CN1720471A - 具有局部的三维构造的二维光学晶体切片 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能够控制来自光共振器的光的表背放射比的二维光学晶体。在主体(11)上周期性地设置了空孔(12)的二维光学晶体的表面，载置有由与空气折射率不同的材料制成的折射率构件(13)。这样，在载置了折射率构件(13)的位置上主体(11)和折射率构件(13)相结合而成为光共振器。该光共振器在折射率高的一侧，即在载置了折射率构件的面的一侧，更强烈地放射出光。由此，由配置了折射率构件(13)的面侧放射出的光(191)的强度与由其相反一侧的面侧放射的光(192)的强度相比更强。通过改变折射率构件的折射率、形状、大小，可以控制作为光(191)和光(192)的强度比的表背放射比。

Description

具有局部的三维构造的二维光学晶体切片

技术领域

本发明涉及一种可以适用于波长分割光多重通信等中所使用的光分合波器件等的二维光学晶体切片。特别涉及在设于这些器件中的光共振器中有效地进行与外部之间的光的授受的技术。

背景技术

近年来，作为新的光学器件，光学晶体受到关注。所谓光学晶体是指具有周期性折射率分布的功能材料，相对于光或电磁波的能量形成波段构造。特别是，其特征为，形成有不能进行光或电磁波的传播的能量区域(光学能带隙)。

通过在光学晶体中的折射率分布中导入适当的缺陷，就可以在光学能带隙中形成由该缺陷造成的能级(缺陷能级)。这样，光学能带隙中的与能级对应的波长范围当中，仅与缺陷能级的能量对应的波长的光可能存在。如果将晶体中的所述缺陷设为线状，则成为波导，如果将晶体中的缺陷设为点状，则成为共振器。

在光学晶体中，可以使用二维晶体或三维晶体。两者中虽然各自有所特长，但是其中二维晶体在制作比较容易这一点上是有利的。在特开2001-272555号公报中记载有如下的情况，在二维光学晶体中，通过将圆柱孔以三角格子状周期性地排列来设置周期性折射率分布，通过使该圆柱孔成线状缺损来形成波导(「0025」，图1)，在波导附近形成点缺陷(「0029」，图1)。在特开2001-272555号公报中，作为实施例，对于通过增大被周期性排列的圆柱孔的直径而形成的点缺陷进行了讨论。

另外，本申请人等在特开2003-279764号公报中，提出了如下的方案，即，通过将形成周期性折射率分布的异折射率区域当中的相邻的2个以上的异折射率区域，设为缺陷来形成簇缺陷。这里，异折射率区域的缺陷是通过将该异折射率区域的折射率设为与其他的异折射率区域的折射率不同的值而形成的。将比其他的异折射率区域折射率更低的称为受体型缺陷，将更高的称为供体型缺陷。所述特开2001-272555号公报中所记载的通过增大圆柱孔而形成的缺陷为受体型缺陷，通过不设置异折射率区域而形成的缺陷为供体型缺陷。将簇缺陷和仅使1个异折射率区域缺损而形成的点缺陷总称为「点状缺陷」。

对于设置了这些点状缺陷的二维光学晶体虽然可以考虑各种各样的用途，但是作为其典型例可以举出光多重通信。在近年的光多重通信中，使用在1条传输路中重叠传播多个波长的光并在各自上加载其他的信号的波长分割多重方式。二维光学晶体通过将波导、具有与各波长对应的缺陷能级的不同的多个点缺陷如前所述地设置，就可以作为从点状缺陷中取出在波导中传播的光当中的特定的波长的光(信号)的分波器或将特定的波长的光从点状缺陷向波导导入的合波器使用。

在分波器等中从点状缺陷(光共振器)中将光向光纤等晶体外部输出时，在点状缺陷像圆柱等那样在与二维光学晶体的面垂直的方向上具有对称的形状的情况下，在面的表背就会以相同的强度放射出光。但是，当二维光学晶体被载置在基板上时，仅由晶体的自由面射出的光可以利用，从基板面射出的光就会损失掉。所以，在特开2001-272555号公报或所述特开2003-279764号公报中，研究了通过将点状缺陷的形状设为表背非对称，来控制从一方的面射出的光和从另一方的面射出的光的放射强度的比(表背放射比)的方法。这样，就可以增大来自一方的面的放射强度，提高放射(输出)效率。例如在特开2001-272555号公报中，表示有将受体型点缺陷设为圆锥形状的点缺陷(「0032」，图5)、直径在面的表背侧不同的点缺陷(「0032」，图6)。

但是，将二维光学晶体的主体自身加工为表背非对称而制作点状缺陷并不容易。例如，在特开2001-272555号公报的「0039」～「0040」中所记载的通过将缺陷位置以外的晶体表面以光刻胶掩蔽而以反应性离子进行蚀刻来制作点状缺陷的方法中，虽然可以形成圆柱形状等表背对称的点状缺陷，但是无法形成圆锥形状等表背非对称的点状缺陷。

发明内容

本发明是为了解决此种问题而完成的，其目的在于，提供具有能够控制光的表背放射比并且可以比以往更为容易地制作的点状缺陷的二维光学晶体。

为了解决所述问题而完成的本发明的具有局部的三维构造的二维光学晶体切片的特征是，具备：

a)切片状的主体、

b)被周期性地排列在所述主体上的多个与主体折射率不同的区域、

c)载置在所述主体的表面的折射率构件。

这里，所谓「折射率构件」在本申请中是指，由与空气折射率不同的材料制成的构件。

本发明的具有局部的三维构造的二维光学晶体切片，将作为与面内方向的大小相比厚度足够薄的板状体的片作为主体，将通过在该主体上周期性地配置与主体折射率不同的区域而构成的二维光学晶体作为母体。在该母体的二维光学晶体中，因周期性的异折射率区域的存在而形成光学能带隙，具有该范围内的能量的光就无法存在。即，与之对应的波带的光无法通过主体。作为主体的材料，例如可以使用Si或InGaAsP。作为异折射率区域的典型例，有所述特开2001-272555号公报中所述的圆柱孔。如果使用圆柱孔，则在主体中开设孔即可，与将任意的构件配置在主体内相比可以更为容易地制作。

在配置了该异折射率区域的主体的表面，载置由与空气折射率不同的材料制成的异折射率构件。通过对异折射率构件的折射率(材料)、形状、大小及位置进行适当地设定，就可以在光学能带隙中形成所需的值的缺陷能级。载置了该折射率构件的位置就成为点缺陷，成为使所需的波长的光共振的光共振器。而且，也可以在1个主体上载置2个以上的折射率构件。另外，如果载置材料、形状、大小的任意一项或它们当中的2个以上不同的2个以上的折射率构件，则成为使不同的2种以上的波长的光共振的光共振器。

如果将该折射率构件仅载置在一方的面上，则由该折射率构件形成的点缺陷，就会成为相对于二维光学晶体的面非对称，即表背非对称的点缺陷。由一方的面射出的光和由另一方的面射出的光的放射强度的比(表背放射比)就可以通过改变折射率构件的材料、形状、大小来控制。

通过改变折射率构件的形状，则不仅可以控制光的表背放射比，而且可以控制光的放射方向或光的会聚·扩散等。例如，如果将折射率构件的顶部设为凹形，则可以使所放射的光会聚在空间中的1点。此时，通过调节顶部的曲率，就可以控制会聚点的位置。在将折射率构件的顶部设为凸形的情况下，通过调节其曲率，就可以控制放射角。除了折射率构件的形状的变化以外，通过使折射率构件的内部具有折射率的分布，也可以控制光的放射方向。如上所示的光的放射方向或光的会聚·扩散等控制是在以往的二维光学晶体光共振器中未考虑的。

折射率构件也可以载置在主体的表背两面上。通过在主体的一方的面上载置1个折射率构件，在与其不同的位置上在相反一侧的面上载置另一个折射率构件，它们就会成为表背放射比不同的2个点状缺陷。另外，通过将2个折射率构件载置在主体的相同位置的表背面上，两折射率构件就会相结合而成为1个点状缺陷。对于后者的情况，如果使用材料、形状、大小的任意一项不同的2个折射率构件，则可以使光的放射强度、方向、会聚、扩散等在表背面上不同。另一方面，在使放射强度、方向、会聚、扩散等在表背面上相同的同时对它们进行控制的情况下，将相同的折射率构件载置在主体的相同位置的表背面上即可。

形成以往的受体型及供体型点状缺陷的位置，由异折射率区域的位置限定。与之相反，本发明的折射率构件的点状缺陷可以在主体的任意的位置上形成。而且，折射率构件的点状缺陷中的光的共振波长除了因材料等折射率构件自身的参数以外，还因折射率构件和异折射率区域的位置关系而变化。

将异折射率区域的点状缺陷设于主体内，在该位置上还配置折射率构件也十分有用。这样，异折射率区域点状缺陷和折射率构件就会相结合而发挥1个点状缺陷的作用。如果将各点状缺陷的异折射率区域点状缺陷和折射率构件都设为不同，则选择共振波长的自由度就会比各个缺陷单独存在的情况更高。另一方面，如果将共振波长不同的多个异折射率区域点状缺陷设于主体内，在这些位置的主体表面配置具有相同的材料、形状及大小的折射率构件，则可以在各个缺陷位置上将不同的波长的光以大致相同的放射方向、会聚·扩散来输出。

另外，也可以将对主体自身加工而形成的表背非对称的异折射率点状缺陷、使用了本发明的折射率构件的点缺陷都设于主体中。通过调整异折射率区域点状缺陷和折射率构件双方的参数，就可以比仅设置折射率构件的情况更为自由地控制表背放射比或放射方向等。

折射率构件的材料既可以是与主体不同的材料，也可以是相同的材料。当使用相同的材料时，就可以将主体和折射率构件容易地接合。另一方面，如果从与主体不同的材料中选择，则可以跨越较宽范围地改变共振波长。

有具有因激光的照射、压力的施加、加热等来自外部的作用而使折射率变化的性质的材料。例如，在InGaAsP类或InGaAlAsP类等半导体中，因存在因量子阱的bandfeeling效应，存在通过照射激光而使电荷密度变化，折射率变化的材料。如果将此种材料用于折射率构件，则可以构成能够通过改变其外部作用来控制共振波长的光共振器。

通过在迄今所述的各种各样的折射率构件的附近，将异折射率区域的缺陷以线状设置而形成波导，该二维光学晶体就成为将通过波导的光当中的给定波长的光利用折射率构件从波导向外部分波或从外部向波导合波的光分合波器。

在本发明的具有局部的三维构造的二维光学晶体切片中，可以控制光的表背放射比、放射方向、会聚·扩散等。通过控制表背放射比，使来自进行光的输出的面的放射强度比来自相反一侧的面的放射强度更强，就可以提高来自点缺陷的光的输出效率。通过控制放射方向或会聚·扩散等，就可以将从点缺陷中取出的光有效地导入光纤等晶体外部。

使用了本发明的折射率构件的点缺陷与将二维光学晶体的主体自身加工为表背非对称而制作的以往的点状缺陷相比，可以更为容易地制作。由于与以往相比可以更为自由地选择折射率构件的形状或材料，因此光的表背放射比的控制与以往相比就更为容易。另外，利用点缺陷的形状进行的放射方向、会聚·扩散等的控制虽然也可以利用所述的表背非对称的异折射率区域点状缺陷来实现，但是使用了本发明的折射率构件的点缺陷的一方更为容易。

附图说明

图1是表示本发明的具有局部的三维构造的二维光学晶体切片的一个实施例的立体图。

图2是表示本发明的二维光学晶体波长分合波器的一个实施例的立体图。

图3是表示在异折射率区域点状缺陷的位置上载置了折射率构件的二维光学晶体的一个实施例的立体图。

图4是表示在异折射率区域点状缺陷的位置上载置了折射率构件的二维光学晶体波长分合波器的一个实施例的立体图。

图5是表示载置了不同的2种以上的折射率构件的二维光学晶体及光分合波器的一个实施例的立体图。

图6是表示折射率构件的形状的例子的剖面图。

图7是表示晶体主体的相同位置的表背面上载置了折射率构件的二维光学晶体的一个实施例的剖面图。

图8是表示计算由点状缺陷放射的光的空间分布的对象的二维光学晶体的图。

图9是表示计算了由点状缺陷放射的光的空间分布的结果的图。

图10是表示本发明的具有局部的三维构造的二维光学晶体切片的制造方法1的立体图。

图11是表示本发明的具有局部的三维构造的二维光学晶体切片的制造方法2的立体图。

图12是在表面形成了折射率构件的二维光学晶体的电子显微镜照片。

具体实施方式

图1中表示本发明的具有局部的三维构造的二维光学晶体切片的一个实施例。在主体11上，以三角格子状周期性地配置了作为异折射率区域的空孔12。二维光学晶体由这些主体11和空孔12构成。在1个空孔12的正上方配置有折射率构件13。这样，配置了折射率构件13的位置就成为光共振器。在由该光共振器中放射出光时，由配置了折射率构件13的面的一侧放射的光191的强度，比由其相反一侧的面一侧放射的光192的强度更强。

而且，本发明的二维光学晶体切片并不限定于图1所示的方式。例如，异折射率区域也可以是嵌入了与主体11不同的材料的构件。空孔12的配置除了所述的三角格子状的方式以外，也可以是正方格子状的方式。配置折射率构件13的位置除了所述的空孔12的正上方以外，例如也可以是三角格子中的三角形的重心等。

图2中表示使用了本发明的二维光学晶体切片的光分合波器的一个实施例。在图1的晶体中，通过进一步以线状设置空孔12的缺陷(使空孔12成线状地缺损)，在配置了折射率构件13的位置(光共振器)的附近形成波导14。这样，就成为将通过波导14的光当中，光共振器的共振波长的光经过折射率构件13向外部分波，或从外部经过折射率构件13向波导14合波的光分合波器。

图3及图4中表示在异折射率区域点状缺陷的位置上，载置了折射率构件的二维光学晶体及光分合波器的实施例。在二维光学晶体上，通过使相邻的多个空孔12缺损，形成供体型簇缺陷15(图3上图，这里将使之缺损的空孔用虚线表示)，在该供体型簇缺陷15的位置的表面载置折射率构件13(图3下图)。折射率构件13和供体型簇缺陷15相结合，发挥1个点状缺陷的作用。而且，供体型簇缺陷除了由图3所示的以直线状连续的3个点缺陷形成以外，也可以是由以三角形状相邻的3个点缺陷形成，或由相邻的2个或4个以上的点缺陷形成。另外，与供体型簇缺陷的情况相同，也可以在受体型点状缺陷的位置的表面载置折射率构件13。

通过将所述的直线状供体型簇缺陷151和三角形供体型簇缺陷152设于1个二维光学晶体上(图4上图，将各点缺陷用虚线表示)，在这些位置上的晶体表面上载置相同的折射率构件131及132(图4下图)，就形成分别对不同的波长的光进行共振的共振器。这样，就成为将这些波长的光从波导14经过折射率构件131或132而向外部分波，或从外部经过这些折射率构件而向波导14合波的光分合波器。

图5中表示载置了不同的2种以上的折射率构件的二维光学晶体及光分合波器的一个实施例。将大小不同的3种折射率构件133、134及135设于波导14的附近。各折射率构件的位置形成对各自不同的波长的光进行共振的共振器，该波长的光从波导14经过折射率构件向外部分波，或从外部经过折射率构件向波导14合波。而且，除了图5所示的折射率构件的大小的差异以外，也可以利用折射率构件的材料或形状等对不同的波长的光进行分合波。

图6中以剖面图表示折射率构件的形状的例子。(a)是将柱状的折射率构件的顶部设为凹面的例子，使所放射的光会聚在空间中的1点。(b)是将顶部设为凸面的例子，放射出以由凸面的曲率决定的放射角扩散的光。而且，这里所示的凸部或凹部可以形成于圆柱或长方体等的顶部。

图7中表示在晶体主体的相同位置的表背面设置了折射率构件的二维光学晶体的一个实施例。(a)中，在主体11的表背面以不同的大小设有具有相同的凹面形状的折射率构件133及134。这样，就放射出在表背面为不同的强度并且在表背面都会聚到空间内的1点的光。(b)中，在主体1的表背面设有具有凹面形状的完全相同的折射率构件133。这样，就放射出在表背面为相同强度并且在表背面都会聚到空间内的1点的光。

对于图8所示的2种二维光学晶体，计算了从点状缺陷中放射的光的空间分布。(a)是具有仅由3缺陷直线状供体型簇缺陷构成的点状缺陷的例子，(b)是具有将2个相同的折射率构件135在3缺陷直线状供体型簇缺陷的表背面上对称地配置的点状缺陷的例子。(b)的折射率构件135为半径0.6a、高0.6a(a为空孔12的周期)的圆柱，由与主体11相同的材料构成。将其计算结果表示在图9中。根据(a)的左图和(b)的左图，比较图8中所示的y-z面的光的放射强度。(a)中，光除了被向与主体垂直的方向(z方向)强烈地放射以外，还被向倾斜(离z轴60°)的方向强烈地放射。与之相反，(b)中，光向倾斜的方向的放射被抑制，被更强烈地向z方向放射。在(a)的右图和(b)的右图(x-z平面)中，与(a)相比，(b)的一方向倾斜方向的光的放射被抑制。这样，通过使用折射率构件，向与主体垂直的方向的光的输出效率提高。

下面，对本发明的二维光学晶体的制造方法进行说明。对于二维光学晶体的制造工序，由于被详细记载在特开2001-272555号公报中，因此在这里将说明省略。以下，对在主体表面形成折射率构件的2种制造方法进行叙述。

对于制造方法1利用图10进行说明。在向二维光学晶体的表面供给成为其原料的气体21的同时，向给定的位置照射会聚离子束22，通过使电离了的原料堆积来形成折射率构件。会聚离子束为最小可以使之会聚到数nm的范围而照射的离子束。这样就可以使折射率构件局部地堆积。本实施例中，会聚离子束中所使用的离子为Ga离子。在原料气体中，例如在折射率构件的材料为C的情况下，可以使用菲(C₁₄H₁₀)。

对于制造方法2利用图11进行说明。该方法中，将预先制作好的折射率构件13利用可以保持数纳米的大小的构件的纳米操纵器23载置在二维光学晶体的表面。在载置了折射率构件后，利用向光学晶体和折射率构件的交界部照射激光等方法，将两者接合。该方法中，由于可以在晶体的外部进行折射率构件13的制作、加工，因此就可以容易地获得所需的形状的折射率构件。

图12中表示在表面形成了折射率构件的二维光学晶体的电子显微镜照片。(a)为形成折射率构件前的具备了波导14和直线状供体型簇缺陷15的二维光学晶体。(b)为利用制造方法1在(a)的晶体上形成由C构成的折射率构件13的照片。(c)为将(b)的晶体当中的折射率构件13附近放大后的照片。从这些照片中可以发现，利用该制造方法可以形成折射率构件。

Claims (14)

1.一种具有局部的三维构造的二维光学晶体切片，其特征是，具备：

a)切片状的主体、

b)被周期性地排列在所述主体上的多个与主体折射率不同的区域、

c)载置在所述主体的表面的折射率构件。

2.根据权利要求1所述的具有局部的三维构造的二维光学晶体切片，其特征是，具有通过在所述折射率构件的附近，线状地设置所述异折射率区域的缺陷而形成的波导。

3.根据权利要求1或2所述的具有局部的三维构造的二维光学晶体切片，其特征是，将材料、形状、大小的任意一项不同的2个以上的折射率构件载置在主体的表面。

4.根据权利要求1～3中任意一项所述的具有局部的三维构造的二维光学晶体切片，其特征是，将异折射率区域的点状缺陷设于主体内，在该位置上载置了折射率构件。

5.根据权利要求4所述的具有局部的三维构造的二维光学晶体切片，其特征是，在主体内设置了多个分别具有不同的共振波长的异折射率区域点状缺陷，在各点状缺陷的位置上载置了折射率构件。

6.根据权利要求1～5中任意一项所述的具有局部的三维构造的二维光学晶体切片，其特征是，将所述折射率构件载置在主体的表背两面。

7.根据权利要求6所述的具有局部的三维构造的二维光学晶体切片，其特征是，将所述折射率构件载置在主体的表背两面的相同位置。

8.根据权利要求7所述的具有局部的三维构造的二维光学晶体切片，其特征是，在主体的表背两面的相同位置上载置了相同的折射率构件。

9.根据权利要求1～8中任意一项所述的具有局部的三维构造的二维光学晶体切片，其特征是，设有表背非对称的异折射率区域点状缺陷。

10.根据权利要求1～9中任意一项所述的具有局部的三维构造的二维光学晶体切片，其特征是，所述折射率构件由与所述主体相同的材料构成。

11.根据权利要求1～9中任意一项所述的具有局部的三维构造的二维光学晶体切片，其特征是，所述折射率构件由因来自外部的作用折射率会发生变化的材料构成。

12.根据权利要求1～11中任意一项所述的具有局部的三维构造的二维光学晶体切片，其特征是，所述折射率构件为柱状，其顶部为凹形或凸形。

13.一种具有局部的三维构造的二维光学晶体切片的制造方法，其特征是，具有向二维光学晶体上导入折射率构件的原料气体，向该晶体上照射会聚离子束而堆积折射率构件的折射率构件制作工序。

14.一种具有局部的三维构造的二维光学晶体切片的制造方法，其特征是，具有在二维光学晶体上使用纳米操纵器载置折射率构件的折射率构件制作工序。

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