JP2015015320A - フォトニック結晶デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】共振器の共鳴モードにおいて、基底共鳴モードのＱ値が高次共鳴モードのＱ値より常に大きくなる構造を提供し、かつ、Ｑ値の制御性を上げることにより、フォトニック結晶をベースとしたマイクロキャビティレーザの単一モード発振を実現する。
【解決手段】第１の媒質としての基板に、前記第１の媒質よりも屈折率の小さい第２の媒質が周期的に配列されたフォトニック結晶において、前記第２の媒質を１列分取り除くことにより形成された線欠陥光導波路を形成し、該線欠陥光導波路に、前記第１の媒質よりも大きな屈折率を有する第３の媒質を埋め込むことにより、前記第３の媒質が埋め込まれた領域を活性領域とし、当該活性領域を挟み込む前記線欠陥光導波路の２つの領域をミラー領域とする共振器を構成するフォトニック結晶デバイスであって、前記活性領域の導波路幅が、前記線欠陥光導波路の２つのミラー領域のうち少なくとも一方のミラー領域の導波路幅よりも狭いことを特徴とするフォトニック結晶デバイス。
【選択図】図４

Description

本発明は、半導体を用いたマイクロキャビティを実現するためのフォトニック結晶デバイスに関する。

近年、インターネットにおける爆発的なトラフィックの増加に対応するため、ノード間を結ぶ伝送には光が用いられ、その低損失性を生かして大容量化が実現されている。また、ボード間、ラック間と言った近距離の伝送においても、光の高速性を生かして電気の配線の置き換えが進んでいる。さらにはＬＳＩのチップ間、チップ内においても電気配線のボトルネックが指摘され、光による配線の可能性の検討が進められている。マイクロキャビティレーザはこのような用途に用いられる、大規模な光集積回路あるいはＬＳＩとの集積化を目指したミクロンオーダのサイズのレーザである。

このような中で、非特許文献１から３に示されるような、フォトニック結晶共振器を持つマイクロキャビティレーザが注目を集めている。特に、非特許文献２では、非特許文献１などデバイスにおいて現れる特性低下の２つの主要因（デバイスの温度上昇とキャリアの拡散）を、埋め込みヘテロ構造（ＢＨ構造）により解消する手段が提案されている。つまり、フォトニック結晶を構成する媒質とは電気的・光学的に性質の異なる媒質をフォトニック結晶スラブ内に埋め込み、埋め込まれた領域における電子のバンド構造の変調によりキャリア閉じ込めポテンシャルを形成することにより、外的刺激により励起されたキャリアを効率よく利用することを可能とし、さらに、埋め込む媒質よりもそれを取り囲む媒質の熱伝導率を大きくすることで、埋め込み領域で発生した熱を効率的に外部に拡散させ、デバイスの温度上昇を低減させることを可能とする手法が提案されている。

更に、非特許文献３において、ＢＨ構造を用いたレーザをフォトニック結晶線欠陥光導波路と結合させることにより、面内光出力も可能とする構造が提案されており、フォトニック結晶を用いたマイクロキャビティレーザは、将来の平面光集積回路用の光源として有望視されている。また同類の構造が光メモリなど光情報処理用のデバイスとしても注目を集めている（非特許文献４）。

Kengo Nozaki et al., Optics Express, vol. 15, no.12, pp. 7506 -7514(2007). Shinji Matsuo et al., Nature Photon., 4, pp. 648-654 (2010). Shinji Matsuo et al., Opt. Express, vol. 19, pp. 2242-2250 ( 2011). Kengo Nozaki et al., Nature Photon., 6, pp. 248-252 (2012).

しかしながら、非特許文献２から４で提案されるＢＨ構造では、レーザの出力パワーを上げるために体積の大きなＢＨ構造を用いると、共振器が複数の共鳴モードを有することになるため、マルチモード発振となってしまうか、あるいは、単一モードで発振してもどのモードが発振するか不確定となるなどの問題が生じてしまう。

例えば非特許文献３の構成の場合、光取出し効率を上げるために、共振器を構成する線欠陥の中心軸から、穴数列分ずれた位置に光取出し用の導波路（出力用導波路Ｐ）を設置している。埋め込み構造の長さ（Ｌ_ＢＪ）を格子定数（α）の９倍とすると、凡そ３つの共鳴モードが存在する。

図１はフォトニック結晶レーザの従来構造とその問題点を説明する図である。ここで、格子定数α＝４２２ｎｍ、空気穴の半径Ｒ＝１００ｎｍ、フォトニック結晶基板厚ｔ＝２４５．４ｎｍ、空気穴を一列だけ除去した場合の線欠陥導波路の幅Ｗ_０＝α３^０．５とした。図１に、埋め込み構造の幅（Ｗ_ＢＪ）をパラメータとしたときの、０^ｔｈ，１^ｓｔ，２^ｎｄモードの磁界フィールドパタン、Ｑ値（Ｑ^０ｔｈ，Ｑ^１ｓｔ，Ｑ^２ｎｄ）と、Ｑ値をそれぞれのモード体積（Ｖ）で割り算したものを示す。図１（ｂ）、（ｃ）には、光取出し用の出力導波路Ｐの無い状態での共鳴モードのフィールド分布の右半分を図示している。図１（ｂ）、（ｃ）には、光取出し用の出力導波路Ｐの位置も示している。構造パラメータは、Ｗ_{ｍｉｒｒｏｒ}＝Ｗ_{ｃａｖｉｔｙ}＝０．９８Ｗ_０の設定としている。図１（ｄ）には、線欠陥の埋め込み幅Ｗ_ＢＪに対するＱ値と相互作用パラメータＱ／Ｖを示している。

Ｑ／Ｖは、光が閉じ込められている領域の媒質と光の相互作用の強さを示すパラメータであり、その値が大きいほど、レーザ発振しやすい。つまり、図１から（１）から（３）のことが予想される。すなわち、（１）Ｗ_ＢＪ≦２５０ｎｍでは、０^ｔｈモードが優位に発振すること、（２）Ｗ_ＢＪ〜３００ｎｍ付近では、０^ｔｈモードではなく、２^ｎｄモードが優位に発振する可能性が高いこと、（３）Ｗ_ＢＪ〜３５０ｎｍ付近では、３つのモードで発振する可能性がでてくることを示している。

この結果は、単一モード発振のためには、Ｗ_ＢＪ≦２５０ｎｍとする必要があることを示しており、それ以上に広く設定した場合は、どのモードが発振するか不確定となるなどの不具合が生じることを示している。

本発明はこのような背景の下になされたものであり、共振器の共鳴モードにおいて、基底共鳴モードのＱ値が高次共鳴モードのＱ値より常に大きくなる構造を提供し、かつ、Ｑ値の制御性を上げることにより、フォトニック結晶をベースとしたマイクロキャビティレーザの単一モード発振を実現するものである。

上記の課題を解決するために、一実施形態に記載された発明は、第１の媒質としての基板に、前記第１の媒質よりも屈折率の小さい第２の媒質が周期的に配列されたフォトニック結晶において、前記第２の媒質を１列分取り除くことにより形成された線欠陥光導波路を形成し、該線欠陥光導波路に、前記第１の媒質よりも大きな屈折率を有する第３の媒質を埋め込むことにより、前記第３の媒質が埋め込まれた領域を活性領域とし、当該活性領域を挟み込む前記線欠陥光導波路の２つの領域をミラー領域とする共振器を構成するフォトニック結晶デバイスであって、前記活性領域の導波路幅が、前記線欠陥光導波路の２つのミラー領域のうち少なくとも一方のミラー領域の導波路幅よりも狭いことを特徴とするフォトニック結晶デバイスである。

フォトニック結晶レーザの従来構造とその問題点を説明する図である。 埋め込みヘテロ構造フォトニック結晶共振器の原理を説明する図である。 埋め込みヘテロ構造フォトニック共振器において、基底モードのＱ値が高次モードより大きくなるときのＱ値とフィールド形状を説明する図である。 基底モードのＱ値が高次モードより大きくなる時の構造パラメータを説明する図である。 実施例２の条件Ｉまたは条件ＩＩＩにおける基底モードのＱ値と導波路との結合効率を説明する図である。 結合効率の構造揺らぎ耐性を示す図である。 実施例２の条件ＩＩにおける基底モードのＱ値と導波路との結合効率を説明する図である。 実施例３の条件Ｉにおける基底モードのＱ値が高次モードより大きくなる時の構造パラメータを説明する図である。 実施例３の条件Ｉにおける基底モードのＱ値と導波路との結合効率を説明する図である。 結合効率の構造揺らぎ耐性を示す図である。 実施例３の条件ＩＩにおける基底モードのＱ値と導波路との結合効率を説明する図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

（共振器の動作条件の説明）
図２は、埋め込みヘテロ構造フォトニック結晶共振器（フォトニック結晶デバイス、共振器ともいう）の原理を説明する図である。図２（ａ）は、空気穴三角格子フォトニック結晶で構成される共振器構造である。ここで、媒質１はＩｎＰ、媒質２は空気、媒質３は、１．２μｍ近辺にバンドギャップを有するＩｎＧａＡｓＰ層と１．５５μｍ付近で発光する量子井戸層による光キャリア分離閉じ込め構造を想定しており、それぞれの屈折率は、媒質３＞媒質１＞媒質２の関係にある。この共振器構造は、ミラー領域Ｍ１、Ｍ２と、活性領域Ｃとの組合せで構成されており、ミラー領域Ｍ１、Ｍ２はフォトニック結晶線欠陥光導波路であり、活性領域Ｃはその線欠陥光導波路（単に、線欠陥ともいう）に屈折率の高い媒質を埋め込んだ構造となっている。すなわちこの共振器は、第１の媒質としての基板（ＩｎＰ）に、前記第１の媒質よりも屈折率の小さい第２の媒質（空気）が周期的に配列されたフォトニック結晶において、前記第２の媒質を１列分取り除くことにより形成された線欠陥光導波路を形成し、該線欠陥光導波路に、前記第１の媒質よりも大きな屈折率を有する第３の媒質（ＩｎＧａＡｓＰ層）を埋め込むことにより、前記第３の媒質が埋め込まれた領域を活性領域（活性領域）とし、当該活性領域を挟み込む前記線欠陥光導波路の２つの領域をミラー領域（ミラー領域）とするよう構成される。

前記線欠陥光導波路のミラー領域の導波路幅は、当該線欠陥光導波路を挟む両サイドの第２の媒質全体をシフトさせることにより調整され、活性領域の導波路幅はこの線欠陥光導波路の導波路幅と同じであり、それ以外の領域は、該線欠陥光導波路をはさむ両サイドの穴１列のみをシフトさせることにより、幅が調整されている。

図２（ｂ）は、ミラー領域Ｍ１、Ｍ２、活性領域Ｃを、それぞれを無限長の導波路とみなしたときの光導波モードの分散曲線を示す図である。線欠陥の無い場合、本フォトニック結晶デバイスは、フォトニックバンドギャップ（ＰＢＧ）と呼ばれるストップバンドを有する。この帯域では、光はフォトニック結晶デバイス内を伝搬することが出来ないが、線欠陥を導入することにより、図２（ｂ）に示される導波モードの帯域において、光は線欠陥内を伝搬することが出来る。

ここで、ＰＢＧの低周波数端、ミラー領域Ｍ１、Ｍ２の導波モードの低周波数端、活性領域導波モードの低周波数端（導波モードエッジ）をそれぞれ、ω_ＰＢＧ、ω_{ｍｉｒｒｏｒ}、ω_{ｃａｖｉｔｙ}とし、ω_ＰＢＧとω_{ｍｉｒｒｏｒ}との間のギャップを、ミラー帯域と呼ぶこととする。活性領域Ｃには、フォトニック結晶デバイスを構成する媒質１よりも屈折率の大きな媒質３が埋め込まれているため、活性領域Ｃの導波モードは、ミラー領域Ｍ１、Ｍ２の導波モードより低周波数側にシフトした導波モードを有することになる。つまり、ミラー帯域において、ミラー領域Ｍ１、Ｍ２には導波モードが存在せず、活性領域Ｃにのみ導波モードが存在する条件が成立する。言い換えると、活性領域Ｃを伝搬する光を、光を通さないミラー領域Ｍ１、Ｍ２で挟み込む状態となっており、これにより、活性領域Ｃに光を閉じ込める共振器を構成することが出来る。

この共振器により生成される共鳴モードは、活性領域Ｃの導波モードを根源とするため、共振器の基底共鳴モードの共鳴周波数（ω^０ｔｈ）、高次共鳴モードの共鳴周波数（ω^１ｓｔ，ω^２ｎｄ・・）は、以下のような関係を持つことになる。
（１）ω_ＰＢＧ＜ω^０ｔｈ＜ω_{ｍｉｒｒｏｒ}、ω^０ｔｈ＜ω^１ｓｔ＜ω^２ｎｄ＜・・
モードの共鳴周波数がミラー帯域に含まれると光は共振器に閉じ込められ、ω_{ｍｉｒｒｏｒ}に近くなると活性領域Ｃへの光閉じ込め効果が薄れて共鳴モードが共振器縦方向に間延びする。そして、ミラー帯域から外れると共振器は光を閉じ込めきれなくなりＱ値が急激に低下する。つまり、以下の（２）から（４）の関係が成立する。ここで、ω^ｎｔｈはｎ次共鳴モードの共鳴周波数であり、Ｑ^ｎｔｈはＱ値である。
（２）ω_ＰＢＧ＜ω^ｎｔｈ＜ω_{ｍｉｒｒｏｒ}の条件で、ｎｔｈモードが共振器に閉じ込められる。
（３）ω^ｎｔｈ≒ω_{ｍｉｒｒｏｒ}の条件で、ｎ次モードのフィールド形状が共振器縦方向に延伸する。
（４）ω^ｎｔｈ≧ω_{ｍｉｒｒｏｒ}の条件で、Ｑ^ｎｔｈが激減する。

（従来の共振器構造）
非特許文献２から４で提案される共振器構造において、ω^ｎｔｈとω_{ｍｉｒｒｏｒ}の大小関係は、図２（ａ）に示される、活性領域Ｃの導波路幅（Ｗ_{ｃａｖｉｔｙ}）、埋め込み構造幅（Ｗ_ＢＪ）、ミラーＭ１、Ｍ２の幅（Ｗ_{ｍｉｒｒｏｒ１}、Ｗ_{ｍｉｒｒｏｒ２}）をパラメータとして、以下の関係にある。ここで、Ｗ_{ｃａｖｉｔｙ}＝Ｗ_{ｍｉｒｒｏｒ１}、Ｗ_{ｍｉｒｒｏｒ２}＝０．９８Ｗ_０、Ｗ_ＢＪ＝３５０ｎｍとした。
Ｗ_{ｃａｖｉｙ}＝Ｗ_{ｍｉｒｒｏｒ１}、Ｗ_{ｍｉｒｒｏｒ２}
ω_ＰＢＧ＜ω^０ｔｈ＜ω^１ｓｔ＜ω^２ｎｄ＜ω_{ｍｉｒｒｏｒ}
（２）の条件より、この構造における共鳴モードの数は３つとなる。

（実施例１の共振器構造）
図３は、埋め込みヘテロ構造フォトニック共振器において、基底モードのＱ値が高次モードより大きくなるときのＱ値とフィールド形状を説明する図である。図３（ａ）は、フォトニック結晶共振器の線欠陥の幅を示し、図３（ｂ）は共鳴モードのフィールド分布を示しており、図３（ｃ）は、線欠陥の幅に対するＱ値の変化を示している。なお、上記従来構造における共鳴モードの磁界フィールドパタンは、図３（ｂ）の条件ＩＩＩに示している。

本実施例では、ミラー領域Ｍ１、Ｍ２と活性領域Ｃの線欠陥幅を独立の設計パラメータとすることにより、共鳴モードの数を減らしている。各領域の線欠陥幅は以下の方法で調整する。ここで、線欠陥の幅は、線欠陥を挟む２つ穴の中心間隔として定義する。

Ｗ_{ｃａｖｉｔｙ}：フォトニック結晶の穴列を１列取り除くことにより線欠陥光導波路を構成し、線欠陥を挟む両サイドのフォトニック結晶全体をシフトさせることにより、線欠陥の幅を調整する。

Ｗ_{ｍｉｒｒｏｒ}：上記で構成された線欠陥をはさむ両サイドの穴１列（線欠陥の左右で２列）のみをシフトさせることにより、線欠陥の幅を調整する。

さて、０^ｔｈモードは、活性領域導波モードの低周波数端のモードエッジを根源としているため、ω^０ｔｈの値は、ω_{ｃａｖｉｔｙ}により決定される。また、ω_{ｍｉｒｒｏｒ}、ω_{ｃａｖｉｔｙ}の値は、導波路幅が広くなれば低周波数側に、狭くなれば高周波数側にシフトする特徴をもっている。よって、（１）において、ω_ＰＢＧとω_{ｍｉｒｒｏｒ}に挟まれるモードの数を減らすには、Ｗ_{ｍｉｒｒｏｒ}を広く、あるいはＷ_{ｃａｖｉｔｙ}を狭くすればよいことがわかる。導波路幅を調整する以上の方法により、Ｑ^０ｔｈ＞＞Ｑ^１ｓｔ，Ｑ^２ｎｄを満足する、下記の条件ＩまたはＩＩを実現することができる。
条件Ｉ：ω_ＰＢＧ＜ω^０ｔｈ＜ω_{ｍｉｒｒｏｒ}＜ω^１ｓｔ＜・・・・
この条件下では、（２）の条件により、０^ｔｈモードのみが共振器に閉じ込められる。
条件ＩＩ：ω_ＰＢＧ＜ω_{ｍｉｒｒｏｒ}＜ω^０ｔｈ＜ω^１ｓｔ＜・・・・

Ｗ_{ｍｉｒｒｏｒ}とＷ_{ｃａｖｉｔｙ}を独立のパラメータとすることにより、（１）のω_{ｍｉｒｒｏｒ}とω^０ｔｈの大小関係を入れ替えることができる。この条件は（２）の条件を満足しないため、ミラー領域の反射による光閉じ込め効果は期待できないが、０^ｔｈモードの共鳴周波数は活性領域を導波路とみなした時の導波モードのストップバンド端に相当するため、分布帰還形の共鳴が発生する。そのため、条件ＩＩも基底共鳴モードのみを発振させるための条件とすることができる。

条件Ｉ、ＩＩ以外の条件では多モードとなり、ここでは条件ＩＩＩと呼ぶ。

次に、Ｗ_ＢＪ＝３５０ｎｍ、Ｗ_{ｃａｖｉｔｙ}＝０．９８Ｗ_０としたときの、条件Ｉ、ＩＩＩのそれぞれに対する磁界フィールドパタンと、共振器Ｑ値のＷ_{ｍｉｒｒｏｒ}依存性を図３に示す。

条件Ｉ：Ｗ_{ｍｉｒｒｏｒ}＝１．０４Ｗ_０（ω^１ｓｔ＞ω_{ｍｉｒｒｏｒ}、ω^０ｔｈ〜ω_{ｍｉｒｒｏｒ}）：この条件では、Ｑ^０ｔｈ＞＞Ｑ^１ｓｔ，Ｑ^２ｎｄを満足する。また（３）の条件より、０^ｔｈモードが縦方向にのびる。図１の取り出し導波路を設置することで、面内光出力が可能となる。

この条件を満たす共振器は、前記ミラー領域の導波路幅を、基底共鳴モードと導波モードエッジの周波数が等しくなるときの導波路幅よりも狭く、１次共鳴モードと導波モードエッジの周波数が等しくなるときの導波路幅よりも広く設定することによって実現できる。

条件ＩＩ： Ｗ_{ｍｉｒｒｏｒ}＝１．０８Ｗ_０（ω^０ｔｈ＞ω_{ｍｉｒｒｏｒ}）：この条件では、０^ｔｈモードが活性領域に緩く閉じ込められる。この場合は、取り出し導波路を設置しなくても、ミラー領域から面内光出力が可能となる。

この条件を満たす共振器は、前記ミラー領域の線欠陥光導波路の幅を、基底共鳴モードと導波モードエッジの周波数が等しくなるときの導波路幅よりも広く設定することによって実現できる。

以上の結果は、Ｗ_{ｍｉｒｒｏｒ}＞Ｗ_{ｃａｖｉｔｙ}と設定することにより、共鳴モードの数を削減し、基底共鳴モードのＱ値を高次共鳴モードよりも高くすることが可能であることを示している。

実施例１では、一方のミラー領域Ｍ２が出力導波路を兼ねていたが、本実施例では、条件Ｉまたは条件ＩＩに基づいて幅が調整されたミラー領域の一方に、光取り出し用の出力導波路Ｐを設けることによって、共振モードと導波モードとの高効率接続が可能な構成を示す。

（条件Ｉ）
本条件を満たす共振器は、前記線欠陥光導波路と同じ軸上で、前記線欠陥光導波路の２つのミラー領域のうちの一方に光取り出し用の出力導波路を接続することにより実現され、該出力導波路の幅を基底共鳴モードと導波モードエッジの周波数が等しくなるときの導波路幅よりも広く設定することにより基底共鳴モードの光を出力導波路からのみ出力し、前記活性領域の線欠陥光導波路と前記出力導波路との距離の調整で、前記活性領域の線欠陥光導波路と出力導波路との結合効率を調整する。

Ｌ_ＢＪが長くなるとω^０ｔｈとω^１ｓｔの間隔が狭くなるため、条件Ｉの下で、（３）の条件も同時に満足される。つまり、０^ｔｈ共鳴モードのフィールド分布が共振器の中心軸方向に延伸される（図３、条件Ｉの０^ｔｈモード）。この特徴をフィールド延伸用のミラー領域Ｍ２（幅Ｗ_{ｍｉｒｒｏｒ２}）として利用し、同一軸上に配置された光取り出し用の出力導波路Ｐ（幅Ｗ_ｏｕｔ）にスムースにフィールドをつなぐことにより、共振器と光取り出し用の出力導波路Ｐの高効率接続を実現する。ここで、Ｗ_{ｍｉｒｒｏｒ２}、Ｗ_ｏｕｔの調整方法は、Ｗ_{ｍｉｒｒｏｒ１}と同じとする。

図４は、基底モードのＱ値が高次モードより大きくなる時の構造パラメータを説明する図である。図４（ａ）は、フォトニック結晶共振器を示し、図４（ｂ）は、フォトニック結晶共振器の線欠陥の幅が異なる条件を示し、図４（ｃ）は、各条件における線欠陥光導波路の幅の値を示す図である。活性領域Ｃ・ミラー領域Ｍ１、Ｍ２・出力導波路Ｐの接続構造の実施例を、図４の、ＴｙｐｅＡ、ＴｙｐｅＢに示し、比較例を幅変化なしとして示す。ミラー領域Ｍ１、活性領域Ｃ、ミラー領域Ｍ２、出力導波路Ｐの境界を簡単に識別するため、線欠陥を挟む穴列をその形状を変化させて簡略な図で示している。したがって、実際の穴形状はこれとは異なる。

ＴｙｐｅＡ：活性領域Ｃの長さを１０ａとし、埋め込み構造の長さ（Ｌ_ＢＪ＝９ａ）より１周期分長く設定している。このときの活性領域Ｃの端の穴位置を原点とし、距離Ｄ（格子定数の整数倍）だけ離れた位置に、出力導波路Ｐの先端位置を設置し、その間をミラー領域でつなぐ。

ＴｙｐｅＢ：活性領域Ｃの長さを８ａとし、ミラー領域を１格子分だけ長く設定している。Ｄの値が同じであれば、ＴｙｐｅＡとＴｙｐｅＢの出力導波路Ｐの先端位置は同じとなる。ＴｙｐｅＡよりも出力導波路Ｐと活性領域Ｃの結合効率が高くなり、Ｑ値が小さくなる。

幅変化なし：ミラー領域Ｍ１とミラー領域Ｍ２を、活性領域Ｃと同じ幅（０．９８Ｗ_０）に設定。条件ＩＩＩに当てはまるため、共振器はマルチモードになる。出力用導波路Ｐ（Ｗ_ｏｕｔ）との結合は小さく、高Ｑになる。本構造は、非特許文献４の構造に相当する。

ここで、ＴｙｐｅＡ、ＴｙｐｅＢのそれぞれの領域の線欠陥幅（Ｗ_{ｍｉｒｒｏｒ１}，Ｗ_{ｍｉｒｒｏｒ２}，Ｗ_ｏｕｔ）は、Ｗ_ＢＪ＝３５０ｎｍにおいて条件Ｉを満足するように、下記のように設定する。

Ｗ_{ｍｉｒｒｏｒ１}＝Ｗ_{ｍｉｒｒｏｒ２}＝１．０４Ｗ_０：高次共鳴モードを漏らし、基底共鳴モードを閉じ込める設定とする。これにより、高次共鳴モードのＱ値が極端に小さくなり、ほぼ、単一モードとなる。かつ、０^ｔｈ共鳴モードを縦方向に引き伸ばす効果がある。この領域を、結合用のミラー領域Ｍ１、Ｍ２とし、その幅、長さを調整することで、出力導波路と共振器の結合効率の調整が可能となる。

Ｗ_ｏｕｔ＝１．０８Ｗ_０：存在する３つの共鳴モードの波長で、導波モードが存在できる設定である。共鳴モードを外部に取り出す導波路となる。

図５は、条件Ｉまたは条件ＩＩＩにおける基底モードのＱ値と導波路との結合効率を説明する図である。図５（ａ）は、フォトニック結晶共振器の線欠陥の幅と、共鳴モードのフィールド分布を示しており、図５（ｂ）は、活性領域Ｃと出力導波路Ｐとの距離（Ｄ）をパラメータとしたときの、出力導波路付の共振器のＱ値（Ｑ_Ｔ）と導波路への結合係数（η_ｏｕｔ）を示す図である。ミラー領域が無い場合（幅変化なし）、結合効率はＤ＞４の条件で、急速に減衰する。一方、ミラー領域がある場合（ＴｙｐｅＡ、ＴｙｐｅＢ)、結合効率は高いまま維持される。この結果は、ミラー領域Ｍ２の導入により、フィールドが縦方向にのび、出力導波路Ｐとの結合が容易になったことを示している。また磁界フィールド分布からも明らかなように、本構造は、出力導波路Ｐからのみ０^ｔｈモードの光が出力され、反対側のミラー領域からは出力されない。

図６は、結合効率の構造揺らぎ耐性を示す図である。図６において（ａ）はＴｙｐｅＡについて、（ｂ）はＴｙｐｅＢについて、（ｃ）は幅変化なしについて示している。出力導波路Ｐの影響を考慮しない共振器固有のＱ値（Ｑ_ｉ）は、作製プロセス揺らぎの影響（穴形状、穴径、ＢＪ形状、など）により、理論Ｑｉにくらべ大幅に減少することが予想される。図６では、計算で求められた最大Ｑ値をＱ_ｉとし、それより小さな値（○：１０^５，▽：１０^４）を仮定したときの、結合効率と、Ｑ_Ｔ値を示している。これより、活性領域の幅よりもその幅が狭いミラー領域の導入により、Ｑ_ｉ値が小さくなってしまった場合においても、レーザ発振に十分なＱ値（１０^３〜１０^４）を保持しながら、高効率結合を達成することができることがわかる。

以上の結果は、活性領域Ｃの両端に配置されているミラー領域Ｍ１、Ｍ２の幅を、条件Ｉを満足する幅に設定し、かつ、ミラー領域Ｍ２の先に光取り出し用の出力導波路Ｐを活性領域Ｃと同一軸上に配置することにより、基底共鳴モードは出力導波路Ｐからのみ出力され、その光取出し効率が高く、構造揺らぎに強く、基底共鳴モードのＱ値が高次共鳴モードよりも必ず高くなる、出力導波路付共振器構造を実現することが可能であることを示している。

（条件ＩＩ：条件Ｉよりも埋め込み領域の幅を狭めた構造）
本条件を満たす共振器は、前記線欠陥光導波路と同じ軸上で、前記線欠陥光導波路の２つのミラー領域のどちらか一方に出力導波路を接続し、出力導波路の幅を、基底共鳴モードと導波モードエッジの周波数が等しくなるときの導波路幅よりも広く設定することによって実現できる。

条件ＩＩの下では、分布帰還形の共鳴によりフィールド分布が共振器の中心軸方向に長くのびた状態にあるため（図３、条件ＩＩの０^ｔｈモード）、同一軸上に配置された光取り出し用の出力導波路Ｐとスムースにフィールドがつながり、共振器と光取り出し用の導波路の高効率接続が可能となる。

活性領域Ｃ・ミラー領域Ｍ１、Ｍ２・出力導波路Ｐの接続構造を、図４（ｃ）のＴｙｐｅＣに示す。本実施例では、線欠陥構造をＴｙｐｅＡと等しくし、Ｗ_ＢＪのみを３５０ｎｍから２５０ｎｍに細くすることで、条件ＩＩを満足する構造としている。

図７は、条件ＩＩにおける基底モードのＱ値と導波路との結合効率を説明する図である。活性領域Ｃと出力導波路Ｐとの距離（Ｄ）をパラメータとしたときの、出力導波路付の共振器のＱ値（Ｑ_Ｔ）と導波路への結合係数（η_ｏｕｔ）を示す図である。
条件ＩＩのもとでは、ミラー領域Ｍ２に光閉じ込め機能が無いため、結合効率はＤにほとんど依存せず、結合効率は高いまま維持される。また磁界フィールド分布からも明らかなように、本構造は、出力導波路Ｐとミラー領域Ｍ１の両方から光が出力される。

次に、結合効率の構造揺らぎ耐性を図７（ｂ）の●○▽で示す。
出力導波路の影響を考慮しない共振器固有のＱ値（Ｑ_ｉ）は、作製プロセス揺らぎの影響（穴形状、穴径、ＢＪ形状、など）により、理論Ｑ_ｉにくらべ大幅に減少することが予想される。図７では、計算で求められた最大Ｑ値をＱ_ｉとし、それより小さな値（○：１０^５，▽：１０^４）を仮定したときの、結合効率と、Ｑ_Ｔ値を示している。これより、ミラー領域Ｍ２の導入により、Ｑ_ｉ値が小さくなってしまった場合においても、レーザ発振に十分なＱ値（１０^３）を保持しながら、高効率結合を達成することができることがわかる。

以上の結果は、活性領域Ｃの両端に配置されているミラー領域Ｍ１、Ｍ２の幅を、条件ＩＩを満足する幅に設定することにより、基底共鳴モードの光取出し効率が高く、構造揺らぎに強く、基底共鳴モードのＱ値が高次共鳴モードよりも必ず高くなる、出力導波路付共振器構造を実現することが可能であることを示している。

実施例２では、条件Ｉのもと、Ｗ_{ｍｉｒｒｏｒ１}＝Ｗ_{ｍｉｒｒｏｒ２}とすることで、出力導波路Ｐだけでなく、ミラー導波路Ｍ１側からも、高次共鳴モードが漏れ出る構造になっている。これを、出力導波路Ｐに接続されていないミラー領域Ｍ１側で条件ＩＩＩを満足する構造に変更し、出力導波路Ｐ側からのみ光が出力される構造としても、実施例２と同様の効果を得ることは可能である。

また実施例２では、条件ＩＩのもと、Ｗ_{ｍｉｒｒｏｒ１}＝Ｗ_{ｍｉｒｒｏｒ２}とすることで、出力導波路Ｐだけでなく、ミラー導波路Ｍ１側からも、共鳴モードが出力される構造になっている。これを、ミラー領域Ｍ１側を条件Ｉあるいは条件ＩＩＩを満足する構造に変更し、０^ｔｈモードのみ、あるいは、高次共鳴モードを含めた共鳴モードが、出力導波路Ｐ側からのみ光が出力される構造としても、実施例２と同様の効果を得ることは可能である。それぞれの構造について、以下に説明する。

（ミラー領域Ｍ２で条件Ｉのもと、ミラー領域Ｍ１で条件ＩＩＩを満足する構造）
本条件を満たす共振器は、前記線欠陥光導波路の２つのミラー領域のうちの一方の導波路幅を、基底共鳴モードと導波モードエッジの周波数が等しくなるときの導波路幅よりも狭く、１次共鳴モードと導波モードエッジの周波数が等しくなるときの導波路幅よりも広く設定し、前記ミラー領域の他方の線欠陥光導波路の幅を、１次共鳴モードと導波モードエッジの周波数が等しくなるときの導波路幅よりも狭く設定することによって実現できる。

図８は、本条件における基底モードのＱ値が高次モードより大きくなる時の構造パラメータを説明する図である。図８（ａ）は、フォトニック結晶共振器を示し、図８（ｂ）は、フォトニック結晶共振器の線欠陥の幅が異なる条件を示し、図８（ｃ）は、各条件における線欠陥光導波路の幅の値を示す図である。活性領域Ｃ・ミラー領域Ｍ１、Ｍ２・出力導波路Ｐの接続構造を、図８のＴｙｐｅＡ、ＴｙｐｅＢに示し、比較例を幅変化なしとして示す。実施例２で用いたパラメータにおいて、ミラー領域Ｍ１の幅のみ、Ｗ_{ｍｉｒｒｏｒ１}＝０．９８Ｗ_０に変更されている。

図９は、本条件における基底モードのＱ値と導波路との結合効率を説明する図である。図９（ａ）は、フォトニック結晶共振器の線欠陥の幅と、共鳴モードのフィールド分布を示しており、図９（ｂ）は、活性領域Ｃと出力導波路Ｐとの距離（Ｄ）をパラメータとしたときの、出力導波路付の共振器のＱ値（Ｑ_Ｔ）と導波路への結合係数（η_ｏｕｔ）を示す図である。

ミラー領域Ｍ２が無い場合（幅変化なし）、結合効率はＤ＞４の条件で、急速に減衰する。一方、ミラー領域Ｍ２がある場合（ＴｙｐｅＡ、ＴｙｐｅＢ)、結合効率は高いまま維持される。この結果は、活性領域Ｃの幅よりもその幅が狭いミラー領域Ｍ２の導入により、フィールドが縦方向にのび、出力導波路Ｐとの結合が容易になったことを示している。また磁界フィールド分布からも明らかなように、本構造は、出力導波路Ｐからのみ０^ｔｈモードの光が出力され、反対側のミラー領域Ｍ１からは出力されない。

図１０は、結合効率の構造揺らぎ耐性を示す図である。図１０において（ａ）はＴｙｐｅＡについて、（ｂ）はＴｙｐｅＢについて、（ｃ）は幅変化なしについて示している。出力導波路Ｐの影響を考慮しない共振器固有のＱ値（Ｑ_ｉ）は、作製プロセス揺らぎの影響（穴形状、穴径、ＢＪ形状、など）により、理論Ｑ_ｉにくらべ大幅に減少することが予想される。本図は、計算で求められた最大Ｑ値をＱ_ｉとし、それより小さな値（○：１０^５， ▽：１０^４）を仮定したときの、結合効率と、Ｑ_Ｔ値を示している。これより、活性領域Ｃの幅よりもその幅が狭いミラー領域Ｍ２の導入により、Ｑ_ｉ値が小さくなってしまった場合においても、レーザ発振に十分なＱ値（１０^３〜１０^４）を保持しながら、高効率結合を達成することができることがわかる。

以上の結果は、活性領域Ｃの一方の端に接続されるミラー領域Ｍ１を、条件ＩＩＩを満足する幅に設定し、もう一方の端に接続されるミラー領域Ｍ２を、条件Ｉを満足する幅に設定し、かつ、ミラー領域Ｍ２の先に出力（出力導波路Ｐ）を活性領域Ｃと同一軸上に配置することにより、基底共鳴モードは出力導波路Ｐからのみ出力され、その光取出し効率が高く、構造揺らぎに強く、基底共鳴モードのＱ値が高次共鳴モードよりも必ず高くなる、出力導波路付共振器構造を実現することが可能であることを示している。

（ミラー領域Ｍ２で条件ＩＩのもと、ミラー領域Ｍ１を条件Ｉあるいは条件ＩＩＩを満足する構造）
本条件を満たす共振器は、前記線欠陥光導波路の２つのミラー領域のうちの一方の導波路幅を、基底共鳴モードと導波モードエッジの周波数が等しくなるときの導波路幅よりも広く設定し、前記ミラー領域の他方の線欠陥光導波路の幅を、基底共鳴モードと導波モードエッジの周波数が等しくなるときの導波路幅または１次共鳴モードと導波モードエッジの周波数が等しくなるときの導波路幅よりも狭く設定することによって実現できる。

本条件に従った活性領域Ｃ・ミラー領域Ｍ１、Ｍ２・出力導波路Ｐの接続構造を、図８の、ＴｙｐｅＣに示す。実施例２で用いたパラメータにおいて、ミラー領域Ｍ１の幅のみ、Ｗ_{ｍｉｒｒｏｒ}＝０．９８Ｗ_０に変更されている。

図１１は、本条件における基底モードのＱ値と導波路との結合効率を説明する図である。図１１（ａ）は、フォトニック結晶共振器の線欠陥の幅と、共鳴モードのフィールド分布を示しており、図１１（ｂ）は、活性領域Ｃと出力導波路Ｐとの距離（Ｄ）をパラメータとしたときの、出力導波路付の共振器のＱ値（Ｑ_Ｔ）と導波路への結合係数（η_ｏｕｔ）を示している。

条件ＩＩのもとでは、ミラー領域Ｍ２に光閉じ込め機能が無いため、結合効率はＤにほとんど依存せず、結合効率は高いまま維持される。磁界フィールド分布からも明らかなように、本構造は、出力導波路Ｐからのみ０^ｔｈモードの光が出力され、反対側のミラー領域Ｍ１からは出力されない。

次に、結合効率の構造揺らぎ耐性を図１１（ｂ）の●○▽で示す。出力導波路Ｐの影響を考慮しない共振器固有のＱ値（Ｑ_ｉ）は、作製プロセス揺らぎの影響（穴形状、穴径、ＢＪ形状、など）により、理論Ｑ_ｉにくらべ大幅に減少することが予想される。本図は、計算で求められた最大Ｑ値をＱ_ｉとし、それより小さな値（○：１０^５，▽：１０^４）を仮定したときの、結合効率と、Ｑ_Ｔ値を示している。これより、ミラー領域の導入により、Ｑ_ｉ値が小さくなってしまった場合においても、レーザ発振に十分なＱ値（１０^３）を保持しながら、高効率結合を達成することができることがわかる。

以上の結果は、活性領域Ｃの一方の端に接続されるミラー領域Ｍ１を条件Ｉ、または条件ＩＩＩを満足する幅に設定し、もう一方の端に接続されるミラー領域Ｍ２の幅を条件ＩＩを満足する幅に設定し、かつ、ミラー領域Ｍ２の先に光取り出し用の出力導波路Ｐを活性領域Ｃと同一軸上に配置することにより、基底共鳴モードは出力導波路からのみ出力され、その光取出し効率が高く、構造揺らぎに強く、基底共鳴モードのＱ値が高次共鳴モードよりも必ず高くなる、出力導波路付共振器構造を実現することが可能であることを示している。

Ｍ１、Ｍ２ ミラー領域
Ｃ 活性領域
Ｐ 出力導波路

上記の課題を解決するために、一実施形態に記載された発明は、第１の媒質としての基板に、前記第１の媒質よりも屈折率の小さい第２の媒質が周期的に配列されたフォトニック結晶において、前記第２の媒質を１列分設けない部分を線欠陥光導波路として形成し、該線欠陥光導波路に、前記第１の媒質よりも大きな屈折率を有する第３の媒質を埋め込むことにより、前記第３の媒質が埋め込まれた領域を活性領域とし、当該活性領域を挟み込む前記線欠陥光導波路の２つの領域をミラー領域とする共振器を構成するフォトニック結晶デバイスであって、前記活性領域の線欠陥幅が、前記線欠陥光導波路の２つのミラー領域のうち少なくとも一方のミラー領域の線欠陥幅よりも狭いことを特徴とするフォトニック結晶デバイスである。

本実施例では、ミラー領域Ｍ１、Ｍ２と活性領域Ｃの線欠陥幅を独立の設計パラメータとすることにより、共鳴モードの数を減らしている。各領域の線欠陥幅は以下の方法で調整する。ここで、線欠陥の幅は、線欠陥を挟む２つの穴の中心間隔として定義する。

Claims (10)

1. 第１の媒質としての基板に、前記第１の媒質よりも屈折率の小さい第２の媒質が周期的に配列されたフォトニック結晶において、前記第２の媒質を１列分取り除くことにより形成された線欠陥光導波路を形成し、該線欠陥光導波路に、前記第１の媒質よりも大きな屈折率を有する第３の媒質を埋め込むことにより、前記第３の媒質が埋め込まれた領域を活性領域とし、当該活性領域を挟み込む前記線欠陥光導波路の２つの領域をミラー領域とする共振器を構成するフォトニック結晶デバイスであって、
   前記活性領域の導波路幅が、前記線欠陥光導波路の２つのミラー領域のうち少なくとも一方のミラー領域の導波路幅よりも狭いことを特徴とするフォトニック結晶デバイス。
2. 前記線欠陥光導波路の２つのミラー領域の一方に光取り出し用の出力導波路が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のフォトニック結晶デバイス。
3. 前記活性領域の導波路幅が、前記線欠陥光導波路の２つのミラー領域の導波路幅よりも狭いことを特徴とする請求項１または２に記載のフォトニック結晶デバイス。
4. 前記一方のミラー領域の導波路幅のみが活性領域の導波路幅よりも広いことを特徴とする請求項２に記載のフォトニック結晶デバイス。
5. 前記ミラー領域の導波路幅を、基底共鳴モードと導波モードエッジの周波数が等しくなるときの導波路幅よりも狭く、１次共鳴モードと導波モードエッジの周波数が等しくなるときの導波路幅よりも広く設定することを特徴とする請求項１に記載のフォトニック結晶デバイス。
6. 前記線欠陥光導波路の２つのミラー領域のうちの一方の導波路幅を、基底共鳴モードと導波モードエッジの周波数が等しくなるときの導波路幅よりも狭く、１次共鳴モードと導波モードエッジの周波数が等しくなるときの導波路幅よりも広く設定し、前記ミラー領域の他方の線欠陥光導波路の幅を、１次共鳴モードと導波モードエッジの周波数が等しくなるときの導波路幅よりも狭く設定することを特徴とする請求項１に記載のフォトニック結晶デバイス。
7. 前記ミラー領域の線欠陥光導波路の幅を、基底共鳴モードと導波モードエッジの周波数が等しくなるときの導波路幅よりも広く設定することを特徴とする請求項１に記載のフォトニック結晶デバイス。
8. 前記線欠陥光導波路の２つのミラー領域のうちの一方の導波路幅を、基底共鳴モードと導波モードエッジの周波数が等しくなるときの導波路幅よりも広く設定し、前記ミラー領域の他方の線欠陥光導波路の幅を、基底共鳴モードと導波モードエッジの周波数が等しくなるときの導波路幅または１次共鳴モードと導波モードエッジの周波数が等しくなるときの導波路幅よりも狭く設定することを特徴とする請求項１に記載のフォトニック結晶デバイス。
9. 前記出力導波路の幅を、基底共鳴モードと導波モードエッジの周波数が等しくなるときの導波路幅よりも広く設定することを特徴とする請求項２に記載のフォトニック結晶デバイス。
10. 前記線欠陥光導波路のミラー領域の導波路幅は、当該線欠陥光導波路を挟む両サイドの第２の媒質全体をシフトさせることにより調整されること特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載のフォトニック結晶デバイス。