二维光子晶体以及使用此的光合分波器的制作方法

专利名称：二维光子晶体以及使用此的光合分波器的制作方法
技术领域：
本发明涉及在波分波分复用等中作为光分合波器等而使用的二维光子晶体。另外，假定本申请中所使用的“光”中包含可见光以外的电磁波。
背景技术：
光通信是担当今后的宽带通信的主要使命的通信方式。为了光通信的普及，对用于该种类系统的光部件种类，要求更高性能化、小型化、以及低价格化。利用光子晶体的光通信用装置，是满足这种要求的下一代光通信部件的有力候补之一。
光子晶体是在电介质上人工形成周期构造的器件。周期构造通常是通过在主体内形成与电介质主体折射率不同的区域(修正折射率区域modified refractive index area)而形成的。通过该周期构造，在晶体中与光的能量相关地形成带状构造，而形成光不能传播的能量区域。将这种能量区域称作“光子带隙”(Photonic Band GapPBG)。形成有PBG的能量区域(波长带)，由电介质的折射率和周期构造的周期所确定。
通过在该光子晶体中导入适当的缺陷，能够在PBG中形成能级(缺陷能级)，并且仅与该缺陷能级对应的波长的光能够在该缺陷近旁存在。因此，具有这种缺陷的光子晶体能够作为该波长的光的光共振器而使用，并且通过线状地设置该缺陷，能够作为导波路径而使用。
在假设主体是硅板，修正折射率区域是空气(空孔)的情况下，要求与当前光通信中通常所使用的波长1.25～1.65μm的近红外光相对应的晶体周期的大小是1μm以下。并在其加工时要求纳米量级的精度。可是，由于近年的加工处理机的性能提高使得纳米尺度(scale)的加工成为可能，因此光通信用光子晶体已经部分地进入了实用化阶段，并且正实用化地供给偏振分散补偿用光子晶体光纤等。当前用于波分复用(WDM)的光分合波器等的开发正在进一步向实用化进展。
在专利文献1中，记载了如下光子晶体即在主体(平板)上周期性地配置修正折射率区域，并通过在该周期性的配置上线状地设置缺陷而形成波导，并与该波导相邻接地形成点状缺陷。该二维光子晶体，作为将在波导内传播的各种波长的光中与共振器的共振波长一致的波长的光向外部取出的分波器而发挥功能，并作为将光从外部导入波导的合波器而发挥功能。
多个二维光子晶体中，设计为，与电场平行于主体而振动的TE偏振或磁场平行于主体而振动的TM偏振的任何一方的偏振光相对应地形成PBG。例如，在将周期构造设计为三角格子，将修正折射率区域设计为圆形(圆柱状)的情况下，对于TE偏振仅形成PBG。在这种二维光子晶体中的波导和共振器中，主要仅使用TE偏振，几乎不产生损失。可是，对于TM偏振，由于没有形成PBG，因此TM偏振在主体内自由地传播。因此，在包含两偏振的光被导入到2维光子晶体的波导和共振器的情况下，一方的偏振向主体内漏散，因此光传播的效率降低了。
因此，正在研究以如下方式设计的二维光子晶体，对于TE偏振和TM偏振均形成PBG，并且两PBG具有共同区域。以下，将该共同区域称作“完全光子带隙(完全PBG)”。例如，在非专利文献1中公开了以下光子晶体即如图1(a)的俯视图所示的那样，在平板11上以三角格子状周期性地配置三角形(三角柱状)的空孔12，从而形成完全PBG。在该二维光子晶体中，即使完全PBG内的波长的光是TE偏振和TM偏振的任何一方，均不会从波导和该共振器向主体漏散，不会引起效率降低。
另外，在非专利文献1的二维光子晶体中，通过增大单位格子内的空孔(修正折射率区域)相对于单位格子的面积分数即填充因数(fill factorFF)，能够扩大完全PBG的宽度。由此，能够扩大可使用的波长带域。
可是，在非专利文献1的结构中，如图1(b)所示，若将FF的值设为0.5，则与邻接的空孔12接连，因此实际上不能够采用0.5以上的FF值。另外，即使是0.5以下，若将FF值增大，则三角形的顶点中的主体的连接部分变细，平板11的强度降低，因此实用上必须将FF设为0.45以下。如此，在非专利文献1的结构中，在能够设定的完全PBG、以及由此所确定的可使用的波长带域的宽度方面，存在限度。
专利文献1特开2001-272555号公报( ～ 、 、图1、图5～6)非专利文献1北川均他、『二维光子晶体平板中的完全光子带隙』、第50届应用物理学联合座谈会讲演预稿集、社团法人应用物理学会、2003年3月、p.1129。

发明内容
本发明所要解决的问题是提供一种二维光子晶体，其在目标波长带域中具有足够宽的完全PBG宽度。
为了解决上述问题而形成的本发明，是通过在平板状的主体上周期性地配置与该主体折射率不同的同一形状的区域而形成的二维光子晶体，其特征在于，所述修正折射率区域的平面形状是将顶点取倒角的多边形。
在本发明中，通过在平板状的主体上周期性地配置同一形状的修正折射率区域而形成二维光子晶体。虽然能够通过在主体内埋设与主体折射率不同的有形构件而形成修正折射率区域，但是从能够增大折射率的差的方面以及制造上的容易方面出发，设计空气(即空孔)较为合适。
在本发明中，将该修正折射率区域的平面形状设为顶点取倒角的多边形。
首先，通过设计为多边形，相比于设计为圆形的情况，二维晶体构造的对称性降低。由此，针对TE偏振和TM偏振的双方形成PBG。通过选择多边形的形状而保持共通区域，而形成完全PBG。对于这种多边形，存在正三角形、正方形和正六边形。
在本发明中，通过截取这些顶点的角，能够实现在修正折射率区域的顶点，在与邻接的修正折射率区域之间确保足够粗的主体连接部分。由此，作为二维光子晶体能够在确保实用上必要的强度的同时，通过增大角以外的部分的修正折射率区域而增大修正折射率区域整体的面积，从而得到较大的FF值。也就是说，相比于不对顶点的角截取的情况，能够增大完全PBG宽度，并能够扩大作为光设备等而可以使用的波长带。例如，在平面形状为三角形的情况下，以往，理论上以FF值为0.5以上，但是实际上为了确保晶体的强度，不能设为0.45以上，与此相对，在本发明中在确保强度的同时将FF值置为0.45以上，并进一步能够置为0.5以上。
对顶点的取倒角，虽然优选为以一条直线切断顶点的直线形状，但是基于以下的理由，更优选为圆弧状。在与当前的光通信中通常所使用的波长1.25～1.65μm的近红外光相对应的光子晶体中，制造时要求纳米量级的加工。例如，在修正折射率区域是具有正三角形形状的平面形状的空孔，目标波长的中心值为1.55μm的情况下，该空孔的一边的长度大约为350nm。若通过干蚀刻等方法进行这种空孔的加工，则加工出多边形的锐角较为困难。因此，从空孔制作容易的观点出发，优选为顶点附近是圆弧状。另外，即使修正折射率区域是空孔，在主体内埋设某种优选构件的情况下，同样根据加工容易性的理由，优选为将顶点的角设为圆弧状。
在本发明中，进行顶点的取倒角时，有必要保留原多边形的基本的形状。例如在利用直线对正三角形的顶点取倒角时，假设，将一边中的切除长度设为边的长度的1/3，则取倒角后的形状为正六边形，基本已经失去了所谓的正三角形的基本形状。为此，此时需要将切除长度设为边长的1/3以下。另一方面，若以圆弧状取倒角，则不会丧失多边形的基本形状，因此相比于以直线状取倒角的情况能够较大地取倒角。
有时，因修正折射率区域的形状不同，即使是多边形也不形成TE偏振的PBG和TM偏振的PBG共通的区域，即不形成完全PBG区域。例如，以正方格子状配置正方形的修正折射率区域的情况就对应于此。此时，由于没有打开TM偏振的PBG，因此不形成完全PBG。但是，由于TE偏振的PBG是开放的，因此对于仅以TE偏振为对象的偏振依赖型装置，该晶体构造是有效的构造。对于正方格子-正方形孔的情况，与邻接孔的最近距离不是顶点之间的距离，而是边与边之间的距离，与三角形孔的形状不同。即使此时，也能够得到加工容易的效果。
在本发明的二维光子晶体中，优选为，修正折射率区域的形状具有如下对称性，即持有三次旋转对称轴和包含该轴的垂直镜像面。该对称性，以作为国际表示的Hermann-Mauguin标记表示为“3m”，以Schoenflies标记表示为“C3v”。本申请发明者的一部分更明确地实现了在具有这种3m对称性的二维光子晶体中得到完全PBG。此外，将具有3m对称性的修正折射率区域的顶点附近设置为圆弧状曲线，能够得到具有相比于不取倒角的情况宽度更宽的完全PBG的二维光子晶体。


图1是表示以往的二维光子晶体的一例的俯视图。
图2是表示本发明所涉及的二维光子晶体的一个实施例的俯视图。
图3是表示本实施例的二维光子晶体中的空孔的放大图。
图4是表示本实施例的二维光子晶体的电子显微镜照片。
图5是表示形成有完全光子带隙(完全PBG)的例子的曲线图。
图6是表示形成FF值比0.5大的空孔的周期性配置的例子的俯视图。
图7是表示各种FF值以及半径ra中的完全PBG宽度的计算结果的曲线图。
图8表示对完全PBG宽度为35nm时的半径ra-35进行计算的结果的曲线图。
图9表示本发明的二维光子晶体的其他实施例的俯视图。
图10表示由本实施例的二维光子晶体形成的光分合波器的一例的俯视图。
图中11、21-主体(平板)，12、22-空孔，31-与TE偏振对应的PBG，32-与PM偏振对应的PBG(与完全PBG一致)，51-波导，52-共共振器。
具体实施例方式
图2～4表示本发明所涉及的二维光子晶体的一个实施例。本实施例的二维光子晶体，如图2所示的那样，在平板状的主体21上，以三角格子状设置空孔22。空孔22，如图3(a)所示，其平面形状基本为正三角形23(虚线)，并以半径ra的内接圆的圆弧24对各顶点取倒角。
另外，虽然也可以如图3(b)所示以直线对各顶点取倒角，但是考虑到用电子束对空孔22进行照射而制造的情况，由电子束产生的加工轨迹成为圆形，能够将此原样利用，根据这一点优选为如(a)那样加工为圆弧状。
图4表示所制作的二维光子晶体的电子显微镜照片。在由硅形成的平板主体21内部，清晰地形成有将正三角形的顶点以圆弧状取倒角的形状的空孔22。该二维光子晶体的三角格子的周期a是460nm，角的圆弧的半径ra是0.12a(55nm)，FF值是0.42。
在本实施方式的二维光子晶体中，各空孔的形状(将正三角形的角形成为圆弧状)具有3m对称性，因此能够形成完全PBG。这里，在FF值是0.43，ra是0.15a的情况下，利用平面波展开法而对与TE偏振和TM偏振相对应的PBG进行计算。此时，主体21的折射率设为3.46(Si的折射率)，对应于TE偏振的有效介电常数εTE设为8.92，将对应于TM偏振的有效介电常数εTM设为6.23。另外，所使用的波长带域的中心波长(以下，简单称作“中心波长”)为1.55μm，将主体21的厚度设为320nm。于是，主体上下与空气接触。图5表示其计算结果。相对于TE偏振形成PBG31，相对于TM偏振形成PBG32。其中，TM偏振的PBG32的波长带域的全体重叠于TE偏振的PBG31的波长带域。因此，可以说TM偏振的PBG32的波长带域中形成着完全PBG。
即使从强度的观点出发，本实施例也具有有利的效果。通过将正三角形的顶点设为圆弧状，能够增大邻接的空孔22彼此的顶点间距离。也就是说，能够将由邻接的空孔22所夹持的部分的主体连接部分增粗。由此，能够将FF值增大到以往的实用上的上限即0.45以上，进而能够将增大到超过0.5。在图6中，作为一例，示出了将半径ra设为0.27a，将FF值设为0.65。此时可知，虽然将FF值设为0.5以上，但也能够在邻接的空孔22之间确保粗度达b＝0.12a的连接部分(主体)。
图7示出了对于各种FF值和半径ra计算所得的主体折射率为3.46，中心波长为1.55μm时的完全PBG宽度。(a)示出了FF值为0.30～0.50的情况。(b)将纵轴的刻度缩得比(a)小而示出了FF值为0.50～0.85的情况。基本来说可以观察到如下倾向，即在FF值相同的情况下，随着半径ra变大完全PBG宽度变窄。于是可知，在FF值为0.35以上的情况下，通过将半径ra置为规定值以下，能够得到WDM中所使用的C带(波长1.530μm～1.565μm)的宽度即35nm以上的完全PBG宽度(比图7(a)中的虚线更靠近上侧)。
接下来，研究角的圆弧的半径ra和FF值对完全PBG的宽度(波长宽度)所产生的影响。只要不变化FF值，随着ra增大完全PBG宽度减小。可是，由于通过将ra增大而将正三角形的基本形状增大，由此能够将FF值增大，因此超出上述减少量而能够使完全PBG宽度增加。例如，将邻接空孔的顶点间的最短距离b一同设为0.15a，把(i)将空孔加工为正三角形的情况(FF＝0.35)与(ii)将正三角形的顶点加工为圆弧状的情况(FF＝0.47)相比较。对于两者，由于顶点间的最短距离b即主体的连接部分的粗度相等，因此可以认为作为二维光子晶体的强度大致相等。如图7(a)所示，对于(i)的情况，完全PBG宽度约为55nm(点41)，与此相对，对于(ii)的情况，完全PBG宽度增加到大至约为130nm(点42)。
如图7(a)的图线所明了的，在以往的方法中，能够将FF值设为0.5以上，因此完全PBG宽度理论上的上限是大约180nm(点43)。与此相对，由于按照本发明能够将FF值设为0.5以上，因此如图7(b)所示，能够得到以上于此的宽度的完全PBG。
另外，可以发现若将FF值设为0.5以上，则在ra较小的区域中有完全PBG宽度变窄的倾向。另外，若将FF值设为0.7以上，则在ra的全区域中，随着FF值增大，完全PBG宽度减小。即便如此，在将FF值设为0.85以下的情况下，通过适当地设定ra，能够得到比以往的理论最大值(点43)更大的完全PBG宽度(比图7(b)中的虚线更靠上侧)。
在WDM通信中，大致将中心波长设为1.25μm～1.65μm，将带域宽度设为35nm。因此，在图2的结构中，对于若干的中心波长，变化FF值同时计算完全PBG宽度为35nm时的半径ra-35。图8示出了其结果。这里，虽然将折射率设为3.46，但能够在折射率为3.15～3.55的范围中大致得到同样的结果。在各中心波长中，在比图中所示的点更靠近下侧，即半径ra较小的一方，是有必要形成35nm以上的完全PBG宽度的区域。于是，中心波长越小，ra-35越小。因此，在中心波长为上述范围中最小即1.25μm时，以如下函数拟合(fitting)ra-35的计算值(α、β、γ、δ)。
f(FF)＝α(FF-δ)0.5+β(FF-δ)+γ(FF-δ)2…(1)结果，α＝1.23、β＝-1.28、γ＝1.03、δ＝0.34时，与实验数据更加一致。因此，在中心波长为1.25μm时，通过以满足
0＜ra＜[1.23(FF-0.34)0.5-1.28(FF-0.34)+1.03(FF-0.34)2] …(2)的方式设定FF和ra而能够得到具有35nm以上的完全PBG宽度的二维光子晶体。另外，在中心波长比1.25μm大的情况下，与中心波长为1.25μm的情况相比，(2)式的右边更大。因此，在计算的中心波长的范围(1.25μm～1.65μm)中，若ra在(2)式的范围内，则至少能够得到具有35nm以上的完全PBG宽度的二维光子晶体。当然，在中心波长为1.25μm以外的情况下，通过进行与上述同样的计算，能够求得在该波长中可以设定的ra的范围。
在上述的实施例中，说明了将基本形状设为正三角形，将顶点倒角为圆弧状，但是在基本形状是正方形和正六边形的情况下，通过适用本发明，能够在邻接空孔的顶点间确保充分的距离，并能够将FF增大。但是，从具有3m对称性这一点出发，将正三角形作为基本形状更为优选。另外，顶点附近的形状，在上述实施例中仅示出了圆弧状，但是也可以是椭圆弧状等、其他形状。
虽然在上述的实施方式中将空孔(格子点)的配置设为三角格子状，但是也可以如图9(a)那样，将空孔22设为正六边形的蜂窝状。另外，也可以如(b)所示的那样，空孔的配置与图2同样地设为三角格子状，而将空孔的朝向相对于格子旋转(在该例中，30°旋转)。对于这些情况，由于空孔的形成均满足3m对称性，因此能够在满足邻接空孔间的距离(即，光子晶体的强度)，并能够增大FF值。
图10示出了由本实施例的二维光子晶体所形成的光分合波器的一例。或者在格子点中不设置空孔22，或者通过将其大小或形状设定与其他空孔不同而形成空孔22的缺陷。通过线状地设置该缺陷而形成波导51。另外，对于波导51的情况，优选为通过不设置空孔22(使缺损)而形成，以便使光不向与主体21的面垂直的方向漏散。另外，通过在波导51的近旁设置空孔22的缺陷，而形成光共振器52。点状缺陷也可以是仅一个空孔的缺陷，另外，通过在邻接的多个空孔中形成缺陷也能够形成一个光共振器。如此设置波导51和光共振器52，该二维光子晶体作为如下器件而发挥功能即把通过波导51的光中的规定波长的光从波导51经由光共振器52向外部取出的光分波器，以及将规定波长的光通过光共振器52从外部取出并导向波导52的光合波器。
另外，该光分合波器中，除了空孔的形状和由此得到的效果，与专利文献1和特开2003-279764号等所记载的光分合波器同样。为此，记载于这些文献中的各种光分合波器的结构中适用本发明的空孔的形状的方案，也包含于本发明的范围内。
权利要求
1.一种二维光子晶体，通过在平板状的主体上周期性地配置与该主体折射率不同的同一形状的区域而形成，其中，所述修正折射率区域的平面形状是将顶点取倒角的多边形。
2.根据权利要求1所述的二维光子晶体，其特征在于，所述修正折射率区域是具有3m对称性的形状。
3.根据权利要求2所述的二维光子晶体，其特征在于，所述多边形是正三角形。
4.根据权利要求1所述的二维光子晶体，其特征在于，将顶点倒角为圆弧状。
5.根据权利要求4所述的二维光子晶体，其特征在于，所述修正折射率区域的配置是三角格子状，所述多边形是正三角形，主体的折射率位于3.15～3.55的范围内，所述圆弧的半径ra满足下式，即0＜ra＜[1.23(FF-0.34)0.5-1.28(FF-0.34)+1.03(FF-0.34)2]，其中，FF主体中的修正折射率区域的面积分数。
6.根据权利要求1所述的二维光子晶体，其特征在于，主体中的修正折射率区域的面积分数FF的值位于0.45～0.85的范围。
7.根据权利要求6所述的二维光子晶体，其特征在于，FF的值位于0.5～0.70的范围内。
8.根据权利要求1所述的二维光子晶体，其特征在于，修正折射率区域由空孔构成。
9.一种光波导装置，其特征在于，在权利要求1所述的二维光子晶体上，通过以线状设置修正折射率区域缺陷而形成。
10.一种光共振器装置，其特征在于，在权利要求1所述的二维光子晶体上，通过以点状设置修正折射率区域缺陷而形成。
11.一种光分合波器，其特征在于，备有权利要求1所记载的二维光子晶体；通过在该二维光子晶体上以线状设置修正折射率区域缺陷而形成的至少一条光波导；以及在该光波导的近旁点状地设置修正折射率区域缺陷而形成的至少一个光共振器。
全文摘要
本发明旨在提供一种二维光子晶体，其在规定的波长区域对TE偏振和TM偏振的双方形成成为光子带隙(PBG)的完全PBG，并且能够确保该完全PBG的宽度。在主体(21)上，以三角格子状配置主体形状为正三角形的空孔(22)。通过这种空孔的形状和配置，能够形成完全PBG。于是，通过将该正三角形的顶点倒角为圆弧状，能够确保邻接空孔之间的距离(即，主体的连接部分的宽度)，并能够充分地确保二维光子晶体的强度，同时能够增大空孔(22)。由此能够扩大完全PBG宽度。
文档编号G02B6/122GK1930495SQ20058000694
公开日2007年3月14日 申请日期2005年3月4日 优先权日2004年3月5日
发明者野田进, 浅野卓, 高山清市, 北川均 申请人:国立大学法人京都大学, Tdk株式会社, 阿尔卑斯电气株式会社