JP2005274927A - Photonic crystal device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光通信に用いられるフォトニック結晶デバイス、特に、光合分波器、波長可変フィルタ及び光スイッチ等に関するものである。 The present invention relates to a photonic crystal device used for optical communication, and more particularly to an optical multiplexer / demultiplexer, a wavelength tunable filter, an optical switch, and the like.
インターネット・トラフィックの爆発的増大に伴い、光通信における伝送容量の大容量化が要求されている。この要求に応えるため、波長多重通信(WDM、wavelength division multiplex)が採用され、1テラビット/秒を超える超大容量化が商用レベルで可能になりつつある。高速・大容量のWDMシステムを構成する光集積回路には、WDM光から所定波長の光を取り出したり、逆にWDM光に所定波長の光を加えたりする光合分波器・波長可変フィルタや、高速にパケット処理を行うための光スイッチが必要とされている。これらのデバイスにおいては、広波長帯域化・低損失化といった高性能化や、小型化・低コスト化などが重要となる。 With the explosive increase in Internet traffic, there is a demand for an increase in transmission capacity in optical communications. In order to meet this demand, wavelength division multiplexing (WDM) is adopted, and ultra-high capacity exceeding 1 terabit / second is becoming possible at a commercial level. In the optical integrated circuit that constitutes a high-speed, large-capacity WDM system, an optical multiplexer / demultiplexer / tunable filter that extracts light of a predetermined wavelength from WDM light, or conversely adds light of a predetermined wavelength to WDM light, There is a need for an optical switch for performing packet processing at high speed. In these devices, high performance such as wide wavelength band and low loss, miniaturization and low cost are important.
近年、このような光集積回路を実現するためのキーとなる技術として、フォトニック結晶が注目を集めており、多くの研究機関により理論・実験の両面から精力的な研究が行われている。このフォトニック結晶とは、光の波長オーダの周期で屈折率が変調された構造を有するもので、周期場中のマクスウェル方程式の解に従って、結晶中に光に対するフォトニックバンドギャップ(PBG)が形成されるため、PBGに相当する周波数の光は、結晶中のいかなる方向にも伝搬することができない。このようなフォトニック結晶に適切な設計によって結晶欠陥を導入すると、PBGに相当する周波数の光は、この欠陥以外の場所には存在できないため、欠陥に光が局在することになる。このような性質を利用して、点欠陥による光の捕捉や線欠陥による光導波路などの実現が可能になる。 In recent years, photonic crystals have attracted attention as a key technology for realizing such an optical integrated circuit, and many research institutions have been actively researching both theoretical and experimental aspects. This photonic crystal has a structure in which the refractive index is modulated with a period of light wavelength order, and a photonic band gap (PBG) for light is formed in the crystal according to the solution of the Maxwell equation in the periodic field. Therefore, light having a frequency corresponding to PBG cannot propagate in any direction in the crystal. When a crystal defect is introduced into such a photonic crystal by an appropriate design, light having a frequency corresponding to PBG cannot exist in a place other than the defect, and thus the light is localized in the defect. By utilizing such a property, it becomes possible to realize light capture by point defects and optical waveguides by line defects.
厳密な意味でのPBGは、三次元フォトニック結晶によってのみ実現されるが、三次元フォトニック結晶の製造プロセスは極めて複雑かつ困難である。一方、ある一方向については周期構造を持たない二次元フォトニック結晶においても、ある程度のPBGによる効果が現れることが知られている。一般的に、二次元フォトニック結晶においては、二次元面に垂直な方向への光閉じこめには屈折率差による全反射閉じ込めが用いられる。フォトニック結晶を屈折率の高い導波路コア層に作製し、このフォトニック結晶を屈折率の低いクラッド層で挟んだ構造は、二次元フォトニック結晶スラブ構造などと呼ばれ、たとえばシリコン・オン・インシュレータ(Silicon on Insulator;SOI)基板上に作製されたものや、クラッド層を空気としたもの(エアブリッジ構造)などがある。 Strictly speaking, PBG is realized only by a three-dimensional photonic crystal, but the manufacturing process of the three-dimensional photonic crystal is extremely complicated and difficult. On the other hand, it is known that a certain degree of PBG effect appears even in a two-dimensional photonic crystal having no periodic structure in one direction. In general, in a two-dimensional photonic crystal, total reflection confinement due to a refractive index difference is used to confine light in a direction perpendicular to a two-dimensional plane. A structure in which a photonic crystal is formed in a waveguide core layer having a high refractive index and this photonic crystal is sandwiched between cladding layers having a low refractive index is called a two-dimensional photonic crystal slab structure. There are those manufactured on an insulator (SOI) substrate and those using a cladding layer as air (air bridge structure).
フォトニック結晶中の線欠陥型光導波路では、従来の光導波路では困難であった、光を低損失で急角度(たとえば垂直など)に曲げることも可能になる。このような特性を利用し、フォトニック結晶を光合分波器に応用したものが非特許文献1に示されている。この光合分波器は、図7に示すように、フォトニック結晶44中に設けた線欠陥導波路45の近傍に点欠陥46を導入し、線欠陥導波路45中を伝搬してきた波長λ1、λ2・・・、λi、・・・の波長多重光のうち点欠陥46の持つ共振条件を満たす特定波長λiの光のみを基板に垂直方向に分波する面出力型の光合分波器である。この光合分波器においては、1550nm帯において数10%以上の光の取出し光率が実現されている。
しかしながら、上記の非特許文献1に記載された光合分波器は、面出力型であるため、出力された光の取り回しが困難であること、また、出射されるビームパターンと光ファイバとのマッチングが悪く、合分波する光の導波が容易でないことから、今後の様々な機能を持つ光デバイスを集積した光集積回路の実現には不十分であった。
However, since the optical multiplexer / demultiplexer described in Non-Patent
これに対し、導波面内で光を取り出すことができれば、出射された光を扱いやすく、光合分波器を小型にできるというメリットが生まれる。そこで、本発明では、フォトニック結晶を用いた光合分波器や波長可変フィルタ、光スイッチにおいて、導波面内で光を出力することを可能にし、低損失かつ小型とすることによって、光集積回路の高機能化・低コスト化を実現することを目的とする。 On the other hand, if the light can be extracted in the waveguide plane, the emitted light can be easily handled, and there is an advantage that the optical multiplexer / demultiplexer can be miniaturized. Therefore, in the present invention, in an optical multiplexer / demultiplexer using a photonic crystal, a wavelength tunable filter, and an optical switch, it is possible to output light within the waveguide plane, and the optical integrated circuit is reduced in size and reduced in loss. The purpose is to achieve higher functionality and lower costs.
上記の目的を達成するため、本発明は、二次元的な屈折率の周期構造を波長オーダで有するフォトニック結晶を用いたフォトニック結晶デバイスにおいて、前記フォトニック結晶中に線欠陥型導波路を複数有し、前記線欠陥型導波路の一つはその一端に光入射部を備えた入力導波路として機能し、他の線欠陥型導波路はその一端に光出射部を備えた出力導波路として機能し、前記入力導波路と、前記出力導波路の間に、線欠陥が環状又は多角形状に設けられてなるリング状共振器を備えたことを特徴とするフォトニック結晶デバイスである。 In order to achieve the above object, the present invention provides a photonic crystal device using a photonic crystal having a two-dimensional refractive index periodic structure in a wavelength order, wherein a line defect type waveguide is provided in the photonic crystal. One of the line defect type waveguides functions as an input waveguide having a light incident part at one end thereof, and the other of the line defect type waveguides is an output waveguide having a light output part at one end thereof. And a ring-shaped resonator in which a line defect is provided in an annular shape or a polygonal shape between the input waveguide and the output waveguide.
一般に共振器の共振条件は、共振波長をλ0、共振器長をLとして、
λ0=neff・L/m 式(1)
で表され、リング状の共振器の場合は、リングの長さが共振器長となる。ここで、neffは媒質の実効屈折率、mは任意の整数である。
In general, the resonance conditions of a resonator are as follows: the resonance wavelength is λ 0 , the resonator length is L,
λ 0 = n eff · L / m Equation (1)
In the case of a ring-shaped resonator, the length of the ring is the resonator length. Here, n eff is the effective refractive index of the medium, and m is an arbitrary integer.
光合分波器を上記の構成とすることにより、一つの導波路を伝搬してきた波長多重光のうち、リング状共振器の共振条件を満たす波長の光のみを他の導波路へ伝搬させることができるため、合分波された光を導波面内において取り出すことができる。また、合分波された光が導波路端から出射されるため、従来の面出力型の光合分波器に比べてビームパターンが良好なものとなり、光ファイバとのマッチングにも優れる。 By configuring the optical multiplexer / demultiplexer as described above, it is possible to propagate only light having a wavelength satisfying the resonance condition of the ring resonator to other waveguides among the wavelength multiplexed light that has propagated through one waveguide. Therefore, the multiplexed / demultiplexed light can be extracted in the waveguide surface. In addition, since the multiplexed / demultiplexed light is emitted from the end of the waveguide, the beam pattern is better than that of the conventional surface output type optical multiplexer / demultiplexer, and the matching with the optical fiber is also excellent.
また、一般に、リング型共振器の共振周波数間隔(Free Spectral Range;FSR)は、
FSR=c0/(Neff・L) 式(2)
で表される。フォトニック結晶では、線欠陥を利用して非常に小さなリング状共振器が実現でき、共振器長Lを短くすることができる。よって、フォトニック結晶を利用することで、大きなFSRが得られ、広波長帯域の光合分波器等を構成することができる。
Also, in general, the resonance frequency interval (FSR) of a ring resonator is
FSR = c 0 / (N eff · L) Formula (2)
It is represented by In the photonic crystal, a very small ring resonator can be realized by utilizing a line defect, and the resonator length L can be shortened. Therefore, by using a photonic crystal, a large FSR can be obtained, and a wide wavelength band optical multiplexer / demultiplexer or the like can be configured.
上記のフォトニック結晶デバイスにおいて、前記フォトニック結晶は、SOI基板上に形成され、空気孔ロッドが周期配列をなすことにより形成されているものとすると、SOI基板における空気/Si層/SiO2の屈折率差を利用して導波方向に垂直な方向への光の閉じ込めを行うことができる。 In the above photonic crystal device, when the photonic crystal is formed on an SOI substrate and the air hole rods are formed in a periodic arrangement, air / Si layer / SiO 2 in the SOI substrate Light confinement in a direction perpendicular to the waveguide direction can be performed using the refractive index difference.
また、前記フォトニック結晶は、半導体基板上に形成され、空気孔ロッドが周期配列をなすことにより形成されているものとすると、半導体基板上に積層したバンドギャップの異なる半導体多層膜の屈折率差を利用して、導波方向に垂直な方向への光閉じ込めを行うことができる。 Further, if the photonic crystal is formed on a semiconductor substrate and formed by periodic arrangement of air hole rods, the difference in refractive index between the semiconductor multilayer films having different band gaps stacked on the semiconductor substrate. Can be used to confine light in a direction perpendicular to the waveguide direction.
また、上記のフォトニック結晶デバイスにおいて、前記フォトニック結晶に電圧あるいは電流を印加する電極が設けられたものとすると、前記電極への電圧あるいは電流の印加によって、フォトニック結晶の実効屈折率が変化することにより、前記リング状共振器の共振条件が変化し、光のスイッチングや波長フィルタリングの機能を持たせることができる。屈折率変化を得るためには、電気光学効果、電界吸収効果、量子閉じ込めシュタルク効果(Quantum Confined Stark Effect, QCSE)、プラズマ効果、自由キャリア吸収効果などを利用することができる。屈折率がΔneff変化したときの共振波長変化をΔλとすると
Δλ/λ0=Δneff/neff 式(3)
が成り立つ。
Further, in the above photonic crystal device, assuming that an electrode for applying a voltage or current is provided to the photonic crystal, the effective refractive index of the photonic crystal is changed by the application of the voltage or current to the electrode. As a result, the resonance condition of the ring resonator is changed, and the functions of light switching and wavelength filtering can be provided. In order to obtain a change in refractive index, an electro-optic effect, an electroabsorption effect, a quantum confined stark effect (QCSE), a plasma effect, a free carrier absorption effect, or the like can be used. When the change in the resonant wavelength when the refractive index changes by Δn eff is Δλ, Δλ / λ 0 = Δn eff / n eff (3)
Holds.
以上のフォトニック結晶デバイスを、半導体レーザあるいは半導体フォトダイオードと共に半導体基板上にモノリシックに形成することもでき、これにより光合分波機能を備えた高性能かつ小型の半導体フォトニック結晶集積デバイスを得ることができる。 The above photonic crystal device can be formed monolithically on a semiconductor substrate together with a semiconductor laser or a semiconductor photodiode, thereby obtaining a high-performance and small-sized semiconductor photonic crystal integrated device having an optical multiplexing / demultiplexing function. Can do.
本発明によれば、合分波された光を導波面内において良好なビームパターンで取り出すことができる低損失・広波長帯域かつ小型の光合分波器、波長可変フィルタや光スイッチを実現することができる。また、これらを用いて高性能かつ小型の半導体フォトニック結晶集積デバイスを得ることができ、高速・大容量のWDMシステムを低コストに構成可能となる。 According to the present invention, it is possible to realize a low-loss, wide-wavelength band, small-sized optical multiplexer / demultiplexer, wavelength tunable filter, and optical switch that can extract combined and demultiplexed light with a good beam pattern in the waveguide plane. Can do. In addition, a high-performance and small-sized semiconductor photonic crystal integrated device can be obtained using these, and a high-speed and large-capacity WDM system can be configured at low cost.
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を用いて説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
本発明のフォトニック結晶デバイスの概念図を図1に示す。フォトニック結晶1は、高屈折率媒質MH中に、紙面に垂直方向に伸びたロッド状の低屈折率媒質MLが、光の波長オーダで周期的に配列した二次元周期構造をしている。ここでは、配列の最小単位が正三角形である場合について示しているが、厳密な正三角形でなくてもよいし、また、最小単位が正方形(または略正方形)などでもよい。フォトニック結晶1は、配列から空気孔ロッドが欠落した領域を所定の幅で線状に設けた線欠陥型の導波路3及び4を有している。また、この導波路3、4に挟まれた領域に、配列から空気孔ロッドが欠落した領域が環状に形成されてなる線欠陥型のリング状共振器8が設けられている。このリング状共振器8は、ここでは周囲のロッドの配列に沿うように六角形状に形成されており、この六角形の周の長さが共振器長となる。しかし、リング共振器の形状は六角形に限らず、式(1)を持たす共振器長で形成されてさえいれば、任意の形状でよい。
A conceptual diagram of the photonic crystal device of the present invention is shown in FIG.
一方の導波路3の入射端に波長λ1、λ2、・・・λnの波長多重光を入射させると、式(1)で表される共振条件を満たす波長λ1の光のみが、リング状共振器8を介して他方の導波路4に分波される。この波長λiの光を導波路4に出射端から取り出すことによって、このフォトニック結晶1を導波面内で出力する光合分波器として用いることができる。
When wavelength multiplexed light of wavelengths λ 1 , λ 2 ,... Λ n is incident on the incident end of one
なお、導波路3、4の幅は、波長λ1〜λnの光が伝搬可能な条件を満たすような導波路幅となるように設計する。
Note that the widths of the
導波路3の入力端及び導波路4の出力端においては、光の反射の影響を小さくするために、誘電体等からなる反射膜を設けることが望ましい。また、外部の光ファイバとの結合のために、スポットサイズ変換の手段を設けることが望ましい。
In order to reduce the influence of light reflection at the input end of the
なお、導波路3、4と共振器8との間で光のやり取りが行われるためには、導波路3、4と共振器8がその一部分を共有することなく、間に一列以上のロッドの格子列を持つことが必要である。図1には、この格子列が一列の場合が示されている。なお、格子列が四列以上になると、フォトニック結晶の強い光閉じ込めのために光の損失が大きくなるので、格子列は三列以下であることが望ましい。
In addition, in order for light to be exchanged between the
また、リング状共振器8の上下(空気孔ロッドの延びている方向を上下方向とする)に電極(図示せず)を設けたものとすると、リング状共振器8に電圧又は電流を印加することによって、リング状共振器8に電界が加えられ又は電流や熱が注入され、屈折率を変化させることができる。この屈折率の変化は、式(1)に従ってリング状共振器8の共振器長を変化させることになるので、フォトニック結晶デバイスへの印加電圧又は印加電流に応じて、導波路4から出射する光の波長λを変えることができ、波長可変フィルタとして機能することになる。
Also, assuming that electrodes (not shown) are provided above and below the ring-shaped resonator 8 (the direction in which the air hole rod extends is the vertical direction), a voltage or current is applied to the ring-shaped
導波路の数は上記のように2本に限られるものではなく、3本以上であってもよい。すなわち、フォトニック結晶中において、一本の入力導波路に対し、複数のリング状共振器とそれらに対応した導波路を設けることとしてもよい。このような例を図2に示す。図2において、高屈折率媒質中MH中に低屈折率媒質MLが周期的に配列したフォトニック結晶1に、線欠陥型の導波路3及び導波路4〜6が形成されている。導波路3と4の間、導波路3と5の間及び導波路3と6の間に、それぞれ線欠陥型のリング状共振器8、9及び10が形成されている。これらのリング状共振器8、9及び10は、式(1)に従って、共振波長がλ1、λ2及びλ3となるような共振器長で形成されている。また、図2では導波路3が入力導波路、導波路4〜6が出力導波路として用いられる場合を示しているが、これとは逆に、導波路4〜6を出力導波路、導波路3を入力導波路としてもよい。このフォトニック結晶デバイスは、波長λ1〜λnの波長多重光から波長λ1、λ2及びλ3の光を取り出す、あるいは波長λ1、λ2及びλ3の光を波長λ1〜λnの波長多重光に加える光合分波器として機能する。
The number of waveguides is not limited to two as described above, and may be three or more. That is, a plurality of ring resonators and corresponding waveguides may be provided for one input waveguide in the photonic crystal. Such an example is shown in FIG. 2, the low refractive index medium M L in during M H high refractive index medium within the
本発明の実施例1として、SOI基板を用いて形成される光合分波器について説明する。図3は、実施例1に係る光合分波器を表す斜視図である。SOI基板20は、Si基板21上に、厚さ約3μmのSiO2層22、厚さ約0.2μmのSi層23が積層されたものである。Si層23に、基板面に垂直な空気孔ロッド24が正三角形を最小単位として周期的に配列し、基板に平行な面内における二次元周期構造をなすフォトニック結晶となっている。フォトニック結晶の格子定数(隣接する空気孔の中心から中心までの距離)aは約400nmであり、空気孔ロッド24の直径は約220nmである。空気孔ロッド24は、電子線ビームリソグラフィと誘電体マスクを用いてパターニングを行い、反応性イオンエッチング(RIE)などのドライエッチングにより形成することができる。
As
フォトニック結晶中に、配列から空気孔ロッドが欠落した線欠陥型の導波路25、26及び線欠陥型のリング状共振器27が形成されている。一方の導波路25の一端を入力ポートPinとする。また、他方の導波路26の一端を出力ポートPoutとする。
In the photonic crystal, the line
このフォトニック結晶は、SOI基板20の基板面に対して垂直な方向については、Si(屈折率n=3.46)をコア層とし、SiO2(n=1.45)及び空気(n=1)をクラッドとする高屈折率差光閉じ込め構造となっている。 This photonic crystal has Si (refractive index n = 3.46) as a core layer in the direction perpendicular to the substrate surface of the SOI substrate 20, and SiO 2 (n = 1.45) and air (n = It has a high refractive index difference optical confinement structure with 1) as a cladding.
ここで、導波路25、26の幅は、使用する光の波長帯に応じて適切に設計することが必要である。1500nm〜1600nmの波長帯の光を使用する場合は、導波路25、26の幅は、473nm程度とする。更に、リング共振器27の共振器長Lを、共振波長がたとえば1550nmとなるように、フォトニック結晶の実効屈折率neffを考慮して式(1)に従って設定することにより、導波路25を伝搬している波長多重光から波長1550nmの光のみがリング共振器27を介して導波路26に分波され、出力ポートPoutから取り出される(ドロップ機能)。また、一方の導波路25に波長1550nmの光を入射させ、他方の導波路26を伝搬している波長多重光に加えることも可能である(アッド機能)。
Here, the widths of the
この光合分波器は、式(2)より、FSRが約6.6THzであり、広波長帯域の光合分波器となる。また、リング状共振器の直径を約5μmと小さくできるため、従来の石英系材料や半導体材料で形成した場合に比べて、放射損を大きくすることなく、格段の小型化を図ることができる。 This optical multiplexer / demultiplexer has an FSR of about 6.6 THz from Equation (2), and is an optical multiplexer / demultiplexer in a wide wavelength band. In addition, since the diameter of the ring resonator can be reduced to about 5 μm, it can be remarkably reduced in size without increasing the radiation loss as compared with the case where it is made of a conventional quartz-based material or semiconductor material.
本発明の光合分波器は、他の波長帯の光に対しても、導波路25、26の幅や、リング状共振器27の共振器長を適切に設定することにより、適用可能である。
The optical multiplexer / demultiplexer of the present invention can be applied to light of other wavelength bands by appropriately setting the widths of the
本発明の実施例2として、半導体基板上に形成され、印加電圧によって出力波長が選択される波長可変フィルタとして使用可能なフォトニック結晶デバイスについて説明する。使用する光の波長帯は1500〜1600nmとする。図4は、実施例2に係る波長可変フィルタを表す部分断面斜視図である。波長可変フィルタ30は、低屈折率媒質MLと高屈折率媒質MHからなるフォトニック結晶により構成されている。高屈折率媒質MHは、n−InP基板31上に、n−InP下部クラッド層32、ノンドープGaInAsP光閉じ込め層33、ノンドープGaInAsP多重量子井戸活性層34、ノンドープGaInAsP光閉じ込め層35、ノンドープInP薄層(図示せず)、p−InP上部クラッド層36、p−GaInAsPコンタクト層37が順に積層された構造である。ノンドープGaInAsP多重量子井戸活性層34は、量子井戸数が10で、量子井戸の発光波長が1.45μmであるような組成に設計されている。
As a second embodiment of the present invention, a photonic crystal device that is formed on a semiconductor substrate and can be used as a wavelength tunable filter whose output wavelength is selected by an applied voltage will be described. The wavelength band of the light used shall be 1500-1600 nm. FIG. 4 is a partial cross-sectional perspective view illustrating the wavelength tunable filter according to the second embodiment. Wavelength tunable filter 30 is constituted by a photonic crystal composed of a low refractive index medium M L and the high refractive index medium M H. The high refractive index medium MH is formed on an n-
低屈折率媒質MLは、高屈折率媒質MH中に開けられた直径210nmの空気孔ロッドとして形成されている。この空気孔が高屈折率媒質MH中に周期的に配列し、基板に平行な面内に広がる二次元周期構造をなしている。フォトニック結晶の格子定数(空気孔の配列周期)aは、360nmである。なお、空気孔ロッドは、電子線ビームリソグラフィと誘電体マスクを用いてパターニングを行い、RIEなどのドライエッチングにより形成することができる。このフォトニック結晶中に、幅413nmの線欠陥型の導波路39及び40、線欠陥型のリング状共振器41が形成されている。リング状共振器41の共振器長は、式(1)に従って設計し、22.8μmとする。なお、基板に垂直な方向への光閉じ込めは、上記層構造による屈折率閉じ込め構造を利用している。
The low refractive index medium M L is formed as the diameter 210nm air holes rod drilled in the high refractive index medium M H. These air holes are periodically arranged in the high refractive index medium MH to form a two-dimensional periodic structure extending in a plane parallel to the substrate. The lattice constant (air hole arrangement period) a of the photonic crystal is 360 nm. The air hole rod can be formed by patterning using electron beam lithography and a dielectric mask, and by dry etching such as RIE. Line
一方の導波路39の一端を入力ポートPinとする。また、他方の導波路40の一端を出力ポートPoutとする。Pin及びPoutには、適切な反射率を持つ誘電体反射膜がコーティングされている。
One end of one
上記のフォトニック結晶の上面には上部電極42が、下面には下部電極43が形成されている。可変電源50から上部電極42・下部電極43間に電圧が印加されると、ノンドープGaInAsP多重量子井戸活性層34におけるQCSEにより屈折率変化が生じ、リング状共振器41の共振器長が変化する。このため、電圧値に応じてリング状共振器41により分波される光の波長を変えることができ、波長のフィルタリングを行うことができる。
An
本実施例の構造では、リング状共振器41の屈折率は、電界によって最大で約0.2%変化させることができる。したがって、1500nm帯の入射光に対して、この波長可変フィルタの波長可変幅は約3nmとなる。
。
In the structure of this embodiment, the refractive index of the ring-shaped
.
このフォトニック結晶デバイスのFSRは、式(2)より約3.9THzとなり、波長に換算して約30nmの波長帯域の光に対して有効な広波長帯域のフィルタとして機能する。 The FSR of this photonic crystal device is about 3.9 THz from the equation (2), and functions as a wide wavelength band filter effective for light of a wavelength band of about 30 nm in terms of wavelength.
上の波長可変フィルタ30における可変電源50に代えて、固定電源及びスイッチを使用することにより、フォトニック結晶デバイスを光スイッチや光変調器として使用することができる。このような光スイッチを図5に示す。光スイッチ60は、図4に示した可変電源50に代えて、直列配置された固定電源61とスイッチ62とを設け、このスイッチ62を制御部63がオンオフ制御するようにしている。スイッチ62がオンのときには上部電極42から下部電極43へ電流が流れ、ノンドープGaInAsP多重量子井戸活性層34におけるQCSEにより屈折率変化が生じ、リング状共振器41の共振条件を満たす光の波長がシフトするので、オフ時に導波路39から導波路40へ流れることができた波長の光の通過が遮断される。これによって、所望の波長の光のオンオフを行う光スイッチが実現される。なお、光変調器を実現する場合には、制御部63がオンオフ指示する信号が変調信号に対応していればよい。
By using a fixed power supply and a switch instead of the
入射光の波長を他の波長帯とした場合には、使用する波長帯の光に合わせて多重量子井戸活性層の発光波長を設計すればよい。 When the wavelength of the incident light is set to another wavelength band, the emission wavelength of the multiple quantum well active layer may be designed in accordance with the wavelength band to be used.
次に、実施例3として、本発明のフォトニック結晶デバイスを半導体レーザと共に同一半導体基板上にモノリシックに集積したフォトニック結晶集積デバイスについて説明する。 Next, as Example 3, a photonic crystal integrated device in which the photonic crystal device of the present invention is monolithically integrated on the same semiconductor substrate together with a semiconductor laser will be described.
図6に、このフォトニック結晶デバイスの上面模式図を示す。このフォトニック結晶集積デバイス70は、共通の半導体基板上に、フォトニック結晶領域71、半導体レーザ領域72及びスポットサイズ変換領域73を有している。
FIG. 6 shows a schematic top view of this photonic crystal device. The photonic crystal integrated
フォトニック結晶領域71は、実施例1に示したフォトニック結晶デバイスと同様の構造を用いることができる。あるいは、実施例2において説明した波長可変フィルタ、光スイッチ/光変調器を用いることができる。半導体レーザ領域72には、DFBレーザやDBRレーザなどのへき開による反射鏡形成が不要なタイプの半導体レーザが形成されており、その活性層74は、フォトニック結晶領域71における導波路39と同軸をなすように配置されている。
The photonic crystal region 71 can have the same structure as the photonic crystal device shown in the first embodiment. Alternatively, the wavelength tunable filter and the optical switch / optical modulator described in the second embodiment can be used. In the semiconductor laser region 72, a type of semiconductor laser that does not require the formation of a reflecting mirror by cleavage, such as a DFB laser or a DBR laser, is formed, and its
スポットサイズ変換領域73は、厚さ又は幅が伝搬方向においてなだらかに変化する垂直テーパ状又は水平テーパ状の導波路77を有している。導波路77は、フォトニック結晶領域71における導波路40と同軸をなすように配置されている。フォトニック結晶領域71の導波路40におけるスポットサイズは1μm以下と小さいが、スポットサイズ変換領域73によって通常のシングルモードファイバ等に結合できるスポットサイズに変換されて、出力ポートPoutから出射する。
The spot size conversion region 73 has a vertically tapered or horizontal tapered waveguide 77 whose thickness or width changes gently in the propagation direction. The waveguide 77 is disposed so as to be coaxial with the
このフォトニック結晶集積デバイス70は、図6に示されているように、たとえば波長λ1〜λnの波長多重光の伝送途中に配置され、波長λiの光を加えるものである。波長多重光は、入力ポートPinからフォトニック結晶集積デバイス70に入射し、導波路40、導波路77を経て出力ポートPoutから出射する。一方、半導体レーザ領域72から波長λiのレーザ光が、フォトニック結晶領域71の導波路39に入射する。この波長λiのレーザ光は、導波路39を伝搬中に、リング状共振器41を介して導波路40に分波され、前記波長多重光と共に導波路77を経て出力ポートPoutから出射することになる。
As shown in FIG. 6, the photonic crystal integrated
なお、上記のフォトニック結晶集積デバイスにおける半導体レーザに代えて、半導体フォトダイオードを集積したものとすると、波長多重光から特定の波長の光を取り出して電気信号に変換する機能を備えた受光型の半導体フォトニック結晶集積デバイスとなる。 If a semiconductor photodiode is integrated instead of the semiconductor laser in the photonic crystal integrated device, a light receiving type having a function of extracting light of a specific wavelength from the wavelength multiplexed light and converting it into an electric signal. It becomes a semiconductor photonic crystal integrated device.
本実施例に示したような半導体レーザ集積型、あるいはフォトダイオード集積型のフォトニック結晶集積デバイスを、図2に示したような複数のリング状共振器を有するものとしても良い。 The semiconductor laser integrated type or photodiode integrated type photonic crystal integrated device as shown in this embodiment may have a plurality of ring resonators as shown in FIG.
なお、本実施例において集積される半導体レーザや半導体フォトダイオードを、導波路型の欠陥を有するフォトニック結晶を用いて構成すれば、より一層小型の集積型フォトニック結晶デバイスを得ることができる。 Note that if the semiconductor laser or semiconductor photodiode integrated in this embodiment is configured using a photonic crystal having a waveguide type defect, a much smaller integrated photonic crystal device can be obtained.
1 フォトニック結晶
3〜7 導波路
8〜10 リング状共振器
20 SOI基板
21 Si基板
22 SiO2層
23 Si層
24 空気孔ロッド
25、26 導波路
27 リング状共振器
30 波長可変フィルタ
31 n−InP基板
32 n−InP下部クラッド層
33 ノンドープGaInAsP光閉じ込め層
34 ノンドープGaInAsP多重量子井戸活性層
35 ノンドープGaInAsP光閉じ込め層
36 p−InP上部クラッド層
37 p−GaInAsPコンタクト層
39、40 導波路
41 リング状共振器
42 上部電極
43 下部電極
44 フォトニック結晶
45 線欠陥導波路
46 点欠陥
50 可変電源
60 光スイッチ
61 固定電源
62 スイッチ
63 制御部
70 フォトニック結晶集積デバイス
71 フォトニック結晶領域
72 半導体レーザ領域
73 領域
MH 高屈折率媒質
ML 低屈折率媒質
Pin 入力ポート
Pout 出力ポート
1 photonic crystal 3-7 waveguide 8-10 ring resonator 20
Claims (10)
前記フォトニック結晶中に線欠陥型導波路を複数有し、
前記線欠陥型導波路の一つは、その一端に光入射部を備えた入力導波路として機能し、
他の線欠陥型導波路は、その一端に光出射部を備えた出力導波路として機能し、
前記入力導波路と前記出力導波路の間に、線欠陥が環状又は多角形状に設けられてなるリング状共振器を備えたことを特徴とするフォトニック結晶デバイス。 In a photonic crystal device using a photonic crystal having a two-dimensional refractive index periodic structure in the wavelength order of light,
The photonic crystal has a plurality of line defect type waveguides,
One of the line defect type waveguides functions as an input waveguide having a light incident part at one end thereof,
The other line defect type waveguide functions as an output waveguide having a light emitting part at one end thereof,
A photonic crystal device comprising a ring-shaped resonator in which a line defect is provided in an annular shape or a polygonal shape between the input waveguide and the output waveguide.
前記電極に接続された可変電源と、
を備え、前記光入射部から入射した光のフィルタリングを行うことを特徴とする波長可変フィルタ。 The photonic crystal device according to claim 6,
A variable power source connected to the electrode;
And a wavelength tunable filter that filters light incident from the light incident portion.
前記電極に接続された電源と、
前記電源から前記フォトニック結晶デバイスへの電源供給をスイッチングするスイッチと、
前記スイッチのスイッチング制御を行う手段と、
を備え、前記光入射部から入射した光のオンオフを行うことを特徴とする光スイッチ/光変調器。 The photonic crystal device according to claim 6,
A power source connected to the electrode;
A switch for switching power supply from the power source to the photonic crystal device;
Means for performing switching control of the switch;
An optical switch / optical modulator comprising: turning on and off the light incident from the light incident portion.
A semiconductor photodiode is monolithically formed on a semiconductor substrate together with any one of the photonic crystal device according to claim 6, the wavelength tunable filter according to claim 7, and the optical switch / optical modulator according to claim 8. A semiconductor photonic crystal integrated device.
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