KR20060123706A - 2차원 포토닉 결정 공진기 - Google Patents

2차원 포토닉 결정 공진기 Download PDF

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KR20060123706A
KR20060123706A KR1020067004008A KR20067004008A KR20060123706A KR 20060123706 A KR20060123706 A KR 20060123706A KR 1020067004008 A KR1020067004008 A KR 1020067004008A KR 20067004008 A KR20067004008 A KR 20067004008A KR 20060123706 A KR20060123706 A KR 20060123706A
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photonic crystal
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스스무 노다
다카시 아사노
봉 식 송
요시히로 아카하네
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고쿠리츠 다이가쿠 호진 교토 다이가쿠
스미토모 덴키 고교 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 높은 Q값을 실현할 수 있는 2차원 포토닉 결정 공진기를 제공하는 것을 목적으로 해서 이루어진 것이다. 슬래브 형상의 본체(21)에 구멍(空孔)(22)을 주기적으로 배열한다. 본체(21)를 3개의 영역(31~33)으로 나누어, 구멍(22)의 배열 주기를 영역(31)내에서는 a1로 하고, 영역(32 및 33)에서는 a1보다도 작은 a2로 한다. 또한, 구멍(22)을 선 형상으로 결손시키는 것에 의해, 이들 3개의 영역을 통과하는 도파로(23)를 마련한다. 이에 따라, 도파로(23)는 구멍(22)의 주기에 의존한 파장 대역의 광을 전파시킬 수 있다. 영역(31)과 영역(32 및 33)에서는, 구멍의 주기가 상이하기 때문에 도파로를 전파하는 광의 파장 대역이 상이하다. 그 때문에, 영역(31)의 도파로 투과 파장 대역에는 포함되지만 영역(32 및 33)의 도파로 투과 파장 대역에는 포함되지 않는 파장의 광은, 영역(31)의 도파로에 갇혀져서 공진한다. 이와 같이 영역(31)의 도파로가 공진기로서 기능한다.

Description

2차원 포토닉 결정 공진기{TWO-DIMENSIONAL PHOTONIC CRYSTAL RESONATOR}
본 발명은 파장 분할 다중 통신용 파장 분합파기 등에 이용되는 2차원 포토닉 결정에 관한 것으로, 특히, 소정의 파장의 광을 공진시키는 공진기에 관한 것이다.
최근, 광학 기능 재료인 포토닉 결정이 주목받고 있다. 포토닉 결정은 그것이 갖는 주기에 따라 광이나 전자파의 에너지에 대하여 밴드 구조가 형성되고, 광이나 전자파의 전파가 불가능하게 되는 에너지 영역(포토닉 밴드갭)이 형성된다고 하는 특징을 갖는다. 또한, 본 명세서에서 이용하는 「광」에는, 전자파를 포함하는 것으로 한다.
포토닉 결정 중에 적절한 결함을 도입하는 것에 의해, 에너지 준위(결함 준위)가 포토닉 밴드갭 중에 형성된다. 이에 의해, 포토닉 밴드갭 중의 에너지에 대응하는 파장(주파수) 범위 중, 결함 준위의 에너지에 대응하는 파장의 광만이 그 결함의 위치에서 존재 가능하게 된다. 이 결함을 선 형상으로 마련하는 것에 의해 도파로가 형성되고, 점 형상으로 마련하는 것에 의해 광공진기가 형성된다. 이 점 형상 결함에 있어서 공진하는 광의 파장(공진 파장)은 그 형상이나 굴절률에 의존한다.
이 공진기 및 도파로를 이용하여 다양한 광디바이스를 제작하는 것이 검토되고 있다. 예를 들면, 이 공진기를 도파로의 근방에 배치하는 것에 의해, 도파로내를 전파하는 다양한 파장의 광 중 공진기의 공진 파장에 일치하는 파장의 광을 도파로로부터 공진기를 거쳐서 외부로 취출하는 광분파기로서 기능하고, 또한, 공진기의 공진 파장을 갖는 광을 외부로부터 공진기를 거쳐서 도파로에 도입하는 광합파기로서도 기능하는 광분합파기로 된다. 이러한 광분합파기는, 예를 들면 광통신의 분야에서, 1개의 도파로에 복수의 파장의 광을 전파시켜서 각각의 파장의 광에 별개의 신호를 싣는 파장 분할 다중 방식 통신에 이용할 수 있다.
포토닉 결정에는 2차원 결정과 3차원 결정이 있지만, 이 중 2차원 포토닉 결정은 제조가 비교적 용이하다고 하는 이점을 갖는다. 그 일례로서, 특허 문헌 1에는, 고굴절률의 판재(슬래브)에, 그 재료보다도 굴절률이 낮은 물질을 주기적으로 배열한 2차원 포토닉 결정으로서, 그 주기적 배열을 선 형상으로 제거시킨 도파로와, 주기적 배열을 흐트러뜨리는 점 형상 결함(공진기)을 도파로에 인접하게 마련한 2차원 포토닉 결정 및 광분합파기가 기재되어 있다. 여기서는, 저굴절률 물질의 주기적인 배열은 슬래브에 주기적으로 구멍을 만들어서 형성되어 있다.
특허 문헌 1 : 일본 특허 공개 제2001-272555호 공보([0019]~[0032], [0055], [0056], 도 1, 도 22, 도 23)
이러한 2차원 포토닉 결정을 이용한 공진기에서는, 가능한 한 Q값을 높게 하 는 것이 중요하다. Q값은 공진기의 성능을 나타내는 값이고, Q값이 클수록 공진기로부터 외부로의 광의 누설이 작아지는 것을 의미한다. 또한, Q값을 높게 하는 것은, 공진기 자체의 성능을 높게 할 뿐만 아니라, 이러한 공진기를 이용한 광분합파기의 정밀도를 높게 하는 것도 의미한다. 구체적으로는, 광분합파기에서는 공진기의 Q값이 클수록 파장 분해능이 높아지고, 공진 파장 이외의 파장의 광(노이즈광)이 분합파되는 확률이 작아지기 때문에, 분합파의 정밀도가 양호하게 된다.
그러나, 2차원 포토닉 결정에서는 슬래브면에 수직한 방향의 광의 가둠이 약하기 때문에, 일반적으로 3차원 포토닉 결정보다도 Q값이 작다. 특허 문헌 1에 기재된 광분합파기에서는, 공진기의 Q값은 약 500이며, 그 공진기로부터 분합파되는 광의 스펙트럼의 반치전폭은 약 3㎚이다. 이들 값은 고밀도 파장 분할 다중 방식의 광통신에 이용하기 위해서는 불충분하여, 파장 분해능을 약 0.8㎚ 이하, Q값을 약 2000 이상으로 하는 것이 바람직하다. 그 때문에, 더욱 Q값이 높은 2차원 포토닉 결정 공진기를 실현하는 것이 요구된다.
발명의 개시
발명이 해결하고자 하는 과제
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 높은 Q값을 실현할 수 있는 새로운 형태의 2차원 포토닉 결정 공진기, 및 이러한 공진기를 이용한 분합파기를 제공하는 것이다.
과제를 해결하기 위한 수단
상기 과제를 해결하기 위해서 이루어진 본 발명에 따른 2차원 포토닉 결정 공진기는, a) 제 1 투과 파장 대역을 갖는 도파로를 구비한 2차원 포토닉 결정으로 이루어지는 제 1 영역과, b) 제 1 영역에 인접하게 마련한 영역으로서, 제 1 영역의 도파로와 접속되고 제 2 투과 파장 대역을 갖는 도파로를 구비한 2차원 포토닉 결정으로 이루어지는 제 2 영역과, c) 제 1 영역에 인접하게 마련한 영역으로서, 제 1 영역의 도파로와 접속되고 제 3 투과 파장 대역을 갖는 도파로를 구비한 2차원 포토닉 결정으로 이루어지는 제 3 영역을 구비하며, 제 1 투과 파장 대역의 일부가 제 2 투과 파장 대역 및 제 3 투과 파장 대역에 포함되지 않도록 하는 것에 의해, 제 1 영역의 도파로내의 광을 제 2 영역 및 제 3 영역과의 경계에서 반사시켜 공진시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 2차원 포토닉 결정 공진기의 다른 형태의 것은, a) 제 1 투과 파장 대역을 갖는 도파로를 구비한 2차원 포토닉 결정으로 이루어지는 제 1 영역과, b) 제 1 영역을 둘러싸도록 마련한 영역으로서, 제 1 영역의 도파로의 양단과 접속되고 제 2 투과 파장 대역을 갖는 도파로를 구비한 2차원 포토닉 결정으로 이루어지는 제 2 영역을 구비하며, 제 1 투과 파장 대역의 일부가 제 2 투과 파장 대역에 포함되지 않도록 하는 것에 의해, 제 1 영역의 도파로내의 광을 제 2 영역과의 2개의 경계에서 반사시켜 공진시키는 것을 특징으로 한다.
상기 2차원 포토닉 결정 공진기는, 구체적으로는 이하에 드는 제 1~제 4 형태의 것으로 하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 2차원 포토닉 결정 공진기의 제 1 형태의 것은, a) 제 1 주기를 갖는 2차원 포토닉 결정으로 이루어지는 제 1 영역과, b) 제 1 영역에 인접하게 마련한 2개의 영역으로서, 제 1 주기와는 상이한 제 2 주기 및 제 3 주기를 갖는 2차원 포토닉 결정으로 이루어지는 제 2 영역 및 제 3 영역과, c) 제 2 영역, 제 1 영역, 제 3 영역의 순으로 통과하는 도파로를 구비하며, 제 1 영역의 도파로내의 광을 제 2 영역 및 제 3 영역과의 경계에서 반사시키는 것에 의해 공진시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 2차원 포토닉 결정 공진기의 제 2 형태의 것은, a) 제 1 주기를 갖는 2차원 포토닉 결정으로 이루어지는 제 1 영역과, b) 제 1 영역을 둘러싸도록 마련한, 제 1 주기와는 상이한 제 2 주기를 갖는 2차원 포토닉 결정으로 이루어지는 제 2 영역과, c) 제 2 영역, 제 1 영역, 제 2 영역의 순으로 통과하는 도파로를 구비하며, 제 1 영역의 도파로내의 광을 제 2 영역과의 2개의 경계에서 반사시키는 것에 의해 공진시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 2차원 포토닉 결정 공진기의 제 3 형태의 것은, a) 슬래브 형상의 본체와, b) 상기 본체에 해당 본체와는 굴절률이 상이한 소정 크기의 이굴절률부(異屈折率部)를 주기적으로 마련해서 이루어지는 제 1 영역과, c) 제 1 영역에 인접하게 마련한 2개의 영역으로서, 제 1 영역의 것과는 크기가 상이한 이굴절률부를 주기적으로 마련해서 이루어지는 제 2 영역 및 제 3 영역과, d) 제 2 영역, 제 1 영역, 제 3 영역의 순으로 통과하는 도파로를 구비하며, 제 1 영역의 도파로내의 광을 제 2 영역 및 제 3 영역과의 경계에서 반사시킴으로써 공진시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 2차원 포토닉 결정 공진기의 제 4 형태의 것은, a) 슬래브 형상의 본체와, b) 상기 본체에 해당 본체와는 굴절률이 상이한 소정 크기의 이굴절률부를 주기적으로 마련하여 이루어지는 제 1 영역과, c) 제 1 영역을 둘러싸도록 마련한, 제 1 영역의 것과는 크기가 상이한 이굴절률부를 주기적으로 마련해서 이루어지는 제 2 영역과, d) 제 2 영역, 제 1 영역, 제 2 영역의 순으로 통과하는 도파로를 구비하며, 제 1 영역의 도파로내의 광을 제 2 영역과의 2개의 경계에서 반사시키는 것에 의해 공진시키는 것을 특징으로 한다.
제 1 및 제 2 형태의 2차원 포토닉 결정 공진기에서는, 제 1 주기를 다른 주기보다도 크게 하는 것이 바람직하다. 여기서, 「다른 주기」란, 제 1 형태에 있어서는 제 2 주기 및 제 3 주기를 가리키고, 제 2 형태에 있어서는 제 2 주기를 가리킨다. 또한, 제 3 및 제 4 형태의 2차원 포토닉 결정 공진기에서는, 제 1 영역의 이굴절률부의 크기를 다른 영역의 이굴절률부의 크기보다도 작게 하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 2차원 포토닉 결정 공진기는, 적어도 제 1 영역과, 각각 제 1 영역에 인접하는 제 2 영역 및 제 3 영역을 갖는다. 제 1~제 3 각 영역에 각각 도파로를 형성한다. 이러한 도파로는, 예를 들면 각 영역 중의 선 형상의 범위내의 주기를 흐트러뜨리는 것에 의해 형성할 수 있다. 제 2 영역의 도파로 및 제 3 영역의 도파로는 각각 제 1 영역의 도파로에 접속된다. 즉, 제 2 영역, 제 1 영역, 제 3 영역의 순으로 통과하는 도파로가 형성된다.
도파로 중을 투과할 수 있는 광의 파장 대역(투과 파장 대역)은 2차원 포토닉 결정이 갖는 주기나, 그 주기 구조를 구성하는 부재의 크기ㆍ형상ㆍ재료, 또는 도파로의 폭ㆍ재료 등을 파라미터로 하여 적절하게 설정할 수 있다. 본 발명에서는, 제 1 영역의 도파로의 투과 파장 대역(제 1 투과 파장 대역)의 일부가 제 2 및 제 3 영역의 도파로의 투과 파장 대역(제 2 투과 파장 대역 및 제 3 투과 파장 대역)의 양쪽에 포함되지 않도록 한다. 이러한 일부 파장 대역의 광이 후술과 같이 본 발명의 공진기에서 공진하기 때문에, 이하, 이 일부 파장 대역을 「공진 파장 대역」이라고 부른다.
도 1(a)에 나타내는 바와 같이, 제 1 투과 파장 대역(11)(도면의 굵은 테두리내)보다도 단파장측에 제 2 투과 파장 대역(12) 및 제 3 투과 파장 대역(13)을 형성하는 것에 의해, 제 1 투과 파장 대역(11)의 장파장측에 공진 파장 대역(111a)(도면의 사선부)을 형성한다. 반대로, 도 1(b)에 나타내는 바와 같이, 제 1 투과 파장 대역(11)보다도 장파장측에 제 2 및 제 3 투과 파장 대역(12 및 13)을 형성하는 것에 의해, 투과 파장 대역(11)의 단파장측에 공진 파장 대역(111b)을 형성한다.
이 2차원 포토닉 결정 공진기의 작용에 대해서 설명한다. 상기한 바와 같이 제 1~제 3 투과 파장 대역을 설정하는 것에 의해, 공진 파장 대역에 포함되는 파장의 광은, 제 1 영역의 도파로를 전파하는 것은 가능하지만, 제 2 및 제 3 영역의 도파로를 전파하는 것은 불가능하다. 그 때문에, 이 파장의 광이 제 1 영역의 도파로내에 존재하는 경우, 이 광은 제 1 영역과 제 2 영역의 경계 및 제 1 영역과 제 3 영역의 경계에서 반사된다. 이에 의해, 제 1 영역의 도파로가 공진기로서 작용한다.
본 발명의 2차원 포토닉 결정 공진기에서는, 상기한 바와 같이 제 1 영역에 인접한 2개의 영역을 마련하는 대신에, 제 1 영역을 둘러싸는 제 2 영역을 1개 마련해도 된다. 이 경우, 제 2 영역의 도파로는 제 1 영역의 도파로 양단에 접속한다. 즉, 제 2 영역, 제 1 영역, 제 2 영역의 순으로 통과하는 도파로가 형성된다. 제 1 영역의 도파로의 투과 파장 대역의 일부가 제 2 영역의 도파로의 투과 파장 대역에 포함되지 않도록 하는 것에 의해, 상기와 마찬가지로, 제 1 영역의 도파로내의 광을 제 2 영역의 도파로와의 2개의 경계에서 반사시켜 공진시킬 수 있다.
공진 파장 대역은 2차원 포토닉 결정의 주기나, 이 주기를 형성하는 이굴절률부의 크기 등을 조절하는 것에 의해 설정할 수 있다. 이하, 그러한 공진 파장 대역의 조절이 이루어진 구성을 갖는 4개의 형태의 2차원 포토닉 결정 공진기에 대해서 설명한다. 제 1 및 제 2 형태의 것은 주기를, 제 3 및 제 4 형태의 것은 이굴절률부의 크기를 조절한 것이다.
제 1 형태의 2차원 포토닉 결정 공진기에 대해서 설명한다.
이 2차원 포토닉 결정 공진기는 제 1 영역과, 각각 제 1 영역에 인접하는 제 2 영역 및 제 3 영역을 갖는다. 이들 제 1~제 3 영역은 각각 제 1~제 3 주기를 갖는다. 제 2 주기와 제 1 주기, 및 제 3 주기와 제 1 주기는 상이한 값으로 한다. 각 영역이 갖는 주기에 의해, 각 영역에서 포토닉 밴드갭이 형성되고, 그 밴드갭내의 파장의 광은 포토닉 결정 중에 존재할 수 없게 된다.
제 2 영역, 제 1 영역, 제 3 영역의 순으로, 이들 3개의 영역을 도파로가 통과한다. 도파로 투과 파장 대역은 각 영역의 주기에 의존하기 때문에, 제 1 영역의 도파로 투과 파장 대역의 일부는 제 2 영역 및 제 3 영역에서의 도파로 투과 파장 대역에 포함되지 않게 된다.
이러한 도파로는, 예를 들면 각 영역 중의 선 형상의 범위내의 주기를 흐트러뜨리는 것에 의해 형성할 수 있다. 이 선 형상 범위내에서는, 포토닉 밴드갭 중의 일부의 파장 범위의 광이 존재 가능해지고, 그 파장 범위의 광이 전파 가능해진다. 이와 같이 형성되는 도파로는, 투과 파장 대역에 포함되는 파장의 광을 도파로를 전파시킬 수 있는 데 반하여, 투과 파장 대역에 포함되지 않는 파장의 광을 전파시킬 수 없다. 2차원 포토닉 결정의 주기가 커질수록, 투과 파장 대역은 장파장측으로 시프트한다. 그 때문에, 제 1 주기를 제 2 주기 및 제 3 주기보다도 크게 하는 것에 의해, 도 1(a)에 나타내는 바와 같이, 제 1 투과 파장 대역(11)(도면의 굵은 테두리내)의 장파장측에, 제 2 및 제 3 투과 파장 대역(12 및 13)에 포함되지 않는 공진 파장 대역(111a)을 형성할 수 있다. 반대로, 제 1 주기를 제 2 주기 및 제 3 주기보다도 작게 하는 것에 의해, 도 1(b)에 나타내는 바와 같이, 제 1 투과 파장 대역(11)의 단파장측에, 제 2 및 제 3 투과 파장 대역(12 및 13)에 포함되지 않는 공진 파장 대역(111b)을 형성할 수 있다.
제 1 형태의 2차원 포토닉 결정의 공진기로서의 작용에 대해서 설명한다. 공진 파장 대역에 포함되는 파장의 광이 제 1 영역의 도파로에 존재하는 경우, 이 광은 제 2 영역 및 제 3 영역의 도파로 투과 파장 대역에 포함되지 않기 때문에, 제 2 영역 및 제 3 영역의 도파로를 전파할 수 없어, 제 1 영역과 제 2 영역의 경계 및 제 1 영역과 제 3 영역의 경계에서 반사된다. 그 때문에, 이 광이 제 1 영역의 도파로내에서 공진하여, 제 1 영역의 도파로가 공진기로서 작용한다.
2차원 포토닉 결정 주기의 구성에 따라서는, 도파로 투과 파장 대역의 일부에, 결정면의 밖으로 광이 누설되는 파장 대역이 형성되어 버리는 경우가 있다. 본 발명에서는, 이러한 누설이 발생하는 파장 대역이 공진 파장 대역내에 형성되지 않도록 하는 것이 바람직하다. 예컨대, 결정 본체와는 상이한 굴절률을 갖는 물질을 삼각 격자 형상으로 배치한 2차원 포토닉 결정의 경우, 이 물질을 선 형상으로 결손시켜서 형성되는 도파로는, 그 도파로 투과 파장 대역 중의 단파장측에, 결정면의 밖으로 광이 누설되는 파장 대역을 갖는다. 이 경우, 제 1 주기를 제 2 주기 및 제 3 주기보다도 작게 하면, 도 1(b)에 나타내는 공진 파장 대역(111b)내의 광이 공진기로부터 결정면의 밖으로 누설된다. 도 1(a)의 경우에는, 그러한 누설은 발생하지 않는다. 따라서, 이 예의 2차원 포토닉 결정에서는, 제 1 주기를 제 2 주기 및 제 3 주기보다도 크게 하는 것이 바람직하다.
다음에, 제 2 형태의 2차원 포토닉 결정 공진기에 대해서 설명한다.
이 공진기는 제 1 주기를 갖는 2차원 포토닉 결정으로 이루어지는 제 1 영역을 갖고, 그 제 1 영역을 둘러싸도록, 제 1 주기와는 상이한 제 2 주기를 갖는 2차원 포토닉 결정으로 이루어지는 제 2 영역을 갖는다. 그리고, 제 2 영역, 제 1 영역, 제 2 영역의 순으로 통과하는 도파로를 갖는다. 따라서, 제 1 영역의 도파로는 그 양단이 제 2 영역에 접한다. 제 1 주기와 제 2 주기가 상이한 것에 의해, 상기와 마찬가지로, 제 1 영역의 도파로 투과 파장 대역의 일부가 제 2 영역에 포함되지 않게 되어, 제 1 영역의 도파로에 공진 파장 대역이 형성된다.
제 2 형태의 2차원 포토닉 결정에서는, 상기 제 1 형태의 것과 마찬가지의 이유에 의해 제 1 영역의 도파로가 공진기로서 기능한다. 즉, 공진 파장 대역에 포함되는 파장의 광이 제 1 영역의 도파로에 존재하는 경우, 이 광은 제 1 영역의 도파로의 양단에서 반사되어 공진한다.
공진 파장 대역과 제 2 또는 제 3 영역의 투과 파장 대역과의 경계 부근의 파장의 광은, 그 일부가 제 1 영역의 도파로로부터 제 2 또는 제 3 영역의 도파로로의 누설이 발생한다. 따라서, 이러한 누설이 발생하지 않는 파장 대역을 형성하기 위해서, 공진 파장 대역의 폭을 일정 이상 넓게 하는 것이 바람직하다. 그 때문에, 제 1 및 제 2 형태의 것에서는, 제 1 주기와 그 이외의 주기의 차를 0.1% 이상 마련하는 것이 바람직하다. 한편, 제 1 투과 파장 대역 또는 제 2ㆍ제 3 투과 파장 대역의 양쪽을 포토닉 밴드갭내에 형성할 필요가 있다. 제 1 및 제 2 형태의 것에 있어서, 제 1 주기와 그 이외의 주기의 차가 10% 이하이면, 어느 영역의 투과 파장 대역도 포토닉 밴드갭내에 받아들이는 것이 가능하다.
제 1 및 제 2 형태의 2차원 포토닉 결정 공진기에 있어서, 각 영역의 주기는 전형적으로는 2차원 포토닉 결정을 면내에 확대 또는 축소하는 것에 의해 설정할 수 있다. 한편, 면내의 특정한 방향으로만 확대 또는 축소하는 것에 의해 설정해도 된다. 본 발명자가 시간 영역 차분법(Finite Difference Time Domain method; FDTD법)에 의해 계산을 한 바, 도파로에 평행한 방향으로만 확대ㆍ축소를 하고, 도 파로에 수직인 방향으로는 확대ㆍ축소하지 않는 것에 의해 Q값을 보다 높게 할 수 있는 것이 명백하게 되었다. 이 경우, 도파로의 폭은 주기의 확대ㆍ축소에 맞춰서 확대ㆍ축소해도 된다. 그러나, 더욱 Q값을 높게 하기 위해서는, 도파로의 폭은 주기에 맞춘 확대ㆍ축소를 하지 않고, 제 1 영역과 다른 영역의 도파로의 폭을 동등하게 하는 것이 바람직하다.
다음에, 제 3 및 제 4 형태의 2차원 포토닉 결정 공진기에 대해서 설명한다.
이들 2차원 포토닉 결정 공진기에서는, 슬래브 형상의 본체에 그것과는 굴절률이 상이한 영역(이굴절률부)을 주기적으로 마련하는 것에 의해 형성되는 2차원 포토닉 결정을 이용한다. 제 3 형태에서는 제 1 영역에 인접하게 제 2 영역 및 제 3 영역을 마련하고, 제 4 형태에서는 제 1 영역을 둘러싸도록 제 2 영역을 마련한다. 여기서, 제 1 영역의 이굴절률부의 크기를 다른 영역과 상이한 것으로 한다. 그리고, 제 1 및 제 2 형태의 것과 마찬가지로, 각 영역을 통과하는 도파로를 형성한다.
이 2차원 포토닉 결정에 도파로를 마련했을 때, 이굴절률부를 작게 하면, 그 도파로의 투과 파장 대역은 보다 장파장측에 형성된다. 이를 이용하여 상기와 마찬가지로, 도 1(a) 또는 (b)에 나타내는 바와 같은 투과 파장 대역(11~13) 및 공진 파장 대역(111a 또는 111b)을 형성하고, 그에 의해 제 1 영역의 도파로를 공진기로 할 수 있다. 또한, 상기의 이유에 의해, 도 1(b)의 경우보다도 (a)의 경우인 쪽이 바람직하기 때문에, 제 1 영역의 이굴절률부는 다른 영역의 이굴절률부보다도 작게 하는 것이 바람직하다.
이들 포토닉 결정 공긴기는 모두, 제 1 영역과 다른 영역의 도파로와의 근소한 주기 또는 이굴절률부의 크기의 차에 따라서, 그 경계에서 공진 파장의 광이 완만하게, 그러나(즉, 어느 정도의 범위까지 침출은 발생하지만), 100% 반사된다. 이 때문에, 도파로 길이 방향의 광강도의 변화가 완만하게 되어, 그 결과, 면외 방향으로의 광의 가둠 효과가 커진다. 이 가둠 효과에 의해, 본 발명의 2차원 포토닉 결정 공진기에서는 높은 Q값을 얻을 수 있다. 특히, 각 영역의 주기가 슬래브 형상의 본체에 구멍(空孔)을 주기적으로 배치하는 것에 의해 형성되고, 도파로가 해당 구멍을 선 형상으로 결손시키는 것에 의해 형성된 2차원 포토닉 결정에서는, 후술과 같이, 본 발명에 따른 공진기는 종래의 점 형상 결함에 의한 공진기의 수백배~수천배가 높은 Q값을 갖는다.
제 2 영역과 제 3 영역의 주기(제 1 및 제 2 형태의 경우) 또는 이굴절률부의 크기(제 3 및 제 4 형태)는 상이한 것으로 해도 되지만, 양쪽을 동일한 것으로 하는 것에 의해 결정의 대칭성을 높게 하는 쪽이 바람직하다.
도파로 길이 방향의 광강도의 변화를 더욱 완만하게 하여 면외 방향으로의 광의 가둠 효과를 보다 크게 하기 위해서, 제 1 및 제 2 형태의 2차원 포토닉 결정 공진기에서는, 제 1 영역과 제 2 영역간에 제 1 주기와 제 2 주기 사이의 주기를 갖는 영역을 하나 이상 마련하고, 제 1 영역과 제 3 영역간에 제 1 주기와 제 3 주기 사이의 주기를 갖는 영역을 하나 이상 마련하는 것이 바람직하다. 마찬가지로, 제 3 및 제 4 형태의 것에서는, 제 1 영역과 다른 영역 사이에, 제 1 영역의 이굴절률부와 당해 다른 영역의 이굴절률부의 중간 크기를 갖는 이굴절률부를 주기적으 로 배치한 영역을 하나 이상 마련하는 것이 바람직하다. 이러한 영역은 제 1 영역-제 2 영역간, 제 1 영역-제 3 영역간에 각각 복수개 마련해도 된다. 이러한 영역을 마련하는 것에 의해, 인접 영역끼리의 주기 또는 이굴절률부의 크기의 차가 보다 작아지기 때문에, 각 경계에서 공진 파장의 광이 보다 완만하게 반사된다. 그 때문에, 면외 방향으로의 광의 가둠 효과를 보다 크게 할 수 있다.
제 1 영역의 도파로의 공진기의 근방에 별도 도파로(입출력용 도파로)를 마련하는 것에 의해, 입출력용 도파로를 전파하는 다양한 파장의 광(중첩광) 중 공진기의 공진 파장에 일치하는 파장의 광을 입출력용 도파로로부터 공진기를 거쳐서 외부로 취출하거나, 공진기의 공진 파장을 갖는 광을 외부로부터 공진기를 거쳐서 입출력용 도파로에 도입하는 광분합파기가 형성된다. 또한, 이 제 1 영역의 도파로의 공진기를 사이에 두고서 입출력용 도파로를 1개씩 마련하는 것에 의해, 한쪽의 입출력용 도파로 중의 중첩광 중 공진기의 공진 파장에 일치하는 파장의 광을 공진기를 거쳐서 다른쪽의 입출력용 도파로로 취출하거나, 공진기의 공진 파장에 일치하는 파장의 광을 한쪽의 입출력용 도파로로부터 공진기를 거쳐서 다른쪽의 입출력용 도파로에 도입할 수 있다. 이 2개의 입출력용 도파로 사이에서 분합파를 실행하는 경우에는, 입출력용 도파로의 근방에 또한, 상기 공진 파장에 일치하는 공진 파장을 갖는 점 형상 결함을 마련하여, 입출력용 도파로에서 분합파된 광을 이 점 형상 결함과 결정 외부 사이에서 취출 또는 도입을 실행하도록 해도 된다. 여기서, 공진기의 공진 파장의 광을 입출력용 도파로에 통과시키기 위해서, 입출력용 도파로의 폭은 공진기가 속하는 도파로의 폭과 상이하게 한다.
또한, 이렇게 입출력용 도파로와 공진기가 속하는 도파로를 상이한 폭으로 하는 것에 의해, 이들 도파로에 공통의 도파로 투과 파장 대역을 좁게 하여, 공진 파장 이외의 파장을 갖는 광이 이들 도파로간에서 도입ㆍ도출되는 것(누화)을 억제할 수 있다. 또한, 입출력용 도파로를 구부려, 공진기로부터 떨어짐에 따라서 공진기와 도파로 사이의 거리가 크게 되도록 하는 것에 의해서, 누화를 억제할 수 있다.
본 발명의 2차원 포토닉 결정에서는, 적어도 제 1 영역의 도파로를 포함하는 영역에 발광 매질을 함유시켜 놓은 것에 의해, 제 1 영역의 도파로의 공진기를 광원으로 할 수 있다. 이러한 발광 매질에는 예를 들면 InGaAsP 등이 있다.
도 1은 본 발명의 2차원 포토닉 결정 공진기에 있어서의 공진 파장 대역을 설명하는 도면,
도 2는 본 발명의 2차원 포토닉 결정 공진기의 제 1 실시예를 나타내는 사시도 및 평면도,
도 3은 본 발명의 2차원 포토닉 결정 공진기의 제 2 실시예를 나타내는 평면도,
도 4는 본 발명의 2차원 포토닉 결정 공진기의 다른 실시예를 나타내는 평면도,
도 5는 비교예인 점 형상 결함 공진기를 나타내는 평면도,
도 6은 발명의 2차원 포토닉 결정 공진기에 있어서, 도파로에 수직인 방향의 구멍(空孔)의 주기를 각 영역에서 동등하게 한 실시예를 나타내는 평면도,
도 7은 본 발명의 2차원 포토닉 결정 공진기에 있어서, 도파로에 수직인 방향의 구멍의 주기 및 도파로의 폭을 각 영역에서 동등하게 한 실시예를 나타내는 평면도,
도 8은 다단 구조를 갖는 2차원 포토닉 결정 공진기의 실시예를 나타내는 평면도,
도 9는 다단 구조를 갖는 2차원 포토닉 결정 공진기에 있어서, (a) 도파로에 수직인 방향의 구멍의 주기를 각 영역에서 동등하게 한 실시예, 및 (b) 그에 부가하여 도파로의 폭을 각 영역에서 동등하게 한 실시예를 나타내는 평면도,
도 10은 도 6의 구성에 있어서 구멍의 직경을 변화시킨 경우의 주파수, Q값 및 도파 모드와의 분리폭의 변화를 나타내는 그래프,
도 11은 구멍의 직경을 각 영역에서 상이한 것으로 한 2차원 포토닉 결정 공진기의 실시예를 나타내는 평면도,
도 12는 본 발명의 2차원 포토닉 결정 분합파기의 일실시예를 나타내는 평면도,
도 13은 본 발명의 2차원 포토닉 결정 분합파기의 일실시예를 나타내는 평면도,
도 14는 본 발명의 2차원 포토닉 결정 분합파기의 일실시예를 나타내는 평면도.
부호의 설명
11, 12, 13 : 도파로 투과 파장 대역
111a, 111b : 공진 파장 대역
21 : 본체
22, 961, 962, 963 : 구멍
23, 24, 25, 75, 97 : 도파로
231, 241, 251, 252, 261, 76, 98 : 공진기
31, 41, 51, 71, 91 : 제 1 영역
32, 42, 52, 72, 92 : 제 2 영역
43, 53, 73, 93 : 제 3 영역
54, 745, 94 : 제 4 영역
55, 746, 95 : 제 5 영역
61 : 점 형상 결함
741, 742, 743, 744 : 중간 영역
81, 82, 83 : 입출력용 도파로
발명을 실시하기 위한 최선의 형태
본 발명의 2차원 포토닉 결정 공진기의 제 1 실시예의 사시도 (a) 및 평면도 (b)를 도 2에 나타낸다. 본 실시예는 상기 제 1 형태인 것이다. 슬래브 형상의 본체(21)는 삼각 격자 형상으로 주기적으로 배치된 구멍(22)을 갖는다. 본체(21) 는 제 1 영역(31)과, 제 1 영역(31)을 사이에 두고서 배치되는 제 2 영역(32) 및 제 3 영역(33)의 3개의 영역으로 이루어진다. 본 실시예에서는, 제 2 영역(32) 및 제 3 영역(33)의 구멍(22)의 주기는 모두 a2로 하였다. 제 1 영역(31)의 구멍(22)의 주기는 a2보다도 큰 a1로 하였다. 제 1 영역(31), 제 2 영역(32) 및 제 3 영역(33)을 통과하도록 도파로(23)가 마련되어 있다. 도파로(23)는 삼각 격자의 격자점 1열 정도만큼 구멍(22)이 결손한, 즉 구멍(22)이 존재하지 않도록 형성된다.
본 발명의 2차원 포토닉 결정 공진기의 제 2 실시예의 평면도를 도 3에 나타낸다. 본 실시예는 상기 제 2 형태인 것이다. 본 실시예에서는, 제 1 영역(41)을 둘러싸는 제 2 영역(42)을 갖는다. 제 1 영역(41) 및 제 2 영역(42)에서의 구멍(22)의 주기는 각각 a1 및 a2로서, a1>a2이다. 제 2 영역(42), 제 1 영역(41), 제 2 영역(42)의 순으로 통과하는 도파로(24)가 마련된다. 도파로(24)의 형성 방법은 상기와 마찬가지이다.
다음에, 이들 2개의 2차원 포토닉 결정 공진기의 작용에 대해서 설명한다. 2개의 실시예의 공진기는 동일한 작용을 갖기 때문에, 여기서는 제 1 실시예에 근거하여 설명한다. 제 1 영역(31)이 제 2 영역(32) 및 제 3 영역(33)보다도 구멍의 주기가 큰 것에 의해, 제 1 영역의 도파로 투과 파장 대역에는, 도 1에 나타내는 바와 같은 공진 파장 대역(111a)이 형성된다. 이 파장 대역내의 파장을 갖는 광이, 예컨대 결정 표면으로부터 도파로(23) 중 제 1 영역(31) 부분의 도파로(231)(도 2의 사선부)에 도입되면, 이 광은 제 2 영역(32) 및 제 3 영역(33)의 도파로를 전파할 수 없어, 이들 영역끼리의 경계, 즉 도파로(231)의 양단에서 반사되어, 도파로(231)내에서 공진한다. 따라서, 도파로(231)가 공진기로서 기능한다. 또한, 도파로(231)를 포함하는 본체(21)의 일부, 또는 본체(21) 전체를 InGaAsP 등의 발광 매질을 포함하는 재료로 제작하는 것에 의해, 이 도파로(231)를 광원으로 할 수 있다.
또한, 도 4에 나타내는 바와 같이, 제 1 영역(51)~제 5 영역(55)의 5개의 영역과 이들 각 영역을 묶는 도파로(25)를 마련하고, 각 영역의 구멍(22)의 주기 a1~a5를 a1>a2, a1>a3, a4>a3, a4>a5로 하는 것에 의해, 제 1 영역(51) 및 제 4 영역(54)에 각 1개씩, 합쳐서 2개의 공진기(251 및 252)를 형성할 수 있다. 마찬가지의 방법에 의해 3개 이상의 공진기를 형성할 수 있는 것, 및 제 2 형태의 것에서도 마찬가지의 방법에 의해 2개 이상의 공진기를 형성할 수 있는 것은 말할 필요도 없다.
이하에, 상기한 바와 같이 형성되는 공진기의 Q값을 FDTD법에 의해 계산한 결과를 나타낸다.
먼저, 비교예로서, 도 5에 나타내는 바와 같이, 구멍을 모두 동등한 주기 a1로 배치한 2차원 포토닉 결정에 있어서, 구멍(22)을 직선 형상으로 3개 결손시키는 것에 의해 형성되는 점 형상 결함(61)의 Q값을 계산한 바, Q=5,300이었다.
다음에, 도 2의 구성에 있어서, (i) a1=1.023a2, 및 (ii) a1=1.0175a2로 한 경우의 Q값을 계산한 바, (i)에서는 Q=530,000, (ii)에서는 Q=1,000,000으로 된다. 이들 값은 도 5의 점 형상 결함에서의 Q값의 100배 이상이다.
도 2에서는, 구멍의 주기는 면내에 등방적으로 변화하고 있다. 또한, 도 6에 나타내는 바와 같이, 기본적으로 구멍의 주기를 도파로에 수직인 방향에서는 각 영역에서 동등하고(30.5a2), 도파로에 평행한 방향에서는 영역마다 상이하도록(a1 및 a2) 한 경우에 대해서 검토하였다. 여기서는 먼저, 도파로의 폭은 도 2의 경우와 마찬가지로 하여(그 때문에, 도면 중의 화살표(34)와 같이, 공진기(261)에 최근접의 구멍만을 외측으로 (30.5/2)×(a1-a2)만큼 시프트시킴), 도파로에 평행한 방향의 주기를 (iii) a1=1.023a2, (iv) a1=1.0175a2, 및 (v) a1=1.015a2로 한 경우에 대해서 Q값을 계산하였다. 그 결과, (iii)에서는 Q=1,760,000, (iv)에서는 Q=3,100,000, (v)에서는 Q=8,100,000으로 되어, 종래의 점 형상 결함의 수백 내지 1000배 이상의 Q값이 얻어졌다.
도파로에 수직인 방향의 구멍의 주기를 각 영역에서 동등하게 하는 것에 부가하여, 도 7에 파선(35)으로 표시하는 바와 같이 도파로의 폭(30.5a2-b:b는 구멍의 직경)을 각 영역에서 동등하게 한 경우에 대해서 Q값을 계산하였다. 여기서는, a1=1.024a2(a1=420㎚, a2=410㎚)의 경우에 대해서 Q값을 계산하였다. 이 파라미터 a1 및 a2의 경우에 있어서, 도파로의 폭을 도 6과 같이 영역마다 상이하도록 하면 Q값은 1,700,000으로 되는 데 반하여, 도파로의 폭을 상기한 바와 같이 각 영역에서 동등하게 하면 Q값은 2,400,000으로 향상한다.
다음에, 도파로 길이 방향의 광강도의 변화를 더욱 완만하게 하여 면외 방향으로의 광의 가둠 효과를 보다 크게 하는 구성에 대해서 설명한다. 도 8은 그 일실시예이다. 구멍(22)이 주기 a11로 배치된 제 1 영역(71)과, 마찬가지로 주기 a14를 갖는 제 2 영역(72) 사이에, 제 1 영역(71)측으로부터 순서대로, 주기 a12를 갖는 중간 영역(741) 및 주기 a13을 갖는 중간 영역(742)을 마련한다. 마찬가지로, 제 1 영역(71)과, 주기 a14를 갖는 제 3 영역(73) 사이에, 제 1 영역(71)측으로부터 순서대로, 주기 a12를 갖는 중간 영역(743) 및 주기 a13을 갖는 중간 영역(744)을 마련한다. 이들 주기 a11~a14는 a11>a12>a13>a14의 관계를 만족한다. 또한, 이들 모든 영역을 통과하는 도파로(75)를 마련한다. 이와 같이 주기가 상이한 영역을 다단에 마련하는 것에 의해, 제 1 영역(71)과 제 2 영역(72), 및 제 1 영역(71)과 제 3 영역(73)이 직접 인접하는 경우보다도, 각 경계에서의 구멍(22)의 주기의 차가 작아지기 때문에, 공진 파장을 갖는 광은 각 영역의 경계에서 제 1 영역(71)측에 보다 완만하게 반사된다. 그 때문에, 제 2 영역(72)과 제 3 영역(73) 사이에 형성되는 공진기(76)의 면외 방향으로의 광의 가둠 효과를 보다 크게 할 수 있다.
이러한 다단 구성의 경우에 있어서도, 도파로에 수직인 방향의 주기는 각 영역에서 동등하게 하는 것이 바람직하다. 또한, 이 경우에 있어서, 도파로의 폭을 각 영역에서 동등하게 하는 것이 보다 바람직하다. 도 9에, 도파로(75)에 평행한 방향의 구멍(22)의 주기가 a11인 제 1 영역(711)과, 그 양측에 동일 방향의 주기가 a13인 제 2 영역(721) 및 제 2 영역(731)을 마련하고, 제 1 영역(711)-제 2 영역(721)간 및 제 1 영역(711)-제 3 영역(731)간에, 동일 방향의 주기가 a12인 제 4 영역(745) 및 제 5 영역(746)을 각각 마련한 예를 나타낸다. 어느 쪽의 영역에서도, 도파로(75)에 수직인 방향의 구멍의 주기(구멍 2열 정도의 거리)는 30.5a13으로서 동등하다. 그리고, 도파로(75)의 폭을, (a)에서는 각 영역마다 30.5ax-b(ax는 그 영역에서의 도파로(75)에 평행한 방향의 주기)로 하고, (b)에서는 어느 쪽의 영역에서도 30.5a13-b로 하였다.
이들 도 9(a), (b)에 대해서, 각 주기를 a11=420㎚, a12=415㎚, a13=410㎚으로 하여 Q값을 계산하였다. 또한, 이들 파라미터는 제 1~제 3 영역에 대해서는 도 7의 것과 동등하다. (a)에서는 Q=5,500,000, (b)에서는 Q=11,000,000로 되었다. 먼저, 이들 Q값은 도 7에서 얻어진 Q값보다도 향상하고 있다. 즉, 다단 구성으로 하는 것에 의해 Q값이 향상한다. 그리고, (a)보다도 (b)인 쪽이 Q값이 높은 것이므로, 도파로의 폭은 각 영역에서 동등하게 하는 것이 보다 바람직하다고 할 수 있다.
여기까지는 구멍의 주기에 의해 투과 파장 대역을 제어하여 도파로에 공진기를 형성하는 예를 나타냈지만, 아울러 구멍의 직경을 제어해도 된다. 도 10에, 도 6의 구성에 있어서 모든 영역의 직경을 변화시킨 경우의 주파수(파장), Q값 및 도파 모드의 분리폭의 변화를 계산한 결과를 나타낸다. 여기서 구멍의 직경(가로축)은 제 1 영역의 구멍의 주기 a1에 대한 비율로 나타낸다. 주파수는 c/a1(c는 광속)로 규격화하여 나타낸다. 「도파 모드의 분리폭」은 공진 파장과 제 2 영역 또는 제 3 영역의 투과 파장 대역 중 가장 해당 공진 파장에 가까운 파장과의 차에 의해 정의된다. 도 10(a)으로부터 명백한 바와 같이, 구멍의 직경에 따라 상이한 공진 주파수가 얻어진다. 또한, 구멍의 직경이 작아질수록 Q값이 커지는 것이므로, 이 점에서는 구멍의 직경은 작은 쪽이 바람직하다고 할 수 있다. 한편, 도파 모드의 분리폭은 구멍의 직경이 큰 쪽이 보다 넓어진다. 공진 파장이 제 2 영역 및 제 3 영역의 도파로 투과 파장 대역으로부터 떨어져 있는 쪽이 바람직하기 때문에, 이 점에서는 구멍의 직경이 큰 쪽이 바람직하다고 할 수 있다. 따라서, Q값 및 도파 모드의 분리폭의 양쪽을 고려하여 구멍의 직경을 적절히 설정하는 것이 바람직하다.
또한, 각 영역의 구멍의 주기는 동등하게 하여, 구멍의 크기만이 영역마다 상이하도록 해도 된다. 그러한 2차원 포토닉 결정 공진기의 예를 도 11에 나타낸다. (a)는 제 1 영역(91)에 직경 b1의 구멍(961)을 삼각 격자 형상으로 주기 a로 배치하고, 제 1 영역(91)의 양옆에, 직경 b2(>b1)의 구멍(962)을 제 1 영역(91)과 동일한 주기 a로 삼각 격자 형상으로 배치한 제 2 영역(92) 및 제 3 영역(93)을 마련한 것이다. (b)는 제 1 영역(91)-제 2 영역(92)간 및 제 1 영역(91)-제 3 영역 (93)간에, b1보다도 크고 b2보다도 작은 직경 b3의 구멍(963)을 다른 영역과 동일한 주기 a로 삼각 격자 형상으로 배치한 제 4 영역(94) 및 제 5 영역(95)을 마련한 것이다. 어느 쪽의 경우도 상기 각 실시예와 마찬가지로, 각 영역을 가로지르도록 도파로(97)를 마련한다. 이에 따라, (a), (b) 어느 쪽의 경우에도 제 2 영역(92)과 제 3 영역(93)간의 도파로(97)에 공진기(98)가 형성된다. 본 실시예에서는 도파로에 최근접의 구멍을 삼각 격자의 격자점 위에 배치하고 있기 때문에, 영역마다의 구멍의 직경의 차이에 의해, 제 1 영역의 쪽이 다른 영역보다도 도파로의 폭이 넓다. 또한, 도파로에 최근접의 구멍의 위치를 이동시켜서 도파로의 폭을 조절하는 것에 의해, Q값 등을 설정할 수도 있다.
구멍의 직경이 작을수록, 도 1(a)와 같이 공진 파장 대역이 장파장측으로 시프트하기 때문에, 제 1 영역(91)의 도파로 투과 파장 대역의 장파장측에 공진 파장 대역이 형성된다. 그 때문에, 상기 각 실시예의 경우와 마찬가지로 제 1 영역내의 도파로가 공진기로서 작용한다. 또한, (b)와 같이 다단 구조로 하는 것에 의해 얻어지는 효과도 상기 도 8의 경우와 마찬가지이다.
도 11(a)의 구성에 있어서 b2=0.62a로 하고, (i) b1=0.54a, (ii) b1=0.58a로 한 경우에 대해서 각각 계산하였다. 그 결과, 모두 제 1 영역의 도파로가 공진기로서 기능하는 것이 확인되었다. 계산값은, (a)에서는 공진 주파수가 0.266c/a, Q값이 34000, 도파 모드와의 분리폭이 20㎚(a=420㎚의 경우), (b)에서는 공진 주파수가 0.267c/a, Q값이 76000, 도파 모드와의 분리폭이 13㎚(동상)이었다.
다음에, 본 발명의 2차원 포토닉 결정 공진기를 이용한 분합파기의 실시예에 대해서 설명한다.
도 12는 도 6의 2차원 포토닉 결정 공진기로부터 구멍 3열 정도만큼 떨어진 위치에, 삼각 격자의 1열만큼 구멍(22)을 결손시킨 입출력용 도파로(81)를 마련한 예를 나타낸다. 또한, 이 예에서는, 입출력용 도파로(81)에서 보아서 도파로(26)와는 반대측에 있는 구멍(22)을 입출력용 도파로(81)로부터 떨어지는 방향으로 시프트시키는 것에 의해, 입출력용 도파로(81)의 폭을 도파로(26)의 폭의 1.1배로 하였다. 이는, 입출력용 도파로(81)의 도파로 투과 파장 대역에 공진 파장이 포함되도록 하기 위해서이다. 도 12에서는, 도 6의 구성을 이용하여 도파로(26)에 수직인 방향의 구멍의 주기를 각 영역에서 동등하게 한 것에 의해, 입출력용 도파로(81)가 각 영역의 경계에서 스무스하게 이어진다. 도 12의 구성에 의해, 입출력용 도파로(81)를 흐르는 중첩광으로부터 공진기(261)의 공진 파장의 광을 해당 공진기가 결정 외부에 취출하는 분파기로서, 및 해당 공진 파장의 파장의 광을 해당 공진기가 결정 외부로부터 입출력용 도파로(81)에 도입하는 합파기로서 기능한다.
도 13은 도파로(26)를 사이에 두고서 입출력용 도파로(81 및 82)를 1개씩 마련한 것이다. 이 구성에 의해, 예컨대 입출력용 도파로(81)에 중첩광을 전파시킨 경우, 공진기(261)의 공진 파장의 광을 입출력용 도파로(81)로부터 입출력용 도파로(82)로 취출하는 분파기로서, 및 입출력용 도파로(82)로부터 입출력용 도파로(81)에 도입하는 합파기로서 기능한다.
도 14는 입출력용 도파로(83)를 구부리는 것에 의해, 공진기(261)로부터 멀 어짐에 따라서 도파로(26)와 입출력용 도파로(83)와의 간격을 크게 한 것이다. 이에 따라, 공진기(261)와 입출력용 도파로(83) 사이에서는 공진기(261)의 공진 파장의 광의 취출 및 도입이 행해지기 쉽고, 그 이외의 영역에서는 도파로(26)와 입출력용 도파로(83) 사이에서 해당 공진 파장 이외의 파장의 광이 유출입하기 어렵게 할 수 있다.

Claims (21)

  1. a) 제 1 투과 파장 대역을 갖는 도파로를 구비한 2차원 포토닉 결정으로 이루어지는 제 1 영역과,
    b) 제 1 영역에 인접하게 마련한 영역으로서, 제 1 영역의 도파로와 접속되고 제 2 투과 파장 대역을 갖는 도파로를 구비한 2차원 포토닉 결정으로 이루어지는 제 2 영역과,
    c) 제 1 영역에 인접하게 마련한 영역으로서, 제 1 영역의 도파로와 접속되고 제 3 투과 파장 대역을 갖는 도파로를 구비한 2차원 포토닉 결정으로 이루어지는 제 3 영역
    을 구비하며,
    제 1 투과 파장 대역의 일부가 제 2 투과 파장 대역 및 제 3 투과 파장 대역에 포함되지 않도록 하는 것에 의해, 제 1 영역의 도파로내의 광을 제 2 영역 및 제 3 영역과의 경계에서 반사시켜 공진시키는 것
    을 특징으로 하는 2차원 포토닉 결정 공진기.
  2. a) 제 1 투과 파장 대역을 갖는 도파로를 구비한 2차원 포토닉 결정으로 이루어지는 제 1 영역과,
    b) 제 1 영역을 둘러싸도록 마련한 영역으로서, 제 1 영역의 도파로의 양단 과 접속되고 제 2 투과 파장 대역을 갖는 도파로를 구비한 2차원 포토닉 결정으로 이루어지는 제 2 영역
    을 구비하며,
    제 1 투과 파장 대역의 일부가 제 2 투과 파장 대역에 포함되지 않도록 하는 것에 의해, 제 1 영역의 도파로내의 광을 제 2 영역과의 2개의 경계에서 반사시켜 공진시키는 것
    을 특징으로 하는 2차원 포토닉 결정 공진기.
  3. a) 제 1 주기를 갖는 2차원 포토닉 결정으로 이루어지는 제 1 영역과,
    b) 제 1 영역에 인접하게 마련한 2개의 영역으로서, 제 1 주기와는 상이한 제 2 주기 및 제 3 주기를 갖는 2차원 포토닉 결정으로 이루어지는 제 2 영역 및 제 3 영역과,
    c) 제 2 영역, 제 1 영역, 제 3 영역의 순으로 통과하는 도파로
    를 구비하며,
    제 1 영역의 도파로내의 광을 제 2 영역 및 제 3 영역과의 경계에서 반사시킴으로써 공진시키는 것
    을 특징으로 하는 2차원 포토닉 결정 공진기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    제 2 주기와 제 3 주기가 동등한 것을 특징으로 하는 2차원 포토닉 결정 공진기.
  5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    제 1 영역과 제 2 영역간에 제 1 주기와 제 2 주기 사이의 주기를 갖는 영역을 하나 이상 마련하고, 제 1 영역과 제 3 영역간에 제 1 주기와 제 3 주기 사이의 주기를 갖는 영역을 하나 이상 마련한 것
    을 특징으로 하는 2차원 포토닉 결정 공진기.
  6. a) 제 1 주기를 갖는 2차원 포토닉 결정으로 이루어지는 제 1 영역과,
    b) 제 1 영역을 둘러싸도록 마련한, 제 1 주기와는 상이한 제 2 주기를 갖는 2차원 포토닉 결정으로 이루어지는 제 2 영역과,
    c) 제 2 영역, 제 1 영역, 제 2 영역의 순으로 통과하는 도파로
    를 구비하며,
    제 1 영역의 도파로내의 광을 제 2 영역과의 2개의 경계에서 반사시키는 것에 의해 공진시키는 것
    을 특징으로 하는 2차원 포토닉 결정 공진기.
  7. 제 6 항에 있어서,
    제 1 영역과 제 2 영역간에 제 1 주기와 제 2 주기 사이의 주기를 갖는 영역을 하나 이상 마련한 것을 특징으로 하는 2차원 포토닉 결정 공진기.
  8. 제 3 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    제 1 주기가 다른 주기보다도 큰 것을 특징으로 하는 2차원 포토닉 결정 공진기.
  9. 제 8 항에 있어서,
    제 1 주기와 다른 주기의 차가 제 1 주기의 0.1%~10%인 것을 특징으로 하는 2차원 포토닉 결정 공진기.
  10. 제 3 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 도파로에 평행한 방향의 주기를 제 1 영역과 다른 영역에서 상이하게 하고, 도파로에 수직인 방향의 주기를 제 1 영역과 다른 영역에서 동등하게 하는 것을 특징으로 하는 2차원 포토닉 결정 공진기.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 도파로의 폭이 제 1 영역과 다른 영역에서 동등한 것을 특징으로 하는 2차원 포토닉 결정 공진기.
  12. 제 3 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    각 영역의 주기가 슬래브 형상의 본체에 구멍(空孔)을 주기적으로 배치하는 것에 의해 형성되고, 도파로가 해당 구멍을 선 형상으로 결손시키는 것에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 2차원 포토닉 결정 공진기.
  13. a) 슬래브 형상의 본체와,
    b) 상기 본체에 해당 본체와는 굴절률이 상이한 소정의 크기의 이굴절률부(異屈折率部)를 주기적으로 마련해서 이루어지는 제 1 영역과,
    c) 제 1 영역에 인접하게 마련한 2개의 영역으로서, 제 1 영역의 것과는 크기가 상이한 이굴절률부를 주기적으로 마련해서 이루어지는 제 2 영역 및 제 3 영 역과,
    d) 제 2 영역, 제 1 영역, 제 3 영역의 순으로 통과하는 도파로
    를 구비하며,
    제 1 영역의 도파로내의 광을 제 2 영역 및 제 3 영역과의 경계에서 반사시킴으로써 공진시키는 것
    을 특징으로 하는 2차원 포토닉 결정 공진기.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 2 영역과 제 3 영역의 이굴절률부의 크기가 동등한 것을 특징으로 하는 2차원 포토닉 결정 공진기.
  15. 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,
    제 1 영역과 제 2 영역 사이에, 제 1 영역의 이굴절률부와 제 2 영역의 이굴절률부의 중간 크기를 갖는 이굴절률부를 주기적으로 배치한 영역을 하나 이상 마련하고, 제 1 영역과 제 3 영역 사이에, 제 1 영역의 이굴절률부의 크기와 제 3 영역의 이굴절률부의 크기의 중간 크기를 갖는 이굴절률부를 주기적으로 배치한 영역을 하나 이상 마련한 것
    을 특징으로 하는 2차원 포토닉 결정 공진기.
  16. a) 슬래브 형상의 본체와,
    b) 상기 본체에 해당 본체와는 굴절률이 상이한 소정의 크기의 이굴절률부를 주기적으로 마련해서 이루어지는 제 1 영역과,
    c) 제 1 영역을 둘러싸도록 마련한, 제 1 영역의 것과는 크기가 상이한 이굴절률부를 주기적으로 마련해서 이루어지는 제 2 영역과,
    d) 제 2 영역, 제 1 영역, 제 2 영역의 순으로 통과하는 도파로
    를 구비하며,
    제 1 영역의 도파로내의 광을 제 2 영역과의 2개의 경계에서 반사시키는 것에 의해 공진시키는 것
    을 특징으로 하는 2차원 포토닉 결정 공진기.
  17. 제 16 항에 있어서,
    제 1 영역과 제 2 영역 사이에, 제 1 영역의 이굴절률부와 제 2 영역의 이굴절률부의 중간 크기를 갖는 이굴절률부를 주기적으로 배치한 영역을 하나 이상 마련한 것을 특징으로 하는 2차원 포토닉 결정 공진기.
  18. 제 13 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    제 1 영역의 이굴절률부의 크기가 다른 영역의 이굴절률부의 크기보다도 작은 것을 특징으로 하는 2차원 포토닉 결정 공진기.
  19. 제 13 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
    이굴절률부가 구멍에 의해 형성되고, 도파로가 해당 구멍을 선 형상으로 결손시키는 것에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 2차원 포토닉 결정 공진기.
  20. 제 1 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 제 1 영역의 도파로를 포함하는 영역이 발광 매질을 함유하는 것을 특징으로 하는 2차원 포토닉 결정 공진기.
  21. 청구항 1~20에 기재된 2차원 포토닉 결정 공진기의 제 1 영역의 도파로의 근방에 도파로를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 2차원 포토닉 결정 분합파기.
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