Abstract
Much research into two-dimensional (2-D) photonic crystal (PC) structures has been conducted for realization of ultrasmall optical integrated circuits. A 2-D silicon (Si) PC slab structure with air cladding (n=1) is one of the representative structures in 2-D PCs. While air-clad Si PC slab structures have good optical characteristics, their suspension in air can lead to mechanical weakness, making integration with some optical devices difficult. In this paper, we propose improving the mechanical robustness of PC structure by developing a 2-D Si PC structure with symmetric silica cladding (n=1.44) and comparing its optical properties to that of the air-clad structure. First, we investigate the optical properties of a 2-D Si PC slab structure with air cladding by using a 3-D finite difference time domain method. We determined that a photonic bandgap of 330 nm and a non-leaky propagating bandwidth of 100 nm in the optical communication range are possible. Next, we investigate the optical properties of 2-D Si PC slab structures with silica cladding. Even though the refractive index of the silica cladding is higher than that of air, we developed a silica-clad structure with good optical properties: a photonic band gap of approximately 230 nm and a non-leaky propagating bandwidth of 90 nm, comparable to that of the air-clad PC structures.
초소형 광집적 회로를 실현하기 위해 실리콘 기반의 2차원 광자 결정에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 그 중에서 대표적 구조인 공기 클래딩을 갖는 2차원 실리콘 광자 결정은 우수한 광학적 특성을 가지나, 다양한 소자를 집적화하기에는 기계적 강도가 약하다. 본 연구에서는 기계적 강도를 향상시킨 대칭적인 저굴절률 실리카 클래딩을 갖는 2차원 실리콘 광자 결정을 제안하며, 공기 및 실리카 클래딩을 갖는 광자 결정 슬랩 구조의 광학적 특성을 이론적으로 비교하였다. 3차원 유한 차분 시간 영역법을 이용하여 공기 클래딩을 갖는 2차원 실리콘 광자 결정 슬랩 구조를 분석한 결과, 광통신 대역에서 약 330 nm의 광자 밴드갭과 약 100 nm의 무손실 도파 대역을 가짐을 보였다. 이러한 결과를 바탕으로 실리카 클래딩을 갖는 2차원 광자 결정 슬랩 구조를 계산한 결과, 클래딩의 굴절률이 공기보다 높음에도 불구하고 공기 클래딩 구조의 광학적 특성에 버금가는 약 230 nm의 광자 밴드갭과 약 90 nm의 무손실 도파 대역을 갖는 구조를 설계하였다.