(57)【要約】【課題】  大面積かつ低コストが要求されるデバイスにも適用可能な非相反デバイスおよびこれを用いた光電変換装置を提供する。【解決手段】  １次元フォトニック結晶部１０１は、異なる誘電物質の層をおおよそλ／４の膜厚で交互に積み重ねたものであり、垂直に入射する波長λの電磁波を反射する。３次元フォトニック結晶部１０２は、３次元フォトニック結晶に孔を設けた構造を有する。当該孔は、１次元フォトニック結晶部１０１の積層方向に垂直な方向に設けられている。１次元フォトニック結晶部１０１は、垂直に入射する電磁波Ｐ１０を反射するが、斜めに入射する電磁波Ｐ１１を透過する。３次元フォトニック結晶部１０２側から入射する電磁波Ｐ２０，Ｐ２１は、垂直に入射する場合であっても斜めに入射する場合であっても、一定の波長λであれば全て反射される。【選択図】        図１
2006330284.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
異なる誘電物質の層を交互に積み重ねた第１の１次元フォトニック結晶部と、
前記第１の１次元フォトニック結晶部と隣接して配置され、前記第１の１次元フォトニック結晶部の積層方向に垂直な方向に孔部が設けられた第１の３次元フォトニック結晶部とを備える、非相反デバイス。
【請求項２】
前記第１の３次元フォトニック結晶部を挟んで前記第１の１次元フォトニック結晶部の反対側に配置された第２の１次元フォトニック結晶部をさらに備える、請求項１に記載の非相反デバイス。
【請求項３】
前記第１の３次元フォトニック結晶部を挟んで前記第１の１次元フォトニック結晶部の反対側に配置された第２の３次元フォトニック結晶部をさらに備える、請求項１に記載の非相反デバイス。
【請求項４】
前記第１の３次元フォトニック結晶部を挟んで前記第１の１次元フォトニック結晶部の反対側に配置され、前記第１の１次元フォトニック結晶部の積層方向に垂直な方向に孔部が設けられた第２の３次元フォトニック結晶部と、
前記第１および前記第２の３次元フォトニック結晶部を挟んで前記第１の１次元フォトニック結晶部の反対側に前記第１の１次元フォトニック結晶部と平行に配置された第２の１次元フォトニック結晶部とをさらに備える、請求項１に記載の非相反デバイス。
【請求項５】
前記非相反デバイスに入射した電磁波を内側に反射させる反射部をさらに備える、請求項２〜４のいずれかに記載の非相反デバイス。
【請求項６】
前記反射部は、金属である、請求項５に記載の非相反デバイス。
【請求項７】
前記反射部は、３次元フォトニック結晶である、請求項５に記載の非相反デバイス。
【請求項８】
前記孔部の直径は、前記非相反デバイスに入射する電磁波の波長の１／２である、請求項１〜７のいずれかに記載の非相反デバイス。
【請求項９】
異なる誘電物質の層を交互に積み重ねた第１の１次元フォトニック結晶部と、
前記第１の１次元フォトニック結晶部と隣接して配置され、前記第１の１次元フォトニック結晶部の積層方向に垂直な方向に孔部が設けられた第１の３次元フォトニック結晶部と、
前記孔部の出射口から出射される光を電気に変換する光電変換素子とを備える、光電変換装置。
【請求項１０】
異なる誘電物質の層を交互に積み重ねた第１の１次元フォトニック結晶部と、
前記第１の１次元フォトニック結晶部と隣接して配置され、前記第１の１次元フォトニック結晶部の積層方向に垂直な方向に孔部が設けられた第１の３次元フォトニック結晶部と、
前記第１の３次元フォトニック結晶部を挟んで前記第１の１次元フォトニック結晶部の反対側に配置され、光を電気に変換する光電変換素子とを備える、光電変換装置。
【請求項１１】
前記第１の３次元フォトニック結晶部および前記光電変換素子を挟んで前記第１の１次元フォトニック結晶部の反対側に配置された第２の１次元フォトニック結晶部をさらに備える、請求項１０に記載の光電変換装置。
【請求項１２】
前記第１の３次元フォトニック結晶部および前記光電変換素子を挟んで前記第１の１次元フォトニック結晶部の反対側に配置された第２の３次元フォトニック結晶部をさらに備える、請求項１０に記載の光電変換装置。
【請求項１３】
前記第１の３次元フォトニック結晶部および前記光電変換素子を挟んで前記第１の１次元フォトニック結晶部の反対側に配置され、前記第１の１次元フォトニック結晶部の積層方向に垂直な方向に孔部が設けられた第２の３次元フォトニック結晶部と、
前記第１および前記第２の３次元フォトニック結晶部ならびに前記光電変換素子を挟んで前記第１の１次元フォトニック結晶部の反対側に前記第１の１次元フォトニック結晶部と平行に配置された第２の１次元フォトニック結晶部とをさらに備える、請求項１０に記載の光電変換装置。
【請求項１４】
前記光電変換装置に入射した電磁波を内側に反射させる反射部をさらに備える、請求項１０〜１３のいずれかに記載の光電変換装置。
【請求項１５】
前記反射部は、金属である、請求項１４に記載の光電変換装置。
【請求項１６】
前記反射部は、３次元フォトニック結晶である、請求項１４に記載の光電変換装置。
【請求項１７】
前記孔部の直径は、前記光電変換装置に入射する光の波長の１／２である、請求項９〜１６のいずれかに記載の光電変換装置。
【請求項１８】
前記光電変換素子は、太陽電池である、請求項９〜１７のいずれかに記載の光電変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、非相反デバイスおよび光電変換装置に関し、特に、電磁波を効率的に閉じ込めるための非相反デバイスおよびこれを用いた光電変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光を装置内に入射し、その光に対して光−光変換、光電変換等を行なう場合を考える。この場合、装置内に取り込んだ光を外部に逃がすことなく内部に閉じ込めることにより、上記の各変換の効率を高めることができる。一度入射した光が外部に逃げないようにするには、装置内に入射する光の閉じ込めが重要である。特許文献１は、全反射を利用した光の閉じ込めについて開示しており、以下では簡単に説明する。
【０００３】
図１０は、従来の光閉じ込め構造１０００を概略的に示した斜視図である。
図１０を参照して、光閉じ込め構造１０００は、シリコン基板５０３と、ピラミッド５１１と、Ｖ溝５１３と、反射鏡５１４とを含む。シリコン基板５０３は、表面に光の波長以下の微小なピラミッド５１１が複数配列されている。ピラミッド５１１の寸法は、入射する光が可視光であった場合、１μｍ以下となる。ピラミッド５１１は、エッチング加工、化学気層成長法などによるＩＴＯ（酸化インジウムスズ）、ＺｎＯ2（酸化亜鉛）等の堆積によって形成される。
【０００４】
光の波長以下の微小なピラミッド５１１を複数配列することにより、光閉じ込め構造１０００へ入射する光は、外部からシリコン基板５０３の表面に向かうにつれて、感じる屈折率が徐々に大きくなる。シリコン基板５０３の裏面には、繰り返し幅が２μｍのＶ溝５１３が形成されている。Ｖ溝５１３には、反射鏡５１４が設けられている。
【０００５】
一般に、光は、高屈折率層から低屈折率層へ入射する場合、入射角が臨界角より大きくなると全反射することが知られている。図１０の光閉じ込め構造１０００は、この全反射現象を利用している。
【０００６】
シリコン基板５０３のピラミッド５１１側から入射する光は、裏面の反射鏡５１４で反射される。当該反射された光は、シリコン基板５０３の表面の低屈折率層へ臨界角以上の角度で入射した場合に全反射される。当該全反射された光は、再び裏面の反射鏡５１４へ進んで反射される。このように、図１０の光閉じ込め構造１０００は、光の全反射を利用して光を閉じ込めようとしている。
【０００７】
光を閉じ込めるには、全反射以外にも、たとえば光非相反効果を用いる方法がある。特許文献２は、光非相反効果を実現するデバイスについて開示しており、以下では簡単に説明する。
【０００８】
図１１は、従来の光非相反デバイス２０００の構成を示した側面図である。
図１１を参照して、光非相反デバイス２０００は、吸収型の第１偏光子５２１と、偏光面を４５度回転するファラデー回転子５２２と、反射型の第２偏光子５２３と、磁石５２４ａ，５２４ｂとを備える。ファラデー回転子５２２は、磁性ガーネット単結晶により構成されている。反射型の第２偏光子５２３は、ファラデー回転子５２２上に形成されたフォトニック結晶によって形成される。
【０００９】
光非相反デバイス２０００は、順方向からの入射光ＰＬ１に対して、第１偏光子５２１と、ファラデー回転子５２２と、第２偏光子５２３とを、この順に並べて配置している。第１偏光子５２１と第２偏光子５２３との透過偏光方向は、互いに４５度の角度となるように設定されている。ファラデー回転子５２２は、磁石５２４ａ，５２４ｂによって磁界が印加されている。磁石５２４ａ，５２４ｂは、永久磁石または電磁石である。
【００１０】
光非相反デバイス２０００は、入射光ＰＬ１と入射光ＰＬ２との入射方向の違いから、以下に説明するような光非相反効果を有する。
【００１１】
順方向からの入射光ＰＬ１は、吸収型の第１偏光子５２１によって、ある所定の偏光面のみが通過し、それ以外は吸収される。第１偏光子５２１を通過した入射光ＰＬ１は、ファラデー回転子５２２によって偏光面が４５度回転させられる。ファラデー回転子５２２を通過した入射光ＰＬ１は、第２偏光子５２３によって、第１偏光子５２１から４５度ずれた角度の偏光面のみが通過する。ファラデー回転子５２２を通過した入射光ＰＬ１は、偏光面が第２偏光子５２３の偏光面の方向に４５度回転しているため、第２偏光子５２３をそのまま透過する。
【００１２】
逆方向からの入射光ＰＬ２は、反射型の第２偏光子５２３によって、ある所定の偏光面のみが通過し、それ以外は反射される。第２偏光子５２３を通過した入射光ＰＬ２は、ファラデー回転子５２２によって偏光面が４５度回転させられる。ファラデー回転子５２２を通過した入射光ＰＬ２は、第１偏光子５２１によって、第２偏光子５２３から４５度ずれた角度の偏光面のみが通過する。ファラデー回転子５２２を通過した入射光ＰＬ２は、偏光面が第１偏光子５２１の偏光面とは逆方向に４５度回転しているため、第１偏光子５２１で吸収される。
【特許文献１】特開平６−２４４４４４号公報
【特許文献２】特開２００３−１７２９０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
図１０の光閉じ込め構造１０００は、シリコン基板５０３側から入射する光が裏面の反射鏡５１４と表面の低屈折率層との間の反射を数回繰り返すうち、臨界角の条件を満たさなくなる。臨界角の条件を満たさなくなった光は、表面の低屈折率層で全反射せず、ピラミッド５１１側から外へ逃げてしまう。すなわち、光閉じ込め構造１０００は、実質的には光を閉じ込めることができていない。
【００１４】
図１１の光非相反デバイス２０００は、確かに光非相反効果を実現できており、光の閉じ込めにも利用できるかもしれない。しかしながら、光非相反デバイス２０００は、磁性ガーネット単結晶により構成されるファラデー回転子５２２、およびファラデー回転子５２２を機能させるための磁石５２４ａ，５２４ｂが必要となる。
【００１５】
これらファラデー回転子５２２および磁石５２４ａ，５２４ｂを備えた光非相反デバイス２０００は、重量が重く、厚さも厚くなる。そのため、光非相反デバイス２０００は、光電変換装置の一種である太陽電池のような大面積かつ低コストが要求されるデバイスには適用することができない。さらに、光非相反デバイス２０００は、入射光の所定の偏光成分のみを利用しているため、太陽電池のようなデバイスに適用しようとすると光の利用効率が低くなってしまう。
【００１６】
それゆえに、この発明の目的は、大面積かつ低コストが要求されるデバイスにも適用可能な非相反デバイスおよびこれを用いた光電変換装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
この発明のある局面による非相反デバイスは、異なる誘電物質の層を交互に積み重ねた第１の１次元フォトニック結晶部と、第１の１次元フォトニック結晶部と隣接して配置され、第１の１次元フォトニック結晶部の積層方向に垂直な方向に孔部が設けられた第１の３次元フォトニック結晶部とを備える。
【００１８】
好ましくは、第１の３次元フォトニック結晶部を挟んで第１の１次元フォトニック結晶部の反対側に配置された第２の１次元フォトニック結晶部をさらに備える。
【００１９】
好ましくは、第１の３次元フォトニック結晶部を挟んで第１の１次元フォトニック結晶部の反対側に配置された第２の３次元フォトニック結晶部をさらに備える。
【００２０】
好ましくは、第１の３次元フォトニック結晶部を挟んで第１の１次元フォトニック結晶部の反対側に配置され、第１の１次元フォトニック結晶部の積層方向に垂直な方向に孔部が設けられた第２の３次元フォトニック結晶部と、第１および第２の３次元フォトニック結晶部を挟んで第１の１次元フォトニック結晶部の反対側に第１の１次元フォトニック結晶部と平行に配置された第２の１次元フォトニック結晶部とをさらに備える。
【００２１】
好ましくは、非相反デバイスに入射した電磁波を内側に反射させる反射部をさらに備える。
【００２２】
好ましくは、反射部は、金属である。
好ましくは、反射部は、３次元フォトニック結晶である。
【００２３】
好ましくは、孔部の直径は、非相反デバイスに入射する電磁波の波長の１／２である。
この発明の他の局面による光電変換装置は、異なる誘電物質の層を交互に積み重ねた第１の１次元フォトニック結晶部と、第１の１次元フォトニック結晶部と隣接して配置され、第１の１次元フォトニック結晶部の積層方向に垂直な方向に孔部が設けられた第１の３次元フォトニック結晶部と、孔部の出射口から出射される光を電気に変換する光電変換素子とを備える。
【００２４】
この発明のさらに他の局面による光電変換装置は、異なる誘電物質の層を交互に積み重ねた第１の１次元フォトニック結晶部と、第１の１次元フォトニック結晶部と隣接して配置され、第１の１次元フォトニック結晶部の積層方向に垂直な方向に孔部が設けられた第１の３次元フォトニック結晶部と、第１の３次元フォトニック結晶部を挟んで第１の１次元フォトニック結晶部の反対側に配置され、光を電気に変換する光電変換素子とを備える。
【００２５】
好ましくは、第１の３次元フォトニック結晶部および光電変換素子を挟んで第１の１次元フォトニック結晶部の反対側に配置された第２の１次元フォトニック結晶部をさらに備える。
【００２６】
好ましくは、第１の３次元フォトニック結晶部および光電変換素子を挟んで第１の１次元フォトニック結晶部の反対側に配置された第２の３次元フォトニック結晶部をさらに備える。
【００２７】
好ましくは、第１の３次元フォトニック結晶部および光電変換素子を挟んで第１の１次元フォトニック結晶部の反対側に配置され、第１の１次元フォトニック結晶部の積層方向に垂直な方向に孔部が設けられた第２の３次元フォトニック結晶部と、第１および第２の３次元フォトニック結晶部ならびに光電変換素子を挟んで第１の１次元フォトニック結晶部の反対側に第１の１次元フォトニック結晶部と平行に配置された第２の１次元フォトニック結晶部とをさらに備える。
【００２８】
好ましくは、光電変換装置に入射した電磁波を内側に反射させる反射部をさらに備える。
【００２９】
好ましくは、反射部は、金属である。
好ましくは、反射部は、３次元フォトニック結晶である。
【００３０】
好ましくは、孔部の直径は、光電変換装置に入射する光の波長の１／２である。
好ましくは、光電変換素子は、太陽電池である。
【発明の効果】
【００３１】
この発明による非相反デバイスおよび光電変換装置は、大面積かつ低コストが要求されるデバイスにも適用できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、この発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。
【００３３】
［実施の形態１］
図１は、この発明の実施の形態１による非相反デバイス１００の構造を示した断面図である。
【００３４】
図１を参照して、実施の形態１の非相反デバイス１００は、１次元フォトニック結晶部１０１と、３次元フォトニック結晶部１０２とを備える。非相反デバイス１００は、波長λの電磁波（光）Ｐ１０，Ｐ１１，Ｐ２０，Ｐ２１を受ける。
【００３５】
１次元フォトニック結晶部１０１は、異なる誘電物質の層をおおよそλ／４の膜厚で交互に積み重ねたものであり、垂直に入射する波長λの電磁波を反射する。このため、１次元フォトニック結晶部１０１は、誘電体ミラーとも呼ばれている。３次元フォトニック結晶部１０２は、３次元フォトニック結晶に孔を設けた構造を有する。当該孔は、１次元フォトニック結晶部１０１の積層方向に垂直な方向に設けられている。当該孔の出射口に光電変換素子（たとえば、太陽電池）を配置することにより、当該孔から出射される電磁波（光）Ｐ１１を効率よく電気エネルギーに変換することができる。
【００３６】
図２は、図１の非相反デバイス１００における１次元フォトニック結晶部１０１の構造を示した断面図である。
【００３７】
図１に示すように、１次元フォトニック結晶部１０１は、垂直に入射する電磁波Ｐ１０を反射するが、斜めに入射する電磁波Ｐ１１を透過する。これは、電磁波Ｐ１１から見ると１次元フォトニック結晶部１０１の誘電体層の膜厚が厚く見えるからである。電磁波Ｐ１１は、１次元フォトニック結晶部１０１を透過していき、３次元フォトニック結晶１０２の孔部を通って反対側から出射される。
【００３８】
垂直入射において反射させる電磁波の波長λは、１次元フォトニック結晶部１０１の誘電体層の膜厚を変化させることにより設計することができる。１次元フォトニック結晶部１０１は、誘電物質の繰り返し積層数を増すほど、電磁波Ｐ１０の反射率が高くなるとともに、反射帯域（バンドギャップ）も広くなる。このとき、徐々に膜厚の異なる誘電体層の繰り返し構造とすることにより、反射帯域をさらに広げることができる。
【００３９】
図３は、図１の非相反デバイス１００における３次元フォトニック結晶部１０２の構造を示した断面図である。
【００４０】
図３に示すように、３次元フォトニック結晶部１０２は、３次元フォトニック結晶１０２ａの所々に孔部１０２ｂが設けられた構造を有する。図１，３に示すように、３次元フォトニック結晶１０２ａに入射する電磁波は、１次元フォトニック結晶部１０１と異なり、垂直に入射する場合（電磁波Ｐ２０）であっても斜めに入射する場合（電磁波Ｐ２１０）であっても、一定の波長λであれば全て反射される。
【００４１】
これに対し、孔部１０２ｂに入射する電磁波Ｐ２１，Ｐ２１１は、孔部１０２ｂに沿って進行していく。図１に示すように、電磁波Ｐ２１は、孔部１０２ｂに沿って進行していき、１次元フォトニック結晶部１０１で反射される。当該反射された電磁波Ｐ２１は、孔部１０２ｂを通って再び出射される。
【００４２】
図４は、図３の３次元フォトニック結晶１０２ａの構造の一例を示した立体図である。
図４に示すように、３次元フォトニック結晶１０２ａは、あらゆる方向から入射する波長λの電磁波Ｐ２１０ｘ，Ｐ２１０ｙ，Ｐ２１０ｚをすべて反射する。３次元フォトニック結晶１０２ａの構造としては、面心立方格子構造、六方最密構造、ダイヤモンド格子構造などが考えられる。このうち、少なくとも面心立方格子構造および六方最密構造は、化学合成法により、半導体、ポリマー微粒子等を用いて大面積かつ低コストで容易に作製できる。
【００４３】
実施の形態１の非相反デバイス１００は、１次元フォトニック結晶部１０１への垂直入射で反射する電磁波の波長λの帯域と、３次元フォトニック結晶部１０２で反射する電磁波の波長λの帯域とが同じとなるように、誘電物質の誘電率と膜厚（大きさ）とが設計されている。これにより、非相反デバイス１００は、１次元フォトニック結晶部１０１側から斜め入射する波長λの電磁波のみを透過し、３次元フォトニック結晶部１０２側から入射する電磁波は反射するという非相反効果を得る。
【００４４】
以上のように、実施の形態１の非相反デバイスは、１次元フォトニック結晶と３次元フォトニック結晶とを組み合わせることにより、１次元フォトニック結晶側から斜め入射する所定の波長の電磁波のみを透過し、３次元フォトニック結晶部１０２側から入射する電磁波は反射するという非相反効果を得ることができる。
【００４５】
［実施の形態２］
図５は、この発明の実施の形態２による非相反デバイス２００の構造を示した断面図である。
【００４６】
図５を参照して、実施の形態２の非相反デバイス２００は、１次元フォトニック結晶部１０１，１０３と、３次元フォトニック結晶部１０２と、反射板１０５ａ，１０５ｂと、誘電物質１０６とを備える。非相反デバイス２００は、波長λの電磁波（光）Ｐ３１を受ける。
【００４７】
１次元フォトニック結晶部１０１，１０３は、実施の形態１で説明したように、異なる誘電物質の層をおおよそλ／４の膜厚で交互に積み重ねたものであり、垂直に入射する波長λの電磁波を反射する。３次元フォトニック結晶部１０２は、実施の形態１で説明したように、３次元フォトニック結晶に孔を設けた構造を有する。当該孔は、１次元フォトニック結晶部１０１，１０３の積層方向に垂直な方向に設けられている。
【００４８】
反射板１０５ａ，１０５ｂは、非相反デバイス２００に入射する電磁波が外に漏れないように電磁波を内側に反射させる。反射板１０５ａ，１０５ｂは、たとえばアルミ、銀等の反射率の高い金属である。誘電物質１０６は、所定の誘電率を有し、１次元フォトニック結晶部１０１と１次元フォトニック結晶部１０３との間（３次元フォトニック結晶部１０２の孔部を含む）に充填されている。
【００４９】
図５を参照して、１次元フォトニック結晶部１０１に斜め入射する波長λの電磁波Ｐ３１は、１次元フォトニック結晶部１０１を透過していき、３次元フォトニック結晶部１０２の孔部を通って１次元フォトニック結晶部１０３に向かう。１次元フォトニック結晶部１０３は、３次元フォトニック結晶部１０２の孔部から出てほぼ垂直に入射する電磁波Ｐ３１を反射する。
【００５０】
当該反射された電磁波Ｐ３１は、３次元フォトニック結晶部１０２で再度反射されるか、または３次元フォトニック結晶部１０２の孔部を通って１次元フォトニック結晶部１０１で反射され、このような往復反射が繰り返される。
【００５１】
１次元フォトニック結晶部１０１，１０３に対して垂直よりわずかにずれた電磁波Ｐ３１は、往復反射を繰り返すうちに１次元フォトニック結晶部１０１，１０３で挟まれた空間から外れることになる。このような外れた電磁波Ｐ３１は、反射板１０５ａ，１０５ｂによって非相反デバイス２００の内側に反射される。非相反デバイス２００の内部に光電変換素子を配置することにより、当該往復反射を繰り返す電磁波（光）Ｐ３１を効率よく電気エネルギーに変換することができる。
【００５２】
図６は、図５の非相反デバイス２００の内部に入射する電磁波の振幅変化を示したシミュレーション図である。
【００５３】
非相反デバイス２００に斜め入射する電磁波Ｐ３１の波長λ＝６５０ｎｍとする。図６において、横軸は時間経過、縦軸は電磁波Ｐ３１の規格化振幅をそれぞれ示す。振幅計算のシミュレーションには、有限差分時間領域法（ＦＤＴＤ法）を用いている。
【００５４】
図６のシミュレーションにおいて、１次元フォトニック結晶部１０１は、誘電率ε２の誘電物質と誘電率ε６の誘電物質とが厚さ６０ｎｍで交互に１５回繰り返し積層された構造を有する。３次元フォトニック結晶部１０２は、誘電率ε１の３次元フォトニック結晶（直径２７０ｎｍ）に孔を設けた構造を有する。誘電物質１０６は、誘電率ε６を有し、１次元フォトニック結晶部１０１と１次元フォトニック結晶部１０３との間（３次元フォトニック結晶部１０２の孔部を含む）に充填されている。
【００５５】
３次元フォトニック結晶部１０２の誘電率ε１は、シミュレーション上、空気の誘電率を想定している。これは、誘電率ε１とε６との比を大きくとることで３次元フォトニック結晶のバンドギャップ効果を計算上小さな体積で実現し、計算時間を短くするためである。したがって、実際には実現可能な誘電率の材料を選択することになる。
【００５６】
図６のシミュレーションは、誘電物質１０６の所定位置における電磁波Ｐ３１の振幅を２．５×１０-17秒のタイムステップで１．０×１０-11秒まで計算したものである。電磁波Ｐ３１の振幅は、非相反デバイス２００に入射時の電磁波Ｐ３１の振幅が１．０となるように規格化されている。
【００５７】
図６に示すように、電磁波Ｐ３１の規格化振幅は、時間の経過とともに増大していっていることが分かる。これは、非相反デバイス２００の内部に電磁波Ｐ３１のエネルギーが蓄積されていっていることを示す。
【００５８】
３次元フォトニック結晶部１０２の孔部を進む電磁波Ｐ３１は、当該孔部の直径を誘電物質１０６における電磁波Ｐ３１の波長λのおおよそ１／２とすることにより、直進性がよくなる。これにより、１次元フォトニック結晶部１０１から一度入射した電磁波Ｐ３１が再び１次元フォトニック結晶部１０１から一層出射しにくくなり、非相反デバイス２００の非相反効果がより大きくなる。
【００５９】
図６のシミュレーションでは、３次元フォトニック結晶部１０２の孔部の直径を２６５ｎｍ、深さを約１μｍとしている。３次元フォトニック結晶部１０２の誘電率ε１と誘電物質１０６の誘電率ε６との比を大きくすると、３次元フォトニック結晶部１０２の繰り返し構造が少なくて済む。
【００６０】
非相反デバイス２００に入射する電磁波Ｐ３１の波長は、３次元フォトニック結晶部１０２における３次元フォトニック結晶単位の直径および誘電率を適当に選択することによって、柔軟に選択することが可能となる。これは、１次元フォトニック結晶部１０１，１０３についても同様である。
【００６１】
なお、図５の非相反デバイス２００では、１次元フォトニック結晶部１０１，１０３を構成する各誘電物質の膜厚を固定しているが、当該膜厚は徐々に変化させることもできる。この場合、非相反デバイス２００の反射帯域を広げることができ、電磁波の利用効率が上がる。
【００６２】
以上のように、実施の形態２の非相反デバイスは、１次元フォトニック結晶と３次元フォトニック結晶との組合せにおいて３次元フォトニック結晶の割合を増やすことにより、１次元フォトニック結晶側から斜め入射する所定の波長の電磁波をより効率的に閉じ込めることができる。
【００６３】
［実施の形態３］
図７は、この発明の実施の形態３による光電変換装置３００の構造を示した断面図である。
【００６４】
図７を参照して、実施の形態３の光電変換装置３００は、１次元フォトニック結晶部１０１と、３次元フォトニック結晶部１０２，４０３と、反射板１０５ａ，１０５ｂと、誘電物質１０６と、光電変換素子４０２とを備える。光電変換装置３００は、１次元フォトニック結晶部１０３が３次元フォトニック結晶部４０３に置き換えられ、内部に光電変換素子４０２が配置された点において、実施の形態２の非相反デバイス２００と異なる。光電変換装置３００は、非相反デバイスとしても使用可能である。
【００６５】
図３，４でも説明したように、３次元フォトニック結晶部４０３は、１次元フォトニック結晶部１０３に比べ、可視光の波長領域においても損失を少なく反射率を高くすることができる。さらに、３次元フォトニック結晶部４０３は、斜めより入射する電磁波も反射することができるため、光電変換装置３００の内部で往復反射を繰り返す電磁波の滞在時間を延ばすことができる。これにより、実施の形態３の光電変換装置３００は、内部で往復反射を繰り返す電磁波を効率よく電気エネルギーに変換することができる。
【００６６】
［実施の形態４］
図８は、この発明の実施の形態４による光電変換装置４００の構造を示した断面図である。
【００６７】
図８を参照して、実施の形態４の光電変換装置４００は、１次元フォトニック結晶部１０１と、３次元フォトニック結晶部１０２，４０３，４０５ａ，４０５ｂと、誘電物質１０６と、光電変換素子４０２とを備える。光電変換装置４００は、非相反デバイスとしても使用可能である。
【００６８】
光電変換装置４００は、反射板１０５ａ，１０５ｂが３次元フォトニック結晶部４０５ａ，４０５ｂにそれぞれ置き換えられた点において、実施の形態３の光電変換装置３００と異なる。これにより、実施の形態４の光電変換装置４００は、内部で往復反射を繰り返す電磁波をより効率よく電気エネルギーに変換することができる。
【００６９】
［実施の形態５］
図９は、この発明の実施の形態５による光電変換装置５００の構造を示した断面図である。
【００７０】
図９を参照して、実施の形態５の光電変換装置５００は、１次元フォトニック結晶部１０１，１０３と、３次元フォトニック結晶部１０２，１０４，４０５ａ，４０５ｂと、誘電物質１０６と、光電変換素子４０２とを備える。光電変換装置５００は、３次元フォトニック結晶部４０３が３次元フォトニック結晶部１０４および１次元フォトニック結晶部１０３に置き換えられた点において、実施の形態４の光電変換装置４００と異なる。光電変換装置５００は、非相反デバイスとしても使用可能である。
【００７１】
図９に示すように、光電変換装置５００は、光電変換素子４０２を挟んで反対側に１次元フォトニック結晶部１０１および３次元フォトニック結晶部１０３と対称的な構造を設けることにより、光電変換素子４０２に効率的に光を入射させることができる。これにより、実施の形態５の光電変換装置５００は、内部で往復反射を繰り返す電磁波をより一層効率よく電気エネルギーに変換することができる。
【００７２】
今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】この発明の実施の形態１による非相反デバイス１００の構造を示した断面図である。
【図２】図１の非相反デバイス１００における１次元フォトニック結晶部１０１の構造を示した断面図である。
【図３】図１の非相反デバイス１００における３次元フォトニック結晶部１０２の構造を示した断面図である。
【図４】図３の３次元フォトニック結晶１０２ａの構造の一例を示した立体図である。
【図５】この発明の実施の形態２による非相反デバイス２００の構造を示した断面図である。
【図６】図５の非相反デバイス２００の内部に入射する電磁波の振幅変化を示したシミュレーション図である。
【図７】この発明の実施の形態３による光電変換装置３００の構造を示した断面図である。
【図８】この発明の実施の形態４による光電変換装置４００の構造を示した断面図である。
【図９】この発明の実施の形態５による光電変換装置５００の構造を示した断面図である。
【図１０】従来の光閉じ込め構造１０００を概略的に示した斜視図である。
【図１１】従来の光非相反デバイス２０００の構成を示した側面図である。
【符号の説明】
【００７４】
１００，２００  非相反デバイス、１０１，１０３  １次元フォトニック結晶部、１０２，１０４，４０３，４０５ａ，４０５ｂ  ３次元フォトニック結晶部、１０２ａ  ３次元フォトニック結晶、１０２ｂ  孔部、１０５ａ，１０５ｂ  反射板、１０６  誘電物質、３００，４００，５００  光電変換装置、４０２  光電変換素子、５０３  シリコン基板、５１１  ピラミッド、５１３  Ｖ溝、５１４  反射鏡、５２１  第１偏光子、５２２  ファラデー回転子、５２３  第２偏光子、５２４ａ，５２４ｂ  磁石、１０００  光閉じ込め構造、２０００  光非相反デバイス。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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