WO2022049621A1 - 光学素子 - Google Patents

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lattice
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photonic crystal
optical
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雅人 滝口
雅也 納富
秀昭 谷山
昭彦 新家
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日本電信電話株式会社
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    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/122—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths

Definitions

  • the present invention relates to an optical element composed of a photonic crystal.
  • An optical element using a photonic crystal is an element having a refractive index modulation structure provided periodically and having a photonic band gap (a band that does not allow light to pass through) formed by the periodicity of the modulation structure.
  • the refractive index modulation structure is, for example, vacancies, and the vacancies are arranged in a grid pattern in the two-dimensional direction.
  • This structure can be made as small as possible, and can be an optical element capable of high-speed operation with low energy consumption.
  • Optical elements using this photonic crystal are attracting attention in photoelectric fusion type processors, biosensors, quantum information applications, and the like.
  • photonic crystals two-dimensional photonic crystals have made great progress because they can be manufactured by utilizing existing semiconductor processes, and various devices have been demonstrated not only in simulation but also experimentally.
  • the performance of nano-sized resonators using photonic crystals is improving day by day, and it has been reported that the Q value exceeds 10 million.
  • a resist layer made of a photosensitive resist is formed on the surface of a plate-shaped base to be a photonic crystal, and a latent image of a designed pattern is formed on the resist layer using an electron beam exposure apparatus.
  • the resist layer on which the latent image is formed is developed to form a resist pattern of the designed pattern (drawing process).
  • the base is etched using the formed resist pattern as a mask.
  • a basic photonic crystal structure is formed, and then a light confinement structure is formed at a desired location.
  • the technology to do so is also being researched.
  • a resonator in which a trench structure is manufactured in an optical waveguide made of a photonic crystal and nanowires made of a semiconductor are arranged in the manufactured trench structure (Patent Document 1, Non-Patent Document 1).
  • the mode in which light propagates shifts where the nanowires are placed.
  • the position of the photonic bandgap shifts where the nanowires are placed.
  • a nano-sized optical resonator can be easily photo-resonated without the need for a precise drawing process in advance. There are advantages such as being able to be formed anywhere in the nick crystal structure.
  • a resonator is formed by forming a mode gap in an optical waveguide made of a photonic crystal.
  • a liquid is dropped into a hole at a desired position in a bulk two-dimensional photonic crystal by using a micropipette, and the hole is filled with the liquid.
  • the structure as a resonator has been demonstrated (Non-Patent Document 2 and Non-Patent Document 3).
  • the present invention has been made to solve the above problems, and various optics that operate stably by forming a light confinement structure due to lattice defects after forming a photonic crystal.
  • the purpose is to make the element available.
  • the optical element according to the present invention includes a base and a plurality of lattice elements having a columnar hollow structure formed in the base, and the plurality of lattice elements are periodically provided in a grid pattern at intervals equal to or less than the wavelength of the target light. It includes a plate-shaped photonic crystal body to be formed, and a light confinement portion composed of a lattice element into which a microstructure made of a solid material is inserted.
  • the microstructure made of a solid material is inserted into the lattice element, it is possible to form a light confinement structure due to lattice defects after forming a photonic crystal. , Various optical elements that operate stably can be obtained.
  • FIG. 1A is a plan view showing the configuration of an optical element according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1B is a cross-sectional view showing the configuration of an optical element according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1C is a cross-sectional view showing a partial configuration of an optical element according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a characteristic diagram showing the result of simulating the magnetic field distribution of the optical element according to the embodiment.
  • FIG. 3A is a cross-sectional view showing a partial configuration of another optical element according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 3B is a cross-sectional view showing a partial configuration of another optical element according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 1A is a plan view showing the configuration of an optical element according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1B is a cross-sectional view showing the configuration of an optical element according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1C is a cross-sectional view showing
  • FIG. 4 is a perspective view showing a partial configuration of another optical element according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a characteristic diagram showing the results of simulating the magnetic field distribution of other optical elements according to the embodiment.
  • FIG. 6A is a plan view showing a partial configuration of another optical element according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 6B is a plan view showing a partial configuration of another optical element according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 6C is a plan view showing a partial configuration of another optical element according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 1B shows a cross section of the aa'line of FIG. 1A.
  • This optical element first includes a plate-shaped photonic crystal body 101 having a base 102 and a plurality of lattice elements 103 having a columnar hollow structure.
  • the lattice element 103 is, for example, a cylinder. Further, the lattice element 103 may be a prism or a triangular prism.
  • the plurality of lattice elements 103 are periodically provided on the base 102 in a lattice pattern at intervals equal to or less than the wavelength of the target light. For example, the lattice element 103 is periodically provided in a triangular lattice pattern. Further, the grid element 103 can be periodically provided in a square grid shape.
  • the photonic crystal body 101 is a so-called two-dimensional slab type photonic crystal.
  • the base 102 can be composed of, for example, SiN, Si, GaAs, InP, GaP, or the like.
  • this optical element includes a light confinement portion 104 composed of a lattice element 103 into which a microstructure 105 made of a solid material is inserted.
  • the light confinement portion 104 in which the microstructure 105 is inserted into the lattice element 103 functions as a point defect on the lattice point of the photonic crystal body 101.
  • the microstructure 105 is spherical. Further, the microstructure 105 can be made of polystyrene.
  • microstructure 105 For example, commercially available polystyrene nanobeads can be used as the microstructure 105. Further, by using a known electron beam lithography technique and etching technique, a nano-sized microstructure 105 can be manufactured. In this case, the dimensions can be adjusted extremely precisely to obtain the desired nano-sized microstructure 105 (see References). Further, particle size standard particles (nano beads) having extremely uniform diameter dimensions and being a measurement standard are commercially available at low cost.
  • the nano-sized microstructure 105 described above can be obtained at a desired location on the photonic crystal body 101 by well-known nanomanipulation techniques such as microneedles, microgrippers, atomic force microscope needles, and transfer printing. It can be easily carried out to be arranged in the lattice element 103 of.
  • the microstructure 105 since the microstructure 105 is made of a solid material, it does not evaporate within a normal range of use. Further, the microstructure 105 has a higher refractive index than the liquid, and it is easy to improve the resonator characteristics. Further, by constructing the microstructure 105 from a direct transition type semiconductor, the optical element can be applied to a light emitting element such as a laser. Further, by forming a predetermined thin layer on the surface of the microstructure 105, it is possible to impart functionality (luminescence). For example, by using the well-known atomic layer deposition (ALD) method, an atomic layer or a thin, functional thin layer at the molecular layer level can be formed on the surface of the microstructure 105. Can be done.
  • ALD atomic layer deposition
  • the microstructure 105 can be precisely arranged at a desired location, so that the production yield of the resonator can be increased. Attempting to drip a liquid onto a desired lattice element is not easy, and in the case of a liquid, if it is dropped in the wrong place, it will be a defective product. On the other hand, by using the microstructure 105, it is easy to change the arrangement position.
  • the conditions in the simulation were that the base 102 was made of SiN (refractive index 1.99) and the microstructure 105 was made of polystyrene (refractive index 1.54).
  • the grid element 103 has a hole diameter of 364 nm, and the height of the grid element 103 (plate thickness of the base 102) is 304 nm.
  • the lattice constant (distance between adjacent lattice elements 103) of the photonic crystal main body 101 was set to 540 nm. Further, as an ideal condition, the simulation was performed on the assumption that the diameter of the spherical microstructure 105 and the hole diameter of the lattice element 103 are the same.
  • the microstructure 105 is inserted into the lattice element 103 at the position of the light confinement portion 104, so that as shown in FIG. A resonator mode is formed.
  • the diameter of the microstructure 105 needs to be slightly smaller than the hole diameter of the lattice element 103.
  • the plurality of spherical microstructures 105 are dispersed on the photonic crystal body 101 and then moved to the lattice element 103 at a predetermined position by a micro gripper or an atomic force microscope needle to enter the lattice element 103. insert. Since the microstructure 105 is adsorbed on the surface inside the hole of the lattice element 103 by electrostatic force, it does not fall (jump out) from the lattice element 103.
  • a spacer layer 106 made of a solid material can be formed on the surface of the microstructure 105.
  • a spacer layer 106a made of a solid material can be arranged between the microstructure 105 and the side wall in the hole of the lattice element 103. In this case, the spacer layer 106a is in a state of being formed on the side wall in the hole of the lattice element 103.
  • the spacer layer 106 and the spacer layer 106a can be made of, for example, ZnO.
  • the spacer layer 106 and the spacer layer 106a can be formed by forming a ZnO layer by a known ALD method.
  • the spacer layer 106 and the spacer layer 106a can be made of a polymer material (polymer) doped with a light emitter such as a dye or colloidal quantum dots. These can be formed using a known coating method.
  • a gap is substantially formed between them.
  • the microstructure 105 when the microstructure 105 is spherical, even if the hole diameter of the lattice element 103 and the diameter of the microstructure are substantially the same, a gap is formed between them.
  • a light emitter or an optical absorption medium can be arranged in the above-mentioned gap, and the electric field between the spacer layer and the optical confinement portion 104 (resonator) can be made efficient. Can be expected to interact with each other.
  • the optical element according to the embodiment can be applied to a highly efficient light emitting element, an optical switch, or the like.
  • the microstructure 105a can be columnar.
  • the microstructure 105a when the lattice element 103 is a cylinder, the microstructure 105a can be a cylinder.
  • the microstructure 105a can have the same height as the grid element 103.
  • the outer diameter of the microstructure 105a can be set to a value slightly smaller than the inner diameter of the lattice element 103.
  • the microstructure 105a when the lattice element 103 is a prism or a triangular prism, the microstructure 105a can be adapted to these and can be a prism or a triangular prism.
  • the microstructure 105 can be manufactured by patterning an InP substrate using known lithography techniques and etching techniques.
  • the grid element 103 has a hole diameter of 230 nm, and the height of the grid element 103 (the plate thickness of the base 102) is 240 nm.
  • the lattice constant of the photonic crystal body 101 was set to 430 nm. Further, as an ideal condition, the simulation was performed on the assumption that the diameter of the cylindrical microstructure 105a and the hole diameter of the lattice element 103 are the same.
  • the resonator mode is formed at the position of the optical confinement portion 104 in which the microstructure 105a is inserted into the lattice element 103.
  • the group III-V semiconductor used as the material of the microstructure 105a can have a composition that emits light in the communication wavelength band, and this optical element can be applied as a laser element.
  • the microstructure 105 can be inserted into three continuous lattice elements 103 to form an L3 resonator 104a. ..
  • a resonator due to three consecutive point defects of a photonic crystal is called an L3 resonator.
  • FIG. 6B by arranging the two L3 resonators 104a close to a predetermined distance, a coupled state can be generated between the two L3 resonators 104a.
  • the optical waveguide 104b can be obtained by inserting the microstructure 105 into a plurality of lattice elements 103 that are continuous on a straight line.
  • a plurality of lattice elements 103 that are continuous on a straight line in which a microstructure 105 is inserted are a portion corresponding to a core of an optical waveguide.
  • the microstructure made of a solid material is inserted into the lattice element, after forming the photonic crystal, the light confinement structure due to the lattice defect is formed. Therefore, various optical elements that operate stably can be obtained.
  • 101 photonic crystal body, 102 ... base, 103 ... lattice element, 104 ... light confinement, 105 ... microstructure.

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Abstract

光学素子は、基部（１０２）および柱状の中空構造の複数の格子要素（１０３）を備える、板状のフォトニック結晶本体（１０１）を備える。格子要素（１０３）は、例えば、円柱とされている。複数の格子要素（１０３）は、基部（１０２）に、対象とする光の波長以下の間隔で格子状に周期的に設けられている。フォトニック結晶本体（１０１）は、いわゆる２次元スラブ型のフォトニック結晶である。また、この光学素子は、固体材料からなる微小構造体（１０５）が挿入された格子要素（１０３）から構成された光閉じ込め部（１０４）を備える。

Description

光学素子
　本発明は、フォトニック結晶から構成された光学素子に関する。
　フォトニック結晶を用いた光学素子は、周期的に設けられた屈折率の変調構造を持ち、変調構造の周期性より形成されるフォトニックバンドギャップ（光を通さない帯域）を持つ素子である。屈折率の変調構造は、例えば、空孔であり、この空孔が２次元方向に格子状に配列されている。この変調構造に欠陥を導入すれば、この小さな領域に光を強く閉じ込めることができ、例えば、共振器とすることができる。この構造は、極限まで小さくでき、低消費エネルギーで高速な動作が可能な光学素子とすることができる。このフォトニック結晶を用いた光学素子は、光電融合型のプロセッサー、バイオセンサー、量子情報応用などにおいて注目を浴びている。
　フォトニック結晶の中でも、２次元フォトニック結晶は、既存の半導体プロセスを活用して作製ができるために大きく進展し、シミュレーションだけでなく実験的にも様々な素子が実証されてきた。特に、フォトニック結晶を用いたナノサイズの共振器は、その性能が日々向上しており、Ｑ値が１０００万を超えるものについても報告されている。
　フォトニック結晶で、格子欠陥による光閉じ込めの構造を作製するには、一般に、光学シミュレーションで、フォトニック結晶の穴を抜く、言い換えると穴が埋められた欠陥構造を導入し、光がそこに閉じ込められるかどうかを調べる。特に、欠陥構造の周りの複数の穴の位置を精密に移動することで、Ｑ値が高くなるような構造を探索することになる。このように、シミュレーションで構造を確定したら、実際に、設計した箇所に穴が無いフォトニック結晶を作製する。
　例えば、フォトニック結晶とする板状の基部の表面に、感光性レジストによるレジスト層を形成し、電子線露光装置を用い、設計したパターンの潜像をレジスト層に形成する。次いで、潜像を形成したレジスト層を現像することで、設計したパターンのレジストパターンを形成する（描画プロセス）。次に、形成したレジストパターンをマスクとして基部をエッチング加工する。このように、一般には、フォトニック結晶共振器は、穴部および格子欠陥部の位置を事前に設計し、設計の通りの穴部および格子欠陥部を基部に形成し、例えば、共振器構造を作製している。
　上述したように、事前に穴の位置を精密に設計してフォトニック結晶による光学素子の作製に対し、基本的なフォトニック結晶の構造を形成した後で、所望の箇所に光閉じ込め構造を形成する技術も研究されている。一例として、フォトニック結晶による光導波路中にトレンチ構造を作製し、作製したトレンチ構造の中に半導体によるナノワイヤを配置した共振器が挙げられる（特許文献１, 非特許文献１）。この技術において、ナノワイヤが配置された箇所では、光の伝搬するモードがシフトする。言い換えると、ナノワイヤが配置された箇所では、フォトニックバンドギャップの位置がシフトする。このようなモードのギャップが、光導波路中に形成されると、この部分に共振器（mode gap 共振器）が構成されるようになる。
　このように、フォトニック結晶の構成を作製した後、所望の箇所に光閉じ込め構造を形成する技術によれば、事前の精密な描画プロセスが不要で、簡便にナノサイズの光共振器を、フォトニック結晶構造の任意の場所に作製できるなどの利点がある。
特開２０１４－０２７１６８号公報
M. Takiguchi et al., "Continuous-wave operation and 10-Gb/s direct modulation of InAsP/InP sub-wavelength nanowire laser on silicon photonic crystal", APL Photonics 2, vol. 2, no. 4, 046106, 2017. F. S. F. Brossard et al., "Inkjet‐Printed Nanocavities on a Photonic Crystal Template", Advanced Materials, vol. 29, Issue 47, 1704425, 2017. F. Intonti et al., "Rewritable photonic circuits", Applied Physics Letters, vol. 89, no. 21, 211117, 2006.
　上述した従来の技術では、フォトニック結晶による光導波路の中に、モードのギャップを形成することで、共振器を構成している。これに対し、格子欠陥による光閉じ込め構造を形成する構成では、例えば、バルクの２次元フォトニック結晶の所望とする箇所の穴に、マイクロピペットをつかい液体を垂らし、穴を液体で充填することで共振器とする構造が、実証されている（非特許文献２、非特許文献３）。
　しかしながら、この技術では、液体を用いているため、液体が蒸発することにより素子を長期間保つことができないという問題がある。また、例えば、入力される光の強度が強いと、液体が蒸発することになり、安定的な動作が期待できない。また、液体では、発光材料を導入し、レーザなどに応用することも難しい。このように、従来の技術では、フォトニック結晶を形成した後で、このフォトニック結晶に、格子欠陥による光閉じ込め構造を形成することで、安定して動作する様々な光学素子することが容易ではないという問題があった。
　本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、フォトニック結晶を形成した後で、格子欠陥による光閉じ込め構造を形成することで、安定して動作する様々な光学素子が得られるようにすることを目的とする。
　本発明に係る光学素子は、基部および基部に形成された柱状の中空構造の複数の格子要素を備え、複数の格子要素は、対象とする光の波長以下の間隔で格子状に周期的に設けられている板状のフォトニック結晶本体と、固体材料からなる微小構造体が挿入された格子要素から構成された光閉じ込め部とを備える。
　以上説明したように、本発明によれば、固体材料からなる微小構造体が、格子要素に挿入されているので、フォトニック結晶を形成した後で、格子欠陥による光閉じ込め構造を形成することで、安定して動作する様々な光学素子が得られる。
図１Ａは、本発明の実施の形態に係る光学素子の構成を示す平面図である。 図１Ｂは、本発明の実施の形態に係る光学素子の構成を示す断面図である。 図１Ｃは、本発明の実施の形態に係る光学素子の一部構成を示す断面図である。 図２は、実施の形態に係る光学素子の磁場分布をシミュレーションした結果を示す特性図である。 図３Ａは、本発明の実施の形態に係る他の光学素子の一部構成を示す断面図である。 図３Ｂは、本発明の実施の形態に係る他の光学素子の一部構成を示す断面図である。 図４は、本発明の実施の形態に係る他の光学素子の一部構成を示す斜視図である。 図５は、実施の形態に係る他の光学素子の磁場分布をシミュレーションした結果を示す特性図である。 図６Ａは、本発明の実施の形態に係る他の光学素子の一部構成を示す平面図である。 図６Ｂは、本発明の実施の形態に係る他の光学素子の一部構成を示す平面図である。 図６Ｃは、本発明の実施の形態に係る他の光学素子の一部構成を示す平面図である。
　以下、本発明の実施の形態に係る光学素子について図１Ａ、図１Ｂ、図１Ｃを参照して説明する。なお、図１Ｂは、図１Ａのａａ’線の断面を示している。
　この光学素子は、まず、基部１０２および柱状の中空構造の複数の格子要素１０３を備える、板状のフォトニック結晶本体１０１を備える。格子要素１０３は、例えば、円柱とされている。また、格子要素１０３は、角柱や三角柱とすることもできる。複数の格子要素１０３は、基部１０２に、対象とする光の波長以下の間隔で格子状に周期的に設けられている。例えば、格子要素１０３は、三角格子状に周期的に設けられている。また、格子要素１０３は、正方格子状に周期的に設けることができる。フォトニック結晶本体１０１は、いわゆる２次元スラブ型のフォトニック結晶である。基部１０２は、例えば、ＳｉＮ、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＰなどから構成することができる。
　また、この光学素子は、固体材料からなる微小構造体１０５が挿入された格子要素１０３から構成された光閉じ込め部１０４を備える。格子要素１０３に微小構造体１０５が挿入されている光閉じ込め部１０４は、フォトニック結晶本体１０１の格子点上の点欠陥として機能する。この例では、微小構造体１０５は、球状とされている。また、微小構造体１０５は、ポリスチレンから構成することができる。
　例えば、市販されているポリスチレン製のナノビーズを微小構造体１０５として用いることができる。また、公知の電子線リソグラフィー技術およびエッチング技術を用いることで、ナノサイズの微小構造体１０５を作製することができる。この場合、極めて精密に寸法を調整して、所望とするナノサイズの微小構造体１０５を得ることができる（参考文献参照）。また、径の寸法が極めて均一であり、計量標準となっている粒子径標準粒子（ナノビーズ）が、安価に市販されている。
　上述したナノサイズの微小構造体１０５は、マイクロニードル、マイクログリッパー、原子間力顕微鏡の針、トランスファープリンティングなどの、よく知られたナノマニピュレーション技術により、フォトニック結晶本体１０１の上で、所望の箇所の格子要素１０３に配置することが容易に実施できる。
　実施の形態に係る光学素子においては、微小構造体１０５が固体材料から構成されているため、通常の使用範囲で蒸発することがない。また微小構造体１０５は、液体よりも屈折率が大きく、共振器特性を改善することが容易である。また、微小構造体１０５を直接遷移型の半導体から構成することで、光学素子をレーザなどの発光素子に応用できる。また、微小構造体１０５の表面に、所定の薄層を形成することで、機能性（発光性）を持たせることもできる。例えば、よく知られた原子層堆積（Atomic layer deposition：ＡＬＤ）法を用いることで、原子層、あるいは分子層レベルの薄い、機能性を有する薄層を、微小構造体１０５の表面に形成することができる。
　また、微小構造体１０５は、液体と異なり、精密に所望の箇所に配置できるので、共振器の作製歩留まりも高くできる。液体を所望とする格子要素に滴下しようとすることは、容易ではなく、また、液体の場合、間違った場所に滴下してしまうと、不良品となってしまう。一方、微小構造体１０５を用いることで、配置位置を変更することが容易である。
　次に、実施の形態に係る光学素子の磁場分布をシミュレーションした結果について、図２を参照して説明する。シミュレーションにおける条件は、基部１０２は、ＳｉＮ（屈折率１．９９）から構成し、微小構造体１０５は、ポリスチレン（屈折率１．５４）から構成した。また、格子要素１０３は、穴径３６４ｎｍとし、格子要素１０３の高さ（基部１０２の板厚）は３０４ｎｍとした。また、フォトニック結晶本体１０１の格子定数（隣り合う格子要素１０３の間の距離）は、５４０ｎｍとした。また、理想的な条件として、球状の微小構造体１０５の直径と、格子要素１０３の穴径が同じであると仮定してシミュレーションを実施した。
　フォトニック結晶本体１０１には、光閉じ込め構造（共振器）は存在しないが、光閉じ込め部１０４とする箇所の格子要素１０３に微小構造体１０５を挿入しているので、図２に示すように、共振器モードが形成されている。なお、実際の光学素子作製においては、微小構造体１０５の径は、格子要素１０３の穴径よりもわずかに小さい必要がある。複数の球状の微小構造体１０５は、フォトニック結晶本体１０１の上に分散させた後、マイクログリッパーや原子間力顕微鏡の針で、所定の箇所の格子要素１０３に移動させて格子要素１０３内に挿入する。微小構造体１０５は、静電気力により格子要素１０３の穴内の表面に吸着するので、格子要素１０３から外に落ちる（飛び出す）ことはない。
　ところで、図３Ａに示すように、微小構造体１０５の表面に、固体材料からなるスペーサ層１０６を形成することができる。また、図３Ｂに示すように、微小構造体１０５と格子要素１０３の穴内の側壁との間に、固体材料からなるスペーサ層１０６ａを配置することもできる。この場合、スペーサ層１０６ａは、格子要素１０３の穴内の側壁に形成された状態とする。
　スペーサ層１０６，スペーサ層１０６ａは、例えば、ＺｎＯから構成することができる。例えば、公知のＡＬＤ法により、ＺｎＯの層を形成することで、スペーサ層１０６，スペーサ層１０６ａとすることができる。また、スペーサ層１０６，スペーサ層１０６ａは、色素やコロイダル量子ドットなどの発光体をドープした高分子材料（ポリマー）から構成することができる。これらは、公知の塗布法を用いて形成することができる。格子要素１０３に微小構造体１０５すると、実質的にこれらの間に隙間が形成される。特に、微小構造体１０５が球状の場合、格子要素１０３の穴径と微小構造体の直径とがほぼ一致していても、これらの間に隙間が形成される。上述したように、スペーサ層を形成することで、上述した隙間に発光体や光学吸収媒体を配置することができ、スペーサ層と、光閉じ込め部１０４（共振器）との間の電場を、効率的に相互作用することが期待できる。この結果、スペーサ層を設けることで、実施の形態に係る光学素子を、高効率な発光素子や光スイッチなどに応用できる。
　ところで、図４に示すように、微小構造体１０５ａは、柱状とすることができる。例えば、格子要素１０３が円柱である場合、微小構造体１０５ａは、円柱とすることができる。例えば、微小構造体１０５ａは、格子要素１０３と同一の高さとすることができる。また、微小構造体１０５ａの外径は、格子要素１０３の内径に対し、わずかに小さい値とすることができる。また、格子要素１０３が、角柱や三角柱である場合、微小構造体１０５ａは、これらに適合させ、角柱や三角柱とすることができる。
　次に、ＩｎＰ（屈折率３．３）から構成した円柱状の微小構造体１０５ａを用い、また、基部１０２をＳｉ（屈折率３．４５）とした、実施の形態に係る光学素子の磁場分布をシミュレーションした結果について、図５を参照して説明する。微小構造体１０５は、公知のリソグラフィー技術およびエッチング技術を用い、ＩｎＰ基板をパターニングすることで作製できる。
　また、格子要素１０３は、穴径２３０ｎｍとし、格子要素１０３の高さ（基部１０２の板厚）は２４０ｎｍとした。また、フォトニック結晶本体１０１の格子定数（隣り合う格子要素１０３の間の距離）は、４３０ｎｍとした。また、理想的な条件として、円柱の微小構造体１０５ａの直径と、格子要素１０３の穴径が同じであると仮定してシミュレーションを実施した。
　図２を用いて説明したシミュレーション結果と同様に、格子要素１０３に微小構造体１０５ａを挿入した光閉じ込め部１０４とする箇所に共振器モードが形成されていることが分かる。また、微小構造体１０５ａの材料として用いたＩＩＩ－Ｖ族半導体は、通信波長帯で発光する組成とすることができ、この光学素子を、レーザ素子としての応用することが可能である。
　ところで、光閉じ込め部により共振器を構成する場合、例えば、図６Ａに示すように、連続する３つの格子要素１０３に微小構造体１０５を挿入し、これらで、Ｌ３共振器１０４ａとすることができる。よく知られているように、フォトニック結晶の連続した３つの点欠陥による共振器が、Ｌ３共振器と呼ばれている。また、図６Ｂに示すように、２つのＬ３共振器１０４ａを所定の距離に近づけて配置することで、２つのＬ３共振器１０４ａの間に結合状態を生成させることができる。
　また、光閉じ込め部により光導波路を構成することもできる。例えば、図６Ｃに示すように、直線上に連続する複数の格子要素１０３に、微小構造体１０５を挿入することで、光導波路１０４ｂとすることができる。各々に微小構造体１０５が挿入された直線上に連続する複数の格子要素１０３は、光導波路のコアに相当する部分となる。
　以上に説明したように、本発明によれば、固体材料からなる微小構造体が、格子要素に挿入されているので、フォトニック結晶を形成した後で、格子欠陥による光閉じ込め構造を形成することで、安定して動作する様々な光学素子が得られるようになる。
　なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。
［参考文献］S.Sergentetal.,"SublimingGaNintoOrderedNanowireArraysforUltravioletandVisibleNanophotonics",AmericanChemicalSocietyPhotonics,vol.6,pp.3321-3330,2019.
　１０１…フォトニック結晶本体、１０２…基部、１０３…格子要素、１０４…光閉じ込め部、１０５…微小構造体。

Claims (7)

  1. 　基部および前記基部に形成された柱状の中空構造の複数の格子要素を備え、前記複数の格子要素は、対象とする光の波長以下の間隔で格子状に周期的に設けられている板状のフォトニック結晶本体と、
    　固体材料からなる微小構造体が挿入された前記格子要素から構成された光閉じ込め部と
    　を備える光学素子。
  2. 　請求項１記載の光学素子において、
    　前記微小構造体と前記格子要素の側壁との間に配置された、固体材料からなるスペーサ層をさらに備えることを特徴とする光学素子。
  3. 　請求項２記載の光学素子において、
    　前記スペーサ層は、前記微小構造体の表面に形成されていることを特徴とする光学素子。
  4. 　請求項２記載の光学素子において、
    　前記スペーサ層は、前記格子要素の側壁に形成されていることを特徴とする光学素子。
  5. 　請求項１～４のいずれか１項に記載の光学素子において、
    　前記微小構造体は、球状または柱状とされていることを特徴とする光学素子。
  6. 　請求項１～５のいずれか１項に記載の光学素子において、
    　前記光閉じ込め部から構成された共振器を備えることを特徴とする光学素子。
  7. 　請求項１～６のいずれか１項に記載の光学素子において、
    　前記光閉じ込め部から構成された光導波路を備えることを特徴とする光学素子。
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