2次元フォトニック結晶スラブの点欠陥による光子操作とデバイス応用

利用二维光子晶体板中的点缺陷进行光子操纵和器件应用

• 批准号: 14205012
• 负责人: 野田 進
• 金额: $ 25.46万
• 依托单位: Kyoto University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• 财政年份: 2002
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2002 至 2004
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-14205012/
• 关键词: フォトニック結晶; 2次元; スラブ; 点欠陥; 線欠陥; 光子操作; 波長分波; Q値

本研究は2次元フォトニック結晶スラブ中に欠陥を導入する二とにより、光機能デバイスを実現することを目的としている。本年度は下記に示す研究を行い、当初の目的を達成した。試料の作製:基本構造として、格子定数をaとして、スラブ厚さが0.6a、基本格子(空気ロッド)の半径が0.29aの三角格子2次元フォトニック結晶スラブに、最近接の方向に格子点を埋めた幅が1.73aの線欠陥導波路と、半径0.54aと周りよりも大きな空気ロッドからなる点欠陥を1つ含み、その点欠陥と導波路の距離が2.7aのデバイスを設計した。試料作製においては、動作波長が1.55μm帯となるよう格子定数aを0.42μmとし、また作製精度の向上を狙ってスラブ材料を従来のInGaAsPからSiに変更した。さらに電子ビーム露光によるパターン描画条件およびICPエッチング装置によるパターン転写条件を最適化することにより、非常に精度良いフォトニック結晶構造が作製できるようになった。設計構造からの揺らぎは1〜2%以内であり、従来の10%近い揺らぎを持つ構造と比較して大きく精度を向上することができた。基礎評価:評価系として、線欠陥導波路の端面から可変波長レーザー光を入射し、点欠陥に捕らえられてスラブ表面から自由空間へ放射される光の強度、とそのまま導波路を透過して逆側の端面から放射される光の強度の両方を観測できる測定系を構築した。レーザ波長を変化させつつ、点欠陥から放射される光強度を観測しところ、波長1.55μm付近にQ値500程度のスペクトルが観測された。これは時間領域差分法(FDTD法)を用いた理論解析と良く一致した。また得られた分波スペクトルは、従来の構造と比較して非常にバックグラウンドの小さいスペクトルであった。これは、非常に精度良く試料を作製できるようになったため、揺らぎによる光散乱が抑制されたことを示している。欠陥からの光の取り出し効率の評価と最大化:同様に導波路の透過スペクトルを測定したところ、点欠陥共鳴波長において透過率が25%程度まで低下する現象が観測された。これは、導波光のかなりの部分が点欠陥で捕らえられて、自由空間に放出されたことに起因しており、モード結合理論を用いた詳しい検討の結果、このデータから点結果による光子捕獲・放出効率を評価できることが分かった。この方法により、初めて効率を定量的に見積もることが可能になり、また得られた結果は約45%以上とほぼ理論から予想される最大値に近いことが分かった。Q値の向上:空気ロッドを大きくすることで導入した点欠陥では、理論と実験の両面からそのQ値は500程度であることが分かった。しかし、この方式を光波長多重通信へと応用することを考えると、その分解能を決めるQ値は十分ではない。そこで、よりQ値を高くできる欠陥構造を探索した。一般に誘電率が高い部分に光は良く閉じ込められることから、格子点を誘電体で埋めた形状のドナー型欠陥を候補とし、また共鳴波長が導波路の透過帯域と重なること、フリースペクトルレンジが十分大きいことなどを条件としてFDTD法や平面波展開法を用いて詳しく検討を行った。その結果、格子点を3個直線状に埋めた欠陥形状において、理論的にはQ値2600程度(孤立欠陥で5200)が期待されることが分かった。

This study aims to introduce the two-dimensional crystal structure into the optical system. This year's research shows that the original goal has been achieved Sample preparation: Basic structure, lattice constant number a, thickness 0.6a, basic lattice radius 0.29a, triangular lattice 2D, lattice point buried amplitude 1.73a, linear waveguide radius 0.54a, angular waveguide distance 2.7a. Sample preparation, operating wavelength: 1.55μm, lattice size: 0.42μm, preparation accuracy: InGaAsP, Si, etc. In addition, by optimizing the parameter drawing conditions for electronic video camera exposure and the parameter writing conditions for ICP switching devices, the ultra-precise and high-precision Fletcher Nikek crystal structure can be manufactured easily. The design structure is within 1 ~ 2% of the original design, and the original design is within 10% of the original design. Basic evaluation: Evaluation system for the measurement of the intensity of light emitted from the end face of the waveguide, the wavelength of light incident on the end face of the waveguide, the wavelength of light emitted from the end face of the waveguide, the wavelength of light incident on the end face of the waveguide, the wavelength of light emitted from the end face of the waveguide, the wavelength of light emitted from the end face of the waveguide, the wavelength of light emitted from the end face of the waveguide. The wavelength of the light is changed, the light intensity is measured, the wavelength is 1.55μm, the Q value is 500, and the wavelength is measured. Time domain difference method (FDTD method) is used for theoretical analysis and good consistency. The structure of the wave is very different from the structure of the wave. This is a very accurate test sample, and it can be used to suppress light scattering. Evaluation and maximization of the optical transmission efficiency: measurement of the optical transmission efficiency of the waveguide at the same wavelength, measurement of the optical transmission efficiency at the resonance wavelength. The results of the detailed analysis and evaluation of the photon capture and emission efficiency of the guided wave are as follows: This method is based on the quantitative analysis of the possible results, which is more than 45% of the theoretical results. Q value upward: empty space, large space, The method of optical wavelength multi-communication is discussed in detail.そこで、よりQ値を高くできる欠陥构造を探索した。General inductance is high, light is good, light is good. Results, lattice points, 3 linear shapes, theoretical values, Q values, 2600 degrees (isolated values, 5200 degrees) and expectations

项目成果

M.Imada, S.Noda, A.Chutinan, M.Mochizuki, T.Tanaka: "Channel drop filter using a single defect in a 2D photonic crystal slab waveguide"IEEE Journal of Lightwave Technology. Vol.20,No.5. 845-850 (2002)

M.Imada、S.Noda、A.Chutinan、M.Mochizuki、T.Tanaka：“使用 2D 光子晶体平板波导中单个缺陷的通道下降滤波器”IEEE 光波技术杂志。

Yoshihiro Akahane, Masamitsu Mochizuki, Takashi Asano, Yoshinori Tanaka, Susumu Noda: "Design of a Channel Drop Filter by Using a Donor Type Cavity with High Quality Factor in Two-Dimensional Photonic Crystal Slabs"Applied Physics Letters. Vol.82,No.9. 13

Yoshihiro Akahane、Masamitsu Mochizuki、Takashi Asano、Yoshinori Tanaka、Susumu Noda：“在二维光子晶体板中使用具有高质量因子的施主型腔设计通道下降滤波器”应用物理快报。

Y.Tanaka, T.Asano, Y.Akahane, B.-S.Song, S.Noda: "Theoretical investigation of a two-dimensional photonic crystal slab with truncated cone air holes"Applied Physics Letters. Vol.82,No.11. 1661-1663 (2003)

Y.Tanaka、T.Asano、Y.Akahane、B.-S.Song、S.Noda：“带截锥体气孔的二维光子晶体板的理论研究”应用物理快报。

E.Miyai, M.Okano, M.Mochizuki, S.Noda: "Analysis on coupling between 2D photonic crystal slab and external waveguide"Applied Physics Letters. Vol.81,No.20. 3729-3731 (2002)

E.Miyai、M.Okano、M.Mochizuki、S.Noda：“二维光子晶体板与外部波导之间的耦合分析”应用物理快报。

A.Chutinan, M.Okano, Susumu Noda: "Wider bandwidth with high transmission through waveguide bends in two-dimensional photonic crystal slabs"Applied Physics Letters. Vol.80. 1698-1700 (2002)

A.Chutinan、M.Okano、Susumu Noda：“通过二维光子晶体板中的波导弯曲实现更宽的带宽和高传输”应用物理快报。