JP4681935B2 - 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
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Description
複数の柱状構造が所定の間隔を空けて配列された第1の層と、
該第1の層の該柱状構造とは異なる方向に延びる複数の柱状構造が、所定の間隔を空けて配列された第2の層と、
該第1の層の前記柱状構造と同じ方向に延びる複数の柱状構造が、所定の間隔を空けて配列された第3の層と、
該第2の層の前記柱状構造と同じ方向に延びる複数の柱状構造が、所定の間隔を空けて配列された第4の層と、
前記4つの層の各層に平行な平面内において互いに接しないように離散的に配置された離散構造からなる付加層を有し、
該第1の層と該第3の層に含まれる柱状構造は、相互に該柱状構造の延びる方向と垂直な方向に該所定の間隔の半分ずれて配列されており、
該第2の層と該第4の層に含まれる柱状構造は、相互に該柱状構造の延びる方向と垂直な方向に前記所定の間隔の半分ずれて配列されており、
該第1の層から該第4の層が前記付加層を介さずに順次積層された第1の領域と、
該第1の層から該第4の層が各層の間にそれぞれ前記付加層を介して順次積層され、該付加層に含まれる離散構造は該柱状構造の交点に相当する位置に配置された第2の領域を有し、
該第1の領域と該第2の領域は、各層に含まれる柱状構造の層内方向および積層方向の配列周期が等しいことを特徴としている。
これらのフォトニック結晶構造を形成する媒質としては従来のフォトニック結晶構造と同様に、高い屈折率比を有する2種類以上の媒質を用いる。角柱構造200aおよび離散構造200b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。角柱構造200aおよび離散構造200b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、2次元周期パターンは、干渉露光法、ナノインプリント法、超短パルス光による多光子吸収過程を用いた方法や、X線露光、紫外線露光、近接場露光などリソグラフィ技術を用いた方法などとエッチングを組み合わせて形成しても良い。また、マスクパターンを用いた選択成長で形成しても良い。
200 第2の領域
300 第1の領域
200a 柱状構造(角柱)
200b 離散構造(直方体)
201 第1の層
202 第2の層
203 第3の層
204 第4の層
205 第5の層
206 第6の層
207 第7の層
208 第8の層
209 第9の層
210 第10の層
211 第11の層
212 第12の層
201a 角柱
204a 角柱
207a 角柱
210a 角柱
202a 直方体
203a 直方体
205a 直方体
206a 直方体
208a 直方体
209a 直方体
211a 直方体
212a 直方体
Claims (16)
- 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、
複数の柱状構造が所定の間隔を空けて配列された第1の層と、
該第1の層の該柱状構造とは異なる方向に延びる複数の柱状構造が、所定の間隔を空けて配列された第2の層と、
該第1の層の前記柱状構造と同じ方向に延びる複数の柱状構造が、所定の間隔を空けて配列された第3の層と、
該第2の層の前記柱状構造と同じ方向に延びる複数の柱状構造が、所定の間隔を空けて配列された第4の層と、
前記4つの層の各層に平行な平面内において互いに接しないように離散的に配置された離散構造からなる付加層を有し、
該第1の層と該第3の層に含まれる柱状構造は、相互に該柱状構造の延びる方向と垂直な方向に該所定の間隔の半分ずれて配列されており、
該第2の層と該第4の層に含まれる柱状構造は、相互に該柱状構造の延びる方向と垂直な方向に前記所定の間隔の半分ずれて配列されており、
該第1の層から該第4の層が前記付加層を介さずに順次積層された第1の領域と、
該第1の層から該第4の層が各層の間にそれぞれ前記付加層を介して順次積層され、該付加層に含まれる離散構造は該柱状構造の交点に相当する位置に配置された第2の領域を有し、
該第1の領域と該第2の領域は、各層に含まれる柱状構造の層内方向および積層方向の配列周期が等しいことを特徴とする3次元フォトニック結晶。 - 前記第1の領域および第2の領域は、それぞれ異なるフォトニックバンドギャップを有することを特徴とする請求項1の3次元フォトニック結晶。
- 前記第1の領域に含まれる前記柱状構造の層内の幅と、前記第2の領域に含まれる前記柱状構造の層内の幅は等しいことを特徴とする請求項1又は2の3次元フォトニック結晶。
- 前記第1の領域に含まれる前記柱状構造の積層方向の高さと、前記第2の領域に含まれる前記柱状構造の積層方向の高さは等しいことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項の3次元フォトニック結晶。
- 前記第1の領域に含まれる前記柱状構造の積層方向の高さと、前記第2の領域に含まれる前記柱状構造の積層方向の高さは異なることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項の3次元フォトニック結晶。
- 請求項1乃至5のいずれか1項の3次元フォトニック結晶の内部に周期欠陥部を有していることを特徴とする光学素子。
- 前記3次元フォトニック結晶は線欠陥を有し、該線欠陥は導波路として機能することを特徴とする請求項6に記載の光学素子。
- 前記光学素子は分散補償素子として動作することを特徴とする請求項7に記載の光学素子。
- 前記3次元フォトニック結晶は点欠陥を有し、該点欠陥は共振器として機能することを特徴とする請求項6に記載の光学素子。
- 前記光学素子は複数の波長で狭スペクトル帯域光フィルタとして動作することを特徴とする請求項9に記載の光学素子。
- 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入出力回路として機能することを特徴とする請求項6に記載の光学素子。
- 前記3次元フォトニック結晶の前記離散構造が異なった各領域は、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6に記載の光学素子。
- 前記光学素子は、赤外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請求項12の光学素子。
- 前記光学素子は、可視光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請求項12の光学素子。
- 前記光学素子は可視光波長帯域における赤色、緑色、青色の3波長で発光することを特徴とする請求項14に記載の光学素子。
- 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を有し、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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