JP2006065150A - 2次元フォトニック結晶及びそれを用いた光デバイス - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 スラブ状の本体31に、スラブ面に平行な方向の断面形状が正三角形である空孔32を三角格子状に周期的に配置する。この空孔32の上面及び下面を本体31の材料で覆うことにより、上記断面形状がスラブ面に垂直な方向には一様でないようにする。これによりTM偏波に対するPBGは広くなり、TE偏波に対するPBGと重なるエネルギーの範囲が広くなる。この重なりの部分が完全PBGである。完全PBG内のエネルギーに対応する波長を有する光は、TE偏波、TM偏波の双方がフォトニック結晶内を伝播することができない。そのため、このフォトニック結晶に導波路や共振器を設けると、それらからフォトニック結晶内に上記波長を有する光が漏れて損失となることを防ぐことができる。
【選択図】 図5
Description
前記異屈折率領域を配置する格子点の配列は6mmの対称性を満たし、
前記異屈折率領域は、本体に平行な面による断面形状が3mの対称性を満たし、該断面形状が、本体に垂直な方向に一様でないことを特徴とする。
前記本体に空孔を形成する空孔形成工程と、
前記空孔に接する前記本体の上面又は下面の一方又は双方に、該本体と同じ屈折率を有する板状の部材を接着する工程と、
を有することを特徴とする。
本発明の2次元フォトニック結晶の一構造を図5の本体の斜視図(a)、本体に平行に切断したときの断面図(b)、及び本体に垂直に切断したときの断面図(c)を用いて説明する。まず、例えばSiから成るスラブ状の本体31に空孔32を周期aで配置する。この空孔32の配置は三角格子状であり、この三角格子は6mmの対称性を満たす。但し、空孔32は、その上面及び下面が閉塞された形状を有する(図5(c))ため、本体の表面には現れない。各空孔32の平面形状は図5(b)に示されるように正三角形であり、この形状は3mの対称性を満たしている。
図6を用いて、図5に示したような2次元フォトニック結晶の製造方法の一例について説明する。
本実施例では、SiO2から成る基板41上に、本体となるSi薄膜42が形成されたSOI基板40を用いる(a)。Si薄膜42上にレジスト43を塗布し、レジスト43に平面形状が正三角形(図6はSi薄膜42に垂直な方向の断面図であるため、この形状は示されていない。)である孔44を三角格子状に形成する(b)。孔44は、露光や電子線描画等、半導体装置の製造において通常用いられる方法により形成することができる。次に、エッチングガス(例えばSF6ガス)を用いたドライエッチング等の方法によりSi薄膜42に正三角柱形の空孔45を穿孔する(c)。ここで、エッチングを行う時間を調節することにより、空孔45の穿孔を途中で止め、孔44の基板41側にSi薄膜42が一部残るようにする。次に、レジストを除去する(d)。これとは別に、SiO2から成る基板46上にSi薄膜47を形成したものを作製しておき、Si薄膜42とSi薄膜47を重ね(e)、両者を接着する(f)。この接着には、例えば900〜1100℃に加熱して融着する等の方法を用いることができる。これによりSi薄膜42と47は一体となる。最後に、エッチング液(例えばHF水溶液)を用いたウエットエッチング等の方法によりSiO2基板41及び46を除去する(g)。なお、後述するようにクラッド部材を設ける場合には、SiO2基板41及び46を除去することなくそれをクラッド部材とすればよい。
図7は空孔の平行方向の断面形状を正三角形以外の形状とした場合の、本体の平行方向の断面図である。本体に垂直に切断したときの空孔の断面形状は図5(c)と同じである。図7(a)の例では、正三角形52の頂点53a、53b、53cを中心とする3個の円柱状の空孔54a、54b、54cを設け、この3個の空孔が一体となって1個の異屈折率領域55として作用する。また、この3個の空孔から成る異屈折率領域は3mの対称性を満たしている。そして、このような異屈折率領域55を三角格子状に配置する。この異屈折率領域55を配置する格子点の配列は6mmの対称性を満たす。図7(b)は、図7(a)の3個の円柱状の空孔54a、54b、54cが重なり合うことにより、1個の空孔56となったものである。上記の例と同様に、空孔56を三角格子状に配置する。この例においても、空孔56は3mの対称性を満たし、空孔56を配置する格子点の配列は6mmの対称性を満たす。
以下に、上記本実施例の2次元フォトニック結晶のうちのいくつかについて、完全PBGの幅の値(以下、完全PBG値とする)を計算により求めた結果を示す。計算には、3次元時間領域差分(Finite Difference Time Domain:FDTD)法を用いた。この3次元FDTD法は、非特許文献1等で用いられた平面波展開法よりも複雑であるが、結果の値がより正確である。併せて、TM偏波に係るPBG(以下、TM-PBGとする)とTE偏波に係るPBG(以下、TE-PBGとする)の値を示す。上記のように完全PBGはTM-PBGとTE-PBGが重なるエネルギー領域である。以下の計算結果では、PBG値は、周波数で表したPBG幅ΔωをそのPBGの中心値ω0で除して百分率で表したもので示す。
まず、比較のために、従来の2次元フォトニック結晶について、TM-PBG値と完全PBG値を計算した(図8)。(a)〜(c)はいずれも、本体81はSiから成る(後述の計算例1〜3においても同様)。空孔82の平面形状は(i)正三角形、又は(ii)正三角形の3個の頂点をそれぞれ中心とした3個の円から成る。空孔の体積を本体の体積で除した値であるフィリングファクタfairは、(i)では0.45、(ii)では0.58であった。本体81の厚さは空孔82の周期aの0.8倍とした。また、本体81は、(a)では上面及び下面の双方が空気に接し、(b)では上面が空気に、下面が本体よりも十分に厚いSiO2から成るクラッド部材83に接し、(c)では上面及び下面の双方がクラッド部材83に接する。これらの各構成についてTM-PBG値と完全PBG値の計算結果を図8に示す。この結果、完全PBGが形成されるのは(a)(i)の場合と(b)(ii)の場合のみであり、その値は0.4%及び1.2%であった。
次に、本発明の2次元フォトニック結晶の例として、空孔82の平面形状が正三角形であって、空孔82の上面及び下面が閉塞された2次元フォトニック結晶について、完全PBG値を計算した(図9)。空孔82のフィリングファクタはfair=0.45であった。空孔の高さは0.6aであり、空孔82の上面及び下面を閉塞する覆いの高さは上面、下面のいずれも0.1aであった。この図9(a)〜(c)の構成は、本体81の上面及び下面が、上記図8の(a)〜(c)の各構成に対応して、同様に空気、又はSiO2から成るクラッド部材83に接している。
次に、図7(a)に示した2次元フォトニック結晶、即ち空孔82の平面形状が3個の円の中心を正三角形の3つの頂点に配置した形状であって、空孔82の上面及び下面が閉塞された2次元フォトニック結晶について、完全PBG値を計算した(図10)。(a)では空孔及び覆いの高さをそれぞれ0.6a及び0.1a(上面、下面のいずれも)とし、(b)では空孔及び覆いの高さをそれぞれ0.7a及び0.05aとした。(c)は(b)の上下にSiO2から成るクラッド部材83を設けたものである。
さらに、空孔82の平面形状が図7(b)に示すものであって、下面のみが閉塞された2次元フォトニック結晶について、完全PBG値を計算した(図11)。(a)では空孔の高さを0.75a、空孔の下面のみに設けた覆いの高さを0.05aとした。(b)は、(a)の下面のみにSiO2から成るクラッド部材83を設けたものである。計算の結果、完全PBG値は(a)4.4%、(b)3.0%となった。(a)では上記各実施例よりも大きな完全PBGが得られた。
12、32、54a、54b、54c、56、61、62、63、64、82…空孔
22…本体21の平行方向の断面
23、55…異屈折率領域
24…断面22で切断した異屈折率領域23の断面
25…本体21に垂直な面
26…面25で切断したときの異屈折率領域23の縁
51…格子点
83…クラッド部材
Claims (11)
- スラブ状の本体に該本体とは屈折率の異なる同一形状の領域を周期的に配置して成る2次元フォトニック結晶であって、
前記異屈折率領域を配置する格子点の配列は6mmの対称性を満たし、
前記異屈折率領域は、本体に平行な面による断面形状が3mの対称性を満たし、該断面形状が、本体に垂直な方向に一様でないことを特徴とする2次元フォトニック結晶。 - 前記異屈折率領域の本体に垂直な面による断面の縁形状が、該異屈折率領域の垂直中心線に向けて凸状、凹状、コの字状、もしくは傾斜線状又はそれらの組み合わせから成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。
- 前記異屈折率領域の上面又は下面の一方又は双方が閉塞されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の2次元フォトニック結晶。
- 前記本体の上面又は下面の一方又は双方が該本体とは屈折率の異なるクラッド部材に接することを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の2次元フォトニック結晶。
- 前記クラッド部材が空気よりも屈折率が高く、本体の材料よりも屈折率が低い材料から成ることを特徴とする請求項4に記載の2次元フォトニック結晶。
- 前記本体がSiから成り、前記クラッド部材がSiO2から成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。
- 前記異屈折率領域が空孔から成ることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の2次元フォトニック結晶。
- 請求項1〜7のいずれかに記載の2次元フォトニック結晶に、異屈折率領域の欠陥を線状に設けて成ることを特徴とする光導波路デバイス。
- 請求項1〜7のいずれかに記載の2次元フォトニック結晶に、異屈折率領域の欠陥を点状に設けて成ることを特徴とする光共振器デバイス。
- 請求項1〜7のいずれかに記載の2次元フォトニック結晶と、該2次元フォトニック結晶に異屈折率領域の欠陥を線状に設けて成る少なくとも1本の光導波路と、該光導波路の近傍に異屈折率領域の欠陥を点状に設けて成る少なくとも1個の光共振器と、を備えることを特徴とする光合分波器。
- スラブ状の本体に空孔を周期的に配置して成る2次元フォトニック結晶の製造方法において、
前記本体に空孔を形成する空孔形成工程と、
前記空孔に接する前記本体の上面又は下面の一方又は双方に、該本体と同じ屈折率を有する板状の部材を接着する工程と、
を有することを特徴とする2次元フォトニック結晶の製造方法。
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