(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
導波路領域とモード変換領域を有する３次元フォトニック結晶であって、
前記導波路領域は、第１のフォトニック結晶基本構造と、該第１のフォトニック結晶基本構造の内部に設けられた第１の欠陥部とを有し、
前記モード変換領域は、第２のフォトニック結晶基本構造と、第３のフォトニック結晶基本構造と、第２の欠陥部とを有し、
前記導波路領域と前記モード変換領域は、第１の界面において互いのモードで伝搬する光が結合するように接続され、
前記第１のフォトニック結晶基本構造、前記第２のフォトニック結晶基本構造および前記第３のフォトニック結晶基本構造はそれぞれ、複数のフォトニック結晶単位構造が配列されて構成され、
該フォトニック結晶単位構造は、互いに直交する３つの軸を第１の軸、第２の軸および第３の軸としたときの前記第２および第３の軸に平行な断面において、前記第２の軸に平行な直線に関しては鏡映対称ではなく、前記第３の軸に平行な直線に関して鏡映対称な構造を有しており、
光が前記導波路領域および前記モード変換領域を伝搬する方向を第１の方向とし、該第１の方向に直交し、かつ互いに直交する２つの方向を第２の方向および第３の方向とするとき、
前記第１および第２のフォトニック結晶基本構造は、前記第１の方向、前記第２の方向および前記第３の方向がそれぞれ前記フォトニック結晶単位構造の前記第１の軸、前記第２の軸および前記第３の軸が延びる方向と一致するように前記フォトニック結晶単位構造が配列されることで構成され、
前記第２および第３の方向に平行な第１の断面において、前記第２のフォトニック結晶基本構造は、前記第２の方向に延びて前記第２の欠陥部の中心を通る中心軸よりも前記第３の方向における片側に配置され、
前記第１の断面において、前記第３のフォトニック結晶基本構造は、前記中心軸に関して前記第２のフォトニック結晶基本構造と鏡映対称な構造を有するように前記フォトニック結晶単位構造が配列されることで構成され、
前記第２のフォトニック結晶基本構造と前記第３のフォトニック結晶基本構造は、前記第１および第２の方向に平行で前記第２の欠陥部の中心を通る接続面で接続され、
前記モード変換領域は、前記第１の断面において、前記第２の欠陥部の中心を通り前記第２の方向および前記第３の方向にそれぞれ延びる直線に関して鏡映対称の構造を有することを特徴とする３次元フォトニック結晶。
【請求項２】
前記導波路領域と前記モード変換領域は、前記第１の界面を伝搬し、前記導波路領域を伝搬する光と同じ周波数において同じ偏光成分を持つモードが存在しないように接続されていることを特徴とする請求項１に記載の３次元フォトニック結晶。
【請求項３】
前記フォトニック結晶単位構造は、
それぞれ複数の第１の柱状構造が互いに間隔をあけて、該第１の柱状構造が延びる方向に直交する方向に周期的に配置された第１の層および第３の層と、
それぞれ前記第１の柱状構造が延びる方向に直交する方向に延びる複数の第２の柱状構造が互いに間隔をあけて、該第２の柱状構造が延びる方向に直交する方向に周期的に配置された第２の層および第４の層とを有し、
前記第１の層に含まれる前記第１の柱状構造と前記第３の層に含まれる前記第１の柱状構造とが、前記第１の柱状構造が延びる方向に直交する方向において互いに半周期ずれて配置され、かつ前記第２の層に含まれる前記第２の柱状構造と前記第４の層に含まれる前記第２の柱状構造とが前記第２の柱状構造が延びる方向に直交する方向において互いに半周期ずれて配置され、
前記第１の層から前記第４の層がこの順で積層されて構成されており、
前記第１および第２の柱状構造は第１の媒質で形成され、それら以外の領域は、前記第１の媒質とは異なる第２の媒質で形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の３次元フォトニック結晶。
【請求項４】
前記第１の層から前記第４の層の間に、該各層に平行な面内における前記第１の柱状構造と前記第２の柱状構造との立体的な交差位置に離散的に配置された離散構造を含む層を少なくとも１つ含む付加層が配置されており、
前記第１の柱状構造、前記第２の柱状構造および前記離散構造は第１の媒質で形成され、それら以外の領域は、前記第１の媒質とは異なる第２の媒質で形成されていることを特徴とする請求項３に記載の３次元フォトニック結晶。
【請求項５】
前記第１の欠陥部は、前記第１又は第２の柱状構造が延びる方向と同じ方向に延びる第１の線状欠陥部と、該第１の線状欠陥部と同じ方向に延びる第２の線状欠陥部と、を含むことを特徴とする請求項３又は４に記載の３次元フォトニック結晶。
【請求項６】
前記第１の線状欠陥部は、前記第１の媒質と同じ屈折率を有する媒質で形成されていることを特徴とする請求項５に記載の３次元フォトニック結晶。
【請求項７】
前記第２の欠陥部は、前記フォトニック結晶基本構造を構成する媒質の屈折率以上の屈折率を有する媒質により構成された線状欠陥部であることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の３次元フォトニック結晶。
【請求項８】
前記第２の欠陥部を構成する前記線状欠陥は、該線状欠陥部が延びる方向に直交する面内における形状が、該線状欠陥部が延びる方向に対して変化するテーパー状の欠陥であることを特徴とする請求項７に記載の３次元フォトニック結晶。
【請求項９】
請求項１から７のいずれか１項に記載の３次元フォトニック結晶を用いた発光素子であって、
前記フォトニック結晶基本構造の内部に点状欠陥部を設けることで形成された共振器を有し、
該共振器と前記導波路領域は、該共振器が有するモードで存在する光のうち少なくとも一部が、該導波路領域が有する導波モードで伝播する光と結合するように配置されており、
前記共振器の内部には利得媒質が配置され、該利得媒質を励起することによって発生した光が該共振器で増幅されて、前記導波路領域および前記モード変換領域を伝播して該３次元フォトニック結晶の外部領域に射出されることを特徴とする発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光素子等の機能素子に用いられる３フォトニック結晶に関し、特に結晶中に導波路領域およびモード変換領域を設けた３次元フォトニック結晶に関する。
【背景技術】
【０００２】
波長以下の大きさの構造体を周期的に配列することによって電磁波の透過・反射等の特性を制御する概念が、Yablonovitchによって提唱されている（非特許文献１）。このような構造はフォトニック結晶として知られており、ある波長域において、光の損失がない１００％の反射率を有する光学素子を実現できる。このように、ある波長域で反射率を１００％にする作用は、従来の半導体が持つエネルギーギャップとの比較から、フォトニックバンドギャップ（作用）と言われている。
【０００３】
フォトニックバンドギャップを有するフォトニック結晶を利用することにより、新しい機能を持つ光学素子の実現が可能となる。例えば、フォトニック結晶内に点状または線状の欠陥部を設けることにより、共振器や導波路として動作させることができる。
【０００４】
フォトニック結晶内に、導波路として動作する線状欠陥部を設けると、光は導波路の構造に応じた固有の電磁エネルギー分布を有する状態で伝播する。また、フォトニック結晶の外部領域においても、光は構造に応じた固有の電磁エネルギー分布を有する状態で伝播する。以下、この固有の電磁エネルギー分布を有して伝播する光の状態を「導波モード」という。また、導波モードの固有の電磁エネルギー分布を「導波モードパターン」といい、固有の電磁エネルギー分布で伝播する光の周波数を「導波モード周波数」という。さらに、フォトニック結晶よりも外側の領域を、「外部領域」という。
【０００５】
導波路を伝搬する光は、外部領域に近接したとき、導波路を伝搬する光の導波モードが外部領域の光の導波モードと結合し、外部領域を伝搬する光に変換されて射出される。以下、導波路を伝播する光の導波モードを「導波モード１」とし、外部領域を伝播する光のモードを「導波モード２」とする。
【０００６】
フォトニック結晶から外部領域へと光を射出する際に、光が伝搬する方向に直交する面における光の電磁エネルギー分布について考える。外部領域が一様な媒質であるとき、レンズ等の光学素子で集光あるいは平行光化された光を使用する場合、その光の電磁エネルギー分布は、複数の軸に関して鏡映対称となるような高い対称性を持つ方が好ましい。このため、フォトニック結晶から外部領域へと射出する直前の光の導波モードパターンの形状を、光が伝搬する方向に直交する面において、できるだけ高い対称性を有する形状にすることが必要である。
【０００７】
また、フォトニック結晶内に設けられた導波路（フォトニック結晶導波路）と細線により形成された導波路（細線導波路）とを結合する場合、細線導波路を伝搬する導波モードパターンは、複数の軸に関して鏡映対称である。よって、結合する直前のフォトニック結晶導波路を伝搬する導波モードパターンが高い対称性を有した形状であれば、細線導波路に効率良く結合させることができる。
【０００８】
フォトニック結晶導波路の導波モード１から外部領域の導波モード２に変換する手段として、モード変換構造を使用することが知られている。例えば、非特許文献２および特許文献１では、フォトニック結晶内におけるフォトニック結晶導波路と外部領域との間にモード変換構造としてテーパー状の欠陥部を設けた構造が提案されている。テーパー状の欠陥部とは、線状欠陥部における光伝搬方向に対して直交する方向の幅を、光伝搬方向に向かって徐々に拡大した構造である。モード変換構造を伝播する光の導波モードを、「導波モード３」とする。
【０００９】
モード変換構造をフォトニック結晶導波路と外部領域との間に配置することで、フォトニック結晶導波路を伝播する導波モード１の光を導波モード２と近い導波モードパターンを有する導波モード３の光に変換した後、導波モード２の光に変換することができる。このようにモード変換構造を用いることで、フォトニック結晶導波路を導波モード１で伝播する光を外部領域を伝播する導波モード２の光へ効率良く変換できる。
【００１０】
３次元フォトニック結晶は、３次元的に光を閉じ込めることができるため、２次元フォトニック結晶に比べて損失を低減することが可能である。全ての方向の光に対して、モードが存在できない完全フォトニックバンドギャップを有する３次元フォトニック結晶として、ダイヤモンド構造が知られている。
【００１１】
以下、フォトニック結晶の１周期分の単位構造を、「フォトニック結晶単位構造」という。図２８（ａ）には、ダイヤモンド構造のフォトニック結晶単位構造αを示す。図２８（ｂ）は、図２８（ａ）の（１１０）面の射影図を表している。フォトニック結晶単位構造αの（１−１０）の方向をｘ’軸方向、（００１）の方向をｙ’軸方向、（１１０）の方向をｚ’軸方向とする。図２８（ｂ）には、ｙ’軸に平行な少なくとも１つの直線に関して鏡映対称であり、ｘ’軸に平行な任意の直線に関して鏡映対称ではない構造を示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００３−３１５５７２号公報
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】Physical Review Letters, Vol. 58, pp. 2059, 1987年
【非特許文献２】Optics Communications, Vol. 223, pp. 339, 2003年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
導波路とモード変換構造は、フォトニック結晶単位構造αを全て同じ向きに配列することで形成されたフォトニック結晶基本構造の内部に、線状の欠陥部を設けることで構成される。ここで、線状欠陥部が延びる方向をｚ軸方向とし、ｚ軸に直交する面において互いに直交する２つの直線をｘ軸およびｙ軸とする。また、フォトニック結晶基本構造のｘ軸方向、ｙ軸方向およびｚ軸方向はそれぞれ、フォトニック結晶単位構造αのｘ’軸方向、ｙ’軸方向およびｚ’軸方向と一致しているとする。
【００１５】
このとき、導波路とモード変換構造のｘｙ断面は、図２９に示すような構造となる。図２９に示すｘｙ断面において、ｘ軸とｙ軸が欠陥部の中心を通るとしたとき、ｙ軸に関して鏡映対称を有し、ｘ軸に関して鏡映対称を有さない構造となる。
【００１６】
導波路とモード変換構造を伝搬する光は、欠陥部とその近傍の構造に集中するため、導波モードパターンは、欠陥部やその周囲の構造の影響を受ける。ｘｙ断面において、欠陥部の周囲の構造が、図２９に示すようにｘ軸に関して鏡映対称を有さない構造であれば、導波モードパターンもｘ軸に関して鏡映対称を有さない形状となる。外部領域に射出される光の導波モードパターンは、射出される直前の導波モードパターンの影響を受ける。外部領域が一様な屈折率媒質の領域である場合に、鏡映対称を持たないような低い対称性を有するモード変換構造から外部領域へ光が射出されると、射出される光の電磁エネルギー分布も低い対称性を有する形状となってしまう。
【００１７】
また、フォトニック結晶導波路と細線導波路とを結合する場合において、モード変換構造を伝搬する光の導波モードパターンが、ｘｙ断面において鏡映対称を持たない低い対称性を有する形状であれば、効率良く光を結合させることができない。
【００１８】
本発明は、複数の軸に関して鏡映対称を有さないフォトニック結晶導波路から外部領域に射出される光に、複数の軸に関して鏡映対称である高い対称性を有した電磁エネルギー分布を持たせることができる３次元フォトニック結晶を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明の一側面としての３次元フォトニック結晶は、導波路領域とモード変換領域を有する。導波路領域は、第１のフォトニック結晶基本構造と、該第１のフォトニック結晶基本構造の内部に設けられた第１の欠陥部とを有し、モード変換領域は、第２のフォトニック結晶基本構造と、第３のフォトニック結晶基本構造と、第２の欠陥部とを有する。導波路領域とモード変換領域は、第１の界面において互いのモードで伝搬する光が結合するように接続されている。第１のフォトニック結晶基本構造、第２のフォトニック結晶基本構造および第３のフォトニック結晶基本構造はそれぞれ、複数のフォトニック結晶単位構造が配列されて構成されている。該フォトニック結晶単位構造は、互いに直交する３軸を第１の軸、第２の軸および第３の軸としたときの第２および第３の軸に平行な断面において、第２の軸に平行な直線に関しては鏡映対称ではなく、第３の軸に平行な直線に関して鏡映対称な構造を有する。光が導波路領域およびモード変換領域を伝搬する方向を第１の方向とし、該第１の方向に直交し、かつ互いに直交する２つの方向を第２の方向および第３の方向とするとき、第１のフォトニック結晶基本構造および第２のフォトニック結晶基本構造は、第１の方向、第２の方向および第３の方向がそれぞれフォトニック結晶単位構造の第１の軸、第２の軸および第３の軸が延びる方向と一致するようにフォトニック結晶単位構造が配列されることで構成される。第２および第３の方向に平行な第１の断面において、第２のフォトニック結晶基本構造は、第２の方向に延びて第２の欠陥部の中心を通る中心軸よりも第３の方向における片側に配置されている。
【００２０】
第１の断面において、第３のフォトニック結晶基本構造は、上記中心軸に関して第２のフォトニック結晶基本構造と鏡映対称な構造を有するようにフォトニック結晶単位構造が配列されることで構成されている。第２のフォトニック結晶基本構造と第３のフォトニック結晶基本構造は、第１および第２の方向に平行で第２の欠陥部の中心を通る接続面で接続されている。モード変換領域は、第１の断面において、第２の欠陥部の中心を通り第２の方向および第３の方向にそれぞれ延びる直線に関して鏡映対称の構造を有することを特徴とする。
【００２１】
なお、上記３次元フォトニック結晶を用いた発光素子も本発明の他の一側面を構成する。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、複数の軸に関して鏡映対称を有さないフォトニック結晶導波路から外部領域に射出する光に高い対称性を有した電磁エネルギー分布を持たることができ、フォトニック結晶導波路から外部領域に高い効率で光を結合（伝播）させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施例の３次元フォトニック結晶の概念を示す断面図。
【図２】図１のフォトニック結晶における導波路領域およびモード変換領域の断面図。
【図３】本発明の実施例１である３次元フォトニック結晶の断面図。
【図４】実施例１の３次元フォトニック結晶におけるフォトニック結晶単位構造を示す斜視図および断面図。
【図５】実施例１におけるフォトニック結晶基本構造を示す斜視図。
【図６】実施例１におけるフォトニック結晶基本構造の各層の構造を示す図。
【図７】実施例１におけるフォトニック結晶基本構造のフォトニックバンドギャップの計算結果を示すグラフ。
【図８】実施例１における導波路領域の断面図。
【図９】実施例１における導波路領域の導波モードの計算結果を示すグラフ。
【図１０】実施例１におけるモード変換領域の断面図。
【図１１】実施例１における射出光の電場強度分布の計算結果を示すグラフ。
【図１２】実施例１の比較例の電場強度分布の計算結果を示すグラフ。
【図１３】図１２の比較例における射出光の電場強度分布の計算結果を示すグラフ。
【図１４】実施例１の変形例である３次元フォトニック結晶の構造を示す断面図。
【図１５】実施例１の他の変形例としてのウッドパイル構造を有するフォトニック結晶単位構造の斜視図。
【図１６】図１５のフォトニック結晶単位構造の各層の断面図。
【図１７】本発明の実施例２である３次元フォトニック結晶の構造を示す断面図。
【図１８】実施例２の３次元フォトニック結晶のモード変換領域の構造を示す断面図。
【図１９】実施例２における射出光の電場強度分布の計算結果を示すグラフ。
【図２０】実施例２の比較例である３次元フォトニック結晶の断面図。
【図２１】実施例２の比較例における射出光の電場強度分布の計算結果を示すグラフ。
【図２２】本発明の実施例３である３次元フォトニック結晶の構造を示す断面図。
【図２３】実施例３の３次元フォトニック結晶の導波路領域の構造を示す断面図。
【図２４】実施例３における射出光の電場強度分布の計算結果を示すグラフ。
【図２５】実施例３の比較例である３次元フォトニック結晶の断面図。
【図２６】実施例３の比較例における射出光の電場強度分布の計算結果を示すグラフ。
【図２７】本発明の実施例４であるフォトニック結晶発光素子の構造を示す断面図。
【図２８】従来のフォトニック結晶の構造を示す模式図。
【図２９】図２８のフォトニック結晶における導波路とモード変換構造のｘｙ断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００２５】
図１を用いて、本発明の実施例である、モード変換構造を含む３次元フォトニック結晶の概念について説明する。図１に示す３次元フォトニック結晶Ａは、導波路領域５とモード変換領域６とを含む。
【００２６】
導波路領域５は、フォトニック結晶基本構造（第１のフォトニック結晶基本構造）１と、該フォトニック結晶基本構造１の内部に設けられた線状欠陥部（第１の欠陥部）３とで構成される。
【００２７】
モード変換領域６は、フォトニック結晶基本構造（第２のフォトニック結晶基本構造）２と、フォトニック結晶基本構造（第３のフォトニック結晶基本構造）２’と、線状欠陥部（第２の欠陥部）４とで構成される。
【００２８】
導波路領域５とモード変換領域６は、界面（第１の界面）７において、導波路領域５を伝搬する光とモード変換領域６を伝播する光とが結合するように接続されている。
【００２９】
また、実施例では、フォトニック結晶の外側の領域を外部領域９とし、図１に示すようにモード変換領域６の端部と外部領域９との界面を、界面（第２の界面）８とする。
【００３０】
導波路領域５の線状欠陥部３およびモード変換領域６および線状欠陥部４が延びる方向、すなわち光が伝播する方向を、ｚ軸の方向（第１の方向：以下、ｚ軸方向という）とする。また、ｚ軸方向に直交する面において、線状欠陥部３の中心を通り、互いに直交する２つの直線をｘ軸とｙ軸とする。ｘ軸の方向（第２の方向）およびｙ軸の方向（第３の方向）を、以下それぞれ、ｘ軸方向およびｙ軸方向という。
【００３１】
ｘｙ断面（第１の断面）において、導波路領域５の線状欠陥部３の中心とモード変換領域６の線状欠陥部４の中心とは互いに一致している。
【００３２】
フォトニック結晶基本構造１、フォトニック結晶基本構造２およびフォトニック結晶基本構造２′はそれぞれ、複数のフォトニック結晶単位構造αを全て同じ向きに向け、各面が接するように配列することで形成される。フォトニック結晶単位構造αは、３次元フォトニック結晶の１周期分の単位構造であり、図２８（ａ），（ｂ）にも示したダイヤモンド構造である。前述したように、図２８（ｂ）は、図２８（ａ）の（１１０）面の射影図を表している。フォトニック結晶単位構造αの（１０１）の方向をｘ’軸（第２の軸）の方向（以下、ｘ’軸方向という）とし、（００１）の方向をｙ’軸（第３の軸）の方向（以下、ｙ’軸方向という）とする。（１１０）の方向をｚ’軸（第１の軸）の方向（以下、ｚ’軸方向という）とする。
【００３３】
フォトニック結晶基本構造１，２，２’はいずれも、完全フォトニックバンドギャップを有する。フォトニック結晶基本構造の内部に線状欠陥部を設けると、完全フォトニックバンドギャップ内に含まれる周波数のうちの一部の帯域の光が、線状欠陥部に存在できる状態を作ることができる。
【００３４】
図２（ａ）に、導波路領域５のｘｙ断面を示す。フォトニック結晶基本構造１は、ｘ軸方向、ｙ軸方向およびｚ軸方向がそれぞれ、フォトニック結晶単位構造αのｘ’軸方向、ｙ’軸方向、ｚ’軸方向と一致するようにフォトニック結晶単位構造αを配列することで形成されている。このとき、導波路領域５は、ｘｙ断面において、ｙ軸に関して鏡映対称であり、ｘ軸に関して鏡映対称ではない構造を有する。
【００３５】
図２（ｂ）に、モード変換領域６のｘｙ断面を示す。フォトニック結晶基本構造２およびフォトニック結晶基本構造２’はそれぞれ、線状欠陥部４の中心を通るｘｚ断面（中心軸）より、ｙ軸方向のうち＋ｙ方向および−ｙ方向、すなわち片側に配置されている。
【００３６】
フォトニック結晶基本構造２は、フォトニック結晶基本構造１と同様に、ｘ，ｙおよびｚ軸方向がそれぞれ、フォトニック結晶単位構造αのｘ’，ｙ’およびｚ’軸方向と一致するように複数のフォトニック結晶単位構造αを配列することで形成されている。
【００３７】
フォトニック結晶基本構造２’は、線状欠陥部４の中心を通るｘｚ断面（中心軸）に関して、フォトニック結晶基本構造２と鏡映対称な構造を有するようにフォトニック結晶単位構造αを配列することで形成されている。
【００３８】
フォトニック結晶基本構造２とフォトニック結晶基本構造２’は、線状欠陥部４の中心を通るｘｚ断面（接続面）で接続されている。このとき、モード変換領域６は、ｘｙ断面（第１の断面）において、ｘ軸とｙ軸の２軸に関して鏡映対称な構造を有する。
【００３９】
従来のモード変換構造は、ｘｙ断面において、導波路領域５と同じようにｘ軸に関して鏡映対称ではない構造を有していた。本実施例におけるモード変換領域６は、ｘｙ断面において、ｘ軸とｙ軸の２軸に関して鏡映対称な構造であるので、従来のモード変換構造に比べて対称性が高い構造である。
【００４０】
導波路領域５を伝搬する光の導波モードを導波モード１とし、外部領域９を伝播する光の導波モードを導波モード２とする。また、モード変換領域６を伝搬する光の導波モードを導波モード３とする。
【００４１】
図１に示す３次元フォトニック結晶Ａにおいて、導波路領域５を伝搬した光は、界面７でモード変換領域６を伝搬する光に変換され、モード変換領域６を伝播した光は、界面８において外部領域９を伝搬する光に変換されて外部領域９に射出される。従来のモード変換構造に比べて対称性が向上したモード変換領域６を用いることで、外部領域９に射出される光の導波モードパターンの対称性を向上させることができる。
【００４２】
ここで、モード変換領域６を用いることで、外部領域９に射出される光の導波モードパターンの対称性を向上させることができる理由について説明する。
【００４３】
モード変換構造を伝搬する光は、モード変換構造の内部の線状欠陥部とその近傍の構造に集中するため、光が伝搬する線状欠陥部やその周囲の構造の影響を受ける。モード変換構造の線状欠陥部の周囲の構造が、従来のモード変換構造のように、ｘｙ断面において１つの軸に関してのみ鏡映対称な構造であれば、導波モードパターンも１つ軸に関してのみ鏡映対称な形状となる。モード変換構造の線状欠陥部の周囲の構造を、本実施例のモード変換領域６のように互いに直交する２つの軸に関して鏡映対称な構造とすると、導波モードパターンも互いに直交する２つの軸に関して対称な形状となり、対称性を高くすることができる。
【００４４】
外部領域９に射出される光の導波モードパターンは、射出される直前のモード変換構造の導波モードパターンの影響を受けるため、モード変換構造の対称性を高くすることで、外部領域９に射出される光の導波モードパターンの対称性を向上することができる。したがって、本実施例におけるモード変換領域６を用いることで、導波モードパターンの対称性が向上した光を外部領域９に射出することができる
図１に示す３次元フォトニック結晶Ａの導波路領域５とモード変換領域６の界面７において、フォトニック結晶Ａの周期的な構造が乱れた面が生じるため、接合の仕方によって、界面７のｘｙ断面の面内方向を伝搬するモードが存在する。ここで、界面７のｘｙ断面の面内を伝搬する導波モードを導波モード４とする。
【００４５】
導波モード１の光が、導波モード４の光が伝搬する周波数帯域とは異なる周波数で伝搬すれば、導波モード１の光は導波モード４の光に変換されずに、モード変換領域６の導波モード３の光に変換される。導波モード１の光の周波数が導波モード４の光が伝搬する周波数帯域に含まれていても、導波モード４と同じ周波数で同じ偏光成分の導波モードが存在しないように導波路領域５とモード変換領域６を接続すればよい。これにより、導波モード１の光は、導波モード４の光に変換されない。同じ偏光成分がない（つまり偏光方向が直交する）モード同士は結合しないため、導波モード１の光が界面７に達したときに、該導波モード１の光は界面７の導波モード４の光へは変換されずに、モード変換領域６の導波モード３の光に損失なく高効率に変換される。
【００４６】
以上より、フォトニック結晶Ａがモード変換構造６を含むことにより、導波路領域５を伝搬する光を外部領域９に射出するときに、高い対称性を有する導波モードパターンの光を射出することができる。
【００４７】
次に、上記概念に従った、モード変換構造６を含む具体的な構造例である３次元フォトニック結晶Ｂについて、図３を用いて説明する。３次元フォトニック結晶Ｂは、導波路領域１０３とモード変換領域１０４とを含む。
【００４８】
導波路領域１０３は、フォトニック結晶基本構造（第１のフォトニック結晶基本構造）１０１と、該フォトニック結晶基本構造１０１の内部に設けられた線状欠陥部１０，１１とで構成されている。
【００４９】
モード変換領域１０４は、フォトニック結晶基本構造（第２のフォトニック結晶基本構造）１０２と、該フォトニック結晶基本構造（第３のフォトニック結晶基本構造）１０２’と、線状欠陥部１２とで構成されている。
【００５０】
導波路領域１０３とモード変換領域１０４は、界面（第１の界面）１０５において互いの導波モードで伝搬する光が結合するように接続されている。また、３次元フォトニック結晶Ｂの外側の領域を外部領域１０６とし、モード変換領域１０４の端部と外部領域１０６との界面を界面（第２の界面）１０７とする。
【００５１】
導波路領域１０３の線状欠陥部１０が延びる方向をｚ軸方向とし、ｘｙ断面において線状欠陥部１０の中心を通り、互いに直交する２つの直線をｘ軸とｙ軸とする。
【００５２】
また、ｘｙ断面において、導波路領域１０３の線状欠陥部１０の中心とモード変換領域１０４の線状欠陥部１２の中心の位置は互いに一致している。
【００５３】
フォトニック結晶基本構造１０１，１０２，１０２’はそれぞれ、フォトニック結晶単位構造１００を全て同じ向きに向け、各面が接するように配列することで形成されている。フォトニック結晶単位構造１００は、周期的な屈折率分布を有する３次元フォトニック結晶の１周期分の単位構造であり、図４（ａ）に該フォトニック結晶単位構造１００を示している。
【００５４】
フォトニック結晶単位構造１００において、互いに直交する柱状構造が延びる方向をｘ’軸方向およびｚ’軸方向とし、これら柱状構造の積層方向をｙ’軸方向とする。図４（ｂ）は、図４（ａ）のｘ’ｙ’断面を表している。図４（ｂ）に示すフォトニック結晶単位構造１００のｘ’ｙ’断面は、ｙ’軸に平行な少なくとも１つの直線に関して鏡映対称であり、ｘ’軸に平行な任意の直線に関しては鏡映対称ではない構造である。
【００５５】
複数のフォトニック結晶単位構造１００を、それらの各面が互いに接するようにｘ’軸方向，ｙ’軸方向およびｚ’軸方向に配列したフォトニック結晶基本構造を図５に示す。該基本構造は、１２の層１０００〜１０１１が積層されて構成される。図６には、各層のｘ’ｚ’面の構造を示している。図６において、破線の四角で囲んだ外部領域１０１２が基本構造の大きさを表している。
【００５６】
第１層１０００および第７層１００６ではそれぞれ、ｘ’軸方向に延びる複数の柱状構造（第１の柱状構造）１０００ａおよび１００６ａが等間隔Ｐでｚ’軸方向に並んで配置されている。柱状構造１０００ａ，１００６ａは互いにｚ’軸方向にＰ／２（半周期）ずれた位置に配置されている。
【００５７】
また、第４層１００３および第１０層１００９ではそれぞれ、ｚ’軸方向に延びる複数の柱状構造（第２の柱状構造）１００３ａ，１００９ａが等間隔Ｐでｘ’軸方向に並んで配置されている。柱状構造１００３ａ，１００９ａは互いにｘ’軸方向にＰ／２（半周期）ずれた位置に配置されている。
【００５８】
このように、フォトニック結晶単位構造１００は、ｘ’軸方向に延びる複数の柱状構造を有する柱状構造層（第１層、第７層）と、ｚ’軸方向に延びる複数の柱状構造を有する柱状構造層（第４層、第１０層）とが交互に積層された基本構造を有する。柱状構造層は、第１の層、第２の層、第３の層および第４の層にそれぞれ相当する第１層１０００、第４層１００３、第７層１００６および第１０層１００９がこの順で積層されている。
【００５９】
第１層１０００と第４層１００３との間には、第２層１００１および第３層１００２が配置されている。第２層１００１および第３層１００２における第１層１０の柱状構造１０００ａと第４層１００３の柱状構造１００３ａとのｙ’軸方向視での交点（立体的な交差位置）に相当する位置には、離散構造１００１ａ，１００２ａが配置されている。離散構造１００１ａ，１００２ａは、ｘ’ｚ’面内において互いに接しないように離散的に配置されている。
【００６０】
第２層１００１および第３層１００２は、上記柱状構造層に対する付加層である。離散構造１００１ａ，１００２ａは、ｘ’ｚ’断面内における９０度の回転により相互に重なる対称性を有する。
【００６１】
第４層１００３と第７層１００６の間、第７層１００６と第１０層１００９の間および第１０層１００９と次の基本構造周期における第１層１０００の間にも、付加層としての第５層１００４と第６層１００５、第８層１００７と第９層１００８および第１１層１０１０と第１２層１０１１がそれぞれ配置されている。これら第５層１００４と第６層１００５、第８層１００７と第９層１００８および第１１層１０１０と第１２層１０１１も、第２層１００１および第３層１００２と同様に構成されている。すなわち、互いに直交する方向に延びる柱状構造を含む柱状構造層間のｙ’軸方向視での柱状構造の交点に相当する位置に、離散構造１００４ａ，１００５ａ，１００７ａ，１００８ａ，１０１０ａ，１０１１ａが配置されている。
【００６２】
柱状構造層とこれに隣り合う付加層において、柱状構造と離散構造とは互いに接している。柱状構造および離散構造の材料の屈折率、形状、間隔および各層の厚さ等の構造パラメータを適切に設定することで、特定の広い周波数帯域（波長帯域）において完全フォトニックバンドギャップを得ることができる。広い完全フォトニックバンドギャップを有するフォトニック結晶を用いることで、損失を抑えることができ、動作する周波数の帯域を広げることが可能となる。
【００６３】
フォトニック結晶単位構造１００の構造パラメータを表１に示す。表１において、面内格子周期とは、図６に示した柱状構造の間隔Ｐに相当する。面外格子周期とは、フォトニック結晶単位構造１００の層１０００〜１０１１の１２層の積層方向での長さ（厚み）をいう。また、表１中の屈折率は、フォトニック結晶単位構造１００の柱状構造および離散構造を構成する媒質（第１の媒質）の屈折率を表している。フォトニック結晶単位構造１００の柱状構造および離散構造以外の部分の媒質（第２の媒質）は空気であり、その屈折率は１．０である。
【００６４】
柱状構造幅とは、柱状構造が延びる方向に直交する方向での柱状構造の寸法であり、柱状構造高さとは、積層方向（ｙ’軸方向）における柱状構造の寸法をいう。また、離散構造幅Ｄｗ１，Ｄｗ２はそれぞれ、図６に示すように、各付加層での１つの離散構造の長辺方向および短辺方向での寸法を表す。さらに、離散構造高さＤｈは、図５に示すように、離散構造の積層方向（ｙ’軸方向）での寸法である。
【００６５】
【表１】
0005451367.tif 000002
【００６６】
図７は、複数のフォトニック結晶単位構造１００を同じ向きに向け、各面が接するように配列して構成されたフォトニック結晶基本構造のフォトニックバンドギャップを、平面波展開（ＰＷＥ）法にて計算した結果を示すグラフである。グラフの横軸は、波数ベクトル、すなわちフォトニック結晶基本構造に入射する電磁波の入射方向を表す。
【００６７】
例えば、Ｋ点は、ｘ’軸（もしくはｚ’軸）に平行な波数ベクトルであり、Ｘ点はｘ’ｚ’面内においてｘ’軸（もしくはｚ’軸）に対して４５°の傾きを持った波数ベクトルを表している。グラフの縦軸は、格子周期で規格化した周波数（規格化周波数）を示している。図６において網掛けで示された周波数帯域においては、光の入射方向によらずモードが存在できない完全フォトニックバンドギャップが形成されている。
【００６８】
このようなフォトニック結晶基本構造の内部に周期を乱す欠陥部を設けると、完全フォトニックバンドギャップ内の周波数を有するモードを生成する。このモードは、欠陥部の形状や媒質によって、周波数（波長）、波数ベクトルが決まるモードである。このとき、線状欠陥部を設けると、該線状欠陥部が延びる方向には波数ベクトルの大きさが制限されないため、欠陥モードは線状欠陥部が延びる方向に導波する導波モードとなる。
【００６９】
導波路領域１０３は、フォトニック結晶基本構造１０１と、フォトニック結晶基本構造１０１の内部に設けられたｚ軸方向に延びる第１の線状欠陥部１０と、該第１の線状欠陥部１０を含む層とは異なる層に設けられた第２の線状欠陥部１１とで構成される。第２の線状欠陥部１１は、ｚ軸方向に延びる柱状構造の一部を変形する又は除くことで形成される。
【００７０】
図８（ａ）は、第１および第２の線状欠陥部１０，１１がｚ軸方向に延びている場合の導波路領域１０３のｘｙ断面を示している。図８（ｂ），（ｃ）はそれぞれ、図８（ａ）に示す断面iおよび断面iiのｘｚ断面図である。
【００７１】
フォトニック結晶基本構造１０１は、ｘ軸方向、ｙ軸方向およびｚ軸方向がそれぞれ、フォトニック結晶単位構造１００のｘ’軸方向、ｙ’軸方向、ｚ’軸方向と一致するように複数のフォトニック結晶単位構造１００を配列することで形成されている。
【００７２】
導波路領域１０３は、図８（ａ）に示すように、ｘｙ断面において、ｙ軸に関して鏡映対称で、ｘ軸に関しては鏡映対称ではない構造を有する。
【００７３】
第１の線状欠陥部１０は、０．６０Ｐの幅を有し、フォトニック結晶単位構造１００の柱状構造を形成する媒質と同じ屈折率を有する媒質で形成されている。第２の線状欠陥部１１は、０．００Ｐの幅を有する。導波路領域１０３の構造パラメータを表２に示す。
【００７４】
欠陥部幅１０ｗ，１１ｗは、図８（ｂ），（ｃ）に示すように各欠陥部の層内におけるｘ軸方向での寸法である。また、欠陥部高さ１０ｈは、図８（ａ）に示すように各欠陥部の積層方向（ｙ軸方向）での寸法である。また、欠陥部屈折率１０ｎは、各欠陥部を構成する媒質の屈折率である。なお、座標の原点は、図８（ａ）のｘｙ断面における第１の線状欠陥部１０の中心とする。
【００７５】
【表２】
0005451367.tif 000003
【００７６】
図９は、導波路領域１０３について転送行列法（ＴＭＭ）を用いて、導波モードを計算した結果を示すグラフである。グラフの横軸は、格子周期Ｐで規格化した波数ベクトルの導波方向（ｚ軸方向）成分の大きさを示し、縦軸は格子周期Ｐで規格化した周波数（規格化周波数）を示している。また、領域γで示した周波数帯域は、完全フォトニックバンドギャップ以外の周波数帯域を示している。領域βで示した周波数帯域は、完全フォトニックバンドギャップ内において、欠陥部に起因した単一の導波モードが存在する周波数帯域を示している。
【００７７】
図９に示すように、導波路領域１０３は、周波数帯域βにおいて、単一の導波モードが存在する導波路である。導波路領域１０３に含まれるような導波路とすることで、導波路領域１０３内の第１の線状欠陥部１０に、光が強く集中する導波モードで光を伝播させることができ、第１の線状欠陥部１０の表面の荒れなどによる散乱損失を軽減することができる。
【００７８】
モード変換領域１０４は、フォトニック結晶基本構造１０２と、フォトニック結晶基本構造１０２’と、線状欠陥部１２とで構成されている。図１０（ａ）は線状欠陥部１２がｚ軸方向に延びている場合のモード変換領域１０４のｘｙ断面を示している。図１０（ｂ）は、図１０（ａ）に示す断面iにおける、モード変換領域１０４のｘｚ断面を示している。
【００７９】
フォトニック結晶基本構造１０２およびフォトニック結晶基本構造１０２’はそれぞれ、線状欠陥部１２の中心を通るｘｚ断面より＋ｙ方向および−ｙ方向（つまりは片側）に配置されている。
【００８０】
フォトニック結晶基本構造１０２は、ｘ，ｙおよびｚ軸方向がそれぞれ、フォトニック結晶単位構造１００のｘ’，ｙ’およびｚ’軸方向と一致するように複数のフォトニック結晶単位構造１００を配列することで形成されている。
【００８１】
フォトニック結晶基本構造１０２’は、線状欠陥部１２の中心を通るｘｚ断面に関してフォトニック結晶基本構造１０２と鏡映対称な構造となるようにフォトニック結晶単位構造１００を配列することで形成されている。フォトニック結晶１０２とフォトニック結晶１０２’は、線状欠陥部１２の中心を通るｘｚ断面において接続されている。フォトニック結晶２とフォトニック結晶２’は、線状欠陥部４の中心を通るｘｚ断面で接続されている。このとき、モード変換領域６は、図１０（ａ）に示すように、ｘｙ断面において、ｘ軸とｙ軸の２軸に関して鏡映対称を有する構造となる。
【００８２】
また、図３に示すようにモード変換領域１０４の端部１０７は、外部領域１０６と接している。
【００８３】
本実施例では、１．００Ｐの幅および１．００Ｐの高さを有する線状欠陥部１２を含む構造について示している。モード変換領域１０４の構造パラメータを表３に示す。欠陥部幅１２ｗは、図１０（ｂ）に示す各欠陥部の層内におけるｘ軸方向での寸法である。また、欠陥部高さ１２ｈは、図１０（ａ）に示す各欠陥部の積層方向（ｙ軸方向）での寸法である。また、欠陥部屈折率１２ｎは、各欠陥部を構成する媒質の屈折率である。欠陥部長さ１２Ｄは、図１０（ｂ）に示す欠陥部の層内におけるｚ軸方向での寸法である。
【００８４】
本実施例において、外部領域１０６は一様な屈折率分布を有する領域とし、外部領域１０６の屈折率を１０６ｎとしている。
【００８５】
欠陥部屈折率１２ｎは、フォトニック結晶単位構造１００を形成する媒質の屈折率以上の屈折率である。これにより、線状欠陥部１２に、光が強く集中する導波モードで光を伝播させることができ、線状欠陥部１２の表面の荒れなどによる散乱損失を軽減することができる。
【００８６】
【表３】
0005451367.tif 000004
【００８７】
導波路領域１０３を伝搬する光の導波モードを「導波モード１」とし、外部領域１０６を伝播する光の導波モードを「導波モード２」とする。また、モード変換領域１０４を伝搬する光の導波モードを「導波モード３」とする。
【００８８】
図３に示す３次元フォトニック結晶Ｂにおいて、導波路領域１０３を伝搬した光は界面１０５にてモード変換領域１０４を伝搬する光に変換される。モード変換領域１０４を伝播した光は、界面１０７において外部領域１０６を伝搬する光に変換されて外部領域１０６に射出される。
【００８９】
外部領域１０６を伝搬する光の波長をλとするとき、モード変換領域１０４と外部領域１０６との界面１０７から＋ｚ方向に３λだけ離れた位置におけるｘｙ断面をｘｙ断面Ａとする。図１１（ａ）に、モード変換領域１０４を含む３次元フォトニック結晶Ｂから外部領域１０６に射出された光のｘｙ断面Ａでの電場強度分布を計算した結果を示す。図１１（ｂ）は、図１１（ａ）のｘ＝０におけるｙ軸方向での電場強度分布を示しており、縦軸は最大値で規格化した電場強度を、横軸はｙ軸の座標をそれぞれ表している。
【００９０】
図１１（ａ）および図１１（ｂ）より、モード変換領域１０４を含む３次元フォトニック結晶Ｂから外部領域１０６に射出された光の導波モードパターンは、ｘ軸とｙ軸の２軸に関して鏡映対称となるような高い対称性を有する形状となっていることがわかる。
【００９１】
ここで比較のため、モード変換領域の構造が導波路領域１０３のようにｘ軸に関して鏡映対称ではない場合の電場強度分布の計算結果を示す。図１２（ａ）は、ｙ軸に関して鏡映対称であり、ｘ軸に関して鏡映対称ではないモード変換領域１０９を含む３次元フォトニック結晶のｙｚ断面を示している。また、図１２（ｂ）は、モード変換領域１０９のｘｙ断面を示す。
【００９２】
モード変換領域１０９の欠陥部１２の周囲のフォトニック結晶１０１は、導波路領域１０３と同じ構造を有し、フォトニック結晶単位構造１００を同じ向きに向け、各面が接するように配列した構造である。線状欠陥部１２は、図１０と表３に示したモード変換領域１０４に含まれる線状欠陥部と同じ構造を有する。図１３（ａ）に、図１２（ａ）に示すモード変換領域１０９を含む３次元フォトニック結晶から外部領域１０６に射出された光のｘｙ断面Ａでの電場強度分布を計算した結果を示す。図１３（ｂ）は、図１３（ａ）のｘ＝０におけるｙ軸方向の電場強度分布を表しており、縦軸は最大値で規格化した電場強度を、横軸はｙ軸の座標をそれぞれ表している。
【００９３】
図１１（ａ），（ｂ）と図１３（ａ），（ｂ）を比較すると、ｘ軸とｙ軸の２軸に関して鏡映対称であるモード変換領域１０４から射出された光の電場強度分布（図１１（ａ），（ｂ））の方が対称性が高い形状になっていることがわかる。
【００９４】
ｘ軸とｙ軸の２軸に関して鏡映対称な構造のモード変換領域を用いることで、射出された光の導波モードパターンの対称性が向上する理由は、上記概念の説明の部分で示した理由と同じである。
【００９５】
このように本実施例では、互いに直交する２軸に関して鏡映対称な構造のモード変換領域１０４を含む３次元フォトニック結晶Ｂを用いている。これにより、互いに直交する２軸に関して鏡映対称となるような高い対称性を有する導波モードパターンの光を射出することができる。
【００９６】
図２に示す３次元フォトニック結晶Ｂの導波路領域１０３とモード変換領域１０４の界面１０５では、フォトニック結晶の周期的な構造が乱れた面が生じ、接合の仕方によっては界面１０５のｘｙ断面の面内方向を伝搬するモードが存在する。ここで、界面１０５のｘｙ断面の面内を伝搬する導波モードを、「導波モード４」とする。
【００９７】
導波モード１の光が導波モード４の光が伝搬する周波数帯域とは異なる周波数で伝搬すれば、導波モード１の光は、導波モード４へは変換されずにモード変換領域１１３の導波モード３の光に変換される。導波モード１の光の周波数が導波モード４の光が伝搬する周波数帯域に含まれていても、導波モード４と同じ周波数で同じ偏光成分を持つ導波モードが存在しないように導波路領域１０３とモード変換領域１１３を接続すればよい。これにより、導波モード１の光は導波モード４の光に変換されない。同じ偏光成分がないモード同士は結合しないため、導波路領域５を伝播した導波モード１の光が界面１０５に達したとき、該光は、界面１０５で導波モード４の光へは変換されず、モード変換領域１１３の導波モード３の光に、損失なく高効率に変換される。
【００９８】
導波路領域１０３のｘｙ断面、界面１０５のｘｙ断面およびモード変換領域１０４の各ｘｙ断面における伝搬する光のエネルギーの量から、界面１０５のｘｙ断面を伝搬する導波モード４に変換される割合を計算した。この結果、界面１０５を伝搬するｘｙ断面の光に変換された割合は、モード変換領域１０４の光に変換された量に対して１％程度の値となった。したがって、導波路領域１０３を伝搬した光は、界面１０５において、界面１０５のｘｙ断面を伝搬する光へは殆ど変換されず、モード変換領域１０４を伝搬する光に変換されたと考えられる。
【００９９】
次に、本実施例において、導波路もｘ軸とｙ軸の２軸に関して鏡映対称な構造とした場合について説明する。図１４（ａ）は、導波路とモード変換構造のどちらもｘ軸とｙ軸の２軸に関して鏡映対称な構造を有する場合の３次元フォトニック結晶を示している。図１４（ｂ）は、ｘ軸とｙ軸の２軸に関して鏡映対称を有する導波路領域１１０のｘｙ断面を示している。ここで、モード変換構造は、図９と表３で示したｘ軸とｙ軸の２軸に関して鏡映対称な構造を有するモード変換領域１０４と同じ構造とする。
【０１００】
導波路領域１１０はフォトニック結晶単位構造１００を配列した構造の内部に第１の線状欠陥部１０を設けることで構成され、ｘｙ断面においてｘ軸とｙ軸の２軸に関して鏡映対称な構造を有する。導波路領域１１０の第１の線状欠陥部１０は、図７および表２に示す導波路領域１０３の第１の線状欠陥部１０と同じ構造を有する。このとき、導波路領域１１０とモード変換領域１０４は、界面１１１に関して鏡映対称な構造を有する。
【０１０１】
導波路領域１１０の界面１１１では、第１の線状欠陥部１０の周囲にあるフォトニック結晶の周期が乱れている。このため、界面１１１のｘｚ断面を伝搬するモードが存在し、導波路を伝搬する導波モード１は界面１１１のｘｚ断面を伝搬する導波モードと結合して損失となってしまう。特に、光を導波路領域１１０を長距離にわたって伝搬させると、損失が大きくなる。
【０１０２】
また、導波路領域１１０の第１の線状欠陥部１０の構造が変わることで、複数の導波モードが存在してしまい、所望の単一モードの光で伝播することが困難となる。したがって、ｘ軸とｙ軸の２軸に関して鏡映対称な領域は、導波路には設けず、外部領域１０６に射出する直前のモード変換構造の領域にのみ設けることが必要である。
【０１０３】
このように本実施例では、互いに直交する２軸に関して鏡映対称な構造のモード変換領域１０９を含む３次元フォトニック結晶Ｂを用いている。これにより、高い対称性を有する導波モードパターンの光を射出することができる。
【０１０４】
なお、フォトニック結晶単位構造は、図１５（ａ）に示すような単純なウッドパイル構造のフォトニック結晶単位構造１１２としてもよい。この場合、上述した３次元フォトニック結晶単位構造１００を用いた場合に比べて完全フォトニックバンドギャップを有する周波数帯域は狭くなるが、積層数が少なくなるため、製造工程数を少なくすることができる。
【０１０５】
図１５（ｂ）には、図１５（ａ）に示したフォトニック結晶単位構造１１２を、そのｘ’ｙ’面、ｙ’ｚ’面およびｘ’ｚ’面が互いに接するように、ｘ’、ｙ’およびｚ’軸方向に複数配列して構成されたフォトニック結晶基本構造を示している。
【０１０６】
フォトニック結晶単位構造１１２は、ｘｚ面を含む層１０１３〜１０１６の４層を基本周期として構成されている。図１６は、各層１０１３〜１０１６のｘｚ断面を示しており、四角で囲った破線部１０１７の領域は基本構造の大きさを表している。
【０１０７】
第１層１０１３および第３層１０１５では、ｘ軸方向に延びる複数の柱状構造１０１３ａ，１０１５ａが等間隔Ｐでｚ軸方向に並べられて配置されている。柱状構造１０１３ａ，１０１５ａは、互いにｚ軸方向にＰ／２（半周期）ずれた位置に配置されている。また、第２層１０１４および第４層１０１６では、ｚ軸方向に延びる複数の柱状構造１０１４ａ，１０１６ａが等間隔Ｐでｘ軸方向に並べられて配置されている。柱状構造１０１４ａ，１０１６ａは、互いにｘ軸方向にＰ／２（半周期）ずれた位置に配置されている。
【０１０８】
柱状構造の材料の屈折率、柱状構造の形状や間隔、各層の厚さなどを最適化することにより、所望の周波数帯域（波長帯域）に完全フォトニックバンドギャップを得ることができる。なお、フォトニック結晶基本構造は、上述した３次元フォトニック結晶構造以外の構造を有していてもよい。
【実施例２】
【０１０９】
図１７には、本発明の実施例２である、モード変換構造を含む３次元フォトニック結晶の構成を示している。図１７に示した３次元フォトニック結晶Ｃは、導波路領域１０３とモード変換領域１１３を含む。
【０１１０】
導波路領域１０３は、フォトニック結晶基本構造１０１と、フォトニック結晶基本構造１０１の内部に設けた第１および第２の線状欠陥部１０，１１とにより構成されており、実施例１の図８（ａ）〜（ｃ）および表２に示した構造と同じ構造を有する。
【０１１１】
モード変換領域１１３は、フォトニック結晶１０２と、フォトニック結晶１０２’と、テーパー状の欠陥部１３とにより構成されている。導波路領域１０３とモード変換領域１１３は、界面１０５において互いのモードで伝搬する光が結合するように接続されている。モード変換領域１１３の端部と外部領域１０６との界面を、界面１０７とする。
【０１１２】
図１７に示すように、導波路領域１０３の第１の線状欠陥部１０が延びる方向をｚ軸方向とし、ｘｙ断面において第１の線状欠陥部１０の中心を通り、互いに直交する２つの直線をｘ軸およびｙ軸とする。また、ｘｙ断面において、第１の線状欠陥部１０の中心と線状欠陥部１３の中心の位置は互いに一致している。
【０１１３】
フォトニック結晶基本構造１０１，１０２，１０２’はそれぞれ、フォトニック結晶単位構造１００を全て同じ向きに向け、各面が接するように配列することで形成され、完全フォトニックバンドギャップを有する。フォトニック結晶単位構造１００は、実施例１の図４（ａ），（ｂ）および表１で示した構造と同じ構造を有する。柱状構造が延びる方向をｘ’軸方向およびｚ’軸方向とし、積層方向をｙ’軸方向とする。ｘ’ｙ’断面は、ｙ’軸に平行な少なくとも１つの直線に関して鏡映対称であり、ｘ’軸に平行な任意の直線に関して鏡映対称ではない構造を有する。
【０１１４】
導波路領域１０３に含まれるフォトニック結晶基本構造１０１は、ｘ，ｙおよびｚ軸方向がそれぞれ、フォトニック結晶単位構造１００のｘ’，ｙ’およびｚ’軸方向と一致するようにフォトニック結晶単位構造１００を配列することで形成されている。導波路領域１０３は、実施例１の図８（ａ）に示すように、ｘｙ断面においてｙ軸に関して鏡映対称であり、ｘ軸に関して鏡映対称ではない構造を有する。
【０１１５】
図１８（ａ），（ｂ），（ｃ）に、モード変換領域１１３の構成を示す。図１８（ａ）は、図１７の界面１０５におけるｘｙ断面を示す。また、図１８（ｂ）は、図１７の界面１０７におけるｘｙ断面を、図１８（ｃ）は欠陥部１３の中心を通るｘｚ断面をそれぞれ示している。
【０１１６】
フォトニック結晶基本構造１０２およびフォトニック結晶基本構造１０２’はそれぞれ、線状欠陥部１３の中心を通るｘｚ断面よりも＋ｙ方向および−ｙ方向に配置されている。フォトニック結晶基本構造１０２は、フォトニック結晶基本構造１０１と同様に、ｘ，ｙおよびｚ軸方向がそれぞれフォトニック結晶単位構造１００のｘ’，ｙ’およびｚ’軸方向と一致するように、フォトニック結晶単位構造１００を配列することで形成されている。フォトニック結晶基本構造１０２’は、線状欠陥部１３の中心を通るｘｚ断面に関してフォトニック結晶基本構造１０２と鏡映対称な構造となるようにフォトニック結晶単位構造１００を配列することで形成されている。
【０１１７】
フォトニック結晶基本構造１０２とフォトニック結晶基本構造１０２’は、線状欠陥部１３の中心を通るｘｚ断面において接続されている。このとき、モード変換領域１１３は、図１８（ａ）に示すように、ｘｙ断面においてｘ軸とｙ軸の２軸に関して鏡映対称な構造となる。また、図１７に示すように、モード変換領域１１３の端部１０７は、外部領域１０６と接している
図１８（ａ）に示す界面１０７における線状欠陥部１３の幅は０．６Ｐであり、厚さは０．２５Ｐである。また、図１８（ｂ）に示す界面１０７における欠陥部１３の幅は２．１０Ｐであり、厚さは２．５５Ｐである。図１８（ｃ）に示す界面１０５，１０７の間の長さは７．００Ｐである。線状欠陥部１３は、図１７および図２０において、界面１０５で示した位置から界面１０７で示した位置との間でｘｙ断面内での幅と厚さが徐々に変化するテーパー状の形状を有する。線状欠陥部１３は、３次元フォトニック結晶単位構造１００に含まれる柱状構造を形成する媒質と同じ屈折率を有する媒質で形成された領域である。線状欠陥部１３のｘｙ断面の中心座標は、ｘ座標が０．００Ｐであり、ｙ座標が３．５０Ｐである。
【０１１８】
モード変換領域１１３の構造パラメータを表４に示す。欠陥部幅１３ｗ１，１３ｗ２はそれぞれ、図１８（ｃ）に示す層内でのｘ軸方向での寸法である。また、欠陥部高さ１３ｈ１，１３ｈ２は、図１８（ａ）、（ｂ）に示す欠陥部の積層方向（ｙ軸方向）の寸法である。欠陥部長さ１３Ｄは、図１８（ｃ）に示す欠陥部の層内におけるｚ軸方向での寸法である。また、欠陥部屈折率１３ｎは、欠陥部を構成する媒質の屈折率である。
【０１１９】
本実施例において、外部領域１０６は、実施例１と同様に、屈折率１．０で形成された一様な媒質を有する領域である。
【０１２０】
【表４】
0005451367.tif 000005
【０１２１】
図１７に示す３次元フォトニック結晶Ｃに含まれる導波路領域１０３と外部領域１０６を伝搬する光の導波モードを、実施例１と同様にそれぞれ、「導波モード１」および「導波モード２」とする。また、モード変換領域１１３を伝搬する光の導波モードを、「導波モード５」とする。
【０１２２】
図１７に示す３次元フォトニック結晶Ｃにおいて、導波路領域１０３を伝搬した光は、界面１０５でモード変換領域１１３を伝搬する光に変換される。モード変換領域１１３を伝播した光は、界面１０７において外部領域１０６を伝搬する光に変換されて外部領域１０６に射出される。
【０１２３】
外部領域１０６を伝搬する光の波長をλとしたとき、モード変換領域１１３と外部領域１０６との界面１０７から、＋ｚ方向に３λだけ離れた位置におけるｘｙ断面を、ｘｙ断面Ａとする。
【０１２４】
図１９（ａ）に、モード変換領域１１３を含む３次元フォトニック結晶Ｂから外部領域１０６に射出された光のｘｙ断面Ａでの電場強度分布を計算した結果を示す。図１９（ｂ）は、図１９（ａ）のｘ＝０におけるｙ軸方向の電場強度分布を示しており、縦軸は最大値で規格化した電場強度を、横軸はｙ軸の座標をそれぞれ表している。電場強度分布は、有限差分時間領域（ＦＤＴＤ）法を用いて計算した。
【０１２５】
図１９（ａ），（ｂ）より、モード変換領域１０４を含む３次元フォトニック結晶Ｂから外部領域１０６に射出された光の導波モードパターンは、ｘ軸とｙ軸の２軸に関して鏡映対称となるような高い対称性を有する形状となっていることがわかる。
【０１２６】
ここで比較のため、モード変換領域の構造が、導波路領域１０３のようにｘ軸に関して鏡映対称ではない場合の電場強度分布の計算結果を以下に示す。図２０（ａ）は、ｙ軸に関して鏡映対称であり、ｘ軸に関して鏡映対称ではない構造のモード変換領域１１４を含む３次元フォトニック結晶のｙｚ断面を示している。また、図２０（ｂ）は、モード変換領域１１４のｘｙ断面を示す。モード変換領域１１４は、導波路領域１０３と同様に、ｘ軸に関しては鏡映対称ではない構造を有するフォトニック結晶基本構造１０１と、該フォトニック結晶基本構造１０１の内部に設けられた線状欠陥部１３とで形成される。ここで、線状欠陥部１３は、図１８および表４に示した、モード変換領域１１３に含まれる線状欠陥部と同じ線状欠陥部である。
【０１２７】
図２１（ａ）には、モード変換領域１１３を含む３次元フォトニック結晶Ｂから外部領域１０６に射出された光のｘｙ断面Ａの電場強度分布を計算した結果を示す。図２１（ｂ）は、図２１（ａ）のｘ＝０におけるｙ軸方向の電場強度分布を示しており、縦軸は最大値で規格化した電場強度を、横軸はｙ軸の座標をそれぞれ表している。
【０１２８】
図１９（ａ），（ｂ）と図２１（ａ），（ｂ）を比較したとき、ｘ軸とｙ軸の２軸に関して鏡映対称な構造を有するモード変換領域１１３から射出された光の電場強度分布（図１９（ａ），（ｂ））の方が、対称性が高い形状になっていることがわかる。
【０１２９】
ここで、ｘ軸とｙ軸の２軸に関して鏡映対称な構造のモード変換領域を用いることで、射出された光の導波モードパターンの対称性が向上する理由は、実施例１で示した理由と同じである。
【０１３０】
なお、実施例１と同様に、導波路領域１０３とモード変換領域１１３との界面１０５において界面１０５のｘｙ断面を伝搬する導波モード４が存在するが、本実施例では、導波モード４に変換されないように導波路領域１０３とモード変換領域１１３を接続している。導波モード１の光が、導波モード４の光が伝搬する周波数帯域とは異なる周波数で伝搬していれば、導波モード１の光は導波モード４へは変換されずに、モード変換領域１１３の導波モード３の光に変換される。
【０１３１】
導波モード１の光の周波数が導波モード４の光が伝搬する周波数帯域に含まれていても、導波モード４と同じ周波数で同じ偏光成分を持つ導波モードが存在しないように導波路領域１０３とモード変換領域１１３を接続すればよい。これにより、導波モード１の光は、導波モード４の光に変換されない。同じ偏光成分がないモード同士は結合しないため、導波モード１の光が界面１０５に達したとき、該光は界面１０５の導波モード４の光へは変換されずに、モード変換領域１１３の導波モード５の光へと、損失なく高い効率で変換される。
【０１３２】
このように、本実施例によれば、互いに直交する２軸に関して鏡映対称のモード変換領域１０９を含む３次元フォトニック結晶Ｂを用いることにより、高い対称性を有する導波モードパターンの光を射出することができる。
【０１３３】
また、モード変換領域１１３に含まれるモード変換構造を用いることにより、導波路領域１０３を伝搬する導波モード１の光を、徐々に外部領域１０６の導波モード２の光に変換することができる。これにより、効率良く外部領域１０６へ光を射出することができる。
【実施例３】
【０１３４】
図２２には、本発明の実施例３である、モード変換構造を含む３次元フォトニック結晶Ｄの構造を示す。３次元フォトニック結晶Ｄは、導波路領域１１５とモード変換領域１１３とを含む。
【０１３５】
導波路領域１１５は、フォトニック結晶基本構造１０１の内部に、線状欠陥部１４、１５，１６，１７，１８を設けることによって構成されている。
【０１３６】
モード変換領域１１３は、フォトニック結晶基本構造１０２、フォトニック結晶基本構造１０２’およびテーパー状の線状欠陥部１３とで構成されており、実施例２の図１８（ａ）〜（ｃ）および表４に示した構造と同じ構造を有する。導波路領域１１５とモード変換領域１１３は、界面１０５において互いのモードで伝搬する光が結合するように接続されている。また、モード変換領域１１３の端部と外部領域１０６の界面を、界面１０７とする。
【０１３７】
図２２に示すように、導波路領域１１５の第１の線状欠陥部１４が延びる方向をｚ軸方向とし、ｘｙ断面において、第１の線状欠陥部１４の中心を通り、互いに直交する２つの直線をｘ軸とｙ軸とする。また、ｘｙ断面において、導波路領域１１５の第１の線状欠陥部１４の中心とモード変換領域１１３のテーパー状の線状欠陥部１３の中心の位置は互いに一致している。
【０１３８】
フォトニック結晶基本構造１０１，１０２，１０２’はそれぞれ、フォトニック結晶単位構造１００を全て同じ向きに向け、各面が接するように配列することで形成され、完全フォトニックバンドギャップを有する。フォトニック結晶単位構造１００は、実施例１の図４（ａ），（ｂ）およびと表１に示した構造と同じ構造を有する。柱状構造が延びる方向をｘ’軸方向およびｚ’軸方向とし、積層方向をｙ’軸方向とする。ｘ’ｙ’断面は、ｙ’軸に平行な少なくとも１つの直線に関して鏡映対称で、ｘ’軸に平行な任意の直線に関して鏡映対称ではない構造を有する。
【０１３９】
導波路領域１１５に含まれるフォトニック結晶基本構造１０１は、ｘ，ｙおよびｚ軸方向がそれぞれ、フォトニック結晶単位構造１００のｘ’，ｙ’およびｚ’軸方向と一致するようにフォトニック結晶単位構造１００を配列することで形成されている。
【０１４０】
導波路領域１１５は、フォトニック結晶構造１０１の内部に、ｚ軸方向に延びる第１の線状欠陥部１４と、該第１の線状欠陥部１４とは異なる層に位置し、ｚ軸方向に延びる柱状構造の一部を変形させることによって形成した第２の線状欠陥部１５〜１８とを含む。フォトニック結晶基本構造１０１は、フォトニック結晶単位構造１００をｘ，ｙおよびｚ方向に同じ向きに向け、各面が接するように配列した構造を有し、完全フォトニックバンドギャップを有する。
【０１４１】
導波路領域１１５を図２３（ａ）〜（ｄ）に示す。本実施例では、ｚ軸方向に延びる柱状構造の幅を０．２０Ｐとした第２の線状欠陥部１５〜１８を含む構造について示している。導波路領域１１５の詳細な構造パラメータを表５に示す。欠陥部幅とは、それぞれの線状欠陥部１４〜１５の各層内でのｘ軸方向での寸法を示し、表５および図２３（ａ）では１４ｗ〜１８ｗと記している。また、欠陥部高さとは、線状欠陥部１４〜１５の積層方向での寸法を示し、表５および図２３（ａ）には１４ｈ〜１８ｈと記している。
【０１４２】
【表５】
0005451367.tif 000006
【０１４３】
本実施例において、外部領域１０６は、実施例１，２と同様に、一様な屈折率１．０を有する。
【０１４４】
導波路領域１１５は、ｘｙ断面において、ｙ軸に関して鏡映対称で、ｚ軸に関して鏡映対称ではない構造を有する。モード変換領域１１３は、ｘｙ断面において、ｘ軸とｙ軸の２軸に関して鏡映対称な構造を有する。
【０１４５】
導波路領域１１５を伝搬する光の導波モードを、「導波モード６」とする。また、外部領域１０６を伝搬する光の導波モードを、実施例１，２と同様に、「導波モード２」とし、モード変換領域１１３を伝搬する光の導波モードを、実施例２と同様に、「導波モード５」とする。
【０１４６】
図２２に示す３次元フォトニック結晶Ｄにおいて、導波路領域１１５を伝搬した光は、界面１０５でモード変換領域１１３を伝搬する光に変換される。モード変換領域１１３を伝播した光は、界面１０７において外部領域１０６を伝搬する光に変換されて外部領域１０６に射出される。
【０１４７】
外部領域１０６を伝搬する光の波長をλとするとき、モード変換領域１１３と外部領域１０６の界面１０７から＋ｚ方向に３λだけ離れた位置におけるｘｙ断面を、ｘｙ断面Ａとする。
【０１４８】
図２４（ａ）は、導波路領域１１５とモード変換領域１１３を含む３次元フォトニック結晶Ｄから外部領域１０６に射出された光のｘｙ断面Ａでの電場強度分布を計算した結果を示す。図２４（ｂ）は、図２４（ａ）のｘ＝０におけるｙ軸方向の電場強度分布を示しており、縦軸は最大値で規格化した電場強度を、横軸はｙ軸の座標をそれぞれ表している。電場強度分布は有限差分時間領域（ＦＤＴＤ）法を用いて計算した。
【０１４９】
図２４（ａ），（ｂ）より、導波路領域１１５とモード変換領域１１３を含む３次元フォトニック結晶Ｄから外部領域１０６に射出された光の導波モードパターンは、ｘ軸とｙ軸の２つの軸に関して鏡映対称となるような高い対称性を有していることがわかる。
【０１５０】
ここで比較のため、モード変換領域の構造がｘ軸に関して鏡映対称ではない場合の電場強度分布の計算結果を以下に示す。図２５（ａ）に、導波路領域１１５とｙ軸に関して鏡映対称であり、ｘ軸に関して鏡映対称ではないモード変換領域１１４を含む３次元フォトニック結晶のｙｚ断面を示す。モード変換領域１１４は、実施例２の図２２で示した構造と同じ構造を有する。
【０１５１】
図２６（ａ）には、導波路領域１１５とモード変換領域１１４を含む３次元フォトニック結晶Ｄから射出された光のｘｙ断面Ａにおける電場強度分布を示す。図２６（ｂ）は図２６（ａ）のｘ＝０におけるｙ軸方向の電場強度分布を示しており、縦軸は最大値で規格化した電場強度を、横軸はｙ軸の座標をそれぞれ表している。
【０１５２】
図２４（ａ），（ｂ）と図２６（ａ），（ｂ）を比較すると、ｘ軸とｙ軸の２軸に関して鏡映対称な構造を有するモード変換領域１１３から射出された光の電場強度分布（図２４（ａ），（ｂ））の方が対称性が高い形状になっていることがわかる。
ｘ軸とｙ軸の２軸に関して鏡映対称な構造のモード変換領域を用いることで、射出された光の導波モードパターンの対称性が向上する理由は、実施例１で示した理由と同じである。
【０１５３】
導波路領域１１５とモード変換領域１１３との界面１０５において界面１０５のｘｙ断面を伝搬する導波モード４が存在するが、本実施例では、導波モード６が導波モード４に変換されないように導波路領域１１５とモード変換領域１１３を接続している。
【０１５４】
導波モード６の光が、導波モード４の光が伝搬する周波数帯域とは異なる周波数で伝搬していれば、導波モード６の光は導波モード４に変換されずに、モード変換領域１１３の導波モード５の光に変換される。
【０１５５】
導波モード６の光の周波数が導波モード４の光が伝搬する周波数帯域に含まれていても、導波モード４と同じ周波数で同じ偏光成分を持つ導波モードが存在しないように導波路領域１１５とモード変換領域１１３を接続すればよい。これにより、導波モード６の光は、導波モード４の光に変換されない。同じ偏光成分がないモード同士は結合しないため、導波モード６の光が界面１０５に達したとき、該光は界面１０５の導波モード４の光に変換されずに、モード変換領域１１３の導波モード５の光に、損失なく高効率に変換される。
【０１５６】
このように、本実施例では、互いに直交する２軸に関して鏡映対称な構造のモード変換領域１１３を含む３次元フォトニック結晶Ｂを用いることにより、高い対称性を有する導波モードパターンの光を射出することができる。また、本実施例では、上述した構造の導波路領域を用いることにより、単一の導波モードの光を伝搬させることができる。
【０１５７】
なお、導波路を構成する線状欠陥部１５〜１８は、柱状構造の一部を変位させることによって形成してもよい。
【実施例４】
【０１５８】
以下、上記実施例１〜３にて説明した３次元フォトニック結晶を用いた、本発明の実施例４であるフォトニック結晶発光素子について説明する。本実施例のフォトニック結晶発光素子は、実施例１〜３で説明した３次元フォトニック結晶基本構造の内部に、点状欠陥部を形成することで設けられた共振器と、線状欠陥部で構成された導波路およびモード変換構造とが設けられた構造を有する。
【０１５９】
点状欠陥部は、形状、媒質を最適化することによって、完全フォトニックバンドギャップ内の所望の周波数において共振モードを有する共振器として機能させることができる。発光スペクトルに共振波長が含まれる発光媒質（利得媒質）を上記共振器の内部に配置し、この発光媒質に対して外部から電磁波や電流等でエネルギーを供給することによってこれを励起して光を発生させる。発光媒質から発生した光は、共振器内で増幅される。
【０１６０】
このような点欠陥共振器の近傍に、共振器の共振モードが有する周波数において導波モードを有する導波路を配置すると、共振器の内部で発生し、増幅された光は、導波路が有する導波モードで伝播する光と結合し、共振器の外に抽出される。抽出された光は、導波路およびモード変換構造が有する導波モードでこれらを伝播する。これにより、効率の高いレーザやＬＥＤ等の発光素子を実現することができる。
【０１６１】
図２７には、本実施例のフォトニック結晶発光素子の構造を示している。図２７には、実施例１〜３にて説明した３次元フォトニック結晶のうち代表として実施例２（図１７）に示した３次元フォトニック結晶に、共振器、電極およびキャリア伝導路を設けた構造を有する。
【０１６２】
導波路領域１０３の線状欠陥部１０が延びる方向をｚ軸方向とし、ｘｙ断面において線状欠陥部１０の中心を通り、互いに直交する２つの直線をｘ軸およびｙ軸とする。
【０１６３】
フォトニック結晶単位構造１００は、実施例１において図４に示した構造を有し、該フォトニック結晶単位構造１００を同じ向きに向けて、各面が接するようにｘ，ｙおよびｚ軸方向に配列した構造は、完全フォトニックバンドギャップを有する。
【０１６４】
図２７に示す発光素子は、３次元フォトニック結晶基本構造１０１中に点欠陥部１９を設けることにより形成された共振器１１６と、ｐ型電極１１７と、ｐ型キャリア伝導路１１８と、ｎ型電極１１９と、ｎ型キャリア伝導路１２０とを有する。
【０１６５】
共振器１１６の内部には、キャリア注入により発光作用を呈する活性部が形成されている。ｐ型電極１１７およびｐ型キャリア伝導路１１８を介して共振器１１６に正孔が供給され、ｎ型電極１１９およびｎ型キャリア伝導路１２０を介して共振器１１６に電子が供給される。供給された正孔と電子は共振器１１６の内部で結合して発光し、レーザ発振する。
【０１６６】
導波路領域１０３は、実施例１の図８（ａ）〜（ｃ）で示した構造と同じ構造を有し、ｘｙ断面においてｙ軸に関して鏡映対称で、ｘ軸に関して鏡映対称ではない構造を有する。また、導波路領域１０３は、共振器１１６の共振モードが有する周波数において導波モードを有している。導波路領域１０３を共振器１１６に対して適切な位置に配置することにより、共振器１１６の共振モードで存在する光を、導波路が有する導波モードで伝播する光に効率良く変換することができる。
【０１６７】
導波路領域１０３とモード変換領域１１３は、界面１０５で接続されている。モード変換領域１１３は、実施例２の図１８（ａ）〜（ｃ）で示した構造と同じ構造を有し、ｘｙ断面においてｘ軸とｙ軸の２軸に関して鏡映対称な構造を有する。
【０１６８】
また、モード変換領域１１３の端部は、界面１０７にて外部領域１０６と接している。
【０１６９】
実施例２と同様に、導波路領域１０３を伝搬する光の導波モードを「導波モード１」とし、外部領域１０６を伝搬する光の導波モードを「導波モード２」とする。モード変換領域１１３を伝搬する光の導波モードを「導波モード５」とする。
【０１７０】
導波路領域１０３とモード変換領域１１３の界面１０５において、界面１０５のｘｙ断面を伝搬する導波モード４が存在する。しかし、本実施例においても、導波モード４のうち導波モード１と同周波数で同じ偏光成分を持つような導波モードが存在しないように導波路領域１０３とモード変換領域１１３を接続している。
【０１７１】
このようなフォトニック結晶発光素子において、共振器１１６で発生し、増幅された光は、導波路領域１０３が有する導波モードで伝播する光に変換され、導波路領域１０３を伝搬する。そして、界面１０５でモード変換領域１１３を伝搬する光に変換される。モード変換領域１１３を伝播した光は、界面１０７において外部領域１０６を伝搬する光に変換されて外部領域１０６に射出される。
【０１７２】
先の実施例でも説明したように、本実施例では、ｘｙ断面においてｘ軸とｙ軸の２軸に関して鏡映対称な構造のモード変換領域１１３を用いることで、外部領域１０６へ高い対称性を有する導波モードパターンの光を射出することができる。そして、高い対称性を有する導波モードパターンを持つ光を外部領域１０６に射出することができることで、高性能なレーザーデバイスを実現することができる。
【０１７３】
以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１７４】
外部領域に高い効率で光を伝播させることができる３次元フォトニック結晶および発光素子を提供できる。
【符号の説明】
【０１７５】
１００  フォトニック結晶単位構造
１０１  （第１の）フォトニック結晶基本構造
１０２  （第２の）フォトニック結晶基本構造
１０２’  （第３の）フォトニック結晶基本構造
１０３  導波路領域
１０４  モード変換領域
１０６  外部領域
【図１】
0005451367.tif 000007
【図２】
0005451367.tif 000008
【図３】
0005451367.tif 000009
【図４】
0005451367.tif 000010
【図５】
0005451367.tif 000011
【図６】
0005451367.tif 000012
【図７】
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【図８】
0005451367.tif 000014
【図９】
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【図１０】
0005451367.tif 000016
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
0005451367.tif 000019
【図１４】
0005451367.tif 000020
【図１５】
0005451367.tif 000021
【図１６】
0005451367.tif 000022
【図１７】
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【図１８】
0005451367.tif 000024
【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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