(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
屈折率がぼぼ同等で使用光波長帯に対して透過率の高いＰ型熱電半導体およびＮ型熱電半導体とこれら熱電半導体の間に介在して熱電半導体とは屈折率が異なり使用光波長帯に対して透過率の高い電気絶縁性材料とを周期的に２次元に配列して熱電変換素子を形成すると共にフォトニック結晶素子を形成したことを特徴とする２次元フォトニック結晶。
【請求項２】
請求項１に記載される２次元フォトニック結晶おいて、
Ｐ型熱電半導体の柱とＮ型熱電半導体の柱とをマトリックス中に交互に周期的に平行に配列し、Ｐ型半導体の柱とＮ型半導体の柱のペアより成る熱電対を一方の端部において直列に電気接続し、これら熱電対同志を他方の端部において直列に電気接続したことを特徴とする２次元フォトニック結晶。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、２次元フォトニック結晶に関し、特に、熱電変換素子として動作すると共にフォトニック結晶素子として動作する２次元フォトニック結晶に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来例を図を参照して説明する。
図３（ａ）は相異なる屈折率ｎ１  の媒質および屈折率ｎ２  の媒質を交互に１次元周期配列して構成したフォトニック結晶である。図３（ｂ）は相異なる屈折率ｎ１  の媒質および屈折率ｎ２  の媒質を交互に２次元周期配列して構成したフォトニック結晶である。図３（ｃ）は相異なる屈折率ｎ１  の媒質および屈折率ｎ２  の媒質を交互に３次元周期で配列構成したフォトニック結晶である。図３（ｄ）は基板表面に形成された擬２次元（スラブ型）フォトニック結晶である。
【０００３】
図３を参照するに、屈折率が大きく異なる２種類の透明な媒質を光波長程度の周期で規則正しく交互に配置した人工結晶をフォトニック結晶という。
周期構造、屈折率比が特定の条件を満足するフォトニック結晶においては、或る周波数範囲の光が一切伝播することができないという現象が生起する。この周波数範囲をフォトニックバンドギャップという。フォトニック結晶には、このフォトニックバンドギャップ現象の他に、大きな分散、偏光依存性その他の異方性が見い出され、これらの現象を利用した光学素子への応用が期待されている。特に、光通信に利用される近赤外波長域に対応するフォトニック結晶光学素子の開発は盛んに進められている。このフォトニック結晶光学素子は高屈折率側をシリコン、ＧａＡｓ、ＩｎＰその他の半導体により構成し、低屈折率側を空気、ガラスにより構成している。（日経エレクトロニクス（ｎｏ．  ７３０  ｐ．  ５７〜６３）  １９９８．  １１．  １６。応用物理  第６８巻  第１２号（１９９９）  参照）。
【０００４】
一般に、特性が温度により敏感に変化する光学素子は、安定動作を実現するには、温度調節装置を具備する必要がある。これらの光学素子の温度調節は、一般に、ペルチェ素子と呼ばれる熱電変換素子を使用して行われている。近年、フォトニック結晶構造を部分的に含んだ光学素子が開発製造されるに到ったが、この様な光学素子と熱電変換素子は別々の工程で製造され、後でフォトニック結晶構造を部分的に含んだ光学素子に熱電変換素子を組み合わせ結合して光学素子全体の冷却を実施している。
【０００５】
図４（ａ）を参照してペルチェ素子を説明するに、これは並列に配列されたＰ型半導体１とＮ型半導体２のペアより成る熱電対を一方の端部において共通電極３０により直列に電気接続し、他方の端部からＰ型半導体電極１１とＮ型半導体電極２１を介して電流を流すことにより、一方の端部に形成した基板より成る第１の熱伝導部４おいて吸熱（冷却）効果が生起すると共に、他方の端部に形成した基板より成る第２の熱伝導部５において放熱（加熱）効果が生起する素子である。ところで、図４（ｂ）を参照するに、第１の熱伝導部４を高温部４’とすると共に第２の熱伝導部５を低温部５’として、熱電対の一方の端部と他方の端部の間に温度差を与えることにより、熱起電力が生起してこれを取り出す熱発電素子とすることもできる。実用化されているペルチェ素子を図４（ｃ）に示すと、多数の熱電対が電気的に直列に接続し、温度差の方向には平行に並列して配列された構造を採用している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ビスマステルルＢｉ２  Ｔｅ３  より成る従来の熱電変換素子は冷却効率が良好であるとは言い難く、これによりフォトニック結晶構造を部分的に含む光学素子の冷却をしようとすると、光学素子自体の外形寸法と比較してかなり大きい外形寸法の冷却装置となる。そして、この熱電変換素子は消費電力が大きいので集積化が困難であるという問題があった。また、上述した通り、光学素子と熱電変換素子は別々の素子として完成された状態で組み合わされるので、冷却或いは加熱を行うべき正味の光学素子部分以外の、保護部分およびパッケージを含む熱容量の大なる構造部材をも併せて冷却或いは加熱することになり、熱損失が大きいという問題があった。更に、フォトニック結晶構造を部分的に含む光学素子および熱電変換素子は別個の素子であって、それぞれの製造コストが高いという問題もあった。
【０００７】
この発明は、熱電変換素子として動作すると共にフォトニック結晶素子として動作する上述の問題を解消した２次元フォトニック結晶を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１：屈折率がぼぼ同等で使用光波長帯に対して透過率の高いＰ型熱電半導体１’およびＮ型熱電半導体２’と、これら熱電半導体の間に介在して熱電半導体とは屈折率が異なり使用光波長帯に対して透過率の高い電気絶縁性材料とを周期的に２次元に配列して熱電変換素子を形成すると共にフォトニック結晶素子を形成した２次元フォトニック結晶を構成した。
そして、請求項２：請求項１に記載される２次元フォトニック結晶おいて、Ｐ型熱電半導体１’の柱とＮ型熱電半導体２’の柱とを屈折率の異なるマトリックス中に交互に周期的に平行に配列し、Ｐ型半導体１の柱とＮ型半導体２の柱のペアより成る熱電対を一方の端部において直列に電気接続し、これら熱電対同志を他方の端部において直列に電気接続したことを特徴とする２次元フォトニック結晶を構成した。
【０００９】
【発明の実施の形態】
フォトニック結晶素子として動作すると共に熱電変換素子としても動作する２次元フォトニック結晶を構成するに、屈折率の等しいＮ型熱電半導体およびＰ型熱電半導体を屈折率の異なるマトリックス中に２次元周期配列した構造を構成して、これら熱電半導体は利用波長帯で透明であり、電流を流入せしめるリード線を具備する。
この発明の実施の形態を図１の実施例を参照して説明する。
【００１０】
第２の熱伝導部５の表面には、同じ屈折率を有するＰ型熱電半導体１’の柱とＮ型熱電半導体２’の柱が、マトリックス（この場合は空気）中に交互に周期的に平行に配列されて、擬２次元（スラブ型）フォトニック結晶素子を構成している。このフォトニック結晶素子は高屈折率側はＰ型熱電半導体１’の柱とＮ型熱電半導体２’の柱により構成され、低屈折率側は空気により構成されている。第２の熱伝導部５を構成する基板は電気絶縁性材料により構成するか、或は表面を電気絶縁性物質により被覆した電気伝導性の基板により構成され、表面には相互接続されるべきＰ型熱電半導体１’の柱とＮ型熱電半導体２’の柱の立設されるところに対応して第２の共通電極３１を予め形成しておく。Ｐ型熱電半導体１’の柱とＮ型熱電半導体２’の柱は上側の一方の端部において極く薄い共通電極３０により直列に電気接続せしめられる。第１の熱伝導部４を構成する基板も、電気絶縁性材料により形成するか、或いは表面を電気絶縁性物質により被覆した電気伝導性の基板より成る。左下隅の熱電対のＮ型熱電半導体２’の柱には、他方のリード線６２が接続すると共に、左上隅の熱電対のＰ型熱電半導体の柱１には一方のリード線６１が接続し、これらリード線を介して外部電源６から給電される。以上の構成部材全体として擬２次元フォトニック結晶１０を構成している。
【００１１】
ここで、Ｐ型熱電半導体１’の柱とＮ型熱電半導体２’の柱の配列周期は使用される電磁波の波長に対応して設定されるが、光波長領域であればサブマイクロメートルのオーダーになり、テラヘルツ電磁波の領域であればミリメートルのオーダーになる。Ｐ型熱電半導体１’の柱とＮ型熱電半導体２’の柱を構成する半導体材料としては、１．  ５μｍの近赤外光の場合、バンドギャップエネルギーが０．  ８３ｅＶより大きく透明であり、屈折率および熱電性能指数が高い材料である必要がある。これまでに実用化されている代表的な熱電材料の内で室温領域で最も高い性能を示すＢｉ２  Ｔｅ３  は、エネルギーバンドギャップが０．  １３ｅＶと小さいので利用することができない。ＳｉとＳｉ−Ｇｅ混晶の超格子、ＩｎＧａＡｓＰの如きＩＩＩ  −Ｖ族の化合物半導体の超格子は以上の条件を満足する次世代材料として有望視されており、この発明はこれらを使用して実施することができる。
【００１２】
以上の擬２次元フォトニック結晶１０は、リード線６１、６２を介してＰ型熱電半導体１’の柱とＮ型熱電半導体２’の柱に外部電源６により電流を流入せしめられるか、或いは第１の熱伝導部４と第２の熱伝導部５に温度差を与えて生成する電流をリード線６１、６２を介して外部接続される抵抗６’に流出せしめる熱電変換素子として動作すると共に、フォトニック結晶として動作する。
図２を参照して図１の擬２次元フォトニック結晶１０に光学素子７を組み込んだところを説明する。この発明の擬２次元フォトニック結晶１０の第１の熱伝導部４には非線形光学素子、レーザの如き光学素子７が取り付けられる。擬２次元フォトニック結晶１０を熱電半導体により構成することにより、レーザ発振の閾値の低減、非線形光学効果を生起し易くすると共に、これらの光学素子７の温度調節をも擬２次元フォトニック結晶１０が行なうことにより光学素子７の機能を安定して発現させることができる。即ち、２次元フォトニック結晶においては、フォトニックバンド構造が平坦化して群速度が小さい電磁波のモードが現れる。これにより物質と電磁波の相互作用時間が長くなり、レーザ発振および非線形光学効果が生起し易くなることが報告されている。実際に、擬２次元フォトニック結晶を有する面発光レーザにおいてフォトニック結晶の効果に起因すると思われる大面積に亘るコヒーレントレーザ発振が報告されている（Ｍ．Ｉｎａｄａ，Ｓ．Ｎｏｄａ，Ａ．Ｃｈｕｔｉｎａｎ，Ｔ．Ｔｏｋｕｄａ，Ｍ．Ｍｕｒａｔａ  ａｎｄ  Ｇ．Ｓａｓａｋｉ  Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７５（１９９９）３１６．  参照）。
【００１３】
なお、Ｐ型熱電半導体１’の柱とＮ型熱電半導体２’の柱を電気接続する共通電極３０と第１の熱伝導部４は、擬２次元フォトニック結晶１０の欠陥部分として働いてフォトニック結晶素子の効果を損なう恐れがあるので、両者を合計した厚さＬは小さく設計することが望ましい。
【００１４】
【発明の効果】
以上の通りであって、この発明によれば、熱電変換素子として動作すると共にフォトニック結晶素子として動作する２次元フォトニック結晶を構成することにより、温度に敏感でフォトニック結晶効果を必要とする光学素子の諸特性を全体として１個の素子で安定して発現させることができる。そして、フォトニック結晶素子と熱電変換素子とを各別に製造して両者を組み合わせて光学素子を熱電変換素子により温度調節する場合と比較し、全体の外形寸法を小型化することができる。具体的には、擬２次元フォトニック結晶１０を熱電半導体により構成し、これにレーザ或いは非線形光学素子の如き光学素子を組み込むことにより、レーザ発振の閾値の低減、非線形光学効果を生起し易くすると共に、この光学素子の温度調節を擬２次元フォトニック結晶１０自身が行なうことによりその動作特性を安定化することができる。更に、レーザの如き光電子素子は動作状態において多量の熱を発生するが、この熱を再利用して熱発電を行い、閾値低減の効果と合せて従来の光電子素子と比較して低消費電力型の光電子素子を構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例を説明する斜視図。
【図２】２次元フォトニック結晶に光学素子を組み込んだところを説明する図。
【図３】フォトニック結晶素子を説明する図。
【図４】熱電変換素子を説明する図。
【符号の説明】
１  Ｐ型半導体
１’Ｐ型熱電半導体
１０  擬２次元フォトニック結晶
１１  電極
２  Ｎ型半導体
２’Ｎ型熱電半導体
２１  電極
３０  共通電極
３１  第２の共通電極
４  第１の熱伝導部
４’高温部
５  第２の熱伝導部
５’低温部
６  外部電源
６’抵抗
６１  一方のリード線
６２  他方のリード線
７  光学素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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