高屈折率差導波路の大規模解析理論の開発とシリコンフォトニックデバイス設計への応用

高折射率差波导大规模分析理论的发展及其在硅光子器件设计中的应用

基本信息

批准号：
10J04722
负责人：
小松正明
金额：
$ 1.34万
依托单位：
Hokkaido University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2010
资助国家：
日本
起止时间：
2010 至 2012
项目状态：
已结题

项目摘要

厚さ数十nm程度の低屈折率材料を高屈折率材料で挟んだ構造を有するスロット導波路は、その屈折率の不連続により、光を微小な領域に強く閉じ込める事ができることから、非線形光学効果を大きく増強することが可能である。このため、非線形光学効果を用いた光デバイスのデバイスサイズの小型化や省電力化が可能である。非線形光学効果を用いた光デバイスを構成する場合、非線形光学効果の起こりやすさを表す非線形光学係数が大きいだけでなく、動作波長帯域において分散特性が平坦であることが必要である。これまでの研究で、非常に大きな非線形屈折率を有するシリコンナノ結晶をスロット部に導入したスロット導波路について着目し、詳細に非線形特性や分散特性を評価した結果、大きな非線形光学係数を有するだけでなく、幅広い波長帯域にわたって平坦な分散特性を有する構造パラメータを明らかにしてきた。平成24年度の研究では、フォトニック結晶導波路に代表される周期構造導波路において発現するスローライト効果に着目し、スローライト効果を用いてスロット導波路における非線形光学特性のさらなる向上をめざし研究を進めた。具体的には、スロット導波路とフォトニック結晶導波路を組み合わせた新規導波路構造を考案し、本研究で開発した有限要素法に基づく数値解析ソフトを用いて、その光学特性を評価してきた。その結果、これまでに提案してきた単純なスロット導波路と比較して、今回新たに考案した新規構造を用いる事で、一桁程度大きな非線形光学係数を得られる事を明らかにした。

狭缝波导具有将几十纳米厚度的低折射率材料夹在高折射率材料之间的结构，由于折射率的不连续性，可以将光强烈地限制在微小区域内。从而大大增强效果。因此，可以减小利用非线性光学效应的光学器件的器件尺寸和功耗。当构建利用非线性光学效应的光学器件时，不仅需要具有大的非线性光学系数（表示非线性光学效应发生的可能性），而且还需要在工作波长带内具有平坦的色散特性。在之前的研究中，我们关注的是在槽缝部分引入了具有非常大的非线性折射率的硅纳米晶体的槽缝波导，通过详细评估非线性特性和色散特性，我们发现槽缝波导仅具有我们阐明了在宽波长带内具有平坦色散特性的结构参数。在2012年的研究中，我们重点关注光子晶体波导等周期结构波导中出现的慢光效应，并进行了旨在利用慢光效应进一步改善狭缝波导的非线性光学特性的研究。具体来说，我们设计了一种结合了狭缝波导和光子晶体波导的新型波导结构，并使用基于本研究开发的有限元方法的数值分析软件评估了其光学特性。结果表明，与迄今为止提出的简单缝隙波导相比，通过使用新设计的新结构，可以获得大约大一个数量级的非线性光学系数。