JP2006114739A - 共振器および発光素子および波長変換素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 ３次元フォトニック結晶内部に周期欠陥部を設けることにより共振器を形成する場合において、共振器内部の電磁場のエネルギー分布の対称性を保ちつつ、近接した共振波長を有する共振モードの影響が回避できるようにする。
【解決手段】 互いに平行に配置された複数の柱状構造を含む層を積層してなる３次元フォトニック結晶の内部に設けられた周期欠陥部の厚さは、前記柱状構造を含む層の厚さとは異なることを特徴とする３次元フォトニック結晶を用いた共振器を提供する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、発光素子の共振器等に適用可能な３次元フォトニック結晶を用いた共振器およびそれを用いた発光素子、波長変換素子に関する。

従来、波長以下の大きさの構造物によって電磁波の透過・反射特性などを制御するという概念は、Ｙａｂｌｏｎｏｖｉｔｃｈによって提唱されている（非特許文献１）。この非特許文献１によると、波長以下の構造を周期的に配列することによって電磁波の透過・反射特性などを制御可能で、電磁波の波長を光の波長オーダーにまで小さくすることによって、光の透過・反射特性を制御することができる。このような構造物はフォトニック結晶として知られており、ある波長域において、光損失が無損失の１００％の反射率を有する反射ミラーを実現できることが示唆されている。このように、ある波長域で反射率をほぼ１００％にすることができる概念は、従来の半導体が持つエネルギーギャップとの比較から、フォトニックバンドギャップと言われている。また、構造を３次元的な微細周期構造にすることによって、あらゆる方向から入射した光に対してフォトニックバンドギャップを実現することができ、以下、これを完全フォトニックバンドギャップと呼ぶことにする。完全フォトニックバンドギャップが実現できると、発光素子における自然放出の抑制など様々な応用が可能となり、従来にない新しい光機能素子の実現が可能となる。
Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ、Ｖｏｌ．５８、ｐｐ．２０５９、１９８７年 米国特許５、３３５、２４０号公報 特開２００４−６５６７号公報

これまでにも、柱状構造が周期的に配置された層を積層することにより構成されるウッドパイル構造（特許文献１、２）の内部に、欠陥構造を設け共振器を構成したものが提案されている（特許文献２）。提案されている欠陥構造は柱状構造と同じ厚さを有する直方体であって、柱状構造の一部に配置されているが、このようにフォトニック結晶中に欠陥構造を設けて共振器を形成すると、一般に複数の共振モードが存在する。発光素子や波長選択フィルタに用いられる共振器は、所望の閉じ込め効果を有し、所望の波長で共振条件を満たす必要がある。また、レーザの共振器に適用した場合のモードホップなど、近接した共振波長を有する共振モードの影響が回避できるように、所望の共振波長と近接する共振モードの共振波長との間隔を大きくすることが求められる。

これらの課題に対して、所望の閉じ込め効果を得るには、反射率を上げるために欠陥構造の周囲の周期構造の周期数を多く配置すれば良い。また特許文献２では、柱状構造と同じ厚さを有する直方体の欠陥構造の厚さ以外の２辺の長さ、および柱状構造に対する直方体の位置を変えることにより、共振波長および近接する共振モードの共振波長との間隔を制御している。

しかしながら、柱状構造に対して直方体の位置をずらすと、構造の非対称性から共振器内部の電磁場のエネルギー分布も非対称な形状となる。レーザの共振器に適用した場合などは、この非対称性から射出光の配向特性に大きな偏りが生じ、致命的な問題となる。また、欠陥構造のずらし量の最大値は柱状構造の配列周期の１／４であるため、共振波長の選択幅が小さいという問題がある。

そこで、本発明の目的は、電磁場のエネルギー分布が対称であって、単一モードで共振する共振器を提供することにある。

本発明は、３次元フォトニック結晶中の周期欠陥部からなる共振器であって、該３次元フォトニック結晶は、第１の軸に平行で、所定の間隔を空けて配置された複数の柱状構造を含む第１の層と、第２の軸に平行で、所定の間隔を空けて配置された複数の柱状構造を含む第２の層とを積層してなる３次元フォトニック結晶であり、前記点状欠陥部の厚さは前記第１の層の厚さおよび前記第２の層の厚さとは異なることを特徴とする。

本発明によれば、３次元フォトニック結晶に周期欠陥を導入することにより共振器として機能させる場合、欠陥モードパターンの対称性を保ったまま、所望の欠陥モード周波数を、所望の欠陥モード周波数間隔で実現することができ、光閉じ込め効果の高い高性能な共振器を構成することができる。このため、本発明による共振器をレーザに適用した際に、所望の波長で発振する高効率レーザが実現できるなど、高機能な光機能素子を構成することができる。

以下に本発明の好適な実施例を示す。

図１は本発明の実施例１の３次元フォトニック結晶を用いた共振器の要部概略図である。共振器１０は、周期構造部１００とその内部に形成された周期欠陥部（点状欠陥部）１２０から構成されている。周期構造部１００は、ｘｙ平面を含む層１０１〜１１２の１２層を基本周期として構成されている。図２は各層のｘｙ断面の一部を示す。第１の層１０１および第７の層１０７は、第１の媒質（高屈折率）によるｙ軸に平行な複数の柱状構造１０１ａおよび１０７ａが等間隔Ｐでｘ方向に配置されており、柱状構造１０１ａおよび１０７ａはｘ軸方向にＰ／２ずれた位置に配置されている。また、第４の層１０４および第１０の層１１０は、第１の媒質によるｘ軸に平行な複数の柱状構造１０４ａおよび１１０ａが等間隔Ｐでｙ方向に配置されており、柱状構造１０４ａおよび１１０ａはｙ軸方向にＰ／２ずれた位置に配置されている。付加層を構成する第２の層１０２および第３の層１０３には、第１の層１０１中の柱状構造１０１ａおよび第４の層１０４中の柱状構造１０４ａの交点に相当する位置に、ｘｙ平面内において互いに接しないように離散的に配置された第１の媒質による離散構造１０２ａおよび１０３ａが配置されている。なお、離散構造１０２ａと１０３ａはｘｙ面内における９０度の回転により相互に重なる対称性を有している。同様に、柱状構造を含む層の間にあり付加層を構成する第５の層１０５、第６の層１０６、第８の層１０８、第９の層１０９、第１１の層１１１、第１２の層１１２には、隣接する層中の柱状構造の交点に相当する位置に、ｘｙ平面内において離散的に配置された第１の媒質による離散構造１０５ａ、１０６ａ、１０８ａ、１０９ａ、１１１ａ、１１２ａが配置されている。各層中の柱状構造および離散構造は互いに接しており、各層中の柱状構造および離散構造以外の部分は第２の媒質（低屈折率）で充填されている。第１、第２の媒質の屈折率、柱状構造および離散構造の形状や間隔、各層の厚さなどを最適化することにより、所望の周波数域（波長域）に非常に広い周波数帯域（波長帯域）で完全フォトニックバンドギャップを得ている。

本実施例では、第１の媒質の屈折率を３．３、第２の媒質の屈折率を１として、柱状構造の間隔をＰとして、柱状構造を含む全ての層のｚ軸方向の厚さを０．２５×Ｐ、離散構造を含む全ての層のｚ方向の厚さを０．０５×Ｐ、全ての柱状構造を断面のｚ方向の一辺の長さが０．２５×Ｐ、ｘ方向あるいはｙ方向で０．３×Ｐの長方形の角柱、全ての離散構造をｘｙ断面の一辺の長さが０．４×Ｐ、０．６×Ｐの長方形でｚ方向厚さ０．０５×Ｐの直方体として、平面波展開法によりフォトニックバンド構造を解析した結果を図４に示す。図４において、横軸は、波数ベクトルすなわちフォトニック結晶に入射する電磁波の入射方向を表しており、例えばＫ点はｘ軸（もしくはｙ軸）に平行な波数ベクトル、Ｘ点はｘｙ平面内において、ｘ軸（あるいはｙ軸）に対して４５°の傾きをもった波数ベクトルを表している。一方、縦軸は格子周期で規格化した周波数（規格化周波数）を示している。図４中のハッチングで示した規格化周波数０．３４から０．４２の領域においては、光の入射方向によらず光が存在できず、完全フォトニックバンドギャップが形成されている。例えば柱状構造の間隔Ｐが０．５μｍであるとすると、１．１９μｍから１．４７μｍの波長域で、間隔Ｐが２００ｎｍとすると、４８０ｎｍから５９０ｎｍの波長域で完全フォトニックバンドギャップが形成される。

図３に周期欠陥部（点状欠陥部）１２０付近の拡大図を示す。周期欠陥部１２０は、第１の媒質で、厚さＤｚ、幅Ｄｘ、Ｄｙの直方体形状をしている。このように、周期欠陥部１２０を形成することにより、周期構造部１１０が持つフォトニックバンドギャップ内の波長域中の一部の波長域の電磁波に対して、欠陥部のみ電磁波が存在できる状態にすることができ、非常に小さい領域に電磁波を閉じ込め、かつ閉じ込め効果の高い高性能な共振器を構成している。以降、この周期欠陥部を導入することによりフォトニックバンドギャップ内に存在が許される電磁波を欠陥モードと呼び、その周波数は欠陥モード周波数、周期欠陥により形成される共振器内部の電磁エネルギー分布を欠陥モードパターンと呼ぶ。

図５から図７に、図１に示した共振器１０において、周期欠陥部１２０の欠陥形状の各パラメータに対して、欠陥モード周波数がどのように変化するかについてＦＤＴＤ（時間領域有限差分法）を用いて計算した結果を示す。図５は、Ｄｚ＝０．３×Ｐ、Ｄｘ＝Ｄｙとして、Ｄｘの大きさに対する欠陥モード周波数の関係を示したものである。計算を行った周期欠陥部１２０は、図３において、ｘ方向およびｙ方向の中心座標が、それぞれ離散構造１３１ａのｘ方向およびｙ方向の中心座標と同一で、ｚ方向は柱状構造１３２ａを含む層１３２および離散構造１３１ａを含む層１３１の２つの層に形成されている。図５中のハッチングで示した周波数領域は完全フォトニックバンドギャップ外の周波数域を示す。図６はＤｚ＝０．３×Ｐ、Ｄｘ＝０．８×Ｐとして、Ｄｙの大きさに対する欠陥モード周波数の関係を示したものである。計算を行った周期欠陥部１２０は、図３において、ｘ方向およびｙ方向の中心座標が、それぞれ離散構造１３１ａのｘ方向およびｙ方向の中心座標と同一で、ｚ方向は柱状構造１３２ａを含む層１３２および離散構造１３１ａを含む層１３１の２つの層に形成されている。図７はＤｘ＝０．８×Ｐ、Ｄｙ＝０．８×Ｐとして、Ｄｚの大きさに対する欠陥モード周波数の関係を示したものである。計算を行った周期欠陥部１２０は、図３において、ｘ方向およびｙ方向の中心座標が、それぞれ離散構造１３１ａのｘ方向およびｙ方向の中心座標と同一で、ｚ方向は周期欠陥部１２０のｚ方向の最小座標が柱状構造１３２ａのｚ方向の最小座標と同一となるように形成されている。欠陥形状の各パラメータを変化させた場合、欠陥形状に対する欠陥モード周波数の変化が各パラメータにより異なるため、各欠陥モード周波数を制御することができる。図５から図７に示すように、Ｄｘ、Ｄｙの大きさを変化させた場合とＤｚを変化させた場合の欠陥モード周波数の変化の仕方は大きく異なる。この変化の違いにより、隣接する欠陥モードの影響を低減するために欠陥モード間の周波数間隔を大きく設定し、かつ所望の周波数に欠陥モードを設定することが可能となる。

例えば、図３において、周期欠陥部１２０のｘ方向およびｙ方向の中心座標が、それぞれ離散構造１３１ａのｘ方向およびｙ方向の中心座標と同一で、ｚ方向は周期欠陥部１２０のｚ方向の最小座標が柱状構造１３２ａのｚ方向の最小座標と同一となるように形成し、周期欠陥部１２０の形状をＤｘ＝Ｐ、Ｄｙ＝０．３×Ｐ、Ｄｚ＝０．３５×Ｐとすることにより、フォトニックバンドギャップ内に欠陥モードを一つだけにすること、すなわち単一モード化が可能となる。周期欠陥部１２０は、離散構造を含む層と柱状構造を含む層に形成される。製造工程を考慮すると、周期欠陥部１２０の厚さＤｚは離散構造あるいは柱状構造を含む層の厚さの和であることが望ましい。また、柱状構造を含む層よりも薄い離散構造を含む層を少なくとも一つ含んで欠陥構造を形成することにより、欠陥モード周波数の細かな制御が可能となる。周期構造部１１０をｘｙ方向に８周期、ｚ方向に４周期設け、その中心部に周期欠陥部１２０を配置したときの欠陥モードのスペクトルを図８に、ｘｙ断面の欠陥モードパターンを図９に示す。図９において、白で示した領域はエネルギーの強い場所を示し、黒で示した領域はエネルギーの弱い場所を示す。図８および図９に示したように、非常に対称性の良い欠陥モードパターンで、かつ単一モードを実現している。

図８に示した欠陥モードによる共振器の光閉じ込め性能を表すＱ値（共振器に蓄積されるエネルギー／単位時間に共振器から失われるエネルギー）は、約３８００となる。この値は、周期構造部１００の周期数を増やすことにより対数的に増やすことができ、例えばｘｙ方向に２０周期、ｚ方向に１６周期設けた場合、Ｑ値は約３×１０^８にすることができる。よって、周期構造部の周期数は所望の閉じ込め効果が得られる最低限の周期数以上の値とすればよい。

このように、所望の欠陥モード周波数を含む周波数域で完全フォトニックバンドギャップを有するように、周期構造部の第１、第２の媒質の屈折率、柱状構造および離散構造の形状や間隔、各層の厚さなどを最適化し、周期欠陥部の形状を離散構造を含む層を少なくとも一層含み、また周期欠陥部の厚さＤｚを柱状構造を含む層の厚さと異なるようにして最適化することにより、欠陥モードパターンの対称性を保ったまま、所望の欠陥モード周波数を、所望の欠陥モード周波数間隔で実現することができ、光閉じ込め効果の高い高性能な共振器を構成することができる。特に、周期欠陥部の中心位置を、周期欠陥部に隣り合う柱状構造の交差領域の中心から積層方向に延びた軸上に配置する場合、もしくは周期欠陥部に隣り合う柱状構造の交差領域の中心から柱状構造の配列方向にＰ／２ずれた位置から積層方向に延びた軸上に配置した場合には、周期欠陥部を隣接する柱状構造に対して位置をずらすという従来の方法（特許文献２）に比べて、周期欠陥部を含む周囲領域の構造対称性が高いため、欠陥モードパターンも対称性がよい。また周期欠陥部の形状変化に対して、欠陥モード周波数の変化が大きいため、欠陥モード周波数の選択幅が広く、所望の周波数で動作する高性能な共振器を構成することができる。

ここで、周期欠陥部の中心位置を、周期欠陥部に隣り合う柱状構造の交差領域の中心から積層方向に延びた軸上、もしくは周期欠陥部に隣り合う柱状構造の交差領域の中心から柱状構造の配列方向にＰ／２ずれた位置から積層方向に延びた軸上に配置するとしたが、実際の作製などを考慮すると、周期欠陥部の位置は前記積層方向に延びた軸に対して、例えば±０．１×Ｐ程度の誤差を有する場合があるが、このような誤差は本発明の効果に影響を与えるものではない。

以上の実施例においては離散構造を含む層と柱状構造を含む層で周期欠陥部を形成したが、周期欠陥部の厚さで欠陥モード周波数の制御を行うため、所望の周波数によっては、図１０に示すように、離散構造を含む層のみで形成してもよい。

また、本実施例では、離散構造を含む２つの層、例えば第２の層１０２および第３の層１０３で付加層を構成し、第１の層１０１〜第１２の層１１２を基本構成としたが、付加層を構成する離散構造を含む層の数を１または３以上とし、柱状構造を含む２つの層と離散構造を含む層で、全体として３層若しくは３層以上の層を基本構成としても良い。即ち、第１の軸に平行に、所定の間隔を空けて配置された複数の柱状構造を含む第１の層と、 第２の軸に平行に、所定の間隔を空けて配置された複数の柱状構造を含む第２の層と、該第１の軸および該第２の軸を含む平面内において離散的に配置された離散構造を含む層を一層以上含む付加層とを有し、該第１の層と該第２の層は該付加層を介して積層され、該付加層に含まれる離散構造は該柱状構造の交点に相当する位置に配置される構成の３次元フォトニック結晶を用いても比較的広い完全フォトニックバンドギャップを呈する機能素子が得られる。なお、付加層を構成する離散構造を含む層の数を増やすことにより、フォトニックバンドギャップの幅をより広くすることができる。離散構造を含む層の数を２以上とすることにより、欠陥モード周波数での３次元フォトニック結晶の反射率が高く、また方向による反射率の差が小さくなり、閉じ込め効果が高くなるためＱ値の高い高性能な共振器を実現でき、またフォトニックバンドギャップの幅が広いため欠陥モード周波数の制御幅を広くすることができる。さらに前述したように、周期欠陥部の厚さを、離散構造を含む層の厚さの和、あるいは柱状構造を含む層と離散構造を含む層の厚さの和にすると作製が容易になるが、その場合に厚さの制御を細かくできるようになり、よって欠陥モード周波数をより細かく制御することができる。

尚、第１の層１０１、第７の層１０７や第４の層１０４、第１０の層１１０の柱状構造の配置ピッチのずれは、略ピッチＰの１／２となることが好ましい。これは以下の実施例においても全く同じである。

これらの周期構造部を形成する媒質としては、高い屈折率比を有する２種類以上の媒質を用いる。高屈折率媒質としては、ＧａＡｓ、ＩｎＰやＧａＮなどの化合物半導体、Ｓｉなどの半導体、ＴｉＯ２などの誘電体や金属を用いる。低屈折率媒質としては、ＳｉＯ２などの誘電体や、ＰＭＭＡなどの高分子有機材料、空気などを用いる。フォトニック結晶の持つフォトニックバンドギャップは、結晶内の誘電率分布に起因して得られるものである。このため、相互の誘電率の比が大きい媒質同士を組み合わせる程、より広い完全フォトニックバンドギャップを得ることが出来る。有効な広さを持つ完全フォトニックバンドギャップを得るためには、屈折率比が２以上であることが望ましい。本実施例においては、第１の媒質として高屈折率媒質、第２の媒質として低屈折率媒質を用いたが、逆に第１の媒質として低屈折率媒質、第２の媒質として高屈折率媒質を用いても良い。

また、本実施例においては周期欠陥部の媒質を柱状構造あるいは離散構造と同じ媒質としたが、屈折率の異なる媒質とすることにより欠陥モード周波数の制御幅が広がり、所望の周波数で動作する高性能な共振器を構成することができる。

図１１は本発明による共振器の実施例２の要部概略図である。共振器２０は、周期構造部２００とその内部に形成された周期欠陥部（点状欠陥部）２１０から構成されている。周期構造部２００は、ｘｙ平面を含む層２０１〜２０４の４層を基本周期として構成されている。第１の層２０１および第３の層２０３は、第１の媒質（高屈折率）によるｙ軸に平行な複数の柱状構造２０１ａおよび２０３ａが等間隔Ｐでｘ方向に配置されており、柱状構造２０１ａおよび２０３ａはｘ軸方向にＰ／２ずれた位置に配置されている。また、第２の層２０２および第４の層２０４は、第１の媒質によるｘ軸に平行な複数の柱状構造２０２ａおよび２０４ａが等間隔Ｐでｙ方向に配置されており、柱状構造２０２ａおよび２０４ａはｙ軸方向にＰ／２ずれた位置に配置されている。各層中の柱状構造以外の部分は第２の媒質（低屈折率）で充填されている。第１、第２の媒質の屈折率、柱状構造の形状や間隔、各層の厚さなどを最適化することにより、所望の周波数域（波長域）に非常に広い周波数帯域（波長帯域）で完全フォトニックバンドギャップを得ている。本実施例では、第１の媒質の屈折率を３．３、第２の媒質の屈折率を１として、柱状構造の間隔をＰとして、全ての柱状構造を断面のｚ軸方向の一辺の長さが０．３×Ｐ、ｘあるいはｙ方向で０．２５×Ｐの長方形の角柱として、平面波展開法によりフォトニックバンド構造を解析した結果を図１３に示す。図１３において、横軸は、波数ベクトルすなわちフォトニック結晶に入射する電磁波の入射方向を表しており、例えばＫ点はｘ軸（もしくはｙ軸）に平行な波数ベクトル、Ｘ点はｘｙ平面内において、ｘ軸（あるいはｙ軸）に対して４５°の傾きをもった波数ベクトルを表している。一方、縦軸は格子周期で規格化した周波数（規格化周波数）を示している。図１３中のハッチングで示した規格化周波数０．３９から０．４６の領域においては、光の入射方向によらず光が存在できず、完全フォトニックバンドギャップが形成されている。例えば柱状構造２０５の間隔Ｐが０．５μｍとすると、１．０９μｍから１．２８μｍの波長域で、間隔Ｐが２５０ｎｍとすると、５４０ｎｍから６４０ｎｍの波長域で完全フォトニックバンドギャップが形成される。

図１２に周期欠陥部２１０付近の拡大図を示す。周期欠陥部２１０は、柱状構造と同一の媒質であって、一つの柱状構造を含んで形成される、厚さＤｚ、幅Ｄｘ、Ｄｙの直方体である。このように、周期欠陥部２１０を形成することにより周期構造部２００が持つフォトニックバンドギャップ内の一部の波長域の電磁波に対して、欠陥部のみ電磁波が存在できる状態にすることができ、非常に小さい領域に電磁波を閉じ込め、かつ閉じ込め効果の高い共振器を構成している。

図１４から図１６に、図１１に示した共振器２０において、周期欠陥部２１０の欠陥形状の各パラメータに対して、欠陥モード周波数がどのように変化するかについてＦＤＴＤを用いて計算した結果を示す。図１４は、Ｄｚ＝０．３×Ｐ、Ｄｘ＝Ｄｙとして、Ｄｘの大きさに対する欠陥モード周波数の関係を示したものである。計算を行った周期欠陥部２１０は、図１２において、ｘ方向の中心座標が柱状構造２１２ａのｘ方向の中心座標と同一で、ｙ方向の中心座標が柱状構造２１１ａのｙ方向の中心座標と同一で、ｚ方向は柱状構造２１２ａを含む層２１２に形成されている。図１４中のハッチングで示した周波数領域は完全フォトニックバンドギャップ外の周波数域を示す。図１５はＤｚ＝０．３×Ｐ、Ｄｘ＝０．７５×Ｐとして、Ｄｙの大きさに対する欠陥モード周波数の関係を示したものである。計算を行った周期欠陥部２１０は、図１２において、ｘ方向の中心座標が柱状構造２１２ａのｘ方向の中心座標と同一で、ｙ方向の中心座標が柱状構造２１１ａのｙ方向の中心座標と同一で、ｚ方向は柱状構造２１２ａを含む層２１２に形成されている。図１６はＤｘ＝０．７５×Ｐ、Ｄｙ＝０．３７５×Ｐとして、Ｄｚの大きさに対する欠陥モード周波数の関係を示したものである。計算を行った周期欠陥部２１０は、図１２において、ｘ方向の中心座標が柱状構造２１２ａのｘ方向の中心座標と同一で、ｙ方向の中心座標が柱状構造２１１ａのｙ方向の中心座標と同一で、ｚ方向は周期欠陥部２１０のｚ方向の最大座標が柱状構造２１２ａのｚ方向の最大座標と同一となるように形成されている。

実施例１と同様に、所望の欠陥モード周波数を含む周波数域で完全フォトニックバンドギャップを有するように、周期構造部の第１、第２の媒質の屈折率、柱状構造の形状や間隔、各層の厚さなどを最適化する。また周期欠陥部２１０の厚さ方向の制御を行い、特に周期欠陥部の厚さＤｚを柱状構造２０５の厚さと異なるようにし、形状を最適化することにより、欠陥モード周波数の制御範囲を広げ、対称性の良い欠陥モードパターンを保ったまま、所望の欠陥モード周波数を所望の欠陥モード周波数間隔で実現することができる。なお、実施例１と同様に柱状構造と周期欠陥部は同じ媒質に制限されるものではない。

例えば、図１２において、周期欠陥部２１０のｘ方向の中心座標が柱状構造２１２ａのｘ方向の中心座標と同一で、ｙ方向の中心座標が柱状構造２１１ａのｙ方向の中心座標と同一で、ｚ方向は周期欠陥部２１０のｚ方向の最大座標が柱状構造２１２ａのｚ方向の最大座標と同一となるように形成し、周期欠陥部２１０の形状をＤｘ＝０．７５×Ｐ、Ｄｙ＝０．３７５×Ｐ、Ｄｚ＝０．３５×Ｐとすることにより、フォトニックバンドギャップ内に欠陥モードを一つだけにすること、すなわち単一モード化が可能となる。周期構造部２００をｘ方向及びｙ方向に８周期、ｚ方向に４周期設け、その中心部に周期欠陥部２１０を配置したときの欠陥モードのスペクトルを図１７に、ｘｙ断面の欠陥モードパターンを図１８に示す。図１７および図１８に示したように、非常に対称性の良い欠陥モードパターンで、かつ単一モードを実現している。

次に本発明の共振器を用いた光機能素子の実施例３を示す。実施例１および実施例２に示した３次元フォトニック結晶内部の周期欠陥部（点状欠陥部）に発光作用を有する活性媒質を充填し、この活性媒質に対して外部から電磁波や電流などでエネルギーを供給することにより、非常に効率の高いレーザやＬＥＤなどの発光素子を実現することができる。周期欠陥部に充填される活性媒質は所望の発振波長により、例えばＩｎＧａＡｓＰやＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＺｎＳｅ、ＺｎＳ系の多重量子井戸構造、多重量子ドット構造や有機材料などから選択することができる。これにより、ディスプレイ用光源、光通信用光源、ＴＨｚ光源、ＤＶＤなどの光ピックアップ用光源に好適な高効率レーザ光源を実現できる。図１９にキャリア注入により発光する活性部を周期欠陥部に形成したレーザ素子の構成例を示す。レーザ素子３００は、周期構造部３１０中に実施例１および実施例２に示した周期欠陥部３２０を設けることにより形成される共振器、ｐ型電極３３１、ｐ型キャリア伝導路３３０、ｎ型電極３４１、ｎ型キャリア伝導路３４０、導波路３５０から構成される。共振器内部にはキャリア注入により発光作用を呈する活性部が形成されている。導波路３５０は、周期構造部３１０中に周期を乱す線状の欠陥部を設けることにより形成される線欠陥導波路であり、その導波モードは、共振器の共振モードを考慮し、共振器との結合効率が高くなるように、線状欠陥部の形状や屈折率を最適化することにより決定される。線状の欠陥は、周期構造部３１０中の柱状構造の形状や屈折率などを変えたり、新たに柱状構造を加えるなどして形成される。ｐ型電極３３１、ｐ型キャリア伝導路３３０を介して、共振器に正孔が供給され、ｎ型電極３４１、ｎ型キャリア伝導路３４０を介して、共振器に電子が供給され、共振器内部で結合して発光、レーザ発振し、導波路３５０を介して外部に取り出される。

また、実施例１および実施例２に示した３次元フォトニック結晶内部の周期欠陥部（点状欠陥部）に非線形媒質を充填し、この非線形媒質に対して外部から電磁波や電流などでエネルギーを供給することにより、非常に狭い領域に強いエネルギーの光を閉じ込めることができることから、非常に強い非線形光学効果を得られる非線形光学素子を構成することができる。非線形媒質としては、ＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＴａＯ_３、ＢａＴｉＯ_３、ＺｎＯ、ＢａＢ_２Ｏ_４、ＢｉＢ_３Ｏ_６、ＫＴｉＯＰＯ_４などを用いる。図２０に非線形光学効果を用いた波長変換素子の構成例を示す。波長変換素子４００は、周期構造部４１０中に実施例１および実施例２に示した周期欠陥部４２０を設けることにより形成される共振器、入力用導波路４３０、出力用導波路４４０から構成される。共振器内部には非線形媒質が充填されている。入力用導波路４３０および出力用導波路４４０は、周期構造部４１０中に周期を乱す線状の欠陥部を設けることにより形成される線欠陥導波路であり、その導波波長は、線状欠陥部の形状や屈折率などにより決定される。外部よりレンズやファイバで入力用導波路４３０に導光された光は、共振器内部で２次以上の高次高調波に変換され、出力用導波路４４０を介して外部に取り出される。入力用導波路４３０の導波波長域は、入力光の波長を含み、変換後の光の波長を含まないように設定し、出力用導波路４４０の導波波長域は、変換後の光の波長を含み、入力光の波長を含まないように設定する。これにより効率よく、波長変換および光の取り出しができる。また、入力光として、複数の波長を用い、和周波や差周波などの高調波以外の非線形効果を利用して変換光を出力させても良い。

また、実施例１および実施例２に示した３次元フォトニック結晶光共振器１０、２０で波長選択フィルタを構成することにより、欠陥モードに対応した周波数の光を非常に高い選択性で取り出すことができる。

さらに、これらの光機能素子を組み合わせることにより高機能光回路を実現することができる。また周期構造部を同一形状として共有することにより、さらに超小型高機能光回路を実現することができる。

以上のように、本発明によれば、３次元フォトニック結晶に点状欠陥を導入して共振器として機能させる際、欠陥モードパターンの対称性を保ったまま、所望の欠陥モード周波数を所望の欠陥モード周波数間隔で実現することができ、光閉じ込め効果の高い高性能な共振器を構成することができる。このため、本発明による共振器をレーザに適用した際に、所望の波長で発振する高効率レーザが実現できるなど、高機能な光機能素子を構成することができる。

実施例１の共振器の要部概略図 図１の各層のｘｙ断面図 図１の周期欠陥部付近の拡大図 実施例１のフォトニックバンド構造の説明図 実施例１のＤｘの大きさに対する欠陥モード周波数を示すグラフ 実施例１のＤｙの大きさに対する欠陥モード周波数を示すグラフ 実施例１のＤｚの大きさに対する欠陥モード周波数を示すグラフ 実施例１の欠陥モードのスペクトルを示すグラフ 実施例１のｘｙ断面の欠陥モードパターンを示す図 周期欠陥部の配置例を示す図 実施例２の共振器の要部概略図 図１１の周期欠陥部付近の拡大図 実施例２のフォトニックバンド構造の説明図 実施例２のＤｘの大きさに対する欠陥モード周波数を示すグラフ 実施例２のＤｙの大きさに対する欠陥モード周波数を示すグラフ 実施例２のＤｚの大きさに対する欠陥モード周波数を示すグラフ 実施例２の欠陥モードのスペクトルを示すグラフ 実施例２のｘｙ断面の欠陥モードパターンを示す図 レーザー素子の概略構成図 波長変換素子の概略構成図

符号の説明

１０、２０ 共振器
１００、２００、３１０、４１０ 周期構造部
１０１〜１１２ 第１〜第１２の層
２０１〜２０４ 第１〜第４の層
１０１ａ、１０４ａ、１０７ａ、１１０ａ 柱状構造
１０２ａ、１０３ａ、１０５ａ、１０６ａ、１０８ａ、１０９ａ、１１１ａ、１１２ａ 離散構造
１２０、２１０、３２０、４２０ 周期欠陥部
Ｐ ピッチ
３００ レーザー素子
３３０ ｐ型キャリア伝導路
３３１ ｐ型電極
３４０ ｎ型キャリア伝導路
３４１ ｎ型電極
３５０ 導波路
４００ 波長変換素子
４３０ 入力用導波路
４４０ 出力用導波路

Claims (18)

1. ３次元フォトニック結晶中の周期欠陥部からなる共振器であって、
   該３次元フォトニック結晶は、第１の軸に平行で、所定の間隔を空けて配置された複数の柱状構造を含む第１の層と、
   第２の軸に平行で、所定の間隔を空けて配置された複数の柱状構造を含む第２の層とを積層してなる３次元フォトニック結晶であり、
   前記周期欠陥部の厚さは前記第１の層の厚さおよび前記第２の層の厚さとは異なることを特徴とする共振器。
2. ３次元フォトニック結晶中の周期欠陥部からなる共振器であって、
   該３次元フォトニック結晶は、第１の軸に平行で、所定の間隔を空けて配置された複数の柱状構造を含む第１の層と、
   第２の軸に平行で、所定の間隔を空けて配置された複数の柱状構造を含む第２の層と、
   該第１の軸および該第２の軸を含む平面内において離散的に配置された離散構造を含む層を１層以上含む付加層とを有し、
   該第１の層と該第２の層は該付加層を介して積層され、該付加層に含まれる離散構造は該柱状構造の交点に相当する位置に配置される３次元フォトニック結晶であり、
   前記周期欠陥部は前記離散構造を含む層を少なくとも一層含むことを特徴とする共振器。
3. ３次元フォトニック結晶中の周期欠陥部からなる共振器であって、
   該３次元フォトニック結晶は、第１の軸に平行で、所定の間隔を空けて配置された複数の柱状構造を含む第１の層および第３の層と、
   第２の軸に平行で、所定の間隔を空けて配置された複数の柱状構造を含む第２の層および第４の層と、
   該第１の軸および第２の軸を含む平面内において離散的に配置された離散構造を含む層を１層以上含む付加層とを有し、
   該第１の層から該第４の層が各層の間にそれぞれ該付加層を介して順次積層され、
   該第１の層と該第３の層に含まれる柱状構造が、相互に該第１の軸に垂直な方向に前記所定の間隔の半分ずれるように積層され、
   該第２の層と該第４の層に含まれる柱状構造が、相互に該第２の軸に垂直な方向に前記所定の間隔の半分ずれるように積層され、
   該付加層に含まれる離散構造は隣接する該柱状構造の交点に相当する位置に配置される３次元フォトニック結晶であり、
   該周期欠陥部は該離散構造を含む層を少なくとも一層含むことを特徴とする共振器。
4. 前記付加層は、前記離散構造を含む層を２層以上有することを特徴とする請求項２または３に記載の共振器。
5. 前記第１の軸および前記第２の軸は直交していることを特徴とする請求項１乃至４に記載の共振器。
6. 前記周期欠陥部は、前記離散構造を含む層にのみ形成されることを特徴とする請求項２乃至５に記載の共振器。
7. 前記周期欠陥部は、前記離散構造を含む層および前記柱状構造を含む層に形成されることを特徴とした請求項２乃至５に記載の共振器。
8. 前記周期欠陥部は前記柱状構造と異なる媒質で構成されていることを特徴とする請求項１乃至７に記載の共振器。
9. 前記周期欠陥部は前記柱状構造と同じ媒質で構成されていることを特徴とする請求項１乃至７に記載の共振器。
10. 前記周期欠陥部の中心位置は、該周期欠陥部に隣り合う柱状構造の交差領域の中心から積層方向に延びた軸上にあることを特長とする請求項１乃至９に記載の共振器。
11. 前記周期欠陥部の中心位置は、該周期欠陥部に隣り合う柱状構造の交差領域の中心位置に対して、積層方向に垂直な面内で前記柱状構造の配列方向に前記所定の間隔の半分ずれた位置から積層方向に延びた軸上にあることを特徴とする請求項１乃至９に記載の共振器。
12. 前記共振器は単一モードで動作することを特徴とする請求項１乃至１１に記載の共振器。
13. 請求項１乃至１２に記載の共振器において、前記周期欠陥部は内部に発光作用を呈する活性媒質を有し、該活性媒質を励起させる励起手段を備えたことを特徴とする発光素子。
14. 請求項１乃至１２に記載の共振器において、前記周期欠陥部は内部に非線形媒質を有することを特徴とする波長変換素子。
15. 波長選択フィルタとして機能することを特徴とする請求項１乃至１２に記載の共振器。
16. ３次元フォトニック結晶中の周期欠陥部からなる共振器であって、
    該３次元フォトニック結晶は、複数の柱状構造が所定の間隔を空けて配列された第１の層と、
    該第１の層の前記柱状構造とは異なる方向に延びる複数の柱状構造が、所定の間隔を空けて配列された第２の層とを積層してなる３次元フォトニック結晶であり、
    前記周期欠陥部の厚さは前記第１の層の厚さ及び前記第２の層の厚さとは異なることを特徴とする共振器。
17. ３次元フォトニック結晶中の周期欠陥部からなる共振器であって、
    該３次元フォトニック結晶は、複数の柱状構造が所定の間隔を空けて配列された第１の層と、
    該第１の層の前記柱状構造とは異なる方向に延びる複数の柱状構造が、所定の間隔を空けて配列された第２の層と、
    該第１の層及び該第２の層に平行な平面内において離散的に配置された離散構造を含む層を１層以上含む付加層とを有し、該第１の層と該第２の層は該付加層を介して積層され、該付加層に含まれる離散構造は該柱状構造の交点に相当する位置に配置される３次元フォトニック結晶であり、
    前記周期欠陥部は前記離散構造を含む層を少なくとも一層含むことを特徴とする共振器。
18. ３次元フォトニック結晶中の周期欠陥部からなる共振器であって、
    該３次元フォトニック結晶は、複数の柱状構造が所定の間隔を空けて配列された第１の層と、
    該第１の層の前記柱状構造とは異なる方向に延びる複数の柱状構造が、所定の間隔を空けて配列された第２の層と、
    該第１の層の前記柱状構造と同じ方向に延びる複数の柱状構造が所定の間隔を空けて配列された第３の層と、
    該第２の層の前記柱状構造と同じ方向に延びる複数の柱状構造が所定の間隔を空けて配列された第４の層と、
    前記４つの層の各層に平行な平面内において離散的に配置された離散構造を含む層を１層以上含む付加層を有し、
    該第１の層から該第４の層が各層の間にそれぞれ該付加層を介して順次積層され、
    該第１の層と該第３の層に含まれる柱状構造が、相互に該柱状構造の延びる方向と垂直な方向に前記所定の間隔の半分ずれるように積層され、
    該第２の層と該第４の層に含まれる柱状構造が、相互に該柱状構造の延びる方向と垂直な方向に前記所定の間隔の半分ずれるように積層され、
    該付加層に含まれる離散構造は該柱状構造の交点に相当する位置に配置される３次元フォトニック結晶であり、
    該周期欠陥部は該離散構造を含む層を少なくとも一層含むことを特徴とする共振器。

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