JP2003279765A - ２次元フォトニック結晶点欠陥干渉光共振器及び光反射器 - Google Patents
２次元フォトニック結晶点欠陥干渉光共振器及び光反射器Info
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- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 光の取り出し効率の高い２次元フォトニック
結晶光共振器及び光反射器を提供する。 【解決手段】 スラブ状の本体１１に、本体１１とは異
なる屈折率の領域(空孔)１２を周期的に配置することに
より２次元フォトニック結晶を作製する。その中で空孔
１２を線状に設けないことにより導波路１３を形成す
る。導波路の長手方向に距離Lだけ離れた２個の空孔１
２を大きくすることにより、２個のアクセプタ型点欠陥
１４を形成する。この構成において、適切な距離Lを選
択することによって、点欠陥１４における光の反射や透
過が抑制され、点欠陥１４で共振する光を効率よく取り
出すことができる。距離Lの選択によっては、点欠陥１
４における光の反射率が増大し、２個の点欠陥１４間で
光が共振する光共振器や、２個の点欠陥１４で光を反射
する光反射器として用いることができる。
結晶光共振器及び光反射器を提供する。 【解決手段】 スラブ状の本体１１に、本体１１とは異
なる屈折率の領域(空孔)１２を周期的に配置することに
より２次元フォトニック結晶を作製する。その中で空孔
１２を線状に設けないことにより導波路１３を形成す
る。導波路の長手方向に距離Lだけ離れた２個の空孔１
２を大きくすることにより、２個のアクセプタ型点欠陥
１４を形成する。この構成において、適切な距離Lを選
択することによって、点欠陥１４における光の反射や透
過が抑制され、点欠陥１４で共振する光を効率よく取り
出すことができる。距離Lの選択によっては、点欠陥１
４における光の反射率が増大し、２個の点欠陥１４間で
光が共振する光共振器や、２個の点欠陥１４で光を反射
する光反射器として用いることができる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、波長分割多重光通
信の光源等に利用可能な光共振器及び光反射器に関す
る。
信の光源等に利用可能な光共振器及び光反射器に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】近年、新しい光デバイスとして、フォト
ニック結晶が注目されている。フォトニック結晶とは周
期屈折率分布をもった光学機能材料であり、光子のエネ
ルギーに対してバンド構造を形成する。特に、光の伝播
が不可能となるエネルギー領域(フォトニックバンドギ
ャップ)が形成されることが特徴である。
ニック結晶が注目されている。フォトニック結晶とは周
期屈折率分布をもった光学機能材料であり、光子のエネ
ルギーに対してバンド構造を形成する。特に、光の伝播
が不可能となるエネルギー領域(フォトニックバンドギ
ャップ)が形成されることが特徴である。
【０００３】フォトニック結晶の適用が期待される分野
の一例として、光通信の分野を取り上げる。光通信にお
いて、従来の光時分割多重方式(Optical Time Division
Multiplexing : OTDM)に代わって、波長分割多重方式
(Wavelength Division Multiplexing : WDM)が用いられ
ている。このWDMは、一本の伝送路において複数の波長
の光を伝播させ、それぞれに別個の信号を乗せる通信方
式である。これによって、単位時間に送信することので
きる情報量が飛躍的に向上する。
の一例として、光通信の分野を取り上げる。光通信にお
いて、従来の光時分割多重方式(Optical Time Division
Multiplexing : OTDM)に代わって、波長分割多重方式
(Wavelength Division Multiplexing : WDM)が用いられ
ている。このWDMは、一本の伝送路において複数の波長
の光を伝播させ、それぞれに別個の信号を乗せる通信方
式である。これによって、単位時間に送信することので
きる情報量が飛躍的に向上する。
【０００４】この波長分割多重通信においては、複数の
波長毎にそれぞれ光源が必要となる。現在のところ光源
としては、発振波長の異なる半導体レーザを１波長毎に
用いるものや、白色光源を光分波器と組み合わせるもの
等が用いられている。しかし、これらの方法ではいずれ
も装置の大型化が避けられず、かつ非効率である。
波長毎にそれぞれ光源が必要となる。現在のところ光源
としては、発振波長の異なる半導体レーザを１波長毎に
用いるものや、白色光源を光分波器と組み合わせるもの
等が用いられている。しかし、これらの方法ではいずれ
も装置の大型化が避けられず、かつ非効率である。
【０００５】フォトニック結晶を光共振器として用いる
ことができることは既に知られている。光共振器は光を
閉じこめることができるため、適切な光の取り出し手段
を設けることにより、光共振器は光源として使用するこ
とができる。そこで、フォトニック結晶を光源として用
いることにより、波長分割多重光通信装置の大幅な小型
化を図ることができる。
ことができることは既に知られている。光共振器は光を
閉じこめることができるため、適切な光の取り出し手段
を設けることにより、光共振器は光源として使用するこ
とができる。そこで、フォトニック結晶を光源として用
いることにより、波長分割多重光通信装置の大幅な小型
化を図ることができる。
【０００６】光共振器としてのフォトニック結晶は、こ
れまでにも２次元フォトニック結晶において検討されて
いる(例えば、特開2001-272555号公報に記載)。この文
献においては、フォトニック結晶の周期を乱す点欠陥及
び線欠陥を導入することにより、上記フォトニックバン
ドギャップ中にこの欠陥によるエネルギー準位(欠陥準
位)を形成している。これによって、上記フォトニック
バンドギャップに対応する波長範囲のうち、欠陥準位の
エネルギーに対応する波長の光のみが存在可能になる。
上記線欠陥は光導波路となり、上記点欠陥は光共振器と
なる。白色光のうちの特定の共振波長の光を導波路から
光共振器に導入し、そこで共振する光を２次元面から面
外に放射することにより、２次元フォトニック結晶はそ
の特定波長の光の光源として使用することが可能とな
る。２次元フォトニック結晶はこのような光共振器（光
源）としての用途の他、波長分合波デバイスとして用い
ることも検討されている。
れまでにも２次元フォトニック結晶において検討されて
いる(例えば、特開2001-272555号公報に記載)。この文
献においては、フォトニック結晶の周期を乱す点欠陥及
び線欠陥を導入することにより、上記フォトニックバン
ドギャップ中にこの欠陥によるエネルギー準位(欠陥準
位)を形成している。これによって、上記フォトニック
バンドギャップに対応する波長範囲のうち、欠陥準位の
エネルギーに対応する波長の光のみが存在可能になる。
上記線欠陥は光導波路となり、上記点欠陥は光共振器と
なる。白色光のうちの特定の共振波長の光を導波路から
光共振器に導入し、そこで共振する光を２次元面から面
外に放射することにより、２次元フォトニック結晶はそ
の特定波長の光の光源として使用することが可能とな
る。２次元フォトニック結晶はこのような光共振器（光
源）としての用途の他、波長分合波デバイスとして用い
ることも検討されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】上記従来の２次元フォ
トニック結晶では、１種類の波長の光に対して光共振器
は１個の点欠陥を用いる場合しか考慮されていない。し
かし、このような１個の点欠陥のみという単純な構成の
場合、導波路を通る光の一部が導波路と光共振器の間で
反射したり、光共振器に入ることなく導波路をそのまま
通過する（すなわち、光共振器を透過する）。以下、こ
のように反射する光を「反射光」、通過する光を「透過
光」と呼ぶ。このような反射光や透過光の存在は、光共
振器での光の取り出し効率を低下させる原因となってい
た。実際、光共振器から面外に放射される光の量と、導
波路に導入される白色光中の共振波長成分の光の量との
比で定義される光の取り出し効率は、50%程度に留まっ
ていた。
トニック結晶では、１種類の波長の光に対して光共振器
は１個の点欠陥を用いる場合しか考慮されていない。し
かし、このような１個の点欠陥のみという単純な構成の
場合、導波路を通る光の一部が導波路と光共振器の間で
反射したり、光共振器に入ることなく導波路をそのまま
通過する（すなわち、光共振器を透過する）。以下、こ
のように反射する光を「反射光」、通過する光を「透過
光」と呼ぶ。このような反射光や透過光の存在は、光共
振器での光の取り出し効率を低下させる原因となってい
た。実際、光共振器から面外に放射される光の量と、導
波路に導入される白色光中の共振波長成分の光の量との
比で定義される光の取り出し効率は、50%程度に留まっ
ていた。
【０００８】本発明はこのような課題を解決するために
成されたものであり、その目的とするところは光の取り
出し効率の高い２次元フォトニック結晶光共振器を提供
することにある。また、同様の構成により、それを光反
射器として利用することができることも示す。
成されたものであり、その目的とするところは光の取り
出し効率の高い２次元フォトニック結晶光共振器を提供
することにある。また、同様の構成により、それを光反
射器として利用することができることも示す。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に成された本発明に係る２次元フォトニック結晶点欠陥
干渉光共振器の第１の態様のものは、 a)スラブ状の本体と、 b)上記本体に周期的に配列された複数の、本体とは異な
る屈折率を有する領域と、 c)上記本体において、上記異屈折率領域の欠陥を線状に
設けることにより形成される導波路と、 d)上記導波路の近傍に、目的とする共振波長の(2n-1)/4
(nは正の整数)倍の距離だけ導波路の長手方向に離れて
配置される同種の２個の点状欠陥から成る点状欠陥対
と、を備えることを特徴とする。
に成された本発明に係る２次元フォトニック結晶点欠陥
干渉光共振器の第１の態様のものは、 a)スラブ状の本体と、 b)上記本体に周期的に配列された複数の、本体とは異な
る屈折率を有する領域と、 c)上記本体において、上記異屈折率領域の欠陥を線状に
設けることにより形成される導波路と、 d)上記導波路の近傍に、目的とする共振波長の(2n-1)/4
(nは正の整数)倍の距離だけ導波路の長手方向に離れて
配置される同種の２個の点状欠陥から成る点状欠陥対
と、を備えることを特徴とする。
【００１０】また、本発明に係る２次元フォトニック結
晶点欠陥干渉光共振器の第２の態様のものは、 a)スラブ状の本体と、 b)上記本体に周期的に配列された複数の、本体とは異な
る屈折率を有する領域と、 c)上記本体において、上記異屈折率領域の欠陥を線状に
設けることにより形成される導波路と、 d)上記導波路の近傍に、目的とする共振波長のn/2(nは
正の整数)倍の距離だけ導波路の長手方向に離れて配置
される同種の２個の点状欠陥から成る点状欠陥対と、を
備えることを特徴とする。
晶点欠陥干渉光共振器の第２の態様のものは、 a)スラブ状の本体と、 b)上記本体に周期的に配列された複数の、本体とは異な
る屈折率を有する領域と、 c)上記本体において、上記異屈折率領域の欠陥を線状に
設けることにより形成される導波路と、 d)上記導波路の近傍に、目的とする共振波長のn/2(nは
正の整数)倍の距離だけ導波路の長手方向に離れて配置
される同種の２個の点状欠陥から成る点状欠陥対と、を
備えることを特徴とする。
【００１１】更に、本発明に係る２次元フォトニック結
晶点欠陥干渉光反射器は、 a)スラブ状の本体と、 b)上記本体に周期的に配列された複数の、本体とは異な
る屈折率を有する領域と、 c)上記本体において、上記異屈折率領域の欠陥を線状に
設けることにより形成される導波路と、 d)上記導波路の近傍に、目的とする共振波長のm/2(mは
正の整数)倍の距離だけ導波路の長手方向に離れて配置
される同種の２個の点状欠陥から成る点状欠陥対と、を
備えることを特徴とする。
晶点欠陥干渉光反射器は、 a)スラブ状の本体と、 b)上記本体に周期的に配列された複数の、本体とは異な
る屈折率を有する領域と、 c)上記本体において、上記異屈折率領域の欠陥を線状に
設けることにより形成される導波路と、 d)上記導波路の近傍に、目的とする共振波長のm/2(mは
正の整数)倍の距離だけ導波路の長手方向に離れて配置
される同種の２個の点状欠陥から成る点状欠陥対と、を
備えることを特徴とする。
【００１２】上記光共振器の第２の態様における点状欠
陥対を構成する点状欠陥の各々を、上記光反射器で構成
することも可能である。
陥対を構成する点状欠陥の各々を、上記光反射器で構成
することも可能である。
【００１３】
【発明の実施の形態】面内方向の大きさに比べて厚さが
十分薄い板状体であるスラブが本発明の２次元フォトニ
ック結晶点欠陥干渉光共振器の本体となる。この本体
に、本体とは屈折率の異なる領域を周期的に配列する。
この周期的な異屈折率領域の存在によりフォトニックバ
ンドギャップが形成され、その範囲内のエネルギーを持
つ光を存在させなくする。すなわち、それに対応する波
長帯の光は本体を通過することができない。
十分薄い板状体であるスラブが本発明の２次元フォトニ
ック結晶点欠陥干渉光共振器の本体となる。この本体
に、本体とは屈折率の異なる領域を周期的に配列する。
この周期的な異屈折率領域の存在によりフォトニックバ
ンドギャップが形成され、その範囲内のエネルギーを持
つ光を存在させなくする。すなわち、それに対応する波
長帯の光は本体を通過することができない。
【００１４】異屈折率領域は、本体よりも屈折率の低い
もの及び高いもののいずれであってもよい。一般に、本
体としては屈折率の高い材質が用いられることが多いの
で、異屈折率領域としては屈折率の低い材質のものを用
いるのが材料選択の点からも容易である。
もの及び高いもののいずれであってもよい。一般に、本
体としては屈折率の高い材質が用いられることが多いの
で、異屈折率領域としては屈折率の低い材質のものを用
いるのが材料選択の点からも容易である。
【００１５】更に、低屈折率領域としては、本体よりも
屈折率の低い物質を本体内に埋め込んだものでもよい
し、単に本体に孔を開けただけのものでもよい。後者の
場合は、空気が上記異屈折率領域となる。実際上、空気
が最も屈折率の低い材質であるため、本体との屈折率差
を大きくすることができるという点で有利である。これ
により、共振器・反射器として高いQ値を得ることがで
きるようになる。また、製造上も、他の物質を埋め込む
よりも単に空孔を設ける方が容易である。
屈折率の低い物質を本体内に埋め込んだものでもよい
し、単に本体に孔を開けただけのものでもよい。後者の
場合は、空気が上記異屈折率領域となる。実際上、空気
が最も屈折率の低い材質であるため、本体との屈折率差
を大きくすることができるという点で有利である。これ
により、共振器・反射器として高いQ値を得ることがで
きるようになる。また、製造上も、他の物質を埋め込む
よりも単に空孔を設ける方が容易である。
【００１６】以下、異屈折率領域が配置される周期的な
点を格子点と呼ぶ。格子点の配列としては種々の形態が
考えられるが、例えば正方格子状や三角格子状などが典
型的なものである。
点を格子点と呼ぶ。格子点の配列としては種々の形態が
考えられるが、例えば正方格子状や三角格子状などが典
型的なものである。
【００１７】このような周期性を有するフォトニック結
晶において、１個の格子点の異屈折率領域に欠陥を設け
ることにより、そこで周期性が乱される。欠陥のパラメ
ータを適切に設定することにより、この周期性の乱れか
らフォトニックバンドギャップ中に欠陥準位が形成さ
れ、光の存在が許されない本体中に光の存在が許される
点が生ずる。これを点欠陥と呼ぶ。このような欠陥を線
状に設けることにより、本体中に光が通過し得る導波路
を形成することができる。これを線欠陥と呼ぶ。線欠陥
の形状は直線状に限らず、屈曲状や曲線状であってもよ
い。また、線欠陥の幅は格子点の列の１列分であっても
よいし、複数列分であってもよい。
晶において、１個の格子点の異屈折率領域に欠陥を設け
ることにより、そこで周期性が乱される。欠陥のパラメ
ータを適切に設定することにより、この周期性の乱れか
らフォトニックバンドギャップ中に欠陥準位が形成さ
れ、光の存在が許されない本体中に光の存在が許される
点が生ずる。これを点欠陥と呼ぶ。このような欠陥を線
状に設けることにより、本体中に光が通過し得る導波路
を形成することができる。これを線欠陥と呼ぶ。線欠陥
の形状は直線状に限らず、屈曲状や曲線状であってもよ
い。また、線欠陥の幅は格子点の列の１列分であっても
よいし、複数列分であってもよい。
【００１８】上記のように、異屈折率領域を空孔とした
場合、その欠陥としては、空孔を本体の物質で埋めたも
の、すなわち、その格子点に空孔を設けないもの、が最
も便利である。もちろん、その空孔の径を大きくしたも
のも欠陥となる。格子点に空孔を設けないものはドナー
型欠陥であり、空孔の径を大きくしたものはアクセプタ
型欠陥である。
場合、その欠陥としては、空孔を本体の物質で埋めたも
の、すなわち、その格子点に空孔を設けないもの、が最
も便利である。もちろん、その空孔の径を大きくしたも
のも欠陥となる。格子点に空孔を設けないものはドナー
型欠陥であり、空孔の径を大きくしたものはアクセプタ
型欠陥である。
【００１９】ここで、ドナー型欠陥とアクセプタ型欠陥
について説明する。本発明では赤外線及び紫外線を含む
光を対象としているため、屈折率で説明しているが、一
般的にはフォトニック結晶は周期的な誘電率の差により
形成される。従って、欠陥は、本体中に周期的に配置さ
れた異誘電率領域（格子点）の１個の誘電率を異なるも
のとすることにより形成される。誘電率を通常の格子点
の誘電率よりも高い値にしたものをドナー型欠陥、低い
値にしたものをアクセプタ型欠陥と呼ぶ。上記のよう
に、何らかの物質で作製された本体中に周期的に空孔を
配置し、その内の１点に空孔を設けない（本体物質で埋
める）という欠陥は、その格子点の誘電率を空気よりも
高くすることであるため、ドナー型欠陥である。逆に、
１点の孔の径を大きくすることは、その格子点の誘電率
を低くすることであるため、アクセプタ型欠陥である。
について説明する。本発明では赤外線及び紫外線を含む
光を対象としているため、屈折率で説明しているが、一
般的にはフォトニック結晶は周期的な誘電率の差により
形成される。従って、欠陥は、本体中に周期的に配置さ
れた異誘電率領域（格子点）の１個の誘電率を異なるも
のとすることにより形成される。誘電率を通常の格子点
の誘電率よりも高い値にしたものをドナー型欠陥、低い
値にしたものをアクセプタ型欠陥と呼ぶ。上記のよう
に、何らかの物質で作製された本体中に周期的に空孔を
配置し、その内の１点に空孔を設けない（本体物質で埋
める）という欠陥は、その格子点の誘電率を空気よりも
高くすることであるため、ドナー型欠陥である。逆に、
１点の孔の径を大きくすることは、その格子点の誘電率
を低くすることであるため、アクセプタ型欠陥である。
【００２０】本発明では、導波路の近傍に、同じ形状及
び同じ大きさの２個の点状欠陥を、導波路の導波方向に
互いに距離Lだけ離して配置する。これら２個の点状欠
陥で構成されるものを点状欠陥対と呼ぶ。ここで「導波
路の近傍」とは、導波路と２個の点状欠陥の間に有意な
大きさの相互作用が生じる程度の範囲内であることを意
味する。２個の点状欠陥と導波路との距離は、対称性の
点から等しいことが望ましいが、多少異なっていてもよ
い。また、点状欠陥には、１個の格子点のみから成る点
欠陥と、複数個の互いに隣接する点欠陥から成るクラス
タ欠陥とを含む。点状欠陥にはアクセプタ型欠陥とドナ
ー型欠陥のいずれをも用いることができる。
び同じ大きさの２個の点状欠陥を、導波路の導波方向に
互いに距離Lだけ離して配置する。これら２個の点状欠
陥で構成されるものを点状欠陥対と呼ぶ。ここで「導波
路の近傍」とは、導波路と２個の点状欠陥の間に有意な
大きさの相互作用が生じる程度の範囲内であることを意
味する。２個の点状欠陥と導波路との距離は、対称性の
点から等しいことが望ましいが、多少異なっていてもよ
い。また、点状欠陥には、１個の格子点のみから成る点
欠陥と、複数個の互いに隣接する点欠陥から成るクラス
タ欠陥とを含む。点状欠陥にはアクセプタ型欠陥とドナ
ー型欠陥のいずれをも用いることができる。
【００２１】各点状欠陥の大きさや形状（クラスタ欠陥
の場合は、それを構成する点欠陥の配置を含む）は、両
点状欠陥（及びその近傍の導波路）により形成される共
振器で共振させようとする目的の波長（目的共振波長）
と同じ共振波長となるように決定する。
の場合は、それを構成する点欠陥の配置を含む）は、両
点状欠陥（及びその近傍の導波路）により形成される共
振器で共振させようとする目的の波長（目的共振波長）
と同じ共振波長となるように決定する。
【００２２】ここまでは、基本的には本発明に係る光共
振器の第１の態様及び第２の態様に共通の構成である。
ここで「基本的に」とした理由は、後述するように、第
２の態様においては、上記点状欠陥のそれぞれを距離L'
(L>L')だけ離れた２個の点状欠陥（点状欠陥対）で置き
換えることができるからである。
振器の第１の態様及び第２の態様に共通の構成である。
ここで「基本的に」とした理由は、後述するように、第
２の態様においては、上記点状欠陥のそれぞれを距離L'
(L>L')だけ離れた２個の点状欠陥（点状欠陥対）で置き
換えることができるからである。
【００２３】第１の態様の場合、両点状欠陥の間の距離
Lを、目的とする共振波長λの(2n-1)/4(nは正の整数)倍
とする。すなわち、距離Lを、目的共振波長の奇数倍の1
/4とする。或いは、目的共振波長の整数倍から1/4波長
だけ増/減した長さとする。なお、ここにおける波長λ
は、光の本体内を伝播するときの（本体の屈折率に依存
する)波長である。
Lを、目的とする共振波長λの(2n-1)/4(nは正の整数)倍
とする。すなわち、距離Lを、目的共振波長の奇数倍の1
/4とする。或いは、目的共振波長の整数倍から1/4波長
だけ増/減した長さとする。なお、ここにおける波長λ
は、光の本体内を伝播するときの（本体の屈折率に依存
する)波長である。
【００２４】λ=(2n-1)/4とした理由は次の通りであ
る。なお、以下、説明の便宜上、導波路中の進行波の進
行方向に対して手前側の点状欠陥を「欠陥１」、反対側
の点状欠陥を「欠陥２」と呼ぶ。距離Lをこのように設
定することにより、欠陥１での反射光と欠陥２での反射
光との光路差は2L=(2n-1)λ/2、すなわち、半波長の奇
数倍となるので、両反射光は干渉により打ち消される。
これにより、反射光・透過光共に抑制され、導波路の光
は効率よく共振器に流入して捕捉される。
る。なお、以下、説明の便宜上、導波路中の進行波の進
行方向に対して手前側の点状欠陥を「欠陥１」、反対側
の点状欠陥を「欠陥２」と呼ぶ。距離Lをこのように設
定することにより、欠陥１での反射光と欠陥２での反射
光との光路差は2L=(2n-1)λ/2、すなわち、半波長の奇
数倍となるので、両反射光は干渉により打ち消される。
これにより、反射光・透過光共に抑制され、導波路の光
は効率よく共振器に流入して捕捉される。
【００２５】なお、各点状欠陥と導波路の間の距離は上
記光路差に影響を与えない。しかし、反射光及び透過光
を抑制するためには、導波路と各欠陥の間のQ値であるQ
pと、各欠陥と面外との間のQ値であるQvができるだけ近
い値、好ましくは等しくなるように、点状欠陥と導波路
の間の距離を設計すればよい。
記光路差に影響を与えない。しかし、反射光及び透過光
を抑制するためには、導波路と各欠陥の間のQ値であるQ
pと、各欠陥と面外との間のQ値であるQvができるだけ近
い値、好ましくは等しくなるように、点状欠陥と導波路
の間の距離を設計すればよい。
【００２６】第２の態様の場合、両点状欠陥の間の距離
Lを、目的共振波長λのn/2(nは正の整数)倍とする。す
なわち、距離Lを、目的共振波長の半分の整数倍とす
る。距離Lをこのように設定することにより、欠陥１及
び欠陥２において反射した光が、欠陥１と欠陥２の間で
定在波を形成し、共振する。すなわち、第２の態様で
は、両点状欠陥の間の導波路が共振器として作用する。
以下、この態様の共振器を導波路光共振器と呼ぶ。
Lを、目的共振波長λのn/2(nは正の整数)倍とする。す
なわち、距離Lを、目的共振波長の半分の整数倍とす
る。距離Lをこのように設定することにより、欠陥１及
び欠陥２において反射した光が、欠陥１と欠陥２の間で
定在波を形成し、共振する。すなわち、第２の態様で
は、両点状欠陥の間の導波路が共振器として作用する。
以下、この態様の共振器を導波路光共振器と呼ぶ。
【００２７】この導波路光共振器では、共振した光を導
波路から取り出すことができるし、２次元面に垂直な方
向に取り出すこともできる。使用目的や使用条件に応じ
て、この両者のいずれから取り出すかを選択することが
できる。
波路から取り出すことができるし、２次元面に垂直な方
向に取り出すこともできる。使用目的や使用条件に応じ
て、この両者のいずれから取り出すかを選択することが
できる。
【００２８】この導波路光共振器は、導波路にレーザ媒
質を含有させておくことにより、レーザ光源とすること
も可能である。
質を含有させておくことにより、レーザ光源とすること
も可能である。
【００２９】第２の態様においては、点状欠陥を光の反
射のために用いている。点状欠陥が欠陥準位に対応した
波長の光のみを反射するので、この共振器においては、
高調波の影響が無く単一の波長の光のみを共振させるこ
とができる。点状欠陥における反射を強くするために、
第２の態様においてはQvがQpより十分大きいことが望ま
しい。
射のために用いている。点状欠陥が欠陥準位に対応した
波長の光のみを反射するので、この共振器においては、
高調波の影響が無く単一の波長の光のみを共振させるこ
とができる。点状欠陥における反射を強くするために、
第２の態様においてはQvがQpより十分大きいことが望ま
しい。
【００３０】上記の通り、第２の態様の光共振器は光反
射器としても用いることもできる。導波路中の進行波の
進行方向に対して手前側に注目すると、点欠陥１からの
反射波と点欠陥２からの反射波との光路差2Lが波長の整
数倍となるので、両反射波が干渉して強め合う。すなわ
ち、導波路の手前側では効率よく光が反射される。これ
は、特定の波長光のみを反射し、透過させない光フィル
タとして使用することができる。
射器としても用いることもできる。導波路中の進行波の
進行方向に対して手前側に注目すると、点欠陥１からの
反射波と点欠陥２からの反射波との光路差2Lが波長の整
数倍となるので、両反射波が干渉して強め合う。すなわ
ち、導波路の手前側では効率よく光が反射される。これ
は、特定の波長光のみを反射し、透過させない光フィル
タとして使用することができる。
【００３１】上記の光反射器における２個１組の点状欠
陥（点状欠陥対）を、導波路の反対側にさらにもう１組
配置することもできる。この場合、導波路の幅方向の距
離は多少異なっていてもよいが、長手方向の位置は同じ
としておく必要がある。この場合、これら４個１組の点
状欠陥が光反射器を構成する。こうすれば、２個１組の
点状欠陥による光反射器よりもさらに効率よく光が反射
される。
陥（点状欠陥対）を、導波路の反対側にさらにもう１組
配置することもできる。この場合、導波路の幅方向の距
離は多少異なっていてもよいが、長手方向の位置は同じ
としておく必要がある。この場合、これら４個１組の点
状欠陥が光反射器を構成する。こうすれば、２個１組の
点状欠陥による光反射器よりもさらに効率よく光が反射
される。
【００３２】これらの反射器を利用すると、上記第２の
態様の光共振器における共振をさらに強めることができ
る。第２の態様における欠陥１及び欠陥２の位置の各々
に、上記２個１組または４個１組の点状欠陥を配置す
る。この２個１組または４個１組の点状欠陥は、単独の
点状欠陥よりも光を効率よく反射するので、上記第２の
態様の光共振器における共振をさらに強めることができ
る。
態様の光共振器における共振をさらに強めることができ
る。第２の態様における欠陥１及び欠陥２の位置の各々
に、上記２個１組または４個１組の点状欠陥を配置す
る。この２個１組または４個１組の点状欠陥は、単独の
点状欠陥よりも光を効率よく反射するので、上記第２の
態様の光共振器における共振をさらに強めることができ
る。
【００３３】
【発明の効果】本発明に係る第１の態様の２次元フォト
ニック結晶点欠陥干渉光共振器では、従来の２次元フォ
トニック結晶点欠陥光共振器において光の取り出し効率
を低下させる原因となっていた反射光及び透過光が抑制
される。これによって、点状欠陥から外部に取り出され
る光の強度が強くなり、光の取り出し効率が向上する。
ニック結晶点欠陥干渉光共振器では、従来の２次元フォ
トニック結晶点欠陥光共振器において光の取り出し効率
を低下させる原因となっていた反射光及び透過光が抑制
される。これによって、点状欠陥から外部に取り出され
る光の強度が強くなり、光の取り出し効率が向上する。
【００３４】本発明に係る第２の態様の２次元フォトニ
ック結晶点欠陥干渉光共振器では、点状欠陥における反
射光を積極的に利用することによって、２個の点状欠陥
の間の導波路に光の共振を生じさせる。これは、点状欠
陥自体が共振器となる従来の２次元フォトニック結晶光
共振器とは異なる、新しい形態の光共振器である。
ック結晶点欠陥干渉光共振器では、点状欠陥における反
射光を積極的に利用することによって、２個の点状欠陥
の間の導波路に光の共振を生じさせる。これは、点状欠
陥自体が共振器となる従来の２次元フォトニック結晶光
共振器とは異なる、新しい形態の光共振器である。
【００３５】更に、本発明に係る第２の態様の２次元フ
ォトニック結晶点欠陥干渉光共振器の構成は、光反射器
としても利用することができる。これにより、一方の端
部から伝播されてくる光のうち、目的の波長のみを反射
して通過させないというフィルタを構成することができ
る。
ォトニック結晶点欠陥干渉光共振器の構成は、光反射器
としても利用することができる。これにより、一方の端
部から伝播されてくる光のうち、目的の波長のみを反射
して通過させないというフィルタを構成することができ
る。
【００３６】
【実施例】(1)第１の態様の構成例
図１及び図２に、本発明に係る２次元フォトニック結晶
点欠陥干渉光共振器の構成例を示す。図１及び図２にお
いて板状に表したものがスラブ(本体)１１である。光通
信に用いる波長1.5μm帯の赤外線を考えた場合、スラブ
１１にはそれに対して透明なInGaAsPを用いることがで
きる。
点欠陥干渉光共振器の構成例を示す。図１及び図２にお
いて板状に表したものがスラブ(本体)１１である。光通
信に用いる波長1.5μm帯の赤外線を考えた場合、スラブ
１１にはそれに対して透明なInGaAsPを用いることがで
きる。
【００３７】この本体１１に、空孔１２を周期aで配置
する。この空孔１２が異屈折率領域である。これによっ
てフォトニックバンドギャップが形成される。図１及び
図２では空孔１２を三角格子状に配置した例を示してい
るが、その他にも正方格子状などの様々な周期配置を考
え得る。
する。この空孔１２が異屈折率領域である。これによっ
てフォトニックバンドギャップが形成される。図１及び
図２では空孔１２を三角格子状に配置した例を示してい
るが、その他にも正方格子状などの様々な周期配置を考
え得る。
【００３８】前記特開2001-272555号公報によれば、そ
のバンド領域を周波数で表すと、0.27c/a〜0.28c/a（c
は光速）である。波長で表すと、a/0.28〜a/0.27とな
る。従って、波長λの光を共振させるためフォトニック
バンドギャップ中に波長λに対応した欠陥準位を形成す
るためには、周期aを0.27λ〜0.28λとすればよい。例
えば、波長1.5μmの赤外線の場合は、周期aはおよそ0.4
1〜0.42μmとなる。
のバンド領域を周波数で表すと、0.27c/a〜0.28c/a（c
は光速）である。波長で表すと、a/0.28〜a/0.27とな
る。従って、波長λの光を共振させるためフォトニック
バンドギャップ中に波長λに対応した欠陥準位を形成す
るためには、周期aを0.27λ〜0.28λとすればよい。例
えば、波長1.5μmの赤外線の場合は、周期aはおよそ0.4
1〜0.42μmとなる。
【００３９】導波路１３は、空孔を線状に連続的に設け
ないことにより形成される。
ないことにより形成される。
【００４０】図１においては、同じ形状及び大きさを持
つ２個のアクセプタ型点欠陥１４を、導波路の長手方向
に距離L=(2n-1)/4だけ離して配置する例を示す。アクセ
プタ型点欠陥１４は、空孔１２の径を大きくすることに
よって形成される。図２においては、同じ形状の２個の
ドナー型クラスタ欠陥１５を、導波路の長手方向に距離
L=(2n-1)/4だけ離して配置する例を示す。ドナー型クラ
スタ欠陥１５は、隣接する２個以上の空孔１２を設けな
いことによって形成される。図２には三角形状のドナー
型クラスタ欠陥の例を示したが、これ以外にも、直線状
のものや４個以上の欠陥から成るものなど、多様な形態
を取ることができる。
つ２個のアクセプタ型点欠陥１４を、導波路の長手方向
に距離L=(2n-1)/4だけ離して配置する例を示す。アクセ
プタ型点欠陥１４は、空孔１２の径を大きくすることに
よって形成される。図２においては、同じ形状の２個の
ドナー型クラスタ欠陥１５を、導波路の長手方向に距離
L=(2n-1)/4だけ離して配置する例を示す。ドナー型クラ
スタ欠陥１５は、隣接する２個以上の空孔１２を設けな
いことによって形成される。図２には三角形状のドナー
型クラスタ欠陥の例を示したが、これ以外にも、直線状
のものや４個以上の欠陥から成るものなど、多様な形態
を取ることができる。
【００４１】(2)第１の態様における光の取り出し効率
以下に、図１のアクセプタ型点欠陥を用いた場合の光の
取り出し効率を検討した結果を示す。まず、格子点の周
期aと上記距離Lを決める。図１のような空孔の配置の場
合、２個のアクセプタ型点欠陥はいずれも格子点上に配
置されるので、Lは格子点の周期aの整数倍、すなわちL=
ma(mは整数)となる。これと前記の条件L=(2n-1)λ/4か
ら、a=λ(2n-1)/4mとなる。更に、前記のフォトニック
バンドギャップ中に波長λに対応した欠陥準位を形成す
るための条件である0.27λ<a<0.28λを加え、整数m及び
nを適宜の値に定めることにより、a及びLを決定するこ
とができる。
取り出し効率を検討した結果を示す。まず、格子点の周
期aと上記距離Lを決める。図１のような空孔の配置の場
合、２個のアクセプタ型点欠陥はいずれも格子点上に配
置されるので、Lは格子点の周期aの整数倍、すなわちL=
ma(mは整数)となる。これと前記の条件L=(2n-1)λ/4か
ら、a=λ(2n-1)/4mとなる。更に、前記のフォトニック
バンドギャップ中に波長λに対応した欠陥準位を形成す
るための条件である0.27λ<a<0.28λを加え、整数m及び
nを適宜の値に定めることにより、a及びLを決定するこ
とができる。
【００４２】本実施例では、λ=1.255μm（空気中での
波長はλ=1.5μm）に対して上記条件を満たす、a=0.410
μm、L=16.0μm(n=26、m=39)の場合の、光の取り出し効
率を計算した。導波路から流入する該波長成分の光の強
度を1とした場合の、欠陥１から放射される光の強度、
欠陥２から放射される光の強度、欠陥１及び２に反射さ
れる光の強度、欠陥１及び２を透過する光の強度をそれ
ぞれ求めた。その際、導波路と各欠陥の間のQ値であるQ
pと、各欠陥と面外との間のQ値であるQvの関係につい
て、Qp=Qvの場合とQp<Qvの場合の各例を計算した。その
結果を図３に示す。Qp=Qvの場合に、λ=1.5μmにおい
て、入射した光の約70%が欠陥１から面外に放射される
（取り出される）ことがわかる。
波長はλ=1.5μm）に対して上記条件を満たす、a=0.410
μm、L=16.0μm(n=26、m=39)の場合の、光の取り出し効
率を計算した。導波路から流入する該波長成分の光の強
度を1とした場合の、欠陥１から放射される光の強度、
欠陥２から放射される光の強度、欠陥１及び２に反射さ
れる光の強度、欠陥１及び２を透過する光の強度をそれ
ぞれ求めた。その際、導波路と各欠陥の間のQ値であるQ
pと、各欠陥と面外との間のQ値であるQvの関係につい
て、Qp=Qvの場合とQp<Qvの場合の各例を計算した。その
結果を図３に示す。Qp=Qvの場合に、λ=1.5μmにおい
て、入射した光の約70%が欠陥１から面外に放射される
（取り出される）ことがわかる。
【００４３】図４に、比較のために、従来技術である１
個のアクセプタ型点欠陥を持つ２次元フォトニック結晶
光共振器における光の出力効率を示す。図４の横軸は、
光の角周波数ωを中心角周波数ω0で除したものであ
る。このように、従来技術における光の出力効率は最大
50%であり、上記数値と比較すると、本発明に係る共振
器では光の出力効率が向上していることが分かる。
個のアクセプタ型点欠陥を持つ２次元フォトニック結晶
光共振器における光の出力効率を示す。図４の横軸は、
光の角周波数ωを中心角周波数ω0で除したものであ
る。このように、従来技術における光の出力効率は最大
50%であり、上記数値と比較すると、本発明に係る共振
器では光の出力効率が向上していることが分かる。
【００４４】(3)２次元フォトニック結晶点欠陥干渉導
波路光共振器の実施例 図５に、本発明の第２の態様である導波路光共振器の一
構成例を示す。この例は、導波路の一方の側に２個の点
状欠陥を導波路に平行な方向に距離L=nλ/2だけ離して
配置したものである。同図に太矢印で示すように、導波
路の光は両点状欠陥で反射され、その間の導波路に閉じ
こめられる。このような閉じこめ効果を上げるために
は、各点状欠陥における面外方向のQ値Qvをできるだけ
大きくし、導波路に平行な方向のQ値Qpをできるだけ小
さくすることが望ましい。そのための条件を次に検討す
る。
波路光共振器の実施例 図５に、本発明の第２の態様である導波路光共振器の一
構成例を示す。この例は、導波路の一方の側に２個の点
状欠陥を導波路に平行な方向に距離L=nλ/2だけ離して
配置したものである。同図に太矢印で示すように、導波
路の光は両点状欠陥で反射され、その間の導波路に閉じ
こめられる。このような閉じこめ効果を上げるために
は、各点状欠陥における面外方向のQ値Qvをできるだけ
大きくし、導波路に平行な方向のQ値Qpをできるだけ小
さくすることが望ましい。そのための条件を次に検討す
る。
【００４５】(4)２次元フォトニック結晶点欠陥干渉光
反射器の実施例 図７に、２次元フォトニック結晶点欠陥干渉光反射器の
一構成例を模式的に示す。図５と比較すると明らかな通
り、この光反射器は構成的には図５の導波路光共振器と
同じである。上記の通り、この点状欠陥対内部的には共
振条件を満たしているが、外からこの箇所に入ってくる
光に対しては反射条件を満たしている。このため、図７
の太矢印で示すように、λ=2L/mを満たす波長の光はこ
の点状欠陥対で反射され、先へ進むことができない。
反射器の実施例 図７に、２次元フォトニック結晶点欠陥干渉光反射器の
一構成例を模式的に示す。図５と比較すると明らかな通
り、この光反射器は構成的には図５の導波路光共振器と
同じである。上記の通り、この点状欠陥対内部的には共
振条件を満たしているが、外からこの箇所に入ってくる
光に対しては反射条件を満たしている。このため、図７
の太矢印で示すように、λ=2L/mを満たす波長の光はこ
の点状欠陥対で反射され、先へ進むことができない。
【００４６】以上の導波路光共振器及び光反射器のその
他の構成例を図８に示す。図８(a)は、各点状欠陥にド
ナー型クラスタ欠陥を使用した例である。図８(b)は、
導波路の両側に点状欠陥対を配置した例である。更に、
図８(c)は、導波路の両側に点状欠陥対を配置するとと
もに、各点状欠陥対を点状欠陥対とした例である。この
場合の反射率を計算した結果を図６に示す。図５のよう
に各点状欠陥を１個の点欠陥のみ構成した場合（欠陥x
1）と比較すると、図８(c)のように構成することにより
（欠陥x4）、反射率が向上していることが分かる。
他の構成例を図８に示す。図８(a)は、各点状欠陥にド
ナー型クラスタ欠陥を使用した例である。図８(b)は、
導波路の両側に点状欠陥対を配置した例である。更に、
図８(c)は、導波路の両側に点状欠陥対を配置するとと
もに、各点状欠陥対を点状欠陥対とした例である。この
場合の反射率を計算した結果を図６に示す。図５のよう
に各点状欠陥を１個の点欠陥のみ構成した場合（欠陥x
1）と比較すると、図８(c)のように構成することにより
（欠陥x4）、反射率が向上していることが分かる。
【図１】 本発明に係る２次元フォトニック結晶点欠陥
干渉光共振器において、点状欠陥をアクセプタ型点欠陥
としたものの構成例を表す図。
干渉光共振器において、点状欠陥をアクセプタ型点欠陥
としたものの構成例を表す図。
【図２】 本発明に係る２次元フォトニック結晶点欠陥
干渉光共振器において、点状欠陥をドナー型クラスタ欠
陥としたものの構成例を表す図。
干渉光共振器において、点状欠陥をドナー型クラスタ欠
陥としたものの構成例を表す図。
【図３】 本発明に係る２次元フォトニック結晶点欠陥
干渉光共振器の第１の態様における、光の出力効率を表
す図。
干渉光共振器の第１の態様における、光の出力効率を表
す図。
【図４】 従来技術の２次元フォトニック結晶点欠陥光
共振器における、光の出力効率を表す図。
共振器における、光の出力効率を表す図。
【図５】 ２次元フォトニック結晶点欠陥干渉導波路光
共振器の構成例を模式的に表す図。
共振器の構成例を模式的に表す図。
【図６】 ２次元フォトニック結晶点欠陥干渉光反射器
の反射率を表す図。
の反射率を表す図。
【図７】 ２次元フォトニック結晶点欠陥干渉光反射器
の構成例を模式的に表す図。
の構成例を模式的に表す図。
【図８】 ２次元フォトニック結晶点欠陥干渉導波路光
共振器のその他の構成例を模式的に表す図。
共振器のその他の構成例を模式的に表す図。
１１…本体
１２…空孔
１３…導波路
１４…アクセプタ型点欠陥
１５…ドナー型クラスタ欠陥
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
Ｆターム(参考） 2H047 KA03 LA18 PA05 PA06 TA01
TA11 TA41
2H049 AA02 AA06 AA31 AA44 AA53
AA59
5F072 JJ13 KK07
Claims (15)
- 【請求項１】 a)スラブ状の本体と、 b)上記本体に周期的に配列された複数の、本体とは異な
る屈折率を有する領域と、 c)上記本体において、上記異屈折率領域の欠陥を線状に
設けることにより形成される導波路と、 d)上記導波路の近傍に、目的とする共振波長の(2n-1)/4
(nは正の整数)倍の距離だけ導波路の長手方向に離れて
配置される同種の２個の点状欠陥から成る点状欠陥対
と、 を備えることを特徴とする２次元フォトニック結晶点欠
陥干渉光共振器。 - 【請求項２】 上記点状欠陥対の各々が、隣接する２個
以上の欠陥によって形成されるクラスタ欠陥であること
を特徴とする、請求項１に記載の２次元フォトニック結
晶点欠陥干渉光共振器。 - 【請求項３】 a)スラブ状の本体と、 b)上記本体に周期的に配列された複数の、本体とは異な
る屈折率を有する領域と、 c)上記本体において、上記異屈折率領域の欠陥を線状に
設けることにより形成される導波路と、 d)上記導波路の近傍に、目的とする共振波長のn/2(nは
正の整数)倍の距離だけ導波路の長手方向に離れて配置
される同種の２個の点状欠陥から成る点状欠陥対と、 を備えることを特徴とする２次元フォトニック結晶点欠
陥干渉光共振器。 - 【請求項４】 上記点状欠陥対の各々が、隣接する２個
以上の欠陥によって形成されるクラスタ欠陥であること
を特徴とする、請求項３に記載の２次元フォトニック結
晶点欠陥干渉光共振器。 - 【請求項５】 上記点状欠陥対の各々が、目的とする共
振波長のm/2(mは正の整数、n>m)倍の距離だけ導波路の
長手方向に離れて配置される同種の２個の点状欠陥から
成る光反射器により構成されていることを特徴とする、
請求項３に記載の２次元フォトニック結晶点欠陥干渉光
共振器。 - 【請求項６】 導波路の幅方向に、導波路を挟んで上記
光反射器と反対側に、さらに上記光反射器が配置される
ことを特徴とする請求項５に記載の２次元フォトニック
結晶点欠陥干渉光共振器。 - 【請求項７】 上記光反射器を構成する点状欠陥がクラ
スタ欠陥であることを特徴とする、請求項５または６に
記載の２次元フォトニック結晶点欠陥干渉光共振器。 - 【請求項８】 上記導波路にレーザ媒質を含有させるこ
とを特徴とする請求項３〜７のいずれかに記載の２次元
フォトニック結晶点欠陥干渉光共振器。 - 【請求項９】 上記点状欠陥対の各々が、導波路から等
距離に配置されることを特徴とする、請求項１〜８のい
ずれかに記載の２次元フォトニック結晶点欠陥干渉光共
振器。 - 【請求項１０】 上記異屈折率領域が、本体に設けた孔
により構成されていることを特徴とする、請求項１〜９
のいずれかに記載の２次元フォトニック結晶点欠陥干渉
光共振器。 - 【請求項１１】 a)スラブ状の本体と、 b)上記本体に周期的に配列された複数の、本体とは異な
る屈折率を有する領域と、 c)上記本体において、上記異屈折率領域の欠陥を線状に
設けることにより形成される導波路と、 d)上記導波路の近傍に、目的とする共振波長のm/2(mは
正の整数)倍の距離だけ導波路の長手方向に離れて配置
される同種の２個の点状欠陥から成る点状欠陥対と、 を備えることを特徴とする２次元フォトニック結晶点欠
陥干渉光反射器。 - 【請求項１２】 導波路の幅方向に、導波路を挟んで上
記点状欠陥対と反対側に、さらに同種の点状欠陥対を備
えることを特徴とする、請求項１１に記載の２次元フォ
トニック結晶点欠陥干渉光反射器。 - 【請求項１３】 上記点状欠陥対の各々が、導波路から
等距離に配置されることを特徴とする、請求項１１また
は１２に記載の２次元フォトニック結晶点欠陥干渉光反
射器。 - 【請求項１４】 上記異屈折率領域が、本体に設けた孔
により構成されていることを特徴とする、請求項１１〜
１３のいずれかに記載の２次元フォトニック結晶点欠陥
干渉光反射器。 - 【請求項１５】 上記点状欠陥対の各々が、隣接する２
個以上の欠陥によって形成されるクラスタ欠陥であるこ
とを特徴とする、請求項１１〜１４のいずれかに記載の
２次元フォトニック結晶点欠陥干渉光反射器。
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