JP2007133331A - 導波路及びそれを有するデバイス - Google Patents

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Abstract

【課題】 単一モードかつ導波方向に垂直な面内において単峰性の電磁場強度分布を有するモードで導波可能で、かつ所望の周波数帯域で導波することができる３次元フォトニック結晶を利用した導波路を得ること。
【解決手段】 ３次元フォトニック結晶と、該３次元フォトニック結晶中の周期を乱す複数の線状欠陥部とを有する導波路であって、該３次元フォトニック結晶は、第１の層から該第４の層が順次積層されており、該第１の層の前記柱状構造が存在する一部の領域を、該柱状構造とは異なる媒質の領域又は、該柱状構造が存在しない領域にすることによって形成した第１の欠陥部と、該第１の層とは異なる層に位置し、該第１の層の前記柱状構造と同じ方向に延びる柱状構造の一部の柱状構造を、該第１の層の前記柱状構造と同じ方向に延びる他の柱状構造の媒質の屈折率と異なる屈折率の媒質で形成した第２の欠陥部とを有すること。
【選択図】図４

Description

本発明は、３次元的な屈折率周期構造を有する３次元フォトニック結晶を用いた導波路及びそれを有するデバイスに関するものである。
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ことができるという概念は、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することができる。電磁波の波長を光の波長オーダーにまで小さく(短く)すると、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(PBG)と言われている。また、波長以下の大きさの構造物を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。
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。特に線状欠陥部を適切に設けることで、線状欠陥内に光を強く閉じ込めたまま、急峻な曲げ導波路や分合波導波路を実現することができることが知られている（特許文献１、非特許文献２)。
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２１（ａ）〜（ｆ）に示す構造が挙げられる。図２１（ａ）〜（ｆ）はそれぞれ順に、ダイヤモンドオパール構造、ウッドパイル構造、らせん構造、独自な３次元周期構造、３次元周期構造の反転構造（インバース構造）、ダイヤモンドウッドパイル構造である。
特開２００１−７４９５５ Physical Review Letters, Vol. 58, pp. 2059, 1987年 第６５回応用物理学会学術講演会 講演予稿集,NO.3,pp936
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）を利用して導波路を構成すると一般的に、PBG内のある周波数の光に対して、単一モードで導波する周波数帯域と、複数モードで導波する周波数帯域が存在する。ここで単一モードとは、導波路を導波するモードのうち、１つの周波数の光に対して、1つの波数ベクトルを有する状態で導波可能なモードのことを指す。また、各導波モードは、導波路内において固有の周期的な強度分布を有している。
一方、光回路や発光素子などに用いられる導波路においては、所望の閉じ込め効果を有し、所望の周波数において、単一モードで導波させることが必要である。また、導波路を導波してきた光を導波路端部から外部へ取り出して使用する場合、導波路端部から出射される光の強度分布は、導波方向に垂直な断面内において、対称性の良い単峰性の電磁場強度分布をしていることが好ましい。導波路端部から出射される光の電磁場強度分布は、各導波モードの導波路端部における、導波方向に垂直な面内における電磁場強度分布に応じて形成される。従って導波モードは、導波方向に垂直な面内において、所定の領域に強く集中する単峰性の電磁場強度分布を有していることが望まれる。
図２１（ｂ）に示されるウッドパイル構造の内部に線欠陥導波路が構成されている特許文献１には、柱状構造の一部分を除去し、線状欠陥部とすることによって形成した導波路構造が記載されている。この導波路構造は、特定の帯域において、単一モードかつ単峰性に近い強度分布を有するモードで導波可能な導波路を実現できることが記載されている。しかしながらＰＢＧの一部の周波数帯域では、複数モードで導波する領域となっており、利用できる帯域が制限されている。また、３次元フォトニック結晶を形成する媒質を低屈折率媒質で構成した場合、PBGを有する周波数領域が狭くなるとともに、単一モードで利用できる周波数帯域は急激に狭くなってしまう。
非特許文献２には、比較的広い周波数帯域で、単一モードで導波可能な導波路構造が記載されている。このときの導波方向に垂直な面内における電磁場強度分布および導波方向と積層方向に平行な面内における電磁場分布は、図２２（a）および図２２（ｂ）に示すような電磁場強度分布となる。中央部で白く表示されている部分ほど電磁場強度が強いことを表しており、追加した柱状構造部分に電磁場強度が強く集中するような双峰的な分布となってしまうため応用上好ましくない（図２２（ａ））。また、図２２（b）に示すように電磁場分布は導波路内で大きく変化する。したがって、３次元フォトニック結晶内にこの導波路構造と他の共振器構造や導波路構造を配置する場合、作製誤差等により各構造の配置が微小に変化すると、各構造が有する電磁場分布が大きく変化してしまう。各構造間における電磁場の伝搬特性は、各構造が有する電磁場分布の相対的な位置関係で決定されるため、配置する構造の位置が微小に変化すると各構造間の電磁場の伝搬特性が大きく変化してデバイスの性能が著しく変化する。そのため、この導波路構造を用いたデバイスで所望の性能を得るためには、各構造を高い位置精度で配置する必要があり、高度な作製技術が必要となる。
さらに、上記２つの導波路構造は各導波路の導波モードの周波数を変える手段を有していないため、所望の周波数帯域で、単一モードで導波可能な導波路を得ることができない。
本発明は、単一モードかつ導波方向に垂直な面内において単峰性の電磁場強度分布を有するモードで導波可能で、かつ所望の周波数帯域で導波することができる３次元フォトニック結晶を利用した導波路を提供することを目的とする。
本発明の導波路は、
◎３次元フォトニック結晶と、
該３次元フォトニック結晶中の周期を乱す複数の線状欠陥部と、
を有する導波路であって、
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の層を有し、
該第１の層から該第４の層が順次、
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ており、
該第１の層の前記柱状構造が存在する一部の領域を、該柱状構造とは異なる媒質の領域又は、該柱状構造が存在しない領域にすることによって形成した第１の欠陥部と、
該第１の層とは異なる層に位置し、該第１の層の前記柱状構造と同じ方向に延びる柱状構造の一部の柱状構造を、該第１の層の前記柱状構造と同じ方向に延びる他の柱状構造の媒質の屈折率と異なる屈折率の媒質で形成した第２の欠陥部と、
を有することを特徴としている。
◎３次元フォトニック結晶と、
該３次元フォトニック結晶中の周期を乱す複数の線状欠陥部と、
を有する導波路であって、
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、
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ており、
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ており、
該第１の層の前記柱状構造が存在する一部の領域又は、該第１の層の前記柱状構造が存在する領域と該柱状構造近傍の前記離散構造の一部の領域を、該柱状構造及び該離散構造の媒質と異なる領域又は、それらが存在しない領域とすることによって形成した第１の欠陥部と、
該第１の欠陥部を含む層とは異なる層に位置し、該第１の層の前記柱状構造と同じ方向に延びる柱状構造の一部の柱状構造を該第１の層の前記柱状構造と同じ方向に延びる他の柱状構造の媒質の屈折率とは異なる屈折率の媒質で形成した第２の欠陥部と、を有し、
該第１の欠陥部と該第２の欠陥部を積層方向に結ぶ長さが、該３次元フォトニック結晶の面外格子周期の半分の長さ以上であることを特徴としている。
◎３次元フォトニック結晶と、
該３次元フォトニック結晶中の周期を乱す複数の線状欠陥部と、
を有する導波路であって、
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、
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ており、
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ており、
該第１の層の前記柱状構造が存在する一部の領域又は、該第１の層の前記柱状構造が存在する領域と該柱状構造近傍の前記離散構造の一部の領域を、該柱状構造及び該離散構造の媒質と異なる領域又は、それらが存在しない領域とすることによって形成した第１の欠陥部と、
該第１の欠陥部を含む層とは異なる層に位置した離散構造の一部を、該離散構造が位置する層と同じ層の他の離散構造の媒質の屈折率と異なる屈折率の媒質より形成した第２の欠陥部とを有し、
該第１の欠陥部と該第２の欠陥部を積層方向に結ぶ長さが該３次元フォトニック結晶の面外格子周期の半分の長さ以上であることを特徴としている。
◎３次元フォトニック結晶と、
該３次元フォトニック結晶中の周期を乱す複数の線状欠陥部と、
を有する導波路であって、
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、
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ており、
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ており、
該第１の層の前記柱状構造が存在する一部の領域又は、該第１の層の前記柱状構造が存在する領域と該柱状構造近傍の前記離散構造の一部の領域を、該柱状構造及び該離散構造の媒質と異なる領域又は、それらが存在しない領域とすることによって形成した、第１の欠陥部と、
該第１の欠陥部を含む層とは異なる層に位置し、
該第１の層の前記柱状構造と同じ方向に延びる柱状構造の一部の柱状構造を、該第１の層の前記柱状構造と同じ方向に延びる他の柱状構造の媒質の屈折率とは異なる屈折率の媒質で形成し、かつ該第１の欠陥部を含む層とは異なるそうに位置した離散構造の一部を、該離散構造が位置する層と同じ層の他の離散構造の媒質の屈折率と異なる屈折率の媒質より形成した第２の欠陥部と、を有し、
該第１の欠陥部と該第２の欠陥部を積層方向に結ぶ長さが該３次元フォトニック結晶の面外格子周期の半分の長さ以上であることを特徴としている。
本発明によれば、単一モードかつ導波方向に垂直な面内において単峰性の電磁場強度分布を有するモードで導波可能で、かつ所望の周波数帯域で導波することができる導波路及びそれを有する発光素子が得られる。
以下、本発明を図示の各実施例に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明の実施例１で利用するウッドパイル構造Ａの概略図である。ウッドパイル構造Ａは、ｘｙ平面を含む４つの層１０１〜１０４を基本周期として構成されている。
図２は図１の各層のｘｙ断面の一部を示している。第１の層１０１および第３の層１０３は、ｙ軸方向に延びる複数の柱状構造１０１ａおよび１０３ａが等間隔Ｐでｙ方向と直交するｘ方向に周期的に配置されており、柱状構造１０１ａと１０３ａはそれぞれ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１０２および第４の層１０４は、ｘ軸方向に延びる複数の柱状構造１０２ａおよび１０４ａが等間隔Ｐでｘ方向と直交するｙ方向に配置されており、柱状構造１０２ａと１０４ａはそれぞれｙ軸方向にＰ／２ずれた位置に配置されている。
柱状構造１０１ａ〜１０４ａの材料の屈折率、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、所望の周波数帯域（波長帯域）に完全フォトニックバンドギャップを得ることができる。
本実施例で用いるウッドパイル構造Ａの構造パラメータを表１に示す。以下、構造パラメータにおいて、面内格子周期とは図２に示した柱状構造の１０１ａ〜１０４ａの周期方向の間隔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、例えばウッドパイル構造Ａにおいては層１０１〜１０４の４層分の積層方向の長さをいう。表１中の屈折率は、ウッドパイル構造の柱状構造１０１ａ〜１０４ａを構成する媒質（材料）の屈折率を表わしている。ウッドパイル構造の柱状構造以外の部分の媒質は空気であって屈折率は１.０である。また柱状構造幅とは、層内における柱状構造が延びる方向に垂直な方向の長さ、柱状構造高さとは、柱状構造の積層方向（ｚ軸方向）の長さをいう。これらは以下の実施例においても同様である。
図３はウッドパイル構造Ａのフォトニックバンドギャップを平面波展開法により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。網掛けで示された周波数帯域は、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である。
このような３次元フォトニック結晶の内部に周期を乱す欠陥部を設けると、完全フォトニックバンドギャップ内の周波数を有する欠陥モードを生成する。この欠陥モードは、欠陥部の形状や媒質によって、周波数(波長)、波数ベクトルが決まるモードである。このとき線状の欠陥部を設けると線状の欠陥部が延びる方向には波数ベクトルの大きさが制限されないため、欠陥モードは線状の欠陥部が延びる方向に導波するモードとなる。
図４は本発明の実施例１の要部概略図であって、図１のウッドパイル構造Ａの内部に線状欠陥部を設けた導波路構造Ｂを示している。導波路構造Ｂは、図１に示すウッドパイル構造Ａの内部にｙ軸方向に延びる線状欠陥部（第１の線状欠陥部）２０を有している。さらに線状欠陥部２０が形成される層とは異なる層に位置し、ｙ軸方向に延びる柱状構造の一部を改変することによって形成した第２の線状欠陥部２００〜２０３を含んでいる。
図４（ａ）は導波路構造Ｂのｘｚ断面である。図４（ｂ）〜（ｄ）はそれぞれ断面i、断面ii、断面iiiにおける導波路構造Ｂのｘｙ断面である。
第２の線状欠陥部２００、２０１、２０２、２０３は、柱状構造の一部を、ウッドパイル構造Ａの柱状構造を構成する媒質とは異なる屈折率を有する媒質で構成することによって形成されている。
本実施例では、図４および表２のように、第１の線状欠陥部２０とは異なる層に位置する、ｙ軸方向に延びる柱状構造を、屈折率２.０を有する媒質で構成することによって形成した第２の線状欠陥部２００〜２０３を含む構造について示した。なお第１の線状欠陥部２０は、第１の層１０１において柱状構造の一部が除去された、柱状構造が存在しない領域である。
導波路構造Ｂの詳細な構造パラメータを表２に示す。なお、座標の原点はｘｚ断面内における第１の線状欠陥部２０の中心とした。また第１の線状欠陥部２０の層内におけるｘ軸方向の長さを欠陥部幅、第１の線状欠陥部２０の積層方向の長さを欠陥部高さとする。さらに、各線状欠陥部を構成する媒質の屈折率を欠陥部屈折率とする。表２および図４中では欠陥部幅を２０ｗ、欠陥部高さを２０ｈと記し、欠陥部屈折率を２０ｎ、２００ｎ、２０１ｎ、２０２ｎ、２０３ｎと記した。
図５（ａ）は、導波路構造Ｂについて有限差分時間領域（ＦＤＴＤ）法を用いて、導波モードを計算した結果を示すグラフである。グラフの横軸は格子周期Pで規格化した波数ベクトルの導波方向（ｙ方向）成分の大きさを表しており、グラフの縦軸は格子周期Pで規格化した周波数（規格化周波数）を示している。斜線で示した周波数帯域は、完全フォトニックバンドギャップ以外の周波数帯域を示しており、完全フォトニックバンドギャップ内で存在するモードは、欠陥部に起因した欠陥モードを示している。
塗り潰した周波数帯域は、欠陥モードのうち単一モードで導波可能な周波数帯域を表している。単一モードで導波可能な周波数帯域は、０．４４６から０．４５８の範囲で存在している。導波路構造Ｂにおいて、第１の線状欠陥部２０だけを設け、第２の線状欠陥部を設けない場合の導波モードを、ＦＤＴＤ法を用いて計算すると、単一モードで導波可能な周波数帯域は、０．４３３から０．４４０となる。従って第２の線状欠陥部を設けることによって、広い周波数帯域において単一モードで導波可能な導波路が得られることが分かる。
図５（ｂ）は、導波路構造Ｂで、単一モードで導波可能な周波数帯域における導波モードのｘｚ断面における電磁場強度分布を示している。図５（ｂ）において、白く表示されている部分は電磁場強度が強い部分を表している。導波路の中心付近に電磁場強度が強く集中する単峰性又はそれに近い電磁場分布を有していることが分かる。
次に、導波路構造Ｂにおいて、第２の線状欠陥部２００〜２０３の欠陥部屈折率２００ｎ、２０１ｎ、２０２ｎ、２０３ｎを同時に同量だけ変化させたときの単一モードで導波可能な周波数帯域の変化を図６に示す。
図６は横軸に欠陥部屈折率、縦軸に規格化周波数を表している。図６の点を結んだ実線および破線は、それぞれ単一モードで導波可能な周波数帯域の高周波数側周波数および低周波数側周波数を表しており、その間の周波数帯域が単一モードで導波可能な周波数帯域を表している。欠陥部屈折率２００ｎ、２０１ｎ、２０２ｎ、２０３ｎを変化させることによって、単一モードで導波可能な周波数帯域が変化する。つまり、導波路構造Ｂにおいて、第２の線状欠陥部２００〜２０３を構成する媒質を変え、欠陥部屈折率を変化させることによって、単一モードで導波可能な周波数帯域を制御することができる。
本実施例の導波路構造Ｂによって、単一モードで導波可能な周波数帯域が制御でき、導波方向に垂直な面内において単峰性又はそれに近い強度分布を有するモードを得ることができる理由を以下に説明する。
導波路構造Ｂの導波モードにおいて、ＰＢＧの低周波数側に近い導波モードの電磁場分布と高周波数側に近い導波モードの電磁場分布を比較すると、低周波数側に近いモードの電磁場分布は、線状欠陥部に比較的強く集中している。一方、高周波数側に近いモードは、線状欠陥部から離れたところまで、電磁場分布が広がっており、特に線状欠陥部に対して積層方向に広がりを持っている。
光の周波数と波数ベクトルの関係が空間の屈折率で決まるように、導波モードの周波数と波数ベクトルの関係はモード屈折率で決まり、波数ベクトルが一定であれば、モード屈折率が低くなるほどモードの周波数は高周波数となる。また、モード屈折率はモードの電磁場分布が構造の高屈折率部分に集中する割合によって決まる。
したがって、第１の線状欠陥部から積層方向に離れた位置に第２の線状欠陥部を形成し、
第２の線状欠陥部を構成する媒質の屈折率を変化させると、導波モードの高周波数側に近いモードのモード屈折率が大きく変化する。その結果、導波モードの高周波数側に近いモードの周波数を大きく変化させることができる。
これを利用して第２の線状欠陥部を構成する媒質を最適に設計し、高周波数側に近い導波モードの周波数を所望の周波数にすることで、単一モードで導波可能な周波数帯域を制御することができる。
また、従来例で提案されている導波路構造のように、第１の線状欠陥部の極近傍に第２の線状欠陥部を設けると、導波モードの電磁場分布が第２の線状欠陥部の影響を強く受けてしまう。導波モードの電磁場分布は高屈折率材料部分に集中しやすい性質があるため、導波モードの電磁場分布は第２の線状欠陥部に集中し、導波方向に垂直な面内における電磁場分布は双峰的な分布となってしまう。
一方、本実施例の導波路構造Ｂでは第１の線状欠陥部から離れた位置に第２の線状欠陥部を設けているため、導波モードが有する電磁場分布への影響は少ない。そのため、導波方向に垂直な面内における電磁場分布は、第１の線状欠陥部に強く集中するような単峰性又はそれに近い分布を持つこととなる。
本実施例では、第１の線状欠陥部と同じ方向に延びる柱状構造を含む層で、第１の線状欠陥部の最も近傍に位置する層を選択し、第１の線状欠陥部の最も近傍に位置する柱状構造に第２の線状欠陥部を設けた。本発明はこれに限られず、第１の線状欠陥部と同じ方向に延びる柱状構造を含む層で、最も近傍に位置する層内において、さらに離れた場所に位置する柱状構造に第２の線状欠陥部を設けても同様の効果が得られる。
また、第１の線状欠陥部から積層方向にさらに離れた層内に位置する柱状構造に第２の線状欠陥部を設けても、同様の効果が得られる。第１の線状欠陥部と第２の線状欠陥部との積層方向の距離は、面外格子周期の０．５倍以上１．５倍以内であると効果的である。面外格子周期の０．５倍未満の場所に第２の線状欠陥部を設けると、導波方向に垂直な面内における電磁場分布が単峰性の分布を有する導波モードを得ることが難しくなるためである。また面外格子周期の１．５倍よりも離れた場所では、第２の線状欠陥部を設けても影響が非常に小さいためである。
また、第２の線状欠陥部を設ける柱状構造の個数は、本実施例に制限されるものではなく、３つ以下でも、５つ以上でも良い。また、複数個の線状欠陥部を設けた場合、各線状欠陥部を構成する媒質は互いに異なる屈折率を有していてもよい。
第２の線状欠陥部の位置、個数、構成する媒質を細かく制御することで、導波モードの周波数のさらに細かい制御が可能となる。
さらに本実施例は、フォトニック結晶を構成する柱状構造の媒質の屈折率に影響されるものではない。例えば、屈折率３．６を有する媒質の柱状構造を用いて構成された３次元フォトニック結晶で、図４で示した導波路構造Ｂと同じ構造を有する導波路構造Ｃについて述べる。導波路構造Ｃの詳細な構造パラメータを表３に示す。
導波路構造Ｃにおいて、欠陥部屈折率２００ｎ、２０１ｎ、２０２ｎ、２０３ｎを同時に同じ量だけ変化させたときの単一モードで導波可能な周波数帯域の変化の様子について図７に示す。図７は、横軸に欠陥部屈折率、縦軸に規格化周波数を表している。図７中の点を結ぶ実線および破線は、それぞれ単一モードで導波可能な周波数帯域の高周波数側周波数および低周波数側周波数を表しており、その間の周波数帯域が単一モードで導波可能な周波数帯域を表している。また導波モードの計算は、図６と同様にＦＤＴＤ法を用いて計算した。欠陥部屈折率２００ｎ、２０１ｎ、２０２ｎ、２０３ｎを変化させることによって、単一モードで導波可能な領域が変化する様子が分かる。これにより、３次元フォトニック結晶構造を構成する媒質の屈折率に関わらず、第２の線状欠陥部を構成する媒質を変え、欠陥部屈折率を変化させることによって、単一モードで導波可能な帯域を制御できることが分かる。
以上のように本実施例では、ウッドパイル構造中に導波路構造を設けた場合について示した。この導波路構造によって、所望の周波数帯域において、単一モードかつ所望の強度分布を有するモードで導波可能な導波路を実現できることを示した。
上記のような３次元フォトニック結晶を利用した導波路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。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からである。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。柱状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。柱状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。また、柱状構造の一部を除去することによって形成された第１の線状欠陥部を形成する媒質は、空気に限定されるものではなく、上記で上げた低屈折率媒質で形成してもよい。
導波路の作製にあたっては、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。
図８は、本発明の実施例２で利用する、ウッドパイル構造の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Ｄの概略図である。３次元フォトニック結晶構造Ｄは、ｘｙ平面を含む層３０１〜３１２の１２層を基本周期として構成されている。図９は各層のｘｙ断面の一部を示している。第１の層３０１および第７の層３０７は、ｙ軸方向に延びる複数の柱状構造３０１ａおよび３０７ａが等間隔Ｐでｘ方向に配置されており、柱状構造３０１aと３０７ａはそれぞれ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３０４および第１０の層３１０は、ｘ軸方向に延びる複数の柱状構造３０４ａおよび３１０ａが等間隔Ｐでｙ方向に配置されており、柱状構造３０４ａと３１０ａはそれぞれｙ軸方向にＰ／２ずれた位置に配置されている。
第２の層３０２および第３の層３０３には、第１の層３０１中の柱状構造３０１ａおよび第４の層３０４中の柱状構造３０４ａ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離散構造３０２ａおよび３０３ａが配置されている。なお、離散構造３０２ａと３０３ａ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。柱状構造を含む層の間にある第５の層３０５、第６の層３０６、第８の層３０８、第９の層３０９、第１１の層３１１、第１２の層３１２も同様である。即ち、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離散構造３０５ａ、３０６ａ、３０８ａ、３０９ａ、３１１ａ、３１２ａ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。柱状構造及び離散構造の材料の屈折率、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。なお第２、第３、第５、第６、第８、第９、第１１、第１２は離散構造を含む層とする。
３次元フォトニック結晶構造Ｄの詳細な構造パラメータを表４に示す。以下において、面内格子周期とは図９に示した柱状構造の間隔Ｐをいう。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Ｄにおいては３０１〜３１２の１２層分の積層方向の長さをいう。表４中の屈折率は、３次元フォトニック結晶構造Ｄの柱状構造および離散構造を構成す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Ｄの柱状構造および離散構造以外の部分の媒質は空気であって屈折率は１.０である。離散構造幅は、図９に示す各離散構造の層内における長さを指し、表４および図９中に、Ｄｗ１、Ｄｗ２と記した。離散構造高さは、各離散構造の積層方向（ｚ方向）の長さを指し、表４および図８中にＤｈと記した。
図１０は３次元フォトニック結晶構造Ｄ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。図１０の縦軸、横軸は、実施例１の図３と同じである。網掛けで示された周波数帯域において、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。３次元フォトニック結晶構造Ｄの内部に線状の欠陥部を設けると、完全フォトニックバンドギャップ内の周波数を有する導波モードを生成する。
図１１は本実施例にかかる３次元フォトニック結晶構造Ｄの内部に線状欠陥部を設けた導波路構造Ｅの概略図である。導波路構造Ｅは、３次元フォトニック結晶構造Ｄの内部にｙ軸方向に延びる第１の線状欠陥部４０を有している。さらに、第１の線状欠陥部４０が形成された層とは異なる層に位置し、ｙ軸方向に延びる柱状構造の一部を改変することによって形成した第２の線状欠陥部４００、４０１、４０２、４０３を含んでいる。ここで、第１の欠陥部４０は、第１の層の柱状構造とその上下の各２層の離散構造の一部が除去された領域である。これは後述する図１４の第１の欠陥部５０においても同様である。
図１１（ａ）は導波路構造Ｅのｘｚ断面である。図１１（ｂ）〜（ｄ）はそれぞれ断面i、断面ii、断面iiiにおける導波路構造Ｅのｘｙ断面図である。
導波路構造Ｅの詳細な構造パラメータを表５に示す。本実施例では、図１１および表５に示すように、第１の線状欠陥部４０とは異なる層に位置する、ｙ軸方向に延びる柱状構造を、屈折率２.０を有する媒質で構成することによって形成した第２の線状欠陥部４００〜４０３を含む構造に関する。第１の線状欠陥部４０の高さ４０ｈは、第１の層３０１とその上下の各２層の合計となっている。また第１の線状欠陥部幅４０ｗは第３の層３０３の離散構造幅Ｄｗ１に相当している。なお、座標の原点をｘｚ断面内における第１の線状欠陥部４０の中心とした。第１の線状欠陥部４０の層内におけるｘ軸方向の長さを欠陥部幅、第１の線状欠陥部４０の積層方向（ｚ方向）の長さを欠陥部高さとする。線状欠陥部を構成する媒質の屈折率を欠陥部屈折率とする。表５および図１１中では欠陥部幅を４０ｗ、欠陥部高さを４０ｈと記し、欠陥部屈折率を４０ｎ、４００ｎ、４０１ｎ、４０２ｎ、４０３ｎと記した。
図１２（ａ）は、導波路構造ＥについてＦＤＴＤ法を用いて、導波モードを計算した結果を示すグラフである。グラフの横軸・縦軸は実施例１と同じである。また、実施例１と同様に斜線で示した周波数帯域は完全フォトニックバンドギャップ以外の周波数帯域を示している。また、網掛けした周波数帯域は、導波モードのうち単一モードで導波可能な周波数帯域を表している。単一モードで導波可能な周波数帯域は、０．４６２から０．４８１の範囲で存在している。一方、導波路構造Ｅにおいて、第１の線状欠陥部４０だけを設け、第２の線状欠陥部４００〜４０３を設けない場合の導波モードを、ＦＤＴＤ法を用いて計算すると、単一モードで導波可能な周波数帯域は、０．４５２から０．４６６となる。したがって、第２の線状欠陥部４００〜４０３を設けることによって、広い周波数帯域において単一モードで導波可能な導波路が得られることが分かる。
図１２（ｂ）は導波路構造Ｅで単一モードで導波可能な周波数帯域における導波モードのｘｚ断面における電磁場強度分布を示している。白く表示されている部分ほど、電磁場強度が強いことを表しており、導波路の中心付近に電磁場強度が強く集中する単峰性又はそれに近い電磁場分布を有していることが分かる。
次に、導波路構造Ｅにおいて、第２の線状欠陥部の欠陥部屈折率４００ｎ、４０１ｎ、４０２ｎ、４０３ｎを同時に同量だけ変化させたときの単一モードで導波可能な周波数帯域の変化を図１３に示す。図１３は、横軸に欠陥部屈折率、縦軸に規格化周波数を表している。図１３中の点を結ぶ実線および破線は、それぞれ単一モードで導波可能な周波数帯域の高周波数側周波数および低周波数側周波数を表しており、その間の周波数帯域が単一モードで導波可能な周波数帯域を表している。これより、欠陥部屈折率４００ｎ、４０１ｎ、４０２ｎ、４０３ｎを変化させることによって、単一モードで導波可能な領域が変化することが分かる。
したがって、導波路構造Ｅにおいて、第２の線状欠陥部を構成する媒質を変え、欠陥部屈折率を変化させることによって、単一モードで導波可能な周波数帯域を制御できる。なお本実施例の導波路構造Ｅによって単一モードで導波可能な周波数帯域を制御でき、導波方向に垂直な面内において単峰性に近い強度分布を得ることができる理由は、実施例１で述べた理由と同じである。
本実施例では、第１の線状欠陥部と同じ方向に延びる柱状構造を含む層で、第１の線状欠陥部の最も近傍に位置する層を選択し、第１の線状欠陥部の最も近傍に位置する柱状構造に第２の線状欠陥部を設けたが、他の柱状構造に第２の線状欠陥部を設けてもよい。
例えば、実施例１で述べたように、第１の線状欠陥部と同じ方向に延びる柱状構造を含む層で、最も近傍に位置する層内において、さらに離れた場所に位置する柱状構造に第２の線状欠陥部を設けても同様の効果が得られる。
また、第１の線状欠陥部から積層方向にさらに離れた層内に位置する柱状構造に第２の線状欠陥部を設けても、同様の効果が得られる。第１の線状欠陥部と第２の線状欠陥部との積層方向の距離は、面外格子周期の１．５倍以内であると効果的である。さらに、第２の線状欠陥部の個数は、本実施例に制限されるものではなく、３つ以下でも５つ以上でも良い。また複数個の線状欠陥部を設けた場合、各線状欠陥部を構成する媒質は、異なる屈折率を有していてもよい。第２の線状欠陥部の位置、個数、構成する媒質を細かく制御することにより、導波モードの周波数のさらに細かい制御が可能となる。
次に、図８に示す実施例の３次元フォトニック結晶Ｄを用いることによって、第１の線状欠陥部が延びる方向と同じ方向に延びる柱状構造の代わりに、又はそれとともに離散構造部分に第２の線状欠陥部を設ける導波路構造Ｆの実施例を示す。この導波路構造Ｆによっても単一モードで導波可能な周波数帯域が制御できることを説明する。
図１４に示す導波路構造Ｆは、図８に示す３次元フォトニック結晶構造Ｄの内部にｙ軸方向に延びる第１の線状欠陥部５０と、第１の線状欠陥部５０が形成される層とは異なる層に位置する離散構造の一部を改変（屈折率を変化）したものである。図１４（ｂ）〜（ｄ）は、第２の線状欠陥部５００、５０１、５０２、５０３を含む層の構造の説明図である。第２の線状欠陥部５００、５０１、５０２、５０３は、３次元フォトニック結晶構造Ｄの柱状構造および離散構造とは異なる屈折率を有する媒質で形成されている。
図１４（ａ）は導波路のｘｚ断面図、図１４（ｂ）〜（ｄ）はそれぞれ断面i、断面ii、断面iiiにおける導波路のｘｙ断面図である。本実施例は、第１の線状欠陥部５０の最も近傍に位置する離散構造に形成した第２の線状欠陥部５００、５０１、５０２、５０３を含む構造に関する。
導波路構造Ｆの詳細な構造パラメータを表６に示す。ここで、第１の線状欠陥部を構成する媒質の屈折率、および第２の線状欠陥部に含まれる離散構造を構成する媒質の屈折率を、欠陥部屈折率とする。なお、表６および図１４中では、第１の線状欠陥部幅を５０ｗ、第１の線状欠陥部高さを５０ｈと記し、欠陥部屈折率を５０ｎ、５００ｎ、５０１ｎ、５０２ｎ、５０３ｎと記した。第１の欠陥部５０の高さ５０ｈは第１の層３０１と、その上下各２層の合計となっている。なお、導波モードの計算は、前記と同じくＦＤＴＤ法を用いて計算した。
図１５は、導波路構造Ｆにおいて、欠陥部屈折率５００ｎ、５０１ｎ、５０２ｎ、５０３ｎを同時に同量だけ変化させたときの単一モードで導波可能な周波数帯域の変化を示したものである。横軸は欠陥部屈折率、縦軸に規格化周波数を表している。図１５中の点を結ぶ実線および破線は、それぞれ単一モードで導波可能な周波数帯域の高周波数側周波数および低周波数側周波数を表しており、その間の周波数帯域が単一モードで導波可能な周波数帯域を表している。欠陥部屈折率５０１ｎ、５０２ｎ、５０３ｎを変化させることによって、単一モードで導波可能な領域が変化することが分かる。
したがって、第１の線状欠陥部とは異なる層に位置する離散構造の一部に第２の線状欠陥部を形成し、第２の線状欠陥部を構成する媒質を変え、欠陥部屈折率を変化させることによって、単一モードで導波可能な周波数帯域を制御することができる。本実施例では第２の線状欠陥部として、第１の線状欠陥部を含む層とは異なる層に位置し、第１の線状欠陥部の最も近傍に位置する離散構造に第２の線状欠陥部を設けたが、他の離散構造に第２の線状欠陥部を設けても良い。例えば、第１の線状欠陥部を含む層とは異なる層内に位置し、第１の線状欠陥部からさらに離れた離散構造でも良い。さらに離れた層内に位置する離散構造、ｙ軸方向に延びる柱状構造に隣接する離散構造部に第２の線状欠陥部を設けても、同様の効果を得ることが出来る。第１の線状欠陥部と第２の線状欠陥部との距離は、面外格子周期の０．５倍以上、１．５倍以内であると効果的である。面外格子周期の０．５倍未満の場所に第２の線状欠陥部を設けると、導波方向に垂直な面内における電磁場分布が単峰性の分布を有する導波モードを得ることが難しくなるためである。また面外格子周期の１．５倍よりも離れた場所では、第２の線状欠陥部を設けても影響が非常に小さいためである。
さらに、上記の通り、柱状構造と、離散構造のそれぞれに第２の線状欠陥部を設けてもよい。また、第２の線状欠陥部の個数は、本実施例に制限されるものではなく、３つ以下でも、５つ以上でも良く、複数個の第２の線状欠陥部を設けた場合、各線状欠陥部を構成する媒質は、互いに異なる屈折率を有してもよい。
また、本実施例における第１の線状欠陥部は、柱状構造と柱状構造の近傍に位置する離散構造を除去することによって形成したが、柱状構造あるいは、柱状構造と離散構造の一部を除去することによって形成してもよい。
さらに、実施例１と同様に、本実施例は、フォトニック結晶を構成する媒質の屈折率に影響されるものではない。例えば、屈折率３．６を有する媒質を用いて構成されたフォトニック結晶で、図１１で示した導波路構造Ｅと同様の構造を有する、導波路構造Ｇを形成しても良い。この場合でも、第２の線状欠陥部によって単一モードで導波可能な周波数帯域を制御できることを以下に説明する。導波路構造Ｇの構造パラメータを表７に示す。また導波モードの計算は、上記同様にＦＤＴＤ法を用いて計算した。
図１６は、欠陥部屈折率４００ｎ、４０１ｎ、４０２ｎ、４０３ｎを同時に同量だけ変化させたときの単一モードで導波可能な周波数帯域の変化を示したものである。横軸は欠陥部屈折率、縦軸は規格化周波数を表している。
図１６中の点を結ぶ実線および破線は、それぞれ単一モードで導波可能な周波数帯域の高周波数側周波数および低周波数側周波数を表しており、その間の周波数帯域が単一モードで導波可能な周波数帯域を表している。欠陥部屈折率４００ｎ、４０１ｎ、４０２ｎ、４０３ｎを変化させることによって、単一モードで導波可能な領域が変化することが分かる。したがって、３次元フォトニック結晶構造を構成する媒質の屈折率に関わらず、第１の線状欠陥部とは異なる層に形成した第２の線状欠陥部を構成する媒質を変え、欠陥部屈折率を変化させることによって、単一モードで導波可能な帯域を制御できることが分かる。
以上のように、本実施例では、３次元フォトニック結晶構造Ｄに利用し、欠陥部を設けて導波路を構成した構造について示した。各実施例の導波路構造によって、所望の周波数帯域において、単一モードかつ所望の強度分布を有するモードで導波可能な導波路を実現できる。
上記のような３次元フォトニック結晶を利用した導波路を構成するのに望ましい媒質は、実施例１で述べたとおりである。また、第１の線状欠陥部を形成する媒質は、空気に限定されるものではなく、実施例１で述べた低屈折率媒質で形成してもよい。また、３次元フォトニック結晶の作製プロセスについても、実施例１で述べた作製プロセスと同様のものを用いることができる。
また、各実施例では付加層中に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、これに限定されることはない。例えば１層または３層又は３層以上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柱状構造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、上記で述べた位置に線状欠陥部を設けることで、同様の効果が得られる。
離散構造を含む層が１層の場合と３層の場合を示す。図２３（ａ）は本発明の導波路で利用できる３次元フォトニック結晶の要部概略図である。図２３（ａ）は離散構造を含む層が１層の場合である。３次元周期構造２１００は、ｘｙ平面を含む８つの層２１０１〜２１０８を基本周期として構成されている。
図２３（ｂ）は各層２１０１〜２１０８のｘｙ断面の一部の概略図を示す。第１の層２１０１および第５の層２１０５は、第１の媒質（高屈折率）によるｙ軸方向に延びる複数の柱状構造２１０１ａおよび２１０５ａが等間隔（ピッチ）Ｐでｘ方向に配置されている。そして柱状構造２１０１ａおよび２１０５ａはｘ軸方向にＰ／２ずれた位置に配置されている。また、第３の層２１０３および第７の層２１０７は、第１の媒質によるｘ軸方向に延びる複数の柱状構造２１０３ａおよび２１０７ａが等間隔（ピッチ）Ｐでｙ方向に配置されている。そして柱状構造２１０３ａおよび２１０７ａはｙ軸方向にＰ／２ずれた位置に配置されている。
第２の層２１０２には、第１の層２１０１中の柱状構造２１０１ａおよび第３の層２１０３中の柱状構造２１０３ａ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第１の媒質による離散構造２１０２ａが配置されている。同様に、柱状構造を含む層の間にある第４の層２１０４、第６の層２１０６、第８の層２１０８も同様である。すなわち、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離散構造２１０２ａと同一形状の第１の媒質による離散構造２１０４ａ、２１０６ａ、２１０８ａが配置されている。
各層中の柱状構造２１０１ａ、２１０３ａ、２１０５ａ、２１０７ａおよび離散構造２１０２ａ、２１０４ａ、２１０６ａ、２１０８ａは互いに接しており、各層中の柱状構造以外の領域および離散構造以外の部分１ａは第２の媒質（低屈折率）で充填されている。
図２４（ａ）は離散構造を含む層（付加層）が３層の場合の要部概略図である。３次元フォトニック結晶２３００は、ｘｙ平面を含む１６の層２３０１〜２３１６を基本周期として構成されている。
図２４（ｂ）は各層のｘｙ断面の一部を示す。第１の層２３０１および第９の層２３０９は、第１の媒質によるｙ軸方向に延びる複数の柱状構造２３０１ａおよび２３０９ａが等間隔Ｐでｘ方向に配置されており、柱状構造２３０１ａおよび２３０９ａはｘ軸方向にＰ／２ずれた位置に配置されている。また、第５の層２３０５および第１３の層２３１３は、第１の媒質によるｘ軸方向に延びる複数の柱状構造２３０５ａおよび２３１３ａが等間隔Ｐでｙ方向に配置されており、柱状構造２３０５ａおよび２３１３ａはｙ軸方向にＰ／２ずれた位置に配置されている。
第２の層２３０２、第３の層２３０３および第４の層２３０４には、第１の層２３０１中の柱状構造２３０１ａおよび第５の層２３０５中の柱状構造２３０５ａの交点に相当する位置に、離散構造が位置している。すなわち、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２３０２ａ、２３０３ａおよび２３０４ａが配置されている。なお、離散構造２３０２ａと２３０４ａ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６の層２３０６、第７の層２３０７、第８の層２３０８、第１０の層２３１０、第１１の層２３１１、第１２の層２３１２、第１４の層２３１４、第１５の層２３１５、第１６の層２３１６も同様である。すなわち、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２３０６ａ、２３０７ａ、２３０８ａ、２３１０ａ、２３１１ａ、２３１２ａ、２３１４ａ、２３１５ａ、２３１６ａ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ることができる。
なお、図２３（ａ）と同様に柱状構造、離散構造の形状、柱状構造の方向、間隔、構成する媒質の屈折率はこれに制限されるものではない。
柱状構造を含む層の間に設けた付加層中の３つの離散構造は、ｘｙ平面内において、異なる面積であっても良い。例えば、ｚ方向に順に面積が変化する３つの離散構造を含む層からなる付加層であっても良い。
また、より広い完全フォトニックバンドギャップを得るためには離散構造を含む層が４層以上であるとよいが、作成プロセスが煩雑化するので目的によって選択すればよい。
以上述べたように、間隔を空けて平行に配置した柱状構造を含む層の間に、離散的に配置された離散構造を含む層を設けることにより、従来の構造よりも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。
本発明の導波路を有するデバイスの実施例を説明する。
まず、デバイスとして発光素子について説明する。３次元フォトニック結晶中に周期を乱す線状欠陥部から構成されている導波路および点欠陥部を設ける。
点欠陥部は、形状、媒質を最適化することによって、ＰＢＧ内の所望の周波数において、共振モードを有する共振器を形成することができる。
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。
このような、点欠陥共振器の近傍に導波路が配置され、導波路が共振器の共振モードが有する周波数において導波モードを有する場合、共振器内部で発生した光は、導波モードと結合し、共振器の外に抽出される。
抽出された光は、導波モードとして導波路内部を伝播し、導波路端部において３次元フォトニック結晶外の自由空間を伝播するモードと結合することによって、３次元フォトニック結晶外へ取り出すことができる。
図１７に本発明にかかる導波路と、キャリア注入により発光する活性部を点欠陥部に形成した発光素子の構成例を示す。
発光素子６００は、３次元フォトニック結晶構造中に点欠陥部６０１を設けることにより形成される共振器６０１ａ，ｐ型電極６０２，ｐ型キャリア伝導路６０３，ｎ型電極６０４，ｎ型キャリア伝導路６０５から構成される。共振器６０１ａ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６０２、ｐ型キャリア伝導路６０３を介して、共振器６０１ａに正孔が供給され、ｎ型電極６０４、ｎ型キャリア伝導路６０５を介して，共振器６０１ａに電子が供給され、共振器６０１ａ内部で結合して発光、レーザ発振する。
この光を共振器外部へ取り出すために、本実施例である導波路６０６を設ける。導波路構造６０６は、３次元フォトニック結晶の柱状構造の一部を除去して形成された第１の線状欠陥部６０７と、第１の線状欠陥部とは異なる層に配置された第２の線状欠陥部６０８、６０９を設けることにより形成される導波路である。
第２の線状欠陥部６０８、６０９を構成する媒質を変え、屈折率を最適化することで、共振器６０１ａの共振モードが有する周波数において単一モードで導波可能な導波モード有する導波路を得ることができる。
この導波路を共振器に対して適切な位置に配置することにより、共振器６０１ａの共振モードを導波モードに効率良く変換し、導波路端部より３次元フォトニック結晶外へ取り出すことができる。
このように、本実施例である導波路構造を用いることで、共振モードの周波数と導波路の単一モードで導波可能な周波数帯域が一致するように、導波モードを制御することができる。
また、本実施例の導波路は、導波方向に垂直な面内において、導波路中心部に電磁場強度が強く集中する導波モードを有している。
このため、電磁場強度分布に非対称性の歪みを持たない光を導波路単部から取り出すことができる。
以上から、本実施例にかかる導波路と点欠陥共振器を用いることで、高性能なレーザーデバイスを実現することができる。
次に、本発明にかかる線欠陥導波路の線状欠陥中に活性媒質を有する導波路と前記活性媒質を励起する励起手段を有する発光素子７００の構成例を図１８に示す。
３次元フォトニック結晶構造内に、本実施例にかかる導波路７０６を設ける。
図１８では、一例として、柱状構造の一部を除去することにより形成した第１の線状欠陥部７０７を有する。
更に第１の線状欠陥部７０７とは異なる層に位置し、第１の線状欠陥部と同じ方向に延びる柱状構造の一部に形成した第２の線状欠陥部７０８、７０９からなる導波路を示した。
第２の線状欠陥部７０８、７０９は、３次元フォトニック結晶構造を構成する柱状構造とは異なる屈折率を有する媒質で構成されている。
このとき、導波路両端部を高反射面とするために、導波路外部には３次元フォトニック結晶７１０、７１１が配置されている。
さらに線状欠陥部７０７の内部にはキャリア注入により発光作用を呈する活性部７０１が形成され、ｐ型電極７０２，ｐ型キャリア伝導路７０３，ｎ型電極７０４，ｎ型キャリア伝導路７０５が形成されている。
ｐ型電極７０２，ｐ型キャリア伝導路７０３を介して、線状欠陥部７０１内に正孔が供給され，ｎ型電極７０４，ｎ型キャリア伝導路７０５を介して，線状欠陥部７０１内に電子が供給され，線状欠陥部７０１内部で結合して発光する。
発光した光は、線状欠陥部７０１内部を導波し、導波路端面にて反射され、線状欠陥部７０１内部を往復する。
このとき、活性部から発光した光の導波モードに対して、共振条件が成立するように、導波路７０６の導波路方向の長さ、構造パラメータを適切に設計すると、発光した光は、線状欠陥部７０１内で共振し、レーザ発振する。
本実施例の導波路は、導波方向に垂直な面内において、導波路中心部に電磁場強度が強く集中する導波モードを有している。このため、電磁場強度分布に非対称性の歪みを持たない光を導波路単部から取り出すことができる。
また、線状欠陥部７０８、７０９を構成する媒質を変え、屈折率を変化させることによって、導波モードの波長を制御することができるため、任意の波長の光に対して、共振条件を満たし、レーザ発振することができる。
以上から、本実施例にかかる導波路の線状欠陥中に活性媒質を有する導波路と前記活性媒質を励起する励起手段で構成した発光素子によって、高性能なレーザーデバイスを実現することができる。
なお上記２つの実施例中で述べた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。
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。
次に、本発明にかかる線欠陥導波路と点欠陥共振器とを組み合わせた光分波回路８００の構成例を図１９に示す。
３次元フォトニック結晶構造内に、本実施例にかかる導波路を設ける。
図１９では、一例として、柱状構造の一部を除去することにより形成した第１の線状欠陥部８０１を有する。
更に、第１の線状欠陥部８０１とは異なる層に位置し、第１の線状欠陥部８０１と同じ方向に延びる柱状構造の一部に形成した第２の線状欠陥部８０２、８０３からなる導波路を示した。
第２の線状欠陥部８０２、８０３は、３次元フォトニック結晶構造を構成する柱状構造および離散構造とは異なる屈折率を有する媒質で構成されている。
さらに導波路の近傍に点欠陥共振器構造８０４−８０７を設ける。
図１９では模式図で表現したが、実際には分波数nに対してｎ個の共振器を設けることで所望の光分波を実現できる。
共振器構造８０４−８０７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いる。また、導波路構造は、光分波を行う波長を含む波長帯域において、単一モードで導波するように設計されている。共振波長を含む帯域で単一モードで導波可能であるように導波モードを制御するためには、第２の線状欠陥部の位置、個数、構成する媒質の組み合わせにより制御可能である。
このような導波路構造に、各点欠陥共振器の共振波長λ１、λ２、λ３、・・・・λｎを含む図２０に示すようなスペクトルを有する光束を導波路に導く。そうすると、各共振器でそれぞれの共振波長に応じた波長成分を有する光束を取り上げることができる。
又、逆に各共振器から導波路中に合波することもできる。
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装置に有用である。
本実施例にかかる三次元フォトニック結晶構造による導波路を用いることで、所望の波長帯域で光分波が可能な高性能な光分波素子を提供できる。
以上のように、本実施例にかかる線欠陥導波路と、点欠陥共振器とから構成されていることを特徴とする波長フィルタを用いることで、高性能な光合分波回路を実現できる。
ウッドパイル構造のフォトニック結晶の説明図 ウッドパイル構造のフォトニック結晶の各層の説明図 図１のウッドパイル構造のフォトニック結晶の規格化周波数の説明図 本発明の実施例１の要部概略図 本発明の実施例１の導波モードの説明図 本発明の実施例１の規格化周波数の説明図 本発明の実施例１の規格化周波数の説明図 ウッドパイル構造のフォトニック結晶の説明図 ウッドパイル構造のフォトニック結晶の各層の説明図 ウッドパイル構造のフォトニック結晶の規格化周波数の説明図 本発明の実施例２の要部概略図 本発明の実施例２の導波モードの説明図 本発明の実施例２の規格化周波数の説明図 本発明の実施例２の要部概略図 本発明の実施例２の規格化周波数の説明図 本発明の実施例２の規格化周波数の説明図 本発明の導波路を用いたデバイスの実施例３の要部概略図 本発明の導波路を用いたデバイスの実施例３の要部概略図 本発明の導波路を用いたデバイスの実施例３の要部概略図 本発明の導波路を用いたデバイスの実施例３のスペクトルの説明図 従来のフォトニック結晶の説明図 従来のフォトニック結晶の電磁場強度分布の説明図 従来のフォトニック結晶の電磁場強度分布の説明図 離散構造を有するフォトニック結晶の説明図 離散構造を有するフォトニック結晶の各層の説明図 離散構造を有するフォトニック結晶の説明図 離散構造を有するフォトニック結晶の各層の説明図
符号の説明
Ａ〜Ｆ：ウッドパイル構造
１０１〜１０４ 第１〜第４の層
１０１ａ〜１０４ａ 柱状構造
２０ 第１の柱状欠陥部
２００〜２０３ 第２の線状欠陥部
３０１〜３１２ 第１〜第１２の層
３０１ａ〜３１２ａ 柱状構造
４０ 第１の線状欠陥部
４００〜４０３ 第２の線状欠陥部
５０ 第１の線状欠陥部
５００〜５０３ 第２の線状欠陥部

Claims (9)

  1. ３次元フォトニック結晶と、
    該３次元フォトニック結晶中の周期を乱す複数の線状欠陥部と、
    を有する導波路であって、
    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の層を有し、
    該第１の層から該第４の層が順次、
    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ており、
    該第１の層の前記柱状構造が存在する一部の領域を、該柱状構造とは異なる媒質の領域又は、該柱状構造が存在しない領域にすることによって形成した第１の欠陥部と、
    該第１の層とは異なる層に位置し、該第１の層の前記柱状構造と同じ方向に延びる柱状構造の一部の柱状構造を、該第１の層の前記柱状構造と同じ方向に延びる他の柱状構造の媒質の屈折率と異なる屈折率の媒質で形成した第２の欠陥部と、
    を有することを特徴とする導波路。
  2. ３次元フォトニック結晶と、
    該３次元フォトニック結晶中の周期を乱す複数の線状欠陥部と、
    を有する導波路であって、
    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、
    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ており、
    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ており、
    該第１の層の前記柱状構造が存在する一部の領域又は、該第１の層の前記柱状構造が存在する領域と該柱状構造近傍の前記離散構造の一部の領域を、該柱状構造及び該離散構造の媒質と異なる領域又は、それらが存在しない領域とすることによって形成した第１の欠陥部と、
    該第１の欠陥部を含む層とは異なる層に位置し、該第１の層の前記柱状構造と同じ方向に延びる柱状構造の一部の柱状構造を該第１の層の前記柱状構造と同じ方向に延びる他の柱状構造の媒質の屈折率とは異なる屈折率の媒質で形成した第２の欠陥部と、を有し、
    該第１の欠陥部と該第２の欠陥部を積層方向に結ぶ長さが、該３次元フォトニック結晶の面外格子周期の半分の長さ以上であることを特徴とする導波路。
  3. ３次元フォトニック結晶と、
    該３次元フォトニック結晶中の周期を乱す複数の線状欠陥部と、
    を有する導波路であって、
    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、
    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ており、
    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ており、
    該第１の層の前記柱状構造が存在する一部の領域又は、該第１の層の前記柱状構造が存在する領域と該柱状構造近傍の前記離散構造の一部の領域を、該柱状構造及び該離散構造の媒質と異なる領域又は、それらが存在しない領域とすることによって形成した第１の欠陥部と、
    該第１の欠陥部を含む層とは異なる層に位置した離散構造の一部を、該離散構造が位置する層と同じ層の他の離散構造の媒質の屈折率と異なる屈折率の媒質より形成した第２の欠陥部とを有し、
    該第１の欠陥部と該第２の欠陥部を積層方向に結ぶ長さが該３次元フォトニック結晶の面外格子周期の半分の長さ以上であることを特徴とする導波路。
  4. ３次元フォトニック結晶と、
    該３次元フォトニック結晶中の周期を乱す複数の線状欠陥部と、
    を有する導波路であって、
    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、
    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ており、
    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ており、
    該第１の層の前記柱状構造が存在する一部の領域又は、該第１の層の前記柱状構造が存在する領域と該柱状構造近傍の前記離散構造の一部の領域を、該柱状構造及び該離散構造の媒質と異なる領域又は、それらが存在しない領域とすることによって形成した、第１の欠陥部と、
    該第１の欠陥部を含む層とは異なる層に位置し、
    該第１の層の前記柱状構造と同じ方向に延びる柱状構造の一部の柱状構造を、該第１の層の前記柱状構造と同じ方向に延びる他の柱状構造の媒質の屈折率とは異なる屈折率の媒質で形成し、かつ該第１の欠陥部を含む層とは異なる層に位置した離散構造の一部を、該離散構造が位置する層と同じ層の他の離散構造の媒質の屈折率と異なる屈折率の媒質より形成した第２の欠陥部と、を有し、
    該第１の欠陥部と該第２の欠陥部を積層方向に結ぶ長さが該３次元フォトニック結晶の面外格子周期の半分の長さ以上であることを特徴とする導波路。
  5. 前記第１の欠陥部と前記第２の欠陥部を積層方向に結ぶ長さが該３次元フォトニック結晶の面外格子周期の１．５倍の長さ以下であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の導波路。
  6. 前記第２の欠陥部の柱状構造は、前記第１の欠陥部の積層方向であって、最も第１の欠陥部の近傍に位置する、該第１の欠陥部の柱状構造と同じ方向に延びる柱状構造より成ることを特徴とする請求項１、又は請求項２又は請求項４又は請求項５のいずれか１項に記載の導波路。
  7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の導波路と、点欠陥共振器と、から構成され、該点欠陥共振器中の光を該導波路へ抽出することを特徴とする発光素子。
  8. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の導波路の、前記線状欠陥部の内部に活性媒質を有する導波路と、該活性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。
  9. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の導波路と、点欠陥共振器と、から構成されていることを特徴とする光合分波回路。
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