專利名稱：對(duì)光子晶體光導(dǎo)波路的光入射方法及其構(gòu)造的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對(duì)光子晶體(フォトニツク結(jié)晶)的光的入射技術(shù)，特別涉及使光高效率地入射到在光子晶體內(nèi)部形成的光導(dǎo)波路中的方法及其具體構(gòu)造。
背景技術(shù)：
光子晶體是把折射率不同的2種以上的物質(zhì)按光波長(zhǎng)量級(jí)(通常為0.3～0.7μm)，以1維、2維或3維周期性地排列而成的。該光子晶體具有由光子帶隙引起的強(qiáng)的光截止效果，可望把該光截止效果應(yīng)用于各種光學(xué)元件和微光路等。還有，在光子晶體中導(dǎo)入線狀缺陷等，就能在光子晶體內(nèi)部形成光導(dǎo)波路，這是公知的。
然而，如果使光從空氣中直接向光子晶體入射，在其表面的反射大，多數(shù)情況下不能使光有效率地入射。還有，在對(duì)光子晶體內(nèi)部形成的光導(dǎo)波路的光的入射中，也沒有確立高效率的入射方法。例如，如非專利文獻(xiàn)1(M.Tokushima等的Electronics Letters雜志，2001年，Vol.37，No.24)所示的那樣，其透射損耗達(dá)40～50dB，非常大。
M.Tokushima等，Electronics Letters雜志，1454頁(yè)-1455頁(yè)，2001年，Vol.37，No.24[非專利文獻(xiàn)2]J.Ushida等，Appl.Phys.Lett.雜志7頁(yè)-9頁(yè)，82，7(2003)發(fā)明內(nèi)容這樣，靠以前公知的技術(shù)，不能進(jìn)行對(duì)光子晶體光導(dǎo)波路的高效率的光的入射。
本發(fā)明的目的是提供一種對(duì)光子晶體或在光子晶體內(nèi)部形成的光導(dǎo)波路的光的高效率入射方法及其具體構(gòu)造。
根據(jù)本發(fā)明的第1方式，能獲得一種對(duì)光子晶體光導(dǎo)波路的光的入射方法，其特征在于，對(duì)于使折射率不同的2種以上的物質(zhì)以1維、2維或3維周期性地排列而獲得的光子晶體，在上述光子晶體內(nèi)部具有可對(duì)光進(jìn)行導(dǎo)波的構(gòu)造(導(dǎo)波路)，為使光從外部高效率地入射到該導(dǎo)波路中，使在光子晶體內(nèi)部形成的光導(dǎo)波路內(nèi)的光的波數(shù)與在光子晶體外部的入射光的波數(shù)一致。
根據(jù)本發(fā)明的第2方式，能獲得一種對(duì)光子晶體光導(dǎo)波路的光的入射方法，其特征在于，對(duì)于使折射率不同的2種以上的物質(zhì)以1維、2維或3維周期性地排列而獲得的光子晶體，在上述光子晶體內(nèi)部具有可對(duì)光進(jìn)行導(dǎo)波的構(gòu)造(導(dǎo)波路)，為使光從外部高效率地入射到該導(dǎo)波路中，使在光子晶體內(nèi)部形成的光導(dǎo)波路內(nèi)的光的波數(shù)矢量與在光子晶體外部的入射光的波數(shù)矢量一致。
根據(jù)本發(fā)明的第3方式，能獲得一種對(duì)光子晶體光導(dǎo)波路的光的入射方法，其特征在于，對(duì)于使折射率不同的2種以上的物質(zhì)以1維、2維或3維周期性地排列而獲得的光子晶體，在上述光子晶體內(nèi)部具有可對(duì)光進(jìn)行導(dǎo)波的構(gòu)造(導(dǎo)波路)，為使光從外部高效率地入射到該導(dǎo)波路中，使在光子晶體內(nèi)部形成的光導(dǎo)波路內(nèi)的光的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的強(qiáng)度的比與在光子晶體外部的入射光的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的強(qiáng)度的比一致。
根據(jù)本發(fā)明的第4方式，能獲得一種對(duì)光子晶體光導(dǎo)波路的光的入射方法，對(duì)于第3方式的對(duì)光子晶體光導(dǎo)波路的光的入射方法，其特征在于，特別是使在光子晶體內(nèi)部形成的光導(dǎo)波路的入射端面的光的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的強(qiáng)度的比與在光子晶體外部的入射光的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的強(qiáng)度的比一致。
根據(jù)本發(fā)明的第5方式，能獲得一種對(duì)光子晶體光導(dǎo)波路的光的入射方法，對(duì)于第3方式或第4方式的對(duì)光子晶體光導(dǎo)波路的光的入射方法，其特征在于，使在光子晶體內(nèi)部形成的光導(dǎo)波路的光入射端面的光的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的強(qiáng)度的比的分布形狀與在光子晶體外部的入射光的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的強(qiáng)度的比的分布形狀一致。根據(jù)本發(fā)明的第6方式，能獲得一種對(duì)光子晶體光導(dǎo)波路的光的入射方法，對(duì)于第3方式或第4方式的對(duì)光子晶體光導(dǎo)波路的光的入射方法，其特征在于，在光子晶體內(nèi)部形成的光導(dǎo)波路的光入射端面的光的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的強(qiáng)度的比作為以真空中的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的強(qiáng)度比進(jìn)行了歸一化的值，為1及以下，從而使在光子晶體外部的入射光的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的強(qiáng)度的比一致。
根據(jù)本發(fā)明的第7方式，能獲得一種對(duì)光子晶體光導(dǎo)波路的光的入射方法，對(duì)于第3方式或第4方式的對(duì)光子晶體光導(dǎo)波路的光的入射方法，其特征在于，利用光子晶體的色散曲線上的光子帶的第1次帶到第2次帶附近，從而使在光子晶體外部的入射光的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的強(qiáng)度的比一致。根據(jù)本發(fā)明的第8方式，能獲得一種對(duì)光子晶體光導(dǎo)波路的光的入射方法，對(duì)于第1至第5方式的對(duì)光子晶體光導(dǎo)波路的光的入射方法，其特征在于，使在光子晶體內(nèi)部形成的光導(dǎo)波路的入射端面的導(dǎo)波模式的光強(qiáng)度分布與在光子晶體外部的入射光的光強(qiáng)度分布一致。
根據(jù)本發(fā)明的第9方式，能獲得一種對(duì)光子晶體光導(dǎo)波路的光的入射構(gòu)造，其特征在于，作為實(shí)現(xiàn)第1至第5方式的方法的對(duì)光子晶體光導(dǎo)波路的高效率光入射構(gòu)造，使在光子晶體內(nèi)部導(dǎo)入線狀缺陷而形成的線狀欠缺光導(dǎo)波路和由與上述線缺陷部分同一材料構(gòu)成的溝道導(dǎo)波路接合起來(lái)。
根據(jù)本發(fā)明的第10方式，能獲得一種對(duì)光子晶體光導(dǎo)波路的光的入射構(gòu)造，其特征在于，作為實(shí)現(xiàn)第1至5和8方式的方法的對(duì)光子晶體光導(dǎo)波路的高效率光入射構(gòu)造，使在光子晶體內(nèi)部導(dǎo)入線狀缺陷而形成的線狀欠缺光導(dǎo)波路和由與上述線缺陷部分同一材料構(gòu)成的溝道導(dǎo)波路接合起來(lái)，而且在上述溝道導(dǎo)波路和光子晶體線缺陷光導(dǎo)波路的接合部分，具有設(shè)有滿足第1至5和8方式中規(guī)定的條件的接合構(gòu)造的溝道導(dǎo)波路。
根據(jù)本發(fā)明的第11方式，能獲得一種對(duì)光子晶體光導(dǎo)波路的光的入射構(gòu)造，其特征在于，作為實(shí)現(xiàn)第1至5和8方式的方法的對(duì)光子晶體光導(dǎo)波路的高效率光入射構(gòu)造，使在光子晶體內(nèi)部導(dǎo)入線狀缺陷而形成的線狀欠缺光導(dǎo)波路和由與上述線缺陷部分同一材料構(gòu)成的溝道導(dǎo)波路接合起來(lái)，而且作為在上述溝道導(dǎo)波路和光子晶體線缺陷光導(dǎo)波路的接合部分設(shè)置的第1方式中記載的接合構(gòu)造，具有設(shè)有由折射率對(duì)于溝道導(dǎo)波路和光子晶體兩者不同的物質(zhì)形成的接合構(gòu)造的溝道導(dǎo)波路。
根據(jù)本發(fā)明的第12方式，能獲得一種對(duì)光子晶體光導(dǎo)波路的光的入射構(gòu)造，其特征在于，作為實(shí)現(xiàn)第1至第6方式中記載的方法的對(duì)光子晶體光導(dǎo)波路的高效率光入射構(gòu)造，使在光子晶體內(nèi)部導(dǎo)入線狀缺陷而形成的線狀欠缺光導(dǎo)波路和由與上述線缺陷部分同一材料構(gòu)成的溝道導(dǎo)波路接合起來(lái)，而且作為在上述溝道導(dǎo)波路和光子晶體線缺陷光導(dǎo)波路的接合部分設(shè)置的第10方式中記載的接合構(gòu)造，具有設(shè)為楔型形狀的溝道導(dǎo)波路。


圖1是用于說(shuō)明光子晶體光導(dǎo)波路和外部的波數(shù)匹配的概念的圖。
圖2是表示在光子帶圖上的波數(shù)匹配的情況的圖。
圖3是表示光子晶體光導(dǎo)波路接口的圖。
圖4是用于說(shuō)明使電場(chǎng)和磁場(chǎng)的比在光子晶體光導(dǎo)波路和外部一致的方法的圖。
圖5是表示電場(chǎng)和磁場(chǎng)的比的分布的FDTD計(jì)算結(jié)果的圖。
圖6是表示光子晶體的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的比的分布由平面展開法給出的計(jì)算結(jié)果的圖。
圖7是用于說(shuō)明使電場(chǎng)和磁場(chǎng)的比的分布在光子晶體光導(dǎo)波路和外部一致的方法的圖。
圖8是用于說(shuō)明使光強(qiáng)度分布在光子晶體光導(dǎo)波路和外部一致的方法的圖。
圖9是表示光子晶體光導(dǎo)波路和外部的接口構(gòu)造的圖。
圖10是表示具有楔型形狀的光子晶體光導(dǎo)波路和外部的接口構(gòu)造的圖。
圖11是表示對(duì)光子晶體光導(dǎo)波路的耦合效率的圖。
圖12是表示在光子晶體光導(dǎo)波路和外部的接合部的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的比的分布的FDTD計(jì)算結(jié)果的圖。
具體實(shí)施例方式
為了更詳細(xì)地述說(shuō)本發(fā)明，按照附圖對(duì)其進(jìn)行說(shuō)明。
首先，給出使光高效率地入射到在光子晶體內(nèi)部形成的光導(dǎo)波路中的各種方法。
作為本發(fā)明中的第1實(shí)施例，給出關(guān)于在光子晶體光導(dǎo)波路和外部之間進(jìn)行波數(shù)的匹配的方法。圖1表示該方法的概念圖。
只有使在光子晶體內(nèi)部形成的光導(dǎo)波路內(nèi)的光波數(shù)和來(lái)自外部的入射光的波數(shù)一致時(shí)，光的入射效率才會(huì)變高。即，如圖2所示，使光子晶體內(nèi)光導(dǎo)波路的導(dǎo)波模式的波數(shù)k1和在光子晶體外部的入射光的波數(shù)k0在光子帶圖上與波數(shù)k一致(波數(shù)匹配)了的場(chǎng)合，入射效率就會(huì)變高。另外，在圖2中橫軸表示頻率ω，縱軸表示波數(shù)k。
用運(yùn)動(dòng)方程式考慮的話，光的波數(shù)相當(dāng)于動(dòng)量。即波數(shù)k無(wú)變化地從介質(zhì)1到介質(zhì)2通過(guò)，等價(jià)于某物質(zhì)在要從介質(zhì)1到介質(zhì)2穿過(guò)時(shí)，能保存動(dòng)量而通過(guò)的情況。如果是動(dòng)量被保存了的狀態(tài)，就可以在物質(zhì)的速度和行進(jìn)方向不變化的情況下從介質(zhì)1到介質(zhì)2通過(guò)。
通常，在構(gòu)成光子晶體內(nèi)的光導(dǎo)波路部分的材質(zhì)為折射率大的Si的這種場(chǎng)合，在使光從空氣中或真空中入射的場(chǎng)合，要在光子帶圖上使波數(shù)一致很困難，因而作為在該場(chǎng)合的解決辦法，必須使讓光入射到光子晶體中的介質(zhì)的折射率與構(gòu)成光子晶體內(nèi)的光導(dǎo)波路部分的材質(zhì)的折射率相等。圖3表示該方法。即不是讓光從空氣中直接入射到光子晶體光導(dǎo)波路中，而是入射到由至少與光子晶體內(nèi)的光導(dǎo)波路部分的折射率差小的材質(zhì)(例如Si)構(gòu)成的中間性光導(dǎo)波路(接口)中之后，再使光從該中間性光導(dǎo)波路入射到光子晶體光導(dǎo)波路中。該接口的材質(zhì)使用與光子晶體內(nèi)的光導(dǎo)波路部分的材質(zhì)同樣的就很理想。而且優(yōu)選的是，波數(shù)的匹配不僅是其大小，而且是作為矢量的一致(波數(shù)矢量的匹配)。
其次，作為本發(fā)明中的第2實(shí)施例，給出關(guān)于使在光子晶體內(nèi)部形成的光導(dǎo)波路內(nèi)的光的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的強(qiáng)度的比和在光子晶體外部的入射光的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的強(qiáng)度的比一致的方法。
圖4表示該方法。使光子晶體內(nèi)光導(dǎo)波路的導(dǎo)波模式的光的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的比(Ex/Hy)和在光子晶體外部的入射光的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的比(Ex/Hy)一致。
該方法與多在電路中進(jìn)行的阻抗匹配基本上是同樣的概念，不過(guò)，在電路的場(chǎng)合，阻抗以電壓和電流的比(V/I)來(lái)規(guī)定，而光導(dǎo)波路中則以電場(chǎng)和磁場(chǎng)的比(E/H)來(lái)規(guī)定，這一點(diǎn)不同。
在使電場(chǎng)和磁場(chǎng)的比一致的場(chǎng)合也是，在構(gòu)成光子晶體內(nèi)的光導(dǎo)波路部分的材質(zhì)為折射率大的Si的這種場(chǎng)合，在使光從空氣中或真空中入射的場(chǎng)合，要使電場(chǎng)和磁場(chǎng)的比一致很困難，作為在該場(chǎng)合的解決辦法也是，讓光入射到光子晶體中的介質(zhì)也必須用具有與Si同程度的折射率的材質(zhì)。為了在這樣的光子晶體光導(dǎo)波路中的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的強(qiáng)度的比的匹配，特別是在光導(dǎo)波路的接合端面，使不同的導(dǎo)波路間的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的強(qiáng)度的比一致很重要。圖5表示根據(jù)FDTD電磁場(chǎng)解析求出的由Si構(gòu)成的光子晶體內(nèi)光導(dǎo)波路和Si溝道光導(dǎo)波路的導(dǎo)波模式的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的強(qiáng)度的比的結(jié)果。
可以看出，在Si溝道光導(dǎo)波路內(nèi)的在特定的頻率的導(dǎo)波模式的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的強(qiáng)度的比不依賴于地點(diǎn)，而是一定的，但在光子晶體光導(dǎo)波路內(nèi)的導(dǎo)波模式的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的強(qiáng)度的比隨光子晶體的剖面的位置而大為不同。
例如，如圖5所示，在光子晶體的剖面是與A等價(jià)的面的場(chǎng)合，電場(chǎng)和磁場(chǎng)的強(qiáng)度的比在光導(dǎo)波路剖面中央部大，而在剖面是與B等價(jià)的面的場(chǎng)合，則是在光導(dǎo)波路剖面的兩端大。因此，在使Si溝道光導(dǎo)波路和光子晶體光導(dǎo)波路兩者接合的場(chǎng)合，在接合點(diǎn)使雙方的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的強(qiáng)度的比一致而接合對(duì)于使耦合效率最大化很重要。
其次敘述作為本發(fā)明中的第3實(shí)施例的方法。優(yōu)選的是，如圖6右面的Band1或Band2所示，以真空中的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的強(qiáng)度比進(jìn)行了歸一化的光子晶體光導(dǎo)波路的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的強(qiáng)度比的值為正值、1以下。其理由如下。
根據(jù)非專利文獻(xiàn)2(J.Ushida等的Appl.Phys.Lett.82，7頁(yè)-9頁(yè)(2003))的方法，解析性地導(dǎo)出了任意的1維光子晶體的反射率，由此可知，以真空中的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的強(qiáng)度比進(jìn)行了歸一化的光子晶體表面的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的強(qiáng)度比的倒數(shù)相當(dāng)于光子晶體的考慮了菲涅耳反射后的折射率。
把該值除以光子晶體的外側(cè)即光入射側(cè)的介質(zhì)的折射率所得的值作為α，當(dāng)α比1大時(shí)，無(wú)論何時(shí)都可對(duì)光子晶體無(wú)反射覆蓋?？梢詿o(wú)反射覆蓋，即意味著對(duì)光子晶體的光的耦合損耗在原理上可為零。另一方面，在α比1小的場(chǎng)合，相當(dāng)于光從真空中向折射率比1小的介質(zhì)入射。然而，對(duì)真空中的折射率比1小的介質(zhì)實(shí)際不存在，因而在這樣的場(chǎng)合，使光的入射損耗為零實(shí)際上很難考慮。
圖6右面表示在光子晶體的某剖面的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的強(qiáng)度，不過(guò)，對(duì)于在實(shí)空間上的3維的光子晶體光導(dǎo)波路，也可適用同樣的條件。鑒于此，在α為1以下時(shí)，對(duì)于Si溝道光導(dǎo)波路和光子晶體光導(dǎo)波路的接合，是可以使兩者的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的強(qiáng)度一致的。因此，優(yōu)選的是α為1以下。具體而言，優(yōu)選的是在接合點(diǎn)兩者的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的強(qiáng)度比的分布一致。其次，作為本發(fā)明中的第4實(shí)施例，如圖7所示，敘述在Si溝道導(dǎo)波路和光子晶體光導(dǎo)波路的接合點(diǎn)使電場(chǎng)和磁場(chǎng)的強(qiáng)度比的分布一致的方法。
如第2的實(shí)施例所示，在不同的導(dǎo)波路間的光子晶體光導(dǎo)波路的接合端面上的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的強(qiáng)度的比一致是重要的。而且，使光子晶體光導(dǎo)波路的接合端面上的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的強(qiáng)度的分布一致的話，在接合剖面的任何地方看去，在接合界面上電場(chǎng)和磁場(chǎng)的強(qiáng)度的比都相等，因而能進(jìn)一步降低兩者的耦合損耗。
其次，敘述作為本發(fā)明中的第5實(shí)施例的方法。圖6右面是表示，對(duì)于光和光導(dǎo)波路耦合的圖6左面的耦合模式的帶A，從光子帶的第1次帶到高次帶，電場(chǎng)和在磁場(chǎng)的強(qiáng)度的比在光子晶體剖面上的分布的圖。第4帶和第5帶中電場(chǎng)和磁場(chǎng)的強(qiáng)度的分布在光導(dǎo)波路面內(nèi)變化大，不過(guò)，第1次和第2次帶中分布比較小。以光子晶體帶內(nèi)形成的光導(dǎo)波路模式來(lái)考慮的話，有這樣的頻率存在在第4帶和第5帶等高次帶附近，在附于帶的光導(dǎo)波路模式中，在光導(dǎo)波路面內(nèi)電場(chǎng)和磁場(chǎng)的強(qiáng)度的分布變化大，而在第1次帶和第2次帶附近的光導(dǎo)波路模式中，在光導(dǎo)波路面內(nèi)的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的強(qiáng)度的分布的變化則比較緩慢地變小。
即，用存在于從光子晶體的第1次帶到第2次帶附近的光子晶體內(nèi)的光導(dǎo)波路的導(dǎo)波模式，就能使Si溝道光導(dǎo)波路的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的強(qiáng)度比的分布一致。
其次給出作為本發(fā)明中的第6實(shí)施例的使在光子晶體內(nèi)部形成的光導(dǎo)波路的導(dǎo)波模式的光強(qiáng)度分布和在光子晶體外部的入射光的光強(qiáng)度分布一致的方法。圖8表示該情況，使光子晶體內(nèi)光導(dǎo)波路的導(dǎo)波模式的光入射端面上的光強(qiáng)度分布和入射光的光強(qiáng)度分布一致，就能改善對(duì)光子晶體內(nèi)光導(dǎo)波路的光入射效率。
一般而言，在導(dǎo)波模式變化了的場(chǎng)合，耦合損耗就會(huì)變大。在使光強(qiáng)度分布一致的情況下使光從光子晶體外部向光子晶體光導(dǎo)波路中進(jìn)行導(dǎo)波，意味著是在光子晶體的外、內(nèi)側(cè)不使光的導(dǎo)波模式發(fā)生變化而進(jìn)行導(dǎo)波。作為用于實(shí)現(xiàn)該方法的構(gòu)造，可以考慮在光子晶體光導(dǎo)波路的入射部分安裝溝道光導(dǎo)波路等的構(gòu)造。
該構(gòu)造在光子晶體內(nèi)光導(dǎo)波路的導(dǎo)波模式的電場(chǎng)分布與高斯分布比較接近的場(chǎng)合是有效的。即，先使溝道導(dǎo)波路內(nèi)的基本模式的光的強(qiáng)度分布成為與高斯分布接近的形態(tài)，在光子晶體光導(dǎo)波路內(nèi)的導(dǎo)波模式的光強(qiáng)度分布與高斯分布接近的場(chǎng)合，就能使光從溝道導(dǎo)波路效率很好地入射。當(dāng)然，要是只為獲得具有高斯型的光強(qiáng)度分布的入射光束，并非一定要使用溝道導(dǎo)波路，不過(guò)，使用溝道導(dǎo)波路作為接口，配合先前敘述了的實(shí)現(xiàn)波數(shù)匹配、電場(chǎng)和磁場(chǎng)的強(qiáng)度的比的匹配的意義，就很重要。
其次，以下敘述本發(fā)明所涉及的第7實(shí)施例。圖6右上表示三角點(diǎn)陣空氣中Si棒(棒半徑r＝0.4335a，點(diǎn)陣常數(shù)a，Si折射率＝3.45)的單位胞(2倍面積)，圖6左面表示與該光子晶體的TM偏振光(電場(chǎng)平行于棒)的成分有關(guān)的ГM方向的光子帶圖。圖2中的各帶中表示的記號(hào)A和B表示能與來(lái)自光子晶體外部的光進(jìn)行耦合的耦合模式(A)和非耦合模式(B)。圖6右下圖表示這些光子帶的圖6左圖中用圓點(diǎn)表示的耦合模式(波數(shù)＝2ГM/3)中的圖6右上圖中的用箭頭表示的線上的表面上的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的強(qiáng)度的比(以真空表面上的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的強(qiáng)度的比來(lái)歸一化)。
該圖6右上圖中的箭頭所示的線上成為了無(wú)限光子晶體上的鏡像面，因而在表面的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的強(qiáng)度的比的值為實(shí)數(shù)。從圖6右下圖可以看出，Band1和Band2的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的強(qiáng)度的比的空間分布比起B(yǎng)and4和Band5的空間分布來(lái)變化緩慢，其值為正，為1以下。在以真空中的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的強(qiáng)度的比進(jìn)行了歸一化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的強(qiáng)度的比為1以下的場(chǎng)合、空間分布平坦的場(chǎng)合，采用近似性1維的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的強(qiáng)度的比進(jìn)行匹配所用的方法，即與本發(fā)明的實(shí)施例3同樣的方法就可降低接合損耗。因此可知，在表面上附著一樣的介質(zhì)膜，Band1和Band2就可取得近似性電場(chǎng)和磁場(chǎng)的強(qiáng)度的比的匹配。
實(shí)際上在這樣的Band1和Band2近旁，在線缺陷模式中電場(chǎng)和磁場(chǎng)的強(qiáng)度的分布也是比較緩慢的，歸一化的值為1以下。圖5表示對(duì)于位于第1帶隙內(nèi)的線缺陷模式，歸一化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的強(qiáng)度的比的分布。溝道導(dǎo)波路和光子晶體光導(dǎo)波路兩者，電場(chǎng)和磁場(chǎng)的強(qiáng)度的比都是1以下。這表示采用本發(fā)明的第3實(shí)施例說(shuō)明了的方法就能滿足使Si溝道光導(dǎo)波路的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的強(qiáng)度比的分布一致的條件。
圖9表示作為本發(fā)明的第8實(shí)施例的溝道導(dǎo)波路接口。光子晶體做成在厚約0.2～0.3μm的Si層上，按三角點(diǎn)陣狀開了直徑約0.3μm的圓孔的構(gòu)造，點(diǎn)陣的周期約0.45μm。以在Г-K方向抽出1列線狀缺陷的形態(tài)來(lái)形成光導(dǎo)波路，因而光導(dǎo)波路部分的介質(zhì)是Si(折射率約3.5)。Si層的上下可以是SiO2，也可以是空氣。
作為使光效率很好地入射到這樣的在具有空氣孔三角點(diǎn)陣的斯拉夫型光子晶體內(nèi)設(shè)置的線缺陷光導(dǎo)波路中的方法，把由與光子晶體光導(dǎo)波路部分同材質(zhì)的Si構(gòu)成的溝道光導(dǎo)波路用作接口的方法是有效的。采用該Si溝道導(dǎo)波路所構(gòu)成的接口構(gòu)造，對(duì)光子晶體光導(dǎo)波路的入射效率，與從空氣中直接入射的場(chǎng)合(在該場(chǎng)合的耦合損耗為10dB以上)相比，能大幅度改善。由計(jì)算估計(jì)可知，Si溝道光導(dǎo)波路和光子晶體光導(dǎo)波路之間的耦合損耗約2dB，從空氣中對(duì)Si溝道光導(dǎo)波路的耦合損耗也能降低到1dB以下的程度，因而在采用本接口的場(chǎng)合，耦合損耗可整體控制在3dB以下。作為此處給出的接口的效果也具有上述波數(shù)匹配或電場(chǎng)和磁場(chǎng)的比匹配的作用。
用圖9表示作為本發(fā)明的第9實(shí)施例的由Si構(gòu)成的溝道導(dǎo)波路接口的例子。光子晶體做成在厚約0.2～0.3μm的Si層上，按三角點(diǎn)陣狀開了直徑約0.3μm的圓孔的構(gòu)造，點(diǎn)陣的周期約0.45μm。以在Г-K方向抽出1列線狀缺陷的形態(tài)來(lái)形成光導(dǎo)波路。因而光導(dǎo)波路部分的介質(zhì)是Si(折射率約3.5)。Si層的上下可以是SiO2，也可以是空氣。
作為使光效率很好地入射到這樣的在具有空氣孔三角點(diǎn)陣的斯拉夫型光子晶體內(nèi)設(shè)置的線缺陷光導(dǎo)波路中的方法，把在光子晶體光導(dǎo)波路部分和由Si構(gòu)成的溝道導(dǎo)波路之間采用了折射率取兩者中間值的物質(zhì)或構(gòu)造體的耦合構(gòu)造用作接口的方法是有效的。采用該耦合構(gòu)造，對(duì)光子晶體光導(dǎo)波路的入射效率，與從空氣中直接入射的場(chǎng)合(在該場(chǎng)合的耦合損耗為10dB以上)相比，能大幅度改善。
其次，作為本發(fā)明的第10實(shí)施例，給出了把本接口構(gòu)造進(jìn)一步改良而成的楔型Si溝道光導(dǎo)波路接口。圖10表示能使由Si構(gòu)成的光子晶體內(nèi)光導(dǎo)波路和Si溝道光導(dǎo)波路的導(dǎo)波模式的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的強(qiáng)度比的分布一致的構(gòu)造。如圖所示，在光子晶體內(nèi)光導(dǎo)波路和Si溝道光導(dǎo)波路的接合部分設(shè)置楔型構(gòu)造，就能使兩者的接合面上的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的強(qiáng)度比的分布一致。楔型的導(dǎo)波路長(zhǎng)度為0.3μm，光子晶體側(cè)接合面的寬度為1.26μm。
圖11表示在Si溝道光導(dǎo)波路和光子晶體光導(dǎo)波路的接合部分的光透射率的波長(zhǎng)依賴性。在把楔形的構(gòu)造設(shè)為接口的情況下，光耦合損耗分別為，當(dāng)光的波長(zhǎng)為1.60μm時(shí)從0.33dB到0.14，為1.63μm時(shí)從1.2dB到0.35，可以看出，得到了很大改善。此處，在楔形的導(dǎo)波路長(zhǎng)度為0.3μm的場(chǎng)合，具有圖11那樣的耦合損耗的改善，不過(guò)，楔形的導(dǎo)波路長(zhǎng)度為0.6～0.7μm時(shí)，耦合損耗反而變大了。
圖12表示在接合部沒有接口的場(chǎng)合和設(shè)置了接口的場(chǎng)合，對(duì)電場(chǎng)和磁場(chǎng)的強(qiáng)度比的分布進(jìn)行了比較的例子。在電場(chǎng)和在磁場(chǎng)的強(qiáng)度比的分布中可以看出，在沒有接口的場(chǎng)合，有表示在光子晶體內(nèi)為高的值的區(qū)域的暗的部分存在，而另一方面，在設(shè)置了楔形的導(dǎo)波路長(zhǎng)度0.3μm的接口的場(chǎng)合，這樣的暗的部分的區(qū)域就變少，從Si溝道光導(dǎo)波路到光子晶體中，電場(chǎng)和磁場(chǎng)以同樣的濃淡分布著。這表示作為接口的效果，在接合附近的光子晶體光導(dǎo)波路的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的強(qiáng)度的比的值降低了。還可以看出，在上述耦合損耗變大的楔形接口的導(dǎo)波路長(zhǎng)度為0.6～0.7μm的場(chǎng)合，在接口部分、接合附近的光子晶體光導(dǎo)波路的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的強(qiáng)度的比的值變大了，電場(chǎng)和磁場(chǎng)的強(qiáng)度的比的分布未很好地匹配。
本發(fā)明是提供一種使光高效率地入射到光子晶體光導(dǎo)波路中的方法，本方法適用于所有光子晶體光學(xué)元件。還有，在說(shuō)明書中，以對(duì)在光子晶體中導(dǎo)入了線狀缺陷的所謂線缺陷光導(dǎo)波路的入射的場(chǎng)合為例進(jìn)行了說(shuō)明，不過(guò)，作為光導(dǎo)波路的方式，不限于線缺陷型的光導(dǎo)波路。也可以是以現(xiàn)有光導(dǎo)波路那樣的折射率差來(lái)引導(dǎo)光的類型的光導(dǎo)波路。還有，顯然，并非一定要在光子晶體內(nèi)形成光導(dǎo)波路，只要是對(duì)光進(jìn)行導(dǎo)波的構(gòu)造，上述方法和構(gòu)造都適用。
權(quán)利要求
1.一種對(duì)光子晶體光導(dǎo)波路的光的入射方法，其特征在于，對(duì)于使折射率不同的2種以上的物質(zhì)以1維、2維或3維周期性地排列而獲得的光子晶體，在所述光子晶體內(nèi)部具有可對(duì)光進(jìn)行導(dǎo)波的構(gòu)造(導(dǎo)波路)，為使光從外部高效率地入射到該導(dǎo)波路中，使在光子晶體內(nèi)部形成的光導(dǎo)波路內(nèi)的光的波數(shù)與在光子晶體外部的入射光的波數(shù)一致。
2.一種對(duì)光子晶體光導(dǎo)波路的光的入射方法，其特征在于，對(duì)于使折射率不同的2種以上的物質(zhì)以1維、2維或3維周期性地排列而獲得的光子晶體，在所述光子晶體內(nèi)部具有可對(duì)光進(jìn)行導(dǎo)波的構(gòu)造(導(dǎo)波路)，為使光從外部高效率地入射到該導(dǎo)波路中，使在光子晶體內(nèi)部形成的光導(dǎo)波路內(nèi)的光的波數(shù)矢量與在光子晶體外部的入射光的波數(shù)矢量一致。
3.一種對(duì)光子晶體光導(dǎo)波路的光的入射方法，其特征在于，對(duì)于使折射率不同的2種以上的物質(zhì)以1維、2維或3維周期性地排列而獲得的光子晶體，在所述光子晶體內(nèi)部具有可對(duì)光進(jìn)行導(dǎo)波的構(gòu)造(導(dǎo)波路)，為使光從外部高效率地入射到該導(dǎo)波路中，使在光子晶體內(nèi)部形成的光導(dǎo)波路內(nèi)的光的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的強(qiáng)度的比與在光子晶體外部的入射光的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的強(qiáng)度的比一致。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的對(duì)光子晶體光導(dǎo)波路的光的入射方法，其特征在于，使在光子晶體內(nèi)部形成的光導(dǎo)波路的入射端面的光的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的強(qiáng)度的比與在光子晶體外部的入射光的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的強(qiáng)度的比一致。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的對(duì)光子晶體光導(dǎo)波路的光的入射方法，其特征在于，在光子晶體內(nèi)部形成的光導(dǎo)波路的光入射端面的光的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的強(qiáng)度的比作為以真空中的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的強(qiáng)度比進(jìn)行了歸一化的值，為1及以下，從而使在光子晶體外部的入射光的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的強(qiáng)度的比一致。
6.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的對(duì)光子晶體光導(dǎo)波路的光的入射方法，其特征在于，利用光子晶體的色散曲線上的光子帶的第1次帶到第2次帶附近，從而使在光子晶體外部的入射光的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的強(qiáng)度的比一致。
7.根據(jù)權(quán)利要求3至6中任意一項(xiàng)所述的對(duì)光子晶體光導(dǎo)波路的光的入射方法，其特征在于，使在光子晶體內(nèi)部形成的光導(dǎo)波路的光入射端面的光的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的強(qiáng)度的比的分布形狀與在光子晶體外部的入射光的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的強(qiáng)度的比的分布形狀一致。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任意一項(xiàng)所述的對(duì)光子晶體光導(dǎo)波路的光的入射方法，其特征在于，使在光子晶體內(nèi)部形成的光導(dǎo)波路的入射端面的導(dǎo)波模式的光強(qiáng)度分布與在光子晶體外部的入射光的光強(qiáng)度分布一致。
9.一種對(duì)光子晶體光導(dǎo)波路的光的入射構(gòu)造，其特征在于，作為實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1至8中任意一項(xiàng)所述的方法的對(duì)光子晶體光導(dǎo)波路的高效率光入射構(gòu)造，使在光子晶體內(nèi)部導(dǎo)入線狀缺陷而形成的線狀欠缺光導(dǎo)波路和由與所述線缺陷部分同一材料構(gòu)成的溝道導(dǎo)波路接合起來(lái)。
10.一種對(duì)光子晶體光導(dǎo)波路的光的入射構(gòu)造，其特征在于，作為實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1至8中任意一項(xiàng)所述的方法的對(duì)光子晶體光導(dǎo)波路的高效率光入射構(gòu)造，使在光子晶體內(nèi)部導(dǎo)入線狀缺陷而形成的線狀欠缺光導(dǎo)波路和由與所述線缺陷部分同一材料構(gòu)成的溝道導(dǎo)波路接合起來(lái)，而且在所述溝道導(dǎo)波路和光子晶體線缺陷光導(dǎo)波路的接合部分，具有設(shè)有滿足權(quán)利要求1至8中任意一項(xiàng)的接合構(gòu)造的溝道導(dǎo)波路。
11.一種對(duì)光子晶體光導(dǎo)波路的光的入射構(gòu)造，其特征在于，作為實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1至8中任意一項(xiàng)所述的方法的對(duì)光子晶體光導(dǎo)波路的高效率光入射構(gòu)造，使在光子晶體內(nèi)部導(dǎo)入線狀缺陷而形成的線狀欠缺光導(dǎo)波路和由與所述線缺陷部分同一材料構(gòu)成的溝道導(dǎo)波路接合起來(lái)，而且作為在所述溝道導(dǎo)波路和光子晶體線缺陷光導(dǎo)波路的接合部分設(shè)置的權(quán)利要求10所述的接合構(gòu)造，具有設(shè)有由折射率對(duì)于溝道導(dǎo)波路和光子晶體兩者不同的物質(zhì)形成的接合構(gòu)造的溝道導(dǎo)波路。
12.一種對(duì)光子晶體光導(dǎo)波路的光的入射構(gòu)造，其特征在于，作為實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1至8中任意一項(xiàng)所述的方法的對(duì)光子晶體光導(dǎo)波路的高效率光入射構(gòu)造，使在光子晶體內(nèi)部導(dǎo)入線狀缺陷而形成的線狀欠缺光導(dǎo)波路和由與所述線缺陷部分同一材料構(gòu)成的溝道導(dǎo)波路接合起來(lái)，而且作為在所述溝道導(dǎo)波路和光子晶體線缺陷光導(dǎo)波路的接合部分設(shè)置的權(quán)利要求10所述的接合構(gòu)造，具有設(shè)為楔型形狀的接合構(gòu)造的溝道導(dǎo)波路。
13.一種光子晶體裝置，其特征在于，具有由折射率不同的2種以上的部件周期性地排列而構(gòu)成，具有光導(dǎo)波路的光子晶體；以及一端與所述光子晶體的光導(dǎo)波路的入射端接觸而構(gòu)成的第2光導(dǎo)波路，入射到所述第2光導(dǎo)波路中的光，通過(guò)所述第2光導(dǎo)波路而入射到所述光子晶體內(nèi)的光導(dǎo)波路中。
14.一種光子晶體裝置，其特征在于，具有由折射率不同的2種以上的部件周期性地排列而構(gòu)成，具有光導(dǎo)波路的光子晶體；一側(cè)端與所述光子晶體內(nèi)的光導(dǎo)波路的入射端接觸而構(gòu)成的接合部件；以及一側(cè)端與所述接合部件的所述一側(cè)端相對(duì)的另一側(cè)端接觸而構(gòu)成的第2光導(dǎo)波路，從所述第2光導(dǎo)波路的另一側(cè)端入射的光，通過(guò)所述第2光導(dǎo)波路和所述接合部件而入射到所述光子晶體內(nèi)的光導(dǎo)波路中。
15.根據(jù)權(quán)利要求13或14所述的光子晶體裝置，其特征在于，所述第2光導(dǎo)波路由所述第2光導(dǎo)波路的折射率和所述光子晶體內(nèi)的光導(dǎo)波路的折射率的差相對(duì)小的部件構(gòu)成。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的光子晶體裝置，其特征在于，所述接合部件的折射率為所述第2光導(dǎo)波路的折射率和所述光子晶體內(nèi)的光導(dǎo)波路的折射率之間的值。
17.根據(jù)權(quán)利要求13所述的光子晶體裝置，其特征在于，所述光子晶體內(nèi)的光導(dǎo)波路和所述第2光導(dǎo)波路的接合點(diǎn)上的各自的光導(dǎo)波路的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的強(qiáng)度的比一致。
18.根據(jù)權(quán)利要求13或14所述的光子晶體裝置，其特征在于，所述光子晶體內(nèi)的光導(dǎo)波路和所述第2光導(dǎo)波路的接合面上的各自的光導(dǎo)波路的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的強(qiáng)度比的分布一致。
19.根據(jù)權(quán)利要求13或14所述的光子晶體裝置，其特征在于，采用所述光子晶體的規(guī)定的帶中存在的光子晶體內(nèi)的光導(dǎo)波路的規(guī)定帶的導(dǎo)波模式，使光子晶體內(nèi)的光導(dǎo)波路和所述第2光導(dǎo)波路的各自的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的強(qiáng)度比的分布一致而構(gòu)成。
20.根據(jù)權(quán)利要求14所述的光子晶體裝置，其特征在于，所述接合部件構(gòu)成為，與所述光子晶體內(nèi)的光導(dǎo)波路接觸的一側(cè)的寬度比與所述第2光導(dǎo)波路接觸的另一側(cè)的寬度大。
全文摘要
減小使光從空氣中直接入射到在光子晶體內(nèi)形成的光導(dǎo)波路時(shí)的反射的本發(fā)明的方法，是使光子晶體光導(dǎo)波路的導(dǎo)波模式的光和入射光的波數(shù)一致，或者對(duì)于光子晶體光導(dǎo)波路的導(dǎo)波模式的光和入射光，使電場(chǎng)和磁場(chǎng)的強(qiáng)度的比一致，而且除了所述方法之外，還使光子晶體內(nèi)部的光導(dǎo)波路的導(dǎo)波模式的入射端面上的光強(qiáng)度分布與入射光的一致的方法。而且，作為其具體構(gòu)造，是使光子晶體光導(dǎo)波路和溝道光導(dǎo)波路接合的構(gòu)造和再在其接合部分設(shè)置了具有楔型構(gòu)造的溝道光導(dǎo)波路的構(gòu)造。
文檔編號(hào)G02B6/12GK1761898SQ20048000691
公開日2006年4月19日 申請(qǐng)日期2004年3月10日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月14日
發(fā)明者五明明子, 牛田淳 申請(qǐng)人:日本電氣株式會(huì)社