JPH10506756A - 一次元周期誘導体導波路を使用する共振微小空洞 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明によって、周期誘電体導波路および周期誘電体導波路内の局所欠陥を備え、局所欠陥によって、導波路内で生成される放射の空間閉じ込めが欠陥周辺において強化される共振微小空洞が提供される。代案の実施形態においては、本発明によって、共振微小空洞内の放射閉じ込めを強化し、関連する基板への放射損失を最小にする方法が提供され、微小空洞は空間放射閉じ込めを表す局所欠陥として周期誘電体導波路内に構成され、本方法は微小空洞と前記基板との屈折率差異を増大させる工程を含む。

Description

【発明の詳細な説明】 一次元周期誘導体導波路を使用する共振微小空洞 発明の背景 これまで数十年間、半導体レーザは、光情報記憶および検索（たとえば、ＣＤ プレーヤ）、光波通信（たとえば、光ファイバ）、およびコンピュータ入力／出 力など多数の用途において重要な役割を果たしてきた。代表的な半導体レーザは 、ほぼ２００μｍの波長であり、横モード面積は約１平方ミクロンである。この 結果、レーザゲイン媒体のスペクトルバンド幅内に、ほぼ１００の縦モードがあ ることになる。結果として、多数のモードがレーザ光放射のしきい値に達するこ とができるので、多モード発振となる。様々なモード間の相対的ゲイン差を増加 させるために、レーザ空洞内に波形構造を構築することによって、周波数選択性 損失を導入することができる。格子のブラッグ（Ｂｒａｇｇ）波長に最も近いモ ードが、最低の損失となり、形成される。これは、分布帰還形（ＤＦＢ）レーザ として知られている。 図１Ａに示すように、ＤＦＢレーザの格子内に位相偏移（または欠陥）を組み 込むことによって、単一周波数レーザ光放射を得ることができる。図１Ａに、中 央に単一の位相のずれ１０２を有するＤＦＢレーザ１００の断面図を示す。ＤＦ Ｂレーザは、基板１０４および二つの誘電性物質により構成される格子層１０６ によって形成される。格子パターンは、前記の単一の相のずれすなわち欠陥を含 む。不純物原子を有するゲイン領域１０８および隔離のためのクラッド層１１０ も備えられる。位相偏移によって、欠陥の周辺において電界を閉じ込める効果が 発生するが、図１Ｂに示すように、その閉じ込めは非常に弱い。図１Ｂは、強度 を、ＤＦＢレーザの軸上の位置の関数として示す図である。パラメータｋＬは、 結合パラメータとして知られ、波形の深さの関数として増加する。強度の単位は 、任意である。 ＤＦＢレーザ（または任意の半導体レーザ）のミラーは、通常は、単に結晶の 端面を劈開することによって形成される。同じ結晶面に沿って、二つの面が劈開 され、結果として、平行面共振子が得られ、これはレーザの幾何学的安定状態の 限界にある。これによって、半導体レーザの出力モードの安定性の通常の欠如の 一部が説明される。さらに、半導体と空気との間のそれぞれの界面は、大略３０ ％の反射率を有する。これらの高い損失およびレーザの大きな諸元のために、半 導体レーザを作動するために必要とされる入力しきい値が非常に大きくなる。各 界面における反射率を増加させるために、多層誘電フィルムを端面上に沈積させ ることができる。しかし、この方法は、労力を要する費用のかかる操作を含み、 それは各レーザを他のレーザから分離する必要があり、基板上における直接集積 化が不可能となるためである。 これらの問題の大部分を解決するために、研究者は、放射光の波長の桁の寸法 を有するレーザ空洞を開発した。これらの微小空洞は、ミクロンまたはミクロン 以下の寸法である。このような装置は、１９８０年代後期に初めて導入された。 それは、垂直空洞表面放射レーザ（ＶＣＳＥＬ）２００と呼ばれ、図２Ａに示す 。ＶＣＳＥＬは、屈折率ｎおよび厚さλ／ｎの物質２０６によって分離される二 つの多層誘電体四分の一波長ミラー２０２、２０４より構成される。ゲイン媒体 は、屈折率ｎの層内の共振モード電界の最高点に配置されるひとつまたは数個の 量子井戸２０７より構成される。波長がおよそ１ないし１．５μｍの場合は、代 表的な寸法は直径５−１０μｍおよび高さ数ミクロンである。ゲインスペクトル 幅内にはひとつの縦モードしかないが、ＶＣＳＥＬの軸を横切るゲイン領域の面 には別のモードがある。さらに、共振モードとゲイン量子層との重複度は非常に 低く、それは界が多層ミラー中に深く延在するためである。ＶＣＳＥＬは通常の 半導体レーザより優れた利点を有するにも関わらず、この装置の最も重要な欠点 は、基板上に直立する位置および垂直方向の放射２０８であり、これらによって 、光電子集積回路（ＯＥＩＣｓ）におけるＶＣＳＥＬの有用性が著しく制約され る。 別のマイクロレーザ設計が、１９９０年代初期に導入され、これはマイクロデ ィスクレーザ２１０と呼ばれ、図２Ｂに示す。その名称から分かるように、ポス ト２１４によって支持される小型の高屈折率ディスク２１２より構成される。デ ィスク直径は、通常、２ないし１０μｍであり、厚さは約０．２５μｍである。 ゲイン媒体は、ディスクの中心に配置されるひとつまたは数個の量子層２１７よ り構成される。共振モード２１６はディスク内に強く閉じ込められることができ るので、共振モードとゲイン物質との重複はＶＣＳＥＬより大幅に大きくするこ とができる。支配的な共振モードは、ささやきの回廊モード（ｗｈｉｓｐｅｒｉ ｎｇ−ｇａｌｌｅｒｙ ｍｏｄｅ）と呼ばれ、それはこのモードが全内部反射の ために低損失でディスク端の周辺を伝搬するためである。しかし、共振モードは ディスクの端に沿ってある程度は「漏出」することがある。これによって、マイ クロディスクの結合効率が相当に制約され、それは出力光のごく小さな部分しか 導波路に結合することができないためである。 マイクロディスクの製作は幾つかの誘電体層の成長を必要とせず、そのため製 作はＶＣＳＥＬより容易であるはずであるが、共振不完全がささやきの回廊モー ドに相当な影響を与え、マイクロディスクのレーザ光放射効率を低下させること がある。さらに、ディスク端において自然放出を求めて競合する二つの逆伝搬モ ードの存在、放出スペクトルと重複し自然放射を求めてレーザ放射モードと競合 しディスクを直角に通過して伝搬する外部モードの存在、およびディスクの中央 領域からの放出によって、レーザ光放射効率は低下する。 発明の要約 本発明によって、共振微小空洞が提供され、この空洞は周期誘電体導波路およ び周期誘電体導波路中の局所欠陥を備え、局所欠陥によって欠陥の周辺において 放射の空間閉じこめが強化される。 別の実施形態においては、本発明によって、共振微小空洞内の放射の閉じ込め を強化し、自然放出への放射の損失を最小にする方法が提供され、微小空洞は空 間放射の閉じ込めを表す局所欠陥として周期誘電体導波路内に形成される。この 方法は、微小空洞と基板との屈折率差異を増大させる段階を含む。 本発明によって、最先端技術の集積共振空洞のすべての最良の特性をひとつに 結合する新しい種類の共振微小空洞が提供される。これらの新微小空洞は、電磁 気モードを含み、その界は空洞内に非常に強く閉じ込められる。これらの空洞は 基板の面に集積され、基板は追加装置を必要とせずに光電子集積回路と直接に結 合することができる。微小空洞によって、高密度かつ高速の光相互結合、しきい 値の極端に低いミクロレーザおよびＬＥＤのミクロレーザの製作が可能となり、 また、自然放出の強化が可能となる。これらの微小空洞は、一次元周期誘電体導 波路を使用し、空間内の三次元のすべてに沿って光を閉じ込める。 本発明による微小空洞は電磁モードを含み、このモードは非常に高い量子効率 を達成することが可能であり、それはすべての自然放出がただひとつのモードに 集中されるためである。また、これらの新微小空洞によって、空洞内に強い界の 閉じ込めが発生する。共振モードとゲイン媒体との重複は、非常に大きいはずで あり、その結果、自然放出が増加するはずである。電界位相変動を小さな容積に 集中することによって、キャリアの再結合速度を増加させ、微小空洞を非常に高 速で変調させることができる。 さらに、本発明による微小空洞設計によって、非常に小さい、したがって多数 の微小空洞を単一の光チップ上に集積することができる。寸法が小さくその上効 率が高いので、微小空洞は非常に低いしきい値で作動することができる。さらに 、本発明による微小空洞の最も重要な利点のひとつは、直接に光電子集積回路上 に集積できることである。この装置によって、光は導波路の内外において非常に 高度な効率で直接に結合される。さらに、製作工程において発生する偏移が、微 小空洞の効率に重要な影響を及ぼすことはない。最後に、これらの装置は、ゲイ ンが存在しないときでも、しきい値のない単一モードの発光ダイオードとして作 用する。ゲインの有無に関わらず、装置は光学的または電気的にポンピングする ことができる。 図面の簡単な説明 図１Ａおよび図１Ｂは、それぞれ、中央部に単一の相欠陥を有する従来のＤＦ Ｂレーザの断面図、およびＤＦＢレーザについて強度を軸上の位置の関数として 示す図である。 図２Ａおよび図２Ｂは、それぞれ、従来の垂直空洞表面放射レーザを示す図、 および従来のマイクロディスクレーザ構造を示す図である。 図３Ａは、基板上の従来のリブ導波路を示す図である。図３Ｂは、本発明によ る一次元周期誘導体微小空洞を示す図である。図３Ｃは、図３Ｂに示す本発明に よる導波路微小空洞の橋形構成を示す図である。 図４Ａおよび図４Ｂは、それぞれ、本発明の別の実施形態において基板上に配 置される導波路微小空洞を示す図、および本発明の別の実施形態において橋形構 成の導波路微小空洞を示す図である。図４Ｃおよび図４Ｄは、図４Ｂに示す橋形 構成の製作工程の２段階を示す図である。また、図４Ｃおよび４Ｄは、コンピュ ータで求めたパワーグラフを位置の関数として示す図である。 図５Ａおよび図５Ｂは、それぞれ、導波路微小空洞および基板ならびに両者の 間に配置され微小空洞の幅より大きな幅を有する誘電体層を示す図、および導波 路微小空洞および基板ならびに両者の間に配置され微小空洞の幅より小さな幅を 有する誘電体層を示す図である。図５Ｃは、誘電体層の一部をエッチングにより 除去して製作される微小空間を示す図である。 図６Ａおよび図６Ｂは、それぞれ、特大の中間ロッドを有する誘電体ロッドの 周期配列より形成される導波路微小空洞を示す図、および両側面を貫通して配置 される孔を有する誘電体リブにより形成される導波路微小空洞を示す図である。 実施形態の詳細な説明 本発明による共振微小空洞は、導波路の軸方向に沿って強い周期的変化を示す 誘電率を有する従来の平面光導波路の幾何学的配列を使用して形成される。前述 のように、微小空洞はミクロンまたはミクロン以下の寸法である。平面共振微小 空洞によって、その上に平面共振空洞が構築されている基板の表面に沿って平面 内結合が可能となる。 説明を簡単にするために、従来のリブ導波路３００を図３Ａに示す。導波路は 、高屈折率の屈折物質のひとつ以上の層から形成され、層は相対的に低い屈折率 を有する基板３０２の上に位置する。導波路は、ｙおよびｚの両軸に沿って放射 を閉じ込める。さらに、ｘ軸に沿って誘電率の周期的変化を加えることによって 、放射をｘ軸方向に閉じ込めることができる。微小空洞は、ｘ軸に沿った完全な 周期性を破壊することによって形成されるので、局所欠陥を形成し、この局所欠 陥によって、単一電磁モードを生成するために欠陥の周辺に放射の強い空間閉じ 込めを生成することができる。同じ装置構成を使用して、多モード操作が可能で あ ることは高く評価される。電磁モードは、欠陥の周辺に局所的に存在し、数周期 の間隔内である。局所欠陥は、たとえば、ｘ軸に沿う周期的構造に位相偏移を挿 入することによって、または導波路に局所的に異なる物質を添加することによっ て作成できる。 本発明による導波路微小空洞３０４を、図３Ｂに示す。一次元周期構造は、誘 電体領域３０６、３０８をｘ軸に沿って互い違いにすることによって表され、ま た欠陥３１０は中央の位置に示されている。微小空洞内への良好な放射閉じ込め を達成するために（すなわち、周辺媒体中への最小の漏れ）、導波路３０４と基 板３０２との屈折率差異を可能な限り大きくすることが不可欠である。ＳｉＯ₂ 基板上のＳｉ導波路は、優れた屈折率差異を与える。ＧａＡｓおよびＡｌＧａＡ ｓなどの他の物質を導波路の製作に使用することはできるが、これらは低い誘電 率を有する基板上に成長させることが必要である。ＧａＡｓ基板上のＧｅ導波路 も使用できるが、屈折率差異は比較的小さい。 屈折率差異を増大させる特に有利なひとつの方法は、互い違いに配置される誘 電性屈折物質を有する導波路３１２を、図３Ｃに示すように微小空洞が完全に空 気によって囲まれるように、空気中に取り付けることである。「空気に橋」を掛 けることは、以下に詳細に述べる組立支持部材３１４、３１６を使用して実現さ れる。この懸架によって、基板への放射損失を最小にする効果が得られる。 本発明による導波路微小空洞の一層特定の実施形態について述べる。図４Ａに 、微小空洞４００の実施形態の例を示す。微小空洞は、リブ導波路４０２の上面 に孔４０４の周期的配列を作成することによって製作される。リブ導波路は、異 なる物質のひとつ以上の層より構成される。局所欠陥４０６は、多数の孔の内二 つを、他の孔の間の間隔より大きな間隔だけ離すことによって加えられる。 この実施形態においては孔の断面は円形であるが、別の形状も可能である。こ の微小空洞の別のパラメータは、リブ導波路の幅ｗおよび高さｈ、孔の直径ｒ、 各孔の中心間間隔ａ、欠陥の大きさｄ、および欠陥の両側の孔の数である。これ らのパラメータを一定の基準で定めることにより、いかなる導波路に対しても微 小空洞を一定の基準で定めることができるので、パラメータのひとつを選択し、 他のあらゆるパラメータをそのパラメータに対して一定の基準で定めることが便 利である。図示した実施形態においては、あらゆるパラメータは、ａに関して一 定の基準で定められるように選択される。 本発明による導波路は基板上に直接に成長されるが、この基板への放射漏れに よって微小空洞の閉じ込め効率が低下させられる。これらの損失を最小にするた めに、微小空洞と基板との接触面積を減少させ、屈折率差異を増大させることが 望ましい。前述のように、屈折率差異を増大させるひとつの方法は、微小空洞を 空気中に懸架することである。ＧａＡｓおよびＡｌＧａＡｓの組立層を使用する 特定の実施形態の微小空洞４０８を、図４Ｂに示す。Ａｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓの層４ １０をＧａＡｓ基板４１２上に成長させ、その後、導波路４１４をこの層の上に 、Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓを使用して成長させる。微小空洞の下のＡｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａ ｓを選択的にエッチングして除去すると、空間４１６が残り、微小空洞自体は空 気中に懸架される。空間４１６を製作する方法のひとつの例を、図４Ｃおよび図 ４Ｄに示す。層４１０および４１４を基板４１２上に成長させ、両層を図４Ｃに 示すようにエッチングし、両端部を中央部より広い幅とする。層４１０を、選択 的にエッチングし中央部が完全に除去されると、図４Ｄに示すように空間４１６ が残る。次に、さらにエッチング工程によって、導波路４１４の両端部を任意の 形状に次第に細くすることができる。図４Ｂに示す実施形態においては、ＧａＡ ｓおよびＡｌＧａＡｓが使用されるが、代案として、橋構成は橋を支持できる強 度を有する任意の材料によって製作することができることを、当業者は理解され たい。たとえば、ＳｉＯ₂上のＳｉ導波路は、別の代替材料構造である。 橋構成によって、微小空洞内のあらゆる方向に沿って非常に高度の閉じ込めが 提供される。図４Ｅおよび図４Ｆは、それぞれ、懸架微小空洞の共振モードのパ ワーの計算値を、ｘｙ面（ｚ＝０において）およびｙｚ面（ｘ＝０において）の 位置の関数として表すグラフの例を示す図である。座標系は、欠陥に中心を置い ている。例示した導波路微小空洞は、誘電率が１２．０９６であり、下記のパラ メータを有すると仮定した。すなわち、ｗ＝１．１ａ、ｈ＝０．４ａ、ｒ＝０． ３ａ、およびｄ＝１．９ａであり、ｄは欠陥の両側の孔の中心間の間隔である。 さらに、図示例の計算においては、欠陥のそれぞれの側に３個半の孔が使用され た。微小空洞が波長１．５μｍで作動される特定の場合は、格子定数は０．５μ ｍに等しくなる。 基板への損失を低減させるための本発明による別の方法は、基板と微小空洞と の間に追加の誘電体層を成長させることである。この設計の幾つかの実施形態を 、図５Ａ−５Ｃに示す。基板への放射漏れを最小にするために、追加層の厚さＨ および幅Ｗを調整する。図５Ａにおいては、誘電体層５００は、導波路微小空間 ５０２と基板５０４との間に位置する。この場合は層５００の幅は導波路の幅よ り大きいが、図５Ｂの構成においては層５００′の幅は導波路の幅より小さい。 図５Ｂに示す微小空洞を製作するひとつの方法は、誘電体層５００′を基板５ ０４′上に成長させ、次に導波路５０２′を層５００′に上に成長させる方法で ある。導波路の下の誘電体層の一部を選択的にエッチングすると、図５Ｃに示す 装置が得られる。誘電体層５００″は、基板５０４″と異なる物質（一層小さい 誘電率を有する）で作ることが好ましいが、同じ物質で作ることもできる。Ｓｉ およびＧａＡｓなどの物質は基板として使用される場合が多く、またこれらの物 質は誘電率が高いので、比較的誘電率の低い物質を使用し微小空洞と基板とを分 離することが必要になる。 微小空洞内への放射閉じ込めを強化するまた別の方法は、図５Ａに示すように 、導波路５０２を貫通するそれぞれの孔５０６の深さを誘電体層５００中まで深 くすることである。さらに、孔を基板５０４の中まで伸ばすことができる。この 方法は、図５Ｂおよび図５Ｃに示す実施形態を含めて、いずれの実施形態にも適 用可能である。 孔の数の増加と共に、微小空間の放射閉じ込めは強化されるが、導波路への結 合効率は低下する。欠陥の両側に多数の孔が使用されるときは、導波路への放射 漏れはほとんどない。微小空間の内外で光を結合するために、装置の閉じ込め効 率に大きな影響を与えずに、欠陥の片側の孔を減少させることができる。その結 果、優れた界の閉じ込めと導波路への優れた結合の両者を有する微小空洞を製作 することができる。 図６Ａに、基板６０４上に作成される長い誘電体ロッド６０２の配列を有する 別の実施形態の導波路微小空洞６００を示す。ロッドの配列は、一次元周期導波 路のように機能する。ロッドは方形の断面として図示したが、ロッドはいかなる 形状にも作れることを当業者は理解されたい。局所欠陥は、配列の中央の位置に 示される単一の特大ロッドによって作られる。放射は、この欠陥の周辺に強く閉 じ込められる。しかし、さらに強い閉じ込めを、図６Ｂに示す構造によって実現 することができる。図６Ｂに示す導波路微小空洞６０８は、図４および図５に示 す実施形態と類似の構造であり、基板６１０および誘電体層６１２を有するが、 導波路誘電体リブ６１４が９０°横倒しになり孔６１６が基板の表面に平行に貫 通している点が異なる。この構造は、方形の溝をエッチングし、この溝を別の物 質で埋め戻し、構造の頂部を成長させた後、この物質を除去する工程によって形 成される。したがって、孔６１６は円筒形にはならず、方形である。 レーザ光放射は、前述のすべての実施形態において、欠陥中または欠陥付近に ゲイン媒体を加えることだけによって実現される。その区域の周辺において、界 は非常に強く閉じ込められるので、共振モードとゲイン媒体との重複は非常に大 きくなる。 本明細書に記載の導波路微小空洞は、マイクロレーザの最良の特性を組み合わ せたものであり、同時に、平面導波路に直接に結合することができる。この装置 は、高密度、高速平面光集積接続の候補として興味深いものであり、光コンピュ ータなどのシステムにおいて非常に重要な役割を演じることができると考えられ る。 以上の説明は、本発明を説明するためのものであり、本発明はこれに限定され るものではない。当業者は本発明の精神および内容を組み込んで、前述の実施形 態を変形することがあり得るので、本発明の範囲は添付の請求の範囲およびその 均等物に関してのみ制約されるものとする。

【手続補正書】 【提出日】１９９７年１０月１日 【補正内容】 請求の範囲 １．共振微小空洞であって、 基板と、 前記基板の表面に沿って構成される平面誘導導波路であって、全内部反射を通 じて誘導する屈折率によって少なくとも二次元空間において放射伝搬を導波路内 に閉じ込め、前記放射によって電磁モードのスペクトルが定められる平面誘導導 波路と、 前記導波路内に設けられ、前記少なくとも二次元空間に対して直角軸方向に沿 って誘電率に一次元周期変化を与えて電磁モードの前記スペクトルにバンドギャ ップを生成させる領域と、 前記領域内に設けられた欠陥と、を備え、 前記欠陥により欠陥の周辺における三次元空間内への放射閉じ込めが強化され 、前記空間閉じ込めは前記軸方向に沿うバンドギャップと前記少なくとも二次元 空間に沿って誘導する屈折率との組合せに起因し、その結果、前記バンドギャッ プ内で少なくともひとつの電磁モードの放射の生成が促進されることを特徴とす る共振微小空洞。 ２．請求の範囲１に記載の共振微小空洞であって、前記導波路が基板によって支 持され、前記基板と前記導波路とによって屈折率の差が定められることを特徴と する共振微小空洞。 ３．請求の範囲２に記載の共振微小空洞であって、前記基板への放射損失を最小 にするために、誘電体層が前記導波路と前記基板との間に配置されることを特徴 とする共振微小空洞。 ４．請求の範囲１に記載の共振微小空洞であって、前記導波路が基板支持体間の 橋構成として空気中に懸架され、その結果、前記欠陥が空気に囲まれることを特 徴とする共振微小空洞。 ５．請求の範囲２に記載の共振微小空洞であって、前記導波路が周期性をもって 形成された孔の配列を備えることを特徴とする共振微小空洞。 ６．請求の範囲５に記載の共振微小空洞であって、前記局所欠陥が、前記孔のう ち二つについて前記配列の残りの孔を互いに隔離する間隔よりも隔離されている ことを特徴とする共振微小空洞。 ７．請求の範囲６に記載の共振微小空洞であって、前記孔が前記基板の表面に直 角に配置され、前記欠陥の周辺に局在する電磁モードが生成されることを特徴と する共振微小空洞。 ８．請求の範囲７に記載の共振微小空洞であって、前記基板への放射損失を最小 にするために、誘電体層が前記導波路と前記基板との間に配置され、前記孔が前 記導波路を貫通し前記誘電体層中に延在することを特徴とする共振微小空洞。 ９．請求の範囲５に記載の共振微小空洞であって、前記孔が前記基板の表面に平 行に配置され、前記欠陥の周辺に局在する電磁モードが生成されることを特徴と する共振微小空洞。 １０．請求の範囲２に記載の共振微小空洞であって、前記導波路が周期性をもっ て導波路から伸びるロッドの配列を備えることを特徴とする共振微小空洞。 １１．請求の範囲１０に記載の共振微小空洞であって、前記局所欠陥が大きさの 異なるロッドまたは誘電率の異なるロッドからなる前記ロッド配列を含み、前記 欠陥によって前記欠陥付近に局在する電磁モードが生成されることを特徴とする 共振微小空洞。 １２．マイクロレーザに使用するための電磁モードを表す共振微小空洞であって 、 基板と、 前記基板の表面に沿って構成される平面誘電体導波路とを備え、前記導波路は 全内部反射を通じて誘導する屈折率によって該導波路内に生成される放射を少な くとも二次元空間に閉じ込め、前記放射によって電磁モードのスペクトルが定め られ、前記導波路は前記少なくとも二次元空間に対して直角軸方向に沿って誘電 率の一次元周期変化を有する領域が形成されて、電磁モードの前記スペクトルに バンドギャップが生成され、 該共振微小空洞は、さらに、 前記誘電体導波路の前記領域内に配置される局所欠陥を備え、前記欠陥によっ て、前記欠陥の近傍における三次元空間内への放射閉じ込めが強化され、前記空 間閉じ込めは前記軸方向に沿うバンドギャップと空間の少なくとも前記の二次元 に沿って誘導する屈折率との組合せに起因し、その結果、前記バンドギャップ内 で少なくともひとつの電磁モードの放射の生成が促進されることを特徴とする共 振微小空洞。 １３．請求の範囲１２に記載の共振微小空洞であって、前記導波路は基板によっ て支持され、前記基板と前記導波路とによって屈折率の差が定められることを特 徴とする共振微小空洞。 １４．請求の範囲１３に記載の共振微小空洞であって、前記基板への放射損失を 最小にするために、誘電体層が前記導波路と前記基板との間に配置されることを 特徴とする共振微小空洞。 １５．請求の範囲１２に記載の共振微小空洞であって、前記導波路が基板支持体 間に橋構成として空気中に懸架され、その結果、前記局所欠陥が空気に囲まれる ことを特徴とする共振微小空洞。 １６．請求の範囲１３に記載の共振微小空洞であって、前記導波路が周期性をも って作成される孔の配列を備えることを特徴とする共振微小空洞。 １７．請求の範囲１６に記載の共振微小空洞であって、前記局所欠陥が前記孔の うち二つについて前記配列の残りの孔を互いに隔離する間隔よりも隔離されるこ とを特徴とする共振微小空洞。 １８．請求の範囲１７に記載の共振微小空洞であって、前記孔が前記基板の表面 に直角に配置され、その結果、前記欠陥の周辺に局在する電磁モードが生成され ることを特徴とする共振微小空洞。 １９．請求の範囲１８に記載の共振微小空洞であって、前記基板への放射損失を 最小にするために、誘電体層が前記導波路と前記基板との間に配置され、前記孔 が前記導波路を貫通し前記誘電体層中に延在することを特徴とする共振微小空洞 。 ２０．請求の範囲１６に記載の共振微小空洞であって、前記孔が前記基板の表面 に平行に配置され、その結果、前記局所欠陥の周辺に局在する前記電磁モードが 生成されることを特徴とする共振微小空洞。 ２１．請求の範囲１３に記載の共振微小空洞であって、前記導波路が周期性をも って前記導波路から伸びるロッドの配列を備えることを特徴とする共振微小空洞 。 ２２．請求の範囲２１に記載の共振微小空洞であって、前記局所欠陥が大きさの 異なるロッドまたは誘電率の異なるロッドからなる前記ロッド配列を含み、前記 欠陥によって前記局所欠陥付近に局在する前記電磁モードが生成されることを特 徴とする共振微小空洞。 ２３．共振微小空洞の放射閉じ込めを強化し、係合する基板への放射損失を最小 にする方法であって、前記方法は、 前記基板の表面に沿って作成される平面誘導導波路内に前記微小空洞を構成し 、前記導波路内で生成される放射を全内部反射を通じて誘導する屈折率によって 前 記導波路内の少なくとも二次元空間内に閉じ込め、前記放射によって電磁モード のスペクトルが生成される工程と、 前記少なくとも二次元空間に対して直角軸方向に沿う誘電率に一次元周期変化 を与える領域を前記導波路内に作成し、その結果、電磁モードの前記スペクトル にバンドギャップが生成される工程と、 局所欠陥を前記領域内に作成し、前記欠陥によって、前記欠陥の付近において 三次元すべてにおける放射の空間閉じ込めが強化され、空間閉じ込めは前記軸方 向に沿ったバンドギャップおよび空間の少なくとも前記二次元に沿って誘導する 屈折率の組合せに起因し、その結果、前記バンドギャップ内に少なくともひとつ の電磁モードを生成する工程と、 前記微小空洞と前記基板との屈折率差異を増大させる工程と、を含むことを特 徴とする方法。 ２４．請求の範囲２３に記載の方法であって、前記増大工程が、前記微小空洞を 橋構成として空気中に懸架し、その結果、前記微小空洞が空気に囲まれることを 含むことを特徴とする方法。 ２５．請求の範囲２３に記載の方法であって、前記増大工程が、誘電体層を前記 導波路と前記基板との間に作成する過程を含むことを特徴とする方法。 ２６．請求の範囲２３に記載の方法であって、前記導波路が導波路内の周期性の ある孔の配列を備えることを特徴とする方法。 ２７．請求の範囲２６に記載の方法であって、前記増大工程が、前記配列の孔の 数を増加させることを含むことを特徴とする方法。 ２８．請求の範囲２３に記載の方法であって、前記増大工程が、周期性をもって 前記基板に備えられる孔の配列における各孔の深さを前記誘電体層中まで深くす る過程を含むことを特徴とする方法。 ２９．放射閉じ込めを強化する共振微小空洞を作成する方法であって、 基板を作成する工程と、 前記基板の平面上に前記基板と平行に周期導波路を形成する工程と、 前記周期導波路上に局所欠陥を形成する工程とを含み、前記欠陥によって、前 記欠陥周辺において前記導波路内に生成される放射の空間閉じ込めが強化され、 該方法は、さらに、 前記局所欠陥の下に位置する前記基板を除去し、その結果、橋構成が作成され 前記欠陥が空気に囲まれる工程を含むことを特徴とする方法。 ３０．共振微小空洞であって、 平面周期誘電体導波路と、 前記周期誘電体導波路中にある欠陥と、を備え、前記欠陥によって、前記欠陥 の周辺において前記導波路内に生成される放射の空間閉じ込めが強化され、 前記導波路は基板支持体間で橋構成として空気中に懸架され、その結果、前記 欠陥が空気に囲まれることを特徴とする共振微小空洞。 ３１．マイクロレーザにおいて使用するための電磁モードを表す共振微小空洞で あって、 平面一次元周期誘電体導波路を備え、前記導波路は空間の三次元のすべてに沿 って前記導波路内で生成される放射を閉じ込め、導波路の軸方向に沿った誘電率 の周期的変化を有し、 該微小空洞は、さらに、 前記周期誘電体導波路内に配置される局所欠陥を備え、前記欠陥によって、前 記欠陥周辺において放射の空間閉じ込めが強化され、 前記導波路は、基板支持体間における橋構成として空気中に懸架され、その結 果、前記局所欠陥が空気に囲まれることを特徴とする共振微小空洞。 ３２．共振微小空洞内の放射閉じ込めを強化し、また関連する基板への放射損失 を最小にする方法であって、平面周期誘電体導波路内に構成される前記微小空洞 は空間放射閉じ込めを表す局所欠陥を備え、前記方法は、 前記微小空洞と前記基板との屈折率差異を増大させる工程を含み、前記増大工 程は前記微小空洞を橋構成として空気中に懸架し、その結果、前記微小空洞が空 気に囲まれることを特徴とする方法。 【図２】 【図３】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ウィレニューブ ピエール アール アメリカ合衆国 マサチューセッツ州 ア ーリントン ワーレン ストリート 148 (72)発明者 メアデ ロバート ディ アメリカ合衆国 マサチューセッツ州 ウ ェストフィールド ドリアン ロード 500

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．共振微小空洞であって、 平面周期誘電体導波路と、 前記周期誘電体導波路内の欠陥とを備え、前記欠陥によって、前記導波路内に 生成される放射の空間閉じ込めが前記欠陥の周辺において強化されることを特徴 とする共振微小空洞。 ２．請求の範囲１に記載の共振微小空洞であって、前記導波路は基板によって支 持され、前記基板と前記導波路とによって屈折率差異が定められることを特徴と する共振微小空洞。 ３．請求の範囲２に記載の共振微小空洞であって、前記基板への放射損失を最小 にするために、誘電体層が前記導波路と前記基板との間に配置されることを特徴 とする共振微小空洞。 ４．請求の範囲１に記載の共振微小空洞であって、前記導波路が基板支持体の間 に橋構成として懸架され、その結果、前記欠陥が空気に囲まれることを特徴とす る共振微小空洞。 ５．請求の範囲２に記載の共振微小空洞であって、前記導波路が導波路内に周期 性をもって生成される孔の配列を備えることを特徴とする共振微小空洞。 ６．請求の範囲５に記載の共振微小空洞であって、前記局所欠陥が、前記の孔の うち二つについて、前記配列中の残りの孔を互いに隔離する間隔より大きな間隔 による隔離を備えることを特徴とする共振微小空洞。 ７．請求の範囲６に記載の共振微小空洞であって、前記孔が前記基板の表面に対 して直角に配置され、その結果、前記欠陥周辺に局在する電磁モードが生成され ることを特徴とする共振微小空洞。 ８．請求の範囲７に記載の共振微小空洞であって、前記基板への放射損失を最小 にするために、誘電体層が前記導波路と前記基板との間に配置され、前記孔が前 記導波路を貫通し前記誘電体層中に延在することを特徴とする共振微小空洞。 ９．請求の範囲５に記載の共振微小空洞であって、前記孔が前記基板の表面に平 行に配置され、その結果、前記欠陥の周辺に局在する電磁モードが生成されるこ とを特徴とする共振微小空洞。 １０．請求の範囲２に記載の共振微小空洞であって、前記導波路が周期性をもっ て前記導波路から伸びるロッドの配列を備えることを特徴とする共振微小空洞。 １１．請求の範囲１０に記載の共振微小空洞であって、前記局所欠陥が寸法の異 なるロッドまたは誘電率の異なるロッドを前記配列中に備え、前記ロッドによっ て前記欠陥の周辺に局在する電磁モードが生成されることを特徴とする共振微小 空洞。 １２．マイクロレーザにおいて使用するための電磁モードを表す共振微小空洞で あって、 平面一次元周期誘電体導波路を備え、前記導波路は、導波路内に生成される放 射を空間の三次元のすべてに沿って閉じ込め、また導波路の軸方向に沿って周期 的な変化を有し、 さらに、該共振微小空洞は、前記周期誘電体導波路内に配置される局所欠陥を 備え、前記欠陥によって欠陥周辺において放射の空間閉じ込めが強化されること を特徴とする共振微小空洞。 １３．請求の範囲１２に記載の共振微小空洞であって、前記導波路が基板によっ て支持され、前記基板と前記導波路とによって屈折率差異が定められることを特 徴とする共振微小空洞。 １４．請求の範囲１３に記載の共振微小空洞であって、前記基板への放射損失を 最小にするために、誘電体層が前記導波路と前記基板との間に配置されることを 特徴とする共振微小空洞。 １５．請求の範囲１２記載の共振微小空洞であって、前記導波路が基板支持体の 間に橋構成として懸架され、その結果、前記局所欠陥が空気に囲まれることを特 徴とする共振微小空洞。 １６．請求の範囲１３に記載の共振微小空洞であって、前記導波路が導波路内に 周期性をもって生成される孔の配列を備えることを特徴とする共振微小空洞。 １７．請求の範囲１６に記載の共振微小空洞であって、前記局所欠陥が、前記の 孔のうち二つについて、前記配列中の残りの孔を互いに隔離する間隔より大きな 間隔による隔離を含むことを特徴とする共振微小空洞。 １８．請求の範囲１７に記載の共振微小空洞であって、前記孔が前記基板の表面 に対して直角に配置され、その結果、前記局所欠陥周辺に局在する前記電磁モー ドが生成されることを特徴とする共振微小空洞。 １９．請求の範囲１８に記載の共振微小空洞であって、前記基板への放射損失を 最小にするために、誘電体層が前記導波路と前記基板との間に配置され、前記孔 が前記導波路を貫通し前記誘電体層中に延在することを特徴とする共振微小空洞 。 ２０．請求の範囲１６に記載の共振微小空洞であって、前記孔が前記基板の表面 に平行に配置され、その結果、前記局所欠陥の周辺に局在する前記電磁モードが 生成されることを特徴とする共振微小空洞。 ２１．請求の範囲１３に記載の共振微小空洞であって、前記導波路が周期性をも って導波路から伸びるロッドの配列を備えることを特徴とする共振微小空洞。 ２２．請求の範囲２１に記載の共振微小空洞であって、前記局所欠陥が寸法の異 なるロッドまたは誘電率の異なるロッドを前記配列中に備え、前記ロッドによっ て前記局所欠陥の周辺に局在する前記電磁モードが生成されることを特徴とする 共振微小空洞。 ２３．共振微細空洞内の放射閉じ込めを強化し、関連する基板への放射損失を最 小にする方法であって、平面周期誘電体導波路内に構成される前記微小空洞は空 間放射閉じ込めを表す局所欠陥を備え、前記方法は、 前記微小空洞と前記基板との屈折率差異を増大させることを含むことを特徴と する方法。 ２４．請求の範囲２３に記載の方法であって、前記増大工程が前記微小空洞を橋 構成として空気中に懸架し、その結果、前記微小空洞が空気に囲まれることを含 むことを特徴とする方法。 ２５．請求の範囲２３に記載の方法であって、前記増大工程が前記導波路と前記 基板との間における誘電体層の作成を含むことを特徴とする方法。 ２６．請求の範囲２３に記載の方法であって、前記導波路が導波路内の周期性の ある孔の配列を備えることを特徴とする方法。 ２７．請求の範囲２６に記載の方法であって、前記増大工程が前記配列の孔の数 の増加を含むことを特徴とする方法。 ２８．請求の範囲２３に記載の方法であって、前記増大工程が前記基板に周期性 をもって備えられる孔の配列の各孔の深さを前記誘電体層中まで深くする過程を 含むことを特徴とする方法。 ２９．放射閉じ込めの強化された共振微小空洞を作成する方法であって、 基板を作成する工程と、 前記基板面上に、前記基板と平行に周期導波路を形成する工程と、 前記周期導波路内に、局所欠陥を形成する工程とを含み、前記欠陥によって前 記導波路内に生成される放射の空間閉じ込めが前記欠陥周辺において強化され、 該方法は、さらに、前記局所欠陥の下の前記基板を除去し、その結果、橋構成 を生成し前記欠陥を空気に囲ませる工程を含むことを特徴とする方法。