專利名稱：二維光子晶體分合波器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在波分多路通信等上所使用的二維光子晶體分合波器。特別是涉及對該分合波的特性進(jìn)行改進(jìn)的技術(shù)。
背景技術(shù)：
近年，波分多路(Wavelength Division MultiplexingWDM)傳輸系統(tǒng)的技術(shù)正在發(fā)展。該WDM是使多個(gè)波長(頻率)的光(對于本說明書中使用的“光”，假設(shè)包括電磁波。)在一條傳輸路上傳播，并分別載有獨(dú)立的信號進(jìn)行信息傳輸?shù)募夹g(shù)。為了在傳輸路的入口側(cè)上將各波長的光混合、并將混合的光在出口側(cè)上按各波長取出，需要光的合波器(multiplexer)及分波器(demultiplexer)、或波長濾波器(filter)。以往，雖然在分波器上使用如陣列波導(dǎo)衍射光柵，但在該分波器中，為了將光的損失變小，現(xiàn)狀是使用了幾cm角左右的比較大的元件。
對此，為了傳輸系統(tǒng)的大容量化及裝置的小型化，正在開發(fā)利用光子晶體的分波器、合波器或波長濾波器。所謂光子晶體是持有周期折射率分布的功能材料，并對于光的能量(energy)形成能帶結(jié)構(gòu)。特別是，其特征在于可形成不能進(jìn)行光傳播的能量區(qū)域(光子能帶隙(photonic bandgap))。通過在光子晶體中的折射率分布上導(dǎo)入適當(dāng)?shù)娜毕?，從而在光子能帶隙中形成由該缺陷引起的能?缺陷能級)。由此，可存在和光子能帶隙中的能量相對應(yīng)的波長范圍中、僅和缺陷能級的能量相對應(yīng)的波長的光。通過將晶體中的所述缺陷形成為線狀而成為波導(dǎo)，通過將晶體中的所述缺陷形成為點(diǎn)狀而成為諧振器。在該點(diǎn)狀缺陷中諧振的光的波長(諧振波長)，根據(jù)點(diǎn)狀缺陷的形狀而不同。
在非專利文獻(xiàn)1中，記載著對將由高折射率材料構(gòu)成的無限長的圓柱體排列為正方格子狀的光子晶體進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬后的結(jié)果。在該結(jié)構(gòu)中，雖然能在與正方格子平行的面內(nèi)進(jìn)行基于光子能帶隙的光的控制，但是在垂直于該面的方向上不能進(jìn)行光的控制。由此，這樣構(gòu)成的光子晶體并不實(shí)用。
在專利文獻(xiàn)1中記載著在板狀的主體上，通過對與主體不同的折射率的區(qū)域(以下，假定其為“異折射率區(qū)域”)周期地進(jìn)行排列而設(shè)置了周期折射率分布的光子晶體。在這樣的結(jié)構(gòu)中，在主體的面內(nèi)形成光子能帶隙，進(jìn)一步因?yàn)橥ㄟ^在垂直于主體的方向上主體和周圍的空氣的折射率差而使光在主體內(nèi)被限制(confine)，所以能控制主體內(nèi)的光。再有，通過使異折射率區(qū)域缺損為線狀而形成波導(dǎo)( 、圖1)，通過使其缺損為點(diǎn)狀而形成點(diǎn)狀缺陷( 、圖1)。在專利文獻(xiàn)1中作為實(shí)施例，公開了將由圓柱孔構(gòu)成的異折射率區(qū)域周期地排列為三角格子，并將波導(dǎo)附近的一個(gè)圓柱孔的口徑變大而形成了一個(gè)點(diǎn)狀缺陷的二維光子晶體。
非專利文獻(xiàn)1凡·等人，Physical Review Letters，(美國)，美國物理學(xué)會，1998年，第80卷，960～963頁(S.Fan et al.，“Channel Drop Tunnelingthrough Localized States”，Physical Review Letters，(US)，AmericanPhysical Society，1998，vol.80，pp.960-963)專利文獻(xiàn)1特開2001-272555號公報(bào)( 、 、圖1)這樣的二維光子晶體，作為將傳播波導(dǎo)且多個(gè)波長重疊后的光中具有點(diǎn)狀缺陷的諧振波長的光通過點(diǎn)狀缺陷而被分波到晶體外部的分波器起作用。再有，也可作為將具有點(diǎn)狀缺陷的諧振波長的光從晶體外部合波到傳播波導(dǎo)的重疊光的合波器起作用。這樣，因?yàn)橥粋€(gè)二維光子晶體作為分波器和合波器起作用，所以在本說明書中，將這樣的二維光子晶體稱為“分合波器”。進(jìn)一步，將不同形狀的多個(gè)點(diǎn)狀缺陷設(shè)置在波導(dǎo)附近的二維光子晶體，成為各點(diǎn)狀缺陷將各自不同波長的光分合波的分合波器。通過在多個(gè)波長的光上分別載有獨(dú)立的信號，從而能利用分波器從傳輸路(波導(dǎo))上取出規(guī)定的信號，或通過合波器將規(guī)定的信號導(dǎo)入到傳輸路中。
在這樣的分合波器中，點(diǎn)狀缺陷不僅對具有該諧振波長λ0的光、也對將諧振波長λ0作為中心的某個(gè)波長寬度中所包括的光以一定的比例進(jìn)行分合波。在上述現(xiàn)有的二維光子晶體分合波器中，分合波光譜成為如圖1所示那樣、以諧振波長λ0為中心的洛倫茲函數(shù)(Lorentz Function)。顯示在洛倫茲函數(shù)(Lorentz Function)形的情況下，分合波光譜的峰值尖銳，并在諧振波長λ0附近，隨著遠(yuǎn)離λ0，分合波光譜的值急劇地變小的同時(shí)，隨著遠(yuǎn)離λ0而引出長波麓的分布。在具有這樣的洛倫茲函數(shù)(LorentzFunction)形的分合波光譜的情況下，關(guān)于分合波存在以下2個(gè)應(yīng)該改進(jìn)的問題。
第1問題是起因于分合波光譜的峰值尖銳的問題。由于裝置的時(shí)效變化或溫度變化等，在傳播波導(dǎo)的光的波長上產(chǎn)生誤差，或在分合波器的諧振波長上也產(chǎn)生誤差。因此，在點(diǎn)狀缺陷的諧振波長(分合波光譜的峰頂(peak top)的波長)λ0和傳播波導(dǎo)的光的波長λ1之間產(chǎn)生誤差δλ。即使該誤差非常小，也如圖1所示，λ1中的分合波光譜的值比λ0中的值大幅度減少。這意味著在分合波光譜是洛倫茲函數(shù)(Lorentz Function)形的情況下，稍微一點(diǎn)波長的偏差就會使分合波的效率降低。
第2問題是起因于分合波光譜的長波麓的問題。由于具有這樣的波麓，故混入具有遠(yuǎn)離λ0的波長的不期望的光，并成為噪音的原因。進(jìn)一步，該波麓和鄰接的信道的信號波長重合，成為2個(gè)信號串?dāng)_(crosstalk)的原因。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的問題，是提供一種能防止因各點(diǎn)狀缺陷的分合波光譜的峰值形狀而產(chǎn)生的、由輸入信號或諧振波長的偏差引起的分合波效率的降低或由分合波光譜的波麓的影響引起的串?dāng)_的二維光子晶體分合波器。
為了解決所述問題而進(jìn)行的本發(fā)明涉及的二維光子晶體分合波器，其特征在于，具備a)平板(slab)狀的主體；b)在所述主體內(nèi)以規(guī)定周期配置為格子狀的多個(gè)、折射率不同于主體的區(qū)域；c)設(shè)置在所述主體上的、由將所述異折射率區(qū)域的缺陷設(shè)置為線狀的波導(dǎo)構(gòu)成的第1光導(dǎo)入導(dǎo)出部；d)設(shè)置在所述主體上的第2光導(dǎo)入導(dǎo)出部；和e)點(diǎn)狀缺陷諧振器，其在第1光導(dǎo)入導(dǎo)出部和第2光導(dǎo)入導(dǎo)出部之間，將點(diǎn)狀缺陷以2個(gè)以上串聯(lián)的方式進(jìn)行配置，該點(diǎn)狀缺陷是將所述異折射率區(qū)域的缺陷設(shè)置成點(diǎn)狀而構(gòu)成的點(diǎn)狀缺陷，并具有幾乎相同的諧振波長。
在本發(fā)明的二維光子晶體分合波器中，作為與面內(nèi)方向的大小相比其厚度非常薄的板狀體的平板成為主體。在該主體內(nèi)，將多個(gè)折射率不同于該主體的區(qū)域以規(guī)定的周期設(shè)置成格子狀。由此，成為形成了使由其周期決定的規(guī)定波段的光在主體的面內(nèi)方向上不通過的光子能帶隙(photonicbandgap)的二維光子晶體。在該二維光子晶體中，因?yàn)橥ㄟ^采用上述的結(jié)構(gòu)，從而在主體和主體外(例如空氣)之間因兩者的折射率之差而產(chǎn)生全反射，所以在主體和主體外之間光不會遺漏。在此，在配置異折射率區(qū)域的格子中存在三角格子或正方格子等。再有，異折射率區(qū)域，雖然也可以是折射率比主體還低的區(qū)域或還高的區(qū)域的任何一個(gè)，但是在可以使與主體的折射率之差變大并且制造容易的方面，希望通過在主體上周期地開設(shè)空位而形成。
在該主體上設(shè)置由將異折射率區(qū)域的缺陷設(shè)置為線狀的波導(dǎo)構(gòu)成的第1光導(dǎo)入導(dǎo)出部。該波導(dǎo)，典型地通過使異折射率區(qū)域缺損為線狀、即不設(shè)置異折射率區(qū)域而形成。該波導(dǎo)，在作為分波器使用時(shí)成為用于將重疊了多個(gè)波長的光導(dǎo)入分波器的光導(dǎo)入部；在作為合波器使用時(shí)則成為用于將重疊了多個(gè)波長的光取出到外部的光導(dǎo)出部。
再有，在該主體上設(shè)置第2光導(dǎo)入導(dǎo)出部。第2光導(dǎo)入導(dǎo)出部，在作為分波器使用時(shí)則成為用于將規(guī)定的波長的光取出到晶體外部的光導(dǎo)出部；在作為合波器使用時(shí)則成為用于將規(guī)定的波長的光導(dǎo)入合波器的光導(dǎo)入部。該第2光導(dǎo)入導(dǎo)出部可看作為波導(dǎo)、或點(diǎn)狀缺陷。在將第2光導(dǎo)入導(dǎo)出部看作為點(diǎn)狀缺陷時(shí)，通過將異折射率區(qū)域的缺陷設(shè)置為點(diǎn)狀而形成。對于該點(diǎn)狀缺陷，可以利用將異折射率區(qū)域形成為和其他異折射率區(qū)域或不同大小或使其缺損等。再有，設(shè)置缺陷的異折射率區(qū)域可形成為一個(gè)或鄰接的多個(gè)。在設(shè)置鄰接的多個(gè)缺陷時(shí)，該多個(gè)缺陷相輔相成，可認(rèn)為是一個(gè)點(diǎn)狀缺陷。如上所述，為了將光取出到晶體外部或?qū)氲胶喜ㄆ?，希望該點(diǎn)狀缺陷和晶體外部之間的Q值比后述的點(diǎn)狀缺陷諧振器還小。在此，Q值是表示諧振器的性能的值，根據(jù)定義，其和單位時(shí)間內(nèi)從諧振器向外部漏出的能量的比率成反比。由此，Q值越大，從諧振器向外部的光的能量的漏出越小。另一方面，在將第2光導(dǎo)入導(dǎo)出部看作為波導(dǎo)時(shí)，該波導(dǎo)通過和第1光導(dǎo)入導(dǎo)出部的波導(dǎo)相同的方法來形成。也可以在該第2光導(dǎo)入導(dǎo)出部的波導(dǎo)的附近進(jìn)一步設(shè)置點(diǎn)狀缺陷，從該波導(dǎo)通過點(diǎn)狀缺陷將光取出到晶體外部或?qū)氲胶喜ㄆ鳌?br> 在第1光導(dǎo)入導(dǎo)出部和第2光導(dǎo)入導(dǎo)出部之間，將諧振波長幾乎相同的點(diǎn)狀缺陷諧振器以2個(gè)以上串聯(lián)的方式進(jìn)行配置。在這樣的配置中，包括在和第1光導(dǎo)入導(dǎo)出部的波導(dǎo)相垂直的方向上進(jìn)行的配置、在相對于波導(dǎo)傾斜的方向上進(jìn)行的配置、以之字形(zigzag)方式進(jìn)行的配置。再有，點(diǎn)狀缺陷諧振器，可以通過和上述光導(dǎo)入導(dǎo)出部的點(diǎn)狀缺陷相同的方法來形成。
因?yàn)樵擖c(diǎn)狀缺陷諧振器并非直接進(jìn)行和外部的光的導(dǎo)出導(dǎo)入，所以希望使從諧振器到晶體外部的光的漏出減少。通過使異折射率區(qū)域缺損、即不設(shè)置異折射率區(qū)域而形成的施主(donor)型缺陷，因?yàn)楹蛯愓凵渎蕝^(qū)域的大小變大的受主(acceptor)型缺陷等相比、其點(diǎn)狀缺陷諧振器和晶體外部之間的Q值(QV)要大，所以可以適當(dāng)?shù)剡\(yùn)用在點(diǎn)狀缺陷諧振器上。進(jìn)一步，通過使點(diǎn)狀缺陷諧振器附近的異折射率區(qū)域從根據(jù)排列周期而決定的位置開始變位，從而可以使QV變大。例如，在使鄰接的3個(gè)異折射率區(qū)域缺損為直線狀的點(diǎn)狀缺陷中，相對于沒有異折射率區(qū)域的變位時(shí)Qv～5200，通過在點(diǎn)狀缺陷上使最近接的2個(gè)異折射率區(qū)域變位而能形成Qv～45000。
在第1光導(dǎo)入導(dǎo)出部和與該光導(dǎo)入導(dǎo)出部最近的點(diǎn)狀缺陷諧振器之間、鄰接的2個(gè)點(diǎn)狀缺陷諧振器之間、及第2光導(dǎo)入導(dǎo)出部和與該光導(dǎo)入導(dǎo)出部最近的點(diǎn)狀缺陷諧振器之間對光進(jìn)行交換，由各構(gòu)成要素或其間的距離等決定的Q值成為光交換的指標(biāo)。
如上那樣構(gòu)成的二維光子晶體光分合波器，如下所述地作為分波器及合波器動作。首先，對作為從多個(gè)波長的重疊光中將規(guī)定波長的光分波的分波器的動作進(jìn)行說明。如果使重疊光在第1光導(dǎo)入導(dǎo)出部的波導(dǎo)中傳播，則重疊光中只有點(diǎn)狀缺陷諧振器的諧振波長的光在和第1光導(dǎo)入導(dǎo)出部最近的點(diǎn)狀缺陷諧振器上被捕獲。該光，依次在鄰接的點(diǎn)狀缺陷諧振器上被捕獲、最終在第2光導(dǎo)入導(dǎo)出部上被捕獲并被取出到晶體外部。在作為合波器時(shí)，點(diǎn)狀缺陷諧振器的諧振波長的光由第2光導(dǎo)入導(dǎo)出部導(dǎo)入，依照和分波器相反的順序在點(diǎn)狀缺陷諧振器上被捕獲。該光，最終被導(dǎo)入到重疊光傳播的第1光導(dǎo)入導(dǎo)出部的波導(dǎo)中，并合波到該重疊光上。
對本發(fā)明的分合波器中所分波合波的光的光譜進(jìn)行考察。在此，如圖2(a)所示，以在2個(gè)光導(dǎo)入導(dǎo)出部之間設(shè)置了2個(gè)點(diǎn)狀缺陷諧振器的情況為例進(jìn)行說明。此外，為了比較，如圖2(b)所示對將在2個(gè)光導(dǎo)入導(dǎo)出部之間僅設(shè)置了1個(gè)點(diǎn)狀缺陷諧振器的現(xiàn)有的分合波器中的分合波光譜一起進(jìn)行考察。
在圖2(a)中，在由波導(dǎo)構(gòu)成的第1光導(dǎo)入導(dǎo)出部11、和由形成為與此相同形狀的波導(dǎo)構(gòu)成的第2光導(dǎo)入導(dǎo)出部12之間，配置著諧振波長均為λ0、諧振頻率均為ω0(＝2πc/λ0、c是光速)的2個(gè)點(diǎn)狀缺陷諧振器13及14。第1光導(dǎo)入導(dǎo)出部和與此相近側(cè)的點(diǎn)狀缺陷諧振器之間的Q值、及第2光導(dǎo)入導(dǎo)出部和與此相近側(cè)的點(diǎn)狀缺陷諧振器之間的Q值皆假定為Qin，而點(diǎn)狀缺陷諧振器和晶體外部之間的Q值假定為Qv。在此，利用由τe＝2Qin/ω0、τ0＝2Qv/ω0所定義的衰減常數(shù)τe、τ0來進(jìn)行分析。再有，假定2個(gè)點(diǎn)狀缺陷諧振器之間的互耦合系數(shù)為μ。該μ，在沒有波導(dǎo)的情況下且將2個(gè)諧振器的振幅假定為aL及aR時(shí)，由daL/dt＝(jω0-1/τ0)aL-jμaR及daR/dt＝(jω0-1/τ0)aR-jμaL而求得。因而，利用這些參數(shù)、通過模式耦合理論計(jì)算的分合波光譜I(ω)為[數(shù)1]I(ω)=1τe2μ2[{(1τ0+1τe)2+μ2}2+2{(1τ0+1τe)2-μ2}(ω-ω0)2+(ω-ω0)4]---(1)]]>另一方面，如(b)所示，如果對在由波導(dǎo)構(gòu)成的第1光導(dǎo)入導(dǎo)出部15、和由與此相同的波導(dǎo)構(gòu)成的第2光導(dǎo)入導(dǎo)出部16之間僅配置1個(gè)點(diǎn)狀諧振器17的現(xiàn)有的分合波器中的分合波光譜用所述相同的方式進(jìn)行計(jì)算，則為[數(shù)2]
I(ω)=1(τeτ0+2)2+τe2(ω-ω0)2---(2)]]>式(2)表示所述洛倫茲形的分合波光譜，在其分母上具有頻率ω2的項(xiàng)。相對于此，在式(1)中其分母內(nèi)除了ω2的項(xiàng)外還具有ω4的項(xiàng)。該分母內(nèi)的ω4的項(xiàng)，比ω2的項(xiàng)在和諧振頻率ω0相近的區(qū)域上有助于將分合波光譜的值增大，并在遠(yuǎn)離ω0的區(qū)域上有助于將分合波光譜的值減小。由此，在本發(fā)明的分合波器中，和現(xiàn)有的分合波器相比分合波光譜的值(i)在和ω0相近區(qū)域中變大、(ii)在遠(yuǎn)離ω0的區(qū)域上變小。
在式(1)中，在μ2＝(1/τ0+1/τe)2時(shí)分母的ω2的項(xiàng)為0，基于所述ω4的項(xiàng)的傾向最為顯著。
對在式(1)中形成為μ2＝(1/τ0+1/τe)2、和式(2)的分合波光譜圖的一例在圖3中進(jìn)行例示。實(shí)線對應(yīng)于式(1)、虛線對應(yīng)于式(2)。橫軸是波長、縱軸由作為分合波光譜I(λ)的分貝(decibel)表示的IdB＝10×log[I(λ)/I(λ0)]來表示。諧振波長λ0為1550nm。另外，(b)是(a)的放大圖。從這樣的分合波光譜的形狀，可清楚根據(jù)本發(fā)明的二維光子晶體光分合波器獲得了以下的效果。首先，(i)通過在和ω0相近的區(qū)域上分合波光譜的值變大，從而即使在波導(dǎo)中的光的波長上產(chǎn)生誤差、或諧振器上產(chǎn)生誤差，傳播波導(dǎo)的光的頻率ω1從諧振器的諧振頻率ω0偏離，也因?yàn)轭l率ω1中的分合波光譜的值變大，所以和現(xiàn)有的分合波器相比，其分合波的效率提高。(i)的情況，如圖3所示，因?yàn)橹C振頻率ω0附近的分合波光譜的形狀變得平坦，所以以下，將分合波光譜的這種平坦形狀稱為“平頂”(flat top)。再有，(ii)通過在遠(yuǎn)離ω0的區(qū)域上分合波光譜的值變小，從而可防止在分合波的光中混入不期望的頻率的光而產(chǎn)生噪音、或和鄰接信道的信號頻率重合而產(chǎn)生串?dāng)_。
在分合波器中，在頻率從諧振頻率偏離了0.005％時(shí)，希望分合波光譜的值為諧振頻率ω0中的值的-1dB(79％)以上。為此，希望作為μ2和[(ω0/2)×(1/Qin+1/Qv)]2之比的μ2/[(ω0/2)×(1/Qin+1/Qv)]2為0.2～10。在本說明書中將該比稱為耦合比。在該比為1、即μ2＝[(ω0/2)×(1/Qin+1/Qv)]2時(shí)，式(1)的分母中的(ω-ω0)2的項(xiàng)為0，并形成最理想的平頂。
在所述模型(model)中，雖然以點(diǎn)狀缺陷諧振器是2個(gè)而第2光導(dǎo)入導(dǎo)出部是波導(dǎo)的情況為例進(jìn)行了說明，但是即使在該個(gè)數(shù)為比2個(gè)還大的N個(gè)的情況時(shí)下，根據(jù)ω2N項(xiàng)的影響，也可獲得和所述模型的情況相同的效果。在第1光導(dǎo)入導(dǎo)出部和第2光導(dǎo)入導(dǎo)出部之間的距離長的情況下，為了連接2個(gè)光導(dǎo)入導(dǎo)出部之間而將點(diǎn)狀缺陷諧振器設(shè)置為3個(gè)以上的方式是有益的。但是，在將點(diǎn)狀缺陷諧振器的個(gè)數(shù)設(shè)為3個(gè)以上時(shí)，因?yàn)閷τ诿恳粋€(gè)點(diǎn)狀缺陷諧振器其和周圍的關(guān)系不同，所以將用于獲得相同的諧振頻率及Q值的設(shè)計(jì)在每一個(gè)點(diǎn)狀諧振器上進(jìn)行。同樣地，即使在第2光導(dǎo)入導(dǎo)出部是點(diǎn)狀缺陷的情況等下，也因?yàn)楦鶕?jù)第2光導(dǎo)入導(dǎo)出部和第1光導(dǎo)入導(dǎo)出部(波導(dǎo))的相異，在每一個(gè)點(diǎn)狀缺陷諧振器上其和周圍的關(guān)系不同，所以和以上同樣地獨(dú)立執(zhí)行各點(diǎn)狀缺陷諧振器的設(shè)計(jì)。另外，在點(diǎn)狀缺陷諧振器的個(gè)數(shù)是2個(gè)、第2光導(dǎo)入導(dǎo)出部是波導(dǎo)的情況下，也可配置為使2個(gè)點(diǎn)狀缺陷諧振器及2個(gè)光導(dǎo)入導(dǎo)出部點(diǎn)對稱。由此，因?yàn)樵?個(gè)點(diǎn)狀缺陷諧振器彼此之間其和周圍的關(guān)系相同，所以如果將點(diǎn)狀缺陷諧振器形成為同種的諧振器，則能獲得相同的諧振頻率及Q值，并使分合波器的設(shè)計(jì)容易。
即使是具有點(diǎn)狀缺陷諧振器的諧振波長的光，也以一定的比率(透過率)從第1光導(dǎo)入導(dǎo)出部以不導(dǎo)入點(diǎn)狀缺陷諧振器的方式通過。再有，該光以一定的比率(反射率)被點(diǎn)狀缺陷諧振器反射。進(jìn)一步，在將第2光導(dǎo)入導(dǎo)出部形成為波導(dǎo)的情況下，在該波導(dǎo)的兩端上傳播光。通過將其抑制，而能使分波及合波效率提高。因此，在第1光導(dǎo)入導(dǎo)出部及/或第2光導(dǎo)入導(dǎo)出部上，希望設(shè)置對具有點(diǎn)狀缺陷諧振器的諧振波長的光進(jìn)行反射的反射部。通過在第1光導(dǎo)入導(dǎo)出部上設(shè)置反射部，從而使在點(diǎn)狀缺陷諧振器上未被導(dǎo)入而通過的光由反射部反射，并導(dǎo)入到點(diǎn)狀缺陷諧振器上。再有，通過對點(diǎn)狀缺陷諧振器和反射部的距離進(jìn)行適當(dāng)?shù)卦O(shè)定，從而可以使被點(diǎn)狀缺陷諧振器反射的光和由反射部反射的光干涉而減弱。進(jìn)一步，通過在第2光導(dǎo)入導(dǎo)出部上設(shè)置反射部，從而只從第2光導(dǎo)入導(dǎo)出部的波導(dǎo)的一方端部進(jìn)行光的取出或?qū)搿?br> 這樣的反射部，例如，能用以下的方式構(gòu)成。將所述主體劃分為多個(gè)區(qū)域(禁帶區(qū)域)，并在各禁帶區(qū)域上以各自不同的周期配置異折射率區(qū)域，以通過該多個(gè)禁帶區(qū)域的方式配置第1光導(dǎo)入導(dǎo)出部和第2光導(dǎo)入導(dǎo)出部。因?yàn)椴▽?dǎo)的透過波段根據(jù)異折射率區(qū)域的周期而不同，所以通過適當(dāng)?shù)卦O(shè)定各禁帶區(qū)域的周期，從而在點(diǎn)狀缺陷諧振器所屬的禁帶區(qū)域上，使該點(diǎn)狀缺陷諧振器的諧振波長被包括在第1光導(dǎo)入導(dǎo)出部或第2光導(dǎo)入導(dǎo)出部的波導(dǎo)透過波段中，而在其他的禁帶區(qū)域上不被包括在該波導(dǎo)透過波段中。因此，該諧振波長的光不能傳播該其他禁帶區(qū)域的波導(dǎo)，而在該禁帶區(qū)域和鄰接的禁帶區(qū)域的邊界上被反射。這樣，該境界成為反射部。將如此多個(gè)由禁帶區(qū)域構(gòu)成的結(jié)構(gòu)、在本說明書中稱為“異質(zhì)結(jié)構(gòu)”(heterostructure)。
如圖4那樣，在第1光導(dǎo)入導(dǎo)出部11上設(shè)置第1反射部18、在第2光導(dǎo)入導(dǎo)出部12上設(shè)置第2反射部19的情況下，分合波光譜I(ω)為[數(shù)3]I(ω)=4τe2μ2[{(1τ0+1τe)2+μ2}2+2{(1τ0+1τe)2-μ2}(ω-ω0)2+(ω-ω0)4]---(3)]]>并成為沒有反射部時(shí)的分合波光譜的4倍。特別是，在μ2＝(1/τ0+1/τe)2、且Qin＜＜Qv時(shí)，ω＝ω0中的分合波光譜的值為1、即分合波的效率為100％。


圖1是用于說明現(xiàn)有的二維光子晶體分合波器的分合波光譜的問題點(diǎn)的圖。
圖2是本發(fā)明的二維光子晶體分合波器(a)、和作為比較例的僅設(shè)置了1個(gè)點(diǎn)狀缺陷諧振器的二維光子晶體分合波器(b)的示意圖。
圖3是表示本發(fā)明的二維光子晶體分合波器的分合波光譜的一例的曲線。
圖4是具有異質(zhì)結(jié)構(gòu)(heterostrcture)的二維光子晶體分合波器的示意圖。
圖5是本發(fā)明的二維光子晶體分合波器的一實(shí)施例的立體圖(a)及平面圖(b)。
圖6是用于對本實(shí)施例的二維光子晶體分合波器具有點(diǎn)狀缺陷進(jìn)行說明的平面圖。
圖7是比較例的二維光子晶體分合波器的示意圖。
圖8是表示通過模式耦合理論計(jì)算本實(shí)施例和比較例的二維光子晶體分合波器中的分合波光譜的結(jié)果的曲線。
圖9是表示通過FDTD法計(jì)算本實(shí)施例的二維光子晶體分合波器中的分合波光譜的結(jié)果的曲線。
圖10是其他實(shí)施例的二維光子晶體分合波器的平面圖。
圖11是表示本發(fā)明的二維光子晶體分合波器的其他實(shí)施例的示意圖。
圖12是具有異質(zhì)結(jié)構(gòu)的二維光子晶體分合波器的一實(shí)施例的平面圖。
圖13是表示具有異質(zhì)結(jié)構(gòu)的二維光子晶體分合波器中的波導(dǎo)透過波段的圖。
圖中11、15-第1光導(dǎo)入導(dǎo)出部，12、16-第2光導(dǎo)入導(dǎo)出部，13、14、17-點(diǎn)狀缺陷諧振器，21-主體，22-空位，23、65-輸入波導(dǎo)，24、66-輸出波導(dǎo)，25、26、31、32、51、67、68-點(diǎn)狀缺陷。
具體實(shí)施例方式
在圖5中表示本發(fā)明的二維光子晶體分合波器的一實(shí)施例的立體圖(a)及平面圖(b)。主體21具有平板狀的形狀。在主體21上通過將空位22開設(shè)為周期a的三角格子狀來設(shè)置異折射率區(qū)域。在主體上，通過使空位22僅一列缺損為線狀、即不設(shè)置空位22，而設(shè)置輸入波導(dǎo)23及輸出波導(dǎo)24。在輸入波導(dǎo)23和輸出波導(dǎo)24之間，設(shè)置相同形狀的2個(gè)點(diǎn)狀缺陷25及26。對該點(diǎn)狀缺陷25及26以后進(jìn)行詳細(xì)說明。輸入波導(dǎo)23和點(diǎn)狀缺陷25的距離、及點(diǎn)狀缺陷26和輸出波導(dǎo)24的距離任何一個(gè)是空位22分離5列份的距離、即(5/2)×30.5a。此外，點(diǎn)狀缺陷25及點(diǎn)狀缺陷26的距離是4×30.5a。另外，在以下的計(jì)算中，將a的值取為420nm、空位22的口徑取為240nm。在該二維光子晶體分合波器中，配置為使2個(gè)點(diǎn)狀缺陷及2條波導(dǎo)都為點(diǎn)對稱。
點(diǎn)狀缺陷25及26，如圖6所示，任何一個(gè)都是通過使3個(gè)空位22缺損為直線狀而形成。在這樣的點(diǎn)狀缺陷中，因?yàn)樵谠撐恢萌看嬖谥黧w21的材料，所以因主體21和外部的空氣的折射率差，光容易被限制(confine)。因此，在這樣的點(diǎn)狀缺陷中，光漏出到主體21面的外部的狀況被抑制，可以獲得高的Q值。進(jìn)一步，將和這些點(diǎn)狀缺陷最近的空位221及222，配置在和配置為三角格子點(diǎn)的情況(a)相比向點(diǎn)狀缺陷的外側(cè)僅移動(shift)了0.15a的位置(b)上。根據(jù)本發(fā)明者們的計(jì)算，通過這樣使空位221及222如此移位，從而可以使作為點(diǎn)狀缺陷和晶體外部之間的Q值的Qv，比未移位時(shí)(Qv～5200)更大，可以為Qv～46600。
本實(shí)施例的二維光子晶體分合波器中的Q值等參數(shù)，除了所述Qv～46600以外，從利用時(shí)域差分法(Finite Difference Time Domain method；FDTD法)的計(jì)算可以獲得以下的值。作為輸入波導(dǎo)23和點(diǎn)狀缺陷25之間、及點(diǎn)狀缺陷26和輸出波導(dǎo)24之間的Q值的Qin是Qin～3590。再有，點(diǎn)狀缺陷25和點(diǎn)狀缺陷26之間的互耦合系數(shù)μ是～-1.42×10-4ω0。由此，所述耦合比的值為0.90，其包括在所述期望范圍(0.2～10)內(nèi)。再有，點(diǎn)狀缺陷25及26的諧振波長λ0是1581.6nm。
利用這些參數(shù)，首先通過模式耦合理論對本實(shí)施例的二維光子晶體分合波器的分合波光譜進(jìn)行求取。為了進(jìn)行比較，如圖7所示，對從本實(shí)施例的構(gòu)成中將一方的點(diǎn)狀缺陷去除而只設(shè)置1個(gè)點(diǎn)狀缺陷31的二維光子晶體分合波器((a)、比較例1)、和設(shè)置了與輸入波導(dǎo)23的距離及與輸出波導(dǎo)24的距離任何一個(gè)都是(5/2)×30.5a的僅1個(gè)點(diǎn)狀缺陷32的二維光子晶體分合波器((b)、比較例2)，進(jìn)行相同的計(jì)算。并將這些計(jì)算結(jié)果在圖8中表示?？v軸由作為分合波光譜I(λ)的分貝(decibel)表示的IdB＝10×log[I(λ)/I(λ0)]來表示。本實(shí)施例的分合波光譜40，(i)在諧振波長λ0附近，本實(shí)施例和比較例相比其分合波光譜變大、顯示平頂(flat top)形狀。例如，在IdB是-1dB(I(λ)～0.79I(λ0))以上的波長范圍，相對于在比較例1的分合波光譜41中是0.25nm、在比較例2的分合波光譜42中是0.45nm，在本實(shí)施例中是0.43nm，并且比比較例1還要大。由此，在本實(shí)施例中由光的振蕩器的誤差等引起諧振波長λ0從本來的值偏離的情況下，和比較例1相比其可以將損失抑制為更小。再有，本實(shí)施例的分合波光譜，(ii)在從諧振波長λ0偏離了約0.4nm以上的波長上，本實(shí)施和比較例相比，其分合波光譜變小、并顯示短的波麓的形狀。在IdB是-20dB(I(λ)～0.011I(λ0))的波長范圍，相對于在比較例1中是4.8nm、在比較例2中是9.2nm，在本實(shí)施例中是2.01nm并比任何一個(gè)比較例都要小。由此，在本實(shí)施例中，和比較例相比，可以抑制從諧振波長λ0偏離的波長域的信號為原因而產(chǎn)生噪音的情況、或其他信道的信號混信(串?dāng)_)的情況。
以上所述的根據(jù)模式耦合理論的計(jì)算方法，雖然具有使分合波光譜以函數(shù)式獲得之類的優(yōu)點(diǎn)，但是也容易受到Q值或互耦合系數(shù)μ的誤差的影響。因而，并不求取Q值或μ而執(zhí)行將分合波光譜在數(shù)值上獲得的FDTD法的計(jì)算。并將該結(jié)果在圖9上以黑圓標(biāo)記表示。雖然和由模式耦合理論的計(jì)算結(jié)果相比，其分合波光譜的線寬變狹，但和由模式耦合理論的計(jì)算結(jié)果相同，可以獲得具有諧振波長λ0附近的平頂(flat top)形狀、和在偏離了諧振波長λ0的波長上的短波麓形狀的分合波光譜。
再有，如果對如圖10所示那樣將點(diǎn)狀缺陷26比點(diǎn)狀缺陷25在波導(dǎo)垂直方向上偏移(7/2)×30.5a、而在波導(dǎo)長度方向上僅偏移1.5a而進(jìn)行配置的情況下通過FDTD法對其分合波光譜進(jìn)行求取，則為圖9的三角標(biāo)記那樣。根據(jù)圖9的2組數(shù)據(jù)，在重視對應(yīng)于諧振波長λ0的偏離的情況時(shí)，也可采用諧振波長附近值更大的圖10的構(gòu)成；而在重視抑制噪音或串?dāng)_的情況時(shí)，也可采用圖5的構(gòu)成。
在上述實(shí)施例中，雖然以輸出波導(dǎo)24構(gòu)成分波器中的光的輸出部，但也可以用點(diǎn)狀缺陷構(gòu)成該輸出部。這樣的點(diǎn)狀缺陷，在合波器中為輸入部。例如，如圖11所示，作為分波器的輸出部(合波器的輸入部)，設(shè)置和點(diǎn)狀缺陷25及26相同地使3個(gè)空位缺損為直線狀的點(diǎn)狀缺陷51。通過將距點(diǎn)狀缺陷51最近的空位的位置設(shè)定在和點(diǎn)狀缺陷25及26的情況相比接近三角格子的格子點(diǎn)的位置上，從而可以將點(diǎn)狀缺陷51的Q值設(shè)定為和點(diǎn)狀缺陷25及26相比還要小的值。從輸入波導(dǎo)23分波后的光，經(jīng)過點(diǎn)狀缺陷25及26，并從Q值小的點(diǎn)狀缺陷51的主體表面射出到晶體外部。
再有，本發(fā)明的二維光子晶體分合波器，可以采用使空位的口徑變化了等其他的點(diǎn)狀缺陷的形態(tài)、或以正方格子等其他的周期配置來配置空位的形態(tài)等。
接著，對在第1光導(dǎo)入導(dǎo)出部及第2光導(dǎo)入導(dǎo)出部上設(shè)置了反射部的構(gòu)成中、具有異質(zhì)結(jié)構(gòu)(heterostructure)的二維光子晶體分合波器的一實(shí)施例在圖12上進(jìn)行圖示。主體61由2個(gè)禁帶區(qū)域63及64構(gòu)成。輸入波導(dǎo)65及輸出波導(dǎo)66任一個(gè)都是同一形狀，并通過2個(gè)禁帶區(qū)域63及64。空位62的周期，在禁帶區(qū)域63上是a1，在禁帶區(qū)域64上是a2；并具有a1＞a2的關(guān)系。在輸入波導(dǎo)65及輸出波導(dǎo)66之間配置著相同形狀的2個(gè)點(diǎn)狀缺陷67及68。
在該構(gòu)成中，2個(gè)禁帶區(qū)域中的波導(dǎo)透過波段為圖13那樣。在此，因?yàn)檩斎氩▽?dǎo)65和輸出波導(dǎo)66是相同形狀，所以波導(dǎo)通過波段也是相同的。通過使禁帶區(qū)域63和禁帶區(qū)域64的周期不同，從而存在雖然包含在禁帶區(qū)域63的波導(dǎo)透過波段73內(nèi)，但不被包含在禁帶區(qū)域64的波導(dǎo)透過波段74內(nèi)的波段75。通過適當(dāng)?shù)卦O(shè)定所述2個(gè)周期，使點(diǎn)狀缺陷67、68的諧振波長包含在該波段75內(nèi)，從而可以將傳播輸入波導(dǎo)65的該諧振波長的光在禁帶區(qū)域63和禁帶區(qū)域64的境界上被反射。因?yàn)閺妮斎氩▽?dǎo)65未被導(dǎo)入到點(diǎn)狀缺陷67及68而通過的所述諧振波長的光通過該反射而被導(dǎo)入到點(diǎn)狀缺陷67及68上，所以提高其分波效率。同樣地，因?yàn)樵谒植ǖ墓鈴狞c(diǎn)狀缺陷67及68被導(dǎo)入到輸出波導(dǎo)66時(shí)，在禁帶區(qū)域63和禁帶區(qū)域64的境界上被反射而僅從輸出波導(dǎo)66的一方取出，所以這一點(diǎn)也有助于分波效率的提高。
權(quán)利要求
1.一種二維光子晶體分合波器，其中具備a)平板狀的主體；b)在所述主體內(nèi)以規(guī)定周期配置為格子狀的多個(gè)、折射率不同于主體的區(qū)域；c)設(shè)置在所述主體上的、由將所述異折射率區(qū)域的缺陷設(shè)置為線狀的波導(dǎo)構(gòu)成的第1光導(dǎo)入導(dǎo)出部；d)設(shè)置在所述主體上的第2光導(dǎo)入導(dǎo)出部；和e)點(diǎn)狀缺陷諧振器，其在第1光導(dǎo)入導(dǎo)出部和第2光導(dǎo)入導(dǎo)出部之間，將點(diǎn)狀缺陷以2個(gè)以上串聯(lián)的方式進(jìn)行配置，該點(diǎn)狀缺陷是將所述異折射率區(qū)域的缺陷設(shè)置為點(diǎn)狀而構(gòu)成的點(diǎn)狀缺陷，并具有幾乎相同的諧振波長。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二維光子晶體分合波器，其特征在于，第2光導(dǎo)入導(dǎo)出部，是和晶體外部之間的Q值比所述點(diǎn)狀缺陷諧振器的Q值還小的點(diǎn)狀缺陷。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的二維光子晶體分合波器，其特征在于，所述點(diǎn)狀缺陷諧振器之中至少一個(gè)是通過使所述異折射率區(qū)域缺損而形成的施主型缺陷。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二維光子晶體分合波器，其特征在于，第2光導(dǎo)入導(dǎo)出部是將所述異折射率區(qū)域的缺陷設(shè)置為線狀的波導(dǎo)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的二維光子晶體分合波器，其特征在于，在第2光導(dǎo)入導(dǎo)出部上設(shè)置了將所述諧振波長的光反射的第2反射部。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的二維光子晶體分合波器，其特征在于，在第1光導(dǎo)入導(dǎo)出部上設(shè)置了將所述諧振波長的光反射的第1反射部。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的二維光子晶體分合波器，其特征在于，所述本體由所述異折射率區(qū)域周期不同的多個(gè)禁帶區(qū)域構(gòu)成，第1光導(dǎo)入導(dǎo)出部或第2光導(dǎo)入導(dǎo)出部通過該多個(gè)禁帶區(qū)域；所述諧振波長在所述點(diǎn)狀缺陷諧振器所屬的禁帶區(qū)域上被包括在第1光導(dǎo)入導(dǎo)出部或第2光導(dǎo)入導(dǎo)出部的波導(dǎo)透過波段內(nèi)，而在其他禁帶區(qū)域上不被包括在該波導(dǎo)透過波段內(nèi)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的二維光子晶體分合波器，其特征在于，點(diǎn)狀缺陷諧振器的個(gè)數(shù)是2個(gè)，而且該2個(gè)點(diǎn)狀缺陷諧振器及所述2個(gè)光導(dǎo)入導(dǎo)出部被配置為點(diǎn)對稱。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的二維光子晶體分合波器，其特征在于，使所述點(diǎn)狀缺陷諧振器附近的異折射率區(qū)域從所述配置周期所決定的位置開始變位。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的二維光子晶體分合波器，其特征在于，將用[(ω0/2)×(1/Qin+1/Qv)]2和2個(gè)點(diǎn)狀缺陷諧振器之間的互耦合系數(shù)μ的平方之比定義的耦合比μ2/[(ω0/2)×(1/Qin+1/Qv)]2設(shè)為0.2～10，其中[(ω0/2)×(1/Qin+1/Qv)]2是由點(diǎn)狀缺陷諧振器的諧振頻率ω0、作為點(diǎn)狀缺陷諧振器和第1及第2光導(dǎo)入導(dǎo)出部之間的Q值的Qin、以及作為點(diǎn)狀缺陷諧振器和晶體外部之間的Q值的Qv而決定的值。
全文摘要
本發(fā)明的二維光子晶體分合波器，其在周期地配置空位(22)而形成的二維光子晶體上設(shè)置輸入波導(dǎo)(23)和輸出波導(dǎo)(24)，并通過在兩波導(dǎo)之間設(shè)置使空位(22)缺損的二個(gè)點(diǎn)狀缺陷(25)、(26)，從而防止由二維光子晶體平板合分波器中的波長的誤差引起的效率的降低或與其他波長的串?dāng)_。
文檔編號G02B6/12GK1846156SQ200480024909
公開日2006年10月11日 申請日期2004年8月24日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月29日
發(fā)明者野田進(jìn), 淺野卓, 赤羽良啟 申請人:獨(dú)立行政法人科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu), 住友電氣工業(yè)株式會社