JP2005215639A - Method for controlling defect mode using three-dimensional photonic crystal - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、３次元フォトニック結晶を用いて欠陥モードの振動数を制御して出力する方法、及びそのような出力を得るシステムに関する。 The present invention relates to a method of controlling and outputting the frequency of a defect mode using a three-dimensional photonic crystal, and a system for obtaining such an output.
周期性誘電体構造は、フォトニック結晶として知られている（たとえば、藤井、井上著『フォトニック結晶−光の流れを型にはめ込む−』コロナ社2000年発行）。特に３次元フォトニック結晶は、誘電体が３つの異なる方向に沿って周期的に配列している光学デバイスであり、近年注目されている。このような３次元フォトニック結晶を実際に製造する方法も知られている（たとえば、非特許文献１（「T.Aoki et. al., Phys. Rev. B 64 p.45106, 2001」）参照。）。図１２は、そのような３次元フォトニック結晶の例を示す図である。図１２に示される結晶の上面は、複数のロッドが存在するロッド面である。一方、図１２に示される結晶の下面はメッシュ面である。 Periodic dielectric structures are known as photonic crystals (for example, Fujii, Inoue, “Photonic Crystals-Inserting the Flow of Light”, Corona, 2000). In particular, a three-dimensional photonic crystal is an optical device in which dielectrics are periodically arranged along three different directions, and has recently attracted attention. A method for actually producing such a three-dimensional photonic crystal is also known (for example, see Non-Patent Document 1 ("T. Aoki et. Al., Phys. Rev. B 64 p. 45106, 2001"). .) FIG. 12 is a diagram showing an example of such a three-dimensional photonic crystal. The upper surface of the crystal shown in FIG. 12 is a rod surface on which a plurality of rods exist. On the other hand, the lower surface of the crystal shown in FIG. 12 is a mesh surface.
光の波長の半分程度の大きさの周期を持った３次元半導体光結晶素子（３次元フォトニック結晶）の製造方法に関する発明は、既に知られている（たとえば、下記特許文献１（特開平11-183735号公報の図１、及び図２）参照）。図１３、及び図１４にそのような３次元フォトニック結晶の構成図を示す。図１３、及び図１４において、斜線の有無は誘電率の相違を示す。図１３の結晶は、空孔が設けられている。一方、図１４の結晶は複数のロッド部を有している。 An invention relating to a method of manufacturing a three-dimensional semiconductor photonic crystal element (three-dimensional photonic crystal) having a period of about half the wavelength of light has already been known (for example, Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 11-126)). No. -183735, see FIG. 1 and FIG. 2)). FIG. 13 and FIG. 14 show configuration diagrams of such a three-dimensional photonic crystal. In FIG. 13 and FIG. 14, the presence or absence of diagonal lines indicates a difference in dielectric constant. The crystal of FIG. 13 is provided with holes. On the other hand, the crystal of FIG. 14 has a plurality of rod portions.
千鳥格子状の矩形状の複数の溝を有する半導体光素子（フォトニック結晶）が知られている（たとえば、下記特許文献２（特開平4−180283号公報の図１）参照）。図１５にそのようなフォトニック結晶の構成図を示す。図１５において、斜線の有無は誘電率の相違を示す。図１５中、ｂ1、ｗ1は、各層の厚さを表す。図１５中、ｘ、ｙは、周期を表す。
A semiconductor optical device (photonic crystal) having a plurality of staggered rectangular grooves is known (see, for example,
空孔を有する３次元フォトニック結晶の製造方法は既に知られている（たとえば、下記特許文献３（米国特許5,600,483号明細書の図１）参照）。図１６にそのような３次元フォトニック結晶の構成図を示す。図１６において、斜線の有無は誘電率の相違を示す。図１６の結晶では、複数の空孔が設けられている。
A method for producing a three-dimensional photonic crystal having holes is already known (see, for example,
いわゆる自己クローニング法による３次元フォトニック結晶の製造方法は既に知られている（たとえば、下記特許文献４（特開平10−335758号公報の図１）参照）。図１７にそのような製造方法により製造された３次元フォトニック結晶の構成図を示す。図１７において、色の相違は誘電率の相違を示す。
A method for producing a three-dimensional photonic crystal by a so-called self-cloning method is already known (see, for example,
フォトニック結晶は、特有の光学的特性を持ち、光学、電気光学および光通信を含む幾つかの分野で応用されている（「Ohtaka, K., 1979, Phys. Rev. B, 19, 5057.」、「Yablonovich, E., 1987, Phys. Rev. Lett., 58, 2059.」、「Bowden, C. M., Dowling, J. P., and Everitt, H. O., 1993, 『Special Issue on Development and Applications of Materials Exhibiting Photonic Band Gaps』, J. Opt. Soc. Am. B, 10.」、「Wada, M., Doi, Y., Inoue, K., and Haus, J. W., 1997, Phys. Rev. B, 55, 10443.」）。 Photonic crystals have unique optical properties and are applied in several fields including optics, electro-optics and optical communications ("Ohtaka, K., 1979, Phys. Rev. B, 19, 5057. ``, Yablonovich, E., 1987, Phys. Rev. Lett., 58, 2059. '', `` Bowden, CM, Dowling, JP, and Everitt, HO, 1993, Special Issue on Development and Applications of Materials Exhibiting Photonic Band Gaps ”, J. Opt. Soc. Am. B, 10.”, Wada, M., Doi, Y., Inoue, K., and Haus, JW, 1997, Phys. Rev. B, 55, 10443 . ")
フォトニック結晶の最大の特徴は、そのフォトニック・バンドギャップ（ＰＢＧ）である（たとえば、藤井、井上著『フォトニック結晶−光の流れを型にはめ込む−』コロナ社2000年発行、44頁）。すなわち、フォトニック結晶は、ＰＢＧにおいて表面電磁波を維持できるという特性がある（「Meade, R. D., Brommer, K. D., Rappe, A. M., and Joannopoulos, J. D., 1991, Phys. Rev. B, 44, 10961.」、「Robertson, W. M., Arjavalingam, G., Meade, R. D., et al., J. D. 1993, Opt. Lett., 18, 528.」）。 The greatest feature of a photonic crystal is its photonic band gap (PBG) (for example, “Photonic crystal-Incorporating the flow of light” by Fujii and Inoue, Corona, 2000, p. 44) . That is, the photonic crystal has a characteristic that it can maintain surface electromagnetic waves in PBG ("Meade, RD, Brommer, KD, Rappe, AM, and Joannopoulos, JD, 1991, Phys. Rev. B, 44, 10961." "Robertson, WM, Arjavalingam, G., Meade, RD, et al., JD 1993, Opt. Lett., 18, 528.").
フォトニック結晶上の表面電磁波は、光学装置の設計に寄与すると考えられている（Kitson, S. C., Barnes, W. L. and Sambles, J. R., 1996, Phys. Rev. Lett., 77, 2670）。すなわち、フォトニック結晶に欠陥が導入された場合、局所化された電磁モードが、バンドギャップ内の振動数で発生する（下記非特許文献２（Yablonovitch, E., Gmitter, T. J., Meade, R. D., et al., 1991, Phys. Rev. Lett., 67, 3380.）参照）。 Surface electromagnetic waves on photonic crystals are thought to contribute to the design of optical devices (Kitson, S. C., Barnes, W. L. and Sambles, J. R., 1996, Phys. Rev. Lett., 77, 2670). That is, when a defect is introduced into a photonic crystal, a localized electromagnetic mode is generated at a frequency in the band gap (Non-Patent Document 2 (Yablonovitch, E., Gmitter, TJ, Meade, RD, et al., 1991, Phys. Rev. Lett., 67, 3380.)).
このようにフォトニック結晶そのものは、光学素子として公知である。しかしながら、フォトニック結晶を組み合わせたフォトニック結晶システムについては知られていない。ましてや、フォトニック結晶と欠陥層とを組み合わせ、欠陥層と相互作用する結晶表面の物性を制御するような利用方法については、知られていない。
本発明は、フォトニック結晶を組み合わせ、その物性を制御することにより欠陥モードの振動数を変化させる方法を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a method of changing the frequency of a defect mode by combining photonic crystals and controlling their physical properties.
本発明は、フォトニック結晶を組み合わせ、その物性を制御するようなフォトニック結晶システムを提供することを別の目的とする。 Another object of the present invention is to provide a photonic crystal system that combines photonic crystals and controls their physical properties.
本発明は、特に平面欠陥モードのうちファブリ・ペロー共振器の縦モードに類似したモードを利用したフォトニック結晶システムを提供することを別の目的とする。 Another object of the present invention is to provide a photonic crystal system that uses a mode similar to the longitudinal mode of a Fabry-Perot resonator, among other plane defect modes.
（１）上記の課題のうち少なくとも一つ以上を解決するため、本発明の３次元フォトニック結晶システム(1)は、上面と下面が異なる誘電特性を有する２つの３次元フォトニック結晶(2,3)と、前記２つの３次元フォトニック結晶の間に設けられた欠陥層(4)とを具備し欠陥モードの振動数を制御して出力する。 (1) In order to solve at least one of the above-mentioned problems, the three-dimensional photonic crystal system (1) of the present invention has two three-dimensional photonic crystals (2, 3) and a defect layer (4) provided between the two three-dimensional photonic crystals, and control and output the frequency of the defect mode.
本発明の３次元フォトニック結晶システムでは、上記のような構成をとるので、欠陥層と接する３次元フォトニック結晶の向きを変化させることにより、欠陥層と３次元フォトニック結晶表面との相互作用を調整できる。これにより、本発明の３次元フォトニック結晶システムは、様々な欠陥モードの出力を得ることができる。特に、この２つの３次元フォトニック結晶は、好ましくは同一の種類であり、面欠陥の厚さを変化させることなく、面欠陥モードの周波数を制御できる。 Since the three-dimensional photonic crystal system of the present invention has the above-described configuration, the interaction between the defect layer and the three-dimensional photonic crystal surface can be achieved by changing the direction of the three-dimensional photonic crystal in contact with the defect layer. Can be adjusted. Thereby, the three-dimensional photonic crystal system of the present invention can obtain outputs of various defect modes. In particular, the two three-dimensional photonic crystals are preferably of the same type, and the frequency of the surface defect mode can be controlled without changing the thickness of the surface defect.
（２）本発明の３次元フォトニック結晶システムの好ましい態様としては、前記３次元フォトニック結晶(1)が、複数の層(5)から構成され、３次元フォトニック結晶を構成するそれぞれの層(5)は、少なくとも２つの方向に周期的に設けられた複数のロッド(6)からなるロッド部(7)と、前記ロッド部の下端に設けられ、近接するロッド間を連結するように設けられたメッシュ部(8)とを有し、前記３次元フォトニック結晶は、ロッド部からなるロッド面(9)と、メッシュ部からなるメッシュ面(10)とを有する上記（１）に記載の３次元フォトニック結晶システムが挙げられる。 (2) As a preferred embodiment of the three-dimensional photonic crystal system of the present invention, the three-dimensional photonic crystal (1) is composed of a plurality of layers (5), and each layer constituting the three-dimensional photonic crystal. (5) is provided at the lower end of the rod portion (7) composed of a plurality of rods (6) periodically provided in at least two directions, and provided to connect adjacent rods. The three-dimensional photonic crystal has a rod surface (9) composed of a rod portion, and a mesh surface (10) composed of a mesh portion. A three-dimensional photonic crystal system can be mentioned.
この３次元フォトニック結晶システムでは、ロッド面と、メッシュ面とが異なる誘電特性を有している。したがって、２つの３次元フォトニック結晶と欠陥層との空間配置を制御することで、欠陥層と３次元フォトニック結晶表面との相互作用を調整できるので、これにより欠陥モードをも調整できる。 In this three-dimensional photonic crystal system, the rod surface and the mesh surface have different dielectric characteristics. Therefore, by controlling the spatial arrangement of the two three-dimensional photonic crystals and the defect layer, the interaction between the defect layer and the three-dimensional photonic crystal surface can be adjusted, so that the defect mode can also be adjusted.
（３）本発明の３次元フォトニック結晶システムの好ましい態様としては、前記２つの３次元フォトニック結晶のうち入射光方向にあるものを第１の３次元フォトニック結晶(2)、残りを第２の３次元フォトニック結晶(3)とし、前記第１の３次元フォトニック結晶の面うち入射光方向にある面を第１面(11)、欠陥層に接する面を第２面(12)とし、
前記第２の３次元フォトニック結晶の面うち欠陥層に接する面を第３面(13)、第３面と対向する面を第４面(14)とすると、[(i)前記第１面はロッド面であり、前記第２面は、メッシュ面であり、前記第３面はロッド面であり、前記第４面はメッシュ面である第１のフォトニック結晶システム、(ii)前記第１面はメッシュ面であり、前記第２面は、ロッド面であり、前記第３面はメッシュ面であり、前記第４面はロッド面である第２のフォトニック結晶システム、(iii)前記第１面はメッシュ面であり、前記第２面は、ロッド面であり、前記第３面はロッド面であり、前記第４面はメッシュ面である第３のフォトニック結晶システム、または(iv)前記第１面はロッド面であり、前記第２面は、メッシュ面であり、前記第３面はメッシュ面であり、前記第４面はロッド面である第４のフォトニック結晶システム]からなる群から選ばれる（２）に記載のフォトニック結晶システムである。このようなフォトニック結晶システムであれば、欠陥層の厚さを変えずに、面欠陥モードの振動数を制御することができる。
(3) As a preferable aspect of the three-dimensional photonic crystal system of the present invention, the two three-dimensional photonic crystals in the incident light direction are the first three-dimensional photonic crystal (2) and the rest are the first. 2 of the first three-dimensional photonic crystal, the surface in the incident light direction is the first surface (11), and the surface in contact with the defect layer is the second surface (12). age,
When the surface of the second three-dimensional photonic crystal that contacts the defect layer is the third surface (13), and the surface that faces the third surface is the fourth surface (14), [(i) the first surface Is a rod surface, the second surface is a mesh surface, the third surface is a rod surface, and the fourth surface is a mesh surface, (ii) the first surface A second photonic crystal system, wherein the surface is a mesh surface, the second surface is a rod surface, the third surface is a mesh surface, and the fourth surface is a rod surface; A third photonic crystal system in which one surface is a mesh surface, the second surface is a rod surface, the third surface is a rod surface, and the fourth surface is a mesh surface; or (iv) The first surface is a rod surface, the second surface is a mesh surface, the third surface is a mesh surface, and the fourth surface The surface is the photonic crystal system according to (2) selected from the group consisting of a fourth photonic crystal system which is a rod surface. With such a photonic crystal system, the frequency of the plane defect mode can be controlled without changing the thickness of the defect layer.
（４）本発明の３次元フォトニック結晶システムとして、好ましくは、前記３次元フォトニック結晶が、ケイ素、二酸化ケイ素、アルミニウム、ガリウム、ヒ素、およびこれらの混合物のいずれかにより構成される上記（１）〜（３）のいずれかに記載の３次元フォトニック結晶システムである。 (4) As the three-dimensional photonic crystal system of the present invention, preferably, the three-dimensional photonic crystal is composed of any one of silicon, silicon dioxide, aluminum, gallium, arsenic, and a mixture thereof (1 3) A three-dimensional photonic crystal system according to any one of (3).
（５）本発明の３次元フォトニック結晶システムとして、好ましくは、前記欠陥層が、空気層、または亜鉛、テルル、およびこれらの合金のいずれかにより構成される上記（１）〜（３）のいずれかに記載の３次元フォトニック結晶システムである。 (5) In the three-dimensional photonic crystal system of the present invention, preferably, the defect layer is composed of any one of an air layer, zinc, tellurium, and alloys thereof. The three-dimensional photonic crystal system according to any one of the above.
（６）本発明の３次元フォトニック結晶システムとして、好ましくは、前記３次元フォトニック結晶におけるロッドの周期のうち少なくともひとつが、１０μｍ〜１０ｃｍの周期である上記（２）、または（３）に記載の３次元フォトニック結晶システムである。 (6) In the three-dimensional photonic crystal system of the present invention, preferably, at least one of the periods of the rods in the three-dimensional photonic crystal has a period of 10 μm to 10 cm. The described three-dimensional photonic crystal system.
（７）本発明の３次元フォトニック結晶システムとして、好ましくは、前記３次元フォトニック結晶における各層のロッドの数が２５本〜１億本のいずれかの本数である上記（２）、または（３）に記載の３次元フォトニック結晶システムである。 (7) As the three-dimensional photonic crystal system of the present invention, preferably, the number of rods in each layer in the three-dimensional photonic crystal is any one of 25 to 100 million (2) or ( It is a three-dimensional photonic crystal system described in 3).
（８）上記課題の少なくとも一つ以上を解決するため本発明の欠陥モードの調整方法は、上面と下面が異なる誘電特性を有する２つの３次元フォトニック結晶と、前記２つの３次元フォトニック結晶の間に設けられた欠陥層とを具備する３次元フォトニック結晶システムを用いた欠陥モードの調整方法であって、前記欠陥層と接する３次元フォトニック結晶の表面の誘電特性を調整する欠陥モードの調整方法である。本発明によれば、欠陥層の厚さを変えなくとも、有効キャビティ長を変化させることができるので、本発明の欠陥モードの調整方法によれば、欠陥層の厚さを変化させることなく、出力される欠陥モードの周波数を調整できる。 (8) In order to solve at least one of the above problems, the defect mode adjustment method of the present invention includes two three-dimensional photonic crystals having different dielectric properties on the upper surface and the lower surface, and the two three-dimensional photonic crystals. A defect mode adjustment method using a three-dimensional photonic crystal system comprising a defect layer provided between the defect layers, wherein the defect mode adjusts the dielectric properties of the surface of the three-dimensional photonic crystal in contact with the defect layer This is the adjustment method. According to the present invention, since the effective cavity length can be changed without changing the thickness of the defect layer, according to the defect mode adjustment method of the present invention, without changing the thickness of the defect layer, The frequency of the output defect mode can be adjusted.
（９）本発明の欠陥モードの調整方法の実施態様としては、前記３次元フォトニック結晶が複数の層から構成され、３次元フォトニック結晶を構成するそれぞれの層は、少なくとも２つの方向に周期的に設けられた複数のロッドからなるロッド部と、前記ロッド部の下端に設けられ、近接するロッド間を連結するように設けられたメッシュ部とを有し、前記３次元フォトニック結晶は、ロッド部からなるロッド面と、メッシュ部からなるメッシュ面とを有する上記（８）に記載の欠陥モードの調整方法が挙げられる。 (9) As an embodiment of the defect mode adjusting method of the present invention, the three-dimensional photonic crystal is composed of a plurality of layers, and each layer constituting the three-dimensional photonic crystal has a period in at least two directions. A three-dimensional photonic crystal comprising: a rod portion composed of a plurality of rods, and a mesh portion provided at a lower end of the rod portion so as to connect adjacent rods; The defect mode adjustment method according to (8) above, which includes a rod surface made of a rod portion and a mesh surface made of a mesh portion.
（１０）本発明の欠陥モードの調整方法の実施態様としては、前記２つの３次元フォトニック結晶のうち入射光方向にあるものを第１の３次元フォトニック結晶、残りを第２の３次元フォトニック結晶とし、前記第１の３次元フォトニック結晶の面うち入射光方向にある面を第１面、欠陥層に接する面を第２面とし、前記第２の３次元フォトニック結晶の面うち欠陥層に接する面を第３面、第３面と対向する面を第４面とすると、前記第１面はロッド面であり、前記第２面は、メッシュ面であり、前記第３面はロッド面であり、前記第４面はメッシュ面である第１のフォトニック結晶システム、前記第１面はメッシュ面であり、前記第２面は、ロッド面であり、前記第３面はメッシュ面であり、前記第４面はロッド面である第２のフォトニック結晶システム、前記第１面はメッシュ面であり、前記第２面は、ロッド面であり、前記第３面はロッド面であり、前記第４面はメッシュ面である第３のフォトニック結晶システム、または前記第１面はロッド面であり、前記第２面は、メッシュ面であり、前記第３面はメッシュ面であり、前記第４面はロッド面である第４のフォトニック結晶システム、からなる群から選ばれるフォトニック結晶システムである上記（９）に記載の欠陥モードの調整方法が挙げられる。 (10) As an embodiment of the defect mode adjusting method of the present invention, the two three-dimensional photonic crystals in the incident light direction are the first three-dimensional photonic crystals, and the remaining are the second three-dimensional. A surface of the first three-dimensional photonic crystal is a first surface, a surface in contact with the defect layer is a second surface, and a surface of the second three-dimensional photonic crystal is a surface of the first three-dimensional photonic crystal. Of these, if the surface in contact with the defect layer is the third surface and the surface facing the third surface is the fourth surface, the first surface is a rod surface, the second surface is a mesh surface, and the third surface. Is a first photonic crystal system in which the fourth surface is a mesh surface, the first surface is a mesh surface, the second surface is a rod surface, and the third surface is a mesh surface. The second surface is a rod surface and the fourth surface is a rod surface. Crystal system, wherein the first surface is a mesh surface, the second surface is a rod surface, the third surface is a rod surface, and the fourth surface is a mesh surface. Or a first photonic crystal system, wherein the first surface is a rod surface, the second surface is a mesh surface, the third surface is a mesh surface, and the fourth surface is a rod surface; The defect mode adjustment method according to (9) above, which is a photonic crystal system selected from the group consisting of:
（１１） 本発明の欠陥モードの調整方法の実施態様としては、欠陥層の厚さを調整する上記（８）〜（１０）のいずれかに記載の欠陥モードの調整方法が挙げられる。 (11) As an embodiment of the defect mode adjusting method of the present invention, the defect mode adjusting method according to any one of the above (8) to (10) for adjusting the thickness of the defect layer may be mentioned.
（１２） 本発明の欠陥モードの調整方法の実施態様としては、フォトニック結晶の誘電体の周期を調整する上記（８）〜（１１）のいずれかに記載の欠陥モードの調整方法が挙げられる。 (12) As an embodiment of the defect mode adjustment method of the present invention, the defect mode adjustment method according to any one of the above (8) to (11), in which the period of the dielectric of the photonic crystal is adjusted. .
本発明によれば、フォトニック結晶を組み合わせ、その物性を制御することにより欠陥モードの振動数を変化させる方法を提供できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the method of changing the frequency of a defect mode can be provided by combining a photonic crystal and controlling the physical property.
本発明によれば、フォトニック結晶を組み合わせ、その物性を制御するようなフォトニック結晶システムを提供できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the photonic crystal system which combines a photonic crystal and controls the physical property can be provided.
本発明によれば、特に平面欠陥モードのうちファブリ・ペロー共振器の縦モードに類似したモードを利用したフォトニック結晶システムを提供できる。 According to the present invention, it is possible to provide a photonic crystal system that uses a mode similar to the longitudinal mode of the Fabry-Perot resonator among the plane defect modes.
本発明は、フォトニック結晶と欠陥層との界面の形状や、フォトニック結晶の周期構造を変化させることにより欠陥モードを制御できるという知見に基づくものである。より具体的には、本発明においては、３次元フォトニック結晶の向き（対称性）や、結晶格子の大きさ、欠陥層の厚さなどを適宜変化させる。これにより様々な振動数の欠陥モード出力を得ることができるというものである。すなわち、フォトニック結晶の表面形状に応じて入射光の進入長が変化する。このことは、欠陥における閉じ込めの有効キャビティ長さを変化させることに相当する。本発明では、このようにフォトニック結晶の表面形状を制御することで、好ましくは欠陥層の厚さを変化させずに出力される欠陥モードの振動数を変化させることができる。 The present invention is based on the knowledge that the defect mode can be controlled by changing the shape of the interface between the photonic crystal and the defect layer and the periodic structure of the photonic crystal. More specifically, in the present invention, the direction (symmetry) of the three-dimensional photonic crystal, the size of the crystal lattice, the thickness of the defect layer, and the like are appropriately changed. As a result, defect mode outputs of various frequencies can be obtained. That is, the incident length of incident light changes according to the surface shape of the photonic crystal. This corresponds to changing the effective cavity length of confinement in the defect. In the present invention, by controlling the surface shape of the photonic crystal in this way, it is possible to change the frequency of the defect mode that is output preferably without changing the thickness of the defect layer.
以下、図面にしたがって本発明の３次元フォトニック結晶システムの好ましい具現例について説明する。図１は、本発明の３次元フォトニック結晶システムの基本構成を表す概念図である。 Hereinafter, preferred embodiments of the three-dimensional photonic crystal system of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a conceptual diagram showing the basic configuration of the three-dimensional photonic crystal system of the present invention.
[Ｉ. ３次元フォトニック結晶システムの基本構成]
図１に示されるように、この３次元フォトニック結晶システム(1)は、上面と下面が異なる誘電特性を有する２つの３次元フォトニック結晶(2,3)と、前記２つの３次元フォトニック結晶の間に設けられた欠陥層(4)とを具備する、３次元フォトニック結晶システムである。
[I. Basic configuration of 3D photonic crystal system]
As shown in FIG. 1, the three-dimensional photonic crystal system (1) includes two three-dimensional photonic crystals (2, 3) having different dielectric properties on the upper and lower surfaces, and the two three-dimensional photonic crystals. A three-dimensional photonic crystal system comprising a defect layer (4) provided between crystals.
本発明の３次元フォトニック結晶システムでは、上記のような構成をとるので、欠陥層と接する３次元フォトニック結晶表面の誘電特性を変化させることができ、欠陥層と３次元フォトニック結晶表面との相互作用を調整できる。これにより、本発明の３次元フォトニック結晶システムは、様々な欠陥モードの出力を得ることができる。 Since the three-dimensional photonic crystal system of the present invention has the above-described configuration, the dielectric characteristics of the three-dimensional photonic crystal surface in contact with the defect layer can be changed, and the defect layer, the three-dimensional photonic crystal surface, Can interact with each other. Thereby, the three-dimensional photonic crystal system of the present invention can obtain outputs of various defect modes.
[Ｉ-1.３次元フォトニック結晶]
このような３次元フォトニック結晶としては、公知の３次元フォトニック結晶を採用できる。
[I-1. Three-dimensional photonic crystal]
As such a three-dimensional photonic crystal, a known three-dimensional photonic crystal can be employed.
３次元フォトニック結晶は、誘電体が３つの異なる方向に沿って周期的に配列している（誘電率の変化が３つの方向で周期的に起こる）結晶である。３次元フォトニック結晶を構成する誘電体としては、銅、金、銀、白金、鉛、リチウム、ベリリウム、炭素、ナトリウム、マグネシウム、アルミニウム、ケイ素、リン、カリウム、カルシウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、亜鉛、ガリウム、ゲルマニウム、ヒ素、セレン、ルビジウム、ストロンチウム、イットリウム、インジウム、アンチモン、テルル、バリウム、ビスマス、これらの窒化物、酸化物、フッ化物、硫化物、塩化物、臭化物、及びこれらの合金、空気などが挙げられる。３次元フォトニック結晶を構成する誘電体として、好ましくは、ケイ素、二酸化ケイ素、アルミニウム、ガリウム、ヒ素、およびこれらの混合物のいずれかにより構成されるものである。 A three-dimensional photonic crystal is a crystal in which dielectrics are periodically arranged along three different directions (dielectric constant change occurs periodically in three directions). Dielectrics that make up a three-dimensional photonic crystal include copper, gold, silver, platinum, lead, lithium, beryllium, carbon, sodium, magnesium, aluminum, silicon, phosphorus, potassium, calcium, chromium, manganese, iron, cobalt , Nickel, zinc, gallium, germanium, arsenic, selenium, rubidium, strontium, yttrium, indium, antimony, tellurium, barium, bismuth, their nitrides, oxides, fluorides, sulfides, chlorides, bromides, and these Alloy, air and the like. The dielectric constituting the three-dimensional photonic crystal is preferably composed of any one of silicon, silicon dioxide, aluminum, gallium, arsenic, and a mixture thereof.
[I.I.I. ３次元フォトニック結晶の例]
以下、３次元フォトニック結晶の例を説明する。先に説明したとおり、３次元フォトニック結晶を製造する方法は確立されており、本発明では公知の製造方法にしたがって３次元フォトニック結晶を製造できる。
[III Examples of 3D photonic crystals]
Hereinafter, an example of a three-dimensional photonic crystal will be described. As described above, a method for producing a three-dimensional photonic crystal has been established. In the present invention, a three-dimensional photonic crystal can be produced according to a known production method.
（３次元フォトニック結晶の例１）
図１２は、「T.Aoki et. al., Phys. Rev. B 64 p.45106, 2001」（非特許文献１）に開示された３次元フォトニック結晶を示す図である。図１２に示されるとおり、この例における３次元フォトニック結晶は、複数の層(5)から構成され、３次元フォトニック結晶を構成するそれぞれの層(5)は、少なくとも２つの方向に周期的に設けられた複数のロッド(6)からなるロッド部(7)と、前記ロッド部の下端に設けられ、近接するロッド間を連結するように設けられたメッシュ部(8)とを有し、前記３次元フォトニック結晶は、ロッド部からなるロッド面(9)と、メッシュ部からなるメッシュ面(10)とを有する。
(Example 1 of 3D photonic crystal)
FIG. 12 is a diagram showing a three-dimensional photonic crystal disclosed in “T. Aoki et. Al., Phys. Rev. B 64 p. 45106, 2001” (Non-Patent Document 1). As shown in FIG. 12, the three-dimensional photonic crystal in this example is composed of a plurality of layers (5), and each layer (5) constituting the three-dimensional photonic crystal is periodic in at least two directions. A rod portion (7) composed of a plurality of rods (6) provided on the mesh portion, and a mesh portion (8) provided at the lower end of the rod portion and provided to connect adjacent rods, The three-dimensional photonic crystal has a rod surface (9) composed of a rod portion and a mesh surface (10) composed of a mesh portion.
図２は、図１２に示される３次元フォトニック結晶を用いたフォトニック結晶システムの例である。２つの３次元フォトニック結晶のうち入射光方向にあるものを第１の３次元フォトニック結晶(2)、残りを第２の３次元フォトニック結晶(3)とし、前記第１の３次元フォトニック結晶の面うち入射光方向にある面を第１面(11)、欠陥層に接する面を第２面(12)とし、前記第２の３次元フォトニック結晶の面うち欠陥層に接する面を第３面(13)、第３面と対向する面を第４面(14)とすると、[(i)前記第１面はロッド面であり、前記第２面は、メッシュ面であり、前記第３面はロッド面であり、前記第４面はメッシュ面である第１のフォトニック結晶システム(図２（ａ）)、(ii)前記第１面はメッシュ面であり、前記第２面は、ロッド面であり、前記第３面はメッシュ面であり、前記第４面はロッド面である第２のフォトニック結晶システム（図２（ｂ））、(iii)前記第１面はメッシュ面であり、前記第２面は、ロッド面であり、前記第３面はロッド面であり、前記第４面はメッシュ面である第３のフォトニック結晶システム（図２（ｃ））、または(iv)前記第１面はロッド面であり、前記第２面は、メッシュ面であり、前記第３面はメッシュ面であり、前記第４面はロッド面である第４のフォトニック結晶システム（図２（ｄ））]からなる群から選ばれるフォトニック結晶システムが挙げられる。 FIG. 2 is an example of a photonic crystal system using the three-dimensional photonic crystal shown in FIG. Of the two three-dimensional photonic crystals, the one in the incident light direction is the first three-dimensional photonic crystal (2), the rest is the second three-dimensional photonic crystal (3), and the first three-dimensional photonic crystal Of the surfaces of the nick crystal, the surface in the incident light direction is the first surface (11), the surface in contact with the defect layer is the second surface (12), and the surface of the second three-dimensional photonic crystal is in contact with the defect layer. Is the third surface (13), and the surface facing the third surface is the fourth surface (14), [(i) the first surface is a rod surface, and the second surface is a mesh surface; The third surface is a rod surface, the fourth surface is a mesh surface, a first photonic crystal system (FIG. 2A), (ii) the first surface is a mesh surface, and the second surface is a mesh surface. The surface is a rod surface, the third surface is a mesh surface, and the fourth surface is a rod surface (second photonic crystal system (FIG. 2B)). (iii) A third photonic crystal system in which the first surface is a mesh surface, the second surface is a rod surface, the third surface is a rod surface, and the fourth surface is a mesh surface. (FIG. 2 (c)), or (iv) the first surface is a rod surface, the second surface is a mesh surface, the third surface is a mesh surface, and the fourth surface is a rod surface. A photonic crystal system selected from the group consisting of a fourth photonic crystal system (FIG. 2D)].
この例では、高抵抗シリコン（ε＝１１．４）（及び空気ε＝１）をフォトニック結晶の誘電体として選択した。しかしながら、フォトニック結晶に用いられる誘電体としては、シリコン、ケイ素、アルミニウム、ガリウム、ヒ素、及びこれらの合金、空気などを適宜用いてもよい。 In this example, high resistance silicon (ε = 11.4) (and air ε = 1) was selected as the dielectric of the photonic crystal. However, as a dielectric used for the photonic crystal, silicon, silicon, aluminum, gallium, arsenic, alloys thereof, air, and the like may be used as appropriate.
この例では、５つの層からなるフォトニック結晶を用いたが、層の数は２層以上であれば特に限定されず、たとえば２層〜１０００層、３層〜１００層、４層〜２００層、４層〜１０層、４層〜２０層、５層〜１０層、１０層〜１００層の間で適宜選択すればよい*1。 In this example, a photonic crystal composed of five layers is used, but the number of layers is not particularly limited as long as it is two or more. For example, two layers to 1000 layers, three layers to 100 layers, four layers to 200 layers What is necessary is just to select suitably among 4 layers-10 layers, 4 layers-20 layers, 5 layers-10 layers, 10 layers-100 layers * 1.
メッシュ部は各ロッドを連結し支えるための部分であり、その幅としては、１ｎｍ〜１００ｃｍが挙げられ、より具体的には、１ｎｍ〜５００ｎｍ、２ｎｍ〜１００ｎｍ、５ｎｍ〜１０ｎｍ、５ｎｍ〜５０ｎｍ、１０ｎｍ〜１０００ｎｍ、１μｍ〜５００μｍ、２μｍ〜１００μｍ、５μｍ〜１０μｍ、５μｍ〜５０μｍ、１０μｍ〜１０００μｍ、１ｍｍ〜５００ｍｍ、２ｍｍ〜１００ｍｍ、５ｍｍ〜１０ｍｍ、５ｍｍ〜５０ｍｍ、１０ｍｍ〜１０００ｍｍが挙げられる。メッシュ部の幅は、通常ロッドの幅（直径）と同様とすればよい。なお、メッシュ部の幅に応じて、フォトリソグラフィー、リソグラフィー、エッチング、機械切削などふさわしい製造方法を選択することによりこれらのフォトニック結晶層を製造できる。 The mesh part is a part for connecting and supporting the rods, and the width is 1 nm to 100 cm, and more specifically, 1 nm to 500 nm, 2 nm to 100 nm, 5 nm to 10 nm, 5 nm to 50 nm, 10 nm. ˜1000 nm, 1 μm to 500 μm, 2 μm to 100 μm, 5 μm to 10 μm, 5 μm to 50 μm, 10 μm to 1000 μm, 1 mm to 500 mm, 2 mm to 100 mm, 5 mm to 10 mm, 5 mm to 50 mm, 10 mm to 1000 mm. The width of the mesh portion may be the same as the width (diameter) of the normal rod. Note that these photonic crystal layers can be manufactured by selecting an appropriate manufacturing method such as photolithography, lithography, etching, or mechanical cutting according to the width of the mesh portion.
ロッド部の形状としては、正方形柱などの矩形柱、円柱、多角形柱、多角錐、円錐、楕円錐などが挙げられ、好ましくは正方形柱である。 Examples of the shape of the rod portion include a rectangular column such as a square column, a cylinder, a polygonal column, a polygonal pyramid, a cone, and an elliptical cone, and a square column is preferable.
ロッドの幅（矩形であればその長辺、ロッドが円柱状であればその直径）としては、上記のメッシュ部の幅と同様のものを適宜選択できる。ロッドの長さとしては、上記メッシュ部の幅と同様のものを適宜選択できる。 As the width of the rod (the long side if it is a rectangle, the diameter if the rod is a column), the same width as that of the mesh portion can be selected as appropriate. As the length of the rod, the same length as the width of the mesh portion can be appropriately selected.
ロッドの配置は、２つの方向に周期的な配置であれば特に限定されない。このようなロッドの配置としては、たとえばX軸方向及びY軸方向にそれぞれ等間隔に周期的に設けられているもの、X軸方向及びY軸方向に周期的に設けられているが、X軸方向の周期とY軸方向の周期とが異なるもの、X軸方向とX軸に対して所定の角度を持つ方向とに周期的に設けられているものなどが挙げられる。ロッド周期は、入射光の波長などにあわせて設定すればよい。ロッドの周期のうち少なくともひとつが、１０μｍ〜１０ｃｍの周期が挙げられる。比較的大きなロッドの周期としては、１ｍｍ〜１０ｃｍ、１ｍｍ〜５ｃｍ、０．１ｍｍ〜１０ｍｍ、０．１ｍｍ〜１００ｍｍ、５ｍｍ〜１００ｍｍ、１０ｍｍ〜１００ｍｍが挙げられる。*2このような大きなロッド間隔であれば、入射光として、大きな波長を有する光源を採用できる。また、３次元フォトニック結晶も切削技術などを用いて比較的容易に製造できる。比較的小さなロッドの周期としては、１０ｎｍ〜１００μｍ、１０μｍ〜１００μｍ、１０μｍ〜５０μｍ、２０μｍ〜４０μｍ、３０μｍ〜９０μｍなどが挙げられる。 The arrangement of the rod is not particularly limited as long as it is a periodic arrangement in two directions. Such rods are arranged periodically, for example, at regular intervals in the X-axis direction and the Y-axis direction, and are periodically provided in the X-axis direction and the Y-axis direction. Examples include those in which the cycle in the direction is different from the cycle in the Y-axis direction, and those that are periodically provided in the X-axis direction and a direction having a predetermined angle with respect to the X-axis. The rod period may be set according to the wavelength of incident light. At least one of the periods of the rod includes a period of 10 μm to 10 cm. Examples of the period of the relatively large rod include 1 mm to 10 cm, 1 mm to 5 cm, 0.1 mm to 10 mm, 0.1 mm to 100 mm, 5 mm to 100 mm, and 10 mm to 100 mm. * 2 With such a large rod spacing, a light source having a large wavelength can be adopted as incident light. Also, a three-dimensional photonic crystal can be manufactured relatively easily using a cutting technique or the like. Examples of the period of the relatively small rod include 10 nm to 100 μm, 10 μm to 100 μm, 10 μm to 50 μm, 20 μm to 40 μm, 30 μm to 90 μm, and the like.
各層のロッドの本数は、３次元フォトニック結晶としての機能を担保できる本数であれば特に限定されない。この本数が多いほど、より大きな出力が得られるので好ましいが、この本数が多いと、費用がかかり体積も大きくなる。したがって、各層のロッド本数としては、２５本〜１億本、２５本〜５００本、３０本〜１００本、５０本〜２００本、１００本〜３００本、１０００本〜１万本、１万本〜１０万本、１０万本〜１００万本、１００万本〜１０００万本、１０００万本〜５０００万本などが挙げられる。 The number of rods in each layer is not particularly limited as long as the number of rods can ensure the function as a three-dimensional photonic crystal. A larger number is preferable because a larger output can be obtained. However, a larger number increases the cost and the volume. Therefore, the number of rods in each layer is 25 to 100 million, 25 to 500, 30 to 100, 50 to 200, 100 to 300, 1000 to 10,000, 10,000 100,000 to 100,000, 1,000,000 to 10,000,000 to 10,000,000 to 50 million.
（３次元フォトニック結晶の例２）
上記の例１、及び例２では、メッシュの交点から垂直に伸びるロッドによりフォトニック結晶を構成する各層が構成されたが、フォトニック結晶としてはこのような形状のものに特に限定されない。フォトニック結晶としては、ヤボロノバイト（Yablonovite）として知られる穿孔構造を有するもの（たとえば、藤井、井上著『フォトニック結晶−光の流れを型にはめ込む−』コロナ社2000年発行の87頁）が挙げられる。
(Example 2 of 3D photonic crystal)
In Example 1 and Example 2 described above, each layer constituting the photonic crystal is configured by a rod extending vertically from the intersection of meshes, but the photonic crystal is not particularly limited to such a shape. Examples of photonic crystals include those having a perforated structure known as Yablonovite (for example, “Photonic Crystals—Fitting Light Flow into a Mold”, page 87, Corona, 2000) by Fujii and Inoue. It is done.
（３次元フォトニック結晶の例３）
他の３次元フォトニック結晶の例としては、図１３に示される３次元フォトニック結晶が挙げられる。図１３は、特開平11-183735号公報（特許文献１）の図１に開示された３次元フォトニック結晶の例を示す図である。
(Example 3 of three-dimensional photonic crystal)
Another example of the three-dimensional photonic crystal is a three-dimensional photonic crystal shown in FIG. FIG. 13 is a diagram showing an example of the three-dimensional photonic crystal disclosed in FIG. 1 of Japanese Patent Laid-Open No. 11-183735 (Patent Document 1).
（３次元フォトニック結晶の例４）
他の３次元フォトニック結晶の例としては、図１４に示される３次元フォトニック結晶が挙げられる。図１４は、特開平11-183735号公報（特許文献１）の図２に開示された３次元フォトニック結晶の例を示す図である。
(Example 4 of 3D photonic crystal)
Another example of the three-dimensional photonic crystal is a three-dimensional photonic crystal shown in FIG. FIG. 14 is a diagram showing an example of the three-dimensional photonic crystal disclosed in FIG. 2 of Japanese Patent Laid-Open No. 11-183735 (Patent Document 1).
（３次元フォトニック結晶の例５）
他の３次元フォトニック結晶の例としては、図１５に示される３次元フォトニック結晶が挙げられる。図１５は、特開平4−180283号公報（特許文献２）の図１に開示された３次元フォトニック結晶の例を示す図である。
(Example 5 of three-dimensional photonic crystal)
Another example of the three-dimensional photonic crystal is the three-dimensional photonic crystal shown in FIG. FIG. 15 is a diagram showing an example of the three-dimensional photonic crystal disclosed in FIG. 1 of Japanese Patent Laid-Open No. 4-180283 (Patent Document 2).
（３次元フォトニック結晶の例６）
他の３次元フォトニック結晶の例としては、図１６に示される３次元フォトニック結晶が挙げられる。図１６は、米国特許5,600,483号明細書（特許文献３）の図１に開示された３次元フォトニック結晶の例を示す図である。
(Example 6 of three-dimensional photonic crystal)
Another example of the three-dimensional photonic crystal is a three-dimensional photonic crystal shown in FIG. FIG. 16 is a diagram showing an example of the three-dimensional photonic crystal disclosed in FIG. 1 of US Pat. No. 5,600,483 (Patent Document 3).
（３次元フォトニック結晶の例７）
他の３次元フォトニック結晶の例としては、図１７に示される３次元フォトニック結晶が挙げられる。図１７は、特開平10−335758号公報（特許文献４）の図１に開示された３次元フォトニック結晶の例を示す図である。
(Example 7 of 3D photonic crystal)
Another example of the three-dimensional photonic crystal is the three-dimensional photonic crystal shown in FIG. FIG. 17 is a diagram showing an example of the three-dimensional photonic crystal disclosed in FIG. 1 of Japanese Patent Laid-Open No. 10-335758 (Patent Document 4).
[1.2.欠陥層]
欠陥層は、２つの３次元フォトニック結晶に挟まれた部分に存在する層であり、フォトニック結晶と異なる誘電率を有するものによって構成される層である。欠陥層を構成する誘電体としては、フォトニック結晶と異なる誘電率を有するものであれば特に限定されない。このような誘電体としては、銅、金、銀、白金、鉛、リチウム、ベリリウム、炭素、ナトリウム、マグネシウム、アルミニウム、ケイ素、リン、カリウム、カルシウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、亜鉛、ガリウム、ゲルマニウム、ヒ素、セレン、ルビジウム、ストロンチウム、イットリウム、インジウム、アンチモン、テルル、バリウム、ビスマス、これらの窒化物、酸化物、フッ化物、硫化物、塩化物、臭化物、及びこれらの合金、空気などを適宜用いてもよい。欠陥層を構成する誘電体として、好ましくは空気層、または亜鉛、テルル、およびこれらの合金（テルル化亜鉛など）である。
[1.2. Defect layer]
The defect layer is a layer that exists in a portion sandwiched between two three-dimensional photonic crystals, and is a layer that has a dielectric constant different from that of the photonic crystal. The dielectric constituting the defective layer is not particularly limited as long as it has a dielectric constant different from that of the photonic crystal. Such dielectrics include copper, gold, silver, platinum, lead, lithium, beryllium, carbon, sodium, magnesium, aluminum, silicon, phosphorus, potassium, calcium, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, zinc, Gallium, germanium, arsenic, selenium, rubidium, strontium, yttrium, indium, antimony, tellurium, barium, bismuth, nitrides thereof, oxides, fluorides, sulfides, chlorides, bromides, and alloys thereof, air, etc. May be used as appropriate. The dielectric constituting the defect layer is preferably an air layer, or zinc, tellurium, and alloys thereof (such as zinc telluride).
欠陥層の厚さとしては、１ｎｍ〜１００ｃｍが挙げられ、より具体的には、１ｎｍ〜５００ｎｍ、２ｎｍ〜１００ｎｍ、５ｎｍ〜１０ｎｍ、５ｎｍ〜５０ｎｍ、１０ｎｍ〜１０００ｎｍ、１μｍ〜５００μｍ、２μｍ〜１００μｍ、５μｍ〜１０μｍ、５μｍ〜５０μｍ、１０μｍ〜１０００μｍ、１ｍｍ〜５００ｍｍ、２ｍｍ〜１００ｍｍ、５ｍｍ〜１０ｍｍ、５ｍｍ〜５０ｍｍ、１０ｍｍ〜１０００ｍｍが挙げられる。 Examples of the thickness of the defect layer include 1 nm to 100 cm, and more specifically, 1 nm to 500 nm, 2 nm to 100 nm, 5 nm to 10 nm, 5 nm to 50 nm, 10 nm to 1000 nm, 1 μm to 500 μm, 2 μm to 100 μm, 5 μm. 10 μm, 5 μm to 50 μm, 10 μm to 1000 μm, 1 mm to 500 mm, 2 mm to 100 mm, 5 mm to 10 mm, 5 mm to 50 mm, 10 mm to 1000 mm.
[II.３次元フォトニック結晶システムの作用]
３次元フォトニック結晶システムの作用は後述の実施例において説明されるとおりである。すなわち、フォトニック結晶の表面形状に応じて入射光の進入長が変化する。このことは、欠陥における閉じ込めの有効キャビティ長さを変化させることに相当する。本発明では、このようにフォトニック結晶の表面形状を制御することで、出力される面欠陥モードの振動数を変化させるのである。このようにすれば、欠陥層の厚さを変化することなく、出力される欠陥モードの振動数を調整できる。本発明においては、基本的には欠陥層と、３次元フォトニック結晶表面との相互作用を調整するので、欠陥層に接する３次元フォトニック結晶の表面物性や欠陥層の物性を制御し望ましい欠陥モードの出力を得ればよい。このような調整方法としては、２つの３次元フォトニック結晶の向きを変える方法、欠陥層の厚さを制御する方法、３次元フォトニック結晶におけるロッドの長さを調整する方法、３次元フォトニック結晶におけるロッドの周期を調整する方法などが挙げられる。以下、本発明の実現例を実施例にしたがって説明する。
[II. Action of 3D photonic crystal system]
The operation of the three-dimensional photonic crystal system is as described in the examples described later. That is, the incident length of incident light changes according to the surface shape of the photonic crystal. This corresponds to changing the effective cavity length of confinement in the defect. In the present invention, the frequency of the surface defect mode to be output is changed by controlling the surface shape of the photonic crystal in this way. In this way, the frequency of the defect mode to be output can be adjusted without changing the thickness of the defect layer. In the present invention, since the interaction between the defect layer and the surface of the three-dimensional photonic crystal is basically adjusted, the surface physical properties of the three-dimensional photonic crystal in contact with the defect layer and the physical properties of the defect layer are controlled to achieve desirable defects. You can get the output of the mode. Such adjustment methods include a method of changing the orientation of two three-dimensional photonic crystals, a method of controlling the thickness of a defect layer, a method of adjusting the length of a rod in a three-dimensional photonic crystal, and a three-dimensional photonic. A method of adjusting the period of the rod in the crystal is exemplified. Hereinafter, implementation examples of the present invention will be described according to examples.
（1.1.フォトニック結晶層の準備）
まず、厚さが０．４ｍｍの高抵抗シリコン（ε＝１１．４）で作られた擬単純立方格子フォトニック結晶を準備した［Sozuer, H. S., and Haus, J. W., 1993, J. Opt. Soc. Am. B, 10, 296.］。ダイヤモンド・ソーを用いて、ウェーハ上にｘ、ｙ方向（スラブに平行）に各々０．４ｍｍピッチで幅と深さが０．２９ｍｍの溝を作った。ｘ、ｙ方向の溝の交差領域を、ウェットエッチング手法によって裏側から孔を作った。これらの孔は完全な正方形の孔ではなく部分的に四角錐で置き換えられているので、以下では「擬似」という用語を用いる。このフォトニック結晶層は、ｘｙ方向のメッシュ部と、そのメッシュ部の各交点から伸びるロッドとを含む。
(1.1. Preparation of photonic crystal layer)
First, a quasi-simple cubic lattice photonic crystal made of high resistance silicon (ε = 11.4) with a thickness of 0.4 mm was prepared [Sozuer, HS, and Haus, JW, 1993, J. Opt. Soc. Am. B, 10, 296.]. Using a diamond saw, grooves having a width and a depth of 0.29 mm were formed on the wafer in the x and y directions (parallel to the slab) at a pitch of 0.4 mm. Holes were formed from the back side in the intersecting region of the grooves in the x and y directions by wet etching. Since these holes are partially replaced by square pyramids rather than full square holes, the term “pseudo” is used below. The photonic crystal layer includes a mesh portion in the xy direction and a rod extending from each intersection of the mesh portion.
このようにしてｚ方向（スラブに垂直な方向）の最上部と底部とに二つの異なる表面を得た。すなわち、製造されたフォトニック結晶層の一つの表面は、複数のロッドを含む面（ロッド面）であり、もう一つの面はメッシュ状の面（メッシュ面）であった。この空孔を有するフォトニック結晶スラブの格子定数は、０．４ｍｍであった。この結晶の空孔充填率は、０．８２であった。フォトニック結晶スラブの各層は、約１７０個の単位セルを含んでいた。なお、このフォトニック結晶は、文献「Aoki, T., Takeda M. W., Haus, J. W., et al., 2001, Phys. Rev. B, 64, 045106.」（非特許文献１）に記載の方法にしたがって製造した。 In this way, two different surfaces were obtained at the top and bottom in the z direction (direction perpendicular to the slab). That is, one surface of the manufactured photonic crystal layer was a surface including a plurality of rods (rod surface), and the other surface was a mesh-like surface (mesh surface). The lattice constant of the photonic crystal slab having holes was 0.4 mm. The vacancy filling factor of this crystal was 0.82. Each layer of the photonic crystal slab contained about 170 unit cells. This photonic crystal is obtained by the method described in the document “Aoki, T., Takeda MW, Haus, JW, et al., 2001, Phys. Rev. B, 64, 045106.” (Non-patent Document 1). Therefore, it was manufactured.
（1.2.フォトニック結晶の準備）
先に製造したフォトニック結晶層を４層積み重ねたフォトニック結晶を２つ作成した。すなわち、本実施例で用いられるフォトニック結晶は、文献「Aoki, T., Takeda M. W., Haus, J. W., et al., 2001, Phys. Rev. B, 64, 045106.」の図１（本願の図１２）に開示されたフォトニック結晶である。また、ロッドの長さは０．２９ｍｍであった。
(1.2. Preparation of photonic crystal)
Two photonic crystals were prepared by stacking four layers of the previously produced photonic crystal layers. That is, the photonic crystal used in this example is shown in FIG. 1 of the document “Aoki, T., Takeda MW, Haus, JW, et al. It is the photonic crystal disclosed in FIG. The length of the rod was 0.29 mm.
（1.3.欠陥層の準備）
欠陥層として厚さ０．４ｍｍのテルル化亜鉛（ε＝１０．４）を準備した。
(1.3. Preparation of defective layer)
As a defect layer, zinc telluride (ε = 10.4) having a thickness of 0.4 mm was prepared.
（1.4.フォトニック結晶システムの準備）
２セットの４層フォトニック結晶スラブの間に欠陥層として厚さ０．４ｍｍのテルル化亜鉛（ε＝１０．４）を入れた。フォトニック結晶スラブは、前述のように二つのタイプの表面が存在した。フォトニック結晶を２つ組み合わせたフォトニック結晶スラブは、入射光の方向を区別すると、４つのタイプが存在する。図３に、４つのタイプのフォトニック結晶スラブ（システム）を示す。図３で、光が伝播する方向は、左から右である。フォトニック結晶キャビティのタイプ（ａ）の左（入射側）面はロッド面であり、右面はメッシュ面である。欠陥に対する界面は、入射側から順にメッシュ面とロッド面である。タイプ（ｂ）ではこの関係は、完全に逆になる。ｚ方向のスラブの非対称性を反映してタイプ（ａ）、（ｂ）は、非対称キャビティである。今後、タイプ（ａ）を非対称Ａと呼び、タイプ（ｂ）を非対称Ｂと呼ぶ。非対称Ａと非対称Ｂとに関して入射側フォトニック結晶スラブの積層方向を逆にして、それぞれタイプ（ｃ）（対称Ａ）とタイプ（ｄ）（対称Ｂ）を得た。これら二つは、それらの欠陥の中心面に関して鏡面対称であった。こうして４タイプのキャビティを準備した。
(1.4. Preparation of photonic crystal system)
Zinc telluride (ε = 10.4) having a thickness of 0.4 mm was placed as a defect layer between two sets of four-layer photonic crystal slabs. The photonic crystal slab had two types of surfaces as described above. There are four types of photonic crystal slabs in which two photonic crystals are combined, when the direction of incident light is distinguished. FIG. 3 shows four types of photonic crystal slabs (systems). In FIG. 3, the light propagation direction is from left to right. The left (incident side) surface of the photonic crystal cavity type (a) is a rod surface, and the right surface is a mesh surface. The interface to the defect is a mesh surface and a rod surface in order from the incident side. For type (b) this relationship is completely reversed. Reflecting the asymmetry of the slab in the z direction, types (a) and (b) are asymmetric cavities. Hereinafter, type (a) will be referred to as asymmetric A and type (b) will be referred to as asymmetric B. Regarding the asymmetry A and the asymmetry B, the incident-side photonic crystal slabs were stacked in the opposite direction to obtain type (c) (symmetry A) and type (d) (symmetry B), respectively. These two were mirror-symmetric with respect to the center plane of their defect. Thus, four types of cavities were prepared.
なお、欠陥層の厚さ、ロッドの長さ、ロッドの間隔等を適宜修正し所望の周波数を有する電磁波を得ることは本発明の好ましい別の実施態様である。 In addition, it is another preferable embodiment of the present invention to obtain an electromagnetic wave having a desired frequency by appropriately correcting the thickness of the defect layer, the length of the rod, the distance between the rods, and the like.
（２．測定方法）
本実施例では、振動数を測定するためにテラヘルツ時間領域分光法を用いた。図４に、振動数を測定装置のブロック図を示す。水蒸気によるＴＨｚ吸収を減少させるために測定用のすべての光学的構成要素を真空ボックスに入れた。エミッタとディテクタとの励起源としてモード同期エルビウム・ファイバ・レーザー（ＴＭＲＡ、フェムトライト７８０）を使用した。これは、そのレーザーの中心波長が約７８０ｎｍであり、１００フェムト秒（ＦＷＨＭ）パルスを生成する。パルスの反復速度は、４８メガヘルツであった。２０ミリワットのフェムト秒パルスを、５０：５０の比率でエミッタ・ラインとディテクタ・ラインとに分割した。チョッパーの周期は12kHz以上とした。
(2. Measurement method)
In this example, terahertz time domain spectroscopy was used to measure the frequency. FIG. 4 shows a block diagram of the apparatus for measuring the frequency. All optical components for measurement were placed in a vacuum box to reduce THz absorption by water vapor. A mode-locked erbium fiber laser (TMRA, femtolite 780) was used as the excitation source for the emitter and detector. This has a center wavelength of the laser of about 780 nm and produces 100 femtosecond (FWHM) pulses. The pulse repetition rate was 48 megahertz. A 20 milliwatt femtosecond pulse was split into an emitter line and a detector line at a 50:50 ratio. The chopper period was set to 12 kHz or more.
エミッタ・ライン用のポンプパルスは、低温成長ガリウム・ヒ素膜で作られた光伝導性（ボータイ）アンテナの偏ったギャップに対物レンズを使用して、焦点を合わせた。放射されるＴＨｚ電磁波を、十分に分極化（５０：１）した。この電磁波は、１対の軸はずれ放物面鏡によって平行にされて試料に焦点を合わせた。透過した電磁波は、別の１対の軸をずらした放物面鏡によって再び平行にされて検出器に焦点を合わせた。この検出器は、光導電性（ボータイ）アンテナでもある。 The pump pulse for the emitter line was focused using an objective lens in the biased gap of a photoconductive (bowtie) antenna made of a low temperature grown gallium arsenide film. The emitted THz electromagnetic wave was sufficiently polarized (50: 1). The electromagnetic wave was collimated by a pair of off-axis parabolic mirrors and focused on the sample. The transmitted electromagnetic wave was collimated again by another pair of offset parabolic mirrors and focused on the detector. This detector is also a photoconductive (bowtie) antenna.
プローブパルスは、遅延ラインを通って検出器に到達する。これらのプローブパルスは、光導電性のサンプル検出器を制御する。電流計は、試料を透過したＴＨｚ電磁界によって誘導された検出器からの直流光電流を測定する。ポンプパルスに対するプローブパルスのタイミングを遅らせることによって、ＴＨｚ電磁界に関する時間領域の波形を再構成した。この波形をフーリエ変換することによって、振動数領域のスペクトルを得た。測定の解像度は、遅延ラインの長さの逆数によって決定される。実験では１６．３８ｍｍ長さの遅延ラインを採用した。したがって測定の解像度は、０．０６ｃｍ-1であった。 The probe pulse reaches the detector through the delay line. These probe pulses control the photoconductive sample detector. The ammeter measures the DC photocurrent from the detector induced by the THz electromagnetic field that has passed through the sample. The time domain waveform for the THz electromagnetic field was reconstructed by delaying the timing of the probe pulse relative to the pump pulse. A spectrum in the frequency domain was obtained by Fourier transforming this waveform. The resolution of the measurement is determined by the reciprocal of the length of the delay line. In the experiment, a delay line having a length of 16.38 mm was employed. Therefore, the measurement resolution was 0.06 cm −1 .
（３．シミュレーション）
３次元有限差時間領域（ＦＤＴＤ）法を用いて実験をシミュレートした。ＦＤＴＤ法は、「Yee, K. S., 1966, IEEE Trans. Anntennas Propag., 14, 302.」、及び「Taflove, A., Hagness, S. C., 2000, Computational Electrodynamics: The finite difference time-domain method, 2nd ed. (Norwood: ARTECH HOUSE, INC.)」に記載されている。本実施例で用いたプログラムは、各境界に２０層の完全整合層（ＰＭＬ）を含んだものとした。テラヘルツ電磁波をシミュレートするために、持続時間が１ピコ秒のガウスパルスの微係数を使用した。欠陥モードのスペクトルを得るために５００ｐｓのフーリエ積分を取り、空間分布を計算するために２００ｐｓの長さのフーリエ積分を取った。本実施例で用いたフォトニック結晶キャビティは、有限の幾何学形状であったので、周期的境界条件を想定しなかった。フォトニック結晶の各層に９×９個の単位セルを想定した。フォトニック結晶の「擬似」形状要素は考慮しなかった。
(3. Simulation)
The experiment was simulated using a three-dimensional finite difference time domain (FDTD) method. The FDTD method is described in “Yee, KS, 1966, IEEE Trans. Anntennas Propag., 14, 302.” and “Taflove, A., Hagness, SC, 2000, Computational Electrodynamics: The finite difference time-domain method, 2nd ed. (Norwood: ARTECH HOUSE, INC.) ". The program used in this example is assumed to include 20 perfect matching layers (PML) at each boundary. In order to simulate terahertz electromagnetic waves, a derivative of a Gaussian pulse with a duration of 1 picosecond was used. A 500 ps Fourier integral was taken to obtain the defect mode spectrum, and a 200 ps long Fourier integral was taken to calculate the spatial distribution. Since the photonic crystal cavity used in this example had a finite geometric shape, periodic boundary conditions were not assumed. 9 × 9 unit cells were assumed in each layer of the photonic crystal. The “pseudo” shape element of the photonic crystal was not considered.
（４．分析）
図５に、非対称Ａキャビティと非対称Ｂキャビティとに関する透過スペクトルを示す。縦方向は、欠陥モードの表示を可能にする。欠陥モードは、６．８ｃｍ-1で見ることができる。これらは、互いに類似のスペクトルを示したが、バンドギャップ領域の外側に不一致が見られた。これは、入射光と、フォトニック結晶の入射側における表面形状との間の結合カップリングの有効性によってもたらされたと考えられる。
(4. Analysis)
FIG. 5 shows transmission spectra for an asymmetric A cavity and an asymmetric B cavity. The vertical direction allows display of defect modes. The defect mode can be seen at 6.8 cm −1 . They showed similar spectra to each other, but there was a discrepancy outside the band gap region. This is believed to be due to the effectiveness of the coupling coupling between the incident light and the surface shape on the incident side of the photonic crystal.
図６に、対称Ａキャビティと対称Ｂキャビティとに関する透過スペクトルを示す。欠陥モードは、対称Ａキャビティに関しては６．３ｃｍ-1と１０．５ｃｍ-1とに現れている。対称Ｂキャビティに関しては、欠陥モードは７．２ｃｍ-1に現れている。欠陥モードの振動数によって、これらのキャビティの有効光学長さを比較できる。対称Ａキャビティの場合、比較のためにより低い振動数の欠陥モードをとる。この欠陥モードの振動数は、対称Ａキャビティに関して最も低い。最高振動数は、対称Ｂキャビティの欠陥モードに関して見られる。非対称Ａ（Ｂ）キャビティに関する欠陥モードの振動数は、対称Ａキャビティに関する欠陥モードの周波数と対称Ｂキャビティに関する欠陥モードの周波数との間にある。この関係は、メッシュ界面がキャビティの有効光学長さを最短に制限することを教えている。こうして界面プロファイルの変化が欠陥モードの振動数を変化させ得ることが明らかになった。 FIG. 6 shows transmission spectra for a symmetric A cavity and a symmetric B cavity. Defect mode appearing at the 6.3 cm -1 and 10.5cm -1 with respect to symmetry A cavity. For a symmetric B cavity, the defect mode appears at 7.2 cm −1 . The effective optical length of these cavities can be compared by the frequency of the defect mode. In the case of a symmetric A cavity, a lower frequency defect mode is taken for comparison. The frequency of this defect mode is lowest for the symmetric A cavity. The highest frequency is seen for the defect mode of the symmetric B cavity. The frequency of the defect mode for the asymmetric A (B) cavity is between the frequency of the defect mode for the symmetric A cavity and the frequency of the defect mode for the symmetric B cavity. This relationship teaches that the mesh interface limits the effective optical length of the cavity to the shortest. Thus, it became clear that changes in the interface profile can change the frequency of the defect mode.
欠陥モードをより詳細に調査するために、ＦＤＴＤシミュレーションを行った。図７は、ＦＤＴＤシミュレーションの結果を示すグラフである。図７（ａ）は、非対称フォトニック結晶キャビティに関する計算された透過スペクトルを示す。欠陥モードの振動数は、０．３ｃｍ-1内における実験と一致する。「擬」単純立方格子フォトニック結晶の構造が完全にはシミュレートされなかったので、ピークの強度は実験値とは異なっている。図７（ｂ）は、欠陥モード付近の透過スペクトルである。図７中、太線は、対称がＡのもの、点線は、対称がＢのもののグラフである。 In order to investigate the defect mode in more detail, an FDTD simulation was performed. FIG. 7 is a graph showing the results of FDTD simulation. FIG. 7 (a) shows the calculated transmission spectrum for the asymmetric photonic crystal cavity. The frequency of the defect mode is consistent with the experiment within 0.3 cm −1 . Since the structure of the “pseudo” simple cubic lattice photonic crystal was not completely simulated, the intensity of the peak is different from the experimental value. FIG. 7B is a transmission spectrum near the defect mode. In FIG. 7, the thick line is a graph with symmetry A, and the dotted line is a graph with symmetry B.
図８は、非対称フォトニック結晶キャビティ内の欠陥モードに関する電界の計算された空間分布を示す。図中、白色で表される部分は、電界の強度を示す。図８（ａ）から、フォトニック結晶の左界面に沿って電界が集中していることがわかる。左界面は、メッシュ面である。図８（ｂ）では、電界が再びメッシュ面に沿って集中していることが確認される。最も誘電性の材料が含まれるメッシュ面では、表面モードはバンドギャップ内の最低振動数領域にあると考えられる（Meade, R. D., Brommer, K. D., Rappe, A. M., and Joannopoulos, J. D., 1991, Phys. Rev. B, 44, 10961.）。 FIG. 8 shows the calculated spatial distribution of the electric field for defect modes in the asymmetric photonic crystal cavity. In the figure, the portion represented by white indicates the strength of the electric field. FIG. 8A shows that the electric field is concentrated along the left interface of the photonic crystal. The left interface is a mesh surface. In FIG. 8B, it is confirmed that the electric field is concentrated again along the mesh surface. For mesh surfaces containing the most dielectric materials, the surface modes are considered to be in the lowest frequency region within the band gap (Meade, RD, Brommer, KD, Rappe, AM, and Joannopoulos, JD, 1991, Phys. Rev. B, 44, 10961.).
非対称Ａ、Ｂキャビティに関する欠陥モードの振動数は、誘電バンドに近いので、表面モードの範囲に入ると考えられる。これらの欠陥モードは、表面モードによって支援されている。図９は、非対称Ａ、Ｂキャビティに関する欠陥モードの透過率を示す。欠陥モードは界面の片側に集中するので、欠陥モードの透過率は互いに異なっている。非対称Ｂキャビティでは欠陥モードは、光の出口側の界面に沿って集中している。非対称Ａキャビティより多くの光が出力された。非対称キャビティの表面モードによって支援される平面欠陥モードは、光スイッチング素子として使用される可能性がある。 The frequency of the defect mode for the asymmetric A and B cavities is considered to fall within the surface mode range because it is close to the dielectric band. These defect modes are supported by surface modes. FIG. 9 shows the defect mode transmission for asymmetric A, B cavities. Since the defect modes are concentrated on one side of the interface, the transmittance of the defect modes is different from each other. In the asymmetric B cavity, the defect modes are concentrated along the interface on the light exit side. More light was output than the asymmetric A cavity. Planar defect modes assisted by surface modes of asymmetric cavities can be used as optical switching elements.
図８は、対称フォトニック結晶キャビティに関する計算された透過スペクトルを示す。対称Ａ構造（図９（ａ））に関して、われわれは６．５ｃｍ-1と１０．０ｃｍ-1とにおいて欠陥モードを得た。対称Ｂ構造（図９（ｂ））に関しては、７．５ｃｍ-1において欠陥モードを得た。実験値との差は、０．５ｃｍ-1以内である。今後、欠陥モードというときは実験の振動数を使用する。 FIG. 8 shows the calculated transmission spectrum for a symmetric photonic crystal cavity. Respect symmetry A structure (FIG. 9 (a)), we obtain a defect mode in 6.5cm -1 and 10.0 cm -1 Prefecture. For the symmetric B structure (FIG. 9B), a defect mode was obtained at 7.5 cm −1 . The difference from the experimental value is within 0.5 cm −1 . In the future, when referring to the defect mode, the experimental frequency will be used.
図１０は、対称Ａキャビティに関する欠陥モードの計算された空間分布を示す。図１０（ａ）から、電界がフォトニック結晶の誘電体部分に広がっていることがわかる。これは、欠陥モードとバンドエッジにおける定在波とがカップリングした結果である。このモードは、ファブリ・ペロー共振器の縦モードに似た共振条件に合っており、振動数はバンドエッジに近かった。フォトニック結晶の反射を利用しないので、振動数の高透過率領域にもかかわらず、このモードが形成された。このモードはまた、バンドエッジにおける定在波の性質として低い群速度を持っていると考えられる（「Sakoda, K., and Ohtaka, K., 1996, Phys. Rev. B., 54, 5747.」、「Sakoda, K., 2001, 『Optical Properties of Photonic Crystals』, (Berlin Heidelberg: Springer-Verlag).」）。 FIG. 10 shows the calculated spatial distribution of defect modes for a symmetric A cavity. From FIG. 10A, it can be seen that the electric field spreads to the dielectric portion of the photonic crystal. This is a result of coupling between the defect mode and the standing wave at the band edge. This mode met resonance conditions similar to the longitudinal mode of a Fabry-Perot resonator, and the frequency was close to the band edge. This mode was formed in spite of the high transmittance region of the frequency because the reflection of the photonic crystal was not used. This mode is also considered to have a low group velocity as a standing wave property at the band edge ("Sakoda, K., and Ohtaka, K., 1996, Phys. Rev. B., 54, 5747. "," Sakoda, K., 2001, "Optical Properties of Photonic Crystals", (Berlin Heidelberg: Springer-Verlag). ").
図１０（ｂ）から、１０．５ｃｍ-1における欠陥モードがフォトニック結晶の界面に沿って集中していることがわかる。この界面の構造はロッド面であった。ロッド面は、最も誘電性の低い材料を含んでいる。ロッド面上の表面モードは、バンドギャップ内の最高振動数領域であると考えられる（T.Aoki et. al., Phys. Rev. B 64 p.45106, 2001）。欠陥モードの振動数は、真空バンドに近いので、ロッド面上の表面モードの領域に入る。図１０（ｂ）では欠陥層内の電界分布のピークの数はこの欠陥モードに関して３個であることにも注目した。６．３ｃｍ-1における欠陥モードは、図１０（ａ）の欠陥層の内部に単一ピークを持っている。 FIG. 10B shows that defect modes at 10.5 cm −1 are concentrated along the interface of the photonic crystal. The structure of this interface was a rod surface. The rod surface contains the least dielectric material. The surface mode on the rod surface is considered to be the highest frequency region within the band gap (T.Aoki et. Al., Phys. Rev. B 64 p.45106, 2001). Since the frequency of the defect mode is close to the vacuum band, it enters the surface mode region on the rod surface. In FIG. 10B, it was also noted that the number of electric field distribution peaks in the defect layer was three for this defect mode. The defect mode at 6.3 cm −1 has a single peak inside the defect layer of FIG.
欠陥層内に電界分布の２個のピークを持つべき欠陥モードは、そのピーク強度がわずかであった。これは、バンドエッジにおける定在波との関係、または表面モードとの関係を持たない欠陥モードが透過スペクトル内にそれほど大きなピークを形成できないことを示唆している。これは、３次元フォトニック結晶からの反射を考慮することによって理解できる。この反射は、実際には回折によるものである。３次元フォトニック結晶においては、回折は法線方向から種々の方向に向かって発生する。これはキャビティ形成の有効性を低下させる。よって、キャビティを形成するために３次元フォトニック結晶を使用するときは、表面モードの、あるいはバンドエッジにおける定在波を利用するとよいことがわかる。 The defect mode that should have two peaks of the electric field distribution in the defect layer had a slight peak intensity. This suggests that a defect mode that does not have a relationship with a standing wave at the band edge or a surface mode cannot form a very large peak in the transmission spectrum. This can be understood by considering the reflection from the three-dimensional photonic crystal. This reflection is actually due to diffraction. In a three-dimensional photonic crystal, diffraction occurs from the normal direction toward various directions. This reduces the effectiveness of cavity formation. Therefore, it can be seen that when a three-dimensional photonic crystal is used to form a cavity, it is preferable to use a standing wave in the surface mode or at the band edge.
図１１では、対称Ｂキャビティの欠陥モードがフォトニック結晶の界面に沿って集中していることが見られる。界面の構造はメッシュ面である。前述の部分で見られるようにこの界面は、その振動数範囲が誘電バンドに近い表面モードを維持している。欠陥モードの振動数は誘電バンドに近いので、これらの界面上の表面モードによって支援されている。 In FIG. 11, it can be seen that the defect modes of the symmetric B cavity are concentrated along the interface of the photonic crystal. The interface structure is a mesh surface. As can be seen in the previous section, this interface maintains a surface mode whose frequency range is close to the dielectric band. Since the frequency of the defect mode is close to the dielectric band, it is supported by surface modes on these interfaces.
（５．まとめ）
本実施例では、フォトニック結晶の界面プロファイルの修正による平面欠陥モードの制御を実証した。特に、本実施例において、ファブリ・ペロー共振子に関する縦モードに似た平面欠陥モードを実験と理論計算により求め、以下の事柄を確認した。すなわち、欠陥モードの振動数が表面モードの領域に入ってくると、欠陥モードは表面モードによって支持される。もし欠陥モードの振動数がバンドエッジに近ければ、欠陥モードはバンドエッジにおける定在波に結合する。そうでなければ平面欠陥モードは、透過時にそれほど強いピークを形成しない可能性がある。
(5. Summary)
In this example, control of the planar defect mode by modifying the interface profile of the photonic crystal was demonstrated. In particular, in this example, a plane defect mode similar to the longitudinal mode related to the Fabry-Perot resonator was obtained by experiments and theoretical calculations, and the following matters were confirmed. That is, when the frequency of the defect mode enters the surface mode region, the defect mode is supported by the surface mode. If the frequency of the defect mode is close to the band edge, the defect mode couples to the standing wave at the band edge. Otherwise, the planar defect mode may not form a very strong peak during transmission.
本発明の３次元フォトニック結晶システムは、所定の欠陥モードを得ることができるので、光波回路素子として有効に利用できる*3。 Since the three-dimensional photonic crystal system of the present invention can obtain a predetermined defect mode, it can be effectively used as a lightwave circuit element * 3.
1 ３次元フォトニック結晶システム()は、
2第1の３次元フォトニック結晶
3第2の３次元フォトニック結晶
4欠陥層
5３次元フォトニック結晶を構成する層
6 ロッド
7 ロッド部
8メッシュ部
9ロッド面
10 メッシュ面
11 第１の３次元フォトニック結晶の第１面
12 第１の３次元フォトニック結晶の第２面
13 第２の３次元フォトニック結晶の第３面
14 第２の３次元フォトニック結晶の第４面
1 3D photonic crystal system ()
2 1st 3D photonic crystal
3 Second 3D photonic crystal
4 defect layer
5 Layers constituting 3D photonic crystal
6 Rod
7 Rod part
8 mesh part
9 Rod surface
10 mesh face
11 First surface of the first three-dimensional photonic crystal
12 Second surface of the first three-dimensional photonic crystal
13 Third surface of second 3D photonic crystal
14 4th surface of the second 3D photonic crystal
Claims (12)
前記２つの３次元フォトニック結晶の間に設けられた欠陥層とを具備する、
欠陥モードの振動数を制御して出力するための３次元フォトニック結晶システム。 Two three-dimensional photonic crystals whose upper and lower surfaces have different dielectric properties;
A defect layer provided between the two three-dimensional photonic crystals,
A three-dimensional photonic crystal system for controlling and outputting the frequency of defect modes.
前記３次元フォトニック結晶を構成するそれぞれの層は、
少なくとも２つの方向に周期的に設けられた複数のロッドからなるロッド部と、
前記ロッド部の下端に設けられ、近接するロッド間を連結するように設けられたメッシュ部とを有し、
前記３次元フォトニック結晶は、ロッド部からなるロッド面と、メッシュ部からなるメッシュ面とを有する請求項１に記載の３次元フォトニック結晶システム。 The three-dimensional photonic crystal is composed of a plurality of layers,
Each layer constituting the three-dimensional photonic crystal is
A rod portion composed of a plurality of rods periodically provided in at least two directions;
A mesh portion provided at the lower end of the rod portion and provided to connect adjacent rods;
The three-dimensional photonic crystal system according to claim 1, wherein the three-dimensional photonic crystal has a rod surface made of a rod portion and a mesh surface made of a mesh portion.
前記第１の３次元フォトニック結晶の面うち入射光方向にある面を第１面、欠陥層に接する面を第２面とし、
前記第２の３次元フォトニック結晶の面うち欠陥層に接する面を第３面、第３面と対向する面を第４面とすると、
前記第１面はロッド面であり、前記第２面は、メッシュ面であり、前記第３面はロッド面であり、前記第４面はメッシュ面である第１のフォトニック結晶システム、
前記第１面はメッシュ面であり、前記第２面は、ロッド面であり、前記第３面はメッシュ面であり、前記第４面はロッド面である第２のフォトニック結晶システム、
前記第１面はメッシュ面であり、前記第２面は、ロッド面であり、前記第３面はロッド面であり、前記第４面はメッシュ面である第３のフォトニック結晶システム、又は
前記第１面はロッド面であり、前記第２面は、メッシュ面であり、前記第３面はメッシュ面であり、前記第４面はロッド面である第４のフォトニック結晶システム、
からなる群から選ばれる請求項２に記載のフォトニック結晶システム。 Of the two three-dimensional photonic crystals, the one in the incident light direction is the first three-dimensional photonic crystal, and the remaining is the second three-dimensional photonic crystal,
Of the surfaces of the first three-dimensional photonic crystal, the surface in the incident light direction is the first surface, and the surface in contact with the defect layer is the second surface,
Of the surfaces of the second three-dimensional photonic crystal, the surface in contact with the defect layer is the third surface, and the surface opposite to the third surface is the fourth surface.
A first photonic crystal system in which the first surface is a rod surface, the second surface is a mesh surface, the third surface is a rod surface, and the fourth surface is a mesh surface;
A second photonic crystal system in which the first surface is a mesh surface, the second surface is a rod surface, the third surface is a mesh surface, and the fourth surface is a rod surface;
The first surface is a mesh surface, the second surface is a rod surface, the third surface is a rod surface, and the fourth surface is a mesh surface, or a third photonic crystal system, or A fourth photonic crystal system, wherein the first surface is a rod surface, the second surface is a mesh surface, the third surface is a mesh surface, and the fourth surface is a rod surface;
The photonic crystal system according to claim 2, which is selected from the group consisting of:
前記欠陥層と接する３次元フォトニック結晶の表面の誘電特性を調整する
欠陥モードの調整方法。 Defect mode using a three-dimensional photonic crystal system comprising two three-dimensional photonic crystals having different dielectric properties on the upper and lower surfaces, and a defect layer provided between the two three-dimensional photonic crystals An adjustment method,
A defect mode adjustment method for adjusting a dielectric property of a surface of a three-dimensional photonic crystal in contact with the defect layer.
複数の層から構成され、
３次元フォトニック結晶を構成するそれぞれの層は、
少なくとも２つの方向に周期的に設けられた複数のロッドからなるロッド部と、
前記ロッド部の下端に設けられ、近接するロッド間を連結するように設けられたメッシュ部とを有し、
前記３次元フォトニック結晶は、ロッド部からなるロッド面と、メッシュ部からなるメッシュ面とを有する請求項８に記載の欠陥モードの調整方法。 The three-dimensional photonic crystal is
Consists of multiple layers,
Each layer constituting the three-dimensional photonic crystal is
A rod portion composed of a plurality of rods periodically provided in at least two directions;
A mesh portion provided at the lower end of the rod portion and provided to connect adjacent rods;
The defect mode adjustment method according to claim 8, wherein the three-dimensional photonic crystal has a rod surface including a rod portion and a mesh surface including a mesh portion.
前記第１の３次元フォトニック結晶の面うち入射光方向にある面を第１面、欠陥層に接する面を第２面とし、
前記第２の３次元フォトニック結晶の面うち欠陥層に接する面を第３面、第３面と対向する面を第４面とすると、
前記第１面はロッド面であり、前記第２面は、メッシュ面であり、前記第３面はロッド面であり、前記第４面はメッシュ面である第１のフォトニック結晶システム、
前記第１面はメッシュ面であり、前記第２面は、ロッド面であり、前記第３面はメッシュ面であり、前記第４面はロッド面である第２のフォトニック結晶システム、
前記第１面はメッシュ面であり、前記第２面は、ロッド面であり、前記第３面はロッド面であり、前記第４面はメッシュ面である第３のフォトニック結晶システム、
前記第１面はロッド面であり、前記第２面は、メッシュ面であり、前記第３面はメッシュ面であり、前記第４面はロッド面である第４のフォトニック結晶システム、
からなる群から選ばれるフォトニック結晶システムである
請求項９に記載の欠陥モードの調整方法。 Of the two three-dimensional photonic crystals, the one in the incident light direction is the first three-dimensional photonic crystal, and the remaining is the second three-dimensional photonic crystal,
Of the faces of the first three-dimensional photonic crystal, the face in the incident light direction is the first face, and the face in contact with the defect layer is the second face,
Of the surfaces of the second three-dimensional photonic crystal, the surface in contact with the defect layer is the third surface, and the surface opposite to the third surface is the fourth surface.
A first photonic crystal system in which the first surface is a rod surface, the second surface is a mesh surface, the third surface is a rod surface, and the fourth surface is a mesh surface;
A second photonic crystal system in which the first surface is a mesh surface, the second surface is a rod surface, the third surface is a mesh surface, and the fourth surface is a rod surface;
A third photonic crystal system in which the first surface is a mesh surface, the second surface is a rod surface, the third surface is a rod surface, and the fourth surface is a mesh surface;
A first photonic crystal system, wherein the first surface is a rod surface, the second surface is a mesh surface, the third surface is a mesh surface, and the fourth surface is a rod surface;
The defect mode adjustment method according to claim 9, wherein the photonic crystal system is selected from the group consisting of:
The defect mode adjustment method according to claim 8, wherein the period of the dielectric of the photonic crystal is adjusted.
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