JP3923244B2

JP3923244B2 - 光素子

Info

Publication number: JP3923244B2
Application number: JP2000265433A
Authority: JP
Inventors: 俊彦馬場; 武晴谷
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2000-09-01
Filing date: 2000-09-01
Publication date: 2007-05-30
Anticipated expiration: 2020-09-01
Also published as: US20020041425A1; DE60118475T2; JP2002071981A; EP1184690A3; EP1184690A2; DE60118475D1; US6522448B2; EP1184690B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的に光素子に関し、特に、位置によって屈折率が周期的に変化するフォトニック結晶を用いた光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、従来の光学結晶に比べて特異な分散特性を示すフォトニック結晶の開発が進んでおり、光変調素子や光偏向素子やスイッチング素子等の光素子への応用が期待されている。フォトニック結晶は、第１の材料中に屈折率の異なる第２の材料を光の波長程度の周期で配列させることによって構成されており、位置によて屈折率が周期的に変化する性質を有している。
このようなフォトニック結晶が示す特性については、例えば、H.Kosaka等による「Superprism phenomena in photonic crystals」（Physical Review B Vol.58,No.16,1998年10月15日)等に詳述されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、フォトニック結晶を用いた従来の光素子においては、フォトニック結晶と通常媒質との界面における光の反射損失が大きく、未だ改良すべき問題点が残されていることが、本発明者達の解析によって明らかになった。
上記問題点に鑑みて、本発明は、フォトニック結晶と通常媒質との界面における光の反射損失が小さい光素子を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明に係る光素子は、第１の屈折率を有する通常媒質領域と、前記第１の屈折率と異なる第２の屈折率を平均屈折率として、位置によって屈折率が周期的に変化しているフォトニック結晶領域と、前記通常媒質領域と前記フォトニック結晶領域との間に介在し、屈折率が前記第１の屈折率から前記第２の屈折率へと徐々に変化している中間領域とを具備し、前記フォトニック結晶領域は、前記通常媒質領域を構成する第１の材料の一部に複数の空孔、又は、前記第１の材料と異なる第２の材料を配列することによって構成されており、前記中間領域は、前記第１の材料の他の一部に複数の空孔、又は、前記第１の材料と異なる第３の材料を配列することによって構成されており、前記中間領域に配列された空孔、又は、第３の材料は、前記通常媒質領域に向けて先細りとなる突部を有する形状であることを特徴とする。
【０００５】
本発明によれば、中間領域において屈折率を第１の屈折率から第２の屈折率へと徐々に変えているため、通常媒質領域とフォトニック結晶領域との間におけるインピーダンスの不整合が中間領域において徐々に解消される。従って、フォトニック結晶領域の界面における光の反射損失を抑えることができる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。尚、以下に用いられる諸数値は、一例としての値であって、本発明の範囲内において様々な値に変更することが可能である。
【０００７】
図１は、シリコンを材料とする基板１０１の中央部にフォトニック結晶領域１０２を形成することによって構成される光素子１００を示す平面図である。
図１に示すフォトニック結晶領域１０２においては、円柱状の複数の空孔１０３が、光の進行方向と直交して５層に形成されて２次元三角格子状に配列されており、これらの空孔１０３には空気が満たされている。本実施形態においては、基板１０１の実効屈折率を３．０６５とし、例えば、対象となる光の真空中の波長が１．５５μｍである場合には、空孔１０３の半径ｒを０．３８７μｍ、空孔１０３が配列されるピッチａを０．９３μｍとする。
【０００８】
このようなフォトニック結晶領域１０２は、例えば、基板１０１上の空孔１０３を形成しない部分にレジストを形成した後、垂直性の良いドライエッチングを基板１０１に施すことによって形成される。
【０００９】
フォトニック結晶中の伝播光は、同結晶の周期構造による多重散乱の影響を受け、その伝播特性は、半導体における電子のバンド図に類似したフォトニックバンド図によって説明される。例えば、図１に示すフォトニック結晶領域１０２中を紙面に平行に光が伝播し、その偏波面も紙面に平行である場合には、図２に示すようなフォトニックバンド図（還元ゾーン形式）が得られる。フォトニックバンド図は、逆格子空間における波数ベクトルと、規格化周波数（Ω＝ωａ／（２πｃ）但し、ωは光の角周波数、ａは空孔間のピッチ、ｃは真空中の光速）との関係を与える。
尚、図２の横軸に付した各記号「Γ」や「Ｍ」や「Ｋ」は、図３に示すような第１ブリルアンゾーン（the first Brillouin zone）における特定の波数ベクトルを表している。
【００１０】
図２にも示すように、フォトニックバンドには、光がフォトニック結晶中を伝搬できない規格化周波数帯域（フォトニックバンドギャップ）が存在する。このため、フォトニックバンドギャップよりも低いか又は高い規格化周波数帯域の光がフォトニック結晶中を伝搬する。図２においては、０．２９〜０．４５の規格化周波数帯域がフォトニックバンドギャップである。また、０．４５〜０．８０の規格化周波数帯域（伝搬帯域）において、フォトニック結晶領域１０２中をｙ軸の負方向に伝搬する光（点Γ〜点Ｍの波数ベクトル）が存在する。
【００１１】
フォトニック結晶の光の透過特性を利用して光素子を作製する場合には、フォトニック結晶の伝搬帯域に属する光の、同結晶の透過前後における損失が低いことが理想である。そこで、本発明者達は、図２における０．５〜０．７５の規格化周波数帯域に属するガウス分布パルス光を図１の矢印方向へ伝搬させ、フォトニック結晶領域１０２から出射された直後の位置Ｐにおいてシミュレーションにより求められた光の強度に基づいて透過率と反射率を計算した。尚、このシミュレーションは、フォトニック結晶の数値解析に一般的に用いられているＦＤＴＤ法を用いて行われた。
【００１２】
図４は、上記の計算によって得られた規格化周波数と透過率及び反射率との関係を示す図である。尚、図４において、実線は透過率、破線は反射率を表している。図４に示すように、図１のフォトニック結晶領域１０２の伝搬領域に属する光を同領域１０２中に伝搬させたにも拘わらず、透過率は−８ｄＢ〜−１０ｄＢであり、光の強度がフォトニック結晶領域１０２の透過前後において１桁近く落ちていることが分かる。一方、フォトニック結晶領域１０２の伝搬領域に属する光の、同領域１０２の界面における反射率は高い。従って、フォトニック結晶領域１０２の界面における反射損失が、同領域１０２の透過前後における光強度の低下の主な原因であると推察される。このような損失は、フォトニック結晶の伝搬領域に属する透過光を利用する場合には不適当であり、出力信号のＳ／Ｎが悪化したり光源のハイパワー化が必要になる。
【００１３】
フォトニック結晶領域１０２においては、面積比からも分かるように空孔１０３が支配的であることから、同領域１０２の平均屈折率はシリコンに比べて低い。空孔が２次元三角格子状に配列しているフォトニック結晶領域の平均屈折率Ｎ_AVは、次の数式（１）によって与えられる。
Ｎ_AV＝Ｎ₁πｒ²＋Ｎ₂｛ａ²ｓｑｒｔ（３）／２−πｒ²｝…（１）
ここで、
Ｎ₁：空孔に充填された材料の屈折率
Ｎ₂：背景材料の屈折率
ｓｑｒｔ（ｘ）：ｘの正の平方根を求める関数式
を表している。
【００１４】
例えば、（１）式に次の各数値、Ｎ₁＝１、Ｎ₂＝３．０６５、ａ＝０．９３μｍ、ｒ＝０．３８７μｍを代入すると、平均屈折率Ｎ_AVが１．３２となる。この場合に通常媒質領域の材料が屈折率Ｎ＝３．０６５であると、屈折率Ｎと平均屈折率Ｎ_AVとの比が２．３と大きい値を示す。従って、フォトニック結晶の伝搬帯域に属する光であっても、フォトニック結晶と通常媒質との界面におけるインピーダンスの不整合が大きいために、その光が界面から強く反射されてしまうと考えられる。そして、屈折率Ｎと平均屈折率Ｎ_AVとの比が２．３より大きくなると、フォトニック結晶と通常媒質との界面において光がさらに強く反射される。
【００１５】
そこで、本発明者達は、以下に説明するような中間領域を通常媒質領域とフォトニック結晶領域の間に介在させることによって、フォトニック結晶の伝搬帯域に属する光の透過率の向上を試みた。
【００１６】
図５は、本発明の第１の実施形態に係る光素子の構成を示す平面図である。
光素子１０は、シリコンを媒質とする基板１１の中央部にフォトニック結晶領域１３を形成し、さらに、基板１１の上部の通常媒質領域１２とフォトニック結晶領域１３との間に中間領域１４を形成することによって構成されている。
【００１７】
フォトニック結晶領域１３においては、円柱状の複数の空孔１５が２次元三角格子状に配列されており、これらの空孔１５には空気が満たされている。一方、中間領域１４においては、通常媒質領域１２に向けて先細りとなった突部１７を有する空孔１６が横１列（ｘ軸の正方向）に等間隔に配列されており、突部１７の下半分は半円柱部１８となっている。フォトニック結晶領域１３の場合と同様に、これらの空孔１６にも空気が満たされている。
【００１８】
本発明者達は、中間領域１４における空孔１６の突部１７の長さｂと、フォトニック結晶領域１３における空孔１５間のピッチａとの比であるアスペクト比を変えて、フォトニック結晶領域１３の伝搬帯域に属する光の同領域１３に対する透過率と反射率を計測した。図６〜図１５は、アスペクト比が１〜１０の各々の場合における、規格化周波数と透過率及び反射率との関係を示す図である。尚、各図において、実線は透過率、破線は反射率を表している。これらの図に示されているように、アスペクト比を３以上とすると、フォトニック結晶の伝搬帯域（０．５〜０．７５の規格化周波数帯域）の広範囲に亘って、伝搬領域に属する光の同結晶に対する透過率の増加が見られ、平均的には透過率が４ｄＢ〜５ｄＢ改善されることが分かる。この場合において、中間領域１４の平均屈折率とフォトニック結晶領域１３の平均屈折率との比は、２．３未満とする。
【００１９】
本実施形態においては、中間領域１４における空孔１６を通常媒質領域１２に向けて先細りの形状とすることによって、中間領域１４において、屈折率を通常媒質領域１２の屈折率からフォトニック結晶領域１３の平均屈折率へと徐々に下げている。従って、通常媒質領域１２とフォトニック結晶領域１３の間におけるインピーダンスの不整合が中間領域１４において徐々に解消され、フォトニック結晶領域１３の界面における光の反射損失を抑えることができる。
【００２０】
上述したように、通常媒質領域１２の屈折率Ｎとフォトニック結晶領域１３の平均屈折率Ｎ_AVとの比が２．３より大きくなると、通常媒質領域１２とフォトニック結晶領域１３との界面において光が強く反射されるが、上述したような中間領域１４を設けることによって、上記実施形態と同様に、フォトニック結晶領域１３の界面における光の反射損失を抑えることができる。
【００２１】
図１６は、本発明の第２の実施形態に係る光素子の構成を示す平面図である。以下、図５と共通する要素に同じ参照符号を付して、これらの説明を省略する。光素子２０の中間領域１４においては、フォトニック結晶領域１３よりも大きいピッチで、円柱状の複数の空孔２１が２次元三角格子状に配列されており、これらの空孔２１にも空気が満たされている。
【００２２】
本実施形態においては、フォトニック結晶領域１３の空孔１５と同じ形状の空孔２１を、フォトニック結晶領域１３よりも低密度で中間領域１４に配列させることによって、通常媒質領域１２とフォトニック結晶領域１３の間におけるインピーダンスの不整合を徐々に解消させている。従って、本実施形態によって第１の実施形態と同様の効果を達成できる。
【００２３】
図１７は、本発明の第３の実施形態に係る光素子の構成を示す平面図である。
光素子３０の中間領域１４においては、フォトニック結晶領域１３と同じピッチで、円柱状の複数の空孔３１が２次元三角格子状に配列されているものの、これらの空孔３１には、通常媒質領域１２の材料（例えば、シリコン）よりも屈折率が小さく空気よりも屈折率が大きい材料（例えば、硝子）が充填されている。
【００２４】
本実施形態においては、フォトニック結晶領域１３と同じ密度で配列された空孔３１に、通常媒質領域１２を構成する材料よりも屈折率が小さく空気よりも屈折率が大きい材料を充填することによって、通常媒質領域１２とフォトニック結晶領域１３の間におけるインピーダンスの不整合を徐々に解消させている。従って、本実施形態によって第１の実施形態と同様の効果を達成できる。
【００２５】
尚、第１〜第３の実施形態において、フォトニック結晶領域における空孔の配列は、図２のような２次元三角格子配列に限らず、２次元正方格子配列等の他の２次元的な周期配列や３次元的な周期配列であっても良い。このように空孔を配列させた場合にも第１〜第３の実施形態を適用することによって、同じ効果を達成できる。
【００２６】
また、第１〜第３の実施形態において、フォトニック結晶領域の空孔や媒質を電場によって屈折率が変化する材料により構成すれば、光素子を光変調素子、光偏向素子又は光のスイッチング素子として用いることができる。即ち、光素子のフォトニック結晶領域の各端面に電極を対向するように取り付け、これらの電極間に電場を印加してフォトニック結晶領域の屈折率を変化させることによって、この領域を通過する光の強度や向きを変えることができ、光の変調、偏向、スイッチング等を行うことができる。尚、電場によって屈折率を変えることができる材料としては、例えば、ニオブ酸リチウムを挙げることができる。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、フォトニック結晶と通常媒質との界面における光の反射損失を抑えることができ、光の透過性に優れた光素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】光素子の一般的な構造を示す平面図である。
【図２】図１に示すフォトニック結晶領域中を光が紙面に平行に伝播し、その偏波面も紙面に平行である場合におけるフォトニックバンド図である。
【図３】図１のフォトニック結晶の第１ブリルアンゾーンを特定の規格化周波数で輪切りにした図である。
【図４】図１に示すフォトニック結晶領域の伝搬帯域に属する光を同領域に透過させた場合における規格化周波数と透過率及び反射率との関係を示す図である。
【図５】本発明の第１の実施形態に係る光素子の構造を示す平面図である。
【図６】図５に示す中間領域におけるアスペクト比を１とし、同図のフォトニック結晶領域の伝搬帯域に属する光を同領域に透過させた場合における規格化周波数と透過率及び反射率との関係を示す図である。
【図７】図５に示す中間領域におけるアスペクト比を２とし、同図のフォトニック結晶領域の伝搬帯域に属する光を同領域に透過させた場合における規格化周波数と透過率及び反射率との関係を示す図である。
【図８】図５に示す中間領域におけるアスペクト比を３とし、同図のフォトニック結晶領域の伝搬帯域に属する光を同領域に透過させた場合における規格化周波数と透過率及び反射率との関係を示す図である。
【図９】図５に示す中間領域におけるアスペクト比を４とし、同図のフォトニック結晶領域の伝搬帯域に属する光を同領域に透過させた場合における規格化周波数と透過率及び反射率との関係を示す図である。
【図１０】図５に示す中間領域におけるアスペクト比を５とし、同図のフォトニック結晶領域の伝搬帯域に属する光を同領域に透過させた場合における規格化周波数と透過率及び反射率との関係を示す図である。
【図１１】図５に示す中間領域におけるアスペクト比を６とし、同図のフォトニック結晶領域の伝搬帯域に属する光を同領域に透過させた場合における規格化周波数と透過率及び反射率との関係を示す図である。
【図１２】図５に示す中間領域におけるアスペクト比を７とし、同図のフォトニック結晶領域の伝搬帯域に属する光を同領域に透過させた場合における規格化周波数と透過率及び反射率との関係を示す図である。
【図１３】図５に示す中間領域におけるアスペクト比を８とし、同図のフォトニック結晶領域の伝搬帯域に属する光を同領域に透過させた場合における規格化周波数と透過率及び反射率との関係を示す図である。
【図１４】図５に示す中間領域におけるアスペクト比を９とし、同図のフォトニック結晶領域の伝搬帯域に属する光を同領域に透過させた場合における規格化周波数と透過率及び反射率との関係を示す図である。
【図１５】図５に示す中間領域におけるアスペクト比を１０とし、同図のフォトニック結晶領域の伝搬帯域に属する光を同領域に透過させた場合における規格化周波数と透過率及び反射率との関係を示す図である。
【図１６】本発明の第２の実施形態に係る光素子の構造を示す平面図である。
【図１７】本発明の第３の実施形態に係る光素子の構造を示す平面図である。
【符号の説明】
１０、２０、３０光素子
１１基板
１２通常媒質領域
１３フォトニック結晶領域
１４中間領域
１５、１６、２１、３１空孔
１７突部
１８半円柱部

Claims

第１の屈折率を有する通常媒質領域と、
前記第１の屈折率と異なる第２の屈折率を平均屈折率として、位置によって屈折率が周期的に変化しているフォトニック結晶領域と、
前記通常媒質領域と前記フォトニック結晶領域との間に介在し、屈折率が前記第１の屈折率から前記第２の屈折率へと徐々に変化している中間領域と、
を具備し、前記フォトニック結晶領域は、前記通常媒質領域を構成する第１の材料の一部に複数の空孔、又は、前記第１の材料と異なる第２の材料を配列することによって構成されており、前記中間領域は、前記第１の材料の他の一部に複数の空孔、又は、前記第１の材料と異なる第３の材料を配列することによって構成されており、前記中間領域に配列された空孔、又は、第３の材料は、前記通常媒質領域に向けて先細りとなる突部を有する形状であることを特徴とする光素子。
前記中間領域に配列された空孔、又は、第３の材料における突部の長さと、前記フォトニック結晶領域に配列された空孔、又は、第２の材料の配列ピッチとの比であるアスペクト比が３以上であることを特徴とする請求項１記載の光素子。
前記通常媒質領域における屈折率と前記フォトニック結晶領域における平均屈折率との比が２．３以上であることを特徴とする請求項１又は２記載の光素子。
前記フォトニック結晶領域において、前記第１の材料中に空孔又は前記第２の材料が２次元三角格子状に配列されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の光素子。
前記第１の材料がシリコンであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の光素子。
前記光素子は、光の変調に用いられる光変調素子であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項記載の光素子。
前記光素子は、波長又は入射角度に応じて光を偏向するのに用いられる光偏向素子であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項記載の光素子。
前記光素子は、スイッチング素子であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項記載の光素子。