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2次元フォトニック結晶光分合波器 コモンズ

国内特許コード P07A012525
整理番号 A112P43
掲載日 2007年12月28日
出願番号 特願2002-086221
公開番号 特開2003-279764
登録番号 特許第3459827号
出願日 平成14年3月26日(2002.3.26)
公開日 平成15年10月2日(2003.10.2)
登録日 平成15年8月8日(2003.8.8)
発明者
  • 野田 進
  • 望月 理光
  • 浅野 卓
出願人
  • 国立研究開発法人科学技術振興機構
発明の名称 2次元フォトニック結晶光分合波器 コモンズ
発明の概要 【課題】 小型化が可能であり、かつQ値及び効率の高い光分合波器を提供する。
【解決手段】 スラブ状の本体11に、本体11の材質よりも低屈折率の領域(空孔)12を周期的に配置することにより2次元フォトニック結晶を作製する。その中で空孔12を線状に設けないことにより導波路13を形成する。導波路13に隣接した場所の2個以上の格子点で空孔12を設けないことにより、ドナー型クラスタ欠陥14を形成する。このような構成により、導波路13を伝播する光のうち特定の波長の光だけがドナー型クラスタ欠陥14において共振し、捕獲されて外部へ放出される(分波)。逆に、ドナー型クラスタ欠陥14において外部から特定の波長の光だけを導波路13に投入することもできる(合波)。
従来技術、競合技術の概要


近年、新しい光デバイスとして、フォトニック結晶が注目されている。フォトニック結晶とは周期屈折率分布をもった光学機能材料であり、光子のエネルギーに対してバンド構造を形成する。特に、光の伝播が不可能となるエネルギー領域(フォトニックバンドギャップ)が形成されることが特徴である。
フォトニック結晶の適用が期待される分野の一例として、光通信の分野を取り上げる。光通信において、従来の光時分割多重方式(Optical Time Division Multiplexing : OTDM)に代わって、波長分割多重方式(Wavelength Division Multiplexing : WDM)が用いられている。このWDMは、一本の伝送路に複数の波長の光を伝播させ、それぞれに別個の信号を乗せる通信方式である。これによって、単位時間に送信できる情報量が飛躍的に向上する。
この波長分割多重方式においては、伝送路の入口側で各波長の光を混合し、混合された光を出口側で各波長ごとに取り出す。そのために、光の合波器及び分波器、あるいは波長フィルタが必要となる。このうち分波器として、現状ではアレイ導波路回折格子(Arrayed Waveguide Grating : AWG)が用いられている。しかし、AWGでは通常の導波路を用いるので、光の損失を小さくするために、現状では数cm角程度の比較的大きな素子が用いられている。
そこで、フォトニック結晶から成るデバイスを上記分波器及び合波器として用いることにより、上記分波器の小型化を図ることが検討されている(例えば、特開2001-272555号公報に記載。以下、従来技術1とする。)。以下に、フォトニック結晶から成る分波器について簡単に述べる。フォトニック結晶中に適切な欠陥を導入することにより、上記フォトニックバンドギャップ中にこの欠陥によるエネルギー準位(欠陥準位)が形成される。これによって、上記フォトニックバンドギャップ中のエネルギーに対応する波長範囲のうち、欠陥準位のエネルギーに対応する波長の光のみが存在可能になる。結晶中の上記欠陥を線状にすれば光導波路となり、結晶中の欠陥を点状にすれば光共振器となる。
フォトニック結晶中に上記導波路を設け、その近傍に上記点欠陥を適切に設ければ、様々な波長の光が導波路内を伝播し、その内の、点欠陥の共振周波数に一致する波長の光のみが点欠陥に捕獲される。その光を取り出せば、所望の波長の分波器となる。逆に、共振周波数に一致する波長の光を点欠陥からフォトニック結晶内に導入し、他の様々な波長の光と一緒に導波路内を伝播させれば、所望の波長の合波器となる。
分波器及び合波器としてのフォトニック結晶には、2次元結晶あるいは3次元結晶を用いることができる。その両者にそれぞれ特長があるが、以下では、作成が比較的容易な2次元結晶について述べる。2次元フォトニック結晶では、面に直交する方向(面直方向)には結晶本体と空気との大きな屈折率の差があるので、光を面直方向に対して閉じこめることができる。
上記従来技術1において、InGaAsPから成るスラブに周期的に同じ直径の円柱孔を開け、その円柱孔の1列を塞ぐことで光導波路とし、さらに少なくとも1箇所の円柱孔の直径を他の円柱孔の直径と異なるものとすることで欠陥を導入して、それを光共振器とした場合について検討されている。
それによれば、伝播させたい光の波長(上記実施例では、波長分割光多重通信に一般的に用いられる波長帯のひとつである1.55μm)に合わせて格子定数aを設定する。そして、各格子点に設けた円柱孔の半径を0.29aとする。そのうち1個の円柱孔の半径を0.56aとすることにより、そこに点欠陥を形成する。すると、その点欠陥からスラブの面直上下方向に規格化周波数f=0.273の光が放射される。この時のQ値はおよそ500となる。ここで、規格化周波数とは、光の周波数にa/c(cは光速)を乗じて無次元としたものである。Q値は共振器の効率を示す値であり、Q値が大きいほど波長分解能も高くなる。また、1個の円柱孔の半径を0.56a、別の1個の円柱孔の半径を0.58aと、大きさの異なる複数の点欠陥を形成した場合、それぞれ規格化周波数が0.2729及び0.2769と、波長の異なる2種の光が放射される。その時のQ値はいずれもおよそ500となる。

産業上の利用分野


本発明は、波長分割光多重通信などに用いられる光分合波デバイスに関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
a)スラブ状の本体と、
b)上記本体に周期的に配列された複数の、本体とは屈折率の異なる領域と、
c)上記本体において、上記異屈折率領域の欠陥を線状に設けることにより形成される導波路と、
d)上記導波路の近傍に設けられる、隣接する2個以上の欠陥によって形成されるクラスタ欠陥と、
を備えることを特徴とする2次元フォトニック結晶光分合波器。

【請求項2】
上記クラスタ欠陥が、隣接する2個の欠陥によって形成されることを特徴とする請求項1に記載の2次元フォトニック結晶光分合波器。

【請求項3】
上記クラスタ欠陥が、三角形状に隣接する3個の欠陥によって形成されることを特徴とする請求項1に記載の2次元フォトニック結晶光分合波器。

【請求項4】
上記クラスタ欠陥が、導波路に平行な直線状に隣接する3個の欠陥によって形成されることを特徴とする請求項1に記載の2次元フォトニック結晶光分合波器。

【請求項5】
直線状に隣接する3個の欠陥によって形成される上記クラスタ欠陥が、上記導波路から上記異屈折率領域の列の4列目に設けられることを特徴とする請求項4に記載の2次元フォトニック結晶光分合波器。

【請求項6】
a)スラブ状の本体と、
b)上記本体内に設けられた2以上の禁制帯領域と、
c)各禁制帯領域内において、各禁制帯領域毎に異なる周期で周期的に本体に配列された複数の、本体とは屈折率の異なる領域と、
d)各禁制帯領域内において上記異屈折率領域の欠陥を線状に設けることにより形成され、全禁制帯領域を通過するように設けられる導波路と、
e)各禁制帯領域内において上記導波路の近傍に設けられる点状欠陥と、
を備えることを特徴とする2次元フォトニック結晶光分合波器。

【請求項7】
上記複数の禁制帯領域の各々に設けられた点状欠陥のうちの少なくとも1つが、隣接する2個以上の欠陥によって形成されるクラスタ欠陥であることを特徴とする請求項6に記載の2次元フォトニック結晶光分合波器。

【請求項8】
上記複数の禁制帯領域の各々に設けられた点状欠陥のうちの少なくとも1つが、隣接する2個の欠陥によって形成されるクラスタ欠陥であることを特徴とする請求項7に記載の2次元フォトニック結晶光分合波器。

【請求項9】
上記複数の禁制帯領域の各々に設けられた点状欠陥のうちの少なくとも1つが、三角形状に隣接する3個の欠陥によって形成されるクラスタ欠陥であることを特徴とする請求項7に記載の2次元フォトニック結晶光分合波器。

【請求項10】
上記複数の禁制帯領域の各々に設けられた点状欠陥のうちの少なくとも1つが、導波路に平行な直線状に隣接する3個の欠陥によって形成されるクラスタ欠陥であることを特徴とする請求項7に記載の2次元フォトニック結晶光分合波器。

【請求項11】
直線状に隣接する3個の欠陥によって形成される上記クラスタ欠陥が、上記導波路から上記異屈折率領域の列の4列目に設けられることを特徴とする請求項10に記載の2次元フォトニック結晶光分合波器。

【請求項12】
上記異屈折率領域の欠陥は、本体の一方の面から本体の厚みの5%~40%の範囲の部分にのみ異屈折率領域を設けたものであることを特徴とする請求項1~11のいずれかに記載の2次元フォトニック結晶光分合波器。

【請求項13】
上記異屈折率領域の厚みが本体の厚みの20%~30%であることを特徴とする請求項12に記載の2次元フォトニック結晶光分合波器。

【請求項14】
上記異屈折率領域が、本体よりも屈折率の低い領域であることを特徴とする請求項1~13のいずれかに記載の2次元フォトニック結晶光分合波器。

【請求項15】
上記低屈折率領域が空孔であることを特徴とする請求項14に記載の2次元フォトニック結晶光分合波器。

【請求項16】
上記異屈折率領域の欠陥が、本体に空孔を設けないことにより形成されるドナー型欠陥であることを特徴とする請求項15に記載の2次元フォトニック結晶光分合波器。

【請求項17】
上記異屈折率領域の欠陥が、上記空孔よりも径の大きい空孔を設けることにより形成されるアクセプタ型欠陥であることを特徴とする請求項15に記載の2次元フォトニック結晶光分合波器。
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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JP2002086221thum.jpg
出願権利状態 登録
参考情報 (研究プロジェクト等) CREST 電子・光子等の機能制御 領域
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