JP2011075614A - 表面効果３次元フォトニック結晶 - Google Patents

Abstract

【課題】外部からのアクセスが容易で、吸収等による光損失の影響のない、光伝搬及び光局在等の制御を可能とする３次元フォトニック結晶を提供する。
【解決手段】本発明に係る表面効果３次元フォトニック結晶３０は、ウッドパイル型３次元フォトニック結晶表面に、本来の結晶表面とは構造の異なる表面構造層３１を形成したものである。この表面構造層３１は、本来、結晶表面に形成されるストライプ層１２に対して、同じ層内に、ストライプ層を構成するロッド１１と直交する方向に該ロッド１１と同じ材料で構成される連結部材３２を付加した、直交格子構造の層である。また、この連結部材３２は、表面構造層３１と最隣接するストライプ層１２５のロッドと1/2周期ずれた位置に形成される。
【選択図】図７

Description

本発明は、外部からのアクセスが容易で、吸収等による光損失の影響のない、光伝搬及び光閉じ込め等の制御を可能とする３次元フォトニック結晶に関する。

近年、新しい光デバイスとして、フォトニック結晶が注目されている。フォトニック結晶とは周期屈折率分布をもった光機能材料であり、光や電磁波のエネルギーに対してバンド構造を形成する。特に、光や電磁波の伝播が不可能となるエネルギー領域（フォトニックバンドギャップ、略称：ＰＢＧ）が形成されることが特徴である。

フォトニック結晶の屈折率分布の中に屈折率分布の乱れ（欠陥）を導入することにより、ＰＢＧ中にこの欠陥によるエネルギー準位(欠陥準位)が形成される。これによって、ＰＢＧ中の欠陥準位のエネルギーに対応する波長の光のみが、この欠陥位置において存在可能になる。これにより、フォトニック結晶内に、点状の欠陥から成る光共振器や線状の欠陥から成る光導波路等の光回路素子を設けることができる。１個のフォトニック結晶内にこれらの光回路素子を多数設けて光集積回路を構成することにより、このフォトニック結晶は光IC素子となる。これまでの光通信等の分野においてはディスクリートな光回路素子を個々に接続して用いているが、光IC素子を用いることにより回路を超小型化することができる。

フォトニック結晶には、２次元フォトニック結晶と３次元フォトニック結晶がある。このうち３次元フォトニック結晶は、２次元フォトニック結晶と比較して、構造的に頑丈であり、全ての光の偏光状態に対応することができるという特長を有する。特許文献１には、空気より屈折率の高い物質から構成されるロッドを互いに平行に周期的に配列してなるストライプ層を複数積層したものであって、最隣接のストライプ層のロッド同士が直交し、次隣接のストライプ層のロッド同士が平行且つ半周期ずれた構造を有するウッドパイル型の３次元フォトニック結晶について記載されている。また、この文献には、この３次元フォトニック結晶の内部において、ロッドの一部に線状の欠陥を設けることにより光導波路を形成することが記載されている。

特許文献２には、構造体内部のロッドに点欠陥を設けた３次元フォトニック結晶が記載されている。この点欠陥には、ロッドの一部を欠損させてそこに形状や屈折率等の異なる物体を配置したもの、ロッドを欠損させることなくロッドに部材を取り付けたもの、ロッド自体の形状を変化させた（太くした/細くした）もの、等がある。この点欠陥は、その形状や大きさ、ロッドに対する位置（変位）により定まる所定の周波数の光に共振する光共振器となる。この光共振器は前記のように光IC素子の構成要素になる。また、欠陥部に発光体を導入することにより、光が点欠陥において共振して発光するレーザ光源として用いることもできる。

特開２００１−０７４９５５号公報 特開２００４−００６５６７号公報

上述のように、従来の３次元フォトニック結晶では、光共振器や光導波路等に用いる欠陥が構造体の内部に形成されている（埋め込まれている）。従って、構造体外部の光を構造体内部に取り入れたり、構造体内部の光を構造体外部に取り出したりといった、内外間の光のアクセスや、構造体内部における光の制御、操作等が、２次元フォトニック結晶に比べて難しいという問題があった。

本発明が解決しようとする課題は、外部からのアクセスが容易で、吸収等による光損失の影響のない、光伝搬及び光閉じ込め等の制御を可能とする３次元フォトニック結晶を提供することである。

本願発明者は、上記の課題を解決するべく研究を重ねた結果、３次元フォトニック結晶の「表面」に着目した。３次元フォトニック結晶の表面は、その一方の側が空気等の自由空間となるため、様々な物質と光を相互作用させることが極めて容易となる。しかしながら、３次元フォトニック結晶の分野では、その表面における光操作はこれまで全く検討されていなかった。

本願発明者は、まず、この３次元フォトニック結晶の表面に光の局在状態が形成されるかを、理論と実験の双方から検討した。その結果、３次元フォトニック結晶の表面において、光の状態（モード）が形成されることが確認できた。これに基づいて様々な実験を行った結果、３次元フォトニック結晶の表面構造を、その内部構造と所定の関係を保ちつつ変化させることにより、３次元フォトニック結晶表面において光の伝播が不可能となるＰＢＧ（以下、これを「表面モードギャップ」と称す）が形成されることを見出した。さらに、表面構造を変化させた層（以下、「表面構造層」と称す）に、点状や線状の欠陥を導入することにより、光共振器や光導波路が形成されることを見出した。

即ち、本発明に係る３次元フォトニック結晶は、
周期構造を有する３次元フォトニック結晶の表面に、該周期構造の周期と所定の関係を有する周期を持つ表面構造層を形成したことを特徴とする。

さらに、上記の３次元フォトニック結晶は、該表面構造層に点状欠陥や線状欠陥を導入することにより、光共振器や光導波路を形成することができる。

なお、前記表面構造層は、３次元フォトニック結晶の最表面の一層だけでも良く、最表面を含む表面近傍の複数の層から構成されていても良い。

本発明に係る３次元フォトニック結晶は、その内部構造の周期性と所定の関係を有する表面構造層を設けることにより、該表面構造層においてＰＢＧを形成することができる。この表面構造層は、従来の２次元及び３次元フォトニック結晶と同様に、点状や線状等の欠陥を導入することにより光共振器や光導波路などを形成することができるため、３次元フォトニック結晶表面における光制御や光操作が可能となる。また、光共振器や光導波路が構造体表面に形成されるため、外部との光のアクセスが従来の３次元フォトニック結晶より高効率で実現できる。さらに、３次元フォトニック結晶の表面において吸収等の影響を受けない光閉じ込めが可能であることから、光損失のない、高感度かつ高度な光−物質相互作用を得ることができる。

３次元フォトニック結晶の構造の一例を示した斜視図。 表面を持たない無限の大きさを有する３次元フォトニック結晶のフォトニックバンドの計算結果を示した図(a)、及び表面を有する３次元フォトニック結晶のフォトニックバンドの計算結果を示した図(b)。 ３次元フォトニック結晶表面のΓ-Ｍ方向における光の状態の計算結果を示した図。 ３次元フォトニック結晶表面における光の局在状態を調べるための実験系を示す概略構成図。 入射角がθ=52.3°である場合の各波長（周波数）に対する反射率の測定結果の一例を示した図(a)、及び３次元フォトニック結晶表面におけるフォトニックバンドの測定結果を示した図(b)。 ３次元フォトニック結晶表面における光の伝播を示した図。 本発明に係る表面効果３次元フォトニック結晶の一実施例を示す斜視図(a)、及び表面構造層の電子顕微鏡写真(b)。 従来の表面構造に対するバンド図(a)、ロッド間隔a(=0.5μm)に対して表面構造層の誘電体の幅を0.16a(=0.08μm)とした場合のバンド図(b)、及び表面構造層の誘電体の幅を0.4a(=0.2μm)とした場合のバンド図(c)。 点状の表面欠陥を形成した表面構造層の電子顕微鏡写真。 表面欠陥における光局在の計算結果を示した図(a)、及び表面構造層の誘電体の幅を0.4a(=0.2μm)、表面欠陥の幅を0.55a(=0.275μm)とした場合の測定結果を示した図。 表面欠陥の長さを変化させた場合の共振スペクトルの測定結果を示した図。 表面欠陥の長さとＱ値の変化を示した図。 線状の表面欠陥を設けることにより導波路が形成された表面構造層を示した上面図。 表面構造層に形成した導波路の導波モードを示したバンド図。 導波路の幅を0.52aとした場合の、導波モードを示したバンド図。 導波路の幅を0.52aとした場合の、導波路の周囲における電界分布を示した図。

本願発明者は、３次元フォトニック結晶の表面における光操作が可能であるかについて、まず結晶表面の光の状態を理論及び実験の双方から検証した。これを図１〜図６を用いて説明する。

図１は、３次元フォトニック結晶の構造の一例の斜視図である。この斜視図の３次元フォトニック結晶１０はウッドパイル型と呼ばれるものであり、SiやGaAs等の誘電体から成るロッド１１が周期aで略平行に並んだストライプ層１２を有し、ストライプ層１２が積層した構造をとっている。ストライプ層１２は４層周期で同じ構造になるように積層されており、4n番目（nは整数、以下同様）のストライプ層１２１のロッド１１と(4n+2)番目のストライプ層１２３のロッド１１は略平行且つ1/2周期ずつずれるように並んでいる。(4n+1)番目のストライプ層１２２のロッド１１と(4n+3)番目のストライプ層１２４のロッド１１の関係も同様である。そして、最隣接のストライプ層１２同士では、ロッド１１は略直交するように配置されている。

図２は、上記のウッドパイル型３次元フォトニック結晶１０に対し、３次元時間領域差分法によりフォトニックバンドを計算した結果を示している。なお、図２(a)は、３次元フォトニック結晶１０に表面が存在しない（大きさが無限である）と仮定した場合のバンド図であり、図２(b)は、表面が存在する（ストライプ層１２の積層数が有限である）とした場合のバンド図である。

図２(a)に示すように、３次元フォトニック結晶１０の大きさが無限である場合、周波数0.29〜0.34（c/a）近傍では光の状態が存在しないＰＢＧが形成されるため、このエネルギー領域の波長の光は結晶中に存在することができない。一方、表面を有する３次元フォトニック結晶では、図２(a)でＰＢＧが形成されていた周波数域において、破線で示される光のモード１３が形成されていることが分かる（図２(b)）。また、図３に、図２(b)で用いた３次元フォトニック結晶の表面のΓ-Ｍ方向における計算結果を示す。この図から、Γ-Ｍ方向の３次元フォトニック結晶の表面において、電界が強く局在していることが分かる。これは、Γ-Ｍ方向の３次元フォトニック結晶の表面において光が存在していることを示している。

上記の結果を実証するため、３次元フォトニック結晶表面に光の局在状態が形成されるかどうかを実験により検証した。この実験に用いた実験系の概略構成を図４に示す。図４の実験系は、３次元フォトニック結晶１０の表面の極近傍（〜0．5μm）に、プリズム２０を配置したものである。

図４のプリズム２０の内部に光を入射すると、この入射した光はプリズム２０の底面２１に角度θで入射する。底面に入射した光は入射角と同じ角度θで反射され、そのままプリズム２０の外部に出射されるが、一方で底面２１には僅かに光が染み出した状態（減衰波）ができる。フォトニック結晶１０の表面に光の状態が存在する場合、この染み出した光はフォトニック結晶の表面に結合するため、プリズムからの反射光強度が減少する。

この実験の結果を図５に示す。図５(a)は、プリズム２０の底面２１における入射角をθ=52.3°とした場合の測定結果の一例を示した、波長と反射率（入射光強度と反射光強度の比率）の関係を示す図である。この図の結果では、0．36c/a近傍の周波数の入射光に対して、反射率が減少する現象が見られた。この結果から、３次元フォトニック結晶１０の表面に光が結合したことが分かる。一方、上記の実験系に対して、入射光の周波数及び入射角θを変化させることにより得られたフォトニックバンドの測定結果を、図５(b)に示す。この図の結果は、図２(b)のものと良く一致している。従って、理論と実験の双方から、フォトニック結晶表面に光の状態（モード）が形成される（光が局在する）ことが分かった。

また、図６に、３次元フォトニック結晶１０の表面にレーザ光を照射した実験の結果を示す。ここで、図６(a)はレーザ光を照射する前の、図６(b)は図６(a)の点線で囲った領域に入射角をθ=45.7°とし波長1430nmのレーザ光を照射した後の、３次元フォトニック結晶表面における光の状態の測定結果を示した図である。この図から、表面におけるフォトニックバンドと対応する波長のレーザ光を照射した場合には、照射した領域以外にも３次元フォトニック結晶１０の表面に光が伝播している様子をはっきりと見て取ることができる。

上記の理論及び実験の結果から、３次元フォトニック結晶表面において光のモードが存在すること、及び光が該表面上を伝播することが分かった。しかしながら、この光は結晶表面上を拡散してしまうため、このままでは３次元フォトニック結晶表面において自在に光を制御することができない。これに対し、本願発明者は、まず３次元フォトニック結晶１０の表面に光のモードが存在しない「表面モードギャップ」を形成させることを考えた。そして、様々な実験の結果、３次元フォトニック結晶の表面に、内部構造の周期性と所定の関係を有する周期性を持った表面構造層を形成させることにより、該表面に表面モードギャップが形成されることを見出した。以下に、本発明の実施例を示す。

本発明に係る表面効果３次元フォトニック結晶の一実施例を図７〜図１６を用いて説明する。
図７(a)は、本実施例の表面効果３次元フォトニック結晶３０の斜視図を示している。また、図７(b)は３次元フォトニック結晶３０の表面構造層３１の電子顕微鏡写真である。この表面効果３次元フォトニック結晶３０は、ウッドパイル型３次元フォトニック結晶表面に、本来の結晶表面とは構造の異なる表面構造層３１を形成したものである。この表面構造層３１は、本来、結晶表面に形成されるストライプ層１２に対して、同じ層内に、ストライプ層を構成するロッド１１と直交する方向に該ロッド１１と同じ材料で構成される連結部材３２を付加した、直交格子構造の層である。また、この連結部材３２は、表面構造層３１と最隣接するストライプ層１２５のロッド１１と1/2周期ずれた位置に形成される。なお、本実施例の表面効果３次元フォトニック結晶における積層数は、表面構造層を含めて８である。

図８に、連結部材３２の幅Wを変化させた場合の、３次元フォトニック結晶３０表面におけるフォトニックバンドの測定結果を示す。図８(a)は、連結部材３２を付加しなかった(W=0)、従来の表面構造に対するバンド図であり、図８(b)及び(c)はそれぞれW=0.16a(=0.08μm)、0.4a(=0.2μm)の場合のバンド図である。なお、ロッド１１及び連結部材３２の周期はa=0.5μm、ロッド幅は0.4a(=0.2μm)とした。
図８(a)のバンド図は、図５(b)と同様に、全ての周波数域（波長域）に対して表面モードが存在している。一方、図８(b)のようにW=0.16aの連結部材３２を付加すると、波長1.3〜1.4μm域に表面モードギャップが形成されることが分かった。また、図８(c)のようにW=0.4aの連結部材３２を付加すると、波長1.4〜1.5μm域に表面モードギャップが形成された。

次に、表面構造層３１の構造の一部を乱すことにより、点状の「表面欠陥」を形成した場合の結果を示す。図９は、長さL_dの領域において連結部材３２の幅をWからW_dとした表面欠陥３２１を形成した表面構造層３１Ａの電子顕微鏡写真である。この表面構造層３１Ａを用いた３次元フォトニック結晶３０に対して数値計算を行ったところ、図１０(a)に示すように、幅W_dを増加させた部分にのみ光が点状に局在することが分かった。この結果を踏まえて、連結部材３２の幅をW=0.4aとし、表面欠陥３２１の幅をW_d=0.55a(=0.275μm)として、実際に実験を行った。図１０(b)に、この表面欠陥３２１を中心とした領域において光の局在状態を測定した結果を示す。この図に示すように、僅か数μm以下の非常に狭い欠陥領域にのみ、光が局在していることが分かる。

さらに、図１１に、表面欠陥３２１の長さL_dを変化させた場合の共振スペクトルの測定結果を示す。図１１から、表面欠陥３２１の長さL_dに依存して、異なる波長の光が表面欠陥に蓄えられることが分かった。また、図１２に、様々な表面局在モードのＱ値の測定結果を示す。この図から分かるように、L_d=6aにおいてＱ値は最大で9000以上にも達した。この値は、３次元フォトニック結晶としては実現されている中で世界最大である。このＱ値は、積層数を増やしていくことで、指数関数的に増大していくことが期待される。

さらに、表面構造層３１に線状欠陥を設けることにより、「導波路」を形成した場合の結果を示す。図１３は、幅W_dの表面欠陥を十分な長さを有する領域に形成することにより、導波路３２２を形成した表面構造層３１Ｂの上面図である。この表面構造層３１Ｂを用いた３次元フォトニック結晶３０に対して数値計算を行ったところ、図１４のフォトニックバンド図に示すように、モードギャップ（グラフ内の白の領域の部分）の周波数域内に導波モードを形成することができた。また、導波路３２２の欠陥幅W_dを変えることにより、導波帯域を制御することができることが示された。この導波路３２２は、欠陥幅W_dが0.40a以上、0.60a未満の範囲内で、単一モードの導波路となった。さらに、欠陥幅W_dを0.60a以上にすると、高周波数側に高次のモードが形成された。

導波路３２２の幅W_dを0.52aとした場合のバンド図を図１５に示す。この図に示すように、欠陥幅をW_d=0.52aとすることで、モードギャップの周波数帯域のほぼ全域において導波帯域を得ることができる。また、この場合の導波路周辺における光電界分布を図１６に示す。この図から、光が導波路３２２の近傍に局在すると共に、導波路３２２を伝播していることが分かる。

１０…３次元フォトニック結晶
１１…ロッド
１２、１２１、１２２、１２３、１２４…ストライプ層
１２５…表面構造層に最隣接するストライプ層
１３…光のモード
２０…プリズム
２１…プリズムの底面
３０…表面構造層を形成した３次元フォトニック結晶
３１、３１Ａ、３１Ｂ…表面構造層
３２…連結部材
３２１…表面欠陥（点状欠陥）
３２２…導波路

Claims (5)

1. 周期構造を有する３次元フォトニック結晶の表面に、該周期構造の周期と所定の関係を有する周期を持つ表面構造層を形成したことを特徴とする表面効果３次元フォトニック結晶。
2. 前記表面構造層に、点状欠陥から成る光共振器が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の表面効果３次元フォトニック結晶。
3. 前記表面構造層に、線状欠陥から成る光導波路が形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の表面効果３次元フォトニック結晶。
4. 前記３次元フォトニック結晶の周期構造が、空気より屈折率の高い誘電体から成るロッドを互いに平行に周期的に配列してなるストライプ層を複数積層したものであって、最隣接のストライプ層のロッド同士が直交し、次隣接のストライプ層のロッド同士が平行且つ半周期ずれた構造を有するウッドパイル型であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の表面効果３次元フォトニック結晶。
5. 前記表面構造層が、
   前記ウッドパイル型３次元フォトニック結晶の本来の表面を構成する表面のロッドと、
   前記表面ロッドと同一層内に設けられ、該表面ロッドと直交する方向に延び、該表面ロッド間を連結し、該層と最隣接するストライプ層を構成するロッドと半周期ずれた位置に形成された、所定の幅を有する、前記誘電体から成る連結部材と、
   で構成される直交格子構造の層であることを特徴とする請求項４に記載の表面効果３次元フォトニック結晶。