JP2007304629A - Structure of anti-reflection film on two or three dimensional photonic crystal and method of forming same - Google Patents

Structure of anti-reflection film on two or three dimensional photonic crystal and method of forming same Download PDF

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昌之 白根
Atsushi Ushida
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To reliably achieve antireflection on photonic crystals with a simpler method by eliminating defects in a conventional technique for forming an anti-reflection film on the photonic crystals. <P>SOLUTION: Two or three dimensional photonic crystals are obtained by regularly arranging materials with two or more kinds of different refractive indexes in two or three dimensional cycles; and have a structure of the anti-reflection film on the photonic crystals that enhances an incidence efficiency of light into the two or three dimensional photonic crystals, by adding a thin film made of a medium consisting of one of the medium composing the photonic crystals at the end surfaces of the photonic crystals for enhancing the incidence efficiency of light into the photonic crystals. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、反射防止膜の構造に関し、特にフォトニック結晶に対する反射防止膜の構造とその形成方法に関する。   The present invention relates to a structure of an antireflection film, and more particularly to a structure of an antireflection film for a photonic crystal and a method for forming the same.

近年、特異な分散特性を有していること、あるいは光をサブμmという微小な領域に強く閉じ込めたりすることができることなどから、フォトニック結晶が注目を浴びている。   In recent years, photonic crystals have attracted attention because of their unique dispersion characteristics and their ability to strongly confine light in a sub-micron region.

フォトニック結晶とは、屈折率の異なる2つ以上の媒質が光の波長オーダ、すなわちサブμm周期で3次元もしくは2次元周期的に規則正しく配列されたものである。1次元の場合は、所謂誘電体多層膜であるが、その周期性によって特徴的な光学的性質を示すことや、理論解析の結果から2次元または3次元にも応用できる有益な情報が得られるため、ここではその1次元の場合も含めてフォトニック結晶と呼ぶことにする。   A photonic crystal is a medium in which two or more media having different refractive indexes are regularly arranged in a three-dimensional or two-dimensional periodic manner with a wavelength order of light, that is, a sub-μm period. In the case of one-dimensional, it is a so-called dielectric multilayer film, but it shows characteristic optical properties due to its periodicity, and useful information applicable to two-dimensional or three-dimensional is obtained from the result of theoretical analysis. For this reason, this one-dimensional case is also referred to as a photonic crystal.

図10(a)はこのフォトニック結晶の構造の一例として、2次元三角格子フォトニック結晶の概略構造を示す図である。図10(a)に示すように、これは背景媒質15中に2次元三角格子状に円柱形の原子媒質17が埋め込まれた構造となっている。   FIG. 10A shows a schematic structure of a two-dimensional triangular lattice photonic crystal as an example of the structure of the photonic crystal. As shown in FIG. 10A, this has a structure in which a cylindrical atomic medium 17 is embedded in a background medium 15 in a two-dimensional triangular lattice shape.

また、図10(b)は図10(a)の2次元三角格子構造に対応する、第1ブリルアンゾーンを示す図である。図10(b)に示すように、第1ブリルアンゾーンは正六角形をしており、その頂点がK点、各辺の中点がM点、正六角形の中心がΓ点となる。このようなフォトニック結晶においては、フォトニック結晶中に存在する光波に対して、エネルギーバンド構造(フォトニックバンド構造)を形成することが知られている。   FIG. 10B is a diagram showing a first Brillouin zone corresponding to the two-dimensional triangular lattice structure of FIG. As shown in FIG. 10B, the first Brillouin zone has a regular hexagonal shape, the vertex of which is the K point, the midpoint of each side is the M point, and the center of the regular hexagon is the Γ point. In such a photonic crystal, it is known that an energy band structure (photonic band structure) is formed with respect to a light wave existing in the photonic crystal.

図11は、図10のフォトニック結晶構造に対するフォトニックバンドの計算例を示す図である。図11に示すように、ここでは背景媒質をSiに、原子媒質を空気とし、空気円柱の直径:dと格子間隔:aの比はd/a=0.867として計算している。なお、光の電場ベクトルの向きは紙面に垂直方向の場合について計算した。縦軸は規格化周波数であり、真空中での光の波長:λを用いてΩ=a/λと表される。図11中において破線でエネルギー領域には光の伝搬モードが存在せず、フォトニックバンドギャップ(PBG)と呼ばれている。   FIG. 11 is a diagram illustrating a calculation example of a photonic band for the photonic crystal structure of FIG. As shown in FIG. 11, here, the background medium is Si, the atomic medium is air, and the ratio of the diameter of the air cylinder: d to the lattice spacing: a is calculated as d / a = 0.867. In addition, the direction of the electric field vector of light was calculated in the case of being perpendicular to the paper surface. The vertical axis represents the normalized frequency, and is expressed as Ω = a / λ using the wavelength of light in a vacuum: λ. In FIG. 11, there is no light propagation mode in the energy region indicated by a broken line, which is called a photonic band gap (PBG).

PBG以外のエネルギー領域ではフォトニック結晶中を光が伝搬することができるが、この中には強い波長分散を有するエネルギー領域が存在することが知られている。この強い波長分散特性を利用した発明として、特許文献1(以下、従来技術1と呼ぶ)に開示されている波長分波回路や、特許文献2(以下、従来技術2と呼ぶ)に開示されている波長分散補償器が挙げられる。   In the energy region other than PBG, light can propagate through the photonic crystal, and it is known that an energy region having strong chromatic dispersion exists in this. As an invention using this strong chromatic dispersion characteristic, it is disclosed in a wavelength demultiplexing circuit disclosed in Patent Document 1 (hereinafter referred to as Conventional Technology 1) and in Patent Document 2 (hereinafter referred to as Conventional Technology 2). Chromatic dispersion compensator.

しかし、従来技術1及び2に開示されたデバイスを実用化するためには、これらデバイスを構成するフォトニック結晶内に、フォトニック結晶と接する媒質(一般的には空気)から、光を高効率で入射させる必要がある。即ち、フォトニック結晶に対する無反射コーティングが必要となる。   However, in order to put the devices disclosed in the prior arts 1 and 2 into practical use, light is highly efficient from the medium (generally air) in contact with the photonic crystal in the photonic crystals constituting these devices. It is necessary to make it incident. That is, a non-reflective coating on the photonic crystal is required.

一般に、屈折率の異なる2種類の一様媒質が平面で接する時に、境界面での反射率をゼロにする方法として、図12に示す無反射防止膜19が広く知られている。これは、一様媒質21の屈折率がn、一様媒質23の屈折率がnである時、波長λの光に対して、反射防止膜33の屈折率nと膜厚dをそれぞれ次の数1式、数2式のようにすれば、とすれば、理論上無反射にすることが可能である。 In general, an antireflection film 19 shown in FIG. 12 is widely known as a method for reducing the reflectance at the boundary surface to zero when two types of uniform media having different refractive indexes are in contact with each other on a plane. This is because when the refractive index of the uniform medium 21 is n 1 and the refractive index of the uniform medium 23 is n 3 , the refractive index n 3 and the film thickness d of the antireflection film 33 are set for light of wavelength λ. If the following equations 1 and 2 are used, respectively, it is theoretically possible to make the reflection non-reflective.

Figure 2007304629
Figure 2007304629

Figure 2007304629
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上記数2式より、この反射防止膜はλ/4膜と呼ばれることがある。   From the formula 2, the antireflection film is sometimes called a λ / 4 film.

ところが、フォトニック結晶の場合、一様媒質のようには屈折率を単純には定義できないし、またフォトニック結晶の領域がどこまでなのかを単純には定義できないので、上記のような一様媒質に対する反射防止膜の手法をそのまま用いることができない。   However, in the case of a photonic crystal, the refractive index cannot be simply defined as in the case of a uniform medium, and the extent of the photonic crystal region cannot be simply defined. The method of the antireflection film cannot be used as it is.

一方、フォトニック結晶に対する反射防止膜としては、非特許文献1(以下、従来技術3と呼ぶ)に掲載されている、突起付きフォトニック結晶構造も提案されている。   On the other hand, as an antireflection film for a photonic crystal, a photonic crystal structure with a protrusion described in Non-Patent Document 1 (hereinafter referred to as Conventional Technology 3) has also been proposed.

図13は従来技術3による構造を示す図である。図13を参照すると、背景媒質であるSi25中にと空気円柱27が埋め込まれた2次元三角格子フォトニック結晶領域と、一様なSiの領域との境界部分に、半円柱と三角柱とを組み合わせた空気柱の突起構造29を設けている。この突起構造29の効果により、フォトニック結晶とそれと接するSiとの境界面での透過率が、突起構造のない場合と比較して約15dBほど改善されている。   FIG. 13 is a diagram showing a structure according to the prior art 3. Referring to FIG. 13, a semi-cylinder and a triangular prism are combined at the boundary between a two-dimensional triangular lattice photonic crystal region in which an air cylinder 27 is embedded in Si25 as a background medium and a uniform Si region. An air column projection structure 29 is provided. Due to the effect of the protrusion structure 29, the transmittance at the interface between the photonic crystal and Si in contact with the photonic crystal is improved by about 15 dB compared to the case without the protrusion structure.

ところが、従来技術3による例では、突起構造は実際問題として大きさが1μm程度かそれ以下であり、10〜20°程度の非常に鋭い角度の空気柱が必要となる。このような構造をドライエッチィング等により実際に作製する場合には、加工精度により角が丸くなることが予想され、設計した構造を正確に作製することは非常に困難であると考えられる。   However, in the example according to the prior art 3, as a practical matter, the protrusion structure has a size of about 1 μm or less, and an air column with a very sharp angle of about 10 to 20 ° is required. When such a structure is actually manufactured by dry etching or the like, the corner is expected to be rounded due to processing accuracy, and it is considered extremely difficult to accurately manufacture the designed structure.

特開平11−271541号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-271541 特開2000−121987号公報JP 2000-121987 第62回応用物理学会学術講演会講演予稿集1065ページ62nd JSAP Scientific Lecture Proceedings 1065 pages P.Yeh et al., J.Opt.Soc. Am. Vol.67,423(1977)P. Yeh et al. , J. et al. Opt. Soc. Am. Vol. 67, 423 (1977) R.Bellman and G.M.Wing, An Introduction to Invariant Imbedding,NewYork, McGraw−Hill,1975R. Bellman and G.M. M.M. Wing, An Introduction to Invariant Imbedding, New York, McGraw-Hill, 1975

このように、従来の均一媒質への反射防止膜の手法は、そのままではフォトニック結晶には適用できず、また、上述の突起構造付きフォトニック結晶による反射防止の手法は、その実現が非常に困難であった。   Thus, the conventional antireflection film method for a uniform medium cannot be applied to a photonic crystal as it is, and the antireflection method using the above-described photonic crystal with a protrusion structure is very realizable. It was difficult.

そこで、本発明の技術的課題は、このような従来のフォトニック結晶への反射防止膜形成手法における欠点を除去し、より簡単な方法で確実に、フォトニック結晶に対する反射防止を行うことができるフォトニック結晶への反射防止膜の構造を提供することにある。   Therefore, the technical problem of the present invention is that it is possible to remove the drawbacks in the conventional method of forming an antireflection film on a photonic crystal and to reliably prevent reflection on the photonic crystal by a simpler method. An object is to provide a structure of an antireflection film on a photonic crystal.

本発明による2次元あるいは3次元フォトニック結晶への反射防止膜の構造は、屈折率の異なる2種類以上の物質を、2次元あるいは3次元周期的に規則正しく配列したフォトニック結晶において、前記フォトニック結晶中への光の入射効率を高めるために、前記フォトニック結晶の端面に、フォトニック結晶を構成する媒質のうちの一つからなる媒質による薄膜を付加することを特徴としている。   The structure of the antireflection film on a two-dimensional or three-dimensional photonic crystal according to the present invention is a photonic crystal in which two or more substances having different refractive indexes are regularly arranged two-dimensionally or three-dimensionally. In order to increase the incident efficiency of light into the crystal, a thin film made of one of the media constituting the photonic crystal is added to the end face of the photonic crystal.

また、本発明によるフォトニック結晶への反射防止膜の構造は、2次元あるいは3次元フォトニック結晶への反射防止膜の構造において、光の入射効率を高めるためにフォトニック結晶の端面に付加する媒質の膜厚が、実施例に述べる手法により求めた膜厚であることを特徴としている。   Also, the structure of the antireflection film on the photonic crystal according to the present invention is added to the end face of the photonic crystal in order to increase the light incident efficiency in the structure of the antireflection film on the two-dimensional or three-dimensional photonic crystal. The film thickness of the medium is the film thickness obtained by the method described in the embodiment.

また、本発明によるフォトニック結晶への反射防止膜の構造は、2次元あるいは3次元フォトニック結晶への反射防止膜の構造において、光の入射効率を高めるためにフォトニック結晶の端面に付加する媒質が、フォトニック結晶を構成する媒質とは独立の媒質からなり、その媒質の屈折率および膜厚が実施例に述べる手法により求めたものであることを特徴としている。   Also, the structure of the antireflection film on the photonic crystal according to the present invention is added to the end face of the photonic crystal in order to increase the light incident efficiency in the structure of the antireflection film on the two-dimensional or three-dimensional photonic crystal. The medium is composed of a medium independent of the medium constituting the photonic crystal, and the refractive index and film thickness of the medium are obtained by the method described in the embodiments.

また、本発明によるフォトニック結晶への反射防止膜の構造は、2次元あるいは3次元フォトニック結晶への反射防止膜の構造において、光の入射効率を高めるためにフォトニック結晶の端面に付加する媒質が、フォトニック結晶を構成する媒質とは独立の屈折率の異なる2つ以上の媒質によって構成される多層膜であることを特徴としている。   Also, the structure of the antireflection film on the photonic crystal according to the present invention is added to the end face of the photonic crystal in order to increase the light incident efficiency in the structure of the antireflection film on the two-dimensional or three-dimensional photonic crystal. The medium is a multilayer film composed of two or more media having different refractive indexes independent of the medium constituting the photonic crystal.

また、本発明によるフォトニック結晶へ反射防止膜の形成方法は、屈折率の異なる2種類以上の物質を、2次元あるいは3次元周期的に規則正しく配列した2次元あるいは3次元フォトニック結晶への反射防止膜の形成方法であって、前記フォトニック結晶中への光の入射効率を高めるために、前記フォトニック結晶の端面に、当該フォトニック結晶を構成する媒質のうちの一つからなる媒質による薄膜を付加することを特徴とする。   In addition, according to the method of forming an antireflection film on a photonic crystal according to the present invention, reflection on a two-dimensional or three-dimensional photonic crystal in which two or more kinds of substances having different refractive indexes are regularly arranged two-dimensionally or three-dimensionally is performed. A method for forming an anti-reflection film, wherein the end face of the photonic crystal is formed on one of the mediums constituting the photonic crystal in order to increase the light incident efficiency into the photonic crystal. A thin film is added.

また、本発明によるフォトニック結晶への反射防止膜の形成方法は、2次元あるいは3次元フォトニック結晶への反射防止膜の形成方法において、光の入射効率を高めるためにフォトニック結晶の端面に付加する媒質の膜厚が、所定の手法により求めた膜厚であることを特徴とする。   In addition, the method of forming an antireflection film on a photonic crystal according to the present invention is a method for forming an antireflection film on a two-dimensional or three-dimensional photonic crystal. The thickness of the medium to be added is a thickness obtained by a predetermined method.

また、本発明によるフォトニック結晶への反射防止膜の形成方法は、2次元あるいは3次元フォトニック結晶への反射防止膜の形成方法において、光の入射効率を高めるためにフォトニック結晶の端面に付加する媒質が、当該フォトニック結晶を構成する媒質とは独立の媒質からなり、その媒質の屈折率および膜厚が所定の手法により求めたものであることを特徴とする。   In addition, the method of forming an antireflection film on a photonic crystal according to the present invention is a method for forming an antireflection film on a two-dimensional or three-dimensional photonic crystal. The medium to be added is a medium independent of the medium constituting the photonic crystal, and the refractive index and film thickness of the medium are obtained by a predetermined method.

さらに、本発明によるフォトニック結晶への反射防止膜の形成方法において、2次元あるいは3次元フォトニック結晶への反射防止膜の形成方法において、光の入射効率を高めるためにフォトニック結晶の端面に付加する媒質が、当該フォトニック結晶を構成する媒質とは独立の屈折率の異なる2つ以上の媒質によって構成される多層膜であることを特徴とする。   Further, in the method of forming an antireflection film on a photonic crystal according to the present invention, in the method of forming an antireflection film on a two-dimensional or three-dimensional photonic crystal, the end face of the photonic crystal is increased in order to increase the light incident efficiency. The medium to be added is a multilayer film composed of two or more media having different refractive indexes independent of the medium constituting the photonic crystal.

本発明においては、フォトニック結晶の光の入出射端面に、ある一定厚さの反射防止膜を付加することにより、単純にかつ効果的にフォトニック結晶への光の入出力結合効率を向上させることができるフォトニック結晶の反射防止膜の構造とその形成方法とを提供することができる。   In the present invention, the input / output coupling efficiency of light to the photonic crystal is improved simply and effectively by adding an antireflection film having a certain thickness to the light incident / exit end face of the photonic crystal. It is possible to provide a photonic crystal antireflection film structure and a method for forming the same.

本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。   Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

まず、初めに、1次元フォトニック結晶(周期的な誘電体多層膜)に対する反射防止膜形成の新しい原理について説明する。1次元フォトニック結晶とは、ある1方向に周期的な屈折率の空間変化があり、その方向に垂直な方向には均一な屈折率分布を有するフォトニック結晶のことを言う。この1次元フォトニック結晶を碧開した表面に反射防止膜を形成する場合を考える。反射防止膜形成の基本的な考え方は従来のλ/4膜による無反射コーティングの手法に基づくが、フォトニック結晶内の屈折率は周期的に変化しているので、それを反射防止膜の設計においてどのように扱うかが発明のポイントとなる。   First, a new principle of forming an antireflection film for a one-dimensional photonic crystal (periodic dielectric multilayer film) will be described. A one-dimensional photonic crystal refers to a photonic crystal having a periodic refractive index spatial change in one direction and a uniform refractive index distribution in a direction perpendicular to the direction. Consider a case where an antireflection film is formed on the surface of the one-dimensional photonic crystal cleaved. The basic concept of antireflection film formation is based on the conventional method of antireflection coating with λ / 4 film, but the refractive index in the photonic crystal changes periodically, which is used to design the antireflection film. The key point of the invention is how to handle it.

ここで、従来の技術の項で述べたように一様誘電体に対する無反射コーティングの手法は既に確立しているが、1次元フォトニック結晶(周期的な誘電体多層膜)に対する反射防止膜は本発明が最初である。   Here, as described in the section of the prior art, an antireflection coating method for a uniform dielectric has already been established, but an antireflection film for a one-dimensional photonic crystal (periodic dielectric multilayer film) is The present invention is the first.

図1は、1次元フォトニック結晶への反射防止膜(単層)を示す図である。図1に示す結晶は、単位胞35が格子定数Λで1次元的に周期配列した1次元フォトニック結晶37と反射防止膜又は無反射膜(膜厚d)39が境界41で接する構造を有する。単位胞35の内部の屈折率分布43は、1次元方向に任意の空間分布を有し、図1中の光が入射する側の一様媒質45の屈折率をn、反射防止膜39の屈折率はnであるとする。またこれらを構成するすべての物質は透明な媒質であるとする。図1のフォトニック結晶に一様媒質45から光を入射させたときの反射率を求める方法は次の3つのステップからなる。 FIG. 1 is a diagram showing an antireflection film (single layer) on a one-dimensional photonic crystal. The crystal shown in FIG. 1 has a structure in which a one-dimensional photonic crystal 37 in which unit cells 35 are periodically arranged in a one-dimensional manner with a lattice constant Λ and an antireflection film or an antireflection film (film thickness d 2 ) 39 are in contact with each other at a boundary 41. Have. Internal refractive index distribution 43 of unit cell 35 may have any spatial distribution in the one-dimensional direction, the refractive index of the homogeneous medium 45 on the side where the light in FIG. 1 enters n 1, the antireflection film 39 refractive index is assumed to be n 2. Further, all the substances constituting them are assumed to be transparent media. The method for obtaining the reflectance when light is incident on the photonic crystal of FIG. 1 from the uniform medium 45 includes the following three steps.

第1のステップとして、一様媒質45、反射防止膜39、1次元フォトニック結晶37の各領域における電磁場を各領域での固有モードで展開する。第2のステップとしてマックスウェルの境界条件によって電磁場を接続する。第3のステップは境界条件から得られた線形連立代数方程式を解くことである。この手順は通常の巨視的な電磁気学における手法と全く同じであるが、対象が1次元フォトニック結晶であるために、1次元フォトニック結晶中の固有モードをいかにして求めるかがまず問題となる。   As a first step, an electromagnetic field in each region of the uniform medium 45, the antireflection film 39, and the one-dimensional photonic crystal 37 is developed in an eigenmode in each region. As a second step, the electromagnetic fields are connected by Maxwell boundary conditions. The third step is to solve the linear simultaneous algebraic equations obtained from the boundary conditions. This procedure is exactly the same as the method in ordinary macroscopic electromagnetism, but since the target is a one-dimensional photonic crystal, the first question is how to find the eigenmode in the one-dimensional photonic crystal. Become.

一様媒質45、反射防止膜39の中での固有モードは平面波であり、1次元フォトニック結晶37は周期構造であるからその固有モードはブロッホ波である。このブロッホ波は1周期分の転送行列の固有ベクトルとして得られる。   The eigenmode in the uniform medium 45 and the antireflection film 39 is a plane wave, and since the one-dimensional photonic crystal 37 has a periodic structure, the eigenmode is a Bloch wave. This Bloch wave is obtained as an eigenvector of a transfer matrix for one period.

一般に透明媒質からなる1次元周期構造の転送行列Mは、次の数3式のように書ける(非特許文献2、参照)。   In general, a transfer matrix M having a one-dimensional periodic structure made of a transparent medium can be written as the following equation (3) (see Non-Patent Document 2).

Figure 2007304629
Figure 2007304629

ここで、上記数3式において、a,b,c,dは単位胞の構造によって決まる実関数であり、E,Hは表面に平行方向の電磁場(電場のy成分と磁場のx成分)を表す。また、エネルギー保存則から行列式det M=1である。転送行列Mの固有値λ±、規格化定数を除いた固有ベクトルv±は次の数4式及び数5式のように書ける。 Here, in the above equation 3, a, b, c, and d are real functions determined by the structure of the unit cell, and E and H are electromagnetic fields (y component of electric field and x component of magnetic field) parallel to the surface. To express. Further, the determinant det M = 1 from the energy conservation law. The eigenvalue λ ± of the transfer matrix M and the eigenvector v ± excluding the normalization constant can be written as in the following equations (4) and (5).

Figure 2007304629
Figure 2007304629

Figure 2007304629
Figure 2007304629

ここで、kはブロッホ波数であり電磁場のモードを指定するインデックスになる。また、数5式は、周期配列した1次元フォトニック結晶37の固有モードであるので、これを用いてマックスウェルの境界条件から線形連立方程式を立てて振幅反射率を計算すると、一様媒質56から光を垂直入射したときの振幅反射率は、次の数6式及び数7式で与えられる。   Here, k is the Bloch wave number and is an index for designating the electromagnetic field mode. In addition, since Equation 5 is an eigenmode of the periodically arranged one-dimensional photonic crystal 37, when the amplitude reflectivity is calculated by using this to establish a linear simultaneous equation from the Maxwell boundary condition, the uniform medium 56 is obtained. Amplitude reflectivity when light is vertically incident is given by the following equations (6) and (7).

Figure 2007304629
Figure 2007304629

Figure 2007304629
Figure 2007304629

ここで、上記数6式において、kは反射防止膜39中の光の波数である。また、上記数6式および数7式は、屈折率nの一様媒質の両側にそれぞれ屈折率n、nの一様媒質があるときの振幅反射率と形式的には同じであるが、ここでは1次元フォトニック結晶を考えているため、nが物質定数である実数の屈折率ではない点が決定的に異なる。上記数7式中でのnの定義は、周期的に広がる結晶37中の光の固有モードであるブロッホ波(数5式)の境界41における値を用いて、次の数8式が得られる。 Here, in Equation (6), k 2 is the wave number of light in the antireflection film 39. In addition, the above formulas 6 and 7 are formally the same as the amplitude reflectivity when there are uniform media of refractive index n 1 and n 3 on both sides of the uniform medium of refractive index n 2 , respectively. However, since a one-dimensional photonic crystal is considered here, the difference is that n 3 is not a real refractive index having a material constant. The definition of n 3 in the above formula 7 is obtained by using the value at the boundary 41 of the Bloch wave (formula 5), which is an eigenmode of light in the crystal 37 that periodically spreads, to obtain the following formula 8. It is done.

Figure 2007304629
Figure 2007304629

周期構造からなる1次元フォトニック結晶が作り出す非常に複雑な反射率への効果を上記数8式にすべて繰り込んで表すことができていることになるため、数8式は本発明の核心部分の1つである。   Since all the effects on the very complex reflectivity created by the one-dimensional photonic crystal having a periodic structure can be expressed by the above formula 8, the formula 8 is the core part of the present invention. It is one of.

一般には、上記数8式中のnは複素数であるので、一様誘電体に対する反射防止コーティングのように振幅反射率(数6式)がゼロになる膜厚d、屈折率nを選ぶことは一般にはできないが、次の数9式で示される1層の無反射膜を有するフォトニック結晶の反射率を最小にすることはできる。 In general, n 3 in the above formula 8 is a complex number, so that the film thickness d 2 and the refractive index n 2 at which the amplitude reflectivity (formula 6) becomes zero like an antireflection coating for a uniform dielectric are set as follows. In general, it cannot be selected, but the reflectance of the photonic crystal having one non-reflective film represented by the following formula 9 can be minimized.

Figure 2007304629
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すなわち、無反射膜の膜厚dと屈折率nを設計するときは、反射率Rのd、nに関する1階偏微分係数がゼロになり、2階偏微分係数が正であるn、dを求めればよい。以上の原理によって単層の反射防止膜を有する1次元フォトニック結晶の反射防止膜39の最適な膜厚dと屈折率nを設計することが可能になる。また、上記数8式が実数になる場合、すなわち電場と磁場の位相が一致するときには無反射コーティングによって反射をゼロできる。1次元フォトニック結晶と反射防止膜との境界を無限1次元フォトニック結晶の鏡映面に選んだ場合は、上記数5式が必ず実数になるので、無反射コーティングで反射をゼロにする境界面を選ぶことができる。よって、そのように境界を選ぶことが重要である。また、鏡映面がない一般の場合でも、上記の手法によって反射を最小にできるし、以下に述べる多層の反射防止膜により反射をゼロにすることもできる。 That is, when designing the film thickness d 2 and the refractive index n 2 of the non-reflective film, the first-order partial differential coefficient for d 2 and n 2 of the reflectivity R 1 is zero, and the second-order partial differential coefficient is positive. What is necessary is just to obtain some n 2 and d 2 . Based on the above principle, it is possible to design the optimum film thickness d 2 and refractive index n 2 of the anti-reflection film 39 of the one-dimensional photonic crystal having a single-layer anti-reflection film. Further, when the above equation 8 becomes a real number, that is, when the phase of the electric field and the magnetic field coincides, the reflection can be zeroed by the antireflection coating. When the boundary between the one-dimensional photonic crystal and the antireflection film is selected as the mirror surface of the infinite one-dimensional photonic crystal, the above equation (5) is always a real number, so the boundary is zero for reflection with a non-reflective coating. You can choose the face. Therefore, it is important to select the boundary like that. Even in the general case where there is no mirror surface, reflection can be minimized by the above-described method, and reflection can be made zero by a multilayer antireflection film described below.

次に、以上に示したフォトニック結晶への単層の反射防止膜の設計手法とその原理を、1次元フォトニック結晶への多層の反射防止の形成の場合に拡張する。また同時に、1次元フォトニック結晶に任意の入射角、任意の偏光(TM偏光(p偏光)またはTE偏光(s偏光))入射する場合にも拡張する。   Next, the design method and principle of a single-layer antireflection film on the photonic crystal described above are extended to the formation of multilayer antireflection on a one-dimensional photonic crystal. At the same time, it is extended to the case where an arbitrary incident angle and arbitrary polarized light (TM polarized light (p polarized light) or TE polarized light (s polarized light)) are incident on the one-dimensional photonic crystal.

図2は、1次元フォトニック結晶へのN−1層の反射防止膜を形成し、任意の角度、任意の偏光で光が入射する場合を説明する図である。図2(多層反射防止膜の場合)と図1(単層反射防止膜の場合)では、(A)反射防止膜が単層から多層になっている点,(B)光が任意の入射角をもっている点,(C)光が任意の偏光(TMまたはTE)をもっている点、の3点を除けば、1次元フォトニック結晶と反射防止膜の境界41の定義、1次元フォトニック結晶の単位胞35の定義と単位胞35の中では任意の空間分布をもつ屈折率43を含めてすべて図1と同じ条件の結晶を考える。   FIG. 2 is a diagram illustrating a case where an N-1 antireflection film is formed on a one-dimensional photonic crystal and light is incident at an arbitrary angle and with an arbitrary polarization. In FIG. 2 (in the case of a multilayer antireflection film) and FIG. 1 (in the case of a single-layer antireflection film), (A) the point that the antireflection film changes from a single layer to a multilayer, and (B) the light has an arbitrary incident angle. Definition of the boundary 41 between the one-dimensional photonic crystal and the antireflection film, except for the three points (C) where the light has an arbitrary polarization (TM or TE). In the definition of the cell 35 and the unit cell 35, a crystal having the same conditions as in FIG.

上記数8式と,振幅反射率r2,3を表す上記数7式から屈折率がnである一様媒質から1次元フォトニック結晶に光が入射したときの振幅反射率が求まるので、N−1層の無反射膜を有する1次元フォトニック結晶の反射率RN−1は次の、数10,11,12,及び13式のようにかける。 Since the above equation 8 and the above equation 7 representing the amplitude reflectivity r 2 , 3 can determine the amplitude reflectivity when light is incident on the one-dimensional photonic crystal from a uniform medium having a refractive index n 2 , reflectance R N-1 of the one-dimensional photonic crystal having an anti-reflection film of the N-1 layer of the following, applied as in equation 10, 11, 12, and 13 formula.

Figure 2007304629
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上記数11式は、非特許文献3によるものであり、再帰的に用いて計算を行うことに注意を要する。k、d はi番目の反射防止膜での境界に垂直方向の光の波数と膜厚でありn(i=1,2,…N)はそれぞれの領域における屈折率である。また、α=−1(TM偏光)、1(TE偏光)であり、β=ck/ωn (TM偏光),−ω/ck(TE偏光)である。上記数13式のE、HはTM偏光、TE偏光それぞれにおける、表面に平行な電場成分と磁場成分であることに注意が必要である。反射防止膜を有する1次元フォトニック結晶の反射率の式(数6式)と同様で、上記数11式は形式的には一様誘電体多層膜の反射率と同じであるが、数8式に対応する数13式が、物質定数である実数の屈折率ではないことが決定的に異なる。また光の反射において非常に複雑な振る舞いを示す1次元フォトニック結晶の効果が、すべて数13式に繰り込まれているという重要性から、数13式も本発明の核心部分の1つである。 The above formula 11 is based on Non-Patent Document 3, and it should be noted that the calculation is performed recursively. k i and d i are the wave number and film thickness of light perpendicular to the boundary of the i-th antireflection film, and n i (i = 1, 2,... N) is the refractive index in each region. Further, α = −1 (TM polarization), 1 (TE polarization), and β = ck N / ωn N 2 (TM polarization), −ω / ck N (TE polarization). It should be noted that E k and H k in Equation 13 are an electric field component and a magnetic field component parallel to the surface in each of TM polarized light and TE polarized light. Similar to the equation (Equation 6) of the reflectance of a one-dimensional photonic crystal having an antireflection film, Equation 11 is formally the same as the reflectance of the uniform dielectric multilayer film, but Equation 8 It is decisively different that the equation (13) corresponding to the equation is not a real refractive index that is a material constant. In addition, since the effect of the one-dimensional photonic crystal exhibiting very complicated behavior in the reflection of light is all incorporated into the formula 13, the formula 13 is also one of the core parts of the present invention. .

また、上記数10式から数13式を用いて反射率RN−1のn,d(i=2,3,…,N)に関する1階微分係数がゼロになり、2階微分係数が正になるn,d(i=2,3,…,N)を求めれば、その設計値を用いてN−1層の反射膜を有する1次元フォトニック結晶の反射率を最小にすることができる。 In addition, the first-order differential coefficient relating to n i , d i (i = 2, 3,..., N) of the reflectivity R N-1 is zero using the above-described formula 10 to formula 13, and the second-order differential coefficient. If n i , d i (i = 2, 3,..., N) are obtained, the reflectivity of the one-dimensional photonic crystal having the N-1 reflective film is minimized using the design value. can do.

以上のN−1層からなる反射防止膜の膜厚やその屈折率の設計手法とその原理は、入射光の入射角度、偏光方向によらず、コーティングする反射防止膜の枚数にも依存せず一般に成り立つ。またさらに単層の場合と同様に、単位胞を構成する物質の種類や数、形状、厚さに依存しないので、あらゆる多層反射防止膜を有する1次元フォトニック結晶に対して成り立つ。   The design method and the principle of the antireflection film composed of the N-1 layer and its refractive index do not depend on the incident angle and polarization direction of incident light, and do not depend on the number of antireflection films to be coated. Generally holds. Furthermore, as in the case of a single layer, since it does not depend on the type, number, shape, and thickness of the substance constituting the unit cell, it can be applied to a one-dimensional photonic crystal having any multilayer antireflection film.

次に、参考例として、単層の反射防止膜を有し、周期部分の単位胞が膜厚の等しいSiO(屈折率1.5)アモルファスSi(屈折率3.5)の2層から構成されている結晶を考える。 Next, as a reference example, it has a single-layer antireflection film, and the unit cell of the periodic part is composed of two layers of SiO 2 (refractive index 1.5) amorphous Si (refractive index 3.5) having the same film thickness. Consider the crystals that are being made.

図3は前述の原理を用いて求めた反射率が最小になる反射防止膜の膜厚dと屈折率nのマップを示す図である。図3において、縦軸の膜厚はλ/4n(λは真空中の波長)で規格化してある。図3中のB1〜B5はエネルギーの小さい順に第1バンドから第5バンドを表しており、それぞれがマップ上で曲線になって現れる理由は、最適な膜厚d、屈折率nがフォトニック結晶のバンドおよび光の波長に依存するからである。 FIG. 3 is a diagram showing a map of the film thickness d 2 and the refractive index n 2 of the antireflection film that minimizes the reflectance obtained using the above-described principle. In FIG. 3, the film thickness on the vertical axis is normalized by λ 0 / 4n 20 is the wavelength in vacuum). B1 to B5 in FIG. 3 represent the first band to the fifth band in ascending order of energy, and the reason why each appears as a curve on the map is that the optimum film thickness d 2 and refractive index n 2 are photo. This is because it depends on the band of the nick crystal and the wavelength of light.

図4は、図3によって得られた最適な膜厚d、屈折率nを用いて計算された反射率を示している。図4中の実線は反射防止膜をコーティングした結晶の反射率、点線は無反射膜が存在しない場合の反射率である。図4(a)、(b)、(c)はそれぞれ、規格化された光の振動数(Ω=Λ/λ)が0.5、0.7、0.9のときに反射が最小になるように設計してあり、その周波数を矢印で示してある。 FIG. 4 shows the reflectance calculated using the optimum film thickness d 2 and refractive index n 2 obtained in FIG. The solid line in FIG. 4 represents the reflectance of the crystal coated with the antireflection film, and the dotted line represents the reflectance when no antireflection film is present. 4 (a), 4 (b), and 4 (c) show the minimum reflection when the normalized light frequency (Ω = Λ / λ) is 0.5, 0.7, and 0.9, respectively. The frequency is indicated by an arrow.

図3からわかるように矢印で示された光の振動数において、反射防止膜のある場合の反射率(実線)がゼロに極めて近くなり、反射防止膜がない場合(点線)の反射率を低減していることがわかる。   As can be seen from FIG. 3, at the light frequency indicated by the arrow, the reflectance (solid line) with the antireflection film is very close to zero, and the reflectance without the antireflection film (dotted line) is reduced. You can see that

図5は、図4の計算に使われた反射防止膜の設計値(膜厚d、屈折率n)が確かに反射率を最小にする値であることを示すために、反射率の無反射膜の膜厚dと屈折率n依存性を等高線でプロットしたものである。等高線は最大値と最小値の間に等間隔で10本の線で描いてある。また、反射率の最大値を黒色、最小値を白色としてグラデーションをつけて併せて示している。×印で示した点が図4の反射率の計算に使われた最適設計値であり、確かにその設計値において反射率が最小になっていることが確認できる。 FIG. 5 shows the reflectivity of the antireflective coating used in the calculation of FIG. 4 (thickness d 2 , refractive index n 2 ) is indeed a value that minimizes the reflectivity. The thickness d 2 and refractive index n 2 dependence of the non-reflective film are plotted with contour lines. The contour lines are drawn with 10 lines at equal intervals between the maximum value and the minimum value. In addition, the maximum value of the reflectance is black, the minimum value is white, and a gradation is added. The point indicated by x is the optimum design value used in the calculation of the reflectance in FIG. 4, and it can be confirmed that the reflectance is indeed the minimum at the design value.

以上、1次元フォトニック結晶への反射防止膜形成法の原理に基づき、本発明の第1の実施の形態について説明した。ここではその単位胞が膜厚の等しいSiOとアモルファスSiからなり、単層の反射防止膜をコーティングした場合の結果を示した。しかしながら、反射防止膜の設計方法とその原理は、単位胞を構成する物質の種類や数、形状、厚さに依存せず、コーティングする反射防止膜の枚数、入射光の入射角度、偏光方向にも依存しないため、あらゆる透明媒質からなる1次元フォトニック結晶について全く同じ原理に基づいて最適な(反射率が最小もしくはゼロになる)反射防止膜を設計することが可能である。 The first embodiment of the present invention has been described above based on the principle of the method for forming an antireflection film on a one-dimensional photonic crystal. Here, the result when the unit cell is made of SiO 2 and amorphous Si having the same film thickness and coated with a single-layer antireflection film is shown. However, the design method and the principle of the antireflection film do not depend on the type, number, shape, and thickness of the substances constituting the unit cell, and the number of antireflection films to be coated, the incident angle of incident light, and the polarization direction can be determined. Therefore, it is possible to design an optimum antireflection film (with a minimum or zero reflectance) based on exactly the same principle for a one-dimensional photonic crystal made of any transparent medium.

また、単層からなる反射防止膜の場合、反射防止膜の屈折率、膜厚のいずれか1つのみを最適化した構造も本発明の動作原理に基づくものである。更にN−1層からなる反射防止膜の場合、反射防止膜のN−1個の屈折率、N−1個の膜厚のいずれかを最適化した構造も本発明の動作原理に基づくものである。つまりすべての膜厚、屈折率について最適な値にならずとも、本発明の反射防止膜形成の動作原理によるものである。   In the case of a single-layer antireflection film, a structure in which only one of the refractive index and film thickness of the antireflection film is optimized is also based on the operation principle of the present invention. Further, in the case of the antireflection film composed of the N-1 layer, the structure in which either the N-1 refractive index or the N-1 film thickness of the antireflection film is optimized is also based on the operation principle of the present invention. is there. That is, even if the film thickness and refractive index are not optimum values, it is based on the operation principle of forming the antireflection film of the present invention.

次に、本発明の2次元または3次元フォトニック結晶に対する反射防止膜の構造について考える。2次元または3次元フォトニック結晶の反射率の計算は、1次元のそれと比較して計算量が膨大であり、厳密に計算することは非常に困難である。1次元の場合、PBGに近づくと反射率が急激に大きくなるが、これはnの値が急激に大きくなっていることを示している。一方、PBGに近づくにつれて急激に大きくなるパラメータは群屈折率である。ここで群屈折率とは、フォトニック結晶中での光のエネルギー伝搬速度に対する、真空中での光速度の比であり、エネルギーバンド構造から、次の数14式を用いて求めることができる。 Next, the structure of the antireflection film for the two-dimensional or three-dimensional photonic crystal of the present invention will be considered. The calculation of the reflectance of a two-dimensional or three-dimensional photonic crystal has a huge amount of calculation compared to that of a one-dimensional one, and it is very difficult to calculate exactly. In the one-dimensional case, the reflectance increases rapidly as it approaches the PBG, which indicates that the value of n 3 increases rapidly. On the other hand, the parameter that rapidly increases as it approaches the PBG is the group refractive index. Here, the group refractive index is the ratio of the light velocity in vacuum to the energy propagation velocity of light in the photonic crystal, and can be obtained from the energy band structure using the following equation (14).

Figure 2007304629
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従って、反射防止膜を設計するときにnを計算によって厳密に求める替わりに、群屈折率nを用いても良い近似が成り立つと予想される。 Thus, the n 3 strictly determined instead by calculation, is expected to be better approximated with the group index n g is established when designing an anti-reflection film.

続いて、本発明の第1の実施の形態としての2次元もしくは3次元フォトニック結晶に対する反射防止膜形成法について説明する。   Subsequently, an antireflection film forming method for a two-dimensional or three-dimensional photonic crystal according to the first embodiment of the present invention will be described.

1次元フォトニック結晶の場合には、上述のようにnの値を数式により厳密に求めることができたが、より構造が複雑な2次元または3次元フォトニック結晶の場合にはこの手法は適用できない。そこで、nの値の第一近似としては、フォトニックバンド図から容易に求めることができる群屈折率nを用いれば良い。フォトニックバンド図の計算は、平面波展開法や有限差分時間領域(FDTD)法等の一般的手法が適用できる。また、群屈折率nはフォトニックバンド図から上記数14式を用いて導出できる。このnを数1式、及び数2式へ代入することによって反射防止膜の屈折率nと膜厚dを導出することができる。 In the case of a one-dimensional photonic crystal, the value of n 3 can be strictly determined by a mathematical formula as described above. However, in the case of a two-dimensional or three-dimensional photonic crystal having a more complicated structure, this method is Not applicable. Therefore, as a first approximation of the value of n 3, a group refractive index ng that can be easily obtained from a photonic band diagram may be used. A general method such as a plane wave expansion method or a finite difference time domain (FDTD) method can be applied to the calculation of the photonic band diagram. The group refractive index ng can be derived from the photonic band diagram using the above equation (14). By substituting ng into Equation 1 and Equation 2, the refractive index n 3 and the film thickness d of the antireflection film can be derived.

なお、これらの値は、nの値として第一近似としてのnの値を元に設計されているため、反射防止膜の最適値からは若干ずれている可能性もあり、補正が必要な場合がある。具体的な補正の仕方は次の通りである。1次元結晶の場合の反射率の屈折率、膜厚の依存性を示した図4を見ると、屈折率をある値に固定した時に、反射率が最小となるある膜厚が必ず存在する。従って2次元或いは3次元フォトニック結晶の場合も同様であるので、上記のように求めた屈折率nを固定しておいて、dの値を上で求めた近似値を中心にして変化させて、FDTD法などの数値計算を用いて、透過率が最大(反射率が最小)となるdの最適値を求めれば良い。 These values, because they are designed based on the value of n g as a first approximation as the value of n 3, should have shifted slightly from the optimum value of the antireflection film, it must be corrected There are cases. A specific correction method is as follows. Looking at FIG. 4 showing the dependence of the refractive index and the film thickness on the reflectivity in the case of a one-dimensional crystal, there is always a certain film thickness at which the reflectivity is minimum when the refractive index is fixed to a certain value. Accordingly, the same applies to the case of a two-dimensional or three-dimensional photonic crystal, and the refractive index n 2 obtained as described above is fixed, and the value of d is changed around the approximate value obtained above. Then, an optimal value of d that maximizes the transmittance (minimum reflectance) may be obtained using numerical calculation such as the FDTD method.

ところで、屈折率は物質定数であるため、nの屈折率を有する媒質が存在しないか、存在しても実際の作製が難しい場合も考えられる。その場合には、nに近い屈折率を有する媒質を反射防止膜として用いても、或る程度の反射防止効果が得られる。この時、膜厚dは変数として見なし、λ/4膜となる値を初期値としてFDTD法などの数値計算を行い、透過率が最大となる膜厚の最適値dを見つけることができる。 By the way, since the refractive index is a material constant, there may be a case where there is no medium having a refractive index of n 2 or it is difficult to actually manufacture even if it exists. In that case, even if a medium having a refractive index close to n 2 is used as the antireflection film, a certain degree of antireflection effect can be obtained. At this time, the film thickness d is regarded as a variable, and a numerical value calculation such as the FDTD method or the like is performed by using a value that becomes a λ / 4 film as an initial value, and an optimum value d of the film thickness that maximizes the transmittance can be found.

図6は、このような原理に基づいて、本発明による2次元もしくは3次元フォトニック結晶への反射防止膜形成に関する第2の実施の形態を示す図である。図6のフォトニック結晶51はこの場合の例として、2次元三角格子構造であって、背景媒質はSi(屈折率3.5)53、原子媒質は空気(屈折率1.0)55であり、格子定数a=0.75μm、空気円柱の直径d=0.65μmである。この時d/a=0.867であり、このフォトニック結晶に対するエネルギーバンド構造は図11で与えられる。このフォトニック結晶に対して光の入射端面57と出射端面59がある。ここで、フォトニック結晶領域の境界は、無限に続くフォトニック結晶の空気円柱に接する切断面であると定義をする。従って、図6の場合はフォトニック結晶領域の境面は図6中の境界(i)に相当する。また、フォトニック結晶の外側は、この場合空気層である。   FIG. 6 is a diagram showing a second embodiment relating to the formation of an antireflection film on a two-dimensional or three-dimensional photonic crystal according to the present invention based on such a principle. As an example in this case, the photonic crystal 51 of FIG. 6 has a two-dimensional triangular lattice structure, the background medium is Si (refractive index 3.5) 53, and the atomic medium is air (refractive index 1.0) 55. Lattice constant a = 0.75 μm and air cylinder diameter d = 0.65 μm. At this time, d / a = 0.867, and the energy band structure for this photonic crystal is given in FIG. The photonic crystal has an incident end face 57 and an outgoing end face 59 for light. Here, the boundary of the photonic crystal region is defined as a cut surface in contact with the air cylinder of the photonic crystal that continues infinitely. Therefore, in the case of FIG. 6, the boundary surface of the photonic crystal region corresponds to the boundary (i) in FIG. In addition, the outside of the photonic crystal is an air layer in this case.

波長分波器等では比較的周波数の高い(エネルギーの高い)領域が利用されるため、今、規格化周波数Ωが0.456〜0.496において伝搬モードを有するバンドに注目する。a=0.75μmの時、Ω=a/λより、このバンドは波長に換算して1.512μm〜1.645μmに相当するバンドである。   Since a wavelength demultiplexer or the like uses a relatively high frequency (high energy) region, attention is now focused on a band having a propagation mode at a normalized frequency Ω of 0.456 to 0.496. When a = 0.75 μm, from Ω = a / λ, this band is a band corresponding to 1.512 μm to 1.645 μm in terms of wavelength.

図7は、図11のフォトニックバンド図から数14式を用いて計算した、本発明のフォトニック結晶における群屈折率を表した図である。群屈折率は最低で10程度、バンド端に近づくにつれて数十から100程度に急激に大きくなっていく。従ってこの場合、無反射コーティングを施さない場合、空気(屈折率1)との屈折率差が大きいため、界面で大きな反射が生ずることが予想される。   FIG. 7 is a diagram showing the group refractive index in the photonic crystal of the present invention, calculated from the photonic band diagram of FIG. The group index of refraction is at least about 10 and rapidly increases from about several tens to about 100 as the band edge is approached. Therefore, in this case, when the antireflection coating is not applied, the difference in refractive index from air (refractive index 1) is large, so that it is expected that large reflection occurs at the interface.

図8(i)は、入出射端面がフォトニック結晶領域の境界であった場合(反射防止膜が無い場合)の、光の透過スペクトルの計算結果を示したものである。計算にはFDTD法を用いた。短パルスを入射端面の外側から入射させ、出射端面外側での時間波形をモニタし、それをフーリエ変換することにより、透過スペクトルを計算した。計算結果から、光の透過率は注目している波長帯域においてせいぜい数%程度であることが分かる。なお、透過スペクトルに振動構造が見られるのは、20μm×20μmの有限な計算領域を設定しており、入射端面と出射端面の間で光の多重反射の影響が出ているためである。   FIG. 8 (i) shows the calculation result of the light transmission spectrum when the input / output end face is the boundary of the photonic crystal region (when there is no antireflection film). The FDTD method was used for the calculation. A transmission spectrum was calculated by making a short pulse incident from the outside of the incident end face, monitoring the time waveform outside the outgoing end face, and subjecting it to Fourier transform. From the calculation results, it can be seen that the light transmittance is at most several percent in the wavelength band of interest. Note that the vibration structure is seen in the transmission spectrum because a finite calculation region of 20 μm × 20 μm is set and the influence of multiple reflection of light occurs between the incident end face and the outgoing end face.

このままでは、フォトニック結晶に光が殆ど入射できないため、反射防止構造を施す必要がある。フォトニック結晶に接する媒質の屈折率は1であるから、反射防止を施す波長をλ=1.55μm、この時の群屈折率を図8からn=10だとすれば、上記数1式を用いて反射防止膜の屈折率はn=(10*1)1/2=3.2が導かれる。これはあくまで近似であるから、ここでは屈折率が3.5である背景媒質のSiを反射防止膜として用いることを考える。この時、λ/4膜としての膜厚は0.11μmと導かれる。この値を中心として、いくつかの膜厚に対しての透過率計算をFDTD法を用いて行い、透過率が最大となる膜厚を見つければ良い。この場合、膜厚の最適値は0.10μmであった。 In this state, almost no light can be incident on the photonic crystal, so that it is necessary to provide an antireflection structure. Since the refractive index of the medium in contact with the photonic crystal is 1, assuming that the wavelength for preventing reflection is λ = 1.55 μm and the group refractive index at this time is ng = 10 from FIG. Is used to derive n 2 = (10 * 1) 1/2 = 3.2 as the refractive index of the antireflection film. Since this is only an approximation, it is considered here that Si of the background medium having a refractive index of 3.5 is used as the antireflection film. At this time, the film thickness as the λ / 4 film is derived to be 0.11 μm. With this value as the center, transmittance calculation for several film thicknesses is performed using the FDTD method, and a film thickness that maximizes the transmittance may be found. In this case, the optimum value of the film thickness was 0.10 μm.

図8(ii)には、最適値であるd=0.10μmの場合の透過率を示している。このような手法を用いれば、考えている波長帯域において80%以上の透過率を実現することが可能であり、(i)と比較して10倍以上も透過率が向上している。   FIG. 8 (ii) shows the transmittance when d = 0.10 μm which is the optimum value. If such a method is used, it is possible to realize a transmittance of 80% or more in the considered wavelength band, and the transmittance is improved by 10 times or more compared with (i).

このように、光の入出力端面においてフォトニック結晶を構成するSi層の厚みをある値に設定するだけで、透過率を80%以上にすることが可能となる。この方法は従来例のごとく、入出射端面に微細な突起構造を設ける必要性がなく、単純に平らな面を出すだけであり、容易に実現可能である。   Thus, the transmittance can be increased to 80% or more simply by setting the thickness of the Si layer constituting the photonic crystal to a certain value at the light input / output end face. This method does not need to be provided with a fine protrusion structure on the incident / exit end face as in the conventional example, and simply provides a flat surface and can be easily realized.

図9は、本発明によるフォトニック結晶への反射防止の構造に関する第2の実施の形態を示す図である。参考例においては、フォトニック結晶の背景媒質が反射防止膜として機能していたが、この場合、反射防止膜の屈折率はフォトニック結晶の背景媒質の屈折率と同じであるため、反射防止膜としての設計最適条件には制約があった。そこで、第2の実施の形態では、その制約を取り除くため、反射防止膜をフォトニック結晶の背景媒質とは独立の媒質を用いることにより、反射防止膜としての最適条件により近づけることができる。図9はこの構造を示しており、フォトニック結晶の端面を加工した後に、蒸着等によりアモルファスSi薄膜65等の適切な屈折率有する媒質を両端面に成膜している。成膜する媒質はフォトニック結晶の背景媒質と異なるものを用いることも可能である。この場合の反射防止膜の屈折率は、フォトニック結晶の群屈折率とそれと接する媒質の中間の値である必要がある。さらには、反射防止膜の屈折率は、上記数1式で求められる屈折率nに近い値であることがより望ましい。この屈折率を元に、数2式での設計波長に対する膜厚の近似値を出発点として、さらにFDTD法による数値計算も用いることにより、膜厚の最適設計が可能となる。 FIG. 9 is a diagram showing a second embodiment relating to a structure for preventing reflection to a photonic crystal according to the present invention. In the reference example, the background medium of the photonic crystal functions as an antireflection film. In this case, the refractive index of the antireflection film is the same as the refractive index of the background medium of the photonic crystal. There were restrictions on the optimal design conditions. Therefore, in the second embodiment, in order to remove the restriction, the antireflection film can be made closer to the optimum condition as the antireflection film by using a medium independent of the background medium of the photonic crystal. FIG. 9 shows this structure. After processing the end face of the photonic crystal, a medium having an appropriate refractive index such as an amorphous Si thin film 65 is formed on both end faces by vapor deposition or the like. It is also possible to use a medium that forms a film different from the background medium of the photonic crystal. In this case, the refractive index of the antireflection film needs to be an intermediate value between the group refractive index of the photonic crystal and the medium in contact therewith. Furthermore, the refractive index of the antireflection film is more preferably a value close to the refractive index n 2 obtained by the above equation (1). Based on this refractive index, the optimum design of the film thickness can be made by using the numerical value calculation by the FDTD method using the approximate value of the film thickness with respect to the design wavelength in Equation 2 as a starting point.

また、この手法を用いれば、先に述べた第1の実施の形態において、反射防止膜の厚さが設計からずれていたとしても、その上に成膜する膜の厚さを調整することで、そのズレを補償することも可能となる。   In addition, if this method is used, even if the thickness of the antireflection film is deviated from the design in the first embodiment described above, the thickness of the film formed thereon can be adjusted. It is also possible to compensate for the deviation.

2次元または3次元フォトニック結晶の場合も、参考例による1次元の場合と同様に反射防止膜として、屈折率の異なる媒質が2層以上重なり合わさった多層膜を用いても構わない。この場合の膜厚等の設計方法は、1次元フォトニック結晶の場合の表式(数10式)から数13式を用いればよい。また、その多層膜として、屈折率が異なる媒質が周期的配列されたフォトニック結晶構造であっても構わない。   In the case of a two-dimensional or three-dimensional photonic crystal, a multilayer film in which two or more layers having different refractive indexes are overlapped may be used as an antireflection film as in the one-dimensional case according to the reference example. In this case, the design method of the film thickness or the like may be expressed by the following expression (Expression 10) to Expression 13 in the case of a one-dimensional photonic crystal. The multilayer film may have a photonic crystal structure in which media having different refractive indexes are periodically arranged.

本実施の形態では、フォトニック結晶を構成する媒質としてSiと空気を例にとったが、GaAsのような化合物半導体、SiOのような絶縁体など、動作波長において透明な物質であればほかの媒質であっても良い。また、本実施の形態で示した三角格子以外に、正方格子、六方格子等の他の2次元フォトニック結晶、あるいはダイヤモンド構造等の3次元フォトニック結晶であっても良い。 In this embodiment, Si and air are taken as examples of the medium constituting the photonic crystal, but any material that is transparent at the operating wavelength such as a compound semiconductor such as GaAs or an insulator such as SiO 2 can be used. It may be a medium. In addition to the triangular lattice shown in the present embodiment, other two-dimensional photonic crystals such as a square lattice and a hexagonal lattice, or a three-dimensional photonic crystal such as a diamond structure may be used.

また、反射防止膜としてλ/4膜としたが、上記数2式より、膜厚は3λ/4、5λ/4、…等であっても良い。   Further, although the λ / 4 film is used as the antireflection film, the film thickness may be 3λ / 4, 5λ / 4,...

さらに、本実施の形態では図6の紙面垂直方向には構造が十分に長く続く2次元三角格子構造のフォトニック結晶を例に用いて説明したが、その厚さが格子定数と同程度で、その上下が空気などの低屈折率媒質によって挟まれたスラブ型フォトニック結晶であっても良い。この時、スラブ型フォトニック結晶のバンド構造を求め、さらに群屈折率を導き、さらにFDTD法も利用して、上記の手順によって反射防止を実現するためのSi層厚を決定することができる。   Furthermore, in the present embodiment, a photonic crystal having a two-dimensional triangular lattice structure whose structure is sufficiently long in the direction perpendicular to the paper surface of FIG. 6 has been described as an example, but its thickness is approximately the same as the lattice constant. It may be a slab photonic crystal whose upper and lower sides are sandwiched between low refractive index media such as air. At this time, the band structure of the slab type photonic crystal is obtained, the group refractive index is further derived, and the FDTD method is also used to determine the Si layer thickness for realizing antireflection by the above procedure.

以上の説明の通り、本発明においては、波長分波回路、波長分散補償器等の光通信システムにおける光学機器等に適用される。   As described above, the present invention is applied to an optical device or the like in an optical communication system such as a wavelength demultiplexing circuit or a wavelength dispersion compensator.

1次元フォトニック結晶への反射防止膜(単層)の構造を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the structure of the anti-reflective film (single layer) to a one-dimensional photonic crystal. 1次元フォトニック結晶への反射防止膜(N−1層)の構造を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the structure of the antireflection film (N-1 layer) to a one-dimensional photonic crystal. 1次元フォトニック結晶に対する最適な反射防止膜の膜厚と屈折率をマップした図である。It is the figure which mapped the film thickness and refractive index of the optimal antireflection film with respect to a one-dimensional photonic crystal. 1次元フォトニック結晶に対する最適な反射防止膜に対する、反射率を示した図である。It is the figure which showed the reflectance with respect to the optimal anti-reflective film with respect to a one-dimensional photonic crystal. 1次元フォトニック結晶の反射率の、屈折率と膜厚依存性を示した図である。It is the figure which showed the refractive index and the film thickness dependence of the reflectance of a one-dimensional photonic crystal. 本発明による反射防止構造を有するフォトニック結晶の第1の実施の形態を示す図である。It is a figure which shows 1st Embodiment of the photonic crystal which has the reflection preventing structure by this invention. 本発明による第1の実施の形態におけるフォトニック結晶構造に対する群屈折率を示した図である。It is the figure which showed the group refractive index with respect to the photonic crystal structure in 1st Embodiment by this invention. 図6における、(i)と(ii)に対応したフォトニック結晶の光の入出射端面の違いによる、透過スペクトルの変化を示した図である。It is the figure which showed the change of the transmission spectrum by the difference in the incident / exit end surface of the light of the photonic crystal corresponding to (i) and (ii) in FIG. 本発明による反射防止構造を有するフォトニック結晶の第2の実施の形態を示す図である。It is a figure which shows 2nd Embodiment of the photonic crystal which has an antireflection structure by this invention. (a)2次元フォトニック結晶の構造例を上面から見た図である。(A) It is the figure which looked at the structural example of the two-dimensional photonic crystal from the upper surface.

(b)2次元フォトニック結晶構造に対する第1ブリルアンゾーン示した図である。
図10(a)の構造に対するエネルギーバンド図の計算例である。 屈折率の異なる2つの一様媒質の境界面における反射防止膜の設計手法を説明するための図である。 フォトニック結晶に対する反射防止構造を有する従来例を説明するための図である。
(B) It is the figure which showed the 1st Brillouin zone with respect to a two-dimensional photonic crystal structure.
It is an example of a calculation of the energy band figure with respect to the structure of Fig.10 (a). It is a figure for demonstrating the design method of the anti-reflective film in the interface of two uniform media from which a refractive index differs. It is a figure for demonstrating the prior art example which has the reflection preventing structure with respect to a photonic crystal.

符号の説明Explanation of symbols

15 背景媒質
17 原子媒質
19 反射防止膜
21 一様媒質
23 一様媒質
25 Si
27 空気円柱
29 突起構造
31 入射光
33 出射光
35 フォトニック結晶の単位胞
37 1次元フォトニック結晶
39 反射防止膜(無反射膜)
41 フォトニック結晶と一様媒質との境界
43 屈折率分布
45 一様媒質
47 反射防止膜(無反射膜)
51 フォトニック結晶
53 Si
55 空気
57 光の入射端面
59 光の出射端面
61 入射光
63 出射光
65 アモルファスSi薄膜
15 Background medium 17 Atomic medium 19 Antireflection film 21 Uniform medium 23 Uniform medium 25 Si
27 air cylinder 29 projection structure 31 incident light 33 outgoing light 35 unit cell of photonic crystal 37 one-dimensional photonic crystal 39 antireflection film (non-reflection film)
41 Boundary between photonic crystal and uniform medium 43 Refractive index distribution 45 Uniform medium 47 Antireflection film (nonreflective film)
51 photonic crystal 53 Si
55 Air 57 Light incident end face 59 Light outgoing end face 61 Incident light 63 Outgoing light 65 Amorphous Si thin film

Claims (8)

屈折率の異なる2種類以上の物質を、2次元あるいは3次元周期的に規則正しく配列した2次元あるいは3次元フォトニック結晶において、前記フォトニック結晶中への光の入射効率を高めるために、前記フォトニック結晶の端面に、当該フォトニック結晶を構成する媒質のうちの一つからなる媒質による薄膜を付加することを特徴とする2次元あるいは3次元フォトニック結晶への反射防止膜の構造。   In a two-dimensional or three-dimensional photonic crystal in which two or more kinds of substances having different refractive indexes are regularly arranged two-dimensionally or three-dimensionally, in order to increase the incident efficiency of light into the photonic crystal, the photo A structure of an antireflection film for a two-dimensional or three-dimensional photonic crystal, wherein a thin film made of a medium made of one of the media constituting the photonic crystal is added to an end face of the nick crystal. 請求項1に記載の2次元あるいは3次元フォトニック結晶への反射防止膜の構造において、光の入射効率を高めるためにフォトニック結晶の端面に付加する媒質の膜厚が、所定の手法により求めた膜厚であることを特徴とする2次元あるは3次元フォトニック結晶への反射防止膜の構造。   2. The structure of the antireflection film on the two-dimensional or three-dimensional photonic crystal according to claim 1, wherein a film thickness of a medium added to the end face of the photonic crystal is obtained by a predetermined method in order to increase light incident efficiency. The structure of an antireflection film on a two-dimensional or three-dimensional photonic crystal, characterized by having a different film thickness. 請求項1に記載の2次元あるいは3次元フォトニック結晶への反射防止膜の構造において、光の入射効率を高めるためにフォトニック結晶の端面に付加する媒質が、当該フォトニック結晶を構成する媒質とは独立の媒質からなり、その媒質の屈折率および膜厚が所定の手法により求めたものであることを特徴とする2次元あるいは3次元フォトニック結晶への反射防止膜の構造。   2. The structure of an antireflection film for a two-dimensional or three-dimensional photonic crystal according to claim 1, wherein the medium added to the end face of the photonic crystal in order to increase the light incident efficiency constitutes the photonic crystal A structure of an antireflection film on a two-dimensional or three-dimensional photonic crystal, which is made of an independent medium and whose refractive index and film thickness are obtained by a predetermined method. 請求項3に記載の2次元あるいは3次元フォトニック結晶への反射防止膜の構造において、光の入射効率を高めるためにフォトニック結晶の端面に付加する媒質が、当該フォトニック結晶を構成する媒質とは独立の屈折率の異なる2つ以上の媒質によって構成される多層膜であることを特徴とする2次元あるいは3次元フォトニック結晶への反射防止膜の構造。   4. The structure of an antireflection film for a two-dimensional or three-dimensional photonic crystal according to claim 3, wherein the medium added to the end face of the photonic crystal in order to increase the light incident efficiency constitutes the photonic crystal. A structure of an antireflection film on a two-dimensional or three-dimensional photonic crystal, characterized in that it is a multilayer film composed of two or more media having different refractive indexes. 屈折率の異なる2種類以上の物質を、2次元あるいは3次元周期的に規則正しく配列した2次元あるいは3次元フォトニック結晶への反射防止膜の形成方法であって、前記フォトニック結晶中への光の入射効率を高めるために、前記フォトニック結晶の端面に、当該フォトニック結晶を構成する媒質のうちの一つからなる媒質による薄膜を付加することを特徴とする2次元あるいは3次元フォトニック結晶への反射防止膜の形成方法。   A method of forming an antireflection film on a two-dimensional or three-dimensional photonic crystal in which two or more kinds of substances having different refractive indexes are regularly arranged two-dimensionally or three-dimensionally. 2D or 3D photonic crystal, characterized in that a thin film made of a medium made of one of the media constituting the photonic crystal is added to the end face of the photonic crystal in order to increase the incident efficiency of the photonic crystal. Of forming an antireflection film on the surface. 請求項5に記載の2次元あるいは3次元フォトニック結晶への反射防止膜の形成方法において、光の入射効率を高めるためにフォトニック結晶の端面に付加する媒質の膜厚が、所定の手法により求めた膜厚であることを特徴とする2次元あるいは3次元フォトニック結晶への反射防止膜の形成方法。   6. The method of forming an antireflection film on a two-dimensional or three-dimensional photonic crystal according to claim 5, wherein the film thickness of the medium added to the end face of the photonic crystal is increased by a predetermined method in order to increase the light incident efficiency. A method for forming an antireflection film on a two-dimensional or three-dimensional photonic crystal, wherein the film thickness is determined. 請求項5に記載の2次元あるいは3次元フォトニック結晶への反射防止膜の形成方法において、光の入射効率を高めるためにフォトニック結晶の端面に付加する媒質が、当該フォトニック結晶を構成する媒質とは独立の媒質からなり、その媒質の屈折率および膜厚が所定の手法により求めたものであることを特徴とする2次元あるいは3次元フォトニック結晶への反射防止膜の形成方法。   6. The method for forming an antireflection film on a two-dimensional or three-dimensional photonic crystal according to claim 5, wherein a medium added to an end face of the photonic crystal in order to increase light incident efficiency constitutes the photonic crystal. A method for forming an antireflection film on a two-dimensional or three-dimensional photonic crystal, comprising a medium independent of the medium, wherein the refractive index and film thickness of the medium are determined by a predetermined method. 請求項7に記載の2次元あるいは3次元フォトニック結晶への反射防止膜の形成方法において、光の入射効率を高めるためにフォトニック結晶の端面に付加する媒質が、当該フォトニック結晶を構成する媒質とは独立の屈折率の異なる2つ以上の媒質によって構成される多層膜であることを特徴とする2次元あるいは3次元フォトニック結晶への反射防止膜の形成方法。   8. The method of forming an antireflection film on a two-dimensional or three-dimensional photonic crystal according to claim 7, wherein a medium added to an end face of the photonic crystal in order to increase light incident efficiency constitutes the photonic crystal. A method for forming an antireflection film on a two-dimensional or three-dimensional photonic crystal, which is a multilayer film composed of two or more media having different refractive indexes independent of the medium.
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