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TWO-DIMENSIONAL PHOTONIC CRYSTAL OPTICAL RESONATOR

Patent code P100001255
File No. J1017-11
Posted date Nov 25, 2010
Application number P2007-079343
Publication number P2008-241892A
Patent number P5320566
Date of filing Mar 26, 2007
Date of publication of application Oct 9, 2008
Date of registration Jul 26, 2013
Inventor
  • (In Japanese)野田 進
  • (In Japanese)浅野 卓
  • (In Japanese)田中 良典
Applicant
  • (In Japanese)国立研究開発法人科学技術振興機構
Title TWO-DIMENSIONAL PHOTONIC CRYSTAL OPTICAL RESONATOR
Abstract PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical resonator which has a Q-value higher than that of a conventional type.
SOLUTION: A plurality of transition regions 140, 1411 to 1414, and 1421 to 1424 are provided in a connected row arrangement in one direction in a base region 131 in which vacancies 12 are periodically arranged in a main body 11 made of a plate-shaped dielectric body. In the transition region groups, the arrangement period ak of the vacancies 12 monotonically decreases from the center (a0) to ends. The arrangement period ak is preferable to be (1-Ck2)a0. Thus, the electromagnetic field distribution which decays in a Gauss distribution in the direction parallel to a waveguide 15 is formed in the waveguide 15. Further, a waveguide 15 is provided by eliminating vacancies 12 so as to penetrate through the respective regions, and when the vacancies interposing the waveguide are shifted to approach to each other, the width of the waveguide 15 is made narrower than the case where the vacancies are not shifted. Thus, the width of the Gauss distribution is broadened while keeping a mode volume and the optical resonator having a Q-value larger than a conventional type is obtained.
Outline of related art and contending technology (In Japanese)


波長分割多重通信(Wavelength Division Multiplexing:WDM)に使用される光分合波器等の光通信用デバイスの分野において、高性能化、小型化、低価格化をはかるために、フォトニック結晶を利用したデバイスの開発が進められている。フォトニック結晶は、誘電体に周期構造を人工的に形成したものである。この周期構造は一般に、誘電体本体とは屈折率が異なる領域(異屈折率領域)を誘電体本体内に周期的に配置することにより形成される。その周期構造により、結晶中に光のエネルギーに関するバンド構造が形成され、光の伝播が不可能となるエネルギー領域が形成される。このようなエネルギー領域は「フォトニックバンドギャップ」(Photonic Band Gap:PBG)と呼ばれる。PBGが形成されるエネルギー領域(波長帯)は、誘電体の屈折率や周期構造の周期により定まる。



また、この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、PBG中にエネルギー準位(欠陥準位)が形成され、その欠陥準位に対応する波長の光のみがその欠陥の近傍に存在できるようになる。従って、このような欠陥を有するフォトニック結晶はその波長の光の光共振器として使用することができる。更に、この欠陥を線状に設けることにより、導波路として使用することができる。



特許文献1には、本体(スラブ)に異屈折率領域を周期的に配置し、その周期的配置に線状の欠陥を設けることにより導波路を形成するとともに、その導波路に隣接して上記周期的配置に点状の欠陥を設けることにより光共振器を形成した2次元フォトニック結晶が記載されている。この2次元フォトニック結晶は、導波路内を伝播する様々な波長の光のうち光共振器の共振波長に一致する波長の光を外部へ取り出す分波器として機能すると共に、外部から導波路に導入する合波器としても機能する。



光共振器においては、共振モードの全電磁界エネルギーを共振器内のエネルギー密度の最大値で除したモード体積を小さくすると集積化の点及び光共振器内での光と物質(例えば共振器内に導入される発光材料を構成する物質)の相互作用を強くすることができるという点で有利になる。そこで、モード体積を従来と同程度又はそれ以下に小さくしつつ、光の閉じ込め効率を高めることのできる光共振器が検討されてきた。



特許文献2には、本体に、第1の周期で異屈折率領域が配置された第1領域と、第1領域を挟むように設けられ、第1周期とは異なる周期で異屈折率領域が配置された第2領域及び第3領域とを有し、これら第1~第3領域を通過する導波路が設けられた2次元フォトニック結晶が記載されている。この2次元フォトニック結晶では、第1~第3領域における周期の違いにより、第1領域内の導波路は通過できるのに対して第2及び第3領域内の導波路は通過することができない波長帯域が形成される。そのため第1領域内の導波路は、この波長帯域内の波長を持つ光を閉じ込めることができ、その波長に関する光共振器として機能する。このような構成の光共振器は「ヘテロ共振器」と呼ばれる。ヘテロ共振器により、光共振器のQ値を数十万~数百万とすることができる。この値は従来の点状欠陥光共振器におけるQ値の数百~数千倍に相当する。また、モード体積は1.3(λ0/n)3という非常に小さい値になる(λ0:真空中における波長、n:光共振器の屈折率)。



また、特許文献3には、線状欠陥を有する2次元フォトニック結晶において、線状欠陥の一部分のみ、線状欠陥の両側にある1~数列の異屈折率領域を他の部分の異屈折率領域の列よりも外側にシフトさせることにより、その一部分に光共振器を形成することが記載されている。特許文献3によると、この光共振器のQ値は計算値で最大約420万、実験値で最大約40万である。



【特許文献1】
特開2001-272555号公報
【特許文献2】
国際公開WO2005/022220号パンフレット
【特許文献3】
特開2007-047604号公報

Field of industrial application (In Japanese)


本発明は、波長合分波器等の光デバイスに用いられる光共振器に関し、特に2次元フォトニック結晶を用いた光共振器に関する。なお、本願において用いる「光」には、可視光以外の電磁波も含むものとする。

Scope of claims (In Japanese)
【請求項1】
 
誘電体から成る板状の本体内に、該本体とは屈折率が異なる異屈折率領域が周期的に配置された2次元フォトニック結晶に形成される光共振器であって、
a) 一方向に連接する2n+1個の遷移領域から成る遷移領域群であって、各遷移領域内における異屈折率領域の前記方向における配置周期ak(1-Ck2)a0(0≦k≦nであり、kは中央を0、それから両端に向けてそれぞれ1→nと番号付ける。a0はk=0における配置周期。Cは定数。)に設定され、配置周期がa1~anである遷移領域における前記方向の異屈折率領域の周期数が全て同じである遷移領域群と、
b) 前記遷移領域群の、前記連接方向における両外側に設けられ、異屈折率領域の前記方向における周期ab(1-C(n+1)2)a0であるベース領域と、
c) 前記ベース領域及び遷移領域群の2n+1個の遷移領域を貫くように異屈折率領域を欠損させることにより形成された導波路であって、該導波路を挟む両側の異屈折率領域の全体が、前記連接方向に垂直な方向に所定量だけ互いに近づくようにシフトされており、該所定量がシフト前の導波路の幅の0.125~0.25倍である貫通導波路と、
を備えることを特徴とする2次元フォトニック結晶光共振器。

【請求項2】
 
異屈折率領域が、導波路に平行な方向に前記配置周期akで配置され、導波路に垂直な方向にはいずれの遷移領域においても同じ周期で配置されてい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共振器。
IPC(International Patent Classification)
F-term
Drawing

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JP2007079343thum.jpg
State of application right Registered
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