(57)【要約】【課題】Ｈ１型のフォトニック結晶光共振器でより高いＱ値を得る。【解決手段】光閉じ込め部１０４に隣り合う６個の第１格子要素１１１が、光閉じ込め部１０４より離れる方向に格子点からシフトし、１２個の第２格子要素１１２は、光閉じ込め部１０４より離れる方向に格子点からシフトしている。第２格子要素１１２は、光閉じ込め部１０４より離れる側で第１格子要素１１１に隣り合って配置されている格子要素である。また、第１格子要素１１１は、格子点に配置されている他の格子要素１０３より小さな径を有している。【選択図】  図１
2020136340.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が、前記基部上に、対象とする光の波長以下の間隔で三角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上の前記格子要素を少なくとも１つ取り除いた部分から構成された点欠陥による光閉じ込め部と
を備え、
前記光閉じ込め部に隣り合う６個の第１格子要素は、前記光閉じ込め部より離れる方向に格子点からシフトし、
前記光閉じ込め部より離れる側で前記第１格子要素に隣り合う１２個の第２格子要素は、前記光閉じ込め部より離れる方向に格子点からシフトし、
前記第１格子要素は、他の前記格子要素より小さな径を有している
ことを特徴とするフォトニック結晶光共振器。
【請求項２】
請求項１記載のフォトニック結晶光共振器において、
シフトの量および前記第１格子要素の径は、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、
前記格子要素は円柱状とされ、
前記格子要素の半径は、隣り合う前記格子要素の間の距離の０．３倍から０．３２５倍の範囲のいずれかの値とされ、
前記第１格子要素の半径は、隣り合う前記格子要素の間の距離の０．２２５倍から０．２５５倍の範囲のいずれかの値とされ、
前記第１格子要素のシフトの量は、隣り合う前記格子要素の間の距離の０．１６５倍から０．２５倍の範囲のいずれかの値とされ、
前記第２格子要素のシフトの量は、隣り合う前記格子要素の間の距離の０．０３８倍から０．０５４倍の範囲のいずれかの値とされ
ていることを特徴とするフォトニック結晶光共振器。
【請求項４】
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三角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上の前記格子要素を少なくとも１つ取り除いた部分から構成された点欠陥による光閉じ込め部と
を備え、
前記光閉じ込め部に隣り合う６個の第１格子要素は、前記光閉じ込め部より離れる方向に格子点からシフトし、
前記光閉じ込め部より離れる側で前記第１格子要素に隣り合う１２個の第２格子要素は、前記光閉じ込め部より離れる方向に格子点からシフトし、
前記第１格子要素は、他の前記格子要素より小さな径を有しているフォトニック結晶光共振器の作製方法であって、
共振器のＱ値が最大となるように、前記第１格子要素のシフトの量の最適化、前記第２格子要素のシフトの量の最適化、および前記第１格子要素の径の最適化を、同時に実施することを特徴とするフォトニック結晶光共振器の作製方法。
【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およびその作製方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光回路技術に応用される主なフォトニック結晶素子には、例えば、厚さ数１００ｎｍ程度の板状の半導体からなる基部に、直径が２００ｎｍから３００ｎｍ程度の円筒形状の空孔を、格子要素として格子状に配列した二次元フォトニック結晶が用いられている。格子要素は、屈折率の低い領域である。特に、格子要素を三角格子状に配列した二次元フォトニック結晶は、設計された特定の波長域の光を内部に透過しない光絶縁体としてはたらく。
【０００３】
上述したフォトニック結晶内のごく一部で光を強く閉じ込める機能を持つ、フォトニック結晶光共振器が注目されている。１個ないし複数個のフォトニック結晶光共振器を集積することで、光メモリや光スイッチ、原子、量子井戸、および量子ドットなどの微小な利得媒質の発光増強、レーザ、スローライト効果による光の遅延など、幅広い用途に応用することができる（非特許文献１参照）。
【０００４】
フォトニック結晶を用いた光共振器は、通常、フォトニック結晶の構成要素である格子要素を、１つないし複数個除いて作製することで形成する。格子要素が除かれた部分（格子点）は、フォトニック結晶の欠陥である。フォトニック結晶の基部を半導体から構成した場合、上述した欠陥は、半導体からなる屈折率の高い領域である。また、欠陥は、周りを光絶縁体であるフォトニック結晶に囲まれている。これらのことにより、フォトニック結晶の欠陥には、光を閉じ込めることができる。しかし一般に、単に格子要素を除くだけでは、欠陥の箇所の光の閉じ込めはそれほど強くならないことが知られている。
【０００５】
上述したフォトニック結晶光共振器の欠陥の部分（光閉じ込め部）に光を閉じ込めておける時間の長さを表す光子寿命は、通信波長帯の光では、概ね１ピコ秒から１０ピコ秒前後である。また、フォトニック結晶光共振器の、光子寿命と光の周波数に比例したＱ値と呼ばれる指標は、およそ１０００から１万（１０3〜１０4）程度である。
【０００６】
フォトニック結晶光共振器の光閉じ込め部に光を強く閉じ込め、光子寿命やＱ値を大きくするために、欠陥部分の周辺の格子要素の位置や大きさをわずかに変えることで、共振器が持つ特定の固有電磁波モードが受ける放射損失を抑制することが行われてきた。これらの指標の最大の達成値は、基部の材料やフォトニック結晶光共振器の形成法の違いにより異なる。特に、Ｈ型の共振器やＬ型の共振器は、小さな領域で共振器の構造が実現でき、また長い間研究されてきた。
【０００７】
なお、Ｈ型の共振器は、ある格子要素を中心とし、この中心となる格子要素ないしその周りに殻を成す格子要素列を除く点欠陥型の光閉じ込め部による共振器である。また、Ｌ型の共振器は、直線状に連なる数個程度の格子要素を除いた線欠陥型の光閉じ込め部による共振器である。これらのフォトニック結晶光共振器の、数値シミュレーションによる最適化理論Ｑ値は、１００万以上１０００万未満（１０6〜１０7）である（非特許文献２、特許文献１参照）。
【０００８】
最近、１億（１×１０8）を超える理論Ｑ値が可能な共振器を設計する方法が提案されている（非特許文献３参照）。このような高い理論Ｑ値の実現には、格子要素を１列除いた線欠陥導波路構造を形成し、線欠陥の一部の幅を変化させたり（モードギャップ型）、また線欠陥の周囲の格子要素列の空間周期（格子定数）を変えたりすること（ヘテロ構造型）が必要だと考えられている。しかし、この場合は、フォトニック結晶内に比較的大きな欠陥を形成し、また広範囲の構造を変化させることになる。このため、上述した技術では、共振器の周囲に別種の素子を集積すると、集積した素子は構造変化の影響を受け一般に劣化してしまう。このため、上記のような高いＱ値の共振器は、複数の素子を密に集積する上では不利になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１６−１５４１６４号公報
【特許文献２】特開２００２−３１４１９４号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】M. Notomi et al., "Femtojoule/bit integrated nanophotonics based on photonic crystals", IEICE Electronics Express, vol. 10, no. 12, pp. 1-19, 2013.
【非特許文献２】M. Minkov and V. Savona, "Automated optimization of photonic crystal slab cavities", Scientific Reports, vol. 4, Article number: 5124, 2014.
【非特許文献３】T. Asano et al., "Photonic crystal nanocavity with a Q factor exceeding eleven million", Optics Express, vol. 25, no. 3, pp. 1769-1777, 2017.
【非特許文献４】H. Y. Ryu and M. Notomi, "High-quality-factor and small-mode-volume hexapole modes in photonic-crystal-slab nanocavities", Applied Physics Letters, vol. 83, no. 21, pp. 4294-4296, 2003.
【非特許文献５】G. H. Kim and Y. H. Lee, "Coupling of small, low-loss hexapole mode with photonic crystal slab waveguide mode", Optics Express, vol. 12, no. 26, pp. 6624-6631, 2004.
【非特許文献６】H. Takagi et al., "High Q H1 photonic crystal nanocavities with efficient vertical emission", Optics Express, vol. 20, no. 27, pp. 28292-28300, 2012.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上述したように、１億を超える理論Ｑ値が可能なフォトニック結晶光共振器は、共振器の周囲に複数の素子を密に集積する上で不利な構造となっている。素子を劣化させることなく共振器の周囲に複数の素子を密に集積するためには、格子要素を１つだけ除いた点欠陥の部分を光閉じ込め部とするＨ１型のフォトニック結晶光共振器が有利である。しかしながら、Ｈ１型のフォトニック結晶光共振器の理論Ｑ値の最大値は、おおよそ３００万（３×１０6）程度であり、光子寿命は２．５ナノ秒程度であり（非特許文献４，非特許文献５参照）、高いＱ値が得られていない。
【００１２】
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、Ｈ１型のフォトニック結晶光共振器でより高いＱ値を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
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、複数の格子要素が、基部上に、対象とする光の波長以下の間隔で三角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上の格子要素を少なくとも１つ取り除いた部分から構成された点欠陥による光閉じ込め部とを備え、光閉じ込め部に隣り合う６個の第１格子要素は、光閉じ込め部より離れる方向に格子点からシフトし、光閉じ込め部より離れる側で第１格子要素に隣り合う１２個の第２格子要素は、光閉じ込め部より離れる方向に格子点からシフトし、第１格子要素は、他の格子要素より小さな径を有している。
【００１４】
上記フォトニック結晶光共振器の一構成例において、シフトの量および第１格子要素の径は、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、格子要素は円柱状とされ、格子要素の半径は、隣り合う格子要素の間の距離の０．３倍から０．３２５倍の範囲のいずれかの値とされ、第１格子要素の半径は、隣り合う格子要素の間の距離の０．２２５倍から０．２５５倍の範囲のいずれかの値とされ、第１格子要素のシフトの量は、隣り合う格子要素の間の距離の０．１６５倍から０．２５倍の範囲のいずれかの値とされ、第２格子要素のシフトの量は、隣り合う格子要素の間の距離の０．０３８倍から０．０５４倍の範囲のいずれかの値とされている。
【００１６】
本発明に係るフォトニック結晶光共振器の作製方法は、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、複数の格子要素が、基部上に、対象とする光の波長以下の間隔で三角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上の格子要素を少なくとも１つ取り除いた部分から構成された点欠陥による光閉じ込め部とを備え、光閉じ込め部に隣り合う６個の第１格子要素は、光閉じ込め部より離れる方向に格子点からシフトし、光閉じ込め部より離れる側で第１格子要素に隣り合う１２個の第２格子要素は、光閉じ込め部より離れる方向に格子点からシフトし、第１格子要素は、他の格子要素より小さな径を有しているフォトニック結晶光共振器の作製方法であって、共振器のＱ値が最大となるように、第１格子要素のシフトの量の最適化、第２格子要素のシフトの量の最適化、および第１格子要素の径の最適化を、同時に実施する。
【発明の効果】
【００１７】
以上説明したことにより、本発明によれば、Ｈ１型のフォトニック結晶光共振器でより高いＱ値が得られる。
【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２Ａ】図２Ａは、実施の形態におけるフォトニック結晶光共振器の電界強度の面内の分布を示す分布図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、実施の形態におけるフォトニック結晶光共振器の磁界強度の面内の分布を示す分布図である。
【図３】図３は、実施の形態におけるフォトニック結晶光共振器の磁界強度の面直方向の分布を示す分布図である。
【図４】図４は、半径Ｒ1およびシフト量ｓ1が最適化されている状態で、第２格子要素１１２のシフト量ｓ2の最適化を実施した場合のＱ値の変化を示す特性図である。
【図５】図５は、実施の形態におけるフォトニック結晶光共振器のシミュレーションにおける電磁波エネルギーの時間減衰を片対数グラフで示す特性図である。
【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三角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。基部１０２は、対称となる光の共振波長付近で概ね３．０以上の高い屈折率を持つ半導体から構成することが望ましい。基部１０２の材料は、例えば、シリコン、ヒ化ガリウム、リン化インジウム、リン化ガリウム等が挙げられる。また、格子要素１０３は、例えば円柱状の中空構造である。
【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上の格子要素１０３を少なくとも１つ取り除いた部分から構成された点欠陥による光閉じ込め部１０４を備える。光閉じ込め部１０４は、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に隣り合う６個の第１格子要素１１１が、光閉じ込め部１０４より離れる方向に格子点からシフトし、１２個の第２格子要素１１２は、光閉じ込め部１０４より離れる方向に格子点からシフトしている。第２格子要素１１２は、光閉じ込め部１０４より離れる側で第１格子要素１１１に隣り合って配置されている格子要素である。また、第１格子要素１１１は、格子点に配置されている他の格子要素１０３より小さな径を有している。
【００２３】
上述したシフトの量および第１格子要素１１１の径は、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。また、格子要素１０３が、円柱状の中空構造の場合、格子要素１０３の半径は、隣り合う格子要素１０３の間の距離の０．３倍から０．３２５倍の範囲のいずれかの値とされ、第１格子要素１１１の半径は、格子定数の０．２２５倍から０．２５５倍の範囲のいずれかの値とされ、第１格子要素１１１のシフトの量は、格子定数の０．１６５倍から０．２５倍の範囲のいずれかの値とされ、第２格子要素１１２のシフトの量は、格子定数の０．０３８倍から０．０５４倍の範囲のいずれかの値とされている。なお、格子定数は、隣り合う格子要素１０３の間の距離である。
【００２４】
以下、より詳細に説明する。まず、以下では、格子定数をａ、格子要素１０３の半径をＲ0とする。また、基部１０２の厚さをｔとする。このフォトニック結晶光共振器では、点欠陥よりなる光閉じ込め部１０４の１列外側の、最内殻を成す６つの第１格子要素１１１の半径を、Ｒ0より小さい値Ｒ1とする。また、６つの第１格子要素１１１の位置を、それぞれの格子点の位置から、光閉じ込め部１０４の中心（共振器中心）に対して動径方向に沿って外側に距離ｓ1だけシフトする。さらに、光閉じ込め部１０４の２列外側の第２内殻を成す１２個の第２格子要素１１２の半径Ｒ2を、他の格子要素１０３と同じＲ0とする。また、１２個の第２格子要素１１２の位置を、格子点の位置から、共振器中心に対し動径方向に沿って外側に距離ｓ2だけシフトする。
【００２５】
実施の形態におけるフォトニック結晶光共振器の特性を最適化する固有共振器モードは、図２Ａ，図２Ｂ，図３に示すような六重極モード（Hexapole mode）と呼ばれるものである。なお、図２Ａ，図２Ｂ，図３では、計算の都合により半面を示している。六重極モードの名称は、図２Ｂに例示する磁場分布が、モード全体で６つの腹（アンチノード：極）を持つことに由来する。六重極モードは、共振器中心を起点とした奇の６０度回転対称性（６回対称性）を持つのが特徴である。これにより、隣り合ったアンチノードは互いに逆位相であるため、光閉じ込め部１０４近傍の面直放射成分が干渉により自然に相殺し、損失が抑制されやすいという利点がある（図３参照）。
【００２６】
一方、光閉じ込め部１０４の中央は、六重極モードのおける電磁場の節（ゼロ点）である。このため、光素子などの応用のために光閉じ込め部１０４に埋め込む利得媒質などの物質と電磁場との相互作用を得るためには、結合させる物質を点欠陥中央ではなく、その周囲のアンチノードに重なるよう配置する必要がある。したがって、実施の形態におけるフォトニック結晶光共振器で最適化を行う固有共振器モードは、非特許文献６または特許文献２で取り扱っているような、欠陥中心にアンチノードを持つものとは特性も用途も異なる。
【００２７】
第１格子要素１１１は、モード形状や共振波長に強く影響する。したがって、第１格子要素１１１の半径Ｒ1やシフトの距離（シフト量）ｓ1を最適化することで、特に、基部１０２の面直方向への放射損失を低減することができる。また、第２格子要素１１２のシフトの距離（シフト量）ｓ2の最適化は、光閉じ込め部１０４付近のフォトニック結晶による実効屈折率勾配を緩やかにする効果を持つ。この最適化により、特に基部１０２の面内の固有モード広がりが抑えられるため、面内の放射損失を低減することができる。
【００２８】
第１格子要素１１１の半径Ｒ1およびシフト量ｓ1の最適化によるＱ値向上は、非特許文献４および非特許文献５により公知である。また、第２格子要素１１２のシフト量ｓ2の最適化によるＱ値向上は、非特許文献２により公知である。しかし、第１格子要素１１１の半径Ｒ1およびシフト量ｓ1の最適化と、第２格子要素１１２のシフト量ｓ2の最適化とを、各々個別に実施しても、理論Ｑ値は向上しない。
【００２９】
例えば、まず、第１格子要素１１１の半径Ｒ1およびシフト量ｓ1の最適化を実施する。この後、半径Ｒ1およびシフト量ｓ1が最適化されている状態で、第２格子要素１１２のシフト量ｓ2の最適化を実施しても、図４に示すように、理論Ｑ値は向上しない。よって、従来では、半径Ｒ1、距離ｓ1、および距離ｓ2の最適化を同時に実施することで、理論Ｑ値が向上するものとは考えられていなかった。また、共振器領域の比較的小さなＬ型およびＨ型共振器の全形態において、特に理論Ｑ値が１億以上となる固有モードが実現する技術は知られていなかった。
【００３０】
発明者らは、半径Ｒ1、シフト量ｓ1、およびシフト量ｓ2の、同時最適化を鋭意に検討し、Ｈ１型共振器の六重極モードが持つ光子の長寿命化およびＱ値の極大を得る条件を探索した。この結果、半径Ｒ1の最適化、シフト量ｓ1の最適化、およびシフト量ｓ2の最適化を同時に実施することで、以下に示す最適条件により、Ｈ１型のフォトニック結晶光共振器で、理論Ｑ値が１億以上となる固有モードが実現できることを見いだした。
【００３１】
最適条件は、基部１０２の材料の屈折率により異なるが、格子定数ａに対し、概ね基部１０２の厚さｔを０．５ａ〜０．６ａ程度、格子要素１０３の半径Ｒ0を０．３００ａ〜０．３２５ａ程度、第１格子要素１１１の半径Ｒ1を０．２２５ａ〜０．２５５ａ程度、第１格子要素１１１の格子点からのシフト量ｓ1を０．１６５ａ〜０．２５０ａ程度、第２格子要素１１２の格子点からのシフト量ｓ2を０．０３８ａ〜０．０５４ａ程度とした範囲内で、高い理論Ｑ値が得られる条件が存在することが判明した。
【００３２】
図２Ａに示す電界強度の面内の分布，図２Ｂに示す磁界強度の面内の分布、図３に示す電界強度の面直方向の分布は、上述した最適条件の一例の下での、ＦＤＴＤ法による発明装置のシミュレーション結果である。これらの分布のシミュレーションは、基部１０２は、シリコンから構成して屈折率ｎを３．４７とした。また、格子定数ａを４２５ｎｍ、基部１０２の厚さｔを２５０ｎｍ、格子要素１０３の半径Ｒ0を１３１ｎｍ、第１格子要素１１１の半径Ｒ1を１０２ｎｍ、第１格子要素１１１のシフト量ｓ1を８８ｎｍ、第２格子要素１１２のシフト量ｓ2を２０ｎｍとした。
【００３３】
上述した条件で得られた六重極モードの波長は、真空中で１，５５２ｎｍである。図２Ａ、図２Ｂに示した各モード分布は、基部１０２の面内の電界および磁界振幅強度の絶対値が、共振器中心からの距離に対して指数的に減衰することを示している。電磁界強度は、共振器中心から離れる方向に格子要素１０３が１０個程度で最大強度の１０-7程度まで減衰する。例えば、非特許文献５に記載されている技術と比べると、上記の減衰は非常に強く、面内の光閉じ込めが強いことを表す。
【００３４】
また、図３に示す基部１０２の断面を含む面直方向の磁界強度分布をみると、強い磁界が光閉じ込め部１０４の上方に集中していることが分かる。また、磁場は、エバネッセント波として、基部１０２の上面上の空気中に染み出しているが、染みだしの方向が基部１０２に対して垂直方向ではなく斜めの方向になっていることで、放射損失が抑制されている。一方で、モード体積は、他の高Ｑ点欠陥、線欠陥共振器と比べてそれほど小さくならず、０．８９（λ／ｎ）3であった。
【００３５】
上述したシミュレーションにおける電磁波エネルギーの時間減衰を、片対数グラフで図５に示す。光子寿命は、注目する共振器固有モードのエネルギーが１／ｅ倍になるのにかかる時間を表し、図５において、エネルギーが縦軸に換算して１だけ減少するのにかかる時間を指す。計算では、共振器を狭線励起した後の１００ｐｓの時点で、ほぼ全ての残留電磁場エネルギーが六重極モードによるものであると仮定した。１００ｐｓから描かれている曲線上下の包絡線が、エネルギー減衰特性を直線でよくフィッティングしており、これらから求まる光子寿命は、９２．５ナノ秒である。また、対応する理論Ｑ値は１億を超え、１．１２×１０8である。
【００３６】
上述同様のシミュレーションを、有限要素法を用いても行った。この結果、計算の違いによる極大条件のずれは非常に小さいことが分かった。格子定数ａを前述よりも１ｎｍ大きい４２６ｎｍとし、他のパラメータは全て同じ条件下で、共振器モード波長１，５５６ｎｍ、極大理論Ｑ値１．２４×１０8、光子寿命１０２．２ナノ秒を得た。このことは、１億を超える理論Ｑ値を示す上記の極大条件の存在が、信頼できるものであることを示している。また、これらの結果をまとめると、実施の形態におけるフォトニック結晶光共振器がＨ１型共振器の理論Ｑ値および光子寿命を従来の３５倍程度に改善していることが示されている。
【００３７】
本発明で導入した最適化パラメータの内、基部１０２の厚さｔや格子要素１０３の半径Ｒ0の値は、六重極モードの理論Ｑ値には大きく影響しない。このため、基部１０２の厚さｔを上記から数十ｎｍ程度薄くしても、格子要素１０３の半径Ｒ0を数ｎｍ程度変えるだけでＱ値がほぼ極大となる条件が得られる。この場合も、基部１０２をＳｉから構成した場合では、理論Ｑ値１億以上を維持できる。例えば、基部１０２の厚さｔを２３０ｎｍとしても、格子定数ａを４２６ｎｍ、格子要素１０３の半径Ｒ0を１３３ｎｍ、第１格子要素１１１の半径Ｒ1を１０２ｎｍ、第１格子要素１１１のシフト量ｓ1を８８ｎｍ、第２格子要素１１２のシフト量ｓ2を２０ｎｍとすると、有限要素法の計算で共振器モード波長１，５２６ｎｍ、理論Ｑ値１．１６×１０8が得られる。また、ａとＲ0を変えることで、Ｑ値をそれほど大きく損なわずに共振器モード波長を変化させることも可能である。
【００３８】
基部１０２を他の材料から構成した場合、例えば基部１０２を、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であるＩｎＧａＡｓＰ混晶系（屈折率３．４０）から構成した場合、格子定数ａを４３０ｎｍ、基部１０２の厚さｔを２５０ｎｍ、格子要素１０３の半径Ｒ0を１３０ｎｍ、第１格子要素１１１の半径Ｒ1を１０６ｎｍ、第１格子要素１１１のシフト量ｓ1を１０１ｎｍ、第２格子要素１１２のシフト量ｓ2を２０ｎｍとすると、有限要素法の計算で共振器モード波長１，５５１ｎｍ、理論Ｑ値１．３８×１０7、光子寿命１１．３ナノ秒が得られる。
【００３９】
また、基部１０２を同様のＩｎＧａＡｓＰから構成し、各パラメータを前述した基部１０２をシリコンから構成した場合と類似の条件とすると、対象の光の波長がより短波長となるが高い理論Ｑ値が得られる。基部１０２をＩｎＧａＡｓＰから構成し、ｔを２３０ｎｍ、ａを４２６ｎｍ、Ｒ0を１３２ｎｍ、Ｒ1を１０２ｎｍ、ｓ1を８８ｎｍ、ｓ2を２０ｎｍとすると、共振器モード波長１，５００ｎｍ、理論Ｑ値６．９５×１０7、光子寿命５５．３ナノ秒が得られる。
【００４０】
一方で、ｔ，ａ，Ｒ0以外のパラメータの変化は、Ｑ値に大きく影響する。特にＲ1やｓ2がそれぞれ極大条件から１ｎｍ程度変化すると、理論Ｑ値は極大値の１／１０程度に減少する。ｓ1については、単独では３ｎｍ程度変化しないとＱ値は１／１０程度に減少しないが、この影響はＲ1やｓ2の変化と相乗的にはたらくため注意が必要である。このようなパラメータ変化によるＱ値への影響は、フォトニック結晶光共振器の作製時の構造ばらつきによる実験Ｑ値の劣化の懸念を表す。ただし、従来の技術においてもこの影響は同様に存在し、Ｈ１型共振器の実験Ｑ値の最大値は３０万程度、Ｌ型でも１００万程度である。フォトニック結晶光共振器の注意深い作製により、実施の形態によれば、実験Ｑ値はこれらを上回るものになることが十分期待できる。
【００４１】
以上に説明したように、本発明では、光閉じ込め部に隣り合う６個の第１格子要素は、光閉じ込め部より離れる方向に格子点からシフトさせ、光閉じ込め部より離れる側で第１格子要素に隣り合う１２個の第２格子要素は、光閉じ込め部より離れる方向に格子点からシフトさせ、第１格子要素は、他の格子要素より小さな径とした。この結果、本発明によれば、Ｈ１型のフォトニック結晶光共振器でより高いＱ値が得られるようになる。
【００４２】
従来、点欠陥型（Ｈ型）および小規模線欠陥型（Ｌ型）フォトニック結晶光共振器では、１０００万（１×１０7）および１億（１×１０8）を超える高いＱ値を実現することは難しいと考えられていた。これに対し、本発明によれば、例えば、シリコンを用いたフォトニック結晶光共振器により、理論Ｑ値１億、インジウムガリウムヒ素リン混晶化合物を用いたフォトニック結晶光共振器でも１０００万を超えるＱ値が実現できる。
【００４３】
また、本発明は、欠陥による光閉じ込め部の周囲を囲う２列までの局所的な範囲の格子要素について、径や位置を変更するのみで実現でき、構造最適化を含めた占有領域が小さい。このため、フォトニック結晶線欠陥導波路や方向性結合器、他の共振器といった、異なる複数の素子を周囲に集積する際、それらの構造を乱さずに配置できる。
【００４４】
本発明のフォトニック結晶光共振器が基づく六重極モードでは、理論Ｑ値が１億を超える場合でも、モード体積も（λ／ｎ）3を若干下回る程度で著しく小さくならず、光は基部の面内である程度広がっている。このため、固有モード体積の小さな他の点欠陥、線欠陥共振器と比較すると、光導波路や光共振器などの他の素子との光結合や、その調整がより容易に行えることが期待できる。
【００４５】
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。
【符号の説明】
【００４６】
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、１１１…第１格子要素、１１２…第２格子要素。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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