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Dokumentenidentifikation DE60127729T2 27.12.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0001512994
Titel Photonenkristall-Wellenleiter
Anmelder Nippon Telegraph and Telephone Corp., Tokio/Tokyo, JP
Erfinder Notomi, Masaya NTT Intellectual Property Cen, Musashino-shi Tokyo 180-8585, JP;
Yamada, Koji NTT Intellectual Property Cente, Musashino-shi Tokyo 180-8585, JP;
Shinya, Akihiko NTT Intellectual Property Ce, Musashino-shi Tokyo 180-8585, JP;
Takahashi, Junichi NTT Intellectual Property Ce, Musashino-shi Tokyo 180-8585, JP;
Takahashi, Chiharu NTT Intellectual Property Ce, Musashino-shi Tokyo 180-8585, JP;
Yokohama, Itaru NTT Intellectual Property Cent, Musashino-shi Tokyo 180-8585, JP
Vertreter HOFFMANN & EITLE, 81925 München
DE-Aktenzeichen 60127729
Vertragsstaaten DE, FR, GB
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 21.12.2001
EP-Aktenzeichen 040288789
EP-Offenlegungsdatum 09.03.2005
EP date of grant 04.04.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 27.12.2007
IPC-Hauptklasse G02B 6/122(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP

Beschreibung[de]
Hintergrund der Erfindung 1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen photonischen Kristall-Wellenleiter, der als eine Grundstruktur verwendet werden kann, die photonische Geräte, wie zum Beispiel Laser und photonische IC's, bildet, die zur optischen Informationsverarbeitung, optischen Übertragung und Ähnlichem verwendet werden können.

2. Beschreibung des Standes der Technik

In einem herkömmlichen photonischen Gerät muss, da Lichteinsperrung unter Verwendung eines Unterschieds von Brechungsindizes durchgeführt wird, ein Raum zur Lichteinsperrung groß sein. Daher kann das Gerät nicht sehr klein konfiguriert sein. Wenn zusätzlich ein steil gebogener Wellenleiter verwendet wird, um das Maßstab der Integration des Gerätes zu erhöhen, entsteht ein Streuverlust. Daher ist es schwierig, photonische Kreise zu integrieren und es ist schwierig, das photonische Gerät zu verkleinern. Als ein Ergebnis ist die Größe des photonischen Gerätes sehr viel größer als die eines elektrischen Gerätes. Daher erwartet man, dass der photonische Kristall, ein neues photonisches Material ist, dass das oben erwähnte Problem lösen kann, in dem der photonische Kristall eine Lichteinsperrung mittels eines Konzeptes durchführen kann, das komplett unterschiedlich zu dem herkömmlichen ist.

Der photonische Kristall weist eine künstliche, multidimensionale, periodische Struktur auf, in der eine Periodizität, die beinahe die gleiche wie die Lichtwellenlänge ist, unter Verwendung von mehr als einer Art von Medium gebildet wird, das unterschiedliche Brechungsindizes aufweist, und der photonische Kristall eine Bandstruktur des Lichtes aufweist, ähnlich zu einer Bandstruktur eines Elektrons. Daher tritt ein verbotenes Lichtband (photonische Bandlücke) in einer bestimmten Struktur auf, so dass der photonische Kristall mit der bestimmten Struktur als ein Nichtleiter für Licht funktioniert.

Es ist theoretische bekannt, dass, wenn ein Zeilendefekt, der die Periodizität des photonischen Kristalls stört, in dem photonischen Kristall eingeschlossen ist, ein optischer Wellenleiter realisiert werden kann, der vollständig Licht einsperrt und eine Wellenleiter-Mode in einem Frequenzbereich der photonischen Bandlücke aufweist (J. D. Joannopoulos, P. R. Villeneuve, und S. Fan, Photonic Crystal: putting a new twist on light, Nature 386, 143 (1997). J. D. Joannopoulos und Andere wendeten einen Zeileneffekt in einem zweidimensionalen photonischen Kristall an, in dem zylindrische Säulen mit einem großen Brechungsindex, der beinahe der gleiche wie derjenige eines Halbleiters ist, auf einem quadratischen Gitter der Gitterkonstanten „a" angeordnet sind, die ungefähr die Lichtwellenlänge ist, und der Radius jeder zylindrischen Säule a/5 beträgt, und J. D. Joannopoulos und Andere zeigten theoretisch, dass ein optischer Wellenleiter mit keinem Streuverlust realisiert werden kann, selbst wenn dieser steil gebogen wird. Dieser Wellenleiter kann sehr wichtig für ein Realisieren eines in großem Maßstab integrierten optischen Kreises sein.

Um den optischen Wellenleiter zum Bilden des in großem Maßstab integrierten optischen Schaltkreises zu realisieren, ist es nötig, eine einzelne wellenleitende Mode in dem photonischen Bandlücken-Frequenzband zu realisieren. Wenn ein Multi-Moden-Wellenleiter mit einer Vielzahl von Moden als ein gebogener Wellenleiter verwendet wird, entsteht ein Problem zum Beispiel darin, dass in einem gebogenen Teil ein Teil der Mode in eine unterschiedliche Mode umgewandelt werden kann.

Daher kann der Multi-Moden-Wellenleiter nicht als ein effektiver, gebogener Wellenleiter verwendet werden, der notwendig für ein Realisieren eines in großem Maßstab integrierten optischen Kreises ist. Das ist der Grund für ein Benötigen der Einzel-Mode. Zusätzlich ist der Multi-Moden-Wellenleiter nicht zur Hochgeschwindigkeitskommunikation geeignet.

Es wurden einige Arten von Wellenleitern hergestellt. Unter den unterschiedlichen Wellenleitern sind Wellenleiter, die einen zweidimensionalen photonischen Kristall verwenden, viel versprechend, da es sehr schwierig ist, Wellenleiter durch einen dreidimensionalen photonischen Kristall herzustellen, der eine volle Bandlücke aufweist. Wenn der zweidimensionale photonische Kristall als Wellenleiter verwendet wird, ist es nötig, Licht in der Richtung senkrecht zu der zweidimensionalen Ebene einzusperren. Es wurden mehrere Verfahren als das Verfahren einer Lichteinsperrung vorgeschlagen. Bei den Verfahren ist ein Verwenden einer zweidimensionalen, photonischen Kristallplatte auf einer Oxid-Hülle vorzuziehen, da durch die zweidimensionale, photonische Kristallplatte leicht eine Struktur mit einem großen Bereich hergestellt werden kann und es leicht ist, unterschiedliche Funktionselemente zu der gleichen Struktur hinzuzufügen. Die zweidimensionale, photonische Kristallplatte auf einer Oxid-Hülle basiert auf einer Struktur, bei der ein dünner Halbleiterfilm eines hohen Brechungsindex (von 3 bis 3,5) auf einem Dielektrikum eines niedrigen Brechungsindex (Oxid oder Polymer in vielen Fällen, der Brechungsindex ist ungefähr 1,5) abgelagert wird.

Zusätzlich wird ein Substrat, das als Silizium-auf-Isolator (SOI) Substrat bezeichnet wird, auf die LSI's angewendet und Hochqualitäts-SOI-Substrat kann in den vergangenen Jahren hergestellt werden. Das SOI-Substrat wird durch Bereitstellen eines Silizium-Dünnfilms (Silizium – Si) auf Silica (SiO2) gebildet. Durch Verwenden des SOI-Substrats gibt es einen Vorteil, dass die zweidimensionale, photonische Kristallplatte auf einer Oxid-Hülle leicht mit einer hohen Qualität hergestellt werden kann. Der Vorteil kann nicht durch Verwenden anderer Strukturen erhalten werden (z.B. eine zweidimensionale, photonische Kristall-Luftbrücken-Platte, bei der eine Hülle beider Seiten Luft ist).

Wie zuvor erwähnt, weist die zweidimensionale, photonische Kristallplatte auf einer Oxid-Hülle den Vorteil auf, leichter als die zweidimensionale, photonische Kristall-Luftbrücken-Platte und Ähnliches hergestellt zu werden. Jedoch weist die Struktur die folgenden Probleme auf, so dass die wellenleitende Einzel-Mode nicht in dem photonischen Bandlücken-Frequenzband gemäß der herkömmlichen Struktur realisiert wurde.

Bei den wellenleitenden Moden, die durch den Zeilendefekt in den optischen Wellenleitern der zweidimensionalen, photonischen Kristallplatte erzeugt werden, wird Licht stark in den Richtungen der zweidimensionalen Ebene durch die photonische Bandlücke eingesperrt und in den Richtungen existiert kein Streuverlust. Jedoch ist Licht im Allgemeinen in einem Hochfrequenzbereich oberhalb einer Lichtlinie der Hülle undicht, d.h. das Licht kann zu der Hülle entweichen. (Die Lichtlinie stellt die niedrigste Frequenz in Bezug auf eine Ausbreitungskonstante dar, bei der sich Licht in der Hülle ausbreiten kann, und die Lichtlinie kann durch eine Linie dargestellt werden, die durch w = ck/n definiert ist (w: Winkelfrequenz, c: Lichtgeschwindigkeit, n: Brechungsindex, k: Wellenzahl)). Daher ist es üblich, einen Niederfrequenzbereich unter der Lichtlinie zu verwenden, so dass das Wellenleiterlicht nicht zu den Hüllschichten beider Seiten entweicht.

1A und 1B sind schematische Diagramme einer Struktur eines photonischen Kristall-Wellenleiters mit einem einzelnen Loch-Fehl-Zeilendefekt eines typischen Luft-Loch-Typs gemäß der herkömmlichen Technologie. 1A zeigt eine Draufsicht und 1B zeigt eine B-B'-Schnittansicht. Der herkömmliche, photonische Kristall-Wellenleiter mit einem einzelnen Loch-Fehl-Zeilendefekt kann ebenso als ein normaler, photonischer Kristallplatten-Wellenleiter in dieser Spezifikation genannt werden. In 1A und 1B zeigt 5 einen optischen Wellenleiterteil an, 2 zeigt eine Si-Schicht an, 3 zeigt eine SiO2-Schicht an, die die Hüllschicht ist und 4 zeigt einen Luftloch-Dreiecksgitterpunkt an, in dem die Gitterkonstante als „a" dargestellt ist. Jedes Luftloch ist eine zylindrische Säule oder eine vieleckige Säule, die die Si-Schicht 2 durchdringt. Der Durchmesser des Luftlochs beträgt 0,215 &mgr;m in diesem Beispiel. In dem Luftloch-Dreiecksgitter wird das Luftloch an jedem Gitterpunkt des Dreieckgitters angeordnet. Das Dreiecksgitter ist ein reguläres Gitter, bei dem Gitterpunkte an Eckpunkten regulärer Dreiecke angeordnet sind, die über die zweidimensionale Ebene angeordnet sind.

Als typische zweidimensionale, photonische Kristalle mit der photonischen Bandlücke gibt es zwei Strukturen. Eine ist eine Struktur, bei der Säulen eines hohen Brechungsindex in Luft bereitgestellt werden. Eine andere ist eine Struktur, bei der Luftlöcher in einer Schicht eines hohen Brechungsindex wie in dem oben erwähnten Beispiel bereitgestellt werden. (Die Luftlöcher können ebenso als Säulen eines niedrigen Brechungsindex oder als zylindrische Säulen eines niedrigen Brechungsindex bezeichnet werden). Die ehemalige Struktur, die von J. D. Joanopoulos und Anderen verwendet wurde, benötigt eine Hüllschicht zum Unterstützen der Säulen. Da der Brechungsindex der Hüllschicht größer als der von Luft ist, die einen Kern für den Zeilendefekt-Wellenleiter bildet, sind sehr lange Säulen notwendig, um ein Lichtentweichen zu den oberen und unteren Seiten zu verhindern, so dass das Herstellen solcher Strukturen sehr schwierig wird. Auf der anderen Seite kann wie für die letztere Struktur, da das Luftloch von selbst stehen kann, die Hüllschicht frei ausgewählt werden, und es ist leicht, einen Kern mit einem Brechungsindex zu bestimmen, der größer als der der Hüllschicht ist. Daher ist eine Begrenzung beim Herstellen klein, so dass es leicht ist, eine strukturelle Bedingung auszuwählen, dass Licht kaum zu den oberen und unteren Seiten entweicht.

Obwohl zusätzlich die Löcher auf der zweidimensionalen Ebene der Hoch-Brechungsindex-Platte des photonischen Kristalls in unterschiedlichen Weise angeordnet werden können, ist bekannt, dass eine Struktur, bei der die Löcher (zylindrische Säulen oder vieleckige Säulen) in einem Dreiecks-Gittermuster angeordnet sind, eine photonische Bandlücke aufweist, die sich über ein breites Frequenzband erstreckt. Das bedeutet, dass diese Struktur als ein Nichtleiter für Licht in einem breiten Frequenzband funktioniert. Diese Struktur ist vorzuziehen, da eine Frequenz aus einem breiten Frequenzbereich ausgewählt werden kann, wenn ein Wellenleiter gestaltet wird.

2 zeigt eine Dispersionsbeziehung von wellenleitenden Moden eines herkömmlichen photonischen Kristall-Wellenleiters mit einem einzelnen Loch-Fehl-Zeilendefekt. Wenn ein derartiger Wellenleiter unter Verwendung der zweidimensionalen, photonischen Kristallplatte auf einer Oxid-Hülle gebildet wird, werden die wellenleitenden Moden wie in 2 gezeigt. In der Figur wird eine normalisierte Frequenz verwendet, die von einer (Gitterkonstanten/Wellenlänge) dargestellt wird, die eine dimensionslose Zahl ist. Zusätzlich wird eine normalisierte Ausbreitungskonstante verwendet, die durch (Wellenzahl × Gitterkonstante/2&pgr;) dargestellt wird. Die Lichtlinie der Hülle (SiO2, Brechungsindex 1,46) ist ebenso in 2 gezeigt.

In der herkömmlichen Struktur, die in 2 gezeigt ist, befindet sich die wellenleitende Mode, die der Bedingung genügt, dass kein Licht zu der Hüllschicht entweicht, lediglich in einem Bereich, der durch eine Ellipse eingekreist ist, die unterhalb der Lichtlinie liegt. Jedoch ist die Inklination der wellenleitenden Mode in diesem Bereich sehr klein, so dass eine Gruppengeschwindigkeit (Energie-Ausbreitungsgeschwindigkeit) der wellenleitenden Mode, die in Abhängigkeit der Inklination bestimmt wird, sehr klein ist. Es gibt viele Probleme zum Verwenden des Wellenleiters mit der wellenleitenden Mode einer sehr kleinen Gruppengeschwindigkeit, da die Zeit zur Lichtübertragung lang wird. Da zusätzlich in einer tatsächlichen Struktur bis zu einem gewissen Ausmaß Heterogenität existiert, wird die Mode der sehr kleinen Gruppengeschwindigkeit von der Heterogenität betroffen, so dass sich Licht nicht ausbreiten kann. Zusätzlich kann sich Licht in der Mode oberhalb der Lichtlinie (Hochfrequenzbereich) nicht ausbreiten, da der Beugungsverlust in dem photonischen Kristall zu groß ist. Das heißt, Licht in dem photonischen Kristall-Wellenleiter breitet sich aus, während es von der periodischen Struktur des photonischen Kristalls gestört wird und Licht entweicht zu der Hüllschicht durch Beugungsverlust in der Mode oberhalb der Lichtlinie.

Die Erfinder stellten den herkömmlichen photonischen Kristall-Wellenleiter mit einem Loch-Fehl-Zeilendefekt tatsächlich her. Jedoch wurde eine Lichtausbreitung überhaupt nicht detektiert. Die Ursache des Problems ist, dass es keine realistischer Weise verwendbare wellenleitende Mode gibt, die unter der Lichtlinie eine Gruppengeschwindigkeit aufweist, die nicht zu klein ist und dass der Beugungsverlust in dem Bereich oberhalb der Lichtlinie sehr groß ist.

Um die Mode unterhalb der Lichtlinie zu verwenden, ist es nötig, die Lichtlinie nach oben zu bewegen oder die wellenleitende Mode geeignet in dem Graph in 2 zu bewegen. So lange jedoch die Oxid-Hüllenstruktur verwendet wird, kann die Position der Lichtlinie nicht groß verändert werden, da die Position der Lichtlinie von dem Brechungsindex der Hülle bestimmt wird. Wie für die wellenleitende Mode ist es schwierig, unter der in 1 gezeigten Struktur eine wellenleitende Mode zu erhalten, die eine große Gruppengeschwindigkeit unterhalb der Lichtlinie aufweist. Für andere Kristallstrukturen als das Dreiecksgitter, z.B. das Vierecksgitter, ist es schwieriger, eine solche wellenleitende Mode zu erhalten. Daher ist es sehr schwierig, wellenleitende Moden unterhalb der Lichtlinie zu verwenden.

Die herkömmliche Technologie wird weiter aus einem anderen Gesichtspunkt im Folgenden beschrieben.

3A bis 3C sind Figuren zum Erklären des herkömmlichen, photonischen Kristall-Wellenleiters mit einem einzelnen Loch-Fehl-Zeilendefekt (optischer Wellenleiter). 3A zeigt eine Draufsicht des optischen Wellenleiters, 3B zeigt eine A-A'-Schnittansicht und 3C zeigt eine B-B'-Schnittansicht.

In 3A umfasst der optische Wellenleiter 30 eine dielektrische Dünnfilmplatte 31 (die der zuvor erwähnten Platte eines hohen Brechungsindex entspricht), die zwischen einer Ober-Hüllschicht 36 und einer Unter-Hüllschicht 37 geschichtet ist. Eine photonische Kristall-Struktur wird in der dielektrischen Dünnfilmplatte 31 durch Bereitstellen zylindrischer Säulen 35 eines niedrigen Brechungsindex in einem Dreiecks-Gittermuster bereitgestellt, die einen niedrigeren Brechungsindex aufweisen als der der dielektrischen Dünnfilmplatte 31. Zusätzlich wird eine Zeile der zylindrischen Säulen 35 eines niedrigen Brechungsindex durch ein Dielektrikum ersetzt, das den gleichen Brechungsindex wie die dielektrische Dünnfilmplatte 31 aufweist, so dass der Teil der einen Zeile als optischer Wellenleiterteil 32 verwendet werden kann. Pfeile ↔ in dem optischen Wellenleiterteil 32 zeigen optische Ausbreitungsrichtungen an. Der in 1 gezeigte Wellenleiter ist ein Beispiel einer in 3 gezeigten Struktur, in der die Ober-Hüllschicht 36 und die zylindrische Säule 35 eines niedrigen Brechungsindex Luft sind, die Unter-Hüllschicht 37 SiO2 ist und die dielektrische Dünnfilmplatte 31 Si ist.

Hier wird angenommen, dass Brechungsindizes der dielektrischen Dünnfilmplatte 31, der zylindrischen Säule 35 eines niedrigen Brechungsindex, der Ober-Hüllschicht 36 und der Unterhüllschicht 37 n1 = 3,5, n2 = 1,0, bzw. n3 = n4 = 1,46 sind, und dass ein Radius der zylindrischen Säule 35 eines niedrigen Brechungsindex 0,275a beträgt und eine Dicke der dielektrischen Dünnfilmplatte 31 0,50a beträgt, wobei „a" die Gitterkonstante (Dreiecksgitter in diesem Beispiel) des photonischen Kristalls darstellt. Die zylindrische Säule 35 eines niedrigen Brechungsindex mit einem Brechungsindex 1,0 ist die gleiche wie ein Luftloch. Eigenschaften des optischen Wellenleiters 30 werden im Folgenden beschrieben.

Die Brechungsindizes des optischen Wellenleiters 30 entsprechen denen von Si, Luft (Vakuum) und SiO2, die oft verwendet werden, um Wellenleiter zu bilden, die auf Infrarotlicht für optische Kommunikation gerichtet sind, das eine Wellenlänge von 1,55 &mgr;m aufweist.

Da eine relative dielektrische Konstante einem Quadrat des Brechungsindex entspricht, kann in dieser Beschreibung „relative dielektrische Konstante" oder „dielektrische Konstante" statt „Brechungsindex" verwendet werden.

4A bis 4C sind Figuren zum Erklären wellenleitender Moden des oben erwähnten optischen Wellenleiters. 7 zeigt Dispersionskurven von wellenleitenden Moden, die sich durch den optischen Wellenleiterteil ausbreiten können. Die Dispersionskurven der wellenleitenden Moden werden unter Verwendung eines Ausbreitungsverfahrens für ebene Wellen erhalten (R. D. Meade et al., Physical Review B 48,8434 (1993)), auf das eine periodische Grenzbedingung angewendet wird.

Diese Figur ist ähnlich zu 2. 4B zeigt eine magnetische Feldkomponente, die senkrecht zu der dielektrischen Dünnfilmplatte gemäß einer Mode 1 in 4A ist und 4C zeigt eine magnetische Feldkomponente, die senkrecht zu der dielektrischen Dünnfilmplatte gemäß einer Mode 2 in 4A ist.

Jeder Betrag in 4A wird durch die Gitterkonstante oder die Lichtgeschwindigkeit c normalisiert. Die diagonal schattierten Bereiche entsprechen der Außenseite der photonischen Bandlücke (J. D. Joannopoulos, R. D. Meade, J. N. Winn, „Photonic Crystals", Princeton University Press, Princeton (1995)), d.h. die diagonal schattierten Bereiche zeigen Bereiche, in denen Licht nicht in dem optischen Wellenleiterteil 32 eingesperrt werden kann (A. Mekis et al., Physical Review B 58,4809 (1998)).

In dem vertikal schraffierten Bereich wird die Leistung einer Lichteinsperrung, die durch Unterschiede der Brechungsindizes zwischen der dielektrischen Dünnfilmplatte 31 und der Ober-Hüllschicht 36/Unter-Hüllschicht 37 erzeugt werden, abgeschwächt, so dass Licht nicht in dem optischen Wellenleiterteil 32 eingesperrt werden kann (S. G. Johnson et al., Physcal Review B 60,5751 (1999)). Der vertikal schraffierte Bereich entspricht dem oben erwähnten Bereich der Lichtlinie. Das heißt, ein zu berücksichtigender Bereich, der für den Wellenleiter verwendet wird, ist lediglich ein weißer Bereich in 4A.

Wie es durch die Figur verständlich wird, existieren zwei wellenleitende Moden 1 und 2 in dem weißen Bereich des herkömmlichen optischen Wellenleiters 30. Weiter können wellenleitende Moden existieren, wenn die Bandlücke breiter ist, jedoch werden hier die zwei Moden 1 und 2 aus Einfachheitsgründen betrachtet. Die Mode 1 entspricht der Mode, die in 2 von der Ellipse eingekreist wird und die Mode 2 entspricht der Mode der oberen gepunkteten Linie.

In diesen zwei Moden 1 und 2 weist die Mode 1 an der Niederfrequenzseite im Allgemeinen eine in 4B gezeigte Magnetfeldverteilung auf und die Mode 2 weist an der Hochfrequenzseite eine in 4C gezeigte Magnetfeldverteilung auf.

In diesen wellenleitenden Moden 1 und 2 ist Mode 1 praktisch, da Mode 1 eine elektrische Feldverteilung aufweist, die beinahe die gleiche wie diejenige eines allgemeinen Einzel-Moden-Wellenleiters ist. Andererseits ist die elektrische Feldverteilung der Mode 2 stark unterschiedlich zu derjenigen, des allgemeinen Einzel-Moden-Wellenleiters. Daher ist es schwierig, nicht von einem Außenseiten-Kreis unter Verwendung der Mode 2 zu leiten. Das heißt die Mode 2 ist keine praktische wellenleitende Mode. Zusätzlich ist es in der gleichen Weise aus dem allgemeinen Argument des Wellenleiters heraus klar, dass wellenleitende Moden einer höheren Frequenzseite, die erscheint, wenn die Bandlücke breit ist, nicht praktisch sind, da die wellenleitende Mode stark unterschiedlich zu derjenigen des allgemeinen Einzel-Moden-Wellenleiters ist.

Daher wird die Mode 1 für den herkömmlichen Wellenleiter verwendet. Jedoch ist es aus 4A bekannt, dass, da sich die Frequenz kaum ändert, selbst wenn die Ausbreitungskonstante sich in dieser Mode 1 ändert, die Mode 1 einen Defekt aufweist, dass das verwendbare Frequenzband sehr klein ist. In diesem Beispiel ist das Frequenzband ungefähr 1%.

Die Tatsache, dass die Frequenz sich kaum ändert, selbst wenn sich die Ausbreitungskonstante ändert, bedeutet, dass die Gruppengeschwindigkeit der wellenleitenden Mode sehr niedrig ist. Daher weist der herkömmliche Wellenleiter einen Mangel auf, dass eine Übertragungszeit sehr lang wird und Ausbreitungsverlust aufgrund von Absorptions- und Streuungsverlusten in dem Wellenleiter groß wird.

Die Internationale Patentanmeldung WO 98/53350 beschreibt einen optischen Wellenleiter in einem photonischen Kristall, wobei ein einzelner Stab aus seiner regulären Gitterposition verschoben wird, um einen Strahlteilerbereich zu bilden.

Zusammenfassung der Erfindung

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die oben erwähnten Probleme in dem photonischen Kristall-Wellenleiter zu lösen und einen zweidimensionalen, photonischen Kristallplatten-Wellenleiter bereitzustellen, der eine Einzel-Moden-Übertragung erlaubt, bei der eine Gruppengeschwindigkeit erhöht ist und der Ausbreitungsverlust vermindert wird.

Die obigen Ziele können durch einen zweidimensionalen, photonischen Kristallplatten-Wellenleiter gemäß Anspruch 1 erreicht werden.

Ebenso kann gemäß der Erfindung ein optischer Wellenreiter bereitgestellt werden, der eine einzelne wellenleitende Mode bildet, die eine große Gruppengeschwindigkeit unter der Lichtlinie aufweist. Die dielektrischen, zylindrischen oder vieleckigen Säulen oder die dielektrischen Säulen sind Säulen eines niedrigen Brechungsindex, die einen niedrigeren Brechungsindex als den der dielektrischen Dünnfilmplatte aufweisen.

In dem zweidimensionalen photonischen Kristallplatten-Wellenleiter kann ein erster Durchmesser der dielektrischen Säulen in dem optischen Wellenleiterteil unterschiedlich zu einem zweiten Durchmesser von anderen dielektrischen Säulen sein, die in anderen Teilen als dem optischen Wellenleiterteil lokalisiert sind und der erste Durchmesser ist ein Wert, bei dem die dielektrischen Säulen sich nicht mit anderen dielektrischen Säulen berühren.

Zusätzlich können in dem zweidimensionalen photonischen Kristallplatten-Wellenleiter Positionen der dielektrischen Säulen, die eine Zeile des Gitters der zweidimensionalen photonischen Kristallplatte für einen optischen Wellenleiterteil bilden, in einer optischen Ausbreitungsrichtung um eine Hälfte der Gitterkonstante der normalen zweidimensionalen photonischen Kristallplatte verschoben sein.

Das heißt, jede dielektrische Säule der dielektrischen Säulen in dem optischen Wellenleiterteil kann von einer Position, bei der jede dielektrische Säule in der normalen zweidimensionalen photonischen Kristallplatte positioniert sein sollte, um eine Hälfte der Gitterkonstante der normalen zweidimensionalen photonischen Kristallplatte getrennt sein.

In dem zweidimensionalen, photonischen Kristallplatten-Wellenleiter können die dielektrischen zylindrischen oder vieleckigen Säulen in einem Dreiecksgittermuster angeordnet sein, das eine Gitterkonstante „a" aufweist, einen Radius oder eine Halbbreite der dielektrischen, zylindrischen oder vieleckigen Säulen, der zwischen 0,2a bis 0,45a liegt und der Radius der Halbbreite derart bestimmt wird, dass die dielektrischen, zylindrischen oder vieleckigen Säulen sich nicht mit dielektrischen Säulen in dem optischen Wellenleiterteil berühren.

In dem zweidimensionalen, photonischen Kristallplatten-Wellenleiter kann ein Brechungsindex der dielektrischen Dünnfilmplatte zwischen 3,0 und 4,5 liegen und jeder der Brechungsindizes von anderen Teilen als die dielektrische Dünnfilmplatte kann zwischen 1,0 und 1,7 liegen.

Zusätzlich können in dem zweidimensionalen, photonischen Kristallplatten-Wellenleiter die dielektrischen, zylindrischen oder vieleckigen Säulen in einem Quadratgittermuster angeordnet sein, das eine Gitterkonstante „a" aufweist, ein Radius oder eine Halbbreite der dielektrischen, zylindrischen oder vieleckigen Säulen zwischen 0,35a bis 0,45a liegt und der Radius der Halbbreite derart bestimmt wird, dass, wobei die dielektrischen, zylindrischen oder vieleckigen Säulen sich nicht mit dielektrischen Säulen in dem optischen Wellenleiterteil berühren.

Weiter können in dem zweidimensionalen, photonischen Kristallplatten-Wellenleiter Silizium, Germanium, eine Gallium-Arsenid-Basisverbindung, eine Indium-Phosphid-Basisverbindung oder eine Indium-Antimon-Basisverbindung als ein Material der dielektrischen Dünnfilmplatte verwendet werden und Silica, eine Polyimid-Basis organische Verbindung, eine Epoxid-Basis organische Verbindung, eine Acryl-Basis organische Verbindung, Luft oder Vakuum als ein Material der anderen Teile als die dielektrische Dünnfilmplatte verwendet werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Andere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden, detaillierten Beschreibung ersichtlich, wenn diese in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen gelesen wird, in denen:

1A und 1B schematische Diagramme einer Struktur eines photonischen Kristall-Wellenleiters mit einem einzelnen Loch-Fehl-Zeilendefekt von einem typischen Luftlochtyp gemäß einer herkömmlichen Technologie sind, wobei 1A eine Draufsicht zeigt und 1B eine B-B'-Schnittansicht zeigt;

2 zeigt eine Dispersionsbeziehung wellenleitender Moden eines herkömmlichen, typischen photonischen Kristall-Wellenleiters mit einem einzelnen Loch-Fehl-Zeilendefekt;

3A bis 3C Figuren zum Erklären des herkömmlichen photonischen Kristall-Wellenleiters mit einem einzelnen Loch-Fehl-Zeilendefekt (optischer Wellenleiter) sind, bei denen 3A eine Draufsicht des optischen Wellenleiters zeigt, 3B eine A-A'-Schnittansicht zeigt und 3C eine B-B'-Schnittansicht zeigt;

4A bis 4C Figuren zum Erklären von wellenleitenden Moden des herkömmlichen photonischen Kristall-Wellenleiters mit einem einzelnen Loch-Fehl-Zeilendefekt sind;

5A bis 5C Figuren zum Erklären über eine Moden-Berechnung des zweidimensionalen photonischen Kristall-Wellenleiters sind;

6A bis 6B Figuren zum Erklären eines zweidimensionalen photonischen Kristallplatten-Wellenleiters eines Beispiels 1 sind, bei dem 6A eine Draufsicht des optischen Wellenleiters zeigt und 6B eine A-A'-Schnittansicht zeigt;

7A bis 7C Figuren zum Erklären von Wellenleiter-Moden in dem photonischen Kristall-Wellenleiter in dem Beispiel 1 sind;

8A bis 8B Figuren zum Erklären eines zweidimensionalen photonischen Kristallplatten-Wellenleiters eines Beispiels 2 sind, bei dem 8A eine Draufsicht des optischen Wellenleiters zeigt und 8B eine A-A'-Schnittansicht zeigt;

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Der optische Wellenleiter in den Ausführungen ist derart strukturiert, dass in einem zweidimensionalen photonischen Kristallplatten-Wellenleiter ein Zeilendefekt durch Verändern des Radius eines Teils der Löcher in einer Gitterstruktur einer zweidimensionalen photonischen Kristallplatte gebildet wird. Durch Bilden des Wellenleiters in einer derartigen weise kann eine Struktur mit einem niedrigen Verlust und einer großen Gruppengeschwindigkeit und ein Ermöglichen einer einzelnen wellenleitenden Mode realisiert werden, während eine Lichteinsperrung durch Verwenden einer photonischen Bandlücke und Unterschiede der Brechungsindizes durchgeführt wird.

Die zweidimensionale photonische Kristallplatte ist ein photonischer Kristall, in dem dielektrische, zylindrische oder vieleckige Säulen mit niedrigerem Brechungsindex als der einer dielektrischen Dünnfilmplatte, in der dielektrischen Dünnfilmplatte in einem zweidimensionalen Gittermuster bereitgestellt werden und die dielektrische Dünnfilmplatte mit einer Ober-Hüllschicht und einer Unter-Hüllschicht geschichtet ist, die einen niedrigeren Brechungsindex als den der dielektrischen Dünnfilmplatte aufweisen. Die Ober- oder Unter-Hüllschicht und/oder die dielektrischen zylindrischen oder vieleckigen Säulen können Luft oder Vakuum sein.

Im Folgenden werden Ausführungen der vorliegenden Erfindung beschrieben.

Im Folgenden wird ein Berechnungsverfahren von Dispersionskurven einer wellenleitenden Mode beschrieben, die zur Erklärung der vorliegenden Erfindung verwendet werden.

Die Dispersionskurve kann durch Analysieren der Maxwell-Gleichungen unter Verwendung eines Berechnungsverfahrens erhalten werden, das als FDTD-Verfahren (Finite-difference Time-domain mehtod) bezeichnet wird. Im Folgenden wird das Analyseverfahren beschrieben.

Zunächst wird eine Analyse auf einer Elektronen-Bandstruktur in gewöhnlichen Kristallen und Ähnliches beschrieben.

Ein periodische-Struktur-ähnlicher Kristall kann durch die Wiederholung einer Einheitszelle dargestellt werden. Es ist wohl bekannt, dass das Gebiet in derartigen Strukturen eine Bloch-Welle wird. Bei der Bandanalyse wird eine periodische Grenzbedingung, die der Bloch-Bedingung genügt, auf die Grenze der Einheitszellen angewendet und Felder, die der Bedingung genügen, werden als Eigen-Moden extrahiert. Zu dieser Zeit ist das zu analysierende Subjekt die Schrödinger-Gleichung. Da eine Verteilung eines räumlichen Potentials unterschiedlich zu dem Material ist, können unterschiedliche Bandstrukturen existieren. Diese Idee wird auf den photonischen Kristall angewendet, der eine periodische dielektrische Struktur ist. Da jedoch das Subjekt Licht statt des Elektrons ist, ist die zu betrachtende Gleichung die Maxwell-Gleichung und eine Brechungsindex-(dielektrische Konstante-)Verteilung wird zur Berechnung statt der Potentialverteilung verwendet.

Als Nächstes wird ein Verfahren des Extrahieren der Eigen-Mode durch Verwenden des FDTD-Verfahrens beschrieben.

Durch das FDTD-Verfahren wird die Maxwell-Gleichung in Zeit und Raum in Finite-Differenz-Gleichungen diskretisiert und ein elektromagnetisches Feld des Lichts, das sich in der Struktur ausbreitet (räumliche Verteilung des Brechungsindex), wird durch sequenzielle Berechnung erhalten. Das heißt, das FDTD-Verfahren ist kein Verfahren zum direkten Erhalten der Eigenwerte. Jedoch kann das Verfahren Moden einer gegebenen Struktur in der folgenden Art und Weise erhalten.

Zunächst wird ein geeignetes anfängliches Feld in der Struktur gegeben. Nach Durchführen der sequenziellen Berechnung bleiben Felder übrig, die für die Struktur anwendbar sind, und andere Felder werden nicht ausgewählt.

Durch Durchführen einer Fourier-Umwandlung auf die Zeitvariation des Feldes kann ein Frequenzspektrum erhalten werden. Wenn es ein Gebiet gibt, das für die Struktur anwendbar ist, erscheint eine Spitze in dem Frequenzspektrum. Da die Bloch-Bedingung, die bei der Berechnung verwendet wird, eine Funktion der Wellenzahl ist, wird die Frequenz, bei der die Spitze erscheint, eine Funktion der Wellenzahl. Die Bandfigur des photonischen Kristalls kann durch Zeigen der Funktion erhalten werden.

Als Nächstes wird eine Moden-Berechnung des zweidimensionalen photonischen Kristall-Wellenleiters beschrieben. Grundsätzlich wird die gleiche Berechnung wie die oben beschriebene durchgeführt. Jedoch wird in dem photonischen Kristall, der bei der vorliegenden Erfindung verwendet wird, der Zeilendefekt im Inneren des Kristalls aufgenommen, so dass die Periodizität in der Richtung senkrecht zu dem Zeilendefekt gestört wird. Daher wird eine in den 5A bis 5C gezeigte Struktur als die Einheitszelle verwendet. Das heißt, die periodische Grenzbedingung, die der Bloch-Bedingung genügt, wird in der Ausbreitungsrichtung des Lichts angewendet. In der Richtung senkrecht zu der Lichtausbreitungsrichtung wird eine periodische Struktur unter Verwendung einer Spiegelgrenze realisiert, bei der Wellenleiter derart angeordnet werden, dass keine große Interferenz auftritt und ein Bereich zum Absorbieren entweichenden Lichtes, das nicht zu einer Mode wird, wird in der Richtung der Dicke bereitgestellt.

5A zeigt die Struktur aus 1. 5B ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils in einem Punktlinien-Kästchen aus 5A und 5C zeigt eine stereoskopische Ansicht der Struktur aus 5B, die die Einheitszelle des photonischen Kristall-Wellenleiters ist. Der Wellenzahl-Frequenz-Graph kann durch lösen der Maxwell-Gleichung durch das FDTD-Verfahren der Einheitszelle erhalten werden. Der Graph ist die Dispersionskurve, die in dieser Beschreibung beschrieben wird.

In dieser Berechnung kann eine andere Mode als die Eigen-Mode als eine Spitze des Spektrums ausgewählt werden, falls die Mode über eine längere Zeit in dem Wellenleiter existiert. Dadurch wird eine Analyse für die undichte Mode verfügbar, die oberhalb der Lichtlinie der Hüllschicht liegt. Dieses Merkmal dieses Verfahrens ist ein vorteilhafter Punkt, der nicht durch andere Eigenwert-Analyseverfahren erhalten werden kann. Da zusätzlich eine Lebensdauer von wellenleitenden Moden in dem Wellenleiter gemäß diesem Berechnungsverfahren berechnet werden kann, kann theoretischer Ausbreitungsverlust unter Verwendung einer Gruppengeschwindigkeit (Energie-Ausbreitungsgeschwindigkeit) dargestellt werden, die durch die Dispersionskurve erhalten wird.

<Erste Ausführung>

Als Nächstes wird die Ausführung der vorliegenden Erfindung unter Verwendung der Beispiele 1 bis 2 beschrieben.

In dieser Ausführung kann eine Frequenz, eine Gruppengeschwindigkeit und Ähnliches der wellenleitenden Moden durch Bereitstellen zylindrischer Säulen eines niedrigen Brechungsindex oder vieleckiger Säulen eines niedrigen Brechungsindex in dem optischen Wellenleiterteil des herkömmlichen, in 3 und 4 beschriebenen, optischen Wellenleiters verbessert werden.

(Beispiel 1)

6A bis 6B sind Figuren zum Erklären eines zweidimensionalen photonischen Kristallplatten-Wellenleiters des Beispiels 1. 6A zeigt eine Draufsicht des optischen Wellenleiters, 6B zeigt eine A-A'-Schnittansicht.

Das heißt, die Struktur dieser Ausführung ist derart gebildet, dass zylindrische Säulen eines Dielektrikums, das einen niedrigeren Brechungsindex als den der dielektrischen Dünnfilmplatte aufweist, in einem Dreiecks-Gittermuster angeordnet sind und dass eine einzelne Zeile der Säulen in dem optischen Wellenleiterteil 12 in dem optischen Wellenleiter 10 um eine halbe Entfernung der Periode (Gitterkonstante) des Dreieck-Gitters in der Ausbreitungsrichtung verschoben ist. Zusätzlich wird der Radius der Säulen, die an der verschobenen Position platziert sind, wie benötigt gemäß den Eigenschaften des optischen Wellenleiters verändert. Hier wird als ein Beispiel angenommen, dass die Brechungsindizes der dielektrischen Dünnfilmplatte 11, der Säule 15 eines niedrigen Brechungsindex, der Ober-Hüllschicht 16 und der Unter-Hüllschicht 17 und der Säule A13 eines niedrigen Brechungsindex n1 = 3,5, n2 = 1,0, n3 = n4 =1,46 bzw. n5 = 1,0 sind und das Radius der Säule 15 eines niedrigen Brechungsindex 0,275a beträgt und eine Dicke der dielektrischen Dünnfilmplatte 11 0,50a beträgt, wobei der Radius der Säule A13 eines niedrigen Brechungsindex, die in dem optischen Wellenleiterteil 12 angeordnet ist, 0,225a beträgt. Eigenschaften des optischen Wellenleiters 10 werden im Folgenden beschrieben.

7A bis 7C sind Figuren zum Erklären einer wellenleitenden Mode in dem photonischen Kristall-Wellenleiter in dem Beispiel 1. 7A zeigt Dispersionskurven von wellenleitenden Moden. 7B zeigt eine magnetische Feldkomponente senkrecht zu der dielektrischen Dünnfilmplatte in den in 7A gezeigten Moden 1 und 2 und 7C zeigt eine magnetische Feldkomponente senkrecht zu der dielektrischen Dünnfilmplatte in einer in 7A gezeigten Mode 3.

In diesem Fall zeigt 7A Dispersionskurven von wellenleitenden Moden, die durch den optischen Wellenleiterteil 12 passieren können. Wie in 7A gezeigt, existieren drei wellenleitende Moden. Wie in 7B gezeigt, ist die elektromagnetische Feldverteilung der Mode 1 und der Mode 2, sind die erste und zweite Mode von der Niederfrequenzseite her ähnlich zu derjenigen eines allgemeinen Einzel-Moden-Wellenleiters. Insbesondere ist in der 2. Mode (Mode 2) ein Änderungsbetrag der Frequenz in Bezug auf eine Ausbreitungskonstante in dem gesamten effektiven Ausbreitungskonstantenbereich groß. Als ein Ergebnis wird das effektive Frequenzband um ungefähr 4,7% erhöht und die Gruppengeschwindigkeit wächst an.

Wenn diese Struktur auf Infrarotes Licht für optische Kommunikation nahe 1,55 &mgr;m angewendet wird und wenn Si für die dielektrische Dünnfilmplatte 11 verwendet wird, wird Luft (oder Vakuum) für die Säule 15 eines niedrigen Brechungsindex und für die Säule A13 eines niedrigen Brechungsindex verwendet und SiO2 wird für die anderen Teile verwendet, die Periode des Dreiecksgitters wird ungefähr 0,42 &mgr;m, der Radius der Säule 15 eines niedrigen Brechungsindex wird ungefähr 0,115 &mgr;m, der Radius der Säule A13 eines niedrigen Brechungsindex, die in dem optischen Wellenleiterteil 12 angeordnet wird, wird ungefähr 0,094 &mgr;m. Diese Struktur mit diesen Werten kann durch Verwenden einer herkömmlichen Halbleiter verarbeitenden Technologie hergestellt werden.

Obwohl in diesem Beispiel der Radius der Säule A13 eines niedrigen Brechungsindex, die in der verschobenen Position in dem optischen Wellenleiterteil 12 angeordnet ist, 0,225a beträgt, ist es nahe liegend, dass ein Frequenzband oder eine Gruppengeschwindigkeit durch Verändern des Radius verändert werden kann. Unter Berücksichtigung der Struktur des optischen Wellenleiters 10, das heißt unter Berücksichtigung eines Bereichs, in dem die Säule A13 eines niedrigen Brechungsindex in dem optischen Wellenleiterteil 12angeordnet ist und andere Säulen niedriger Brechungsindizes sich nicht miteinander berühren, ist es praktisch, dass der Radius der Säule A13 eines niedrigen Brechungsindex ungefähr 0,1–0,4 Mal die minimale Breite des optischen Wellenleiterteils 12 beträgt.

Obwohl zusätzlich die zylindrischen Säulen eines niedrigen Brechungsindex in einem Dreiecksgittermuster bereitgestellt werden, um den photonischen Kristall in der Außenseite des optischen Wellenleiterteils 12 zu bilden, können vieleckige Säulen, wie zum Beispiel rechteckige Säulen oder hexagonale Säulen, statt der zylindrischen Säulen verwendet werden und die gleichen Effekte können erhalten werden. Zusätzlich wie für den Bereich des Radius der zylindrischen Säulen oder der vieleckigen Säulen, kann der gleiche Effekt innerhalb eines Bereiches erhalten werden, in dem eine photonische Bandlücke existieren kann. Wenn ein Brechungsindex der dielektrischen Dünnfilmplatte ungefähr zwischen 3,0 bis 4,5 liegt und ein Brechungsindex der Teile eines niedrigen Brechungsindex von ungefähr 1 bis 1,7 liegt, liegt der Radius der Säulen zwischen 0,2a bis 0,45a und es ist praktischer und effektiver, dass der Radius der Säulen zwischen 0,275a bis 0,375a liegt.

Obwohl zusätzlich zylindrische Säulen für die Säulen A13 eines niedrigen Brechungsindex verwendet werden, die in einer verschobenen Position in dem optischen Wellenleiterteil 12 in dem oben erwähnten Beispiel angeordnet sind, kann der gleiche Effekt erhalten werden, wenn elliptische Säulen oder vieleckige Säulen statt der zylindrischen Säulen verwendet werden. Zusätzlich kann der Brechungsindex der Säulen zum Bilden des photonischen Kristalls, der Brechungsindex der Hülle und der Brechungsindex der Säulen in dem optischen Wellenleiterteil der gleiche sein oder unterschiedlich sein, so lange dieser niedriger ist als derjenige der dielektrischen Dünnfilmplatte. Jedenfalls kann der gleiche Effekt erhalten werden.

Als Materialien können, wenn Infrarotlicht zur Kommunikation nahe einer Wellenlänge von 1,55 &mgr;m als Wellenleiterlicht verwendet wird, Silizium, Germanium, eine Gallium-Arsenid-Basisverbindung, eine Indium-Phosphid-Basisverbindung oder eine Indium-Antimon-Basisverbindung und Ähnliches als ein Material der dielektrischen Dünnfilmplatte verwendet werden, das einen hohen Brechungsindex aufweist, Infrarotes Licht fortleitet und wenige Probleme bei der Herstellungsstabilität aufweist.

Der Brechungsindex des Materials liegt ungefähr zwischen 3,0 bis 4,5. Zusätzlich können Silica, Polyimid-Basis organische Verbindung, Epoxid-Basis organische Verbindung, Acryl-Basis organische Verbindung, Luft und Vakuum und Ähnliches als Material der anderen Teile als der dielektrischen Dünnfilmplatte verwendet werden, das einen niedrigen Brechungsindex aufweist, Infrarotes Licht fortleiten kann und wenige Probleme bei der Herstellung und Stabilität aufweist. Der Brechungsindex dieser Materialien liegt ungefähr zwischen 1,0 bis 1,7.

Der zweidimensionale photonische Kristallplatten-Wellenleiter der Ausführung kann durch Verwenden des Silizium-auf-Isolator-Substrat (SOI) hergestellt werden.

(Beispiel 2)

8A bis 8B sind Figuren zum Erklären eines zweidimensionalen photonischen Kristallplatten-Wellenleiters des Beispiels 2. 8A zeigt eine Draufsicht des optischen Wellenleiters, 8B zeigt eine A-A'-Schnittansicht.

In dem Beispiel 1 kann, obwohl ein Bereich mit einem niedrigen Brechungsindex von zylindrischen Säulen oder vieleckigen Säulen in der Außenseite des optischen Wellenleiterteils 12 in dem Dreiecksgittermuster bereitgestellt wird, um den photonischen Bereich zu realisieren, ein gleicher Effekt durch Verwenden eines in 8A gezeigten quadratischen Gittermusters statt des Dreieckgittermusters erhalten werden. Das heißt, in einer Struktur, in der Säulen 25 eines niedrigen Brechungsindex, die einen niedrigeren Brechungsindex als den der dielektrischen Dünnfilmplatte 21 aufweisen, in dem Quadratgittermuster bereitgestellt werden und die dielektrische Dünnfilmplatte 21 mit einer Ober-Hüllschicht 26 und einer Unter-Hüllschicht 27 geschichtet ist, die einen niedrigeren Brechungsindex als den der dielektrischen Dünnfilmplatte 21 aufweisen, wird eine einzelne Zeile der Säulen 25 eines niedrigen Brechungsindex, die in einem Teil existiert, um ein optischer Wellenleiterteil 22 zu werden, in einer Position angeordnet, die um eine halbe Entfernung der Gitterkonstante des quadratischen Gitters von der normalen Gitterposition in der optischen Ausbreitungsrichtung verschoben ist, wobei zusätzlich der Radius der verschobenen Säulen eines niedrigen Brechungsindex wie benötigt gemäß der Wellenleitereigenschaft geändert wird.

Der Bereich des Radius der Säulen eines niedrigen Brechungsindex zum Bereitstellen des photonischen Kristalls kann ein Bereich sein, der die Existenz einer photonischen Bandlücke erlaubt. Gemäß einer theoretischen Berechnung durch das Ausbreitungsverfahren für ebene Wellen liegt, wenn der Brechungsindex der dielektrischen Dünnfilmplatte 21 ungefähr zwischen 3 bis 4,5 liegt und der Brechungsindex anderer Teile ungefähr zwischen 1 bis 1,7 liegt, der Radius der Säulen 25 eines niedrigen Brechungsindex ungefähr von 0,35a bis 0,45a.

Zusätzlich erweisen sich Gegenstände auf eine Verbesserung der Wellenleitereigenschaften hin, einer Form der Säule eines niedrigen Brechungsindex, eines Brechungsindex von jedem Teil und eines Material eines jeden Teils, das in den Beispielen 3-1 beschrieben ist, in diesem Beispiel als wahr, da das Prinzip unter den Beispielen das Gleiche ist.

Effekt der vorliegenden Erfindung

Wie zuvor erwähnt, wird der zweidimensionale photonische Kristallplatten-Wellenleiter der vorliegenden Erfindung durch Verschieben von Positionen von Säulen eines niedrigen Brechungsindex gebildet, die eine Zeile des Gitters der zweidimensionalen photonischen Kristallplatte in der optischen Ausbreitungsrichtung bilden oder zusätzlich dazu wird es durch Ändern des Radius der Säulen möglich, einen optischen Wellenleiter bereitzustellen, der eine einzelne wellenleitende Mode bilden kann, die eine große Gruppengeschwindigkeit unterhalb der Lichtlinie aufweist.

Daher kann erfindungsgemäß eine Mikro-miniaturisierte optische Wellenleiterstruktur bereitgestellt werden, die eine Gruppengeschwindigkeit verbessert und einen kleinen Verlust aufweist.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die spezifisch offenbarten Ausführungen beschränkt und Variationen und Modifikationen können durchgeführt werden, ohne von dem Umfang der Erfindung abzuweichen.


Anspruch[de]
Zwei-dimensionaler photonischer Kristallplatten-Wellenleiter, in dem dielektrische zylindrische oder vieleckige Spalten mit einem niedrigeren Brechungsindex als der einer dielektrischen Dünnfilm-Platte in der dielektrischen Dünnfilmplatte in einem zweidimensionalen Gittermuster bereitgestellt sind und die dielektrische Dünnfilm-Platte mit einer oberen Hüllschicht und einer unteren Hüllschicht gestapelt ist, die einen niedrigeren Brechungsindex als den der dielektrischen Dünnfilm-Platte aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass:

die dielektrischen Spalten, die eine Zeile des Gitters bilden, in einem optischen Wellenleiterteil in dem zweidimensionalen, photonischen Kristallplatten-Wellenleiter an Position lokalisiert sind, die in einer optischen Ausbreitungsrichtung von Positionen verschoben sind, bei denen dielektrische Spalten positioniert sein sollten, falls das zwei-dimensionale Gittermuster zweidimensional im Wellenleiterbereich nicht geändert worden wäre.
Zwei-dimensionaler photonischer Kristallplatten-Wellenleiter nach Anspruch 1, wobei:

ein erster Durchmesser der dielektrischen Spalten in dem optischen Wellenleiterteil unterschiedlich zu einem zweiten Durchmesser der anderen dielektrischen Spalten ist, die in anderen Teilen als dem optischen Wellenleiterteil lokalisiert sind, und der erste Durchmesser ein Wert ist, bei dem sich die dielektrischen Spalten nicht mit anderen dielektrischen Spalten berühren.
Zwei-dimensionaler photonischer, Kristallplatten-Wellenleiter nach Anspruch 1, wobei jede dielektrische Spalte der dielektrischen Spalten in dem optischen Wellenleiterteil von einer Position um eine Hälfte der Gitterkonstante der normalen, zwei-dimensionalen, photonischen Kristallplatte getrennt ist, bei der jede dielektrische Spalte in der normalen zwei-dimensionalen photonischen Kristallplatte positioniert sein sollte. Zwei-dimensionaler photonischer Kristallplatten-Wellenleiter nach Anspruch 1, wobei die dielektrischen zylindrischen oder vieleckigen Spalten in einem Dreiecks-Gittermuster angeordnet sind, das eine Gitterkonstante „a" aufweist, ein Radius oder eine Halb-Breite der dielektrischen zylindrischen oder vieleckigen Spalten von 0,2a bis 0,45a liegt und der Radius oder die Halb-Breite derart bestimmt wird, dass die dielektrischen zylindrischen oder vieleckigen Spalten sich nicht mit dielektrischen Spalten in dem optischen Wellenleiterteil berühren. Zwei-dimensionaler photonischer Kristallplatten-Wellenleiter nach Anspruch 4, wobei ein Brechungsindex der dielektrischen Dünnfilm-Platte zwischen 3,0 bis 4,5 liegt und jeder Brechungsindex von anderen Teilen als die dielektrische Dünnfilmplatte zwischen 1,0 bis 1,7 liegt. Zwei-dimensionaler photonischer Kristallplatten-Wellenleiter nach Anspruch 1, wobei die dielektrischen zylindrischen oder vieleckigen Spalten in einem quadratischen Gittermuster angeordnet sind, das eine Gitterkonstante „a" aufweist, ein Radius oder eine Halb-Breite der dielektrischen zylindrischen oder vieleckigen Spalten zwischen 0,35a bis 0,45a liegt und der Radius oder die Halb-Breite derart bestimmt wird, dass die dielektrischen zylindrischen oder vieleckigen Spalten sich nicht mit dielektrischen Spalten in dem optischen Wellenleiterteil berühren. Zwei-dimensionaler photonischer Kristallplatten-Wellenleiter nach Anspruch 6, wobei:

ein Brechungsindex der dielektrischen Dünnfilmplatte zwischen 3,0 bis 4,5 liegt und jeder Brechungsindex von andern Teilen als die dielektrische Dünnfilmplatte zwischen 1,0 bis 1,7 liegt.
Zwei-dimensionaler photonischer Kristallplatten-Wellenleiter nach Anspruch 1, wobei:

Silizium, Germanium, eine Gallium-Arsenid-Basisverbindung, eine Indium-Phosphid-Basisverbindung oder eine Indium-Antimon-Basisverbindung als ein Material der dielektrischen Dünnfilmplatte verwendet wird und Siliziumdioxid, eine Polyimid-Basis organische Verbindung, eine Epoxid-Basis organische Verbindung, eine Acryl-Basis organische Verbindung, Luft oder Vakuum als ein Material der anderen Teile als die dielektrische Dünnfilmplatte verwendet wird.
Zwei-dimensionaler photonischer Kristallplatten-Wellenleiter nach Anspruch 8, wobei der zweidimensionale photonische Kristallplatten-Wellenleiter nach Anspruch 8, wobei der zwei-dimensionale photonische Kristallplatten-Wellenleiter durch Verwenden eines Silizium-auf-Isolator-Substrats (SOI-Substratt) gebildet wird.






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