JP2007047604A - Optical resonator - Google Patents
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Abstract
【課題】 本発明は、大きなQ値を実現できる光共振器を提供することを目的とする。
【解決手段】 2次元フォトニック結晶に構成される光共振器において、結晶配位方向の1列の空孔を除去した線欠陥を基本とし、欠陥に面した両側の空孔の中心の間隔を基本幅とした線欠陥導波路を形成し、少なくとも前記線欠陥導波路の長手方向の中央部の線欠陥に面した両側の空孔を結晶格子の格子点から前記線欠陥の中心より離れる方向にシフトさせて配置し、前記両側の空孔の中心の間隔を前記基本幅より大きくして前記線欠陥導波路にモードギャップバリアを導入し、モードギャップバリアにより前記線欠陥の長手方向に沿った方向の光閉じ込めを行う。
【選択図】 図7
PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical resonator capable of realizing a large Q value.
In an optical resonator composed of a two-dimensional photonic crystal, a line defect in which one row of vacancies in the crystal coordination direction is removed is basically used, and the distance between the centers of vacancies on both sides facing the defect is set. A line defect waveguide having a basic width is formed, and at least the holes on both sides facing the line defect in the longitudinal center of the line defect waveguide are separated from the lattice point of the crystal lattice from the center of the line defect. A mode gap barrier is introduced into the line defect waveguide with a gap between the centers of the holes on both sides larger than the basic width, and a direction along the longitudinal direction of the line defect by the mode gap barrier. Do light confinement.
[Selection] Figure 7
Description
本発明は、光共振器に関し、特に、2次元フォトニック結晶に構成される光共振器に関する。 The present invention relates to an optical resonator, and more particularly to an optical resonator configured in a two-dimensional photonic crystal.
光を閉じ込める光共振器における光閉じ込めの程度を表す指標として広く受け入れられているのはQ値(Quality factor)であり、以下の式で表される。 The Q value (Quality factor) is widely accepted as an index representing the degree of light confinement in an optical resonator that confines light, and is expressed by the following equation.
Q=−ωU/du
ここでωは共鳴モードの周波数、Uは光共振器内に蓄えられている光子の総エネルギー、duは単位時間当たりの光子の外部への漏れによる減衰である。即ち、Q値を高くするには光共振器からの光の漏れを小さくするのが基本である。
Q = −ωU / du
Here, ω is the frequency of the resonance mode, U is the total energy of the photons stored in the optical resonator, and du is the attenuation due to leakage of the photons to the outside per unit time. That is, in order to increase the Q value, it is fundamental to reduce light leakage from the optical resonator.
ここで、光共振器としてSi(シリコン)など光波長領域で屈折率の高い薄膜(以下、スラブと呼ぶ)の上下をより屈折率の低い空気やSiO2などの低屈折材料からなるクラッド層で挟み込んだ構造に、低屈折材料からなる垂直ホール(以下、空孔と呼ぶ)を三角格子または四角格子に配置した2次元フォトニック結晶構造(以下、フォトニック結晶スラブと呼ぶ)において、点状または線状に格子をなす空孔を取り除いた、いわゆる点欠陥光共振器および有限長の線欠陥光共振器構造のみを考慮することにする。 Here, an optical resonator is a cladding layer made of a low refractive index material such as air or SiO 2 having a lower refractive index above and below a thin film (hereinafter referred to as slab) having a high refractive index in an optical wavelength region such as Si (silicon). In a two-dimensional photonic crystal structure (hereinafter referred to as a photonic crystal slab) in which vertical holes (hereinafter referred to as vacancies) made of a low refractive material are arranged in a triangular lattice or a square lattice in a sandwiched structure, Only so-called point-defect optical resonators and linear-defect optical resonator structures with a finite length, in which vacancies forming a linear lattice are removed, will be considered.
この種の光共振器のQ値低下の要因として、加工の際に導入される形状の乱れによるものが実際には大きいが、これによるQ値の低下は本発明の適用の有無にかかわらず発生するものなので、以下では形状の乱れを無視し、設計どおりの理想的な形状が得られている場合を考えることにする。 As a factor of the reduction in the Q value of this type of optical resonator, the fact that the disturbance of the shape introduced during processing is actually large, the reduction in the Q value occurs regardless of whether the present invention is applied or not. Therefore, in the following, we will consider the case where the ideal shape as designed is obtained, ignoring the shape disturbance.
理想的なフォトニック結晶スラブにおいてフォトニックバンドギャップ中に形成された孤立した光共振器の共鳴順位にトラップされた光は、スラブに平行な方向(以下、面内方向と呼ぶ)に関してはフォトニックバンドギャップのため原理的に漏れることがない。面内方向以外の方向(面外方向)に関する光の閉じ込めはスラブと上下クラッドの屈折率差による全反射により与えられている。全反射条件はどのような状況でも満たされるものではなく、スネルの法則で決まる臨界角を超えると全反射は起こらなくなり、光の一部が屈折により面外に放射される。 In an ideal photonic crystal slab, the light trapped in the resonance order of the isolated optical resonator formed in the photonic band gap is photonic in the direction parallel to the slab (hereinafter referred to as the in-plane direction). In principle, there is no leakage due to the band gap. Light confinement in directions other than the in-plane direction (out-of-plane direction) is provided by total reflection due to the refractive index difference between the slab and the upper and lower clads. The total reflection condition is not satisfied under any circumstances. When the critical angle determined by Snell's law is exceeded, total reflection does not occur and a part of the light is radiated out of the plane by refraction.
更に、スラブないしクラッドに空孔の格子や回折格子などの周期構造が設けられていると回折による面外放射も発生する。屈折や回折による面外放射が発生し始める臨界点の周波数と波数の関数をライトラインと呼ぶ。 Further, when a periodic structure such as a hole grating or a diffraction grating is provided in the slab or clad, out-of-plane radiation due to diffraction is also generated. The function of the frequency and wave number at the critical point where out-of-plane radiation due to refraction and diffraction begins to occur is called a light line.
図1に典型的なフォトニック結晶スラブにおけるバンド構造とライトラインの関係を示す。同図中、PRGはフォトニックバンドギャップ、破線はライトラインを示す。ライトラインの上側(Γ点側)では面外放射による光の漏れが発生し、下側(M点またはK点側)では漏れが発生しないことになる。光共振器にトラップされた光は不確定性原理により実空間的には局在する反面、波数空間(運動量空間)では全域に広がって存在することになるので実空間における電磁界分布をフーリエ変換し波数空間における分布を求め検討を行う。 FIG. 1 shows a relationship between a band structure and a light line in a typical photonic crystal slab. In the figure, PRG indicates a photonic band gap, and a broken line indicates a light line. Light leakage due to out-of-plane radiation occurs on the upper side of the light line (Γ point side), and no leakage occurs on the lower side (M point or K point side). The light trapped in the optical resonator is localized in the real space due to the uncertainty principle, but spreads over the whole area in the wave number space (momentum space), so the electromagnetic field distribution in the real space is Fourier transformed. The distribution in the wave number space is obtained and examined.
図1はバルクのスラブ構造のバンド構造を示したものであるが、光共振器の場合について具体的に示したのが図2である。図2(B)に示すような点欠陥光共振器の場合、図2(A)に示すように、実空間分布において電磁界は光共振器の中心付近を最大として、そこから急激に減衰しつつ広がるような分布を示す。電磁界が強い領域は光共振器の中心付近の極小さい範囲に限られ、光は強く局在していることになる。 FIG. 1 shows a band structure of a bulk slab structure. FIG. 2 specifically shows the case of an optical resonator. In the case of a point defect optical resonator as shown in FIG. 2 (B), as shown in FIG. 2 (A), in the real space distribution, the electromagnetic field has a maximum near the center of the optical resonator and then attenuates rapidly from there. It shows a distribution that spreads out. The region where the electromagnetic field is strong is limited to a very small range near the center of the optical resonator, and the light is strongly localized.
一方、波数空間における分布は実空間のものとは大きく異なる。波数空間においては図2(C),(D)にグレーで示すライトラインの上側の領域(ライトコーンとも呼ばれる)の存在に注意しなければならない。図2(C),(D)において、原点は図1のΓ点にあたり、原点を中心にライトラインの上側の領域が広がっている。図2(B)に示す単純な点欠陥の場合、図2(C)に示すようにライトラインの上側の領域においても、相当の電磁界成分が存在する。即ち、面外放射による光損失とそれによるQ値の低下が大きいことを意味している。 On the other hand, the distribution in the wave number space is significantly different from that in the real space. In the wave number space, attention must be paid to the existence of a region (also called a light cone) above the light line shown in gray in FIGS. 2 (C) and 2 (D). 2 (C) and 2 (D), the origin is the Γ point in FIG. 1, and the upper area of the light line extends from the origin. In the case of the simple point defect shown in FIG. 2B, a considerable electromagnetic field component exists also in the region above the light line as shown in FIG. In other words, it means that the optical loss due to out-of-plane radiation and the resulting decrease in the Q value are large.
Q値を向上させるためにはライトラインの上側に分布する電磁界強度を低減することが必須である。単一点欠陥光共振器では面内方向の全方向がフォトニックバンドギャップ閉じ込めであり、フォトニック結晶の強い周期性のためライトラインの上側にも大きな電磁界成分が分布してしまうのでQ値は高々数千程度に制限される。点欠陥を複数個直列に並べ多点欠陥とすることにより共鳴モードが線欠陥導波路的に変わり、線欠陥に直交する向きのライトラインの影響がほぼ無視できるようになる。 In order to improve the Q value, it is essential to reduce the intensity of the electromagnetic field distributed above the light line. In a single-point defect optical resonator, all in-plane directions are photonic bandgap confinement, and a large electromagnetic field component is distributed above the light line due to the strong periodicity of the photonic crystal, so the Q value is Limited to a few thousand at most. By arranging a plurality of point defects in series to form a multi-point defect, the resonance mode changes like a line defect waveguide, and the influence of a light line oriented perpendicular to the line defect can be almost ignored.
これにより、Q値は単一点欠陥に比べ高くなるが、線欠陥方向に残るライトラインの影響のためQ値は高々数万程度に制限される。更なる改良として、多点欠陥の両端およびその延長線上の空孔をシフトさせること(非特許文献1参照)や、空孔の大きさを変えつつシフトさせること(非特許文献2参照)等により、電磁界分布をガウス分布に近づけることでライトライン上側の電磁界強度を低減することが試みられ、Q値は理論値で30万程度、実験値で10万程度にまで向上された。しかしながら点欠陥及びそれを数個連結した数点欠陥光共振器では基本的にフォトニック結晶の周期性の影響が強いために、光共振器におけるこれ以上のQ値の向上は困難と考えられている。 As a result, the Q value becomes higher than that of a single point defect, but the Q value is limited to about several tens of thousands due to the influence of the write line remaining in the line defect direction. As a further improvement, by shifting the holes on both ends of the multipoint defect and its extension line (see Non-Patent Document 1), shifting while changing the size of the holes (see Non-Patent Document 2), etc. An attempt was made to reduce the electromagnetic field intensity on the upper side of the light line by making the electromagnetic field distribution close to a Gaussian distribution, and the Q value was improved to about 300,000 in the theoretical value and about 100,000 in the experimental value. However, since point defects and several point-defect optical resonators connected with several of them are basically affected by the periodicity of the photonic crystal, it is considered difficult to further improve the Q value in the optical resonators. Yes.
ライトラインの上側の電磁界強度を更に低減してQ値を更に向上させるためにはフォトニック結晶の周期性の影響の小さい新たな手法により線欠陥方向の光を閉じ込める必要がある。その新たな手法として最初に提案されたのが、導波モードに差異のあるフォトニック結晶導波路を接続する際にその界面(ヘテロ界面)に発生するモードギャップバリアにより光を閉じ込める手法である。図3を用いてその概念を説明する。 In order to further reduce the electromagnetic field intensity on the upper side of the light line and further improve the Q value, it is necessary to confine the light in the direction of the line defect by a new method that is less affected by the periodicity of the photonic crystal. As a new method, a method of confining light by a mode gap barrier generated at the interface (heterointerface) when connecting photonic crystal waveguides having different waveguide modes is first proposed. The concept will be described with reference to FIG.
図3は、フォトニック結晶スラブにおける代表的な一列抜き線欠陥導波路の基本伝播モードを示してある。縦軸は規格化周波数ωであり、ω=a/λ(ただし、a:格子定数)により光波長λと対応する。図中、伝播モードは周波数ωmg以下(モードギャップ領域)には存在しない。モードギャップ領域において光はエバネッセント波としてしか存在が許されない。 FIG. 3 shows a basic propagation mode of a typical single-line defect waveguide in a photonic crystal slab. The vertical axis represents the normalized frequency ω, which corresponds to the light wavelength λ according to ω = a / λ (where a is a lattice constant). In the figure, there is no propagation mode below the frequency ωmg (mode gap region). In the mode gap region, light can only exist as an evanescent wave.
次に、ヘテロ界面に発生するモードギャップバリアについて説明する。線欠陥導波路の幅や結晶の格子定数を変えることによりωmgは変化する。導波路幅や格子定数が異なる2つの線欠陥導波路を接合(ヘテロ接合)させると、接合の両側においてωmg(ωmgl、ωmgr)に差(モードギャップバリア)が生じる。図中、接合の左側(ωmgが低い側)の導波路においてはωmgl<ω≦ωmgrの光が伝播可能である。しかし、そのような光は界面の左側から右側へはエバネッセント波として惨み込むだけで、進入することはできない。 Next, a mode gap barrier generated at the heterointerface will be described. By changing the width of the line defect waveguide and the lattice constant of the crystal, ωmg changes. When two line defect waveguides having different waveguide widths and lattice constants are joined (heterojunction), a difference (mode gap barrier) occurs in ωmg (ωmgl, ωmgr) on both sides of the junction. In the figure, light of ωmgl <ω ≦ ωmgr can propagate in the waveguide on the left side of the junction (the side where ωmg is low). However, such light can only penetrate from the left side of the interface to the right side as an evanescent wave and cannot enter.
なお、バリア境界からモードギャップ(フォトニックバンドギャップ)側ではマクスウェル方程式の解が純虚数となり、光はバリア境界から減衰し僅かな距離を定在波として侵入する。ただし進行はしない。これがエバネッセント波であり、モードギャップバリアが十分薄い場合はトンネル効果で光がモードギャップバリアを透過できる。 Note that the solution of the Maxwell equation becomes a pure imaginary number on the mode gap (photonic band gap) side from the barrier boundary, and light attenuates from the barrier boundary and enters a short distance as a standing wave. However, it does not progress. This is an evanescent wave, and when the mode gap barrier is sufficiently thin, light can pass through the mode gap barrier by the tunnel effect.
次に、線欠陥導波路におけるダブルヘテロ接合について図4を用いて説明する。モードギャップ周波数ωwの導波路の両側を同じモードギャップ周波数ωb(ωw<ωb)の導波路で挟んだ構造において、ωw≦ω<ωbとなる周波数の光は2つのヘテロ接合に挟まれた領域に閉じ込められる。この原理によりダブルヘテロ接合を利用した光共振器を実現することができる。 Next, a double heterojunction in a line defect waveguide will be described with reference to FIG. In a structure in which both sides of a waveguide having a mode gap frequency ωw are sandwiched between waveguides having the same mode gap frequency ωb (ωw <ωb), light having a frequency satisfying ωw ≦ ω <ωb is in a region sandwiched between two heterojunctions. Be trapped. Based on this principle, an optical resonator using a double heterojunction can be realized.
なお、モードギャップバリアによる光閉じ込めは、フォトニックバンドギャップによる光閉じ込めと物理的には等しい。但し、後者ではバリアをフォトニック結晶で導入するため光共振器端における屈折率変化や結晶の周期性の効果を小さくできないのに対し、前者では特にヘテロ接合における導波路幅や格子定数の差を小さくすることでモードギャップバリアやヘテロ接合における屈折率変化を極めて小さくでき、結晶の周期性の影響を小さくできるため、ライトラインの上側の電磁界成分の強度を最良の点欠陥型光共振器より一桁以上低減でき、理論的に百万を超えるQ値を実現できるようになる。また、非特許文献3に示されているように、光共振器部分において共鳴準位がフオトニックバンドギヤップ外に存在する場合でも、モードギャップバリアによるダブルヘテロ接合を形成することで光共振器を実現可能になる。線欠陥導波路にダブルヘテロ接合を実現する手法としては、次の3つが挙げられる。 The light confinement by the mode gap barrier is physically equal to the light confinement by the photonic band gap. However, since the latter introduces a barrier with a photonic crystal, the effect of refractive index change and crystal periodicity at the end of the optical resonator cannot be reduced, whereas the former has a difference in waveguide width and lattice constant particularly in a heterojunction. By making it small, the refractive index change in the mode gap barrier and heterojunction can be made extremely small, and the influence of the periodicity of the crystal can be reduced, so the intensity of the electromagnetic field component above the light line is better than the best point defect type optical resonator It can be reduced by an order of magnitude or more, and a Q value exceeding 1 million can be realized theoretically. Further, as shown in Non-Patent Document 3, even when the resonance level exists outside the photonic bandgap in the optical resonator portion, the optical resonator is formed by forming a double heterojunction by a mode gap barrier. It becomes feasible. There are the following three methods for realizing a double heterojunction in a line defect waveguide.
第1の手法は、導波路幅を変える(非特許文献3,4参照)。 The first method changes the waveguide width (see Non-Patent Documents 3 and 4).
第2の手法は、空孔の直径を変える。 The second technique changes the diameter of the holes.
第3の手法は、格子定数を変える。 The third method changes the lattice constant.
なお、線欠陥の曲げ、分岐、及び終端において発生するモードギャップバリアにより光共振器が構成されることが非特許文献5に報告されているが、これらは線欠陥に意図的に導入されたダブルヘテロ接合とは言い難い。 Although it is reported in Non-Patent Document 5 that an optical resonator is constituted by mode gap barriers generated at the bending, branching, and termination of a line defect, these are double-intentionally introduced into the line defect. It is hard to say that it is a heterojunction.
図5は、第1の手法を用いたモードギャップバリアによる線欠陥ダブルヘテロ接合光共振器の構造を示す(非特許文献3,4参照)。ここでは、線欠陥の幅が0.6Wo(但しWo=a×√3)のZ軸方向に延在する導波路の途中に、最近接の空孔の直径を大きくして線欠陥の幅を0.4WOとした部分を形成している。導波路幅の制御はリソグラフィー技術において再現性良く高精度に実現できるのでデバイス実現上有利な手法である。 FIG. 5 shows the structure of a line defect double heterojunction optical resonator using a mode gap barrier using the first technique (see Non-Patent Documents 3 and 4). Here, in the middle of the waveguide extending in the Z-axis direction with a line defect width of 0.6 Wo (Wo = a × √3), the diameter of the nearest hole is increased to reduce the width of the line defect. A portion with 0.4 W 2 O is formed. The control of the waveguide width can be realized with high reproducibility and high accuracy in the lithography technique, which is an advantageous method for realizing the device.
空孔のサイズを変える第2の手法は、フォトニック結晶の格子配列を変えることなく導波モードの変調を行うことが可能な利点がある。但し、現存するリソグラフィー技術においてはサイズの制御が導波路幅や格子定数の制御に比べ精度面で不利になる問題がある。 The second method for changing the size of the holes has an advantage that the waveguide mode can be modulated without changing the lattice arrangement of the photonic crystal. However, in the existing lithography technology, there is a problem that the size control is disadvantageous in terms of accuracy compared to the control of the waveguide width and the lattice constant.
格子定数を変える第3の手法は第1の手法と同様リソグラフィー技術において制御性、再現性が確保しやすい手法である。格子定数差によるヘテロ接合は当初は波長多重された光の中から単一の波長の光を分波する用途のための高域透過フィルタとして初めて提案された(非特許文献6参照)。後に、ダブルヘテロ接合を用いた光共振器に応用された(非特許文献7参照)。最近、理論値として2000万、実験値として約60万のQ値が報告された(非特許文献8参照)。このQ値は前述のとおり従来型の点欠陥型光共振器では実現不可能な値であり、モードギャップバリアによる光閉じ込めの優位性を明確に示した画期的な報告であるといえる。
非特許文献3、4に記載された導波路幅変化ダブルヘテロ接合光共振器は、導波モードがフォトニックバンドギヤップ外に出るためフオトニックバンドギヤップ閉じ込めが無効となる状況を解決することを目的としたもので、同文献中のQ値の理論値は最高でも数千程度であり、10万を超える高いQ値の実現可能性やそのために必要な技術については検討も言及もされていない。 The waveguide width variable double heterojunction optical resonator described in Non-Patent Documents 3 and 4 aims to solve the situation where the photonic band gap confinement becomes invalid because the waveguide mode goes out of the photonic band gap. Therefore, the theoretical value of the Q value in the document is about several thousand at the maximum, and the feasibility of a high Q value exceeding 100,000 and the technology necessary for this are not examined or mentioned.
また、非特許文献3、4において導波路幅を変化する手法として記載されていたのはモードギャップバリア部分において導波路の線欠陥を挟む両側一列の空孔のサイズを拡大する第2の手法のみであった。さらに、同文献に示されているのは短い有限長のバリア部分を挿入した構造であり、短い有限長のバリアによって高いQ値を得られるかどうかについては記載されていない。 Further, in Non-Patent Documents 3 and 4, only the second method for enlarging the size of a row of holes on both sides sandwiching the line defect of the waveguide in the mode gap barrier portion is described as a method for changing the waveguide width. Met. Further, the document discloses a structure in which a short finite length barrier portion is inserted, and does not describe whether a high Q value can be obtained by a short finite length barrier.
格子定数を変えることによるダブルヘテロ接合光共振器においては、光共振器を形成する線欠陥導波路から横方向へそれぞれ格子定数の異なる領域と、そのヘテロ界面を結晶全体あるいは周辺の広範囲にわたり設置しなければならない。 In double-heterojunction optical resonators by changing the lattice constant, regions with different lattice constants and their heterointerfaces are installed across the entire crystal or a wide area from the line defect waveguide forming the optical resonator in the lateral direction. There must be.
例えば非特許文献6は、それぞれ格子定数が異なる領域がフォトニック結晶横幅全体にわたって存在している。このような構造では同一フォトニック結晶内に並列して他のデバイスや導波路を集積する場合に、その格子定数が制約を受け、また、ヘテロ界面の存在により性能が制約を受けるという問題がある。 For example, in Non-Patent Document 6, regions having different lattice constants exist over the entire lateral width of the photonic crystal. In such a structure, when other devices and waveguides are integrated in parallel in the same photonic crystal, there is a problem that the lattice constant is restricted and the performance is restricted due to the presence of a hetero interface. .
並列配置するフォトニック結晶デバイスを制約せずに格子定数の異なるヘテロ界面を導入するためには、例えば図6に示すように、光共振器を構成する線欠陥と平行にヘテロ界面を導入することにより格子定数の異なる領域を限定する必要がある。 In order to introduce heterointerfaces having different lattice constants without restricting the photonic crystal devices arranged in parallel, for example, as shown in FIG. 6, the heterointerface is introduced in parallel with the line defects constituting the optical resonator. Therefore, it is necessary to limit regions having different lattice constants.
この場合、導波路に平行なヘテロ界面が光共振器に影響を与えないようにするためには導波路と平行なヘテロ界面との間隔を、特に光共振器のQ値が高ければ高いほど大きく離す必要がある。このため、格子定数差によるダブルヘテロ接合による光共振器では格子定数の異なる領域を横方向に対して光共振器のごく近傍のみに限定することは不可能である。 In this case, in order to prevent the heterointerface parallel to the waveguide from affecting the optical resonator, the distance between the waveguide and the heterointerface parallel to the waveguide is increased as the Q value of the optical resonator is increased. Need to be separated. For this reason, in an optical resonator using a double heterojunction due to a difference in lattice constant, it is impossible to limit a region having a different lattice constant to the vicinity of the optical resonator in the lateral direction.
また、平行ヘテロ界面の周辺に広範囲にデバイスを配置できない領域が広がり、集積度を低下させる問題がある。さらに平行ヘテロ界面を横切る光の配線を設けると導波路の性能が制約を受ける問題がある。また特に導波路に沿った縦方向の格子定数を変更する場合、平行ヘテロ界面の導入により格子定数の異なる領域を限定すると、図6に示すような格子の位相ずれによる不整合が発生し、その解決が困難であるという問題があった。 In addition, there is a problem that a region where devices cannot be arranged over a wide area around the parallel heterointerface is widened, and the degree of integration is lowered. Furthermore, if an optical wiring crossing the parallel heterointerface is provided, the performance of the waveguide is restricted. In particular, when changing the lattice constant in the longitudinal direction along the waveguide, if the regions having different lattice constants are limited by introducing parallel heterointerfaces, mismatch due to the phase shift of the lattice as shown in FIG. 6 occurs. There was a problem that it was difficult to solve.
本発明は、上記の点に鑑みなされたものであり、大きなQ値を実現できる光共振器を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above points, and an object thereof is to provide an optical resonator capable of realizing a large Q value.
本発明の光共振器は、2次元フォトニック結晶に構成される光共振器において、
結晶配位方向の1列の空孔を除去した線欠陥を基本とし、欠陥に面した両側の空孔の中心の間隔を基本幅とした線欠陥導波路を形成し、
少なくとも前記線欠陥導波路の長手方向の中央部の線欠陥に面した両側の空孔を結晶格子の格子点から前記線欠陥の中心より離れる方向にシフトさせて配置し、前記両側の空孔の中心の間隔を前記基本幅より大きくして前記線欠陥導波路にモードギャップバリアを導入し、
前記モードギャップバリアにより前記線欠陥の長手方向に沿った方向の光閉じ込めを行うことにより、大きなQ値を実現できる。
The optical resonator of the present invention is an optical resonator configured in a two-dimensional photonic crystal.
Forming a line defect waveguide based on a line defect in which one row of vacancies in the crystal coordination direction is removed, and having a basic width as the distance between the centers of vacancies on both sides facing the defect
At least the vacancies on both sides facing the line defect in the central portion in the longitudinal direction of the line defect waveguide are shifted from the lattice point of the crystal lattice in a direction away from the center of the line defect, Introducing a mode gap barrier into the line defect waveguide with a center spacing larger than the basic width;
A large Q value can be realized by performing light confinement in the direction along the longitudinal direction of the line defect by the mode gap barrier.
前記光共振器において、前記モードギャップバリアを導入するためにシフトする空孔は、前記線欠陥の長手方向について光共振器の中心に近いほどシフト量が大きくなるように配置され、かつ、前記光共振器の中心を通り前記線欠陥と直交する平面に対し面対称になるように配置される。 In the optical resonator, the holes that are shifted to introduce the mode gap barrier are arranged so that the shift amount becomes larger toward the center of the optical resonator in the longitudinal direction of the line defect, and the light It arrange | positions so that it may become plane symmetry with respect to the plane orthogonal to the said line defect passing through the center of a resonator.
また、前記光共振器において、前記線欠陥導波路の基本幅は、格子定数aを用いると、√3×aの0.5倍以上1.2倍以下である。 In the optical resonator, the basic width of the line defect waveguide is 0.5 times or more and 1.2 times or less of √3 × a when the lattice constant a is used.
また、前記光共振器において、前記線欠陥導波路の基本幅部分の線欠陥の長さは、格子定数aの5倍以上である。 In the optical resonator, the length of the line defect in the basic width portion of the line defect waveguide is not less than five times the lattice constant a.
また、前記光共振器において、前記線欠陥導波路にモードギャップバリアを導入するためにシフトする空孔は、前記線欠陥導波路に面した両側の空孔から数えて3列目までである。 In the optical resonator, holes that shift to introduce a mode gap barrier in the line defect waveguide are up to the third row counting from holes on both sides facing the line defect waveguide.
また、前記光共振器において、前記線欠陥導波路にモードギャップバリアを導入するためにシフトする空孔は、前記線欠陥導波路に面した両側の空孔から数えて1列目の空孔のシフト量が2列目の空孔のシフト量以上で、前記2列目の空孔のシフト量が3列目の空孔のシフト量より大きい。 In the optical resonator, the holes that are shifted to introduce a mode gap barrier into the line defect waveguide are the holes in the first row counted from the holes on both sides facing the line defect waveguide. The shift amount is equal to or greater than the shift amount of the holes in the second row, and the shift amount of the holes in the second row is larger than the shift amount of the holes in the third row.
本発明によれば、大きなQ値を実現できる。 According to the present invention, a large Q value can be realized.
以下、図面に基づいて本発明の実施形態について説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
<実施形態>
図7は、本発明の光共振器の一実施形態のフォトニック結晶構造を示す。同図中、基本構造はSi基板1に円柱状の空孔2が格子定数aの正三角格子配列をなして設けられており、Si基板1の上下及び空孔は例えば空気のフォトニック結晶スラブである。
<Embodiment>
FIG. 7 shows a photonic crystal structure of one embodiment of the optical resonator of the present invention. In the figure, the basic structure is that a cylindrical hole 2 is provided in a Si substrate 1 in a regular triangular lattice arrangement with a lattice constant a, and the top and bottom of the Si substrate 1 and the hole are, for example, an air photonic crystal slab. It is.
ここに、結晶配位方向と重なるZ軸方向に延在する基本幅W(基本幅Wは線欠陥を挟む最も内側の穴の中心の間隔)の線欠陥導波路3が設けられている。線欠陥導波路3のZ軸方向の中央部で線欠陥導波路3の両側で対向する例えば4個の第1の空孔Aは矢印で示すように線欠陥導波路3から外側に向けてX軸方向に10数nmシフトされ、空孔Aに隣接する例えば10個の第2の空孔Bは矢印で示すように線欠陥導波路12から外側に向けてX軸方向に数nmシフトされている。上記の空孔A,Bのシフトにより、シフトのない基本幅の線欠陥導波路3をモードギャップバリアとするダブルヘテロ接合光共振器4が形成されている。 Here, a line defect waveguide 3 having a basic width W (the basic width W is the distance between the centers of the innermost holes sandwiching the line defect) extending in the Z-axis direction overlapping the crystal coordination direction is provided. For example, four first holes A facing the both sides of the line defect waveguide 3 at the center in the Z-axis direction of the line defect waveguide 3 are X outward from the line defect waveguide 3 as indicated by arrows. For example, ten second holes B adjacent to the hole A are shifted several nanometers in the X-axis direction from the line defect waveguide 12 toward the outside as indicated by arrows. Yes. Due to the shift of the holes A and B, a double heterojunction optical resonator 4 is formed in which the line defect waveguide 3 having a basic width without shift is used as a mode gap barrier.
本実施形態では、光閉じ込め層としてのSi基板1と、より屈折率の低い上下の光ガイド層としての空気からなり、少なくとも光閉じ込め層を上下に貫通する断面が例えば円形の空孔2が三角格子または四角格子をなして配置されているフォトニック結晶スラブを利用することにより、光閉じ込め層と光ガイド層の界面における全反射を利用して光を光閉じ込め層に閉じ込めると共に、面内方向にはフォトニックバンドギャップを出現させている。 In the present embodiment, the Si substrate 1 as the light confinement layer and the air as the upper and lower light guide layers having a lower refractive index, and at least the hole 2 having a circular cross section penetrating the light confinement layer vertically is triangular, for example. By utilizing a photonic crystal slab arranged in a lattice or square lattice, light is confined in the light confinement layer using total reflection at the interface between the light confinement layer and the light guide layer, and in the in-plane direction. Has emerged a photonic band gap.
図8は、線欠陥導波路3の基本幅Wを変化させた場合に導波モードがどう変化するかを示したものである。Si基板1の上下及び空孔は空気で充たされ、空孔半径が格子定数aの0.5倍、スラブ厚さが格子定数aの0.485倍の場合について計算したものである。これは、Siフォトニック結晶スラブとして典型的な数値であり、格子定数や穴径などが若干変化しても図8から定性的に大きな違いは生じない。 FIG. 8 shows how the waveguide mode changes when the basic width W of the line defect waveguide 3 is changed. The calculation is made for the case where the upper and lower sides and the holes of the Si substrate 1 are filled with air, the hole radius is 0.5 times the lattice constant a, and the slab thickness is 0.485 times the lattice constant a. This is a typical value for the Si photonic crystal slab, and even if the lattice constant, hole diameter, etc. slightly change, no significant qualitative difference occurs from FIG.
このようなスラブ構造に対するマクスウェル方程式の解はTEモード(水平方向の横方向に電界成分のみを持つモードがTEモードである)とTMモードのいずれかであり、光共振器の閉じ込めモードとして利用するのはフォトニックバンドギャップ内のTEモードのevenモード(垂直方向の磁界振幅が導波路中心に対し偶関数になるモード:横偶モード)である。スラブ構造においてはTMモードにはフォトニックバンドギャップが存在せず光が閉じ込められない。またTEモードでもoddモード(垂直方向の磁界振幅が導波路中心に対し奇関数になるモード:横奇モード)は損失が大きく光共振器のQ値が低くなるので利用できない。導波モードは基本幅Wを狭くすると高周波数側(長波長側)にシフトする。 The solution of the Maxwell equation for such a slab structure is either the TE mode (the mode having only the electric field component in the horizontal direction is the TE mode) or the TM mode, and is used as the confinement mode of the optical resonator. Is an even mode of the TE mode within the photonic band gap (mode in which the vertical magnetic field amplitude becomes an even function with respect to the center of the waveguide: transverse mode). In the slab structure, the TM mode has no photonic band gap and does not confine light. Even in the TE mode, the odd mode (mode in which the vertical magnetic field amplitude is an odd function with respect to the center of the waveguide: transverse odd mode) cannot be used because the loss is large and the Q value of the optical resonator is low. The waveguide mode shifts to the high frequency side (long wavelength side) when the basic width W is narrowed.
図8中、ハッチング部分はフォトニックバンドギャップ外を示している。実線は横偶モードの下限を示しており、この実線より上側が有効な導波路領域になる。一方、破線で示すライトラインの上側では面外放射のため光を閉じ込められない。このため、光共振器として利用可能な領域は図中の実線と破線の間の領域ということになる。 In FIG. 8, the hatched portion indicates the outside of the photonic band gap. The solid line indicates the lower limit of the even-even mode, and the upper side of the solid line is an effective waveguide region. On the other hand, light cannot be confined on the upper side of the light line indicated by the broken line because of out-of-plane radiation. For this reason, the region that can be used as an optical resonator is the region between the solid line and the broken line in the figure.
左側の横偶モード(基本幅が√3aの0.8倍以下で有効)では√3aの0.5倍未満になるとライトライン(破線)の制約により光共振器を実現できなくなる。更に、この横偶モードはライトラインの上側でΓ点に向かって減少に転じ、一点鎖線で示す極小値をとる特徴があり、一点鎖線より上側ではバンド内散乱と面外放射によりQ値が低下してしまう。また規格化周波数が0.258以下はフォトニックバンドギャップの外側になるため光閉じ込めが無効になる。このため、左側の横偶モードでは基本幅が√3aの0.75倍を超える領域では共振器を構成できない。 In the left side even mode (effective when the basic width is 0.8 times less than √3a), when less than 0.5 times √3a, the optical resonator cannot be realized due to the restriction of the light line (broken line). Furthermore, this even-even mode is characterized by a decrease toward the Γ point on the upper side of the light line and a minimum value indicated by the alternate long and short dash line, and a lower Q value due to in-band scattering and out-of-plane radiation above the alternate long and short dash line. Resulting in. When the normalized frequency is 0.258 or less, the light confinement becomes invalid because it is outside the photonic band gap. For this reason, in the left side even mode, a resonator cannot be configured in a region where the basic width exceeds 0.75 times √3a.
一方、右側の横偶モードではライトラインの制約により基本幅が√3aの0.7倍よりも大きい場合に有効になる。こちらはライトラインの上側でも折り返さず単調増加するため、一点鎖線の制限はない。しかし、近くに二点差線で示す横奇モードが存在し、二点差線より上側ではバンド間散乱によりQ値が低下する。 On the other hand, the right side even mode is effective when the basic width is larger than 0.7 times √3a due to the restriction of the write line. This is a monotonous increase without wrapping even above the light line, so there is no restriction on the alternate long and short dash line. However, there is a laterally odd mode indicated by a two-point difference line nearby, and the Q value decreases due to interband scattering above the two-point difference line.
従って、図8から、本発明の光共振器で高いQ値が得られる線欠陥導波路3の基本幅Wの範囲は√3aの0.5倍から1.2倍の範囲であることが分かる。 Therefore, it can be seen from FIG. 8 that the range of the basic width W of the line defect waveguide 3 that can obtain a high Q value with the optical resonator of the present invention is 0.5 to 1.2 times √3a. .
このように、直線状の線欠陥導波路3において、欠陥に面した両側の空孔の中心の間隔である基本幅Wを格子定数aの√3倍の0.5倍以上1.2倍以下とし、この線欠陥導波路3上に光共振器4を配置することで、線欠陥導波路3によりフォトニックバンドギャップ内に形成される導波モードを光共振器4の共鳴準位として用いる。また、線欠陥導波路3の基本幅Wを格子定数aの√3倍の0.5倍以上1.2倍以下とすることで、導波モードの帯域をフォトニックバンドギャップ内に設定することを可能にし、また、導波モードが単一モードになる帯域を確保している。共鳴モードがフォトニックバンドギャップ外に存在したり、その位置に別の導波モードが存在したりする場合には、いずれも光の漏れが発生して光共振器のQ値が低下する。 Thus, in the linear line defect waveguide 3, the basic width W, which is the distance between the centers of the vacancies on both sides facing the defect, is not less than 0.5 times 1.2 times the lattice constant a and not more than 1.2 times. By arranging the optical resonator 4 on the line defect waveguide 3, the waveguide mode formed in the photonic band gap by the line defect waveguide 3 is used as the resonance level of the optical resonator 4. Further, by setting the basic width W of the line defect waveguide 3 to 0.5 times or more and 1.2 times or less of √3 times the lattice constant a, the band of the waveguide mode is set within the photonic band gap. In addition, a band in which the guided mode becomes a single mode is secured. When the resonance mode exists outside the photonic band gap, or when another waveguide mode exists at that position, light leakage occurs and the Q value of the optical resonator decreases.
本実施形態では、線欠陥導波路3の周囲の空孔を線欠陥導波路3の中心から離れる方向(矢印方向)にシフトさせることで線欠陥導波路3にモードギャップバリアを導入し、線欠陥導波路3の長手方向に沿った方向の光閉じ込めをこのモードギャップバリアにより行う。 In the present embodiment, a mode gap barrier is introduced into the line defect waveguide 3 by shifting holes around the line defect waveguide 3 in a direction away from the center of the line defect waveguide 3 (in the direction of the arrow). Light confinement in the direction along the longitudinal direction of the waveguide 3 is performed by this mode gap barrier.
本実施形態においては、少なくとも光共振器4の中心において欠陥に面した両側の空孔の中心の間隔が線欠陥導波路の基本幅Wより大きくすることにより、光共振器4付近における線欠陥導波路3の長手方向(Z軸方向)に沿った方向の屈折率の変化を小さくし、かつ、モードギャップバリアを小さくする。これにより、共鳴モードがバリア内に深く侵入し緩やかに減衰するようにすることで、ライトラインの上側領域の電磁界成分を0に近づけて光の漏れを防ぎ、結果的に100万を超える高いQ値を実現することを可能としている。 In the present embodiment, the gap between the centers of the vacancies on both sides facing the defect at least in the center of the optical resonator 4 is made larger than the basic width W of the line defect waveguide, thereby introducing the line defect in the vicinity of the optical resonator 4. The change in the refractive index in the direction along the longitudinal direction (Z-axis direction) of the waveguide 3 is reduced, and the mode gap barrier is reduced. As a result, the resonance mode penetrates deeply into the barrier and gradually attenuates, so that the electromagnetic field component in the upper region of the light line is brought close to 0 to prevent light leakage, resulting in a high value exceeding 1 million. The Q value can be realized.
また、本実施形態は、モードギャップバリアとして作用する線欠陥導波路3の長さLを格子定数の5倍以上とすることにより、バリア部分の外側が導波路など共鳴モードの光が伝播可能な構造である場合で、かつ、バリアが小さい場合においてもトンネリングによる光の漏れを十分に抑制し、高いQ値を実現する。 Further, in the present embodiment, the length L of the line defect waveguide 3 acting as a mode gap barrier is set to be five times or more of the lattice constant, so that light in a resonance mode such as a waveguide can propagate outside the barrier portion. Even in the case of a structure and a small barrier, light leakage due to tunneling is sufficiently suppressed, and a high Q value is realized.
線欠陥導波路3の長手方向の中央部の線欠陥に面した両側の第1の空孔A及びそれに隣接する第2の空孔Bを線欠陥の中心から離れる方向にシフトさせ、第1の空孔Aのシフト量を第2の空孔Bのシフト量より大きくすることにより、光共振器4付近における線欠陥導波路3の長手方向に沿った方向の屈折率の変化を緩やかにし、かつ、モードギャップバリアを小さくすることにより、共鳴モードがバリア領域内に深く侵入し緩やかに減衰するようにすることで、ライトラインの上側の領域の電磁界成分を0に近づけ光の漏れを防ぐことで、結果的に極めて高いQ値を実現することを可能にしている。なお、図7における空孔A,B、そして更に別の空孔群を追加し、それらの間にシフト量の差を設ける場合には、空孔A,B及び別の空孔群を光共振器4の中心を通り線欠陥導波路3と直交する平面に対し面対称になるように配置して光共振器4を対称構造にしない限り、電磁界分布が乱れQ値が低下してしまう。 The first hole A on both sides facing the line defect at the center in the longitudinal direction of the line defect waveguide 3 and the second hole B adjacent thereto are shifted in a direction away from the center of the line defect, By making the shift amount of the air holes A larger than the shift amount of the second air holes B, the change in the refractive index in the direction along the longitudinal direction of the line defect waveguide 3 in the vicinity of the optical resonator 4 is moderated, and By reducing the mode gap barrier, the resonance mode penetrates deeply into the barrier region and gradually attenuates, thereby bringing the electromagnetic field component in the upper region of the light line close to 0 and preventing light leakage. As a result, it is possible to realize an extremely high Q value. When holes A and B in FIG. 7 and another hole group are further added and a difference in shift amount is provided between them, the holes A and B and another hole group are optically resonated. Unless the optical resonator 4 is made symmetrical with respect to a plane passing through the center of the resonator 4 and perpendicular to the line defect waveguide 3, the electromagnetic field distribution is disturbed and the Q value is lowered.
また、本実施形態は、光共振器を構成する構造を光共振器のごく近傍のみに限定することで周辺に集積される他のデバイスに与える制約を大幅に低減し、デバイス集積構造のレイアウトの自由度を高める。即ち、モードギャップバリアを発生させるための導波路幅の変化を与えるためにシフトさせる空孔を、線欠陥導波路から数えて3列目までに位置する空孔に限定する(図7では2列目まで)。 In addition, this embodiment greatly reduces the restrictions on other devices integrated in the periphery by limiting the structure constituting the optical resonator to the very vicinity of the optical resonator, and the layout of the device integrated structure is reduced. Increase the degree of freedom. That is, the holes to be shifted to give a change in the waveguide width for generating the mode gap barrier are limited to the holes located up to the third row from the line defect waveguide (in FIG. 7, two rows). To the eyes).
フォトニック結晶スラブの線欠陥導波路3において、導波モードの光はフォトニックバンドギャップにより強く線欠陥部分に局在している。このため、ヘテロ接合において屈折率の変化が無視できるような小さな導波路幅の変化で実現できる小さなモードギャップバリアは、シフトする空孔を線欠陥導波路3から3列目以内に限定しても問題なく発生させることができる。但し、この場合はシフトした空孔とその外側のシフトしていない空孔の境界で格子不整合、あるいは屈折率変化が大きくなりQ値の低下を招く可能性があり、これを回避するために線欠陥導波路3から1列目、2列目、3列目と離れるにつれ空孔のシフト量が減少するような傾斜シフト構造の採用が有効である。図7の構造では空孔Aと空孔Bの配置が線欠陥導波路3の長手方向だけでなく、横方向に対しても上記傾斜シフト構造を実現するようになされている。 In the line defect waveguide 3 of the photonic crystal slab, the guided mode light is strongly localized in the line defect portion due to the photonic band gap. For this reason, a small mode gap barrier that can be realized with a small change in waveguide width that can ignore a change in refractive index in a heterojunction can limit the vacancies to be shifted to the third column from the line defect waveguide 3. It can be generated without problems. However, in this case, there is a possibility that the lattice mismatch at the boundary between the shifted hole and the outer non-shifted hole or a change in the refractive index becomes large, leading to a decrease in the Q value. It is effective to employ an inclined shift structure in which the shift amount of the holes decreases as the distance from the line defect waveguide 3 increases from the first row, the second row, and the third row. In the structure of FIG. 7, the arrangement of the holes A and B is realized not only in the longitudinal direction of the line defect waveguide 3 but also in the lateral direction.
これにより、光共振器の構造を光共振器のごく近傍のみに限定することができる。また光共振器にトラップされた光の電磁界のモード体積についても、最小でフォトニック結晶の格子定数程度に小さくすることができる。また、ヘテロ界面の導入にもかかわらずフォトニック結晶構造に位相のずれを発生させないようにすることが可能となる。 Thereby, the structure of the optical resonator can be limited to the very vicinity of the optical resonator. Further, the mode volume of the electromagnetic field of light trapped in the optical resonator can also be reduced to the minimum as the lattice constant of the photonic crystal. It is also possible to prevent a phase shift from occurring in the photonic crystal structure despite the introduction of the heterointerface.
ここで、フォトニック結晶スラブにおける点欠陥または線欠陥による光共振器において100万を越える高いQ値を実現するための十分条件が、光共振器周辺において屈折率が急激に、かつ、結晶の周期性をもって変化することがないことである。これは、そのような急激な屈折率変化は光共振器境界における電磁界の滑らかな変化を乱しライトライン上側の電磁界分布の増大を招くためである。 Here, a sufficient condition for realizing a high Q value exceeding 1 million in an optical resonator due to a point defect or a line defect in a photonic crystal slab is that the refractive index is abruptly around the optical resonator and the period of the crystal It does not change with sex. This is because such a sudden change in refractive index disturbs a smooth change in the electromagnetic field at the boundary of the optical resonator, resulting in an increase in the electromagnetic field distribution above the light line.
また、点欠陥に代えて線欠陥で光共振器を構成することで、光の漏れにつながる屈折率変化が問題になる方向を線欠陥導波路3の長手方向に限定できる。しかしながら、線欠陥導波路3の長手方向における光閉じ込めをバンドギャップ閉じ込め、即ちフォトニック結晶バリアにより実現する方法では、前述の屈折率変化を根本的に解決することができないが、本実施形態では連続する線欠陥導波路に小さな幅変化を与えることで屈折率の変化と周期性を無視できる程度に抑えつつモードギャップバリアの高さの大幅な低減により共鳴モードがバリア領域内に深く侵入しかつ緩やかに減衰するようにすることで、フォトニック結晶バリアの場合に対し共振器のQ値を大幅に高めることができる。 In addition, by configuring the optical resonator with a line defect instead of a point defect, the direction in which the refractive index change leading to light leakage becomes a problem can be limited to the longitudinal direction of the line defect waveguide 3. However, the method of realizing the optical confinement in the longitudinal direction of the line defect waveguide 3 by the band gap confinement, that is, the photonic crystal barrier cannot fundamentally solve the above-described change in the refractive index. Resonance mode penetrates deeply into the barrier region by slowing down the height of the mode gap barrier while suppressing the refractive index change and periodicity to a negligible level by giving a small width change to the line defect waveguide As a result, the Q value of the resonator can be significantly increased as compared with the case of the photonic crystal barrier.
また、線欠陥導波路3の長手方向の中央部の線欠陥に面した両側の第1の空孔A及びそれに隣接する第2の空孔Bを線欠陥の中心から離れる方向にシフトさせ、第1の空孔Aのシフト量を第2の空孔Bのシフト量より大きくすることで、より有効に光の漏れを低減し、光共振器のQ値を極限的に高くすることが可能になる。 Further, the first hole A on both sides facing the line defect in the central portion in the longitudinal direction of the line defect waveguide 3 and the second hole B adjacent thereto are shifted in a direction away from the center of the line defect, By making the shift amount of one hole A larger than the shift amount of the second hole B, it is possible to reduce light leakage more effectively and to increase the Q value of the optical resonator to the limit. Become.
100万を超えるQ値を実現可能なフォトニック結晶光共振器は、これまで点欠陥における6重極モードを利用するもの(非特許文献6参照)と、格子定数差によりダブルヘテロ結合を形成したもの(非特許文献5参照)しかなかったが、本実施形態においても理論的に100万を超えるQ値を実現することが可能となる。 Photonic crystal optical resonators capable of realizing Q values exceeding 1 million have double heterojunctions formed by using lattice constant differences from those using a hexapole mode in point defects (see Non-Patent Document 6). Although there was only a thing (refer nonpatent literature 5), it becomes possible to implement | achieve Q value exceeding 1 million theoretically also in this embodiment.
本実施形態では、光共振器4の中心付近のごく狭い領域に限り線欠陥導波路3の周囲の空孔をシフトさせることにより光共振器を実現している。シフトする空孔の個数は最小でわずか1個でも光共振器を実現可能であり、数個から10数個にすることでより大きなQ値を実現できる。これらの空孔の存在する領域は一辺が格子定数の数倍程度と極めて小さい。これは格子定数差によりダブルヘテロ接合を実現する手法では達成不可能である。 In the present embodiment, the optical resonator is realized by shifting the holes around the line defect waveguide 3 only in a very narrow region near the center of the optical resonator 4. An optical resonator can be realized with a minimum number of holes to be shifted, and a larger Q value can be realized by changing from several to ten or more. The region where these vacancies exist is extremely small, with one side being several times the lattice constant. This is not achievable with a technique that realizes a double heterojunction by a lattice constant difference.
本実施形態においては光共振器4の配置によりフォトニック結晶の構造を変える必要がある部分を極めて小さく限定できるので、周辺の導波路や他のフォトニック結晶デバイスに構造的な影響を与えにくい。特に、本実施形態による光共振器4の場合、近接する他の光共振器や導波路との結合動作を図る場合に設計が容易でかつ自由度が高い。 In the present embodiment, the portion where the structure of the photonic crystal needs to be changed can be limited to an extremely small size by the arrangement of the optical resonator 4, so that it is difficult to structurally affect the peripheral waveguide and other photonic crystal devices. In particular, in the case of the optical resonator 4 according to the present embodiment, the design is easy and the degree of freedom is high when a coupling operation with another adjacent optical resonator or waveguide is attempted.
これに対し、格子定数差によりダブルヘテロ接合を形成した光共振器4においては、周辺に広範に規定の格子定数の領域を確保しなければならないため、周辺の光共振器や導波路が構造的制約を受けることを回避できない。また、線欠陥導波路の長手方向(Z軸方向)に沿った方向の格子定数を変化させ、かつ、その領域を線欠陥導波路から見て横方向(X軸方向)にも限定した場合には、図6に示すように構造的な位相ずれが発生するが、本実施形態によれば横方向の領域限定を構造的な位相ずれを発生させることなく行える。 On the other hand, in the optical resonator 4 in which a double heterojunction is formed by a lattice constant difference, a region having a specified lattice constant must be secured in the periphery, so that the peripheral optical resonator and the waveguide are structurally We cannot avoid being restricted. Also, when the lattice constant in the direction along the longitudinal direction (Z-axis direction) of the line defect waveguide is changed and the region is limited to the lateral direction (X-axis direction) when viewed from the line defect waveguide As shown in FIG. 6, a structural phase shift occurs. However, according to the present embodiment, the lateral region can be limited without generating a structural phase shift.
本実施形態では光共振器4に用いる線欠陥導波路3の基本幅Wを格子定数aの√3倍に対し0.5倍から1.2倍の範囲で変えることができる。線欠陥導波路3の幅を変えることで光共振器4の共鳴準位の波長や光共振器のQ値を幅広く、かつ、高精度に調整することが可能である。このことは光共振器の集積化や他のデバイスとの連係動作を行う際に大変有利である。 In the present embodiment, the basic width W of the line defect waveguide 3 used in the optical resonator 4 can be changed in a range of 0.5 to 1.2 times with respect to √3 times the lattice constant a. By changing the width of the line defect waveguide 3, the wavelength of the resonance level of the optical resonator 4 and the Q value of the optical resonator can be adjusted widely and with high accuracy. This is very advantageous when integrating optical resonators or performing linking operations with other devices.
なお、線欠陥導波路3の基本幅を格子定数の√3倍以外に設定した場合には、線欠陥導波路3を挟んだ両側のフォトニック結晶の構造的な位相がずれるため、線欠陥導波路3の延長線上を跨ぐような導波路を形成する場合には、その特性が制約を受けることになる。 When the basic width of the line defect waveguide 3 is set to a value other than √3 times the lattice constant, the structural phase of the photonic crystals on both sides of the line defect waveguide 3 is shifted, so that the line defect guide In the case of forming a waveguide straddling the extended line of the waveguide 3, the characteristics are restricted.
しかし、本実施形態では大抵の用途の場合、線欠陥導波路3の延長線上を導波路が跨がないような設計を行うことで機能を損なわずにフォトニック結晶光集積回路を実現することが可能である。更に、線欠陥導波路3の基本幅Wを格子定数の√3倍に設定してもQ値の極めて高い光共振器4を実現できるので、全体が単一の格子定数であって、かつ位相ずれが皆無なフォトニック結晶中に複数の共鳴周波数の異なる光共振器を配置することも可能になる。 However, in this embodiment, in most applications, it is possible to realize a photonic crystal optical integrated circuit without impairing the function by designing so that the waveguide does not straddle the extension line of the line defect waveguide 3. Is possible. Further, since the optical resonator 4 having an extremely high Q value can be realized even if the basic width W of the line defect waveguide 3 is set to √3 times the lattice constant, the whole has a single lattice constant and a phase. It becomes possible to arrange a plurality of optical resonators having different resonance frequencies in a photonic crystal having no deviation.
ところで、光閉じ込め層とより屈折率の低い上下の光ガイド層からなり、少なくとも光閉じ込め層を上下に貫通する任意の断面形状の空孔が三角格子または四角格子をなして配置されている2次元フォトニック結晶構造(格子定数a)において、直線状の線欠陥導波路において欠陥に面した両側の空孔の中心の間隔が√3×aの0.5倍以上1.2倍以下の任意の基本幅を有する線欠陥導波路上に設けられた光共振器であって、光共振器を取り囲む領域においては単一の形状の標準空孔が各格子点に統一的に配置させていて、線欠陥導波路の長手方向に沿った方向の光閉じ込めが線欠陥導波路の周囲の空孔の断面積を変化させることにより線欠陥導波路に導入されるモードギャップバリアにより行われ、モードギャップバリアを出現させるために断面積が変更される空孔が線欠陥導波路から数えて3列目までのみに存在し、少なくとも光共振器の中心において欠陥に面した両側の空孔の断面積が標準空孔のそれよりも小さくしてした光共振器においても、原理的には本実施形態と同等の効果を得ることが可能である。 By the way, a two-dimensional structure comprising a light confinement layer and upper and lower light guide layers having a lower refractive index, and at least holes having an arbitrary cross-sectional shape penetrating the light confinement layer vertically are arranged in a triangular lattice or a square lattice. In the photonic crystal structure (lattice constant a), the distance between the centers of the vacancies on both sides facing the defect in the linear line defect waveguide is 0.5 times 1.2 times or less of √3 × a. An optical resonator provided on a line-defect waveguide having a basic width, in a region surrounding the optical resonator, a single standard hole is uniformly arranged at each lattice point, The optical confinement in the direction along the longitudinal direction of the defect waveguide is performed by a mode gap barrier introduced into the line defect waveguide by changing the cross-sectional area of the vacancies around the line defect waveguide. To appear The holes whose cross-sectional area is changed are present only in the third row counting from the line defect waveguide, and the cross-sectional area of the holes on both sides facing the defect at the center of the optical resonator is that of the standard hole. Even in the case of an optical resonator that is made smaller, it is possible in principle to obtain the same effects as those of the present embodiment.
但し、空孔の直径を変化させることでヘテロ接合を形成する場合、導入するモードギャップバリアの大きさに対する屈折率の変化量が導波路幅や格子定数を変える場合に比べてはるかに大きくなるため、特性設計における制約が厳しくなる。 However, when a heterojunction is formed by changing the hole diameter, the amount of change in the refractive index with respect to the size of the introduced mode gap barrier is much larger than when the waveguide width and lattice constant are changed. Constraints on characteristic design become stricter.
また、電子線露光や光露光など現存するナノリソグラフィーにおいてはナノメートルオーダーで空孔径を制御することは難しい。その点本実施形態の用いる空孔の位置の制御ならば、ナノメートルオーダーでの精度が現存するナノリソグラフィーで得られており、リソグラフィーとの相性の点でも優れていて現実的である。 In existing nanolithography such as electron beam exposure and light exposure, it is difficult to control the pore diameter on the nanometer order. In that respect, if the position of the holes used in the present embodiment is controlled, the accuracy in the nanometer order is obtained by the existing nanolithography, which is excellent in terms of compatibility with the lithography and realistic.
本発明の第1実施例を図9から図12を用いて説明する。 A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
図9は、本発明の光共振器の第1実施例のフォトニック結晶構造を示す。同図中、基本構造は厚さ204nmのSi基板10に半径0.5a(=216nm)の円柱状の空孔11が格子定数a(=432nm)の正三角格子配列をなして設けられており、Si基板10の上下及び空孔は空気(屈折率1)のフォトニック結晶スラブである。なお、三角格子配列の空孔11の結晶配位方向のΓK軸は隣接する2つ空気穴の中心を結ぶ方向であり、三角格子の3辺がΓK軸に対応する。また、ΓM軸は、隣接する2つ空気穴の中心を結ぶ直線(ΓK軸)に直交し、最短の空気穴の中心に向かう方向である。 FIG. 9 shows a photonic crystal structure of the first embodiment of the optical resonator of the present invention. In the figure, the basic structure is that a cylindrical hole 11 having a radius of 0.5a (= 216 nm) is provided in a Si substrate 10 having a thickness of 204 nm in a regular triangular lattice arrangement with a lattice constant a (= 432 nm). The top and bottom of the Si substrate 10 and the holes are photonic crystal slabs of air (refractive index 1). The ΓK axis in the crystal coordination direction of the holes 11 in the triangular lattice arrangement is a direction connecting the centers of two adjacent air holes, and the three sides of the triangular lattice correspond to the ΓK axis. The ΓM axis is perpendicular to the straight line connecting the centers of two adjacent air holes (ΓK axis) and is directed toward the center of the shortest air hole.
ここに、ΓK軸と重なるZ軸方向に延在する基本幅0.9×√3a(=674nm)の線欠陥導波路12が設けられている。線欠陥導波路12のZ軸方向のほぼ中央位置で線欠陥導波路12の両側で対向する4個の第1の空孔Aは矢印で示すように線欠陥導波路12から外側に向けてX軸方向に12nmシフトされ、空孔Aに隣接する10個の第2の空孔Bは矢印で示すように線欠陥導波路12から外側に向けてX軸方向に6nmシフトされている。更に、空孔AとZ軸座標が同一で空孔Bに隣接する4個の第3の空孔Cは矢印で示すように線欠陥導波路12から外側に向けてX軸方向に4nmシフトされている。上記の空孔A,B,Cのシフトにより、シフトのない基本幅(674nm)の線欠陥導波路12をモードギャップバリアとするダブルヘテロ接合光共振器14が形成されている。 Here, a line defect waveguide 12 having a basic width of 0.9 × √3a (= 674 nm) extending in the Z-axis direction overlapping with the ΓK axis is provided. The four first air holes A facing each other on both sides of the line defect waveguide 12 at the substantially central position in the Z-axis direction of the line defect waveguide 12 are X outward from the line defect waveguide 12 as indicated by arrows. The ten second holes B adjacent to the hole A are shifted by 12 nm in the axial direction, and shifted 6 nm in the X-axis direction from the line defect waveguide 12 to the outside as indicated by arrows. Further, the four third holes C having the same Z-axis coordinate as the hole A and adjacent to the hole B are shifted by 4 nm in the X-axis direction outward from the line defect waveguide 12 as indicated by arrows. ing. Due to the shift of the holes A, B, and C, a double heterojunction optical resonator 14 is formed in which the line defect waveguide 12 having a basic width (674 nm) without shift is used as a mode gap barrier.
図9の構造に対し、3次元有限差分時間領域(Finite Differential Time Domain:FDTD)法により実行した電磁界数値シミュレーションにおける光共振器14の中心付近の電磁界(Y軸方向の磁場)分布計算結果を図10に示す。 The electromagnetic field (Y-axis direction magnetic field) distribution calculation result near the center of the optical resonator 14 in the electromagnetic field numerical simulation performed by the three-dimensional finite difference time domain (FDTD) method for the structure of FIG. Is shown in FIG.
図10(A)は計算モデルのXZ面であり、ここでは線欠陥導波路12から右半分を示している。図10(B)はXZ面における磁界パワー分布を示し、図10(C)はYZ面における磁界パワー分布を示し、図10(D)はXY面における磁界パワー分布を示す。なお、上記磁界パワー分布では強度最大の点の磁界パワーが1となるように規格化している。 FIG. 10A is the XZ plane of the calculation model, and shows the right half from the line defect waveguide 12 here. 10B shows the magnetic field power distribution in the XZ plane, FIG. 10C shows the magnetic field power distribution in the YZ plane, and FIG. 10D shows the magnetic field power distribution in the XY plane. The magnetic field power distribution is standardized so that the magnetic field power at the point of maximum intensity is 1.
図10では、電磁界即ち光が光共振器付近に閉じ込められ、本構造が光共振器として作用していることが示されている。共鳴モードのモード体積は0.12[μm3]で、点欠陥光共振器と同程度の値になっている。また、この共鳴モードのQ値は約420万と極めて高い。共鳴モードの波長は1553nmで、この光共振器構造において高Q値のモードはこの一つである。 FIG. 10 shows that an electromagnetic field, that is, light is confined in the vicinity of the optical resonator, and this structure functions as an optical resonator. The mode volume of the resonance mode is 0.12 [μm 3 ], which is the same value as that of the point defect optical resonator. In addition, the Q value of this resonance mode is as extremely high as about 4.2 million. The wavelength of the resonance mode is 1553 nm, and this is the only mode with a high Q value in this optical resonator structure.
図9に示す構造を実際に電子線リソグラフィーにより試作した。市販の電子線リソグラフィー装置、レジスト、現像液、シリコン・オン・インシュレータ基板、ドライエッチング装置、シリコン酸化膜除去用フッ化水素酸・フッ化アンモニウム等の利用により図9の構造を実現できる。 The structure shown in FIG. 9 was actually prototyped by electron beam lithography. The structure shown in FIG. 9 can be realized by using a commercially available electron beam lithography apparatus, resist, developer, silicon-on-insulator substrate, dry etching apparatus, hydrofluoric acid / ammonium fluoride for removing a silicon oxide film, and the like.
図11に試作した構造の電子顕微鏡像を示す。光共振器の空孔のシフト量は最大でも12nmと小さいことから図11の倍率ではどの空孔がシフトされているか不明瞭であるため、光共振器14を実線で囲んで示し、モードギャップバリアの線欠陥導波路12を破線で囲んで示す。 FIG. 11 shows an electron microscope image of the prototype structure. Since the amount of shift of the holes in the optical resonator is as small as 12 nm at the maximum, it is unclear which hole is shifted at the magnification shown in FIG. 11. Therefore, the optical resonator 14 is surrounded by a solid line, and the mode gap barrier is shown. The line defect waveguide 12 is surrounded by a broken line.
光共振器14を構成する線欠陥導波路12からX軸方向に6列目の空孔位置に光入力用の線欠陥導波路16,18の端部が設けられており、光共振器14と線欠陥導波路16,18それぞれは結合している。 The ends of the optical input line defect waveguides 16 and 18 are provided at the hole positions of the sixth column in the X-axis direction from the line defect waveguide 12 constituting the optical resonator 14. Each of the line defect waveguides 16 and 18 is coupled.
試作した試料について波長可変レーザ、光減衰器、光検出器の組み合わせによる測定系を用いて共鳴モードの測定を行った。光共振器14においては二光子吸収による非線形現象や発熱によるピークのシフトや広がりが起こりやすいことから、光減衰器により入力光強度を一50dBm以下とし微弱な光強度において測定を行った。 Resonant mode was measured for the prototyped sample using a measurement system with a combination of a tunable laser, an optical attenuator, and a photodetector. In the optical resonator 14, a nonlinear phenomenon due to two-photon absorption and a peak shift and broadening due to heat generation are likely to occur. Therefore, the input light intensity was set to not more than 150 dBm by an optical attenuator and measurement was performed at a weak light intensity.
測定された共鳴モードの信号を図12に示す。共鳴ピークの半値全幅は約4pmであり、約40万のQ値に相当する。測定値が理論値よりも一桁小さい原因については今後の解明を待つ必要があるが、40万のQ値は既に従来の単一及び多点欠陥型光共振器では理論的な極限値でも到達できない値であり、本発明の効果は明らかである。 The measured resonance mode signals are shown in FIG. The full width at half maximum of the resonance peak is about 4 pm, which corresponds to a Q value of about 400,000. The reason why the measured value is an order of magnitude smaller than the theoretical value needs to be clarified in the future, but the Q value of 400,000 has already reached the theoretical limit value in the conventional single and multi-point defect type optical resonators. This value is not possible, and the effect of the present invention is clear.
本発明の第2実施例を図13から図16を用いて説明する。 A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
図13は、本発明の光共振器の第2実施例のフォトニック結晶構造を示す。同図中、基本構造は厚さ204nmのSi基板20に半径0.5a(=210nm)の円柱状の空孔21が格子定数a(=420nm)の正三角格子配列をなして設けられており、Si基板20の上下及び空孔は空気(屈折率1)のフォトニック結晶スラブである。なお、三角格子配列の空孔21の結晶配位方向のΓK軸は隣接する2つ空気穴の中心を結ぶ方向であり、三角格子の3辺がΓK軸に対応する。また、ΓM軸は、隣接する2つ空気穴の中心を結ぶ直線(ΓK軸)に直交し、最短の空気穴の中心に向かう方向である。 FIG. 13 shows a photonic crystal structure of a second embodiment of the optical resonator of the present invention. In the figure, the basic structure is such that a cylindrical hole 21 having a radius of 0.5a (= 210 nm) is provided in a Si substrate 20 having a thickness of 204 nm in a regular triangular lattice arrangement with a lattice constant a (= 420 nm). The upper and lower sides and the holes of the Si substrate 20 are photonic crystal slabs of air (refractive index 1). The ΓK axis in the crystal coordination direction of the holes 21 in the triangular lattice arrangement is a direction connecting the centers of two adjacent air holes, and the three sides of the triangular lattice correspond to the ΓK axis. The ΓM axis is perpendicular to the straight line connecting the centers of two adjacent air holes (ΓK axis) and is directed toward the center of the shortest air hole.
ここに、ΓK軸と重なるZ軸方向に延在する基本幅1.0×√3a(=728nm)の線欠陥導波路22が設けられている。線欠陥導波路22のZ軸方向のほぼ中央位置で線欠陥導波路22の両側で対向する2個の空孔Aは矢印で示すように線欠陥導波路22から外側に向けてX軸方向に12nmシフトされている。上記の空孔Aのシフトにより、シフトのない基本幅(728nm)の線欠陥導波路22をモードギャップバリアとするダブルヘテロ接合光共振器24が形成されている。本構造では光共振器22を構成するためにシフトされている空孔Aがわずか2個であることが特徴である。 Here, a line defect waveguide 22 having a basic width of 1.0 × √3a (= 728 nm) extending in the Z-axis direction overlapping the ΓK-axis is provided. Two holes A facing each other on both sides of the line defect waveguide 22 at approximately the center position in the Z axis direction of the line defect waveguide 22 are directed outward from the line defect waveguide 22 in the X axis direction as indicated by arrows. Shifted by 12 nm. Due to the shift of the holes A, a double heterojunction optical resonator 24 is formed in which the line defect waveguide 22 having a basic width (728 nm) without a shift is used as a mode gap barrier. This structure is characterized in that only two holes A are shifted to form the optical resonator 22.
図13の構造に対し、3次元FDTD法により実行した電磁界数値シミュレーションにおける光共振器24の中心付近の電磁界(Y軸方向の磁場)分布計算結果を図14に示す。 FIG. 14 shows an electromagnetic field (Y-axis direction magnetic field) distribution calculation result in the vicinity of the center of the optical resonator 24 in the electromagnetic field numerical simulation executed by the three-dimensional FDTD method for the structure of FIG.
図14(A)は計算モデルのXZ面であり、ここでは線欠陥導波路22から右半分を示している。図14(B)はXZ面における磁界パワー分布を示し、図14(C)はYZ面における磁界パワー分布を示し、図14(D)はXY面における磁界パワー分布を示す。なお、上記磁界パワー分布では強度最大の点の磁界パワーが1となるように規格化している。 FIG. 14A is the XZ plane of the calculation model, and shows the right half from the line defect waveguide 22 here. 14B shows the magnetic field power distribution in the XZ plane, FIG. 14C shows the magnetic field power distribution in the YZ plane, and FIG. 14D shows the magnetic field power distribution in the XY plane. The magnetic field power distribution is standardized so that the magnetic field power at the point of maximum intensity is 1.
図14では、電磁界即ち光が光共振器付近に閉じ込められ、本構造が光共振器として作用していることが示されている。共鳴モードのモード体積は0.20[μm3]であり、共鳴モードのQ値は約100万、共鳴モードの波長は1560nmであった。 FIG. 14 shows that an electromagnetic field, that is, light is confined in the vicinity of the optical resonator, and this structure acts as an optical resonator. The mode volume of the resonance mode was 0.20 [μm 3 ], the Q value of the resonance mode was about 1 million, and the wavelength of the resonance mode was 1560 nm.
図13に示す構造を実際に電子線リソグラフィーにより試作した。図15に試作した構造の電子顕微鏡像を示す。光共振器24の空孔のシフト量は12nmと小さいことから図15の倍率ではどの空孔がシフトされているか不明瞭であるため、光共振器24を実線で囲んで示し、モードギャップバリアの線欠陥導波路22を破線で囲んで示す。 The structure shown in FIG. 13 was actually fabricated by electron beam lithography. FIG. 15 shows an electron microscope image of the prototype structure. Since the shift amount of the holes of the optical resonator 24 is as small as 12 nm, it is unclear which hole is shifted at the magnification of FIG. 15. Therefore, the optical resonator 24 is surrounded by a solid line to indicate the mode gap barrier. The line defect waveguide 22 is surrounded by a broken line.
光共振器24を構成する線欠陥導波路22からX軸方向に5列目の空孔位置に光入力用の線欠陥導波路26,28の端部が設けられており、光共振器24と線欠陥導波路26,28それぞれは結合している。 The ends of the optical input line defect waveguides 26 and 28 are provided at the hole positions in the fifth column in the X-axis direction from the line defect waveguide 22 constituting the optical resonator 24. Each of the line defect waveguides 26 and 28 is coupled.
試作した試料について測定した共鳴モードの測定結果を図16に示す。共鳴ピークの半値全幅は約13.7pmであり、11万を超えるQ値に相当する。本実施形態においては線欠陥導波路22に対し、僅か2個の空孔Aをシフトさせるだけで高いQ値の光共振器24を実現でき、狭い間隔で高密度に光共振器ベースの光素子を集積する目的において大変有利である。 FIG. 16 shows the measurement result of the resonance mode measured for the prototype sample. The full width at half maximum of the resonance peak is about 13.7 pm, which corresponds to a Q value exceeding 110,000. In the present embodiment, an optical resonator 24 having a high Q value can be realized by shifting only two cavities A with respect to the line defect waveguide 22, and the optical resonator-based optical element is densely arranged at a narrow interval. This is very advantageous for the purpose of integrating the
以上のように、本発明において、フォトニック結晶スラブにおいて線欠陥導波路とその周囲の特定の空孔のシフトにより線欠陥導波路幅を変調し、モードギャップバリアダブルヘテロ接合を構成することにより、10万を大きく上回る高いQ値の光共振器が実現された。本発明の実現手法は極めて単純かつ容易であり、僅か数個から十数個の空孔のわずかなシフトにより高Q値の光共振器を実現できる。これにより、周辺のフォトニック結晶の設計やデバイスの性能にほとんど制約を与えることなく高いQ値を持つ光共振器をフォトニック結晶上に集積することが可能になる。 As described above, in the present invention, in the photonic crystal slab, by modulating the line defect waveguide width by shifting the line defect waveguide and a specific hole around the line defect waveguide, a mode gap barrier double heterojunction is configured. An optical resonator having a high Q value far exceeding 100,000 was realized. The method of realizing the present invention is very simple and easy, and an optical resonator having a high Q value can be realized by a slight shift of only a few to a dozen holes. As a result, an optical resonator having a high Q value can be integrated on the photonic crystal with almost no restrictions on the design of peripheral photonic crystals and device performance.
1,10,20 Si基板
2,11,21 空孔
3,12,16,18,22 線欠陥導波路
4,14,24 光共振器
1,10,20 Si substrate 2,11,21 Air hole 3,12,16,18,22 Line defect waveguide 4,14,24 Optical resonator
Claims (6)
結晶配位方向の1列の空孔を除去した線欠陥を基本とし、欠陥に面した両側の空孔の中心の間隔を基本幅とした線欠陥導波路を形成し、
少なくとも前記線欠陥導波路の長手方向の中央部の線欠陥に面した両側の空孔を結晶格子の格子点から前記線欠陥の中心より離れる方向にシフトさせて配置し、前記両側の空孔の中心の間隔を前記基本幅より大きくして前記線欠陥導波路にモードギャップバリアを導入し、
前記モードギャップバリアにより前記線欠陥の長手方向に沿った方向の光閉じ込めを行うことを特徴とする光共振器。 In an optical resonator composed of a two-dimensional photonic crystal,
Forming a line defect waveguide based on a line defect in which one row of vacancies in the crystal coordination direction is removed, and having a basic width as the distance between the centers of vacancies on both sides facing the defect
At least the vacancies on both sides facing the line defect in the central portion in the longitudinal direction of the line defect waveguide are shifted from the lattice point of the crystal lattice in a direction away from the center of the line defect, Introducing a mode gap barrier into the line defect waveguide with a center spacing larger than the basic width;
An optical resonator characterized in that light confinement in a direction along a longitudinal direction of the line defect is performed by the mode gap barrier.
前記モードギャップバリアを導入するためにシフトする空孔は、前記線欠陥の長手方向について光共振器の中心に近いほどシフト量が大きくなるように配置され、かつ、前記光共振器の中心を通り前記線欠陥と直交する平面に対し面対称になるように配置されることを特徴とする光共振器。 The optical resonator according to claim 1.
The holes that are shifted to introduce the mode gap barrier are arranged so that the shift amount becomes larger toward the center of the optical resonator in the longitudinal direction of the line defect, and passes through the center of the optical resonator. The optical resonator is disposed so as to be plane-symmetric with respect to a plane orthogonal to the line defect.
前記線欠陥導波路の基本幅は、格子定数aを用いると、√3×aの0.5倍以上1.2倍以下であることを特徴とする光共振器。 The optical resonator according to claim 1 or 2,
The basic width of the line defect waveguide is 0.5 times or more and 1.2 times or less of √3 × a when the lattice constant a is used.
前記線欠陥導波路の長手方向の基本幅部分の線欠陥の長さは、格子定数aの5倍以上であることを特徴とする光共振器。 The optical resonator according to any one of claims 1 to 3,
The length of the line defect in the basic width portion in the longitudinal direction of the line defect waveguide is at least five times the lattice constant a.
前記線欠陥導波路にモードギャップバリアを導入するためにシフトする空孔は、前記線欠陥導波路に面した両側の空孔から数えて3列目までであることを特徴とする光共振器。 The optical resonator according to any one of claims 2 to 4,
The optical resonator is characterized in that vacancies shifted to introduce a mode gap barrier into the line defect waveguide are up to a third row counting from vacancies on both sides facing the line defect waveguide.
前記線欠陥導波路にモードギャップバリアを導入するためにシフトする空孔は、前記線欠陥導波路に面した両側の空孔から数えて1列目の空孔のシフト量が2列目の空孔のシフト量以上で、前記2列目の空孔のシフト量が3列目の空孔のシフト量より大きいことを特徴とする光共振器。 The optical resonator according to claim 5, wherein
The holes that are shifted to introduce a mode gap barrier into the line defect waveguide have a shift amount of holes in the first row counted from holes on both sides facing the line defect waveguide. An optical resonator, wherein the shift amount of the holes in the second row is greater than the shift amount of the holes in the third row and is greater than the shift amount of the holes.
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