JP5272173B2 - ２次元フォトニック結晶 - Google Patents

Description

本発明は、光分合波器等の光デバイスや熱輻射光源等に用いられる２次元フォトニック結晶に関する。なお、本願において用いる「光」には、可視光以外の電磁波も含むものとする。

波長分割多重通信（Wavelength Division Multiplexing:WDM）に使用される光分合波器等の光通信用デバイスの分野において、高性能化、小型化、低価格化をはかるために、フォトニック結晶を利用したデバイスの開発が進められている。フォトニック結晶は、誘電体に周期構造を人工的に形成したものである。この周期構造は一般に、誘電体本体とは屈折率が異なる領域（異屈折率領域）を誘電体本体内に周期的に配置することにより形成される。その周期構造により、結晶中に光のエネルギーに関するバンド構造が形成され、光の伝播が不可能となるエネルギー領域が形成される。このようなエネルギー領域は「フォトニックバンドギャップ」（Photonic Band Gap:PBG）と呼ばれる。PBGが形成されるエネルギー領域（波長帯）は、誘電体の屈折率や周期構造の周期により定まる。

特許文献１には、本体（スラブ）に異屈折率領域を周期的に配置し、その周期的配置に線状の欠陥を設けることにより導波路を形成するとともに、その導波路に隣接して上記周期的配置に点状の欠陥を設けることにより共振器を形成した２次元フォトニック結晶が記載されている。この２次元フォトニック結晶は、導波路内を伝播する様々な波長の光のうち共振器の共振波長に一致する波長の光を外部へ取り出す分波器として機能すると共に、外部から導波路に導入する合波器としても機能する。

また、最近、２次元フォトニック結晶を熱輻射光源に用いることが検討されている。非特許文献１には、図１(a)に示すように、異なる半導体材料から成る複数の半導体板１１１、１１２、...を積層した量子井戸構造を有するスラブ１１に空孔１２を周期的に配置し、その空孔を点状に欠損させることにより点状欠陥共振器１３を形成した２次元フォトニック結晶１０が記載されている。図１(b)(c)に示すように、空孔１２は、スラブの上表面では三角格子の格子点１４１上に、下表面では上表面三角格子を構成する正三角形の重心の直下にある格子点１４２上に、それぞれ配置されている。そして、空孔１２は上表面と下表面の間では、上側格子点１４１からはそれに最隣接の３個の下側格子点１４２に向けて３方向にそれぞれ傾斜して延び、下側格子点１４２からはそれに最隣接の３個の上側格子点１４１に向けて３方向にそれぞれ傾斜して延びている。この２次元フォトニック結晶１０を加熱すると、量子井戸に形成される離散的なエネルギー準位（サブバンド）の間で電子又は正孔の遷移が生じ、このエネルギー差に対応する波長の光が発生する。この光は、点状欠陥共振器１３により強度が増幅され、２次元フォトニック結晶１０の外部に放出される。

一般の熱輻射源では、黒体スペクトルに近い広帯域な赤外線が放射されるため、その帯域からフィルターで所望の波長を切り出したうえで、ガス成分などの分光分析に用いられる。それに対して、２次元フォトニック結晶を用いた熱輻射光源では、最初から所望の波長のみの発光が得られるため、エネルギー利用効率が向上すると期待される。

特開2001-272555号公報（[0023]〜[0027]、[0032]、図1、図5〜6） 望月敬太 他３名、「サブバンド間遷移をもつ量子井戸を導入した2次元フォトニック結晶スラブからの熱輻射スペクトルの解析」、2006年秋季第67回応用物理学会学術講演会講演予稿集、2006年8月29日、社団法人応用物理学会発行、第３分冊、講演番号31p-ZD-12

波長合分波器等の光デバイスでは、多くの場合、電場が本体に平行に振動するTE偏波及び電場が本体に垂直に振動するTM偏波のどちらか一方の偏波の光に対してPBGが形成されるように設計される。例えば、特許文献１に記載の２次元フォトニック結晶ではTE偏波に対してのみPBGが形成され、TM偏波についてはPBGが形成されない。このような場合、両偏波を含む光が２次元フォトニック結晶の導波路や共振器に導入されると、TM偏波は導波路や共振器から本体内に散逸し、損失が発生してしまう。

一方、上述の２次元フォトニック結晶１０は、異屈折率領域がシェーンフリース表記でC_3v（ヘルマンモーガン表記で3m）の対称性を持つこと、及びスラブに垂直な方向について非対称であることにより、偏波の方向に拘わらずPBGを形成することができるという利点を有する。このようにあらゆる偏波に対して形成されるPBGを「完全PBG」と呼ぶ。しかし、前記２次元フォトニック結晶１０は、スラブ１１に対して傾斜した方向に、しかもスラブの一方の面上の異なる３点から３個の空孔１２を他方の面上の１点に向けて作製しなければならない、という点で高度な製造技術を要するという欠点を有する。

また、前記２次元フォトニック結晶１０における完全PBGの幅は、最大でも、完全PBGが得られるエネルギーの中央値の15%程度である。波長合分波器においては偏波の方向に拘わらず多くの波長の光を合波・分波させるために、また、熱輻射源としては広い帯域における不要な輻射を抑制して所望波長の発光でのエネルギー利用効率を向上させるために、より広い完全PBGを持つ２次元フォトニック結晶が求められる。

本発明が解決しようとする課題は、製造が容易であり、従来よりも広い完全PBGを得ることが可能な偏波無依存２次元フォトニック結晶を提供することである。

上記課題を解決するために成された本発明に係る２次元フォトニック結晶の第１の態様のものは、
a) 誘電体の板状部材から成る第１媒体内に該第１媒体よりも屈折率が低い第１異屈折率領域が第１三角格子の格子点に配置されて成る第１層と、
b) 第１層に載置された層であって、所定の誘電率を持つ第２媒体内に該第２媒体よりも屈折率が高い第２異屈折率領域が、前記第１三角格子における最隣接の３個の格子点から成る正三角形の重心を格子点とする第２三角格子の格子点に配置されて成る第２層と、
c) 第２層に載置された層であって、誘電体の板状部材から成る第３媒体内に該第３媒体よりも屈折率が低い第３異屈折率領域が、前記重心を通り第３層に垂直な軸を中心に前記第１三角格子を180°回転させた第３三角格子の格子点に配置されて成る第３層と、
を備えることを特徴とする。

このように、第１の態様の２次元フォトニック結晶では、前記第１異屈折率領域は第１三角格子の格子点に配置され、前記第３異屈折率領域は、前記第１三角格子における最隣接の３個の格子点から成る正三角形の重心を通り第３層に垂直な軸を中心に180°回転させた第３三角格子の格子点に配置されている。以下、このような第１三角格子と第３三角格子の関係を「対称」と呼ぶ。また、前記第２異屈折率領域は前記重心を格子点とする第２三角格子の格子点に配置されている。以下、このような第１三角格子と第２三角格子の関係を「相補」と呼ぶ。

第１の態様の２次元フォトニック結晶において、
第１異屈折率領域、第２異屈折率領域及び第３屈折率領域のうち少なくとも１つにつき形成された少なくとも１個の欠陥から成る点状欠陥共振器を備え、
第１媒体、第２異屈折率領域及び第３媒体のいずれか１つ又は複数が、複数種の半導体を積層して成り前記点状欠陥共振器の共振波長に対応するサブバンドの間の遷移エネルギーが形成されている量子井戸構造を有することができる。
また、本発明に係る２次元フォトニック結晶の第２の態様のものは、
a) 誘電体の板状部材から成る第１媒体内に該第１媒体よりも屈折率が低い第１異屈折率領域が周期的に配置されて成る第１層と、
b) 第１層に載置された層であって、所定の誘電率を持つ第２媒体内に該第２媒体よりも屈折率が高い第２異屈折率領域が前記第１異屈折率領域と同じ周期で配置されて成る第２層と、
c) 第２層に載置された層であって、誘電体の板状部材から成る第３媒体内に該第３媒体よりも屈折率が低い第３異屈折率領域が前記第１異屈折率領域と同じ周期で配置されて成る第３層と、
d) 第１異屈折率領域、第２異屈折率領域及び第３屈折率領域のうち少なくとも１つに形成された少なくとも１個の欠陥から成る点状欠陥共振器と、
を備え、
第１媒体、第２異屈折率領域及び第３媒体のいずれか１つ又は複数が、複数種の半導体を積層して成り前記点状欠陥共振器の共振波長に対応するサブバンドの間の遷移エネルギーが形成されている量子井戸構造を有する
ことを特徴とする。
これらの２次元フォトニック結晶は、熱輻射光源に用いることができる。

本発明の２次元フォトニック結晶において、
第１異屈折率領域、第２異屈折率領域及び第３屈折率領域のうち少なくとも１つにつき形成された少なくとも１個の欠陥から成る点状欠陥共振器と、
前記点状欠陥共振器の近傍に設けられた、第１異屈折率領域、第２異屈折率領域及び第３屈折率領域のうち少なくとも１つにつき形成された線状欠陥から成る導波路と、
を備えるものは波長合分波器として用いることができる。

本発明に係る２次元フォトニック結晶の製造方法は、
a) 基板上に誘電体の柱状部材から成る第２異屈折率領域を周期的に形成する工程と、
b) 誘電体の板状部材から成る第１媒体内に該第１媒体よりも屈折率が低い第１異屈折率領域が周期的に配置されて成る第１層と前記柱状部材の一方の端部を熱接着する工程と、
c) 前記基板を除去する工程と、
d) 誘電体の板状部材から成る第３媒体内に該第３媒体よりも屈折率が低い第３異屈折率領域が周期的に配置されて成る第３層と前記柱状部材の他方の端部を熱接着する工程と、
を有することを特徴とする。

本発明に係る２次元フォトニック結晶では、第１層及び第３層においては第１（３）異屈折率領域よりも屈折率が高い第１（３）媒体が２次元フォトニック結晶に平行な方向に拡がって存在し、第２層においては第２媒体よりも屈折率が高い第２異屈折率領域が２次元フォトニック結晶に垂直な方向に延びている。このような構造としたのは、次の理由による。２次元フォトニック結晶スラブ内に分布している光の電界の方向は、スラブ中心付近と表面付近では異なる。そのため、本発明に係る２次元フォトニック結晶ではそれに対応してフォトニック結晶中心層（第２層）及びそれを挟む表面層（第１層及び第３層）の３層構造とし、各層の電界方向に対して最適となるように設計したものである。このような構成を採ることより、本発明に係る２次元フォトニック結晶は、あらゆる方向の偏波に対する完全PBGを得ることができる。

本発明に係る２次元フォトニック結晶の中でも、第１と第３異屈折率領域を対称的配置とし、第２異屈折率領域をそれらに対して相補的配置としたものは、非特許文献１に記載の２次元フォトニック結晶と同様に結晶構造がC_3v（3m）の対称性を持つため、本発明の他の２次元フォトニック結晶よりも大きい完全PBGを得ることができる。また、このような３層配置を持つ本発明の２次元フォトニック結晶は、結晶構造の対称性に加えて上述の屈折率分布をもつため、非特許文献１に記載の２次元フォトニック結晶よりも大きい完全PBGを得ることができる。

本発明に係る２次元フォトニック結晶は、(i)第１層〜第３層の各層を作製する工程と、(ii)第１層と第２層、及び第２層と第３層を接合する工程と、により製造することができる。そのうち(i)の工程は、例えば特許文献１に記載されているようにフォトリソグラフィー法等を用いて容易に行うことができる。また、(ii)の工程は、３次元フォトニック結晶の製造に用いられる熱接着法（例えば特開2001-074955号公報の[0031]〜[0034]段落及び図8を参照）により容易に行うことができる。そのため、本発明に係る２次元フォトニック結晶は非特許文献１に記載の２次元フォトニック結晶よりも容易に製造することができる。

本発明に係る２次元フォトニック結晶の一実施形態を、図２〜図４を用いて説明する。図２は本実施形態の２次元フォトニック結晶２０の斜視図である。２次元フォトニック結晶２０は第１層２１、第２層２２及び第３層２３から成る３層構造を有する。図３に各層の構成を平面図で示す。第１層２１は、板状の誘電体から成る第１層スラブ（第１媒体）２１１に円形の第１層空孔（第１異屈折率領域）２１２を三角格子状に配置したものである（図３(a)）。第２層２２は、空気（第２媒体）中に円柱状の誘電体柱（第２異屈折率領域）２２２を、第１層空孔２１２と同じ周期で三角格子状に配置したものである（図３(b)）。第３層２３は、第１層２１と同様に、板状の誘電体から成る第３層スラブ（第３媒体）２３１に円形の第３層空孔（第３異屈折率領域）２３２を三角格子状に配置したものである（図３(c)）。

第１層空孔２１２と第３層空孔２３２は前述の対称的配置となっており、第２層の誘電体柱２２２はそれらに対して相補的配置となっている。この関係を詳しく説明する。図３(a)〜(c)に太実線で示した正三角形は第１層空孔２１２の位置を頂点とする正三角形である。誘電体柱２２２は太実線正三角形の重心Ｇの位置にある。第３層空孔２３２は、重心Ｇを通り第３層２３に垂直な軸を中心に太実線正三角形を180°回転させた太破線の正三角形の頂点の位置にある。
このように第１層空孔２１２、誘電体柱２２２、第３層空孔２３２を配置すると、誘電体柱２２２の位置は前述のように太実線正三角形の重心Ｇにあるだけでなく、太破線正三角形の重心の位置にもある。そのため、誘電体柱２２２は（第１層空孔２１２及び第３層空孔２３２ではなく）第１層スラブ２１１及び第３層スラブ２３１に接することとなり、第１層スラブ２１１と誘電体柱２２２、及び第３層スラブ２３１と誘電体柱２２２を接着することができる。
また、第１層空孔２１２と第３層空孔２３２の位置関係は、前述の２次元フォトニック結晶１０における上側格子点１４１と下側格子点１４２の位置関係と同じである。

第１層スラブ２１１及び第３層スラブ２３１の材料には、例えばSi、InGaAsP、GaAs、AlGaAs等を用いることができる。同様に、誘電体柱２２２の材料にもSi、InGaAsP、GaAs、AlGaAs等を用いることができる。第１層スラブ２１１及び／又は第３層スラブ２３１と誘電体柱２２２には異なる材料を用いてもよいが、それらの接合性をよくするためには同じ材料を用いることが望ましい。一方、例えば熱輻射光源において第１層、第３層のいずれか一方の側からのみ熱輻射光を取り出したい場合等には、第１層スラブ２１１と第３層スラブ２３１に異なる材料を用いることができ、それと共に誘電体柱２２２に第１層スラブ２１１及び／又は第３層スラブ２３１とは異なる材料を用いることもできる。

本実施形態の２次元フォトニック結晶２０は、以下の２つの理由により、完全PBGを持つ。まず、第１の理由を説明する。従来の１層のみで構成されるスラブ状の２次元フォトニック結晶においては、TE偏波に対してはPBGが比較的容易に開くものの、TM偏波に対してはPBGが開かない。これは、一般にTM偏波モードにおいては、２次元フォトニック結晶の表面付近では電界がスラブ面内方向を向くのに対して中心付近では電界がスラブに垂直な方向を向くという電界分布を持つため、均一な１層のみから成る従来の構造ではPBGを形成することが困難であることによる。それに対して本実施形態の２次元フォトニック結晶２０では、第１層２１及び第３層２３に異屈折率領域よりも屈折率が高い第１層スラブ２１１及び第３層スラブ２３１を用いることにより、表面付近での前記電界分布に対してPBGが開きやすい構造になっている。また、第２層２２に空気（第２媒体）よりも屈折率が高い誘電体柱２２２を用いることにより、中心付近での前記電界分布に対してPBGが開きやすい構造になっている。このように、本実施形態の２次元フォトニック結晶では、表面及び中心の層にそれぞれ、その層における電界分布に対応した異なる構造を採用することにより、完全PBGを持つことができた。

第２の理由は、相補的配置に起因するものである。相補的配置の場合には１個の誘電体柱２２２Ａと、その誘電体柱２２２Ａに最隣接の３個の第１層空孔２１２Ａ〜２１２Ｃと、その誘電体柱２２２Ａに最隣接の３個の第３層空孔２３２Ａ〜２３２Ｃ（図４）により、C_3v（3m）の対称性が形成される。これにより、非特許文献１に記載の２次元フォトニック結晶と同様の理由により、２次元フォトニック結晶２０は完全PBGを持つ。

上記実施形態では、第１層と第３層が対称的位置にあり、第１及び第３層が共に第２層に対して相補的位置にあったが、それ以外の場合、即ち第１層空孔２１２、誘電体柱２２２、第３層空孔２３２の３つの層が互いに対称的・相補的位置にない場合であっても、第１層〜第３層が上述の屈折率分布を持つ２次元フォトニック結晶は、上記第１の理由により完全PBGを持つ。

また、第１異屈折率領域及び第３異屈折率領域には、２次元フォトニック結晶２０で用いた空孔の他に、第１楳体及び第３媒体よりも屈折率が低い部材を用いることもできる。空孔は低屈折率部材を用いる場合よりも第１楳体及び第３媒体との屈折率の差を大きくできる点で、低屈折率部材は空孔を用いる場合よりも製造時における熱処理の際に変形し難いという点で、それぞれ利点を有する。更に、第２媒体には、２次元フォトニック結晶２０における空気の他に、第２異屈折率領域よりも屈折率が小さい板状部材を用いることもできる。空気から成る第２媒体は上記空孔の場合と同様に板状部材を用いる場合よりも第２異屈折率領域との屈折率の差を大きくできる点で、板状部材から成る第２媒体は第２層が第１層及び／又は第３層の保持の点で、それぞれ利点を有する。

図５を用いて、本発明に係る２次元フォトニック結晶の製造方法を説明する。ここでは上記実施形態の２次元フォトニック結晶２０を例に説明するが、他の実施形態のものも同様に作製することができる。
まず、第１層２１、第２層２２及び第３層２３をそれぞれ独立に作製する(a)。第１基板５１１上に第１層スラブ２１１を作製し、第１層スラブ２１１内に第１層空孔２１２を形成する。第１層スラブ２１１はその材料に応じて蒸着法やCVD法等の通常の方法により作製することができ、第１層空孔２１２はフォトリソグラフィーとエッチング法による通常の方法で形成することができる。第３層２３は、第１層２１と同様の方法により第３基板５１３上に作製することができる。第２層２２は、第２基板５１２上に誘電体柱２２２の材料から成る誘電体層を作製した後、フォトリソグラフィーとエッチング法により誘電体柱２２２以外の部分の誘電体層を除去することにより作製することができる。

第１層空孔２１２と誘電体柱２２２が相補的関係となるように第１層２１と第２層２２の相対位置を調整して両者を重ね、両者を加熱することにより熱接着する(b)。このような熱接着は３次元フォトニック結晶を製造する際に行われているものである（上述の特開2001-074955号公報参照）。次に、第２基板５１２を除去したうえで、誘電体柱２２２と第３層空孔２３２が相補的関係となるように第２層２２と第３層２３の相対位置を調整して両者を重ね、両者を熱接着する(c)ことにより、２次元フォトニック結晶２０が得られる。

本発明に係る２次元フォトニック結晶において、第１異屈折率領域、第２異屈折率領域及び第３屈折率領域のうちの１つ又は複数について、少なくとも１個の欠陥を設けることにより、点状欠陥共振器を形成することができる。この欠陥は一部の第１（２、３）異屈折率領域を他の第１（２、３）異屈折率領域と異なる大きさ及び／又は形状としたり、その一部第１（２、３）異屈折率領域を欠損させる（設けない）ことにより形成することができる。例えば、２次元フォトニック結晶２０において、１個の誘電体柱３２２、第１層空孔３１２又は第３層空孔３３２のみから成る欠陥を設けることができる。図６(a)に、１個の誘電体柱３２２Ａのみから成る点状欠陥共振器の例を示す。また、誘電体柱３２２Ａ及びそれに隣接する他の誘電体柱３２２の欠陥から成る１個の点状欠陥共振器３２２Ｃ（図６(b)）を設けることもできる（第１層空孔３１２及び第３層空孔３３２の場合も同様）。あるいは、誘電体柱３２２Ａに隣接する３個の第１層空孔３１２及び／又は第３層空孔３３２から成る三空孔欠陥３４Ｃと誘電体柱３２２Ａの欠陥から成る１個の欠陥３４Ｐ（図６(c)）を設けることができる。

図７に、点状欠陥共振器の他の例を示す。この点状欠陥共振器３５Ｐは、第１層２１の空孔３１２のうちの１個を欠損させることにより形成される一空孔欠陥３１２Ａと、一空孔欠陥３１２Ａに最隣接の３個の誘電体柱の代わりにそれら３個の誘電体柱の位置を底面の頂点とする正三角柱から成る正三角柱欠陥３２２Ｂから、１個の点状欠陥共振器として構成される。なお、一空孔欠陥３１２Ａまたは正三角柱欠陥３２２Ｂのいずれか一方のみを設けた場合にも、それらは点状欠陥共振器として機能する。

点状欠陥共振器と同様に、第１異屈折率領域、第２異屈折率領域及び第３屈折率領域のうちの１つ又は複数について、線状の欠陥を設けることにより、導波路を形成することができる。例えば、２次元フォトニック結晶２０において、誘電体柱２２２のみの欠陥を線状に１列設けた線状欠陥（導波路）３２２Ｌ（図８(a)）や、線状欠陥３２２Ｌに隣接する第１層空孔２１２の欠陥を線状に１列設けた線状欠陥３１２Ｌと線状欠陥３２２Ｌから成る導波路３４Ｌ（図８(b)）等を設けることができる。

このような線状欠陥導波路の近傍に点状欠陥共振器を設けることにより、本発明に係る２次元フォトニック結晶を波長合分波器として用いることができる（図９）。

また、本発明に係る２次元フォトニック結晶において、第１媒体、第２異屈折率領域及び第３媒体のいずれか１つ又は複数を、従来の熱輻射光源に用いられる２次元フォトニック結晶１０のスラブ１１と同様に、複数種の半導体を積層することにより構成すると共に、上述の波長合分波器と同様に点状欠陥共振器を設けることにより、熱輻射光源用の２次元フォトニック結晶として用いることができる。例えば、図１０に示すように、異なる半導体材料から成る第１半導体板材４３１１及び第２半導体板材４３１２を積層させた構成を有する第３層スラブ４３１を用い、誘電体柱２２２及び第３層スラブ４３１に上述の点状欠陥共振器３５Ｐを設けることにより、熱輻射光源用２次元フォトニック結晶４０を構成することができる。

本発明に係る２次元フォトニック結晶の一例につき、FDTD法によりバンド計算を行った結果を以下に示す。ここでは、第１層と第３層が上述の２次元フォトニック結晶２０と同じ構造を有し、第２層において２次元フォトニック結晶２０における円柱状の誘電体柱２２２の代わりに図１１に示すように第１層空孔２１２及び第３層空孔２３２と接していない部分全体に誘電体柱２２２Ｂを設けた場合について計算を行った。この計算では、第１層２１の厚さを第１層空孔２１２の周期aの0.2倍（0.2a）、第２層２２の厚さを0.4a、第３層２３の厚さを0.2aとし、第１層空孔２１２及び第３層空孔２３２の径rの値によるバンドの変化を求めた。
図１２に、一例として、r=0.36aの場合についてバンド計算の結果を示す。横軸は波数ペクトルであり、縦軸はフォトニックバンドを規格化周波数（周波数に周期aを乗じ光速cで除したもの）で表したものである。規格化周波数が0.355〜0.437の範囲内に完全PBGが形成されている。同様の計算を、r=0.30〜0.38の範囲で行った。

図１３に、完全PBGの上端値、下端値及びΔω/ω₀値につき、rによる変化を計算した結果を示す。ここで、Δω/ω₀はPBGの周波数幅Δωを完全PBGの中央値ω₀で除した値の百分率で定義され、rなどの条件の変化による完全PBGの幅の相対的な変化を示すものである。この結果、計算を行った範囲内においていずれも15%〜25%という、従来の２次元フォトニック結晶では得ることができなかった広い完全PBG幅を得ることができることが明らかになった。

図１４に、各層の厚さが図１２、図１３のときのものと異なる場合について、バンド計算を行った結果の一例を示す。この例では第１層２１、第２層２２及び第３層２３の厚さをいずれも0.3aとし、rの値を0.34aとした。この結果より、Δω/ω₀値は23%であり、図１３の場合とほぼ同じ値が得られた。

本発明に係る２次元フォトニック結晶を用いた熱輻射光源に関する計算結果を以下に述べる。上述の熱輻射光源用２次元フォトニック結晶４０を用いた場合において、熱輻射により得られ、点状欠陥共振器３５Ｐにより増幅されたTMモードの光が２次元フォトニック結晶４０内に漏出することを防ぐことが必要となる。ここでは、そのTMモードの漏出光の強度を計算により求めた（本実施例）。併せて、比較例として、非特許文献１に記載の２次元フォトニック結晶（比較例１）と、第１半導体板材４３１１及び第２半導体板材４３１２を交互に積層したものであって異屈折率領域を持たない（即ち、２次元フォトニック結晶ではない）厚さ0.8aのスラブ（比較例２）についても同様の計算を行った。その結果を図１５に示す。この結果は、本実施例では比較例１と同様に、完全PBGに対応する周波数領域６１において、比較例２よりもTMモードの漏出光を抑えることができることを示している。

第１層と第３層を前述の２次元フォトニック結晶４０と同じ構造とし、第２層において円柱状の誘電体柱２２２に代えて前述の誘電体柱２２２Ｂを設けた熱輻射光源用２次元フォトニック結晶につき、第１層２１及び第３層２３に垂直な方向に放出される熱輻射光（垂直放出光）、及び２次元フォトニック結晶内に漏出する光（結晶内漏出光）のスペクトルを計算した結果を図１６に示す。この結果より、２次元フォトニック結晶内への漏出光よりも十分に強い強度で垂直放出光が得られることがわかる。また、垂直放出光につき、第１層２１側（即ち第１半導体板材４１１１及び第２半導体板材４１１２の積層構造がない側）に放出される光と、第３層２３側（積層構造がある側）に放出される光のスペクトルを計算した結果を図１７に示す。この結果より、垂直放出光の大半が第３層２３側から放出されることがわかる。従って、一方向にのみ熱輻射光を取り出したい場合に正三角柱欠陥３２２Ｂのみから成る点状欠陥共振器を好適に用いることができる。

従来の偏波無依存２次元フォトニック結晶の一例を示す斜視図(a)並びにその２次元フォトニック結晶１１に設けられた空孔１２を示す平面図(b)及び斜視図(c)。 本発明に係る２次元フォトニック結晶の一実施形態を示す斜視図。 本実施形態の２次元フォトニック結晶２０の第１層２１、第２層２２及び第３層２３の平面図。 誘電体柱２２２Ａ並びに誘電体柱２２２Ａに最隣接の３個の第１層空孔２１２Ａ〜２１２Ｃ及び誘電体柱２２２Ａに最隣接の３個の第３層空孔２３２Ａ〜２３２Ｃを示す斜視図。 本実施形態の２次元フォトニック結晶の製造方法を示す縦断面図。 本発明に係る２次元フォトニック結晶に点状欠陥共振器を設けた例を示す平面図。 点状欠陥共振器の他の例を示す平面図。 本発明に係る２次元フォトニック結晶に線状欠陥導波路を設けた例を示す平面図。 本発明に係る２次元フォトニック結晶を用いた波長合分波器の一例を示す斜視図。 本発明に係る熱輻射光源用２次元フォトニック結晶４０の一例を示す斜視図。 第１実施例に係る２次元フォトニック結晶の誘電体柱の形状を示す平面図。 第１実施例に係る２次元フォトニック結晶のバンド計算結果の一例を示すグラフ。 第１実施例に係る２次元フォトニック結晶の第１層空孔２１２及び第３層空孔２３２の径rと、完全PBGの上限値及び下限値並びにΔω/ω₀値の関係を計算で求めた結果を示すグラフ。 第１実施例に係る２次元フォトニック結晶のバンド計算結果の他の例を示すグラフ。 熱輻射光源用２次元フォトニック結晶４０における点状欠陥共振器から結晶内への光の漏出強度の計算結果を示すグラフ。 正三角柱欠陥３２２Ｂを有する熱輻射光源用２次元フォトニック結晶に関する、垂直放出光及び結晶内放出光の熱輻射スペクトルの計算結果を示すグラフ。 正三角柱欠陥３２２Ｂを有する熱輻射光源用２次元フォトニック結晶に関する、第１層２１側への垂直放出光及び第３層２３側への垂直放出光の熱輻射スペクトルの計算結果を示すグラフ。

符号の説明

１０…２次元フォトニック結晶
１１…スラブ
１１１、１１２…半導体板
１２…空孔
１３、３２２Ｃ、３４Ｐ、３５Ｐ…点状欠陥共振器
１４１…上側格子点
１４２…下側格子点
２０…２次元フォトニック結晶
２１…第１層
２１１、４１１…第１層スラブ
２１２、２１２Ａ、３１２…第１層空孔
２２…第２層
２２２、２２２Ａ、２２２Ｂ、３２２、３２２Ａ…誘電体柱
２３…第３層
２３１、４３１…第３層スラブ
２３２、２３２Ａ、３３２…第３層空孔
３１２Ａ…一空孔欠陥
３１２Ｌ、３２２Ｌ、３４Ｌ…線状欠陥導波路
３２２Ａ…一誘電体柱欠陥
３２２Ｂ…正三角柱欠陥
３４Ｃ…三空孔欠陥
４０…熱輻射光源用２次元フォトニック結晶
４３１１…第１半導体板材
４３１２…第２半導体板材
５１１…第１基板
５１２…第２基板
５１３…第３基板
６１…完全PBG

Claims (7)

1. a) 誘電体の板状部材から成る第１媒体内に該第１媒体よりも屈折率が低い第１異屈折率領域が第１三角格子の格子点に配置されて成る第１層と、
   b) 第１層に載置された層であって、所定の誘電率を持つ第２媒体内に該第２媒体よりも屈折率が高い第２異屈折率領域が、前記第１三角格子における最隣接の３個の格子点から成る正三角形の重心を格子点とする第２三角格子の格子点に配置されて成る第２層と、
   c) 第２層に載置された層であって、誘電体の板状部材から成る第３媒体内に該第３媒体よりも屈折率が低い第３異屈折率領域が、前記重心を通り第３層に垂直な軸を中心に前記第１三角格子を180°回転させた第３三角格子の格子点に配置されて成る第３層と、
   を備えることを特徴とする２次元フォトニック結晶。
2. 第１異屈折率領域、第２異屈折率領域及び第３屈折率領域のうち少なくとも１つに形成された少なくとも１個の欠陥から成る点状欠陥共振器を備え、
   第１媒体、第２異屈折率領域及び第３媒体のいずれか１つ又は複数が、複数種の半導体を積層して成り前記点状欠陥共振器の共振波長に対応するサブバンドの間の遷移エネルギーが形成されている量子井戸構造を有する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の２次元フォトニック結晶。
3. a) 誘電体の板状部材から成る第１媒体内に該第１媒体よりも屈折率が低い第１異屈折率領域が周期的に配置されて成る第１層と、
   b) 第１層に載置された層であって、所定の誘電率を持つ第２媒体内に該第２媒体よりも屈折率が高い第２異屈折率領域が前記第１異屈折率領域と同じ周期で配置されて成る第２層と、
   c) 第２層に載置された層であって、誘電体の板状部材から成る第３媒体内に該第３媒体よりも屈折率が低い第３異屈折率領域が前記第１異屈折率領域と同じ周期で配置されて成る第３層と、
   d) 第１異屈折率領域、第２異屈折率領域及び第３屈折率領域のうち少なくとも１つに形成された少なくとも１個の欠陥から成る点状欠陥共振器と、
   を備え、
   第１媒体、第２異屈折率領域及び第３媒体のいずれか１つ又は複数が、複数種の半導体を積層して成り前記点状欠陥共振器の共振波長に対応するサブバンドの間の遷移エネルギーが形成されている量子井戸構造を有する
   ことを特徴とする２次元フォトニック結晶。
4. 前記第２媒体が空気であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の２次元フォトニック結晶。
5. 前記第１異屈折率領域及び前記第３異屈折率領域が空気から成ることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の２次元フォトニック結晶。
6. 第１異屈折率領域、第２異屈折率領域及び第３屈折率領域のうち少なくとも１つに形成された少なくとも１個の欠陥から成る点状欠陥共振器と、
   前記点状欠陥共振器の近傍に設けられた、第１異屈折率領域、第２異屈折率領域及び第３屈折率領域のうち少なくとも１つに形成された線状欠陥から成る導波路と、
   を備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の２次元フォトニック結晶。
7. a) 基板上に誘電体の柱状部材から成る第２異屈折率領域を周期的に形成する工程と、
   b) 誘電体の板状部材から成る第１媒体内に該第１媒体よりも屈折率が低い第１異屈折率領域が周期的に配置されて成る第１層と前記柱状部材の一方の端部を熱接着する工程と、
   c) 前記基板を除去する工程と、
   d) 誘電体の板状部材から成る第３媒体内に該第３媒体よりも屈折率が低い第３異屈折率領域が周期的に配置されて成る第３層と前記柱状部材の他方の端部を熱接着する工程と、
   を有することを特徴とする２次元フォトニック結晶製造方法。

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