JP3876863B2 - Add-drop filter - Google Patents
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Description
本発明は、アド・ドロップフィルタに係り、特に、光情報処理、光伝送などに用いられるレーザ、光集積回路等の様々な光デバイス等を構成する基本構造及び光部品に用いられ得るフォトニック結晶を用いて、特定の波長の光をアド・ドロップするアド・ドロップフィルタに関する。 The present invention relates to an add / drop filter, and in particular, a photonic crystal that can be used for a basic structure and optical components constituting various optical devices such as lasers and optical integrated circuits used for optical information processing and optical transmission. The present invention relates to an add / drop filter for adding / dropping light of a specific wavelength.
現在の光デバイスは、光の閉じ込めを屈折率で行っているため、光の閉じ込め領域を小さくできないことから、素子を小さく構成することができない。更に、素子の集積度を上げるために急峻な曲げ導波路を構成すると散乱損失が生じるため、光回路の小型・集積化が行えずその大きさは電子デバイスに比べ非常に大きい。そのため、従来と全く異なる概念で光の閉じ込めを行うことができるフォトニック結晶は、上述の問題を解決することができる光の新素材として期待されている。 Since current optical devices perform light confinement with a refractive index, the light confinement region cannot be reduced, so that the element cannot be made small. Further, if a steep bent waveguide is formed in order to increase the degree of integration of elements, scattering loss occurs, so that the optical circuit cannot be miniaturized and integrated, and its size is much larger than that of an electronic device. Therefore, a photonic crystal capable of confining light with a completely different concept from the conventional one is expected as a new light material that can solve the above-mentioned problems.
フォトニック結晶とは、屈折率の異なる2種類以上の媒質によって光の波長と同程度の周期性を形成した人工的な多次元周期構造であり、電子のバンド構造に似た光のバンド構造を有する。そのため、特定の構造には光の禁制帯(フォトニックバンドギャップ:PBG)が現れる。これを有するフォトニック結晶に周期性を乱す点欠陥や線欠陥を導入すると、欠陥内に完全に光を閉じ込めることが可能になり、前者は、超小型キャビティとして、後者は、急峻な曲げを可能にする導波路として機能する。また、点欠陥と線欠陥を組み合わせることにより、様々な機能性を実現することが可能になる。 A photonic crystal is an artificial multidimensional periodic structure in which a periodicity equivalent to the wavelength of light is formed by two or more types of media having different refractive indexes, and has a light band structure similar to an electron band structure. Have. Therefore, a forbidden band of light (photonic band gap: PBG) appears in the specific structure. When a point defect or line defect that disturbs periodicity is introduced into a photonic crystal having this, it becomes possible to completely confine light in the defect. It functions as a waveguide. Moreover, various functionalities can be realized by combining point defects and line defects.
図10は、従来のアド・ドロップフィルタの簡略図を示し、2本の導波路の間にキャビティを配置したものである。 FIG. 10 is a simplified diagram of a conventional add / drop filter, in which a cavity is disposed between two waveguides.
図10に示されるように、2本の導波路の中にキャビティを配置した構成は、波長フィルタとして機能する。つまり、ポート1から入力された光がキャビティに共鳴したときのみ、光は1〜4のいずれかのポート、もしくは全てのポートから取り出され、それ以外の波長では、ポート2からのみ光が取り出される。特に、以下の2つの条件が同時に満たされるとき、特定の波長の光をポート3もしくはポート4のどちらか一方、その他の波長の光はポート2からのみ取り出すことが可能になり、この構成はアド・ドロップフィルタと呼ばれている(例えば、非特許文献1参照)。
As shown in FIG. 10, the configuration in which the cavities are arranged in the two waveguides functions as a wavelength filter. That is, only when the light input from the port 1 resonates with the cavity, the light is extracted from any one or all of the ports 1 to 4, and the light is extracted only from the port 2 at other wavelengths. . In particular, when the following two conditions are satisfied at the same time, light of a specific wavelength can be extracted from either port 3 or
(条件A)2本の導波路の間に同一共鳴波長の2つのモードが存在する。 (Condition A) Two modes having the same resonance wavelength exist between two waveguides.
(条件B)それらのモードが図10に示される対称面に対し、対称・反対称な界分布を持つ。 (Condition B) These modes have a symmetric / antisymmetric field distribution with respect to the symmetry plane shown in FIG.
この条件Bを満たすモードは、独立した2個の単一モードキャビティを近接させたときに生じる2種類のモード結合(それぞれの位相関係が同相のものと逆相のもの)を利用することで実現できることが知られている。しかし、このような結合モードの共鳴波長は必ず2つに分離するため、条件Aを満たすことができない。そのため、いくつかの構造が提案されている。 A mode that satisfies this condition B is realized by using two types of mode coupling (each having a phase relationship of the same phase and a reverse phase) generated when two independent single mode cavities are brought close to each other. It is known that it can be done. However, since the resonance wavelength of such a coupling mode is always separated into two, the condition A cannot be satisfied. For this reason, several structures have been proposed.
その一つに、隔離された2つの単一モードとキャビティを導波路で結合し、キャビティ間の位相関係をその間の導波路長で調整する方法がある(例えば、非特許文献2参照)。また、1つのキャビティの中で異なる2つのモードを利用する方法も提案されている。但し、これらの方法が、数値実験で用いたこれらのフィルタ構造には、厚み方向に光を閉じ込めることができないフォトニック結晶が用いられているため、現実的ではない。仮に、厚み方向に光を閉じ込めることのできるフォトニック結晶で同等のものが実現されたとしても、キャビティの共鳴波長を調整・変更するためには、前者は導波路の分散及び長さの最適化が必要となり、後者は1個のキャビティの中に共鳴波長が同じで異なる2つのモードを有する構造の探索が必要となり、設計に膨大な手間がかかるだけでなく、これらの微調整を可能にするための極めて高い作製精度が求められる。 One of them is a method in which two isolated single modes and a cavity are coupled by a waveguide, and the phase relationship between the cavities is adjusted by the waveguide length between them (see, for example, Non-Patent Document 2). A method of using two different modes in one cavity has also been proposed. However, these methods are not practical because these filter structures used in numerical experiments use photonic crystals that cannot confine light in the thickness direction. Even if an equivalent photonic crystal that can confine light in the thickness direction is realized, the former is to optimize the dispersion and length of the waveguide in order to adjust and change the resonant wavelength of the cavity. The latter requires a search for a structure having two different modes with the same resonance wavelength in one cavity, which requires not only a great amount of time and effort but also allows fine adjustment of these. Therefore, extremely high production accuracy is required.
このような問題を解決するために、1つのキャビティ内で1つのモードを利用する方法がある(例えば、非特許文献3参照)。厚さ方向に光閉じ込めの弱いキャビティを用いることで、共鳴した光を2次元面外に光を取り出すことができる。利用するモードが1つであるため、厳しい作製精度が要求されないことが大きな特徴であり、外界と光回路との結合部での利用が期待される。
しかし、1つのキャビティ内で1つのモードを利用する方法は、光を面外に取り出すため、2次元面内に複雑な回路を構成することができないなどの問題がある。 However, the method of using one mode in one cavity has a problem that a complicated circuit cannot be formed in a two-dimensional plane because light is taken out of the plane.
本発明は、上記の点に鑑みなされたもので、上記の設計・作製の困難さを解決し、2次元面内で光回路を構成できるフォトニック結晶をベースとしたアド・ドロップフィルタの構造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 has a structure of an add / drop filter based on a photonic crystal that can solve the above-mentioned difficulty of design and production and can constitute an optical circuit in a two-dimensional plane. The purpose is to provide.
本発明は、スラブ型2次元フォトニック結晶の一部の格子点を直線状に除いた線欠陥と点欠陥を有するアド・ドロップフィルタであって、
三角格子状に穴を開けたスラブ型2次元フォトニック結晶とし、
該三角格子の格子点を直線状に除いた2本の線欠陥導波路と、
前記2本の線欠陥導波路の間に、複数個の穴を一列除いた1つの点欠陥キャビティを配置した構成を有し、
点欠陥は、
その共振モードが直線状の欠陥を伝搬する導波モードを起源とする共振器であり、該導波モードの異常な分散特性を利用することで、分散曲線がほぼ直線の光導波路で構成される共振器を用いた場合より、モード間隔が異常に狭い帯域を持ち、それにより、フィールド形状が反対称の2つのモードが極めて近い周波数に存在する。
The present invention is an add / drop filter having a line defect obtained by removing a part of lattice points of a slab type two-dimensional photonic crystal in a straight line and a point defect,
A slab type two-dimensional photonic crystal with holes in a triangular lattice shape,
Two line defect waveguides obtained by removing the lattice points of the triangular lattice in a straight line;
Between the two line defect waveguides, it has a configuration in which one point defect cavity excluding a row of a plurality of holes is arranged,
Point defects are
The resonance mode is a resonator originating from a waveguide mode that propagates through a linear defect. By using the abnormal dispersion characteristics of the waveguide mode, the dispersion curve is composed of a substantially straight optical waveguide. Compared to the case where a resonator is used, the mode interval has an abnormally narrow band, and thus two modes having antisymmetric field shapes are present at very close frequencies.
また、本発明の構造の点欠陥は、複数個の穴を一列除いた欠陥で構成され、該穴を一列除いて構成される導波路の持つ異常な分散特性を利用することで、分散曲線がほぼ直線の光導波路で構成される共振器を用いた場合より、モード間隔が異常に狭い帯域を持つキャビティとする。 Further, the point defect of the structure of the present invention is constituted by a defect in which a plurality of holes are removed in a row, and the dispersion curve is obtained by utilizing the abnormal dispersion characteristic of the waveguide constituted by removing the holes in a row. A cavity having a band with an unusually narrow mode interval is used compared to the case of using a resonator composed of a substantially straight optical waveguide.
また、本発明は、格子点一列を除いて構成される導波路の両側の一列の穴の中心間距離を、単一モード条件を満たすために、0.47倍〜0.69倍と0.7〜1.17倍とし、シフトさせた穴列の外側1列の穴形状を、シフトさせた分だけ引き伸ばすように変形させ、または、中心間距離が1倍を超える場合は、穴形状を変形しない導波路とする。 Further, in the present invention , in order to satisfy the single mode condition, the distance between the centers of the holes in one line on both sides of the waveguide formed excluding the line of lattice points is 0.47 times to 0.69 times and 0. 7 to 1.17 times, and deform the hole shape of the outer row of the shifted hole row so that it is extended by the shifted amount, or if the center-to-center distance exceeds 1 time, change the hole shape Not to be a waveguide.
また、本発明は、点欠陥キャビティの取り除く穴を12個〜∞個とする。 The present invention is directed to a hole to remove the point defect cavities and twelve ~∞ pieces.
また、本発明は、線欠陥と点欠陥の構造を互いに崩さないために、2本の導波路の間隔を、格子点一列を除いて構成される導波路の両側一列の穴の中心距離の4倍〜∞倍とする。 Further, according to the present invention , in order not to disturb the structure of the line defect and the point defect, the distance between the two waveguides is set to 4 which is the center distance of the holes in one row on both sides of the waveguide formed by excluding one row of lattice points. Double to ∞ times .
また、本発明は、導波路は、酸化物クラッド、または、ポリマクラッドを用い、
前記フォトニック結晶にSIO基板を用いる。
In the present invention , the waveguide uses an oxide cladding or a polymer cladding,
An SIO substrate is used for the photonic crystal .
本発明は、2本の導波路の間に一列線欠陥(W1)を基本する導波路を短く終端した1つのキャビティを配置し、この導波路の異常分散を利用することで、2次元面内で光回路を構成できるフォトニック結晶をベースとしたアド・ドロップフィルタを実現することができる。 In the present invention, a single cavity having a single line-line defect (W1) is terminated shortly between two waveguides, and anomalous dispersion of the waveguide is utilized to provide a two-dimensional in-plane. Thus, an add / drop filter based on a photonic crystal that can constitute an optical circuit can be realized.
また、本発明によれば、上記キャビティは、アド・ドロップフィルタに必要な条件を自動的に満たすため、本構造により、アド・ドロップフィルタの設計・作製が飛躍的に容易になる。 In addition, according to the present invention, the cavity automatically satisfies the conditions necessary for the add / drop filter, and this structure greatly facilitates the design / production of the add / drop filter.
以下、図面と共に本発明の実施の形態を説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明の一実施の形態におけるアド・ドロップフィルタの構成を示し、フォトニック結晶の中の2本の線欠陥4と1つの点欠陥1を組み合わせたアド・ドロップフィルタでる。
FIG. 1 shows the configuration of an add / drop filter according to an embodiment of the present invention, which is an add / drop filter combining two
同図(a)は、アド・ドロップフィルタの上面図であり、同図(b)は、同図(a)のA−A´における断面図である。 FIG. 4A is a top view of the add / drop filter, and FIG. 4B is a cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG.
同図に示すアド・ドロップフィルタは、帯域の広いフォトニックバンドギャップ(PBG)を利用するために、屈折率が硝子などよりも大きな半導体基板6上に、三角格子状(格子定数a)に穴(空気穴2)を開けた半導体スラブ3として、2次元スラブフォトニック結晶を用い、その格子点5を直線状に除いた2本の線欠陥4の間に1個の点欠陥1を配置したものである。
The add / drop filter shown in the figure uses a photonic band gap (PBG) having a wide band, and therefore has a triangular lattice shape (lattice constant a) on a semiconductor substrate 6 having a refractive index larger than that of glass or the like. A two-dimensional slab photonic crystal is used as the semiconductor slab 3 with the (air hole 2) opened, and one point defect 1 is arranged between two
この2次元スラブフォトニック結晶は、PBG帯域が他の2次元結晶より広いことが知られており、デバイスへの応用が有利である。 This two-dimensional slab photonic crystal is known to have a wider PBG band than other two-dimensional crystals, and is advantageous for application to devices.
点欠陥キャビティ1は、数個の穴を一列除いた欠陥で構成され、穴を一列除いて構成される導波路の持つ異常な分散特性を利用することで、モード間隔が異常に狭い帯域を持つキャビティであり、欠陥を挟む両側の1列の穴を線欠陥の中心方向、または、その逆方向にシフトさせることにより、共鳴波長及び隣接する導波路との結合を調整するキャビティである。そのときのシフト量は、利用する帯域において横モードが単一になるように、線欠陥の両側の穴の中心距離(WC)はシフトさせる前の距離(W0)の0.7倍〜1.17倍の間で調整する。また、必要に応じて、シフトさせた穴列の外側の1列の穴形状を、シフトさせた分だけ引き伸ばすように変形させる。但し、穴の中心距離がシフトされる前の距離の1倍を越える場合は、シフトさせた穴列の外側の1列の穴形状を変形しない。 The point defect cavity 1 is composed of defects in which several holes are removed in a row, and has a band with an unusually narrow mode interval by utilizing the abnormal dispersion characteristics of a waveguide constructed by removing holes in a row. The cavity is a cavity that adjusts the resonance wavelength and the coupling with the adjacent waveguide by shifting one row of holes on both sides sandwiching the defect in the center direction of the line defect or in the opposite direction. The shift amount at that time is such that the center distance (W C ) of the holes on both sides of the line defect is 0.7 times the distance (W 0 ) before the shift so that the transverse mode becomes single in the band to be used. Adjust between 1.17 times. If necessary, the hole shape of one row outside the shifted hole row is deformed so as to be extended by the shifted amount. However, if the center distance of the holes exceeds one time before the shift, the shape of the hole in one row outside the shifted hole row is not deformed.
ここで、上記の「モード間隔が異常に狭い帯域」について説明する。 Here, the “band with an unusually narrow mode interval” will be described.
フォトニック結晶導波路W1(WC=W0)の分散は、図2の実線で示されるような曲線である。周波数帯域では、同図中点線に漸近し、ある帯域ではそこから大きく外れる(図2の(b)のグレーの領域)。一方、従来の光導波路の分散は直線に近い形であり、同程度のサイズであれば、同図中の点線に漸近する。つまり、図2(b)のグレーの領域は、フォトニック結晶導波路の異常な分散特性を示している。 The dispersion of the photonic crystal waveguide W1 (W C = W 0 ) is a curve as shown by the solid line in FIG. In the frequency band, it is asymptotic to the dotted line in the figure, and in a certain band, it deviates greatly from that (gray area in FIG. 2B). On the other hand, the dispersion of the conventional optical waveguide is a shape close to a straight line, and asymptotically approaches the dotted line in the figure if the size is the same. That is, the gray region in FIG. 2B shows the anomalous dispersion characteristics of the photonic crystal waveguide.
ここで、導波路で構成される共振器のモードは、規格化波数間隔Δk=1/(2L)で存在する。ここで、Lは、共振器長である。それ故、分散曲線がほぼ直線の従来型の光導波路で構成される共振器の場合、図2(a)のように、モード周波数間隔(縦モード間隔α)はほぼ一定となる。一方、線欠陥導波路(W1)で構成される共振器の場合、図2(c)で示されるように、異常な分散の領域で縦モード間隔が0に近付く。このように、フォトニック結晶導波路を共振器に応用することにより、「縦モード間隔が異常に狭い帯域」を作り出すことが可能となる。 Here, the mode of the resonator constituted by the waveguide exists at the normalized wave number interval Δk = 1 / (2L). Here, L is the resonator length. Therefore, in the case of a resonator composed of a conventional optical waveguide having a substantially linear dispersion curve, the mode frequency interval (longitudinal mode interval α) is substantially constant as shown in FIG. On the other hand, in the case of a resonator composed of a line defect waveguide (W1), as shown in FIG. 2C, the longitudinal mode interval approaches 0 in an abnormal dispersion region. In this way, by applying the photonic crystal waveguide to the resonator, it is possible to create a “band having an unusually narrow longitudinal mode interval”.
また、点欠陥キャビティ1は、モード間隔を狭くするために、取り除く穴を12個以上(12個以上〜∞)とする。ここで、取り除く穴を12個以上とする理由について説明する。
The point defect cavity 1 has 12 or more holes to be removed (12 or more to ∞) in order to narrow the mode interval. Here, the reason why 12 or more holes are removed will be described.
図3は、モード間隔を狭くする例を示しており、図2(a)が、図3(a)に対応し、図2(c)が図3(b)に対応する。図2に示される2つのモード(a)、(c)が図3のように重なるとき、前述の条件A,Bが満足される。厳密に2つのモードを重ねるためには、Δk→0、つまり、L→∞であることは、図2により明らかである。但し、モードの半値幅は有限であるため、2つのモードの重なりは厳密である必要はない。つまり、ある程度モードを重ねる事ができれば、有限長さの共振器でもアド・ドロップフィルタを構成することができる。このモードの重なり具合は、モードの半値幅とモード間隔で決定される。つまり、狭い半値幅のモードほど狭いモード間隔を必要とし、半値幅の広いモードほどこの要求は緩和される。半値幅が最も広くなるのは、共振器の光閉じ込めが最も弱くなるとき、つまり、共振器を挟む導波路4の間隔が最も狭くなるときである。よって、アド・ドロップフィルタとして機能するための最短の共振器長は、この条件下で探索することが可能である。
FIG. 3 shows an example in which the mode interval is narrowed. FIG. 2 (a) corresponds to FIG. 3 (a), and FIG. 2 (c) corresponds to FIG. 3 (b). When the two modes (a) and (c) shown in FIG. 2 overlap as shown in FIG. 3, the above-described conditions A and B are satisfied. It is clear from FIG. 2 that Δk → 0, that is, L → ∞, in order to strictly overlap the two modes. However, since the half width of the mode is finite, the overlap between the two modes does not need to be exact. That is, if the modes can be overlapped to some extent, an add / drop filter can be configured with a resonator having a finite length. The degree of overlap of the modes is determined by the half width of the mode and the mode interval. That is, a narrower half-width mode requires a smaller mode interval, and a wider half-width mode relaxes this requirement. The half width is the widest when the optical confinement of the resonator is the weakest, that is, when the interval between the
導波路の間隔をその最低値(4W0)に固定し、その間に様々な長さの共振器を配置したときの波長分波特性を図4に示す。同図では、FDTD法を用いて計算された透過スペクトルを示し、同図中の点線、太い実線、細い実線は、それぞれ前述の図10に示されたポート1、ポート4、ポート3からの出力を表している。 FIG. 4 shows the wavelength demultiplexing characteristics when the interval between the waveguides is fixed to the minimum value (4W 0 ) and resonators having various lengths are arranged therebetween. In the figure, the transmission spectrum calculated using the FDTD method is shown, and the dotted line, the thick solid line, and the thin solid line in FIG. Represents.
共振器長L=8a(aは格子定数)のとき、共振器内に2つのモードを確認することができる。L=10aでこれらのモードが重なり始め、L=12aのとき、アド・ドロップフィルタとして機能し始める。つまり、共振器を構成するために取り除かれるフォトニック結晶の空気穴の数は、「12個以上」でなければならい。逆に半値幅が最も狭くなるのは、導波路間隔が∞に近付くときである。このとき、厳密にモード間隔を0に近づけるため、L→∞、つまり、共振器を構成するために取り除かれるフォトニック結晶の空気孔の数は「∞」でなければならない。 When the resonator length L = 8a (a is a lattice constant), two modes can be confirmed in the resonator. When L = 10a, these modes start to overlap, and when L = 12a, they start to function as an add / drop filter. In other words, the number of air holes in the photonic crystal removed to form the resonator must be “12 or more”. Conversely, the half width is the narrowest when the waveguide interval approaches ∞. At this time, in order to strictly approach the mode interval to 0, L → ∞, that is, the number of air holes of the photonic crystal removed to constitute the resonator must be “∞”.
また、2本の線欠陥4は、穴一列を除いた線欠陥を挟む両側の1列の穴を線欠陥の中心方向にシフトさせ、シフトさせた穴列の外側1列の穴形状を、シフトさせた分だけ引き伸ばすことにより構成されており、線欠陥と点欠陥の構造をお互い崩さないように4W0以上離して配置されている。
In addition, two
また、単一モード条件を満たすために、線欠陥を挟むシフトさせた穴の中心距離(W)を0.47Wo〜0.69Woの間と、0.73Wo〜1.17Woの間で調整している。但し、穴の中心距離がシフトされる前の距離の1倍を越える場合は、シフトさせた穴列の外側1列の穴形状を変形しない。 Further, in order to satisfy the single mode condition, the center distance (W) of the shifted hole sandwiching the line defect is adjusted between 0.47 Wo to 0.69 Wo and 0.73 Wo to 1.17 Wo. is doing. However, when the center distance of the hole exceeds one time before the shift, the hole shape of the outer one row of the shifted hole row is not deformed.
また、本実施の形態では、将来のフォトニック結晶をベースとした光回路の大規模化を念頭に、SOI(Silicon On Insulator)構造における2次元フォトニック結晶で有用な導波モードを有する導波路を採用した。 In the present embodiment, a waveguide having a waveguide mode useful for a two-dimensional photonic crystal in an SOI (Silicon On Insulator) structure with an increase in the scale of an optical circuit based on a future photonic crystal. It was adopted.
以下に、上記の構成における動作原理を説明する。 The operation principle in the above configuration will be described below.
導波路を基本とする共振器の共鳴モードは、図10に示した対称面に対し、位相関係が対称のモードと反対称のモードに分類され、共鳴波長の長い方のモード端から順番に、基底モード(対称)、1次モード(反対称)・・・と順に並べられ、これらの縦モード間隔は、導波路の分散曲線の傾きに比例する。つまり、分散曲線がほぼ直線で描かれる従来の光導波路では、共鳴モード間隔はほぼ一定となる。一方、フォトニック結晶で構成される光導波路は、異常な分散曲線を有するため、従来では考えられないモード間隔を作り出すことが可能になる。 The resonance mode of the resonator based on the waveguide is classified into a symmetric mode and an anti-symmetric mode with respect to the symmetry plane shown in FIG. 10, and in order from the mode end of the longer resonance wavelength, The fundamental mode (symmetric), the first order mode (antisymmetric),... Are arranged in this order, and the interval between the longitudinal modes is proportional to the slope of the dispersion curve of the waveguide. That is, in the conventional optical waveguide in which the dispersion curve is drawn as a substantially straight line, the resonance mode interval is substantially constant. On the other hand, since an optical waveguide composed of a photonic crystal has an abnormal dispersion curve, it is possible to create a mode interval that cannot be considered in the past.
図5(b)にフォトニック結晶の一列線欠陥(W1)導波路の分散曲線を示す。同図において、横軸は、規格化波数(長さaあたりの光の波の数)、縦軸は、規格化周波数(格子定数/波長)である。太線で示されるPBG内の導波モードは、グレーの領域において傾きが極端に小さく、この導波路で構成されるキャビティの縦モード間隔は異常に小さくなることがわかる。つまり、この帯域において、常に対称モードと反対称モードがほぼ同一波長に出現させることが可能になるため、基本的には、本共振器を2本の導波路間に配置するだけで、モード端付近(グレー領域)で、前述の条件A,Bを満足することができる。 FIG. 5B shows a dispersion curve of the single-line defect (W1) waveguide of the photonic crystal. In the figure, the horizontal axis represents the normalized wave number (the number of light waves per length a), and the vertical axis represents the normalized frequency (lattice constant / wavelength). It can be seen that the waveguide mode in the PBG indicated by the bold line has an extremely small slope in the gray region, and the longitudinal mode interval of the cavity formed by this waveguide is abnormally small. In other words, in this band, the symmetric mode and the antisymmetric mode can always appear at substantially the same wavelength. Therefore, basically, by simply arranging the resonator between the two waveguides, the mode edge can be obtained. In the vicinity (gray area), the above-described conditions A and B can be satisfied.
本発明では、この異常分散の帯域(グレー領域)を、導波路W1の幅を変えることで調整している。 In the present invention, this anomalous dispersion band (gray region) is adjusted by changing the width of the waveguide W1.
図5は、欠陥を挟む両側の1列の穴を線欠陥の中心方向または、その逆方向にシフトさせ、図6は、シフトさせた穴列の外側の1列の穴形状をシフトさせた分だけ引き伸ばすように変形させることにより、異常分散の現れる帯域を調整できることを示している。 FIG. 5 is a diagram in which one row of holes on both sides sandwiching the defect is shifted in the direction of the center of the line defect or in the opposite direction, and FIG. It is shown that the band in which the anomalous dispersion appears can be adjusted by deforming so as to extend only.
但し、アド・ドロップ効率を良くするためには、この帯域でキャビティの横モードが単一であることが必要であるため、その幅(WC)は、図5、図6で示されるように0.7W0〜1.17W0に限定される。ここで、穴の中心距離がシフトされる前の1倍を越える場合は、シフトさせた穴列の外側の1列の穴形状を変形していない。 However, in order to improve the add / drop efficiency, it is necessary that the cavity has a single transverse mode in this band. Therefore, the width (W C ) is as shown in FIGS. It is limited to 0.7W 0 ~1.17W 0. Here, when the center distance of the hole exceeds 1 time before the shift, the hole shape of one row outside the shifted hole row is not deformed.
当該キャビティモードと、それを挟む2本の導波路モードのカップリング効率は、導波路構造の調整により調整できる。当該導波路は、図6、図7に示されるように、穴一列を除いた線欠陥を挟む両側1列の穴を線欠陥の中心方向にシフトさせ、シフトさせた穴列の外側の1列の穴形状を、シフトさせた分だけ引き伸ばすことにより、幅(W)が調整されており、W=0.73W0〜1.17W0(図6)または、W=0.47W0〜0.69W0(図7)のとき、アド・ドロップの効率を良くするための単一モード条件(図中、グレー領域)を満足する。
The coupling efficiency of the cavity mode and the two waveguide modes sandwiching the cavity mode can be adjusted by adjusting the waveguide structure. As shown in FIGS. 6 and 7, the waveguide has one row on both sides sandwiching the line defect except for one row of holes, shifted toward the center of the line defect, and one row outside the shifted hole row. The width (W) is adjusted by extending the shape of the hole by a shift amount, and W = 0.73W 0 to 1.17W 0 (FIG. 6) or W = 0.47
ここで、特筆すべきは、図7で示される導波路は、クラッド層に屈折率が1.5程度の酸化物やポリマなどを利用した構造においても機能する点である。導波路W1では、クラッド層に空気以外の媒質を利用すると、クラッド層に光が漏れてしまう。この光の漏れは、クラッドの屈折率で決定されるライトライン(周波数=波数/屈折率)を用いることで容易に説明することができる。例えば、図5(b)で示されるW1導波路の場合、導波モードの殆どがSiO2クラッドのライトラインよりも高周波数側に存在する。ライトラインより高周波数側の領域は、クラッド層に光が漏れることを意味するため、このことが、W1導波路に、SiO2などの酸化物やポリマなどのクラッド層を適用できない原因となっている。一方、図7で示される導波路は、SiO2ライトラインよりも低周波数側に広く導波モードが存在し、SiO2などの酸化物やポリマなどをクラッド層に適用できることが分かる。通常、半導体で作製される2次元フォトニック結晶の厚さは光の波長の半分程度であり非常に薄い。空気以外の強固なクラッド層を採用できる当該導波路は、フォトニック結晶を用いた光回路の大規模集積化にとって大きなメリットになる。 Here, it should be noted that the waveguide shown in FIG. 7 also functions in a structure using an oxide or polymer having a refractive index of about 1.5 for the cladding layer. In the waveguide W1, when a medium other than air is used for the cladding layer, light leaks to the cladding layer. This light leakage can be easily explained by using a light line (frequency = wave number / refractive index) determined by the refractive index of the cladding. For example, in the case of the W1 waveguide shown in FIG. 5B, most of the waveguide mode exists on the higher frequency side than the light line of the S i O 2 cladding. Region than light line high frequency side, it means that the light leaks to the cladding layer, this is, the W1 waveguide, the cause can not be applied cladding layers such as oxides and polymers such as S i O 2 It has become. On the other hand, the waveguide shown in FIG. 7 has a wide waveguide mode on the lower frequency side than the S i O 2 light line, and it can be seen that an oxide such as S i O 2 or a polymer can be applied to the cladding layer. . Usually, the thickness of a two-dimensional photonic crystal made of a semiconductor is about half the wavelength of light and is very thin. The waveguide, which can employ a strong cladding layer other than air, is a great advantage for large-scale integration of optical circuits using photonic crystals.
さらに、キャビティモードと導波路モードのカップリング効率は、2本の導波路間隔でも調整可能である。キャビティの厚さ方向と面内方向の光の閉じ込めが等しくなるとき、アド・ドロップ効率が最高になる。つまり、厚さ方向の閉じ込めが無限に近付けば、導波路間隔を無限に設定しなければならない。一方、厚さ方向の閉じ込めが極端に小さい場合、導波路間隔も狭くする必要があり、狭すぎる間隔は、導波路及びキャビティの構造を崩す原因となるため、導波路間隔の最小値は、図1により4W0となる。 Further, the coupling efficiency between the cavity mode and the waveguide mode can be adjusted even by the distance between the two waveguides. When the confinement of light in the cavity thickness direction and in-plane direction is equal, the add / drop efficiency is maximized. That is, if the confinement in the thickness direction approaches infinity, the waveguide interval must be set to infinity. On the other hand, when the confinement in the thickness direction is extremely small, it is necessary to narrow the waveguide interval. Since the too narrow interval causes the structure of the waveguide and the cavity to be destroyed, the minimum value of the waveguide interval is 1 means 4W 0 .
以上の構成により、図1に示される構造がアド・ドロップフィルタとして機能することが期待できる。但し、当該構造で用いるキャビティが、元になるW1導波路の特性を有するためには、ある程度以上の共振器長(L)を必要とする。ここでは、導波路幅をW=0.6W0、導波路間隔を4W0、キャビティの幅をWC=1.015W0に設定し、どの程度の共振器長のとき上述の現象が現れるかを確認した。ここで、格子定数をa,キャビティを構成するために取り除かれた空気孔の数をNとし、共振器長をL=N×aと定義する。 With the above configuration, the structure shown in FIG. 1 can be expected to function as an add / drop filter. However, in order for the cavity used in the structure to have the characteristics of the original W1 waveguide, a resonator length (L) of a certain degree or more is required. Or Here, the waveguide width W = 0.6 W 0, the waveguide spacing 4W 0, sets the width of the cavity in W C = 1.015W 0, the above phenomenon appears when the extent of the cavity length It was confirmed. Here, the lattice constant is defined as a, the number of air holes removed to form the cavity is defined as N, and the resonator length is defined as L = N × a.
図4に、2次元シミュレーション結果を示す。L=4aのとき、このキャビティは、規格化周波数(Z=格子定数/波長)が0.255付近で1つの共鳴モードを持つ。つまり、ポート1から入力された光は、共鳴周波数以外のとき、ポート2からのみ出力され、共鳴周波数のとき、ポート3、ポート4に同じ強度の光が出力されている。L=8aのとき、共振器長が長くなるため、矢印で示されるように観測帯域内に2個の共鳴モードを確認することができ、L=10aで、これらの2つのモードが重なり始める。L=12aで、Z=0.253付近の光がポート4から強く出力され、ポート3からの光出力が低く抑えられ始め、L=14aでポート3からの出力が極めて小さくなり、ポート4からのみ光が出力される。つまり、長さL=12a以上のとき、当該構造がアド・ドロップフィルタとして機能していることがわかる。また、共振器の光閉じ込めを大きくすれば、ポート4から出力する線幅を狭くすることができることは明らかであり、これは、共振器超を長くし、導波路間隔を広くすることにより達成され、究極的にはこれらの値は無限大になる。
FIG. 4 shows a two-dimensional simulation result. When L = 4a, this cavity has one resonance mode when the normalized frequency (Z = lattice constant / wavelength) is around 0.255. That is, light input from port 1 is output only from port 2 when the frequency is not the resonance frequency, and light having the same intensity is output to
図8に、実際に作製した構造の略図を示す。本発明で採用した2次元スラブフォトニック結晶は、図5に示されるように、規格化周波数0.25〜0.3にPBGを有する。つまり、通信波長帯にPBGを出現させるためには、格子定数を0.3〜0.5μmに設定すればよい。当該構造では、波長が1.55μm近辺でアド・ドロップ動作を実現するために、格子定数をa=0.4μmに設定し、それに伴い、結晶の厚さを0.5a(=0.20μm)、導波路間隔を4Wo(〜2.77μm)キャビティの幅をWC=0.95Wo(〜0.66μm)に設定した。実際の構造は、2次元構造ではなく厚みのある3次元構造であるため、厚み方向への光の閉じ込めを考慮する必要があり、そのため、キャビティの幅が若干変更されている。また、確実に実験で現象を捉えるために、L=30a(=12μm)と長めのキャビティが用いられている。 FIG. 8 shows a schematic diagram of the actually fabricated structure. As shown in FIG. 5, the two-dimensional slab photonic crystal employed in the present invention has PBG at a normalized frequency of 0.25 to 0.3. That is, in order to make PBG appear in the communication wavelength band, the lattice constant may be set to 0.3 to 0.5 μm. In this structure, in order to realize an add / drop operation in the vicinity of a wavelength of 1.55 μm, the lattice constant is set to a = 0.4 μm, and accordingly, the crystal thickness is set to 0.5a (= 0.20 μm). The waveguide spacing was set to 4 Wo (˜2.77 μm) and the cavity width was set to W C = 0.95 Wo (˜0.66 μm). Since the actual structure is not a two-dimensional structure but a thick three-dimensional structure, it is necessary to consider light confinement in the thickness direction, and the width of the cavity is slightly changed. Further, in order to reliably capture the phenomenon by experiment, a long cavity of L = 30a (= 12 μm) is used.
図9に実験で得られた透過スペクトルを示す。波長1537nm付近でポート1から入った光がポート2からは出力されず、ポート4から出力されていることがわかる。また、ポート3からの出力は観測できないが、共鳴波長ではない光がポート2から出力されているときの強度と同程度の強度の光が、共鳴波長でポート4から出力されていることを考えると、ポート3からの出力が抑制されていることが明らかであり、つまり、本構造がアド・ドロップフィルタとして機能していることがわかる。
FIG. 9 shows the transmission spectrum obtained in the experiment. It can be seen that light entering from the port 1 near the wavelength of 1537 nm is not output from the port 2 but is output from the
当該構造のキャビティと導波路の間のモード結合は、一種の方向性結合と考えることができる。W1導波路のモード端付近のフィールド分布は、それを挟む導波路の方向に広く広がっているため、この近辺の帯域のみ導波路間の結合が強い。そのため、当該構造は、波長選択性の良い方向性結合器として機能する。 Mode coupling between the cavity of the structure and the waveguide can be considered as a kind of directional coupling. Since the field distribution in the vicinity of the mode end of the W1 waveguide spreads widely in the direction of the waveguide sandwiching it, the coupling between the waveguides is strong only in the vicinity of this band. Therefore, this structure functions as a directional coupler with good wavelength selectivity.
また、この帯域における群屈折率が異常に大きいため、完全結合長を短くすることができる。但し、デバイスのサイズを小さくするため、導波路W1を短く終端すると、端面反射が従来とは逆の方向のモード結合を生じさせ、ポート4以外のポートからの出力の原因となる。つまり、群速度が遅い導波路を他の2本の導波路の間に配置するという発想だけでは、デバイスサイズを極端に小さくし、かつ、特定のポートから光出力することは困難であることがわかる。
In addition, since the group refractive index in this band is abnormally large, the complete coupling length can be shortened. However, if the waveguide W1 is terminated short in order to reduce the size of the device, the end face reflection causes mode coupling in the direction opposite to that of the prior art, causing output from ports other than the
本発明は、キャビティモードを考慮に入れ、2つのモードを重ね合わせることにより、デバイスサイズを小さくしても特定のポートからのみ光出力が可能であることを示すものである。 The present invention takes into account the cavity mode and shows that light output is possible only from a specific port even if the device size is reduced by superimposing the two modes.
なお、本発明は、上記の実施の形態に限定されることなく、特許請求の範囲内において、種々変更・応用が可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications and applications can be made within the scope of the claims.
本発明は、光情報処理、光伝送などに用いられるレーザ、光集積回路等の光デバイス等を構成する基本構造、及び、光部品に適用できる。 The present invention can be applied to basic structures and optical components that constitute optical devices such as lasers and optical integrated circuits used for optical information processing and optical transmission.
1 点欠陥キャビティ
2 空気穴
3 半導体スラブ
4 線欠陥導波路
5 三角格子
6 クラッド
1 point defect cavity 2 air hole 3
Claims (5)
三角格子状に穴を開けたスラブ型2次元フォトニック結晶とし、
該三角格子の格子点を直線状に除いた2本の線欠陥導波路と、
前記2本の線欠陥導波路の間に、複数個の穴を一列除いた1つの点欠陥キャビティを配置した構成を有し、
前記点欠陥は、
その共振モードが直線状の欠陥を伝搬する導波モードを起源とする共振器であり、該導波モードの異常な分散特性を利用することで、分散曲線がほぼ直線の光導波路で構成される共振器を用いた場合より、モード間隔が異常に狭い帯域を持ち、それにより、フィールド形状が反対称の2つのモードが極めて近い周波数に存在する
ことを特徴とするアド・ドロップフィルタ。 An add / drop filter having a line defect and a point defect obtained by removing a part of lattice points of a slab type two-dimensional photonic crystal in a straight line,
A slab type two-dimensional photonic crystal with holes in a triangular lattice shape,
Two line defect waveguides obtained by removing the lattice points of the triangular lattice in a straight line;
Between the two line defect waveguides, it has a configuration in which one point defect cavity excluding a row of a plurality of holes is arranged,
The point defect is
The resonance mode is a resonator originating from a waveguide mode that propagates through a linear defect. By using the abnormal dispersion characteristics of the waveguide mode, the dispersion curve is composed of a substantially straight optical waveguide. An add / drop filter characterized in that the mode interval has an unusually narrow band than when a resonator is used, and thus two modes having antisymmetric field shapes are present at extremely close frequencies .
請求項1記載のアド・ドロップフィルタ。 In order to satisfy the single mode condition, the distance between the centers of the holes in one line on both sides of the waveguide formed excluding the line of lattice points is 0.47 times to 0.69 times and 0 . 7 to 1.17 times, and if the hole shape of one row outside the shifted hole row is deformed so as to be extended by the shifted amount, or if the center-to-center distance exceeds one time , the hole shape is changed to The add / drop filter according to claim 1, wherein the add / drop filter is a non-deformable waveguide .
請求項1記載のアド・ドロップフィルタ。 12 to ∞ holes to remove point defect cavities ,
The add / drop filter according to claim 1.
請求項1記載のアド・ドロップフィルタ。 In order not to destroy the structure of the line defect and the point defect, the distance between the two waveguides is 4 to ∞ times the center distance of the holes on both sides of the waveguide formed by excluding one line of lattice points. And
The add / drop filter according to claim 1.
前記フォトニック結晶にSIO基板を用いる、
請求項1記載のアド・ドロップフィルタ。 The waveguide uses an oxide cladding or a polymer cladding,
Using a SIO substrate for the photonic crystal,
The add / drop filter according to claim 1.
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