(57)【要約】    【課題】  複数の設計波長（波長帯域）で動作する３次元フォトニック結晶において、格子周期を変化させずにフォトニックバンドギャップを所望の波長に制御することができる３次元フォトニック結晶を得ること。    【解決手段】  ３次元フォトニック結晶は、フォトニックバンドギャップを呈する３次元フォトニック結晶であって、複数の柱状構造が所定の間隔を空けて配列された第１の層と、該第１の層の該柱状構造とは異なる方向に延びる複数の柱状構造が、所定の間隔を空けて配列された第２の層と、該第１の層の前記柱状構造と同じ方向に延びる複数の柱状構造が、所定の間隔を空けて配列された第３の層と、該第２の層の前記柱状構造と同じ方向に延びる複数の柱状構造が、所定の間隔を空けて配列された第４の層と、前記４つの層の各層に平行な平面内において離散的に配置された離散構造を含む層を１層以上含む付加層を有し、第１〜第４層の構成を適切に設定したこと。【選択図】  図１
2006323090.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フォトニックバンドギャップを呈する３次元フォトニック結晶であって、
複数の柱状構造が所定の間隔を空けて配列された第１の層と、
該第１の層の該柱状構造とは異なる方向に延びる複数の柱状構造が、所定の間隔を空けて配列された第２の層と、
該第１の層の前記柱状構造と同じ方向に延びる複数の柱状構造が、所定の間隔を空けて配列された第３の層と、
該第２の層の前記柱状構造と同じ方向に延びる複数の柱状構造が、所定の間隔を空けて配列された第４の層と、
前記４つの層の各層に平行な平面内において離散的に配置された離散構造を含む層を１層以上含む付加層を有し、
該第１の層と該第３の層に含まれる柱状構造は、相互に該柱状構造の延びる方向と垂直な方向に該所定の間隔の半分ずれて配列されており、
該第２の層と該第４の層に含まれる柱状構造は、相互に該柱状構造の延びる方向と垂直な方向に前記所定の間隔の半分ずれて配列されており、
該第１の層から該第４の層が順次積層された第１の領域と、
該第１の層から該第４の層が各層の間にそれぞれ前記付加層を介して順次積層され、該付加層に含まれる離散構造は該柱状構造の交点に相当する位置に配置された第２の領域を有し、
該第１の領域と該第２の領域は、各層に含まれる柱状構造の層内方向および積層方向の配列周期が等しいことを特徴とする３次元フォトニック結晶。
【請求項２】
前記第２の領域は、前記離散構造の形状又は離散構造を構成する媒質の屈折率が互いに異なった２以上の領域を有することを特徴とする請求項１の３次元フォトニック結晶。
【請求項３】
前記第２の領域は、前記離散構造の形状および前記離散構造を構成する媒質の屈折率が互いに異なった２以上の領域を有することを特徴とする請求項１の３次元フォトニック結晶。
【請求項４】
前記第１の領域および第２の領域は、それぞれ異なるフォトニックバンドギャップを有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項の３次元フォトニック結晶。
【請求項５】
前記第１の領域に含まれる前記柱状構造の層内の幅と、前記第２の領域に含まれる前記柱状構造の層内の幅は等しいことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項の３次元フォトニック結晶。
【請求項６】
前記第１の領域に含まれる前記柱状構造の積層方向の高さと、前記第２の領域に含まれる前記柱状構造の積層方向の高さは等しいことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項の３次元フォトニック結晶。
【請求項７】
前記第１の領域に含まれる前記柱状構造の積層方向の高さと、前記第２の領域に含まれる前記柱状構造の積層方向の高さは異なることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項の３次元フォトニック結晶。
【請求項８】
請求項１乃至７の３次元フォトニック結晶の内部に周期欠陥部を有していることを特徴とする光学素子。
【請求項９】
前記３次元フォトニック結晶は線欠陥を有し、該線欠陥は導波路として機能することを特徴とする請求項８に記載の光学素子。
【請求項１０】
前記光学素子は分散補償素子として動作することを特徴とする請求項９に記載の光学素子。
【請求項１１】
前記３次元フォトニック結晶は点欠陥を有し、該点欠陥は共振器として機能することを特徴とする請求項８に記載の光学素子。
【請求項１２】
前記光学素子は複数の波長で狭スペクトル帯域光フィルタとして動作することを特徴とする請求項１１に記載の光学素子。
【請求項１３】
前記３次元フォトニック結晶は線欠陥および点欠陥を有し、該欠陥部は複数の波長で動作する光入出力回路として機能することを特徴とする請求項８に記載の光学素子。
【請求項１４】
前記３次元フォトニック結晶の前記離散構造が異なった各領域は、発光材料を含む点欠陥を有し、複数の波長で発光することを特徴とする請求項８に記載の光学素子。
【請求項１５】
前記光学素子は、赤外波長帯域における複数の波長で発光するレーザ素子であることを特徴とする請求項１４の光学素子。
【請求項１６】
前記光学素子は、可視光波長帯域における複数の波長で発光するレーザ素子であることを特徴とする請求項１４の光学素子。
【請求項１７】
前記光学素子は可視光波長帯域における赤色、緑色、青色の３波長で発光することを特徴とする請求項１６に記載の光学素子。
【請求項１８】
請求項１乃至７のいずれか１項に記載の３次元フォトニック結晶を有し、複数の波長でカラーフィルタとして動作することを特徴とする光学素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３次元フォトニック結晶に関し、特に複数波長帯域で動作する３次元フォトニック結晶に関する。この他本発明は、３次元フォトニック結晶内部に屈折率周期構造の欠陥を具備し、所望の波長で動作する点欠陥共振器や線欠陥導波路を有するフォトニック結晶およびそれを有する光学素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、波長以下の大きさの構造物によって電磁波の透過・反射特性などを制御するという概念は、Ｙａｂｌｏｎｏｖｉｔｃｈによって提唱されている（非特許文献１）。この非特許文献１によると、波長以下の構造を周期的に配列することによって電磁波の透過・反射特性などを制御可能で、電磁波の波長を光の波長オーダーにまで小さくすることによって、光の透過・反射特性を制御することができる。このような構造物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、光損失が無損失の１００％の反射率を有する反射ミラーを実現できることが示唆されている。このように、ある波長域で光損失がなく、反射率をほぼ１００％にすることができる概念は、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（ＰＢＧ）と言われている。また、構造を３次元的な微細周期構造にすることによって、あらゆる方向から入射した光に対してフォトニックバンドギャップを実現することができる。以下、これを「完全フォトニックバンドギャップ」と呼ぶことにする。完全フォトニックバンドギャップが実現できると、自然放出の抑制など様々な応用が可能となり、従来にない新しい機能素子の実現が可能となる。このためより広い波長域で完全フォトニックバンドギャップが実現できる構造の機能素子が求められている。
【０００３】
このようなフォトニックバンドギャップを呈する構造体がこれまでにも幾つか提案されている（特許文献１、２）。完全フォトニックバンドギャップを実現可能とする３次元周期構造としては図２６（ａ）〜（ｅ）に示すようないくつかの構造が挙げられる。図２６（ａ）〜（ｅ）はそれぞれ順に、ダイヤモンドオパール構造、ウッドパイル構造、らせん構造、独自な３次元周期構造、前記３次元周期構造の反転構造（インバース構造）である。
【０００４】
また、フォトニックバンドギャップを持つ微細周期構造内にそれが持つ周期構造とは異なる周期を持つ周期欠陥部を設けることで、所望の波長の光で共振器や導波路として動作させることができる。欠陥を点で構成した場合には点欠陥共振器として、線で構成した場合には線欠陥導波路として知られている。例えば、フォトニックバンドギャップを利用した点欠陥共振器の特徴を挙げると、空間的に微小な領域に光を閉じ込め、発光パターンを精密に制御することが可能で、任意波長の光を高効率で発光可能な素子が実現できる。周期構造内部に点欠陥を導入し、欠陥部を発光材料で構成し任意の励起手段によって発光させることでレーザ発振が可能である（特許文献３）。
【０００５】
又、フォトニック結晶の作製方法は種々と提案されている（特許文献４）。
【特許文献１】米国特許５、３３５、２４０号公報
【特許文献２】米国特許６、５９７、８５１号公報
【特許文献３】米国特許５、７８４、４００号公報
【特許文献４】米国特許５、４０６、５７３号公報
【非特許文献１】Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、Ｖｏｌ．５８，                  ｐｐ．２０５９，１９８７年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
フォトニックバンドギャップの制御は、フォトニック結晶の周期構造における格子周期を変化させることで実現できる。例えば、格子周期を大きくとるとフォトニックバンドギャップは長波長側へ、格子周期を小さくとると短波長側へシフトする。
【０００７】
非特許文献２では、２次元フォトニック結晶を用いた光分合波回路（アドドロップ光回路）における格子周期変調による動作波長制御を行っている。ここで光分合波回路とは、複数の波長が伝搬している媒質中に新たな波長を加える（アド）機能および、ある一つの波長のみを媒質中より取り出す（ドロップ）機能を持つ光入出力回路であり、この回路はフォトニック結晶による小型化が期待されている。非特許文献２では格子周期を変調させることで導波路および共振器の動作波長を所望の波長にチューニングすることにより、複数波長でほぼ等しいドロップ効率が得られることが報告されている。格子周期が異なる２次元フォトニック結晶を配列した上記構造は面内へテロ構造と呼ばれており、フォトニック結晶を用いた光ナノデバイスを実現する上でフォトニックバンドギャップの制御が重要であることを示す好適な例である。
【０００８】
ところが、このような格子周期を変調した構造を３次元フォトニック結晶に対してそのまま適用することはできない。３次元フォトニック結晶においても、格子周期を制御することでフォトニックバンドギャップを制御することは可能である。しかしながら図２７に示すように格子周期が変化する各領域の境界面において構造の不整合が起こることが懸念される。特に３次元構造においては、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸方向全てに対して格子周期に不整合が生じるため作製することが困難である。例えば、ウッドパイル構造など、層構造を１層１層積層していくタイプのレイヤーバイレイヤー構造においては、積層方向に対して格子周期が異なるため、従来の電子ビームリソグラフィーによる構造パターニングと積層を繰り返し行う手法やウエハ融着法、ナノインプリント法などによる手段をそのまま用いることは難しく、作製が非常に困難である。
【０００９】
本発明は、複数の設計波長（波長帯域）で動作する３次元フォトニック結晶において、格子周期を変化させずにフォトニックバンドギャップを所望の波長に制御することができる３次元フォトニック結晶の提案を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の３次元フォトニック結晶は、フォトニックバンドギャップを呈する３次元フォトニック結晶であって、複数の柱状構造が所定の間隔を空けて配列された第１の層と、該第１の層の該柱状構造とは異なる方向に延びる複数の柱状構造が、所定の間隔を空けて配列された第２の層と、該第１の層の前記柱状構造と同じ方向に延びる複数の柱状構造が、所定の間隔を空けて配列された第３の層と、該第２の層の前記柱状構造と同じ方向に延びる複数の柱状構造が、所定の間隔を空けて配列された第４の層と、前記４つの層の各層に平行な平面内において離散的に配置された離散構造を含む層を１層以上含む付加層を有し、該第１の層と該第３の層に含まれる柱状構造は、相互に該柱状構造の延びる方向と垂直な方向に該所定の間隔の半分ずれて配列されており、該第２の層と該第４の層に含まれる柱状構造は、相互に該柱状構造の延びる方向と垂直な方向に前記所定の間隔の半分ずれて配列されており、該第１の層から該第４の層が順次積層された第１の領域と、該第１の層から該第４の層が各層の間にそれぞれ前記付加層を介して順次積層され、該深そうに含まれる離散構造は該柱状構造の交点に相当する位置に配置された第２の領域を有し、該第１の領域と該第２の領域は、各層に含まれる柱状構造の層内方向および積層方向の配列周期が等しいことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、同一構造内に複数の波長（波長帯域）で動作する３次元フォトニック結晶をモノリシックに構成することができ、また異なる波長帯域で動作する領域を一括して作製できるためアライメントが容易でかつ高い生産性を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明のフォトニック結晶の各実施例に基づいて詳細に説明する。
【実施例１】
【００１３】
本発明にかかるフォトニック結晶１００の実施例１の上面図を図１（ａ）に、側面図を図１（ｂ）に示す。実施例１のフォトニック結晶１００は図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、格子（角柱）周期が同じで、かつフォトニックバンドギャップ波長域の異なる領域（第１の領域）３００と領域（第２の領域）２００の２つの領域を有するように構成されている。
領域２００は図２（ａ）に示すように、ＸＹ平面を含む層２０１〜２１２の１２層を基本周期として複数の周期構造より構成されている。図２（ｂ）は基本周期の各層（１２層）のＸＹ断面の一部を示す。第１の層２０１および第７の層２０７は、柱状構造２００ａとして第１の媒質によるＹ軸方向に延びる複数の角柱２０１ａおよび２０７ａが等間隔（ピッチ）ＰでＸ方向に配置されており、角柱２０１ａおよび２０７ａはＸ軸方向にＰ／２ずれた位置に配置されている。また、第４の層２０４および第１０の層２１０は、第１の媒質によるＸ軸方向に延びる複数の角柱２０４ａおよび２１０ａが等間隔ＰでＹ方向に配置されており、角柱２０４ａおよび２１０ａはＹ軸方向にＰ／２ずれた位置に配置されている。第２の層（付加層）２０２および第３の層（付加層）２０３には、第１の層２０１中の角柱２０１ａおよび第４の層２０４中の角柱２０４ａの積層方向であるＺ方向から見たときの交点に相当する位置に、ＸＹ平面内において互いに接しないように離散的に第１の媒質による直方体２０２ａおよび２０３ａ（離散構造２００ｂ）が配置されている。なお、直方体２０２ａと２０３ａはＸＹ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している。同様に、角柱２００ａを含む層の間にある付加層である第５の層２０５、第６の層２０６、第８の層２０８、第９の層２０９、第１１の層２１１、第１２の層２１２には、隣接する層中の角柱２００ａのＺ方向から見たときの交点に相当する位置に、ＸＹ平面内において離散的に第１の媒質による直方体２０５ａ、２０６ａ、２０８ａ、２０９ａ、２１１ａ、２１２ａが配置されている。各層中の角柱２００ａおよび直方体２００ｂは互いに接しており、各層中の角柱２００ａおよび直方体２００ｂ以外の部分は第２の媒質で充填されている。第１、第２の媒質の屈折率、角柱（柱状構造）２００ａおよび直方体（離散構造）２００ｂの形状や間隔、各層の厚さは、所望波長域でフォトニックバンドギャップを呈するように決定されている。
【００１４】
領域３００は、図３に示すように、Y軸方向に延びかつ間隔Ｐで配列された幅Ｗ、高さＨの複数の角柱（柱状構造）２００ａで形成された第１の層３０１と、X軸方向に延びかつ間隔Ｐで配列された第１の層と同一形状の複数の角柱２００ａで形成された第２の層３０２と、第１の層中の角柱２００ａとはX軸方向にＰ／２ずれた位置に配置され、Y軸方向に延びかつ間隔Ｐで配列された第１の層３０１と同一形状の複数の角柱２００ａで形成された第３の層３０３と、第２の層中の角柱２００ａとはY軸方向にＰ／２ずれた位置に配置され、X軸方向に延びかつ間隔Ｐで配列された第１の層３０１と同一形状の複数の角柱２００ａで形成された第４の層３０４で構成されている。そしてフォトニック結晶１００の領域３００は第１の層３０１から第４の層３０４の４層がＺ方向に積層されて基本周期を構成し、基本周期を複数積層することにより形成される。図３は例として基本周期を２周期積層した場合を示している。構造内の全ての角柱２００ａは第１の媒質で形成され、角柱２００ａ以外の部分は第１の媒質とは異なる屈折率を有する第２の媒質で形成されている。角柱２００ａの間隔Ｐ、幅Ｗ、高さＨおよび第１の媒質の屈折率、第２の媒質の屈折率は、フォトニック結晶が所望の波長域でフォトニックバンドギャップを呈するように決定される。
【００１５】
本実施例では、第１の領域３００と第２の領域２００における各層に含まれる柱状構造（角柱）２００ａの層内方向と積層方向の周期が等しくなっている。
【００１６】
又、本実施例において、領域２００と領域３００における角柱２００ａの高さは同一でも異なっても良い。
【００１７】
又領域２００と領域３００における角柱２００ａの幅は同一でも異なってもよい。
【００１８】
第１の媒質の屈折率を３．３０９、第２の媒質の屈折率を１として、領域２００および領域３００に含まれる全ての角柱２００ａの幅を０．２４×Ｐ、角柱２００ａの高さを０．１７４×Ｐ、領域２００に含まれる直方体２００ｂの高さを０．０９×Ｐ、ＸＹ平面内の形状を０．３４×Ｐ、０．６×Ｐを各辺の長さとする長方形としたときの領域２００および領域３００のフォトニックバンド構造を図４に示す。領域２００は図４（ａ）に示すように、規格化周波数（周期Pで規格化された角周波数）が０．３６５〜０．４６３の範囲において、完全フォトニックバンドギャップが形成されることがわかる。一方、領域３００は図４（ｂ）に示すように、規格化周波数が０．５１２〜０．５２９の範囲において完全フォトニックバンドギャップが形成されることがわかる。例えば角柱２００ａの配列周期Ｐを６００ｎｍとすると、領域２００は１２９６ｎｍから１６４３ｎｍの波長範囲で、領域３００は１１３４ｎｍから１１７２ｎｍの波長範囲において、完全フォトニックバンドギャップが形成される。
【００１９】
このように、離散構造２００ｂを含む領域２００と含まない領域３００を同一構造内に形成することにより、同一周期でありながら、複数の異なる波長帯域でフォトニックバンドギャップを呈する構造を実現することができる。
【００２０】
領域２００における角柱２００ａ間に配置される離散構造２００ｂの数は、図１および図２に示した例では２個であったが、２以外の数でも良く、３個以上で構成するとより広いフォトニックバンドギャップ波長域が得られる。図５（ａ）はフォトニック結晶の上面図、図５（ｂ）はその側面図である。図５に示すような離散構造２００ｂが１個の場合は若干狭いフォトニックバンドギャップ波長域となるが作製が容易となる。
【００２１】
図５（ｂ）に示したように、領域３００の角柱構造２００ａは離して配置しても良いし、図６に示すように領域３００の角柱構造２００ａの高さを、領域２００に含まれる角柱２００ａと離散構造２００ｂの高さの和となるようにし、各角柱が接するように配置すると、強度的に有利な構造となる。第１の媒質の屈折率を３．３０９、第２の媒質の屈折率を１として、角柱２００ａの幅を０．２４×Ｐ、角柱２００ａの高さを０．３５４×Ｐとしたときのフォトニックバンド構造を図４（ｃ）に示す。図４（ｃ）に示すように、規格化周波数（周期Pで規格化された角周波数）が０．３６９〜０．４３９の範囲において、完全フォトニックバンドギャップが形成されることがわかる。例えば角柱２００ａの配列周期Ｐを６００ｎｍとすると、１３６７ｎｍから１６２６ｎｍの波長範囲において、完全フォトニックバンドギャップが形成される。
【００２２】
さらに、図７（ａ）に示したように離散構造２００ｂの形状を変化させた複数の領域７１、７２を含む全体として３以上の領域、または図７（ｂ）に示したように高さの異なる角柱２００ａで形成された複数の領域７５、７６を含む全体として３以上の領域で構成することにより、動作波長域の細かな設定が可能となる。このように、角柱の構造や離散構造の幅を変化させることは、単位体積中に占める誘電体媒質の充填率（体積）（屈折率）を変化させることを意味する。充填率を大きくすることによって３次元フォトニック結晶が持つ実効的な屈折率が大きくなるため、フォトニックバンドギャップ中心波長を長波長シフトすることができ、離散構造の幅を適当に設計することにより、所望の中心波長を選ぶことができる。
【００２３】
これらの構造は、２次元周期パターンを含む層を積層することにより形成される構造、いわゆるＬａｙｅｒ−ｂｙ−Ｌａｙｅｒ構造（ＬＢＬ構造）であるため、特許文献４にて提案された方法など公知の製造方法を組み合わせることによっても作製することができる。
【００２４】
特許文献４にて提案されたフォトニック結晶の作製方法を図８（ａ）〜（ｃ）を用いて説明する。図８（ａ）に示すように、エッチングで２次元周期パターンを形成した基板４０１上に、基板４０４、エッチングストップ層４０３、転写層４０２から構成された転写用基板４０４を融着し、図８（ｂ）に示すように、エッチング等を用いて基板４０４およびエッチングストップ層４０３を除去することにより残った転写層４０２にエッチングで２次元周期パターンを形成する。さらに、融着、基板除去、パターン形成を繰り返すことにより、図８（ｃ）に示すような複数層構造を形成する。
【００２５】
特に、本発明のフォトニック結晶構造を作製する際には、角柱構造２００ａを含む層は全ての領域にわたって一括で形成する。離散構造２００ｂを含む層の作製について、領域２００は離散構造パターンを、領域３００は何も形成しない、あるいは近接する層の角柱構造と同じ幅をもつ角柱構造パターンを形成することにより一括に形成することができる。これにより、同一構造内に複数の領域を形成し、複数の波長で動作する３次元フォトニック結晶をモノリシックに構成することができ、また異なる波長帯域（同じ波長帯域でも可）で動作する領域を一括して作製可能であるためアライメントが容易でかつ高い生産性を実現することができる。
【００２６】
以上の効果を得るために、３次元フォトニック結晶１００においては柱状構造２００ａとして角柱を用いたが、円柱、楕円柱、多角形柱でもよい。また離散構造２００ｂとして直方体を用いたが、図９（ａ）〜（ｄ）に示すようなｘｙ平面での断面形状の長方形、円、楕円、三角形、多角形など、あらゆる形状を取ることができる。
【００２７】
さらに、それぞれの角柱を配置する方向をｘ軸、ｙ軸として垂直な方向に設定したが、各軸のなす角度を９０度以外の角度に設定してもよく、またｘ軸に平行なロッドの間隔とｙ軸に平行なロッドの間隔を異なる値に設定しても良い。このような構成は特に所定の角度の入射光に対して所望の性能を得たい場合や、構造に異方性を導入したい場合などは有用である。また角柱構造２００ａおよび離散構造２００ｂを同じ媒質で構成したが、異なる媒質で構成しても良い。
これらのフォトニック結晶構造を形成する媒質としては従来のフォトニック結晶構造と同様に、高い屈折率比を有する２種類以上の媒質を用いる。角柱構造２００ａおよび離散構造２００ｂを構成する媒質はＳｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、Ｇｅ、ＴｉＯ２、ＧａＮ、Ｔａ２Ｏ５、Ｎｂ２Ｏ５など、高屈折率材料が好ましい。さらに使用波長帯域で吸収を持たず透明な材料であることがより好ましい。角柱構造２００ａおよび離散構造２００ｂを構成する媒質以外の媒質はＳｉＯ２などの誘電体、ＰＭＭＡなどの高分子有機材料、空気、水などの低屈折率材料を用いる。フォトニック結晶の持つフォトニックバンドギャップは結晶内の屈折率分布に起因して得られるものであるため、相互の屈折率比が大きい媒質同士を組み合わせるほど、より広いフォトニックバンドギャップを得ることができる。有効な広さを持つフォトニックバンドギャップを得るためには屈折率比が２以上であることが望ましい。
また、２次元周期パターンは、干渉露光法、ナノインプリント法、超短パルス光による多光子吸収過程を用いた方法や、X線露光、紫外線露光、近接場露光などリソグラフィ技術を用いた方法などとエッチングを組み合わせて形成しても良い。また、マスクパターンを用いた選択成長で形成しても良い。
【実施例２】
【００２８】
図１０（ａ）、（ｂ）は離散構造２００ｂの形状が異なる複数の領域１００１、１００２、１００３からなる３次元フォトニック結晶１００内部に点欠陥６０１を導入した場合の概略図（上面図、側面図）である。ｘｚ平面内の格子周期とｘｙ平面内の格子周期とを一定に保ちながら、離散構造２００ｂの形状を変化させることでフォトニックバンドギャップ中心波長を制御する。３次元フォトニック結晶１００の内部に点欠陥６０１を導入すると、点欠陥６０１に起因する共振モードが現れ、共振モードに対応する波長の光が点欠陥６０１内に局在する。点欠陥６０１の構造は、例えば、周期構造の一部を欠損させ点欠陥６０１に空気を配置する構造、周期構造の一部の形状を変化させる構造（ある格子点における離散構造の形状を変化させるなど）、周期構造の一部に異なる屈折率を持つ材料を配置する構造など、様々な手段によって実現することができる。
【００２９】
図１１に離散構造２００ｂを含む層を２層持つ３次元フォトニック結晶の一例を示す。
【００３０】
第１の媒質の屈折率を３.３０９、第２の媒質の屈折率を１として、全ての角柱２００ａ、幅を０.２５×Ｐ、角柱２００ａの高さを０.３×Ｐ、離散構造である直方体２００ｂの高さを０.０５×Ｐ、ＸＹ平面内の形状を０４×Ｐ、０.６×Ｐを各辺の長さとする長方形として、このような構造内部にΔｘ＝Δｙ＝０.７０×Ｐ、Δｚ＝０.３０×Ｐである直方体の点欠陥６０１を図１１のように配置した。上記例において点欠陥６０１のｘｙ平面内の形状をΔｘ＝Δｙと正方形にしたが、ΔｘとΔｙが異なる長さを持っていてもよいし、ｘｙ平面内の形状が円形、楕円形、三角形、多角形など様々な形状をとることができる。
【００３１】
以上のような構成における共振モードを図１２を用いて説明する。縦軸は強度である。横軸は格子周期ａで規格化した規格化周波数であり、規格化周波数０.４０付近に大きなピークが現れ共振モードが存在することがわかる。また、離散構造の大きさを変化させることで３次元フォトニック結晶における材料の充填率を変化させ、フォトニックバンドギャップをシフトさせ共振波長を制御することができる。異なる離散構造を含む層を含む複数の領域内に、それぞれ上記点欠陥構造を配置することで、複数波長で動作する光共振器や狭帯域動作の光フィルタをモノリシックに構成できる。もちろん、ひとつの領域に複数個の点欠陥６０１を有した構造でもよい。
【００３２】
また、図１３は各領域１３０１、１３０２、１３０３において離散構造２００ｂの屈折率が異なる３次元フォトニック結晶内部に点欠陥６０１を設けた場合の概略図である。３次元フォトニック結晶が有する有効屈折率が領域ごとに異なるために、異なる共振波長にて動作する共振器構造を実現することができる。複数の異なる波長にて狭帯域スペクトルを得る光フィルタ（狭スペクトル帯域フィルタ）応用も可能である。
【００３３】
図１４（ａ）、（ｂ）は離散構造２００ｂの形状が異なる領域１４０１、１４０２、１４０３を複数個持つ３次元フォトニック結晶内部に線欠陥６０２を導入した場合の上面図と側面図の概略図である。微細周期構造の中に線欠陥６０２を導入すると、線欠陥６０２に起因する導波モードが現れ、導波モードに対応する波長の光が線欠陥内を導波する。ｘｚ平面内の格子周期とｘｙ平面内の格子周期とを一定に保ちながら、離散構造２００ｂの形状を変化させることで、フォトニックバンドギャップ中心波長を制御する。線欠陥６０２は、例えば、柱状構造２００ａの一部を取り去った構造、柱状構造２００ａの幅を変化させた構造、柱状構造２００ａの材料屈折率を変化させた構造、柱状構造２００ａを付加した構造など、様々な手段で実現することができる。このような構造を複数個接続して配置することで、波長選択的な光導波路や光遅延回路を、格子周期を変えずにモノリシックに実現できる。
【００３４】
図１５（ａ）、（ｂ）は各領域１５０１、１５０２、１５０３において離散構造２００ｂの屈折率が異なる３次元フォトニック結晶１００の内部に線欠陥６０２を設けた場合の概略図である。２以上の複数の領域において離散構造２００ｂの屈折率を制御することにより、所望のフォトニックバンドギャップ領域と導波モードとの関係を満たすことで、界面反射を用いた波長選択導波路を実現できる。離散構造の異なる領域においてはフォトニックバンドギャップが異なるため、領域１では存在できるが、領域２では存在できない波長の光λ１に対してはフォトニックバンドギャップによりほぼ１００％の反射が起こる。このような構造を面内に複数配置することによって、複数波長で時間遅延を補償するための分散補償素子として応用することができる。
【００３５】
また、点欠陥６０１と線欠陥６０２を組み合わせることで高い波長選択性と高効率を満たす光分合波回路（アドドロップ光回路）を実現できる。
【００３６】
図１６、図１７は各領域において離散構造の屈折率が異なる３次元フォトニック結晶の内部に線欠陥６０２と点欠陥６０１を設けた場合の上面図と側面図の概略図である。光導波路と共振器とを組み合わせた構造であり、特に光通信帯域で利用する光分合波素子（光入出力回路）として有用である。
【００３７】
各領域の共振器の共振波長λ１、λ２、λ３、・・・・λｎを含む図１８に示すようなスペクトルを有する光束を導波路に導くと、各共振器でそれぞれの共振波長に応じた波長成分を有する光束を取り上げることができる。又、逆に各共振器から導波路中に合波することもできる。
【００３８】
野田らの文献（非特許文献２）には２次元面内へテロ構造を用いた光分合波素子が提案されているが、この概念をそのまま３次元フォトニック結晶に当てはめることが困難であることは前述した。しかしながら、本発明にかかる３次元フォトニック結晶を用いることにより、共振器内への光閉じ込め効果を高めることができ、より厳密な共振器モード分布制御による偏光制御や放射分布制御などが可能となり、さらには共振器位置を３次元に配置できるため光取り出し方向に自由度が増える。その結果、従来よりも狭スペクトル帯域動作であってかつ光取り出し方向に自由度が高い高性能な光分合波素子を提供することができる。
【００３９】
もちろん、離散構造の大きさ（形状）と屈折率とを変数として組み合わせてフォトニックバンドギャップ動作中心波長を制御することもできる。例えば、異なる３領域において異なる離散構造を持つ３次元フォトニック結晶の内部に適当な点欠陥を設けることで、それぞれ異なる波長で動作する共振器構造を実現することが可能である。図１９に示すように、３次元フォトニック結晶が有するフォトニックバンドギャップ内に共振波長を有するような点欠陥共振器構造を設けることによって、それぞれ、波長４５０ｎｍ付近、５３０ｎｍ付近、６３０ｎｍ付近に鋭いスペクトルピークを持つ共振器構造を実現することができる。
【実施例３】
【００４０】
本実施例は、離散構造２００ｂの形状もしくは屈折率の少なくとも一方が異なる領域を複数有する３次元フォトニック結晶の内部に発光材料を含む点欠陥を導入した発光素子に関する。上述したように、３次元フォトニック結晶の内部に点欠陥６０１を導入すると、点欠陥６０１に起因する共振モードが現れ、共振モードに対応する波長の光が点欠陥６０１内に局在する。そこで共振モードに対応する波長を含む発光材料を点欠陥として導入することにより共振波長においてスペクトル幅の狭い強い発光を実現し、光の振る舞いを３次元的に制御した高効率な発光素子を実現することができる。発光材料としては、化合物半導体、無機発光材料、有機発光材料、高分子発光材料、量子ドット、ナノクリスタルなど様々な材料を利用することができる。励起方法としては、外部光源による光励起、電流注入による励起などがある。電流注入による励起の場合には、例えば、ＡｌやＣｒなどの金属材料やＩＴＯなどの透明導電性材料を電極として狭持し発光させることが可能である。また、複数の共振器構造に対して、独立して動作する電極を作製することによって、それぞれの波長の光を独立に制御することも可能である。
【００４１】
発光材料に無機発光材料を用いたときの一例を図２０に示す。無機発光材料からなる発光層７００の上下を絶縁体７０１で狭持し、さらにその両側に電極７０２を配置している。このような発光部を点欠陥共振器構造内部に設けることで、発光される光のうちで点欠陥共振器構造によって決まる波長の光を共振させて取り出すことができる。電極には透明材料を用いることが望ましいが、ＡｌやＡｕ、Ｃｒなどの金属を用いてもよい。また、無機発光材料の一例として、ＺｎＳ：Ｍｎ、ＺｎＭｇＳ：Ｍｎ、ＺｎＳ：Ｓｍ、ＺｎＳ：Ｔｂ、ＺｎＳ：Ｔｍ、ＣａＳ：Ｅｕ、ＳｒＳ：Ｃｅ、ＳｒＳ：Ｃｕ、ＳｒＧａ２Ｓ４：Ｃｅ、ＢａＡｌ２Ｓ４：Ｅｕ  等を用いることができる。また、絶縁膜の一例としてＳｉＯ２、ＳｉＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ５、ＳｒＴｉＯ３などが使用できる。
【００４２】
また、発光材料には有機発光材料を用いてもよく、図２１に示す有機発光材料による発光構造を用いることもできる。有機発光材料を含む発光層７０３を電子輸送層７０４とホール輸送層７０５で挟み、さらに電極７０６で挟み込んだ構造とすることで、発光材料によって決まる波長を含む光を発する発光構造としている。この構造以外にも、電子注入層やホール注入層を備えた構造など、様々な構造で実現することができる。透明電極７０６にはＩＴＯなど、背面電極には、ＩＴＯのほかにも不透明であるＡｌやＣｒなどの金属を用いることも可能である。
【００４３】
典型的な低分子有機発光材料としてＡｌｑ、Ｅｕ（ＤＢＭ）３（Ｐｈｅｎ）、ＢｅＢｑ、ＤＰＶＢｉなど、典型的なホール輸送性低分子材料としてＴＰＤ、α−ＮＰＤ、ＴＰＴ、Ｓｐｉｒｏ−ＴＰＤ、典型的な電子輸送性低分子材料としてＰＢＤ、ＴＡＺ、ＯＸＤ、Ｂｐｈｅｎ、典型的な高分子有機発光材料として、発光層にポリスチレンスルホン酸やカンファースルホン酸などの酸でドーピングしたポリチオフェンやポリアニリンなどを用いた導電性ポリマーを用いてもよい。以上に挙げた材料以外にも様々な材料を用いることができる。
【００４４】
図２０、２１以外にも、化合物半導体材料、無機発光材料、有機発光材料、高分子発光材料、量子ドットやナノ結晶を含む発光材料など用いて点欠陥共振器構造内部に電流注入型の発光構造を設けることで、所望の波長を有する光を共振させて取り出すことができる。
【００４５】
図２２は電流注入用の電極にＩＴＯ等の導電性透明電極を用いた場合の構成例を示している。電流注入用の電極としてＩＴＯ等の透明電極を用いる場合には、フォトニック結晶中の点欠陥共振器から光を取り出すための導波路と電極を兼用することで単純な構成とすることができる。つまり点欠陥共振器７０７内部に挿入された発光材料７０８に対し、フォトニック結晶７０９を貫通する透明電極７１０により電流を注入して発光させる際に、透明電極はフォトニック結晶の周期性に対して線欠陥であるため、透明電極自体が導波路となって欠陥共振器で共振された光の一部をフォトニック結晶外に導くことができる。
【００４６】
また、外部光源による光励起を行う場合にはフォトニックバンドギャップ以外の波長の励起光を用いることで、発光材料を高効率で励起して発光させることができる。外部光源による発光層の光励起を行う場合の一例として、発光構造の概略図を図２３に示す。所望の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７１５は、内部にフォトニックバンドギャップ内の蛍光を発する蛍光物質を内部に含んだ点欠陥共振器７１６を形成している。フォトニック結晶７１５の下部には共振器構造内の蛍光物質を励起して発光させるため、フォトニックバンドギャップ以下の波長で発光する紫外線光源７１７が設けられている。さらに、フォトニック結晶７１５上部には、共振器構造からの発光を通過する一方で、紫外線光源からの励起光を遮断する波長選択フィルタ７１８が設けられている。これにより観察者から見て紫外線発光層からの紫外光をカットし視認性を向上できる。また、紫外線発光層に印加する電圧を制御することで発光層からの発光を制御することができる。
【００４７】
さらに、離散構造の形状もしくは屈折率の少なくとも一方が異なる領域を複数有する３次元フォトニック結晶の共振器構造内部に、発光スペクトルに共振波長が含まれる発光媒質を含むような発光源を設けることで、それぞれの共振波長にて発光するモノリシックレーザを実現することができる。例えば、共振波長を光通信帯域の波長（Ｏバンド（１２６０ｎｍ−１３６０ｎｍ）、Ｅバンド（１３６９ｎｍ−１４６０ｎｍ）、Ｓバンド（１４６０ｎｍ−１５３０ｎｍ）、Ｃバンド（１５３０ｎｍ-１５６５ｎｍ）、Ｌバンド（１５６５ｎｍ−１６２５ｎｍ）、Ｕバンド（１６２５ｎｍ−１６７５ｎｍ））に対応させることで、多波長発振レーザ光源をモノリシックに構成でき、光通信用光源の小型化・集積化が実現できる。また、共振波長を光の三原色である赤（Ｒ）緑（Ｇ）青（Ｂ）に対応させることで、ＲＧＢモノリシックレーザ光源を実現することができる。このようなＲＧＢモノリシックレーザ光源は特に投射型画像表示装置などの画像表示装置用フルカラー光源として有用である。ここでＲＧＢの波長帯域についての典型的な範囲は、Ｒ波長帯域はλＲ：６００ｎｍ−７８０ｎｍ、Ｇ波長帯域はλＧ：５００ｎｍ−６００ｎｍ、Ｂ波長帯域はλＢ：４００ｎｍ−５００ｎｍである。発光を実現するための具体的な手段については、上記の多様な方法を用いることができる。
【００４８】
もちろん、ＲＧＢ３色に限らず、例えば、コンパクトディスク（ＣＤ）およびＤＶＤにおける光記録再生用光源に用いる場合には、動作波長を７８５ｎｍと６６０ｎｍ付近で共振波長を持つように配置するとよい。さらに、波長４０５ｎｍの青色波長帯域を用いる高密度光記録再生用光源にも適用することができる。よって、光記録再生用光源として、３つの波長の光を発光するモノリシック光源を構成することも可能であり、光ディスク記録再生用光ヘッドの小型化および複合化に有用である。
【実施例４】
【００４９】
本発明にかかる３次元フォトニック結晶を用いたカラーフィルタの概略図を図２４に示す。設計波長でフォトニックバンドギャップを実現する３次元フォトニック結晶を複数個配置した構造をとっており、例えば、各々の領域１〜４を液晶パネルの画素面積と一致させるように配置することで、表示装置用カラーフィルタとしてあるいは各領域を撮像素子の画素面積と一致させるように配置することで撮像装置用カラーフィルタとして応用できる。三次元周期構造設計により、動作中心波長、動作波長帯域を自由に選択することが可能で、かつ、フォトニックバンドギャップを利用することで入射角度特性に優れ色再現性のよい、高品質なカラーフィルタを実現できる。また、各々の動作波長に対する構造を一括して作製できるため、液晶パネルや撮像素子へのアライメントが容易になる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明に係るフォトニック結晶の実施例１の説明図
【図２】本発明に係るフォトニック結晶の実施例１の説明図
【図３】本発明に係るフォトニック結晶の実施例１の説明図
【図４】本発明に係るフォトニック結晶の実施例１のフォトニックバンド構造の説明図
【図５】本発明に係るフォトニック結晶の実施例１の他の形態の説明図
【図６】本発明に係るフォトニック結晶の実施例１の他の形態の説明図
【図７】本発明に係るフォトニック結晶の実施例１の他の形態の説明図
【図８】本発明に係るフォトニック結晶の作製方法の説明図
【図９】本発明に係るフォトニック結晶の離散構造の説明図
【図１０】本発明に係るフォトニック結晶の実施例２の説明図
【図１１】本発明に係るフォトニック結晶の実施例２の説明図
【図１２】本発明に係るフォトニック結晶の実施例２の共振モードの説明図
【図１３】本発明に係るフォトニック結晶の実施例２の説明図
【図１４】本発明に係るフォトニック結晶の実施例２の説明図
【図１５】本発明に係るフォトニック結晶の実施例２の説明図
【図１６】本発明に係るフォトニック結晶の実施例２の説明図
【図１７】本発明に係るフォトニック結晶の実施例２の説明図
【図１８】本発明に係るフォトニック結晶の実施例２の光強度に関する説明図
【図１９】本発明に係るフォトニック結晶の実施例２の光強度に関する説明図
【図２０】本発明に係るフォトニック結晶を用いた光学素子の実施例３の説明図
【図２１】本発明に係るフォトニック結晶を用いた光学素子の実施例３の説明図
【図２２】本発明に係るフォトニック結晶を用いた光学素子の実施例３の説明図
【図２３】本発明に係るフォトニック結晶を用いた光学素子の実施例３の説明図
【図２４】本発明に係るフォトニック結晶を用いた光学素子の実施例４の説明図
【図２５】従来のフォトニック結晶の説明図
【図２６】従来のフォトニック結晶の説明図
【符号の説明】
【００５１】
１００  フォトニック結晶
２００  第２の領域
３００  第１の領域
２００ａ  柱状構造（角柱）
２００ｂ  離散構造（直方体）
２０１  第１の層
２０２  第２の層
２０３  第３の層
２０４  第４の層
２０５  第５の層
２０６  第６の層
２０７  第７の層
２０８  第８の層
２０９  第９の層
２１０  第１０の層
２１１  第１１の層
２１２  第１２の層
２０１ａ  角柱
２０４ａ  角柱
２０７ａ  角柱
２１０ａ  角柱
２０２ａ  直方体
２０３ａ  直方体
２０５ａ  直方体
２０６ａ  直方体
２０８ａ  直方体
２０９ａ  直方体
２１１ａ  直方体
２１２ａ  直方体
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【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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