JP2002071981A - 光素子 - Google Patents
光素子Info
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-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
Abstract
る光の反射損失が小さい光素子を提供する。 【解決手段】 第1の屈折率を有する通常媒質領域12
と、第1の屈折率と異なる第2の屈折率を平均屈折率と
して、位置によって屈折率が周期的に変化しているフォ
トニック結晶領域13と、通常媒質領域12とフォトニ
ック結晶領域13との間に介在し、屈折率が第1の屈折
率から第2の屈折率へと徐々に変化している中間領域1
4とを具備する。
Description
関し、特に、位置によって屈折率が周期的に変化するフ
ォトニック結晶を用いた光素子に関する。
散特性を示すフォトニック結晶の開発が進んでおり、光
変調素子や光偏向素子やスイッチング素子等の光素子へ
の応用が期待されている。フォトニック結晶は、第1の
材料中に屈折率の異なる第2の材料を光の波長程度の周
期で配列させることによって構成されており、位置によ
て屈折率が周期的に変化する性質を有している。このよ
うなフォトニック結晶が示す特性については、例えば、
H.Kosaka等による「Superprism phenomena in photonic
crystals」(Physical Review B Vol.58,No.16,1998年
10月15日)等に詳述されている。
ニック結晶を用いた従来の光素子においては、フォトニ
ック結晶と通常媒質との界面における光の反射損失が大
きく、未だ改良すべき問題点が残されていることが、本
発明者達の解析によって明らかになった。上記問題点に
鑑みて、本発明は、フォトニック結晶と通常媒質との界
面における光の反射損失が小さい光素子を提供すること
を目的とする。
め、本発明に係る光素子は、第1の屈折率を有する通常
媒質領域と、第1の屈折率と異なる第2の屈折率を平均
屈折率として、位置によって屈折率が周期的に変化して
いるフォトニック結晶領域と、通常媒質領域とフォトニ
ック結晶領域との間に介在し、屈折率が第1の屈折率か
ら第2の屈折率へと徐々に変化している中間領域とを具
備する。
を第1の屈折率から第2の屈折率へと徐々に変えている
ため、通常媒質領域とフォトニック結晶領域との間にお
けるインピーダンスの不整合が中間領域において徐々に
解消される。従って、フォトニック結晶領域の界面にお
ける光の反射損失を抑えることができる。
本発明の実施形態について説明する。尚、以下に用いら
れる諸数値は、一例としての値であって、本発明の範囲
内において様々な値に変更することが可能である。
の中央部にフォトニック結晶領域102を形成すること
によって構成される光素子100を示す平面図である。
図1に示すフォトニック結晶領域102においては、円
柱状の複数の空孔103が、光の進行方向と直交して5
層に形成されて2次元三角格子状に配列されており、こ
れらの空孔103には空気が満たされている。本実施形
態においては、基板101の実効屈折率を3.065と
し、例えば、対象となる光の真空中の波長が1.55μ
mである場合には、空孔103の半径rを0.387μ
m、空孔103が配列されるピッチaを0.93μmと
する。
は、例えば、基板101上の空孔103を形成しない部
分にレジストを形成した後、垂直性の良いドライエッチ
ングを基板101に施すことによって形成される。
周期構造による多重散乱の影響を受け、その伝播特性
は、半導体における電子のバンド図に類似したフォトニ
ックバンド図によって説明される。例えば、図1に示す
フォトニック結晶領域102中を紙面に平行に光が伝播
し、その偏波面も紙面に平行である場合には、図2に示
すようなフォトニックバンド図(還元ゾーン形式)が得
られる。フォトニックバンド図は、逆格子空間における
波数ベクトルと、規格化周波数(Ω=ωa/(2πc)
但し、ωは光の角周波数、aは空孔間のピッチ、cは
真空中の光速)との関係を与える。尚、図2の横軸に付
した各記号「Γ」や「M」や「K」は、図3に示すよう
な第1ブリルアンゾーン(the first Brillouin zone)
における特定の波数ベクトルを表している。
には、光がフォトニック結晶中を伝搬できない規格化周
波数帯域(フォトニックバンドギャップ)が存在する。
このため、フォトニックバンドギャップよりも低いか又
は高い規格化周波数帯域の光がフォトニック結晶中を伝
搬する。図2においては、0.29〜0.45の規格化
周波数帯域がフォトニックバンドギャップである。ま
た、0.45〜0.80の規格化周波数帯域(伝搬帯
域)において、フォトニック結晶領域102中をy軸の
負方向に伝搬する光(点Γ〜点Mの波数ベクトル)が存
在する。
て光素子を作製する場合には、フォトニック結晶の伝搬
帯域に属する光の、同結晶の透過前後における損失が低
いことが理想である。そこで、本発明者達は、図2にお
ける0.5〜0.75の規格化周波数帯域に属するガウ
ス分布パルス光を図1の矢印方向へ伝搬させ、フォトニ
ック結晶領域102から出射された直後の位置Pにおい
てシミュレーションにより求められた光の強度に基づい
て透過率と反射率を計算した。尚、このシミュレーショ
ンは、フォトニック結晶の数値解析に一般的に用いられ
ているFDTD法を用いて行われた。
化周波数と透過率及び反射率との関係を示す図である。
尚、図4において、実線は透過率、破線は反射率を表し
ている。図4に示すように、図1のフォトニック結晶領
域102の伝搬領域に属する光を同領域102中に伝搬
させたにも拘わらず、透過率は−8dB〜−10dBで
あり、光の強度がフォトニック結晶領域102の透過前
後において1桁近く落ちていることが分かる。一方、フ
ォトニック結晶領域102の伝搬領域に属する光の、同
領域102の界面における反射率は高い。従って、フォ
トニック結晶領域102の界面における反射損失が、同
領域102の透過前後における光強度の低下の主な原因
であると推察される。このような損失は、フォトニック
結晶の伝搬領域に属する透過光を利用する場合には不適
当であり、出力信号のS/Nが悪化したり光源のハイパ
ワー化が必要になる。
面積比からも分かるように空孔103が支配的であるこ
とから、同領域102の平均屈折率はシリコンに比べて
低い。空孔が2次元三角格子状に配列しているフォトニ
ック結晶領域の平均屈折率N AVは、次の数式(1)によ
って与えられる。 NAV=N1πr2+N2{a2sqrt(3)/2−πr2}…(1) ここで、 N1:空孔に充填された材料の屈折率 N2:背景材料の屈折率 sqrt(x):xの正の平方根を求める関数式 を表している。
1、N2=3.065、a=0.93μm、r=0.3
87μmを代入すると、平均屈折率NAVが1.32とな
る。この場合に通常媒質領域の材料が屈折率N=3.0
65であると、屈折率Nと平均屈折率NAVとの比が2.
3と大きい値を示す。従って、フォトニック結晶の伝搬
帯域に属する光であっても、フォトニック結晶と通常媒
質との界面におけるインピーダンスの不整合が大きいた
めに、その光が界面から強く反射されてしまうと考えら
れる。そして、屈折率Nと平均屈折率NAVとの比が2.
3より大きくなると、フォトニック結晶と通常媒質との
界面において光がさらに強く反射される。
うな中間領域を通常媒質領域とフォトニック結晶領域の
間に介在させることによって、フォトニック結晶の伝搬
帯域に属する光の透過率の向上を試みた。
素子の構成を示す平面図である。光素子10は、シリコ
ンを媒質とする基板11の中央部にフォトニック結晶領
域13を形成し、さらに、基板11の上部の通常媒質領
域12とフォトニック結晶領域13との間に中間領域1
4を形成することによって構成されている。
柱状の複数の空孔15が2次元三角格子状に配列されて
おり、これらの空孔15には空気が満たされている。一
方、中間領域14においては、通常媒質領域12に向け
て先細りとなった突部17を有する空孔16が横1列
(x軸の正方向)に等間隔に配列されており、突部17
の下半分は半円柱部18となっている。フォトニック結
晶領域13の場合と同様に、これらの空孔16にも空気
が満たされている。
16の突部17の長さbと、フォトニック結晶領域13
における空孔15間のピッチaとの比であるアスペクト
比を変えて、フォトニック結晶領域13の伝搬帯域に属
する光の同領域13に対する透過率と反射率を計測し
た。図6〜図15は、アスペクト比が1〜10の各々の
場合における、規格化周波数と透過率及び反射率との関
係を示す図である。尚、各図において、実線は透過率、
破線は反射率を表している。これらの図に示されている
ように、アスペクト比を3以上とすると、フォトニック
結晶の伝搬帯域(0.5〜0.75の規格化周波数帯
域)の広範囲に亘って、伝搬領域に属する光の同結晶に
対する透過率の増加が見られ、平均的には透過率が4d
B〜5dB改善されることが分かる。この場合におい
て、中間領域14の平均屈折率とフォトニック結晶領域
13の平均屈折率との比は、2.3未満とする。
ける空孔16を通常媒質領域12に向けて先細りの形状
とすることによって、中間領域14において、屈折率を
通常媒質領域12の屈折率からフォトニック結晶領域1
3の平均屈折率へと徐々に下げている。従って、通常媒
質領域12とフォトニック結晶領域13の間におけるイ
ンピーダンスの不整合が中間領域14において徐々に解
消され、フォトニック結晶領域13の界面における光の
反射損失を抑えることができる。
率Nとフォトニック結晶領域13の平均屈折率NAVとの
比が2.3より大きくなると、通常媒質領域12とフォ
トニック結晶領域13との界面において光が強く反射さ
れるが、上述したような中間領域14を設けることによ
って、上記実施形態と同様に、フォトニック結晶領域1
3の界面における光の反射損失を抑えることができる。
光素子の構成を示す平面図である。以下、図5と共通す
る要素に同じ参照符号を付して、これらの説明を省略す
る。光素子20の中間領域14においては、フォトニッ
ク結晶領域13よりも大きいピッチで、円柱状の複数の
空孔21が2次元三角格子状に配列されており、これら
の空孔21にも空気が満たされている。
領域13の空孔15と同じ形状の空孔21を、フォトニ
ック結晶領域13よりも低密度で中間領域14に配列さ
せることによって、通常媒質領域12とフォトニック結
晶領域13の間におけるインピーダンスの不整合を徐々
に解消させている。従って、本実施形態によって第1の
実施形態と同様の効果を達成できる。
光素子の構成を示す平面図である。光素子30の中間領
域14においては、フォトニック結晶領域13と同じピ
ッチで、円柱状の複数の空孔31が2次元三角格子状に
配列されているものの、これらの空孔31には、通常媒
質領域12の材料(例えば、シリコン)よりも屈折率が
小さく空気よりも屈折率が大きい材料(例えば、硝子)
が充填されている。
領域13と同じ密度で配列された空孔31に、通常媒質
領域12を構成する材料よりも屈折率が小さく空気より
も屈折率が大きい材料を充填することによって、通常媒
質領域12とフォトニック結晶領域13の間におけるイ
ンピーダンスの不整合を徐々に解消させている。従っ
て、本実施形態によって第1の実施形態と同様の効果を
達成できる。
トニック結晶領域における空孔の配列は、図2のような
2次元三角格子配列に限らず、2次元正方格子配列等の
他の2次元的な周期配列や3次元的な周期配列であって
も良い。このように空孔を配列させた場合にも第1〜第
3の実施形態を適用することによって、同じ効果を達成
できる。
ォトニック結晶領域の空孔や媒質を電場によって屈折率
が変化する材料により構成すれば、光素子を光変調素
子、光偏向素子又は光のスイッチング素子として用いる
ことができる。即ち、光素子のフォトニック結晶領域の
各端面に電極を対向するように取り付け、これらの電極
間に電場を印加してフォトニック結晶領域の屈折率を変
化させることによって、この領域を通過する光の強度や
向きを変えることができ、光の変調、偏向、スイッチン
グ等を行うことができる。尚、電場によって屈折率を変
えることができる材料としては、例えば、ニオブ酸リチ
ウムを挙げることができる。
フォトニック結晶と通常媒質との界面における光の反射
損失を抑えることができ、光の透過性に優れた光素子を
提供することができる。
に平行に伝播し、その偏波面も紙面に平行である場合に
おけるフォトニックバンド図である。
ンを特定の規格化周波数で輪切りにした図である。
属する光を同領域に透過させた場合における規格化周波
数と透過率及び反射率との関係を示す図である。
示す平面図である。
とし、同図のフォトニック結晶領域の伝搬帯域に属する
光を同領域に透過させた場合における規格化周波数と透
過率及び反射率との関係を示す図である。
とし、同図のフォトニック結晶領域の伝搬帯域に属する
光を同領域に透過させた場合における規格化周波数と透
過率及び反射率との関係を示す図である。
とし、同図のフォトニック結晶領域の伝搬帯域に属する
光を同領域に透過させた場合における規格化周波数と透
過率及び反射率との関係を示す図である。
とし、同図のフォトニック結晶領域の伝搬帯域に属する
光を同領域に透過させた場合における規格化周波数と透
過率及び反射率との関係を示す図である。
5とし、同図のフォトニック結晶領域の伝搬帯域に属す
る光を同領域に透過させた場合における規格化周波数と
透過率及び反射率との関係を示す図である。
6とし、同図のフォトニック結晶領域の伝搬帯域に属す
る光を同領域に透過させた場合における規格化周波数と
透過率及び反射率との関係を示す図である。
7とし、同図のフォトニック結晶領域の伝搬帯域に属す
る光を同領域に透過させた場合における規格化周波数と
透過率及び反射率との関係を示す図である。
8とし、同図のフォトニック結晶領域の伝搬帯域に属す
る光を同領域に透過させた場合における規格化周波数と
透過率及び反射率との関係を示す図である。
9とし、同図のフォトニック結晶領域の伝搬帯域に属す
る光を同領域に透過させた場合における規格化周波数と
透過率及び反射率との関係を示す図である。
10とし、同図のフォトニック結晶領域の伝搬帯域に属
する光を同領域に透過させた場合における規格化周波数
と透過率及び反射率との関係を示す図である。
を示す平面図である。
を示す平面図である。
Claims (11)
- 【請求項1】 第1の屈折率を有する通常媒質領域と、 前記第1の屈折率と異なる第2の屈折率を平均屈折率と
して、位置によって屈折率が周期的に変化しているフォ
トニック結晶領域と、 前記通常媒質領域と前記フォトニック結晶領域との間に
介在し、屈折率が前記第1の屈折率から前記第2の屈折
率へと徐々に変化している中間領域と、を具備する光素
子。 - 【請求項2】 前記フォトニック結晶領域は、前記通常
媒質領域を構成する第1の材料の一部に複数の空孔、又
は、前記第1の材料と異なる第2の材料を配列すること
によって構成されており、 前記中間領域は、前記第1の材料の他の一部に複数の空
孔、又は、前記第1の材料と異なる第3の材料を配列す
ることによって構成されており、前記中間領域に配列さ
れた空孔、又は、第3の材料は、前記通常媒質領域に向
けて先細りとなる突部を有する形状であることを特徴と
する請求項1記載の光素子。 - 【請求項3】 前記中間領域に配列された空孔、又は、
第3の材料における突部の長さと、前記フォトニック結
晶領域に配列された空孔、又は、第2の材料の配列ピッ
チとの比であるアスペクト比が3以上であることを特徴
とする請求項2記載の光素子。 - 【請求項4】 前記フォトニック結晶領域は、前記通常
媒質領域を構成する第1の材料の一部に複数の空孔、又
は、前記第1の材料と異なる第2の材料を配列すること
によって構成されており、 前記中間領域は、前記第1の材料の他の一部に複数の空
孔、又は、前記第1の材料と異なる第3の材料を前記フ
ォトニック結晶領域よりも低密度で配列することによっ
て構成されていることを特徴とする請求項1記載の光素
子。 - 【請求項5】 前記フォトニック結晶領域は、前記通常
媒質領域を構成する第1の材料の一部に複数の空孔、又
は、前記第1の材料と異なる第2の材料を配列すること
によって構成されており、 前記中間領域は、前記第1の材料の他の一部に前記第1
の材料及び前記第2の材料と異なる第3の材料を配列す
ることによって構成されていることを特徴とする請求項
1記載の光素子。 - 【請求項6】 前記通常媒質領域における屈折率と前記
フォトニック結晶領域における平均屈折率との比が2.
3以上であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか
1項記載の光素子。 - 【請求項7】 前記フォトニック結晶領域において、前
記第1の材料中に空孔又は前記第2の材料が2次元三角
格子状に配列されていることを特徴とする請求項2〜6
のいずれか1項記載の光素子。 - 【請求項8】 前記第1の材料がシリコンであることを
特徴とする請求項2〜7のいずれか1項記載の光素子。 - 【請求項9】 前記光素子は、光の変調に用いられる光
変調素子であることを特徴とする請求項1〜8のいずれ
か1項記載の光素子。 - 【請求項10】 前記光素子は、波長又は入射角度に応
じて光を偏向するのに用いられる光偏向素子であること
を特徴とする請求項1〜8のいずれか1項記載の光素
子。 - 【請求項11】 前記光素子は、スイッチング素子であ
ることを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項記載の
光素子。
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