專利名稱：使用了光子晶體的波導(dǎo)器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及控制電磁波的波導(dǎo)器件，尤其涉及用于光通信系統(tǒng)等的使用了光子晶體結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)器件。
背景技術(shù)：
近年來，稱作多孔光纖(Holey Fiber)、光子晶體光纖(PCF)、或光子帶隙光纖(PBF)等的新光纖的研究開發(fā)正在急速發(fā)展。相對現(xiàn)有的光纖中通過單純的折射率差將光封入到纖芯部分，這些光纖的特征在于，其截面內(nèi)具有復(fù)雜的二維結(jié)構(gòu)。
即，通過由在包層部分配置空孔而減小有效折射率，而與纖芯部分之間附加折射率差(多孔光纖、PCF)、或通過將包層部分作為光子晶體，對纖芯部分的傳播光形成光子帶隙(PBF)等的手段來進(jìn)行。
在PCF和PBF中，由于可以通過結(jié)構(gòu)來大大改變其特性，所以提出了“增大波長分散的分散補(bǔ)償光纖”、“非線性光學(xué)效應(yīng)大的光纖”和“在可見光區(qū)域中的零分散光纖”等的應(yīng)用。另外，復(fù)雜的二維結(jié)構(gòu)例如可以通過在捆扎了多個石英玻璃管的狀態(tài)下來進(jìn)行加熱延伸來制造(例如，參照大橋正治“通信用光纖的最新技術(shù)動向”、O plus E、2001年、第23卷，第9號、p.1061-1066)。另外，最近還提出了將光子晶體部分作為纖芯使用的光纖(例如，參照J(rèn).C.Knight、外3Optical Society of America Annual Meeting 2002、Conference Program(美國)、p.94)。
這種現(xiàn)在提出的大部分PCF和PBF中，作為在纖芯部分傳播的電磁波，利用由0階模式進(jìn)行的單模傳播。單模傳播是為防止由多模傳播造成的波長分散所必須的條件，但是對于纖芯的大小或光纖性能都有限制條件。
另一方面，在光子晶體內(nèi)傳播的電磁波已知有“由特別的能帶結(jié)構(gòu)形成的非常大的波長分散”和“傳播光的群速度異?！钡奶卣餍再|(zhì)。但是，由所述0階模進(jìn)行的傳播光的上述這些性質(zhì)不太強(qiáng)。因此，為了發(fā)揮利用了上述這些性質(zhì)的功能，需要使波導(dǎo)長度變長，制造成本增大且傳播中的損耗也成為問題。
本發(fā)明人研究了光子晶體內(nèi)部的電磁波傳播。例如，若向傳播方向上向沒有周期性的一維光子晶體的端面，作為入射電磁波而垂直入射平面波狀的光，則由于入射光的頻率而產(chǎn)生基于多個光子能帶的傳播光。其中，基于不是最低級的能帶的傳播光(下面，稱作高級能帶傳播光)具有上述的非常大的波長分散和群速度以上的特征，所以可以應(yīng)用于各種光學(xué)器件。
但是，入射光的能量的一部分必然成為基于最低級能帶的傳播光(在現(xiàn)有的光纖中，相當(dāng)于0階模式。以下，稱作第一能帶傳播光)來進(jìn)行傳播，而與頻率無關(guān)。第一能帶傳播光幾乎沒有如上所述的“非常大的波長分散”、“群速度異常”等效果，所以在利用高級能帶傳播光的情況下，僅僅為單一的噪聲，不僅大大降低了入射光能量的使用效率，作為散光還成為降低了波導(dǎo)的S/N比的原因。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為解決上述問題而作出，其目的是提供一種包含構(gòu)成為充分發(fā)揮了光子晶體特有的效果的光纖的波導(dǎo)器件。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的使用了光子晶體的波導(dǎo)器件，具有纖芯，由在與電磁波的傳播方向垂直的兩個以上方向上具有折射率周期性的光子晶體構(gòu)成；包層，為了將所述電磁波封入到所述纖芯內(nèi)，接觸所述纖芯而配置，其特征在于，具有入射側(cè)相位調(diào)制部，將與屬于所述纖芯部分的光子能帶結(jié)構(gòu)的布里淵區(qū)域邊界面上或其附近的能帶耦合、并在所述纖芯中傳播的電磁波，入射到所述纖芯中。


圖1A是模式表示了在一維光子晶體內(nèi)的Z軸方向的第一能帶傳播光的電場強(qiáng)度的截面圖；圖1B是模式表示了在一維光子晶體內(nèi)的Z軸方向的高級能帶傳播光的電場強(qiáng)度的截面圖；圖2是表示了在一維光子晶體的入射端側(cè)設(shè)置了相位晶格的波導(dǎo)器件的高級能帶傳播光的電場強(qiáng)度模式的截面圖；
圖3是表示了在X軸方向和Y軸方向具有周期性，在Z軸方向上沒有周期性的二維光子晶體的結(jié)構(gòu)的立體圖；圖4是表示圖3的光子晶體的能帶圖；圖5是表示了圖3的光子晶體的布里淵區(qū)域的標(biāo)準(zhǔn)化頻率相等的能帶面的形狀的能帶模式圖；圖6是表示包含向圖3所示的光子晶體的入射光的在YZ平面上的能帶模式圖；圖7A是表示圖3所示的光子晶體的布里淵區(qū)域的XY平面圖；圖7B是表示圖3所示的光子晶體的布里淵區(qū)域的立體圖；圖8A是表示本實施方式的在四個方向上產(chǎn)生衍射波的相位晶格的立體圖；圖8B是表示本實施方式的在四個方向上產(chǎn)生衍射波的其他的相位晶格的立體圖；圖9A是表示使用了本實施方式的光子晶體的波導(dǎo)器件的結(jié)構(gòu)的立體圖；圖9B是圖9A所示的波導(dǎo)器件的波導(dǎo)部分的XY平面截面圖；圖9C是表示本實施方式的使用了其他光子晶體的波導(dǎo)器件的結(jié)構(gòu)的立體圖；圖9D是表示本實施方式的使用了其他光子晶體的波導(dǎo)器件的結(jié)構(gòu)的立體圖；圖10A是表示圖9B所示的光子晶體中的布里淵區(qū)域的XY平面圖；圖10B是表示圖9B所示的光子晶體中的布里淵區(qū)域的立體圖；圖11對波長λ0表示了彼此相鄰的光子晶體彼此的YZ平面中的能帶模式圖；圖12是表示設(shè)置了反射層的光子晶體的結(jié)構(gòu)的截面圖；圖13是表示基本的二維光子晶體光纖的結(jié)構(gòu)的立體圖；圖14A是表示使用了本實施方式的光纖狀光子晶體的波導(dǎo)器件的結(jié)構(gòu)的立體圖；圖14B是表示可以用于圖14A的波導(dǎo)器件的其他光纖的結(jié)構(gòu)的立體圖；圖15A是表示圖14A所示的光纖的在XY平面中的空洞的配置圖；圖15B是表示圖15A所示的結(jié)構(gòu)的布里淵區(qū)域的XY平面圖；
圖15C是表示圖15A所示的結(jié)構(gòu)的布里淵區(qū)域的立體圖；圖16是表示仿真的計算模型的圖；圖17是表示計算例的仿真電場強(qiáng)度分布的圖；圖18是表示比較例的仿真電場強(qiáng)度分布的圖。
具體實施例方式
本發(fā)明的實施方式的使用了光子晶體的波導(dǎo)器件，通過對入射光施加相位調(diào)制，在傳播光中使用光子能帶，尤其積極利用了在布里淵區(qū)域邊界上存在的能帶。在布里淵區(qū)域邊界上存在的傳播光即使是最低級的能帶，也具有與高級能帶傳播光相同的特征。因此，可以將在布里淵區(qū)域邊界上存在的能帶用于各種光學(xué)器件。另外，不僅可以將光作為傳播光，還可將其他電磁波作為傳播光，還可以用作電磁波控制器件。
另外，本實施方式的用了光子晶體的波導(dǎo)器件中，所述入射側(cè)相位調(diào)制部全部或大部分屬于單一光子能帶，將在所述纖芯內(nèi)傳播的電磁波入射到所述纖芯中。由此，例如，可以用作光延遲器件或光通信中的分散補(bǔ)償器件等光控制器件。
另外，作為所述纖芯的所述光子晶體也可以在所述電磁波的傳播方向上不具有折射率周期性。
另外，最好所述入射側(cè)相位調(diào)制部將對所述纖芯的入射面具有傾角的大致平面波入射到所述纖芯上。由此，可以實現(xiàn)利用了位于光子晶體中的布里淵區(qū)域邊界上的能帶的傳播光的波導(dǎo)器件。因此，可以廣泛應(yīng)用作利用了由傳播光的群速度異常引起的分散補(bǔ)償和光學(xué)非線性的增強(qiáng)效果等的器件。
另外，最好所述纖芯的入射面相對于與所述電磁波的傳播方向相垂直的面傾斜，所述入射側(cè)相位調(diào)制部也可將大致平面波入射到所述纖芯。由此，可以實現(xiàn)利用了位于光子晶體中的布里淵區(qū)域邊界上的能帶的傳播光的波導(dǎo)器件。因此，可以廣泛用作利用了由傳播光的群速度異常引起的分散補(bǔ)償、光學(xué)非線性的增強(qiáng)效果等的器件。
另外，最好所述入射側(cè)相位調(diào)制部在所述纖芯的入射面中，在與所述入射面平行的面內(nèi)方向上，將周期性地相位調(diào)制的電磁波入射到所述纖芯。由此，可以實現(xiàn)使用了位于光子晶體中的布里淵區(qū)域邊界上的能帶的傳播光的波導(dǎo)器件。因此，可以廣泛用作使用了由傳播光的群速度異常引起的分散補(bǔ)償、光學(xué)非線性的增強(qiáng)效果等的器件。
另外，最好所述入射側(cè)相位調(diào)制部在所述纖芯的入射面中，將在與所述入射面平行的面內(nèi)方向上周期性地相位調(diào)制后的電磁波入射到所述纖芯。由此，可以實現(xiàn)利用了位于光子晶體中的布里淵區(qū)域邊界上的能帶的傳播光的波導(dǎo)器件。因此，可以廣泛應(yīng)用作利用了由傳播光的群速度異常引起的分散補(bǔ)償、光學(xué)非線性的增強(qiáng)效果等的器件。
另外，最好所述入射側(cè)相位調(diào)制部使多個大致平面波入射到所述纖芯的入射面，并將通過使所述多個大致平面波在所述入射面干涉而相位調(diào)制后的電磁波，入射到所述纖芯中。由此，可以實現(xiàn)利用了位于光子晶體中的布里淵區(qū)域邊界上的能帶的傳播光的波導(dǎo)器件。因此，可以廣泛應(yīng)用作利用了由傳播光的群速度異常引起的分散補(bǔ)償、光學(xué)非線性的增強(qiáng)效果等的器件。
另外，最好所述入射側(cè)相位調(diào)制部具有在與所述纖芯的所述入射面接近或接觸的位置上配置的相位晶格和向所述相位晶格入射電磁波的入射部。由此，可以容易地在光子晶體中產(chǎn)生處于布里淵區(qū)域邊界上的能帶的傳播光。
另外，最好所述相位晶格與所述纖芯一體形成。由此，可以容易制作。
另外，最好進(jìn)一步具有在與電磁波出射的所述纖芯的出射面接近或接觸的位置上設(shè)置的出射側(cè)相位調(diào)制部，所述出射側(cè)相位調(diào)制部將從所述纖芯射出的電磁波轉(zhuǎn)換為大致平面波。由此，可以出射平面波。
另外，最好所述出射側(cè)相位調(diào)制部與所述纖芯一體形成。由此，可以容易制作。
另外，所述出射側(cè)相位調(diào)制部與所述入射側(cè)相位調(diào)制部具有相同的結(jié)構(gòu)，入射端和出射端的方向也可以為與在所述入射側(cè)相位調(diào)制部相反的位置上設(shè)置的結(jié)構(gòu)。
另外，最好所述包層是在與所述纖芯內(nèi)傳播的電磁波的傳播方向垂直的至少一個方向上具有折射率周期性的光子晶體。由此，可以不泄漏波導(dǎo)光，實現(xiàn)低損耗的波導(dǎo)器件。
另外，最好所述包層為在所述包層內(nèi)傳播的電磁波的傳播方向上不具有折射率周期性的光子晶體。
另外，最好由所述纖芯和所述包層構(gòu)成的波導(dǎo)部分是在具有多個周期的多層體上形成了平行的多個溝槽的結(jié)構(gòu)，所述溝槽相對于所述多層體的各層垂直，且沿著所述電磁波的傳播方向。由此，可以容易制作纖芯和包層。
另外最好所述纖芯是形成有沿電磁波的傳播方向延伸的多個空孔的均勻物質(zhì)，在與所述電磁波的傳播方向垂直的面以一定的周期配置所述空孔。由此，可以容易制作光子晶體。
另外，也可在所述多個空孔的全部或一部分填充流動性物質(zhì)。
另外，也可在所述多個空孔的全部或一部分上填充具有光學(xué)非線性作用的活性物質(zhì)。
另外，最好所述纖芯截面為大致圓形的光纖狀。由此，實現(xiàn)了使用了光子光纖的波導(dǎo)器件。
通過本發(fā)明人的研究，在Y軸方向上有周期性、X軸和Z軸方向上不具有周期結(jié)構(gòu)的一維光子晶體的情況下，可以看出“若對周期b的多層膜層在同一方向上入射具有周期b的適當(dāng)?shù)南辔徽{(diào)制波，則可以僅得到屬于特定的高級能帶的傳播光”。另外，若反過來考慮光路，則在高級能帶傳播光從多層膜層的端面出射后，通過設(shè)置適當(dāng)?shù)南辔徽{(diào)制單元，可以回復(fù)到平面圖。下面說明通過相位調(diào)制波在光子晶體中僅傳播高級能帶傳播光的方法。另外，所謂周期b是作為周期性地配置的多層膜層的基本單位的周期結(jié)構(gòu)體的厚度。
圖1A和圖1B是表示了在一維光子晶體內(nèi)的傳播光的電場強(qiáng)度模式的截面圖。圖1A是表示了在一維光子晶體1內(nèi)的Z軸方向上的第一能帶傳播光的電場強(qiáng)度模式的截面圖。另外，圖1B是表示了在一維光子晶體1內(nèi)的Z軸方向上的高級能帶傳播光的電場強(qiáng)度模式的截面圖。圖1A和圖1B中，一維光子晶體1是交替層疊了物質(zhì)5a和物質(zhì)5b的周期性的多層體，從一維光子晶體1的左側(cè)入射入射光2，從右側(cè)射出出射光3。在光子晶體1中，其折射率周期方向為Y軸方向，在作為傳播光的傳播方向的Z軸方向上折射率一樣。
光的電場用波來表示。在圖1A和圖1B中，電場的波峰4a用實線來表示，電場的波谷4b用虛線來表示。另外，振幅的大小由各個線的粗細(xì)來表示，線粗表示振幅大。另外，傳播光的波長為λ。
如圖1A所示，第一能帶傳播光電場的振幅在物質(zhì)5a內(nèi)和物質(zhì)5b內(nèi)不同，但是電場的波峰4a和波谷4b形成分別與Z軸垂直的平面，所以形成接近平面波的傳播。
與此相比，高級能帶傳播光例如如圖1B所示，電場振幅為0的“節(jié)4c”在物質(zhì)5a和物質(zhì)5b的邊界附近產(chǎn)生。因此，由相鄰的物質(zhì)5a和物質(zhì)5b形成的層疊結(jié)構(gòu)的一個周期被分割為波峰和波谷兩個區(qū)域。由于相鄰區(qū)域(物質(zhì)5a和物質(zhì)5b)中波動的相位相差半波長，所以波峰和波谷交錯出現(xiàn)。這樣每一個周期產(chǎn)生兩個節(jié)4c是第二或第三能帶的情況。雖然圖中未示，但是此外在基于高級能帶的波導(dǎo)光中，一個周期內(nèi)的節(jié)數(shù)進(jìn)一步增加，一個周期內(nèi)的半波長偏移都會產(chǎn)生多次。
因此，對與第一能帶和高級能帶均有關(guān)的波長的入射光2的傳播光的兩者重疊，表示出復(fù)雜的電場圖案。
圖2是表示了在一維光子晶體1的入射端側(cè)設(shè)置了相位晶格的波導(dǎo)器件中的高級能帶傳播光的電場強(qiáng)度模式的截面圖。相位晶格6是在Y方向上以周期b產(chǎn)生半波長差的相位調(diào)制單元。如圖2所示，若向相位晶格6入射平面波7(實線表示電場的波峰，虛線表示電場的波谷，線的粗細(xì)表示振幅的大小)，則能夠在空間9產(chǎn)生與圖1B的高級能帶傳播光類似的電場圖案8(實線表示電場的波峰，虛線表示電場的波谷，線的粗細(xì)表示振幅的大小)。設(shè)在該空間9的位置上設(shè)置了一維光子晶體(周期性的多層膜)1的端面1a。在這種情況下，如圖2所示，可以從本發(fā)明人的仿真中看出不產(chǎn)生第一能帶傳播光，而僅產(chǎn)生高級能帶傳播光的情況。
另外，若反過來考慮光路，則可以看出在從一維光子晶體的出射側(cè)端面1b中射出高級能帶傳播光后，通過設(shè)置適當(dāng)?shù)南辔徽{(diào)制單元，使從端面1b中射出的光回到平面波。
根據(jù)本發(fā)明人的研究，可以看出“若對周期b的一維光子晶體(周期性的多層膜)，在同一方向上入射具有兩倍周期的周期2b的適當(dāng)?shù)南辔徽{(diào)制波，則可僅得到位于布里淵區(qū)域邊界上的能帶的傳播光”。另外，位于布里淵區(qū)域邊界上的能帶還包含最低級的第一能帶，具有與前述的“高級能帶傳播光”相同的特性。
因此，在本實施方式中，基于上述的“在傳播方向上不具有周期性的一維光子晶體”的、組合了基于布里淵區(qū)域邊界上的能帶的傳播和相位調(diào)制的方法，可以擴(kuò)展到二維或其以上的光子晶體。
以下，具體說明本發(fā)明的實施方式。
圖3是表示了在X軸方向和Y軸方向上具有周期性，在Z軸方向上不具有周期性的二維光子晶體11的結(jié)構(gòu)的立體圖。二維光子晶體11沿Z軸配置多個圓筒形狀的物質(zhì)15a，在這些物質(zhì)15a彼此之間配置折射率為nB的物質(zhì)15b。物質(zhì)15a的半徑為R，折射率為nA。在XY面上，物質(zhì)15a為周期a的正方形排列。在Z軸方向上，折射率一樣，但是在X軸和Y軸方向上具有折射率周期結(jié)構(gòu)。
在圖3中，在從光子晶體11的端面11a入射真空中的波長為λ0的平面波時，可通過計算并圖示光子能帶，來得知該光在光子晶體11內(nèi)如何傳播。另外，端面11a相對Z軸垂直。能帶計算的方法在例如“PhotonicCrystals”，Princeton University Press(1995)或Physical Review B 44卷、16號、p.8565、1991年等中詳細(xì)描述。
在能帶計算時，假設(shè)圖3所示的光子晶體11在X方向和Y方向上具有無限連續(xù)的周期結(jié)構(gòu)，在Z方向上無限擴(kuò)展。圖4表示圖3的光子晶體11的能帶圖。下面表示圖4中的條件。其中，半徑R使用光子晶體11的周期a來表示。
在折射率nA＝1.00、半徑R＝0.30a(周期a的0.30倍)、折射率nB＝1.45的情況下，對于TE偏光的第一、第二和第三能帶，在第一布里淵的一半(Y方向的上半部分)的范圍內(nèi)表示XY平面中的能帶計算(平面波法)的結(jié)果。Y方向的下半部分與上半部分對稱。
能帶圖通過連接標(biāo)準(zhǔn)化頻率ωa/2πc成為相同值的點形成等高線狀，圖中的數(shù)字表示ωa/2πc的值。這里，ω是入射光的角振動頻率，a是結(jié)構(gòu)的周期，c是真空中的光速。
由于標(biāo)準(zhǔn)化頻率可使用真空中的入射光波長λ0來表示為a/λ0，所以下面用a/λ0來進(jìn)行描述。布里淵區(qū)域的X軸和Y軸方向的幅度為2π/a。TE偏光表示電場的方向為X軸方向的偏光。對于圖3的情況，從對稱性可以看出TM偏光(磁場的方向為X軸方向)的能帶圖為相同形狀。
另外，光子能帶結(jié)構(gòu)還沿Z軸方向擴(kuò)展。圖5是表示了圖3的光子晶體11的布里淵區(qū)域13中的標(biāo)準(zhǔn)化頻率a/λ0相等的能帶面12的形狀模式的能帶圖。由于在Z軸方向上不具有周期性，所以不存在布里淵區(qū)域的邊界，可擴(kuò)展到任何區(qū)域。
對于向這種圖3所示的光子晶體11的垂直端面11a入射平面波的情況，考慮光子晶體內(nèi)的傳播光。
圖6是包含向圖3所示的光子晶體11入射的光的YZ平面上的模式能帶圖。具體地，在能帶圖上表示了如下的光傳播的模式圖，該光傳播是從圖3所示的光子晶體11的端面11a(與XY平面平行)，以入射角θ傾斜入射了標(biāo)準(zhǔn)化頻率為a/λ0的平面波的情況下的傳播。為了簡單化，將入射光的傾角限制在YZ平面內(nèi)。若設(shè)與入射端面11a接觸的均勻物質(zhì)(例如空氣)的折射率為n，則均勻物質(zhì)的能帶可以用半徑＝n·(a/λ0)(2π/a)的球(在YZ平面中為圓)來表示。通過作圖可以求出光子晶體11側(cè)的耦合能帶。圖6中，由于第一能帶23和第二能帶22上存在對應(yīng)點27和28，所以在光子晶體11內(nèi)傳播對應(yīng)于各個能帶的電磁波。圖6中，箭頭24是入射光的方向，箭頭25是傳播光的第二能帶的能量傳播方向，箭頭26是傳播光的第一能帶的能量傳播方向。另外，在圖5中，能量的前進(jìn)方向為能帶面12的法線方向。
從圖5中可以看出，為了使傳播的電磁波能量的前進(jìn)方向與Z軸平行，需要將能帶面12的斜率與XY平面平行的例如點12a用于傳播。圖7和圖7B是表示圖3所示的光子晶體11中的布里淵區(qū)域的圖。圖7A和圖7B表示圖5所示的能帶圖的能帶面12的斜率與XY平面平行的位置。圖7A是XY平面圖，圖7B是立體圖。如圖7A和圖7B所示，如圖5所示的能帶圖的能帶面12的斜率與XY平面平行的點從對稱性來看，存在于布里淵區(qū)域內(nèi)的A、B1、B2、B3、B4、C1、C2、C3和C4的各個線上。在本實施方式中，利用其中基于位于布里淵區(qū)域邊界上的B1、B2、B3、B4、C1、C2、C3和C4的傳播。
例如，對應(yīng)于B1線上的點的入射平面波的矢量k1為k1＝(kx1，ky1，kz1)kx1＝π/aky1＝π/akz1＝kz(正實數(shù))。平面波在真空中的波長λ0可以通過λ0＝2πn/(kx12+ky12+kz12)0.5來進(jìn)行計算。這里，需要使kz1的值大到某種程度，以使在B1線上存在相當(dāng)于a/λ0的能帶。
即，若對光子晶體11的XY平面中的端面11a入射具有特定的入射角的平面波，則由于XY平面上電磁波的相位周期性地變化，所以可以實現(xiàn)基于布里淵區(qū)域邊界上的能帶的傳播。另外，同樣的效果可以通過使入射端面11a相對于XY平面傾斜，即入射端面11a不與傳播方向(Z軸方向)垂直的結(jié)構(gòu)來得到。
另外，說明利用由多個平面波的干涉得到的基于布里淵區(qū)域邊界面上的能帶的傳播的實現(xiàn)。
若僅入射相當(dāng)于波數(shù)矢量k1的平面波，則基于處于B1線上的多個能帶的傳播同時產(chǎn)生，有端面上的反射損耗變大的情況。因此，為了高效產(chǎn)生基于單一能帶的傳播，也可組合相當(dāng)于圖7A和圖7B所示的B2、B3和B4線上的三個平面波(波數(shù)矢量k2、k3和k4)來入射。下面，表示波數(shù)矢量k2、k3和k4。
k2＝(kx2，ky2，kz2)kx2＝-π/aky2＝π/akz2＝kzk3＝(kx3，ky3，kz3)kx3＝-π/aky3＝-π/akz3＝kzk4＝(kx4，ky4，kz4)kx4＝π/aky4＝-π/akz4＝kz但是，若通過使各平面波的行進(jìn)方向仍然相同而改變其波長，則上述的公式不完全成立，能量傳播的方向也與Z軸偏移。即，存在有在可維持作為光學(xué)器件的特性的波長區(qū)域上產(chǎn)生限制的情況。
圖7A和圖7B的C1、C2、C3和C4線的組也可與B1、B2、B3和B4線同樣使用。另外，A線(與Z軸一致)對應(yīng)于垂直入射的平面波。其中，如上所述，A線上的第一能帶有波長分散或群速度異常等特性弱的問題。
接著，說明使用相位晶格形成的基于布里淵區(qū)域邊界面上的能帶的傳播的實現(xiàn)。
圖8A是表示本實施方式的在四個方向上產(chǎn)生衍射波的相位晶格16a的立體圖。相位晶格16a在多個方向(分別使X軸和Y軸旋轉(zhuǎn)45度的方向)上具有周期性。若向這種相位晶格16a垂直入射平面波30(沿Z軸方向入射)，則通過衍射光的干涉，可以產(chǎn)生在所述的多個平面波的干涉中說明的相當(dāng)于波數(shù)矢量k1的衍射波31、相當(dāng)于波數(shù)矢量k2的衍射波32、相當(dāng)于波數(shù)矢量k3的衍射波33和相當(dāng)于波數(shù)數(shù)量k4的衍射波34。因此，若在這種相位晶格16a之后設(shè)置圖3所示的光子晶體11的端面11a，則可以得到B1、B2、B3和B4線上的Z軸方向的傳播光。另外，由于當(dāng)混入由相位晶格16a帶來的多余的折射光時不會與光子晶體11的特定能帶有效耦合，所以最好使相位晶格16a為最佳化的形狀，以使需要的衍射光盡可能強(qiáng)。
另外，在在特定的波長上最佳化的相位晶格16a即使入射的平面波的波長怎么變化，一次衍射光的效率也不急劇降低而停留在高電平，所以可以變寬可使用的波長區(qū)域。當(dāng)然若最佳化相位晶格16a的形狀或周期，則可以作為對應(yīng)于圖7A和圖7B所示的C1、C2、C3和C4線組的波面。具體地，也可作為圖8B所示的相位晶格17a。圖8B是表示本實施方式的在四個方向上產(chǎn)生折射波的其他相位晶格17a的立體圖。相位晶格17a在X軸和Y軸方向上具有折射率周期性。若向這種相位晶格17a垂直入射平面波70(向Z軸方向上入射)，則通過衍射光的干涉，可以產(chǎn)生相當(dāng)于波數(shù)矢量k1’的衍射光71、相當(dāng)于波數(shù)矢量k2’的衍射光72、相當(dāng)于波數(shù)矢量k3’的衍射光73和相當(dāng)于波數(shù)矢量k4’的衍射光74。因此，若在這種相位晶格17a之后設(shè)置圖3所示的光子晶體11的端面11a，則可以得到C1、C2、C3和C4線上的Z軸方向的傳播光。下面表示波數(shù)矢量k1’、k2’、k3’和k4’。
k1’＝(kx1’，ky1’，kz1’)kx1’＝π/aky1’＝0kz1’＝kz’(正實數(shù))k2’＝(kx2’，ky2’，kz2’)kx2’＝0ky2’＝π/akz2’＝kz’k3’＝(kx3’，ky3’，kz3’)kx3’＝-π/aky3＝0
kz3’＝kz’k4’＝(kx4’，ky4’，kz4’)kx4’＝0ky4’＝-π/akz4’＝kz’除上述的方法之外，還可進(jìn)行單獨或組合“對相位晶格16a或相位晶格17a傾斜入射平面波”和“不設(shè)置相位晶格16a或相位晶格17a，而對光子晶體11的入射端面11a本身實施加工，使其與相位晶格16a或相位晶格17a具有相同的功能”等的方法來進(jìn)行相位調(diào)制。
在前述的方法中，在光子晶體11中實現(xiàn)了基于布里淵區(qū)域邊界上的能帶的傳播的情況下，來自光子晶體11的出射端面的出射光產(chǎn)生了顯著的衍射。因此，若對來自光子晶體11的出射光施加相位調(diào)制，則可以得到平面波狀的出射光。作為相位調(diào)制的方法，例如仍使用上述的圖8A或圖8B所示的相位晶格16a或相位晶格17b，但將輸入輸出端上反向設(shè)置。若在光子晶體11的入射側(cè)和出射側(cè)兩側(cè)對稱設(shè)置相同的相位晶格，由于對任何方向的傳播光都為相同的作用，所以例如可以在兩端原樣耦合光纖等。
通過上述方法，可以在光子晶體11內(nèi)高效形成高級能帶傳播光。以下說明使用這些方法形成的光學(xué)器件，即實施方式的使用了光子晶體的波導(dǎo)器件的結(jié)構(gòu)。另外，后面描述波導(dǎo)部分為光纖狀的情況(圖13)。圖9A是表示本實施方式的使用了光子晶體的波導(dǎo)器件40的結(jié)構(gòu)的立體圖。另外，圖9B是波導(dǎo)器件40的波導(dǎo)部分47的XY平面截面圖。
在圖9A和圖9B中，在適當(dāng)?shù)幕?9上形成有包含二維光子晶體41的波導(dǎo)部分47。光子晶體41在作為光的傳播方向的Z方向上具有一樣的折射率，在相對于光的傳播方向為垂直方向的X軸和Y軸方向上，具有折射率周期性。具體地，如圖9B所示，在光子晶體41的上下面(與XZ面平行的端面)上設(shè)置了光子晶體57a和光子晶體57c。另外，在光子晶體41的左右面(與YZ平行的端面)上分別形成有光子晶體57b。這些光子晶體57a、57b和57c是波導(dǎo)部分47的包層，是與位于纖芯的光子晶體41不同的折射率周期或材質(zhì)，起到使光封入到光子晶體41中的作用。
傳播光的光子晶體41，在Y軸方向上存在交替且周期性地層疊了物質(zhì)45a和物質(zhì)45b的位置和設(shè)置了物質(zhì)45c的位置。另外，X軸方向上有交替且周期性地層疊了物質(zhì)45c和物質(zhì)45a的層和交替且周期性地層疊了物質(zhì)45c和物質(zhì)45b的層。另外，物質(zhì)45a、物質(zhì)45b和物質(zhì)45c沿Z軸方向延伸。另外，在本實施方式中，物質(zhì)45c為空氣。這樣，光子晶體41在光的傳播方向之外的方向上具有折射率周期性。另外，如圖9B所示，光子晶體41的Y軸方向的周期為ay，X軸方向的周期是ax。
在該光子晶體41的兩端設(shè)置作為相位調(diào)制部的相位晶格46a和46b。進(jìn)一步，在相位晶格46a上設(shè)置有入射入射光42的棒透鏡52a等的入射部。通過該棒透鏡52a在相位晶格46a的端面聚光入射光42。由此，可以對相位晶格46a垂直入射光。另外，在相位晶格46b的出射端側(cè)，設(shè)有作為出射單元的棒透鏡52b。將相位晶格46a設(shè)計成如上所述的能夠產(chǎn)生例如相當(dāng)于波數(shù)矢量k1的衍射波、相當(dāng)于波數(shù)矢量k2的衍射波、相當(dāng)于波數(shù)矢量k3的衍射波和相當(dāng)于波數(shù)k4的衍射波的結(jié)構(gòu)。由此，在光子晶體41中實現(xiàn)了基于布里淵區(qū)域邊界面上的能帶的傳播。另外，雖然將相位晶格46a和相位晶格46b分別設(shè)置在光子晶體41的端面附近，但是也可與光子晶體41接觸。另外，也可將各個光子晶體41與相位晶格46a及相位晶格46b分別一體形成。由此，可以容易進(jìn)行制作。
在這種波導(dǎo)器件40中，例如將來自光纖等的入射光42通過作為入射部的棒透鏡52a進(jìn)行聚光，并入射到設(shè)置于光束收斂部(beam waist)位置上的相位晶格46a。將通過相位晶格46a相位調(diào)制后的入射光42入射到作為波導(dǎo)部分47的纖芯的光子晶體41中，成為特定的高級能帶傳播光。即，在光子晶體41中，實現(xiàn)了布里淵區(qū)域邊界的傳播，可以產(chǎn)生“非常大的波長分散”、“群速度異常”等。
傳播光在通過設(shè)置在光子晶體41的出射端面上的相位晶格46b再次轉(zhuǎn)換為平面波后，入射到棒透鏡52b中成為出射光43，與光纖等耦合。
高級能帶傳播光如前所述，通過入射光的波長，群速度大大變化。因此，波導(dǎo)器件40可以用作光延遲器件或光通信中的分散補(bǔ)償器件等光控制器件。
另外，如前所述，群速度慢的傳播光有增強(qiáng)非線性光學(xué)效果的作用，所以通過在光子晶體41中，將表現(xiàn)非線性光學(xué)作用的物質(zhì)作成微粒子狀來進(jìn)行摻雜，可得到具有更大的非線性光學(xué)效果的器件。另外，波導(dǎo)器件40若耦合到屬于布里淵區(qū)域邊界面附近的能帶，則具有前述的效果。
另外，為了增大非線性光學(xué)效果，例如有在光子晶體41的每個周期上，設(shè)置包含表示非線性光學(xué)作用的物質(zhì)的薄膜層的方法和將形成光子晶體41的物質(zhì)本身作為具有非線性作用的物質(zhì)的方法等。
說明制造用于包含圖9B所示的光子晶體41的波導(dǎo)部分47的順序。首先，在基板49上在Y軸方向上交替成膜物質(zhì)45a和物質(zhì)45b，來形成周期性的多層膜。接著，在由物質(zhì)45a和物質(zhì)45b構(gòu)成的多層膜的XZ平面上附上斑紋狀圖案的掩模，通過進(jìn)行蝕刻，來形成以Y軸方向為深度方向的溝槽。通過形成該溝槽，來設(shè)置作為空氣的物質(zhì)45c。
在制造波導(dǎo)部分47時，通過使在Y軸方向上層疊的多層膜的材質(zhì)和膜厚的圖案及溝槽的寬度和周期性的圖案等變化，可改變波導(dǎo)部分47的結(jié)構(gòu)。
例如，圖10A和圖10B是表示圖9B所示的光子晶體41中的布里淵區(qū)域的圖。圖10A是XY平面圖，圖10B是立體圖。如圖10A和圖10B所示，XY平面上的布里淵區(qū)域形狀為長方形。這時作為入射的平面波的組合是相當(dāng)于B1、B2、B3和B4線上的平面波。下面表示這些平面波的波數(shù)矢量k1、k2、k3和k4。
k1＝(kx1，ky1，kz1)kx1＝π/axky1＝π/aykz1＝kzk2＝(kx2，ky2，kz2)kx2＝-π/axky2＝π/aykz2＝kzk3＝(kx3，ky3，kz3)kx3＝-π/axky3-π/aykz3＝kzk4＝(kx4，ky4，kz4)kx4＝π/axky4＝-π/aykz4＝kz
其中，若設(shè)真空中的波長為λ0，則kz可以通過λ0＝2πn/(kx12+ky12+kz12)0.5來進(jìn)行計算。
另外，圖10A和圖10B所示的相當(dāng)于在CX1、CX2線上的平面波的情況下的波數(shù)矢量k1和k2為k1＝(kx1，ky1，kz1)kx1＝π/axky1＝0kz1＝kzk2＝(kx2，ky2，kz2)kx2＝-π/axky2＝0kz2＝kz。
同樣，相當(dāng)于在Cy1、Cy2線上的平面波的情況下的波數(shù)矢量k1和k2為k1＝(kx1，ky1，kz1)kx1＝0ky1＝π/aykz1＝kzk2＝(kx2，ky2，kz2)kx2＝0ky2＝-π/aykz2＝kz。kz值的計算方法與上述相同。
另外，為了實用化本實施方式的波導(dǎo)器件40，向光子晶體41的X軸方向和Y軸方向封入光是不可缺的。
假設(shè)在光子晶體41內(nèi)傳播的高級能帶傳播光(角頻率ω)的周期為λ。由于角頻率ω的電磁波在真空中的周期為λ0＝2πc/ω，所以將λ0/λ的值定義為有效折射率。設(shè)與光子晶體41的側(cè)面接觸的媒體的折射率為n，若滿足λ0/λ＞n的條件，則傳播光在與光子晶體41的側(cè)面接觸的媒體側(cè)產(chǎn)生波面，可不泄漏。因此，在光子晶體41內(nèi)封入了傳播光。
但是，根據(jù)光子能帶的特別形狀，存在有效折射率不足1的情況，這種情況下，即使外側(cè)的媒體為真空也不會封入。因此，需要防止傳播光的逃逸。在這種情況下，在圖9B中，在光子晶體41的周圍設(shè)置的光子晶體57a、57b和57c各自的折射率周期或結(jié)構(gòu)與光子晶體41不同，而可以實現(xiàn)傳播光的封閉。即，通過用周期不同的光子晶體57a、57b和57c來包圍作為纖芯的光子晶體41的周圍，可將傳播光封入到光子晶體41內(nèi)。
圖11對波長λ0表示了彼此相鄰的光子晶體彼此在YZ平面上的能帶模式圖。圖11的光子晶體分別具有周期c和周期d(d＞c)。在周期c的光子晶體的內(nèi)部傳播布里淵區(qū)域邊界中的Z方向的傳播光(基于第一能帶)。在圖11中，箭頭500表示傳播光的能量的方向。另外，還圖示了對于波長λ0的能帶501。在光子晶體包層11中，在Z方向上產(chǎn)生不存在能帶的區(qū)域(帶隙502)，而不存在對應(yīng)于光子晶體(周期c)內(nèi)部的傳播的能帶。因此，光子晶體(周期c)的傳播光不耦合到光子晶體(周期d)。即，進(jìn)行了封閉。
這樣，通過使用具有不同周期的光子晶體，可防止來自光子晶體的光的泄漏。
如圖9B所示，封閉用的光子晶體57a、57b和57c的材料或結(jié)構(gòu)可以為與傳播用的光子晶體41不同的結(jié)構(gòu)，但是若考慮多層膜的制作工藝，則最好使用同一材料來改變周期。圖9B中，例如，在二維光子晶體41的上側(cè)為與光子晶體41周期不同的二維光子晶體57a。另外，在二維光子晶體41的左右設(shè)置與光子晶體41寬度不同的二維光子晶體57b。另外，在二維光子晶體41的下側(cè)，設(shè)置與光子晶體41周期不同的一維光子晶體57c。
當(dāng)然，在光子晶體41中使用的波長域和傳播能帶中對應(yīng)于傳播光的波數(shù)矢量的能帶不存在于光子晶體57a、57b和57c側(cè)的情況，需要通過能帶計算來確認(rèn)并進(jìn)行設(shè)計。
另外，由于基于圖11所示的能帶圖的光的封閉的判斷以封閉用光子晶體(周期d)具有無限周期結(jié)構(gòu)為前提，所以若封閉用光子晶體的周期數(shù)例如為3周期左右，則封閉不充分，傳播光會向外部泄漏。另外，不需要的周期數(shù)變多的情況從成本和多層膜的持久性和精度方面來說不好。因此，最好通過實驗和電磁波仿真來決定實際需要的最低限度的周期數(shù)。
另外，若根據(jù)本發(fā)明人的仿真，由于高級能帶傳播光中電場的波峰和波谷彼此不同地行進(jìn)，所以很難產(chǎn)生來自表面的波面，有很難泄漏的特征。因此，在圖9A和圖9B所示的波導(dǎo)器件40中，也可不設(shè)置光子晶體57a、57b和57c，而構(gòu)成使光子晶體41的側(cè)面與空氣層等的均勻物質(zhì)直接接觸的結(jié)構(gòu)。
另外，圖12是表示設(shè)有反射層51的光子晶體41的結(jié)構(gòu)的截面圖。在圖9B所示的光子晶體41的周圍設(shè)置光子晶體57a、57b和57c，但是也可代替其，如圖12所示，在光子晶體41的周圍形成金屬膜等反射層51。由此，傳播光可以不從光子晶體41內(nèi)向外泄漏地進(jìn)行傳播。
但是，在光子晶體41的周圍設(shè)置反射層51的情況下，還產(chǎn)生由多層膜強(qiáng)度的降低和反射率不足造成的傳播光的衰減等問題。
以上，雖然說明了波導(dǎo)器件40，但是若在光子晶體41中實現(xiàn)由布里淵區(qū)域邊界面上的能帶進(jìn)行的傳播，則可以如前所述，對光子晶體41的入射端面從傾斜方向入射光，而不特別使用相位晶格46a。由此，在光子晶體41中實現(xiàn)了基于布里淵區(qū)域邊界面上的能帶的傳播。圖9C是表示本實施方式的使用了其他光子晶體的波導(dǎo)器件40a的結(jié)構(gòu)的立體圖。圖9C的波導(dǎo)器件40a與圖9A的波導(dǎo)器件40不同，不具有相位晶格46a，使作為入射部的棒透鏡52a相對于入射端面以傾斜的角度(入射角θ)入射光，而不是垂直地入射光。另外，入射端面相對于Z軸垂直。這時，入射相對于入射端面傾斜的光的棒透鏡52a為相位調(diào)制部。
另外，通過使光子晶體的入射端面相對于傳播方向傾斜，使得相對于入射端面傾斜地入射光，也可在光子晶體41中實現(xiàn)基于布里淵區(qū)域邊界面上的能帶的傳播。具體地也可以為圖9D所示的波導(dǎo)器件40b。圖9D是表示本實施方式的使用了其他光子晶體的波導(dǎo)器件40b的結(jié)構(gòu)的立體圖。圖9D的波導(dǎo)器件40b的波導(dǎo)部分47a與圖9C所示的波導(dǎo)器件40a的波導(dǎo)部分47不同，入射端面相對于傳播光的傳播方向(Z方向)不垂直。在除此之外的方面，圖9D的波導(dǎo)器件40b和圖9C的波導(dǎo)器件相同。這樣，波導(dǎo)部分47a的入射端面傾斜，位于波導(dǎo)部分47a的纖芯的光子晶體的入射端面也相對于傳播方向(Z方向)傾斜，而不垂直。并且，設(shè)置有棒透鏡52a，使其相對于入射端面以θ的入射角入射光。
以上，說明了本實施方式的使用了光子晶體的波導(dǎo)器件，以傳播光的二維光子晶體的截面為大致矩形的情況為例來進(jìn)行了說明。但是，本實施方式并不限于此，即使二維光子晶體的截面大致為圓形、光子晶體本身為圓筒形狀(光纖狀)的所謂的光子晶體光纖也具有相同的效果。
下面說明光子晶體為光纖狀的情況。
圖13示出表示了基本的二維光子晶體光纖的結(jié)構(gòu)的立體圖。圓筒狀的光纖130具有在其中心軸的周圍設(shè)有二維周期結(jié)構(gòu)的纖芯部131，沒有周期性的包層部分132包圍其周圍。
圖14A是表示本實施方式的使用了光纖狀的光子晶體的波導(dǎo)器件145的結(jié)構(gòu)的立體圖。光纖140由具有二維周期結(jié)構(gòu)的纖芯部141和其周圍的包層部分142構(gòu)成。在光纖140的兩端分別設(shè)置相位晶格146a和146b。若將作為平面波的入射光通過作為入射部的棒透鏡143a入射到相位晶格146a中，則進(jìn)行了相位調(diào)制。將進(jìn)行了相位調(diào)制的光入射到纖芯部分141中，并在纖芯部分141中作為高級能帶光來傳播并射出。雖然所射出的光是衍射光，但是通過相位晶格146b再次恢復(fù)到平面波，而入射到作為射出部的棒透鏡143b中。兩端的相位晶格146a和146b為同一形狀，其可以用于入射和出射的任何一個方向。相位晶格146a如前所述，為相位調(diào)制平面波的結(jié)構(gòu)，使得在光子晶體41中，實現(xiàn)了基于布里淵區(qū)域邊界上的能帶的傳播。
由于波導(dǎo)器件145是光纖狀，因此其用途較廣。
雖然包層部142和纖芯部141具有各自的光子晶體，但是具有不同的周期和結(jié)構(gòu)，來進(jìn)行通過光子帶隙來封閉纖芯部141的傳播光的任務(wù)。
另外，圖14B是表示可用于圖14A的波導(dǎo)器件145的其他光纖150的結(jié)構(gòu)的立體圖。如圖14B所示，光纖150的纖芯部151與圖14A的光纖140的纖芯部141具有相同的結(jié)構(gòu)。但是，如圖14B所示，包層部152也可以是在半徑方向上具有周期性的同心圓狀的光子晶體結(jié)構(gòu)。這種包層結(jié)構(gòu)可以通過例如如在文獻(xiàn)Photonics West 2003 Technical Summary digest、p.383、演講號C4993-04所提出的，在纏繞了由折射率不同的兩層構(gòu)成的薄膜后進(jìn)行固定，并拉絲延伸的方法來進(jìn)行制作。這種情況下的結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確來說為螺旋狀而不是同心圓狀，可以充分發(fā)揮封閉的效果。另外，也可圖14B的光纖150的輸入輸出端設(shè)置圖14A所示的相位晶格146a和146b。
與上述相同，在通過相位晶格146a，相位調(diào)制了平面波后，通過與光纖140或光纖150耦合，在光纖140或光纖150內(nèi)部傳播高級能帶。因此，與使用了基于最低級能帶的單模傳播的現(xiàn)有技術(shù)的光纖相比，產(chǎn)生大很多的群速度異常。因此，可以發(fā)揮很強(qiáng)的分散補(bǔ)償效果和非線性光學(xué)效果。
另外，由于纖芯部分141或纖芯部分151為周期結(jié)構(gòu)，大小沒有限制，所以可以容易實現(xiàn)大口徑的纖芯，可以在光纖間簡化連接。
光纖狀的光子晶體可以通過在光纖狀均勻物質(zhì)內(nèi)沿其長度方向形成多個空洞，且使其多個空洞配置成相對于與長度方向平行的軸具有對稱的周期性來實現(xiàn)。可以在該空洞部分的全部或一部分上填充例如流動性物質(zhì)。
作為這些多個空洞的配置，說明了制造容易的三角排列。圖15A是表示在圖14A所示的光纖140的XY平面中的纖芯141的空洞的配置的圖。如圖15A所示，在均勻物質(zhì)162上形成有空洞161。該情況下的周期e是各空洞161間的距離。進(jìn)一步，圖15B和圖15C表示圖15A所示結(jié)構(gòu)的布里淵區(qū)域。圖15B是XY平面圖，圖15C是立體圖。從圖15B可以看出，XY平面中的布里淵區(qū)域為六角形。這時作為所入射的平面波的組合，例如只要相當(dāng)于在B1、B2、B3、B4、B5、B6線上的平面波的疊加或相當(dāng)于在C1～C6線上的平面波的疊加即可。
另外，由于在基于高級傳播能帶的傳播光中產(chǎn)生了所謂的“光子晶體的群速度異?！保钥梢云诖a(chǎn)生了非線性光學(xué)效果的增強(qiáng)作用等。在本實施方式中不在群速度異常幾乎沒有產(chǎn)生的第一能帶光上取能量。因此，例如，通過使多層膜或光子晶體光纖的纖芯部分含有非線性光學(xué)物質(zhì)而可得到大的光學(xué)非線性的增強(qiáng)效果(例如，參照Optical Fiber Communication2002/Conference and Exhibit Technical Digest、THK4、p.468)。
在上面說明的本實施方式的使用了光子晶體的波導(dǎo)器件中，作為光子晶體的材料若可確保使用波長區(qū)域的透明性，則并不進(jìn)行特別限定，但是一般作為多層膜的材料使用在持久性和制膜成本方面良好的二氧化硅、硅、氧化鈦、氧化鉭、氧化鈮、氟化鎂、氮化硅等適當(dāng)?shù)牟牧?。另外，上述材料通過濺射、真空蒸鍍、離子輔助蒸鍍和等離子CVD等的公知的方法，來容易成為多層膜。另外，圖9A所示的波導(dǎo)器件40也可為不使用基板49的所謂的空運(yùn)線(air bridge)結(jié)構(gòu)。
由于構(gòu)成光子晶體的多個材料間的折射率比越大，波長分散等有變大的傾向，所以最好這種特性針對需要的用途來組合高折射率材料和低折射率材料。實際上可實現(xiàn)的折射率比當(dāng)例如作為低折射率材料使用空氣(折射率為1)、作為高折射率材料使用InSb(折射率n＝4.21)時，折射率比可以為4以上(參照“微光學(xué)帶隙”，朝昌書店、1995年、p.224)。
光子晶體光纖可以通過捆綁石英玻璃管來拉絲的一般公知的方法來制作。這時，通過石英和空氣孔的組合來形成折射率周期結(jié)構(gòu)，可以得到充分的效果。
若構(gòu)成光子晶體的各材料的折射率比變小，則有基于偏光方向的特性的差別變小的傾向。因此，為了實現(xiàn)偏波無依靠，減小折射率比也是有用的。
若適當(dāng)選擇材料，本實施方式的使用了光子晶體的波導(dǎo)器件在通常使用的200nm～20um左右的波長范圍的光器件中尤其可以發(fā)揮其效果。但是，由于光子晶體的原理可以適用于一般電磁波，所以可以應(yīng)用于波長更長的電波和波長短的X線或伽馬線。即，不僅光，在整個電磁波中，可以使用本實施方式的用了光子晶體的波導(dǎo)器件。
另外，在傳播使用了本實施方式的光子晶體的波導(dǎo)器件的電磁波的光子晶體中，電磁波的傳播方向的折射率周期性不是必要條件。但是，例如，通過設(shè)置在傳播方向上稍微有折射率差的包層衍射晶格，還可以僅反射特定波長的電磁波。
(計算例)作為具體例，對于從圖3所示的二維光子晶體11的端面11a入射平面波的情況，實施了以下條件下的電磁波仿真(有限要素法)。在下面的計算例中，長度全部以作為折射率周期的周期a為基準(zhǔn)來標(biāo)準(zhǔn)化。
(1)光子晶體的結(jié)構(gòu)。
在物質(zhì)15b中正方形排列了作為圓柱空孔的物質(zhì)15a。
(物質(zhì)15b)折射率nB＝1.45，(物質(zhì)15a)折射率nA＝1.00、半徑R為0.3a的圓柱形狀。
圓柱的中心坐標(biāo)是(x，y)＝(pa，pb)，p、q為整數(shù)，光子能帶圖(TE偏光)與圖4所示相同。
(2)入射光(真空中的波長)λ0＝a(a/λ0＝1.00)作為對應(yīng)于圖7A和圖7b所示的B1、B2、B3和B4上的點的平面波，作為波數(shù)矢量，設(shè)定了下面所示的波數(shù)矢量k1、k2、k3和k4。
k1＝(kx1，ky1，kz1)kx1＝π/a
ky1＝π/akz1＝kzk2＝(kx2，ky2，kz2)kx2＝-π/aky2＝π/akz2＝kzk3＝(kx3，ky3，kz3)kx3＝π/aky3＝-π/akz3＝kzk4＝(kx4，ky4，kz4)kx4＝-π/aky4＝-π/akz4＝kz其中，kz的值根據(jù)λ0＝2π/(kx12+ky12+kz2)0.5的關(guān)系來求出。將與入射端面接觸的位置的折射率n設(shè)為1。
入射的平面波是彼此由振幅和相位一致的用A·exp(iωt)exp(-ik1·r)A·exp(iωt)exp(-ik2·r)A·exp(iωt)exp(-ik3·r)A·exp(iωt)exp(-ik4·r)。來表示的4種。其中，A是振幅，i是虛數(shù)單位，ω是角頻率，r＝(x，y，z)是表示位置的矢量。
(3)仿真下面示出通過有限要素法來仿真光子晶體內(nèi)部的傳播的結(jié)果。如使用的軟件是日本綜合研究所制造的JMAG。
圖16表示仿真中的計算模型。另外圖17示出計算例中仿真的電場的強(qiáng)度分布。如圖16所示，計算模型向XY方向無限擴(kuò)展，但是在實際的計算中，如圖17所示，僅計算了入射平面波的一個周期部分。由于設(shè)置了周期的邊界條件，所以與無限周期結(jié)構(gòu)等效。在入射端面中，將疊加上述四個波長的、設(shè)z＝0的下述式E＝2Acos(ωt){cos(πx/2+πy/2)+cos(πx/2-πy/2)}的電場E的調(diào)制設(shè)定為邊界條件。
作為仿真的結(jié)果，圖17示出電場的強(qiáng)度分布。黑的部分表示電場強(qiáng)，174表示電場的波峰，173表示電場的波谷。下面，說明圖17所示的電場圖案。在XY平面上，中央的圓柱是電場的波峰，四邊的圓柱(僅圖示了一部分)為波谷。電場局限在物質(zhì)15a的圓柱部分，在物質(zhì)15b的部分弱。在相鄰的圓柱(物質(zhì)15a)中，有相位偏移半個周期的特征，可以看出是高級能帶的傳播。
(比較例)接著，使用與上述計算例相同的模型，來進(jìn)行入射光為Z軸方向上的單一的平面波的情況下的仿真。入射端面的電場E由E＝2Acos(ωt)來表示，在XY平面上一樣。
圖18是基于比較例的仿真的電場的強(qiáng)度分布。圖18中，黑的部分表示電場強(qiáng)、174表示指電場的波峰，173表示指電場的波谷。若根據(jù)圖18所示的仿真的結(jié)果得到的電場的強(qiáng)度分布，可以看出電場圖案變?yōu)閺?fù)雜，基于多個能帶的傳播重疊。另外，可以看出XY平面上的相位一致。
如上說明，根據(jù)本實施方式的使用了光子晶體的波導(dǎo)器件，可以作為使用了光子晶體中的高級能帶傳播光的光波導(dǎo)型器件來使用。因此，可以廣泛用作使用了由高級能帶傳播光的群速度異常引起的分散補(bǔ)償、光學(xué)非線性的增強(qiáng)效果等的光學(xué)器件。另外，不僅作為光學(xué)器件，還可控制所有波長的電磁波，可以將電磁用作控制器件。
產(chǎn)業(yè)上的可利用性本發(fā)明的使用了光子晶體的波導(dǎo)器件可以用作對應(yīng)于寬的波長范圍的電磁波控制器件。
權(quán)利要求
1.一種使用了光子晶體的波導(dǎo)器件，具有纖芯，由在與電磁波的傳播方向垂直的兩個以上方向上具有折射率周期性的光子晶體構(gòu)成；包層，為了將所述電磁波封入到所述纖芯內(nèi)，接觸所述纖芯而配置，其特征在于，具有入射側(cè)相位調(diào)制部，該入射側(cè)相位調(diào)制部將與屬于所述纖芯部分的光子能帶結(jié)構(gòu)的布里淵區(qū)域邊界面上或其附近的能帶耦合、并在所述纖芯中傳播的電磁波，入射到所述纖芯中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的使用了光子晶體的波導(dǎo)器件，其特征在于，所述入射側(cè)相位調(diào)制部將全部或大部分屬于單一的光子能帶、并在所述纖芯內(nèi)傳播的電磁波入射到所述纖芯中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的使用了光子晶體的波導(dǎo)器件，其特征在于，作為所述纖芯的所述光子晶體，在所述電磁波的傳播方向上不具有折射率周期性。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的使用了光子晶體的波導(dǎo)器件，其特征在于，所述入射側(cè)相位調(diào)制部將相對于所述纖芯的入射面具有傾角的大致平面波入射到所述纖芯。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的使用了光子晶體的波導(dǎo)器件，其特征在于所述纖芯的入射面相對于與所述電磁波的傳播方向垂直的面傾斜，所述入射側(cè)相位調(diào)制部將大致平面波入射到所述纖芯中。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的使用了光子晶體的波導(dǎo)器件，其特征在于所述入射側(cè)相位調(diào)制部在所述纖芯的入射面中，將在與所述入射面平行的面內(nèi)方向上周期性地進(jìn)行了相位調(diào)制的電磁波入射到所述纖芯中。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的使用了光子晶體的波導(dǎo)器件，其特征在于所述入射側(cè)相位調(diào)制部使多個大致平面波入射到所述纖芯的入射面，并將通過使所述多個大致平面波在所述入射面干涉而相位調(diào)制后的電磁波，入射到所述纖芯中。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的使用了光子晶體的波導(dǎo)器件，其特征在于，所述入射側(cè)相位調(diào)制部具有相位晶格，該相位晶格配置在與所述纖芯的所述入射面接近或接觸的位置上；入射部，將電磁波入射到所述相位晶格中。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的使用了光子晶體的波導(dǎo)器件，其特征在于，所述相位晶格與所述纖芯一體形成。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的使用了光子晶體的波導(dǎo)器件，其特征在于，進(jìn)一步具有出射側(cè)相位調(diào)制部，設(shè)置在與射出電磁波的所述纖芯的出射面接近或接觸的位置上；所述出射側(cè)相位調(diào)制部將從所述纖芯中射出的電磁波轉(zhuǎn)換為大致平面波。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的使用了光子晶體的波導(dǎo)器件，其特征在于，所述射出側(cè)相位調(diào)制部與所述纖芯一體形成。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的使用了光子晶體的波導(dǎo)器件，其特征在于，所述出射側(cè)相位調(diào)制部與所述入射側(cè)相位調(diào)制部為相同的結(jié)構(gòu)，入射端和出射端的方向設(shè)置在與所述入射側(cè)相位調(diào)制部相反的位置上。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的使用了光子晶體的波導(dǎo)器件，其特征在于，所述包層是在與所述纖芯內(nèi)傳播的電磁波的傳播方向垂直的至少一個方向上具有折射率周期性的光子晶體。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的波導(dǎo)器件，其特征在于，所述包層在所述纖芯內(nèi)傳播的電磁波的傳播方向上不具有折射率周期性。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的使用了光子晶體的波導(dǎo)器件，其特征在于，由所述纖芯和所述包層構(gòu)成的波導(dǎo)部分為在具有多個周期的多層體上形成了平行的多個溝槽的結(jié)構(gòu)；所述溝槽相對于所述多層體的各層垂直，且沿著所述電磁波的傳播方向。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的使用了光子晶體的波導(dǎo)器件，其特征在于，所述纖芯是形成了沿電磁波的傳播方向延伸的多個空孔的均勻物質(zhì)；在與所述電磁波的傳播方向垂直的面中，以一定的周期配置了所述空孔。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的使用了光子晶體的波導(dǎo)器件，其特征在于，在所述空孔的全部或一部分中填充了流動性物質(zhì)。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的使用了光子晶體的波導(dǎo)器件，其特征在于，在所述多個空孔的全部或一部分中填充了具有光學(xué)非線性作用的活性物質(zhì)。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的使用了光子晶體的波導(dǎo)器件，其特征在于，所述纖芯是截面為大致圓形的光纖狀。
全文摘要
一種使用了光子晶體的波導(dǎo)器件，具有纖芯，由在與電磁波的傳播方向垂直的兩個以上方向上具有折射率周期性的光子晶體構(gòu)成；包層，為了將所述電磁波封入到所述纖芯內(nèi)，接觸所述纖芯而配置。并且，具有入射側(cè)相位調(diào)制部，將與屬于所述纖芯部分的光子能帶結(jié)構(gòu)的布里淵區(qū)域邊界面上或其附近的能帶耦合、并在所述纖芯中傳播的電磁波，入射到所述纖芯中。
文檔編號G02B6/122GK1756977SQ20048000590
公開日2006年4月5日 申請日期2004年3月4日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月4日
發(fā)明者橘高重雄, 大家和晃, 奈良正俊, 常友啟司, 淺井貴弘 申請人:日本板硝子株式會社