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JP3925769B2 - 2-dimensional photonic crystal and demultiplexer - Google Patents
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JP3925769B2
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JP2000084869A
JP2001272555A (en
アロンカーン チュティナン
大助 宮内
義和 成宮
進 野田
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本発明は、例えば微小光回路素子として用いられるフォトニック結晶、特に２次元の周期的屈折率分布を有する２次元フォトニック結晶に関し、線状欠陥および点欠陥の導入により形成した、光・電磁波取り出し／導入口を有する導波路、および波長分波器に関する。 The present invention is, for example, a photonic crystal used as a micro optical circuit elements, relates in particular two-dimensional photonic crystal having a periodic refractive index distribution of the two-dimensional, formed by the introduction of line defects and point defects, the light-wave extraction / waveguide having a inlet and a wavelength demultiplexer.
近年の波長多重通信システムの進展に伴い、分波・合波器や波長フィルターの重要性が高まっている。 Recent advancement in WDM communication systems, it is more important to branching and multiplexers and wavelength filter.
波長多重通信用の光分岐挿入装置は、光アドドロップ多重装置とも呼ばれ、多重化された信号からあるチャンネルの信号を取り出したり、空いている部分に追加する機能を持つ。 OADM for wavelength multiplex communication, also known as optical add-drop multiplexer, or remove the signal of a channel from the multiplexed signal, having the ability to add to the vacant portion. 一般的構成として、アレイ導波路回折格子型、ファイバーグレーテイング型などがある。 As a general structure, an array waveguide diffraction grating type, and the like fiber Bragg gratings type. アレイ導波路回折格子は、長さの異なる光導波路が多数配列された構造を持つ一種の回折格子で、この導波路の長さの差により波長に依存する波面の傾きが発生し、波長多重光を入力すると波長毎に異なる導波路から分波されて出力される（例えば電気通信学会誌ｐ７４６−７４９（１９９９））。 Array waveguide diffraction grating is a kind of diffraction grating having a different optical waveguide lengths are arrayed structure, the slope of the wavefront is generated which depends on the wavelength by the difference in length of the waveguide, multi-wavelength light from different waveguides each when input wavelength is demultiplexed and output (e.g. telecommunication Journal p746-749 (1999)). ファイバーグレーテイング型では、特定波長の信号のみファイバーグレーテイングでブラッグ反射させることにより、ドロップポートから取り出す、あるいはアッドポートから入力することが可能となる。 The fiber Bragg gratings type, by Bragg reflection only fiber Bragg gratings signal of a specific wavelength is taken out from the drop port, or it is possible to input from the add port.
しかし、従来のアレイ導波路回折格子型の波長合分波器では、曲げ損を少なくするため曲率半径をかなり大きくする必要があり、素子寸法が非常に大きくなってしまう。 However, in the conventional arrayed waveguide grating type wavelength demultiplexer, it is necessary to considerably increase the radius of curvature to reduce the bending loss, device size becomes very large.
そこで、フォトニック結晶を用いて極小型の光合分波器を形成するという考えも多く提案されている。 Therefore, there has been many proposed idea of ​​forming a minimum type optical demultiplexer using photonic crystal. 例えば、Applled Physics Letters,Vol.75,P3739-3741(1999)（従来技術１）、Physical Review Letters,Vol.80,P960-963(1998)（従来技術２）等に記載されている。 For example, Applled Physics Letters, Vol.75, P3739-3741 (1999) (prior art 1), Physical Review Letters, Vol.80, P960-963 (1998) have been described in (prior art 2), and the like.
フォトニック結晶とは、その内部に周期的な屈折率分布を持つ結晶であり、人工周期構造による新規な光学特性を実現し得るものである。 The photonic crystal is a crystal having a periodic refractive index distribution in its interior, it is capable of realizing a novel optical characteristics by artificial periodic structure.
フォトニック結晶が持っ重要な特徴にフォトニックバンドギャップの存在がある。 There is the presence of a photonic band gap with an important feature with a photonic crystal. ３次元周期を有するフォトニック結晶（以下３次元フォトニック結晶）では、全ての方向に対して光の伝搬が禁じられる完全バンドギャップを形成することができる。 In photonic crystal having a three-dimensional periodic (hereinafter 3-dimensional photonic crystal) to form a complete band gap propagation of light is prohibited in all directions. これにより、局所的な光の閉じ込めや、自然放出光の制御、線状欠略の導入による導波路の形成が可能となり、極微小光回路の実現が期待できる。 Thus, confinement and the local light, control of spontaneous emission, it is possible to form a waveguide according to the linear deletion unillustrated introduction, it can be expected to realize a very small optical circuit.
従来技術１には、３次元フォトニック結晶に線状欠陥を導入して形成した導波路を分岐形状とすることにより、超小型光分波器を形成できることが示唆されているが、その具体的な構造については開示されていない。 The prior art 1, by a waveguide formed by introducing a line defect in a three-dimensional photonic crystal and the branch shape, but can form a compact optical demultiplexer is suggested, the specific There is no disclosure of a structure.
一方、２次元周期構造を有するフォトニック結晶（以下２次元フォトニック結晶）の検討が、作製が比較的容易なことから盛んに行われており、従来技術２には、分岐形状の導波路を用いた分波器の解析結果が示されている。 On the other hand, consider the photonic crystal having a two-dimensional periodic structure (hereinafter 2D photonic crystals), manufactured have been actively carried out since it is relatively easy, in the prior art 2, a waveguide branching shape analysis results of a duplexer using is shown.
２次元フォトニック結晶の屈折率周期構造は、高屈折率材料に円柱孔を正方格子または三角格子状に配列する。 Refractive index periodic structure of the two-dimensional photonic crystal is arranged a cylindrical hole in a square lattice or triangle lattice in the high refractive index material. あるいは低屈折率材料中に高屈折率材料の円柱を正方格子状に配列することにより形成する。 Or a cylinder of the high-refractive-index material is formed by arranging in a square lattice shape in the low refractive index material. これらの周期構造からフォトニックバンドギャップが形成され、面内光に対しては光の伝搬が制御される。 Is a photonic band gap of these periodic structure formation, the propagation of light is controlled with respect to plane light. この周期構造に線状の欠陥を導入することにより導波路を形成することができる（例えば、Physical Review Letters,Vol.77,p3787-3790(1996)、および（従来技術２））。 It is possible to form the waveguide by introducing a linear defect in the periodic structure (e.g., Physical Review Letters, Vol.77, p3787-3790 (1996), and (prior art 2)).
従来技術２は、高屈折材料からなる円柱を正方格子状に配列した形状である。 Prior art 2 has a shape having an array of cylindrical made of a high refractive index material in a square lattice pattern. ただし、前述のように面内方向に対しての光の伝搬はバンドギャップにより制御できるが、上下方向への光の伝搬は周期構造では制御できないので、高さを無限大と想定して、直線導波路および９０°の曲げ、分岐形状の解析を行っている。 However, although the propagation of light with respect to the in-plane direction as described above can be controlled by the band gap, the propagation of light in a vertical direction can not be controlled by the periodic structure, assuming the height is infinite, linear bending waveguides and 90 °, and analyzed branch shape.
しかしながら、実際のデバイスでは高さを無限大とすることはできないので、有限の高さで光を閉じこめる必要がある。 However, since it is not possible to a height of infinity in the actual device, it is necessary to confine the light in a finite height.
一方、高屈折率材料に円柱孔を形成する場合は、高屈折率材料をスラブ形状とし、上下に低屈折率層を設けて全反射により光を閉じ込め、導波路を形成することができる。 On the other hand, when forming a cylindrical hole in the high refractive index material, high refractive index material and a slab shape, confine light by total reflection is provided a low refractive index layer in the vertical direction, it is possible to form a waveguide.
しかしながら、このような構造での分波器、合波器等の検討はなされていない。 However, the duplexer in this structure, considering the multiplexer such has not been done. また、面内方向に伝搬する光を面直方向に導く、あるいは面直方向からの光を面内方向に導くといった９０°の曲げ、分岐形状に関する検討もなされていない。 Also, it guides the light propagating in the in-plane direction in the orthogonal direction, or bending of 90 ° such guiding light from the orthogonal direction to the plane direction, not been made study on a branch shape.
自己クローニング型３次元結晶によるスーパープリズムを用いた光分波、合波器も検討されているが（例えばApplied Physics Letters,Vol74,P1212-1214(1999)、O pIus E,１２月号，p1560-1565(1999)）、導波路と組み合わされたものではなく、単独のデバイスとしての機能でしか検討されていない。 Optical demultiplexing using Superprism by autocloned 3 dimensional crystal, has also been studied multiplexer (e.g. Applied Physics Letters, Vol74, P1212-1214 (1999), O pIus E, 12 Mon, P1560- 1565 (1999)), and not combined with waveguides, have not been studied only functions as a single device.
フォトニック結晶導波路から、ある波長帯域で波長選択性を持って光を出力する、あるいはフォトニック結晶導波路に波長選択性を持って光を入力することが可能となれば、通常の素子よりも非常に小型な光分波、合波機能を有する光回路が実現可能となる。 A photonic crystal waveguide outputs light with wavelength selectivity in a certain wavelength band, or the photonic crystal waveguide If it is possible to have a wavelength selective inputs light, from the normal element also the optical circuit can be realized with a very compact optical demultiplexing, multiplexing function. また、２次元フォトニック結晶導波路の光・電磁波を面直方向に導くことができれば、立体的な光・電磁波回路とすることもできる。 Further, if it is possible to guide the light-waves of the two-dimensional photonic crystal waveguide in the orthogonal direction it can also be a three-dimensional optical-wave circuit.
本発明の目的は、２次元フォトニック結晶導波路中を伝搬する光・電磁波を面直方向に導く、あるいは入力する形態で、光・電磁波導波路、光・電磁波合分波器を形成するための効果的形態を提供することである。 An object of the present invention guides light-waves propagating in the two-dimensional photonic crystal waveguide in the orthogonal direction, or at the input to form the light-wave waveguide, for forming the light-wave demultiplexer it is to provide effective form.
上記目的は以下の構成により達成される。 The above object is achieved by the following configuration.
（１） 空気より屈折率が高い材料から形成されているスラブに、このスラブ材料よりも屈折率の低い物質を周期的に配列して屈折率分布を形成した２次元フォトニック結晶構造を有し、前記フォトニック結晶の周期的配列に線状の欠陥が形成されており、この線状欠陥が導波路として機能するフォトニック結晶導波路を有し、前記フォトニック結晶導波路に隣接して、前記フォトニック結晶の周期的配列を乱す少なくとも１つの点状の欠陥を有し、この点状欠陥が導波路中を伝搬する光・電磁波のなかで、特定の波長の光・電磁波を捕獲してこれを結晶外部へ放射し、あるいは特定の波長の光・電磁波を結晶外部から捕獲して前記導波路内に導入する光・電磁波取り出し／導入口として機能する２次元フォトニック結晶 。 (1) the slab refractive index than air and is formed from a material having high, has a two-dimensional photonic crystal structure forming the refractive index distribution by arranging a low refractive index material periodically than the slab material the photonic and linear defect is formed in the periodic array of crystal, having a photonic crystal waveguide which this linear defect functions as a waveguide, adjacent the photonic crystal waveguide, has at least one point-like defect disturbing a periodic array of the photonic crystal, among the light-wave to the point defect is propagated through the waveguide, and capturing the light-wave of a specific wavelength This was radiated to the outside of the crystal, or a specific two-dimensional photonic crystal functions as a light-wave extraction / inlet to the light-wave captured from the outside of the crystal is introduced into the waveguide wavelength.
（２） 前記光・電磁波取り出し／導入口は、スラブ面と直交する方向の光・電磁波を放射／導入する上記（１）の２次元フォトニック結晶 。 (2) the light-wave extraction / introduction port, two-dimensional photonic crystal of the above (1) for emitting / introducing direction of the light-wave perpendicular to the slab surface.
（３） 前記点状欠陥は、その形状により放射／導入する光・電磁波の波長が異なる上記（１） 又は（２）の２次元フォトニック結晶 。 (3) the point-like defect, the two-dimensional photonic crystal of the wavelength of the light-wave to radiate / introduced different (1) or (2) by its shape.
（４） 前記低屈折率物質の配列が、スラブに形成した円柱状の孔に低屈折率材料が充填されたものである上記（１）〜（３）のいずれかの２次元フォトニック結晶 。 (4) the sequence of the low refractive index material, the low refractive index material into a cylindrical hole formed in the slab is one which is filled (1) to one of the two-dimensional photonic crystal (3).
（５） 前記低屈折率物質の配列が、三角格子配列である上記（１）〜（４）のいずれかの２次元フォトニック結晶 。 (5) the sequence of the low refractive index material, said a triangular lattice array (1) to one of the two-dimensional photonic crystal (4).
（６） 前記点状欠陥は、スラブ面に対して上下非対称の形状を有する上記（１）〜（５）のいずれかの２次元フォトニック結晶 。 (6) the point-like defect, the has the shape of a vertically asymmetrical with respect to the slab surface (1) to one of the two-dimensional photonic crystal (5).
（７） 前記スラブ材料の屈折率が、２．０以上である上記（１）〜（６）のいずれかの２次元フォトニック結晶 。 (7) the refractive index of the slab material, 2.0 or more in the above (1) to one of the two-dimensional photonic crystal (6).
（８） 前記スラブ材料は、Ｉｎ、Ｇａ、Ａｌ、Ｓｂ、Ａｓ、Ｇｅ、Ｓｉ、Ｐ、Ｎ、およびＯのいずれか１種または２種以上を含有する無機材料であるか、有機材料である上記（７）の２次元フォトニック結晶 。 (8) the slab material, In, Ga, Al, Sb, As, Ge, Si, or an inorganic material containing P, N, and any one of O or more, is an organic material 2-dimensional photonic crystal of the above (7).
（９） 前記屈折率の低い物質は空気である上記（１）〜（８）のいずれかの２次元フォトニック結晶 。 (9) the low refractive index material is air (1) to one of the two-dimensional photonic crystal (8).
（１０） 上記（１）〜（９）の２次元フォトニック結晶導波路を有するフォトニック結晶合分波器 。 (10) (1) above photonic crystal demultiplexer having a two-dimensional photonic crystal waveguide to (9).
（１１） 点状欠陥を複数有し、この点状欠陥が放射／捕獲する周波数がそれぞれ異なっている上記（１０）のフォトニック結晶合分波器 。 (11) point-like defect of a plurality, photonic crystal demultiplexer above (10) to the point defect are different each frequency radiation / capture.
（１２） 点状欠陥近傍に光ファイバーが配置されている上記（１０）または（１１）のフォトニック結晶合分波器 。 (12) point-like defect above optical fiber in the vicinity are located (10) or the photonic crystal demultiplexer (11).
（１３） 前記点状欠陥近傍に、光電変換機能を有する半導体素子が配置されている上記（１０）または（１１）のフォトニック結晶合分波器 。 (13) to said point defect near the photonic crystal demultiplexer above (10) or (11) the semiconductor element is disposed having a photoelectric conversion function.
本発明の２次元フォトニック結晶は、空気より屈折率が高い材料から形成されているスラブに、このスラブ材料よりも屈折率の低い物質を周期的に配列して屈折率分布を形成した２次元フォトニック結晶構造を有し、前記フォトニック結晶の周期的配列に線状の欠陥が形成されており、この線状欠陥が導波路として機能するフォトニック結晶導波路を有し、前記フォトニック結晶導波路に隣接して、前記フォトニック結晶の周期的配列を乱す少なくとも１つの点状の欠陥を有し、この点状欠陥が導波路中を伝搬する光・電磁波のなかで、特定の波長の光・電磁波を捕獲してこれを放射し、あるいは外部からの特定の波長の光・電磁波を捕獲して前記導波路内に導入する光・電磁波取り出し／導入口として機能するものである。 2-dimensional photonic crystal of the present invention, the slab refractive index than air is formed from a material having high two-dimensional formation of the refractive index distribution by arranging a low refractive index material periodically than the slab material has a photonic crystal structure, the linear defect in the periodic array of photonic crystal is formed, having a photonic crystal waveguide which this linear defect functions as a waveguide, the photonic crystal adjacent to the waveguide, said at least one point-like defect disturbing a periodic array of photonic crystal, among the light-wave to the point defect is propagated through the waveguide, the specific wavelength and capturing the light-waves to radiate it, or functions as a light-wave extraction / inlet for introducing a specific light-wave to capture within the waveguide wavelength from the outside.
本発明における導波路および点欠陥は、光のみならず光に近い性質を有する電磁波も伝搬し、入出力可能である。 Waveguide and the point defect according to the present invention, an electromagnetic wave having a property closer to not only light light also propagates, is capable of inputting and outputting.
このように、線状の欠陥により形成された導波路の近傍に点状欠陥を形成することにより、点状の欠陥からの光・電磁波取り出し／導入が可能となり、光・電磁波取り出し／導入口を形成することができる。 Thus, by forming the point-like defects in the vicinity of the waveguide formed by the linear defect, it is possible to light or electromagnetic wave extraction / introduction from the point-like defect, the light-wave extraction / inlet it can be formed. この、点状の欠陥は、空気より屈折率が高い材料から形成されているスラブに、このスラブ材料よりも屈折率の低い物質を周期的に配列して屈折率分布を形成した２次元フォトニック結晶構造を乱すものである。 This, the point-like defect, the slab refractive index than air is formed from a material having high two-dimensional photonic forming a refractive index distribution by arranging a low refractive index material periodically than the slab material it is intended to disturb the crystal structure.
以下、本発明の実施の形態を図面に従って説明する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention with reference to the drawings.
図１に本発明の第１の形態として、２次元フォトニック結晶スラブ導波路に隣接して点欠陥を設け、特定波長の光・電磁波を面直方向に出力する導波路・波長分波器を示す。 As a first embodiment of the present invention in FIG. 1, point defects disposed adjacent to the two-dimensional photonic crystal slab waveguide, the waveguide-wavelength demultiplexer for outputting light-waves having a specific wavelength in the orthogonal direction show.
はじめにフォトニック結晶および導波路に関して記述する。 Introduction described with respect to the photonic crystal and the waveguide to. 本発明に用いたフォトニック結晶は、２次元の屈折率周期分布により面内方向にバンドギャップを有する２次元フォトニック結晶であり、結晶構造は、例えば図１に示すようにスラブ材料１１に円柱孔１６を三角格子状に配列したものである。 Photonic crystal used in the present invention is a two-dimensional photonic crystal having a bandgap in the plane direction by the periodic refractive index distribution in the two-dimensional crystal structure, for example cylindrical in the slab material 11 as shown in FIG. 1 the holes 16 in which are arranged in a triangular lattice.
入射光・電磁波１３（λ1 ，λ2 ，‥λi ，‥）は、結晶内では、面内方向にはバンドギャップにより伝搬を禁じられ、面直方向には上下の低屈折率材料による全反射により閉じこめられる。 Incident light and the electromagnetic wave 13 (λ1, λ2, ‥ λi, ‥), in the crystal, the plane direction forbidden propagation by the band gap, the plane orthogonal direction confined by total reflection by upper and lower low refractive index material It is.
ここで、図１に示すように、三角格子状に配列した円柱孔１６を一部線状に抜き取ることにより、フォトニック結晶に線状の欠陥１２が導入されることになる。 Here, as shown in FIG. 1, by withdrawing the cylindrical holes 16 arranged in a triangular lattice in some linear, so that the linear defect 12 in the photonic crystal is introduced. この線状欠陥１２中には導波モードが存存し、導波路が形成される。 During this linear defect 12 waveguide mode resides exist, waveguides are formed.
フォトニック結晶スラブ構造の材料としては、上下方向に光・電磁波を閉じこめる必要があるので屈折率が大きい材料が望ましく、本実施例ではＩｎＧａＡｓＰスラブを用いているが、他にもＧａＡｓあるいはＩｎ、Ｇａ、Ａｌ、Ｓｂ、Ａｓ、Ｇｅ、Ｓｉ、Ｐ、Ｎ、およびＯのいずれか１種または２種以上を含む材料、およびＳｉ等の無機材料、特に無機半導体材料、さらには有機材料などを用いることができる。 As the material of the photonic crystal slab structure, vertically to the refractive index it is necessary to confine light-electromagnetic wave is large materials desirable, in the present embodiment uses a InGaAsP slab Additional GaAs or In, Ga , Al, Sb, As, Ge, Si, P, N, and either one, or a material containing two or more O, and inorganic materials such as Si, especially an inorganic semiconductor material, more be used as the organic material can.
スラブとして用いる材料の屈折率は前述のように大きい方が望ましく、具体的には空気より大であり、２．０以上が好ましく、３．０以上であればより好ましい。 Refractive index of the material used as the slab it is desirable large as mentioned above, in particular is greater than air, preferably at least 2.0, more preferably equal to 3.0 or more.
なお、上記例では、例えば図３に示すように、円柱孔１６を三角格子１６ａ状に配列しているが、例えば図４に示すように、フォトニックバンドギャップが存在するように円柱孔１６を正方格子１６ｂ状に配列し、線状に欠陥１２を導入したフォトニック結晶を用いることもできる。 In the above example, for example, as shown in FIG. 3, but by arranging cylindrical holes 16 in a triangular lattice 16a-like, for example, as shown in FIG. 4, a cylindrical hole 16 so that there is a photonic bandgap arranged in a square lattice 16b like, it may be used a photonic crystal by introducing a defect 12 linearly. なお、図３，４は、フォトニック結晶を構成するスラブの一部平面図である。 Incidentally, FIG. 3 and 4 is a partial plan view of a slab constituting the photonic crystal.
次に、光・電磁波取り出し／導入口について説明する。 Next, a description will be given of an optical-wave extraction / inlet. 前述のように、光・電磁波は２次元フォトニック結晶の欠陥導波路内を伝播することができる。 As described above, the light-wave can propagate in the defect waveguide of the two-dimensional photonic crystal. 直線導波路においては、光・電磁波を低損失で伝搬できる波長域は比較的大きい。 In straight waveguide, a wavelength region capable of transmitting light, electromagnetic radiation at low loss is relatively large. したがって、数チャンネルの波長を含む波長帯域の光・電磁波を導波路中に伝搬させることができる。 Therefore, it is possible to propagate the light-wave in a wavelength band including a wavelength of several channels in the waveguide. これに対して、図１に示したように、導波路近傍に点欠陥１４を設けると、ここに特定波長の光・電磁波が捕獲され、欠陥内部で共振している間に、スラブ形状であることに起因するＱ因子の小さな上下方向へ光・電磁波１５が放射される。 In contrast, as shown in FIG. 1, the waveguide vicinity providing a point defect 14, the light-waves having a specific wavelength is captured here, while resonating in the defect internally, is slab in particular light-wave 15 is emitted to a small vertical Q factor due to.
また、点欠陥を、波長帯域中の特定チャンネルの波長のみ捕獲するよう設計することによって、光・電磁波取り出し／導入口のみならず特定波長の光・電磁波（λi ）を取り出す分波器、合波器あるいは濾波器として機能させることができる。 Also, point defects, by designing to capture only a wavelength of a particular channel in the wavelength band, duplexer extracting light-wave extraction / introduction port not only specific wavelengths of light or electromagnetic radiation (.lambda.i), combined it can function as a vessel or filter. また、この形態により、面内導波光・電磁波を面直方向に導くことができ、微少領域で分岐路、方向転換路を形成することができる。 Further, this embodiment, it is possible to direct the plane guided light-wave in the orthogonal direction, the branch passage in the small area, it is possible to form the direction changing passage. また、反対に面直方向に入射した特定波長の光・電磁波を面内導波路に導くことも可能である。 It is also possible to guide the light-wave of a specific wavelength entering the plane orthogonal direction opposite to the in-plane waveguide.
導波路と点欠略の間隔を適宜設定することにより、捕獲、出力する特定波長の光・電磁波の割合を制御することも可能である。 By appropriately setting the waveguide and Tenketsu substantially intervals, capture, it is also possible to control the proportion of light-waves of the output specific wavelength. このため、所定の割合で光・電磁波を取り出したり、分岐させる光・電磁波回路も容易に形成することができる。 Therefore, taking out the light-wave at a predetermined ratio, the light-wave circuit that branches can be easily formed.
また、図１の形態においては特に欠陥に上下非対称性を導入していないので、光・電磁波は上下方向に出力されるが、欠陥に上下非対称性を導入することによって、上下どちらかのみに光・電磁波を出力させることも可能である。 Also, since not introduced vertically asymmetry particularly defects in the form of FIG. 1, the light-wave is output to the vertical direction, by introducing a vertical asymmetry defects, light only above or below - electromagnetic waves is also possible to output. 非対称性の導入方法としては、例えば図５に示すように点欠陥１４の形状を、円柱状から円錐状にしたり、あるいは図６に示すように、点欠陥１４の径をスラブ１１の上下で変えるという方法を用いることができる。 As a method for introducing asymmetry, varying for example the shape of the point defect 14 as shown in FIG. 5, or a conical shape from the cylindrical shape, or as shown in FIG. 6, the diameter of the point defect 14 on the top and bottom of the slab 11 the method can be used that. なお、図５，６は点欠陥部分の一部断面図である。 Incidentally, FIG. 5 and 6 is a partial cross-sectional view of a point defect part.
図２には、本発明の第２の実施形態として、直線導波路に隣接して２つの点欠陥２１，２２を設けた形態を示す。 2 shows, as a second embodiment of the present invention, showing an embodiment in which two point defects 21 and 22 adjacent to the linear waveguide. それぞれの欠陥の大きさにより捕獲、出力する光・電磁波２２，２３の波長を制御した形態であり、それぞれの点欠陥から入力された光・電磁波（λ1 ，λ2 ，‥λi ，λj ‥）の帯域中の２波長（λｉ ，λｊ ）を出力することができる。 Captured by the size of each defect, in the form of controlling the output wavelength of the light-wave 22, the light-wave input from each point defect (λ1, λ2, ‥ λi, λj ‥) band can output two wavelengths (λi, λj) in. 捕穫、出力された波長以外の光・電磁波は直線導波路中を導波する。 Toka, light-waves other than the output wavelength is guided through the linear waveguide. また、本実施例では２チャンネルの波長分波器としているが、欠陥数を増やすことによって、よりマルチチャネル化することも可能である。 Also, although the wavelength demultiplexer 2 channels in this embodiment, by increasing the number of defects, it is also possible to further multi-channel.
図７は本発明の第３の実施の形態である、合分波器の概念を示している。 Figure 7 is a third embodiment of the present invention, illustrates the concept of demultiplexer. ある波長帯域の光・電磁波３１がフォトニック結晶導波路中を伝搬し、点欠陥３２〜３４により捕獲され、面直方向に出力される。 Light-wave 31 of a certain wavelength band propagates through the photonic crystal waveguide, is trapped by point defects 32 to 34, is output to the orthogonal direction.
この光・電磁波を点欠陥上に配置されている光・電磁波ファイバー３５〜３７に取り込み、信号として用いる。 Captures this light-wave to the light-wave fiber 35-37 are located on the point defects and used as signals. このとき、光・電磁波ファイバーは、フォトニック結晶構造を乱さない程度の間隙をおいて、点欠陥上に配置されることが好ましい。 At this time, the light-wave fiber, at a gap so as not to disturb the photonic crystal structure is preferably located on a point defect.
あるいは図８に示すように、光電変換機能を有する半導体素子、例えばフォトダイオードアレイ４５〜４７と集積化することもできる。 Alternatively, as shown in FIG. 8, a semiconductor device having a photoelectric conversion function, for example it can be integrated with the photodiode array 45-47. これにより、点欠陥４２〜４４から面直方向に出力した光・電磁波を極めて小さな面積内で直接電気信号に変換することができる。 This makes it possible to convert the light-electromagnetic wave output from the point defect 42 to 44 in the orthogonal direction to the very direct electrical signals in small area.
以下に、本発明の実施形態のフォトニック結晶導波路・波長分波器の作製方法について記述する。 Hereinafter, we describe a manufacturing method of a photonic crystal waveguide, wavelength demultiplexer embodiment of the present invention.
先ず、図９に示すように、例えばＩｎＰ基板５１上にバッファー層としてＩｎＰ層５２と、高屈折率スラブ材料として好ましくはＩｎＧａＡｓＰ層５３を結晶成長させる。 First, as shown in FIG. 9, for example, the InP layer 52 as a buffer layer on the InP substrate 51, preferably the crystal growth of the InGaAsP layer 53 as a high refractive index slab material. 結晶成長は、好ましくはＭＯＣＶＤ法により、好ましくは５９０〜６５０℃で行う。 Crystal growth, preferably by MOCVD method, preferably carried out at 590-650 ° C..
続いて、図１０に示すように三角格子状の円孔および点欠陥のパターンを形成するため、電子線描画用のフォトレジスト５４を塗布し、図１１に示すように露光、現像を行ってレジストをパターニングする。 Subsequently, for forming a pattern of triangular lattice of circular holes and point defects, as shown in FIG. 10, a photoresist 54 for electron beam writing, exposure as shown in FIG. 11, development is performed resist the patterning. フォトニック結晶の格子定数は、伝搬光・電磁波として赤外領域の波長を想定した場合にも０．５μm 以下程度と非常に小さいため、ここでは電子線による描画を行っている。 Lattice constant of the photonic crystal, since, on the assumption wavelength in the infrared region as small as the degree 0.5μm or less, here is performed drawing using an electron beam as a propagation light-waves.
次に、図１２に示すようにレジストをマスクとしてＲＩＥ（Reactive Ion Etching）によりＩｎＧａＡｓＰスラブに円柱孔と欠陥を形成する。 Next, a cylindrical hole and defects InGaAsP slab by RIE (Reactive Ion Etching) as a mask a resist as shown in FIG. 12. ＲＩＥには、例えばＨ 2とＣＨ 4の混合ガスを用いる。 The RIE, for example, a mixed gas of H 2 and CH 4.
次に、図１３に示すようにレジスト除去後、スラブ上下を低屈折率の空気層とするため、図１４に示すようにＩｎＧａＡｓＰスラブをメンブレン化する。 Next, after the resist is removed as shown in FIG. 13, since the air layer of the slab upper and lower low refractive index, to the membrane of the InGaAsP slab as shown in Figure 14. これは、ＩｎＰ層のみを選択的にエッチングするようにウェットエッチングして行う。 This is carried out by wet etching to selectively etch only the InP layer.
上記例では高屈折率スラブ材料としてＩｎＧａＡｓＰを用いたが、Ｓｉも屈折率が高く、またマイクロマシーニングによる加工が可能であるので、有用な材料である。 In the above example was used InGaAsP as a high refractive index slab material, Si have high refractive index, and since it can be processed by micromachining, is a useful material. 以下にＳｉをスラブ材料として用いた場合の作製方法について記述する。 It describes a method for manufacturing the case of using Si as the slab material below.
先ず、図１５に示すようにＳＯＩ基板を用意する。 First, an SOI substrate as shown in FIG. 15. ＳＯＩ基板とはベースとなるＳｉ基板６１上にＳｉＯ 2層６２を介して単結晶Ｓｉ層６３が積層されている基板である。 An SOI substrate is a substrate for the SiO 2 layer 62 monocrystalline Si layer 63 through are laminated on a Si substrate 61 as a base. また、これに換えてＳｉ基板上にＳｉＯ 2層とＳｉ層を成長させた基板を用いることも可能である。 It is also possible to use a substrate obtained by growing the SiO 2 layer and the Si layer in place it on the Si substrate. 次に、図１６に示すようにＳＯＩ基板６１に電子線描画用のフォトレジスト６４を塗布し、図１７に示すように露光、現像を行ってレジストをパターニングする。 Next, a photoresist 64 for electron beam lithography is applied to the SOI substrate 61 as shown in FIG. 16, the exposure as shown in FIG. 17, the resist is patterned by performing a development.
続いて、図１８に示すようにレジスト６４をマスクとしてＲＩＥによりＳｉ層６３に円柱孔と欠陥を形成する。 Then, a cylindrical hole and a defect in the Si layer 63 by RIE using the resist 64 as shown in FIG. 18 as a mask. ＲＩＥにはＳＦ 6ガスを用いる。 The RIE using SF 6 gas. 次いで、図１９に示すようにレジストを除去した後、図２０に示すようにＨＦ水溶液によりフォトニック結晶下の酸化膜層をエッチングしてメンブレン化する。 Next, after removing the resist, as shown in FIG. 19, the membrane of by etching the oxide film layer below the photonic crystal by an aqueous HF solution as shown in FIG. 20.
以下、本発明の具体例について、特性を示す。 Hereinafter, a specific example of the present invention, shows characteristics.
まず、フォトニック結晶について記す。 First of all, it referred to as the photonic crystal. フォトニック結晶スラブはＩｎＧａＡｓＰから構成し、例えば図２１に示すようにフォトニック結晶の格子定数をａとして、穴の半径ｒは０．２９ａ、スラブの厚さｔは０．６ａ、とした。 Photonic crystal slab is comprised of InGaAsP, the lattice constant of the photonic crystal as shown in FIG. 21 as a example, the radius r of the hole 0.29a, the thickness t of the slab was 0.6a, and.
これに対し、線状欠陥および点欠陥を設けた場合について、時間領域差分法（Finite Difference Time Domain:FDTD）により解析を行い、以下に示す結果を得た。 In contrast, the case in which the line defect and a point defect, Difference Time Domain Method: analyzed by (Finite Difference Time Domain FDTD), with the results shown below. なお、時間領域差分法とはマクスウェル方程式のうち時間に依存する回転方程式を直接解く方法であり、簡単に説明すると次のようになる。 Incidentally, a method of solving the rotation equations directly dependent on the time of the Maxwell equations and finite difference time domain method, Briefly as follows.
等方的な媒質中ではマクスウェル方程式は次のように書かれる。 Maxwell's equations in isotropic medium is written as follows.
ここで、μは透磁率、Ｅは誘電率、Ｃは導電率である。 Here, mu is magnetic permeability, E is the dielectric constant, C is a conductivity.
これらの式を差分化すると次の６つの式が得られる。 When the difference of these equations are six equations obtained.
上の６つの式を用いてフォトニック結晶スラブ内における光・電磁波の伝播の様子が解析できる。 State of light-wave propagation in the photonic crystal slab using six equations above can be analyzed. ことき、欠陥の上の電界を観測し、フーリエ変換することにより、その周波数スペクトルが求められる。 It Ki observes the electric field above the defect, by Fourier transform, the frequency spectrum is determined.
はじめに、１周期分円柱孔を除いた直線導波路について記す。 First, it described for linear waveguide except one cycle cylindrical holes. 規格化周波数ｆが０．２７〜０．２８［ｃ／ａ］の範囲において、光・電磁波は導波路中をロスなく伝搬できる。 In the range of the normalized frequency f is 0.27~0.28 [c / a], the light-wave can propagate in the waveguide without loss. 格子定数ａは伝搬させたい光・電磁波の波長がこの条件を満たすように決められる。 Lattice constant a is the wavelength of the light-wave desired to be transmitted is determined so as to satisfy this condition. 本実施例では伝搬光・電磁波の波長を１．５５μm と設定し、０．２７−０．２８［ｃ／ａ］の中心であるｆ＝０．２７５［ｃ／ａ］を１．５５μm として、ａを０．２７５×ｌ． The wavelength of the propagation light-waves is set to 1.55μm in this embodiment, as 1.55μm and 0.27-0.28 [c / a] is the center f = 0.275 [c / a] of a a 0.275 × l. ５５μm から求め、０．４２６２５μm とした。 Determined from the 55μm, was 0.42625μm.
図２２に、導波路に隣接して設けた点欠陥から面直方向に放射される光・電磁波の周波数と強度の関係を示す。 Figure 22 shows the relationship between the frequency and intensity of the light-electromagnetic wave radiated in the orthogonal direction from the point defect disposed adjacent to the waveguide. なお、点欠陥は一つの円柱孔の半径を変えて設けており、その半径は０．５６とした。 Incidentally, the point defect is provided by changing the radius of one cylindrical hole, the radius was set to 0.56. 図から、規格化周波数ｆ＝０．２７３［ｃ／ａ］の光・電磁波が上下方向に放射することが確認される。 From the figure, the light-wave of normalized frequency f = 0.273 [c / a] confirms that radiates vertically. また、Ｑ値はおよそ５００である。 In addition, Q value is approximately 500.
図２３に、図２に示した形態、すなわち直線導波路に隣接して異なる大きさの点欠陥を設けた形態における、各点欠陥からの放射光・電磁波の周波数と強度を示す。 23, the configuration shown in FIG. 2, i.e. in the form in which a size of the point defects which different adjacent to the linear waveguide shows the frequency and intensity of the emitted light, electromagnetic waves from each point defect. この場合の点欠陥は、半径がそれぞれ０．５６ａおよび０．５８ａの円柱孔とした。 Point defects in this case, the radius has a cylindrical bore of 0.56a and 0.58a, respectively. それぞれ周波数がｆ＝０．２７２９［ｃ／ａ］およびｆ＝０．２７６９［ｃ／ａ］の光・電磁波が放射されることが確認される。 Frequency each f = .2729 light-wave of [c / a] and f = 0.2769 [c / a] is confirmed to be emitted. また、欠陥のＱ値はいずれもおよそ５００である。 Moreover, neither the Q value of the defects is approximately 500.
これらの結果から、２次元フォトニック結晶に点欠陥および線状欠陥の導入により形成した導波路が点欠陥からの光・電磁波取り出し／導入機能、および面出力型の波長分波・合波器としての機能を有することが確認された。 These results, the light-wave extraction / introduction function of the waveguide formed by the introduction of point defects and line defect in a two-dimensional photonic crystal from the point defects, and surface output type as a wavelength demultiplexer-multiplexer it has been confirmed to have a function.
以上、本発明のように２次元フォトニック結晶導波路近傍に点欠陥を設けて形成した波長分波器では、２次元フォトニック結晶構造であるにも関わらず面直方向に光・電磁波を入出力することが可能であり、さらに、点欠陥から特定波長の光・電磁波を分波して入出力することができるので、超小型の波長分波器を実現することができる。 Above, the wavelength demultiplexer formed by providing a two-dimensional photonic crystal waveguide near the point defects as in the present invention, incident light, electromagnetic waves the orthogonal direction despite the 2D photonic crystal structure it is possible to output, further, it is possible to input and output demultiplexed light-waves having a specific wavelength from the point defect, it is possible to realize a very small wavelength demultiplexer. これはまた、比較的容易な立体的超小型光・電磁波回路の実現を可能とするものである。 This is also intended to enable the realization of relatively easy sterically compact optical-wave circuit.
【図１】本発明の一実施形態である１つの点欠陥を有する２次元フォトニック結晶スラブ導波路を示す概略斜視図である。 1 is a schematic perspective view showing a two-dimensional photonic crystal slab waveguide having one point defect according to one embodiment of the present invention.
【図２】本発明の一実施形態である２つの点欠陥を有する２次元フォトニック結晶スラブ導波路を示す概略斜視図である。 It is a schematic perspective view showing a two-dimensional photonic crystal slab waveguide having two point defects according to an embodiment of the present invention; FIG.
【図３】図１の２次元フォトニック結晶スラブ導波路の三角格子の様子を示した概略平面図である。 3 is a schematic plan view illustrating a state of two-dimensional photonic crystal slab waveguide of triangular lattice of FIG.
【図４】２次元フォトニック結晶スラブ導波路の正方格子の様子を示した概略平面図である。 4 is a schematic plan view showing how the square lattice of the two-dimensional photonic crystal slab waveguide.
【図５】点欠陥の他の形態を示す一部断面図である。 Is a partial cross-sectional view showing another embodiment of FIG. 5 point defects.
【図６】点欠陥の他の形態を示す一部断面図である。 Is a partial cross-sectional view showing another embodiment of FIG. 6 point defects.
【図７】本発明の面出力型波長分波器の形態を示す概略斜視図である。 7 is a schematic perspective view showing an embodiment of a surface output type wavelength demultiplexer according to the present invention.
【図８】本発明の面出力型波長分波器の形態を示す概略斜視図である。 8 is a schematic perspective view showing an embodiment of a surface output type wavelength demultiplexer according to the present invention.
【図９】本発明の２次元フォトニック結晶ＩｎＧａＡｓＰスラブ導波路の製造工程を示した断面図である。 9 is a sectional view showing a manufacturing step of the two-dimensional photonic crystal InGaAsP slab waveguide of the present invention.
【図１０】本発明の２次元フォトニック結晶ＩｎＧａＡｓＰスラブ導波路の製造工程を示した断面図である。 10 is a sectional view showing a manufacturing step of the two-dimensional photonic crystal InGaAsP slab waveguide of the present invention.
【図１１】本発明の２次元フォトニック結晶ＩｎＧａＡｓＰスラブ導波路の製造工程を示した断面図である。 11 is a sectional view showing a manufacturing step of the two-dimensional photonic crystal InGaAsP slab waveguide of the present invention.
【図１２】本発明の２次元フォトニック結晶ＩｎＧａＡｓＰスラブ導波路の製造工程を示した断面図である。 12 is a sectional view showing a manufacturing step of the two-dimensional photonic crystal InGaAsP slab waveguide of the present invention.
【図１３】本発明の２次元フォトニック結晶ＩｎＧａＡｓＰスラブ導波路の製造工程を示した断面図である。 13 is a sectional view showing a manufacturing step of the two-dimensional photonic crystal InGaAsP slab waveguide of the present invention.
【図１４】本発明の２次元フォトニック結晶ＩｎＧａＡｓＰスラブ導波路の製造工程を示した断面図である。 14 is a sectional view showing a manufacturing step of the two-dimensional photonic crystal InGaAsP slab waveguide of the present invention.
【図１５】本発明の２次元フォトニック結晶ＩｎＧａＡｓＰスラブ導波路の製造工程を示した断面図である。 15 is a sectional view showing a manufacturing step of the two-dimensional photonic crystal InGaAsP slab waveguide of the present invention.
【図１６】本発明の２次元フォトニック結晶ＩｎＧａＡｓＰスラブ導波路の製造工程を示した断面図である。 16 is a sectional view showing a manufacturing step of the two-dimensional photonic crystal InGaAsP slab waveguide of the present invention.
【図１７】本発明の２次元フォトニック結晶ＩｎＧａＡｓＰスラブ導波路の製造工程を示した断面図である。 17 is a sectional view showing a manufacturing step of the two-dimensional photonic crystal InGaAsP slab waveguide of the present invention.
【図１８】本発明の２次元フォトニック結晶ＩｎＧａＡｓＰスラブ導波路の製造工程を示した断面図である。 18 is a sectional view showing a manufacturing step of the two-dimensional photonic crystal InGaAsP slab waveguide of the present invention.
【図１９】本発明の２次元フォトニック結晶ＩｎＧａＡｓＰスラブ導波路の製造工程を示した断面図である。 19 is a sectional view showing a manufacturing step of the two-dimensional photonic crystal InGaAsP slab waveguide of the present invention.
【図２０】本発明の２次元フォトニック結晶ＩｎＧａＡｓＰスラブ導波路の製造工程を示した断面図である。 20 is a sectional view showing a manufacturing step of the two-dimensional photonic crystal InGaAsP slab waveguide of the present invention.
【図２１】本発明に係る２次元フォトニック結晶の大きさを示す図である。 21 is a diagram illustrating the size of the two-dimensional photonic crystal according to the present invention.
【図２２】図１の２次元フォトニソク結晶スラブ導波路に隣接して設けた点欠陥から面直方向に放射される光・電磁波の周波数と強度の関係を示したグラフである。 22 is a graph showing the relationship between the frequency and intensity of the light-electromagnetic wave radiated from the point defect disposed adjacent to the two-dimensional Fotonisoku crystal slab waveguide in the orthogonal direction in FIG.
【図２３】図２の２次元フォトニック結晶スラブ導波路に隣接して設けた２つの点欠陥から面直方向に放射される光・電磁波の周波数と強度の関係を示したグラフである。 23 is a graph showing a two-dimensional photonic crystal slab waveguide of the frequency and intensity of the light-electromagnetic waves radiated from the two point defects disposed adjacent to the orthogonal direction relationship of FIG.
１１ スラブ１２ 導波路１３ 入射光（電磁波） 11 slab 12 waveguide 13 incident light (electromagnetic wave)
１４ 点欠陥１５ 出力光（電磁波） 14 points defects 15 outputs light (electromagnetic wave)
１６ 円柱孔１６ａ 三角格子１６ｂ 正方格子２１ 点欠陥２２ 点欠陥２３ 入射光３１ 入射光３５〜３７ 光ファイバー４１ 入射光４５〜４７ 光電変換素子 16 cylindrical holes 16a triangular lattice 16b tetragonal lattice 21 points defects 22 points defects 23 incident light 31 incident light 35 to 37 optical fibers 41 incident light 45-47 photoelectric conversion element
空気より屈折率が高い材料から形成されているスラブに、このスラブ材料よりも屈折率の低い物質を周期的に配列して屈折率分布を形成した２次元フォトニック結晶構造を有し、 The slab refractive index than air is formed from a material having high, has a two-dimensional photonic crystal structure forming the refractive index distribution by arranging a low refractive index material periodically than the slab material,
前記フォトニック結晶の周期的配列に線状の欠陥が形成されており、この線状欠陥が導波路として機能するフォトニック結晶導波路を有し、 The linear defect in the periodic array of photonic crystal is formed, having a photonic crystal waveguide which this linear defect functions as a waveguide,
前記フォトニック結晶導波路に隣接して、前記フォトニック結晶の周期的配列を乱す少なくとも１つの点状の欠陥を有し、 Wherein adjacent the photonic crystal waveguide has at least one point-like defect disturbing a periodic array of the photonic crystal,
この点状欠陥が導波路中を伝搬する光・電磁波のなかで、特定の波長の光・電磁波を捕獲してこれを結晶外部へ放射し、あるいは特定の波長の光・電磁波を結晶外部から捕獲して前記導波路内に導入する光・電磁波取り出し／導入口として機能する２次元フォトニック結晶 。 Among the light-wave to the point defect is propagated through the waveguide, trapping this by capturing the light-wave of a specific wavelength emitted to the outside of the crystal, or a light-wave of a specific wavelength from the outside of the crystal the waveguide in the two-dimensional photonic crystal functions as a light-wave extraction / introduction port for introducing and.
前記光・電磁波取り出し／導入口は、スラブ面と直交する方向の光・電磁波を放射／導入する請求項１の２次元フォトニック結晶 。 The light-wave extraction / introduction port, two-dimensional photonic crystal according to claim 1 for emitting / introducing direction of the light-wave perpendicular to the slab surface.
前記点状欠陥は、その形状により放射／導入する光・電磁波の波長が異なる請求項１ 又は２の２次元フォトニック結晶 。 The point-like defect, the two-dimensional photonic crystal according to claim 1 or 2 wavelengths of light-waves are different for emitting / introduced by its shape.
前記低屈折率物質の配列が、スラブに形成した円柱状の孔に低屈折率材料が充填されたものである請求項１〜３のいずれかの２次元フォトニック結晶 。 The sequence of the low refractive index material, one of the two-dimensional photonic crystal according to claim 1 to 3 in which the low refractive index material is filled into the cylindrical hole formed in the slab.
前記低屈折率物質の配列が、三角格子配列である請求項１〜４のいずれかの２次元フォトニック結晶 。 The sequence of the low refractive index material, one of the two-dimensional photonic crystal of claim 1 is a triangular lattice array.
前記点状欠陥は、スラブ面に対して上下非対称の形状を有する請求項１〜５のいずれかの２次元フォトニック結晶 。 The point-like defect, either two-dimensional photonic crystal according to claim 1 to 5 having a shape of a vertically asymmetrical with respect to the slab surface.
前記スラブ材料の屈折率が、２．０以上である請求項１〜６のいずれかの２次元フォトニック結晶 。 The refractive index of the slab material, either two-dimensional photonic crystal according to claim 1 to 6 is 2.0 or more.
前記スラブ材料は、Ｉｎ、Ｇａ、Ａｌ、Ｓｂ、Ａｓ、Ｇｅ、Ｓｉ、Ｐ、Ｎ、およびＯのいずれか１種または２種以上を含有する無機材料であるか、有機材料である請求項７の２次元フォトニック結晶 。 The slab material, In, Ga, Al, Sb, As, Ge, Si, or an inorganic material containing P, N, and any one of O or more, according to claim 7 is an organic material two-dimensional photonic crystal.
前記屈折率の低い物質は空気である請求項１〜８のいずれかの２次元フォトニック結晶 The low refractive index material is any of the two-dimensional photonic crystal according to claim 8 is air
請求項１〜９の２次元フォトニック結晶を有するフォトニック結晶合分波器 。 Photonic crystal demultiplexer having a two-dimensional photonic crystal according to claim 1-9.
点状欠陥を複数有し、この点状欠陥が放射／捕獲する周波数がそれぞれ異なっている請求項１０のフォトニック結晶合分波器 。 It has a plurality of point-like defect, the photonic crystal demultiplexer of claim 10 in which the point defect are different each frequency radiation / capture.
点状欠陥近傍に光ファイバーが配置されている請求項１０または１１のフォトニック結晶合分波器 。 Photonic crystal demultiplexer according to claim 10 or 11 optical fibers are disposed near the point-like defect.
前記点状欠陥近傍に、光電変換機能を有する半導体素子が配置されている請求項１０または１１のフォトニック結晶合分波器 。 Near the point-like defect, the photonic crystal demultiplexer according to claim 10 or 11 semiconductor device having a photoelectric conversion function are disposed.
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