JP4931387B2 - Optical resonator - Google Patents
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Description
本発明は、光機能素子に関し、微弱な光を検出する光機能素子に関する。 The present invention relates to an optical functional element, and more particularly to an optical functional element that detects weak light.
従来、微弱な光を検出する方法としては、物質の光吸収によって、この物質中に生じた自由電子を加速及び増幅し、これを電流として検出する方法がある(例えば、非特許文献1参照。)。
しかし、上記従来の方法では、光吸収の量子効率や暗電流及び光増倍過程における過剰雑音により検出効率が制限されている。また、検出過程において、光を吸収してしまうため、検出した光をその後の処理に利用できないという本質的な問題があった。 However, in the conventional method, the detection efficiency is limited by the quantum efficiency of light absorption, dark current, and excessive noise in the photomultiplication process. Further, since light is absorbed in the detection process, there is an essential problem that the detected light cannot be used for subsequent processing.
更に、検出できる周波数範囲(波長範囲)は、光を吸収する物質本来の物理量によってある程度制限され、検出できる周波数範囲を自由に設定できないという問題があった。 Furthermore, the detectable frequency range (wavelength range) is limited to some extent by the original physical quantity of the substance that absorbs light, and there is a problem that the detectable frequency range cannot be set freely.
本発明は、上記の点に鑑みなされたものであり、検出効率が向上し、光吸収がなく、検出できる周波数範囲の設定の自由度を向上できる光機能素子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 an object of the present invention is to provide an optical functional element that improves detection efficiency, does not absorb light, and can improve the freedom of setting a detectable frequency range.
本発明は、高屈折率材料のスラブに格子状に低屈折材料の穴を配置した2次元フォトニック結晶に、前記穴の周期性を局所的に乱すことで構成され、λ1とλ2の2つの共鳴波長を有した光共振器を、前記スラブ表面と平行な平面で2乃至3個の複数のユニットに分割し、前記複数のユニット間にまたがって1つの光共振器が構成されるように配置し、
前記複数のユニット間にまたがって構成される光共振器に前記λ1またはλ2の共鳴波長の光を照射して閉じ込めることで前記複数のユニットのうちの1つのユニットを残りのユニットに対し空間的に変移させる輻射圧を発生させ、
前記1つのユニットの変移を検知する変移検知手段を有し、
前記変移検知手段で検知した変移量から前記共鳴波長の光を検知する光機能素子であって、
前記輻射圧は、前記複数のユニットが同位相で光が閉じ込められる共鳴モードの共鳴波長λ1の光を照射した場合は引力であり、前記複数のユニットが逆位相で光が閉じ込められる共鳴モードの共鳴波長λ2の光を照射した場合は斥力であり、
前記変移検知手段は、前記分割した1つのユニットの残りのユニットに対する前記分割した平面と垂直の方向の変移を検知することにより、検出効率が向上し、光吸収がなく、検出できる周波数範囲の設定の自由度を向上できる。
The present invention comprises a two-dimensional photonic crystal in which holes of a low refractive material are arranged in a lattice pattern on a slab of a high refractive index material, by locally disturbing the periodicity of the holes , and two λ1 and λ2 an optical resonator having a resonance wavelength, divided into 2 or 3 pieces of the plurality of units in the slab surface and parallel to the plane, so that one optical resonator across between said plurality of units is configured Place and
Spatially for the remaining unit one unit of the plurality of units by confining by irradiating light of resonance wavelength of the λ1 or λ2 in optical resonator constituted across between said plurality of units To generate the radiation pressure to change,
A transition detecting means for detecting a transition of the one unit ;
An optical functional element that detects light of the resonance wavelength from a shift amount detected by the shift detection means ,
The radiation pressure is an attractive force when the light of the resonance mode λ1 of the resonance mode in which the plurality of units are confined in the same phase, and the resonance in the resonance mode in which the light is confined in the opposite phase. When light of wavelength λ2 is irradiated, it is repulsive,
The transition detection means detects a transition in a direction perpendicular to the divided plane with respect to the remaining units of the one divided unit, thereby improving detection efficiency and setting a frequency range that can be detected without light absorption. Can be improved.
また、本発明は、高屈折率材料のスラブに格子状に低屈折材料の穴を配置した2次元フォトニック結晶に、前記穴の周期性を局所的に乱すことで構成され、λ1とλ2の2つの共鳴波長を有した光共振器を、前記スラブ表面と垂直で前記光共振器を通る平面で2個のユニットに分割し、前記2個のユニット間にまたがって1つの光共振器が構成されるように配置し、
前記2個のユニット間にまたがって構成される光共振器に前記λ1またはλ2の共鳴波長の光を照射して閉じ込めることで前記2個のユニットのうちの1つのユニットを残りのユニットに対し空間的に変移させる輻射圧を発生させ、
前記1つのユニットの変移を検知する変移検知手段を有し、
前記変移検知手段で検知した変移量から前記共鳴波長の光を検知する光機能素子であって、
前記輻射圧は、前記2個のユニットが同位相で光が閉じ込められる共鳴モードの共鳴波長λ1の光を照射した場合は引力であり、前記2個のユニットが逆位相で光が閉じ込められる共鳴モードの共鳴波長λ2の光を照射した場合は斥力であり、
前記変移検知手段は、前記分割した1つのユニットの残りのユニットに対する前記分割した平面と垂直の方向の変移を検知することにより、検出効率が向上し、光吸収がなく、検出できる周波数範囲の設定の自由度を向上できる。
Further, the present invention is configured by locally disturbing the periodicity of the holes in a two-dimensional photonic crystal in which holes of a low refractive material are arranged in a lattice pattern on a slab of a high refractive index material , and λ1 and λ2 An optical resonator having two resonance wavelengths is divided into two units in a plane perpendicular to the slab surface and passing through the optical resonator, and one optical resonator is provided between the two units. Arranged to be composed,
The optical resonator formed between the two units is confined by irradiating light with the resonance wavelength of λ1 or λ2 to confine one of the two units with respect to the remaining units. Generating a radiation pressure that changes
A transition detecting means for detecting a transition of the one unit ;
An optical functional element that detects light of the resonance wavelength from a shift amount detected by the shift detection means ,
The radiation pressure is an attractive force when the two units emit light having a resonance wavelength λ1 in a resonance mode in which light is confined in the same phase, and a resonance mode in which the two units are confined in opposite phases. Is a repulsive force when irradiated with light having a resonance wavelength λ2.
The transition detection means detects a transition in a direction perpendicular to the divided plane with respect to the remaining units of the one divided unit, thereby improving detection efficiency and setting a frequency range that can be detected without light absorption. Can be improved.
また、前記光機能素子において、
前記2次元フォトニック結晶のスラブをスラブ表面と平行な平面で分割した複数のユニットのいずれかは前記光共振器構造を持たないことができる。
In the optical functional element,
Any of a plurality of units obtained by dividing the slab of the two-dimensional photonic crystal by a plane parallel to the slab surface may not have the optical resonator structure.
本発明によれば、検出効率が向上し、光吸収がなく、検出できる周波数範囲の設定の自由度を向上することができる。 According to the present invention, the detection efficiency is improved, there is no light absorption, and the degree of freedom in setting a detectable frequency range can be improved.
以下、図面に基づいて本発明の実施形態について説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
<第1実施形態>
図1(A),(B)は、本発明の光機能素子の第1実施形態の平面図及び側面図を示す。図1(A)の平面図において、三角格子空気穴2次元フォトニック結晶10は、エアブリッジ構造の高屈折率材料であるシリコンのスラブ12に三角格子状に配置した空気穴14を設けたものである。なお、空気孔14は空気に限らず、スラブ12の材料より低屈折率のガラスやポリマー等の材料で埋めても良く、以下、単に「空気孔」という。
<First Embodiment>
1A and 1B are a plan view and a side view of a first embodiment of an optical functional element of the present invention. In the plan view of FIG. 1A, a triangular lattice air hole two-dimensional
フォトニック結晶10は屈折率が周期的に変調された構造を指し、これを用いることにより非常に小型で閉じ込めの強い、即ちQ(Quality Factor)の高い光共振器を実現することができる。
The
光共振器16は、X軸方向に延在する5点欠陥(5つの空気穴の欠損)のX軸方向の両端に隣接する空気穴を5点欠陥から離すようにX軸方向に幅寄せするとともに、径を小さくして形成されている。光共振器16は例えば2つの共鳴モード(共鳴波長λ1,λ2)を有しており、共鳴波長λ1,λ2に合致した入力光を図1(A)に示す光共振器16部分にスラブ12に対し垂直方向(Z軸方向)から照射すると、共鳴波長の入力光は光共振器16内に蓄積される。なお、光共振器16は少なくとも共鳴波長λ1の共鳴モードを持っていればよい。 The optical resonator 16 widens the air holes adjacent to both ends in the X-axis direction of the five-point defect (deletion of five air holes) extending in the X-axis direction so as to be separated from the five-point defect. At the same time, the diameter is reduced. The optical resonator 16 has, for example, two resonance modes (resonance wavelengths λ1 and λ2), and input light that matches the resonance wavelengths λ1 and λ2 is transferred to the slab 12 in the optical resonator 16 portion shown in FIG. On the other hand, when irradiated from the vertical direction (Z-axis direction), the input light having the resonance wavelength is accumulated in the optical resonator 16. The optical resonator 16 only needs to have at least a resonance mode having a resonance wavelength λ1.
図1(B)の側面図に示すように、フォトニック結晶10は、Z軸上でスラブ12の略中央位置においてZ軸と直交する平面(XY平面)で切断され、第1ユニット10aと第2ユニット10bに2分割されている。なお、光共振器16は第1ユニット10aと第2ユニット10bにまたがって構成されている。
As shown in the side view of FIG. 1B, the
第2ユニット10bは図示しない基台部に固定されている。第1ユニット10aに対向して微少変移センサ18が設置されている。図1(B)では、第1ユニット10aが第2ユニット10bからZ方向に離間した状態を示している。なお、微少変移センサ18は出力レーザ光が光共振器16に入射しない位置に設置されている。
The
本実施形態では、フォトニック結晶10の格子定数は400nm、空気穴14の直径は210nm、第1ユニット10aと第2ユニット10bそれぞれのスラブ厚は100nmとする。
In the present embodiment, the lattice constant of the
第1ユニット10aと第2ユニット10bがZ方向に離間した距離L=90nmの場合、光共振器16のQ値は約150000である。このため、光共振器16に閉じ込められた共鳴波長λ1,λ2の光は、光共振器16内部で強い電磁場強度を持ち、接近して存在する第1ユニット10aと第2ユニット10bに対する輻射圧は大きくなり、第1ユニット10aは第2ユニット10bに対し空間的変移を生じる。ここでは、距離L=90nmから距離L=0nmに変化した場合、Q値は150000から180000へと高い値を維持したまま変化する。
When the distance L = 90 nm in which the
ここで、輻射圧から第1ユニット10aと第2ユニット10bが受ける力の方向は、光共振器16の共鳴モードに依存して引力または斥力となる。第1ユニット10aと第2ユニット10bの光共振器16に同位相で光が閉じ込められる第1の共鳴モード(共鳴波長λ1)では、輻射圧は引力となる。
Here, the direction of the force received by the
図1(B)に示すように距離L=90nmの状態で、光共振器16部分にスラブ12に対し垂直方向(Z軸方向)から共鳴波長λ1の光を照射すると、この光は共振器16に閉じ込められ、第1ユニット10aは照射された共鳴波長λ1の光の光強度に応じて第2ユニット10bに近接する向きに最大90nm変移する。
As shown in FIG. 1B, when the optical resonator 16 is irradiated with light having a resonance wavelength λ1 from the direction perpendicular to the slab 12 (Z-axis direction) in a state where the distance L is 90 nm, this light is emitted from the resonator 16. The
微少変移センサ18は、レーザ光を第1ユニット10aに照射し、第1ユニット10aからの反射光と照射光の干渉パターンを観測することで第1ユニット10aの変移量を検知する。この第1ユニット10aの変移量は共鳴波長λ1の光の光強度が大なるほど大きくなり、変移量から共鳴波長λ1の光及び光強度を検知することができる。
The minute change sensor 18 irradiates the
<第2実施形態>
図2(A),(B)は、本発明の光機能素子の第2実施形態の平面図及び側面図を示す。同図中、図1と同一部分には同一符号を付す。図2(A)の平面図において、三角格子空気穴2次元フォトニック結晶10は、エアブリッジ構造の高屈折率材料であるシリコンのスラブ12に三角格子状に配置した空気穴14を設けたものである。
<Second Embodiment>
2A and 2B show a plan view and a side view of a second embodiment of the optical functional element of the present invention. In the figure, the same parts as those in FIG. In the plan view of FIG. 2A, the triangular lattice air hole two-
フォトニック結晶10は屈折率が周期的に変調された構造を指し、これを用いることにより非常に小型で閉じ込めの強い、即ちQ(Quality Factor)の高い光共振器を実現することができる。
The
光共振器16は、X軸方向に延在する5点欠陥(5つの空気穴の欠損)のX軸方向の両端に隣接する空気穴を5点欠陥から離すようにX軸方向に幅寄せするとともに、径を小さくして構成されている。光共振器16は例えば2つの共鳴モード(共鳴波長λ1,λ2)を有しており、共鳴波長λ1,λ2に合致した入力光を図2(A)に示す光共振器16部分にスラブ12に対し垂直方向(Z軸方向)から照射すると、共鳴波長の入力光は光共振器16内に蓄積される。なお、光共振器16は少なくとも共鳴波長λ2の共鳴モードを持っていればよい。 The optical resonator 16 widens the air holes adjacent to both ends in the X-axis direction of the five-point defect (deletion of five air holes) extending in the X-axis direction so as to be separated from the five-point defect. In addition, the diameter is reduced. The optical resonator 16 has, for example, two resonance modes (resonance wavelengths λ1 and λ2), and input light that matches the resonance wavelengths λ1 and λ2 is transferred to the slab 12 in the optical resonator 16 portion shown in FIG. On the other hand, when irradiated from the vertical direction (Z-axis direction), the input light having the resonance wavelength is accumulated in the optical resonator 16. The optical resonator 16 only needs to have at least a resonance mode having a resonance wavelength λ2.
図2(B)の側面図に示すように、フォトニック結晶10は、Z軸上でスラブ12の略中央位置においてZ軸と直交する平面(XY平面)で切断され、第1ユニット10aと第2ユニット10bに2分割されている。なお、光共振器16は第1ユニット10aと第2ユニット10bにまたがって構成されている。
As shown in the side view of FIG. 2B, the
第2ユニット10bは図示しない基台部に固定されている。第1ユニット10aに対向して微少変移センサ18とレーザ光源20が設置されている。図2(B)では、第1ユニット10aが第2ユニット10bからZ方向に離間した状態を示している。なお、微少変移センサ18とレーザ光源20は、それぞれの出力レーザ光が互いに干渉することなく、かつ、光共振器16に入射しない位置に設置されている。
The
本実施形態では、フォトニック結晶10の格子定数は400nm、空気穴14の直径は210nm、第1ユニット10aと第2ユニット10bそれぞれのスラブ厚は100nmとする。
In the present embodiment, the lattice constant of the
第1ユニット10aと第2ユニット10bのZ方向離間した距離L=90nmの場合、光共振器16のQ値は約150000である。このため、光共振器16に閉じ込められた共鳴波長λ1,λ2の光は、光共振器16内部で強い電磁場強度を持ち、接近して存在する第1ユニット10aと第2ユニット10bに対する輻射圧は大きくなり、第1ユニット10aは第2ユニット10bに対し空間的変移を生じる。ここでは、距離L=90nmから距離L=0nmに変化した場合、Q値は150000から180000へと高い値を維持したまま変化する。
When the distance L between the
ここで、輻射圧から第1ユニット10aと第2ユニット10bが受ける力の方向は、光共振器16の共鳴モードに依存して引力または斥力となる。第1ユニット10aと第2ユニット10bの光共振器16に逆位相で光が閉じ込められる第2の共鳴モード(共鳴波長λ2)では、輻射圧は斥力となる。
Here, the direction of the force received by the
距離L=0nmの状態で、光共振器16部分にスラブ12に対し垂直方向(Z軸方向)から共鳴波長λ2の光を照射すると、この光は共振器16に閉じ込められ、第1ユニット10aは照射された共鳴波長λ2の光の光強度に応じて第2ユニット10bから離間する向きに変移する。このとき、レーザ光源20から第1ユニット10aに照射して第1ユニット10aに輻射圧をかけ、このレーザ光を例えば0から順次増大させつつ、微少変移センサ18で第1ユニット10aが静止した状態であるかどうかを検知する。微少変移センサ18は、レーザ光を第1ユニット10aに照射し、第1ユニット10aからの反射光と照射光の干渉パターンを観測することで第1ユニット10aの変移量を検知する。
When the optical resonator 16 is irradiated with light having a resonance wavelength λ2 from the direction perpendicular to the slab 12 (Z-axis direction) in a state where the distance L = 0 nm, this light is confined in the resonator 16 and the
レーザ光源20の出力するレーザ光により第1ユニット10aが受ける輻射圧と、光共振器16に共鳴波長λ2の光が閉じ込められて発生する斥力が釣り合うと第1ユニット10は静止し、微少変移センサ18で第1ユニット10の静止を検知した時点におけるレーザ光源20の出力レーザ光の光強度から共鳴波長λ2の光及び光強度を検知することができる。
When the radiation pressure received by the
<第3実施形態>
図3(A),(B)は、本発明の光機能素子の第3実施形態の平面図及び側面図を示す。同図中、図1と同一部分には同一符号を付す。図3(A)の平面図において、三角格子空気穴2次元フォトニック結晶10は、エアブリッジ構造の高屈折率材料であるシリコンのスラブ12に三角格子状に配置した空気穴14を設けたものである。
<Third Embodiment>
3A and 3B show a plan view and a side view of a third embodiment of the optical functional device of the present invention. In the figure, the same parts as those in FIG. In the plan view of FIG. 3A, the triangular lattice air hole two-
フォトニック結晶10は屈折率が周期的に変調された構造を指し、これを用いることにより非常に小型で閉じ込めの強い、即ちQ(Quality Factor)の高い光共振器を実現することができる。
The
光共振器16は、X軸方向に延在する5点欠陥(5つの空気穴の欠損)のX軸方向の両端に隣接する空気穴を5点欠陥から離すようにX軸方向に幅寄せするとともに、径を小さくして構成されている。光共振器16は例えば2つの共鳴モード(共鳴波長λ1,λ2)を有しており、共鳴波長λ1,λ2に合致した入力光を図3(A)に示す光共振器16部分にスラブ12に対し垂直方向(Z軸方向)から照射すると、共鳴波長の入力光は光共振器16内に蓄積される。なお、光共振器16は少なくとも共鳴波長λ1の共鳴モードを持っていればよい。 The optical resonator 16 widens the air holes adjacent to both ends in the X-axis direction of the five-point defect (deletion of five air holes) extending in the X-axis direction so as to be separated from the five-point defect. In addition, the diameter is reduced. The optical resonator 16 has, for example, two resonance modes (resonance wavelengths λ1 and λ2), and input light that matches the resonance wavelengths λ1 and λ2 is transferred to the slab 12 in the optical resonator 16 portion shown in FIG. On the other hand, when irradiated from the vertical direction (Z-axis direction), the input light having the resonance wavelength is accumulated in the optical resonator 16. The optical resonator 16 only needs to have at least a resonance mode having a resonance wavelength λ1.
図3(B)の側面図に示すように、フォトニック結晶10は、Z軸と直交する平面(XY平面)で切断され、第1ユニット10cと第2ユニット10dと第3ユニット10eに3分割されている。なお、光共振器16は第1ユニット10cと第2ユニット10dと第3ユニット10eにまたがって構成されている。
As shown in the side view of FIG. 3B, the
第3ユニット10eは図示しない基台部に固定されている。第1ユニット10cに対向して微少変移センサ18が設置されている。図3(B)では、第1ユニット10c、第2ユニット10d、第3ユニット10eが互いにZ方向に離間した状態を示している。なお、微少変移センサ18は出力レーザ光が光共振器16に入射しない位置に設置されている。
The
本実施形態では、フォトニック結晶10の格子定数は400nm、空気穴14の直径は210nm、第1ユニット10cと第3ユニット10eそれぞれのスラブ厚は80nm、第2ユニット10dのスラブ厚は40nmとする。
In this embodiment, the lattice constant of the
光共振器16に閉じ込められた共鳴波長λ1,λ2の光は、光共振器16内部で強い電磁場強度を持ち、接近して存在する第1〜第3ユニット10c〜10eに対する輻射圧は大きくなり、第1ユニット10cは第3ユニット10eに対し空間的変移を生じ、Q値は150000から180000へと高い値を維持したまま変化する。
The light having the resonance wavelengths λ1 and λ2 confined in the optical resonator 16 has a strong electromagnetic field strength inside the optical resonator 16, and the radiation pressure with respect to the first to
ここで、輻射圧から第1〜第3ユニット10c〜10eが受ける力の方向は、光共振器16の共鳴モードに依存して引力または斥力となる。第1〜第3ユニット10c〜10eの光共振器16に同位相で光が閉じ込められる第1の共鳴モード(共鳴波長λ1)では、輻射圧は引力となる。
Here, the direction of the force received by the first to
図3(B)に示すように第1〜第3ユニット10c〜10eを互いに離間した状態で、光共振器16部分にスラブ12に対し垂直方向(Z軸方向)から共鳴波長λ1の光を照射すると、この光は共振器16に閉じ込められ、第1,第2ユニット10c,10dは照射された共鳴波長λ1の光の光強度に応じて第3ユニット10eに近接する向きに変移する。
As shown in FIG. 3B, with the first to
微少変移センサ18は、レーザ光を第1ユニット10cに照射し、第1ユニット10cからの反射光と照射光の干渉パターンを観測することで第1ユニット10cの変移量を検知する。この第1ユニット10cの変移量は共鳴波長λ1の光の光強度が大なるほど大きくなり、変移量から共鳴波長λ1の光及び光強度を検知することができる。
The minute change sensor 18 irradiates the
<第4実施形態>
図4(A),(B)は、本発明の光機能素子の第4実施形態の平面図及び側面図を示す。同図中、図1と同一部分には同一符号を付す。図4(A)の平面図において、三角格子空気穴2次元フォトニック結晶10は、エアブリッジ構造の高屈折率材料であるシリコンのスラブ12に三角格子状に配置した空気穴14を設けたものである。
<Fourth embodiment>
4A and 4B show a plan view and a side view of a fourth embodiment of the optical functional element of the present invention. In the figure, the same parts as those in FIG. In the plan view of FIG. 4A, the triangular lattice air hole two-
フォトニック結晶10は屈折率が周期的に変調された構造を指し、これを用いることにより非常に小型で閉じ込めの強い、即ちQ(Quality Factor)の高い光共振器を実現することができる。
The
光共振器16は、X軸方向に延在する5点欠陥(5つの空気穴の欠損)のX軸方向の両端に隣接する空気穴を5点欠陥から離すようにX軸方向に幅寄せするとともに、径を小さくして構成されている。光共振器16は例えば2つの共鳴モード(共鳴波長λ1,λ2)を有しており、共鳴波長λ1,λ2に合致した入力光を図4(A)に示す光共振器16部分にスラブ12に対し垂直方向(Z軸方向)から照射すると、共鳴波長の入力光は光共振器16内に蓄積される。なお、光共振器16は少なくとも共鳴波長λ1の共鳴モードを持っていればよい。 The optical resonator 16 widens the air holes adjacent to both ends in the X-axis direction of the five-point defect (deletion of five air holes) extending in the X-axis direction so as to be separated from the five-point defect. In addition, the diameter is reduced. The optical resonator 16 has, for example, two resonance modes (resonance wavelengths λ1 and λ2), and input light that matches the resonance wavelengths λ1 and λ2 is transferred to the slab 12 in the optical resonator 16 portion shown in FIG. On the other hand, when irradiated from the vertical direction (Z-axis direction), the input light having the resonance wavelength is accumulated in the optical resonator 16. The optical resonator 16 only needs to have at least a resonance mode having a resonance wavelength λ1.
図4(B)の側面図に示すように、フォトニック結晶10は、Z軸上でスラブ12の略中央位置においてZ軸と直交する平面(XY平面)で切断され、第1ユニット10aと第2ユニット10fに2分割されている。なお、光共振器16は第1ユニット10aだけに形成され、第2ユニット10fには形成されていない。
As shown in the side view of FIG. 4B, the
第2ユニット10fは図示しない基台部に固定されている。第1ユニット10aに対向して微少変移センサ18が設置されている。図4(B)では、第1ユニット10aが第2ユニット10fからZ方向に離間した状態を示している。なお、微少変移センサ18は出力レーザ光が光共振器16に入射しない位置に設置されている。
The
本実施形態では、フォトニック結晶10の格子定数は400nm、空気穴14の直径は210nm、第1ユニット10aと第2ユニット10fそれぞれのスラブ厚は100nmとする。
In the present embodiment, the lattice constant of the
第1ユニット10aと第2ユニット10fがZ方向に離間した距離L=90nmの場合、光共振器16のQ値は約150000である。このため、光共振器16に閉じ込められた共鳴波長λ1,λ2の光は、光共振器16内部で強い電磁場強度を持ち、接近して存在する第1ユニット10aと第2ユニット10fに対する輻射圧は大きくなり、第1ユニット10aは第2ユニット10fに対し空間的変移を生じる。ここでは、距離L=90nmから距離L=0nmに変化した場合、Q値は150000から180000へと高い値を維持したまま変化する。
When the distance L = 90 nm in which the
ここで、輻射圧から第1ユニット10aと第2ユニット10fが受ける力の方向は、光共振器16の共鳴モードに依存して引力または斥力となる。第1の共鳴モード(共鳴波長λ1)では、輻射圧は引力となる。
Here, the direction of the force which the
図4(B)に示すように距離L=90nmの状態で、光共振器16部分にスラブ12に対し垂直方向(Z軸方向)から共鳴波長λ1の光を照射すると、この光は共振器16に閉じ込められ、第1ユニット10aは照射された共鳴波長λ1の光の光強度に応じて第2ユニット10fに近接する向きに最大90nm変移する。
As shown in FIG. 4B, when the optical resonator 16 is irradiated with light having a resonance wavelength λ1 from the direction perpendicular to the slab 12 (Z-axis direction) in a state where the distance L is 90 nm, this light is transmitted to the resonator 16. The
微少変移センサ18は、レーザ光を第1ユニット10aに照射し、第1ユニット10aからの反射光と照射光の干渉パターンを観測することで第1ユニット10aの変移量を検知する。この第1ユニット10aの変移量は共鳴波長λ1の光の光強度が大なるほど大きくなり、変移量から共鳴波長λ1の光及び光強度を検知することができる。
The minute change sensor 18 irradiates the
<第5実施形態>
図5(A),(B)は、本発明の光機能素子の第5実施形態の平面図及び側面図を示す。同図中、図1と同一部分には同一符号を付す。図5(A)の平面図において、三角格子空気穴2次元フォトニック結晶10は、エアブリッジ構造の高屈折率材料であるシリコンのスラブ12に三角格子状に配置した空気穴14を設けたものである。
<Fifth Embodiment>
FIGS. 5A and 5B are a plan view and a side view of a fifth embodiment of the optical functional element of the present invention. In the figure, the same parts as those in FIG. In the plan view of FIG. 5A, the triangular lattice air hole two-
フォトニック結晶10は屈折率が周期的に変調された構造を指し、これを用いることにより非常に小型で閉じ込めの強い、即ちQ(Quality Factor)の高い光共振器を実現することができる。
The
光共振器16は、X軸方向に延在する5点欠陥(5つの空気穴の欠損)のX軸方向の両端に隣接する空気穴を5点欠陥から離すようにX軸方向に幅寄せするとともに、径を小さくして形成されている。光共振器16は例えば2つの共鳴モード(共鳴波長λ1,λ2)を有しており、共鳴波長λ1,λ2に合致した入力光を図5(A)に示す光共振器16部分にスラブ12に対し垂直方向(Z軸方向)から照射すると、共鳴波長の入力光は光共振器16内に蓄積される。なお、光共振器16は少なくとも共鳴波長λ1の共鳴モードを持っていればよい。 The optical resonator 16 widens the air holes adjacent to both ends in the X-axis direction of the five-point defect (deletion of five air holes) extending in the X-axis direction so as to be separated from the five-point defect. At the same time, the diameter is reduced. The optical resonator 16 has, for example, two resonance modes (resonance wavelengths λ1 and λ2), and input light that matches the resonance wavelengths λ1 and λ2 is transferred to the slab 12 in the optical resonator 16 portion shown in FIG. On the other hand, when irradiated from the vertical direction (Z-axis direction), the input light having the resonance wavelength is accumulated in the optical resonator 16. The optical resonator 16 only needs to have at least a resonance mode having a resonance wavelength λ1.
図5(B)の側面図に示すように、フォトニック結晶10は、X軸上で光共振器16の例えば中央位置においてX軸と直交する平面(YZ平面)で切断され、第4ユニット10gと第5ユニット10hに2分割されている。なお、光共振器16は第4ユニット10gと第5ユニット10hにまたがって構成されている。ところで、第4ユニット10gと第5ユニット10hを切断する切断面は光共振器16の例えば中央位置においてY軸と直交する平面(XZ平面)であっても良い。
As shown in the side view of FIG. 5B, the
第5ユニット10hは図示しない基台部に固定されている。第4ユニット10gに対向して微少変移センサ18が設置されている。図5(B)では、第4ユニット10gが第5ユニット10hからX方向に離間した状態を示している。なお、微少変移センサ18は出力レーザ光が光共振器16に入射しない位置に設置されている。
The
本実施形態では、フォトニック結晶10の格子定数は400nm、空気穴14の直径は210nm、第4ユニット10gと第5ユニット10hそれぞれのスラブ厚は200nmとする。
In the present embodiment, the lattice constant of the
第4ユニット10gと第5ユニット10hがX方向に離間した距離L=90nmの場合、光共振器16のQ値は約150000である。このため、光共振器16に閉じ込められた共鳴波長λ1,λ2の光は、光共振器16内部で強い電磁場強度を持ち、接近して存在する第4ユニット10gと第5ユニット10hに対する輻射圧は大きくなり、第4ユニット10gは第5ユニット10hに対し空間的変移を生じる。ここでは、距離L=90nmから距離L=0nmに変化した場合、Q値は150000から180000へと高い値を維持したまま変化する。
When the distance L = 90 nm in which the
ここで、輻射圧から第4ユニット10gと第5ユニット10hが受ける力の方向は、光共振器16の共鳴モードに依存して引力または斥力となる。第4ユニット10gと第5ユニット10hの光共振器16に同位相で光が閉じ込められる第1の共鳴モード(共鳴波長λ1)では、輻射圧は引力となる。
Here, the direction of the force received by the
図5(B)に示すように距離L=90nmの状態で、光共振器16部分にスラブ12に対し垂直方向(Z軸方向)から共鳴波長λ1の光を照射すると、この光は共振器16に閉じ込められ、第4ユニット10gは照射された共鳴波長λ1の光の光強度に応じて第5ユニット10hに近接する向きに最大90nm変移する。
As shown in FIG. 5B, when the optical resonator 16 is irradiated with light having a resonance wavelength λ1 from the direction perpendicular to the slab 12 (Z-axis direction) in a state where the distance L is 90 nm, this light is emitted from the resonator 16. The
微少変移センサ18は、レーザ光を第4ユニット10gに照射し、第4ユニット10gからの反射光と照射光の干渉パターンを観測することで第4ユニット10gの変移量を検知する。この第4ユニット10gの変移量は共鳴波長λ1の光の光強度が大なるほど大きくなり、変移量から共鳴波長λ1の光及び光強度を検知することができる。
The minute change sensor 18 irradiates the
このように、Q値の高い光共振器16に閉じ込められた光の輻射圧を利用して光及びその光強度を検出するため、検出効率が向上し、光吸収がないので検出した光をその後の処理に利用できる。また、光共振器16は欠陥の数、欠陥に隣接する空気孔の幅寄せ量、欠陥に隣接する空気孔の径などを変化させることで共鳴モードを比較的自由に変化させることができるので、検出できる周波数範囲の設定の自由度が高くできる。 In this way, since the light and its light intensity are detected using the radiation pressure of the light confined in the optical resonator 16 having a high Q value, the detection efficiency is improved and there is no light absorption. It can be used for processing. Further, since the optical resonator 16 can change the resonance mode relatively freely by changing the number of defects, the width of the air holes adjacent to the defects, the diameter of the air holes adjacent to the defects, and the like. The degree of freedom in setting the detectable frequency range can be increased.
なお、上記実施形態では、共鳴波長に合致した入力光をスラブに対し垂直方向から照射する構成であるが、2次元フォトニック結晶10に共振器16と結合する光導波路を設け、入力光を光導波路から共振器16に入力する構成であっても良い。また、2次元フォトニック結晶10のスラブ12を用いて説明を行ったが、3次元フォトニック結晶に形成した光共振器においても、共振器の設計を調整することで共鳴波長をチューニングでき、一方の部分の変移により閉じ込められた光を検出することができる。
In the above embodiment, the input light matching the resonance wavelength is irradiated from the direction perpendicular to the slab. However, the two-
なお、上記実施形態は、シリコンフォトニック結晶のスラブを用いた場合について述べたが、GaAs等の他の材料、3次元フォトニック結晶等の他の構造を用いた場合にも同様の効果が得られる。更に、フォトニック結晶による光共振器以外の例えばウイスパリングギャラリ(Whispering Gallery)モード光共振器についても同様な効果が期待できる。 In the above embodiment, the case where the slab of the silicon photonic crystal is used has been described. However, the same effect can be obtained when another material such as GaAs or another structure such as a three-dimensional photonic crystal is used. It is done. Furthermore, the same effect can be expected for a whispering gallery mode optical resonator other than the photonic crystal based optical resonator.
なお、微少変移センサ18が請求項記載の変移手段に相当し、レーザ光源20が逆向き力発生手段に相当し、する。 The minute change sensor 18 corresponds to the shift means described in the claims, and the laser light source 20 corresponds to the reverse force generation means.
10 フォトニック結晶
10a,10c 第1ユニット
10b,10d,10f 第2ユニット
10e 第3ユニット
10g 第4ユニット
10h 第5ユニット
12 スラブ
14 空気穴
16 光共振器
18 微少変移センサ
20 レーザ光源
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記複数のユニット間にまたがって構成される光共振器に前記λ1またはλ2の共鳴波長の光を照射して閉じ込めることで前記複数のユニットのうちの1つのユニットを残りのユニットに対し空間的に変移させる輻射圧を発生させ、
前記1つのユニットの変移を検知する変移検知手段を有し、
前記変移検知手段で検知した変移量から前記共鳴波長の光を検知する光機能素子であって、
前記輻射圧は、前記複数のユニットが同位相で光が閉じ込められる共鳴モードの共鳴波長λ1の光を照射した場合は引力であり、前記複数のユニットが逆位相で光が閉じ込められる共鳴モードの共鳴波長λ2の光を照射した場合は斥力であり、
前記変移検知手段は、前記分割した1つのユニットの残りのユニットに対する前記分割した平面と垂直の方向の変移を検知する
ことを特徴とする光機能素子。 A two-dimensional photonic crystal in which holes of a low-refractive material are arranged in a lattice pattern on a slab of a high-refractive index material is configured by locally disturbing the periodicity of the holes, and has two resonance wavelengths λ1 and λ2. The optical resonator is divided into two or three units in a plane parallel to the slab surface, and arranged so that one optical resonator is formed across the plurality of units.
One of the plurality of units is spatially separated from the remaining units by irradiating and confining light having a resonance wavelength of λ1 or λ2 to an optical resonator formed between the plurality of units. To generate the radiation pressure to change,
A transition detecting means for detecting a transition of the one unit;
An optical functional element that detects light of the resonance wavelength from a shift amount detected by the shift detection means,
The radiation pressure is an attractive force when the light of the resonance mode λ1 of the resonance mode in which the plurality of units are confined in the same phase, and the resonance in the resonance mode in which the light is confined in the opposite phase. When light of wavelength λ2 is irradiated, it is repulsive,
The optical detection element, wherein the transition detection unit detects a transition in a direction perpendicular to the divided plane with respect to the remaining units of the one divided unit.
前記2個のユニット間にまたがって構成される光共振器に前記λ1またはλ2の共鳴波長の光を照射して閉じ込めることで前記2個のユニットのうちの1つのユニットを残りのユニットに対し空間的に変移させる輻射圧を発生させ、
前記1つのユニットの変移を検知する変移検知手段を有し、
前記変移検知手段で検知した変移量から前記共鳴波長の光を検知する光機能素子であって、
前記輻射圧は、前記2個のユニットが同位相で光が閉じ込められる共鳴モードの共鳴波長λ1の光を照射した場合は引力であり、前記2個のユニットが逆位相で光が閉じ込められる共鳴モードの共鳴波長λ2の光を照射した場合は斥力であり、
前記変移検知手段は、前記分割した1つのユニットの残りのユニットに対する前記分割した平面と垂直の方向の変移を検知する
ことを特徴とする光機能素子。 A two-dimensional photonic crystal in which holes of a low-refractive material are arranged in a lattice pattern on a slab of a high-refractive index material is configured by locally disturbing the periodicity of the holes, and has two resonance wavelengths λ1 and λ2. The optical resonator is divided into two units on a plane perpendicular to the slab surface and passing through the optical resonator, and arranged so that one optical resonator is formed across the two units. ,
The optical resonator formed between the two units is confined by irradiating light with the resonance wavelength of λ1 or λ2 to confine one of the two units with respect to the remaining units. Generating a radiation pressure that changes
A transition detecting means for detecting a transition of the one unit;
An optical functional element that detects light of the resonance wavelength from a shift amount detected by the shift detection means,
The radiation pressure is an attractive force when the two units emit light having a resonance wavelength λ1 in a resonance mode in which light is confined in the same phase, and a resonance mode in which the two units are confined in opposite phases. Is a repulsive force when irradiated with light having a resonance wavelength λ2.
The optical detection element, wherein the transition detection unit detects a transition in a direction perpendicular to the divided plane with respect to the remaining units of the one divided unit.
前記2次元フォトニック結晶のスラブをスラブ表面と平行な平面で分割した複数のユニットのいずれかは前記光共振器構造を持たないことを特徴とする光機能素子。 The optical functional element according to claim 1,
One of the plurality of units obtained by dividing the slab of the two-dimensional photonic crystal by a plane parallel to the slab surface does not have the optical resonator structure.
前記光共振器は、前記穴の、欠損または位置ずれまたは径の変化のいずれか、またはこれらの組み合わせによって、前記穴の周期性を局所的に乱して構成されていることを特徴とする光機能素子。 The optical functional element according to claim 1 or 2 ,
The optical resonator is configured such that the periodicity of the hole is locally disturbed by any one of the defect, displacement, or diameter change of the hole, or a combination thereof. Functional element.
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