JP2007017951A - 共振器及びこれを用いた発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】３次元フォトニック結晶を利用した共振器であって、共振波長の選択幅が広く、所望の電場強度分布を有する共振器を提供する。
【解決手段】本発明にかかる共振器は、３次元フォトニック結晶の複数の周期欠陥部２１，２２により共振器を形成し、前記複数の周期欠陥部２１，２２は前記３次元フォトニック結晶のフォトニックバンドギャップ内に、固有の共振モードを有しない周期欠陥部２１，２２を少なくとも１つ有することを特徴とする。
【選択図】図６

Description

本発明は共振器及び発光素子に関し、特に３次元フォトニック結晶中に点欠陥を設けて高性能な共振器を形成したものに関する。

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）。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を利用することにより、新しい機能を持つ光学素子の実現が可能となる。例えばフォトニック結晶内に点または線状の周期欠陥部を設けることにより共振器や導波路として動作させることができる。特に点欠陥を構成する発光媒質を任意の励起手段によって励起することで、光を微小領域に閉じ込めて自然放出を抑制した高効率レーザ素子が実現でき、点欠陥の形状を制御することにより発光パターンを精密に制御することも可能である（特許文献１）。

完全フォトニックバンドギャップを実現可能な３次元フォトニック結晶としては図１８（ａ）〜（ｆ）に示すようないくつかの構造が挙げられる。
Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．５８，ｐｐ．２０５９，１９８７年 米国特許５，７８４，４００号公報 特開２００４−６５６７

３次元フォトニック結晶による完全フォトニックバンドギャップ（ＰＢＧ）を利用して共振器を構成すると一般に複数の共振モードが存在する。一方、発光素子などに用いられる共振器においては、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。

図１８（ｂ）に示されるウッドパイル構造の内部に点欠陥共振器が構成されている特許文献２には、柱状構造と同じ厚さを有する点欠陥の形状または位置を制御することで共振波長を制御できることが記載されている。つまり、直方体形状の点欠陥のｘ軸方向の長さとｙ軸方向の長さとの比を変化させたり、点欠陥の位置を点欠陥が属する柱状構造の長手方向にシフトさせたりすることより共振波長等を制御している。しかしながら点欠陥の位置をシフトすると、構造の非対称性に起因して共振器内部の電場強度分布も非対称になってしまう。特にレーザ等の発光素子に適用した場合には、この非対称性によって射出光の配向特性に大きな偏りが生じてしまう。さらに点欠陥のずらし量の最大値は柱状構造の配列周期の半分であるから、点欠陥の長さの比を変化させた場合であっても、共振波長の選択幅が小さいために所望の共振波長が得られないことがある。このように、３次元フォトニック結晶を利用した共振器では、所望の共振波長において所望の電場強度分布を有する共振器が求められている。

本発明の共振器は、３次元フォトニック結晶の複数の周期欠陥部により構成される共振器であって、該３次元フォトニック結晶は、複数の柱状構造が予め定められた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、予め定められた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、予め定められた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、予め定められた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予め定められた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予め定められた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って、前記複数の周期欠陥部は、前記３次元フォトニック結晶のフォトニックバンドギャップ内に、固有の共振モードを有しない周期欠陥部を少なくとも１つ有することを特徴とする。

本発明によれば、所望の共振波長において、所望の電場強度分布を有する共振器を提供することができる。

以下、本発明を図示の実施例に基づいて詳細に説明する。

図６に示す共振器構造Ｄは３つの周期欠陥部から構成される共振器であって、固有の共振モードを有しない周期欠陥部を２つ有している。第１実施例の共振器構造Ｄを、単一の周期欠陥部からなる共振器構造Ｂ及び共振器構造Ｃと対比して以下に説明する。

図１は、従来のウッドパイル構造等を有する３次元フォトニック結晶に比べて広いフォトニックバンドギャップを有する３次元フォトニック結晶構造Ａの概略図である。３次元フォトニック結晶構造Ａ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断面の一部を示している。第１の層１０１および第７の層１０７は、ｘ軸方向に延びる複数の柱状構造１０１ａおよび１０７ａが等間隔Ｐでｙ方向に配置されており、柱状構造１０１ａおよび１０７ａはｙ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、ｙ軸方向に延びる複数の柱状構造１０４ａおよび１１０ａが等間隔Ｐでｘ方向に配置されており、柱状構造１０４ａおよび１１０ａはｘ軸方向にＰ／２ずれた位置に配置されている。第２の層１０２及び第３の層１０３には、第１の層１０１中の柱状構造１０１ａ及び第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配置された離散構造１０２ａ及び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、柱状構造の交点に相当する位置に、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いる。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、所望の周波数帯域（波長帯域）に広い完全フォトニックバンドギャップを得ることができる。

以下、柱状構造をロッドといい、面内格子周期とは図２に示したロッドの間隔Ｐをいう。また面外格子周期とは複数層からなる基本周期をいい、例えば３次元フォトニック結晶構造Ａにおいては１０１〜１１２の１２層の長さをいう。

３次元フォトニック結晶構造Ａの詳細は表１に示すとおりである。なお、表中の屈折率は、３次元フォトニック結晶構造の柱状構造および離散構造を含む層を構成ずる媒質の屈折率を表わしている。３次元フォトニック結晶構造の柱状構造および離散構造を含む層を構成ずる媒質以外の部分の媒質は空気であって屈折率は１．０である。以下の実施例においても同様である。

図３は構造Ａのフォトニックバンドギャップを平面波展開法にて計算した結果を示すグラフである。グラフの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いる。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（もしくはｙ軸）に対して４５°の傾きを持った波数ベクトルを表している。グラフの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３において網掛けで示された周波数帯域においては、光の入射方向によらず光が存在できない完全フォトニックバンドギャップが形成されている。このような３次元フォトニック結晶内部に周期欠陥を設けると、フォトニックバンドギャップ内に欠陥モードを生成する。フォトニックバンドギャップ内では、欠陥モードに対応する周波数（波長）の光のみ存在することができるため、波長選択性の高い共振器となる。

次に、３次元フォトニック結晶構造Ａの内部に周期欠陥を設けた構造を説明する。共振器構造Ｂは図４（ａ）〜（ｂ）に示されるように、３次元フォトニック結晶構造Ａの内部に１の周期欠陥部で構成された共振器を含む構造である。共振器構造Ｃは図５（ａ）〜（ｂ）に示されるように、共振器構造Ｂの周期欠陥部の位置を、周期欠陥部を含むロッドの長手方向に０．２５Ｐだけ移動させた構造である。本発明の第１実施例である共振器構造Ｄは、図６（ａ）〜（ｃ）に示されるように、３次元フォトニック結晶構造Ａの内部に３つの周期欠陥部で構成された共振器を含む構造であって、固有の共振モードを有しない周期欠陥部を２つ有する。なお、共振器構造Ｂ、Ｃ、Ｄの詳細はそれぞれ表２から表４に示すとおりである。

表５は、構造Ｂ、構造Ｃ、構造Ｄのそれぞれについて有限差分時間領域（ＦＤＴＤ）法を用いて計算した共振モードの規格化周波数Ｐ／λ（Ｐ：格子周期、λ：波長）を示している。共振モードは電場強度分布におけるピーク位置の違いによって分類することができ、周期欠陥部近傍での電場強度分布に基づいてそれぞれ共振モード１、共振モード２、共振モード３と規定している。

本実施例においては、共振モード２の共振波長を選択的に制御することとした。共振モードに複数の強いピークを有する場合には共振器外部への光放射の配向特性が悪化するのに対し、本実施例における共振モード２は他の共振モードに比べて電場強度分布に複数の強いピークを有しないためである。特にレーザ等の発光素子へ応用する場合に、光放射の配向特性が重要であることは上記のとおりである。

図４（ｃ）の構造Ｂにおける共振モード２の電場強度分布と、図５（ｃ）の構造Ｃにおける共振モード２の電場強度分布を比較すると、特にｙｚ断面における電場強度分布に違いが見られる。構造Ｂにおいては、周期欠陥部に隣接したロッド５０１内部に電場強度が集中しているのに対して、構造Ｃにおいては、周期欠陥部がｙ軸方向にシフトしているため、周期欠陥部と隣接したロッド６０１及び６０２内部の２つの領域に電場強度が集中している。このように周期欠陥部の位置が変化することによって電場強度分布が大きく変化することがわかる。また、構造Ｃのように周期欠陥内部の電場強度分布が複数のピークからなる場合には射出光の配向特性の偏りが特に顕著となる。

一方、構造Ｃにおいてはフォトニックバンドギャップ帯域に新たな共振モード３が現れている。周期欠陥部の位置シフトによって、共振器の屈折率分布及び電場強度分布が変化した結果、共振モード２に対しては共振器の有効屈折率が低くなり、共振波長が短波長側へシフトしている。一方、共振モード３に対しては共振器の有効屈折率が高くなり、共振波長が長波長シフトしている。このような共振波長の振る舞いの違いは、それぞれの共振モードの電場強度分布の違いによって生じる。共振モード２と共振モード３の波長間隔が狭くなった結果、共振モードの波長間隔が狭くなってしまう。このように、共振モード２の共振波長のみを選択的に制御するためには、周期欠陥部の位置をシフトすることは好ましくない。

以上のように構造Ｃでは周期欠陥部近傍の電場強度分布の歪みによる配向特性の偏り、共振モード間のモード分離の悪化、共振波長の選択幅が小さい等の改善すべき点が残されている。

これに対して本発明の第１実施例である構造Ｄは、３次元フォトニック結晶内部に３つの周期欠陥部で構成された共振器を含む構造であって、固有の共振モードを有しない周期欠陥部を２つ有する。図７（ａ）は、ｙｚ断面における共振モード２の電場強度分布を示している。電場強度はロッド７００内部に集中しており、３つの周期欠陥部を導入したことによる電場強度分布の歪みは見られない。周期欠陥部７０１を設けることにより、周期欠陥近傍に特定の共振波長の光を集中させることができ、さらに固有の共振モードを有しない周期欠陥部７０２及び７０３を設けることによって、共振モード２に対する共振波長を制御することができる。固有の共振モードを有しない周期欠陥部７０２及び７０３を配置することで新たな共振モードを生じないため、共振波長間隔が狭くなるなど共振モードの分離を悪化させることはない。

ここで、３次元フォトニック結晶Ａの内部に屈折率２．４、半径０．３３Ｐの微小な球状欠陥を有する場合には固有の共振モードは存在しない。したがって本実施例の共振器構造Ｄの周期欠陥においても、屈折率を考慮して算出される周期欠陥の体積が上記球状欠陥の体積（４／３π（０．３３Ｐ／２．４）＾３＝０．０１０８８９Ｐ＾３）以下である場合には固有の共振モードは存在しない。

図７（ｂ）及び（ｃ）に共振器構造Ｄの各共振モードにおける電場強度分布（ｘｚ断面）を示す。図７（ｂ）の共振モード１については、主に周期欠陥部７０１内部に電場強度が集中している。これに対して、図７（ｃ）の共振モード２については、周期欠陥部７０１内部のみならず、周期欠陥部７０１近傍のロッド及び離散構造部分においても電場強度を持っており、比較的広がりのある電場強度分布を持つことがわかる。特に周期欠陥部７０２と７０３の領域に注目すると、共振モード１の電場強度が弱いのに対して、共振モード２の電場強度が集中している領域となっている。そこで、本実施例においては周期欠陥部７０２と７０３の屈折率分布を変調することにより、共振モード２に対する有効屈折率を選択的に制御している。

周期欠陥部７０２および７０３については、欠陥部を構成する媒質の屈折率を高くしたり、欠陥の大きさを大きくしたりすることによって有効屈折率を高くすることができる。逆に有効屈折率を低くしたい場合には、周期欠陥部を構成する媒質に空気を用いることが特に有効である。フォトニック結晶のロッドや離散構造を構成する媒質との屈折率差を大きくすることができるため、有効屈折率のとりうる範囲をより広い範囲で制御することができる。さらに、半導体プロセス中でのパターニングを制御するだけで周期欠陥部を構成することができるため、異なる屈折率を持つ媒質で周期欠陥部を構成する場合と比較してフォトニック結晶の作製が容易である。

共振モードの電場強度分布は、最も電場強度が集中する部分以外にも、最も電場強度が集中する部分から離れた部分において、第２のピーク強度、第３のピーク強度というように複数のピークが存在する。このような電場強度のピークを含む領域に、固有の共振モードを有しない大きさの欠陥部を配置することで有効屈折率を効果的に制御することができる。有効屈折率を効果的に制御するためには、周期欠陥を配置する位置における電場強度が、最も電場強度が集中する部分と比較して１００００分の１以上有していることが望ましい。これ以上強度が小さくなると、周期欠陥を配置しても十分な有効屈折率変化が得られない。本実施例では、ｘｙ平面内における第４のピーク強度以内の領域（固有の共振モードを有する周期欠陥から面内格子周期Ｐの約４周期以内）において欠陥部を配置することが望ましい。また、ｚ軸を含む平面内においては、第４のピーク強度以内の領域（固有の共振モードを有する周期欠陥から面外格子周期の約２．５周期以内）において欠陥部を配置することが望ましい。

以上のように、電場強度が集中する部分の構造を制御することで、共振モード２の共振波長を選択的に制御可能である。特に３次元フォトニック結晶を構成する媒質の屈折率が低い場合など、固有の共振モードを有する電場強度分布の広がりが大きい場合に有効である。

共振波長の選択幅については、構造Ｄの共振モード２は構造Ｂに対して規格化周波数が０．００６６０２だけシフトしている一方、構造Ｃの規格化周波数のシフト量は０．００４６２２である。これはフォトニックバンドギャップ中心波長を５２７ｎｍ（面内格子周期Ｐ＝２５０ｎｍ）とすると、構造Ｃの共振波長のシフト量が５．０ｎｍであるのに対して、本実施例の構造Ｄでは７．１ｎｍに相当する。よって、構造Ｄの規格化周波数のシフト量は構造Ｃに対して約１．４２倍である。このように、本実施例の共振器構造によれば、共振波長の選択幅を向上することができ、所望の共振波長で動作する高性能な共振器が得られる。

上記のような３次元フォトニック結晶を利用した共振器構造を構成する媒質としては、従来の構造と同様に、高い屈折率比を有する２種類以上の媒質を用いることが望ましい。ロッドおよび離散構造を構成する媒質はＳｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、Ｇｅ、ＴｉＯ２、ＧａＮ、Ｔａ２Ｏ５、Ｎｂ２Ｏ５など、高屈折率材料が好ましい。さらに使用波長帯域で吸収を持たず透明な材料であることがより好ましい。ロッドおよび離散構造を構成する媒質以外の媒質はＳｉＯ２などの誘電体、ＰＭＭＡなどの高分子有機材料、空気、水などの低屈折率媒質を用いる。フォトニックバンドギャップは結晶内の屈折率分布に起因して得られるものであるため、相互の屈折率比が大きい媒質同士を組み合わせるほど、より広いフォトニックバンドギャップを得ることができる。有効な広さを持つ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。また、３次元フォトニック結晶の作製プロセスに鑑みると、ロッドおよび離散構造を構成する媒質以外の媒質について固体媒質を用いることが望ましい。固体媒質を用いることで、作製プロセス中にロッドおよび離散構造のマスクパターニング、エッチング、研磨、ウエハ融着などの工程を行う際に、３次元構造の強度を高め、所望の形状を作製することが容易となるためである。従来の作製手法（電子ビームリソグラフィによる構造パターニングと積層を繰り返し行う手法やウエハ融着法、ナノインプリント法など）を用いることができる。

また、本実施例では２層の離散構造を含む層を有する３次元フォトニック結晶について述べたが、離散構造を含む層の数はこれに限定されない。図１１（ａ）から（ｄ）に示すような、１層または３層の離散構造を含む層を有する３次元フォトニック結晶構造やロッドの片側に離散構造を有する３次元フォトニック結晶構造を用いても同様の効果が得られる。

本実施例の共振器構造によれば、固有の共振モードを有しない周期欠陥を導入することにより、共振波長の選択幅が広がることで所望の共振波長を選択することができる。また、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できる。さらに電場強度分布を歪ませることなく射出光の配向特性を向上することができる。

本実施例では、固有の共振モードを有しない周期欠陥部の大きさを変化させた共振器構造（構造Ｅ）について説明する。

図８（ａ）−（ｂ）に構造Ｅの概略図を示す。構造Ｅは、欠陥構造Ｅ’１と、固有の共振モードを有しない欠陥構造Ｅ’２およびＥ’３を有する。構造Ｅの具体的な構造は表６に示すとおりである。また、表７に構造Ｅにおける共振モードの規格化周波数を示す。

周期構造が有する離散構造よりも大きな欠陥構造Ｅ’２およびＥ’３を導入することで、共振器近傍の有効屈折率を高くし、共振周波数を低周波数側（共振波長を長波長側）にシフトすることができる。加えて、欠陥構造Ｅ’２およびＥ’３を配置した位置は、共振モード２の電場強度分布において強い強度を有する領域と一致する。ゆえに、特に共振モード２に対して共振波長変化を選択的に与えることができる。また、構造Ｃのように周期欠陥部の位置をシフトさせた場合には、共振波長を短波長側へのみシフトできた。周期欠陥部の位置をシフトさせることによって、共振器の屈折率分布及び電場強度分布が変化した結果、共振器の有効屈折率が低くなり、共振波長が短波長側へシフトするためである。一方、本実施例によれば、共振波長を長波長側へ制御することができるため共振波長の選択幅を広げることができる。本実施例において、フォトニックバンドギャップ中心波長を５２７ｎｍ（面内格子周期Ｐ＝２５０ｎｍ）としたとき、共振モード２の共振波長を構造Ｂに対して５．１ｎｍ長波長側にシフトさせている。このように、周期欠陥部の大きさを変化させることで、共振波長を制御することが可能となる。

本実施例では、周期欠陥の個数を変えた構造や周期欠陥の配置を変化させた共振器構造（構造Ｆ）について説明する。

図９（ａ）−（ｂ）に構造Ｆの概略図を示す。構造Ｆは、欠陥構造Ｆ’１と、固有の共振モードを有しない欠陥構造Ｆ’２からＦ’９を有する。構造Ｆの具体的な構造は表８に示すとおりである。また、表９に構造Ｆにおける共振モードの規格化周波数を示す。

欠陥構造Ｆ’２からＦ’９を導入することで、共振器近傍の有効屈折率を低くし、共振周波数を高周波数側（共振波長を短波長側）にシフトすることができる。構造ｂに対して規格化周波数として０．０１７１６７だけ高周波側にシフトしている。加えて、欠陥構造Ｆ’２からＦ’９を配置した位置は、共振モード１の電場強度分布において強い強度を有する領域と一致する。ゆえに、特に共振モード１に対して共振波長変化を選択的に与えることができる。本実施例においては、共振モード１の共振波長を構造Ｂに対して７．８ｎｍ短波長側へシフトさせている。

以上のように、周期欠陥を複数個配置することにより、共振波長をより広い波長帯域で制御することが可能となる。

本実施例では、周期欠陥を構成する媒質の屈折率を変えた共振器構造（構造Ｇ）について説明する。

図１０（ａ）−（ｂ）に構造Ｇの概略図を示す。構造Ｇは、欠陥構造Ｇ’１と、固有の共振モードを有しない欠陥構造Ｇ’２からＧ’５を有する。構造Ｇの具体的な構造は表１０に示すとおりである。欠陥構造Ｇ’２からＧ’５を構成する媒質の屈折率は１．５であり、フォトニック結晶構造を構成する媒質の屈折率よりも低い。また、表１１に構造Ｇにおける共振モードの規格化周波数を示す。

欠陥構造Ｇ’２からＧ’５を導入することで、共振器近傍の有効屈折率を低くし、共振周波数を高周波数側（共振波長を短波長側）にシフトすることができる。加えて、欠陥構造Ｇ’２からＧ’５を配置した位置は、共振モード２の電場強度分布において強い強度を有する領域と一致する。ゆえに、特に共振モード２に対して共振波長変化を選択的に与えることができる。また、固有のモードを有しない周期欠陥を構成する媒質を高屈折率媒質や低屈折率媒質より適宜選択して用いることにより、共振器近傍でとりうる有効屈折率を広範囲でとることができる。その結果、共振波長をより広帯域で制御することができる。

３次元フォトニック結晶の複数の周期欠陥部から構成されている共振器であって、固有の共振モードを有しない周期欠陥部を少なくとも１つ有することを特徴とする共振器において、単一モード共振器構造を実現した場合の実施例を説明する。

３次元フォトニック結晶共振器構造（構造Ｈ）について表１２に、構造Ｈにおける共振波長を表１３に示す。

周期欠陥からなる共振器は、高屈折率媒質で構成される直方体（欠陥構造Ｈ’１）と空気で構成される空隙部分（欠陥構造Ｈ’２および欠陥構造Ｈ’３）から構成される。周期欠陥の配置については図１２（ａ）および（ｂ）に示す。空隙部分は、離散構造の一部を取り除き空隙欠陥とした構造と同一である。

上記のような構造において、ＰＢＧ内にただ一つの共振モードのみが存在する、単一モード共振器を実現できる。このときの共振モードスペクトルを図１３に示す。このとき、フォトニックバンドギャップ中心波長を５２７ｎｍ（面内格子周期Ｐ＝２５０ｎｍ）とした。横軸を波長とすると、完全フォトニックバンドギャップ（５０３ｎｍ−５５３ｎｍ）内に共振波長５１４ｎｍにのみ鋭いピークが現れており、ただ一つの波長において共振モードが存在していることを示している。欠陥構造Ｈ’１を中心として、ｘ軸およびｙ軸方向に対して８周期、ｚ軸方向に対して４周期の３次元フォトニック結晶構造で両側を挟んだ構造をとったときの共振器性能を表すＱ値は、およそ２３，８００である。また、ｘｙ断面ｎ、ｙｚ断面、ｘｚ断面における電場強度分布（等強度面）は、図１４（ａ）−（ｃ）に示すとおり電場強度分布に非対称な歪みが見られない。

以上のように、３次元フォトニック結晶の複数の周期欠陥部から構成されている共振器であって、固有の共振モードを有しない周期欠陥部を少なくとも１つ有することを特徴とする共振器を用いることで、高性能な単一モード共振器を実現できる。

３次元フォトニック結晶の複数の周期欠陥部から構成されている共振器であって、固有の共振モードを有しない周期欠陥部を少なくとも１つ有することを特徴とする共振器をデバイスへ応用した例を説明する。

まず、発光素子の応用例について説明する。発光スペクトルに共振波長が含まれる発光媒質を上記共振器内部に配置し、この発光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って、非常に効率の高いレーザやＬＥＤなどの発光デバイスを実現することができる。発光媒質は所望の発振波長によりさまざまな媒質を用いることができ、例えば化合物半導体、無機発光材料、有機発光材料、高分子発光材料、量子ドット、ナノクリスタルなどを利用することができる。励起方法は、外部光源による光励起、電流注入による励起などが適用できる。電流注入による励起の場合には、ＡｌやＣｒなどの金属材料やＩＴＯなどの透明導電性材料を電極として狭持し発光させることが可能である。また、複数の共振器構造に対して、独立して動作する電極を作製することによって、それぞれの共振器から発光する光を独立に制御することも可能である。

発光媒質に無機発光材料を用いた場合には、無機発光材料からなる発光層の上下を絶縁層で挟み電極を具備した構造を共振器構造内部に設けることで、発光される光のうちで欠陥共振器構造によって決まる波長の光を共振させて取り出すことができる。電極には透明材料を用いることが望ましいが、ＡｌやＡｕ、Ｃｒなどの金属を用いてもよい。また、無機発光材料の一例として、ＺｎＳ：Ｍｎ、ＺｎＭｇＳ：Ｍｎ、ＺｎＳ：Ｓｍ、ＺｎＳ：Ｔｂ、ＺｎＳ：Ｔｍ、ＣａＳ：Ｅｕ、ＳｒＳ：Ｃｅ、ＳｒＳ：Ｃｕ、ＳｒＧａ２Ｓ４：Ｃｅ、ＢａＡｌ２Ｓ４：Ｅｕ等を用いることができる。また、絶縁膜の一例としてＳｉＯ２、ＳｉＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ５、ＳｒＴｉＯ３などが使用できる。

また、発光材料に有機発光材料を用いてもよい。典型的な低分子有機発光材料としてＡｌｑ，Ｅｕ（ＤＢＭ）３（Ｐｈｅｎ），ＢｅＢｑ，ＤＰＶＢｉなどを用いてもよい。典型的なホール輸送性低分子材料としてＴＰＤ，α−ＮＰＤ，ＴＰＴ，Ｓｐｉｒｏ−ＴＰＤなどを用いてもよい。典型的な電子輸送性低分子材料としてＰＢＤ，ＴＡＺ，ＯＸＤ，Ｂｐｈｅｎなどを用いてもよい。典型的な高分子有機発光材料として、発光層にポリスチレンスルホン酸やカンファースルホン酸などの酸でドーピングしたポリチオフェンやポリアニリンなどを用いた導電性ポリマーを用いてもよい。また、透明電極にはＩＴＯなど、背面電極には、ＩＴＯのほかにも不透明であるＡｌやＣｒなどの金属を用いることも可能である。以上に挙げた材料以外にも様々な材料を用いることができる。

上記以外にも、様々な発光材料など用いて共振器内部に電流注入型の発光構造を設けることで、所望の波長を有する光を共振させて取り出すことができる。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。

図１５はキャリア注入により発光する発光部を共振器に形成した応用例である。発光素子１５０は、３次元フォトニック結晶構造中に本発明にかかる周期欠陥部１５１を設けることにより形成される共振器、ｐ型電極１５２、ｐ型キャリア伝導路１５３、ｎ型電極１５４、ｎ型キャリア伝導路１５５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。ｐ型電極１５２、ｐ型キャリア伝導路１５３を介して、共振器に正孔が供給され、ｎ型電極１５４、ｎ型キャリア伝導路１５５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、レーザ発振する。共振器外部へ光を取り出すための導波路１５６を設けることで、高性能なレーザデバイスを実現できる。導波路１５６は、３次元フォトニック結晶の周期構造部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る。線欠陥導波路の導波モードは、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たりなどして形成することができる。キャリア注入用の電極材料としてＩＴＯ等を用いる場合には、フォトニック結晶中の欠陥共振器構造から光を取り出すための導波路と兼用する構造にすることで、単純な構成にすることも可能である。

また、外部光源による光励起を行う場合には、使用するフォトニック結晶のフォトニックバンドギャップにかからない波長の光を用いることで、フォトニック結晶内の発光媒質を効率よく励起して発光させることができる。

上記手段により、共振波長の制御帯域が広く共振モードの電場強度分布に非対称性の歪みを持たない高性能なレーザデバイスを実現できる。このようなデバイスはディスプレイ用光源、光通信用光源、ＴＨｚ光源、ＤＶＤや次世代青色光記録媒体などの光ピックアップ用光源に好適である。

以上のように、３次元フォトニック結晶の複数の周期欠陥部から構成され、固有の共振モードを有しない周期欠陥部を少なくとも１つ有する共振器が活性媒質を含み、この活性媒質を励起手段によって励起することにより高性能な発光素子を実現することができる。

次に波長変換素子へのデバイス応用例を説明する。本発明にかかる共振器内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。これによって、非常に強い非線形光学効果を得られる波長変換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などを用いることができる。

また、線欠陥導波路と本発明にかかる共振器を組み合わせた光分合波素子へのデバイス応用例を図１６に示す。３次元フォトニック結晶構造内に、線状の周期欠陥からなる線欠陥導波路１６０とその近傍に共振器構造１６１−１６４を設ける。共振器構造１６１−１６４はそれぞれ異なる共振波長で動作するように設計されており、導波路中を導波してきた所望の光のみを共振器内に導くことが可能である。共振波長を制御するためには、共振器を構成する周期欠陥の数、形状、屈折率を変更することにより制御可能である。共振器１６１−１６４間の距離は、共振モードに影響を与えない距離だけ十分に離して配置することで、クロストークのない高性能な光分波回路を実現できる。このような光デバイスは、特に光通信帯域で利用する光分合波素子に有用である。このときの素子構成例およびスペクトルについて図１７に示す。それぞれの領域に配置した共振器の共振波長をそれぞれλ１、λ２、λ３、λｎとして、複数の共振波長を含む光を線欠陥導波路に入射した様子をグラフに示した。線欠陥導波路として光を伝搬する波長帯域内に各共振器の共振波長が存在しており、ｎ個の波長において光合分波を実現できる。本発明にかかる３次元フォトニック結晶構造による共振器を用いることで、広い波長帯域で共振波長制御が可能な高性能な光分合波素子を提供できる。

以上のように、共振波長の制御範囲が広帯域であって所望の電場強度分布を有する本発明にかかる共振器を、ＬＥＤやレーザなどの発光素子、波長変換素子、光分合波素子などへ応用することができる。

３次元フォトニック結晶構造Ａの概略図 ３次元フォトニック結晶構造Ａのｘｙ断面の概略図 ３次元フォトニック結晶構造Ａのフォトニックバンドギャップの説明図 （ａ）（ｂ）共振器構造Ｂの概略図，（ｃ）電場強度分布図 （ａ）（ｂ）共振器構造Ｃの概略図，（ｃ）電場強度分布図 （ａ）（ｂ）（ｃ）共振器構造Ｄの概略図 （ａ）（ｂ）（ｃ）共振器構造Ｄの電場強度分布図 （ａ）（ｂ）共振器構造Ｅの概略図 （ａ）（ｂ）（ｃ）共振器構造Ｆの概略図 （ａ）（ｂ）共振器構造Ｇの概略図 ３次元フォトニック結晶構造の概略図 （ａ）（ｂ）（ｃ）共振器構造Ｈの概略図 単一共振モードの説明図 共振器構造Ｈの電場強度分布図 発光素子の概略図 光分合波素子の概略図 光分合波素子の説明図 従来の３次元フォトニック結晶構造

符号の説明

１０１、１０４、１０７、１１０、５０１、６０１、６０２、７００ 柱状構造（ロッド）
１０２、１０３、１０５、１０６、１０８、１０９、１１１、１１２、１２ 離散構造
１５０ 発光素子
１５１ 周期欠陥部
１５２ ｐ型電極
１５３ ｐ型キャリア伝導路
１５４ ｎ型電極
１５５ ｎ型キャリア伝導路
１５６、１６０ 光導波路
１６１、１６２、１６３、１６４ 欠陥共振器
２１、７０１ 周期欠陥部
２２、７０２、７０３ 周期欠陥部（空隙）
２３ 周期欠陥（屈折率＝１．５）
２４ 共振モード
２５ 共振モード１
２６ 共振モード２
２７ 電場強度分布（等強度面）

Claims (11)

1. ３次元フォトニック結晶の複数の周期欠陥部により構成される共振器であって、
   該３次元フォトニック結晶は、複数の柱状構造が予め定められた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、予め定められた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、予め定められた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、予め定められた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予め定められた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予め定められた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って、
   前記複数の周期欠陥部は、前記３次元フォトニック結晶のフォトニックバンドギャップに、固有の共振モードを有しない周期欠陥部を少なくとも１つ有することを特徴とする共振器。
2. 前記固有の共振モードを有しない周期欠陥部は前記離散構造を含む層に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の共振器。
3. 前記固有の共振モードを有しない周期欠陥部は、前記各層に平行な平面内における面積が前記離散構造より大きいことを特徴とする請求項１に記載の共振器。
4. 前記複数の周期欠陥部のうち少なくとも１つの周期欠陥部の媒質の屈折率が、前記柱状構造または前記離散構造の媒質の屈折率と異なることを特徴とする請求項１に記載の共振器。
5. 前記複数の周期欠陥部のうち少なくとも１つの周期欠陥部の媒質は、前記柱状構造および前記離散構造以外を構成する媒質と同じであることを特徴とする請求項１に記載の共振器。
6. 前記複数の周期欠陥部は、固有の共振モードを有する周期欠陥部と、固有の共振モードを有しない周期欠陥部とからなり、前記固有の共振モードの電場強度分布のピーク位置に前記固有の共振モードを有しない周期欠陥部が配置されていることを特徴とする請求項１に記載の共振器。
7. 前記共振器は、単一モード動作することを特徴とする請求項１に記載の共振器。
8. 請求項１に記載の共振器と、線欠陥導波路とを有することを特徴とする光合分波素子。
9. 請求項１に記載の共振器の周期欠陥部に非線形媒質を含むことを特徴とする波長変換素子。
10. 前記周期欠陥部に発光媒質を含む請求項１に記載の共振器と、該発光媒質を励起する励起手段とを有することを特徴とする発光素子。
11. レーザ発振することを特徴とする請求項１０に記載の発光素子。
    

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