DE602005005601T2

DE602005005601T2 - Optische Steuervorrichtung mit photonischem Kristallwellenleiter

Info

Publication number: DE602005005601T2
Application number: DE602005005601T
Authority: DE
Inventors: Atsushi Sakai; Ikuo Katoh; Toshihiko Baba
Original assignee: Ricoh Co Ltd; Yokohama National University NUC
Current assignee: Ricoh Co Ltd; Yokohama National University NUC
Priority date: 2004-10-29
Filing date: 2005-10-27
Publication date: 2009-04-16
Anticipated expiration: 2025-10-28
Also published as: US7369734B2; US20060110116A1; US7215861B2; JP2006126518A; EP1653261B1; US20070160336A1; DE602005005601D1; EP1653261A1; JP4278597B2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
REFERENZEN

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)

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Entsprechend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine neue und nützliche optische Steuerungsvorrichtung bereitzustellen, bei welcher die vorangegangenen Probleme beseitigt sind.
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.
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.
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.
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.
Die vorliegende Erfindung stellt eine optische Steuerungsvorrichtung bereit, wie in Anspruch 1 spezifiziert.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird eine periodische Struktur des Elementes, das den photonischen Kristall ausbildet, in der Umgebung des Liniendefekt-Wellenleiters modifiziert.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Weiter ist die optische Steuerungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung für eine Hoch-Dichte-Integration geeignet.
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.
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.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Draufsicht-Diagramm, das schematisch den Aufbau einer optischen Steuerungsvorrichtung zeigt;
2 ist ein photonisches Banddiagramm der optischen Steuerungsvorrichtung von 1;
3A und 3B sind Diagramme, die jeweils die Verteilung des elektromagnetischen Feldes für eine gerade Mode und eine ungerade Mode zeigen;
4A und 4B sind Diagramme, die jeweils das Banddiagramm einer geraden Mode und einer Gruppengeschwindigkeit für die optische Steuerungsfigur von 1 zeigen;
5A–5C sind Diagramme, die jeweils die photonischen Bandlücken, das Banddiagramm und die Gruppengeschwindigkeit für die optische Steuerungsvorrichtung von 1 zeigen;
6 ist ein Diagramm, das die Anordnung einer optischen Steuerungsvorrichtung entsprechend eines Beispiels zeigt, das ein verteiltes Brechungsindexprofil in einer Ausbreitungsrichtung des Lichts aufweist;
7 ist ein Diagramm, das die Bandstruktur eines Liniendefekt-Wellenleiters zeigt, der eine Brechungsindexverteilung in einer Ausbreitungsrichtung von Licht aufweist;
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;
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;
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;
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
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.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
1 ist ein Draufsicht-Diagramm, das die Anordnung einer optischen Steuerungsvorrichtung schematisch zeigt.
Bezug nehmend auf 1 umfasst die optische Steuerungsvorrichtung 1 eine zweidimensionale photonische Kristallplatte 3, die mit einem Liniendefekt-Wellenleiter 2 ausgebildet ist.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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]
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.
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.
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.
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.
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.
Bezug nehmend auf 12B und 12C erkennt man, dass das Banddiagramm zwei Wendepunkte umfasst, die eine Null-Dispersion und eine niedrige Gruppengeschwindigkeit bereitstellen.
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.
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.
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.
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.
Die vorliegende Erfindung basiert auf einer japanischen Prioritätsanmeldung Nr. 2004-314918 , angemeldet am 29. Oktober 2004.

Claims

Optische Vorrichtung (1), die Folgendes umfasst: einen photonischen Kristall (3), der eine periodische Wiederholung eines Elements (5) umfasst; und einen Liniendefekt-Wellenleiter (2), der in dem photonischen Kristall (3) in Form eines linienförmigen Defekts ausgebildet ist, wobei die optische Vorrichtung (1) geeignet ist, Licht durch diesen Liniendefekt-Wellenleiter zu führen, das eine höhere Wellenzahl als eine Wellenzahl aufweist, die einem Schnittpunkt (A) eines geraden Modenbandes (B01) und eines ungeraden Modenbandes (B02) entspricht, wobei das gerade Modenband (B01) und das ungerade Modenband (B02) ein Wellenleiterband des Liniendefekt-Wellenleiters (2) sind, das in dem photonischen Kristall (3) ausgebildet ist, wobei das gerade Modenband (B01) des Liniendefekt-Wellenleiters (2) zwei oder mehrere Wendepunkte in einem Wellenzahlbereich beinhaltet, der größer ist als eine Wellenzahl, die einem Schnittpunkt (A) des geraden Modenbandes (B01) und des ungeraden Modenbandes (B02) entspricht, wobei die optische Vorrichtung (1) geeignet ist, ein Licht zu führen, das eine Frequenz in der Umgebung von einem der Wendepunkte aufweist, wobei der photonische Kristall (3) ein Feld von kreisförmigen Brechungsindexmustern (5) umfasst, die in einem vorbestimmten Abstand (a) in einem Medium (4) angeordnet sind, wobei jedes kreisförmige Muster (5) das Bild (5) darstellt und einen Radius (r) aufweist, der so festgelegt ist, dass ein Verhältnis des Radius (r) zu dem vorbestimmten Abstand (a) in einen Bereich von 0,35 oder mehr, aber nicht 0,5 überschreitend, fällt wobei der vorbestimmte Abstand (a) eine Strecke ist, die von einem Mittelpunkt eines ersten kreisförmigen Musters (5) und einem Mittelpunkt eines zweiten kreisförmigen Musters (5) gemessen wird, das an das erste kreisförmige Muster (5) angrenzt, dadurch gekennzeichnet, dass: der Liniendefekt-Wellenleiter (2) einen Brechungsindex (n) aufweist, der anders ist, und der eine Größenordnung der Änderung innerhalb eines Bereiches von ±20% des Brechungsindex des Mediums (4) des photonischen Kristalls (3) aufweist, wo eine periodische Struktur des Elements (5) ausgebildet ist.
Optische Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, bei welcher die periodische Struktur des Elements (5), das den photonischen Kristall (3) ausbildet, in der Umgebung des Liniendefekt-Wellenleiters (2) modifiziert ist.
Optische Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, bei welcher der photonische Kristall (3) auf einem Feld von kreisförmigen Muster (5) ausbildet ist, die alle das Element (5) ausbilden, und wobei ein Radius (r) der kreisförmigen Muster (5) in der Umgebung des Liniendefekt-Wellenleiters (2) verändert wird, verglichen mit dem restlichen Teil des photonischen Kristalls (3).
Optische Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei der Liniendefekt-Wellenleiter (2) eine Breite aufweist, die sich von einer Breite unterscheidet, die ausgebildet wird, indem eine Zeile der Elemente (5) entfernt wird.
Optische Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei der Liniendefekt-Wellenleiter (2) ausgebildet wird, indem eine Zeile von Elementen (5) entfernt wird, die den photonischen Kristall (3) ausbilden.
Optische Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei der photonische Kristall (3) durch Anordnung von kreisförmigen Löchern (5) von niedrigem Brechungsindex ausgebildet ist, die jedes das Element (5) in dem Medium (4) zweidimensional in der Form eines dreieckigen Gitters ausbilden
Optische Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei der photonische Kristall (3) ausgebildet wird, indem ein dünner dielektrischer Film für das Medium (4) verwendet wird.
Optische Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei der dünne dielelektrische Film ein Halbleitermaterial umfasst.
Optische Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei der dünne dielelektrische Film ein elektro-optisches Material umfasst.
Optische Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei der dünne dielelektrische Film ein nicht-lineares optisches Material umfasst.