CN1967300A - 波导和包含波导的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及波导和包含波导的装置。在包含三维光子晶体的多个线状缺陷的波导中，多个线状缺陷包含通过将柱状结构中的一些的介质改变为与柱状结构的介质不同的介质形成的第一线状缺陷、和通过移动沿与第一线状缺陷相同的方向延伸的柱状结构中的一些的位置或改变其形状形成的第二线状缺陷，并且，第一线状缺陷和第二线状缺陷被设置为沿三维光子晶体的层叠方向分开0.5倍的面外晶格周期或更远。

Description

波导和包含波导的装置
技术领域
本发明涉及使用具有三维周期性折射率结构的三维光子晶体的波导以及包含这种波导的装置。
背景技术
用尺寸等于或小于波长的结构控制电磁波的透射和反射特性的概念已由Yablonovitch提出(Physical Review Letters，Vol.58，pp.2059，1987)。根据该文献，可以通过尺寸等于或小于波长的周期性排列的结构控制电磁波的透射和反射特性。当电磁波是可见光时，光的透射和反射特性可被控制。这种结构被称为光子晶体。已建议光子晶体可用于实现在某一波长范围中光损耗为零、反射率为100％的反光镜。因此，参照半导体的能隙，将可在某个波长范围实现100％的反射率的概念称为光子带隙。
另外，当尺寸等于或小于波长的结构具有三维精细周期性结构时，可以对从所有方向入射的光实现光子带隙。以下，将其称为“完全光子带隙”。可以用完全光子带隙实现具有新功能的光学装置。例如通过在光子晶体中形成诸如点缺陷或线状缺陷的周期性缺陷，光子晶体可起谐振器或波导的作用。众所周知，特别是在适当地提供线状缺陷时，可以在光被强烈限制在线状缺陷中时实现具有急弯的波导和分插波导(日本专利公报No.2001-74955和日本应用物理学会第65届会议的展开摘要，第3期，第936页)。
可实现完全光子带隙的三维光子晶体的例子包含图23A～23F中所示的结构。图23A表示金刚石蛋白石结构，图23B表示木料堆结构，图23C表示螺旋结构，图23D表示唯一的三维周期性结构，图23E表示三维周期性结构的反结构，图23F表示金刚石木料堆结构。
当利用通过三维光子晶体的完全光子带隙(PBG)制造波导时，一般地，对于PBG内的某个频率的光，存在以单模式引导光的频率范围和以多模式引导光的频率范围。在在波导中引导光的模式中，术语“单模式”是指对于具有某个频率的光以具有单一波数矢量的状态引导光的模式。各波导模式在波导内具有固有的周期性电磁场强度分布。
在用于光路或发光装置等的波导中，波导必须具有所希望的限制效果，并且，必须在所希望的频率上以单模式引导光。另外，当在波导中引导的光被供给外部时，波导端部的光的电磁场强度分布是在与波导方向垂直的截面内具有良好的对称性的单峰强度分布是重要的。波导端部的光的电磁场强度分布是根据与波导方向垂直的面内的各波导模式的电磁场强度分布形成的。因此，波导模式具有在与波导方向垂直的面内在预定区域集中的单峰电磁场强度分布是重要的。
根据日本专利公报No.2001-74955的说明书，在图23B中所示的木料堆结构内部提供线状缺陷，以形成波导。柱状结构中的一些被去除以形成线状缺陷。该结构能实现可在特定的范围中以单模式并以具有与单峰分布接近的电磁场强度分布的模式引导光的波导。但是，在光子带隙的频率范围的一部分中以多模式引导光，由此限制可用范围。并且，当构成三维光子晶体的介质由具有低折射率的介质构成时，光子带隙的宽度较小。因此，可以以单模式使用的频率范围显著减小。
日本应用物理学会第65届会议的展开摘要第3期第936页说明了在图23B所示的木料堆结构内部设置线状缺陷并在邻近线状缺陷的层中另外形成柱状结构的波导。根据该波导结构，可以在相对较宽的频率范围上以单模式引导光。图24A和图24B分别表示与波导模式的波导方向垂直的面内的电磁场强度分布以及与波导方向和层叠方向平行的面中的电磁场强度分布。在图24A中，白色的中心部分代表更高的电磁场强度。该电磁场强度分布在应用上是不合适的，因为该分布具有电磁场高度集中在添加的柱状结构中的双峰电磁场强度分布。另外，电磁场强度分布在波导中显著改变(图24B)。因此，在与另一谐振器结构或另一波导结构一起配置该波导结构的情况下，当各结构的配置由于制备误差而稍微偏移时，电磁场强度分布中的位置关系显著改变。各结构的电磁场的传播特性取决于结构的电磁场强度分布的位置关系。因此，当结构的配置稍微改变时，各个结构之间的电磁场的传播特性显著改变，从而导致装置的性能的显著改变。因此，为了通过使用具有在日本应用物理学会第65届会议的展开摘要第3期第936页中说明的波导结构的装置获得所希望的性能，必须用高精度配置各个结构，并且，难以制造这种装置。
并且，上述波导结构不包含用于改变波导模式的频率的元件。因此，这些结构不能提供可在所希望的频率范围上以单模式引导光的波导。
发明内容
本发明提供使用三维光子晶体的波导，在该波导中，光可以以作为单模式并在垂直于波导方向的平面内具有单峰电磁场强度分布的模式被引导，并可在所希望的频率范围上被引导，并提供包含该波导的装置。
根据本发明的波导，在包含三维光子晶体的多个线状缺陷的波导中，三维光子晶体包含：包含以预定的间隔设置的多个柱状结构的第一层；包含以预定的间隔设置的多个柱状结构的第二层，这些柱状结构沿与第一层中的柱状结构延伸的方向不同的方向延伸；包含以预定的间隔设置的多个柱状结构的第三层，这些柱状结构沿与第一层中的柱状结构相同的方向延伸；和包含以预定的间隔设置的多个柱状结构的第四层，这些柱状结构沿与第二层中的柱状结构相同的方向延伸，其中，第一层和第三层被层叠，使得设置在第一层中包含的柱状结构的位置沿与柱状结构的延伸方向垂直的方向相对于设置在第三层中包含的柱状结构的位置偏移所述预定的间隔的一半，并且，第二层和第四层被层叠，使得设置在第二层中包含的柱状结构的位置沿与柱状结构的延伸方向垂直的方向相对于设置在第四层中包含的柱状结构的位置偏移所述预定的间隔的一半。在根据本发明的波导中，多个线状缺陷包含通过将柱状结构中的一些的介质改变为与柱状结构的介质不同的介质形成的第一线状缺陷、和通过移动沿与第一线状缺陷相同的方向延伸的柱状结构中的一些的位置或改变其形状形成的第二线状缺陷，并且，第一线状缺陷和第二线状缺陷被设置为沿三维光子晶体的层叠方向分开0.5倍的面外晶格周期或更远。
通过以下参照附图对示例性实施例的说明，本发明的其它特征将变得十分明显。
附图说明
图1是表示木料堆结构A的视图。
图2包含表示木料堆结构A的各个层的视图。
图3是表示木料堆结构A的规格化频率的示图。
图4A～4D是根据本发明的第一实施例的相关部分的示意图。
图5A和图5B是表示本发明的第一实施例的波导模式的视图。
图6是表示根据本发明的第一实施例的规格化频率的示图。
图7是表示根据本发明的第一实施例的规格化频率的示图。
图8是表示光子晶体结构D的视图。
图9包含表示光子晶体结构D的各个层的视图。
图10是表示光子晶体结构D的规格化频率的示图。
图11A～11D是根据本发明的第二实施例的相关部分的示意图。
图12A和图12B是表示本发明的第二实施例的波导模式的视图。
图13是表示本发明的第二实施例的规格化频率的示图。
图14A～14D是根据本发明的第二实施例的相关部分的示意图。
图15是表示本发明的第二实施例的规格化频率的示图。
图16A～16D是根据本发明的第二实施例的相关部分的示意图。
图17是表示本发明的第二实施例的规格化频率的示图。
图18是表示本发明的第二实施例的规格化频率的示图。
图19包含根据本发明的第五实施例的相关部分的示意图。
图20包含根据本发明的第五实施例的相关部分的示意图。
图21包含根据本发明的第五实施例的相关部分的示意图。
图22是表示本发明的第五实施例的光谱的示图。
图23A～23F是表示已知的光子晶体的视图。
图24A是表示已知的光子晶体的电磁场强度分布的视图。
图24B是表示已知的光子晶体的电磁场强度分布的视图。
图25A～25D是根据本发明的第三实施例的相关部分的示意图。
图26A和图26B是表示本发明的第三实施例的波导模式的视图。
图27是表示本发明的第三实施例的规格化频率的示图。
图28是表示本发明的第三实施例的规格化频率的示图。
图29A～29D是根据本发明的第四实施例的相关部分的示意图。
图30A和图30B是表示本发明的第四实施例的波导模式的视图。
图31是表示本发明的第四实施例的规格化频率的示图。
图32A～32D是根据本发明的第四实施例的相关部分的示意图。
图33是表示本发明的第四实施例的规格化频率的示图。
图34是表示本发明的第四实施例的规格化频率的示图。
图35包含根据本发明的第六实施例的相关部分的示意图。
图36包含根据本发明的第六实施例的相关部分的示意图。
图37包含根据本发明的第六实施例的相关部分的示意图。
图38是表示本发明的第六实施例的光谱的示图。
图39A是表示具有离散结构的光子晶体的视图。
图39B包含表示具有离散结构的光子晶体的各个层的视图。
图40A是表示具有离散结构的光子晶体的视图。
图40B包含表示具有离散结构的光子晶体的各个层的视图。
具体实施方式
(第一实施例)
图1是木料堆结构A的视图。木料堆结构A包含在x-y面中形成基本周期的四个层101～104。
图2表示木料堆结构A的各个层的x-y横截面视图。在第一层101和第三层103中，沿x轴方向以规则的间隔P周期性地设置沿y轴方向延伸的多个柱状结构101a和103a。各个柱状结构101a被设置在沿x轴方向从相应的柱状结构103a的位置偏移P/2的位置上。在第二层102和第四层104中，沿y轴方向以规则的间隔P周期性地设置沿x轴方向延伸的多个柱状结构102a和104a。各个柱状结构102a被设置在沿y轴方向从相应的柱状结构104a的位置偏移P/2的位置上。构成柱状结构101a～104a的材料的折射率、柱状结构的形状、设置柱状结构的间隔和各层的厚度等被优化，由此在所希望的频率范围上获得完全光子带隙。
表1表示木料堆结构A的结构参数。这里，术语“面内晶格周期”代表图2中所示的柱状结构101a～104a的间隔P。术语“面外晶格周期”代表由多个层形成的基本周期。在木料堆结构A中，面外晶格周期代表沿层叠方向与四个层101～104对应的总长。表1中的术语“折射率”代表构成木料堆结构的柱状结构101a～104a的介质的折射率。构成木料堆结构的柱状结构以外的部分的介质为例如空气，且其折射率为1.0。术语“柱状结构宽度”代表沿垂直于层中的柱状结构延伸的方向的方向的柱状结构的长度。术语“柱状结构高度”代表沿层叠方向(z轴方向)的柱状结构的长度。
表1
◆结构A
    ●木料堆结构A
折射率 2.4
面内晶格周期 P
面外晶格周期 1.4P
柱状结构宽度 0.35P
柱状结构高度 0.35P
图3是表示通过平面波展开法计算的木料堆结构A的光子带隙的示图。图的横坐标代表波数矢量，即，入射到光子晶体上的电磁波的入射方向。例如，点K代表与x轴(或y轴)平行的波数矢量，点x代表在x-y面中相对于x轴(或y轴)具有45°的倾斜角的波数矢量。图的纵坐标代表由晶格周期规格化的规格化频率。
在由图3中的阴影区域表示的频率范围中形成不管光的入射方向如何都不能存在光的完全光子带隙。当在这种三维光子晶体内提供导致周期无序的缺陷时，产生在完全光子带隙内具有频率的缺陷模式。该缺陷模式的频率和波数矢量由缺陷的形状或介质确定。当提供线状缺陷时，波数矢量的维度不限于沿线状缺陷的延伸方向。因此，在缺陷模式中，光沿线状缺陷的延伸方向被引导。
图4A～4D是在木料堆结构A内提供线状缺陷的波导结构B的示意图。图4A是波导结构B的x-z横截面视图。图4B～4D分别是沿截面IVB、截面IVC和截面IVD的波导结构B的x-y横截面视图。波导结构B包含在图1所示的木料堆结构A内沿y轴方向延伸的线状缺陷(第一线状缺陷)20。波导结构B还包含被设置在与具有第一线状缺陷20的层不同的层中并被设置在沿y轴方向延伸的一些柱状结构中的第二线状缺陷200、201、202和203。第一线状缺陷20是在第一层101中去除柱状结构中的一个的区域。第二线状缺陷200～203是通过在第三层103中改变一些柱状结构的柱状结构宽度形成的。
表2表示波导结构B的结构参数。图4A的x-z截面中的第一线状缺陷20的中心被定义为坐标的原点。层内沿x轴方向的各缺陷的长度被定义为缺陷宽度。沿层叠方向(z轴方向)的各缺陷的长度被定义为缺陷高度。
在表2和图4A～图4D中，缺陷宽度由20w和200w～203w表示，并且，缺陷高度由20h和200h～203h表示。
表2
  ◆波导结构B
           ●光子晶体结构
折射率 2.4
面内晶格周期 P
面外晶格周期 1.4P
柱状结构宽度 0.35P
柱状结构高度 0.35P
         ●第一线状缺陷20
中心坐标(x，z) (0.00P，0.00P)
折射率 1.0
缺陷宽度20w 0.35P
缺陷高度20h 0.35P
         ●第二线状缺陷200
中心坐标(x，z) (-0.50P，0.70P)
缺陷宽度200w 0.20P
缺陷高度200h 0.35P
         ●第二线状缺陷201
中心坐标(x，z) (0.50P，0.70P)
缺陷宽度201w 0.20P
缺陷高度201h 0.35P
         ●第二线状缺陷202
中心坐标(x，z) (-0.50P，-0.70P)
缺陷宽度202w 0.20P
缺陷高度202h 0.35P
          ●第二线状缺陷203
中心坐标(x，z) (0.50P，-0.70P)
缺陷宽度203w 0.20P
缺陷高度203h 0.35P
图5A表示通过有限差分时域(FDTD)法计算的波导结构B的波导模式。图的横坐标表示被晶格周期P规格化的波数矢量的波导方向(y轴方向)的分量的大小。图的纵坐标表示被晶格周期P规格化的频率(规格化频率)。由图5A中的区域a表示的频率范围表示完全光子带隙以外的频率范围。在完全光子带隙中存在的模式表示由于缺陷而导致的缺陷模式。由图5A中的区域b表示的频率范围表示可以以缺陷模式中的单模式引导光的频率范围。
如图5A所示，可以以单模式引导光的频率范围在0.449～0.459的范围中。当通过FDTD法计算在波导结构B中仅设置第一线状缺陷20而不设置第二线状缺陷200～203的情况下的波导模式时，可以以单模式引导光的频率范围在0.433～0.440的范围中。这些结果表明，第二线状缺陷200～203的形成可提供可在较宽的频率范围上以单模式引导光的波导。
图5B表示在可以以单模式引导光的频率范围中的波导模式的x-z横截面中的电磁场强度分布。由白色区域表示的部分表示具有较高的电磁场强度的区域。该结果表示，该波导模式具有电磁场强度高度集中在波导的中心附近的单峰电磁场强度分布。
图6表示在波导结构B中的第二线状缺陷200～203的缺陷宽度200w、201w、202w和203w同时变化相同的量的情况下可以以单模式引导光的频率范围的变化。
在图6中，横坐标表示缺陷宽度，纵坐标表示规格化频率。连接图6中各个点的实线和虚线分别表示可以以单模式引导光的频率范围中的高频和低频。通过改变缺陷宽度200w、201w、202w和203w，可以改变可以以单模式引导光的频率范围。因此，在波导结构B中，可以通过改变第二线状缺陷200～203的形状，控制可以以单模式引导光的频率范围。
本实施例的波导结构B可控制可以以单模式引导光的频率范围，并提供在垂直于波导方向的平面内具有单峰或大致呈单峰的强度分布的模式。以下解释其原因。
在波导结构B的波导模式中，当将接近PBG的低频侧的波导模式的电磁场强度分布与接近高频侧的波导模式的电磁场强度分布相比较时，接近低频侧的模式的电磁场强度分布相对高度集中在线状缺陷上。相反，在接近高频侧的模式中，电磁场强度分布扩展到远离线状缺陷的区域。特别地，电磁场强度分布相对于线状缺陷沿层叠方向扩展。
光的频率和波数矢量之间的关系由空间的折射率决定。类似地，波导模式的频率和波数矢量之间的关系由模式折射率决定。因此，当波数矢量为常量时，模式折射率越低，则模式的频率越高。另外，模式折射率由模式的电磁场强度分布被集中在具有高折射率的结构的一部分上的比值确定。
当沿层叠方向在远离线状缺陷的位置上设置第二线状缺陷并改变第二线状缺陷的形状时，接近被引导模式的高频侧的模式的折射率显著改变。因此，模式的频率可显著改变。通过利用这种现象，第二线状缺陷的形状被适当地设计，使得接近高频侧的波导模式的频率被控制为所希望的频率。由此，可以以单模式引导光的频率范围可以被控制。
当在第一线状缺陷附近设置第二线状缺陷时，波导模式的电磁场强度分布强烈受第二线状缺陷影响。由于波导模式的电磁场强度分布具有容易集中在由具有高折射率的材料构成的一部分上的特性，因此，波导模式的电磁场强度分布集中在第二线状缺陷上。因此，在垂直于波导方向的平面中的电磁场强度分布变为双峰分布。
相反，在波导结构B中，由于在远离第一线状缺陷的位置上设置第二线状缺陷，因此，第二线状缺陷对波导模式的电磁场强度分布的影响不显著。因此，在垂直于波导方向的平面中的电磁场强度分布是强度分布高度集中在第一线状缺陷上的单峰分布。
在本实施例中，选择包含沿与第一线状缺陷相同的方向延伸的柱状结构以及被设置为最接近第一线状缺陷的层，并且，在最接近第一线状缺陷而设置的柱状结构上设置第二线状缺陷。作为替代方案，可以在其它柱状结构上设置第二线状缺陷。例如，选择包含沿与第一线状缺陷相同的方向延伸的柱状结构以及被设置为最接近第一线状缺陷的层，并且，可以在在远离第一线状缺陷的位置上设置的柱状结构上设置第二线状缺陷。在这种情况下，可以实现相同的优点。作为替代方案，可以在设置在沿层叠方向进一步远离第一线状缺陷的层中的柱状结构上设置第二线状缺陷。在这种情况下，可以实现相同的优点。
如果沿层叠方向的第一线状缺陷和第二线状缺陷之间的距离在0.5～1.5倍的面外晶格周期的范围内，那么是有效的。其原因如下。当在比0.5倍的面外晶格周期近的位置上设置第二线状缺陷时，难以获得在垂直于波导方向的平面内的电磁场强度分布是单峰分布的波导模式。当在比1.5倍的面外晶格周期远的位置上设置第二线状缺陷时，波导模式的电磁场较弱，并且第二线状缺陷不会显著影响波导模式。
具有第二线状缺陷的柱状结构的数量不限于本实施例中给出的数量。当设置多个线状缺陷时，线状缺陷的形状可相互不同。可以通过控制第二线状缺陷的位置、数量和形状，更精确地控制波导模式的频率。
下面，将说明不管构成光子晶体的柱状结构的介质的折射率如何都可实现本发明的优点的事实。将对波导结构C进行说明，该波导结构C由具有折射率为3.6的柱状结构的三维光子晶体构成并具有与波导结构B相同的结构。表3表示波导结构C的结构参数。
表3
  ◆波导结构C
            ●光子晶体结构
折射率 3.6
面内晶格周期 P
面外晶格周期 1.2P
柱状结构宽度 0.30P
柱状结构高度 0.30P
          ●第一线状缺陷20
中心坐标(x，z) (0.00P，0.00P)
折射率 1.0
缺陷宽度20w 1.70P
缺陷高度20h 0.30P
         ●第二线状缺陷200
中心坐标(x，z) (-0.50P，0.60P)
缺陷宽度200w 0.25P～0.20P
缺陷高度200h 0.30P
          ●第二线状缺陷201
中心坐标(x，z) (0.50P，0.60P)
缺陷宽度201w 0.25P～0.20P
缺陷高度201h 0.30P
           ●第二线状缺陷202
中心坐标(x，z) (-0.50P，-0.60P)
缺陷宽度202w 0.25P～0.20P
缺陷高度202h 0.30P
           ●第二线状缺陷203
中心坐标(x，z) (0.50P，-0.60P)
缺陷宽度203w 0.25 P～0.20P
缺陷高度203h 0.30P
图7表示在波导结构C中的缺陷宽度200w、201w、202w和203w同时变化相同的量的情况下可以以单模式引导光的频率范围的变化。在图7中，横坐标表示缺陷宽度，纵坐标表示规格化频率。连接图7中各个点的实线和虚线分别表示可以以单模式引导光的频率范围中的高频和低频。通过FDTD方法计算波导模式。通过改变缺陷宽度200w、201w、202w和203w，可以以单模式引导光的区域改变。因此，不管构成三维光子晶体结构的介质的折射率如何，都可以通过控制第二线状缺陷的形状，控制可以以单模式引导光的频率范围。
如上所述，根据本实施例，关于通过给木料堆结构提供波导结构产生的结构，可以实现可以以作为单模式并在所希望的频率范围上具有所希望的强度分布的模式引导光的波导。
如公知的结构中那样，使用具有高折射率比的至少两种类型的介质作为用三维光子晶体构成上述波导结构的介质是重要的。基于晶体中的折射率分布获得光子带隙。因此，提供更大的折射率比的介质的组合可提供更宽的光子带隙。为了获得具有有效宽度的光子带隙，折射率比可以为2或更大。可以使用诸如Si、GaAs、InP、Ge、TiO2、GaN、Ta2O5或Nb2O5的具有高折射率的材料作为柱状结构的介质。并且，可以使用在使用的波长范围中没有吸收的透明材料。使用诸如例如SiO2的介电物质、例如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的有机聚合材料、空气或水的具有低折射率的介质作为构成柱状结构的介质以外的介质。构成通过去除柱状结构中的一些形成的第一线状缺陷的介质不限于空气，并且可由上述具有低折射率的介质构成。
例如，关于第一线状缺陷，缺陷的形状与柱状结构的形状相同或不同，并且，折射率可以变化。关于第二线状缺陷，柱状结构的形状相同，另外，第二线状缺陷的位置可以变化。作为替代方案，柱状结构的形状可以变化，另外，缺陷的位置可以变化。作为替代方案，柱状结构的材料的折射率可以变化。这些实施例可以被组合。
可以使用公知的制造方法(诸如重复使用电子束光刻结构构图并层叠的方法、晶片熔接法或纳米压印(nanoimprint)法)以制造波导。
(第二实施例)
图8是光子带隙比木料堆结构的宽的三维光子晶体结构D的示意图。
三维光子晶体结构D包含在x-y面中形成基本周期的十二个层301～312。图9表示各层的x-y横截面的一部分。在第一层301和第层层307中，沿x轴方向以规则的间隔P设置沿y轴方向延伸的多个柱状结构301a和307a。各个柱状结构301a被设置在沿x轴方向从相应的柱状结构307a的位置偏移P/2的位置上。在第四层304和第十层310中，沿y轴方向以规则的间隔P设置沿x轴方向延伸的多个柱状结构304a和310a。各个柱状结构304a被设置在沿y轴方向从相应的柱状结构310a的位置偏移P/2的位置上。
在第二层302和第三层303中，离散结构302a和303a被排列在与第一层301的柱状结构301a和第四层304的柱状结构304a的交点对应的位置上。离散结构302a和303a被离散地排列，以在x-y平面中不相互接触。离散结构302a和303a具有对称性，使得离散结构具有相同形状，并当在x-y平面中旋转90度时相互重叠。类似地，被设置在包含柱状结构的各个层之间的第五层305、第六层306、第八层308、第九层309、第十一层311和第十二层312也包含离散结构。具体地，在与相邻的层的柱状结构的交点对应的位置上、在x-y平面中离散地排列离散结构305a、306a、308a、309a、311a和312a。
通过优化柱状结构和离散结构的材料的折射率、柱状结构或离散结构的形状、设置柱状结构或离散结构的间隔以及各层的厚度等，可以在所希望的频率范围(波长范围)上获得较宽的完全光子带隙。第二、第三、第五、第六、第八、第九、第十一和第十二层是包含离散结构的层。
表4表示在第二实施例中使用的三维光子晶体结构D的结构参数。
术语“面内晶格周期”代表图9中所示的柱状结构的间隔P。术语“面外晶格周期”代表由多个层形成的基本周期。在三维光子晶体结构D中，面外晶格周期代表沿层叠方向与十二个层301～312对应的总长。表4中的术语“折射率”代表构成三维光子晶体结构D的柱状结构和离散结构的介质的折射率。构成三维光子晶体结构D的柱状结构和离散结构以外的部分的介质为空气，且其折射率为1.0。术语“离散结构宽度”代表沿面内方向的图9所示的各离散结构的长度。离散结构宽度在表4和图9中由Dw1和Dw2表示。术语“离散结构高度”代表沿层叠方向(z轴方向)的离散结构的长度。离散结构高度在表4和图8中由Dh表示。
表4
◆三维光子晶体结构D
     ●光子晶体结构
折射率 2.4
面内晶格周期 P
面外晶格周期 1.4P
柱状结构宽度 0.30P
柱状结构高度 0.25P
离散结构宽度Dw1 0.60P
离散结构宽度Dw2 0.40P
离散结构高度Dh 0.05P
图10是表示通过平面波展开法计算的三维光子晶体结构D的光子带隙的示图。
图10的纵坐标与横坐标与第一实施例的图3相同。在由阴影区域表示的频率范围中形成不管光的入射方向如何都不能存在光的完全光子带隙。当在三维光子晶体结构D内提供线状缺陷时，可产生在完全光子带隙内具有频率的波导模式。
图11A～11D是在三维光子晶体结构D内提供线状缺陷的波导结构E的示意图。波导结构E包含在三维光子晶体结构D内沿y轴方向延伸的第一线状缺陷40。波导结构E还包含被设置在与具有第一线状缺陷40的层不同的层中并通过修改沿y轴方向延伸的一些柱状结构制备的第二线状缺陷400、401、402和403。
第一线状缺陷40是第一层的柱状结构中的一个以及设置在第一层上面的两个相邻的层和设置在第一层下面的两个相邻的层的离散结构的一些被去除的区域。
该结构与下面将说明的图14中所示的第一线状缺陷50和图16中所示的第一线状缺陷60相同。
图11A表示波导结构E的x-z横截面。图11B～11D分别是沿截面XIB、截面XIC和截面XID的波导结构E的x-y横截面视图。
表5表示波导结构E的结构参数。波导结构E包含沿y轴方向延伸的柱状结构的宽度是0.20P的第二线状缺陷400、401、402和403。第一线状缺陷40的高度40h是第一层301的高度和设置在第一层301上的两个相邻的层和设置在第一层301下面的两个相邻的层的高度的总和。第一线状缺陷宽度40w对应于第三层303的离散结构宽度Dw1。术语“缺陷宽度”表示层中的沿x轴方向的各缺陷的长度。缺陷宽度在表5和图11B～11D中由40w和400w～403w表示。术语“缺陷高度”表示沿层叠方向(z轴方向)的各缺陷的长度。缺陷高度在表5和图11A中由40h和400h～403h表示。设置在图11A的x-z截面中的第一线状缺陷40的中心被定义为坐标的原点。
表5
  ◆波导结构E
          ●光子晶体结构D
折射率 2.4
面内晶格周期 P
面外晶格周期 1.4P
柱状结构宽度 0.30P
柱状结构高度 0.25P
离散结构宽度Dw1 0.60P
离散结构宽度Dw2 0.40P
离散结构高度Dh 0.05P
           ●第一线状缺陷40
中心坐标(x，z) (0.00P，0.00P)
折射率 1.0
缺陷宽度40w 0.60P
缺陷高度40h 0.45P
           ●第二线状缺陷400
中心坐标(x，z) (-0.50P，0.70P)
缺陷宽度400w 0.2P
缺陷高度400h 0.25P
           ●第二线状缺陷401
中心坐标(x，z) (0.50P，0.70P)
缺陷宽度401w 0.2P
缺陷高度401h 0.25P
            ●第二线状缺陷402
中心坐标(x，z) (-0.50P，-0.70P)
缺陷宽度402w 0.2P
缺陷高度402h 0.25P
           ●第二线状缺陷403
中心坐标(x，z) (0.50P，-0.70P)
缺陷宽度403w 0.2P
缺陷高度403h 0.25P
图12表示通过FDTD法计算的波导结构E的波导模式。图的横坐标表示被晶格周期P规格化的波数矢量的波导方向(y轴方向)的分量的大小。图的纵坐标表示被晶格周期P规格化的频率(规格化频率)。由图12A中的区域a表示的频率范围表示完全光子带隙以外的频率范围。在图12A中，由区域b表示的频率范围表示可以以缺陷模式中的单模式引导光的频率范围。可以以单模式引导光的频率范围在0.462～0.478的范围中。当通过FDTD法计算在波导结构E中仅设置第一线状缺陷40而不设置第二线状缺陷400～403的情况下的波导模式时，可以以单模式引导光的频率范围在0.452～0.466的范围中。这些结果表明，第二线状缺陷400～403的形成可提供可在较宽的频率范围上以单模式引导光的波导。
图12B表示在可以在波导结构E中以单模式引导光的频率范围中的波导模式的x-z横截面中的电磁场强度分布。由白色区域表示的部分表示具有较高的电磁场强度的区域。该结果表示，该波导模式具有电磁场强度高度集中在波导的中心附近的单峰电磁场强度分布。
图13表示在波导结构E中的第二线状缺陷400～403的缺陷宽度400w、401w、402w和403w同时变化相同的量的情况下可以以单模式引导光的频率范围的变化。在图13中，横坐标表示缺陷宽度，纵坐标表示规格化频率。连接图13中的各个点的实线和虚线分别表示可以以单模式引导光的频率范围中的高频和低频。通过改变缺陷宽度400w、401w、402w和403w，可以改变可以以单模式引导光的频率范围。因此，在波导结构E中，可以通过改变在设置在与具有第一线状缺陷40的层不同的层中的一些柱状结构中提供的第二线状缺陷400～403的形状，控制可以以单模式引导光的频率范围。
本实施例的波导结构E可控制可以以单模式引导光的频率范围，并在垂直于波导方向的平面内提供大致呈单峰的强度分布。其原因与第一实施例中相同。
在本实施例中，选择包含沿与第一线状缺陷相同的方向延伸的柱状结构以及被设置为最接近第一线状缺陷的层，并且，在最接近第一线状缺陷而设置的柱状结构上设置第二线状缺陷。作为替代方案，可以在其它柱状结构上设置第二线状缺陷。例如，选择包含沿与第一线状缺陷相同的方向延伸的柱状结构以及被设置为最接近第一线状缺陷的层，并且，可以在在更远离第一线状缺陷的位置上设置的柱状结构上设置第二线状缺陷。在这种情况下，可以实现相同的优点。作为替代方案，可以在设置在沿层叠方向进一步远离第一线状缺陷的层中的柱状结构上设置第二线状缺陷。在这种情况下，可以实现相同的优点。如果沿层叠方向的第一线状缺陷和第二线状缺陷之间的距离在0.5～1.5倍的面外晶格周期的范围内，那么是有效的。其原因如下。在比0.5倍的面外晶格周期近的位置上，难以获得垂直于波导方向的平面内的电磁场强度分布是单峰分布的波导模式。在比1.5倍的面外晶格周期远的位置上，波导模式的电磁场较弱。因此，即使当设置第二线状缺陷时，第二线状缺陷也不显著影响波导模式。
第二线状缺陷的数量不限于本实施例中给出的数量。当设置多个线状缺陷时，线状缺陷的形状可相互不同。
下面，将说明包含三维光子晶体结构D的波导结构F的实施例。在该波导结构F中，取代或除了沿与第一线状缺陷相同的方向的柱状结构，在离散结构的一些上设置第二线状缺陷。
在图14中所示的波导结构F中，在三维光子晶体结构D内设置沿y轴方向延伸的第一线状缺陷50，并且，改变设置在与具有第一线状缺陷50的层不同的层中的离散结构中的一些的形状。第一线状缺陷50的区域充满空气。
图14A表示波导结构F的x-z横截面视图。图14B～14D是x-y横截面视图。在本实施例中，在图14C和14D中所示的各层(与图9中所示的第五层305和第九层309对应)中，最接近第一线状缺陷50而设置的离散结构的x轴方向的宽度改变。图14C和14D表示包含通过改变沿x轴方向的宽度形成的第二线状缺陷500、501、502和503的结构。
表6表示波导结构F的结构参数。第一线状缺陷50的高度50h是第一层301的高度和设置在第一层301上的两个相邻的层和设置在第一层301下面的两个相邻的层的高度的总和。第二线状缺陷的高度与离散结构的高度对应。术语“缺陷宽度”表示层中的沿x-y平面方向的各缺陷的长度。在表6和图14B～14D中，沿x轴方向的长度由50w和500w1～503w1表示，沿y轴方向的长度由500w2～503w2表示。在表6中的缺陷宽度(500w1、501w1、502w1和503w1)的列中，术语“0.00P”意思是不存在线状缺陷的情况。术语“缺陷高度”表示沿层叠方向(z轴方向)的各缺陷的长度。缺陷高度在表6和图14A中由50h和500h～503h表示。通过FDTD法计算波导模式。
表6
  ◆波导结构F
            ●光子晶体结构D
折射率 2.4
面内晶格周期 P
面外晶格周期 1.4P
柱状结构宽度 0.30P
柱状结构高度 0.25P
离散结构宽度Dw1 0.60P
离散结构宽度Dw2 0.40P
离散结构高度Dh 0.05P
            ●第一线状缺陷50
中心坐标(x，z) (0.00P，0.00P)
折射率 1.0
缺陷宽度50w 0.60P
缺陷高度50h 0.45P
           ●第二线状缺陷500
中心坐标(x，z) (-0.50P，0.90P)
缺陷宽度500w1 0.00P～0.40P
缺陷宽度500w2 0.40P
缺陷高度500h 0.05P
           ●第二线状缺陷501
中心坐标(x，z) (0.50P，0.90P)
缺陷宽度501w1 0.00P～0.40P
缺陷宽度501w2 0.40P
缺陷高度501h 0.05P
           ●第二线状缺陷502
中心坐标(x，z) (-0.50P，-0.90P)
缺陷宽度502w1 0.00P～0.40P
缺陷宽度502w2 0.40P
缺陷高度502h 0.05P
           ●第二线状缺陷503
中心坐标(x，z) (0.50P，-0.90P)
缺陷宽度503w1 0.00P～0.40P
缺陷宽度503w2 0.40P
缺陷高度503h 0.05P
图15表示在波导结构F的缺陷宽度500w1、501w1、502w1和503w1同时变化相同的量的情况下可以以单模式引导光的频率范围的变化。在图15中，横坐标表示缺陷宽度，纵坐标表示规格化频率。
连接图15中各个点的实线和虚线分别表示可以以单模式引导光的频率范围中的高频和低频。通过改变缺陷宽度500w1、501w1、502w1和503w1，可以以单模式引导光的频率范围改变。
图16A～16D表示波导结构G。在波导结构G中，在三维光子晶体结构D内设置沿y轴方向延伸的第一线状缺陷60和第二线状缺陷600、601、602和603。通过在图16C和图16D中所示的层中改变最接近第一线状缺陷60设置的离散结构的y轴方向的宽度，形成第二线状缺陷600、601、602和603。表7表示波导结构G的结构参数。在表7和图16B～16D中，沿x轴方向的长度由60w和600w1～603w1表示，沿y轴方向的长度由600w2～603w2表示。在表7中的缺陷宽度(600w2、601w2、602w2和603w2)的列中，术语“0.00P”意思是不存在线状缺陷的情况。术语“缺陷高度”表示沿层叠方向的各缺陷的长度。缺陷高度在表7和图16A中由60h和600h～603h表示。通过FDTD法计算波导模式。
表7
  ◆波导结构G
            ●光子晶体结构D
折射率 2.4
面内晶格周期 P
面外晶格周期 1.4P
柱状结构宽度 0.30P
柱状结构高度 0.25P
离散结构宽度Dw1 0.60P
离散结构宽度Dw2 0.40P
离散结构高度Dh 0.05P
            ●第一线状缺陷60
中心坐标(x，z) (0.00P，0.00P)
折射率 1.0
缺陷宽度60w 0.60P
缺陷高度60h 0.45P
           ●第二线状缺陷600
中心坐标(x，z) (-0.50P，0.85P)
缺陷宽度600w1 0.40P
缺陷宽度600w2 0.00P～0.40P
缺陷高度600h 0.05P
            ●第二线状缺陷601
中心坐标(x，z) (0.50P，0.85P)
缺陷宽度601w1 0.40P
缺陷宽度601w2 0.00P～0.40P
缺陷高度601h 0.05P
           ●第二线状缺陷602
中心坐标(x，z) (-0.50P，-0.85P)
缺陷宽度602w1 0.40P
缺陷宽度602w2 0.00P～0.40P
缺陷高度602h 0.05P
           ●第二线状缺陷603
中心坐标(x，z) (0.50P，-0.85P)
缺陷宽度603w1 0.40P
缺陷宽度603w2 0.00P～0.40P
缺陷高度603h 0.05P
图17表示在波导结构G的缺陷宽度600w1、601w1、602w1和603w1同时变化相同的量的情况下可以以单模式引导光的频率范围的变化。在图17中，横坐标表示缺陷宽度，纵坐标表示规格化频率。连接图17中各个点的实线和虚线分别表示可以以单模式引导光的频率范围中的高频和低频。通过改变缺陷宽度600w2、601w2、602w2和603w2，可以以单模式引导光的频率范围改变。
如上所述，关于通过改变离散结构的形状形成的第二线状缺陷，可以通过改变第二线状缺陷的形状，控制可以以单模式引导光的频率范围。
在本实施例中，在设置在与具有第一线状缺陷的层不同的层中并被设置为最接近第一线状缺陷的离散结构中设置第二线状缺陷。作为替代方案，可以在其它的离散结构中设置第二线状缺陷。
例如，可以在设置在与具有第一线状缺陷的层不同的层中并被设置在更远离第一线状缺陷的位置上的离散结构或被设置在沿层叠方向更远离第一线状缺陷的层中的离散结构中设置第二线状缺陷。作为替代方案，可以在邻近沿y轴方向延伸的柱状结构的离散结构中设置第二线状缺陷。在这些情况下可以实现相同的优点。如果沿层叠方向的第一线状缺陷和第二线状缺陷之间的距离在0.5～1.5倍的面外晶格周期的范围内，那么是有效的。
其原因如下。在比0.5倍的面外晶格周期近的位置上，难以获得垂直于波导方向的平面内的电磁场强度分布是单峰分布的波导模式。另一方面，当在比1.5倍的面外晶格周期远的位置上设置第二线状缺陷时，第二线状缺陷不会显著影响波导模式。
并且，可以同时在柱状结构和离散结构中设置第二线状缺陷。第二线状缺陷的数量不限于本实施例中给出的数量。当设置多个线状缺陷时，缺陷的形状可相互不同。
以下将说明构成光子晶体的介质的折射率不限于上述实施例给出的折射率的事实。在由折射率为3.6的介质构成的光子晶体中，制备结构与图11中所示的波导结构E相同的波导结构H。表8表示波导结构H的结构参数。通过FDTD法计算波导模式。
表8
  ◆波导结构H
           ●光子晶体结构D
折射率 3.6
面内晶格周期 P
面外晶格周期 1.4P
柱状结构宽度 0.25P
柱状结构高度 0.25P
离散结构宽度Dw1 0.60P
离散结构宽度Dw2 0.40P
离散结构高度Dh  0.05P
            ●第一线状缺陷40
中心坐标(x，z) (0.00P，0.00P)
折射率 1.0
缺陷宽度40w 0.60P
缺陷高度40h 0.45P
          ●第二线状缺陷400
中心坐标(x，z) (-0.50P，0.70P)
缺陷宽度400w 0.15P～0.20P
缺陷高度400h 0.25P
           ●第二线状缺陷401
中心坐标(x，z) (0.50P，0.70P)
缺陷宽度401w 0.15P～0.20P
缺陷高度401h 0.25P
           ●第二线状缺陷402
中心坐标(x，z) (-0.50P，-0.70P)
缺陷宽度402w 0.15P～0.20P
缺陷高度402h 0.25P
            ●第二线状缺陷403
中心坐标(x，z) (0.50P，-0.70P)
缺陷宽度403w 0.15P～0.20P
缺陷高度403h 0.25P
图18表示在缺陷宽度400w、401w、402w和403w同时变化相同的量的情况下可以以单模式引导光的频率范围的变化。在图18中，横坐标表示缺陷宽度，纵坐标表示规格化频率。连接图18中的各个点的实线和虚线分别表示可以以单模式引导光的频率范围中的高频和低频。通过改变缺陷宽度400w、401w、402w和403w，改变可以以单模式引导光的频率范围。该结果表明，不管构成三维光子晶体结构的介质的折射率如何，都可以通过控制设置在与具有第一线状缺陷的层不同的层中的第二线状缺陷的形状，控制可以以单模式引导光的范围。
如上所述，本实施例说明了通过在三维光子晶体结构D中形成缺陷制备的波导结构。
根据本实施例中说明的波导结构，可以实现可以以作为单模式并在所希望的频率范围上具有所希望的强度分布的模式引导光的波导。
可用三维光子晶体构成上述波导的介质和用于制造三维光子晶体的方法与第一实施例给出的相同。因此，这里省略进一步的说明。
作为柱状结构中的一些或离散结构中的一些被修改的第二线状缺陷的实施例，可以改变其位置或折射率而不是形状。作为替代方案，除了改变形状外，还可以改变位置或折射率。
本实施例说明了各个附加层包含具有离散结构的两个层的三维光子晶体，但三维光子晶体不限于此。例如，三维光子晶体可具有各附加层包含具有离散结构的一个层或三个或更多个层的结构。作为替代方案，三维光子晶体可具有在柱状结构的一侧设置离散结构的结构。在这些情况下，也可以通过在上述位置上形成线状缺陷实现相同的优点。以下将说明具有离散结构的层的数量是一个和三个的情况。
图39A是具有离散结构的层的数量是一个的三维周期性结构的相关部分的示意图。三维周期性结构2100包含在x-y平面中形成基本周期的八个层2101～2108。
图39B包含各层2101～2108的x-y横截面视图。
在第一层2101和第五层2105中，分别沿x轴方向以规则的间隔(间距)P设置由第一介质(具有第一折射率)构成并沿y轴方向延伸的多个柱状结构2101a和2105a。各个柱状结构2101a被设置在沿x轴方向从相应的柱状结构2105a的位置偏移P/2的位置上。在第三层2103和第七层2107中，分别以规则的间隔(间距)P沿y轴方向设置由第一介质构成并沿x轴方向延伸的多个柱状结构2103a和2107a。各个柱状结构2103a被设置在沿y轴方向从相应的柱状结构2107a的位置偏移P/2的位置上。
在第二层2102中，离散结构被排列在与第一层2101的柱状结构2101a和第三层2103的柱状结构2103a的交点对应的位置上。由第一介质构成的离散结构2102a被离散地排列，以不在x-y平面中相互接触。类似地，在被设置在包含柱状结构的层之间的第四层2104、第六层2106和第八层2108中，离散结构被排列在与相邻的层的柱状结构的交点对应的位置上。例如，排列由第一介质构成并具有与在x-y平面中离散地排列的离散结构2102a相同的形状的离散结构2104a、2106a和2108a。
层的柱状结构2101a、2103a、2105a和2107a以及离散结构2102a、2104a、2106a和2108a相互接触。层的柱状结构以外的部分1a和离散结构以外的部分1a充满第二介质(具有较低的折射率)
图40A是具有离散结构的层的数量是三个的三维周期性结构的相关部分的示意图。三维周期性结构2300包含在x-y平面中形成基本周期的16个层2301～2316。
图40B包含各层2301～2316的x-y横截面视图。
在第一层2301和第九层2309中，分别以规则的间隔P沿x轴方向设置由第一介质构成并沿y轴方向延伸的多个柱状结构2301a和2309a。各个柱状结构2301a被设置在沿x轴方向从相应的柱状结构2309a的位置偏移P/2的位置上。在第五层2305和第13层2313中，分别以规则的间隔P沿y轴方向设置由第一介质构成并沿x轴方向延伸的多个柱状结构2305a和2313a。各个柱状结构2305a被设置在沿y轴方向从相应的柱状结构2313a的位置偏移P/2的位置上。
在第二层2302、第三层2303和第四层2304中，离散结构被排列在与第一层2301的柱状结构2301a和第五层2305的柱状结构2305a的交点对应的位置上。例如，由第一介质构成的离散结构2302a、2303a和2304a被离散地排列，以在x-y平面中不相互接触。
离散结构2302a和2304a具有对称性，使得离散结构具有相同的形状，并当在x-y平面中旋转90度时相互重叠。类似地，被设置在包含柱状结构的各个层之间的第六层2306、第七层2307、第八层2308、第十层2310、第十一层2311和第十二层2312、第十四层2314、第15层2315和第16层2316也包含离散结构。具体地，在与相邻的层的柱状结构的交点对应的位置上、在x-y平面中离散地排列由第一介质构成的离散结构2306a、2307a、2308a、2310a、2311a、2312a、2314a、2315a和2316a。
各层的柱状结构和离散结构相互接触。各层的柱状结构和离散结构以外的部分充满第二介质。通过优化第一介质和第二介质的折射率、柱状结构或离散结构的形状、设置柱状结构或离散结构的间隔以及各层的厚度等，可以在所希望的十分宽的频率范围(波长范围)上获得完全光子带隙。
如图39A所示的结构中那样，柱状结构和离散结构的形状、柱状结构的延伸方向、设置柱状结构或离散结构的间隔以及使用的介质的折射率不限于上述结构的那些。
设置在具有柱状结构的各个层之间的附加层的三种类型的离散结构可在x-y平面中具有不同的面积。例如，附加层可包含面积沿z轴方向依次变化的三种类型的离散结构的层。
为了获得较宽的完全光子带隙，具有离散结构的层的数量可以为四个或更多。但是，在这种情况下，由于制造过程变得复杂，因此，可根据波导结构的预期目的选择具有离散结构的层的数量。
如上所述，具有离散结构的层被离散地排列在具有周期性地设置的柱状结构的各个层之间，由此获得与公知的结构相比更宽的完全光子带隙。
(第三实施例)
图25A～25D是在木料堆结构A内设置线状缺陷的波导结构I的示意图。波导结构I包含在木料堆结构A内沿y轴方向延伸的第一线状缺陷120和第二线状缺陷1200、1201、1202和1203。
第一线状缺陷120是在第一层101中去除柱状结构中的一个的区域。第二线状缺陷1200、1201、1202和1203被设置在与具有第一线状缺陷120的层不同的层中，并且是通过偏移在层中沿y轴方向延伸的柱状结构中的一些的位置形成的。
图25A是波导结构I的x-z横截面视图。图25B～25D是波导结构I的x-y横截面视图。在本实施例中，如图25C和25D所示，将对包含通过沿x轴方向将沿y轴方向延伸的柱状结构中的一些偏移0.10P形成的第二线状缺陷1200、1201、1202和1203的结构进行说明。
表9表示波导结构I的结构参数。x-z截面中的第一线状缺陷120的中心被定义为坐标的原点。层内沿x轴方向的第一线状缺陷120的长度被定义为缺陷宽度。沿层叠方向的第一线状缺陷120的长度被定义为缺陷高度。
并且，在具有第二线状缺陷的各个层中，范围为从位移前的柱状结构的中心坐标到位移后的柱状结构的中心坐标的长度被定义为位移量。关于方向的符号，沿x轴方向接近原点的方向被定义为正方向，而沿x轴方向远离原点的方向被定义为负方向。在表9和图25A和25B中，缺陷宽度由120w表示，缺陷高度由120h表示，位移量由1200Δx、1201Δx、1202Δx和1203Δx表示。
表9
  ◆波导结构I
             ●光子晶体结构
折射率 2.4
面内晶格周期 P
面外晶格周期 1.4P
柱状结构宽度 0.35P
柱状结构高度 0.35P
           ●第一线状缺陷120
中心坐标(x，z) (0.00P，0.00P)
折射率 1.0
缺陷宽度120w 0.35P
缺陷高度120h 0.35P
          ●第二线状缺陷1200
中心坐标(x，z) (-0.40P，0.70P)
位移量1200Δx 0.10P
          ●第二线状缺陷1201
中心坐标(x，z) (0.40P，0.70P)
位移量1201Δx 0.10P
          ●第二线状缺陷1202
中心坐标(x，z) (-0.40P，-0.70P)
位移量1202Δx 0.10P
          ●第二线状缺陷1203
中心坐标(x，z) (0.40P，-0.70P)
位移量1203Δx 0.10P
图26A表示通过FDTD法计算的波导结构I的波导模式。在图26A中，图的横坐标表示被晶格周期P规格化的波数矢量的波导方向(y轴方向)的分量的大小。图的纵坐标表示被晶格周期P规格化的频率(规格化频率)。由图26A中的区域a表示的频率范围表示完全光子带隙以外的频率范围。在完全光子带隙中存在的模式表示由于缺陷而导致的缺陷模式。由图26A中的区域b表示的频率范围表示可以以缺陷模式中的单模式引导光的频率范围。如图26A所示，可以以单模式引导光的频率范围在0.434～0.449的范围中。当通过FDTD法计算在波导结构I中仅设置第一线状缺陷120而不设置第二线状缺陷1200～1203的情况下的波导模式时，可以以单模式引导光的频率范围在0.433～0.440的范围中。这些结果表明，第二线状缺陷1200～1203的形成可提供可在较宽的频率范围上以单模式引导光的波导。
图26B表示在可以在波导结构I中以单模式引导光的频率范围中的波导模式的x-z横截面中的电磁场强度分布。由白色区域表示的部分表示具有较高的电磁场强度的区域。该结果表示，该波导模式具有电磁场强度高度集中在波导的中心附近的单峰电磁场强度分布。
图27表示在波导结构I中的第二线状缺陷的位移量1200Δx、1201Δx、1202Δx和1203Δx同时变化相同的量的情况下可以以单模式引导光的频率范围的变化。横坐标表示位移量，纵坐标表示规格化频率。连接图27中各个点的实线和虚线分别表示可以以单模式引导光的频率范围中的高频和低频。通过改变沿正方向或负方向的位移量1200Δx、1201Δx、1202Δx和1203Δx，改变可以以单模式引导光的频率范围。因此，在波导结构I中，可以通过改变第二线状缺陷的位移量，控制可以以单模式引导光的频率范围。
在本实施例中，选择包含沿与第一线状缺陷相同的方向延伸的柱状结构以及被设置为最接近第一线状缺陷的层，并且，在最接近第一线状缺陷而设置的柱状结构上设置第二线状缺陷。作为替代方案，可以在其它柱状结构上设置线状缺陷。例如，选择包含沿与第一线状缺陷相同的方向延伸的柱状结构以及被设置为最接近第一线状缺陷的层，并且，可以在在远离第一线状缺陷的位置上设置的柱状结构上设置第二线状缺陷。在这种情况下，可以实现相同的优点。作为替代方案，可以在设置在沿层叠方向进一步远离第一线状缺陷的层中的柱状结构上设置第二线状缺陷。在这种情况下，可以实现相同的优点。如果沿层叠方向的第一线状缺陷和第二线状缺陷之间的距离在0.5～1.5倍的面外晶格周期的范围内，那么是有效的。其原因如下。在比0.5倍的面外晶格周期近的位置上，难以获得垂直于波导方向的平面内的电磁场强度分布是单峰分布的波导模式。在比1.5倍的面外晶格周期远的位置上，波导模式的电磁场较弱。因此，即使当设置第二线状缺陷时，第二线状缺陷不会显著影响波导模式。
具有第二线状缺陷的柱状结构的数量不限于本实施例中给出的数量。当设置多个线状缺陷时，线状缺陷的位移量和位移方向可相互不同。可以通过控制第二线状缺陷的数量和位置，更精确地控制波导模式的频率。
并且，将说明不管构成光子晶体的柱状结构的介质的折射率如何都可实现本发明的优点的事实。将对波导结构J进行说明，该波导结构J由具有由折射率为3.6的介质构成的柱状结构的三维光子晶体构成并具有与波导结构I(图25A～25D)相同的结构。表10表示波导结构J的结构参数。
表10
  ◆波导结构J
                 ●光子晶体结构
折射率 3.6
面内晶格周期 P
面外晶格周期 1.2P
柱状结构宽度 1.70P
柱状结构高度 0.30P
               ●第一线状缺陷120
中心坐标(x，z) (0.00P，0.00P)
折射率 1.0
缺陷宽度120w 0.30P
缺陷高度120h 0.30P
               ●第二线状缺陷1200
中心坐标(x，z) (-0.65P～0.35P，0.60P)
位移量1200Δx -0.15P～0.15P
               ●第二线状缺陷1201
中心坐标(x，z) (0.65P～0.35P，0.60P)
位移量1201Δx -0.15P～0.15P
               ●第二线状缺陷1202
中心坐标(x，z) (-0.65P～-0.35P，-0.60P)
位移量1202Δx -0.15P～0.15P
               ●第二线状缺陷1203
中心坐标(x，z) (0.65P～0.35P，-0.60P)
位移量1203Δx -0.15P～0.15P
图28表示在波导结构J中的位移量1200Δx、1201Δx、1202Δx和1203Δx同时变化相同的量的情况下可以以单模式引导光的频率范围的变化。
在图28中，横坐标表示位移量，纵坐标表示规格化频率。连接图28中各个点的实线和虚线分别表示可以以单模式引导光的频率范围中的高频和低频。通过FDTD法计算波导模式。如图28所示，通过改变沿正方向或负方向的位移量1200Δx、1201Δx、1202Δx和1203Δx，可以以单模式引导光的频率范围改变。因此，不管构成三维光子晶体结构的介质的折射率如何，都可以通过改变第二线状缺陷的位移量控制可以以单模式引导光的频率范围。
(第四实施例)
图29A～29D是表示在三维光子晶体结构D内设置线状缺陷的波导结构K的示意图。波导结构K包含在三维光子晶体结构D内沿y轴方向延伸的第一线状缺陷140和第二线状缺陷1400、1401、1402和1403。
第二线状缺陷1400、1401、1402和1403被设置在与具有第一线状缺陷140的层不同的层中，并且是通过偏移在层中沿y轴方向延伸的柱状结构中的一些的位置形成的。
本实施例说明包含通过沿x轴方向将沿y轴方向延伸的柱状结构中的一些偏移0.10P形成的第二线状缺陷1400、1401、1402和1403的结构。表11表示波导结构K的结构参数。第一线状缺陷140的高度140h是第一层301的高度和设置在第一层301上的两个相邻的层和设置在第一层301下面的两个相邻的层的高度的总和。第一线状缺陷140的宽度140w对应于第三层303的离散结构宽度Dw1。x-z截面中的第一线状缺陷140的中心被定义为坐标的原点。层内沿x轴方向的第一线状缺陷的长度被定义为缺陷宽度。沿层叠方向的第一线状缺陷的长度被定义为缺陷高度。在具有第二线状缺陷的各个层中，范围为从位移前的柱状结构的中心坐标到位移后的柱状结构的中心坐标的长度被定义为位移量。关于方向的符号，沿x轴方向接近原点的方向被定义为正方向，而沿x轴方向远离原点的方向被定义为负方向。在表11和图29A和29B中，缺陷宽度由140w表示，缺陷高度由140h表示，位移量由1400Δx、1401Δx、1402Δx和1403Δx表示。
表11
  ◆波导结构K
             ●光子晶体结构D
折射率 2.4
面内晶格周期 P
面外晶格周期 1.4P
柱状结构宽度 0.30P
柱状结构高度 0.25P
离散结构宽度Dw1 0.60P
离散结构宽度Dw2 0.40P
离散结构高度Dh 0.05P
           ●第一线状缺陷140
中心坐标(x，z) (0.00P，0.00P)
折射率 1.0
缺陷宽度140w 0.60P
缺陷高度140h 0.45P
           ●第二线状缺陷1400
中心坐标(x，z) (-0.45P，0.70P)
位移量1400Δx 0.05P
           ●第二线状缺陷1401
中心坐标(x，z) (0.45P，0.70P)
位移量1401Δx 0.05P
           ●第二线状缺陷1402
中心坐标(x，z) (-0.45P，-0.70P)
位移量1402Δx 0.05P
           ●第二线状缺陷1403
中心坐标(x，z) (0.45P，-0.70P)
位移量1403Δx  0.05P
图30A是表示通过FDTD法计算的波导结构K的波导模式的示图。图的横坐标表示被晶格周期P规格化的波数矢量的波导方向(y轴方向)的分量的大小。图的纵坐标表示被晶格周期P规格化的频率(规格化频率)。由图30A中的区域a表示的频率范围表示完全光子带隙以外的频率范围。由图30A中的区域b表示的频率范围表示可以以波导模式中的单模式引导光的频率范围。可以以单模式引导光的频率范围在0.454～0.471的范围中。当通过FDTD法计算在波导结构K中仅设置第一线状缺陷140而不设置第二线状缺陷1400～1403的情况下的波导模式时，可以以单模式引导光的频率范围在0.452～0.466的范围中。这些结果表明，第二线状缺陷1400～1403的形成可提供可在较宽的频率范围上以单模式引导光的波导。
图30B表示在可以在波导结构K中以单模式引导光的频率范围中的波导模式的x-z横截面中的电磁场强度分布。由白色区域表示的部分表示具有较高的电磁场强度的区域。该结果表示，该波导模式具有电磁场强度高度集中在波导的中心附近的单峰电磁场强度分布。
图31表示在波导结构K中的第二线状缺陷的位移量1400Δx、1401Δx、1402Δx和1403Δx同时变化相同的量的情况下可以以单模式引导光的频率范围的变化。在图31中，横坐标表示位移量，纵坐标表示规格化频率。连接图31中各个点的实线和虚线分别表示可以以单模式引导光的频率范围中的高频和低频。通过改变沿正方向或负方向的位移量1400Δx、1401Δx、1402Δx和1403Δx，改变可以以单模式引导光的频率范围。因此，在波导结构K中，可以通过改变第二线状缺陷的位移量，控制可以以单模式引导光的频率范围。
本实施例的波导结构K可控制可以以单模式引导光的频率范围，并在与波导方向垂直的平面中提供大致为单峰的强度分布。其原因与第三实施例中相同。
在本实施例中，选择包含沿与第一线状缺陷相同的方向延伸的柱状结构以及被设置为最接近第一线状缺陷的层，并且，在最接近第一线状缺陷而设置的柱状结构上设置第二线状缺陷。作为替代方案，可以在其它柱状结构上设置线状缺陷。例如，选择包含沿与第一线状缺陷相同的方向延伸的柱状结构以及被设置为最接近第一线状缺陷的层，并且，可以在在远离第一线状缺陷的位置上设置的柱状结构上设置第二线状缺陷。在这种情况下，可以实现相同的优点。作为替代方案，可以在设置在沿层叠方向进一步远离第一线状缺陷的层中的柱状结构上设置第二线状缺陷。在这种情况下，可以实现相同的优点。
如果沿层叠方向的第一线状缺陷和第二线状缺陷之间的距离在0.5～1.5倍的面外晶格周期的范围内，那么是有效的。其原因如下。在比0.5倍的面外晶格周期近的位置上，难以获得垂直于波导方向的平面内的电磁场强度分布是单峰分布的波导模式。在比1.5倍的面外晶格周期远的位置上，波导模式的电磁场较弱。因此，即使当设置第二线状缺陷时，第二线状缺陷不会显著影响波导模式。第二线状缺陷的数量不限于本实施例中给出的数量。当设置多个线状缺陷时，线状缺陷的位移量和位移方向可相互不同。可以通过控制第二线状缺陷的数量、位置和位移量，控制波导模式的频率。
下面，将对包含不仅在沿与第一线状缺陷相同的方向延伸的柱状结构上而且在离散结构上设置第二线状缺陷的三维光子晶体结构D的实施例进行说明。将说明该结构可控制可以以单模式引导光的频率范围的事实。波导结构L包含在三维光子晶体结构D内沿y轴方向延伸的第一线状缺陷150和第二线状缺陷1500、1501、1502和1503。填充第一线状缺陷150的区域是空气。第二线状缺陷1500、1501、1502和1503是通过沿面内方向偏移设置在与具有第一线状缺陷150的层不同的层中的一些离散结构的位置形成的。图32C和图32D表示包含通过沿x轴方向偏移最接近第一线状缺陷150设置的离散结构形成的第二线状缺陷1500、1501、1502和1503的结构。表12表示波导结构L的结构参数。第一线状缺陷150的高度150h是第一层301的高度和设置在第一层301上的两个相邻的层和设置在第一层301下面的两个相邻的层的高度的总和。在具有第二线状缺陷的各个层中，范围为从位移前的离散结构的中心坐标到位移后的离散结构的中心坐标的长度被定义为位移量。关于方向的符号，沿x轴方向接近原点的方向被定义为正方向，而沿x轴方向远离原点的方向被定义为负方向。在表12和图32A和32B中，第一线状缺陷150的缺陷宽度由150w表示，第一线状缺陷150的缺陷高度由150h表示，位移量由1500Δx、1501Δx、1502Δx和1503Δx表示。如上面的实施例那样通过FDTD法计算波导模式。
表12
  ◆波导结构L
               ●光子晶体结构D
折射率 2.4
面内晶格周期 P
面外晶格周期 1.4P
柱状结构宽度 0.30P
柱状结构高度 0.25P
离散结构宽度Dw1 0.60P
离散结构宽度Dw2 0.40P
离散结构高度Dh 0.05P
              ●第一线状缺陷150
中心坐标(x，z) (0.00P，0.00P)
折射率 1.0
缺陷宽度150w 0.60P
缺陷高度150h 0.45P
              ●第二线状缺陷1500
中心坐标(x，z) (-1.00P～0.00P，0.90P)
位移量1500Δx -0.50P～0.50P
              ●第二线状缺陷1501
中心坐标(x，z) (1.00P～0.00P，0.90P)
位移量1501Δx -0.50P～0.50P
             ●第二线状缺陷1502
中心坐标(x，z) (-1.00P～0.00P，-0.90P)
位移量1502Δx -0.50P～0.50P
             ●第二线状缺陷1503
中心坐标(x，z) (1.00P～0.00P，-0.90P)
位移量1503Δx -0.50P～0.50P
图33表示在波导结构L中的位移量1500Δx、1501Δx、1502Δx和1503Δx同时变化相同的量的情况下可以以单模式引导光的频率范围的变化。在图33中，横坐标表示位移量，纵坐标表示规格化频率。连接图33中各个点的实线和虚线分别表示可以以单模式引导光的频率范围中的高频和低频。如图33所示，通过改变沿正方向或负方向的位移量1500Δx、1501Δx、1502Δx和1503Δx，可以以单模式引导光的频率范围改变。
如上所述，在设置在与具有第一线状缺陷的层不同的层中的离散结构中的一些上设置第二线状缺陷，并且，第二线状缺陷的位置沿与第一线状缺陷的延伸方向垂直的方向偏移。由此，可以控制可以以单模式引导光的频率范围。
在本实施例中，在被设置在与具有第一线状缺陷的层不同的层中以及最接近第一线状缺陷而设置的离散结构上设置第二线状缺陷。作为替代方案，可以在其它的离散结构上设置第二线状缺陷。
例如，可以在设置在与具有第一线状缺陷的层不同的层中并被设置在更远离第一线状缺陷的位置上的离散结构或被设置在沿层叠方向更远离第一线状缺陷的层中的离散结构中设置第二线状缺陷。作为替代方案，可以在邻近沿y轴方向延伸的柱状结构的离散结构中设置第二线状缺陷。在这些情况下，可以实现相同的优点。如果沿层叠方向的第一线状缺陷和第二线状缺陷之间的距离在0.5～1.5倍的面外晶格周期的范围内，那么是有效的。并且，可以同时在柱状结构和离散结构中设置第二线状缺陷。第二线状缺陷的数量不限于本实施例中给出的数量。当设置多个线状缺陷时，缺陷的位移量和位移方向可相互不同。本实施例中的第一线状缺陷是通过去除包含在邻近柱状结构的附加层中的柱状结构和离散结构形成的。作为替代方案，可以通过去除柱状结构或柱状结构中的一些或离散结构中的一些，形成第一线状缺陷。
并且，不管构成光子晶体的介质的折射率如何，都可以实现本发明的优点。通过使用由折射率为3.6的介质构成的光子晶体，形成具有与图29A～29D中所示的波导结构K相同的结构的波导结构M。将对在这种情况下可控制可以以单模式引导光的频率范围的事实进行说明。表13表示波导结构M的结构参数。通过FDTD法计算波导模式。
表13
  ◆波导结构M
                 ●光子晶体结构D
折射率 3.6
面内晶格周期 P
面外晶格周期 1.4P
柱状结构宽度 0.25P
柱状结构高度 0.25P
离散结构宽度Dw1 0.60P
离散结构宽度Dw2 0.40P
离散结构高度Dh 0.05P
                ●第一线状缺陷140
中心坐标(x，z) (0.00P，0.00P)
折射率 1.0
缺陷宽度140w 0.60P
缺陷高度140h 0.45P
                ●第二线状缺陷1400
中心坐标(x，z) (-0.40P～-0.30P，0.70P)
位移量1400Δx -0.10P～0.10P
                ●第二线状缺陷1401
中心坐标(x，z) (0.40P～0.30P，0.70P)
位移量1401Δx -0.10P～0.10P
                ●第二线状缺陷1402
中心坐标(x，z) (-0.40P～-0.30P，-0.70P)
位移量1402Δx -0.10P～0.10P
                ●第二线状缺陷1403
中心坐标(x，z) (0.40P～0.30P，-0.70P)
位移量1403Δx -0.10P～0.10P
图34表示在位移量1400Δx、1401Δx、1402Δx和1403Δx同时变化相同的量的情况下可以以单模式引导光的频率范围的变化。在图34中，横坐标表示位移量，纵坐标表示规格化频率。连接图34中各个点的实线和虚线分别表示可以以单模式引导光的频率范围中的高频和低频。其间的频率范围表示可以以单模式引导光的频率范围。通过改变位移量1400Δx、1401Δx、1402Δx和1403Δx，可以以单模式引导光的频率范围改变。因此，不管构成三维光子晶体结构的介质的折射率如何，都可以通过改变设置在与具有第一线状缺陷的层不同的层中的第二线状缺陷的位移量，控制可以以单模式引导光的频率范围。
如上所述，根据本发明的波导结构，可以实现可以以作为单模式并在所希望的频率上具有所希望的强度分布的模式引导光的波导。
使用三维光子晶体构成上述波导结构的介质和用于制造三维光子晶体的方法与第三实施例相同。本实施例说明了各附加层包含具有离散结构的两个层的三维光子晶体，但三维光子晶体不限于此。例如，三维光子晶体可具有各附加层包含具有离散结构的一个层或三个层的结构。作为替代方案，三维光子晶体可具有在柱状结构的一侧设置离散结构的结构。在这些情况下，也可以通过在上述位置形成线状缺陷，实现相同的优点。
(第五实施例)
现在将说明包含本发明的波导的装置的实施例。
首先，说明发光装置。在三维光子晶体中设置点缺陷和线状缺陷。通过优化点缺陷的形状和介质，可以制造在光子带隙中的所希望的频率上具有谐振模式的谐振器。
在谐振器内设置发射光谱包含谐振波长的发光介质，并通过电磁波或电流等从外部向发光介质供给能量。由此，可以实现具有非常高的效率的诸如激光器和LED的发光装置。当通过线状缺陷形成的波导被设置在点缺陷谐振器的附近并且波导在包含于谐振器的谐振模式中的频率上具有波导模式时，在谐振器内产生的光与波导模式耦合，并被提取到谐振器外部。被提取的光作为波导模式在波导内传播，并在波导端部与在三维光子晶体外部的自由空间中传播的模式耦合。由此，可以在三维光子晶体外部引导光。
图19包含发光装置700的示意图，该发光装置700包含本发明的波导和具有通过载流子注入发光的活性部分的点缺陷。发光装置700包含通过在三维光子晶体结构中设置点缺陷701形成的谐振器701a、p型电极702、p型载流子传导路径703、n型电极704和n型载流子传导路径705。
谐振器701a包含通过载流子注入发光的活性部分。通过p型电极702和p型载流子传导路径703向谐振器701a供给空穴，并通过n型电极704和n型载流子传导路径705向谐振器701a供给电子。空穴和电子在谐振器701a内耦合，由此导致发光和激光振荡。
设置波导706，以将光引导到谐振器701a外部。波导706是通过设置第一线状缺陷707和第二线状缺陷708和709形成的。第一线状缺陷707是通过去除三维光子晶体的柱状结构中的一些形成的。在与具有第一线状缺陷707的层不同的层中设置第二线状缺陷708和709。第二线状缺陷708和709的形状的优化可提供在包含于谐振器701a的谐振模式中的频率上具有可以以单模式引导光的波导模式。当波导706关于谐振器701a的位置被设置在适当位置上时，谐振器701a的谐振模式被有效转换成波导模式，并且，可以从波导端部将光引导到三维光子晶体外部。使用这种波导结构可控制波导模式，使得谐振模式的频率与以波导的单模式引导光的频率范围对应。
并且，波导706具有电磁场强度在垂直于波导方向的平面内高度集中在波导的中心的波导模式。因此，可以从波导端部获得电磁场强度分布没有非对称畸变的光。
如上所述，使用根据上述实施例中的一个的波导和点缺陷谐振器，可以实现具有较高的性能的发光装置。
下面，图20表示发光装置800的例子，该发光装置800包含在包含本发明的线状缺陷的波导的线状缺陷中设置活性介质的波导和激励活性介质的激励装置。
波导806被设置在三维光子晶体中。在图20中，波导806包含通过去除柱状结构中的一些形成的第一线状缺陷807。波导806包含通过改变设置在与具有第一线状缺陷807的层不同的层中的一些柱状结构的形状形成、并沿与第一线状缺陷807相同的方向延伸的第二线状缺陷808和809。在该结构中，三维光子晶体810和811被设置在波导外部，使得波导的两端均为高反射面。并且，通过载流子注入发光的活性部分801被设置在第一线状缺陷807内。发光装置800包含p型电极802、p型载流子传导路径803、n型电极804和n型载流子传导路径805。通过p型电极802和p型载流子传导路径803向活性部分801供给空穴，并通过n型电极804和n型载流子传导路径805向活性部分801供给电子。空穴和电子在活性部分801内耦合，由此导致发光。发射的光在第一线状缺陷807中被引导，并在波导的端面上被反射。由此，发射的光在第一线状缺陷807中以往复的方式传播。在这种情况下，沿波导方向的波导806的长度及其结构参数被适当地设计，使得对于从活性部分801发射的光的波导模式满足谐振条件。在这种情况下，发射的光在第一线状缺陷807中谐振并且激光振荡被执行。
本实施例的波导具有电磁场强度在垂直于波导方向的平面中高度集中在波导的中心的波导模式。因此，可以从波导端部获得电磁场强度分布没有非对称畸变的光。
并且，可以通过改变第二线状缺陷808和809的形状，控制波导模式。因此，对于具有任意波长的光满足谐振条件以执行激光振荡。
如上所述，可以使用包含具有设置在根据本实施例的波导的线状缺陷中的活性介质的波导和激励活性介质的激励装置的发光装置，用于实现具有高性能的激光装置。
图21表示通过组合本发明的线状缺陷波导和点缺陷谐振器制造的光分路电路900的例子。波导被设置在三维光子晶体中。图21中的波导包含通过去除柱状结构中的一些形成的第一线状缺陷901和通过改变设置在与具有第一线状缺陷901的层不同的层中的一些柱状结构的形状形成、并沿与第一线状缺陷901相同的方向延伸的第二线状缺陷902和903。并且，由点缺陷构成的谐振器结构904～907被设置在波导的附近。当要分路的波长的数量是n时，可以通过形成n个谐振器，实现所希望的光分路。谐振器结构904～907被设计为使得谐振器结构中的每一个在相互不同的谐振波长下工作。波导结构被设计为使得在包含执行光分路的波长的波长范围中以单模式引导光。通过改变第二线状缺陷的位置、数量和形状的组合，可以控制波导模式，使得在包含谐振波长的范围中以单模式引导光。
包含各个点缺陷谐振器的谐振波长址、λ2、λ3、...、λn的光束被引向这种波导结构，该光束的光谱示于图22中。在这种情况下，具有与各谐振波长对应的波长分量的光束可被吸收到各谐振器中。另一方面，也可以从谐振器到波导执行多路传输。这种光学装置对于在光通信带中使用的光分插装置特别有用。
如上所述，使用包含根据本实施例的线状缺陷波导和点缺陷谐振器的波长滤波器可实现具有高性能的光分插装置。
(第六实施例)
图35包含发光装置1600的示意图，该发光装置1600包含本发明的波导和具有通过载流子注入发光的活性部分的点缺陷。发光装置1600包含通过在三维光子晶体结构中设置点缺陷1601形成的谐振器、p型电极1602、p型载流子传导路径1603、n型电极1604和n型载流子传导路径1605。通过载流子注入发光的活性部分被设置在谐振器内。通过p型电极1602和p型载流子传导路径1603向谐振器供给空穴，并通过n型电极1604和n型载流子传导路径1605向谐振器供给电子。空穴和电子在谐振器内耦合，由此导致发光和激光振荡。根据本发明的波导1606被设置为将光引导到谐振器外部。波导1606是通过设置第一线状缺陷1607和第二线状缺陷1608和1609形成的。第一线状缺陷1607是通过去除三维光子晶体的柱状结构中的一些形成的。在与具有第一线状缺陷1607的层不同的层中设置第二线状缺陷1608和1609。通过移动第二线状缺陷1608和1609的位置以优化位移量，可以获得具有可在包含于谐振器的谐振模式中的频率上以单模式引导光的波导模式的波导。当相对于谐振器的位置将波导设置在适当的位置上时，谐振器的谐振模式被有效转换为波导模式，并且光可从波导端部被引导到三维光子晶体外部。由此，使用根据本发明的波导结构可控制波导模式，使得谐振模式的频率与可以以波导的单模式引导光的频率对应。并且，本发明的波导具有电磁场强度在垂直于波导方向的平面中被高度集中在波导的中心的波导模式。因此，可以从波导端部获得电磁场强度分布没有非对称畸变的光。如上所述，使用根据本发明的波导和点缺陷谐振器，可以实现具有高性能的激光装置。
下面，图36表示发光装置1700的例子，该发光装置1700包含在根据本发明的线状缺陷波导的线状缺陷中设置活性介质的波导和激励活性介质的激励装置。
根据本发明的波导1706被设置在三维光子晶体中。在图36中，波导1706包含通过去除柱状结构中的一些形成的第一线状缺陷1707。波导1706包含通过移动设置在与具有第一线状缺陷1707的层不同的层中的一些柱状结构的位置形成、并沿与第一线状缺陷1707相同的方向延伸的第二线状缺陷1708和1709。在该结构中，三维光子晶体1710和1711被设置在波导外部，使得波导的两端均为高反射面。
并且，通过载流子注入发光的活性部分1701被设置在第一线状缺陷1707内。发光装置1700包含p型电极1702、p型载流子传导路径1703、n型电极1704和n型载流子传导路径1705。通过p型电极1702和p型载流子传导路径1703向活性部分1701供给空穴，并通过n型电极1704和n型载流子传导路径1705向活性部分1701供给电子。空穴和电子在活性部分1701内耦合，由此导致发光。发射的光在第一线状缺陷1707中被引导，并在波导的端面上被反射。由此，发射的光在第一线状缺陷1707中以往复的方式传播。在这种情况下，沿波导方向的波导1706的长度及其结构参数被适当地设计，使得对于从活性部分1701发射的光的波导模式满足谐振条件。在这种情况下，发射的光在第一线状缺陷1707中谐振并且激光振荡被执行。本实施例的波导具有电磁场强度在垂直于波导方向的平面中高度集中在波导的中心的波导模式。因此，可以从波导端部获得电磁场强度分布没有非对称畸变的光。
并且，可以通过改变第二线状缺陷1708和1709的位移量，控制波导模式的波长。因此，对于具有任意波长的光满足谐振条件以执行激光振荡。如上所述，可以使用包含具有设置在根据本实施例的波导的线状缺陷中的活性介质的波导和激励活性介质的激励装置的发光装置，用于实现具有高性能的激光装置。
可以使用各种介质作为在根据希望的谐振波长的上述实施例中说明的发光介质。可使用的发光介质的例子包含化合物半导体、无机发光材料、有机发光材料、聚合物发光材料、量子点和纳米晶体。激励方法的例子包含使用外部光源的光激励和通过电流注入进行的激励。当执行通过电流注入进行的激励时，发光介质可被夹在由诸如Al或Cr的金属或诸如氧化铟锡(ITO)的透明导电材料构成的电极之间以执行发光。并且，可以为多个谐振器结构制备独立工作的电极，由此单独地控制从各谐振器发射的光。
这些装置可被适当地用作用于显示器的光源、用于光通信的光源、用于THz的光源、和用于DVD或下一代蓝光记录介质等的光拾取的光源。
图37表示通过组合本发明的线状缺陷波导和点缺陷谐振器制造的光分路电路1800的例子。本发明的波导被设置在三维光子晶体中。图37中的波导包含通过去除柱状结构中的一些形成的第一线状缺陷1801和通过移动设置在与具有第一线状缺陷1801的层不同的层中的一些柱状结构的位置形成、并沿与第一线状缺陷1801相同的方向延伸的第二线状缺陷1802和1803。并且，点缺陷谐振器结构1804～1807被设置在波导的附近。当要分路的波长的类型的数量是n时，可以通过形成n个谐振器，实现所希望的光分路。谐振器结构1804～1807被设计为使得谐振器结构中的每一个在相互不同的谐振波长下工作。波导结构被设计为使得在包含执行光分路的波长的波长范围中以单模式引导光。通过改变第二线状缺陷的位置、数量和位移量的组合，可以控制波导模式，使得在包含谐振波长的范围中以单模式引导光。
包含各个点缺陷谐振器的谐振波长λ1、λ2、λ3、...、λn的光束被引向这种波导结构，该光束的光谱示于图38中。在这种情况下，具有与各谐振波长对应的波长分量的光束可被吸收到各谐振器中。另一方面，也可以从谐振器到波导执行多路传输。这种光学装置对于在光通信带中使用的光分插装置特别有用。
如上所述，使用包含根据本实施例的线状缺陷波导和点缺陷谐振器的波长滤波器可实现具有高性能的光分插装置。
虽然已参照示例性实施例说明了本发明，但应理解，本发明不限于公开的示例性实施例。应给予以下的权利要求的范围最宽的解释，以包含所有的变型、等同结构和功能。

Claims (14)

1.一种波导，包含三维光子晶体的多个线状缺陷，其中，三维光子晶体包含：包含以预定的间隔设置的多个柱状结构的第一层；包含以预定的间隔设置的多个柱状结构的第二层，这些柱状结构沿与第一层中的柱状结构延伸的方向不同的方向延伸；包含以预定的间隔设置的多个柱状结构的第三层，这些柱状结构沿与第一层中的柱状结构相同的方向延伸；和包含以预定的间隔设置的多个柱状结构的第四层，这些柱状结构沿与第二层中的柱状结构相同的方向延伸，其中，第一层和第三层被层叠，使得设置在第一层中包含的柱状结构的位置沿与柱状结构的延伸方向垂直的方向相对于设置在第三层中包含的柱状结构的位置偏移所述预定的间隔的一半，并且，第二层和第四层被层叠，使得设置在第二层中包含的柱状结构的位置沿与柱状结构的延伸方向垂直的方向相对于设置在第四层中包含的柱状结构的位置偏移所述预定的间隔的一半，
所述多个线状缺陷包含通过将柱状结构中的一些的介质改变为与柱状结构的介质不同的介质形成的第一线状缺陷、和通过移动沿与第一线状缺陷相同的方向延伸的柱状结构中的一些的位置或改变其形状形成的第二线状缺陷，并且，
第一线状缺陷和第二线状缺陷被设置为沿三维光子晶体的层叠方向分开0.5倍的面外晶格周期或更远。
2.一种波导，包含三维光子晶体的多个线状缺陷，其中，三维光子晶体包含：包含以预定的间隔设置的多个柱状结构的第一层；包含以预定的间隔设置的多个柱状结构的第二层，这些柱状结构沿与第一层中的柱状结构延伸的方向不同的方向延伸；包含以预定的间隔设置的多个柱状结构的第三层，这些柱状结构沿与第一层中的柱状结构相同的方向延伸；包含以预定的间隔设置的多个柱状结构的第四层，这些柱状结构沿与第二层中的柱状结构相同的方向延伸；和附加层，每个附加层包含至少一个包含离散地设置在与上述四个层中的每一个平行的面中的离散结构的层，其中，第一层到第四层被依次层叠，使得附加层中的一个被设置在上述四个层中的每一对相邻的层中的各个层之间，第一层和第三层被层叠，使得设置在第一层中包含的柱状结构的位置沿与柱状结构的延伸方向垂直的方向相对于设置在第三层中包含的柱状结构的位置偏移所述预定的间隔的一半，并且，第二层和第四层被层叠，使得设置在第二层中包含的柱状结构的位置沿与柱状结构的延伸方向垂直的方向相对于设置在第四层中包含的柱状结构的位置偏移所述预定的间隔的一半，包含于附加层中的离散结构被设置在与柱状结构的交点对应的位置上，
所述多个线状缺陷包含通过将柱状结构中的一些的介质或柱状结构中的一些和包含于邻近柱状结构的附加层中的离散结构中的一些的介质改变为与柱状结构和离散结构的介质不同的介质形成的第一线状缺陷、和通过移动沿与第一线状缺陷相同的方向延伸的柱状结构中的一些的位置或改变其形状形成的第二线状缺陷，并且，
第一线状缺陷和第二线状缺陷被设置为沿三维光子晶体的层叠方向分开0.5倍的面外晶格周期或更远。
3.一种波导，包含三维光子晶体的多个线状缺陷，其中，三维光子晶体包含：包含以预定的间隔设置的多个柱状结构的第一层；包含以预定的间隔设置的多个柱状结构的第二层，这些柱状结构沿与第一层中的柱状结构延伸的方向不同的方向延伸；包含以预定的间隔设置的多个柱状结构的第三层，这些柱状结构沿与第一层中的柱状结构相同的方向延伸；包含以预定的间隔设置的多个柱状结构的第四层，这些柱状结构沿与第二层中的柱状结构相同的方向延伸；和附加层，每个附加层包含至少一个包含离散地设置在与上述四个层中的每一个平行的面中的离散结构的层，其中，第一层到第四层被依次层叠，使得附加层中的一个被设置在上述四个层中的每一对相邻的层中的各个层之间，第一层和第三层被层叠，使得设置在第一层中包含的柱状结构的位置沿与柱状结构的延伸方向垂直的方向相对于设置在第三层中包含的柱状结构的位置偏移所述预定的间隔的一半，并且，第二层和第四层被层叠，使得设置在第二层中包含的柱状结构的位置沿与柱状结构的延伸方向垂直的方向相对于设置在第四层中包含的柱状结构的位置偏移所述预定的间隔的一半，包含于附加层中的离散结构被设置在与柱状结构的交点对应的位置上，
所述多个线状缺陷包含通过将柱状结构中的一些的介质或柱状结构中的一些和包含于邻近柱状结构的附加层中的离散结构中的一些的介质改变为与柱状结构和离散结构的介质不同的介质形成的第一线状缺陷、和通过移动离散结构中的一些的位置或改变其形状形成的第二线状缺陷，并且，
第一线状缺陷和第二线状缺陷被设置为沿三维光子晶体的层叠方向分开0.5倍的面外晶格周期或更远。
4.一种波导，包含三维光子晶体的多个线状缺陷，其中，三维光子晶体包含：包含以预定的间隔设置的多个柱状结构的第一层；包含以预定的间隔设置的多个柱状结构的第二层，这些柱状结构沿与第一层中的柱状结构延伸的方向不同的方向延伸；包含以预定的间隔设置的多个柱状结构的第三层，这些柱状结构沿与第一层中的柱状结构相同的方向延伸；包含以预定的间隔设置的多个柱状结构的第四层，这些柱状结构沿与第二层中的柱状结构相同的方向延伸；和附加层，每个附加层包含至少一个包含离散地设置在与上述四个层中的每一个平行的面中的离散结构的层，其中，第一层到第四层被依次层叠，使得附加层中的一个被设置在上述四个层中的每一对相邻的层中的各个层之间，第一层和第三层被层叠，使得设置在第一层中包含的柱状结构的位置沿与柱状结构的延伸方向垂直的方向相对于设置在第三层中包含的柱状结构的位置偏移所述预定的间隔的一半，并且，第二层和第四层被层叠，使得设置在第二层中包含的柱状结构的位置沿与柱状结构的延伸方向垂直的方向相对于设置在第四层中包含的柱状结构的位置偏移所述预定的间隔的一半，包含于附加层中的离散结构被设置在与柱状结构的交点对应的位置上，
所述多个线状缺陷包含通过将柱状结构中的一些的介质或柱状结构中的一些和包含于邻近柱状结构的附加层中的离散结构中的一些的介质改变为与柱状结构和离散结构的介质不同的介质形成的第一线状缺陷、和通过移动沿与上述柱状结构相同的方向延伸的柱状结构中的一些和离散结构中的一些的位置或改变它们的形状形成的第二线状缺陷，并且，
第一线状缺陷和第二线状缺陷被设置为沿三维光子晶体的层叠方向分开0.5倍的面外晶格周期或更远。
5.一种波导，包含三维光子晶体的多个线状缺陷，其中，三维光子晶体包含：包含以预定的间隔设置的多个柱状结构的第一层；包含以预定的间隔设置的多个柱状结构的第二层，这些柱状结构沿与第一层中的柱状结构延伸的方向不同的方向延伸；包含以预定的间隔设置的多个柱状结构的第三层，这些柱状结构沿与第一层中的柱状结构相同的方向延伸；和包含以预定的间隔设置的多个柱状结构的第四层，这些柱状结构沿与第二层中的柱状结构相同的方向延伸，其中，第一层和第三层被层叠，使得设置在第一层中包含的柱状结构的位置沿与柱状结构的延伸方向垂直的方向相对于设置在第三层中包含的柱状结构的位置偏移所述预定的间隔的一半，并且，第二层和第四层被层叠，使得设置在第二层中包含的柱状结构的位置沿与柱状结构的延伸方向垂直的方向相对于设置在第四层中包含的柱状结构的位置偏移所述预定的间隔的一半，
所述多个线状缺陷包含通过将柱状结构中的一些的介质改变为与柱状结构的介质不同的介质形成的第一线状缺陷、和通过移动沿与第一线状缺陷相同的方向延伸的柱状结构中的一些的位置并改变其形状形成的第二线状缺陷，并且，
第一线状缺陷和第二线状缺陷被设置为沿三维光子晶体的层叠方向分开0.5倍的面外晶格周期或更远。
6.一种波导，包含三维光子晶体的多个线状缺陷，其中，三维光子晶体包含：包含以预定的间隔设置的多个柱状结构的第一层；包含以预定的间隔设置的多个柱状结构的第二层，这些柱状结构沿与第一层中的柱状结构延伸的方向不同的方向延伸；包含以预定的间隔设置的多个柱状结构的第三层，这些柱状结构沿与第一层中的柱状结构相同的方向延伸；包含以预定的间隔设置的多个柱状结构的第四层，这些柱状结构沿与第二层中的柱状结构相同的方向延伸；和附加层，每个附加层包含至少一个包含离散地设置在与上述四个层中的每一个平行的面中的离散结构的层，其中，第一层到第四层被依次层叠，使得附加层中的一个被设置在上述四个层中的每一对相邻的层中的各个层之间，第一层和第三层被层叠，使得设置在第一层中包含的柱状结构的位置沿与柱状结构的延伸方向垂直的方向相对于设置在第三层中包含的柱状结构的位置偏移所述预定的间隔的一半，并且，第二层和第四层被层叠，使得设置在第二层中包含的柱状结构的位置沿与柱状结构的延伸方向垂直的方向相对于设置在第四层中包含的柱状结构的位置偏移所述预定的间隔的一半，包含于附加层中的离散结构被设置在与柱状结构的交点对应的位置上，
所述多个线状缺陷包含通过将柱状结构中的一些的介质或柱状结构中的一些和包含于邻近柱状结构的附加层中的离散结构中的一些的介质改变为与柱状结构和离散结构的介质不同的介质形成的第一线状缺陷、和通过移动沿与第一线状缺陷相同的方向延伸的柱状结构中的一些的位置并改变其形状形成的第二线状缺陷，并且，
第一线状缺陷和第二线状缺陷被设置为沿三维光子晶体的层叠方向分开0.5倍的面外晶格周期或更远。
7.一种波导，包含三维光子晶体的多个线状缺陷，其中，三维光子晶体包含：包含以预定的间隔设置的多个柱状结构的第一层；包含以预定的间隔设置的多个柱状结构的第二层，这些柱状结构沿与第一层中的柱状结构延伸的方向不同的方向延伸；包含以预定的间隔设置的多个柱状结构的第三层，这些柱状结构沿与第一层中的柱状结构相同的方向延伸；包含以预定的间隔设置的多个柱状结构的第四层，这些柱状结构沿与第二层中的柱状结构相同的方向延伸；和附加层，每个附加层包含至少一个包含离散地设置在与上述四个层中的每一个平行的面中的离散结构的层，其中，第一层到第四层被依次层叠，使得附加层中的一个被设置在上述四个层中的每一对相邻的层中的各个层之间，第一层和第三层被层叠，使得设置在第一层中包含的柱状结构的位置沿与柱状结构的延伸方向垂直的方向相对于设置在第三层中包含的柱状结构的位置偏移所述预定的间隔的一半，并且，第二层和第四层被层叠，使得设置在第二层中包含的柱状结构的位置沿与柱状结构的延伸方向垂直的方向相对于设置在第四层中包含的柱状结构的位置偏移所述预定的间隔的一半，包含于附加层中的离散结构被设置在与柱状结构的交点对应的位置上，
所述多个线状缺陷包含通过将柱状结构中的一些的介质或柱状结构中的一些和包含于邻近柱状结构的附加层中的离散结构中的一些的介质改变为与柱状结构和离散结构的介质不同的介质形成的第一线状缺陷、和通过移动离散结构中的一些的位置并改变其形状形成的第二线状缺陷，并且，
第一线状缺陷和第二线状缺陷被设置为沿三维光子晶体的层叠方向分开0.5倍的面外晶格周期或更远。
8.一种波导，包含三维光子晶体的多个线状缺陷，其中，三维光子晶体包含：包含以预定的间隔设置的多个柱状结构的第一层；包含以预定的间隔设置的多个柱状结构的第二层，这些柱状结构沿与第一层中的柱状结构延伸的方向不同的方向延伸；包含以预定的间隔设置的多个柱状结构的第三层，这些柱状结构沿与第一层中的柱状结构相同的方向延伸；包含以预定的间隔设置的多个柱状结构的第四层，这些柱状结构沿与第二层中的柱状结构相同的方向延伸；和附加层，每个附加层包含至少一个包含离散地设置在与上述四个层中的每一个平行的面中的离散结构的层，其中，第一层到第四层被依次层叠，使得附加层中的一个被设置在上述四个层中的每一对相邻的层中的各个层之间，第一层和第三层被层叠，使得设置在第一层中包含的柱状结构的位置沿与柱状结构的延伸方向垂直的方向相对于设置在第三层中包含的柱状结构的位置偏移所述预定的间隔的一半，并且，第二层和第四层被层叠，使得设置在第二层中包含的柱状结构的位置沿与柱状结构的延伸方向垂直的方向相对于设置在第四层中包含的柱状结构的位置偏移所述预定的间隔的一半，包含于附加层中的离散结构被设置在与柱状结构的交点对应的位置上，
所述多个线状缺陷包含通过将柱状结构中的一些的介质或柱状结构中的一些和包含于邻近柱状结构的附加层中的离散结构中的一些的介质改变为与柱状结构和离散结构的介质不同的介质形成的第一线状缺陷、和通过移动沿与上述柱状结构相同的方向延伸的柱状结构中的一些和离散结构中的一些的位置并改变它们的形状形成的第二线状缺陷，并且，
第一线状缺陷和第二线状缺陷被设置为沿三维光子晶体的层叠方向分开0.5倍的面外晶格周期或更远。
9.根据权利要求1的波导，其中，第一线状缺陷和第二线状缺陷被设置为沿三维光子晶体的层叠方向分开1.5倍或更小的面外晶格周期。
10.根据权利要求1的波导，其中，第二线状缺陷被设置在最接近第一线状缺陷而设置的柱状结构上。
11.一种发光装置，包含根据权利要求1的波导和包含三维光子晶体的点缺陷的谐振器，其中，从谐振器发射的光在波导中被引导。
12.一种发光装置，包含根据权利要求1的波导和激励装置，其中，波导中的第一线状缺陷或第二线状缺陷包含活性介质并且激励装置激励活性介质。
13.一种光分插电路，该光分插电路包含根据权利要求1的波导和包含三维光子晶体的点缺陷的谐振器。
14.一种包含三维光子晶体的波导，该三维光子晶体包含：
包含以预定的间隔配置的多个柱状结构的第一层；
包含以所述间隔配置以沿与第一层的柱状结构的纵向不同的方向延伸的多个柱状结构的第二层；
包含以所述间隔配置以沿第一层的柱状结构的纵向延伸的多个柱状结构的第三层，该第三层的柱状结构沿与其纵向垂直的方向从第一层的柱状结构偏移所述间隔的一半；
包含以所述间隔配置以沿第二层的柱状结构的纵向延伸的多个柱状结构的第四层，该第四层的柱状结构沿与其纵向垂直的方向从第二层的柱状结构偏移所述间隔的一半，
其特征在于，该三维光子晶体具有：设置在柱状结构的一部分上的第一线状缺陷，该第一线状缺陷包含与柱状结构不同的介质；和设置在沿第一线状缺陷的纵向延伸的柱状结构的一部分上的第二线状缺陷，该第二线状缺陷具有与柱状结构不同的结构并沿层叠各个层的方向与第一线状缺陷分开三维光子晶体的面外晶格周期的至少0.5倍的距离。
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