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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf optische Steuerungsvorrichtungen,
die auf einem photonischen Kristall ausgebildet sind. Genauer gesagt
bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine kompakte und leistungsstarke
optische Steuerungsvorrichtung zur Verwendung auf dem Gebiet der
optischen Kommunikation, wie zum Beispiel optische Hochgeschwindigkeits-
und Großraum-Signalübertragung
oder optische Hochgeschwindigkeits-Signalverarbeitung. Weiter bezieht
sich die vorliegende Erfindung auf eine optische Steuerungsvorrichtung,
die im Stande ist, Apparate und Vorrichtungen, wie zum Beispiel
verdichtete optische Pulsverzögerungs-Vorrichtungen
zu realisieren, die eine große
Verzögerung
in der Gruppengeschwindigkeit bereitstellen, Dispersions-Kompensations-Vorrichtungen,
die einen hohen Dispersions-Kompensations-Effekt aufweisen, nichtlineare optische
Vorrichtungen, die eine hohe Effizienz bereitstellen, Laserbetrieb mit
hoher Effizienz, optische Routing-Vorrichtungen und hochentwickelte
optische Informations-Prozessverarbeitungsapparate, optische Puffer-Vorrichtungen
und Ähnliches.
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Beim
Stand der Technik von optischen Hochgeschwindigkeits- und Großraum-Kommunikation oder optischer
Hochgeschwindigkeits-Signalverarbeitung stellt das Phänomen eine
Dispersion, welche einen Abfall in den optischen Pulsen erzeugt,
die entlang einer optischen Faser übertragen werden, oder Versatz,
welcher eine Änderung
in der Ankunftszeit von optischen Signalen verursacht, die entlang
einer optischen Faser übertragen
werden, ein ernsthaftes Problem dar, das zu bewältigen ist, um eine weitere
Zunahme der Übertragungsgeschwindigkeit
zu erzielen.
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Um
diese Probleme zu lösen,
gibt es einen Bedarf an einer Vorrichtung, die im Stande ist, die
Geschwindigkeit von optischer Energie zu steuern, welche die Dispersionscharakteristik
oder Signalankunftszeit bestimmt, während dies meint, dass es einen
Bedarf für
eine Vorrichtung gibt, die geeignet ist, den Betrag einer Verzögerung in
der Gruppengeschwindigkeit von optischen Pulsen zu steuern.
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Üblicherweise
ist eine derartige Verzögerung
von optischen Pulsen hinsichtlich der Gruppengeschwindigkeit gesteuert
worden, indem eine optische Faser verwendet wird, die eine singuläre Dispersionscharakteristik
aufweist. Entsprechend dieses Ansatzes wird die Länge der
optischen Faser, die zur Übertragung
der optischen Signale verwendet wird, so eingestellt, dass ein optimaler
Verzögerungsbetrag
hinsichtlich der Gruppengeschwindigkeit für die optischen Signale realisiert
wird, die entlang der optischen Faser übertragen werden.
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Jedoch
gibt es aufgrund einer geringen Dispersion, die durch eine derartige
optische Faser verursacht wird, einen Bedarf, eine lange optische
Faser zu verwenden, um die gewünschte
Steuerung einer Verzögerung der
optischen Signale zu erzielen, und dort tritt ein Problem auf, dass
die optische Steuerungsvorrichtung unweigerlich eine große Größe aufweist,
selbst in dem Fall, dass die optische Faser gespult ist, um die
Größe hiervon
zu verringern. Weiter ist es aufgrund des geringen Freiheitsgrades
in den Dispersionscharakteristika der optischen Faser nicht möglich, mit
diesem Ansatz eine Verkleinerung oder Integration zu erzielen, welche zur
Realisierung fortschrittlicher Signalverarbeitung notwendig ist,
oder eine parallel Signalverarbeitung, die eine Anzahl von Übertragungswegen
umfasst.
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Weiter
ermöglicht
im Hinblick auf den Ausgleich der Dispersion diese herkömmliche
Technologie eine präzise
Dispersionssteuerung oder Einstellung des Dispersionsausgleichs,
indem eine Chirp-Faser-Rastertechnologie verwendet wird, in welcher
ein Raster in der optischen Faser so ausgebildet ist, dass die Periode des
Gitters graduell verändert
wird.
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Jedoch
ist es aufgrund der geringen Dispersion, die von der optischen Faser
bereitgestellt wird mit diesem Ansatz notwendig, eine lange optische
Faser in der Größenordnung
von Meter zu verwenden, um den gewünschten Ausgleichseffekt der
Dispersion zu erzielen und somit ist es nicht möglich, eine Verkleinerung oder
Integration für
optische Steuerungsvorrichtungen zu erzielen.
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Weiter
wird mit der Technologie einer derartigen Faser-Rastervorrichtung,
die die Chirp-Struktur aufweist, eine reflektiertes Licht zusätzlich zu
dem einfallenden Licht verwendet und es besteht ein Bedarf, eine Struktur
zum Trennen der ankommenden Signale und der ausgehenden Signale
für einen
effizienten Betrieb bereitzustellen. Dies stellt ebenfalls ein ungünstiges
Problem im Hinblick auf Verkleinerung und Integration der optischen
Steuerungsvorrichtung dar.
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Als
eine Alternative zum Realisieren einer niedrigen optischen Gruppengeschwindigkeit
ist ein Ansatz, das Licht zu begrenzen, indem ein Multischichtfilm
in der Form von optischen Vielfachreflexionen verwendet wird. Jedoch
weist eine derartige Konstruktion der Verwendung von Multischichtfilmen
zum Erzielen einer niedrigen optischen Gruppengeschwindigkeit oder
Dispersionssteuerung ein Problem auf, das mit einem geringen Effekt
einer optischen Begrenzung des Multischichtfilmes verbunden ist,
und zwar darin, dass die Größe der Vorrichtung
unvermeidbar groß wird
und die Vorrichtung unter dem Problem leidet, dass die optischen
Signale durch Brechung verstreut werden. Somit ist es mit diesem
Ansatz schwierig, die Dispersion wie gewünscht zu steuern.
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In
Anbetracht dieser Probleme offenbaren Patentreferenz 1 und Patentreferenz
2 eine Dispersions-Ausgleichsvorrichtung, die einen photonischen
Kristall verwendet, wobei ein photonischer Kristall eine multidimensionale
periodische Struktur ist, die durch unterschiedliche Brechungsindizes
ausgebildet ist.
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Genauer
gesagt weist die Wellenlängen-Dispersions-Ausgleichsvorrichtung
aus Patentreferenz 1 eine Anordnung zum Injizieren eines einfallenden
optischen Pulses auf, der eine Wellenlängendispersion aufweist und
daher einen damit verbundenen Chirp in eine Kantenoberfläche eines
photonischen Kristalls, in welchem Medien von unterschiedlichen
Brechungsindizes in der Form eines zweidimensionalen Gitters angeordnet sind.
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Der
somit injizierte optische Puls wird einem Abfall von Chirp unterworfen
wenn er durch den photonischen Kristall übertragen wird, und zwar als
ein Ergebnis der Dispersionscharakteristik des photonischen Kristalls.
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Weiter
gleicht die Wellenlängen-Dispersions-Vorrichtung
aus Patentreferenz 2 die Wellenlängendispersion
aus, indem die Dispersionscharakteristika von Licht verwendet werden,
das entlang einer optischen Wellenführung geführt wird, welche in dem photonischen
Kristall in der Form eines Defektes ausgebildet ist.
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In
einem photonischen Kristall an sich, oder in einer optischen Wellenführung, Defektwellenführung genannt,
welche in einem photonischen Kristall durch Einführung eines linienförmigen Defektes
hierin ausgebildet ist, tritt eine singuläre Dispersionscharakteristik
auf, welche die Beziehung zwischen Frequenz und Wellenzahl beschreibt.
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Andererseits
tritt mit der Wellenlängen-Dispersions-Vorrichtung
von Patentreferenz 1, in welcher das transmittierte Licht nicht
in einer Wellenführungsstruktur
in dem photonischen Kristall begrenzt wird, ein Problem einer schwachen
Zuverlässigkeit
verbunden mit seiner hohen Winkelabhängigkeit auf. Weiter wird die Vorrichtung
dieser Referenz im Hinblick auf eine Schwierigkeit, eine Verkleinerung
zu erreichen als nicht praktisch erachtet.
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Andererseits
wird theoretisch vorhergesagt, dass die Gruppengeschwindigkeit in
einem Liniendefekt-Wellenleiter in der Brillouin-Zonenkante, ebenfalls
genannt Bandkante, Null werden sollte. Es ist zu beachten, dass
ein Liniendefekt-Wellenleiter ein Wellenleiter ist, der in einem
photonischen Kristall in Form eines kontinuierlichen Liniendefektes
ausgebildet ist. Patentreferenz 1 berichtet eine Beobachtung einer
sehr niedrigen Gruppengeschwindigkeit von 1/90 der Vakuum-Lichtgeschwindigkeit.
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Andererseits
wird ein derartiger Liniendefekt-Wellenleiter im Allgemeinen von
einer sehr hohen Wellenlängendispersion
begleitet und daher tritt, während
es bestimmt möglich
ist, die Gruppengeschwindigkeit zu erniedrigen, wenn ein kurzer
optischer Puls, der ein gestreutes Spektrum aufweist, in eine derartige
Struktur injiziert wird, ein zusätzliches
Problem einer Dispersion darin auf, dass sich der optische Puls
einer exzessiven Verbreiterung unterzieht, und zwar aufgrund der
Verbreiterung der Spektrumsbreite.
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Weiter
wird mit der Struktur von Patentreferenz 2, gekoppelter
Defekt-Wellenleiter genannt, in welcher punktförmige Defekte periodisch angeordnet
sind, eine relativ hohe Dispersion über eine relativ breite Bandbreite
erzielt. Da der Wert der Dispersion größer ist als die Dispersion
in einer optischer Faser, und zwar um die Größenordnung von sechs (106), besteht die Möglichkeit, dass eine Faserdispersions-Ausgleichsvorrichtung,
welche die Größe der Größenordnung
von Kilometer erfordert, einer Verkleinerung der Größe auf Millimeter
unterzogen wird.
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Jedoch
tritt, wenn ein derartiger gekoppelter Defekt-Wellenleiter in einem
Slabausgeformten photonischen Kristall ausgebildet ist, welcher
relativ leicht erzeugt werden kann, ein fundamentales Problem darin
auf, dass das Licht in dem photonischen Kristall in die Richtung
senkrecht zu der Oberfläche
gestreut wird, auf welcher der photonische Kristall ausgebildet
ist, und zwar aufgrund von Beugung, die durch den photonischen Kristall
verursacht wird, und in Anbetracht der Tatsache, dass die Wiederholungsrate
in der Ausbreitungsrichtung des Lichtes erhöht wird. Dadurch wird ein Problem
eines sehr hohen optischen Verlustes verursacht.
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Weiter
offenbart Patentanmeldung
EP1219984
A2 einen photonischen Kristallwellenleiter, der ein gerades
Modenband mit zwei Wendepunkten aufweist. Jedoch ist die Vorrichtung
so ausgelegt, um die Gruppengeschwindigkeit in einem unterschiedlichen
Wellenband zu erhöhen
und weist keine Variation im Brechungsindex an der Stelle des Defekt-Wellenleiters
auf.
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Weiter
offenbart die Veröffentlichung
von YAMADA K ET AL mit dem Titel „Improved line-defect structures
for photonic-crystal waveguides with high group velocity" einen photonischen
Kristallwellenleiter auf, der eine Variation im Brechungsindex an
einer Stelle des Defekt-Wellenleiters aufweist, jedoch ohne Auftreten
einer geeigneten Region mit sehr niedriger Gruppengeschwindigkeit.
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REFERENZEN
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- PATENTREFERENZ 1 Japanische
Patentoffenlegungsveröffentlichung
2000-121987
- PATENTREFERENZ 2 Japanische
Patentoffenlegungsveröffentlichung
2002-333536
- PATENTREFERENZ 3 United States Patentanmeldungsveröffentlichung
2005/0152659A1
- NICHT PATENTREFERENZ 1 Physical Review Letters, Vol. 87, 253902,
(2001)
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Entsprechend
ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine neue und nützliche
optische Steuerungsvorrichtung bereitzustellen, bei welcher die
vorangegangenen Probleme beseitigt sind.
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Eine
andere und speziellere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es,
eine kompakte optische Steuerungsvorrichtung bereitzustellen, die
geeignet ist, um eine sehr niedrige Gruppengeschwindigkeit bereitzustellen,
Null-Dispersion an der Frequenz entsprechend der geringen Gruppengeschwindigkeit,
eine Fähigkeit zum
Steuern der Gruppengeschwindigkeit und der Dispersion und eine Fähigkeit,
leicht hergestellt zu werden.
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In
größerem Detail
ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine optische Steuerungsvorrichtung
bereitzustellen, die eine sehr niedrige Gruppengeschwindigkeit und
ein gerades Band aufweist, gekennzeichnet durch einen Null-Frequenz-Dispersion
für die
Gruppengeschwindigkeit bei der Frequenz, die die vorangegangene
sehr niedrige Gruppengeschwindigkeit bereitstellt. Eine andere Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine optische Steuerungsvorrichtung
bereitzustellen, die geeignet ist, um die Gruppengeschwindigkeit
mittels einer Steuerung des geraden Bandes zu steuern.
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Eine
andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine optische
Steuerungsvorrichtung bereitzustellen, die geeignet ist, um eine
Dispersionssteuerung effektiv auszuführen, während die niedrige Gruppengeschwindigkeit
aufrechterhalten wird.
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Eine
andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine optische
Steuerungsvorrichtung bereitzustellen, die gleichzeitig die niedrige
Gruppengeschwindigkeit und Null-Dispersion erreicht, und geeignet
ist, um eine aktive Steuerung auszuführen und geeignet ist, leicht
hergestellt zu werden.
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Die
vorliegende Erfindung stellt eine optische Steuerungsvorrichtung
bereit, wie in Anspruch 1 spezifiziert.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
wird eine periodische Struktur des Elementes, das den photonischen
Kristall ausbildet, in der Umgebung des Liniendefekt-Wellenleiters
modifiziert.
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Bei
einer anderen bevorzugten Ausführungsform
wird der photonische Kristall auf einem Feld von kreisförmigen Muster
ausgebildet, von denen jedes das Element ausbildet und wobei ein
Radius der kreisförmigen
Muster in der Umgebung des Liniendefekt-Wellenleiters verändert wird, verglichen mit
einem verbleibenden Teil des photonischen Kristalls.
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Bei
einer anderen bevorzugten Ausführungsform
weist der Liniendefekt-Wellenleiter eine Breite auf, die unterschiedlich
ist von der Breite, die durch Entfernen einer Reihe der Elemente
ausgebildet wird.
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Bei
einer anderen bevorzugten Ausführungsform
weist der Liniendefekt-Wellenleiter eine Breite auf, die kleiner
ist als eine Breite, die auf dem photonischen Kristall ausgebildet
ist, in dem eine Reihe von den Elementen um einen Faktor von 0,70
oder mehr, aber nicht 1,00 überschreitend,
entfernt wird.
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Bei
einer anderen bevorzugten Ausführungsform
weist der Liniendefekt-Wellenleiter ein Verteilungsprofil des Brechungsindex
auf, das sich kontinuierlich in einer Ausbreitungsrichtung des Lichtes
in dem Liniendefekt-Wellenleiter ändert. Mit dieser Anordnung
wird eine Dispersionssteuerung effektiv erzielt, während eine geringe
Gruppengeschwindigkeit aufrechterhalten wird.
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Bei
einer anderen bevorzugten Ausführungsform
wird der Liniendefekt-Wellenleiter ausgebildet, indem eine Reihe
von Elementen entfernt wird, die den photonischen Kristall ausbildet.
Mit dieser Anordnung wird eine Herstellung der optischen Steuerungsvorrichtung
leicht gemacht.
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Bei
einer anderen bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist der photonische Kristall durch Anordnung
von kreisförmigen
Löchern
eines niedrigen Brechungsindex ausgebildet, wobei jedes das Element
in dem Medium zweidimensional in der Form eines dreieckigen Gitters
ausbildet.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist der photonische Kristall ausgebildet,
indem ein dielektrischer dünner
Film für
das Medium verwendet wird. Der dielektrische dünne Film umfasst ein Halbleitermaterial,
ein elektrooptisches Material und ein nichtlineares optisches Material,
wobei diese Materialien geeignet sind, Licht hierin zu effektiv
zu begrenzen und daher in dem Liniendefekt-Wellenleiter.
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Entsprechend
der vorliegenden Erfindung wird es möglich, einen Liniendefekt-Wellenleiter mit
geringer Gruppengeschwindigkeit und Null-Dispersion bereitzustellen,
und es ist bisher nicht möglich,
dies mit der Technologie des normalen Liniendefekt-Wellenleiters
zu realisieren, und zwar durch Einführen von zwei oder mehr Wendepunkten
in dem geraden Modenband für
den Wellenzahlbereich, größer als
eine Wellenzahl entsprechend einem Anti-Crossing-Punkt des geraden Modenbandes
und des ungeraden Modenbandes des Liniendefekt-Wellenleiters.
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Solche
Wendepunkte können
ausgebildet werden, indem der Radius der Elemente mit dem niedrigen Brechungsindex
wiederholt gesteuert wird, um den photonischen Kristall in Bezug
auf die Wiederholungsdauer hiervon in dem photonischen Kristall
auszubilden, und zwar in dem Teil des photonischen Kristalls, wo
der Liniendefekt-Wellenleiter ausgebildet ist, oder indem dem Liniendefekt-Wellenleiter
ein verteiltes Brechungsindexprofil bereitgestellt wird, oder durch
Verändern
der Form oder der Größe des Teils
mit niedrigem Brechungsindex, das die Elemente des photonischen
Kristalls in der Umgebung des Liniendefekt-Wellenleiters ausbildet.
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Weiter
wird das Problem von erhöhtem
Verlust das zu dem photonischen Kristall einer Stab-Struktur gehört erfolgreich
vermieden, indem ein einfacher Liniendefekt-Wellenleiter verwendet
wird. Dadurch kann die optische Steuerungsvorrichtung der vorliegenden
Erfindung den Bereich verwenden, der im Wesentlichen frei von optischen
Verlusten ist.
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Weiter
kann durch Anwenden der vorliegenden Erfindung auf einen Liniendefekt-Wellenleiter des
Typs von verteiltem Brechungsindexprofil die Funktion der optischen
Steuerungsvorrichtung durch einen einzelnen Liniendefekt-Wellenleiter
realisiert werden und ein komplexes Designen zum Synthetisieren
einer Vielzahl von Bändern
wird beseitigt.
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Weiter
ist die optische Steuerungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung
für eine
Hoch-Dichte-Integration
geeignet.
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Weiter
wird es durch Verwenden der optischen Steuerungsvorrichtung der
vorliegenden Erfindung möglich,
unterschiedliche Vorrichtungen, wie zum Beispiel eine optische Puls-Verzögerungsvorrichtung
zu realisieren, die bisher eine sehr kompakte Größe aufweist, und es ist nicht
möglich,
gleichzeitig eine hohe Verzögerungsmenge
in der Gruppengeschwindigkeit bereitzustellen, ein Dispersions-Ausgleichselement
eines großen
Effektes, eine nichtlineare Vorrichtung von hoher Effizienz, einen
hocheffizienten Laser, oder Ähnliches.
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Weiter
wird es durch die Steuerung des Brechungsindex möglich, die Gruppengeschwindigkeit
oder Frequenz-Dispersion hiervon aktiv zu steuern und mit der optischen
Steuerungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung werden verschiedene
Apparate mit nützlichen
Funktionen, wie zum Beispiel eine optische Routingvorrichtung oder
fortschrittliche optische Informationsverarbeitungsapparate oder
optische Pufferapparate realisiert.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein Draufsicht-Diagramm, das schematisch den Aufbau einer optischen
Steuerungsvorrichtung zeigt;
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2 ist
ein photonisches Banddiagramm der optischen Steuerungsvorrichtung
von 1;
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3A und 3B sind
Diagramme, die jeweils die Verteilung des elektromagnetischen Feldes
für eine
gerade Mode und eine ungerade Mode zeigen;
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4A und 4B sind
Diagramme, die jeweils das Banddiagramm einer geraden Mode und einer Gruppengeschwindigkeit
für die
optische Steuerungsfigur von 1 zeigen;
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5A–5C sind
Diagramme, die jeweils die photonischen Bandlücken, das Banddiagramm und die
Gruppengeschwindigkeit für
die optische Steuerungsvorrichtung von 1 zeigen;
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6 ist
ein Diagramm, das die Anordnung einer optischen Steuerungsvorrichtung
entsprechend eines Beispiels zeigt, das ein verteiltes Brechungsindexprofil
in einer Ausbreitungsrichtung des Lichts aufweist;
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7 ist
ein Diagramm, das die Bandstruktur eines Liniendefekt-Wellenleiters
zeigt, der eine Brechungsindexverteilung in einer Ausbreitungsrichtung
von Licht aufweist;
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8A–8C sind
Diagramme, die jeweils die Draufsicht auf eine optische Steuerungsvorrichtung entsprechend
eines anderen Beispiels zeigen, die Bandstruktur und Gruppengeschwindigkeit
der Vorrichtung von 8A für den Fall, dass die Breite
des Liniendefekt-Wellenleiters verändert ist;
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9A–9C sind
Diagramme, die jeweils die phontonische Bandlücke zeigen, die Bandstruktur und
die Gruppengeschwindigkeit für
den Fall, dass der Brechungsindex eines Filmes und das Perioden-
zu Radiusverhältnis
der Löcher
in dem photonischen Kristall geändert
werden;
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10A und 10B sind
Diagramme, die jeweils die Bandstruktur und die Gruppengeschwindigkeit für den Fall
des Brechungsindex zeigen, das Periode- zu Radiusverhältnis der
Löcher,
die den photonischen Kristall ausbilden, und die Breite der Liniendefekt-Wellenführung, geändert werden;
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11A–11C sind Diagramme, die jeweils die Anordnung
einer optischen Steuerungsvorrichtung zeigen, ein Banddiagramm hiervon
und eine Gruppengeschwindigkeit hiervon für den Fall des Veränderns der Anordnung
des photonischen Kristalls und des Brechungsindex des Liniendefekt-Wellenleiters
entsprechend der vorliegenden Erfindung; und
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12A–12C sind Diagramme, die jeweils die Anordnung
einer optischen Steuerungsvorrichtung zeigen, des Banddiagrammes
und der Gruppengeschwindigkeit für
den Fall des Veränderns
der Anordnung des photonischen Kristalls in der Umgebung des Liniendefekt-Wellenleiters.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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1 ist
ein Draufsicht-Diagramm, das die Anordnung einer optischen Steuerungsvorrichtung
schematisch zeigt.
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Bezug
nehmend auf 1 umfasst die optische Steuerungsvorrichtung 1 eine
zweidimensionale photonische Kristallplatte 3, die mit
einem Liniendefekt-Wellenleiter 2 ausgebildet ist.
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Es
sollte beachtet werden, dass es, während eine Erklärung nachstehend
für den
Fall erfolgt, dass die optische Steuerungsvorrichtung 1 auf
einer derartiger zweidimensionalen photonischen Kristallplatte 3 angeordnet
ist, ebenfalls möglich
ist, die optische Steuerungsvorrichtung 1 auf einem dreidimensionalen
photonischen Kristall anzuordnen. Weiter wird kein wesentlicher
Unterschied verursacht, wenn die zweidimensionale photonische Kristallplatte 3 von
oben und unten zwischen einem Paar nicht total reflektierenden Strukturen
eingeschoben wird. Somit wird die Beschreibung hierin nachstehend
nur für
den einfachen Fall gemacht, dass die zweidimensionale photonische
Kristallplattenstruktur für
die Basis der optischen Steuerungsvorrichtung verwendet wird.
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Wie
in 1 gezeigt, umfasst die photonische Kristallplatte 3 ein
Medium mit hohem Brechungsindex 4 und eine Anzahl von Luftlöchern 5,
die in dem Medium mit hohem Brechungsindex 4 ausgebildet
sind, wobei die Luftlöcher 5 so
angeordnet sind, um ein dreieckiges Gitter auszubilden. Diese Anordnung
des photonischen Kristalls 3 der Anordnung der Löcher in
einem Medium mit hohem Brechungsindex wird als eine derartige Anordnung
umfangreich verwendet, wenn ein zweidimensionaler photonischer Kristall
ausgebildet wird, und ermöglicht
eine leichte optische Führung
in der vertikalen Richtung. Nachstehend werden die Löcher 5 auch
als „Elemente" bezeichnet.
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Andererseits
ist es ebenfalls möglich,
einen photonischen Kristall eines Säulen-Typs zu verwenden, solange
es möglich
ist, eine optische Begrenzung in der vertikalen Richtung zu erzielen.
Weiter ist es, während die
Löcher 5 eine
isotropische kreisförmige
Form in dem vorliegenden Beispiel aufweisen, ebenfalls möglich, den
optischen Kristall durch ein periodisches Anordnen von Polygonen
auszubilden, falls es notwendig ist. Weiter ist es möglich, dass
die Löcher 5 in
der Form eines dreieckigen Gitters, quadratischen Gitters, Waben-Gitters
oder Ähnlichem
angeordnet werden können.
Weiter ist die Anordnung der Löcher 5 nicht
auf eine periodische beschränkt,
sondern irgendeine Anordnung kann verwendet werden solange die Anordnung
der Löcher 5 eine
optische Eigenschaft eines photonischen Kristalles oder eine optische
Eigenschaft ähnlich
der eines photonischen Kristalles bereitstellt.
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Nachstehend
erfolgt eine Beschreibung für
den Fall, in welchem die Löcher 5 eine
kreisförmige
Form aufweisen und der photonische Kristall durch Anordnen der kreisförmigen Löcher 5 in
der Form eines dreieckigen Gitters ausgebildet ist. Dadurch wird
angenommen, dass der photonische Kristall 3 eine Luftbrückenstruktur
dadurch ausbildet, dass eine Luftschicht unter dem Teil existiert,
das die Funktion des photonischen Kristalles ausführt. Weiter
erfolgt die Beschreibung nachstehend für den Fall, in welchem das
Medium mit dem hohen Brechungsindex 4 einen hohen Brechungsindex
von 3,0 aufweist und für
den Fall, in welchem das Medium mit dem hohen Brechungsindex einen
Brechungsindex von 2,0 aufweist.
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In
dem Fall einer photonischen Kristallplatte, ist eine Struktur ausgebildet,
in welcher ein Medium eines hohen Brechungsindex zwischen einem
Paar von Medien von niedrigem Brechungsindex eingeschoben ist, und
der photonische Kristall in einem Medium von hohem Brechungsindex
ausgebildet ist.
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Wenn
ein Halbleitermaterial, wie zum Beispiel Silizium, für das Medium
von hohem Brechungsindex verwendet wird, weist das Medium einen
Brechungsindex von etwa 3 auf. 2 zeigt
das Ergebnis einer Berechnung der photonischen Bandstruktur für die Modellanordnung
von 1, in welcher der Liniendefekt-Wellenleiter 2 in
dem zweidimensionalen photonischen Kristall 3 durch Beseitigen
von Löchern 5 hiervon
in einer einzelnen Reihe ausgebildet ist. Hier wurde angenommen,
dass die Löcher 5 einen
Brechungsindex von 1,0 aufweisen, während die zweidimensionale
Ebene einen Brechungsindex von 3,0 aufweist. Weiter erfolgte die Berechnung
durch Näherung
der tatsächlichen
dreidimensionalen Struktur durch ein zweidimensionales Modell, indem
eine äquivalente
Brechnungsindexnäherung
verwendet wurde, und die Bandberechnungsanalyse erfolgte durch Anwenden
eines zweidimensionalen Ausbreitungsverfahrens ebener Wellen. Die
Berechnung erfolgte für
die Fälle,
in denen eine Beziehung r/a = 0,30 zwischen einem Radius „r" der Löcher 5 und
der Wiederholungsdauer (Gitterkonstante) „a" der Löcher 5 gilt.
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Das
photonische Banddiagramm von 2 zeigt
die Bandkurven, die in die Ausbreitungsrichtung des Liniendefekt-Wellenleiters 2 projiziert
wurden, wobei zu beachten ist, dass die Bandkurven, die in der photonischen
Bandlücke
existieren die Ausbreitungsmode des Lichts durch den Wellenleiter 2 darstellt.
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In 2 entspricht
die horizontale Achse des Wellenzahlvektors des Lichtes, das durch
den Liniendefekt-Wellenleiter 2 durchgeführt wird
und stellt eine normalisierte Wellenzahl in Form der Einheit (2π/a) dar. Andererseits
stellt die vertikale Achse eine normalisierte Frequenz dar, welche
eine dimensionslose Größe ist, berechnet
aus (ωa/2πc0). Hier stellt ω die Winkelfrequenz dar, während c0 die Vakuum-Lichtgeschwindigkeit darstellt.
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Es
ist zu beachten, dass 2 tatsächlich das photonische Banddiagramm
einer elektrischen transversalen Mode (TE-Mode) darstellt, in welcher
eine magnetische Komponente nur in der Richtung senkrecht zu der
Ebene enthalten ist.
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Bezug
nehmend auf 2 wird der Bereich C, der in 2 grau
dargestellt ist, ein Platten-Moden-Bereich genannt, in welchem kein
optischer Begrenzungseffekt durch den photonischen Kristall bewirkt
wird, und sich das Licht durch das Medium frei hindurchbewegt. In
diesem Bereich C tritt der Effekt eines photonischen Kristalls nicht
auf.
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Andererseits
kann man erkennen, dass eine photonische Bandlücke zwischen zwei Platten-Moden-Bereichen
existiert, wobei zu beachten ist, dass in einer derartigen photonischen
Bandlücke
eine optische Begrenzung auftritt.
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Bei
dem Beispiel in 2 kann man sehen, dass es zwei
Ausbreitungsmoden in der phontonischen Bandlücke entsprechend von Wellenführungsbändern B01
und B02 gibt, wobei die vorliegende Erfindung das Band B01 für den Bereich
verwendet, wo die Wellenzahl größer ist
als ein Punkt A (Kreuzungspunkt), in welchem das Band B01 und das
Band B02 in der phontonischen Bandlücke am dichtesten zusammenkommen.
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Hier
ist die Ausbreitungsmode des Bandes B01 eine gerade Mode, gezeigt
in 3A, in welcher ein Peak D einer elektromagnetischen
Intensität
in der Mitte des Liniendefekt-Wellenleiters 2 existiert,
während
die Ausbreitungsmode für
das Band B02 eine ungerade Mode wird, gezeigt in 3B,
in welcher zu beachten sein wird, dass die elektromagnetische Intensität in der
Mitte des Liniendefekt-Wellenleiters 2 Null wird. Wenn
eine Ausbreitung von Licht in einem photonischen Kristall hervorgerufen
wird, ist es einfacher, die gerade Mode handzuhaben, und somit ist
es vorzuziehen, die Vorrichtung so anzuordnen, um das Band B01 zu
verwenden.
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Mit
Bezug auf das Wellenführungsband
B01 ist es möglich,
die Gruppengeschwindigkeit als den Gradienten der Frequenz zu berechnen,
der als eine Funktion des Wellenzahlvektors k dargestellt wird.
Das photonische Banddiagramm von 2 stellt
die Dispersionsbeziehung zwischen der normalisierten Wellenzahl und
der normalisierten Frequenz dar und somit wird die Gruppengeschwindigkeit
vg aus dem Gradienten des photonischen Banddiagramms entsprechend
Gleichung (1) unten berechnet.
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Somit
wird die Übertragungsgeschwindigkeit
von Licht, das sich durch den Liniendefekt-Wellenleiter 2 in
dem photonischen Kristall 3 ausgebreitet hat, als Ausdruck
der normalisierten Lichtgeschwindigkeit im Vakuum berechnet, indem
die Bandkurve B01 differenziert wird. Da die Bandkurve des Bandes
B01 sich an der Bandkante Null nähert,
wird vorausgesagt, dass die Gruppengeschwindigkeit an der Bandkante
signifikant verringert wird.
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4A zeigt
das Band B01 von 2 für den Teil, der in der Wellenlänge größer ist
als der Punkt A von 2 in einer vergrößerten Skala,
während 4B die
Gruppengeschwindigkeit entsprechend des Bandes B01 von 4A zeigt.
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Wie
in 4A gezeigt, nimmt der Gradient des Bandes B01
mit ansteigender Wellenzahl ab und somit nimmt die Gruppengeschwindigkeit
vg monoton mit der Wellenzahl ab. Insbesondere ist zu beachten,
dass die Gruppengeschwindigkeit vg 1/100 oder weniger als die Lichtgeschwindigkeit
im Vakuum an der Bandkante wird, wo die Wellenzahl den Wert von
etwa 0,50 einnimmt.
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Somit
ist es, indem eine derartige kleine Gruppengeschwindigkeit vd verwendet
wird, möglich,
verschiedene Vorrichtungen und Apparate wie zum Beispiel optische
Verzögerungslinien
zu realisieren oder eine Vorrichtung einer großen optischen Lichtlinearität. Andererseits
tritt an einer solchen Bandkante ebenfalls ein Anstieg der Dispersion
auf und eine Steuerung der Gruppengeschwindigkeit wird schwierig.
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Somit
erfolgt nachstehend eine Erklärung
für die
Struktur, die eine photonische Bandstruktur aufweist, die Null-Dispersion
bereitstellt und eine sehr geringe Gruppengeschwindigkeit vg in
einem Nicht-Bandkanten-Bereich.
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5A zeigen
die photonische Bandstruktur für
die Modellstruktur von 1, in welcher die Löcher 5 mit
dem Brechungsindex 1,0 und dem Radius r in dem Medium 4 des
Brechungsindex 3,0 ausgebildet sind, um ein dreieckiges Gitter auszubilden,
das eine Wiederholungsperiode (Gitterkonstante) a aufweist und der Liniendefekt-Wellenleiter 2 durch
Entfernen einer Reihe der Löcher 5 ausgebildet
wird, die auf einer geraden Linie ausgerichtet sind, wobei zu beachten
ist, dass das Verhältnis
r/a in der vorliegenden Ausführungsform auf
0,394 eingestellt wird. Eine Berechnung der phontonischen Bandlücke wurde
entsprechend des ebenen Wellen-Ausbreitungsverfahrens gemacht, ähnlich zu
dem Fall von 2.
-
Bezug
nehmend auf 5A kann man sehen, dass in der
phontonischen Bandlücke
mehrere Bänder auftreten,
wobei das vorliegende Beispiel ein Band B11 verwendet, das sich
an der untersten Frequenzseite in der phontonischen Bandlücke befindet.
-
5B zeigt
das Band B11 mit vergrößerter Skala
für die
normalisierte Frequenz ω.
-
Bezug
nehmend auf 5B existieren dort zwei Punkte,
wo die Neigung der Bandkurve fast konstant wird.
-
5B zeigt
die Gruppengeschwindigkeit, die aus dem Band B11 von 5B berechnet
wurde.
-
Bezug
nehmend auf 5C existieren dort zwei Null-Dispersionspunkte,
wo die Steigung der Gruppengeschwindigkeit vg Null wird, und zwar
in Übereinstimmung
mit den zwei Wendepunkten in dem Band B11, einem bei der Wellenzahl
von 0,330 und dem anderen bei der Wellenzahl k von 0,375.
-
Hier
ist zu beachten, dass ein derartiger Wendepunkt nicht in einem Fall
existiert, wenn das Verhältnis r/a
0,300 oder weniger beträgt.
Das bedeutet, dass ein derartiger Wendepunkt in einem bestimmten
Bereich des r/a-Verhältnisses
von größer als
0,300 erscheint (r/a > 0,300),
unter Einfluss eines Bandbrechungsindex und eines Wellenleiter-Röhrenbandes. Hier ist zu beachten,
dass ein „Bandbrechungsindex" ein photonisches Band
ist, das als ein Ergebnis des brechenden photonischen Kristalls 3 erscheint,
der einen niedrigeren Brechungsindex verglichen mit dem Brechungsindex
des Liniendefekt-Wellenleiters 2 aufweist,
während
das Wellenleiter-Röhrenband
ein Band ist, das als ein Ergebnis einer Bragg-Reflexion des photonischen
Kristalls auftritt. Es ist zu beachten, dass das vorangegangene
Band als ein Ergebnis einer Wechselwirkung zwischen diesen beiden
Bändern
erzeugt wird.
-
Da
sich jedes Band innerhalb der Bandlücke mit der Periode a der Löcher 5 und
dem Verhältnis
r/a verändert,
ist es möglich,
das Band B11 derart auszubilden, dass das Band B11 zwei Wendepunkte
umfasst, wie oben dargelegt.
-
Somit
ist es möglich,
indem der Liniendefekt-Wellenleiter 2 dazu gebracht wird,
ein Licht zu führen,
das eine Frequenz in der Umgebung des Wendepunktes des Bandes B11
aufweist, eine sehr kleine Gruppengeschwindigkeit zu realisieren
und gleichzeitig eine Null-Frequenz-Dispersion
für diese
Gruppengeschwindigkeit zu erzielen.
-
Nun
gibt es zwei Wellenzahlwerte, die diesen beiden Wendepunkten entsprechen,
wobei beide durch kleine Gruppengeschwindigkeit und eine Null-Dispersion
gekennzeichnet sind, während
es Unterschiede zwischen diesen zwei Wendepunkten gibt.
-
Bei
der Wellenzahl k von 0,330 (k = 0,330) ist die Gruppengeschwindigkeit
sehr klein und ein Wert von 1/1000 oder weniger der Lichtgeschwindigkeit
im Vakuum wird realisiert. Dies bedeutet, dass fast eine Null-Dispersion
realisiert wird, während
es ein Problem mit diesem Punkt gibt, dass die Bandbreite einer Null-Dispersion
sehr klein ist.
-
Jedoch
wird es durch Anwenden dieser Bandkurve B11 auf den photonischen
Kristall des Typs vom verteilten Brechungsindex, der in der amerikanischen
Patentanmeldungsveröffentlichung
2005/0152659A1 vorgeschlagen wird, möglich, den vorgeschlagenen
Effekt zu erhalten, indem hauptsächlich
das Band durch eine leichte Veränderung
des Brechungsindex nach oben und unten bewegt wird.
-
Das
Prinzip von diesem wird mit Bezug auf die 6 und 7 erklärt.
-
Der
Fall wird betrachtet, in welchem der Liniendefekt-Wellenleiter 2 ein
verteiltes Brechungsindexprofil aufweist, das den Brechungsindex
graduell in der Ausbreitungsrichtung von Licht in dem Liniendefekt-Wellenleiter 2 verringert,
wie in 6 gezeigt, und einen optischen Puls, der einen
bestimmten Frequenzbereich aufweist, wird dazu gebracht, sich durch
den Liniendefekt-Wellenleiter 2 auszubreiten.
-
In
solch einem Fall bewegt sich das Wellenleiter-Band über die
Bandbreite des optischen Pulses nach oben und nach unten, und zwar
mit einer graduellen Veränderung
des Brechungsindex des Liniendefekt-Wellenleiters 2, wobei
sich das Wellenleiter-Band über
den Null-Gruppengeschwindigkeitsbereich für jede Frequenz bewegt und
die optische Dispersion kompensiert wird, da der optische Puls sich
durch den Liniendefekt-Wellenleiter 2 bewegt. Damit kann
die Ausbreitungsgeschwindigkeit des optischen Pulses deutlich verringert
werden, ohne den optischen Puls zu verbreitern.
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Herkömmlicherweise
ist durch numerische Berechnung bekannt, dass die vorangegangene
Funktion durch Synthetisierung zweier Wellenbänder mit unterschiedlichen
Dispersionscharakteristika realisiert werden kann. Jedoch gibt es
keinen Vorschlag, diese Funktion durch Verwendung eines einzelnen
Wellenbandes derselben Anordnung zu realisieren.
-
Durch
Verwendung der Bandkurve B11 wird es möglich, die vorangegangene Funktion
zu realisieren, indem ein einzelner Liniendefekt-Wellenleiter verwendet
wird und eine komplexe Berechnung zur Synthetisierung vieler Wellenleiter-Bänder kann
beseitigt werden. Weiter ist es unter Verwendung von einem einzelnen Liniendefekt-Wellenleiter 2 möglich, die
Integrationsdichte der optischen Steuerungsvorrichtung zu erhöhen.
-
Nun
ist bei der Wellenzahl k von 0,375 (k = 0,375) die Gruppengeschwindigkeit
nicht so klein, verglichen mit dem vorangegangenen Fall der Wellenzahl
k von 0,330. Trotzdem wird eine Gruppengeschwindigkeit von 1/25
der Lichtgeschwindigkeit c0 (0,04 C0) im Vakuum erreicht und es wird ein weiterer
Vorteil bei dieser Wellenzahl erzielt, der darin liegt, dass ein
relativ breiter Bereich für
eine Null-Dispersion gesichert ist, verglichen mit dem Fall der
Wellenzahl k von 0,330. Bei dieser Wellenzahl von 0,375 ist es möglich, einen
großen Dispersionseffekt
und einen optischen Pulsverzögerungseffekt
zu erzielen, ohne einen gekoppelten Defekt-Wellenleiter zu verwenden.
-
Weiter
tritt mit der Anordnung der vorliegenden Ausführungsform kein Problem von
optischem Übertragungsverlust
auf, welcher das größte Problem
bei dem herkömmlichen
gekoppelten Defekt-Wellenleiter darstellte. Somit ist es ähnlich zu
einem Liniendefekt-Wellenleiter
mit der vorliegenden Ausführungsform
möglich, eine
Ausbreitung von Licht in dem Zustand, eingebunden in einen Wellenleiter,
zu erreichen, und es ist möglich,
den Effekt von Defekt-gekoppeltem Wellenleiter mit einfacher Anordnung
voll auszunutzen.
-
Weiter
ist es durch Verwenden des Bereichs einer geringen Gruppengeschwindigkeit
mit der vorliegenden Ausführungsform
möglich,
eine kompakte optische Verzögerungslinie
zu konstruieren, eine Dispersion-Kompensation-Vorrichtung oder Ähnliches.
Weiter ist es möglich,
den nichtlinearen Effekt lokal in einem sehr begrenzten Teil zu
induzieren.
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Als
Nächstes
wird ein Beispiel erklärt,
das die Gruppengeschwindigkeit erniedrigt, während der hohe Dispersionseffekt
und der optische Puls-Verzögerungseffekt,
der bei der Wellenzahl k von 0,375 aufrechterhalten wird, und zwar
mit Bezug auf 8A–8C.
-
8A ist
ein Diagramm, das den Liniendefekt-Wellenleiter 2 von 1 für den Fall
zeigt, dass die Breite des Liniendefekt-Wellenleiters 2,
die durch Entfernen der Löcher 5 ausgebildet
wird, die in einer Reihe ausgerichtet sind, auf (√3 – 2s) × a verändert wird,
während 8B das
Banddiagramm für
den Fall zeigt, dass der Parameter s auf 0,001 eingestellt wird
und der photonische Kristall auf beiden lateralen Seiten des Liniendefekt-Wellenleiters 2,
welcher die Breite eines gewöhnlichen
Liniendefekt-Wellenleiters aufweist, der durch Entfernen einer Reihe
von Kreisen 5 ausgebildet wird, in Richtung auf den Mittelpunkt
des Wellenleiters 2, um einen Abstand von 0,01a verschoben
wird.
-
Dadurch
ist es möglich,
das Wellenleiter-Band bei einer höheren normalisierten Frequenz
zu realisieren, wie in 8B gezeigt, verglichen mit dem
Fall, in welchem die Breite des Liniendefekt-Wellenleiters 2 nicht
verändert
wird.
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Wie
in 8C gezeigt, umfasst die Gruppengeschwindigkeit,
die aus dem Banddiagramm von 8B berechnet
wird, zwei Null-Dispersionspunkte, die durch einen Null-Anstieg
der Gruppengeschwindigkeit charakterisiert sind. Insbesondere weist
die Gruppengeschwindigkeit bei der Wellenzahl k von 0,375 (k = 0,375) den
Wert von 1/40 der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum (0,025 C0) auf und zeigt eine Null-Dispersion, während dies bedeutet,
dass die Gruppengeschwindigkeit um die Hälfte verringert werden kann,
indem die Breite des Liniendefekt-Wellenleiters 2 verändert wird,
verglichen mit dem Fall von 5C.
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Bei
der Wellenzahl k von 0,330 wird die Gruppengeschwindigkeit 0,01
C0 mit dem vorliegenden Beispiel und somit
ist die Wellenzahl bei dieser Wellenzahl nicht so klein wie in dem
Fall von 5C. Noch ist die Gruppengeschwindigkeit
klein genug für
die optische Steuerungsvorrichtung, um einen hohen Effekt zu erzielen.
Weiter wird der Bereich der Null-Dispersion
verglichen mit dem Fall, in dem die Breite des Liniendefekt-Wellenleiters 2 nicht
verändert
wird, ausgedehnt, und somit kann eine Steuerung der Vorrichtung
relativ leicht erzielt werden.
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Weiter
wird es durch Steuern des Verhältnis
r/a zwischen dem Radius r und der Wiederholungsperiode der Löcher 5 zusammen
mit der Breite des Liniendefekt-Wellenleiters 2 möglich, die
Gruppengeschwindigkeit wie gewünscht
zu verändern.
Somit wird es mit der vorliegenden Ausführungsform möglich, das
Design des Liniendefekt-Wellenleiters
auf die gewünschte
Gruppengeschwindigkeit oder normalisierte Frequenz maßzuschneidern,
indem die Bandstruktur gesteuert wird.
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Als
Nächstes
erfolgt eine Beschreibung für
den Fall, dass das Medium 4 mit dem hohen Brechungsindex
einen Brechungsindex von 2,0 aufweist und die Löcher 5 in dem Medium 4 mit
dem Verhältnis
r/a von 0,400 (r/a = 0,400) ausgebildet sind.
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9A–9C zeigen
die Berechnung des Banddiagramms des Liniendefekt-Wellenleiters 2 entsprechend
des zweidimensionalen ebenen Wellenexpansionsverfahrens für einen
derartigen Fall, wobei 9A ein photonisches Banddiagramm
zeigt, das in die Führungsrichtung
des Wellenleiters projiziert ist, während 9B ein
vergrößertes Diagramm
ist, das ein gerades Modenband B21 von 9A zeigt.
Weiter zeigt 9B die Gruppengeschwindigkeit
für das
Band B21. Aus 9C sieht man, dass das Band
B21 zwei Wendepunkte umfasst, wo die Gruppengeschwindigkeit des
Lichtes signifikant erniedrigt wird, während diese Wendepunkte gleichzeitig
eine Null-Dispersion aufweisen.
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In
dem Fall, dass die photonische Kristall-Slab ausgebildet worden
ist, indem das Medium 4 mit hohem Brechungsindex verwendet
wird, welches den Brechungsindex von 2,0 aufweist, tritt der Bedarf
auf, das Licht in den Slab zu führen
bzw. zu begrenzen. Mit der vorliegenden Ausführungsform ist es möglich, den
Bereich einer niedrigen Gruppengeschwindigkeit innerhalb einer Führung bzw.
Begrenzung zu führen
bzw. zu begrenzen, die zwischen der Luft durch die obere und untere
Oberfläche
geführt
wird, indem die Bandstruktur manipuliert wird.
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10A und 10B zeigen
das Ergebnis der Berechnung für
den Fall, dass die Breite des Liniendefekt-Wellenleiters 2 verändert wird,
wobei die 10A das Banddiagramm der geraden
Mode zeigt, während 10B die Gruppengeschwindigkeit entsprechend der
Bandstruktur von 10A zeigt. Es ist zu beachten,
dass 10A und 10B das
Ergebnis zeigen, in welchem die Breite des Liniendefekt-Wellenleiters 2 um
den Betrag von 0,10 s (s = 0,10) in Richtung auf den Mittelpunkt
des Wellenleiters verringert wurde.
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Bezug
nehmend auf 10A und 10B stellen
die grauen Bereiche den Strahlungsmodenbereich dar, wobei zu beachten
ist, dass es zwei Bereiche von geringerer Gruppengeschwindigkeit
in Übereinstimmung
mit den zwei Wendepunkten E und F der Bandstruktur gibt. Dadurch
ist zu beachten, dass der Punkt E in dem Ausstrahlungsmodenbereich
liegt, während
der Punkt F in dem Begrenzungsbereich liegt, und somit ist es möglich, zu
bewirken, dass sich das Licht durch den Liniendefekt-Wellenleiter 2 mit
geringen optischen Verlusten ausbreitet, ohne die Notwendigkeit,
eine bestimmte optische Begrenzungsanordnung bereitzustellen.
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Da
die Gruppengeschwindigkeit an dem Punkt F 0,01 C0 beträgt, was
etwa 1/100 der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum beträgt, kann
die optische Steuerungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung ein
sehr kompaktes Gruppengeschwindigkeits-Verzögerungselement oder ein nichtlineares
Element bereitstellen. Weiter verändert mit der Anordnung der
vorliegenden Erfindung sich das Vorzeichen einer Dispersion der
Gruppengeschwindigkeit hiervon in der Umgebung des Punktes von Null-Dispersion
und es ist möglich,
die Dispersion über
einen großen
Umfang zu verändern.
Dadurch ist die vorliegende Ausführungsform
für Dispersions-Ausgleich-Elemente
nützlich.
-
Wenn
die Breite des Liniendefekt-Wellenleiters 2 bei der vorliegenden
Ausführungsform
verändert werden
soll, ist es vorzuziehen, den Veränderungsumfang s kleiner als
0,30 (s < 0,30)
einzustellen, noch bevorzugter geringer als 0,25 (s < 0,25). Wenn der
Veränderungsumfang
s 0,30 oder mehr beträgt,
geht das Wellenführungsband
unter Betrachtung außerhalb
der Bandlücke
und es wird schwierig, den Effekt der vorliegenden Erfindung zu
erwarten.
-
[ERSTE AUSFÜHRUNGSFORM]
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Während das
vorgegangene Beispiel für
den Fall des Veränderns
der Gruppengeschwindigkeit und Erreichens der Null-Frequenz-Dispersion
durch Steuerung des Verhältnisses
r/a der Löcher 5 des
photonischen Kristalls 3 oder der Breite des Liniendefekt-Wellenleiters 2 beschrieben
ist, kann derselbe Effekt ebenfalls durch Verändern des Brechungsindex des
Defekt-Teils erzielt werden, wo der Liniendefekt-Wellenleiter 2 ausgebildet
ist, verglichen mit dem Brechungsindex des photonischen Kristalls,
der sich auf beiden lateralen Seiten des optischen Liniendefekt-Wellenleiters 2 befindet.
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11A zeigt ein derartiges Beispiel, in welchem
das Medium 4, das den photonischen Kristall 3 ausbildet,
den Brechungsindex von 2,0 aufweist und die Löcher 5 mit dem Brechungsindex
1,0 hierin ähnlich
wie vorher ausgebildet sind, außer
dass die vorliegende Ausführungsform
den Liniendefekt-Wellenleiter 2 so ausbildet, um den Brechungsindex
von 2,1 aufzuweisen.
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Dadurch
ist zu beachten, dass der vorangegangene Bereich des Brechungsindex
von 2,1 mit einer Breite ausgebildet worden ist, geringer als die
Breite des Liniendefekt-Wellenleiters 2,
und zwar um den Betrag des Durchmessers a der Löcher 5.
-
11B zeigt das gerade Modenband für eine derartige
Vorrichtungsanordnung, während 11C die entsprechende Gruppengeschwindigkeit zeigt.
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Wie
man in 11B sehen kann, weist die Bandkurve
zwei Wendepunkte auf und es erscheinen entsprechend zwei Punkte
einer geringen Gruppengeschwindigkeit und Null-Dispersion in der Gruppengeschwindigkeitskurve.
Es ist zu beachten, dass die zwei vorangegangenen Wendepunkte die
Gruppengeschwindigkeiten jeweils von 0,04 c0 und
0,08 c0 bereitstellen. Weiter ist es vorzuziehen,
dass die Größenordnung
der Veränderung
des Brechungsindex in dem Liniendefekt-Wellenleiter 2 in
Bezug auf den Bereich des photonischen Kristalles 3 innerhalb
von ±20%
ist, noch bevorzugter innerhalb von ±5%–±10%. Wenn der Brechungsindex des
Wellenleiters 2 um 20% oder mehr verändert wird, geht das Wellenleiterband
außerhalb
der Bandlücke und
es ist schwierig, den vorangegangenen Effekt zu erzielen.
-
Weiter
kann ein ähnlicher
Effekt der Verzerrung des photonischen Bandes durch Modifizieren
der Form der „Elemente" 5 erzielt
werden, die den photonischen Kristall in der Umgebung des Liniendefekt-Wellenleiters 2 ausbilden.
Somit sind die Elemente 5, die den photonischen Kristall 3 ausbilden,
nicht auf kreisförmige
Löcher
beschränkt,
sondern es ist ebenfalls möglich,
rechteckige, ellipsenförmige,
dreieckige, polygonale, Kreise oder Kombinationen von diesen zu
verwenden.
-
Weiter
ist es ebenfalls möglich,
den ähnlichen
Effekt durch Verändern
der Größe der Löcher 5 in
der Umgebung des Liniendefekt-Wellenleiters 2 zu erzielen.
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Somit
zeigt 12A ein Beispiel, in welchem
der Durchmesser der Löcher 5 in
der Umgebung des Liniendefekt-Wellenleiters 2 verringert
ist, um geringe Löcher 51 auszubilden,
während 12B das Banddiagramm der Struktur von 12A zeigt. Weiter zeigt 12C die
Gruppengeschwindigkeit entsprechend des Banddiagrammes von 12B.
-
Genauer
gesagt zeigt 12B das Banddiagramm des geraden
Modenwellenbandes für
den Fall, dass die Löcher 51 angrenzend
an den optischen Führungsbereich
des Liniendefekt-Wellenleiters 2 in Ausrichtung in einer
einzelnen Reihe einen Radius aufweisen, der 0,80 mal so groß wie der
Radius der Löcher 5 ausgebildet
ist, die den photonischen Kristall in dem Bereich außerhalb
der Löcher 51 ausbilden,
während 12C die Gruppengeschwindigkeitskurve einer derartigen
Struktur zeigt.
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Bezug
nehmend auf 12B und 12C erkennt
man, dass das Banddiagramm zwei Wendepunkte umfasst, die eine Null-Dispersion
und eine niedrige Gruppengeschwindigkeit bereitstellen.
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Vorzugsweise
weisen die Löcher 51 einen
Radius kleiner als der Radius der Löcher 5 auf, und zwar um
den Faktor von 0,60 oder mehr, noch bevorzugter in dem Bereich von
0,70 mal bis 0,90 mal. Wenn dieser Faktor geringer ist als 0,60,
geht das Wellenleiterband außerhalb
der Bandlücke,
während,
wenn dieses 0,90-mal übersteigt,
der Effekt des Verwendens der kleinen Löcher nicht auffallend erscheint.
-
Ferner
wird es durch Einstellen der Breite und des Brechungsindex des Liniendefekt-Wellenleiters 2 zusammen
mit einer Einstellung einer Anordnung oder Form der Elemente 5,
die den photonischen Kristall 5 in der Umgebung des Liniendefekt-Wellenleiters 2 ausbilden,
möglich,
den Liniendefekt-Wellenleiter 2 in den photonischen Kristall
mit gesteuerter Gruppengeschwindigkeit und einer Null-Dispersion
zu konstruieren. Dadurch wird es möglich, die optische Steuerungsvorrichtung 1 einer
kompakten Größe mit den
Merkmalen 1 einer Null-Frequenz-Dispersion für die Gruppengeschwindigkeit
bereitzustellen, sodass es möglich
ist, mit einer derartigen optischen Steuerungsvorrichtung 1 die
Gruppengeschwindigkeit und die Dispersion variabel zu steuern.
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Als
Nächstes
wird ein Herstellungsprozess der optischen Steuerungsvorrichtung 1 beschrieben.
-
Zuerst
wird der zweidimensionale photonische Kristall 3 ausgebildet,
wobei ein derartiger zweidimensionaler photonischer Kristall leicht
durch Verarbeitung eines SOI-Substrates
durch eine Feinstrukturierungstechnologie ausgebildet wird, die
bei einer Halbleiter-Verarbeitung verwendet wird. Zum Beispiel wird
ein SOI-Substrat, das eine Siliziumschicht der Dicke von 0,2 μm aufweist
bereits vermarktet und der photonische Kristall 3 kann
ausgebildet werden, indem ein dreieckiges Feld von kreisförmigen Löchern durch
Lithographie und Trockenätzen
ausgebildet wird.
-
Zum
Beispiel wird eine Elektronenstrahl-Schutzschicht auf ein derartiges
SOI-Substrat aufgebracht und kreisförmige Löcher werden auf der Elektronenstrahl-Schutzschicht
durch einen Elektronenstrahl-Belichtungsprozess mit einem Durchmesser
von 400 nm strukturiert. Es ist zu beachten, dass der Durchmesser
der Löcher
durch die Wellenlänge
fest bestimmt wird, in welcher der photonische Kristall verwendet
werden soll.
-
Weiter
wird, während
die Schutzschichtstruktur verwendet wird, die somit als eine Maske
ausgebildet wird, die Siliziumschicht des SOI-Substrats einem Trockenätzprozess
ausgesetzt, während
ein Fluorkohlenstoffgas verwendet wird und die kreisförmigen Lochstrukturen
auf der Siliziumschicht ausgebildet werden.
-
Danach
wird die Elektronenstrahl-Schutzschicht entfernt und die Siliziumoxidschicht,
die unter der strukturierten Siliziumschicht liegt, wird durch einen Ätzprozess
entfernt, wobei Hochspannung verwendet wird. Damit wird der photonische
Kristall in der Form einer Luftbrückenstruktur erhalten, in welcher
die strukturierte Siliziumschicht Luft ausgesetzt wird. Mit einer
derartigen Struktur wird eine sehr effektive optische Begrenzung
in der Siliziumschicht als ein Ergebnis einer Differenz des Brechungsindex
zwischen Silizium und der Luft erreicht.
-
Weiter
kann ein derartiger photonischer Kristall einer Luftbrückenstruktur
ebenfalls ausgebildet werden, indem ein Halbleiter-Heterosubstrat
verwendet wird, das eine Oxidations-Selektivität aufweist, wie zum Beispiel
ein GaInAsP/InP-Substrat oder eine Kombination von AlGaAs/GaAs-Substrat
und einer Oxid-Beschichtung.
-
Weiter
kann eine derartige Luftbrückenstruktur
durch folgende Schritte ausgebildet werden: Es wird ein dünner Film
auf einem elektrooptischen Material oder nichtlinearen optischen
Material auf einer Verlustschicht mittels Verschmelzung ausgebildet, Kristallwachstum,
Niedertemperatur-Verbindung oder Ähnliches; und Entfernen der
Verlustschicht durch einen selektiven Ätzprozess.
-
Zum
Beispiel wird eine Trennschicht in einem LiNbO3-Substrat
durch einen Ionen-Implantationsprozess
ausgebildet, und das LiNbO3-Substrat wird
mit einem SOI-Substrat verbunden. Weiter wird das LiNbO3-Substrat
an der Trennschicht aufgeteilt, um eine Struktur auszubilden, in
welcher ein dünner LiNbO3-Film auf das SOI-Substrat aufgetragen wird.
-
Weiter
wird eine Elektronenstrahl-Schutzschicht auf den dünnen LiNbO3-Film somit ausgebildet, gefolgt durch einen
Strukturierungsprozess, der durch einen Elektronenstrahl-Lithographie durchgeführt wird,
um eine Schutz-Maskenstruktur auszubilden. Weiter wird der LiNbO3-Film einem Strukturierungsprozess ausgesetzt,
indem ein Trockenätzprozess
angewendet wird, während
die Schutz-Maskenstruktur als eine Maske verwendet wird und mit
dieser die Schutzschichtstruktur auf das LiNbO3 übertragen
wird.
-
Weiter
wird die darunter liegende Siliziumschicht durch einen selektiven Ätzprozess
entfernt und es wird eine Luftbrücken-Struktur
eines dünnen
LiNbO3-Films erhalten. In dem Fall, dass
eine befriedigende Selektivität
des Trockenätzens
nicht mit einer Schutzschicht-Maskenstruktur
sichergestellt wird, ist es möglich, eine
Metall-Maskenstruktur zu verwenden.
-
In
diesem Fall wird ein Metallfilm auf ein Substrat durch einen Aufdampf-Abscheidungsprozess
oder Ähnliches
ausgebildet und der Metallfilm wird einem Lithographieprozess ausgesetzt,
um die Metall-Maskenstruktur auszubilden.
-
Weiter
ist es mit dieser Technologie nicht immer notwendig, ein LiNbO3-Substrat zu verwenden, das einem Ionen-Implantationsprozess
ausgesetzt ist, um den dünnen
Film von LiNbO3 auszubilden, aber eine derartige
dünne Film-Nocke
kann durch Polieren des LiNbO3-Substrats auf eine
Submikrometer-Dicke ausgebildet werden, und zwar in dem Zustand,
dass das LiNbO3-Substrat auf einem Verlustschicht-Substrat
gehalten wird.
-
Weiter
ist es möglich,
ein LiNbO3-Substrat auf einem Medium mit
niedrigem Brechungsindex auszubilden, anstelle einer Verlustschicht.
In diesem Fall weist der photonische Kristall keine Luftbrückenstruktur
auf.
-
Weiter
ist es möglich,
einen photonischen Kristall durch einen Transkriptionsprozess auszubilden,
der ausgeführt
wird, indem eine Schmelze verwendet wird.
-
Zum
Beispiel wird eine Schmelze, die eine Inversionsstruktur des photonischen
Kristalls aufweist, die ein Feld von Kontaktsäulen umfasst, ausbildet und
ein Material im flüssigen
Zustand wird über
eine solche Schmelze gegossen. Weiter wird ein Basissubstrat hiermit
verbunden. Danach wird das Material durch Sintern oder Ähnliches
verfestigt und der gewünschte
photonische Kristall wird durch Entfernen der Schmelze erhalten.
-
Mit
dieser Technologie ist es möglich,
die photonische Kristalle leicht in Masse zu produzieren. Dadurch
ist es vorteilhaft, die Schmelze durch ein Material auszubilden,
das durch Elektrodenstrahlbelichtung oder Trockenätzen ausgebildet
werden kann und Schrumpfen auf das Sintern bewirkt. Dadurch wird
ein Entfernen des photonischen Kristalls von der Schmelze im Wesentlichen
unterstützt.
Dadurch kann die Größe des photonischen
Kristalls wie gewünscht
durch Zuordnen der Schmelze gesteuert werden, indem der Effekt des Schrumpfens
hiervon in Betracht gezogen wird.
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Mit
dieser Technologie des Verwenden einer Schmelze kann eine Herstellung
von photonischen Kristallen wiederholt erzielt werden, und zwar
ohne einen Vakuumapparat und die Kosten des photonischen Kristalls
können
signifikant verringert werden.
-
Während die
Substrate, die durch die erklärten
vorangegangenen Prozesse erzeugt werden, Luft ausgesetzt werden,
ist es ebenfalls möglich,
die obere Oberfläche
des photonischen Kristalls durch ein Medium mit niedrigem Brechungsindex
abzudecken. Eine derartige Abdeckung der photonischen Kristalloberfläche wird
leicht durch Abscheiden einer Oxidschicht erzielt, um eine Beschichtung
auszubilden oder durch Anwenden einer Polymerschicht mittels eines
Spin-Beschichtungsprozesses.
-
Insbesondere
wird es mit dem Verwenden eines Materials, wie zum Beispiel einem
Halbleitermaterial, das einen hohen Brechungsindex in dem Wellenlängenband
der optischen Verbindung aufweist, möglich, eine große Bandlücke für den photonischen
Kristall sicherzustellen. Weiter wird es möglich, den photonischen Kristall
mit einer hohen Genauigkeit zu erzeugen, indem eine Hochpräzisions-Halbleiterverarbeitungs-Technologie verwendet
wird. Dadurch wird es möglich,
den Liniendefekt-Wellenleiter 2 auszubilden, der eine solche
Bandlücke
aufweist, dass darin ein gerades Modenband enthalten ist, das relativ
leicht zwei Wendepunkte aufweist.
-
Weiter
werden bei Verwenden eines elektrooptischen Materials oder nichtlinearen
optischen Materials die vorangegangenen Effekte aktiv realisiert.
-
Zum
Beispiel ist es in einem photonischen Kristall eines elektrooptischen
Materials möglich,
eine Veränderung
des Brechungsindex durch Anlegen einer Spannung an dem photonischen
Kristall hervorzurufen. Dadurch wird es mit dem verbundenen Verändern der
Bandstruktur möglich,
die Gruppengeschwindigkeit oder ihre Dispersion zu verändern.
-
Dabei
ist zu beachten, dass dieser Bereich der elektrischen Leistungsanwendung
sehr gering sein kann und es möglich
wird, die optische Steuerungsvorrichtung so zu konstruieren, dass
sie einen niedrigen Stromverbrauch aufweist.
-
Weiter
wird mit der Verwendung eines nichtlinearen optischen Materials
der nichtlineare Effekt signifikant verbessert, der aus der hohen
Verzögerung
einer Gruppengeschwindigkeit erhalten wird, und es wird möglich, die
optische Steuerungsvorrichtung auszubilden, welche so konstruiert
werden muss, um eine sehr große
Größe aufzuweisen,
um eine kompakte Größe aufzuweisen.
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Weiter
ist in dem Fall des Verwendens der Konstruktion, die den Brechungsindex
durch optische Ausstrahlung verändert,
ausreichend, die optische Ausstrahlung auf einen sehr kleinen Bereich
anzuwenden und damit ist es möglich,
einen Betrieb mit niedrigem Strom zu erzielen.
-
Weiter
ist die vorliegende Erfindung in keiner Weise auf die hier vorangehenden
Ausführungsformen begrenzt,
sondern verschiedene Variationen und Modifikationen können gemacht
werden, ohne vom Geltungsbereich der Erfindung abzuweichen.
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Die
vorliegende Erfindung basiert auf einer
japanischen Prioritätsanmeldung Nr. 2004-314918 ,
angemeldet am 29. Oktober 2004.