JP2003043277A - Wavelength branching filter circuit - Google Patents
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、光集積回路に関
し、特に光通信、光制御などに用いられ、波長多重光伝
送方式などに用いて好適な平面型光集積回路に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical integrated circuit, and more particularly to a planar optical integrated circuit which is used for optical communication, optical control and the like, and which is suitable for a wavelength division multiplexing optical transmission system.
【０００２】[0002]
【従来の技術】波長多重光通信方式においては、波長多
重された複数の信号光を、分波する、あるいは複数の信
号光を１本の導波路に合波する機能のデバイスが不可欠
である。そのような機能を有する光デバイスとして、ア
レイ導波路格子を用いた素子（以下、「ＡＷＧ」（Ａrr
ay Ｗave Ｇuide）という）が有力視されている。そ
の一例として、高橋らによって、１９９２年発行の電子
情報通信学会春季大会予稿第４分冊の第２７２頁に開示
されたＡＷＧの平面構造を図１３に示す。2. Description of the Related Art In a wavelength division multiplexing optical communication system, a device having a function of demultiplexing a plurality of wavelength multiplexed signal lights or multiplexing a plurality of signal lights into a single waveguide is indispensable. As an optical device having such a function, an element using an arrayed waveguide grating (hereinafter, referred to as “AWG” (Arr
ay Wave Guide)) is considered to be the most important. As an example thereof, FIG. 13 shows a planar structure of the AWG disclosed by Takahashi et al. On page 272 of the 4th volume of the Spring Conference of the Institute of Electronics, Information and Communication Engineers, 1992.
【０００３】図１３を参照すると、このＡＷＧ素子にお
いては、Ｓｉ基板からなる導波路基板５１上に石英系の
光導波路を形成しており、１１本の入力光導波路５２、
凹面構造のスラブ導波路からなる入力側スターカップラ
５３、アレイ導波路格子５４、出力側スターカップラ５
５、及び、出力導波路５６を備えている。１１本の入力
導波路５２の内の１本の導波路から入力された、波長の
異なる複数の信号光は、アレイ導波路格子部５４で波長
によって決定される位相シフトを受け、異なる出力ポー
トに出力される。すなわち、波長多重された信号光を分
波することができる。Referring to FIG. 13, in this AWG device, a quartz optical waveguide is formed on a waveguide substrate 51 made of a Si substrate, and 11 input optical waveguides 52,
An input side star coupler 53, an arrayed waveguide grating 54, and an output side star coupler 5 each of which is a concave slab waveguide.
5 and the output waveguide 56. A plurality of signal lights having different wavelengths, which are input from one of the 11 input waveguides 52, undergo a phase shift determined by the wavelength in the arrayed waveguide grating section 54 and are output to different output ports. Is output. That is, it is possible to demultiplex the wavelength-multiplexed signal light.
【０００４】高橋らは、４１本のアレイ導波路格子を用
い、１．５μｍ波長帯において、周波数間隔１０ＧＨ
ｚ、チャンネル数１１の合分波器を製作し、クロストー
ク−１４ｄＢ、挿入損失８ｄＢ、３ｄＢ透過帯域幅６．
５ＧＨｚの特性を得ている。比屈折率差は７５％、基板
サイズは４ｃｍ×６ｃｍである。なお、同様のＡＷＧ素
子は、例えば特公平７−１１７６１２号公報にも開示さ
れている。Takahashi et al. Used 41 arrayed waveguide gratings and had a frequency spacing of 10 GH in the 1.5 μm wavelength band.
6. A multiplexer / demultiplexer with 11 channels and 11 channels was manufactured, and crosstalk was -14 dB, insertion loss was 8 dB, and 3 dB transmission bandwidth was 6.
The characteristic of 5 GHz is obtained. The relative refractive index difference is 75%, and the substrate size is 4 cm × 6 cm. A similar AWG element is disclosed in, for example, Japanese Patent Publication No. 7-117612.
【０００５】[0005]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来のＡＷＧ素子は下記記載の問題点を有している。However, the above-mentioned conventional AWG device has the following problems.
【０００６】第１の問題点は、素子サイズが大きくな
る、ということである。その理由は、光の進む進路一つ
一つに、個別に導波路を作成する必要があり、各導波路
の曲げ半径に制限があるからである。[0006] The first problem is that the element size becomes large. The reason is that it is necessary to individually create a waveguide for each traveling path of light, and the bending radius of each waveguide is limited.
【０００７】第２の問題点は、クロストークの低減が困
難である、ということである。その理由は、導波路を構
成するコアとクラッドの屈折率差をいくら大きくしても
ある程度の光信号の染み出しを避けられず、また上記サ
イズの制限からしても、導波路ピッチを十分大きくとる
ことは不可能である、からである。The second problem is that it is difficult to reduce crosstalk. The reason for this is that no matter how large the difference in refractive index between the core and the clad that make up the waveguide is, it is inevitable that the optical signal will seep out to some extent. It is impossible to take.
【０００８】したがって、本発明は、上記問題点に鑑み
てなされたものであって、その目的は、サイズの小型化
を達成し、高速化、伝送効率等の素子特性、性能向上を
図り、高集積化に好適とされる波長分波回路を提供する
ことにある。Therefore, the present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to achieve miniaturization of size, improvement in device characteristics such as high speed and transmission efficiency, and improvement in performance, It is to provide a wavelength demultiplexing circuit suitable for integration.
【０００９】[0009]
【課題を解決するための手段】前記目的を達成する本発
明は、波長一つ一つに導波路を形成することなく、基板
自体に波長偏向特性を持たせるようにしたものである。
より詳細には、本発明の波長分波回路は、基板自体に、
全体的に２次元格子状に屈折率の異なる媒質からなる周
期構造が形成されている。According to the present invention, which achieves the above object, a substrate itself has wavelength deflection characteristics without forming a waveguide for each wavelength.
More specifically, the wavelength demultiplexing circuit of the present invention is provided on the substrate itself,
A periodic structure made of a medium having a different refractive index is formed in a two-dimensional lattice shape as a whole.
【００１０】[0010]
【発明の実施の形態】本発明の好ましい実施の形態につ
いて以下に説明する。本発明の波長分波回路は、その好
ましい実施の形態において、基板自体に、全体的に２次
元格子状に屈折率の異なる媒質からなる周期構造が形成
されている。基板の周期構造により、２次元状のフォト
ニック結晶が形成され、これにより、屈折率分散の異方
性が生じる。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Preferred embodiments of the present invention will be described below. In a preferred embodiment of the wavelength demultiplexing circuit of the present invention, a periodic structure made of a medium having different refractive indexes is formed on the substrate itself as a whole in a two-dimensional lattice form. Due to the periodic structure of the substrate, a two-dimensional photonic crystal is formed, which causes anisotropy of refractive index dispersion.
【００１１】この屈折率分散の異方性により、異なる波
長の光を同一進路で入射しても、異なる進路で伝播する
ようになる。つまり、通常の光学結晶のプリズム効果に
似た振る舞いを示す。Due to the anisotropy of the refractive index dispersion, even if lights of different wavelengths are incident on the same path, they propagate on different paths. In other words, it behaves like the prism effect of ordinary optical crystals.
【００１２】このフォトニック結晶では、通常の光学結
晶に比べ、格段に大きな偏向特性が得られると共に、吸
収を伴わないという点で、実際のデバイスに利用でき
る。This photonic crystal can be used in an actual device in that it has a significantly larger deflection characteristic than ordinary optical crystals and does not involve absorption.
【００１３】本発明の実施の形態について図面を参照し
て説明する。図１は、本発明に係る波長分波回路の好ま
しい実施の形態の概略構成を模式的に示す分解斜視図で
ある。Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is an exploded perspective view schematically showing a schematic configuration of a preferred embodiment of a wavelength demultiplexing circuit according to the present invention.
【００１４】図１を参照すると、本発明の波長分波回路
は、その好ましい実施の形態において、基板１の両面
を、第一のクラッド２及び第二のクラッド３で挟み込ん
だ構造となっている。そして、基板１は、背景媒質４に
原子媒質５を２次元三角配置状に周期的に埋め込んだ構
造とされている。Referring to FIG. 1, the wavelength demultiplexing circuit of the present invention has a structure in which, in a preferred embodiment, both sides of a substrate 1 are sandwiched by a first clad 2 and a second clad 3. . The substrate 1 has a structure in which the atomic mediums 5 are periodically embedded in the background medium 4 in a two-dimensional triangular arrangement.
【００１５】図２は、基板１を、クラッドと対向する面
に平行に切断した平面形状を示す図である。図２を参照
すると、光信号の入射面６は、入射方向に対して一定の
角度で傾いており、出射面７から出力される構造とされ
ている。FIG. 2 is a plan view of the substrate 1 cut in parallel with the surface facing the cladding. Referring to FIG. 2, the incident surface 6 of the optical signal is inclined at a constant angle with respect to the incident direction, and is configured to be output from the emitting surface 7.
【００１６】原子媒質５の隣接間隔は、光信号の波長に
合わせて設計されており、基板１の厚さは、光信号が基
板１内に十分閉じ込められ、かつ、光の進行方向が基板
面から大きく逸れないように設計されている。The spacing between the atomic media 5 is designed according to the wavelength of the optical signal, and the thickness of the substrate 1 is such that the optical signal is sufficiently confined in the substrate 1 and the traveling direction of light is the substrate surface. Designed not to deviate significantly from.
【００１７】次に、本発明の実施の形態の動作について
図１０を参照して説明する。Next, the operation of the embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
【００１８】波長多重されている入射光８は、基板１内
に入射した後、波長毎に別れて伝播光９となって進行す
る。出射光１０は、図示のごとく、ほぼ等間隔に出射さ
れる。この原理については、以下の実施例で詳しく説明
する。After the wavelength-multiplexed incident light 8 is incident on the substrate 1, the incident light 8 is divided into wavelengths and propagates as propagating light 9. The emitted light 10 is emitted at substantially equal intervals as illustrated. This principle will be described in detail in the following examples.
【００１９】[0019]
【実施例】本発明の実施例について図面を参照して以下
に説明する。図３は、本発明の一実施例を説明するため
の図であり、基板を、クラッドと対向する面に平行に切
断した平面の具体的構成を示す図である。なお、本発明
の一実施例の波長分波回路の全体の構成は、図１に示し
た構成と同一である。Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 3 is a diagram for explaining one embodiment of the present invention, and is a diagram showing a specific configuration of a plane obtained by cutting the substrate in parallel with a surface facing the clad. The overall configuration of the wavelength demultiplexing circuit according to the embodiment of the present invention is the same as that shown in FIG.
【００２０】図３を参照すると、本発明の一実施例にお
いては、基板１において、背景媒質４をＳｉ（シリコ
ン）とし、原子媒質５を空気とする。つまり、基板１
を、Ｓｉ基板中に貫通穴を設けて構成したものである。Referring to FIG. 3, in one embodiment of the present invention, in the substrate 1, the background medium 4 is Si (silicon) and the atomic medium 5 is air. That is, substrate 1
Is formed by providing a through hole in the Si substrate.
【００２１】ここで、基板１の厚さは１．９μｍであ
り、原子媒質５の形状は円柱状（図１参照）とし、開口
径０．７７μｍであり、そのアスペクト比は２．６とな
る。このアスペクト比であれば、原子媒質５をなす貫通
穴は、エッチング加工による作製も可能である。そして
原子媒質５の配列ピッチは０．８３μｍピッチとする。
そして、図１に示すように、この基板１の両面に、クラ
ッド２及び３となる十分な厚さのＳｉＯ2を貼り付け
る。Here, the substrate 1 has a thickness of 1.9 μm, the atomic medium 5 has a cylindrical shape (see FIG. 1), an opening diameter of 0.77 μm, and an aspect ratio of 2.6. . With this aspect ratio, the through hole forming the atomic medium 5 can be manufactured by etching. The arrangement pitch of the atomic mediums 5 is 0.83 μm.
Then, as shown in FIG. 1, SiO 2 having a sufficient thickness to be the claddings 2 and 3 is attached to both surfaces of the substrate 1.
【００２２】結晶配列は、図３に示すように、三角格子
状とし、光入射面をＪ面（図３に示した、逆格子空間の
Ｊ点方向に垂直な面）に、光出射面をＸ面（図中のＢri
llouin Ｚone；ブリルアンゾーン参照）にとる。結晶
長は１ｍｍとする。As shown in FIG. 3, the crystal array has a triangular lattice shape, and the light incident surface is the J surface (the surface perpendicular to the J point direction in the reciprocal lattice space shown in FIG. 3) and the light emitting surface is the light emitting surface. X plane (Bri in the figure
llouin Zone; see Brillouin Zone). The crystal length is 1 mm.
【００２３】次に本発明の一実施例の動作について説明
する。Next, the operation of the embodiment of the present invention will be described.
【００２４】１．＜フォトニックバンド構造＞：図３に
示した、この結晶構造で得られるフォトニックバンド構
造を、図４に示す。ここでは、磁場の偏波面がＳｉ面内
にあるＴＭモードのみを示しており、これを例に説明す
る。1. <Photonic band structure>: The photonic band structure obtained by this crystal structure shown in FIG. 3 is shown in FIG. Here, only the TM mode in which the plane of polarization of the magnetic field is in the Si plane is shown, and this will be described as an example.
【００２５】図４において、一点鎖線は、真空中から入
射する光の分散直線（ω＝ｃｋ）であり、Γ―Ｘ間では
結晶内の分散曲線と２点で交差する。ここではより微係
数の小さい下から３番目の分枝（実線で示す）を用い
る。この分枝は、電子系との類似性から、“Ｈｅａｖｙ
Ｐｈｏｔｏｎ”（ヘヴィフォトン；重い光子）と呼ば
れる。図５に、この分枝の拡大詳細図を示す。In FIG. 4, the alternate long and short dash line is the dispersion line (ω = ck) of the light incident from the vacuum, and intersects with the dispersion curve in the crystal at two points between Γ and X. Here, the third branch from the bottom (shown by the solid line) having a smaller derivative is used. This branch is called "Heavy" because of its similarity to the electronic system.
It is called a Photon ”(heavy photon). Figure 5 shows an enlarged detail of this branch.
【００２６】２．＜波長分散特性＞：この分散関係か
ら、屈折率の波長依存性を求め、これより結晶内でのビ
ーム伝播特性が得られる。図８に、反射率（Ｒefrectiv
e Ｉndex）の波長（Ｗavelength）依存性を、図６に伝
播角（Ａngle）の波長依存性を、また図９に結晶長１ｍ
ｍの出射端での空間分布（縦軸は距離μｍ）を示す。図
９に示すように、波長１．５μｍを中心としてほぼリニ
アな空間分布特性が得られており、結晶長の半分に相当
する５００μｍの分布幅が得られる。2. <Wavelength dispersion characteristic>: From this dispersion relation, the wavelength dependence of the refractive index is obtained, and the beam propagation characteristic in the crystal is obtained from this. Figure 8 shows the reflectance (Refrectiv
The wavelength dependence of e Index), the wavelength dependence of the propagation angle (Angle) in FIG. 6, and the crystal length 1 m in FIG.
The spatial distribution at the exit end of m (the vertical axis is the distance μm) is shown. As shown in FIG. 9, a substantially linear spatial distribution characteristic is obtained centering on the wavelength of 1.5 μm, and a distribution width of 500 μm corresponding to half the crystal length is obtained.
【００２７】屈折率ｎの波長依存性は、The wavelength dependence of the refractive index n is
【００２８】[0028]
【数１】 [Equation 1]
【００２９】の関係より、From the relationship of
【００３０】[0030]
【数２】 [Equation 2]
【００３１】となり、屈折率ｎは、図５の傾きの逆数か
ら得られる。The refractive index n is obtained from the reciprocal of the slope of FIG.
【００３２】結晶内ビーム伝播角Θ２は上記ｎを用いて
スネルの式から、次式（３）で与えられる。The in-crystal beam propagation angle Θ2 is given by the following equation (3) from Snell's equation using the above n.
【００３３】[0033]
【数３】 [Equation 3]
【００３４】これより、図９に示した空間分布が求めら
れる。From this, the spatial distribution shown in FIG. 9 is obtained.
【００３５】入射光の結晶内への透過率Ｔの波長依存性
は、屈折率ｎとの関係で、次式（４）によって与えられ
る。The wavelength dependence of the transmittance T of incident light into the crystal is given by the following equation (4) in relation to the refractive index n.
【００３６】[0036]
【数４】 [Equation 4]
【００３７】図４の一点鎖線で示した入射光分散との交
点に近いほど高い透過率を示す。透過率（Ｔransmisivi
ty）の計算結果は、図７に示すように、１．４９μｍか
ら１．５１μｍの全波長域で９０％以上となる。The closer to the intersection with the incident light dispersion shown by the alternate long and short dash line in FIG. 4, the higher the transmittance. Transmittance (Transmisivi
As shown in FIG. 7, the calculation result of (ty) is 90% or more in the entire wavelength range from 1.49 μm to 1.51 μm.
【００３８】以上得られた結果をまとめ、空間伝播の様
子を、図１０に示す。図１０を参照すると、出射端に、
１２５μｍピッチでファイバを配列した場合で５波、導
波路に導入するとして２５μｍピッチを想定すると、２
５波のＷＤＭ（ＷavelengthＤivision Ｍultiplex）ス
プリッターを実現できることになる。The results obtained above are summarized and the state of spatial propagation is shown in FIG. Referring to FIG. 10, at the exit end,
Assuming that there are 5 waves when fibers are arranged at a pitch of 125 μm and a pitch of 25 μm is assumed to be introduced into the waveguide, 2
A 5-wave WDM (Wavelength Division Multiplex) splitter can be realized.
【００３９】厳密には入射角と結晶内の伝播角は異なる
ため、実際の伝播方向でのバンド構造を反映させなくて
はならないが、三角格子ではバンド構造がほぼ等方的で
あり近似的に正しい解が得られる。Strictly speaking, since the incident angle and the propagation angle in the crystal are different, it is necessary to reflect the band structure in the actual propagation direction. However, in the triangular lattice, the band structure is almost isotropic and approximately. You get the right solution.
【００４０】３．＜基板厚条件＞：スラブ構造のフォト
ニック結晶を２次元系として扱うことが出来るために
は、層方向に、平面波であるものとして近似できなくて
はならない。つまり、伝播角が面内からあまり逸れては
ならない。また、フォトニックバンドを形成するには屈
折率差の大きいことが重要であるから、スラブへの光閉
じ込めが弱いと、実効的に平均化され、顕著な効果が得
られない。これらを考慮して最適なスラブ厚を導出する
必要がある。厳密には３次元構造を正確に取り込む必要
があるが、本解析では、変数分離が可能であるとして、
近似的に以下のように仮定する。3. <Substrate thickness condition>: In order to be able to handle a slab-structured photonic crystal as a two-dimensional system, it must be approximated as a plane wave in the layer direction. That is, the propagation angle should not deviate too much from the plane. Further, since it is important that the difference in refractive index is large in order to form a photonic band, if the optical confinement in the slab is weak, it is effectively averaged and a remarkable effect cannot be obtained. It is necessary to derive the optimum slab thickness considering these. Strictly speaking, it is necessary to accurately capture the three-dimensional structure, but in this analysis, it is possible to separate variables.
Approximately assume the following.
【００４１】・スラブへの光閉じ込め率：０．７以上。
・伝播角の面内からのずれによるＴＥ−ＴＭミキシン
グ：０．１以下。
・スラブ内の電磁場分布は均一分布。Light confinement ratio in slab: 0.7 or more. -TE-TM mixing due to deviation of propagation angle from in-plane: 0.1 or less.・ The electromagnetic field distribution in the slab is uniform.
【００４２】これらの近似のもとに得られるスラブ厚条
件を以下順に説明する。The slab thickness conditions obtained under these approximations will be described in order below.
【００４３】３−１．＜光閉じ込め率に対する条件＞：
フォトニック結晶の特異的な屈折率分散は、屈折率差の
大きい媒質を周期的に並べることにより得られる。従っ
て、このコントラストを落とすことのないよう、Ｓｉス
ラブへの光閉じ込め率を高く保つ必要がある。3-1. <Conditions for optical confinement ratio>:
The specific refractive index dispersion of the photonic crystal is obtained by periodically arranging the mediums having a large difference in refractive index. Therefore, it is necessary to keep the light confinement ratio in the Si slab high so as not to drop the contrast.
【００４４】まず、Ｓｉスラブの膜厚ｄを屈折率分布で
規格化した規格化膜厚Ｄを以下の様に定義する。First, the normalized film thickness D obtained by normalizing the film thickness d of the Si slab by the refractive index distribution is defined as follows.
【００４５】[0045]
【数５】 [Equation 5]
【００４６】ここで、ε１、ε２はそれぞれスラブ及び
クラッドの誘電率を、λ0は真空中の波長を示す。Here, ε1 and ε2 are the permittivities of the slab and the clad, respectively, and λ 0 is the wavelength in vacuum.
【００４７】このＤを用いて、スラブへの光閉じ込め係
数（confinement factor）Γは、図１１に示すような
関係を示す。Using this D, the optical confinement factor Γ in the slab shows the relationship as shown in FIG.
【００４８】ここで、Γ（ｎ＝０）は基本モードの光閉
じ込め率を、Γ（ｎ＝１）は第一高次モードの光閉じ込
め率を表す。規格化膜厚Ｄの増加にしたがって閉じ込め
は徐々に増加していくが、Ｄ＝３．２で高次モードが出
現し、多モード状態となる。この関係より、シングルモ
ードを保ちながら閉じ込め率７０％以上得るためには、
次式（８）が必要条件となる。Here, Γ (n = 0) represents the optical confinement rate of the fundamental mode, and Γ (n = 1) represents the optical confinement rate of the first higher-order mode. Although the confinement gradually increases as the normalized film thickness D increases, a higher-order mode appears at D = 3.2 and the multi-mode state is set. From this relationship, in order to obtain a confinement ratio of 70% or more while maintaining the single mode,
The following expression (8) is a necessary condition.
【００４９】[0049]
【数６】 [Equation 6]
【００５０】３−２．＜伝播角に対する条件＞：完全な
２次元結晶ではＴＥとＴＭはそれぞれ場の固有モードと
なっており、カップリングはなく近似は入らない。ただ
し、現実の系では面内から逸れたビーム(Out of Plan
e Propagation）も考慮する必要があり、厳密には確か
にこのカップリングがある程度生じる。これを抑制する
には伝播角をできるだけ面内に揃える必要がある。3-2. <Conditions for propagation angle>: In a perfect two-dimensional crystal, TE and TM are field eigenmodes, respectively, and there is no coupling, so approximation is not possible. However, in an actual system, the beam (Out of Plan
e Propagation) also needs to be considered, and strictly speaking, this coupling certainly occurs to some extent. In order to suppress this, it is necessary to make the propagation angles as in-plane as possible.
【００５１】光強度が半分となる伝播角Θ1/2をやはり
屈折率分布で規格化した規格化伝播角Φ1/2を次式
（９）のように定義する。A normalized propagation angle Φ 1/2 obtained by normalizing the propagation angle Θ 1/2 at which the light intensity is halved by the refractive index distribution is defined by the following equation (9).
【００５２】[0052]
【数７】 [Equation 7]
【００５３】この規格化伝播角Φ1/2の規格化膜厚Ｄ依
存性は、図１２のようになることが示される。It is shown that the dependence of the normalized propagation angle Φ 1/2 on the normalized film thickness D is as shown in FIG.
【００５４】光閉じ込めに対する条件（上式（８））よ
り、Ｄは２．０から３．２であることから、Φ1/2は、
次式（１０）となる。From the condition for the optical confinement (Equation (8) above), since D is 2.0 to 3.2, Φ 1/2 is
The following expression (10) is obtained.
【００５５】[0055]
【数８】 [Equation 8]
【００５６】従って、実際の伝播角θ1/2を十分小さく
とるには、δεをできるだけ小さく設計する必要があ
る。ｓinθ1/2はＴＥ波とＴＭ波の結合係数を表すの
で、これを０．１以下に制限すると、上式（９）及び
（１０）より、次式（１１）が得られる。Therefore, in order to make the actual propagation angle θ 1/2 sufficiently small, it is necessary to design δε as small as possible. Since sin θ 1/2 represents the coupling coefficient of TE wave and TM wave, if this is limited to 0.1 or less, the following expression (11) is obtained from the above expressions (9) and (10).
【００５７】[0057]
【数９】 [Equation 9]
【００５８】波長１．５μｍでのＳｉＯ2の屈折率を
１．４６とすると、フォトニック結晶の屈折率は１．４
８以下でなければならないことになる。以下に説明する
ように、屈折率を１．４８に設計できるとして、実際の
膜厚ｄは、次式（１２）のようになる。When the refractive index of SiO 2 at a wavelength of 1.5 μm is 1.46, the refractive index of the photonic crystal is 1.4.
It must be 8 or less. As will be described below, assuming that the refractive index can be designed to be 1.48, the actual film thickness d is given by the following expression (12).
【００５９】[0059]
【数１０】 [Equation 10]
【００６０】４．＜フォトニック結晶の実効屈折率＞：
Ｓｉ基板を三角格子配列で円筒状にくり貫いたフォトニ
ック結晶では、半導体中の空気の充填率(filing facto
r：ｆｆ)は、次式（１３）で表せる。4. <Effective refractive index of photonic crystal>:
In a photonic crystal in which a Si substrate is hollowed in a cylindrical shape in a triangular lattice array, the filling factor of air in the semiconductor (filing facto
r: ff) can be expressed by the following equation (13).
【００６１】[0061]
【数１１】 [Equation 11]
【００６２】ここでｄholeは穴の直径、ｐは格子定数で
０．８３μｍである。Here, d hole is the diameter of the hole and p is the lattice constant of 0.83 μm.
【００６３】電磁場が平均的に分布しているとした時の
実効屈折率ｎｅffは、この充填率ｆｆを用いて、次式
（１４）で与えられる。The effective refractive index ne ff , assuming that the electromagnetic field is evenly distributed, is given by the following equation (14) using this filling factor ff.
【００６４】[0064]
【数１２】 [Equation 12]
【００６５】ここでｎ1は空気の屈折率で１、ｎ2はＳｉ
の屈折率で３．２４である。Here, n 1 is the refractive index of air, and n 2 is Si.
The refractive index of is 3.24.
【００６６】従って、前節までに求めた条件、Therefore, the conditions obtained up to the previous section,
【数１３】 [Equation 13]
【００６７】を満たすためには、ｄholeは次式（１６）
の条件とすればよいことがわかる。To satisfy the condition, d hole is expressed by the following equation (16).
It can be seen that the condition of is sufficient.
【００６８】[0068]
【数１４】 [Equation 14]
【００６９】以上より、Ｓｉ穴のアスペクト比は２．６
以上あれば十分であることが分かる。From the above, the aspect ratio of the Si hole is 2.6.
It turns out that the above is sufficient.
【００７０】本発明の他の実施例について説明する。前
記実施例では、Ｓｉ中に空気貫通穴を設ける構成で説明
したが、その他にも、例えば穴中にＳｉＯ2を埋める、
あるいはＳｉ基板に、酸化などの方式で、ＳｉＯ2など
の屈折率の異なる媒質を形成するようにしてもよい。Another embodiment of the present invention will be described. In the above embodiment has been described in the configuration in which the air through holes in the Si, Besides, fill SiO 2, for example, in holes,
Alternatively, a medium such as SiO 2 having a different refractive index may be formed on the Si substrate by a method such as oxidation.
【００７１】また、ＳｉでなくともＧａＡｓ、ＧａＮな
ど、他の材料を用いても作製可能である。It is also possible to use other materials such as GaAs and GaN instead of Si.
【００７２】さらに、クラッドを片側のみにすること
や、クラッド材料をＳｉＯ2以外の他の材料としたり、
貼り付けではなくクラッド上に基板材料を直接、結晶成
長などの方法で形成することも可能である。Further, the clad may be only on one side, the clad material may be a material other than SiO 2 ,
It is also possible to directly form the substrate material on the clad by a method such as crystal growth instead of sticking.
【００７３】前記実施例では、三角格子を例に取って説
明したが、正方格子など他の格子配列でも可能であり、
またより偏向特性を向上するために、格子配列中に意図
的に不均一性を導入するようにしてもよい。In the above-mentioned embodiment, a triangular lattice is taken as an example for explanation, but other lattice arrangements such as a square lattice are also possible.
Further, in order to further improve the deflection characteristics, nonuniformity may be intentionally introduced in the lattice arrangement.
【００７４】[0074]
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば下
記記載の効果を奏する。As described above, the present invention has the following effects.
【００７５】本発明の第１の効果は、小型・軽量化、高
集積化を達成すると共に、高速化、伝送効率向上などの
特性・性能を向上することができる、ということであ
る。The first effect of the present invention is that the characteristics and performances such as high speed and high transmission efficiency can be improved while achieving downsizing, weight reduction and high integration.
【００７６】その理由は、本発明においては、偏向角を
大きく取れ、サイズが小さくなるため、伝送距離も短く
なり、分岐損失も小さいためであるである。The reason is that in the present invention, the deflection angle can be made large and the size can be made small, so that the transmission distance can be made short and the branch loss can be made small.
【００７７】本発明の第２の効果は、生産性の向上す
る、ということである。The second effect of the present invention is that the productivity is improved.
【００７８】その理由は、本発明においては、素子サイ
ズが小さくなり、同一面積のウエハから得られる素子数
が多くなるからである。The reason is that, in the present invention, the element size is reduced and the number of elements obtained from a wafer having the same area is increased.
【図１】本発明の波長分波回路の実施の形態の構成を概
略を示す図である。FIG. 1 is a diagram schematically showing a configuration of an embodiment of a wavelength demultiplexing circuit of the present invention.
【図２】本発明の波長分波回路の実施の形態における基
板部の断面を模式的に示す図である。FIG. 2 is a diagram schematically showing a cross section of a substrate portion in the embodiment of the wavelength demultiplexing circuit of the present invention.
【図３】本発明の一実施例を説明するための図であり、
基板の断面を模式的に示す図である。FIG. 3 is a diagram for explaining one embodiment of the present invention,
It is a figure which shows the cross section of a board | substrate typically.
【図４】本発明の一実施例を説明するための図であり、
波長分波回路で得られるフォトニックバンド構造であ
る。FIG. 4 is a diagram for explaining one embodiment of the present invention,
It is a photonic band structure obtained by a wavelength demultiplexing circuit.
【図５】本発明の一実施例を説明するための図であり、
解析で用いるΓ−Ｘ間の下から３番目の分枝の分散関係
詳細を示す図である。FIG. 5 is a diagram for explaining one embodiment of the present invention,
It is a figure which shows the dispersion relation detail of the 3rd branch from the bottom between (GAMMA) -X used for an analysis.
【図６】本発明の一実施例を説明するための図であり、
結晶内伝播光の伝播角の波長依存性を示す図である。FIG. 6 is a diagram for explaining one embodiment of the present invention,
It is a figure which shows the wavelength dependence of the propagation angle of the propagation light in a crystal.
【図７】本発明の一実施例を説明するための図であり、
入射光の結晶内への透過率の波長依存性を示す図であ
る。FIG. 7 is a diagram for explaining one embodiment of the present invention,
It is a figure which shows the wavelength dependence of the transmittance of the incident light in a crystal | crystallization.
【図８】本発明の一実施例を説明するための図であり、
反射率の波長依存性を示す図である。FIG. 8 is a diagram for explaining one embodiment of the present invention,
It is a figure which shows the wavelength dependence of reflectance.
【図９】本発明の一実施例を説明するための図であり、
結晶長を１ｍｍとした時の伝播光出射位置の波長依存性
を示す図である。FIG. 9 is a diagram for explaining one embodiment of the present invention,
It is a figure which shows the wavelength dependence of the propagation light output position when a crystal length is 1 mm.
【図１０】本発明の一実施例を説明するための図であ
り、空間伝播の様子を示す図である。FIG. 10 is a diagram for explaining the embodiment of the present invention and is a diagram showing a state of spatial propagation.
【図１１】本発明の一実施例を説明するための図であ
り、閉じ込め係数Γと規格化膜厚Ｄの関係を示す図であ
る。FIG. 11 is a diagram for explaining one example of the present invention, and is a diagram showing the relationship between the confinement coefficient Γ and the normalized film thickness D.
【図１２】本発明の一実施例を説明するための図であ
り、規格化伝播角と規格化膜厚の関係を示す図である。FIG. 12 is a diagram for explaining an example of the present invention and is a diagram showing a relationship between a normalized propagation angle and a normalized film thickness.
【図１３】従来例のアレイ導波路格子の構造概略図であ
る。FIG. 13 is a schematic diagram of a structure of a conventional arrayed waveguide grating.
１ 基板 ２、３ クラッド ４、背景媒質 ５、原子媒質 ６ 入射面 ７ 出射面 ５１ 導波路基板 ５２ 入力光導波路 ５３ 入力側スターカップラ ５４ アレイ導波路格子 ５５ 出力側スターカップラ ５６ 出力導波路 1 substrate A few clads 4. Background medium 5, atomic medium 6 Incident surface 7 Exit surface 51 Waveguide substrate 52 Input optical waveguide 53 Input side star coupler 54 Arrayed Waveguide Grating 55 Output side star coupler 56 Output waveguide
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 川上 彰二郎 宮城県仙台市若林区土樋236Ｃ−09 Ｆターム(参考） 2H047 KA03 LA18 PA05 PA06 QA02 QA04 RA08 TA01 TA11 TA41 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page (72) Inventor Shojiro Kawakami 236C-09, Togura, Wakabayashi-ku, Sendai-shi, Miyagi Prefecture F term (reference) 2H047 KA03 LA18 PA05 PA06 QA02 QA04 RA08 TA01 TA11 TA41
Claims (13)
波回路において、 導波領域全体に屈折率の異なる媒質を周期的に配列する
ことにより、通常の光学結晶にはない波長分散特性を作
り出し、その波長分散特性を制御することによって波長
分波を行う、ことを特徴とする波長分波回路。1. In a wavelength demultiplexing circuit that divides a transmission path according to wavelength, by periodically arranging media having different refractive indexes in the entire waveguide region, wavelength dispersion characteristics that are not present in ordinary optical crystals are created. A wavelength demultiplexing circuit, wherein the wavelength demultiplexing is performed by controlling the chromatic dispersion characteristic.
記波長分散特性のうち、分散の強い、“重い光子状態”
（“Ｈｅａｖｙ Ｐｈｏｔｏｎ”）を用いることによ
り、波長分波を行う、ことを特徴とする波長分波回路。2. The wavelength demultiplexing circuit according to claim 1, wherein a "heavy photon state" having strong dispersion among the wavelength dispersion characteristics.
A wavelength demultiplexing circuit, which performs wavelength demultiplexing by using ("Heavy Photon").
て、導波領域を基板状とし、屈折率の異なる材料を２次
元周期的に配置することによって波長分散特性を制御す
ることを特徴とする波長分波回路。3. The wavelength demultiplexing circuit according to claim 1 or 2, wherein the waveguiding region is formed in a substrate shape, and the wavelength dispersion characteristics are controlled by periodically arranging materials having different refractive indexes in a two-dimensional manner. Wavelength demultiplexing circuit.
次元周期配列を、三角格子状とすることにより、重い光
子状態を作り出す、ことを特徴とする波長分波回路。4. The wavelength demultiplexing circuit according to claim 3, wherein
A wavelength demultiplexing circuit that creates a heavy photon state by forming a three-dimensional periodic array into a triangular lattice.
て、基板に２次元周期的な貫通穴を配設することで屈折
率差が設けられている、ことを特徴とする波長分波回
路。5. The wavelength demultiplexing circuit according to claim 3 or 4, wherein a refractive index difference is provided by disposing two-dimensional periodic through holes in the substrate. circuit.
されていることを特徴とする請求項５記載の波長分波回
路。6. The wavelength demultiplexing circuit according to claim 5, wherein the through hole is formed by etching.
記載の波長分波回路において、導波基板の両面を低屈折
率の材料で挟み、機械強度を保ちつつ伝播モードを２次
元面内に制御してある、ことを特徴とする波長分波回
路。7. The wavelength demultiplexing circuit according to any one of claims 3, 4, 5, and 6, wherein both surfaces of the waveguide substrate are sandwiched by materials having a low refractive index, and a propagation mode is maintained while maintaining mechanical strength. A wavelength demultiplexing circuit characterized by being controlled in a two-dimensional plane.
る媒質を、二次元的に複数個所定のピッチで配設するこ
とで屈折率の波長分散異方性を有する導波領域を構成
し、前記導波領域への入射光が前記導波領域中で波長に
応じてその伝送経路を変える、ことを特徴とする波長分
波回路。8. A waveguide region having wavelength-dispersion anisotropy of refractive index is provided in a background medium by arranging a plurality of media having a refractive index different from that of the background medium two-dimensionally at a predetermined pitch. A wavelength demultiplexing circuit configured such that incident light to the waveguide region changes its transmission path in the waveguide region depending on a wavelength.
て、２次元格子状に、前記基板と屈折率の異なる媒質を
複数配設することで、前記基板自体に波長偏向特性を持
たせ、前記基板に入射した光が波長に応じて前記基板中
でその伝送経路を変える、ことを特徴とする波長分波回
路。9. A substrate forming a waveguiding region is provided with a plurality of media different in refractive index from the substrate in a two-dimensional lattice shape when viewed from the substrate surface, so that the substrate itself has wavelength deflection characteristics. The wavelength demultiplexing circuit is characterized in that the light incident on the substrate changes its transmission path in the substrate according to the wavelength.
なる媒質が、所定間隔で二次元周期的に配設されてい
る、ことを特徴とする請求項９記載の波長分波回路。10. The wavelength demultiplexing circuit according to claim 9, wherein the media having different refractive indexes provided in the substrate are arranged two-dimensionally at predetermined intervals.
入射面が前記入射光と、所定の角度をなし、前記入射面
と対向する他側の側面を出射面とする、ことを特徴とす
る請求項９記載の波長分波回路。11. A side surface of the substrate is an incident surface, the incident surface forms a predetermined angle with the incident light, and the side surface of the other side facing the incident surface is an emission surface. The wavelength demultiplexing circuit according to claim 9.
分閉じ込められ、かつ、その進行方向が前記基板面から
大きく逸れないように設定されている、ことを特徴とす
る請求項９記載の波長分波回路。12. The thickness of the substrate is set so that an optical signal is sufficiently confined in the substrate and its traveling direction does not largely deviate from the substrate surface. The described wavelength demultiplexing circuit.
なる媒質が、前記基板表面から裏面側へ貫通する孔中の
空気、もしくは前記孔に、前記基板と屈折率の異なる部
材を充填して構成されている、ことを特徴とする請求項
９記載の波長分波回路。13. A medium having a different refractive index provided in the substrate is air in a hole penetrating from the front surface of the substrate to a back surface side, or the hole is filled with a member having a different refractive index from that of the substrate. The wavelength demultiplexing circuit according to claim 9, which is configured.
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|---|---|---|---|
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|---|---|---|---|---|
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| JPWO2004113964A1 (en) * | 2003-06-19 | 2006-08-03 | 日本電気株式会社 | Photonic crystal structure |
| US7356218B2 (en) | 2004-12-02 | 2008-04-08 | Sharp Kabushiki Kaisha | Variable demultiplexer |
| JP2008511861A (en) * | 2004-08-30 | 2008-04-17 | エナージー コンバーション デバイセス インコーポレイテッド | Asymmetric photonic crystal waveguide device with symmetric mode field |
-
2002
- 2002-06-24 JP JP2002182995A patent/JP2003043277A/en active Pending
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