1020067004072A
Authority: KR
Inventors: 스스무 노다; 다카시 아사노; 송봉식; 히토미치 다카노
Original assignee: 도꾸리쯔교세이호징 가가꾸 기쥬쯔 신꼬 기꼬; 마츠시다 덴코 가부시키가이샤
Priority date: 2003-08-29
Filing date: 2004-08-26
Publication date: 2006-06-12
Also published as: KR100739522B1; JP2005077673A; TWI237709B; US7321707B2; TW200510798A; CA2536568A1; CA2536568C; JP3721181B2; EP1662281A4; US20060269188A1; WO2005022221A1; CN1875303A; CN100523887C; EP1662281A1

Abstract

본 발명의 전자기파 주파수 필터에서는, 공진기(4₁)의 공진 주파수에 부합하는 소정 주파수의 전자기파가 공진기(4₁)를 통해 입력 도파로(2)에서 출력 도파로(3)로 전송되어, 출력 포트(P3₁)로부터 출력된다. 본 전자기파 주파수 필터는 입력 도파로측 반사부(21₁) 및 출력 도파로측 반사부(31₁)를 가지며, 이들은 소정 주파수의 전자기파를 반사한다. 본 전자기파 주파수 필터는 다음의 관계를 충족하며,

Q_inb/(1-cosθ₁)≪Q_v

Q_inb/(1-cosθ₁)=Q_inr/(1-cosθ₂)

θ₁,θ₂≠2Nπ (N=0, 1,...)

여기에서, θ₁은 입력 도파로측 반사부(21₁)에 의해 반사된 전자기파의 위상 변화량을 나타내고, θ₂는 출력 도파로측 반사부(31₁)에 의해 반사된 전자기파의 위상 변화량을 나타내며, Q_inb는 공진기(4₁)와 입력 도파로(2) 사이의 Q 인자를 나타내고, Q_inr은 공진기(4₁)와 출력 도파로(3₁) 사이의 Q 인자를 나타내며, Q_v는 공진기(4₁)와 자유 공간 사이의 Q 인자를 나타낸다.

광 결정, 도파로, 굴절율 주기 구조, 평면 헤테로 구조, 드롭 효율

Description

전자기파 주파수 필터{ELECTROMAGNETIC WAVE FREQUENCY FILTER}

본 발명은 소정 주파수의 전자기파를 선택적으로 추출하기 위한 전자기파 주파수 필터에 관한 것이다.

최근에, 광통신 등의 분야에 있어서는 전송 용량을 증대시키기 위해 파장 분할 다중 방식을 채용한 광통신 시스템의 보급이 진행되고 있다. 파장 분할 다중 방식의 광통신 시스템에서는, 멀티플렉서, 디멀티플렉서, 및 파장 필터(주파수 필터) 등이 필요하고, 디멀티플렉서로서는 일반적으로 어레이 도파로 회절 격자(Arrayed Waveguide Grating: AWG)가 이용되고 있다. 그러나, 어레이 도파로 회절 격자는 석영계 광도파로를 사용하여 형성되어 있고, 수 cm² 정도의 크기이므로, 보다 소형의 디멀티플렉서가 요구되고 있다. 그에 따라, 디멀티플렉서의 소형화를 도모하기 위해, 광의 파장 정도(평가되는 전자기파 대역의 1/2 파장 전후)의 굴절율 주기 구조를 가지는 광 결정을 이용한 주파수 필터가 각 처에서 연구 개발되고 있다.

이러한 종류의 주파수 필터로서는, 예를 들면 도 14a 및 도 14b에 나타낸 바와 같이, 소위 슬라브형의 광 결정(slab type photonic crystal)(1) 내에, 직선형 의 입력 도파로(2)와, 입력 도파로(2)의 폭 방향으로 입력 도파로(2)에 대해 이격되어 배치된 출력 도파로(3)와, 입력 도파로(2)의 중간부와 출력 도파로(3)의 중간부 사이에 존재하는 공진기(4)를 구비한 전자기파 주파수 필터가 제안되어 있다. 도 14a 및 도 14b에 나타낸 구성의 전자기파 주파수 필터는 2차원 광 결정(1)의 굴절율 주기 구조에 2개의 선형의 결함(a linear defect)(즉, 굴절율 주기 구조의 혼란)을 도입함으로써 입력 도파로(2) 및 출력 도파로(3)를 형성하고, 또한 2차원 광 결정(1)의 굴절율 주기 구조에 점 모양의 결함(point-like defect)을 도입함으로써 공진기(4)를 형성하고 있다. 그리고, 슬라브형의 2차원 광 결정(1)에서는, 예를 들면 Si 등의 고굴절율 매질로 이루어지는 슬라브(11)의 두께 방향의 양쪽을 예를 들면 공기, SiO₂ 등의 일정한 저굴절율 매질에 의해 협지한 구성으로 되어 있고, 면 내에서는(in-plane) 광 밴드갭(photonic bandgap)에 의해 전자기파(예를 들면, 광)를 구속하고, 두께 방향으로는 전반사에 의해 전자기파를 구속하게 되어 있다.

전술한 전자기파 주파수 필터는, 입력 도파로(2)의 일단을 포트 P1으로 하고, 타단을 포트 P2로 하며, 출력 도파로(3)의 일단을 포트 P3로 하고, 타단을 포트 P4로 하며, 포트 P1를 입력 포트로 하고, 포트 P3를 드롭 포트로 한다. 주파수가 상이한 복수의 전자기파가 입력 포트 P1에 입사될 때, 이들 복수의 전자기파 중 공진기(4)의 공명 주파수에 일치하는 소정 주파수의 전자기파가 공진기(4)를 통하여 출력 도파로(3)에 전송되며, 그 후 드롭 포트 P3로부터 출사된다. 공진기(4)의 공명 주파수 이외의 주파수의 전자기파가 입력 도파로(2)의 포트 P2를 향해 전파된 다. 도 14a에서, 실선의 화살표는 공진기(4)의 공명 주파수에 일치하는 주파수의 전자기파의 진행 경로를 나타내고, 일점 쇄선의 화살표는 공진기(4)의 공명 주파수 이외의 전자기파의 전파 경로를 나타내고 있다.

전술한 바와 같은 전자기파 주파수 필터는 드롭 포트 P3의 출력을 변화시켜 드롭 포트 P3로부터의 전자기파의 추출을 스위칭하는 광 스위치로서 사용될 수도 있다.

그런데, 도 14a 및 도 14b에 나타낸 종래 구성의 전자기파 주파수 필터에서의 각각의 포트 P1 내지 P4의 출력 강도와 공진기(4)에서 자유 공간으로의 출력 강도를 모드 결합 이론(mode-coupling theory)에 의해 정량적으로 평가한 경우, 도 15에 나타낸 바와 같은 결과를 얻을 수 있었다. 모드 결합 이론을 적용하는데 있어서는, 공진기(4)와 입력 도파로(2) 간의 Q 인자를 Q_in로 하고, 공진기(4)와 자유 공간 간의 Q 인자를 Q_v로 하였다. 도 15에서는 가로축이 Q_in/Q_v을 나타내고, 세로축이 출력 강도를 나타내며, 동 도면 중의 "X1"이 포트 P2의 출력 강도를 나타내고, "X2"가 포트 P1, P3 및 P4의 출력 강도를 나타내며, "X3"가 자유 공간으로의 출력 강도를 나타낸다. 도 15로부터, 상기 종래 구성의 전자기파 주파수 필터에서는 드롭 포트 P3에 대한 드롭 효율(즉, 파장 선택 효율)의 최대값이 이론적으로 25％ 밖에 얻어지지 않아 드롭 효율이 너무 낮다고 하는 문제가 있었다. 또한, 전술한 Q_in, Q_v에 대하여 보충 설명하면, Q_in은 공진기-입력 도파로 시스템에서 공진기(4)로부터 입력 도파로(2)로 누설되는 에너지의 양에 관련된 값이다. 즉, Q_in은 공진기- 입력 도파로 시스템에서 공진기(4)에 어느 정도의 에너지를 축적할 수 있는지를 나타낸 값이며, 공진기(4)의 공명 주파수를ω₀, 공진기(4)에 축적되는 에너지를 W, 공진기(4)로부터 입력 도파로(2)측으로 단위 시간당 손실되는 에너지를 -dW/dt 라고 하면, Q_in = ω₀×W/(-dW/dt)으로 정의된다. Q_v는 공진기-자유 공간 시스템에서 공진기(4)로부터 자유 공간으로 누설되는 에너지의 양에 관련된 값이다. 즉, 공진기-자유 공간 시스템에서 공진기(4)에 어느 정도의 에너지를 축적할 수 있는지를 나타낸 값이며, 공진기(4)의 공명 주파수를ω₀, 공진기(4)에 축적되는 에너지를 W, 공진기(4)로부터 자유 공간측으로 단위 시간당 손실되는 에너지를 -dW/dt 라고 하면, Q_v = ω₀×W/(-dW/dt)으로 정의된다.

또, 도 14a 및 도 14b에 나타낸 구성에 비해 높은 드롭 효율을 얻을 수 있는 전자기파 주파수 필터가 제안되어 있다. 이 전자기파 주파수 필터는 공기보다 굴절율이 높은 매질로 이루어지는 원기둥형의 로드가 2차원 면 내에 배열된 2차원 광 결정을 포함하고, 이 2차원 광 결정에 입력 도파로, 출력 도파로 및 2개의 공진가 형성된다(예를 들면, 일본 PCT 출원 공개 2001-508887호 공보(제22-23 페이지, 제40-46 페이지, 도 3, 도 8, 도 22)와, C.Manolatou 등의 "Coupling of Modes Analysis of Resonant Channel Add-Drop Filters", IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, VOL.35, NO.9, 1999, p.1322-1331, Shanhui Fan 등의 "Channel Drop Tunneling through Localized States", PHYSICAL REVIEW LETTERS, VOL.80, NO.5, 1998, p.960-963를 참조).

이 종류의 전자기파 주파수 필터에서는, 2개의 공진기의 공명 모드에 의해, 입력 도파로의 입력 포트와는 반대측의 단부를 향해 전파하는 전자기파와 출력 도파로의 드롭 포트와는 반대측의 단부를 향해 전파하는 전자기파를 상쇄(cancel)할 수 있다. 구체적으로, 2개의 공진기는 양자의 공진기가 동상(in phase)으로 진동하는 대칭 모드와 양자의 공진기가 역상(in opposite phase)으로 진동하는 비대칭 모드를 형성하며, 이 대칭 모드에서의 공명 주파수와 비대칭 모드에서의 공명 주파수가 일치하고, 입력 도파로, 출력 도파로 및 면 외의 자유 공간 각각에 대한 대칭 모드 및 비대칭 모드 각각의 감쇠율이 서로 동일하고, 또한 대칭 모드의 진동과 비대칭 모드의 진동의 위상차가 특정한 조건(예를 들면, π)을 충족할 때, 공진기를 기준으로 하여 입력 도파로의 입력 포트(입사단)와는 반대 방향으로 전파하는 전자기파와 공진기를 기준으로 하여 출력 도파로의 드롭 포트(출사단)와는 반대 방향으로 전파하는 전자기파를 상쇄할 수 있다. 결과적으로, 전자기파가 특정한 드롭 포트에만 선택적으로 드롭될 수 있다.

그런데, 전술한 2개의 공진기를 형성한 종래의 전자기파 주파수 필터에는, 어떠한 도파로를 통하지 않는 공진기 간의 결합 에너지를 μ, 입력 도파로를 통하여 공진기가 서로 결합할 때의 공진기 자체 간의 위상 변화량을 ø, 출력 도파로를 통하여 공진기가 서로 결합할 때의 위상 변화량을 ø', 공진기로부터 입력 도파로까지의 에너지의 감쇠율을 1/τe, 공진기로부터 출력 도파로까지의 에너지의 감쇠율을 1/τe', 공진기가 단독으로 존재하는 경우의 공명 주파수를 ω₀, 대칭 모드의 공명 주파수를ω_s, 비대칭 모드의 공명주파수를 ω_a로 하면, 각각의 모드의 공명 주파수 ω_s 및 ω_a가 각각 다음과 같이 계산될 수 있다:

ω_s=ω₀-{μ-(1/τe)×sinø-(1/τe')×sinø'}

ω_a=ω₀+{μ-(1/τe)×sinø-(1/τe')×Sinø'}

상기의 수식으로부터 명백한 바와 같이, 본질적으로 양쪽 모드의 공명 주파수 ω_s와 ω_a가 서로 상이하며, 양쪽 모드의 공명 주파수 ω_s와 ω_a를 서로 일치시키기 위해는 다음의 수식을 충족할 필요가 있다:

μ-(1/τe)×sinø―(1/τe')×sinø'=O

그러나, 이 조건을 만족시키는 위해서는, 복잡한 구조를 사용할 필요가 있어서, 예를 들면, 공진기 부근의 로드의 굴절율을 나머지 로드의 굴절율과는 상이한 값으로 설정하거나, 공진기 부근의 로드의 반경을 나머지 로드의 반경에 비해 극단적인 작은 값으로 설정할 필요가 있어서, 설계상의 제약이 많고, 전자기파 주파수 필터의 설계 및 제조가 곤란하였다.

본 발명은 상기한 문제점을 감안하여 이루어진 것이며, 비교적 간단한 설계로 입력 도파로에 입사한 복수의 주파수의 전자기파 중 소정 주파수의 전자기파를 출력 도파로의 드롭 포트로부터 효율적으로 추출하는 것이 가능한 전자기파 주파수 필터를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.

본 발명에 따른 전자기파 주파수 필터는, 입력 도파로의 일단에 입사된 복수의 주파수의 전자기파를 수신하도록 구성된 입력 도파로와, 상기 입력 도파로에 나란히 설치한 출력 도파로와, 상기 입력 도파로와 상기 출력 도파로 사이에 배치된 공진기를 포함한다. 공진기는 소정의 공명 주파수를 가지며, 이 공명 주파수에 일치하는 소정 주파수의 전자기파와 공진하여, 이 전자기파를 입력 도파로에서 출력 도파로로 전송하며, 이에 의해 이 전자기파가 출력 도파로의 일단측의 드롭 포트로부터 출사된다. 본 발명의 특징은, 입력 도파로가 공진기를 기준으로 하여 상기 입력 도파로의 상기 일단측과는 반대측에 공명 주파수의 전자기파를 반사하기 위한 입력 도파로측 반사부를 갖고, 출력 도파로가 상기 출력 도파로의 상기 일단의 반대측에 소정 주파수의 전자기파를 반사하기 위한 출력 도파로측 반사부를 가지며, 본 발명의 전자기파 주파수 필터가, 입력 도파로측 반사부에 의해 반사되어 공진기 부근으로 리턴된 전자기파의 위상 변화량을 θ₁, 출력 도파로측 반사부에 의해 반사되어 공진기 부근으로 리턴된 전자기파의 위상 변화량을 θ₂, 공진기와 입력 도파로 사이의 Q 인자를 Q_inb, 공진기와 출력 도파로 사이의 Q 인자를 Q_inr, 상기 공진기와 자유 공간 사이의 Q 인자를 Q_v로 할 때,

Q_inb/(1-cosθ₁)≪Q_v

Q_inb/(1-cosθ₁)=Q_inr/(1-cosθ₂)

θ₁,θ₂≠2Nπ (N=0, 1,...)

의 관계를 충족시키는 것을 특징으로 한다. Q_inb는 공진기-입력 도파로 시스템에서 공진기로부터 입력 도파로 누설되는 에너지의 양에 관련된 값이다. 즉, 공진기-입력 도파로 시스템에서 공진기에 어느 정도의 에너지를 축적할 수 있는지를 나타내는 값이다. Q_inb는 공진기의 공명 주파수를ω₀, 공진기에 축적되는 에너지를 W, 공진기로부터 입력 도파로측으로 단위 시간당 손실되는 에너지를 -dW/dt 이라 하면, Q_inb=ω₀×W/(-dW/dt)으로 정의된다. Q_inr은 공진기-출력 도파로 시스템에서 공진기로부터 출력 도파로로 누설되는 에너지의 양에 관련된 값이다. 즉, 공진기-출력 도파로 시스템에서 공진기(4)에 어느 정도의 에너지를 축적할 수 있는지를 나타내는 값이며, 공진기의 공명 주파수를 ω₀, 공진기에 축적되는 에너지를 W, 공진기로부터 출력 도파로측으로 단위 시간당 손실되는 에너지를 -dW/dt 이라 하면, Q_inr=ω₀×W/(-dW/dt)으로 정의된다. Q_v는 공진기-자유 공간 시스템에서 공진기로부터 자유 공간으로 누설되는 에너지의 양에 관한 값이다. 즉, 공진기-자유 공간 시스템에서 공진기에 어느 정도의 에너지를 축적할 수 있는지를 나타낸 값이며, 공진기의 공명 주파수를 ω₀, 공진기에 축적되는 에너지를 W, 공진기로부터 자유 공간측으로 단위 시간당 손실되는 에너지를 -dW/dt 이라 하면, Q_v=ω₀×W/(-dW/dt)으로 정의된다. 그러나, 각각의 Q_inb, Q_inr 및 Q_v는 입력 도파로 및 출력 도파로를 포함한 전체 시스템에 의해 정해지는 값이며, 입력 도파로의 상기 일단이나 출력 도파로의 상기 일단에서 기생의 반사 성분이 있는 경우나, 입력 도파로 또는 출력 도파로에 굴곡된 도파로 등의 기생의 공진기 성분이 있는 경우에는, 이들 기생 성분도 포함하여 결정된 값이다.

본 발명의 전자기파 주파수는 비교적 간단한 설계로 입력 도파로에 입사한 복수의 주파수의 전자기파 중 공진기의 공명 주파수에 일치하는 소정 주파수의 전자기파를 출력 도파로의 드롭 포트로부터 효율적으로 추출할 수 있어, 100％에 가까운 드롭 효율을 실현하는 것이 가능해진다.

바람직하게는, 적어도 2차원 면 내에 굴절율 주기 구조를 갖는 제1 광 결정과, 제1 광 결정과는 굴절율 주기 구조의 주기가 상이한 제2 광 결정이 동일 면 내에 나란히 위치된 평면 헤테로 구조(in-plane hetero structure)를 가지고, 상기 입력 도파로는 제1 광 결정과 제2 광 결정의 배열 방향에 있어서 제1 광 결정과 제2 광 결정의 전체 길이에 걸쳐 각각의 굴절율 주기 구조에 선형의 결함(a linear defect)을 설치함으로써 형성되고, 상기 출력 도파로는 제1 광 결정과 제2 광 결정의 배열 방향에 있어서 제1 광 결정과 제2 광 결정에 걸쳐 각각의 굴절율 주기 구조에 선형의 결함을 설치함으로써 형성되고, 상기 공진기는 상기 제1 광 결정에 점 모양의 결함(point-like defect)을 설치함으로써 형성되고, 또한 상기 공진기의 상기 공명 주파수가 제2 광 결정에 있어서 도파 모드가 존재하지 않는 주파수 대역에 포함되어 있고, 상기 입력 도파로측 반사부가 제1 광 결정에 형성된 상기 입력 도파로의 부분과 제2 광 결정에 형성된 상기 입력 도파로의 부분 간의 경계에 의해 형성되고, 상기 출력 도파로측 반사부가 제1 광 결정에 형성된 상기 출력 도파로의 부분과 제2 광 결정에 형성된 상기 출력 도파로의 부분 간의 경계에 의해 형성된다.

이 경우, 평면 헤테로 구조를 이용하여 상기 공명 주파수의 전자기파를 반사시킬 수가 있다.

보다 바람직하게는, 상기 제1 광 결정 및 상기 제2 광 결정이 각각 2차원 광 결정이며, 상기 입력 도파로에 따른 방향에서의 상기 공진기와 상기 입력 도파로측 반사부 간의 거리를 d₁, 상기 출력 도파로에 따른 방향에서의 상기 공진기와 상기 출력 도파로측 반사부 간의 거리를 d₂, 상기 입력 도파로의 전파 정수를 β₁, 상기 출력 도파로의 전파 정수를 β₂, 상기 입력 도파로측 반사부에 의해 반사되는 전자기파의 반사 위상 변화를 Δ₁, 상기 출력 도파로측 반사부에 의해 반사되는 전자기파의 반사 위상 변화를 Δ₂로 할 때, 상기 공진기와 상기 입력 도파로 사이의 간격과 상기 공진기와 상기 출력 도파로 사이의 간격을 동일하게 설정하고, d₁과 d₂를 동일하게 설정하고, 또한 β₁과 β₂를 동일하게 설정하며, 상기 제1 광 결정에 형성된 상기 입력 도파로의 부분과 상기 제2 광 결정에 형성된 상기 입력 도파로의 부분 간의 축 어긋남의 양과, 상기 제1 광 결정에 형성된 상기 출력 도파로의 부분과 상기 제2 광 결정에 형성된 상기 출력 도파로의 부분 간의 축 어긋남의 양을 서로 동일하게 설정함으로써, 상기 입력 도파로측 반사부에 의해 반사되는 전자기파의 반사 위상 변화 Δ₁과 상기 출력 도파로측 반사부에 의해 반사되는 전자기파의 반사 위상 변화 Δ₂가 서로 동일하게 되도록(Δ₁=Δ₂) 설정되어 있다.

이 경우, θ₁=θ₂로 되므로, θ₁ 및 θ₂의 변동에 대한 드롭 효율의 변동폭이 작고, θ₁ 및 θ₂의 변동에 대한 마진을 크게 할 수 있다.

보다 바람직하게는, 상기 제1 광 결정과 상기 제2 광 결정의 경계 부근에서, 상기 입력 도파로가 상기 경계 부근에서 완만하게 연속되도록, 상기 2차원의 제1 광 결정과 상기 2차원의 제2 광 결정 중 적어도 한쪽의 굴절율 주기 구조의 주기를 단계적으로 변화시킨다.

이 경우, 상기 제1 광 결정과 상기 제2 광 결정의 경계 부근에서 상기 입력 도파로가 완만하게 연속하므로, 상기 제1 광 결정에 형성된 상기 공진기의 공명 주파수 이외의 주파수의 전자기파에 대하여 상기 입력 도파로의 축 어긋남에 기인한 반사손실을 저감할 수 있다.

또, 상기 제1 광 결정과 상기 제2 광 결정 간에 상기 입력 도파로의 축 어긋남이 발생되지 않도록, 상기 입력 도파로와 상기 출력 도파로의 배열 방향에서의 상기 제1 광 결정과 상기 제2 광 결정의 상대적인 위치 관계가 설정되며, cosθ₁=cosθ₂의 관계를 만족시키도록, 상기 입력 도파로측 반사부와 상기 공진기 사이의 거리가 설정되는 것도 바람직하다.

이 경우, 상기 공명 주파수 이외의 주파수의 전자기파에 대하여 상기 입력 도파로의 축 어긋남에 기인한 반사 손실을 제거할 수 있다.

또는, 상기 제1 광 결정과 상기 제2 광 결정 간에 상기 입력 도파로의 축 어긋남이 발생되지 않도록, 상기 입력 도파로와 상기 출력 도파로의 배열 방향에서의 상기 제1 광 결정과 상기 제2 광 결정의 상대적인 위치 관계가 설정되며, 상기 출력 도파로측 반사부에는 Δ₂를 Δ₁에 일치시키기 위한 위상 보상부가 설치되는 것도 바람직하다.

이 경우, 상기 출력 도파로측 반사부의 반사 효율을 상기 입력 도파로측 반사부의 반사 효율에 일치시킬 수 있어서, 거리 d₁ 및 d₂의 변화에 대한 마진을 크게 할 수 있다.

또, 전자기파 주파수 필터는 적어도 2차원 면 내에 굴절율 주기 구조를 갖는 제1 광 결정과 제1 광 결정과는 굴절율 주기 구조의 주기가 상이한 제2 광 결정이 동일 면 내에 나란히 설치되는 평면 헤테로 구조를 가지고, 상기 입력 도파로는 제1 광 결정과 제2 광 결정의 배열 방향에 있어서 제1 광 결정과 제2 광 결정의 전체 길이에 걸쳐 각각의 굴절율 주기 구조에 선형의 결함을 설치함으로써 형성되고, 상기 공진기는 제1 광 결정에 점 모양의 결함을 설치함으로써 형성되고, 상기 출력 도파로는 제1 광 결정의 굴절율 주기 구조에 선형의 결함을 설치함으로써 형성되어, 상기 출력 도파로의 반대측의 단부가 상기 출력 도파로측 반사부를 구성하는 것도 바람직하다.

이 경우, 상기 입력 도파로에서는 평면 헤테로 구조를 이용하여 상기 공명 주파수의 전자기파를 반사시킬 수가 있고, 상기 출력 도파로에서는 상기 출력 도파로의 상기 반대측에서의 상기 2차원의 제1 광 결정의 광 밴드갭을 이용하여 상기 공명 주파수의 전자기파를 반사시킬 수 있다.

상기의 경우, 상기 제1 광 결정 및 상기 제2 광 결정이 각각 2차원 광 결정이며, 상기 입력 도파로에 따른 방향에서의 상기 공진기와 상기 입력 도파로측 반사부 사이의 거리를 d₁이라 하고, 상기 출력 도파로에 따른 방향에서의 상기 공진기와 상기 출력 도파로측 반사부 사이의 거리를 d₂로 할 때, cosθ₁=cosθ₂의 관계를 만족시키도록 d₁ 및 d₂가 설정되는 것이 바람직하다.

이 경우, 전자기파 주파수 필터의 설계가 용이하게 된다.

보다 바람직하게는, 상기 출력 도파로의 상기 반대측의 단부 부근의 전자계 분포가 급격하게 변화하지 않도록, 상기 제1 광 결정의 굴절율 주기 구조를 변화시킨다.

이 경우, 상기 출력 도파로의 상기 반대측의 단부 부근의 전자계 분포가 급격하게 변화하는 것을 방지할 수 있고, 자유 공간으로의 방사 손실을 저감할 수 있으므로, 드롭 효율을 향상시킬 수가 있다.

또, Q_inb, Q_inr, cosθ₁ 및 cosθ₂는 Q_inb=Q_inr 및 cosθ₁=cosθ₂의 관계를 만족시키도록 설정되는 것이 바람직하다.

이 경우, 상기 공진기에 대하여 상기 공진기와 상기 입력 도파로 사이의 거리와 상기 공진기와 상기 출력 도파로 사이의 거리를 서로 동일하게 설정하는 대칭적인 구조에서 드롭 효율을 높이는 것이 가능해지며, 그에 따라 전자기파 주파수 필터의 설계가 용이하게 된다.

또, 상기 입력 도파로측 반사부 및 상기 출력 도파로측 반사부 중 적어도 한쪽의 부근의 굴절율을 변화시킴으로써 상기 드롭 포트의 출력을 변화시키는 제어 수단, 또는 상기 입력 도파로측 반사부 및 상기 출력 도파로측 반사부 중 적어도 한쪽의 부근에서의 굴절율 주기 구조의 주기를 변화시킴으로써 상기 드롭 포트의 출력을 변화시키는 제어 수단, 또는 상기 각각의 반사부 및 상기 공진기 각각의 부근의 굴절율을 변화시킴으로써 상기 드롭 포트의 출력을 변화시키는 제어 수단을 가지는 것도 바람직하다.

이 경우, 전자기파 주파수 필터는 주파수 선택성(파장 선택성) 전자기파 스위치로서 사용될 수 있다.

또, Q_inb와 Q_inr가 상이하고, 상기 출력 도파로측 반사부 부근의 굴절율을 변화시킴으로써 상기 드롭 포트의 출력을 변화시키는 제어 수단을 가지는 것도 바람직하다.

이 경우, 전자기파 주파수 필터는 주파수 선택성(파장 선택성) 전자기파 스위치로서 사용될 수 있고, 또한 θ₂ 양의 변화에 응답하여 드롭 효율의 변화량이 커지므로, 소비 전력의 저감 및 스위칭 속도의 고속화를 도모할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예를 나타낸 개략 평면도이다.

도 2는 제1 실시예의 특성 평가도이다.

도 3은 본 발명의 제2 실시예를 나타낸 개략 평면도이다.

도 4는 본 발명의 제3 실시예를 나타낸 개략 평면도이다.

도 5는 제3 실시예의 특성 평가도이다.

도 6은 제3 실시예의 다른 구성예를 나타낸 개략 평면도이다.

도 7은 본 발명의 제4 실시예를 나타낸 개략 평면도이다.

도 8은 제4 실시예의 특성 평가도이다.

도 9a는 본 발명의 제5 실시예를 나타낸 개략 평면도이고, 도 9b는 도 9a의 주요부 확대도이다.

도 10은 본 발명의 제6 실시예를 나타낸 개략 평면도이다.

도 11은 제6 실시예의 특성 평가도이다.

도 12는 본 발명의 제7 실시예를 나타낸 개략 평면도이다.

도 13은 제7 실시예의 특성 평가도이다.

도 14a는 종래예의 개략 평면도이고, 도 14b는 도 14a의 주요부 확대도이다.

도 15는 도 14a의 특성 평가도이다.

이하에서는 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.

(제1 실시예)

도 1에 도시한 바와 같이, 본 실시예의 전자기파 주파수 필터는 각각 상이한 주기의 굴절율 주기 구조를 갖는 복수의 2차원 광 결정(1₁, 1₂,...)(도 1에는 2개만 도시되어 있음)이 2차원 면 내에 한 방향(도 1의 좌우 방향)으로 나란히 배치된 평 면 헤테로 구조를 갖는다. 전자기파 주파수 필터는 이들 2차원 광 결정(1₁, 1₂,...)의 배열 방향에 있어서 모든 2차원 광 결정(1₁, 1₂,...)의 전체 길이에 걸쳐 2차원 광 결정(1₁, 1₂,...)의 굴절율 주기 구조에 선형의 결함을 형성함으로써 입력 도파로(2)가 형성되는 동시에, 복수의 2차원 광 결정(1₁, 1₂,...) 중 상기 배열 방향에 있어서 서로 인접하는 각 쌍의 2차원 광 결정(1_n, 1_m)(n=1, 2,..., m=n+1)의 각각의 굴절율 주기 구조에 선형의 결함을, 이 선형의 결함이 각 쌍의 2차원 광 결정(1_m, 1_m)에 인접하도록, 형성함으로써 출력 도파로(3₁, 3₂,...)가 형성되고, 또한 각 쌍의 2차원 광 결정(1_n, 1_m)의 한쪽의 2차원 광 결정(1_n)의 굴절율 주기 구조에 점 모양의 결함을 형성함으로써 공진기(4₁, 4₂,...)가 형성되어 있다. 입력 도파로(2)의 일단(도 1의 좌측단)을 입력 포트 P1으로 하고, 각 출력 도파로(3₁, 3₂,...)의 일단(도 1의 좌측단)을 각각 드롭 포트(P3₁, P3₂,...)로 하고 있다.

각각의 출력 도파로(3₁, 3₂,...)는 입력 도파로(2)의 옆에 배치되며, 각각의 공진기(4₁, 4₂,...)는 입력 도파로(2)와 각각의 출력 도파로(3₁, 3₂,...)의 중간부의 사이에 배치되며, 각각의 공진기는 공명 주파수(ω₀₁, ω₀₂,...)를 갖는다. 이 전자기파 주파수 필터에서, 복수의 주파수의 전자기파가 입력 포트 P1에 입사될 때, 각각의 공명 주파수(ω₀₁, ω₀₂,...)에 일치하는 소정 주파수의 전자기파가 각각의 공 진기(4₁, 4₂,...)를 통하여 입력 도파로(2)에서 각각의 출력 도파로(3₁, 3₂,...)로 전송되어, 출력 도파로(3₁, 3₂,...)의 각각의 드롭 포트(P3₁, P3₂,...)로부터 출력된다. 공진기(4₁, 4₂,...)의 각각의 공명 주파수(ω₀₁, ω₀₂,...)는 각각 상이하게 되어 있고, 예를 들면, 공진기 4₁의 공명 주파수 ω₀₁에 일치하는 주파수(제1 소정 주파수)의 전자기파는 공진기 4₁를 통하여 출력 도파로 3₁의 드롭 포트 P3₁로부터 출사되고, 공진기 4₂의 공명 주파수 ω₀₂에 일치하는 주파수(제2 소정 주파수)의 전자기파는 공진기 4₂를 통하여 출력 도파로 3₂의 드롭 포트 P3₂로부터 출사된다. 출력 도파로(3₁, 3₂,...)는 중간부가 입력 도파로(2)에 평행하다.

각 2차원 광 결정(1₁, 1₂,...)은 Si 등의 고굴절율 매질로 구성되는 슬라브(slab)(11₁, 11₂,...)의 두께 방향의 양측을 공기 또는 Si0₂ 등의 균일한 저굴절율 매질로 협지하는 구성의 소위 슬라브형 2차원 광 결정이다. 2차원 광 결정의 면 내에서는 광 밴드갭에 의해 광을 구속하고, 두께 방향으로는 전반사에 의해 광을 구속하게 되어 있다. 2차원 광 결정(1₁, 1₂,...)의 각각에서, 다수의 원형 구멍(12₁, 12₂,...)이 슬라브(11₁, 11₂,...)의 두께 방향에 직교하는 면 내에서 2차원적인 주기 구조를 갖도록 배열되어 있고, 슬라브(11₁, 11₂,...)를 구성하는 고굴절율 매질과 원형 구멍(12₁, 12₂,...) 내의 공기로 이루어지는 저굴절율 매질로 상기 굴 절율 주기 구조를 갖는 2차원 광 결정(1₁, 1₂,...)을 구성하고 있다. 구체적으로는, 각 슬라브(11₁, 11₂,...) 마다, 단위 격자가 정삼각형의 가상적인 2차원 삼각 격자의 각 격자점에 원형 구멍(12₁, 12₂,...)을 형성함으로써 광 결정(1₁, 1₂,...)을 형성하고 있다. 환언하면, 원형 구멍(12₁, 12₂,...)은 각각의 슬라브(11₁, 11₂,...)의 두께 방향에 직교하는 면 내에 있어서 삼각 격자형으로 배열되어 있다.

본 실시예의 전자기파 주파수 필터에서, 각 쌍의 2차원 광 결정(1_n, 1_m)의 굴절율 주기 구조는 그들 간에 축적 관계를 가지며, 각 쌍의 2차원 광 결정(1_n, 1_m)을 이용하여 평면 헤테로 구조가 형성되도록, 2차원 광 결정(1_m)의 원형 구멍(12_m)(m=n+1, n=1, 2,...)의 배열 방향에서의 주기가 2차원 광 결정(1_n)의 원형 구멍(12_n)(n=1, 2,...)의 배열 방향에서의 주기보다 수％(예를 들면, 1.2％) 작게 설정된다.

구체적으로 설명하면, 본 실시예에서는, 입력 포트 P1에 입사되는 전자기파의 주파수 대역으로서, C-대역(1530∼1565nm) 및 L-대역(1565∼1625nm) 등의 광통신 파장 대역이 고려되고 있다. 2차원 광 결정(1₁)에 있어서의 원형 구멍(12₁)의 배열 방향의 주기 a₁를 0.42μm로 설정하고, 각각의 원형 구멍(12₁)의 반경을 0.29a₁로 설정하고, 슬라브(11₁)의 두께를 0.6a₁로 설정한다. 2차원 광 결정 1₁의 옆에 배치된 2차원 광 결정 1₂에서, 원형 구멍(12₂)의 반경 및 슬라브(11₂)의 두께는 2차원 광 결정 1₁과 동일하고, 원형 구멍(12₂)의 배열 방향의 주기(즉, 2차원 광 결정(1₂)의 굴절율 주기 구조의 주기, 이것은 2차원 삼각 격자의 격자점 사이의 거리) a₂를 2차원 광 결정 1₁의 원형 구멍(12₁)의 주기 a₁ 보다 1.2％ 작게 설정하고 있다. 원형 구멍(12₁, 12₂,...)의 배열 방향의 주기 a₁ 및 a₂를 전술한 바와 같은 값으로 설정함으로써, 2차원 면 내의 모든 방향으로부터 입사하는 상기 주파수 대역의 전자기파(광)를 전파하지 않는 파장대인 광 밴드갭을 형성할 수 있다. 입력 도파로(2), 출력 도파로(3₁, 3₂,...) 및 공진기(4₁, 4₂,...)의 각각은 적당한 수의 원형 구멍(12₁, 12₂,...)을 스킵(skip)함으로써 형성된다. 본 실시예에서는, 각 출력 도파로(3₁, 3₂,...)에 굴곡부가 설치되어 있지만, 2차원 광 결정(1₁, 1₂,...)에는 광 밴드갭 내의 광에 대하여 2차원 면 내의 모든 방향에 대한 정상 전파가 금지되어 있으므로, 방사 손실없이 전자기파를 출력 도파로에 전파시킬 수 있다. 또, 전술한 원형 구멍(12₁, 12₂,...)의 배열 방향의 주기 a₁, a₂ 및 원형 구멍(12₁, 12₂,...)의 반경의 값은 특별히 이들 값으로 한정되지 않고, 주기 a₁, a₂는 상기 주파수 대역의 전자기파의 파장 정도(예를 들면, 전자기파의 파장의 1/2 정도)의 주기로 된다.

본 실시예의 전자기파 주파수 필터는, 전술한 바와 같은 광통신 파장대의 전 자기파가 사용되는 것으로 고려한 것이며, 두께 방향의 중간에 절연막인 실리콘 산화막(매입 산화막)을 갖는 이른바 SOI(Silicon On Insulator) 기판을 사용하여 형성하고 있다. 본 실시예의 전자기파 주파수 필터에서의 2차원 광 결정(1₁, 1₂,...), 입력 도파로(2), 출력 도파로(3₁, 3₂,...) 및 공진기(4₁, 4₂,...)의 각각은 SOI 기판의 주표면측의 실리콘층을 리소그래피 기술 및 에칭 기술을 이용하여 가공함으로써 형성된다. 따라서, 각 2차원 광 결정(1₁, 1₂,...), 입력 도파로(2), 출력 도파로(3₁, 3₂,...) 및 공진기(4₁, 4₂,...)를 비교적 간단하게 형성하는 것이 가능하다. 예를 들면, 시판중인 SOI 웨이퍼에서의 주표면측의 실리콘층 상에 원하는 형상으로 패터닝한 레지스트층을 형성한 후, 드라이 에칭 장치에 의해 입력 도파로(2), 출력 도파로(3₁, 3₂,...), 공진기(4₁, 4₂,...) 및 슬라브(11₁, 11₂,...)에 대응한 부분은 잔류되고 원형 구멍(12₁, 12₂,...)에 대응하는 부분은 제거되도록 실리콘층을 에칭한다. 그 결과, 각 2차원 광 결정(1₁, 1₂,...), 입력 도파로(2), 출력 도파로(3₁, 3₂,...) 및 공진기(4₁, 4₂,...)의 각각을 동시에 형성하는 것이 가능하게 된다. C-대역 및 L-대역 등의 광통신 파장대에 있어서는, Si의 굴절율이 3.4 정도, SiO의 굴절율이 1.5 정도, 공기의 굴절율이 1이며, 슬라브(11₁, 11₂,...)와 그 양쪽의 클래드(clad)와의 굴절율 차는 55∼70％로 되어, 일반적으로 광섬유의 코어와 클래드의 상대 굴절율차(0.3％)에 비해 매우 큰 값으로 된다. 그러므로, 광섬 유에 비해 광 구속 효과를 높일 수 있고, 필터의 소형화가 도모된다.

전술한 바와 같이, 본 실시예의 전자기파 주파수 필터는 각 쌍의 2차원 광 결정(1_n, 1_m)에 평면 헤테로 구조가 형성되어 있지만, 각 쌍의 2차원 광 결정(1_n, 1_m)에서는 한 쌍의 2차원 광 결정(1_n, 1_m)에 걸쳐 형성된 입력 도파로(2) 및 출력 도파로(3_n)(n=1, 2,...)의 도파 모드가 상이하므로, 각 도파로(2, 3_n)에 있어서 2차원 광 결정(1_n)에 형성된 부분을 전파하는 복수의 주파수의 일부의 주파수가 2차원 광 결정(1_m)에 형성된 부분을 전파하지 못하고 반사되기 때문에, 이 반사되는 주파수를 공명 주파수에 일치시키고 있다. 즉, 본 실시예의 전자기파 주파수 필터는 2차원 광 결정(1_n)에 형성된 공진기(4_n)(n =1, 2,...)의 공명 주파수가 2차원 광 결정(1_m)에 있어서 도파 모드가 존재하지 않는 주파수 대역에 포함되어 있고, 각 쌍의 2차원 광 결정(1_n, 1_m)의 경계 부근에서는, 입력 도파로(2)에 있어서 한쪽(이하, 전단측으로 지칭함)의 2차원 광 결정(1_m)에 형성된 부분과 다른 쪽(이하, 후단측으로 지칭함)의 2차원 광 결정(1_n)에 형성된 부분과의 경계에 의해, 전단측의 2차원 광 결정(1_n)에 형성된 공진기(4_n)(n=1, 2,...)의 공명 주파수에 일치하는 주파수의 전자기파를 반사하는 입력 도파로측 반사부(21_n)(n=1, 2,...)가 형성되고, 출력 도파로(3₁, 3₂,...)에 있어서 전단측의 2차원 광 결정(1_n)에 형성된 부분과 후단측의 2 차원 광 결정(1_m)에 형성된 부분과의 경계에 의해, 전단측의 2차원 광 결정(1_n)에 형성된 공진기(4_n)(n=1, 2,...)의 공명 주파수에 일치하는 소정 주파수의 전자기파를 반사하는 출력 도파로측 반사부(31_n)(n=1, 2,...)가 형성되어 있다.

즉, 본 실시예의 전자기파 주파수 필터에서는, 입력 도파로(2)의 일단을 입력 포트 P1로 하고, 각 출력 도파로(3₁, 3₂,...)의 일단을 각각 드롭 포트(P3₁, P3₂,...)로 하고, 입력 도파로(2)에 있어서 공진기(4₁, 4₂,...)를 기준으로 하여 상기 일단과는 반대측에 각각의 공진기(4₁, 4₂,...)의 공명 주파수의 전자기파를 반사하는 입력 도파로측 반사부(21₁,...)를 설치하고, 각각의 출력 도파로(3₁, 3₂,...)의 반대측에 각각의 공진기(4₁, 4₂,...)의 공명 주파수의 전자기파를 반사하는 출력 도파로측 반사부(31₁,...)를 설치하고 있다. 따라서, 본 실시예의 전자기파 주파수 필터에서는, 입력 도파로(2)로부터 각각의 공진기(4₁, 4₂,...)를 통하여 출력 도파로(3₁, 3₂,...)에 전송되고 각각의 출력 도파로(3₁, 3₂,...)의 각각의 드롭 포트(P3₁, P3₂,...)의 반대측의 단으로 향해 전파한 전자기파가 각각의 출력 도파로측 반사부(31₁,...)에 의해 반사되며, 입력 도파로(2)로부터 각각의 공진기(4₁, 4₂,...)에 전송된 전자기파에 있어서 공진기(4₁, 4₂,...)로부터 입력 도파로(2)에 복귀하고 입력 도파로(2)의 입력 포트 P1과는 반대측의 단을 향해 전파된 전자기파 및 공진기(4₁, 4₂,...)의 공명 주파수의 전자기파로서 공진기(4₁, 4₂,...)에 전송되지 않고 입력 도파로(2)의 반대측의 단을 향해 전파하는 전자기파가 입력 도파로측 반사부(21₁,...)에 의해 반사된다. 도 1에서, 일점 쇄선으로 나타낸 화살표는 공진기(4₁, 4₂,...)의 공명 주파수와는 상이한 주파수의 전자기파의 전파 경로를 나타내고, 도 1 중에 실선으로 나타낸 화살표는 공진기(41)의 공명 주파수에 일치하는 주파수의 전자기파의 진행 경로의 일례로서 입력 도파로측 반사부(2₁)에서 반사된 다음에 공진기(4₁)를 통하여 출력 도파로(31)에 전송되고, 또한 출력 도파로측 반사부(31₁)에 의해 반사되어 드롭 포트 P3₁로부터 출력되는 경우의 진행 경로를 나타내고 있다.

본 실시예의 전자기파 주파수 필터에 있어서, 입력 도파로(2)에 따른 방향에서의 공진기(4₁)와 입력 도파로측 반사부(21₁) 사이의 거리를 d₁, 출력 도파로(3₁)에 따른 방향에서의 공진기(4₁)와 출력 도파로측 반사부(31₁) 사이의 거리를 d₂, 입력 도파로(2)의 전파 정수를 β₁, 출력 도파로(3₁)의 전파 정수를 β₂, 입력 도파로측 반사부(21₁)에 의해 반사되는 전자기파의 반사 위상 변화를 Δ₁, 출력 도파로측 반사부(31₁)에 의해 반사된 전자기파의 반사 위상 변화를 Δ₂, 입력 도파로측 반사부(21₁)에 의해 반사되어 공진기(4₁) 부근으로 리턴된 때의 전자기파의 위상 변화량을 θ₁, 출력 도파로측 반사부(31₁)에 의해 반사되어 공진기(4₁) 부근으로 리턴된 때의 전자기파의 위상 변화량을 θ₂로 하면, 위상 변화량 θ₁ 및 θ₂은 각각 다음과 같이 계산되며,

θ₁ = 2β₁×d₁+Δ₁

θ₂= 2β₂×d₁+Δ₂

또한, 공진기(4₁)와 입력 도파로(2) 간의 Q 인자를 Q_inb, 공진기(4₁)와 출력 도파로(3₁) 간의 Q 인자를 Q_inr, 전자기파의 주파수를 ω, 공진기(4₁)의 공명 주파수를 ω₀, 입력 포트 P1로부터 입력 도파로(2)에 입사하는 전자기파 중 공진기(4₁)의 공명 주파수에 일치하는 소정 주파수의 전자기파의 진폭을 s₊₁, 드롭 포트 P3₁로부터 출사되는 전자기파의 진폭을 s_-3으로 하고, 드롭 포트 P3₁의 드롭 효율을 D로 하면, 모드 결합 이론을 이용하여 드롭 효율 D를 구함으로써 다음의 수학식 1을 얻을 수 있다:

상기의 수학식에서, 본 실시예의 전자기파 주파수 필터에서의 공진기(4₁)가 슬라브형의 2차원 광 결정(1₁)의 굴절율 주기 구조에 결함을 설치함으로써 형성되고, 해당 결함이 2차원 광 결정(1)의 굴절율 주기 구조에서 원형 구멍(12₁)이 형성되어야 할 부위를 반도체 재료로 채움으로써 형성된 이른바 도너형 결함(donor type defect)(본 실시예에서는, 2개의 원형 구멍(12₁)에 Si를 채움으로써 형성된 도너형 결함)이기 때문에, 자유 공간으로의 방사 손실이 적어져, 높은 Q_v 를 얻을 수 있기 때문에, Q_inb /(1-cosθ₁)≪Q_v 로 되므로, 전술한 수학식 1 중의 1/Q_v의 항을 영(0)으로 무시할 수 있다. 따라서, 다음의 수식,

Q_inb /(1-cosθ₁)=Q_inr /(1-cosθ₂)

θ₁,θ₂≠2Nπ (N=0, 1,...)

의 관계를 만족시키도록 각 파라미터 d₁, d₂, β₁, β₂, Δ₁, Δ₂, θ₁, θ₂, Q_inb, Q_inr, Q_v를 설정함으로써 드롭 효율 D를 대략 1(즉, 거의 100％)로 하는 것이 가능해진다. 즉, 종래의 전자기파 주파수 필터에 비해 비교적 간단한 설계로 드롭 효율을 향상시킬 수가 있다. 또한, 2차원 광 결정에 도너형 결함을 설치함으로써 형성한 공진기가 높은 Q 인자를 갖는다는 것은 예컨대 간행물 1(Y. Akahane 등의 "Great improvement of Q-factor by shifting lattice points of a two-dimensional photonic crystal slab point defect resonator"(일본), 제50 회 응용 물리학 관계 연합 강연회 강연 예고집, 29a-2YN-9(2003년 3월)) 및 간행물 2(Y.Akahane 등의 "Design of channel drop filter by using a donor type-cavity with high-quality factor in a two-dimensional photonic crystal slab", APPLlED PHYSICS LETTERS, VOL.82, NO.9, 2003, p.1341-1343)에 보고되어 있다. 간행물 1에는 45000의 Q_v 값이 얻어지는 것이 보고되어 있고, 간행물 2에는 Q_v로서 5000의 값이 얻어지는 것이 보고되어 있다.

또, 본 실시예의 전자기파 주파수 필터에서는, 모든 공진기(4₁, 4₂,...)가 2차원 광 결정(1₁, 1₂,...)의 배열 방향에 따른 일직선 상에 정렬되도록 공진기(4₁, 4₂,...)의 위치를 설정하고, 각각의 공진기와 입력 도파로(2) 사이의 거리와 각각의 공진기와 출력 도파로(3₁) 사이의 거리를 서로 동일하게 설정함으로써 Q_inb=Q_inr으로 되도록 한다. 또, d₁=d₂, Δ₁=Δ₂, β₁=β₂로 되도록 설계함으로써 θ₁=θ₂으로 되어 cosθ₁=cosθ₂로 되므로, 위상 변화량θ₁, θ₂와 드롭 효율 D와의 관계는 도 2에 나 타낸 바와 같이 된다. 도 2에서, 가로축은 위상 변화량 θ₁을 나타내고, 세로축은 위상 변화량 θ₂를 나타내며, 드롭 효율 D는 그 등고선이 그레이 스케일로 나타내어져 있으며, 이 드롭 효율은 흑색에 가까울수록 낮고 백색에 가까울 수록 높아진다. 본 실시예의 전자기파 주파수 필터에서, 2차원 광 결정(1₁)에 형성된 입력 도파로(2)의 부분과 2차원 광 결정(1₂)에 형성된 입력 도파로(2)의 부분 간의 축 어긋남의 양과, 2차원 광 결정(1₁)에 형성된 출력 도파로(3₁)의 부분과 2차원 광 결정(1₂)에 형성된 출력 도파로(3₁)의 부분 간의 출력 도파로(3₁)의 축 어긋남의 양을 동일하게 함으로써 반사 위상 변화량 Δ₁가 Δ₂와 동일하게 되도록 설정하고 있다. 그러므로, θ₁=θ₂로 되어, 거리 d₁(=d₂)의 변화에 응답하여 θ₁, θ₂가 점선 "L"에 따라 변화한다. 따라서, 위상 변화량 θ₁, θ₂의 변동에 대한 드롭 효율(즉, 파장 선택 효율)의 변동폭이 작고, 그러므로 위상 변화량 θ₁, θ₂의 변동에 대한 마진을 크게 할 수 있다.

전술한 수학식 1은 드롭 포트 P3₁의 드롭 효율을 구하기 위한 수식이지만, 다른 드롭 포트(P3₁,...)에 대해서도 마찬가지의 관계식이 성립되는 것은 물론이다.

전술한 바와 같이, 본 실시예의 전자기파 주파수 필터에서는, 입력 도파로(2)에 입사된 복수의 주파수의 전자기파 중 공진기(4₁, 4₂,...) 각각의 공명 주파수 에 일치하는 소정 주파수의 전자기파를 출력 도파로(3₁, 3₂,...)의 각각의 드롭 포트(P3₁, P3₂,...)로부터 추출하는 때에, 종래의 전자기파 주파수 필터에 비해 드롭 효율(파장 선택 효율)을 향상시킬 수 있다. 또, 공진기(4₁, 4₂,...)를 중심으로서 공진기(4₁, 4₂,...)와 입력 도파로(2) 사이의 거리와 공진기(4₁, 4₂,...)와 출력 도파로(3₁, 3₂, ...) 사이의 거리를 동일한 값으로 설정하는 것과 같은 대칭적인 구조로 드롭 효율을 높일 수 있기 때문에, 전자기파 주파수 필터의 설계가 용이하게 된다.

본 실시예에서는 2차원 광 결정(1₁, 1₂,...)에서의 슬라브(11₁, 11₂,...)를 구성하는 고굴절율 매질로서 Si를 사용하고 있지만, Si에 한정되지 않고, 예를 들면 GaAs, InP 등의 다른 재료를 사용해도 된다.

(제2 실시예)

제1 실시예의 전자기파 주파수 필터에서는, 모든 공진기(4₁, 4₂,...)가 일직선 상에 정렬되도록 각 공진기(4₁, 4₂,...)가 위치되고, 2차원 광 결정(1₁, 1₂,...)의 배열 방향에 있어서 서로 인접하는 각 쌍의 2차원 광 결정(1_n, 1_m)(n=1, 2, ..., m=n+1)의 굴절율 주기 구조의 주기가 서로 상이하다. 그러므로, 입력 도파로(2)는 전단의 2차원 광 결정(1_n)(도 1에서는 2차원 광 결정 1₁)에 형성된 입력 도파로의 부분과 후단의 2차원 광 결정(1_m)(도 1에서는 2차원 광 결정 1₂)에 형성된 입력 도 파로의 부분 간의 축 어긋남(광축의 어긋남)을 갖는다. 그 결과, 공진기(4_n)(도 1에서는 공진기 4₁)의 공명 주파수와는 상이한 주파수의 전자기파에 대해서 입력 도파로(2)의 축 어긋남에 기인한 반사 손실이 발생하므로, 입력 도파로(2)의 길이 방향으로 따라 복수의 드롭 포트(P3₁, P3₂,...)가 배열되어 있는 경우, 후단의 드롭 포트(P3₂,...)만큼 드롭 효율(파장 선택 효율)이 저하된다.

이와 반대로, 본 실시예에서는, 도 3에 도시된 바와 같이, 2차원 광 결정(1₁, 1₂,...)의 배열 방향에서 서로 인접하는 각 쌍의 2차원 광 결정(1_n, 1_m)(n=1, 2,..., m=n+1)의 경계 부근에서 입력 도파로(2)가 완만하게 연속되도록, 상기 경계 부근에서는 전단의 2차원 광 결정(1_n)(도 1에서는 2차원 광 결정 1₁)과 후단의 2차원 광 결정(1_m)(도 1에서는 2차원 광 결정 1₂)의 양쪽의 굴절율 주기 구조의 양측 주기를 단계적으로 변화시키고 있다. 그리고, 본 실시예의 전자기파 주파수 필터의 기본 구성은 제1 실시예와 동일하므로, 제1 실시예와 동일한 구성 요소에는 동일한 부호를 부여하여 설명을 생략한다.

본 실시예의 전자기파 주파수 필터에서는, 복수의 2차원 광 결정(1₁, 1₂, ...)의 배열 방향에서 서로 인접하는 각 쌍의 2차원 광 결정(1_n, 1_m)(n=1, 2, ..., m=n+1)의 경계 부근에 입력 도파로(2)가 완만하게 연속하므로, 전단의 2차원 광 결정(1_n)에 형성된 공진기(4_n)의 공명 주파수 이외의 주파수의 전자기파에 대하여 입 력 도파로(2)의 축 어긋남에 기인한 반사 손실을 저감할 수 있고, 이에 의해 후단의 드롭 포트(P3₂,...)의 드롭 효율을 제1 실시예에 비해 향상시킬 수가 있다.

그리고, 본 실시예에서는 전단의 2차원 광 결정(1_n)과 후단의 2차원 광 결정(1_m)의 양쪽의 굴절율 주기 구조의 주기를 단계적으로 변화시키고 있지만, 적어도 한쪽의 2차원 광 결정의 굴절율 주기 구조의 주기를 단계적으로 변화시켜도 된다.

(제3 실시예)

제2 실시예의 전자기파 주파수 필터에서는, 각 쌍의 2차원 광 결정(1_n, 1_m)의 경계 부근에 입력 도파로(2)가 완만하게 연속적으로 연장되기 때문에, 공진기(4_n)의 공명 주파수 이외의 주파수의 전자기파에 대하여 입력 도파로(2)의 축 어긋남에 기인한 반사 손실이 감소될 수 있으며, 이에 의해 후단의 드롭 포트(P3₂,...)의 드롭 효율(파장 선택 효율)을 제1 실시예에 비해 향상시킬 수가 있다. 그러나, 제2 실시예의 전자기파 주파수 필터에 있어서도, 입력 도파로(2)의 축 어긋남에 기인한 반사 손실은 발생하므로, 각각의 드롭 포트(P3₁, P3₂,...)의 드롭 효율이 서로 상이하게 된다. 그러므로, 후단의 드롭 포트(P3₂,...)의 드롭 효율(파장 선택 효율)을 보다 증가시키도록 요구된다.

본 실시예의 전자기파 주파수 필터의 기본 구성은 제1 실시예 및 제2 실시예와 대략 동일하며, 도 4에 나타낸 바와 같이, 복수의 2차원 광 결정(1₁, 1₂,...)의 배열 방향에서 서로 인접하는 각 쌍의 2차원 광 결정(1_n, 1_m)(n=1, 2,..., m=n+1)의 경계 부근에서 입력 도파로(2)에 축 어긋남이 형성되지 않도록, 각 광 결정(1₁, 1₂,...)에 형성된 입력 도파로(2)의 부분의 광축을 서로 일치시키고 있다는 점 등이 상이하다. 제1 실시예 및 제2 실시예에서는 모든 공진기(4₁, 4₂,...)가 일직선 상에 정렬되도록 각 공진기(4₁, 4₂,...)의 위치를 설정하고 있는데 대하여, 본 실시예에서는 입력 도파로(2)의 광축이 일직선으로 되도록 되어 있으므로, 공진기(4₁, 4₂,...)의 상대적인 위치 관계가 제1 실시예 및 제2 실시예와는 상이하다. 그리고, 다른 구성은 제1 실시예 1 및 제2 실시예와 동일하므로, 제1 및 제2 실시예와 동일한 구성 요소에는 동일한 부호를 부여하여 설명을 생략한다.

따라서, 본 실시예의 전자기파 주파수 필터에서는, 복수의 2차원 광 결정(1₁, 1₂,...)의 배열 방향에서 서로 인접하는 각 쌍의 2차원 광 결정(1_n, 1_m)(n=1, 2,..., m=n+1)의 경계 부근에서 입력 도파로(2)의 축 어긋남이 없기 때문에, 전단의 2차원 광 결정(1_n)에 형성된 공진기(4_n)의 공명 주파수 이외의 주파수의 전자기파에 대하여 입력 도파로(2)의 축 어긋남에 기인한 반사 손실을 제거할 수 있어, 각 드롭 포트(P3₁, P3₂,...)의 드롭 효율을 균등하게 할 수 있다.

그런데, 본 실시예의 전자기파 주파수 필터에서는, θ₁, θ₂와 드롭 포트 P3₁ 의 드롭 효율 D와의 관계가 도 5에 나타낸 바와 같이 되지만, Δ₁≠Δ₂로 되기 때문에, 거리 d₁(=d₂)의 변화에 응답하여 θ₁ 및 θ₂가 동 도면 중의 파선 "L"에 따라 변화한다. 그러므로, d₁(=d₂)의 변화에 대하는 마진이 작게 된다. 그리고, 도 5의 나머지 부분에 대한 이해는 제1 실시예에서 설명한 도 2를 참조하면 된다.

이에 대하여, 예컨대, 도 6에 나타낸 바와 같이, 출력 도파로측 반사부(31₁)에, 출력 도파로측 반사부(31₁) 부근의 주기를 조정하여 Δ₂를 Δ₁와 일치시키기 위한 위상 보상부(32₁)를 설치할 수도 있다. 이 경우, Δ₂=Δ₁으로 되어, 출력 도파로측 반사부(31₁)의 반사 효율을 입력 도파로측 반사부(21₁)의 반사 효율에 맞추는 것이 가능하다. 그러므로, 거리 d₁(=d₂)의 변화에 응답하여 θ₁ 및 θ₂가 도 5 중의 파선 L'에 따라 변화하기 때문에, 거리 d₁(=d₂)의 변화에 대한 마진을 크게 할 수 있다.

(제3 실시예)

본 실시예의 전자기파 주파수 필터의 기본 구성은 제3 실시예와 대략 동일하며, 도 7에 나타낸 바와 같이, 각각의 출력 도파로(3₁, 3₂,...)가 각각의 2차원 광 결정(1₁, 1₂,...)의 굴절율 주기 구조에 선형의 결함을 설치함으로써 형성되고, 출력 도파로(3₁, 3₂,...)의 각각의 일단이 드롭 포트(P3₁, P3₂,...)이고, 출력 도파로 (3₁, 3₂,...)의 각각의 반대측 일단이 각각의 공진기(4₁, 4₂,...)의 공명 주파수의 전자기파를 반사하는 출력 도파로측 반사부(31₁, 31₂,...)를 구성하고 있다는 점 등이 상이하다. 즉, 제3 실시예에서는 각 출력 도파로(3₁, 3₂,...)를 각 쌍의 2차원 광 결정(1_n, 1_m)에 걸쳐 형성하고 각 쌍의 2차원 광 결정(1_n, 1_m)의 평면 헤테로 구조에 의해 출력 도파로측 반사부(31₁, 31₂,...)를 구성하고 있지만, 본 실시예에서는 각각의 출력 도파로(3₁, 3₂,...)를 각각의 2차원 광 결정(1₁, 1₂,...) 내에 형성하고, 2차원 광 결정(1₁, 1₂,...)의 광 밴드갭을 이용하여 출력 도파로측 반사부(31₁, 31₂,...)를 형성하고 있다는 점 등이 상이하다. 또, 본 실시예에서는, 출력 도파로(3)에 관해서, cosθ₁=cosθ₂의 관계를 만족시키도록, 해당 출력 도파로(3₁)에 따른 방향에서의 공진기(4₁)와 출력 도파로측 반사부(31₁) 사이의 거리 d₂를 설정하고 있고, 다른 출력 도파로(3₂,...)에 있어서도 마찬가지의 관계를 만족시키도록 출력 도파로(3₂,...)에 따른 방향에서의 공진기(4₂,...)와 출력 도파로측 반사부(31₂) 사이의 거리를 설정하고 있다. 그리고, 제3 실시예와 동일한 구성 요소에는 동일한 부호를 부여하여 설명을 생략한다.

따라서, 본 실시예의 전자기파 주파수 필터는 각각의 출력 도파로(3₁, 3₂,...)의 반대측 단부측에서는 광 밴드갭을 이용하여 해당 출력 도파로(3₁, 3₂,...)와 입력 도파로(2) 사이에 존재하는 공진기(4₁, 4₂,...)의 공명 주파수의 전자기파를 반사시킬 수가 있고, 또한 출력 도파로(3₁, 3₂,...)의 축 어긋남도 발생되지 않기 때문에, 각각의 드롭 포트(P3₁, P3₂,...)의 드롭 효율을 보다 향상시킬 수 있다.

도 8은 제1 실시예에서 설명한 도 2와 마찬가지로 θ₁, θ₂와 드롭 효율 D의 관계를 본 실시예의 전자기파 주파수 필터에 대하여 나타낸 도면이다. 도 8에서, θ₂(θ₂=2β₂×d₂+Δ₂)가 거리 d₂의 변화에 따라 도 8의 파선 L로 나타낸 바와 같이 변화한다. 그러므로, 도 8에 도시된 바와 같이, cosθ₁=cosθ₂의 관계를 만족시키도록 d₁ 및 d₂를 설정함으로써 100％에 가까운 드롭 효율을 얻을 수 있다.

(제5 실시예)

본 발명의 제4 실시예의 전자기파 주파수 필터에서는 각각의 출력 도파로(3₁, 3₂,...)의 반대측의 일단 부근의 전자계 분포가 급격하게 변화하므로, 출력 도파로(3₁, 3₂,...)의 반대측의 일단 부근으로부터 자유 공간으로의 방사가 발생하기 쉬워진다.

이와 달리, 본 실시예의 전자기파 주파수 필터의 기본 구성은 도 9a 및 도 9b에 도시된 바와 같이 각각의 출력 도파로(3₁, 3₂,...)의 반대측의 일단 부근에서의 굴절율 주기 구조의 주기가 변화된다. 구체적으로, 본 실시예에서는, 출력 도 파로(3₁, 3₂,...)의 반대측 일단 부근에서의 전자계 분포가 급격하게 변화하지 않고 완만하게 변화하도록, 원형 구멍(12₁, 12₂,...)의 배열 방향의 각각의 주기를 변화시키고 있다. 본 실시예의 전자기파 주파수 필터의 기본 구성은 제4 실시예와 동일하며, 그에 따라 제4 실시예와 동일한 구성 요소에는 동일한 부호를 부여하여 설명을 생략한다.

따라서, 본 실시예의 전자기파 주파수 필터에서는, 각각의 출력 도파로(3₁, 3₂,...)의 반대측 일단 부근에서 전자계 분포가 급격하게 변화하는 것을 방지할 수 있고, 자유 공간으로의 방사 손실을 저감할 수 있으므로, 결과적으로 각각의 드롭 포트(P3₁, P3₂,...)의 드롭 효율을 보다 향상시키는 것이 가능하다.

(제6 실시예)

본 실시예의 전자기파 주파수 필터의 기본 구성은 제1 실시예와 대략 동일하고, 도 10에 나타낸 바와 같은 구조를 갖는다. 본 실시예의 전자기파 주파수 필터는 출력 도파로측 반사부(31₁, 31₂,...) 부근의 굴절율을 변화시킴으로써 드롭 포트(P3₁, P3₂,...)의 출력을 변화시키는 제어 수단(도시하지 않음)을 추가로 포함한다는 점에 특징이 있다. 따라서, 본 실시예의 전자기파 주파수 필터에서는, 상기 제어 수단에 의해 예를 들면 출력 도파로측 반사부(31₁,...) 부근의 굴절율을 변화시킬 때, 제1 실시예에서 설명한 출력 도파로의 전파 정수 β₂ 및 반사 위상 변화 Δ₂ 가 각각 변화하므로, 위상 변화량 θ₂가 변화되고, 결과적으로 드롭 포트 P3₁의 드롭 효율이 변화된다. 본 실시예의 전자기파 주파수 필터에서는, 예를 들면, 2차원 광 결정(1₁, 1₂,...)의 슬라브(11₁, 11₂,...)의 재료로서 전계, 광, 열, 자기 등에 응답하여 굴절율이 변화되는 재료(즉, 전기-광학 효과, 광-광학 효과, 열-광학 효과, 자기-광학 효과 등을 갖는 재료)로부터 적합하게 선택되고, 상기 제어 수단의 구성은 슬라브(11₁, 11₂,...)의 재료에 따라 적합하게 결정될 수도 있다. 또, 전계, 광, 열, 자기 등에 응답하여 굴절율이 변화되는 재료를 원형 구멍(12₁, 12₂,...) 내에 채워넣거나, 출력 도파로측 반사부(31₁,...) 부근에서 출력 도파로(3₁,…)에 적층하도록 해도 된다. 그리고, 제어 광에 의해 굴절율 변화를 일으키는 반도체 재료로서는, 예를 들면, Si, GaAs, InP, InGaAsP 및 AlGaAs 등의 반도체 재료가 알려져 있다.

도 11은 제1 실시예에서 설명한 도 2와 마찬가지로 θ₁, θ₂와 드롭 효율 D의 관계를 본 실시예의 전자기파 주파수 필터에 대하여 나타낸 도면이며, 예를 들면, θ₁이 π인 경우에, 출력 도파로측 반사부(31₁) 부근의 굴절율을 변화시킴으로써 θ₂를 변화시킬 때, 드롭 효율 D는 도 11 중의 파선 L에 따라 변화하기 때문에, 드롭 효율 D를 연속적으로 변화시키는 것이 가능해진다. 즉, θ₁이 π가 되도록 전자기파 주파수 필터를 설계한 경우, θ₂이 1.95π로 되도록 출력 도파로측 반사부 (31₁) 부근의 굴절율을 변화시킬 때에는 드롭 효율이 거의 0%로 되고, θ₂가 π가 되도록 출력 도파로측 반사부(31₁) 부근의 굴절율을 변화시킬 때에는 드롭 효율이 거의 100%로 할 수 있다. 따라서, 본 실시예의 전자기파 주파수 필터는 주파수 선택성(파장 선택성)을 갖는 전자기파 스위치(광 스위치)로서 사용할 수 있다.

본 실시예의 전자기파 주파수 필터에서는 상기 제어 수단에 의해 출력 도파로측 반사부(31₁, 31₂,...) 부근의 굴절율을 변화시키도록 되어 있지만, 제어 수단에 의해 입력 도파로측 반사부 및 출력 도파로측 반사부 중의 적어도 한쪽의 부근의 굴절율을 변화시킴으로써 드롭 포트(P3₁, P3₂,...)의 출력을 변화시켜도 되거나, 압전 소자나 압전 재료로 이루어지는 기판 등을 이용하여 제어 수단에 의해 입력 도파로측 반사부 및 출력 도파로측 반사부 중의 적어도 한쪽의 부근의 굴절율 주기 구조의 주기를 변화시켜도 된다. 또한, 전술한 제어 수단을 상기 제1 실시예 내지 제5 실시예의 각각의 전자기파 주파수 필터에 설치할 수도 있음은 자명하다.

(제7 실시예)

제6 실시예의 전자기파 주파수 필터를 전자기파 스위치(광 스위치)로서 사용하는 경우에는, 예를 들면 θ₂=π인 상태와 θ₂=1.95π인 상태를 상기 제어 수단에 의해 전환할 필요가 있고, 상기 제어 수단에서의 소비 에너지가 비교적 많아지는 동시에, 전자기파 스위치로서의 스위칭 속도가 비교적 늦게 된다.

본 실시예의 전자기파 주파수 필터의 기본 구성은 제6 실시예와 대략 동일하 며, 출력 도파로측 반사부(31₁, 31₂,...) 부근의 굴절율을 변화시킴으로써 드롭 포트(P3₁, P3₂,...)의 출력을 변화시키는 제어 수단(도시하지 않음)을 갖는다. 그러나, 도 12에 나타낸 바와 같이, 공진기(4₁)와 입력 도파로(2) 사이의 거리를 공진기(4₁)와 출력 도파로(3₁) 사이의 거리보다 크게 설정함으로써, 제1 실시예에서 설명한 Q_inb를 Q_inr와 상이하게 하는 점이 다르다. 그리고, 제6 실시예와 동일한 구성 요소에는 동일한 부호를 부여하여 설명을 생략한다.

도 13은 제6 실시예에서 설명한 도 11과 마찬가지로 θ₁, θ₂와 드롭 효율 D와의 관계를 본 실시예의 전자기파 주파수 필터에 대하여 나타낸 도면이며, 예를 들면, θ₁이 π인 경우에, 출력 도파로측 반사부(31₁) 부근의 굴절율을 변화시킴으로써 θ₂를 변화시키면, 드롭 효율 D는 도 13 중의 파선 L에 따라 변화하기 때문에, 제6 실시예에 비해 θ₂의 변화에 대한 드롭 효율 D의 변화량이 커지는 것을 알 수 있다. 따라서, θ₁이 π로 되도록 전자기파 주파수 필터를 설계한 경우에는, 도 13으로부터 알 수 있는 바와 같이, θ₂가 1.95π으로 되도록 출력 도파로측 반사부(31₁) 부근의 굴절율을 변화시킬 때에는 드롭 효율이 거의 0％로 되고, θ₂가 1.8π로 되도록 출력 도파로측 반사부(31₁) 부근의 굴절율을 변화시킬 때에는 드롭 효율이 거의 100％로 된다. 따라서, 본 실시예의 전자기파 주파수 필터를 주파수 선택 성(파장 선택성)을 갖는 전자기파 스위치(광 스위치)로서 사용할 때에는, 제6 실시예의 전자기파 주파수 필터를 전자기파 스위치로서 사용하는 경우에 비해, 상기 제어 수단에서의 소비 에너지를 적게 할 수 있는 동시에, 전자기파 스위치(광 스위치)로서의 스위칭 속도를 고속으로 할 수 있다.

본 실시예에서의 제어 수단을 상기 제1 실시예 내지 제5 실시예의 각각의 전자기파 주파수 필터에 설치할 수도 있음은 자명하다. 또, 입력 도파로측 반사부(21₁,...), 출력 도파로측 반사부(31₁,...) 및 공진기(4₁,...) 각각의 부근의 굴절율을 변화시킴으로써 드롭 포트(P3₁, P3₂,...)의 출력을 변화시키는 제어 수단을 설치하면, 전자기파 주파수 필터를 전자기파 스위치로서 사용하는 것이 가능하게 된다.

각각의 상기 실시예에서는 2차원 광 결정(1₁, 1₂,...)을 실리콘과 공기의 2 종류의 매질의 주기 구조에 의해 구성하였지만, 원형 구멍(12₁, 12₂,...) 내를 실리콘과는 굴절율이 상이한 유전체 재료로 채워 실리콘과 유전체로 2차원 광 결정을 형성하여도 된다. 이와 달리, 2차원 광 결정을 3종류 이상의 매질의 주기 구조에 의해 구성하는 것도 가능하며, 예를 들면, 실리콘으로 이루어지는 슬라브(11₁, 11₂,...)에 설치한 원형 구멍(12₁, 12₂,...)의 내주면을 피복하는 SiO₂ 또는 Si₃N₄으로 이루어지는 절연막을 형성함으로써, 실리콘, 절연막 및 공기의 3가지 종류의 재료에 의해 2차원 광 결정을 구성하는 것도 가능하다. 또, 상기 각 실시예에서 설 명한 평면 헤테로 구조는 광 결정에 의해 구성되고, 각각의 2차원 광 결정(1₁, 1₂,...) 대신에 3차원 광 결정을 사용해도 된다. 상기 각각의 실시예에서는 입력 도파로(2)와 각각의 출력 도파로(3₁, 3₂,...) 사이에 공진기(4₁, 4₂,...)가 1개씩 존재하는 구성으로서 되어 있지만, 입력 도파로(2)와 각각의 출력 도파로(3₁, 3₂,...) 사이에 공진기(4₁, 4₂,...)를 복수 개 존재시키는 구성, 즉 입력 도파로(2)와 각각의 출력 도파로(3₁, 3₂,...)의 사이에 공진기군이 존재하도록 한 구성도 가능하다.

Claims

전자기파 주파수 필터에 있어서,

일단측에 입사되는 복수의 주파수의 전자기파를 수신하도록 구성된 입력 도파로;

상기 입력 도파로의 옆에 나란히 설치된 출력 도파로; 및

상기 입력 도파로와 상기 출력 도파로 사이에 위치하며, 공명 주파수를 가지고, 이 공명 주파수와 일치하는 소정 주파수의 전자기파와 공진하여 상기 전자기파를 상기 입력 도파로로부터 상기 출력 도파로로 전송하고, 이에 의해 상기 전자기파가 상기 출력 도파로의 일단측의 드롭 포트로부터 방사되는 공진기

를 포함하며,

상기 입력 도파로는 상기 공진기로부터의 상기 입력 도파로의 상기 일단측의 반대측에 상기 공진 주파수의 전자기파를 반사하기 위한 입력 도파로측 반사부를 가지며,

상기 출력 도파로는 상기 출력 도파로의 상기 일단측의 반대측에 상기 소정 주파수의 전자기파를 반사하기 위한 출력 도파로측 반사부를 가지며,

상기 입력 도파로측 반사부에 의해 반사되어 상기 공진기 부근으로 리턴되는 전자기파의 위상 변화량을 θ₁이라 하고, 상기 출력 도파로측 반사부에 의해 반사되어 상기 공진기 부근으로 리턴되는 전자기파의 위상 변화량을 θ₂로 하고, 상기 공 진기와 상기 입력 도파로 사이의 Q 인자를 Q_inb이라 하고, 상기 공진기와 상기 출력 도파로 사이의 Q 인자를 Q_inr이라 하고, 상기 공진기와 자유 공간 사이의 Q 인자를 Q_v라고 할 때,

Q_inb /(1-cosθ₁) ≪ Q_v

Q_inb /(1-cosθ₁) = Q_inr /(1-cosθ₂)

θ₁, θ₂≠2Nπ (N=0, 1,...)

의 관계를 만족시키는 것을 특징으로 하는 전자기파 주파수 필터.
제1항에 있어서,

상기 전자기파 주파수 필터는, 적어도 2차원 면 내에 굴절율 주기 구조를 갖는 제1 광 결정(photonic crystal)과 상기 제1 광 결정의 굴절율 주기 구조의 주기와 상이한 주기의 굴절율 주기 구조를 갖는 제2 광 결정이 동일 면 내에 나란하게 배치되어 있는 평면 헤테로 구조를 가지며,

상기 입력 도파로는, 상기 제1 광 결정과 상기 제2 광 결정의 배열 방향으로 상기 제1 광 결정과 상기 제2 광 결정의 전체 길이에 걸쳐 상기 제1 및 제2 광 결정의 굴절율 주기 구조에 선형의 결함을 생성함으로써 형성되며,

상기 출력 도파로는, 상기 제1 광 결정과 상기 제2 광 결정의 배열 방향으로 상기 제1 광 결정과 상기 제2 광 결정의 양쪽에 걸쳐 상기 제1 및 제2 광 결정의 굴절율 주기 구조에 선형의 결함을 생성함으로써 형성되며,

상기 공진기는, 상기 제1 광 결정에 점 모양의 결함을 생성함으로써 형성되고, 또한 상기 공진기의 상기 공명 주파수가 상기 제2 광 결정에 있어서 도파 모드가 존재하지 않는 주파수 대역에 포함되며,

상기 입력 도파로측 반사부는, 상기 제1 광 결정에 형성된 상기 입력 도파로의 부분과 상기 제2 광 결정에 형성된 상기 입력 도파로의 부분 사이의 경계에 의해 형성되며,

상기 출력 도파로측 반사부는, 상기 제1 광 결정에 형성된 상기 출력 도파로의 부분과 상기 제2 광 결정에 형성된 상기 출력 도파로의 부분 사이의 경계에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 전자기파 주파수 필터.
제2항에 있어서,

상기 제1 광 결정 및 상기 제2 광 결정이 각각 2차원 광 결정이며,

상기 공진기와 상기 입력 도파로 간의 간격과 상기 공진기와 상기 출력 도파로 간의 간격이 서로 동일하도록 설정되며,

상기 입력 도파로에 따른 방향에서의 상기 공진기와 상기 입력 도파로측 반사부 사이의 거리 d₁와 상기 출력 도파로에 따른 방향에서의 상기 공진기와 상기 출력 도파로측 반사부 사이의 거리 d₂가 서로 동일하도록 설정되며,

상기 입력 도파로의 전파 상수 β₁과 상기 출력 도파로의 전파 상수 β₂가 서로 동일하도록 설정되며,

상기 2차원의 제1 광 결정에 형성된 상기 입력 도파로의 부분과 상기 2차원의 제2 광 결정에 형성된 상기 입력 도파로의 부분 간의 축 어긋남의 양과, 상기 2차원의 제1 광 결정에 형성된 상기 출력 도파로의 부분과 상기 2차원의 제2 광 결정에 형성된 상기 출력 도파로의 부분 간의 축 어긋남의 양이, 서로 동일하도록 설정되어, 상기 입력 도파로측 반사부에 의해 반사된 전자기파의 반사 위상 변화 Δ₁과 상기 출력 도파로측 반사부에 의해 반사된 전자기파의 반사 위상 변화 Δ₂이 서로 동일하게 되는 것을 특징으로 하는 전자기파 주파수 필터.
제3항에 있어서,

상기 제1 광 결정과 상기 제2 광 결정의 경계 부근에서 상기 입력 도파로가 완만하게 연속되도록, 상기 경계 부근에서의 상기 2차원의 제1 광 결정과 상기 2차원의 제2 광 결정 중 적어도 한쪽의 굴절율 주기 구조의 주기를 단계적으로 변화시키는 것을 특징으로 하는 전자기파 주파수 필터.
제3항에 있어서,

상기 제1 광 결정과 상기 제2 광 결정 간에 상기 입력 도파로의 축 어긋남이 발생되지 않도록, 상기 입력 도파로와 상기 출력 도파로의 배열 방향에서의 상기 제1 광 결정과 상기 제2 광 결정의 상대적인 위치 관계가 설정되며,

상기 공진기와 상기 입력 도파로측 반사부 사이의 거리는 cosθ₁=cosθ₂의 관계를 만족시키도록 설정되는 것을 특징으로 하는 전자기파 주파수 필터.
제3항에 있어서,

상기 제1 광 결정과 상기 제2 광 결정 간에 상기 입력 도파로의 축 어긋남이 발생되지 않도록, 상기 입력 도파로와 상기 출력 도파로의 배열 방향에서의 상기 제1 광 결정과 상기 제2 광 결정의 상대적인 위치 관계가 설정되며,

상기 출력 도파로측 반사부는, 상기 출력 도파로측 반사부에 의해 반사된 전자기파의 반사 위상 변화 Δ₂를 상기 입력 도파로측 반사부에 의해 반사된 전자기파의 반사 위상 변화 Δ₁에 일치시키기 위한 위상 보상부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기파 주파수 필터.
제1항에 있어서,

상기 전자기파 주파수 필터는, 적어도 2차원 면 내에 굴절율 주기 구조를 갖는 제1 광 결정과 상기 제1 광 결정의 굴절율 주기 구조의 주기와 상이한 주기의 굴절율 주기 구조를 갖는 제2 광 결정이 동일 면 내에 나란하게 배치되어 있는 평면 헤테로 구조를 가지며,

상기 입력 도파로는, 상기 제1 광 결정과 상기 제2 광 결정의 배열 방향으로 상기 제1 광 결정과 상기 제2 광 결정의 전체 길이를 따라 상기 제1 및 제2 광 결 정의 굴절율 주기 구조에 선형의 결함을 생성함으로써 형성되며,

상기 공진기는 상기 제1 광 결정에 점 모양의 결함을 생성함으로써 형성되며,

상기 출력 도파로는 상기 제1 광 결정의 굴절율 주기 구조에 선형의 결함을 생성함으로써 형성되며,

상기 출력 도파로측 반사부는 상기 출력 도파로의 반대측의 단부에 의해 구성되는 것을 특징으로 하는 전자기파 주파수 필터.
제7항에 있어서,

상기 제1 광 결정 및 상기 제2 광 결정은 각각 2차원 광 결정이며,

상기 입력 도파로에 따른 방향에서의 상기 공진기와 상기 입력 도파로측 반사부 사이의 거리 d₁과, 상기 출력 도파로에 따른 방향에서의 상기 공진기와 상기 출력 도파로측 반사부 사이의 거리 d₂가 cosθ₁=cosθ₂의 관계를 만족시키도록 설정되는 것을 특징으로 하는 전자기파 주파수 필터.
제8항에 있어서,

상기 제1 광 결정의 굴절율 주기 구조는 상기 출력 도파로의 반대측 단부 부근에서의 전자계 분포가 급격하게 변화하지 않도록 변화되는 것을 특징으로 하는 전자기파 주파수 필터.
제1항에 있어서,

상기 공진기와 상기 입력 도파로 사이의 Q 인자 Q_inb, 상기 공진기와 상기 출력 도파로 사이의 Q 인자 Q_inr, cosθ₁ 및 cosθ₂는,

Q_inb = Q_inr

cosθ₁=cosθ₂

의 관계를 만족시키도록 설정되는 것을 특징으로 하는 전자기파 주파수 필터.
제1항에 있어서,

상기 입력 도파로측 반사부 및 상기 출력 도파로측 반사부 중 적어도 한쪽의 부근에서의 굴절율을 변화시킴으로써 상기 드롭 포트의 출력을 변화시키는 제어 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기파 주파수 필터.
제2항 또는 제7항에 있어서,

상기 입력 도파로측 반사부 및 상기 출력 도파로측 반사부 중 적어도 한쪽의 부근에서의 굴절율 주기 구조의 주기를 변화시킴으로써 상기 드롭 포트의 출력을 변화시키는 제어 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기파 주파수 필터.
제1항에 있어서,

상기 출력 도파로측 반사부 부근의 굴절율을 변화시킴으로써 상기 드롭 포트의 출력을 변화시키는 제어 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기파 주파수 필터.
제1항에 있어서,

상기 공진기와 상기 입력 도파로 사이의 Q 인자 Q_inb와 상기 공진기와 상기 출력 도파로 사이의 Q 인자 Q_inr가 서로 상이하며,

상기 출력 도파로측 반사부 부근의 굴절율을 변화시킴으로써 상기 드롭 포트의 출력을 변화시키는 제어 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기파 주파수 필터.
제1항에 있어서,

상기 입력 도파로측 반사부, 상기 출력 도파로측 반사부 및 상기 공진기 각각의 부근의 굴절율을 변화시킴으로써 상기 드롭 포트의 출력을 변화시키는 제어 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기파 주파수 필터.