JP4881056B2 - 電磁波吸収体部を含むフォトニック結晶電磁波デバイス、及びその製造方法 - Google Patents

電磁波吸収体部を含むフォトニック結晶電磁波デバイス、及びその製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、電磁波デバイス及びその製造方法に関するものであって、特に、電磁波吸収体部を含むフォトニック結晶電磁波デバイス、及びその製造方法に関するものである。
近年、電磁波、特に光の伝搬を制御できるデバイスとして、光学特性が周期的に変化する構造を有する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、典型的には、構成物質の屈折率が周期的に分布（変化）している構造体であり、構造設計だけで斬新な機能を実現可能な人工材料である。
フォトニック結晶の大きな特徴として、特定の電磁波が伝搬できない周波数または波長領域、いわゆるフォトニックバンドギャップを形成することがある（非特許文献1参照）。フォトニック結晶において、その構造、構造の周期、及び構成材料の屈折率を適宜に調整することによって、フォトニックバンドギャップの中心位置及び該ギャップの幅を調整できることが知られている。更に、フォトニック結晶中の屈折率分布に適切な欠陥を導入することにより、フォトニックバンドギャップ中にこの欠陥によるエネルギー準位（欠陥準位）を形成することができる。こうしたことによって、フォトニック結晶は電磁波を柔軟に制御できる。
一方、電磁波干渉ノイズを回避する光電融合基板を提供する目的として、次の様な技術が提案されている（特許文献1参照）。すなわち、フォトニック結晶を形成した後、その細孔の一部に誘電体、或は導電性材料、或は磁性体を充填して、その部分で電磁波を吸収することで電磁ノイズの発生を抑制する技術が提案されている。
Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．58， 2059−2062頁，1987年 特開2003−57461号公報
以上の様なフォトニック結晶の技術状況の中で、電磁波用のデバイスとする場合、フォトニックバンドギャップの中心位置とギャップの幅のみならず、フォトニック結晶のバンド端ないしその付近の構造が設計できることも望ましい。
しかしながら、フォトニック結晶のデバイス特性、特にフォトニック結晶のバンド端ないしその付近の制御に当たって、従来の様にフォトニック結晶の構造、構造の周期、及び材料の屈折率を設計するだけでは、限度がある。
また、特許文献1は、電磁波を吸収する部分を導入する技術を開示するが、電磁波干渉ノイズを回避することを目的としたものであって、フォトニック結晶のバンド構造の制御に係るものではない。
上記課題に鑑み、本発明のフォトニック結晶電磁波デバイスは、フォトニック結晶構造体を有する。そして、前記フォトニック結晶構造体中に、他部より消衰係数が大きい電磁波吸収体部が、周期的に配置されていることを特徴とする。ここで、前記フォトニック結晶構造体は第1の複素屈折率を持つ部分と第2の複素屈折率を有する部分とが交互に周期的に配置されて構成され、前記電磁波吸収体部の配置の周期が、前記フォトニック結晶構造体の光学特性の変化の周期の１以上の整数倍であり、前記フォトニック結晶構造体の前記第1の複素屈折率を持つ部分は半導体からなり、前記第2の複素屈折率を持つ部分は、前記半導体の酸化物、真空の空隙、又はガスの充填された空隙のうちのいずれか１つからなる。
また、上記課題に鑑み、本発明のフォトニック結晶電磁波デバイスの製造方法は、次の第1の工程と第2の工程を含むことを特徴とする。前記第1の工程では、半導体微細加工技術で、フォトニック結晶構造体を製造する。前記第2の工程では、半導体微細加工技術で、前記フォトニック結晶構造体中に、周期的に、他部より消衰係数が大きい電磁波吸収体部を導入する。ここで、前記フォトニック結晶構造体は第1の複素屈折率を持つ部分と第2の複素屈折率を有する部分とが交互に周期的に配置されて構成され、前記電磁波吸収体部の配置の周期が、前記フォトニック結晶構造体の光学特性の変化の周期の１以上の整数倍であり、前記フォトニック結晶構造体の前記第1の複素屈折率を持つ部分は半導体からなり、前記フォトニック結晶構造体を製造する工程において、前記第2の複素屈折率を持つ部分を製造する工程は、前記半導体の一部をエッチングして空隙を形成する工程、又は前記半導体の一部を酸化する工程を含む。
本発明のフォトニック結晶電磁波デバイスによれば、フォトニック結晶構造体の所定の場所に電磁波吸収体部を周期的に導入するので、バンド構造、特にバンド端を含めたバンド間の構造を比較的高い自由度で設計できる。また、本発明のフォトニック結晶電磁波デバイスの製造方法によれば、イオン注入または熱拡散などの半導体微細加工技術を用いるので、電磁波吸収体部の導入において、比較的高い位置精度及び比較的高い消衰係数制御性を得ることができる。
以下に、本発明のフォトニック結晶電磁波デバイスの原理と共に実施の形態について、図面を参照して説明する。ここでは、説明を分かり易くするために、比較的単純な構成の実施形態を挙げる。尚、図中の同一要素に関しては、同符号を用いる。ただし、本発明フォトニック結晶電磁波デバイスにおける材料、構造、形状、数値などはここに挙げられたものに限定されない。
図1は、フォトニック結晶の一例である2次元格子フォトニック結晶を示す。このうち、図1（a）は、電磁波吸収体部40を導入する前のフォトニック結晶構造体（母体）10を示す。図1（b）は、電磁波吸収体部40を導入した後のフォトニック結晶構造体10を示す。図1において、20は、フォトニック結晶構造体10を構成する第1の誘電体であり、30は、フォトニック結晶構造体10を構成する第2の誘電体であり、40は、フォトニック結晶構造体10中に導入された電磁波吸収体部である。電磁波吸収体部40は、本フォトニック結晶電磁波デバイスの他の部分より大きな消衰係数（たとえば、屈折率の１／１００以上）を有する。
本実施形態では、フォトニック結晶構造体10は、ｘ、ｙそれぞれの方向において、周期aの屈折率分布を有し、第1の誘電体20のｘ方向に伸びるロッド21とｙ方向に伸びるロッド22を含む。ロッド21とロッド22はそれぞれ幅wを有する。フォトニック結晶構造体10の周期aは、制御すべき電磁波（光、テラヘルツ波など）の中心周波数などに合わせて設計される。周期aの典型的な値は、200ｎｍ〜1ｍｍである。それに応じて、フォトニック結晶構造体10に含まれる第1の誘電体20のロッド21、22の幅wが決まる。フォトニック結晶構造体10の全体のサイズは、ｘ、ｙのそれぞれの方向におけるロッド21、22と第2の誘電体30の周期数によって決まる。フォトニック結晶特有の効果を有効に発揮するという観点から、この周期数は5以上であることが望ましい。
第1の誘電体20は、例えば、シリコンを代表とする半導体（好ましくは高抵抗半導体）であり、対象とする電磁波の周波数領域において電磁波を吸収しない材料からなる。第2の誘電体30は、上記電磁波周波数領域において吸収がない適当な材料であってもよいし、また、真空や、空気や、窒素や、アルゴンなどの不活性ガス等のガスであってもよい。
第2の誘電体30の部分を空間とするフォトニック結晶構造体10は、半導体微細加工技術（例えば、フォトリソグラフィや電子ビーム露光などのパターン形成技術と反応性イオンエッチングなど）を用いて製造することができる。
シリコンを代表とする半導体で第1の誘電体20の部分を形成し、その半導体の酸化物（酸化シリコンなど）で第2の誘電体30の部分を形成することもできる。この様な構成のフォトニック結晶構造体10は、例えば、平板状のシリコンを所定のパターンを持つマスクで覆って所定の部分を酸化することで形成できる。
また、第1の誘電体20の部分と第2の誘電体30の部分の境の所で屈折率は非連続的に変わっているので、図1に示すフォトニック結晶構造体10の屈折率分布は、矩形状に変化している。しかし、屈折率分布は、例えば、正弦波状に変化する如く、徐々に屈折率が変化する様な態様で形成してもよい。
なお、図1はフォトニック結晶の平面図であり、厚み方向の構造を示していないが、この一層だけで全体を構成してもよいし、厚み方向に同じ構造が適当な間隔でもって複数積層されていてもよい。また、厚み方向に、この同じ構造が、異なる構造を交えて積層されて、屈折率分布構造を形成してもよい。このことは、以下の説明でも同様である。
吸収体部40について説明する。図1（b）に示しているのは、電磁波吸収体部40を含有するフォトニック結晶構造体10の例である。電磁波吸収体部40の配置位置及び寸法を説明するため、図1（b）を部分的に拡大した図を図2に示す。この例では、電磁波吸収体部40は、第1の誘電体20からなるロッド22に対して、所定の場所に所定の寸法で導入されている。ここでは、電磁波吸収体部40は、2つのロッド21に挟まれたロッド22の部分のほぼ中間位置に導入され、幅ｄと長さｔの矩形形状を有する。必要に応じて、電磁波吸収体部40のサイズや形状は適宜に変化させればよい。例えば、図1と図2では、電磁波吸収体部40の形状は長方形であるが、正方形や円など、他の形成可能な形状であってもよい。また、電磁波吸収体部40のフォトニック結晶構造体10中における配置位置も、適宜に変化させることができる。更に、各電磁波吸収体部40を構成する部分も、1つであってもよいし、複数であってもよい。
図1と図2の本実施形態における電磁波吸収体部40の周期的配列を要約して言えば、ｘ、ｙのそれぞれの方向において、1つの部分からなる電磁波吸収体部40の配列の周期とフォトニック結晶構造体10の光学特性の変化の周期とが同じになっている。その周期がaで示されている。しかし、同じ方向における電磁波吸収体部40の配置の周期とフォトニック結晶構造体10の光学特性の変化の周期とは、前者の周期が後者の周期の整数倍である様にもできる。例えば、前者の周期を後者の周期の2倍にするには、図1（b）の構成において吸収体部40を1つ置きに除けばよい。また、電磁波吸収体部40の周期的配列は、フォトニック結晶構造体10の光学特性が変化する方向のうちの少なくとも1つの方向に沿って導入すればよい。例えば、ｘとｙの一方の方向にのみ電磁波吸収体部40の周期的配列を導入することもできる。これらのことは、フォトニック結晶電磁波デバイスのバンド構造、特にバンド端を含めたバンド間の構造をどの様に制御したいかという目的に応じて決めればよい。
電磁波吸収体部40の導入手法としては、例えば、次の方法がある。まず、イオン注入または熱拡散などの技術を用いて、母体としてのフォトニック結晶構造体10の所定の場所に所定の元素を混入した後、適切な温度処理によって、導入した元素を活性化させる。これにより、該注入場所の電子密度またはホール密度が、前記フォトニック結晶構造体10の母体より、所定の密度まで高くなる様にする。前記吸収体部40の導入において、高い位置精度と高い消衰係数制御性を実現するために、収束イオンビームを用いるのが好適である。また、電磁波吸収体部40は、フォトニック結晶構造体10中の空隙部に別の物質を充填するという様な方法でも導入できる。例えば、第2の誘電体30の部分として示される空隙部の全部或いは一部に電磁波吸収体部40となる物質を充填してもよい。空隙部の全部に電磁波吸収体部40となる物質を充填する場合、電磁波吸収体部40は第2の誘電体30が果たしていた役割も果たすことになる。
前記キャリア密度（キャリアは、電子またはホールを指す）が高いところは、フォトニック結晶電磁波デバイスの他の部分より強く電磁波を吸収するので、電磁波吸収体部として働く。吸収体部40の消衰係数を所望の値にするためには、前記キャリアの密度を制御すればよい。実際の半導体デバイスにおいて、前記キャリアの密度は1016〜1021ｃｍ−3の広い範囲にわたって容易に制御できる。
上記吸収体部の消衰係数の定義について説明する。材料の複素屈折率をｎ、その実部をｎｒ、その虚部をκとすると、式1の関係がある。
ｎ＝ｎｒ＋ｉκ （式1）
式1において、κを消衰係数と呼ぶ。
消衰係数κは一般には電磁波の周波数に依存する。例えば、電磁波の周波数（ω/2π）が0．5ＴＨｚであるとすると、高純度結晶シリコンにおいて、κ≒0である。ところが、消衰係数κは、次のドゥルーデの関係式によると、前記キャリアの密度の制御によって変化を与えることもできる。
ε＝εSi＋ｉσ／（ωε0） （式2）
ただしσ＝（Ｎｅ2τ／ｍ）／（1−ｉωτ）
式2においてεは複素誘電率を表し、ｎ＝ε1/2である。εSiは高純度結晶シリコンにおける背景誘電率であって、ここでは11．56と仮定する。また、ｅは電子の素電荷、ε0は真空中の誘電率である。ｍはキャリアの有効質量であって、いま、キャリアが電子であることを想定し、0．26ｍ0と仮定する（ｍ0は電子の質量）。さらに、τは緩和時間を表す。
これに従えば、所定の領域の電子密度をＮ＝1×1016ｃｍ−3にすると（このときτ＝1．9ｐｓｅｃを仮定する）、該領域において、κ≒1になる。電子密度をＮ＝1×1017ｃｍ−3にすると（このときτ＝1．2ｐｓｅｃを仮定する）、該領域において、κ＞4になる。
本実施形態の上記フォトニック結晶電磁波デバイスに所定の方向から電磁波を入射して、所定の方向からその透過率を測定する。すると、前記電磁波吸収体部40の導入によって、フォトニック結晶電磁波デバイスのバンド構造、特にバンド端を含めたバンド間の構造が制御可能であることが分かる。本実施形態では、この効果は、第1バンドギャップと第2バンドギャップのバンド間において、特に顕著である。これは、電磁波吸収体部40の配置の周期とフォトニック結晶構造体10の光学特性の変化の周期とが同じになっていることに主に起因する。
また、本実施形態は次の様な構成になっていると言える。すなわち、フォトニック結晶構造体10は、第1の複素屈折率を持つ部分（第1の誘電体20の部分）と第2の複素屈折率を持つ部分（第2の誘電体30の部分）から構成される。そして、電磁波吸収体部40は第3の複素屈折率を持ち、第3の複素屈折率の消衰係数は、第1の複素屈折率の消衰係数及び第2の複素屈折率の消衰係数よりも大きい。しかし、フォトニック結晶構造体10を3つ以上の誘電体の部分から構成して、所望の屈折率分布を形成してもよい。
本実施形態によれば、フォトニック結晶のバンド構造、特にバンド端を含めたバンド間の構造を高い自由度で設計できるフォトニック結晶電磁波デバイスが実現できる。この様なフォトニック結晶電磁波デバイスは電磁波デバイスとして、従来にない新規な性能を持つ。また、該電磁波吸収体部を含有するフォトニック結晶電磁波デバイスは、半導体微細加工技術などを用いて比較的簡易な手法で製造することができる。前記吸収体部の個数、位置及び消衰係数も高い設計精度で制御できるため、高性能なデバイスが期待できる。更に、前記吸収体部を含有するフォトニック結晶電磁波デバイスは、優れた特性を持つ電磁波のバンドパスフィルタや、電磁波のパワーアテニュエータなどとして応用できる。例えば、アテニュエータとしての利用方法としては、前記吸収体部を含有するフォトニック結晶電磁波デバイスをレーザ共振器に用いてバンド端発光の制御を行なうことなどがある。
これについて、微小細孔アレイで構成するフォトニック結晶の所定の場所に吸収体部を導入するに当たって、上記特許文献1の従来の充填手法では、空間的に吸収体部を選択的に導入することが困難であると思われる。特に、フォトニック結晶を構成する細孔のサイズがサブミクロン以下で空間的に密集している場合、吸収体部の位置の精密な制御は容易ではない。
以下に、より具体的な実施例について、図面を参照して説明する。
（実施例1）
実施例1では、上記実施形態と基本的に同じフォトニック結晶の構造と製造法について、例を挙げて説明する。上記実施形態のところで説明した様に、図1は、ｘ、ｙの2方向にそれぞれ周期的に並んでいるロッド21、22からなる2次元格子フォトニック結晶を示している。
本実施例では、母体であるフォトニック結晶構造体10の周期は約400μｍであり、第1フォトニックバンドギャップの中心周波数は約0．18ＴＨｚである。フォトニック結晶を構成する第1の誘電体20は高抵抗シリコンであり、その抵抗率は10ｋΩｃｍ以上である。該第1の誘電体20のロッド21、22の幅25は約110μｍである。そして、第2の誘電体30は、真空である。使用時、ドライ窒素や、アルゴンなどの不活性ガスにしてもよい。
電磁波吸収体部40を導入した後のフォトニック結晶構造体10を示す図1（b）に図示の様に、電磁波吸収体部40は、ｙ方向に伸びるシリコンロッド22の中に配置され、その配置周期はフォトニック結晶構造体10の屈折率分布の周期と等しく、約400μｍである。電磁波吸収体部40は、幅ｄが約110μｍであり、長さｔが約40μｍである。
前記フォトニック結晶構造体10は、フォトリソグラフィでパターンを形成する工程と、反応性イオンエッチングによる深堀加工工程を用いて、空間である第2の誘電体30の部分を第1の誘電体20の高抵抗シリコン中に製造する。また、前記電磁波吸収体部40の導入手法として、金属マスクを用いた吸収体部40となる領域へのイオンビーム注入と適宜の熱処理で導入する。電磁波吸収体部40となる領域の電子密度は約2×1016〜8×1016ｃｍ−3であり、0．2ＴＨｚ付近では該電磁波吸収体部40の消衰係数κ≒3となる。
本実施例によれば、フォトニック結晶のバンド構造、特にバンド端を含めたバンド間の構造を高い自由度で設計できるフォトニック結晶電磁波デバイスが実現できる。また、半導体微細加工技術を用いたフォトニック結晶構造体10の作製や電磁波吸収体部40の導入においては、高い設計精度を実現できるため、高性能なフォトニック結晶電磁波デバイスが期待できる。
（実施例2）
実施例2では、上記実施形態と基本的に同じフォトニック結晶の構造の特性について、例を挙げて説明する。
まず、図3（a）に示している様に電磁波吸収体部を含有しない2次元格子フォトニック結晶構造体10の特性を示す。ここでは、図3（a）において、ｙ方向に沿って、電磁波70をフォトニック結晶構造体10に入射する。そして、電磁波検出器80でフォトニック結晶構造体10を経由した後の電磁波70を検出する。得られる電磁波70の透過特性のシミュレーション結果を図3（b）に示す。シミュレーションの手法は、ＦＤＴＤ（Finite
Difference Time Domain）法である（以下のシミュレーションについても同様）。シミュレーションでは、式1における複素屈折率ｎの実部ｎｒ及び虚部である消衰係数κの値をそれぞれ次の式の様にしている。
ｎｒ＝3．4 （式3）
κ＝0 （式4）
図3（b）から分かる様に、電磁波吸収体部を含まないフォトニック結晶構造体10の電磁波透過スペクトル100で、第2周波数領域92では第1のフォトニック結晶バンドギャップが見え、第4周波数領域94では第2のフォトニック結晶バンドギャップが見える。一方、第3周波数領域93では、フォトニック結晶バンドがほぼ平坦で、電磁波の透過率が1、つまり、100％に近い。そして、第1周波数領域91及び第5周波数領域95において、それぞれ図示の透過特性が見られる。
次に、前記2次元格子フォトニック結晶構造体10に電磁波吸収体部40を導入したときの電磁波透過特性の例を示す。図4（a）に示した様に、電磁波吸収体部40は、ｙ方向に走っているシリコンロッド22だけに配置される。電磁波吸収体部40の周期は、母体であるフォトニック結晶構造体10の周期aと等しく、約400μｍである。また、電磁波吸収体部40は、幅ｄが約110μｍであり、長さｔが約40μｍである。
図4（a）に示した様に、図3（a）と同様に、吸収体部40を導入したフォトニック結晶構造体10に電磁波70をｙ方向に沿って入射し、電磁波検出器80でフォトニック結晶を経由した後の電磁波70を検出する。得られる電磁波70の透過特性のシミュレーション結果を図4（）bに示す。シミュレーションでは、式1における複素屈折率ｎの実部ｎｒの値を次の様にしている。
ｎｒ＝3．4 （式5）
また、吸収体部40の消衰係数κの値を次の様にしている。
κ＝3 （式6）
図4（b）から分かる様に、電磁波吸収体部40を含有するフォトニック結晶の電磁波透過スペクトル（その1）110は、電磁波吸収体部を含有しないフォトニック結晶の電磁波透過スペクトル100とは大きく異なる。つまり、電磁波吸収体部40の導入によって、フォトニック結晶バンド構造が大きく変化している。
比較のため、図5に図3（b）に示した電磁波吸収体部を含有しないフォトニック結晶の電磁波透過スペクトル100と、図4（b）に示した電磁波吸収体部40を含有するフォトニック結晶のｙ方向における電磁波透過スペクトル110を重ねて表示している。図5では、電磁波吸収体部40を導入する前後におけるフォトニック結晶のバンド構造変化が明瞭である。特に、第3周波数領域93において、電磁波吸収体部40の導入によって、電磁波の透過率がほぼ一定でありながら、約5％にまで減少している。つまり、電磁波吸収体部40の導入によって、第1バンドギャップと第2バンドギャップ間のバンド構造が調整されている。
シミュレーションによれば、電磁波吸収体部の数、サイズ、形状及び吸収率等を変化することによって、第3周波数領域93における電磁波の透過率を広い範囲にわたって制御可能であることが分かった。前記特性を持つ電磁波デバイスを利用すると、該第3周波数領域における電磁波のパワーを調整することができる。また、図4と図5から分かる様に、第5周波数領域95において、電磁波吸収体部40の導入によって、電磁波の透過率が0．1％以下になっている。
前述の説明で分かる様に、電磁波吸収体部40の導入によって、フォトニック結晶のバンド構造、特にバンド端を含むバンド間構造の制御が可能になっている。この効果は、第1バンドギャップと第2バンドギャップのバンド間において、特に顕著である。これは、既に述べた様に、電磁波吸収体部40の配置の周期とフォトニック結晶構造体10の光学特性の変化の周期とが同じになっていることに主に起因する。本実施例では、電磁波吸収体部40の配置の周期がフォトニック結晶構造体10の光学特性の変化の周期の整数倍になっている構造でもあるので、上記以降のバンド間構造の制御も可能になっている。
次に、前記電磁波吸収体部40を含有するフォトニック結晶において、電磁波70の入射方向を変化したときの電磁波透過特性の例を、図6に示す。
ここでは、図6（a）に示した様に、ｘ方向に沿って、電磁波70をフォトニック結晶に入射し、電磁波検出器80でフォトニック結晶を経由した後の電磁波70を検出する。得られる電磁波70の透過特性のシミュレーション結果を図6（b）に示す。該電磁波透過スペクトル（その2）120を、図4（b）に示している電磁波70をｙ方向に沿って同一フォトニック結晶に入射するときの電磁波透過スペクトル110と比較してみると、異なる電磁波透過特性を得ていることが分かる。つまり、同じデバイスであっても、電磁波吸収体部の配置の異方性を利用して、電磁波の入射方向を変えるだけで、異なるバンド構造のフォトニック結晶電磁波デバイスを実現できる。
この実施例でも分かる様に、本発明の吸収体部を含有したフォトニック結晶電磁波デバイスは、優れた特性を持つ電磁波のバンドパスフィルタや、電磁波のパワーアテニュエータなどとして応用できる。例えば、アテニュエータとしての利用方法としては、第1のバンドギャップにおける片側のバンドエッジの制御が可能となっていることからも分かる様に、このデバイスをレーザ共振器とすることによるバンド端発光の制御などがある。
（実施例3）
実施例3では、前記2次元格子フォトニック結晶構造体10に、前記実施例2と異なる形態で電磁波吸収体部40を導入した例を説明する。本実施例では、図7（a）に示している様に、電磁波吸収体部40は、ｘ、ｙの2方向に走っているシリコンロッド21と22にそれぞれ配置され、その周期はフォトニック結晶構造体10の周期aと等しく、約400μｍである。また、電磁波吸収体部40は、幅ｄが約110μｍであり、長さｔが約40μｍである。
ここでは、図7（a）に示している様に、ｙ方向に沿って、電磁波70をフォトニック結晶に入射し、電磁波検出器80でフォトニック結晶を経由した後の電磁波70を検出する。本実施例では、その構造の対称性から、ｘ方向に沿って電磁波を入射しても同じである。得られる電磁波70の透過特性のシミュレーション結果を図7（b）に示す。シミュレーションでは、屈折率ｎの実部ｎｒ＝3．4、吸収体部40の消衰係数κ＝3としている。
図7（b）の電磁波透過スペクトル（その3）130を、図3（b）の電磁波透過スペクトル100と比較すると、図7（a）の様に電磁波吸収体部40を導入することによって、フォトニック結晶のバンド構造が変調されていることが分かる。シミュレーションによれば、電磁波吸収体部40の数、サイズ、形状及び吸収率等を変化することによって、各周波数領域91〜95における電磁波の透過率を広い範囲にわたって制御可能であることが分かる。これは、電磁波吸収体部40の配置の周期とフォトニック結晶構造体10の光学特性の変化の周期とが同じであると同時に、前者の周期が後者の周期の整数倍になってもいるという構造にも起因する。
また、図7（b）の電磁波透過スペクトル130と、図4（b）の電磁波透過スペクトル110と図6（b）の電磁波透過スペクトル120を比較すると、次の様になっている。すなわち、広い周波数領域にわたって、電磁波透過スペクトル130は、電磁波透過スペクトル110と電磁波透過スペクトル120の掛け算になっていることが分かる。この効果は、第1バンドギャップと第2バンドギャップのバンド間（周波数領域93）において、特に顕著である。つまり、前記周波数領域において、図7（a）に示すフォトニック結晶電磁波デバイスは、図4（a）と図6（a）に示す2つのフォトニック結晶電磁波デバイスの掛け算デバイスになっている。これによれば、バンド構造を制御したフォトニック結晶電磁波デバイスの掛け算デバイスが実現できる。
本発明の実施形態及び実施例1に係るフォトニック結晶電磁波デバイスを説明する平面図。 本発明の実施形態及び実施例1に係るフォトニック結晶電磁波デバイスにおける電磁波吸収体部の配置及び寸法を説明する平面図。 本発明の実施例2に係るフォトニック結晶電磁波デバイスにおける母体としてのフォトニック結晶構造体の平面図及びその透過特性図。 本発明の実施例2に係るフォトニック結晶電磁波デバイスの平面図及びその透過特性図。 図3と図4の透過特性図を比較して示した図。 本発明の実施例2に係るフォトニック結晶電磁波デバイスの他の用い方を説明する平面図及びその透過特性図。 本発明の実施例3に係るフォトニック結晶電磁波デバイスの平面図及びその透過特性図。
符号の説明
10 フォトニック結晶構造体（母体）
20 第1の誘電体
21 ｘ方向に走るロッド
22 ｙ方向に走るロッド
30 第2の誘電体
40 電磁波吸収体部
70 電磁波のおよびその入射方向
80 電磁波検出器
91 第1周波数領域
92 第2周波数領域
93 第3周波数領域
94 第4周波数領域
95 第5周波数領域
100 電磁波吸収体を含有しないフォトニック結晶の電磁波透過スペクトル
110 電磁波吸収体を含有するフォトニック結晶の電磁波透過スペクトル（その1）
120 電磁波吸収体を含有するフォトニック結晶の電磁波透過スペクトル（その2）
130 電磁波吸収体を含有するフォトニック結晶の電磁波透過スペクトル（その3）

Claims (6)

  1. 第1の複素屈折率を有する部分と第2の複素屈折率を有する部分とが交互に周期的に配置されて構成されるフォトニック結晶構造体中に、前記第1の複素屈折率の消衰係数及び前記第2の複素屈折率の消衰係数よりも大きい消衰係数を持つ第3の複素屈折率を有する電磁波吸収体部が周期的に配置され、
    前記電磁波吸収体部の配置の周期が、前記フォトニック結晶構造体の光学特性の変化の周期の１以上の整数倍であり、
    前記フォトニック結晶構造体の前記第1の複素屈折率を有する部分は半導体からなり、
    前記第2の複素屈折率を有する部分は、前記半導体の酸化物、真空の空隙、又はガスの充填された空隙のうちのいずれか１つからなることを特徴とするフォトニック結晶電磁波デバイス。
  2. 前記電磁波吸収体部の配置の周期と前記フォトニック結晶構造体の光学特性の変化の周期とが同じであ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電磁波デバイス。
  3. 前記電磁波吸収体部の配置の周期と前記フォトニック結晶構造体の光学特性の変化の周期とは、前者の周期が後者の周期の２以上の整数倍であ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電磁波デバイス。
  4. 周期的に配置された前記空隙の一部のみに、周期的に前記電磁波吸収体が充填されることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載のフォトニック結晶電磁波デバイス。
  5. フォトニック結晶電磁波デバイスの製造方法であって、
    半導体微細加工技術で、フォトニック結晶構造体を製造する工程と、
    半導体微細加工技術で、前記フォトニック結晶構造体中に、周期的に、他部より消衰係数が大きい電磁波吸収体部を導入する工程と、
    を含み、
    前記フォトニック結晶構造体は第1の複素屈折率を有する部分と第2の複素屈折率を有する部分とが交互に周期的に配置されて構成され、
    前記電磁波吸収体部の配置の周期が、前記フォトニック結晶構造体の光学特性の変化の周期の１以上の整数倍であり、
    前記フォトニック結晶構造体の前記第1の複素屈折率を有する部分は半導体からなり、
    前記フォトニック結晶構造体を製造する工程において、前記第2の複素屈折率を有する部分を製造する工程は、前記半導体の一部をエッチングして空隙を形成する工程、又は前記半導体の一部を酸化する工程を含むことを特徴とするフォトニック結晶電磁波デバイスの製造方法。
  6. 前記電磁波吸収体部を導入する工程において、イオン注入または熱拡散に続いて、熱処理をすることにより、前記フォトニック結晶構造体の前記電磁波吸収体部を導入すべき部分に元素を混入して、該混入部分の電子密度またはホール密度を、前記フォトニック結晶構造体の電子密度またはホール密度より高くすることを特徴とする請求項５に記載のフォトニック結晶電磁波デバイスの製造方法。
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