JP5365521B2 - Photonic crystal - Google Patents
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Description
本発明は、線欠陥導波路が形成されたフォトニック結晶体に関し、特に、線欠陥導波路の交差部分の構造に関するものである。 The present invention relates to a photonic crystal body in which a line defect waveguide is formed, and more particularly to a structure of an intersecting portion of the line defect waveguide.
近年、光部品が集積された光集積回路を実現する技術が望まれている。光スイッチ、波長フィルタ、3dB結合器(光カプラ)などの光部品が光ファイバなどの光導波路を介して接続された光回路が知られている。しかし、複数の光部品を小さなチップの中に集積化させることができれば、光回路の体積、消費電力、製造コストは飛躍的に低減される。 In recent years, a technique for realizing an optical integrated circuit in which optical components are integrated has been desired. An optical circuit in which optical components such as an optical switch, a wavelength filter, and a 3 dB coupler (optical coupler) are connected via an optical waveguide such as an optical fiber is known. However, if a plurality of optical components can be integrated in a small chip, the volume, power consumption, and manufacturing cost of the optical circuit can be drastically reduced.
光集積回路の実現を目指した技術はこれまでにも多々開発されている。光集積回路の実現を目指す技術の一つに、フォトニック結晶技術がある。フォトニック結晶体或いはフォトニック結晶とは、広義には、屈折率が周期的に変化する構造体の総称である。本明細書では、特に断らない限り、「フォトニック結晶体」と「フォトニック結晶」とは同義語として用いる。 Many technologies have been developed to realize optical integrated circuits. One of the technologies aimed at realizing an optical integrated circuit is a photonic crystal technology. Photonic crystal or photonic crystal is a general term for structures whose refractive index changes periodically. In this specification, unless otherwise specified, “photonic crystal” and “photonic crystal” are used as synonyms.
フォトニック結晶は、屈折率分布の周期構造に起因して種々の特殊な光学的特徴を示す。最も代表的な特徴は、フォトニック・バンド・ギャップ(Photonic Band Gap(PBG))である。光はフォトニック結晶中を透過することができる。しかし、フォトニック結晶中の周期的な屈折率変化が十分に大きいと、ある特定の周波数帯域の光はフォトニック結晶中を伝搬することができない。フォトニック結晶を伝搬することができる光の周波数帯域(あるいは、波長帯域)はフォトニック・バンド(Photonic Band)と呼ばれる。それに対して、フォトニック結晶を伝搬することができない光の周波数帯域(あるいは、波長帯域)は、フォトニック・バンド・ギャップ(PBG)と呼ばれている。フォトニック・バンド・ギャップとは、フォトニック・バンドの間に存在するギャップという意味である。PBGは異なった周波数帯に複数存在することもある。PBGによって分断されたフォトニック・バンドは、周波数の小さい方から、第1バンド、第2バンド、第3バンドと呼ばれることがある。 Photonic crystals exhibit various special optical characteristics due to the periodic structure of the refractive index distribution. The most typical feature is a photonic band gap (PBG). Light can be transmitted through the photonic crystal. However, if the periodic refractive index change in the photonic crystal is sufficiently large, light in a specific frequency band cannot propagate in the photonic crystal. The frequency band (or wavelength band) of light that can propagate through the photonic crystal is called a photonic band. On the other hand, the frequency band (or wavelength band) of light that cannot propagate through the photonic crystal is called a photonic band gap (PBG). The photonic band gap means a gap existing between photonic bands. There may be multiple PBGs in different frequency bands. The photonic bands divided by the PBG may be referred to as the first band, the second band, and the third band from the smaller frequency.
フォトニック結晶中に、屈折率分布の周期構造(屈折率分布の周期性)を崩すような微小な欠陥が存在すると、PBG内の光は、その微小欠陥内に閉じ込められる。その場合、欠陥の大きさに対応した周波数の光のみが閉じ込められるので、フォトニック結晶が光共振器として働く。よって、このようなフォトニック結晶は、周波数(波長)フィルタとして利用することができる。 If there is a minute defect in the photonic crystal that breaks the periodic structure of the refractive index distribution (periodicity of the refractive index distribution), the light in the PBG is confined in the minute defect. In that case, only light having a frequency corresponding to the size of the defect is confined, so that the photonic crystal functions as an optical resonator. Therefore, such a photonic crystal can be used as a frequency (wavelength) filter.
また、フォトニック結晶中に微小な欠陥が連続的に並んで列を成し、結晶中に線欠陥が形成されると、PBG内の光は、線欠陥内に閉じ込められ、線欠陥に沿って伝搬する。よって、このようなフォトニック結晶は、光導波路として利用することができる。フォトニック結晶中に形成される上記のような光導波路は、線欠陥導波路と呼ばれている。 In addition, when micro defects are continuously arranged in a row in the photonic crystal and a line defect is formed in the crystal, the light in the PBG is confined in the line defect and along the line defect. Propagate. Therefore, such a photonic crystal can be used as an optical waveguide. The above optical waveguide formed in the photonic crystal is called a line defect waveguide.
光フィルタや光導波路が形成されれば、それら光フィルタや光導波路によって、光変調器や光スイッチなどの光機能素子を構成することができる。さらに、フォトニック結晶中に主要な光機能素子が形成され、それら光機能素子が互いに接続されれば光回路を構成することができる。このような理由から、フォトニック結晶が光集積回路のプラットフォームとして期待されている。 If an optical filter or an optical waveguide is formed, an optical functional element such as an optical modulator or an optical switch can be configured by the optical filter or the optical waveguide. Furthermore, an optical circuit can be configured if main optical functional elements are formed in the photonic crystal and these optical functional elements are connected to each other. For these reasons, photonic crystals are expected as an optical integrated circuit platform.
ここで、PBGの効果を互いに垂直なx、y、zの3方向で利用するためには、フォトニック結晶の屈折率分布が3次元周期構造を有することが必要である。しかし、3次元周期構造は複雑なため、製造コストが高くなる。そこで、屈折率分布が2次元周期構造を有するフォトニック結晶(以下「2次元フォトニック結晶」と呼ぶ場合もある。)が利用されることが多い。具体的には、基板の面内方向の屈折率分布は周期性を有するが、基板の厚み方向の屈折率分布は周期性を有さない有限厚みの2次元フォトニック結晶が用いられる。その場合、基板の厚み方向における光の閉じ込めは、PBGの効果ではなく、屈折率差に起因する全反射によって実現される。 Here, in order to use the effect of PBG in three directions of x, y, and z perpendicular to each other, it is necessary that the refractive index distribution of the photonic crystal has a three-dimensional periodic structure. However, since the three-dimensional periodic structure is complicated, the manufacturing cost increases. Therefore, a photonic crystal whose refractive index distribution has a two-dimensional periodic structure (hereinafter sometimes referred to as “two-dimensional photonic crystal”) is often used. Specifically, a two-dimensional photonic crystal having a finite thickness is used in which the refractive index distribution in the in-plane direction of the substrate has periodicity, but the refractive index distribution in the thickness direction of the substrate does not have periodicity. In that case, confinement of light in the thickness direction of the substrate is realized not by the effect of PBG but by total reflection due to the difference in refractive index.
もっとも、有限厚みの2次元フォトニック結晶の特性は、無限の厚みの2次元フォトニック結晶の特性と完全には一致しない。しかし、有限厚みの2次元フォトニック結晶の厚み方向における屈折率分布が、光が伝搬する領域において鏡映対称であれば、有限厚みの2次元フォトニック結晶の光学特性は、無限の厚みの2次元フォトニック結晶の光学特性とほぼ一致する。無限の厚みの2次元フォトニック結晶に基づくデバイスの動作予測は、有限厚みの2次元フォトニック結晶に基づくデバイスの動作予測に比べて格段に容易である。そこで、屈折率分布が鏡映対称性を有する2次元フォトニック結晶を利用することができれば、デバイスの設計も容易になる。
However, the characteristics of the two-dimensional photonic crystal having a finite thickness do not completely match the characteristics of the two-dimensional photonic crystal having an infinite thickness. However, if the refractive index distribution in the thickness direction of the two-dimensional photonic crystal having a finite thickness is mirror symmetric in the light propagation region, the optical characteristics of the two-dimensional photonic crystal having a finite thickness are
これまで実現された有限厚みの2次元フォトニック結晶の具体的な構造はいくつかある。その中で柱(ピラー)型正方格子フォトニック結晶は、線欠陥導波路における光の伝搬速度が広い帯域で遅いという特徴を有する。すなわち、低群速度である。一般に、伝搬速度の遅い導波路を用いると、短い導波路によって同じ機能の光回路を実現することができる。よって、柱型正方格子フォトニック結晶を用いた線欠陥導波路は、光集積回路に適している。 There are several specific structures of the two-dimensional photonic crystal of finite thickness realized so far. Among them, a pillar-type square lattice photonic crystal has a feature that light propagation speed in a line defect waveguide is slow in a wide band. That is, a low group velocity. In general, when a waveguide having a low propagation speed is used, an optical circuit having the same function can be realized by a short waveguide. Therefore, a line defect waveguide using a columnar square lattice photonic crystal is suitable for an optical integrated circuit.
図1は、有限厚みの柱型正方格子フォトニック結晶の線欠陥導波路の構造を示す模式図である。図示されている柱型正方格子フォトニック結晶では、低誘電率材料1の中に、高誘電率材料で作られた高さが有限の円柱52aと、円柱52aよりも直径の小さな円柱52bとが正方格子状に配置されている。もっとも、低誘電率材料や円柱の材料は結晶である必要はなく、アモルファスでもよい。
FIG. 1 is a schematic diagram showing the structure of a line defect waveguide of a columnar square lattice photonic crystal having a finite thickness. In the pillar-shaped square lattice photonic crystal shown in the figure, in the low dielectric
図1に示すフォトニック結晶の場合、円柱52aが完全なフォトニック結晶の円柱であるのに対し、円柱52bは円柱52aよりも直径が小さい。そこで、円柱52bを完全結晶に導入された欠陥であると見なす。以下の説明では、完全結晶の円柱と欠陥に相当する円柱とを区別するために、前者を「非線欠陥柱」、後者を「欠陥柱」、「欠陥円柱」又は「線欠陥柱」と呼ぶ場合がある。もっとも、欠陥柱自体に特に欠陥があるわけではない。
In the case of the photonic crystal shown in FIG. 1, the
図1に示した円柱型正方格子フォトニック結晶の線欠陥導波路では、線欠陥柱の列が、光ファイバなどの全反射型の導波路におけるコアに相当する。また、線欠陥柱の列に両側の非線欠陥柱の格子や周囲の誘電体材料がクラッドに相当する。全反射型導波路の場合、導波路を形成するためには、コアとクラッドが必須である。線欠陥導波路の場合、導波路を形成するためには、線欠陥とその周囲の非線欠陥柱や誘電体材料が必須である。以下の説明では、線欠陥柱の列を「線欠陥」と呼ぶ場合もある。 In the line defect waveguide of the cylindrical square lattice photonic crystal shown in FIG. 1, the line of the line defect column corresponds to the core in the total reflection type waveguide such as an optical fiber. Further, the lattice of the non-linear defect columns on both sides and the surrounding dielectric material correspond to the clad in the row of the line defect columns. In the case of a total reflection waveguide, a core and a clad are essential for forming the waveguide. In the case of a line defect waveguide, in order to form a waveguide, a line defect and a non-linear defect column or dielectric material around the line defect are essential. In the following description, the line defect column may be referred to as a “line defect”.
ここで、光集積回路において光配線を高密度化するために、光配線(導波路)を交差させることが必要となる場合がある。そして、正方格子フォトニック結晶の線欠陥導波路における最も単純な交差構造は、2つの線欠陥を直角に交差させた十字構造である。 Here, in order to increase the density of the optical wiring in the optical integrated circuit, it may be necessary to cross the optical wiring (waveguide). The simplest cross structure in the line defect waveguide of the square lattice photonic crystal is a cross structure in which two line defects are crossed at right angles.
円柱型正方格子フォトニック結晶の線欠陥導波路中に設けられた十字構造の一例を図2に示す。図2に示す線欠陥52は、直線Y上に並べられた複数の欠陥柱52bによって形成された第一の直線部61と、直線Yと直交する直線X上に並べられた複数の欠陥柱52bによって形成された第二の直線部62とを有する。
しかし、フォトニック結晶の線欠陥導波路中に単純な十字構造を設けるだけでは、交差部に入射した光を効率よく透過させることはできない。具体的には、交差部における光の反射によって光パワーの損失が発生する。 However, the light incident on the intersection cannot be efficiently transmitted simply by providing a simple cross structure in the line defect waveguide of the photonic crystal. Specifically, optical power loss occurs due to reflection of light at the intersection.
本発明は上記状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、光透過率の高い交差部を有する線欠陥導波路を実現することである。 The present invention has been made in view of the above situation, and an object thereof is to realize a line defect waveguide having a crossing portion with high light transmittance.
本発明のフォトニック結晶体は、線欠陥が交差する交差部を含む線欠陥導波路が形成されたフォトニック結晶体である。線欠陥は、第一の直線部、第二の直線部、第三の直線部、第四の直線部および交差部を有する。 The photonic crystal body of the present invention is a photonic crystal body in which a line defect waveguide including an intersection where line defects intersect is formed. The line defect has a first straight portion, a second straight portion, a third straight portion, a fourth straight portion, and an intersecting portion.
第一の直線部は、直線Yと平行な直線Y1に沿って形成されている。第二の直線部は、直線Yと直交する直線Xと平行な直線X1に沿って形成されている。第三の直線部は、直線Yを対称軸として直線Y1と鏡映対称な位置にある直線Y2に沿って形成され、直線Yと直線Xとの交点Pに関して、第一の直線部と点対称である。第四の直線部は、直線Xを対称軸として直線X1と鏡映対称な位置にある直線X2に沿って形成され、交点Pに関して、第二の直線部と点対称である。 The first straight line portion is formed along a straight line Y1 parallel to the straight line Y. The second straight line portion is formed along a straight line X1 parallel to the straight line X orthogonal to the straight line Y. The third straight line portion is formed along the straight line Y2 in a mirror-symmetrical position with respect to the straight line Y1 with the straight line Y as the axis of symmetry, and is point-symmetric with the first straight line portion with respect to the intersection point P between the straight line Y and the straight line X. It is. The fourth straight line portion is formed along the straight line X2 that is mirror-symmetrical with the straight line X1 with the straight line X as the axis of symmetry, and is point-symmetric with respect to the second straight line portion with respect to the intersection point P.
第一の直線部を構成している複数の欠陥柱の、直線X及び直線Yを含むx−y平面における断面の重心は、直線Y1上にある。前記第二の直線部を構成している複数の欠陥柱の、x−y平面における断面の重心は、直線X1上にある。第三の直線部を構成している複数の欠陥柱の、x−y平面における断面の重心は、直線Y2上にある。第四の直線部を構成している複数の欠陥柱の、x−y平面における断面の重心は、直線X2上にある。 The center of gravity of the cross section in the xy plane including the straight line X and the straight line Y of the plurality of defect pillars constituting the first straight line portion is on the straight line Y1. The center of gravity of the cross section in the xy plane of the plurality of defect pillars constituting the second straight line portion is on the straight line X1. The center of gravity of the cross section in the xy plane of the plurality of defect pillars constituting the third straight line portion is on the straight line Y2. The center of gravity of the cross section in the xy plane of the plurality of defect pillars constituting the fourth straight line portion is on the straight line X2.
交差部は、格子状に配列されたn個×n個(nは奇数)の欠陥柱から構成されている。交差部を構成している複数の欠陥柱の中心に位置する中心欠陥柱の、x−y平面における断面の重心は、交点Pに位置している。交差部の四隅の一つを構成している第一の頂点欠陥柱は、第一の直線部の交点P側の端部に近接している。交差部の四隅の他の一つを構成している第二の頂点欠陥柱は、第三の直線部の交点P側の端部に近接している。交差部の四隅の他の一つを構成している第三の頂点欠陥柱は、第二の直線部の交点P側の端部に近接している。交差部の四隅の他の一つを構成している第四の頂点欠陥柱は、第四の直線部の交点P側の端部に近接している。 The intersection is composed of n × n defect columns (n is an odd number) arranged in a lattice pattern. The center of gravity of the cross section in the xy plane of the central defect column located at the center of the plurality of defect columns constituting the intersection is located at the intersection P. The first apex defect column constituting one of the four corners of the intersecting portion is close to the end of the first straight portion on the intersection P side. The second apex defect column constituting the other one of the four corners of the intersecting portion is close to the end on the intersection P side of the third straight portion. The third apex defect column constituting the other one of the four corners of the intersecting portion is close to the end of the second straight portion on the intersection P side. The fourth apex defect column constituting the other one of the four corners of the intersecting portion is close to the end portion on the intersection P side of the fourth straight portion.
本発明によれば、上記目的を達成することができる。 According to the present invention, the above object can be achieved.
上記及びそれ以外の本発明の目的、特徴及び利点は、下記の記載及び本発明の一例を示す添付図面の参照によって明らかになる。 The above and other objects, features, and advantages of the present invention will become apparent from the following description and reference to the accompanying drawings illustrating an example of the present invention.
フォトニック結晶体中に形成された線欠陥の近傍における導波光の電磁界構造は、導波光の進行方向に対して逆向きの斜め方向に、同一角度および同一位相で互いに交差しながら伝搬する2つの平面波電磁界によって近似できる。このことは上記非特許文献2にも記載されている。
The electromagnetic field structure of the guided light in the vicinity of the line defect formed in the photonic crystal body propagates in an oblique direction opposite to the traveling direction of the guided light while intersecting each other at the same angle and the same phase. It can be approximated by two plane wave electromagnetic fields. This is also described in
従って、線欠陥導波路を導波光の進行方向に対して90°の面で切断すると、導波光は、導波路の方向に対して、左右45°の角度で斜めに放射される。これが線欠陥導波路中に設けられた単純な十字構造の交差部を導波光が効率よく透過できない理由である。 Therefore, when the line defect waveguide is cut at a plane of 90 ° with respect to the traveling direction of the guided light, the guided light is emitted obliquely at an angle of 45 ° to the left and right with respect to the direction of the waveguide. This is the reason why the guided light cannot efficiently pass through the intersection of a simple cross structure provided in the line defect waveguide.
本発明では、線欠陥導波路を光の進行方向に対して45°の角度で切ることによって、導波路から45°の角度で放射される光を、その伝搬方向前方に配置された導波路で集光する。導波路から放射されて45°の角度で伝搬していく光はほぼ平面波であるので、上記導波路と交差する他の導波路の方向には広がらない。従って、交差する導波路に光が漏洩することはなく、光は交差部を効率よく透過できる。 In the present invention, by cutting the line defect waveguide at an angle of 45 ° with respect to the light traveling direction, the light emitted at an angle of 45 ° from the waveguide is transmitted by the waveguide disposed in front of the propagation direction. Condensate. The light radiated from the waveguide and propagating at an angle of 45 ° is almost a plane wave, so that it does not spread in the direction of another waveguide that intersects the waveguide. Therefore, light does not leak into the intersecting waveguides, and the light can efficiently pass through the intersecting portion.
以下、本発明のフォトニック結晶体の実施形態の一例について図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, an example of an embodiment of the photonic crystal body of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図3は、本実施形態に係るフォトニック結晶体を構成している円柱の配置を示す模式的断面図である。図示されているフォトニック結晶体中には、線欠陥12が形成されている。具体的には、正方格子状に配置された多数の非欠陥柱12aの中に欠陥柱12bが配置されている。ここで、図2に示すフォトニック結晶体の線欠陥光導波路と、図3に示すフォトニック結晶体の線欠陥光導波路とは、導波光の伝搬方向が直交する交差部を有する点で共通している。しかし、詳細な構造に関しては以下のように異なっている。
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing the arrangement of the columns constituting the photonic crystal body according to the present embodiment.
図2に示す線欠陥光導波路を構成している線欠陥52は、直線Y上に並べられた複数の欠陥柱52bによって構成される第一の直線部61と、直線Yと直交する直線Xの上に並べられた複数の欠陥柱52bによって構成される第二の直線部62とが、直線Xと直線Yとの交点Pにおいて直交している。換言すれば、2つの線欠陥(第一の直線部61及び第二の直線部62)が直交しており、その交差部は、直線Xと直線Yとの交点Pに配置された1つの欠陥柱52bによって構成されている。
The
これに対し、図3に示す線欠陥光導波路の線欠陥は、4つの直線部(第一の直線部21、第二の直線部22、第三の直線部23、第四の直線部24)と、これら4つの直線部が集中する位置に形成された交差部30とから構成されている。さらに、交差部30は複数の欠陥柱によって構成されている。
In contrast, the line defect of the line defect optical waveguide shown in FIG. 3 has four straight portions (first
具体的には、第一の直線部21は、直線Yと平行な直線Y1に沿って並べられた3つの欠陥柱12bから構成されている。
Specifically, the first
第二の直線部22は、前記直線Yと直交する直線Xと平行な直線X1に沿って並べられた3つの欠陥柱から構成されている。
The second
第三の直線部23は、直線Yを対称軸として直線Y1と鏡映対称な位置にある直線Y2に沿って並べられた3つの欠陥柱から構成されている。
The third
第四の直線部24は、直線Xを対称軸として直線X1と鏡映対称な位置にある直線X2に沿って並べられた3つの欠陥柱から構成されている。
The fourth
交差部30は、格子状に配列された3個×3個の欠陥柱12bから構成されている。
The
ここで、線欠陥12および交差部30を構成している欠陥柱の位置をより明確に説明すべく、直線Xと直線Yとの交点Pを原点とするX,Y座標系を定義する。かかる座標系では、原点より図1の紙面右方向を+X方向、左方向を−X方向とする。また、原点より図1の紙面上方向を+Y方向、下方向を−Y方向とする。
Here, in order to more clearly describe the positions of the defect pillars constituting the
第一の直線部21を構成している3つの欠陥柱12bは、Y軸と平行な直線Y1上に並べられている。より具体的には、第一の直線部21を構成している3つの欠陥柱12bの、X軸およびY軸を含むx−y平面における断面の重心は直線Y1上に並べられている。また、第一の直線部21を構成している3つの欠陥柱12bは、Y軸と平行な方向に第一の格子定数(y0)を有する。
The three
第三の直線部23を構成している3つの欠陥柱12bは、Y軸を対称軸として直線Y1と鏡映対称な位置にある直線Y2上に並べられている。より具体的には、第三の直線部23を構成している3つの欠陥柱12bの、x−y平面における断面の重心は直線Y2上に並べられている。また、第三の直線部23を構成している3つの欠陥柱12bは、Y軸と平行な方向に第一の格子定数(y0)を有する。さらに、第三の直線部23は、原点に関して第一の直線部21と点対称である。ここで、第一の直線部21と第三の直線部23の長さが異なる場合、厳密な意味では両者が点対称とはならない。しかし、第一の直線部21と第三の直線部23は、原点からの距離が等しい範囲内において点対称であればよい。
The three
第二の直線部22を構成している3つの欠陥柱12bは、X軸と平行な直線X1上に並べられている。より具体的には、第二の直線部22を構成している3つの欠陥柱12bの、x−y平面における断面の重心は直線X1上に並べられている。また、第二の直線部22を構成している3つの欠陥柱12bは、X軸と平行な方向に第二の格子定数(x0)を有する。
The three
第四の直線部24を構成している3つの欠陥柱12bは、X軸を対称軸として直線X1と鏡映対称な位置にある直線X2上に並べられている。より具体的には、第四の直線部24を構成している3つの欠陥柱12bの、x−y平面における断面の重心は直線X2上に並べられている。また、第四の直線部24を構成している3つの欠陥柱12bは、X軸と平行な方向に第一の格子定数(x0)を有する。さらに、第四の直線部24は、原点に関して第二の直線部22と点対称である。ここでも、第二の直線部22と第四の直線部24の長さが異なる場合、厳密な意味で両者が点対称とならない。しかし、第二の直線部22と第四の直線部24は、原点からの距離が等しい範囲内において点対称であればよい。
The three
交差部30は、原点に位置する欠陥柱12b(中心欠陥柱3a)を中心として格子状に配列された9個(3個×3個)の欠陥柱12bから構成されている。
The intersecting
交差部30を構成している複数の欠陥柱12bのうち、交差部30の四隅の一つを構成している欠陥柱12b(第一の頂点欠陥柱30b)は、第一の直線部21の原点側の端部に近接している。
Of the plurality of
また、交差部30を構成している複数の欠陥柱12bのうち、交差部30の四隅の他の一つを構成している欠陥柱12b(第二の頂点欠陥柱30c)は、第二の直線部22の原点側の端部に近接している。
Of the plurality of
また、交差部30を構成している複数の欠陥柱12bのうち、交差部30の四隅の他の一つを構成している欠陥柱12b(第三の頂点欠陥柱30d)は、第三の直線部23の原点側の端部に近接している。
Further, among the plurality of
また、交差部30を構成している複数の欠陥柱12bのうち、交差部30の四隅の他の一つを構成している欠陥柱12b(第四の頂点欠陥柱30e)は、第四の直線部24の原点側の端部に近接している。
Further, among the plurality of
また、交差部30を構成している複数の欠陥柱12bのうち、中心欠陥柱30aの両側に位置する一対の隣接欠陥柱30f、30gはY軸上に並べられている。また、交差部30を構成している複数の欠陥柱12bのうち、中心欠陥柱30aの両側に位置する他の一対の隣接欠陥柱30h、30iはX軸上に並べられている。
In addition, among the plurality of
交差部30を構成している上記9個の欠陥柱の配置についてさらに詳しく説明する。
The arrangement of the nine defect pillars constituting the
第一の頂点欠陥柱30bのx−y平面における断面の重心は、第一の直線部21の端部から−Y方向に第一の格子定数(y0)の距離だけ移動した位置から、同方向に第一の格子定数(y0)未満の距離(y1a)だけ移動し、更に、+X方向に第二の格子定数(x0)未満の距離(x1a)だけ移動した位置にある。すなわち、第一の頂点欠陥柱30bは、正方格子の配列から外れて中心欠陥柱30aに近接している。第一の頂点欠陥柱30bの正方格子配列に対するずれ量の絶対値は、距離(y1a)と距離(x1a)との合成距離に相当する。
The center of gravity of the cross section of the first
第二の頂点欠陥柱30dのx−y平面における断面の重心は、第三の直線部23の端部から+Y方向に第一の格子定数(y0)の距離だけ移動した位置から、同方向に第一の格子定数(y0)未満の距離(y1a)だけ移動し、更に、−X方向に第二の格子定数(x0)未満の距離(x1a)だけ移動した位置にある。すなわち、第二の頂点欠陥柱30dは、正方格子の配列から外れて中心欠陥柱30aに近接している。第二の頂点欠陥柱30dの正方格子配列に対するずれ量の絶対値は、距離(y1a)と距離(x1a)との合成距離に相当する。
The center of gravity of the cross section in the xy plane of the second
第三の頂点欠陥柱30cのx−y平面における断面の重心は、第二の直線部22の端部から+X方向に第二の格子定数(x0)の距離だけ移動した位置から、同方向に第二の格子定数(x0)未満の距離(x1b)だけ移動し、更に、+Y方向に第一の格子定数(y0)未満の距離(y1b)だけ移動した位置にある。すなわち、第三の頂点欠陥柱30cは、正方格子の配列から外れて中心欠陥柱30aに近接している。第三の頂点欠陥柱30cの正方格子配列に対するずれ量の絶対値は、距離(y1b)と距離(x1b)との合成距離に相当する。
The center of gravity of the cross section of the third
第四の頂点欠陥柱30eのx−y平面における断面の重心は、第四の直線部24の端部から−X方向に第二の格子定数(x0)の距離だけ移動した位置から、同方向に第二の格子定数(x0)未満の距離(x1b)だけ移動し、更に、−Y方向に第一の格子定数(y0)未満の距離(y1b)だけ移動した位置にある。すなわち、第四の頂点欠陥柱30eは、正方格子の配列から外れて中心欠陥柱30aに近接している。第四の頂点欠陥柱30eの正方格子配列に対するずれ量の絶対値は、距離(y1b)と距離(x1b)との合成距離に相当する。
The center of gravity of the cross section of the fourth
Y軸上の隣接欠陥柱30fのx−y平面における断面の重心は、原点から+Y方向に第一の格子定数(y0)未満の距離(y2)だけ離れた位置にある。また、Y軸上の隣接欠陥柱30gのx−y平面における断面の重心は、原点から−Y方向に第一の格子定数(y0)未満の距離(y2)だけ離れた位置にある。
The center of gravity of the cross section in the xy plane of the
X軸上の隣接欠陥柱30hのx−y平面における断面の重心は、原点から−X方向に第二の格子定数(x0)未満の距離(x2)だけ離れた位置にある。また、X軸上の隣接欠陥柱30iのx−y平面における断面の重心は、原点から+X方向に第二の格子定数(x0)未満の距離(x2)だけ離れた位置にある。
The center of gravity of the cross section in the xy plane of the
ここで、距離(y1a)は第一の格子定数(y0)の5%〜15%に相当する距離であることが望ましく、10%に相当する距離であることがさらに望ましい。また、距離(x1a)は、第二の格子定数(x0)の5%〜15%に相当する距離であることが望ましく、10%に相当する距離であることがさらに望ましい。 Here, the distance (y1a) is preferably a distance corresponding to 5% to 15% of the first lattice constant (y0), and more preferably a distance corresponding to 10%. The distance (x1a) is preferably a distance corresponding to 5% to 15% of the second lattice constant (x0), and more preferably a distance corresponding to 10%.
また、第一の格子定数(y0)と第二の格子定数(x0)とが等しく、距離(y1a)、距離(y1b)、距離(x1a)および距離(x1b)が上記範囲内において等しいことが望ましい。 Further, the first lattice constant (y0) and the second lattice constant (x0) are equal, and the distance (y1a), the distance (y1b), the distance (x1a), and the distance (x1b) are equal within the above range. desirable.
さらに、距離(y2)は第一の格子定数(y0)の70%〜90%に相当する距離であることが望ましく、77.5%に相当する距離であることがさらに望ましい。また、距離(x2)は第二の格子定数(x0)の70%〜90%に相当する距離であることが望ましく、77.5%に相当する距離であることがさらに望ましい。 Furthermore, the distance (y2) is preferably a distance corresponding to 70% to 90% of the first lattice constant (y0), and more preferably a distance corresponding to 77.5%. The distance (x2) is preferably a distance corresponding to 70% to 90% of the second lattice constant (x0), and more preferably a distance corresponding to 77.5%.
本件発明者の行ったシミュレーションでは、距離(y1a)および距離(x1a)を第一の格子定数(x0)および第二の格子定数(x0)の10%、距離(y2)および距離(x2)を第一の格子定数(y0)および第二の格子定数(x0)の77.5%としたときに最良の結果が得られた。尚、シミュレーションでは、第一の格子定数(y0)および第二の格子定数(x0)を0.4μm、非欠陥柱の直径を0.24μm、欠陥柱の直径を0.16μmとした。 In the simulation conducted by the present inventors, the distance (y1a) and the distance (x1a) are 10% of the first lattice constant (x0) and the second lattice constant (x0), and the distance (y2) and the distance (x2) are The best results were obtained with 77.5% of the first lattice constant (y0) and the second lattice constant (x0). In the simulation, the first lattice constant (y0) and the second lattice constant (x0) were 0.4 μm, the diameter of the non-defective column was 0.24 μm, and the diameter of the defective column was 0.16 μm.
図4は、上記条件を満たす線欠陥光導波路を伝搬する導波光の電磁界分布を示すマップである。一方、図5は、図2に示す線欠陥光導波路を伝搬する導波光の電磁界分布を示すマップである。いずれのマップでも、光は紙面下側から入射している。尚、図示されているマップは、シミュレーションによって求めた電磁界分布である。 FIG. 4 is a map showing the electromagnetic field distribution of the guided light propagating through the line defect optical waveguide that satisfies the above conditions. On the other hand, FIG. 5 is a map showing the electromagnetic field distribution of the guided light propagating through the line defect optical waveguide shown in FIG. In any map, light is incident from the lower side of the page. The map shown in the figure is an electromagnetic field distribution obtained by simulation.
図5に示されているように、図2に示す線欠陥導波路を伝搬する導波光の電磁界は、交差部をほとんど透過しないだけでなく、左右の導波路に漏洩している。 As shown in FIG. 5, the electromagnetic field of the guided light propagating through the line defect waveguide shown in FIG. 2 not only transmits through the intersection, but also leaks into the left and right waveguides.
一方、図4に示されているように、上記条件を満たす線欠陥導波路を伝搬する導波光の電磁界は、交差部において左斜め45°の方向に伝搬した後、上側の導波路に効率よく入射して伝搬している。 On the other hand, as shown in FIG. 4, the electromagnetic field of the guided light propagating through the line defect waveguide satisfying the above condition propagates in the direction of 45 ° to the left at the intersection, and then the efficiency is applied to the upper waveguide. It is well incident and propagating.
以上のように、本発明によれば、線欠陥導波路の交差部における光透過率が従来よりも向上する。よって、交差部における光透過率以外の特性を優先させて線欠陥導波路を設計しても、交差部における光透過率は従来と同等かそれ以上に維持される。従って、交差部における光透過率とそれ以外の特性とを両立させ、フォトニック結晶を用いた光集積回路全体の特性を高めることができる。この結果、光集積回路の高集積化や生産性の向上が実現される。 As described above, according to the present invention, the light transmittance at the intersection of the line defect waveguide is improved as compared with the conventional case. Therefore, even if the line defect waveguide is designed by giving priority to characteristics other than the light transmittance at the intersecting portion, the light transmittance at the intersecting portion is maintained equal to or higher than the conventional one. Accordingly, it is possible to achieve both the light transmittance at the intersection and other characteristics, and to improve the characteristics of the entire optical integrated circuit using the photonic crystal. As a result, high integration and productivity improvement of the optical integrated circuit are realized.
次に、本発明のフォトニック結晶体の製法について概説する。本発明のフォトニック結晶体は、SOIウエハ(Silicon On Insulator Wafer)を用いて作製することができる。例えば、厚みが2.0μmの埋め込み酸化膜と、厚みが1.0μmのシリコン活性層とが形成されたSOIウエハを用いることができる。シリコン活性層はノン・ドープとする。 Next, the method for producing the photonic crystal of the present invention will be outlined. The photonic crystal of the present invention can be produced using an SOI wafer (Silicon On Insulator Wafer). For example, an SOI wafer in which a buried oxide film having a thickness of 2.0 μm and a silicon active layer having a thickness of 1.0 μm are formed can be used. The silicon active layer is non-doped.
初めに、電子線露光技術を使って、図3に示すパターンを描画する。導波光の波長が1.55μmである場合は、格子定数を0.4μm、円柱の直径を0.24μm、線欠陥柱の直径を0.16μmとする。 First, the pattern shown in FIG. 3 is drawn using an electron beam exposure technique. When the wavelength of the guided light is 1.55 μm, the lattice constant is 0.4 μm, the diameter of the cylinder is 0.24 μm, and the diameter of the line defect column is 0.16 μm.
次に、異方性ドライエッチングによって、描画されたレジストパターンに従ってシリコン活性層を垂直に加工する。 Next, the silicon active layer is vertically processed according to the drawn resist pattern by anisotropic dry etching.
その後、残ったレジストパターンをアセトンで除去し、最後に埋め込み酸化膜と同じ1.45の屈折率を有する紫外線硬化樹脂を塗布し、硬化させる。 Thereafter, the remaining resist pattern is removed with acetone, and finally an ultraviolet curable resin having the same refractive index of 1.45 as that of the buried oxide film is applied and cured.
以上、本発明のフォトニック結晶体の実施形態の一例について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、分岐部を構成する線欠陥柱の数やそれら線欠陥柱の周期的配置に対するずれ量として上で述べた数値は一例であり、必要に応じて適宜変更することができる。例えば、各直線部の端部の欠陥柱を交差部に近接する方向に移動させることもできる。図6に示す例では、第一の直線部21および第三の直線部22を構成している欠陥柱12bのうち、交差部30に最も近接している2つの欠陥柱12bが第一の格子定数(y0)の1/20周期分だけ交差部30に近づいている。同様に、第二の直線部22および第四の直線部24を構成している欠陥柱12bのうち、交差部30に最も近接している2つの欠陥柱12bが第二の格子定数(x0)の1/20周期分だけ交差部30に近づいている。
As mentioned above, although the example of embodiment of the photonic crystal body of this invention was demonstrated, this invention is not limited to the said embodiment. For example, the numerical values described above as the number of line defect columns constituting the branch portion and the shift amount with respect to the periodic arrangement of the line defect columns are merely examples, and can be appropriately changed as necessary. For example, the defect column at the end of each straight line portion can be moved in the direction approaching the intersection. In the example shown in FIG. 6, of the
欠陥柱の数やずれ量、特に、交差部を構成する欠陥柱の数やずれ量の最適化を図る場合には、FDTDシミュレーション(有限差分時間領域シミュレーション)によって、欠陥柱の数やずれ量の最適化を図ることが望ましい。具体的には、欠陥柱の数やずれ量を変更しながら、交差部における光透過率の変化を確認する。 When optimizing the number of misaligned columns and the amount of misalignment, especially the number of misaligned columns constituting the intersection and the amount of misalignment, the number of misaligned columns and the amount of misalignment are determined by FDTD simulation (finite difference time domain simulation). It is desirable to optimize. Specifically, the change in the light transmittance at the intersection is confirmed while changing the number of defect columns and the amount of deviation.
また、分岐部を構成している線欠陥柱以外の円柱を変位させたり、その断面積を増減させたりすることもできる。さらには、柱は必ずしも円柱である必要はなく、四角柱や八角柱など、他の形状であってもよい。 Further, it is possible to displace a cylinder other than the line defect column constituting the branching portion, and to increase or decrease the cross-sectional area thereof. Furthermore, the column does not necessarily have to be a cylinder, and may have another shape such as a quadrangular column or an octagonal column.
この出願は、2007年10月1日に出願された日本出願特願2007−257616を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。 This application claims the priority on the basis of Japanese application Japanese Patent Application No. 2007-257616 for which it applied on October 1, 2007, and takes in those the indications of all here.
Claims (9)
前記線欠陥導波路の線欠陥は、
直線Yと平行な直線Y1に沿って形成された第一の直線部と、
前記直線Yと直交する直線Xと平行な直線X1に沿って形成された第二の直線部と、
前記直線Yを対称軸として前記直線Y1と鏡映対称な位置にある直線Y2に沿って形成され、前記直線Yと前記直線Xとの交点Pに関して、前記第一の直線部と点対称な第三の直線部と、
前記直線Xを対称軸として前記直線X1と鏡映対称な位置にある直線X2に沿って形成され、前記交点Pに関して、前記第二の直線部と点対称な第四の直線部と、を有し、
前記交差部の四隅のうちの第1の隅部は、前記第一の直線部の前記交点P側の端部に近接し、
前記交差部の四隅のうちの第2の隅部は、前記第三の直線部の前記交点P側の端部に近接し、
前記交差部の四隅のうちの第3の隅部は、前記第二の直線部の前記交点P側の端部に近接し、
前記交差部の四隅のうちの第4の隅部は、前記第四の直線部の前記交点P側の端部に近接している、
フォトニック結晶体。 A photonic crystal in which a line defect waveguide including an intersection is formed,
The line defect of the line defect waveguide is
A first straight line portion formed along a straight line Y1 parallel to the straight line Y;
A second straight line portion formed along a straight line X1 parallel to the straight line X orthogonal to the straight line Y;
Formed along a straight line Y2 that is mirror-symmetrical with the straight line Y1 with the straight line Y as the axis of symmetry, and a first point that is point-symmetric with respect to the intersection point P between the straight line Y and the straight line X Three straight sections;
The straight line X is formed along the straight line X2 that is mirror-symmetrical with the straight line X1 with the symmetry axis as the symmetry axis, and the second straight line part and the fourth straight line part that is point-symmetric with respect to the intersection point P are provided. And
The first corner of the four corners of the intersection is close to the end on the intersection P side of the first straight portion,
The second corner of the four corners of the intersection is close to the end on the intersection P side of the third straight portion,
A third corner of the four corners of the intersecting portion is close to an end on the intersection P side of the second straight portion,
The fourth corner of the four corners of the intersection is close to the end on the intersection P side of the fourth straight portion,
Photonic crystal.
前記第二の直線部は、前記x−y平面における断面の重心が、前記直線X1上に並べられた複数の欠陥柱から構成され、
前記第三の直線部は、前記x−y平面における断面の重心が、前記直線Y2上に並べられた複数の欠陥柱から構成され、
前記第四の直線部は、前記x−y平面における断面の重心が、前記直線X2上に並べられた複数の欠陥柱から構成され、
前記交差部は、格子状に配列されたn個×n個(nは奇数)の欠陥柱から構成され、
前記交差部を構成している前記複数の欠陥柱の中心に位置する中心欠陥柱は、前記x−y平面における断面の重心が、前記交点Pに位置し、
前記交差部を構成している前記複数の欠陥柱のうち、前記交差部の前記第1の隅部を構成している第一の頂点欠陥柱は、前記第一の直線部の前記交点P側の端部に近接し、
前記交差部を構成している前記複数の欠陥柱のうち、前記交差部の前記第2の隅部を構成している第二の頂点欠陥柱は、前記第三の直線部の前記交点P側の端部に近接し、
前記交差部を構成している前記複数の欠陥柱のうち、前記交差部の前記第3の隅部を構成している第三の頂点欠陥柱は、前記第二の直線部の前記交点P側の端部に近接し、
前記交差部を構成している前記複数の欠陥柱のうち、前記交差部の前記第4の隅部を構成している第四の頂点欠陥柱は、前記第四の直線部の前記交点P側の端部に近接している、
請求の範囲第1項に記載のフォトニック結晶体。 The first straight line portion is composed of a plurality of defect columns in which the center of gravity of the cross section in the xy plane including the straight line X and the straight line Y is arranged on the straight line Y1,
The second straight line portion is composed of a plurality of defect pillars in which the center of gravity of the cross section in the xy plane is arranged on the straight line X1,
The third straight line portion is composed of a plurality of defect pillars in which the center of gravity of the cross section in the xy plane is arranged on the straight line Y2.
The fourth straight line portion is composed of a plurality of defect pillars whose cross-sectional centroids in the xy plane are arranged on the straight line X2.
The intersection is composed of n × n defect columns (n is an odd number) arranged in a lattice pattern,
The center defect column located at the center of the plurality of defect columns constituting the intersecting portion has a center of gravity of a cross section in the xy plane located at the intersection P,
Of the plurality of defect pillars constituting the intersection, the first vertex defect pillar constituting the first corner of the intersection is the intersection P side of the first straight part. Close to the end of the
Of the plurality of defect pillars constituting the intersection, the second vertex defect pillar constituting the second corner of the intersection is on the intersection P side of the third straight line. Close to the end of the
Of the plurality of defect pillars constituting the intersection, the third vertex defect pillar constituting the third corner of the intersection is on the intersection P side of the second straight line. Close to the end of the
Of the plurality of defect pillars constituting the intersection, the fourth vertex defect pillar constituting the fourth corner of the intersection is on the intersection P side of the fourth straight part. Close to the end of the
The photonic crystal body according to claim 1.
前記第二の直線部および前記第四の直線部が、前記直線Xの方向に第二の格子定数(x0)を有し、
前記第一の頂点欠陥柱および前記第三の頂点欠陥柱の前記x−y平面における断面の重心が、前記第一の直線部または前記第三の直線部の端部から前記直線Yの方向に前記第一の格子定数(y0)の距離だけ前記中心欠陥柱に近接した位置から、前記直線Yの方向に前記第一の格子定数(y0)未満の距離(y1a)だけ前記中心欠陥柱に近接し、更に、前記直線Xの方向に前記第二の格子定数(x0)未満の距離(x1a)だけ前記中心欠陥柱(7)に近接した位置にあり、
前記第二の頂点欠陥柱および前記第四の頂点欠陥柱の前記x−y平面における断面の重心が、前記第二の直線部または前記第四の直線部の端部から前記直線Xの方向に前記第二の格子定数(x0)の距離だけ前記中心欠陥柱に近接した位置から、前記直線Xの方向に前記第二の格子定数(x0)未満の距離(x1b)だけ前記中心欠陥柱に近接し、更に、前記直線Yの方向に前記第一の格子定数(y0)未満の距離(y1b)だけ前記中心欠陥柱に近接した位置にあり、
前記直線Yの方向に沿って前記中心欠陥柱の両側に位置する一対の隣接欠陥柱は、前記x−y平面における断面の重心が、前記交点Pから前記直線Yの方向に前記第一の格子定数(y0)未満の距離(y2)だけ離れた位置にあり、
前記直線Xの方向に沿って前記中心欠陥柱の両側に位置する一対の隣接欠陥柱は、前記x−y平面における断面の重心が、前記交点Pから前記直線Xの方向に前記第二の格子定数(x0)未満の距離(x2)だけ離れた位置にある、
請求の範囲第3項に記載のフォトニック結晶体。The first straight line portion and the third straight line portion have a first lattice constant (y0) in the direction of the straight line Y;
The second straight line portion and the fourth straight line portion have a second lattice constant (x0) in the direction of the straight line X;
The center of gravity of the cross section in the xy plane of the first vertex defect column and the third vertex defect column is in the direction of the straight line Y from the end of the first straight portion or the third straight portion. Close to the central defect column by a distance (y1a) less than the first lattice constant (y0) in the direction of the straight line Y from a position close to the central defect column by the distance of the first lattice constant (y0) And, in the direction of the straight line X, is located close to the central defect column (7) by a distance (x1a) less than the second lattice constant (x0),
The center of gravity of the cross section in the xy plane of the second apex defect column and the fourth apex defect column is in the direction of the straight line X from the end of the second straight line part or the fourth straight line part. Close to the central defect column by a distance (x1b) less than the second lattice parameter (x0) in the direction of the straight line X from a position close to the central defect column by the distance of the second lattice parameter (x0) And, in the direction of the straight line Y, in the position close to the central defect column by a distance (y1b) less than the first lattice constant (y0),
A pair of adjacent defect columns located on both sides of the central defect column along the direction of the straight line Y has a center of gravity of a cross section in the xy plane from the intersection point P in the direction of the straight line Y. At a distance (y2) less than a constant (y0),
A pair of adjacent defect columns located on both sides of the central defect column along the direction of the straight line X has a center of gravity of a cross section in the xy plane, the second lattice extending from the intersection point P in the direction of the straight line X. At a distance (x2) less than a constant (x0),
The photonic crystal body according to claim 3.
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