JP4560348B2 - ３次元フォトニック結晶およびそれを用いた光学素子 - Google Patents

Description

本発明は、設計波長よりも微小な周期を持つ３次元フォトニック結晶に関するものである。また、３次元フォトニック結晶内部に屈折率周期構造の欠陥を具備し、所望の波長で動作する点欠陥共振器や線欠陥導波路を有するフォトニック結晶および光学素子に関するものである。

従来より、波長以下の大きさの構造物によって電磁波の透過・反射特性などを制御するという概念は、Ｙａｂｌｏｎｏｖｉｔｃｈによって提唱されている（非特許文献１）。この非特許文献１によると、波長以下の構造を周期的に配列することによって電磁波の透過・反射特性などを制御可能で、電磁波の波長を光の波長オーダーにまで小さくすることによって、光の透過・反射特性を制御することができる。このような構造物はフォトニック結晶として知られており、ある波長域において、光損失が無損失の１００％の反射率を有する反射ミラーを実現できることが示唆されている。このように、ある波長域で反射率をほぼ１００％にすることができる概念は、従来の半導体が持つエネルギーギャップとの比較から、フォトニックバンドギャップと言われている。また、構造を３次元的な微細周期構造にすることによって、あらゆる方向から入射した光に対してフォトニックバンドギャップを実現することができ、以下、これを完全フォトニックバンドギャップと呼ぶことにする。完全フォトニックバンドギャップが実現できると、自然放出の抑制など様々な応用が可能となり、従来にない新しい機能素子の実現が可能となる。また、より広い波長域で完全フォトニックバンドギャップが実現できる構造の機能素子が求められている。

このようなフォトニックバンドギャップを呈する構造体がこれまでにも幾つか提案されている（特許文献２、３）。完全フォトニックバンドギャップを実現可能な３次元周期構造としては図１４（ａ）〜（ｅ）に示すようないくつかの構造が挙げられ、それぞれ順に、ダイヤモンドオパール構造、ウッドパイル構造、らせん構造、独自な３次元周期構造、前記３次元周期構造の反転構造（インバース構造）等がある。

また、フォトニックバンドギャップを持つ微細周期構造内にそれが持つ周期構造とは異なる周期を持つ周期欠陥部を設けることで、所望の波長の光で共振器や導波路として動作させることができる。欠陥を点で構成した場合には点欠陥共振器として、線で構成した場合には線欠陥導波路として知られている。例えば、フォトニックバンドギャップを利用した点欠陥共振器の特徴を挙げると、空間的に微小な領域に光を閉じ込め、発光パターンを精密に制御することが可能で、任意波長の光を高効率で発光可能な素子が実現できる。周期構造内部に点欠陥を導入し、欠陥部を発光材料で構成し任意の励起手段によって発光させることでレーザ発振が可能である（特許文献１）。
米国特許５，７８４，４００号公報 Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．５８，ｐｐ．２０５９，１９８７年 Ｎａｔｕｒｅ，Ｖｏｌ．４０７，ｐ６０８，２０００年

フォトニックバンドギャップ波長帯域の制御は、周期構造における格子周期を変化させることで実現できる。例えば、格子周期を大きくとるとフォトニックバンドギャップ波長帯域は長波長側へ、格子周期を小さくとると短波長側へシフトする。

従来例としては、２次元フォトニック結晶を用いた光分合波回路（アドドロップ光回路）における格子周期変調による動作波長制御が挙げられる（非特許文献２）。光分合波回路とは、複数の波長が伝搬している媒質中に新たな波長を加える（アド）機能および、ある一つの波長のみを媒質中より取り出す（ドロップ）機能を持つ光入出力回路であり、フォトニック結晶による小型化が期待されている。非特許文献２では格子周期を変調させることで導波路および共振器の動作波長を所望の波長にチューニングすることにより、複数波長でほぼ等しいドロップ効率が得られることが報告されている。格子周期が異なる２次元フォトニック結晶を配列した上記構造は面内へテロ構造と呼ばれており、フォトニック結晶を用いた光ナノデバイスを実現する上でフォトニックバンドギャップ波長帯域の制御が重要であることを示す好適な例である。

ところが、このような格子周期を変調した構造を３次元フォトニック結晶に対してもそのまま適用することはできない。３次元フォトニック結晶においても、格子周期を制御することでフォトニックバンドギャップ波長帯域を制御することは可能であるが、図３４に示すように格子周期が変化する境界面において構造の不整合が起こることが懸念される。特に３次元構造においては、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸方向全てに対して格子周期に不整合が生じるため作製することが困難である。例えば、ウッドパイル構造など、層構造を１層１層積層していくタイプのレイヤーバイレイヤー構造においては、積層方向に対して格子周期が異なってしまうため、従来の電子ビームリソグラフィによる構造パターニングと積層を繰り返し行う手法やウエハ融着法、ナノインプリント法などによる手段をそのまま用いることは難しい。

以上のような背景から、特に、複数の設計波長で動作する３次元フォトニック結晶において、格子周期を変化させずにフォトニックバンドギャップ波長帯域を所望の波長に制御することができる３次元フォトニック結晶が求められている。

本発明の３次元フォトニック結晶は、フォトニックバンドギャップを呈する３次元フォトニック結晶であって、第１の軸に平行に、第１の間隔で配置された複数の柱状構造を含む第１の層と、第２の軸に平行に、第２の間隔で配置された複数の柱状構造を含む第２の層と、該第１の軸および第２の軸を含む平面内において離散的に配置された離散構造を含む層を１層以上含む付加層を有し、該第１の層と該第２の層は該付加層を介して積層され、該付加層に含まれる離散構造は隣接する該柱状構造の交点に相当する位置に配置されており、前記３次元フォトニック結晶は、前記第１の軸および前記第２の軸を含む平面において、複数の領域が設定されており、該領域ごとに異なる離散構造が形成されていることを特徴としている。

本発明の３次元フォトニック結晶によれば、格子周期を変化させることなく、複数のフォトニックバンドギャップが得られる。したがって、複数の波長で動作する３次元フォトニック結晶を、既存の作製技術を用いて、一括して作製することができる。また、アライメントが比較的容易であるため、高い生産性を実現することができる。

以下、本発明を図示の実施例に基づいて詳細に説明する。

本発明にかかる３次元フォトニック結晶Ａの概略図を図１に、側面から見た図を図２、上面から見た図を図３に示す。これらの図については、周期構造の一部のみを表現したものであり、実際にはｘ軸、ｙ軸、ｚ軸方向に繰り返される周期構造をとっている。今後示す概略図についても同様である。

３次元フォトニック結晶Ａは、互いに交する４つのロッド（図１における１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃ，１０１ｄ）と、ロッドとロッドとの間にｘｚ平面での断面形状が正方形である離散構造１０２を備えている。３次元フォトニック結晶Ａの構成を、格子周期：ａとしてロッド幅、ロッド厚さ、離散構造厚、離散構造幅を格子周期に対する割合として表現すると、ロッド幅：０．２５３５５ａ、ロッド厚さ：０．２５３５５ａ、離散構造厚：０．１０ａ、離散構造幅：０．５０ａとなる。なお、離散構造幅は図１のように定義する。このときのフォトニックバンドギャップを平面波展開法により計算すると、図４に示すようなフォトニックバンド構造が得られる。横軸は波数ベクトルすなわちフォトニック結晶に入射する電磁波の入射方向を表しており、例えばＫ点はｘ軸（もしくはｙ軸）に平行な波数ベクトル、Ｘ点はｘｙ平面内において、ｘ軸（もしくはｙ軸）に対して４５°の傾きを持った波数ベクトルを表している。一方、縦軸は格子周期で規格化した周波数（規格化周波数）を示している。ハッチングで示した規格化周波数帯域においては、光の入射方向によらず光が存在できないフォトニックバンドギャップ（ＰＢＧ）が形成されている。

上記のようなフォトニック結晶において、本実施例ではロッド幅、ロッド厚さ、格子周期、離散構造厚、離散構造の屈折率を変化させることなく、離散構造幅（図１）のみを変化させる。これにより、単位周期構造内における３次元構造を構成する誘電体媒質の充填率が変化するため、３次元フォトニック結晶全体の有効屈折率が変化し、フォトニックバンドギャップ波長帯域が変化する。つまり、離散構造幅を変えることでフォトニックバンドギャップ波長帯域を制御することが可能である。このことを図５に示したフォトニックバンド図を用いて説明する。３次元フォトニック結晶Ａ１によるバンド構造を実線で、３次元フォトニック結晶Ａ２によるバンド構造を点線で示し、それぞれの構造によって得られるフォトニックバンドギャップをそれぞれＰＢＧ１、ＰＢＧ２とした。フォトニック結晶Ａ１とフォトニック結晶Ａ２では離散構造幅のみ異なっており、離散構造のｘｙ平面での断面積を図１におけるｘ軸方向に対する離散構造幅とｙ軸方向に対する離散構造幅の積とすると、フォトニック結晶Ａ２の離散構造のｘｙ平面での断面積はフォトニック結晶Ａ１の離散構造のｘｙ平面での断面積と比べて小さい。離散構造のｘｙ平面での断面積が小さくなると、３次元フォトニック結晶における有効屈折率が小さくなり、フォトニックバンドギャップとして動作する周波数が高周波数側にシフトすることがわかる。つまり、離散構造幅のみでフォトニックバンドギャップ波長帯域を制御することができる。

ここで、３次元フォトニック結晶のｘｙ平面（第１の軸および第２の軸を含む平面）において複数の領域を設定し、領域ごとに離散構造部分の大きさや形状を異ならせて配置するのが良い（図１２）。これによれば、格子周期を変えずにフォトニックバンドギャップ波長帯域を制御することが可能であり、しかも一括したプロセスで作製可能となる。

ここでは、典型例として離散構造を含む層が１層の場合についてのみ説明したが、離散構造を含む層は１層でも２層でも３層でもよい（図７）。もちろん４層以上でもよいが作製プロセスが複雑化するので目的によって選択すればよい。また、離散構造のｘｙ平面での断面形状は正方形に限らず、図６に示すように長方形、円、楕円、三角形、多角形など、あらゆる形状を取ることができる。さらに、柱状構造を含む第１の層と第２の層とを積層する際に介する付加層に含まれる離散構造を含む層が図７（ｄ）のような配置を取っていても同様な効果が得られる。この場合においても離散構造を含む層が１層、２層、３層あるいはそれ以上であってもよい。以下に離散構造を含む層が２層、３層であるときの数値実施例をより具体的に説明する。

３次元フォトニック結晶Ｂの概略図を図８に示す。３次元フォトニック結晶Ｂは２層の付加層を備えた構造であって、ロッドおよび離散構造の屈折率：２．５、格子周期：２５０ｎｍ、ロッド幅：６２．５ｎｍ、ロッド厚さ：７５ｎｍとした。ここで、第１の離散構造のｘ軸方向の幅を離散構造幅１ｘ、ｙ軸方向の幅を離散構造幅１ｙ、以下第２の離散構造の幅についても同様に離散構造幅２ｘ、離散構造幅２ｙと記載する。また、３次元フォトニック結晶Ｂは、離散構造幅１ｘ＝離散構造幅２ｙ、かつ、離散構造幅１ｙ＝離散構造幅２ｘの関係を満たしている。図８のグラフの横軸は離散構造幅２ｙ、縦軸はフォトニックバンドギャップ（ＰＢＧ）中心波長であり、離散構造幅１ｙをそれぞれ７５ｎｍ、１２５ｎｍ、１７５ｎｍとしたときのグラフが示されている。ＰＢＧ中心波長の変化を見ると、離散構造幅が大きくなるにつれて中心波長が長波長シフトしていることがわかる。離散構造幅を変化させることは、単位体積中に占める誘電体媒質の充填率（体積）を変化させることを意味する。充填率を大きくすることによって３次元フォトニック結晶が持つ実効的な屈折率が大きくなるため、フォトニックバンドギャップ中心波長を長波長シフトすることができ、離散構造幅を適当に設計することにより、所望の中心波長を選ぶことができる。もちろん、第１の離散構造あるいは第２の離散構造はそれぞれが属する平面内において離散的に配置されていればよく、その限りにおいて様々な大きさを選ぶことができる。

また、離散構造を含む層を３層以上設けてもよい。具体的な一例として３層の離散構造を含む層を有する３次元フォトニック結晶Ｃの概略図を図９に示す。ロッドおよび離散構造の屈折率：２．５、格子周期：ａとし、それぞれのパラメータを格子周期ａに対する割合で表現すると、ロッド幅：０．１７４ａ、ロッド厚さ：０．１７４ａ、離散構造幅１ｘ：０．１８７ａ、離散構造幅１ｙ：０．４００ａ、第１の離散構造厚：０．０４０ａ、離散構造幅２ｘ＝離散構造幅２ｙ：０．２００ａ、第２の離散構造厚：０．０４０ａ、離散構造幅３ｘ：０．４００ａ、離散構造幅３ｙ：０．１８７ａ、第３の離散構造厚：０．０４０ａとする。第１の離散構造および第３の離散構造においては、ｘｙ平面での断面形状が長方形であり、第２の離散構造においては、ｘｙ平面での断面形状が正方形である（図１０）。

また、３次元フォトニック結晶Ｃは以下の関係式を満たす。
（離散構造幅１ｘ）＝（離散構造幅３ｙ）＝［（格子周期）−（離散構造幅２ｘ）］／２
（離散構造幅１ｙ）＝（離散構造幅３ｘ）＝（離散構造幅２ｘ＋ロッド幅）／２
（第１の離散構造厚）＝（第２の離散構造厚）＝（第３の離散構造厚）
（ロッド厚さ）＝√２ａ／４−［（第１の離散構造厚）＋（第２の離散構造厚）＋（第３の離散構造厚）］

ここで、格子周期：ａ＝７２０ｎｍとしたとき、横軸に離散構造幅２ｘ、縦軸にフォトニックバンドギャップ中心波長をとったときのグラフを図１１に示す。離散構造部分の構造を変化させることによって、フォトニックバンドギャップ中心波長をおよそ１４００ｎｍから１６７０ｎｍまでチューニングすることが可能である。離散構造幅２ｘを大きくするに従って、単位体積中に占める誘電体媒質の充填率が高くなり、その結果、３次元周期構造が持つ実効的な屈折率（有効屈折率）が大きくなり動作波長が長波長シフトする。フォトニックバンドギャップ波長帯域は、単位体積におけるロッドおよび付加層に含まれる離散構造を構成する媒質内部に集中する電場強度の割合とそれ以外の媒質に集中する電場強度の割合の差によって決まり、この差が大きいほどフォトニックバンドギャップ波長帯域が広くなる。離散構造を含む層を３層にすることにより、特に斜め方向（例えば、図４におけるＬ方向など）に対して、それぞれの媒質中に電場強度が集中する割合の差が大きくなり、その結果、フォトニックバンドギャップ波長帯域がより広帯域化し、このことによって光の入射角度特性の改善が期待できる。

本実施例では、離散構造幅２ｘをパラメータとして波長帯域を制御したがこれだけに制限するものではなく、離散構造幅１ｘ、離散構造幅３ｘなど、他のパラメータを用いても波長帯域の制御が可能である。

以上の効果を得るために、３次元フォトニック結晶Ａ、Ｂ、Ｃにおいてはロッド１０１として角柱を用いたが、円柱、楕円柱、多角形柱でもよい。また離散構造１０２として直方体を用いたが、図６に示すようなｘｙ平面での断面形状の長方形、円、楕円、三角形、多角形など、あらゆる形状を取ることができる。

さらに、それぞれのロッド１０１を配置する方向をｘ軸、ｙ軸として垂直な方向に設定したが、各軸のなす角度を９０度以外の角度に設定してもよい。また、ｘ軸に平行なロッドの間隔とｙ軸に平行なロッドの間隔は、同じ値に設定しても良いし、異なる値に設定しても良い。ｘ軸とｙ軸のなす角度が９０度以外の角度である構成や、ｘ軸に平行なロッドの間隔とｙ軸に平行なロッドの間隔を異ならせた構成は、特に所定の角度の入射光に対して所望の性能を得たい場合や、構造に異方性を導入したい場合などは有用である。またロッド１０１および離散構造１０２を同じ媒質で構成したが、異なる媒質で構成しても良い。

また、本実施例における各ロッドは格子周期（第１の間隔、第２の間隔）がａとなるように配置され、ロッド１０１ａとロッド１０１ｃはｘ軸方向に０．５ａ（第１の間隔の半分）だけずらして積層され、同様にロッド１０１ｂとロッド１０１ｄはｙ軸方向に０．５ａ（第２の間隔の半分）だけずらして積層されている。このように各ロッドを格子周期ａの半分だけずらして積層することにより、異なる層に含まれるロッドに挟まれる直方体がダイヤモンド型格子の格子位置に対応する位置に配置され、広いフォトニックバンドギャップが得られるため好ましい。ここで、各ロッドをずらす量は０．２５ａ以上０．７５ａ以下の範囲でもよく、望ましくは０．３ａ以上０．７ａ以下の範囲、より望ましくは、０．４ａ以上０．６ａ以下の範囲とするのがよい。しかしこの構成に限られず、例えばロッド１０１ａとロッド１０１ｃもしくはロッド１０１ｂとロッド１０１ｄが重なるように積層されていても本発明の効果を得ることができる。

これらの構造を形成する媒質としては従来の構造と同様に、高い屈折率比を有する２種類以上の媒質を用いる。ロッド１０１および離散構造１０２を構成する媒質はＳｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、Ｇｅ、ＴｉＯ２、ＧａＮ、Ｔａ２Ｏ５、Ｎｂ２Ｏ５など、高屈折率材料が好ましい。さらに使用波長帯域で吸収を持たず透明な材料であることがより好ましい。ロッド１０１および離散構造１０２を構成する媒質以外の媒質はＳｉＯ２などの誘電体、ＰＭＭＡなどの高分子有機材料、空気、水などの低屈折率材料を用いる。フォトニック結晶の持つフォトニックバンドギャップは結晶内の屈折率分布に起因して得られるものであるため、相互の屈折率比が大きい媒質同士を組み合わせるほど、より広いフォトニックバンドギャップを得ることができる。有効な広さを持つフォトニックバンドギャップを得るためには屈折率比が２以上であることが望ましい。また、３次元フォトニック結晶の作製プロセスに鑑みると、ロッド１０１および離散構造１０２を構成する媒質以外の媒質について固体媒質を用いることが望ましい。固体媒質を用いることで、作製プロセス中にロッド１０１および離散構造１０２のマスクパターニング、エッチング、研磨、ウエハ融着などの工程を行う際に、３次元構造の強度を高め、所望の形状を作製することが容易となるためである。

本実施例にかかる３次元フォトニック結晶Ａ、Ｂ、Ｃでは、離散構造を含む層の数に関わらずｘｚ平面内の格子周期とｘｙ平面内の格子周期とを一定に保ちながら、フォトニックバンドギャップ中心波長を制御することが可能である。このような構造をとることで、異なる波長で動作する微細周期構造を同一構造内に作りこむことが可能となり、モノリシックな光学素子を実現することができる（図１２）。また、従来技術である格子周期を変化させることでフォトニックバンドギャップを制御する方法と比較すると、本発明にかかる構造では格子周期が一定であるため、従来の作製手法（電子ビームリソグラフィによる構造パターニングと積層を繰り返し行う手法やウエハ融着法、ナノインプリント法など）を用いることができる。加えて、複数の設計波長で動作する構造を一括で作製できるため素子と素子とのアライメントが容易で生産性もよく作製できる。

本発明にかかる３次元フォトニック結晶Ｄの概略図を図１３に示す。３次元フォトニック結晶Ｄでは、離散構造（２０２ａ、２０２ｂ）を構成する媒質の屈折率がロッド（２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃ、２０１ｄ）を構成する媒質の屈折率とは異なる屈折率を有している。

ここで、３次元フォトニック結晶Ｄを構成するロッドや離散構造の形状、大きさは変えずに、離散構造を構成する媒質の屈折率のみ変化させたときのフォトニックバンドギャップ中心波長の変化について図１４に示す。横軸に離散構造を構成する媒質の屈折率、縦軸に（ロッドの屈折率）＝（離散構造の屈折率）とした時のフォトニックバンドギャップ中心波長λにて規格化した時のフォトニックバンドギャップ中心波長をとった。それぞれの構造パラメータを格子周期ａの割合で表すと、ロッド幅：０．３１ａ、ロッド厚さ：０．１７３５５３ａ、離散構造厚１：０．０９ａ、離散構造幅１ｘ：０．３７ａ、離散構造幅１ｙ：０．６６ａである。ただし、（離散構造厚１）＝（離散構造厚２）、（離散構造幅１ｘ）＝（離散構造幅２ｙ）、（離散構造幅１ｙ）＝（離散構造幅２ｘ）とした。

図１４からわかるように、離散構造を構成する媒質の屈折率を変化させることにより、３次元フォトニック結晶が有する有効屈折率が変化し、その結果、離散構造を構成する媒質の屈折率のみをパラメータとしてフォトニックバンドギャップ中心波長を制御することが可能である。

また、フォトニックバンドギャップ中心波長を制御するパラメータとして、離散構造を構成する媒質の屈折率と離散構造の形状（大きさ）とを組み合わせてもよい。図１５は、離散構造の屈折率と形状とを変数とした時のフォトニックバンドギャップ中心波長の変化を表したものである。縦軸をＰＢＧ中心波長とし、横軸は離散構造幅１ｘである。ロッドを構成する材料の屈折率を２．３３、離散構造を構成する媒質の屈折率をそれぞれ２．０（３次元フォトニック結晶Ｅ）、３．０（３次元フォトニック結晶Ｆ）としている。また、エラーバーで表示した範囲はフォトニックバンドギャップ波長帯域を表している。格子周期：ａ＝６８０ｎｍ、ロッド幅：０．３１ａ、ロッド厚さ：０．１７３５５３ａ、離散構造厚１：０．１０ａ、離散構造幅１ｙ：０．６６ａとし、（離散構造厚１）＝（離散構造厚２）、（離散構造幅１ｘ）＝（離散構造幅２ｙ）、（離散構造幅１ｙ）＝（離散構造幅２ｘ）の関係を満たしている。

図１５からわかるように、離散構造の大きさと屈折率とをパラメータとして組み合わせることによって、より広い波長帯域においてフォトニックバンドギャップ中心波長を制御することができる。この場合、赤外領域である１３３０ｎｍから１５５０ｎｍまでの波長帯域においてフォトニックバンドギャップ中心波長を制御することが可能である。離散構造を構成する媒質の屈折率が大きく、かつ、ｘｙ面内での断面積を大きくすることによって、３次元フォトニック結晶が有する有効屈折率が高くなり、動作中心波長が長波長シフトするためである。

ここで、３次元フォトニック結晶のｘｙ平面（第１の軸および第２の軸を含む平面）において複数の領域を設定し、領域ごとに離散構造の屈折率を異ならせて配置するのが良い。一例として、３次元フォトニック結晶の領域Ｇ、Ｈ、Ｉを挙げる。以下の表１に３次元フォトニック結晶の領域Ｇ、Ｈ、Ｉの詳細を記す。ここで、（離散構造厚１）＝（離散構造厚２）、（離散構造幅１ｘ）＝（離散構造幅２ｙ）、（離散構造幅１ｙ）＝（離散構造幅２ｘ）、の関係を満たしている。

図１６は３次元フォトニック結晶の領域Ｇ、Ｈ、Ｉにおけるフォトニックバンドギャップ中心波長およびフォトニックバンドギャップ波長帯域である。縦軸をＰＢＧ中心波長とし、横軸は離散構造幅１ｘである。また、エラーバーで表示した範囲はフォトニックバンドギャップ波長帯域を表している。３次元フォトニック結晶の領域Ｇ、Ｈ、Ｉについて、離散構造幅１ｘの値をそれぞれ領域Ｇでは０．３１ａ、領域Ｈでは０．４５ａ、領域Ｉでは０．５８ａに制御することで、それぞれ４５０ｎｍ付近、５３０ｎｍ付近、６３０ｎｍ付近に、フォトニックバンドギャップ中心波長を制御することが可能である。

ここで、複数の領域において離散構造の屈折率が異なる場合には、例えば、半導体プロセスを用いてそれぞれの領域ごとにマスクを施し、それぞれの離散構造部分に対して異なる屈折率をもつ媒質を積層していくことによって上記構造を実現することができる。

本実施例では、典型例として離散構造を含む層の層数が２層の場合についてのみ説明したが、１層でも２層でも３層でもそれ以上でもよい。また、それぞれの付加層に含まれる離散構造屈折率および形状が異なっている場合にも本発明の効果が得られる。離散構造の形状および屈折率を同時に制御することで、３次元フォトニック結晶が有する有効屈折率をより大きく変化させることができるため、より幅広い波長帯域においてフォトニックバンドギャップ中心波長および波長帯域を制御することができる。

同一構造を持つ３次元フォトニック結晶で、広い波長帯域において複数の波長で動作する共振器を実現することは、特に、ＲＧＢの光の三原色に対応する波長帯域では、高い屈折率と低い消衰係数をもつ材料の選択や広いフォトニックバンドギャップを有するフォトニック結晶構造の選択などの点から実現が困難であったが、本発明によれば、格子周期を変えずにフォトニックバンドギャップ波長帯域を制御することが可能な３次元フォトニック結晶を一括したプロセスで作製することができる。

図１７は離散構造の形状が異なる複数の領域が設定されている３次元フォトニック結晶内部に点欠陥３０２を導入した場合の概略図である。ｘｚ平面内の格子周期とｘｙ平面内の格子周期とを一定に保ちながら、離散構造の形状を変化させることでフォトニックバンドギャップ中心波長を制御する。３次元フォトニック結晶の内部に点欠陥３０２を導入すると、点欠陥３０２に起因する共振モードが現れ、共振モードに対応する波長の光が点欠陥内に局在する。点欠陥３０２の構造は、例えば、周期構造の一部を欠損させ点欠陥３０２に空気を配置する構造、周期構造の一部の形状を変化させる構造（ある格子点における離散構造の形状を変化させるなど）、周期構造の一部に異なる屈折率を持つ材料を配置する構造など、様々な手段によって実現することができる。

図１８に離散構造を含む層を２層持つ３次元フォトニック結晶の一例を示す。ロッドおよび離散構造の屈折率：３．３０９、格子周期：ａとして各構造パラメータを格子周期ａの割合で表現すると、ロッド幅：０．２５ａ、ロッド厚さ：０．３０ａ、離散構造幅１ｘ：０．４００ａ、離散構造幅１ｙ：０．６００ａ、第１の離散構造厚：０．０５０ａ、離散構造幅２ｘ：０．６００ａ、離散構造幅２ｙ：０．４００ａ、第２の離散構造厚：０．０５０ａである。このような構造内部にΔｘ＝Δｙ＝０．７０ａ、Δｚ＝０．３０ａである直方体の点欠陥３０２を図１８のように配置した。上記例において点欠陥３０２のｘｙ平面内の形状をΔｘ＝Δｙと正方形にしたが、ΔｘとΔｙが異なる長さを持っていてもよいし、ｘｙ平面内の形状が円形、楕円形、三角形、多角形など様々な形状をとることができる。

以上のような構成における共振モードについて図１９に示す。横軸は格子周期ａで規格化した規格化周波数であり、規格化周波数０．４０付近に大きなピークが現れ共振モードが存在することがわかる。また、離散構造の大きさを変化させることで３次元フォトニック結晶における材料の充填率を変化させ、フォトニックバンドギャップ波長帯域をシフトさせ共振波長を制御することができる。３次元フォトニック結晶のｘｙ平面において設定された複数の領域の各領域に、それぞれ上記点欠陥構造を配置することで、複数波長で動作する光共振器や狭帯域動作の光フィルタをモノリシックに構成できる。もちろん、ひとつの領域に複数個の点欠陥３０２を有した構造でもよい。

また、図２０は各領域において離散構造の屈折率が異なる３次元フォトニック結晶Ｊ内部に点欠陥３０２を設けた場合の概略図である。３次元フォトニック結晶Ｊが有する有効屈折率が領域ごとに異なるために、異なる共振波長にて動作する共振器構造を実現することができる。複数の異なる波長にて狭帯域スペクトルを得る光フィルターとしての応用も可能である。

図２１は離散構造の形状が異なる複数の領域が設定された３次元フォトニック結晶Ｊ内部に線欠陥３０１を導入した場合の概略図である。微細周期構造の中に線欠陥３０１を導入すると、線欠陥３０１に起因する導波モードが現れ、導波モードに対応する波長の光が線欠陥内を導波する。ｘｚ平面内の格子周期とｘｙ平面内の格子周期とを一定に保ちながら、離散構造の形状を変化させることで、フォトニックバンドギャップ中心波長を制御する。線欠陥３０１は、例えば、ロッドの一部を取り去った構造、ロッドの幅を変化させた構造、ロッドの材料屈折率を変化させた構造、ロッドを付加した構造など、様々な手段で実現することができる。このような構造を複数個接続して配置することで、波長選択的な光導波路や光遅延回路を、格子周期を変えずにモノリシックに実現できる。

図２２は各領域において離散構造の屈折率が異なる３次元フォトニック結晶Ｊ内部に線欠陥３０１を設けた場合の概略図である。２以上の複数の領域において離散構造の屈折率を制御することにより、所望のフォトニックバンドギャップ領域と導波モードとの関係を満たすことで、界面反射を用いた波長選択導波路を実現できる。離散構造の異なる領域においてはＰＢＧ動作波長帯域が異なるため、領域１では存在できるが、領域２では存在できない波長の光λ１に対してはフォトニックバンドギャップによりほぼ１００％の反射が起こる。このような構造を面内に複数配置することによって、複数波長で時間遅延を補償するための分散補償素子として応用することができる。

また、点欠陥３０２と線欠陥３０１を組み合わせることで高い波長選択性と高効率を満たす光分合波回路（アドドロップ光回路）を実現できる（図２３、図２４）。

図２４は各領域において離散構造の屈折率が異なる３次元フォトニック結晶Ｊ内部に線欠陥３０１と点欠陥３０２を設けた場合の概略図である。光導波路と共振器とを組み合わせた構造であり、特に光通信帯域で利用する光分合波素子として有用である。それぞれの領域に配置した点欠陥構造で共振される波長をそれぞれλ１、λ２、λ３・・・λｎとし、前記波長を含む入射光を線欠陥導波路に入射した様子をグラフに示した。線欠陥導波路として光を伝搬する波長帯域内にそれぞれの点欠陥での共振波長が存在しており、ｎ個の波長において光合分波を実現できる。

野田らの文献（非特許文献２）には２次元面内へテロ構造を用いた光分合波素子が提案されているが、この概念をそのまま３次元フォトニック結晶に当てはめることが困難であることは前述した。しかしながら、本発明にかかる３次元フォトニック結晶を用いることにより、共振器内への光閉じ込め効果を高めることができ、より厳密な共振器モード分布制御による偏光制御や放射分布制御などが可能となり、さらには共振器位置を３次元に配置できるため光取り出し方向に自由度が増える。その結果、従来よりも狭スペクトル帯域動作であってかつ光取り出し方向に自由度が高い高性能な光分合波素子を提供することができる。

もちろん、離散構造の大きさと屈折率とを変数として組み合わせてフォトニックバンドギャップ動作中心波長を制御することもできる。例えば、異なる３領域において異なる離散構造を持つ３次元フォトニック結晶Ｇ、Ｈ、Ｉの内部に適当な点欠陥を設けることで、それぞれ異なる波長で動作する共振器構造を実現することが可能である。図２５に示すように、３次元フォトニック結晶Ｇ、Ｈ、Ｉが有するフォトニックバンドギャップ内に共振波長を有するような点欠陥共振器構造を設けることによって、それぞれ、４５０ｎｍ付近、５３０ｎｍ付近、６３０ｎｍ付近に鋭いスペクトルピークを持つ共振器構造を実現することができる。

本実施例は、離散構造の形状もしくは屈折率の少なくとも一方が異なる領域を複数有する３次元フォトニック結晶の内部に発光材料を含む点欠陥を導入した発光素子に関する。上述したように、３次元フォトニック結晶の内部に点欠陥を導入すると、点欠陥に起因する共振モードが現れ、共振モードに対応する波長の光が点欠陥内に局在する。そこで共振モードに対応する波長を含む発光材料を点欠陥として導入することにより共振波長においてスペクトル幅の狭い強い発光を実現し、光の振る舞いを３次元的に制御した高効率な発光素子を実現することができる。発光材料としては、化合物半導体、無機発光材料、有機発光材料、高分子発光材料、量子ドット、ナノクリスタルなど様々な材料を利用することができる。励起方法としては、外部光源による光励起、電流注入による励起などがある。電流注入による励起の場合には、例えば、ＡｌやＣｒなどの金属材料やＩＴＯなどの透明導電性材料を電極として狭持し発光させることが可能である。また、複数の共振器構造に対して、独立して動作する電極を作製することによって、それぞれの波長の光を独立に制御することも可能である。

発光材料に無機発光材料を用いたときの一例を図２６に示す。無機発光材料からなる発光層４００の上下を絶縁体４０１で狭持し、さらにその両側に電極４０２を配置している。このような発光部を点欠陥共振器構造内部に設けることで、発光される光のうちで点欠陥共振器構造によって決まる波長の光を共振させて取り出すことができる。電極には透明材料を用いることが望ましいが、ＡｌやＡｕ、Ｃｒなどの金属を用いてもよい。また、無機発光材料の一例として、ＺｎＳ：Ｍｎ、ＺｎＭｇＳ：Ｍｎ、ＺｎＳ：Ｓｍ、ＺｎＳ：Ｔｂ、ＺｎＳ：Ｔｍ、ＣａＳ：Ｅｕ、ＳｒＳ：Ｃｅ、ＳｒＳ：Ｃｕ、ＳｒＧａ２Ｓ４：Ｃｅ、ＢａＡｌ２Ｓ４：Ｅｕ 等を用いることができる。また、絶縁膜の一例としてＳｉＯ２、ＳｉＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ５、ＳｒＴｉＯ３などが使用できる。

また、発光材料には有機発光材料を用いてもよく、図２７に示す有機発光材料による発光構造を用いることもできる。有機発光材料を含む発光層４０３を電子輸送層４０４とホール輸送層４０５で挟み、さらに電極４０６で挟み込んだ構造とすることで、発光材料によって決まる波長を含む光を発する発光構造としている。この構造以外にも、電子注入層やホール注入層を備えた構造など、様々な構造で実現することができる。透明電極にはＩＴＯなど、背面電極には、ＩＴＯのほかにも不透明であるＡｌやＣｒなどの金属を用いることも可能である。

典型的な低分子有機発光材料としてＡｌｑ，Ｅｕ（ＤＢＭ）３（Ｐｈｅｎ），ＢｅＢｑ，ＤＰＶＢｉなど、典型的なホール輸送性低分子材料としてＴＰＤ，α−ＮＰＤ，ＴＰＴ，Ｓｐｉｒｏ−ＴＰＤ、典型的な電子輸送性低分子材料としてＰＢＤ，ＴＡＺ，ＯＸＤ，Ｂｐｈｅｎ、典型的な高分子有機発光材料として、発光層にポリスチレンスルホン酸やカンファースルホン酸などの酸でドーピングしたポリチオフェンやポリアニリンなどを用いた導電性ポリマーを用いてもよい。以上に挙げた材料以外にも様々な材料を用いることができる。

図２６、２７以外にも、化合物半導体材料、無機発光材料、有機発光材料、高分子発光材料、量子ドットやナノ結晶を含む発光材料など用いて点欠陥共振器構造内部に電流注入型の発光構造を設けることで、所望の波長を有する光を共振させて取り出すことができる。

図２８は電流注入用の電極にＩＴＯ等の導電性透明電極を用いた場合の構成例を示している。電流注入用の電極としてＩＴＯ等の透明電極を用いる場合には、フォトニック結晶中の点欠陥共振器から光を取り出すための導波路と電極を兼用することで単純な構成とすることができる。つまり点欠陥共振器４０７内部に挿入された発光材料４０８に対し、フォトニック結晶４０９を貫通する透明電極４１０により電流を注入して発光させる際に、透明電極はフォトニック結晶の周期性に対して線欠陥であるため、透明電極自体が導波路となって欠陥共振器で共振された光の一部をフォトニック結晶外に導くことができる。

また、外部光源による光励起を行う場合にはフォトニックバンドギャップ以外の波長の励起光を用いることで、発光材料を高効率で励起して発光させることができる。外部光源による発光層の光励起を行う場合の一例として、発光構造４１５の概略図を図２９に示す。所望のフォトニックバンドギャップを有するフォトニック結晶４１６は、内部にフォトニックバンドギャップ内の蛍光を発する蛍光物質を内部に含んだ点欠陥共振器４１７を形成している。フォトニック結晶４１６の下部には共振器構造内の蛍光物質を励起して発光させるため、フォトニックバンドギャップ以下の波長で発光する紫外線光源４１８が設けられている。さらに、フォトニック結晶上部には、共振器構造からの発光を通過する一方で、紫外線光源からの励起光を遮断する波長選択フィルタ４１９が設けられている。これにより観察者から見て紫外線発光層からの紫外光をカットし視認性を向上できる。また、紫外線発光層に印加する電圧を制御することで発光層からの発光を制御することができる。

さらに、離散構造の形状もしくは屈折率の少なくとも一方が異なる領域を複数有する３次元フォトニック結晶の共振器構造内部に、発光スペクトルに共振波長が含まれる発光媒質を含むような発光源を設けることで、それぞれの共振波長にて発光するモノリシックレーザを実現することができる。例えば、共振波長を光通信帯域の波長（Ｏバンド（１２６０ｎｍ−１３６０ｎｍ）、Ｅバンド（１３６９ｎｍ−１４６０ｎｍ）、Ｓバンド（１４６０ｎｍ−１５３０ｎｍ）、Ｃバンド（１５３０ｎｍ１５６５ｎｍ）、Ｌバンド（１５６５ｎｍ−１６２５ｎｍ）、Ｕバンド（１６２５ｎｍ−１６７５ｎｍ））に対応させることで、多波長発振レーザ光源をモノリシックに構成でき、光通信用光源の小型化・集積化が実現できる。また、共振波長を光の三原色である赤（Ｒ）緑（Ｇ）青（Ｂ）に対応させることで、ＲＧＢモノリシックレーザ光源を実現することができる。このようなＲＧＢモノリシックレーザ光源は特に投射型画像表示装置などの画像表示装置用フルカラー光源として有用である。ここでＲＧＢの波長帯域についての典型的な範囲は、Ｒ波長帯域はλＲ：６００ｎｍ−７８０ｎｍ、Ｇ波長帯域はλＧ：５００ｎｍ−５５０ｎｍ、Ｂ波長帯域はλＢ：４２０ｎｍ−４９０ｎｍである。発光を実現するための具体的な手段については、上記の多様な方法を用いることができる。

もちろん、ＲＧＢ３色に限らず、例えば、コンパクトディスク（ＣＤ）およびＤＶＤにおける光記録再生用光源に用いる場合には、動作波長を７８５ｎｍと６６０ｎｍ付近で共振波長を持つように設計するとよい。さらに、４０５ｎｍ青色波長帯域を用いる高密度光記録再生用光源にも適用することができる。よって、光記録再生用光源として、３つの波長の光を発光するモノリシック光源を構成することも可能であり、光ディスク記録再生用光ヘッドの小型化および複合化に有用である。

本発明にかかる３次元フォトニック結晶を用いたカラーフィルタの概略図を図３０に示す。設計波長でフォトニックバンドギャップ波長帯域を実現する３次元フォトニック結晶を複数個配置した構造をとっており、例えば、各々の領域を液晶パネルの画素面積と一致させるように設計することで、表示装置用カラーフィルタとして応用できる。図３１に示すように反射型液晶パネルの裏面に本実施例にかかるカラーフィルタを具備することによって表示パネルとして応用できる。また、ＣＣＤやＣＭＯＳなど撮像素子に具備することによって、補色フィルタとして応用できる（図３２）。三次元周期構造設計により、動作中心波長、動作波長帯域を自由に選択することが可能で、かつ、フォトニックバンドギャップを利用することで入射角度特性に優れ色再現性のよい、高品質なカラーフィルタを実現できる。また、各々の動作波長に対する構造を一括して作製できるため、液晶パネルや撮像素子へのアライメントが容易になる。

３次元フォトニック結晶Ａの概略図 ３次元フォトニック結晶Ａの上面図 ３次元フォトニック結晶Ａの側面図 異なる付加層幅を持つ３次元フォトニック結晶Ａ１とＡ２のフォトニックバンド構造 離散構造数の異なる３次元フォトニック結晶の側面図 離散構造の形状の変形例の上面図 ３次元フォトニック結晶Ａのフォトニックバンド構造 付加層幅とフォトニックバンドギャップ中心波長の関係 フォトニックバンドギャップと共振波長についての概略図 ３層の付加層の詳細図 第２の付加層幅に対するフォトニックバンドギャップ中心波長 モノリシック構造の概略図 ３次元フォトニック結晶Ｄの概略図 離散構造の屈折率とフォトニックバンドギャップ中心波長の関係 離散構造の屈折率及び形状とフォトニックバンドギャップ中心波長の関係 ３次元フォトニック結晶Ｇ，Ｈ，Ｉの離散構造幅１ｘとフォトニックバンドギャップ中心波長の関係 複数の領域において形状が異なる離散構造をもつ３次元フォトニック結晶の点欠陥共振器の概略図 ３次元フォトニック結晶中の直方体の点欠陥 点欠陥に起因する共振モード 複数の領域において屈折率が異なる離散構造を持つ３次元フォトニック結晶の点欠陥共振器の概略図 複数の領域において形状が異なる離散構造をもつ３次元フォトニック結晶の線欠陥導波路の概略図 複数の領域において屈折率が異なる離散構造をもつ３次元フォトニック結晶の線欠陥導波路の概略図 複数の領域において形状が異なる離散構造をもつ３次元フォトニック結晶の光分合波素子の概略図 複数の領域において屈折率が異なる離散構造をもつ３次元フォトニック結晶の光分合波素子の概略図 ３次元フォトニック結晶Ｇ，Ｈ，Ｉの点欠陥共振器による共振モードスペクトル 無機発光材料を用いた点欠陥型発光素子 有機発光材料を用いた点欠陥型発光素子 電流注入に透明電極を用いた点欠陥型発光素子 外部光源を用いた点欠陥型発光素子 カラーフィルタ素子の概略図 カラーフィルタ素子の応用例１ カラーフィルタ素子の応用例２ 従来の３次元フォトニック結晶 従来の格子周期変調型の３次元フォトニック結晶

符号の説明

１０Ａ ３次元フォトニック結晶Ａ
１０Ｂ ３次元フォトニック結晶Ｂ
１０Ｃ ３次元フォトニック結晶Ｃ
１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ、１０１ｄ、２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃ、２０１ｄ ロッド
１０２、２０２ａ、２０２ｂ 離散構造
３０１ 線欠陥
３０２ 点欠陥
４００、４０３ 発光層
４０１ 絶縁体
４０２、４０６ 電極
４０４ 電子輸送層
４０５ ホール輸送層
４０７、４１１、４１７ 点欠陥共振器
４０８、４１２ 発光材料
４０９、４１３、４１６ フォトニック結晶
４１０、４１４ 透明電極
４１５ 発光構造
４１８ 紫外線光源
４１９ 波長選択フィルタ
５０１ カラーフィルタ
５０２ 保護層
５０３ａ、５０３ｂ 電極
５０４ 液晶デバイス
５０５ 撮像素子

Claims (22)

1. フォトニックバンドギャップを呈する３次元フォトニック結晶であって、第１の軸に平行に、第１の間隔で配置された複数の柱状構造を含む第１の層と、第２の軸に平行に、第２の間隔で配置された複数の柱状構造を含む第２の層と、該第１の軸および第２の軸を含む平面内において離散的に配置された離散構造を含む層を１層以上含む付加層を有し、該第１の層と該第２の層は該付加層を介して積層され、該付加層に含まれる離散構造は隣接する該柱状構造の交点に相当する位置に配置されており、前記３次元フォトニック結晶は、前記第１の軸および前記第２の軸を含む平面において、複数の領域が設定されており、該領域ごとに異なる離散構造が形成されていることを特徴とする３次元フォトニック結晶。
2. フォトニックバンドギャップを呈する３次元フォトニック結晶であって、第１の軸に平行に、第１の間隔で配置された複数の柱状構造を含む第１の層および第３の層と、第２の軸に平行に、第２の間隔で配置された複数の柱状構造を含む第２の層および第４の層と、該第１の軸および第２の軸を含む平面内において離散的に配置された離散構造を含む層を１層以上含む付加層を有し、該第１の層から該第４の層が各層の間にそれぞれ該付加層を介して積層されており、該第１の層と該第３の層に含まれる柱状構造が該第１の軸に垂直な方向に前記第１の間隔の半分だけ相互にずれるように積層され、該第２の層と該第４の層に含まれる柱状構造が該第２の軸に垂直な方向に前記第２の間隔の半分だけ相互にずれるように積層され、該付加層に含まれる離散構造は隣接する該柱状構造の交点に相当する位置に配置されており、前記３次元フォトニック結晶は、前記第１の軸および前記第２の軸を含む平面において、複数の領域が設定されており、該領域ごとに異なる離散構造が形成されていることを特徴とする３次元フォトニック結晶。
3. 前記３次元フォトニック結晶の複数の領域は、該領域ごとに前記離散構造の形状が異なることを特徴とする請求項１または２に記載の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複数の領域は、該領域ごとに前記離散構造を構成する媒質の屈折率が異なることを特徴とする請求項１または２に記載の３次元フォトニック結晶。
5. 前記３次元フォトニック結晶の複数の領域は、該領域ごとに前記離散構造の形状および前記離散構造を構成する媒質の屈折率が異なることを特徴とする請求項１または２に記載の３次元フォトニック結晶。
6. 前記３次元フォトニック結晶の複数の領域は、それぞれ異なるフォトニックバンドギャップ波長帯域を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の３次元フォトニック結晶。
7. 前記柱状構造以外の領域、および前記離散構造以外の領域に、該柱状構造および該離散構造を構成する媒質とは異なる媒質が充填されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の３次元フォトニック結晶。
8. 前記柱状構造を構成する媒質の屈折率および前記離散構造を構成する媒質の屈折率は、それ以外の領域に充填された媒質の屈折率よりも高いことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の３次元フォトニック結晶。
9. 前記柱状構造を構成する媒質の屈折率および前記離散構造を構成する媒質の屈折率と、それ以外の領域に充填された媒質の屈折率との比は、２よりも大きいことを特徴とする請求項８に記載の３次元フォトニック結晶。
10. 前記第１の軸と前記第２の軸が直交していることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の３次元フォトニック結晶。
11. 請求項１乃至１０に記載の３次元フォトニック結晶の内部に欠陥部が設けられていることを特徴とする光学素子。
12. 前記３次元フォトニック結晶は、導波路として機能する線欠陥を有することを特徴とする請求項１１に記載の光学素子。
13. 前記光学素子は複数の波長で動作する分散補償素子であることを特徴とする請求項１２に記載の光学素子。
14. 前記３次元フォトニック結晶は、共振器として機能する点欠陥を有することを特徴とする請求項１１に記載の光学素子。
15. 前記光学素子は複数の波長で動作する狭スペクトル帯域光フィルタであることを特徴とする請求項１４に記載の光学素子。
16. 前記３次元フォトニック結晶は線欠陥および点欠陥を有し、該欠陥部は複数の波長で動作する光分合波回路として機能することを特徴とする請求項１１に記載の光学素子。
17. 前記複数の領域の各領域は、発光材料を含む点欠陥を有し、複数の波長で発光することを特徴とする請求項１１に記載の光学素子。
18. 請求項１７に記載の光学素子は、光通信帯域における複数の波長で発光するレーザ素子であることを特徴とする光学素子。
19. 請求項１７に記載の光学素子は、可視域における複数の波長で発光するレーザ素子であることを特徴とする光学素子。
20. 赤色、緑色、青色で発光することを特徴とする請求項１９に記載の光学素子。
21. 請求項１７に記載の光学素子は、光ディスク記録再生用の波長帯域における複数の波長で発光するレーザ素子であることを特徴とする光学素子。
22. 請求項１乃至１０に記載の３次元フォトニック結晶であって、複数の波長でカラーフィルタとして動作することを特徴とする光学素子。

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