專利名稱：二維光子晶體光復(fù)用器/解復(fù)用器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于波分復(fù)用通信的光復(fù)用/解復(fù)用器件。
背景技術(shù)：
近來，光子晶體作為一種新的光器件已引起人們的注意。光子晶體是一種具有周期的折射率分布的光功能材料，其提供針對光子的能量的能帶結(jié)構(gòu)。其特殊特征之一是具有不允許光傳播的能區(qū)(稱為光子帶隙)。
光子晶體的應(yīng)用領(lǐng)域的例子是光通信。近來的光通信使用波分復(fù)用(WDM)代替被稱為時分復(fù)用(TDM)的常規(guī)方法。波分復(fù)用是一種通信方法，其中每一個都攜帶不同信號的多個光波長通過單一傳輸線傳播。該方法顯著地增加了單位時間內(nèi)可以傳輸?shù)男畔⒘俊?br> 在波分復(fù)用中，多個光波長在傳輸線的入口處被混合，混合的光在出口處被分離為多個光波長。這需要光復(fù)用器和解復(fù)用器，或者波長濾波器。當(dāng)前使用的一類解復(fù)用器是陣列波導(dǎo)光柵(AWG)。AWG使用常規(guī)類型的波導(dǎo)。利用該結(jié)構(gòu)，目前需要使器件的尺寸大致為幾平方厘米，以便足夠地減少光損失。
考慮到上述情形，已進(jìn)行的研究通過使用由光子晶體構(gòu)成的器件作為復(fù)用器或解復(fù)用器，來使解復(fù)用器小型化，如日本未審查的專利公開No.2001-272555(以下被稱為“現(xiàn)有技術(shù)文件1”)中所公開的。以下對使用光子晶體的解復(fù)用器進(jìn)行簡要說明。當(dāng)在光子晶體中引入適當(dāng)?shù)娜毕?defect)時，缺陷在光子帶隙內(nèi)創(chuàng)建被稱為缺陷級的能級。這種狀態(tài)使得，在與光子帶隙中包括的能量相對應(yīng)的波長范圍內(nèi)，只允許具有與缺陷級能量對應(yīng)的特定波長的光存在。在此，當(dāng)晶體中的缺陷具有線性排列，器件用作光導(dǎo)，而當(dāng)晶體中的缺陷具有點(diǎn)狀形式時其用作光共振器。
當(dāng)包括不同的波長分量的光束通過光子晶體的波導(dǎo)傳播時，只有具有與點(diǎn)缺陷的共振頻率對應(yīng)的波長的特定光分量才被點(diǎn)缺陷俘獲，其中光子晶體具有位于波導(dǎo)附近的適當(dāng)?shù)狞c(diǎn)缺陷。取出所述光將使器件成為用于期望波長的解復(fù)用器。相反，具有與共振頻率對應(yīng)的波長的光束可以從點(diǎn)缺陷引入光子晶體中，并與具有不同波長的其它光分量一起通過波導(dǎo)傳播。這使器件成為用于期望波長的復(fù)用器。
對于用作復(fù)用器或解復(fù)用器的光子晶體，二維和三維晶體都可以使用，每一種晶體都有其自己的特征和優(yōu)點(diǎn)。以下的說明取較容易制造的二維晶體作為例子。在二維晶體中，在晶體與空氣之間，在垂直于其表面的方向上或正交方向上有較大的折射率差異，使得能夠?qū)⒐庀拗圃谡环较蛏稀?br> 現(xiàn)有技術(shù)文件1公開了如下研究結(jié)果，其中具有相同直徑的圓柱孔周期地排列在由InGaAsP制成的平板中，一行圓柱孔被填充以形成光波導(dǎo)，以及通過設(shè)計(jì)至少一個圓柱孔具有與其它圓柱孔不同的直徑來引入缺陷，以創(chuàng)造光共振器。
在該結(jié)構(gòu)中，晶格常數(shù)a被設(shè)置為與應(yīng)該傳播的光的波長對應(yīng)的值(在以上例子中被設(shè)置為1.55μm，1.55μm是在波分復(fù)用中通常使用的波長之一)，在每一格點(diǎn)處形成的圓柱孔的半徑被設(shè)置為0.29a，除了一個圓柱孔的半徑被設(shè)置為0.56a以創(chuàng)造點(diǎn)缺陷。利用該結(jié)構(gòu)，具有歸一化的頻率f＝0.273的光束在平板的正交方向上從點(diǎn)缺陷處向上和向下射出。由此獲得的Q因數(shù)大約為500。應(yīng)該注意，歸一化頻率是通過使光的頻率乘以a/c獲得的無量綱的值，其中c為光速。Q因數(shù)指示共振器的質(zhì)量。Q因數(shù)越高，波長分辨率就越高。當(dāng)一個圓柱孔的半徑為0.56a且另一個圓柱孔的半徑為0.58a時，歸一化頻率分別為0.2729和0.2769，從而產(chǎn)生具有不同波長的兩束光。這兩個圓柱孔的Q因數(shù)都為500左右。
如上所述，現(xiàn)有技術(shù)文件1說明了二維光子晶體可以用作光解復(fù)用器。然而，對于這些解復(fù)用器，需要對與Q因數(shù)相關(guān)的某些點(diǎn)進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)，如下所述。在現(xiàn)有技術(shù)文件1的情況下，Q因數(shù)大約為500。利用該值，對于1.55μm的波長帶，上述光共振器的波長分辨率大約為3nm，這是因?yàn)閷τ诓ㄩLλ，光共振器的波長分辨率為λ/Q。然而，為了使共振器可用于高密度波分復(fù)用光通信，波長分辨率必須在0.8nm左右或更小，這意味著Q因數(shù)必須在2000左右或更高。在現(xiàn)有技術(shù)文件1中，阻礙Q因數(shù)提高的一種可能因素是由點(diǎn)缺陷的引入造成的正交方向上的光能損失的增加。
在點(diǎn)缺陷中引入的不對稱性也可造成Q因數(shù)的減小。例如，如現(xiàn)有技術(shù)文件1中所述的，可以將點(diǎn)缺陷設(shè)計(jì)成在平面的正交方向上是不對稱的，從而只能從二維平面的一側(cè)取出光。另外，可以將點(diǎn)缺陷設(shè)計(jì)成在平面內(nèi)的方向上是不對稱的，以便取出一束偏振光。例如，當(dāng)點(diǎn)缺陷是圓形的，從點(diǎn)缺陷發(fā)射的光沒有被偏振化。然而，常常需要使光線性地偏振，以便使光與外部光學(xué)系統(tǒng)耦合，或用于其它一些用途。
提出本發(fā)明以解決以上這種問題，本發(fā)明的目的是提供一種尺寸更小、Q因數(shù)或效率更高的光復(fù)用器/解復(fù)用器。本發(fā)明的另一目的是提供一種復(fù)用器/解復(fù)用器，即使其具有在正交方向上引入的不對稱性或即使需要獲得偏振光，其也能顯現(xiàn)出高效率。

發(fā)明內(nèi)容
為解決上述問題，在本發(fā)明的第一方式中，二維光子晶體光復(fù)用器/解復(fù)用器包括a)平板形主體；b)具有不同于主體的折射率的多個改進(jìn)折射率區(qū)，其周期地排列在主體中；c)通過創(chuàng)造改進(jìn)折射率區(qū)的線缺陷在主體中形成的波導(dǎo)；以及d)簇缺陷，位于波導(dǎo)附近且由兩個或多個彼此相鄰的缺陷構(gòu)成。
此外，在本發(fā)明的第二方式中，二維光子晶體光復(fù)用器/解復(fù)用器包括a)平板形主體；b)在主體中形成的兩個或多個禁帶區(qū)；c)具有不同于主體的折射率的多個改進(jìn)折射率區(qū)，其以相對每一禁帶區(qū)不同地確定的周期圖案，周期地排列在主體的每一禁帶區(qū)內(nèi)；d)通過所有禁帶區(qū)的波導(dǎo)，所述波導(dǎo)是通過在每一禁帶區(qū)內(nèi)構(gòu)造改進(jìn)折射率區(qū)的線缺陷來形成的；以及e)點(diǎn)狀缺陷，每一個點(diǎn)狀缺陷被形成在每一禁帶區(qū)內(nèi)的波導(dǎo)附近。
說明本發(fā)明的第一方式。根據(jù)本發(fā)明，其厚度遠(yuǎn)小于平面內(nèi)方向上的尺寸的板形平板用作二維光子晶體光復(fù)用器/解復(fù)用器的主體。在該主體上，具有不同于主體的折射率的改進(jìn)折射率區(qū)周期地排列。改進(jìn)折射率區(qū)的周期排列的出現(xiàn)產(chǎn)生了光子帶隙，其不允許能量落入光子帶隙內(nèi)的光存在。這意味著具有對應(yīng)于該能量的波長的光不能通過主體。
改進(jìn)折射率區(qū)的折射率可以高于或低于主體的折射率。然而，從更容易的材料選擇的觀點(diǎn)來看，推薦用具有低折射率的材料制作改進(jìn)折射率區(qū)，這是因?yàn)橹黧w通常由具有高折射率的材料制成。
可以通過把具有低折射率的材料嵌入主體中或僅僅在主體中形成孔，來創(chuàng)造低折射率區(qū)。在后一種情況下，空氣組成了低折射率區(qū)。實(shí)際上，空氣是具有最低折射率的材料。因此，形成孔有利地增加了改進(jìn)折射率區(qū)與主體之間的折射率差。而且，形成孔比嵌入不同的材料更容易。
在以下說明中，改進(jìn)折射率區(qū)被周期地放置處的點(diǎn)被稱為格點(diǎn)。格點(diǎn)可以以各種圖案排列。典型的例子包括正方形晶格圖案或三角形晶格圖案。
在如上所述的具有周期性的光子晶體中，在格點(diǎn)處的改進(jìn)折射率區(qū)的缺陷創(chuàng)造了周期性的失調(diào)。如果適當(dāng)?shù)卮_定與缺陷相關(guān)的參數(shù)，則周期性的失調(diào)在光子帶隙內(nèi)創(chuàng)建“缺陷級”，其產(chǎn)生這樣的點(diǎn)，該點(diǎn)允許光存在于其中基本上不允許光存在的主體內(nèi)。這被稱為點(diǎn)缺陷。沿著一條線創(chuàng)造點(diǎn)缺陷形成了主體內(nèi)的波導(dǎo)，光可以通過波導(dǎo)。這被稱為線缺陷。線缺陷可以取曲線以及直線的形式。線缺陷可以由單行格點(diǎn)構(gòu)成，或者由并排放置的一束多行格點(diǎn)構(gòu)成。
在利用孔形成改進(jìn)折射率區(qū)的情況下，在格點(diǎn)處創(chuàng)造缺陷的最容易方法是用主體材料填充孔，即不在格點(diǎn)處打孔。作為選擇，增大孔的直徑使孔成為缺陷。由不在格點(diǎn)處打孔形成的缺陷被稱為施主型缺陷，通過增大孔的直徑創(chuàng)造的缺陷被稱為受主型缺陷。
在本發(fā)明的第一方式中，說明了施主型缺陷和受主型缺陷。本說明書提及了折射率，這是因?yàn)楸景l(fā)明涉及包括紅外線和紫外線的光。然而，一般來說，利用介電常數(shù)的周期差創(chuàng)造光子晶體。因此，為了創(chuàng)造缺陷，應(yīng)該改變周期地排列在主體中的改進(jìn)折射率區(qū)(或格點(diǎn))之一的介電常數(shù)。其介電常數(shù)高于其它格點(diǎn)的介電常數(shù)的格點(diǎn)被稱為施主型缺陷，其介電常數(shù)低于其它格點(diǎn)的介電常數(shù)的格點(diǎn)被稱為受主型缺陷。如上所述，當(dāng)孔排列在由某種材料制成的主體中且在某一格點(diǎn)處沒有打孔(或用主體材料填充孔)以創(chuàng)造缺陷，該點(diǎn)處的介電常數(shù)高于空氣的介電常數(shù)，從而該點(diǎn)變成施主型缺陷。相反，增大格點(diǎn)處的孔的直徑將減小該點(diǎn)處的介電常數(shù)，該點(diǎn)將成為受主型缺陷。
通過在波導(dǎo)附近的兩個或多個彼此相鄰的格點(diǎn)處制造缺陷，來形成具有不同于由單一格點(diǎn)構(gòu)成的缺陷的特性的另一類型缺陷。以下，由單一格點(diǎn)構(gòu)成的缺陷被稱為“點(diǎn)缺陷(point defect)”。在這種意義上，在現(xiàn)有技術(shù)文件1中公開的缺陷就是點(diǎn)缺陷。另一方面，在本發(fā)明第一方式中使用的缺陷是由兩個或多個彼此相鄰的格點(diǎn)構(gòu)成的，其以下被稱為“簇缺陷(cluster defect)”。進(jìn)一步，在本說明書中，“點(diǎn)缺陷”和“簇缺陷”一般被稱為“點(diǎn)狀缺陷”。這些將用于后面描述的本發(fā)明第二方式中。
在上述結(jié)構(gòu)中，可以通過適當(dāng)?shù)卮_定簇缺陷的參數(shù)，例如在簇缺陷中包括的格點(diǎn)的數(shù)目或排列，簇缺陷的位置(例如距波導(dǎo)的距離)，或者主體的晶格常數(shù)a，來在光子帶隙內(nèi)創(chuàng)造期望的缺陷級。然后，在通過波導(dǎo)的光的各種波長當(dāng)中，只有具有對應(yīng)于缺陷級的波長的光才在缺陷位置處共振。共振光在光子晶體的正交方向上發(fā)出。可以通過調(diào)節(jié)上述參數(shù)以便在適當(dāng)?shù)哪芗墑?chuàng)建缺陷級，來獲得期望的光波長。
當(dāng)簇缺陷由位于直線上的兩個或多個缺陷構(gòu)成時，缺陷產(chǎn)生一束在簇缺陷的寬度方向上偏振的光。
通過把簇缺陷設(shè)計(jì)成在正交方向上不對稱，有可能在從二維光子晶體的向上和向下方向上產(chǎn)生不對稱的光發(fā)射。創(chuàng)造不對稱缺陷的一種方法是創(chuàng)造這樣的改進(jìn)折射率區(qū)，其厚度從主體的一面延伸到主體內(nèi)的中間點(diǎn)。厚度優(yōu)選地應(yīng)該為主體厚度的5％至40％，尤其優(yōu)選地為主體厚度的20％至30％，如后所述。
為了制造在正交方向上不對稱的簇缺陷，不需要使每個格點(diǎn)不對稱，如上所述。例如，在由兩個彼此相鄰的格點(diǎn)構(gòu)成的簇缺陷中，可以對兩個格點(diǎn)之間的中間點(diǎn)執(zhí)行上述工作(即只在一側(cè)形成低折射率區(qū))。
至此，本說明書已把光子晶體的功能描述為解復(fù)用器。應(yīng)該注意，上述的光子晶體可以用作復(fù)用器。當(dāng)具有對應(yīng)于缺陷級能量的波長的光束被引入簇缺陷中時，它將與通過波導(dǎo)的光混合。
也有可能通過提供兩個或多個具有不同的格點(diǎn)數(shù)目或排列的簇缺陷來混合或分離兩個或多個光波長。
說明本發(fā)明的第二方式。第一方式的說明已顯示出可以通過改變?nèi)毕菟挥诘母顸c(diǎn)的數(shù)目或排列，來對各種波長進(jìn)行光復(fù)用/解復(fù)用。也說明了改進(jìn)折射率區(qū)的優(yōu)選形式是孔，以及缺陷優(yōu)選地應(yīng)該為通過不打孔形成的施主型缺陷。然而，與通過增大孔的直徑創(chuàng)造的受主型缺陷相比，施主型缺陷具有更少的波長變化自由度。這是因?yàn)?，受主型缺陷允許孔尺寸的任意變化，而施主型缺陷是通過簡單地用主體材料填充孔創(chuàng)造的，這種方法具有很少的變化自由度。根據(jù)本發(fā)明第一方式將施主型缺陷分類為簇缺陷提供了用于改變簇缺陷中包括的格點(diǎn)數(shù)目或排列的附加自由度。然而，該自由度仍然是有限的。本發(fā)明的第二方式解決關(guān)于施主型缺陷的該問題，如下所述。
根據(jù)本發(fā)明的第二方式，主體被分為與復(fù)用/解復(fù)用波長相同數(shù)目的區(qū)域，改進(jìn)折射率區(qū)以不同的周期周期地排列在每一區(qū)域內(nèi)。在本說明書中，該區(qū)域被稱為禁帶區(qū)。
類似于第一方式，改進(jìn)折射率區(qū)優(yōu)選地應(yīng)該由具有低折射率的材料制成，并且優(yōu)選地由空氣即孔制成。
如第一方式中，形成通過所有禁帶區(qū)的波導(dǎo)，以便讓光通過每一禁帶區(qū)且被混合。而且，在每一禁帶區(qū)中形成用于復(fù)用/解復(fù)用的點(diǎn)狀缺陷。如前所述，“點(diǎn)狀缺陷”可以是由單一格點(diǎn)構(gòu)成的點(diǎn)缺陷，或者是由多個彼此相鄰的格點(diǎn)構(gòu)成的簇缺陷。這樣設(shè)計(jì)在禁帶區(qū)中形成的點(diǎn)狀缺陷，使得它們的共振波長互不相同。這意味著具有n塊禁帶區(qū)的二維光子晶體光復(fù)用器/解復(fù)用器能夠?qū)個光波長進(jìn)行復(fù)用/解復(fù)用。其中具有多個禁帶區(qū)的這種二維光子晶體結(jié)構(gòu)被稱為“平面內(nèi)異質(zhì)結(jié)構(gòu)“。
對應(yīng)于要復(fù)用/解復(fù)用的光波長，確定每一禁帶區(qū)中的改進(jìn)折射率區(qū)的排列周期(或晶格常數(shù))和點(diǎn)狀缺陷。在一個禁帶區(qū)中的改進(jìn)折射率區(qū)的尺寸與另一個禁帶區(qū)中的改進(jìn)折射率區(qū)的尺寸之比應(yīng)該等于在前一個禁帶區(qū)中的改進(jìn)折射率區(qū)的排列周期與后一個禁帶區(qū)中的改進(jìn)折射率區(qū)的排列周期之比。當(dāng)位于禁帶區(qū)中的所有簇缺陷具有相同的形式時，用于在每一缺陷處進(jìn)行光復(fù)用/解復(fù)用的波長由每一禁帶區(qū)的排列周期確定。當(dāng)然允許在每一禁帶區(qū)中形成具有不同的格點(diǎn)數(shù)目或不同的形式的簇缺陷。因此也可使用第一方式所述的各種類型的簇缺陷。
本發(fā)明第二方式的主要目的是增加施主型缺陷的自由度，受主型缺陷是通過不在主體中打孔創(chuàng)造的。第二方式的結(jié)構(gòu)也可用于受主型缺陷，且提供了相對其的特殊優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)要利用通過增大某一格點(diǎn)處的孔的直徑創(chuàng)造的受主型缺陷來混合或分開兩個或多個光波長時，按照慣例需要在單個主體平板中形成多個具有不同直徑的孔。然而，該結(jié)構(gòu)減小了Q因數(shù)。本發(fā)明的第二方式可以優(yōu)選地用于避免這種Q因數(shù)的減小。即，在多個禁帶區(qū)中，形成具有與用于光復(fù)用/解復(fù)用的多個波長對應(yīng)的不同排列周期的改進(jìn)折射率區(qū)。一個禁帶區(qū)中的改進(jìn)折射率區(qū)的尺寸與另一個禁帶區(qū)中的改進(jìn)折射率區(qū)的尺寸之比被設(shè)置為等于前一個禁帶區(qū)中的改進(jìn)折射率區(qū)的排列周期與后一個禁帶區(qū)中的改進(jìn)折射率區(qū)的排列周期的預(yù)定比率。該結(jié)構(gòu)允許對多個光波長進(jìn)行復(fù)用/解復(fù)用，而不減小Q因數(shù)。
在本發(fā)明的第一方式中，簇缺陷的引入使復(fù)用器/解復(fù)用器的Q因數(shù)能夠高于在使用由單一格點(diǎn)構(gòu)成的點(diǎn)缺陷的情況下的Q因數(shù)。這是因?yàn)榇厝毕莸拇嬖谠龃罅巳毕葜車挠行д凵渎?，這樣提高了光限制效率。當(dāng)光復(fù)用器/解復(fù)用器在正交方向上具有不對稱性或當(dāng)它用于產(chǎn)生偏振光時，它也顯示出高效率。
在本發(fā)明的第二方式中，即使在使用施主型缺陷的情況下，平面內(nèi)異質(zhì)結(jié)構(gòu)也提供了更高的自由度，用于選擇用于光復(fù)用/解復(fù)用的波長。由此獲得的Q因數(shù)近似等于用于對單一光波長進(jìn)行復(fù)用/解復(fù)用的光子晶體的Q因數(shù)。當(dāng)根據(jù)第一方式的具有高Q因數(shù)的施主型缺陷用于構(gòu)造第二方式的結(jié)構(gòu)時，將比較容易地獲得用于對各種光波長復(fù)用/解復(fù)用的、具有高Q因數(shù)的器件。第二方式也可有效地應(yīng)用于受主型缺陷。


圖1所示示意圖顯示了作為本發(fā)明第一方式的具有施主型簇缺陷的二維光子晶體。
圖2所示示意圖顯示了施主型簇缺陷的例子。
圖3所示曲線圖顯示了通過波導(dǎo)的光的頻帶。
圖4所示曲線圖顯示了由具有單一的填充格點(diǎn)的施主型簇缺陷創(chuàng)建的缺陷級。
圖5所示曲線圖顯示了由具有兩個填充的格點(diǎn)的施主型簇缺陷創(chuàng)建的缺陷級。
圖6所示曲線圖顯示了由具有被填充為三角形的三個格點(diǎn)的施主型簇缺陷創(chuàng)建的缺陷級。
圖7所示曲線圖顯示了由具有沿直線填充的三個格點(diǎn)的施主型簇缺陷創(chuàng)建的缺陷級。
圖8顯示了在具有兩個填充的格點(diǎn)的施主型簇缺陷周圍的電磁場圖。
圖9顯示了在具有三個填充的格點(diǎn)的施主型簇缺陷周圍的電磁場圖。
圖10所示曲線圖顯示了缺陷位置與Qp或Qs之間的關(guān)系。
圖11所示的表顯示了缺陷位置與Q因數(shù)之間的關(guān)系。
圖12所示曲線圖顯示了缺陷位置與Qp/Qs之間的關(guān)系。
圖13所示曲線圖顯示了具有沿直線填充的三個格點(diǎn)的施主型簇缺陷的偏振特性。
圖14所示示意圖顯示了在正交方向上不對稱的施主型簇缺陷的例子。
圖15所示曲線圖顯示了在點(diǎn)狀缺陷處打的孔的深度h與向上與向下發(fā)射比之間的關(guān)系。
圖16所示曲線圖顯示了在點(diǎn)狀缺陷處打的孔的深度h與共振器的Q因數(shù)之間的關(guān)系。
圖17所示示意圖顯示了具有施主型簇缺陷的平面內(nèi)異質(zhì)結(jié)構(gòu)的例子。
圖18所示示意圖顯示了具有受主型簇缺陷的平面內(nèi)異質(zhì)結(jié)構(gòu)的例子。
圖19所示的表顯示了平面內(nèi)異質(zhì)結(jié)構(gòu)與Q因數(shù)之間的關(guān)系。
具體實(shí)施例方式
(1)第一方式的實(shí)施例(1-1)結(jié)構(gòu)對圖1所示的、作為本發(fā)明第一方式的實(shí)施例的二維光子晶體進(jìn)行說明。圖1所示的板是平板(或主體)11。對于具有在正常光通信中使用的波長λ＝1.55μm的紅外光，可以用該紅外光波長可透射的InGaAsP制作平板11。平板11具有周期排列的、作為改進(jìn)的折射率區(qū)(或低折射率區(qū))的孔12，如白圓所示。圖1所示的孔12以三角形晶格圖案排列，它可以以不同的圖案排列，如正方形晶格圖案。
通過不在由圖1中的實(shí)線箭頭指示的線性區(qū)域進(jìn)行打孔，來形成波導(dǎo)13。通過不在由白箭頭指示的區(qū)域內(nèi)的多個格點(diǎn)處打孔，來形成施主型簇缺陷14。在以下說明中，形成施主型簇缺陷的過程常常被稱為“填充格點(diǎn)”，這是因?yàn)樵诟綀D中，缺陷被描述為由充滿主體材料的孔構(gòu)成的格點(diǎn)。
圖1的例子顯示了具有三個填充的格點(diǎn)的施主型簇缺陷。圖2顯示了施主型簇缺陷的各種結(jié)構(gòu)。圖2所示的例子具有兩個或三個填充的格點(diǎn)。雖然在附圖中沒有顯示，但是應(yīng)該注意，有可能創(chuàng)造具有多于三個填充的格點(diǎn)的施主型簇缺陷。關(guān)于具有三個填充的格點(diǎn)的結(jié)構(gòu)，圖2顯示了三種缺陷類型。在這些類型當(dāng)中，由被排列為三角形的三個格點(diǎn)構(gòu)成的缺陷被稱為“三角形缺陷”，以及由位于直線上的三個格點(diǎn)構(gòu)成的缺陷被稱為“直線缺陷”。同樣，為了比較，圖2顯示了由單一格點(diǎn)構(gòu)成的施主型簇缺陷(或施主型點(diǎn)缺陷)。
(1-2)復(fù)用/解復(fù)用功能的檢驗(yàn)本節(jié)檢查上述結(jié)構(gòu)是否實(shí)際上可用于光的復(fù)用/解復(fù)用。第一步是確定在其中波導(dǎo)允許光通過的光子帶隙內(nèi)的波長帶，第二步是檢查施主型簇缺陷是否在該波長帶內(nèi)創(chuàng)建了缺陷級。在此使用的分析方法稱為“二維平面波展開方法”。
在平面波展開方法中，傳播通過具有周期的介電常數(shù)的空間的光以平面波的組合來表示。在TE模式的情況下，電場在平面內(nèi)方向上振蕩而磁場在正交方向上振蕩，此時磁場的麥克斯韋(Maxwell)方程如下∂∂x[1ϵr(r)∂Hz∂x]+∂∂y[1ϵr(r)∂Hz∂y]+ω2c2Hz=0---(1)]]>其中ω為光的角頻率，Hz＝Hz(x，y，ω)為平面上的點(diǎn)的z方向上的磁場(Hx和Hy為0)，且c為光速。εr(r)表示介電常數(shù)的周期分布。由εr(r)的傅立葉級數(shù)展開以及Hz(x，y，ω)的Bloch理論展開得出以下方程1ϵr(r)=ΣGk(G)exp{jG·r}]]>Hz(x,ω)=ΣGh(k,G)exp{j(k+G)·r}---(2)]]>其中k為波數(shù)矢量(wave number vector)，G為倒易點(diǎn)陣矢量(reciprocallattice vector)。κ(G)和h(k，G)為展開因數(shù)。把方程(2)代入方程(1)中得出以下h(k，G)的方程，其中G任意確定ΣG(k+G)·(k+G′)k(G-G′)h(k,G′)=(ωc)2h(k,G)---(3)]]>給定波數(shù)矢量k的特定值，該方程確定(ω/c)2作為特征值，并且由該特征值(ω/c)2確定相應(yīng)的頻率或相應(yīng)的能量。對于不同波數(shù)矢量k計(jì)算頻率ω，使得可以計(jì)算光子能帶結(jié)構(gòu)。
利用方程(3)，計(jì)算在TE模式下傳播通過無點(diǎn)狀缺陷的二維光子晶體的波導(dǎo)的光的頻率范圍。結(jié)果如圖3所示。右側(cè)圖是左側(cè)圖一部分的放大視圖。圖3顯示出光能夠以兩種引導(dǎo)模式傳播由黑點(diǎn)指示的零階模式，和以白點(diǎn)指示的一階模式。很可能零階模式提供更高的效率，這是因?yàn)樗菃文５那曳奖阌糜谕獠肯到y(tǒng)。位于稱為“明線”的實(shí)線的高頻端的光容易與存在于自由空間中且具有相同頻率和相同平面內(nèi)波數(shù)的光結(jié)合，由此光在向上和向下方向上泄漏，并且傳播效率降低。因此，似乎由圖3的右側(cè)圖中的黑點(diǎn)和窄實(shí)線指示的、具有0.267至0.280范圍內(nèi)的歸一化頻率的光最有效地通過波導(dǎo)傳播。換句話說，由此所需的是確定晶格常數(shù)a，以便使期望的光波長落入0.267至0.280的歸一化頻率范圍內(nèi)。例如，如果主體由InGaAsP制成，且使用的光波長為1.55μm，則基于以上規(guī)定的歸一化頻率范圍的計(jì)算顯示出晶格常數(shù)a應(yīng)該在0.42μm至0.43μm范圍內(nèi)。
對圖2所示的施主型簇缺陷當(dāng)中的以下簇缺陷類型計(jì)算缺陷級具有兩個填充的格點(diǎn)的類型，具有被填充為三角形的三個格點(diǎn)的類型，以及具有沿直線填充的三個格點(diǎn)的類型。同樣，為了比較，對由單一的填充格點(diǎn)構(gòu)成的施主型點(diǎn)缺陷進(jìn)行計(jì)算。結(jié)果如圖4至圖7所示。在作為比較例的施主型點(diǎn)缺陷的情況下，在其中光能夠傳播通過波導(dǎo)的0.267c/a至0.280c/a的頻率范圍(以下稱為“可用頻率范圍”)內(nèi)沒有創(chuàng)建缺陷級，如圖4所示，從而該結(jié)構(gòu)不能用作復(fù)用器/解復(fù)用器。
另一方面，在通過填充兩個彼此相鄰格點(diǎn)創(chuàng)造的簇缺陷的情況下，在可用頻率范圍內(nèi)只創(chuàng)建了一個缺陷級，如圖5所示，從而該結(jié)構(gòu)可以用作復(fù)用器/解復(fù)用器。在具有被填充為三角形的三個格點(diǎn)的簇缺陷的情況下，在可用頻率范圍內(nèi)創(chuàng)建了多個缺陷級，如圖6所示。在這些缺陷級當(dāng)中，靠近歸一化頻率0.268的一個缺陷級與位于更高頻率端的另一個缺陷級被隔開，且相距足夠遠(yuǎn)。因此，該結(jié)構(gòu)可以用作復(fù)用器/解復(fù)用器。在具有沿平行于波導(dǎo)的直線填充的三個格點(diǎn)的簇缺陷的情況下，在可用頻率范圍內(nèi)只創(chuàng)建了一個缺陷級，如圖7所示，從而該結(jié)構(gòu)可以用作復(fù)用器/解復(fù)用器。
對已證明可用于復(fù)用器/解復(fù)用器的以下類型計(jì)算電磁場的分布具有兩個彼此相鄰的填充格點(diǎn)的類型，具有被填充為三角形的三個格點(diǎn)的類型，以及具有沿平行于波導(dǎo)的直線填充的三個格點(diǎn)的類型。結(jié)果如圖8和圖9所示。在這些圖中，箭頭指示平行于附圖平面的電場矢量，灰階圖案表示在垂直于附圖平面的方向上的磁場的幅度。在具有兩個填充的格點(diǎn)的缺陷或具有沿直線填充的三個格點(diǎn)的缺陷的情況下，在缺陷處共振的光處于這樣的模式，即光傳播到填充的格點(diǎn)。在垂直于填充格點(diǎn)的連線的方向上，電場較強(qiáng)。這暗示了共振光具有與線偏振光接近的特性。另一方面，在具有被填充為三角形的三個格點(diǎn)的缺陷的情況下，共振模式是這樣的，其使得光從三角形的重心向其每一頂點(diǎn)傳播。這暗示了電場分布得較對稱，從而偏振度低于上述兩種情況。
(1-3)Q因數(shù)的計(jì)算利用有限差分時域方法(K.S.Yee，“IEEE Trans.Antennas Propagat.”AP-Vol.14，pp.302-307)對前一節(jié)中描述的三種情況計(jì)算了Q因數(shù)。相對于輻射的電磁波的強(qiáng)度，計(jì)算了缺陷級周圍的頻率相關(guān)性，并且由峰強(qiáng)度和半最大值處的全寬(full width)計(jì)算了Q因數(shù)。
二維光子晶體的Q因數(shù)由Qp和Qs確定，其中Qp代表點(diǎn)狀缺陷與波導(dǎo)之間的耦合，Qs代表點(diǎn)狀缺陷與外部(表面之外的空間)之間的耦合。Qp由點(diǎn)狀缺陷與波導(dǎo)之間的距離確定。因此，為了研究Q因數(shù)關(guān)于點(diǎn)狀缺陷類型的變化，假設(shè)點(diǎn)狀缺陷與波導(dǎo)之間的距離為無限遠(yuǎn)，來計(jì)算Qs。結(jié)果是，當(dāng)兩個格點(diǎn)被填充時Qs＝1354，當(dāng)三個格點(diǎn)被填充為三角形時Qs＝2529，以及當(dāng)三個格點(diǎn)沿直線被填充時Qs＝5215。在現(xiàn)有技術(shù)文件1中公開的受主型點(diǎn)缺陷的情況下，同樣的計(jì)算顯示出Qs＝924。
計(jì)算暗示了施主型簇缺陷的Q因數(shù)能夠高于受主型點(diǎn)缺陷的Q因數(shù)。尤其是，可以預(yù)期具有沿直線填充的三個格點(diǎn)的缺陷具有最高的Q因數(shù)?？紤]到這一點(diǎn)，研究了Qs和Qp與點(diǎn)狀缺陷距波導(dǎo)的距離的相關(guān)性。結(jié)果如圖10所示。在該圖中，橫坐標(biāo)表示沿直線填充的格點(diǎn)與波導(dǎo)之間的距離，以孔的列數(shù)表示。利用Qs和Qp，可以通過方程1/Q＝1/Qs+1/Qp計(jì)算Q因數(shù)。由該方程以及圖10，可以獲得如圖11所示的Q因數(shù)。圖11顯示出Q因數(shù)在2012至4666的范圍內(nèi)，遠(yuǎn)大于在先有技術(shù)文件1的情況下的Q因數(shù)，即大約500。
圖11顯示出Q因數(shù)隨點(diǎn)狀缺陷與波導(dǎo)之間的距離增加而增大。然而，當(dāng)距離太大時，在解復(fù)用器的情況下到達(dá)點(diǎn)狀缺陷的光減少了，或者在復(fù)用器的情況下到達(dá)波導(dǎo)的光減少了。因?yàn)閷τ趶?fù)用器/解復(fù)用器，這種情形是不希望出現(xiàn)的，因此必須考慮在Q因數(shù)和點(diǎn)狀缺陷與波導(dǎo)之間的光傳遞這兩者間的折衷，來適當(dāng)?shù)卮_定距離。似乎當(dāng)Qp＝Qs時，獲得的效率最高。在圖12中，當(dāng)點(diǎn)狀缺陷位于從波導(dǎo)起的第四列孔處時，該條件被最好地滿足。
前一節(jié)中重點(diǎn)說明了復(fù)用器/解復(fù)用器的效率。也有可能有意地增加Qp并減小Qs。這種設(shè)置允許器件用作波長檢測器件，用于提取和監(jiān)測通過波導(dǎo)的、具有特定波長的小量的光。
(1-4)偏振特性如(1-2)節(jié)中所述，在沿直線填充兩個格點(diǎn)或三個格點(diǎn)的情況下，可以預(yù)期由此發(fā)射的光是線性偏振的。為證實(shí)這一觀點(diǎn)，計(jì)算了在沿直線填充的三個格點(diǎn)的情況下發(fā)射的光的偏振特性。結(jié)果如圖13所示。在圖13中，橫坐標(biāo)表示到填充格點(diǎn)的線的平面內(nèi)角，縱坐標(biāo)表示在該角處的光的幅度。在角為零度的方向上，幅度近似為零，而在角為90度的方向上幅度最大。這意味著在垂直于填充格點(diǎn)的線的方向上，光被強(qiáng)烈地偏振化。(1-5)控制施主型簇缺陷的向上與向下發(fā)射比以上說明假設(shè)點(diǎn)狀缺陷在正交方向上是對稱的。即，假設(shè)每一格點(diǎn)完全充滿低折射率材料。利用該結(jié)構(gòu)，點(diǎn)狀缺陷在向上和向下兩個方向上發(fā)射光。
本節(jié)說明在施主型簇缺陷在向上和向下方向上為不對稱的條件下執(zhí)行的計(jì)算，如圖14所示。在圖14的例子中，厚度為0.6a的主體具有沿直線填充的三個格點(diǎn)，和兩個在填充格點(diǎn)之間打的、半徑r＝0.29a、深度為h(＜0.6a)的中間孔。在該條件下，計(jì)算了通過晶格常數(shù)歸一化的深度h/a與向上與向下發(fā)射比之間的關(guān)系。結(jié)果如圖15所示。在圖15中所示的h/a范圍內(nèi)(即0.05-0.4)，從缺陷的向上發(fā)射和向下發(fā)射是不對稱的。尤其是，在h/a處于0.2至0.4之間的范圍內(nèi)，向上與向下發(fā)射比大約為2.0或更高。圖16顯示了Q因數(shù)與h/a之間的關(guān)系。圖16顯示出在向上與向下發(fā)射比較高的范圍內(nèi)，Q因數(shù)較低。然而，即使在該范圍內(nèi)，由此獲得的Q因數(shù)也高于在現(xiàn)有技術(shù)文件1的情況下的Q因數(shù)。
(2)第二方式的實(shí)施例圖17顯示了作為本發(fā)明第二方式的實(shí)施例的平面內(nèi)異質(zhì)結(jié)構(gòu)。圖17顯示了由兩個禁帶區(qū)組成的平面內(nèi)異質(zhì)結(jié)構(gòu)。它包括具有以排列周期a1排列的孔(或者低折射率材料)的晶體，和具有以排列周期a2排列的孔的另一晶體，兩個晶體沿著由點(diǎn)劃線指示的中心線連接。以下，具有排列周期a1的第一晶體被稱為第一禁帶區(qū)，具有排列周期a2的第二晶體被稱為第二禁帶區(qū)。第一禁帶區(qū)中的孔的直徑以b1表示，第二禁帶區(qū)中的孔的直徑以b2表示。位于點(diǎn)劃線兩側(cè)的波導(dǎo)被布置成位于同一直線上。在第一和第二禁帶區(qū)中都創(chuàng)造具有相同形式的施主型簇缺陷。在該結(jié)構(gòu)中，a1/a2被設(shè)計(jì)成等于b1/b2。因?yàn)榭椎呐帕兄芷诖_定了施主型簇缺陷的尺寸，因此第一禁帶區(qū)中的施主型簇缺陷的尺寸與第二禁帶區(qū)中的施主型簇缺陷的尺寸之比也等于a1/a2。
在圖17的例子中，施主型簇缺陷由被填充為三角形的三個格點(diǎn)構(gòu)成。也有可能使用由沿直線填充的三個格點(diǎn)構(gòu)成的施主型簇缺陷或其它類型。點(diǎn)狀缺陷可以是受主型點(diǎn)缺陷，如圖18所示。在該情況下，第一禁帶區(qū)具有一個直徑為c1的受主型點(diǎn)缺陷，第二禁帶區(qū)具有一個直徑為c2的受主型點(diǎn)缺陷。a1/a2、b1/b2和c1/c2的值應(yīng)該相等。
在以下條件下，對具有如圖17所示位置的施主型簇缺陷(但是每一個由沿直線填充的三個格點(diǎn)構(gòu)成)的結(jié)構(gòu)以及圖18所示的結(jié)構(gòu)，計(jì)算了Q因數(shù)a1等于a2；a1比a2大1％；以及a1比a2小1％。+1％與-1％之間或總的2％的結(jié)構(gòu)差異對應(yīng)于1.55μm帶中的30nm的共振波長差。進(jìn)一步假設(shè)以下條件b1＝0.29a1，b2＝0.29a2，c1＝0.54a1，c2＝0.54a2。圖19顯示了計(jì)算的Q因數(shù)。對于圖17和圖18，(1-a2/a1)被定義為結(jié)構(gòu)變化的百分比。在使用施主型簇缺陷的情況下，Q因數(shù)為2885-2891，其足夠大。在使用受主型點(diǎn)缺陷的情況下，獲得的Q因數(shù)可以與使用在現(xiàn)有技術(shù)文件1中公開的受主型缺陷的二維光子晶體的Q因數(shù)相比。結(jié)構(gòu)差異沒有造成Q因數(shù)的任何大的減小。
(3)制造本發(fā)明第一和第二方式的的二維光子晶體的例子在日本未審查的專利公開No.2001-272555的 至 段中公開了一種制造二維光子晶體的方法，其中空氣用作低折射率材料。在此簡要說明該方法(更多的細(xì)節(jié)可參考上述的公開)。通過利用晶體生長在襯底上形成一層平板材料，來創(chuàng)造要用作主體的平板。在感興趣的光波長帶為1.55μm帶的情況下，平板材料的例子是InGaAsP。在平板表面上形成光致抗蝕劑層，并且使電子束照射該光致抗蝕劑層，以畫出對應(yīng)于低折射率材料和受主型點(diǎn)缺陷的圖案。對表面進(jìn)行氣體蝕刻，以形成低折射率材料和受主型點(diǎn)缺陷。
為利用上述方法制造本發(fā)明第一方式的二維光子晶體，應(yīng)該控制圖案形成過程，以便通過使電子束不照射施主型簇缺陷要位于的區(qū)域，來把施主型簇缺陷引入圖案中。類似，通過根據(jù)結(jié)構(gòu)來控制圖案形成過程，可以引入本發(fā)明第二方式的平面內(nèi)異質(zhì)結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種二維光子晶體光復(fù)用器/解復(fù)用器，其特征在于包括a)平板形主體；b)具有不同于主體的折射率的多個改進(jìn)折射率區(qū)，其周期地排列在主體中；c)在構(gòu)造了改進(jìn)折射率區(qū)的缺陷的主體中線性地形成的波導(dǎo)；以及d)簇缺陷，位于波導(dǎo)附近且由兩個或多個彼此相鄰的缺陷構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二維光子晶體光復(fù)用器/解復(fù)用器，其特征在于簇缺陷由兩個彼此相鄰的缺陷構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二維光子晶體光復(fù)用器/解復(fù)用器，其特征在于簇缺陷由以三角形的形式彼此相鄰的三個缺陷構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二維光子晶體光復(fù)用器/解復(fù)用器，其特征在于簇缺陷由在平行于波導(dǎo)的直線上彼此相鄰的三個缺陷構(gòu)成。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的二維光子晶體光復(fù)用器/解復(fù)用器，其特征在于由在直線上彼此相鄰的三個缺陷構(gòu)成的簇缺陷位于從波導(dǎo)起的第四行改進(jìn)折射率區(qū)上。
6.一種二維光子晶體光復(fù)用器/解復(fù)用器，其特征在于包括a)平板形主體；b)在主體中形成的兩個或多個禁帶區(qū)；c)具有不同于主體的折射率的多個改進(jìn)折射率區(qū)，其以相對每一禁帶區(qū)不同地確定的周期，周期地排列在主體的每一禁帶區(qū)內(nèi)；d)通過所有禁帶區(qū)的波導(dǎo)，所述波導(dǎo)是通過在每一禁帶區(qū)內(nèi)線性地構(gòu)造改進(jìn)折射率區(qū)的缺陷來形成的；以及e)每一個都被形成在每一禁帶區(qū)內(nèi)的波導(dǎo)附近的點(diǎn)狀缺陷。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的二維光子晶體光復(fù)用器/解復(fù)用器，其特征在于每一個都被形成在每一禁帶區(qū)內(nèi)的波導(dǎo)附近的點(diǎn)狀缺陷的至少之一是由兩個或多個彼此相鄰的缺陷構(gòu)成的簇缺陷。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的二維光子晶體光復(fù)用器/解復(fù)用器，其特征在于每一個都被形成在每一禁帶區(qū)中的點(diǎn)狀缺陷的至少之一是由兩個彼此相鄰的缺陷構(gòu)成的簇缺陷。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的二維光子晶體光復(fù)用器/解復(fù)用器，其特征在于每一個都被形成在每一禁帶區(qū)中的點(diǎn)狀缺陷的至少之一是由以三角形的形式彼此相鄰的三個缺陷構(gòu)成的簇缺陷。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的二維光子晶體光復(fù)用器/解復(fù)用器，其特征在于每一個都被形成在每一禁帶區(qū)中的點(diǎn)狀缺陷的至少之一是由在平行于波導(dǎo)的直線上彼此相鄰的三個缺陷構(gòu)成的簇缺陷。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的二維光子晶體光復(fù)用器/解復(fù)用器，其特征在于由在直線上彼此相鄰的三個缺陷構(gòu)成的簇缺陷位于從波導(dǎo)起的第四行改進(jìn)折射率區(qū)上。
12.根據(jù)權(quán)利要求1-11之一所述的二維光子晶體光復(fù)用器/解復(fù)用器，其特征在于改進(jìn)折射率區(qū)的缺陷是由其厚度從主體的一個面延伸到主體厚度的5％至40％的改進(jìn)折射率區(qū)構(gòu)成的。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的二維光子晶體光復(fù)用器/解復(fù)用器，其特征在于改進(jìn)折射率區(qū)的厚度為主體厚度的20％至30％。
14.根據(jù)權(quán)利要求1-13之一所述的二維光子晶體光復(fù)用器/解復(fù)用器，其特征在于改進(jìn)折射率區(qū)是折射率低于主體折射率的低折射率區(qū)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的二維光子晶體光復(fù)用器/解復(fù)用器，其特征在于低折射率區(qū)是孔。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的二維光子晶體光復(fù)用器/解復(fù)用器，其特征在于改進(jìn)折射率區(qū)的缺陷是通過不在主體中打孔形成的施主型缺陷。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的二維光子晶體光復(fù)用器/解復(fù)用器，其特征在于改進(jìn)折射率區(qū)的缺陷是通過提供具有大于其它孔的直徑的孔形成的受主型缺陷。
全文摘要
一種光復(fù)用器/解復(fù)用器，其可以具有較小的尺寸和更高的Q因數(shù)或效率。通過以下結(jié)構(gòu)達(dá)到該目的。在平板形主體11中，具有低于主體11的材料的折射率的低折射率區(qū)12周期地排列，以構(gòu)造二維光子晶體，其中通過不線性地打孔12形成波導(dǎo)13。通過不在位于波導(dǎo)13鄰近的兩個或多個格點(diǎn)處打孔，形成施主型簇缺陷14。利用該結(jié)構(gòu)，只有在傳播通過波導(dǎo)13的光中包括的特定光波長才在施主型簇缺陷14處共振，且這樣俘獲的光被釋放到外部(解復(fù)用)。相反，只有特定的光波長可以通過施主型簇缺陷14被引入波導(dǎo)13中(復(fù)用)。
文檔編號G02B6/34GK1643416SQ0380687
公開日2005年7月20日 申請日期2003年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月26日
發(fā)明者野田進(jìn), 望月理光, 淺野卓 申請人:獨(dú)立行政法人科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu)