(57)【要約】      （修正有）【課題】フォトニック結晶の低屈折率媒体の屈折率が空気より大きい場合であっても、共振器のモード体積をより小さくする。【解決手段】第１格子要素１１１は、第２方向に光閉じ込め部１０４より離れる側にシフトしている。また、第２格子要素１１２は、第２方向に光閉じ込め部より離れる側にシフトしている。また、第３格子要素１２１は、第２方向に光閉じ込め部より離れる側にシフトしている。第１格子要素のシフトの量は、結晶周期の０．０５〜０．５倍の範囲とされている。第２格子要素のシフトの量は、結晶周期の０．０２〜０．５倍の範囲とされている。第３格子要素のシフトの量は、結晶周期の０．０１〜０．５倍の範囲とされている。【選択図】図１
2020134646.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基部および前記基部とは異なる屈折率を有する柱状の複数の格子要素を備え、前記複数の格子要素は、前記基部上に、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板状のフォトニック結晶本体と、
前記フォトニック結晶本体の格子点に前記格子要素がない部分から構成された欠陥による光閉じ込め部と、
前記格子要素によるフォトニック結晶のΓ−Ｋ結晶方位に沿う第１方向に長手方向が延在して、前記光閉じ込め部の前記基部に埋め込まれ、前記基部より屈折率の低い埋め込み構造体と
を備え、
前記光閉じ込め部による共振器の共振モードの１つは前記埋め込み構造体の内部に１つのみの電界のアンチノードを有する状態とされ、
前記埋め込み構造体は、空気より大きい屈折率を有し、
前記格子要素が配列されている平面上で前記第１方向に垂直な第２方向で、前記光閉じ込め部に隣り合う第１格子要素は、前記第２方向に前記光閉じ込め部より離れる側に格子点からシフトし、
前記第１方向で前記第１格子要素に隣り合う第２格子要素は、前記第２方向に前記光閉じ込め部より離れる側に格子点からシフトし、
前記第２方向に前記光閉じ込め部より離れる側で、前記第１格子要素および前記第２格子要素に隣り合う第３格子要素は、前記第２方向に前記光閉じ込め部より離れる側に格子点からシフトし、
前記第１格子要素のシフトの量は、結晶周期の０．０５〜０．５倍の範囲とされ、
前記第２格子要素のシフトの量は、結晶周期の０．０２〜０．５倍の範囲とされ、
前記第３格子要素のシフトの量は、結晶周期の０．０１〜０．５倍の範囲とされ
ていること特徴とするフォトニック結晶光共振器。
【請求項２】
請求項１記載のフォトニック結晶光共振器において、
前記第１方向で前記光閉じ込め部に隣り合う第４格子要素は、前記第１方向に前記光閉じ込め部より離れる側にシフトしていることを特徴とするフォトニック結晶光共振器。
【請求項３】
請求項１または２記載のフォトニック結晶光共振器において、
前記第１格子要素、前記第２格子要素、および前記第３格子要素は、前記第１方向にシフトしていることを特徴とするフォトニック結晶光共振器。
【請求項４】
請求項３記載のフォトニック結晶光共振器において、
シフトの量は、共振器のＱ値が最大となるように、前記基部と前記格子要素との間の屈折率の差に合わせて最適化されていることを特徴とするフォトニック結晶光共振器。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載のフォトニック結晶光共振器において、
前記光閉じ込め部は、フォトニック結晶の前記格子要素が１つ取り除かれた点欠陥により構成されることを特徴とするフォトニック結晶光共振器。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載のフォトニック結晶光共振器において、
前記埋め込み構造体の前記第１方向の長さは、結晶周期の０．６５〜１．２５倍の範囲とされていることを特徴とするフォトニック結晶光共振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フォトニック結晶光共振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
フォトニック結晶は、屈折率の異なる２種類以上の媒体からなる周期結晶構造を有する人工素材であり、光の伝播、屈折、反射の制御や光の捕獲などの機能を有している。サブミクロンの結晶周期で構成されるフォトニック結晶により、様々な波長の光を対象とした従来型の光導波路による光集積回路の大幅な小型化、あるいは光デバイスの超小型化、かつ消費エネルギーの大幅な低減が図られることが特に期待される。
【０００３】
これまで、様々な設計で作製されたフォトニック結晶光共振器が提案・開発されてきたが、ここでは、単一点欠陥型光共振器に注目する。フォトニック結晶は、基部と、基部に形成された貫通穴からなる格子要素による周期結晶構造から構成できる。例えば、格子要素を２次元の三角格子に配列した周期結晶構造によりフォトニック結晶（２次元フォトニック結晶）が構成できる。このフォトニック結晶において、格子点から格子要素を取り除いた欠陥による光閉じ込め構造で、共振器が構成できる。格子要素を取り除いた格子点の箇所は、点欠陥と呼ばれている。１つの点欠陥から構成した光閉じ込め構造による共振器は、光閉じ込め構造を中心に、平面視で結晶の６回対称性を有し、Ｈ１共振器と呼ばれている。
【０００４】
Ｈ１共振器は、フォトニック結晶光共振器の中でも実共振器サイズ（フットプリント）および光学的な体積（モード体積：Ｖ）が最も小さい部類に入る。しかし、後述するスロット構造を配置しない場合において、Ｈ１共振器のモード体積Ｖが１（λ／２ｎ）3  を下回る設計はこれまで報告が無い。スロット構造は、光閉じ込め構造における基部に、スロットと呼ばれる例えば直方体状の埋め込み構造体が埋め込まれている構造である。スロット構造におけるスロットは、一般に、２００ｎｍを下回る幅が採用されており、光の電界をサブ波長の小さなスロット内に強く閉じ込め、強度を強く増強する効果を有する。このようなスロット構造の性質は、応用上、原子・分子の捕獲、バイオセンサにおける分子やＤＮＡの検出や捕獲、活性媒質の充填による高性能光デバイスの実現などに極めて有用と考えられている。
【０００５】
以上の性質に鑑み、特許文献１に開示された技術では、Ｈ１共振器の点欠陥内に収まる長さが短く、かつ幅が非常に狭いスロットを、光閉じ込め構造の部分に配置している。この構成とすることにより、単一点欠陥共振器を維持しながら、Ｈ１共振器のモード体積Ｖを１（λ／２ｎ）3を大幅に下回る設計を可能とした。加えて、特許文献１の技術では、スロットの長手方向の延長線上にある格子要素を、スロットより外側へ格子点からシフトすることでＱ値の大幅な増強を可能としている。実際、上述した技術により、Ｑ値が２０万、Ｑ／Ｖが１０００万に達する光共振器が実験的に得られている（非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１８−１３２７２６号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】E. Kuramochi, J. K. Kim, H. Taniyama, A. Shinya, S. Kita, and M. Notomi, "Ultrahigh-Q/V single point-defect photonic crystal nanocavity with embedded sub-wavelength air-slot", Conference on Lasers and Electro-Optics OSA Technical Digest (online) (Optical Society of America, 2017), paper JTh3M.5 .https://doi.org/10.1364/CLEO_AT.2017.
【非特許文献２】杉原  興浩  他、「電気光学ポリマーと光導波路デバイス  有機光デバイス―導波素子から受発光素子まで」、応用物理学会、光学、３８巻、１２号、５９８−６０３頁、２００９年。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述した特許文献１により、サブ波長の寸法のスロット内の１つの電界のアンチノード（antinode）に光を集中し、Ｈ１共振器のモード体積Ｖが１（λ／２ｎ）3を大きく下回り、Ｑ値が１０万を大きく上回る設計技術が示された。Ｈ１共振器内に、Ｈ１共振器を本質的に破壊することない小さなスロットを配置して組み合わせたことが、特許文献１の技術上の最大のポイントであった。特許文献１において、Ｑ値を実用上有用な値に増強するために、スロットの長手方向の延長線上の複数の格子要素を外側方向にシフトする技術が示された。ただし、共振器周囲には上述した技術にしたがって格子点からシフトされる格子要素の他にも多数の格子要素が存在するが、これらの他の格子要素のシフトにより同様のＱ値が高くＶが小さい共振器が実現されるのかについてはこれまで明らかではなかった。
【０００９】
また、特許文献１の技術では、フォトニック結晶のスロットやフォトニック結晶本体の上下に形成されているクラッド層を構成する低屈折率媒体の屈折率が、１（真空／空気）よりも高い場合でも、Ｑ値およびＱ／Ｖの非常に高い共振器を実現することが可能であった。しかしながら、この技術では、低屈折率媒体の屈折率が空気より高い場合、モード体積Ｖが大きくなるという問題があった。例えば、低屈折率媒体が水（屈折率１．３）の場合のＨ１共振器のモード体積Ｖは、０．０６（λ／ｎ）3程度になる。また、シリコン酸化膜（屈折率１．４５）の場合のＨ１共振器のモード体積Ｖは、０．１（λ／ｎ）3程度とやや大きくなる。特許文献１では、Ｑ値を増強する目的で特定の格子要素をシフトしているので、Ｈ１共振器のモード体積Ｖが大きくなってしまうことについては、考慮されていない。
【００１０】
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、フォトニック結晶の低屈折率媒体の屈折率が空気より大きい場合であっても、共振器のモード体積がより小さくできるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係るフォトニック結晶光共振器は、基部および基部とは異なる屈折率を有する柱状の複数の格子要素を備え、複数の格子要素は、基部上に、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板状のフォトニック結晶本体と、フォトニック結晶本体の格子点に格子要素がない部分から構成された欠陥による光閉じ込め部と、格子要素によるフォトニック結晶のΓ−Ｋ結晶方位に沿う第１方向に長手方向が延在して、光閉じ込め部の基部に埋め込まれ、基部より屈折率の低い埋め込み構造体とを備え、光閉じ込め部による共振器の共振モードの１つは埋め込み構造体の内部に１つのみの電界のアンチノードを有する状態とされ、埋め込み構造体は、空気より大きい屈折率を有し、格子要素が配列されている平面上で第１方向に垂直な第２方向で、光閉じ込め部に隣り合う第１格子要素は、第２方向に光閉じ込め部より離れる側に格子点からシフトし、第１方向で第１格子要素に隣り合う第２格子要素は、第２方向に光閉じ込め部より離れる側に格子点からシフトし、第２方向に光閉じ込め部より離れる側で、第１格子要素および第２格子要素に隣り合う第３格子要素は、第２方向に光閉じ込め部より離れる側に格子点からシフトし、第１格子要素のシフトの量は、結晶周期の０．０５〜０．５倍の範囲とされ、第２格子要素のシフトの量は、結晶周期の０．０２〜０．５倍の範囲とされ、第３格子要素のシフトの量は、結晶周期の０．０１〜０．５倍の範囲とされている。
【００１２】
上記フォトニック結晶光共振器の一構成例において、第１方向で光閉じ込め部に隣り合う第４格子要素は、第１方向に光閉じ込め部より離れる側にシフトしている。
【００１３】
上記フォトニック結晶光共振器の一構成例において、第１格子要素、第２格子要素、および第３格子要素は、第１方向にシフトしている。
【００１４】
上記フォトニック結晶光共振器の一構成例において、シフトの量は、共振器のＱ値が最大となるように、基部と格子要素との間の屈折率の差に合わせて最適化されている。
【００１５】
上記フォトニック結晶光共振器の一構成例において、光閉じ込め部は、フォトニック結晶の格子要素が１つ取り除かれた点欠陥により構成される。
【００１６】
上記フォトニック結晶光共振器の一構成例において、埋め込み構造体の第１方向の長さは、結晶周期の０．６５〜１．２５倍の範囲とされている。
【発明の効果】
【００１７】
以上説明したことにより、本発明によれば、フォトニック結晶の低屈折率媒体の屈折率が空気より大きい場合であっても、共振器のモード体積がより小さくできる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、本発明の実施の形態に係るフォトニック結晶光共振器の構成を示す平面図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態に係るフォトニック結晶光共振器のより詳細な構成を示す平面図である。
【図３】図３は、表１に示す各シフト量としたフォトニック結晶光共振器について、埋め込み構造体１０５の長さ（結晶周期単位）とＱ値との関係を計算した結果を示す特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態に係るフォトニック結晶光共振器について図１を参照して説明する。
【００２０】
このフォトニック結晶光共振器は、まず、基部１０２および基部１０２とは異なる屈折率を有する柱状の複数の格子要素１０３を備える。また、複数の格子要素１０３が、基部１０２上に、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板状のフォトニック結晶本体１０１を備える。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。格子要素１０３は、例えば円柱状の構造である。後述する埋め込み構造体１０５と同様に、格子要素１０３の屈折率は、基部１０２の屈折率より低く、空気より大きくされている。
【００２１】
また、このフォトニック結晶光共振器は、フォトニック結晶本体１０１に設けられて、フォトニック結晶の格子点に格子要素１０３がない部分から構成された欠陥による光閉じ込め部１０４を備える。光閉じ込め部１０４は、例えば、フォトニック結晶の格子要素１０３が１つ取り除かれた点欠陥により構成されている。
【００２２】
また、このフォトニック結晶光共振器は、光閉じ込め部１０４における基部１０２に埋め込み構造体１０５を備える。埋め込み構造体１０５は、格子要素１０３によるフォトニック結晶のΓ−Ｋ結晶方位に沿う第１方向（ｘ方向）に、長手方向が延在している。また、埋め込み構造体１０５は、基部１０２に埋め込まれて設けられている。埋め込み構造体１０５は、平面視で光閉じ込め部１０４の中心に配置されている。
【００２３】
また、埋め込み構造体１０５の屈折率は、基部１０２の屈折率より低く、空気より大きくされている。例えば、埋め込み構造体１０５は、水から構成されている。なお、光閉じ込め部１０４による共振器の基底共振モードは、埋め込み構造体１０５の内部に１つのみの電界のアンチノードを有する状態とされている。例えば、埋め込み構造体１０５の第１方向の長さは、結晶周期の０．６５〜１．２５倍の範囲とされている。また、例えば、埋め込み構造体１０５の、平面視で第１方向に垂直な第２方向（ｙ方向）の長さは、結晶周期の１／２０〜１／８の範囲とされている。
【００２４】
図１では、埋め込み構造体１０５は、長手方向を紙面左右方向としているが、フォトニック結晶の６回対称性より、長手方向を、図１に示す状態より±６０度回転させても等価な構造となる。
【００２５】
また、このフォトニック結晶光共振器は、格子要素１０３が配列されている平面上で第１方向に垂直な第２方向（ｙ方向）で、光閉じ込め部１０４に隣り合う第１格子要素１１１は、第２方向に光閉じ込め部１０４より離れる側に格子点からシフトしている。第１格子要素１１１のシフトの量は、結晶周期の０．０５〜０．５倍の範囲とされている。
【００２６】
また、第１方向で第１格子要素１１１に隣り合う第２格子要素１１２は、第２方向に光閉じ込め部１０４より離れる側に格子点からシフトしている。第２格子要素１１２のシフトの量は、結晶周期の０．０２〜０．５倍の範囲とされている。
【００２７】
また、第２方向に光閉じ込め部１０４より離れる側で、第１格子要素１１１および第２格子要素１１２に隣り合う第３格子要素１２１は、第２方向に光閉じ込め部１０４より離れる側に格子点からシフトしている。第３格子要素１２１のシフトの量は、結晶周期の０．０１〜０．５倍の範囲とされている。
【００２８】
以下、実施の形態に係るフォトニック結晶光共振器について、より詳細に説明する。このフォトニック結晶光共振器は、埋め込み構造体１０５の部分における微小な屈折率変化で、共振波長などが敏感に変化するため、屈折率センサとして用いることができる。また、マイクロ〜サブマイクロスケールとした埋め込み構造体１０５を用いることで、微小な物体、またＤＮＡなどの生体関連高分子の検出に用いるセンサとして応用できる。また、光非線形効果や光増幅などの機能性を有する低屈折率媒体を埋め込み構造体１０５に充填し、ここを活性層とする光共振器デバイスを作成すれば、高いＱ／Ｖによる光物質相互作用の増強により、特に非常に低エネルギーで動作するデバイスや、極めてエネルギー効率の高いデバイスを実現することが原理的に可能となる。
【００２９】
以下では、基部１０２をシリコン（屈折率３．４６）から構成し、格子要素１０３および埋め込み構造体１０５の屈折率１．３１とする。また、図示していないが、基部１０２の上面側および裏面側には、屈折率が１．３１のクラッド層が形成されているものとする。この屈折率１．３１は、光通信で用いられている１．３−１．６μｍの波長帯における、水や重水の屈折率に相当する。
【００３０】
また、格子要素１０３は、円柱形状の貫通穴とし、この穴の半径は９６ｎｍとする。また、基部１０２は、厚さ２２０ｎｍとする。また、フォトニック結晶の周期ａは、４２０ｎｍとする。また、格子要素１０３が配列されている平面上における埋め込み構造体１０５の寸法を、第１方向：４１０ｎｍ、第２方向：４０ｎｍとする。
【００３１】
また、以下では、第１格子要素１１１、第２格子要素１１２、第３格子要素１２１に加え、第４格子要素１４１、第５格子要素１１３、第６格子要素１２０、第７格子要素１２２、第８格子要素１３１、第９格子要素１３２、第１０格子要素１３３、第１１格子要素１４２、第１２格子要素１４３、第１３格子要素１４４、第１４格子要素１４５についても、シフトの対象とする。また、第２方向に加え、第１方向にも格子点からシフトさせる。各シフトの量は、共振器のＱ値が最大となるように、基部１０２と格子要素１０３との間の屈折率の差に合わせて最適化する。
【００３２】
特許文献１では、光閉じ込め部１０４に隣り合っていても、格子点からシフトしない格子要素を設けている。これに対し、本発明においては、そのような制限を設けず、光閉じ込め部１０４の周囲の上述した全ての格子要素を対象とし、Ｑ値やモード体積Ｖを制御するための格子要素のシフトの調整を検討した。この検討において、電磁界解析により、以下の表１〜３に示す各格子要素のシフト量の調整により、有用な共振器性能が得られることを見いだした。
【００３３】
なお、表中のａは、フォトニック結晶の格子定数である。また、表に示すシフト量は、共振器中心である光閉じ込め部１０４（埋め込み構造体１０５）より離れる方向のシフト量を正としている。したがって、光閉じ込め部１０４に近づけるシフトは、負の値として示している。また、「ｘ」は、第１方向（ｘ方向）へのシフト量を示し、「ｙ」は、第２方向（ｙ方向）へのシフト量を示している。
【００３４】
【表１】
2020134646.tif 000003
【００３５】
表１に示すシフトにより調整されたフォトニック結晶光共振器の共振モードは、電磁界解析によりＱ値が２００万、モード体積Ｖ＝０．０２８（λ／ｎ）3を、共振モード波長１５７８ｎｍにて示した。この共振モードは、埋め込み構造体１０５の内部を占める１つの電界のアンチノードのみが特に強い電界強度を有するなど、特許文献１の対象とする埋め込み構造体の共振モードとほぼ同等の性質を有するものである。ただし、本発明の方が、光閉じ込めがより強く、モード体積Ｖが半分以下になる。
【００３６】
また、特許文献１では第１１格子要素１４２に０．１ａを超えるシフトを与えるなど、第１１格子要素１４２〜第１４格子要素１４５に対して共振器外側への大きなシフトを与えている。これに対し、表１に示すシフトでは、第１１格子要素１４２から第１３格子要素１４４には、逆方向の共振器内側へのシフトを与えている。一方、特許文献１ではシフトしていない他の格子要素に大きなシフトを与えるなど、両者は根本的に異なっている。
【００３７】
表１に示す各シフト量において、特に埋め込み構造体１０５に隣り合う第１格子要素１１１および第２格子要素１１２のシフトは、Ｑ値やモード体積Ｖのなどの性能におよぼす影響は重大である。例えば、第１格子要素１１１，第２格子要素１１２のシフト量が０になると、特許文献１の設計を除けば有用なＱおよびモード体積Ｖを得ることが困難になる。また、第３格子要素１２１については、第２方向（ｙ方向）へのシフトが、０か内側方向（負の値）になると、外側へのシフトする場合に対して無視できないＱ値減少が発生する。以下の表２，表３にも示すように、高屈折率の基部１０２を除く、基部１０２の上下の低屈折率部分（クラッド層）が空気ではなく、水（屈折率１．３）やより高い屈折率の媒質である場合、第１格子要素１１１，第２格子要素１１２，第３格子要素１２１のシフト量は、正（外側方向）の大きな値になる傾向がある。
【００３８】
図３に、表１に示す各シフト量としたフォトニック結晶光共振器について、埋め込み構造体１０５の長さ（結晶周期単位）とＱ値との関係を計算した結果を示す。図３に示すように、埋め込み構造体１０５の第１方向の長さを、結晶周期の０．６５〜１．２５倍の範囲とすることで、概ね１万を超えるＱ値が得られることが分かる。
【００３９】
次に、表２を用いて説明する。表２では、基部１０２をシリコン（屈折率３．４６）から構成し、格子要素１０３および埋め込み構造体１０５の屈折率１．４５とする。また、図示していないが、基部１０２の上面側および裏面側には、屈折率が１．４５のクラッド層が形成されているものとする。この屈折率１．４５は、光通信で用いられている１．３−１．６μｍの波長帯における、酸化シリコン（ＳｉＯ2）の屈折率に相当する。シリコンと酸化シリコンの構成は、よく知られたシリコンフォトニクスにおける代表的な材料構成である。したがって、表２に示す各格子要素のシフト量の調整により、シリコンフォトニクスに高Ｑ／Ｖのフォトニック結晶光共振器を導入するうえで重要なものであるといえる。
【００４０】
表２では、格子要素１０３は、円柱形状の貫通穴とし、この穴の半径は９９ｎｍとする。また、基部１０２は、厚さ２２０ｎｍとする。また、フォトニック結晶の周期ａは、４１５ｎｍとする。また、格子要素１０３が配列されている平面上における埋め込み構造体１０５の寸法を、第１方向：３９０ｎｍ、第２方向：４０ｎｍとする。
【００４１】
【表２】
2020134646.tif 000004
【００４２】
表２に示すシフトにより調整されたフォトニック結晶光共振器の共振モードは、電磁界解析によりＱ値１８０万、モード体積Ｖ＝０．０３２（λ／ｎ）3を共振モード波長１５７８ｎｍにて示した。この共振モードは、埋め込み構造体１０５を占める１つの電界のアンチノードのみが特に強い電界強度を有するなど、表１に示したシフトによるフォトニック結晶光共振器とほぼ同等の性質を有するものである。
【００４３】
注目すべきは、クラッド層などの基部１０２の周囲や、格子要素１０３や、埋め込み構造体１０５を充たす低屈折率媒体（ＳｉＯ2）の屈折率が更に高くなっているのにもかかわらず、モード体積Ｖが極めて小さく抑制されているところである。表２に示すシフトによるフォトニック結晶光共振器の理論上のＱ／Ｖ値は、５千万を超えている。このように従来のフォトニック結晶光共振器では実現が困難であった高性能が、本発明により達成可能となる。
【００４４】
また、表２に示すシフトにより調整されたフォトニック結晶光共振器においても、第１格子要素１１１のｙ方向へのシフト量、第２格子要素１１２のｙ方向へのシフト量が極めて大きい。また、第２格子要素１１２のｙ方向へのシフト量は正（外側方向）の小さくない値になることは重要である。
【００４５】
次に、表３を用いて説明する。表３では、基部１０２をシリコン（屈折率３．４６）から構成し、格子要素１０３および埋め込み構造体１０５の屈折率１．７０とする。また、図示していないが、基部１０２の上面側および裏面側には、屈折率が１．７０のクラッド層が形成されているものとする。この屈折率１．７０は、光通信で用いられている１．３−１．６μｍの波長帯における、様々な電気光学ポリマー材料の屈折率に相当する。表３に示す各格子要素のシフト量の調整により、電気光学ポリマーを活性媒質として用いるフォトニック結晶光共振器を実現するうえで重要なものであるといえる。
【００４６】
表３では、格子要素１０３は、円柱形状の貫通穴とし、この穴の半径は９２ｎｍとする。また、基部１０２は、厚さ２２０ｎｍとする。また、フォトニック結晶の周期ａは、３９０ｎｍとする。また、格子要素１０３が配列されている平面上における埋め込み構造体１０５の寸法を、第１方向：３９０ｎｍ、第２方向：４０ｎｍとする。
【００４７】
【表３】
2020134646.tif 000005
【００４８】
表３に示すシフトにより調整されたフォトニック結晶光共振器の共振モードは、電磁界解析によりＱ値は８０万、モード体積Ｖ＝０．０６３（λ／ｎ）3を共振モード波長１５６５ｎｍにて示した。この共振モードは、埋め込み構造体１０５を占める１つの電界のアンチノードのみが特に強い電界強度を有するなど、表１に示したシフトによるフォトニック結晶光共振器とほぼ同等の性質を有するものである。低屈折率媒体（電気光学ポリマー）の屈折率が非常に高いのもかかわらず、モード体積Ｖは（λ／２ｎ）3の半分程度となお極めて小さく、理論上のＱ／Ｖ値は１千万を超えている。このように従来のフォトニック結晶光共振器では実現が困難であった高性能が、本発明によれば達成可能となる。
【００４９】
また、表３に示すシフトにより調整されたフォトニック結晶光共振器においても、第１格子要素１１１のｙ方向へのシフト量、第２格子要素１１２のｙ方向へのシフト量、および第３格子要素１２１のｙ方向へのシフト量が極めて大きい。これらのシフトが、フォトニック結晶光共振器のＱ値の増大に重要な役割を果たしている。
【００５０】
以上に説明したように、本発明によれば、第１格子要素は、第２方向に光閉じ込め部より離れる側にシフトし、第２格子要素は、第２方向に光閉じ込め部より離れる側にシフトし、第３格子要素は、第２方向に光閉じ込め部より離れる側にシフトするので、フォトニック結晶の低屈折率媒体の屈折率が空気より大きい場合であっても、共振器のモード体積がより小さくできる。
【００５１】
本発明によれば、格子要素によるフォトニック結晶のΓ−Ｋ結晶方位方向に長手方向が延在して光閉じ込め部における基部に、埋め込み構造体を設け、高いＱ値と単一のアンチノードへの電界集中とが両立できる２次元フォトニック結晶光共振器を、特許文献１とは異なる特定の格子要素の外側へのシフトと組み合わせることにより、より高い光閉じ込め効果を伴って得られる。
【００５２】
本発明によるフォトニック結晶光共振器は、埋め込み構造体が単一点欠陥内に埋め込まれているため、単一点欠陥（Ｈ１）光共振器の一種である。本発明のフォトニック結晶光共振器は、Ｈ１共振器としては非常に高いＱ値と小さなモード体積が実現され、フォトニック結晶を構成する低屈折率媒体が真空・空気以外の任意の物質である場合において、特に有効である特徴を有する。本発明では、第１格子要素、第２格子要素、第３格子要素の、Γ−Ｋ結晶方位に垂直な第２方向で、共振器外側へのシフトが重要な役割を果たしていることを提示した。
【００５３】
また、表１〜表３では、他にも、第４格子要素、第５格子要素、第６格子要素、第７格子要素、第８格子要素、第９格子要素、第１０格子要素、第１１格子要素、第１２格子要素、第１３格子要素、第１４格子要素の合計４４個の格子要素の位置を第１方向、第２方向にシフトする調整を実施している。これらの格子要素のシフトも、フォトニック結晶光共振器のＱ値の増大やモード体積Ｖの抑制に効果があり、欠くことなく適切にシフトされることが望ましい。
【００５４】
ただし、上述したフォトニック結晶光共振器の、各格子要素の最適なシフト量は、材料・媒質の屈折率はもとより、埋め込み構造体や格子要素の寸法にも依存して大きく変化する。４４個の格子要素のシフトのうち大部分は、屈折率や上記寸法が変化することにより大きく変化し、シフト量が極めて大きくなることもあれば、ほぼ０になることもある。更には、シフトの向きが共振器中心に対し内側になることもあれば外側になることもある。
【００５５】
どのようなシフトを与えるべきかは、フォトニック結晶の各部寸法や屈折率に大きく依存するため、経験的知見を得ることが困難である。一方で、本発明では、第１格子要素、第２格子要素、第３格子要素の各シフトについては、フォトニック結晶各部寸法や屈折率に関わらずに常に有用な効果が得られる。一方、第１格子要素、第２格子要素、第３格子要素について、本発明によるシフト量としない場合は、光共振器の性能が大きく損なわれる。
【００５６】
本発明において、格子要素や埋め込み構造体などのフォトニック結晶を構成する低屈折率媒体が、真空または空気（屈折率１）である場合においては、第１格子要素、第２格子要素、第３格子要素の各シフト量は、上述した実施の形態に示した範囲外に設定すると、共振器特性がより良好になる場合が存在しうる。
【００５７】
表１〜表３に示した各シフト量において、埋め込み構造体の媒質は、格子要素やフォトニック結晶の上下に配置するクラッド層と同一であるが、特定のデバイスの性能を増強するために、埋め込み構造体の媒質を、クラッド層や格子要素とは異なる機能性活性媒質に置き換えて充填しても、上述した本発明の特徴を有する共振モードが実現可能である。
【００５８】
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。
【００５９】
例えば、フォトニック結晶本体の基部は、２以上の屈折率を有するＧｅ，ＧａＡｓ，ＩｎＰ，ＧａＰ，ＧａＮ，ＡｌＮ，ＳｉＣ，ダイヤモンド、ＳｉＮなどから構成することもできる。また、埋め込み構造体および格子要素は、空気、真空から構成することもできる。また、埋め込み構造体および格子要素は、屈折率１．８以下の低屈折率媒体から構成することもできる。
【符号の説明】
【００６０】
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…埋め込み構造体、１１１…第１格子要素、１１２…第２格子要素、１２１…第３格子要素。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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