(57)【要約】    【課題】  単一モードかつ導波方向に垂直な面内において単峰性の電場強度分布を有するモードで導波可能で、かつ所望の周波数帯域で導波することができる３次元フォトニック結晶を利用した導波路を得ること。    【解決手段】  ３次元フォトニック結晶の複数の線状欠陥部により形成される導波路であって、複数の線状欠陥部は、柱状構造の屈折率以上の屈折率を有する媒質により、柱状構造が延びる方向に対して垂直方向に形成された第１の線状欠陥部と、第１の線状欠陥部と同じ方向に延びる柱状構造の一部を変形した第２の線状欠陥部を有することを特徴とする。【選択図】  図４
2008052127.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
３次元フォトニック結晶の複数の線状欠陥部により形成される導波路であって、該３次元フォトニック結晶は、複数の柱状構造が間隔を空けて配列された第１の層と、該第１の層の前記柱状構造が延びる方向に対して垂直方向に延びる複数の柱状構造が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間隔を空けて配列された第４の層を有し、該第１の層と該第３の層に含まれる柱状構造が、相互に該柱状構造の延びる方向と垂直な方向に前記間隔の半分ずれるように積層され、該第２の層と該第４の層に含まれる柱状構造が、相互に該柱状構造の延びる方向と垂直な方向に前記間隔の半分ずれるように積層されており、
前記複数の線状欠陥部は、前記柱状構造の屈折率以上の屈折率を有する媒質により、該柱状構造が延びる方向に対して垂直方向に形成された第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柱状構造の一部を変形した第２の線状欠陥部を有することを特徴とする導波路。
【請求項２】
３次元フォトニック結晶の複数の線状欠陥部により形成される導波路であって、該３次元フォトニック結晶は、複数の柱状構造が間隔を空けて配列された第１の層と、該第１の層の前記柱状構造が延びる方向に対して垂直方向に延びる複数の柱状構造が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間隔を空けて配列された第４の層を有し、該第１の層と該第３の層に含まれる柱状構造が、相互に該柱状構造の延びる方向と垂直な方向に前記間隔の半分ずれるように積層され、該第２の層と該第４の層に含まれる柱状構造が、相互に該柱状構造の延びる方向と垂直な方向に前記間隔の半分ずれるように積層されており、
前記複数の線状欠陥部は、前記柱状構造の屈折率以上の屈折率を有する媒質により、該柱状構造が延びる方向に対して垂直方向に形成された第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柱状構造の一部を該柱状構造の屈折率より小さい屈折率を有する媒質により形成した第２の線状欠陥部を有することを特徴とする導波路。
【請求項３】
３次元フォトニック結晶の複数の線状欠陥部により形成される導波路であって、該３次元フォトニック結晶は、複数の柱状構造が間隔を空けて配列された第１の層と、該第１の層の前記柱状構造が延びる方向に対して垂直方向に延びる複数の柱状構造が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、前記第１の層から前記第４の層が各層の間に前記付加層を介して積層され、前記第１の層と前記第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前記間隔の半分ずれるように積層され、前記第２の層と前記第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間隔の半分ずれるように積層されており、前記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ており、
前記複数の線状欠陥部は、前記柱状構造の屈折率以上の屈折率を有する媒質により、該柱状構造が延びる方向に対して垂直方向に形成された第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柱状構造の一部を変形した第２の線状欠陥部を有することを特徴とする導波路。
【請求項４】
３次元フォトニック結晶の複数の線状欠陥部により形成される導波路であって、該３次元フォトニック結晶は、複数の柱状構造が間隔を空けて配列された第１の層と、該第１の層の前記柱状構造が延びる方向に対して垂直方向に延びる複数の柱状構造が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、前記第１の層から前記第４の層が各層の間に前記付加層を介して積層され、前記第１の層と前記第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前記間隔の半分ずれるように積層され、前記第２の層と前記第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間隔の半分ずれるように積層されており、前記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ており、
前記複数の線状欠陥部は、前記柱状構造の屈折率以上の屈折率を有する媒質により、該柱状構造が延びる方向に対して垂直方向に形成された第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柱状構造の一部を該柱状構造の媒質の屈折率より小さい屈折率を有する媒質により形成した第２の線状欠陥部を有することを特徴とする導波路。
【請求項５】
３次元フォトニック結晶の複数の線状欠陥部により形成される導波路であって、該３次元フォトニック結晶は、複数の柱状構造が間隔を空けて配列された第１の層と、該第１の層の前記柱状構造が延びる方向に対して垂直方向に延びる複数の柱状構造が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、前記第１の層から前記第４の層が各層の間に前記付加層を介して積層され、前記第１の層と前記第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前記間隔の半分ずれるように積層され、前記第２の層と前記第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間隔の半分ずれるように積層されており、前記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ており、
前記複数の線状欠陥部は、前記柱状構造の屈折率以上の屈折率を有する媒質により、該柱状構造が延びる方向に対して垂直方向に形成された第１の線状欠陥部と、該第１の線状欠陥部と同じ方向に配列された離散構造の一部を変形した第２の線状欠陥部を有することを特徴とする導波路。
【請求項６】
３次元フォトニック結晶の複数の線状欠陥部により形成される導波路であって、該３次元フォトニック結晶は、複数の柱状構造が間隔を空けて配列された第１の層と、該第１の層の前記柱状構造が延びる方向に対して垂直方向に延びる複数の柱状構造が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、前記第１の層から前記第４の層が各層の間に前記付加層を介して積層され、前記第１の層と前記第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前記間隔の半分ずれるように積層され、前記第２の層と前記第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間隔の半分ずれるように積層されており、前記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ており、
前記複数の線状欠陥部は、前記柱状構造の屈折率以上の屈折率を有する媒質により、該柱状構造が延びる方向に対して垂直方向に形成された第１の線状欠陥部と、該第１の線状欠陥部と同じ方向に配列された離散構造の一部を前記離散構造の媒質の屈折率より小さい屈折率を有する媒質により形成した第２の線状欠陥部を有することを特徴とする導波路。
【請求項７】
３次元フォトニック結晶の複数の線状欠陥部により形成される導波路であって、該３次元フォトニック結晶は、複数の柱状構造が間隔を空けて配列された第１の層と、該第１の層の前記柱状構造が延びる方向に対して垂直方向に延びる複数の柱状構造が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、前記第１の層から前記第４の層が各層の間に前記付加層を介して積層され、前記第１の層と前記第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前記間隔の半分ずれるように積層され、前記第２の層と前記第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間隔の半分ずれるように積層されており、前記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ており、
前記複数の線状欠陥部は、前記柱状構造の媒質の屈折率以上の屈折率を有する媒質により、該柱状構造が延びる方向に対して垂直方向に配置した第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柱状構造の一部および該第１の線状欠陥部と同じ方向に配列された離散構造の一部を変形した第２の線状欠陥部を有することを特徴とする導波路。
【請求項８】
３次元フォトニック結晶の複数の線状欠陥部により形成される導波路であって、該３次元フォトニック結晶は、複数の柱状構造が間隔を空けて配列された第１の層と、該第１の層の前記柱状構造が延びる方向に対して垂直方向に延びる複数の柱状構造が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、前記第１の層から前記第４の層が各層の間に前記付加層を介して積層され、前記第１の層と前記第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前記間隔の半分ずれるように積層され、前記第２の層と前記第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間隔の半分ずれるように積層されており、前記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ており、
前記複数の線状欠陥部は、前記柱状構造の媒質の屈折率以上の屈折率を有する媒質により、該柱状構造が延びる方向に対して垂直方向に形成された第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柱状構造の一部を前記柱状構造の媒質の屈折率より小さい屈折率を有する媒質により形成し、該第１の線状欠陥部と同じ方向に配列された離散構造の一部を前記離散構造の媒質の屈折率より小さい屈折率を有する媒質により形成した第２の線状欠陥部を有することを特徴とする導波路。
【請求項９】
前記第１の線状欠陥部と前記第２の線状欠陥部は、前記３次元フォトニック結晶の積層方向に、面外格子周期以内に配置されていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の導波路。
【請求項１０】
前記第２の線状欠陥部は、前記第１の線状欠陥部に最も近い柱状構造に形成されていることを特徴とする請求項１乃至４、７、８のいずれか１項に記載の導波路。
【請求項１１】
請求項１乃至８のいずれか１項に記載の導波路と、前記３次元フォトニック結晶の点欠陥により形成される共振器から構成され、前記共振器からの光が前記導波路を導波することを特徴とする発光素子。
【請求項１２】
請求項１乃至８のいずれか１項に記載の導波路において、前記第１の線状欠陥部又は第２の線状欠陥部は活性媒質を備え、該活性媒質を励起する励起手段を有することを特徴とする発光素子。
【請求項１３】
請求項１乃至８のいずれか１項に記載の導波路と、前記３次元フォトニック結晶の点欠陥により形成される共振器から構成されていることを特徴とする光合分波回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３次元的な屈折率周期構造を有する３次元フォトニック結晶を用いた導波路及びそれを有する発光素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、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ことができるという概念は、Ｙａｂｌｏｎｏｖｉｔｃｈによって提唱されている（非特許文献１）。
【０００３】
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することができる。ここで電磁波の波長を光の波長オーダーにまで小さく（短く）すると、光の透過・反射特性を制御することができる。
【０００４】
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、ある波長域で反射率を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と言われている。
【０００５】
また、波長以下の大きさの構造物を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。
【０００６】
完全フォトニックバンドギャップ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または線状の周期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。
【０００７】
特に線状欠陥部を適切に設けることで、線状欠陥内に光を強く閉じ込めたまま、急峻な曲げ導波路や分合波導波路を実現することができることが知られている。（特許文献１）（非特許文献２）。
【０００８】
完全フォトニックバンドギャップの実現可能な３次元フォトニック結晶としては図３１（ａ）〜（ｆ）に示すようないくつかの構造が挙げられる。
【０００９】
図３１（ａ）〜（ｆ）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、３次元周期構造の反転構造（インバース構造）、ダイヤモンドウッドパイル構造である。
【非特許文献１】Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，  Ｖｏｌ．  ５８，  ｐｐ．  ２０５９，  １９８７年
【特許文献１】特開２００１−７４９５５号公報
【非特許文献２】第６５回応用物理学会学術講演会  講演予稿集，ＮＯ．３，ｐｐ９３６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
３次元フォトニック結晶による完全フォトニックバンドギャップ（ＰＢＧ）を利用して導波路を構成すると一般的に、ＰＢＧ内のある周波数の光に対して、単一モードで導波する周波数帯域と、複数モードで導波する周波数帯域が存在する。ここで単一モードとは、導波路を導波するモードのうち、１つの周波数の光に対して、１つの波数ベクトルを有する状態で導波可能なモードのことを指す。導波路を、光回路や発光素子などに用いる場合、光回路や発光素子で利用する光の周波数帯域において、単一モードで導波させることが可能な導波路が必要である。特に、フォトニック結晶中に点欠陥部を設けることで形成した共振器と導波路を組み合わせて利用する場合、点欠陥共振器の動作周波数は、欠陥部を構成する媒質や構造によって決定される。一方、共振器が所望の性能を得るためには、共振器構造や媒質を適切に設計する必要がある。そのため、共振器構造や媒質を変えることによって、共振器が所望の性能を有したまま、共振器の動作周波数を自由に制御することは難しい。そこで、このような共振器と導波路を組み合わせて利用する場合には、導波路の単一モードで導波することが可能な帯域を、共振器の動作周波数に合わせることが必要である。すなわち、単一モードで導波することが可能な周波数帯域を制御する手段を有した導波路であることが必要である。
【００１１】
また、複数の異なる周波数の光で動作可能な光回路や発光素子に、導波路を利用するためには、複数の異なる周波数の光のすべての帯域において単一モードで導波可能であることが必要である。また、フォトニック結晶および導波路を作製する際、作製誤差によって単一モードで導波可能な周波数帯域が変化する可能性がある。そのため、単一モードで導波することが可能な周波数帯域が広い導波路の方が、許容誤差を大きくすることができる。従って、広い周波数帯域で、単一モードで動作可能な導波路であることが望ましい。
【００１２】
さらに、フォトニック結晶を利用した導波路の各導波モードは、導波路内において固有の周期的な電場強度分布を有している。導波路を導波してきた光を導波路端部から外部へ取り出して使用する場合、導波路端部から出射される光の電場強度分布は、導波方向に垂直な断面内において、対称性の良い単峰性の電場強度分布をしていることが好ましい。導波路端部から出射される光の電場強度分布は、各導波モードの導波路端部における、導波方向に垂直な面内における電場強度分布に応じて形成される。従って、導波モードは、所定の領域に強く集中し、導波方向に垂直な面内において単峰性の電場強度分布を有していることが望まれる。
【００１３】
図３１（ｂ）に示されるウッドパイル構造の内部に、線欠陥導波路が構成されている特許文献１には、柱状構造の一部分を除去し、線状欠陥部とすることによって形成した導波路構造が記載されている。また、この導波路構造は、特定の帯域において、単一モードかつ単峰性に近い強度分布を有するモードで導波可能な導波路を実現できることが記載されている。しかしながらＰＢＧの一部の周波数帯域では、複数モードで導波する領域となっており、利用できる帯域が制限されている。また、３次元フォトニック結晶を形成する媒質を、さらに低い屈折率を有する媒質で構成した場合、ＰＢＧを有する周波数領域が狭くなるとともに、単一モードで利用できる周波数帯域は、急激に狭くなってしまう。さらに、この導波路構造は、単一モードで利用できる周波数帯域を制御する手段を有していないため、単一モードで利用できる周波数帯域は制限される。
【００１４】
非特許文献２には、図３１（ｂ）に示されるウッドパイル構造の内部に線状欠陥部と、線状欠陥部に隣接する層に柱状構造を追加することによって形成した導波路構造が記載されている。非特許文献２には、比較的広い周波数帯域で、単一モードで導波可能であることが示されている。しかしながら、この導波路構造を形成すると、導波モードの導波方向に垂直な面内における電場強度分布および導波方向と積層方向に平行な面内における電場分布は、図３２（ａ）および図３２（ｂ）に示すような電場強度分布となる。図３２（ａ）および  図３２（ｂ）において、中央部で白く表示されている部分ほど、電場強度が強いことを表している。図３２（ａ）に示すように、電場強度分布は、追加した柱状構造部分に強く集中するような、双峰的な分布となってしまい、応用上好ましくない。また、図３２（ｂ）に示すように、電場分布は、導波路内で大きく変化する。従って、３次元フォトニック結晶内に、この導波路構造と他の共振器構造や導波路構造を配置し、デバイスとして利用する場合、作製誤差などによって、配置する構造の位置が微小に変化すると、各構造が有する電場分布の相対的な位置関係が大きく変化する。各構造間における電場の伝搬特性は、各構造が有する電場分布の相対的な位置関係で決定されるため、配置する構造の位置が微小に変化すると、各構造間の電場の伝搬特性が大きく変化し、デバイスの性能が著しく変化する。そのため、この導波路構造を用いたデバイスで所望の性能を得るためには、各構造を高い位置精度で配置する必要があり、高度な作製技術が必要となる。
【００１５】
さらに、以上で述べた２つの導波路構造は、各導波路の導波モードの周波数を変える手段を有していないため、所望の周波数帯域で、単一モードで導波可能な導波路を得ることができない。
【００１６】
本発明は、単一モードかつ導波方向に垂直な面内において単峰性の電場強度分布を有するモードで導波可能で、かつ所望の周波数帯域で導波することができる３次元フォトニック結晶を利用した導波路及びそれを有する発光素子の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明の導波路は、
３次元フォトニック結晶の複数の線状欠陥部により形成される導波路であって、該３次元フォトニック結晶は、複数の柱状構造が間隔を空けて配列された第１の層と、該第１の層の前記柱状構造が延びる方向に対して垂直方向に延びる複数の柱状構造が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間隔を空けて配列された第４の層を有し、該第１の層と該第３の層に含まれる柱状構造が、相互に該柱状構造の延びる方向と垂直な方向に前記間隔の半分ずれるように積層され、該第２の層と該第４の層に含まれる柱状構造が、相互に該柱状構造の延びる方向と垂直な方向に前記間隔の半分ずれるように積層されており、
前記複数の線状欠陥部は、前記柱状構造の屈折率以上の屈折率を有する媒質により、該柱状構造が延びる方向に対して垂直方向に形成された第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柱状構造の一部を変形した第２の線状欠陥部を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、単一モードかつ導波方向に垂直な面内において単峰性の電場強度分布を有するモードで導波可能で、かつ所望の周波数帯域で導波することができる導波路が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明を各実施例に基づいて詳細に説明する。
【実施例１】
【００２０】
図１はウッドパイル構造Ａの概略図である。ウッドパイル構造Ａはｘｙ平面を含む４つの層１０１〜１０４を基本周期として構成されている。
【００２１】
図２は図１の各層１０１〜１０４のｘｙ断面の概略図である。第１の層１０１および第３の層１０３は、ｘ軸方向に延びる複数の柱状構造１０１ａおよび１０３ａが等間隔Ｐでｘ軸方向と直交するｙ軸方向に周期的に配置されている。ここで柱状構造１０１ａと１０３ａはそれぞれｙ軸方向にＰ／２ずれた位置（柱状構造の間隔Ｐの半分ずれた位置）に配置されている。
【００２２】
また、第２の層１０２および第４の層１０４は、ｙ軸方向に延びる複数の柱状構造１０２ａおよび１０４ａが等間隔Ｐでｙ軸方向と直交するｘ軸方向に配置されている。ここで柱状構造１０２ａと柱状構造１０４ａはそれぞれｘ軸方向にＰ／２ずれた位置に配置されている。つまり、柱状構造１０２ａと柱状構造１０４ａは、柱状構造１０１ａと柱状構造１０３ａに対して垂直方向に延びている。
【００２３】
柱状構造１０１ａ〜１０４ａ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。
【００２４】
本実施例で用いるウッドパイル構造Ａの構造パラメータを表１に示す。
【００２５】
以下、構造パラメータにおいて、面内格子周期とは図２に示した柱状構造１０１ａ〜１０４ａの層内の周期方向の間隔Ｐをいう。また面外格子周期とは複数層からなる基本周期をいい、例えばウッドパイル構造Ａにおいては層１０１〜１０４の４層分の積層方向（ｚ軸方向）の長さをいう。
【００２６】
また、表１の屈折率は、ウッドパイル構造の柱状構造１０１ａ〜１０４ａを構成する媒質（材料）の屈折率を表わしている。ウッドパイル構造の柱状構造以外の部分の媒質は空気であって屈折率は１．０である。
【００２７】
さらに、柱状構造幅とは、層内における柱状構造が延びる方向に垂直な方向の長さ、柱状構造高さとは、柱状構造の積層方向（ｚ軸方向）の長さをいう。以下の各実施例においても同様である。
【００２８】
【表１】
2008052127.tif 000003
【００２９】
図３はウッドパイル構造Ａのフォトニックバンドギャップを平面波展開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に入射する電磁波の入射方向を表している。
【００３０】
例えばＫ点はｘ軸（もしくはｙ軸）に平行な波数ベクトル、Ｘ点はｘｙ平面内において、ｘ軸（もしくはｙ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３において網掛けで示された領域β周波数帯域においては、光の入射方向によらず光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。このような３次元フォトニック結晶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欠陥モードを生成する。この欠陥モードは、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、線状の欠陥部を設けると、線状の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、線状の欠陥部が延びる方向に導波するモードとなる。
【００３１】
図４は、図１のウッドパイル構造Ａの内部に複数の線状欠陥部を設けた導波路構造Ｂの概略図である。導波路構造Ｂは、図１に示すウッドパイル構造Ａの内部にｙ軸方向に延びる線状欠陥部（第１の線状欠陥部）２０を含む。そして線状欠陥部２０が形成される層とは異なる層に位置し、ｙ軸方向に延びる柱状構造１０２ａの一部を除去した第２の線状欠陥部２００を含む。図４（ａ）は、導波路構造のｘｚ断面である。図４（ｂ）、（ｃ）は導波路構造Ｂのｘｙ断面である。本実施例では、ｙ軸方向に延び、０．６０Ｐの幅を有する第１の線状欠陥部２０と、ｙ軸方向に延びる柱状構造の一部を除去した第２の線状欠陥部２００とを含む構造について示した。第１の線状欠陥部２０は、第１の層１０１において、第１の柱状構造１０１ａの延びるｘ軸方向に対して垂直なｙ軸方向に延びる柱状の形状を有し、層１０１内に含まれる柱状構造１０１ａ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２００は、第１の層１０１とは異なる第２の層１０２において柱状構造１０２ａの一部の幅を変化させたものである。即ち柱状構造１０２ａの形状を変化させたものである。導波路構造Ｂの構造パラメータを表２に示す。
【００３２】
座標の原点は、図４（ａ）のｘｚ断面において、第１の線状欠陥部２０の中心とした。また、各欠陥部の層内におけるｘ軸方向の長さを欠陥部幅、各欠陥部の積層方向（Ｚ軸方向）の長さを欠陥部高さ、各欠陥部２０、２００を構成する媒質の屈折率を欠陥部屈折率とする。表２および図４中では欠陥部幅を２０ｗ、２００ｗとし、欠陥部高さを２０ｈ、２００ｈ、欠陥部屈折率を２０ｎとした。
【００３３】
【表２】
2008052127.tif 000004
【００３４】
図５（ａ）は、導波路構造Ｂについて平面波展開（ＰＷＥ）法を用いて、導波モードを計算した結果を示すグラフである。図５（ａ）のグラフの横軸は、格子周期Ｐで規格化した波数ベクトルの導波方向（ｙ軸方向）成分の大きさを表しており、グラフの縦軸は格子周期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α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おり、完全フォトニックバンドギャップ内で存在するモードは、欠陥部に起因した欠陥モードを示している。さらに、領域βで示した周波数帯域は、欠陥モードのうち、単一モードで導波可能な周波数帯域を表している。また、図５（ｂ）、図５（ｃ）は、導波路構造Ｂで、単一モードで導波可能な周波数帯域における導波モードのｘｚ断面およびｙｚ断面における電場強度分布について、有限差分時間領域（ＦＤＴＤ）法を用いて計算した結果を示している。図５（ｂ）、図５（ｃ）において、白く表示されている部分は、電場強度が強い部分を表している。
【００３５】
図５（ａ）に示したように、単一モードで導波可能な周波数帯域は、０．４４１から０．４５６の範囲で存在している。導波路構造Ｂにおいて、第２の線状欠陥部２００を設けず、第１の線状欠陥部２０だけを設けた場合の導波モードを、ＰＷＥ法を用いて計算すると、単一モードで導波可能な周波数帯域は、０．４３２から０．４３５となる。従って、第２の線状欠陥部２００を設けることによって、広い周波数帯域で単一モードで導波可能な導波路が得られることが分かる。さらに図５（ｂ）、図５（ｃ）に示したように、導波モードは、導波路の中心付近に電場強度が強く集中する単峰性の電場強度分布を有している。
【００３６】
次に、導波路構造Ｂにおいて、第２の線状欠陥部２００の欠陥部幅２００ｗを変化させたときの単一モードで導波可能な周波数帯域の変化を図６に示す。
【００３７】
図６は、横軸に第２の線状欠陥部２００の欠陥部幅２００ｗ、縦軸に規格化周波数を表している。また、図中の点を結んだ実線および破線は、それぞれ単一モードで導波可能な周波数帯域の高周波数および低周波数である。図６に示すように、欠陥部幅２００ｗを変化させることによって、単一モードで導波可能な周波数帯域が変化する様子が分かる。  従って、導波路構造Ｂにおいて、第２の線状欠陥部２００の形状を変化させることによって、単一モードで導波可能な周波数帯域を制御することができる。
【００３８】
従来の導波路構造と比べて、本実施例の導波路構造Ｂによって、単一モードで導波可能な周波数帯域が制御でき、導波方向に垂直な面内（ＹＺ断面）において単峰性の強度分布を有するモードを得ることができる理由を以下に説明する。
【００３９】
導波路の導波モードの電場分布は、高屈折率材料部分に集中しやすい性質がある。従来例で提案されている導波路構造は、高誘電体材料で形成された２つの線状欠陥部が、低誘電体材料で形成された線状欠陥部の上下に、互いに近い場所に配置している。そのため、導波モードの電場分布は、高屈折率材料で形成された２つの線状欠陥部に集中し、その間の低屈折率材料で形成された線状欠陥部には、ほとんど集中しない。従って、導波方向（ｘ軸方向）に垂直な面内における電場分布は、双峰的な分布となってしまう。一方、本実施例にかかる導波路構造Ｂでは、第１の線状欠陥部２０を高誘電体材料（高屈折材料）で形成している。また、第１の線状欠陥部２０の上下が低屈折率材料で形成された領域となるように、第１の線状欠陥部２０を配置している。そのため、導波モードの電場分布は、高屈折率媒質で形成された第１の線状欠陥部２０に強く集中する。従って、導波方向に垂直な面内（ＹＺ断面）における電場分布は、第１の線状欠陥部２０に強く集中するような単峰性の分布を持つこととなる。
【００４０】
また、導波路構造Ｂの導波モードにおいて、波数ベクトルの導波方向成分の大きさが、Ｋに近い導波モードの電場分布とΓに近い導波モードの電場分布を比較すると、Ｋに近いモードの電場分布は、第１の線状欠陥部２０に比較的強く集中している。一方、Γに近いモードは、第１の線状欠陥部２０から離れたところまで、電場分布が広がっており、特に線状欠陥部に対して積層方向に広がりを持っている。同様に、導波路構造Ｂの導波モードにおいて、ＰＢＧの低周波数側に近い導波モードの電場分布とＰＢＧの高周波数側に近い導波モードの電場分布を比較する。ＰＢＧの低周波数側に近い導波モードの電場分布は、第１の線状欠陥部２０に比較的強く集中し、一方、ＰＢＧの高周波数側に近い導波モードは、第１の線状欠陥部２０から離れたところまで、電場分布が広がっており、特に積層方向に広がりを持っている。
【００４１】
光の周波数と波数ベクトルの関係が空間の屈折率で決まるように、導波モードの周波数と波数ベクトルの関係はモード屈折率で決まり、波数ベクトルが一定であれば、モード屈折率が低くなるほどモードの周波数は高周波数となる。また、モード屈折率は、モードの電場分布が構造の高屈折率部分に集中する割合によって、決定される。従って、第１の線状欠陥部２０から異なる層内に第２の線状欠陥部２００を形成する。そして、第２の線状欠陥部２００の形状を変化させて、局所的に屈折率を低下させる。これにより、導波モードの波数ベクトルの導波方向成分の大きさがΓに近いモード、およびＰＢＧの高周波数側に近いモードのモード屈折率が低下し、各モードの周波数が高周波数側へ変化する。その結果、単一モードで導波可能な周波数帯域の拡大や、単一モードで導波可能な周波数の制御が可能となる。
【００４２】
なお、本実施例では、第１の線状欠陥部２０と同じ方向に延びる柱状構造を含む層で、第１の線状欠陥部２０の最も近くに位置する柱状構造に第２の線状欠陥部２００を設けた。他の柱状構造に第２の線状欠陥部を設けてもよい。例えば、第１の線状欠陥部に隣り合う層内において、さらに離れた場所に位置する柱状構造に第２の線状欠陥部を設けても同様の効果が得られる。また、第１の線状欠陥部から積層方向にさらに離れた層内に位置する柱状構造に第２の線状欠陥部を設けても、同様の効果が得られる。導波方向に垂直な面内（ＹＺ断面）において、第１の線状欠陥部２０と第２の線状欠陥部２００とを結ぶ長さは、面外格子周期以内であると効果的である。また、第２の線状欠陥部２００を設ける柱状構造の数は、本実施例に制限されるものではなく、３つ以下でも、５つ以上でも良い。また、複数の線状欠陥部を設けた場合、各欠線状陥部は互いに異なる形状であってもよい。第２の線状欠陥部を設ける位置、数、形状を細かく制御することで、導波モードの周波数のさらに細かい制御が可能となる。
【実施例２】
【００４３】
実施例２は、実施例１の導波路構造Ｂに対して、柱状構造を構成する媒質の屈折率を変えた導波路構造Ｃに関する。導波路構造Ｃの構造パラメータを表３に示す。
【００４４】
【表３】
2008052127.tif 000005
【００４５】
図７（ａ）、図７（ｂ）には、導波路構造Ｃで、単一モードで導波可能な周波数帯域における導波モードのｘｚ断面とＹＺ断面における電場強度分布を示した。図７（ａ）、図７（ｂ）において、白く表示されている部分は、電場強度が強い部分を表している。さらに、図７（ｃ）に、導波路構造Ｃにおいて、第２の線状欠陥部２００の欠陥部幅２００ｗを変化させたときの単一モードで導波可能な周波数帯域の変化の様子を示す。図７（ｃ）は、横軸に欠陥部幅２００ｗ、縦軸に規格化周波数を表している。また図中の点を結ぶ実線および破線は、それぞれ単一モードで導波可能な周波数帯域の高周波数および低周波数である。なお、導波モードの計算はＰＷＥ法を用いて計算し、導波モードの電場分布の計算は、ＦＤＴＤ法を用いた。
【００４６】
図７（ａ）、図７（ｂ）に示したように、導波モードは、導波路の中心付近に電場強度が強く集中する単峰性に近い電場分布を有していることが分かる。また、図７（ｃ）に示したように、第２の線状欠陥部２００の幅２００ｗが、０．１０Ｐのとき、単一モードで導波可能な周波数帯域は、０．３３８から０．３６４の範囲で存在している。導波路構造Ｃにおいて、第２の線状欠陥部を設けずに第１の線状欠陥部２０だけを設けた場合の導波モードをＰＷＥ法を用いて計算すると、単一モードで導波可能な周波数帯域は、０．３３６から０．３４３となる。従って、第２の線状欠陥部２００を設けることによって、広い周波数帯域で単一モードで導波可能な導波路が得られることが分かる。また、図７（ｃ）に示したように、欠陥部幅２００ｗを変化させることによって、単一モードで導波可能な領域が変化する様子が分かる。従って、３次元フォトニック結晶構造を形成する媒質の屈折率に関わらず、導波路の中心付近に電場分布が強く集中する導波モードを有する導波路が得られることが分かる。また、第２の線状欠陥部２００の形状によって、単一モードで導波可能な帯域を制御できることが分かる。
【実施例３】
【００４７】
実施例３は、実施例１の導波路構造Ｂに対して、第１の線状欠陥部２０を柱状構造の媒質の屈折率以上の屈折率を有する媒質で形成した導波路構造Ｄに関する。導波路構造Ｄの構造パラメータを表４に示す。
【００４８】
【表４】
2008052127.tif 000006
【００４９】
図８（ａ）、図８（ｂ）には、導波路構造Ｄで、単一モードで導波可能な周波数帯域における導波モードのｘｚ断面とＹＺ断面における電場強度分布を示した。図８（ａ）、図８（ｂ）において、白く表示されている部分は、電場強度が強い部分を表している。さらに、導波路構造Ｄにおいて、欠陥部幅２００ｗを変化させたときの単一モードで導波可能な周波数帯域の変化の様子について図８（ｃ）に示す。図８（ｃ）は、横軸に欠陥部幅２００ｗ、縦軸に規格化周波数を表している。また図中の点を結ぶ実線および破線は、それぞれ単一モードで導波可能な周波数帯域の高周波数および低周波数である。なお、導波モードの計算はＰＷＥ法を用いて計算し、導波モードの電場分布の計算は、ＦＤＴＤ法を用いた。
【００５０】
図８（ａ）、図８（ｂ）に示したように、導波モードは、導波路の中心付近に電場強度が強く集中する単峰性に近い電場分布を有していることが分かる。また、図８（ｃ）に示したように、第２の線状欠陥部２００の欠陥部幅２００ｗを変化させることによって、単一モードで導波可能な領域が変化する様子が分かる。従って、第１の線状欠陥部２０を、３次元フォトニック結晶構造を形成する媒質よりも高い屈折率を有する媒質で形成しても、導波路の中心付近に電場分布が強く集中する導波モードを有する導波路が得られることが分かる。また、第２の線状欠陥部２００を設け、形状を変化させることによって、単一モードで導波可能な帯域を制御できることが分かる。
【実施例４】
【００５１】
図９は実施例４の導波路構造Ｅの要部概略図である。
第２の線状欠陥部３００は、第２の線状欠陥部３００と同じ層に含まれる柱状構造を構成する媒質の屈折率とは異なる屈折率を有する媒質で形成されている。この導波路構造Ｅによれば、電場分布が導波路中心部に強く集中する導波モードが得られる。また、第２の線状欠陥部３００の屈折率を変化させることで単一モードで導波可能な周波数帯域が制御できる。
【００５２】
導波路構造Ｅは、ウッドパイル構造Ａの内部に、ｙ軸方向に延びる第１の線状欠陥部３０と、第１の線状欠陥部３０とは異なる層に位置し、ｙ軸方向に延びる柱状構造１０２ａの一部に形成した第２の線状欠陥部３００を有している。第１の線状欠陥部３０は、第１の層１０１において、柱状の形状を有し、フォトニック結晶構造Ａを構成する柱状構造１０１ａ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３００は、第２の層１０２において、柱状構造１０２ａの一部を、ウッドパイル構造Ａの柱状構造を構成する媒質とは異なる屈折率を有する媒質で構成することによって形成されている。図９（ｂ）、（ｃ）は導波路構造Ｅの各層のＸＹ断面図である。本実施例では、０．６０Ｐの幅を有する第１の線状欠陥部３０と、ｙ軸方向に延びる柱状構造の一部を、屈折率１．７を有する媒質で形成した第２の線状欠陥部３００とを含む構造について示した。なお、各欠陥部の層内におけるｘ軸方向の長さを欠陥部幅、各欠陥部の積層方向（Ｚ軸方向）の長さを欠陥部高さ、各欠陥部を構成する媒質の屈折率を欠陥部屈折率とする。図９および表５では欠陥部幅を３０ｗ、３００ｗと記し、欠陥部高さを３０ｈ、３００ｈ、欠陥部屈折率を３０ｎ、３００ｎと記した。なお、各線状欠陥部を構成する媒質の屈折率を欠陥部屈折率３０ｎ、３００ｎとする。
【００５３】
【表５】
2008052127.tif 000007
【００５４】
図１０（ａ）は、導波路構造ＥについてＰＷＥ法を用いて、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・縦軸は、図５（ａ）と同じである。また、図５（ａ）と同様に、縦線で示した領域αは、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おり、領域βは、周波数帯域は、導波モードのうち、単一モードで導波可能な周波数帯域を表している。また、図１０（ｂ）、図１０（ｃ）には、導波路構造Ｅで、単一モードで導波可能な周波数帯域における導波モードのｘｚ断面、ＹＺ断面における電場強度分布を示した。図１０（ｂ）（ｃ）において、白く表示されている部分は、電場強度が強い部分を表している。なお、導波モードの電場分布の計算は、ＦＤＴＤ法を用いて計算した。
【００５５】
図１０（ａ）に示したように、単一モードで導波可能な周波数帯域は、０．４３３から０．４５１の範囲で存在している。導波路構造Ｅにおいて、第２の線状欠陥部３００を設けずに第１の線状欠陥部３０だけを設けた場合の導波モードをＰＷＥ法を用いて計算すると、単一モードで導波可能な周波数帯域は０．４３２から０．４３５となる。従って、第２の線状欠陥部３００を設けることによって、広い周波数帯域で単一モードで導波可能な導波路が得られることが分かる。さらに図１０（ｂ）、図１０（ｃ）に示したように、導波モードは、導波路の中心付近に電場強度が強く集中する単峰性に近い電場分布を有していることが分かる。
【００５６】
次に、導波路構造Ｅにおいて、第２の線状欠陥部３００の欠陥部屈折率３００ｎを変化させたときの単一モードで導波可能な周波数帯域の変化を図１１に示す。図１１は、横軸に欠陥部屈折率３００ｎ、縦軸に規格化周波数を表している。また図中の点を結んだ実線および破線は、それぞれ単一モードで導波可能な周波数帯域の高周波数および低周波数である。欠陥部屈折率３００ｎを変化させることによって、単一モードで導波可能な周波数帯域が変化する様子が分かる。従って、導波路構造Ｅにおいて、第２の線状欠陥部３００の屈折率３００ｎを変化させることによって、単一モードで導波可能な周波数帯域を制御することができる。
【００５７】
本実施例の導波路構造Ｅによって、単一モードで導波可能な周波数帯域が制御でき、導波方向に垂直な面内（ＹＺ断面内）において単峰性に近い強度分布を有するモードを得ることができる理由は、前記実施例１と同じ理由である。
【００５８】
さらに、本実施例も導波路構造Ｂと同様に、フォトニック結晶を構成する柱状構造の媒質の屈折率に影響されるものではない。従って、３次元フォトニック結晶構造を形成する媒質の屈折率に関わらず、第２の線状欠陥部３００の欠陥部屈折率３００ｎによって、単一モードで導波可能な帯域を制御することができる。
【００５９】
以上のように、各実施例では、ウッドパイル構造に、導波路構造を設けた構造について示した。又、この導波路構造によって、所望の周波数帯域において、単一モードかつ所望の強度分布を有するモードで導波可能な導波路を実現できることを示した。
【００６０】
なお、導波モードの電場分布は高誘電体媒質に集中しやすい性質がある。そのため、第１の線状欠陥部の近傍に第２の線状欠陥部を設けると、導波モードの電場分布は第２の線状欠陥部の影響を受ける。従って、第２の線状欠陥部を設ける位置、形状、媒質は、第１の線状欠陥部に対して、積層面内あるいは積層方向において、対称性が良くなるように決定することが好ましい。
【００６１】
また、本実施例で示した導波モードの電場分布は、第１の線状欠陥部に強く集中している。従って、第１の線状欠陥部３０の形状を変化させることによっても、単一モードで導波可能な周波数帯域を制御することができる。第１の線状欠陥部の形状、媒質と、第２の線状欠陥部の位置、形状、媒質を適切に決定することによって、所望の周波数帯域で、単一モードで導波可能な導波路を得ることができる。
【００６２】
上記のような３次元フォトニック結晶を利用した導波路構造を構成する媒質としては、従来の構造と同様に、高い屈折率比を有する２種類以上の媒質を用いることが望ましい。柱状構造を構成する媒質は例えば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。柱状構造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、水などの低屈折率媒質を用いる。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、高屈折率媒質で形成された第１の線状欠陥部を形成する媒質は、上記で上げた高屈折率媒質が望ましい。また、第２の線状欠陥部は、柱状構造の形状を同一とし、又は形状を変化させるとともに屈折率を変えても良い。さらに、導波路の作製にあたっては、従来の作製手法（電子ビームリソグラフィ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）を用いることができる。
【実施例５】
【００６３】
図１２は、ウッドパイル構造Ａに比べて広い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構造Ｆの要部概略図である。
３次元フォトニック結晶構造Ｆは、ｘｙ平面を含む層４０１〜４１２の１２層を基本周期として構成されている。図１２は各層４０１〜４１２のｘｙ断面の一部を示している。第１の層４０１および第７の層４０７は、ｘ軸方向に延びる複数の柱状構造４０１ａおよび４０７ａが等間隔Ｐでｙ軸方向に配置されており、柱状構造４０１ａと４０７ａはそれぞれｙ軸方向にＰ／２ずれた位置に配置されている。
【００６４】
また、第４の層４０４および第１０の層４１０は、ｙ軸方向に延びる複数の柱状構造４０４ａおよび４１０ａが等間隔Ｐでｘ軸方向に配置されており、柱状構造４０４ａと４１０ａはそれぞれｘ軸方向にＰ／２ずれた位置に配置されている。
【００６５】
第２の層４０２および第３の層４０３には、第１の層４０１中の柱状構造４０１ａおよび第４の層４０４中の柱状構造４０４ａの交点に相当する位置に、離散構造４０２ａおよび４０３ａが配置されている。離散構造４０２ａ，４０３ａは、ｘｙ平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。
【００６６】
なお、離散構造４０２ａと４０３ａ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。柱状構造を含む層の間にある第５の層４０５、第６の層４０６、第８の層４０８、第９の層４０９、第１１の層４１１、第１２の層４１２も同様である。即ち、隣接する層中の柱状構造の交点に相当する位置に、ｘｙ平面内において離散的に配置された離散構造４０５ａ、４０６ａ、４０８ａ、４０９ａ、４１１ａ、４１２ａが配置されている。
【００６７】
各層中の柱状構造および離散構造は互いに接している。柱状構造及び離散構造の材料の屈折率、柱状構造および離散構造の形状や間隔、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）に広い完全フォトニックバンドギャップを得ることができる。
【００６８】
尚、第２、第３、第５、第６、第８、第９、第１１、第１２は離散構造を含む付加層である。
【００６９】
３次元フォトニック結晶構造Ｆの構造パラメータを表６に示す。以下、面内格子周期とは図１３に示した柱状構造の間隔Ｐをいう。また面外格子周期とは複数層からなる基本周期をいい、例えば３次元フォトニック結晶構造Ｆにおいては４０１〜４１２の１２層分の積層方向の長さをいう。また、表６の屈折率は、３次元フォトニック結晶構造Ｆの柱状構造および離散構造を構成する媒質の屈折率を表わしている。３次元フォトニック結晶構造Ｆの柱状構造および離散構造以外の部分の媒質は空気であって屈折率は１．０である。
【００７０】
また、離散構造幅とは、図１３に示す各離散構造の層内における長さを指し、表６および図１３中に、Ｄｗ１、Ｄｗ２と記した。
【００７１】
さらに、離散構造高さとは、各離散構造の積層方向（ｚ軸方向）の長さであり、表６および図１３においてＤｈとした。
【００７２】
【表６】
2008052127.tif 000008
【００７３】
図１４は３次元フォトニック結晶構造ＦのフォトニックバンドギャップをＰＷＥ法にて計算した結果を示すグラフである。
【００７４】
図１４の縦軸、横軸は、実施例１の図３と同じである。網掛けで示された周波数帯域において、光の入射方向によらず光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。また、実施例１のウッドパイル構造と同様に、３次元フォトニック結晶構造Ｆの内部に線状の欠陥部を設けると、完全フォトニックバンドギャップ内の周波数を有する導波モードを生成する。
【００７５】
図１５は、３次元フォトニック結晶構造Ｆの内部に線状欠陥部５０、５００を設けた導波路構造Ｇの概略図である。図１５の導波路構造Ｇは、図１２に示す３次元フォトニック結晶構造Ｆの内部にｙ軸方向に延びる第１の線状欠陥部５０を含んでいる。更に第１の線状欠陥部５０を含む層とは異なる層に位置し、ｙ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５００を含む構造である。
【００７６】
第１の線状欠陥部５０は、０．６０Ｐの幅を有し、第１の線状欠陥部５０と同じ層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。これは後述する図２０の第１の線状欠陥部６０、図２２の第１の線状欠陥部７０、図２５の第１の線状欠陥部８０も同様である。
【００７７】
図１５（ａ）は導波路構造Ｇのｘｚ断面図である。図１５（ｂ）、（ｃ）は導波路構造Ｇのｘｙ断面図である。本実施例では、ｙ軸方向に延び、０．６０Ｐの幅を有する第１の線状欠陥部５０と、ｙ軸方向に延び、柱状構造の幅を０．００Ｐとした第２の線状欠陥部５００を含む構造について示した。導波路構造Ｇの構造パラメータを表７に示す。
ここで、欠陥部幅とは、各欠陥部の層内におけるｘ軸方向の長さを指し、表７および図１５（ｂ）、（ｃ）では５０ｗ、５００ｗと記した。また、欠陥部高さとは、各欠陥部の積層方向（ｚ軸方向）の長さを指し、表７および図１５（ａ）に５０ｈ、５００ｈと記した。また、欠陥部屈折率とは、各欠陥部を構成する媒質の屈折率を指し、表７に５０ｎと記した。
【００７８】
なお、座標の原点は図１５（ａ）のｘｚ断面において、第１の線状欠陥部５０の中心とする。
【００７９】
【表７】
2008052127.tif 000009
【００８０】
図１６（ａ）は、導波路構造ＧについてＰＷＥ法を用いて、導波モードを計算した結果を示すグラフである。図１６（ａ）のグラフの横軸・縦軸、は、実施例１の図５（ａ）と同じである。
【００８１】
また、実施例１と同様に、縦線で示した領域αの周波数帯域は、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。図１６（ａ）において領域βの周波数帯域は、導波モードのうち、単一モードで導波可能な周波数帯域を表している。さらに、図１６（ｂ）、図１６（ｃ）には、導波路構造Ｇで、単一モードで導波可能な周波数帯域における導波モードの電場分布について、ＦＤＴＤ法で計算した結果を示している。図１６（ｂ）、図１６（ｃ）は、導波路構造Ｇのｘｚ断面およびｙｚ断面における電場強度分布を示した。図１６（ｂ）、図１６（ｃ）で、白く表示されている部分ほど、電場強度が強いことを表している。図１６（ａ）に示したように、単一モードで導波可能な周波数帯域は、０．４６２から０．４７８の範囲で存在している。導波路構造Ｇにおいて、第１の線状欠陥部５０だけを設け、第２の線状欠陥部５００を設けない場合の導波モードを、ＰＷＥ法を用いて計算すると、単一モードで導波可能な周波数帯域は、０．４６０から０．４６７となる。従って、第２の線状欠陥部５００を設けることによって、広い周波数帯域で単一モードで導波可能な導波路が得られることが分かる。さらに、図１６（ｂ）、図１６（ｃ）に示したように、導波モードは、導波路の中心付近に電場強度が強く集中する単峰性の電場分布を有していることが分かる。
【００８２】
さらに、導波路構造Ｇにおいて、第２の線状欠陥部５００の欠陥部幅５００ｗを変化させ、そのときの単一モードで導波可能な周波数帯域の変化を図１７に示す。図１７は、横軸に欠陥部幅、縦軸に規格化周波数を表している。また図中の点を結ぶ実線および破線は、それぞれ単一モードで導波可能な周波数帯域の高周波数および低周波数である。図１７に示したように、欠陥部幅５００ｗを変化させることによって、単一モードで導波可能な領域が変化する。従って、導波路構造Ｇにおいて、第１の線状欠陥部５０が形成された層とは異なる層に位置する柱状構造の一部に形成した第２の線状欠陥部５００の形状を変化することによって、単一モードで導波可能な帯域を制御することができる。
【００８３】
なお、本実施例の導波路構造Ｇによって単一モードで導波可能な周波数帯域を制御でき、導波方向に垂直な面内において単峰性に近い強度分布を得ることができる理由は、実施例１で述べた理由と同じである。
【００８４】
なお、本実施例では、第１の線状欠陥部５０と、第１の線状欠陥部と隣り合う柱状構造に第２の線状欠陥部を設けた。この他本実施例においては他の柱状構造に第２の線状欠陥部を設けてもよい。例えば、実施例１で述べたように、第１の線状欠陥部５０と隣り合う層内において、さらに離れた場所に位置する柱状構造に第２の線状欠陥部を設けても同様の効果が得られる。また、第１の線状欠陥部５０から積層方向にさらに離れた層内に位置する柱状構造に第２の線状欠陥部を設けても、同様の効果が得られる。第１の線状欠陥部と第２の線状欠陥部との積層方向の距離は、面外格子周期の長さ以内であると、効果的である。また、第２の線状欠陥部の数は本実施例に制限されない。また、複数の線状欠陥部を設けた場合、各線状欠陥部は互いに異なる形状であってもよい。
【実施例６】
【００８５】
実施例６は導波路構造Ｇの屈折率を変えた導波路構造Ｈに関する。導波路構造Ｈの構造パラメータを表８に示す。
【００８６】
【表８】
2008052127.tif 000010
【００８７】
図１８（ａ）、図１８（ｂ）には、導波路構造Ｈで、単一モードで導波可能な周波数帯域における導波モードのｘｚ断面、ＹＺ断面における電場強度分布を示した。図１８（ａ）、図１８（ｂ）において、白く表示されている部分は、電場強度が強い部分を表している。さらに、導波路構造Ｈにおいて、第２の線状欠陥部５００の欠陥部幅５００ｗを変化させたときの単一モードで導波可能な周波数帯域の変化の様子について図１８（ｃ）に示した。図１８（ｃ）は、横軸に欠陥部幅、縦軸に規格化周波数を表している。また図中の点を結ぶ実線および破線は、それぞれ単一モードで導波可能な周波数帯域の高周波数および低周波数である。なお、導波モードの計算はＰＷＥ法を用いて計算し、導波モードの電場分布の計算は、ＦＤＴＤ法を用いて計算した。
【００８８】
図１８（ａ）、図１８（ｂ）に示したように、導波モードは、導波路の中心付近に電場強度が強く集中する単峰性に近い電場分布を有している。また、図１８（ｃ）に示したように、欠陥部幅５００ｗを変化させることによって、単一モードで導波可能な領域が変化する。従って、３次元フォトニック結晶構造を形成する媒質の屈折率に関わらず、導波路の中心付近に電場分布が強く集中する導波モードを有する導波路が得られることが分かる。また、第２の線状欠陥部５００の形状を変化させることによって、単一モードで導波可能な帯域を制御することができる。
【実施例７】
【００８９】
実施例７は導波路構造Ｇに対して、第１の線状欠陥部の屈折率を高くした導波路構造Ｉに関する。導波路構造Ｉの構造パラメータを表９に示す。
【００９０】
【表９】
2008052127.tif 000011
【００９１】
図１９（ａ）、図１９（ｂ）には、導波路構造Ｉで、単一モードで導波可能な周波数帯域における導波モードのｘｚ断面、ｙｚ断面における電場強度分布を示した。図１９（ａ）、図１９（ｂ）において、白く表示されている部分は、電場強度が強い部分を表している。さらに、導波路構造Ｄにおいて、欠陥部幅５００ｗを変化させたときの単一モードで導波可能な周波数帯域の変化の様子について図１９（ｃ）に示す。図１９（ｃ）は、横軸に欠陥部幅、縦軸に規格化周波数を表している。また図中の点を結ぶ実線および破線は、それぞれ単一モードで導波可能な周波数帯域の高周波数および低周波数である。なお、導波モードの計算はＰＷＥ法を用いて計算し、導波モードの電場分布の計算は、ＦＤＴＤ法を用いた。
図１９（ａ）、図１９（ｂ）に示したように、導波モードは、導波路の中心付近に電場強度が強く集中する単峰性に近い電場分布を有している。また、図１９（ｃ）に示したように、欠陥部幅５００ｗを変化させることによって、単一モードで導波可能な領域が変化する。従って、第１の線状欠陥部５０を、３次元フォトニック結晶構造を形成する媒質よりも高い屈折率を有する媒質で形成しても、導波路の中心付近に電場分布が強く集中する導波モードを有する導波路が得られることが分かる。また、第２の線状欠陥部５００を設け、形状を変化させることによって、単一モードで導波可能な帯域を制御することができる。
【実施例８】
【００９２】
図２０は本発明の実施例８の要部概略図である。
実施例８は、３次元フォトニック結晶構造Ｆにおいて、第１の線状欠陥部６０が延びる方向と同じ方向に配列された離散構造６００ａに第２の線状欠陥部６００を設けた導波路構造Ｊに関する。この導波路構造Ｊによって、電場分布が導波路中心部に強く集中する導波モードを有する導波路を得ている。また、離散構造６００ａの形状を変化させることによって、単一モードで導波可能な周波数帯域を制御することができる。
【００９３】
導波路構造Ｊは、３次元フォトニック結晶構造Ｆの内部にｙ軸方向に延びる第１の線状欠陥部６０を有する。更に第１の線状欠陥部６０が形成された層とは異なる層に位置する離散構造６００ａの一部を変形した第２の線状欠陥部６００を有する。
【００９４】
図２０（ａ）は導波路構造Ｊのｘｚ断面図、図２０（ｂ）、図２０（ｃ）はｘｙ断面図である。本実施例では、図２０（ｃ）で示した層内（図１３の第２層４０２に相当）において、第１の線状欠陥部６０に隣り合う離散構造６００ａのｘ軸方向の幅を変化させて第２の線状欠陥部６００としている。
【００９５】
導波路構造Ｊの構造パラメータを表９に示す。ここで、欠陥部幅とは、各欠陥部の層内における図示した長さを指す。表１０および図２０（ａ）中では、ｘ軸方向の長さを６０ｗ、６００ｗ１と記し、ｙ軸方向の長さを６００ｗ２と記した。また、欠陥部高さとは、各欠陥部の積層方向（ｚ軸方向）の長さを指す。表１０および図２０（ａ）中に６０ｈ、６００ｈと記した。また、欠陥部屈折率とは、各欠陥部６０、６００を構成する媒質の屈折率を指し、表１０中に６０ｎと記した。
【００９６】
【表１０】
2008052127.tif 000012
【００９７】
図２１（ａ）、図２１（ｂ）には、導波路構造Ｊで、単一モードで導波可能な周波数帯域における導波モードのｘｚ断面ＹＺ断面における電場強度分布を示した。図２１（ａ）、図２１（ｂ）において、白く表示されている部分は、電場強度が強い部分を表している。さらに、導波路構造Ｊにおいて、欠陥部幅６００ｗ１を変化させたときの単一モードで導波可能な周波数帯域の変化の様子について図２１（ｃ）に示した。図２１（ｃ）は、横軸に欠陥部幅６００ｗ１、縦軸に規格化周波数を表している。また図中の点を結ぶ実線および破線は、それぞれ単一モードで導波可能な周波数帯域の高周波数および低周波数である。なお、導波モードの計算はＰＷＥ法を用いて計算し、導波モードの電場分布の計算は、ＦＤＴＤ法を用いて計算した。
【００９８】
図２１（ａ）、図２１（ｂ）に示したように、導波モードは、導波路の中心付近に電場強度が強く集中する単峰性に近い電場分布を有している。また、図２１（ｃ）に示したように、欠陥部幅６００ｗ１を変化させることによって、単一モードで導波可能な領域が変化する。従って、導波路構造Ｊにおいて、第１の線状欠陥部６０とは異なる層に位置する離散構造６００ａに第２の線状欠陥部６００を設け、離散構造６００ａのｘ軸方向の長さを変化させることによって形成しても良い。これによれば導波路の中心付近に電場分布が強く集中する導波モードを有する導波路が得られる。また、第２の線状欠陥部６００として形成した離散構造６００ａの形状を変化させることによって、単一モードで導波可能な帯域を制御することができる。
【００９９】
なお、本実施例においては第２の線状欠陥部６００として、離散構造６００ａのｘ軸方向の長さを変化させたが、ｙ軸方向の長さを変化させた場合にも同様の効果を得ることができる。
【実施例９】
【０１００】
図２２は実施例９の導波路構造Ｌの要部概略図である。
【０１０１】
導波路構造Ｌの第２の線状欠陥部７００は、第１の線状欠陥部７０と同じ方向に延びる柱状構造７００ａの一部に位置し、柱状構造７００ａの屈折率とは異なる屈折率を有する媒質で形成されている。この導波路構造Ｌによって、電場分布が導波路中心部に強く集中する導波モードを有する導波路を得ている。また、第２の線状欠陥部７００の屈折率を変化させることで、単一モードで導波可能な周波数帯域を制御することができる。
【０１０２】
図２２の導波路構造Ｌは、３次元フォトニック結晶Ｆの内部にｙ軸方向に延びる第１の線状欠陥部７０と、第１の線状欠陥部７０とは異なる層に位置し、ｙ軸方向に延びる柱状構造７００ａの一部に形成した第２の線状欠陥部７００を含む導波路構造を示している。第１の線状欠陥部７０は、第１の層１０１において、ｙ軸方向に延びる線状の形状を有し、第１の層１０１内に含まれる柱状構造１０１ａを構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７００は、柱状構造７００ａの一部を、３次元フォトニック結晶を形成する媒質とは異なる屈折率を有する媒質で構成することによって形成されている。図２２（ａ）は導波路構造ＬのＸＺ断面図、図２２（ｂ）、図２２（ｃ）はＸＹ断面図である。本実施例では、ｙ軸方向に延び、０．６０Ｐの幅を有する第１の線状欠陥部７０と、第１の線状欠陥部とは異なる層に位置する、ｙ軸方向に延びる柱状構造７００ａを、屈折率１．７を有する媒質で形成した第２の線状欠陥部７００とを含む構造について示した。なお、各線状欠陥部７０，７００を構成する媒質の屈折率を欠陥部屈折率とする。また、図２２および表１１中では欠陥部幅を７０ｗ、７００ｗ、欠陥部高さを７０ｈ、７００ｈと記し、欠陥部屈折率を７０ｎ、７００ｎと記した。
【０１０３】
【表１１】
2008052127.tif 000013
【０１０４】
図２３（ａ）は、導波路構造ＬについてＰＷＥ法を用いて、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・縦軸は、図５（ａ）と同じである。また、図５（ａ）と同様に、縦線で示した領域αの周波数帯域は、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おり、領域βの周波数帯域は、導波モードのうち、単一モードで導波可能な周波数帯域を表している。また、図２３（ｂ）、図２３（ｃ）には、導波路構造Ｌで、単一モードで導波可能な周波数帯域における導波モードのｘｚ断面およびｙｚ断面における電場強度分布を示した。図２３（ｂ）、図２３（ｃ）において、白く表示されている部分は、電場強度が強い部分を表している。図２３（ａ）に示したように、単一モードで導波可能な周波数帯域は、０．４６１から０．４７８の範囲で存在している。導波路構造Ｌにおいて、第１の線状欠陥部７０だけを設け、第２の線状欠陥部７００を設けない場合の導波モードを、ＰＷＥ法を用いて計算すると、単一モードで導波可能な周波数帯域は、０．４６０から０．４６７となる。従って、第２の線状欠陥部７００を設けることによって、広い周波数帯域で単一モードで導波可能な導波路が得られることが分かる。さらに、図２３（ｂ）、図２３（ｃ）に示したように、導波モードは、導波路の中心付近に電場強度が強く集中する単峰性に近い電場分布を有していることが分かる。
【０１０５】
次に、導波路構造Ｌにおいて、第２の線状欠陥部７００の欠陥部屈折率７００ｎを変化させ、そのときの単一モードで導波可能な周波数帯域の変化を図２４に示す。図２４は、横軸に欠陥部屈折率７００ｎ、縦軸に規格化周波数を表している。また図中の点を結んだ実線および破線は、それぞれ単一モードで導波可能な周波数帯域の高周波数および低周波数である。図２４に示すように、欠陥部屈折率７００ｎを変化させることによって、単一モードで導波可能な周波数帯域が変化する。従って、導波路構造Ｌにおいて、第２の線状欠陥部の屈折率７００ｎを変化させることによって、単一モードで導波可能な周波数帯域を制御することができる。
【０１０６】
本実施例の導波路構造Ｌによって、単一モードで導波可能な周波数帯域が制御でき、導波方向に垂直な面内において単峰性に近い強度分布を有するモードを得ることができる。この理由は、前記と同じ理由である。
【０１０７】
さらに、本実施例も導波路構造Ｆと同様に、フォトニック結晶を構成する柱状構造の媒質の屈折率に影響されるものではない。従って、３次元フォトニック結晶構造を形成する媒質の屈折率に関わらず、第２の線状欠陥部７００の欠陥部屈折率７００ｎによって、単一モードで導波可能な帯域を制御することができる。なお、本実施例では、第１の線状欠陥部７０と同じ方向に延びる柱状構造を含む層で、第１の線状欠陥部７０の最も近傍に位置する層を選択している。そして、第１の線状欠陥部の近傍に位置する柱状構造に第２の線状欠陥部７００を設けたが、他の柱状構造に欠陥部を設けてもよい。例えば、第１の線状欠陥部と同じ方向に延びる柱状構造を含む層で、最も近傍に位置する層内において、さらに離れた場所に位置する柱状構造に第２の線状欠陥部を設けても同様の効果が得られる。また、第１の線状欠陥部から積層方向にさらに離れた層内に位置する柱状構造に第２の線状欠陥部を設けても、同様の効果が得られる。また、柱状構造の代わり、または、それとともに図２０に示すように離散構造の一部に第２の線状欠陥部を設けても、同様の効果が得られる。第１の線状欠陥部と第２の線状欠陥部との積層方向の距離は、面外格子周期の長さ以内であると効果的である。また、第２の線状欠陥部を設ける柱状構造および離散構造の数は、本実施例に制限されるものではなく、３つ以下でも、５つ以上でも良い。また、複数の線状欠陥部を設けた場合、各線状欠陥部の欠陥屈折率は互いに異なってもよい。第２の線状欠陥部の数、設ける位置を細かく制御することで、導波モードの周波数のさらに細かい制御が可能となる。
【０１０８】
以上のように、本実施例では、３次元フォトニック結晶構造Ｆを利用し、欠陥部を設けて導波路を構成した構造について示した。
【０１０９】
各実施例の導波路構造によって、所望の周波数帯域において、単一モードかつ所望の強度分布を有するモードで導波可能な導波路を実現できる。
【０１１０】
なお、導波モードの電場分布は高誘電体媒質に集中しやすい性質があるため、第１の線状欠陥部の近傍に第２の線状欠陥部を設けると、導波モードの電場分布は第２の線状欠陥部の影響を受ける。従って、第２の線状欠陥部を設ける位置、形状、媒質、変位する方向、変位する量は、導波方向に垂直な面内において、第１の線状欠陥部を中心として、積層方向あるいは積層面内方向において、対称性が良くなるように決定することが望ましい。
【０１１１】
上記のような３次元フォトニック結晶を利用した導波路を構成するのに望ましい媒質としては、実施例１で述べたとおりである。また、３次元フォトニック結晶の作製プロセスについても、実施例１で述べた作製プロセスと同様のものを用いることができる。
【０１１２】
また、各実施例では付加層中に２層の離散構造を含む層を有する３次元フォトニック結晶について述べたが、これに限定されることない。例えば１層または３層又は３層以上の離散構造を含む層を有する３次元フォトニック結晶構造や柱状構造の片側に離散構造を有する３次元フォトニック結晶構造を用いても、上記で述べた位置に線状欠陥部を設けることで、同様の効果が得られる。
【０１１３】
又、第２の線状欠陥部として、柱状構造又は離散構造の一部を変形する形態として、形状の変化の他に、それらの位置の変化、屈折率の変化でも良い。
【０１１４】
又、それらの形状の変化とともに位置や屈折率を変化させても良い。
【実施例１０】
【０１１５】
本発明の実施例１０の導波路を有するデバイスについて説明する。
【０１１６】
まず、発光素子について説明する。３次元フォトニック結晶中に線状欠陥部で構成されている導波路および点欠陥部を設ける。点欠陥部は、形状、媒質を最適化することによって、ＰＢＧ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。
【０１１７】
発光スペクトルに共振波長が含まれる発光媒質を上記共振器内部に配置し、この発光媒質に対して外部から電磁波や電流などでエネルギーを供給することによって、非常に効率の高いレーザやＬＥＤなどの発光デバイスを実現することができる。このような、点欠陥共振器の近傍に導波路が配置され、導波路が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場合、共振器内部で発生した光は、導波モードと結合し、共振器の外に抽出される。抽出された光は、導波モードとして導波路内部を伝播し、導波路端部において３次元フォトニック結晶外の自由空間を伝播するモードと結合することによって、３次元フォトニック結晶外へ取り出すことができる。
【０１１８】
図２５は本発明の実施例１０にかかる導波路と、キャリア注入により発光する活性部を点欠陥部に形成した発光素子８００の構成例の概略図である。図２５（ａ）、図２５（ｂ）は各々ｘｙ断面図、ｘｚ断面図である。図２５（ａ）（ｂ）において発光素子８００は，３次元フォトニック結晶構造中に点欠陥部８０１を設けることにより形成される共振器８０１ａ，ｐ型電極８０２，ｐ型キャリア伝導路８０３，ｎ型電極８０４，ｎ型キャリア伝導路８０５から構成される。共振器８０１ａ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８０２、ｐ型キャリア伝導路８０３を介して、共振器８０１ａに正孔が供給され、ｎ型電極８０４、ｎ型キャリア伝導路８０５を介して，共振器８０１ａに電子が供給され、共振器８０１ａ内部で結合して発光、レーザ発振する。
【０１１９】
この光を共振器８０１ａ外部へ取り出すために、本実施例である導波路８０６を設ける。導波路８０６の導波路構造は、ｘ軸方向に延びる柱状の形状を有している。そして３次元フォトニック結晶の柱状構造と同じ屈折率を有する媒質で形成された第１の線状欠陥部８０７と、第１の線状欠陥部８０７とは異なる層に配置された第２の線状欠陥部８０８を設けることにより形成される導波路である。第２の線状欠陥部８０８を変形あるいは構成する媒質を変化させることによって最適化することで、共振器８０１ａの共振モードが有する周波数において単一モードで導波可能な導波モード有する導波路８０６を得ることができる。この導波路８０６を共振器８０１ａに対して適切な位置に配置することにより、共振器８０１ａの共振モードを導波モードに効率良く変換し、導波路端部８０６ａより３次元フォトニック結晶外へ取り出すことができる。このように、本実施例である導波路構造を用いることで、共振モードの周波数と導波路の単一モードで導波可能な周波数帯域が一致するように、導波モードを制御することができる。また、本実施例の導波路８０６は、導波方向に垂直な面内において、導波路中心部に電場強度が強く集中する導波モードを有している。このため電場強度分布に非対称性の歪みを持たない光を導波路端部８０６から取り出すことができる。
【０１２０】
以上から、本実施例にかかる導波路８０６と点欠陥共振器８０１ａを用いることで、高性能なレーザーデバイスを実現することができる。
【０１２１】
図２６は本発明にかかる線状欠陥より成る導波路の線状欠陥中に活性媒質を有する導波路と前記活性媒質を励起する励起手段を有する発光素子９００の構成例の概略図である。
【０１２２】
図２６（ａ）、（ｂ）は各々ｘｙ断面図、ｘｚ断面図である。３次元フォトニック結晶構造内に、本実施例にかかる導波路９０６を設ける。図２６では、ｘ軸方向に延びる柱状の形状を有し、３次元フォトニック結晶の柱状構造と同じ屈折率を有する媒質で形成された第１の線状欠陥部９０７を有する。そして第１の線状欠陥部９０７とは異なる層に位置し、第１の線状欠陥部と同じ方向に延びる柱状構造の一部を変形して形成された第２の線状欠陥部９０８からなる導波路を示した。このとき、導波路両端部を高反射面とするために、導波路外部には３次元フォトニック結晶９０９、９１０が配置されている。さらに線状欠陥部９０７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９０１（線状欠陥部）が形成され、ｐ型電極９０２，ｐ型キャリア伝導路９０３，ｎ型電極９０４，ｎ型キャリア伝導路９０５が形成されている。ｐ型電極９０２，ｐ型キャリア伝導路９０３を介して、線状欠陥部９０１内に正孔が供給され，ｎ型電極９０４，ｎ型キャリア伝導路９０５を介して，線状欠陥部９０１内に電子が供給され，線状欠陥部９０１内部で結合して発光する。発光した光は、線状欠陥部９０１内部を導波し、導波路端面にて反射され、線状欠陥部９０１内部を往復する。このとき、活性部から発光した光の導波モードに対して、共振条件が成立するように、導波路９０６の導波路方向（ｘ軸方向）の長さ、構造パラメータを適切に設計する。そうすると発光した光は、線状欠陥部９０１内で共振し、レーザ発振する。
【０１２３】
本実施例の導波路９０６は、導波方向に垂直な面内（ｙｚ面内）において、導波路中心部に電場強度が強く集中する導波モードを有している。このため、電場強度分布に非対称性の歪みを持たない光を導波路単部から取り出すことができる。また、第２の線状欠陥部９０８を変形あるいは構成する媒質を変化させるによって、導波モードを制御することができるため、任意の波長の光に対して、共振条件を満たし、レーザ発振することができる。
【０１２４】
以上から、本実施例にかかる導波路の線状欠陥中に活性媒質を有する導波路と前記活性媒質を励起する励起手段で構成した発光素子を実現することができる。
【０１２５】
図２７は、本発明にかかる導波路と点欠陥共振器とを有した光分波回路１０００の構成例の概略図である。
【０１２６】
光分波回路１０００は３次元フォトニック結晶構造内に、導波路を設けている。図２９では、ｘ軸方向に延びる柱状の形状を有し、３次元フォトニック結晶の柱状構造と同じ屈折率を有する媒質で形成された第１の線状欠陥部１００１を有する。そして第１の線状欠陥部１００１とは異なる層に位置し、第１の線状欠陥部１００１と同じ方向に延びる柱状構造の一部を変形して形成された第２の線状欠陥部１００２からなる導波路を示した。さらに導波路の近傍に点欠陥より成る共振器構造１００３−１００６を設けている。図２７では模式図で表現したが、実際には分波数ｎに対してｎ個の共振器を設けることで所望の光分波を実現できる。共振器構造１００３−１００６はそれぞれ異なる共振波長で動作するように設計されている。また、導波路構造は、光分波を行う波長を含む波長帯域において、単一モードで導波するように設計されている。共振波長を含む帯域で単一モードで導波可能であるように導波モードを制御するためには、第２の線状欠陥部１００２の位置、数、形状の組み合わせにより制御可能である。
【０１２７】
このような導波路構造に、各点共振器１００３〜１００６の共振波長λ１、λ２、λ３、・・・・λｎを含む図３０に示すようなスペクトルを有する入射光を導波路に導く。そうすると各共振器１００３〜１００６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。
【０１２８】
又、逆に各共振器１００３〜１００６から導波路中に光を合波することもできる。このような光デバイスは、特に光通信帯域で利用する光分合波装置に有用である。
【０１２９】
あるいは、入射光の内、不要な波長の光束を各点欠陥より成る共振器に導き、取り上げる（出射させる）ことで、必要な波長の光束を導波路の端部から出射可能な、波長フィルタとして利用することもできる。
【０１３０】
本実施例にかかる３次元フォトニック結晶構造による導波路を用いることで、所望の波長帯域で光分波が可能な高性能な光分波素子を達成することができる。
【０１３１】
以上のように、本実施例にかかる線欠陥より成る導波路と、点欠陥より成る共振器とから構成されている波長フィルタを用いると、高性能な光合分波回路を実現することができる。
【０１３２】
なお上記の各実施例中で述べた発光媒質は所望の発振波長によりさまざまな媒質を用いることができる。例えば化合物半導体、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を利用することができる。励起方法は、外部光源による光励起、電流注入による励起、電界印加による励起などが適用できる。電流注入による励起の場合には、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、それぞれの共振器から発光する光を独立に制御することも可能である。
【０１３３】
このようなデバイスはディスプレイ用光源、光通信用光源、ＴＨｚ光源、ＤＶＤや次世代青色光記録媒体などの光ピックアップ用光源に好適である。
【図面の簡単な説明】
【０１３４】
【図１】ウッドパイル構造の３次元フォトニック結晶の説明図
【図２】ウッドパイル構造の３次元フォトニック結晶の各層の説明図
【図３】図１のウッドパイル構造のフォトニック結晶の規格化周波数の説明図
【図４】本発明の実施例１の要部概略図
【図５】本発明の実施例１の導波モードの説明図
【図６】本発明の実施例１の規格化周波数の説明図
【図７】本発明の実施例２の導波モードの説明図
【図８】本発明の実施例３の導波モードの説明図
【図９】本発明の実施例４の要部概略図
【図１０】本発明の実施例４の導波モードの説明図
【図１１】本発明の実施例４の導波モードの説明図
【図１２】本発明の実施例５から１０で使用する３次元フォトニック結晶の説明図
【図１３】本発明の実施例５から１０で使用する３次元フォトニック結晶の各層の説明図
【図１４】本発明の実施例５から１０で使用する３次元フォトニック結晶の規格化周波数の説明図
【図１５】本発明の実施例５の要部概略図
【図１６】本発明の実施例５の導波モードの説明図
【図１７】本発明の実施例５の導波モードの説明図
【図１８】本発明の実施例６の導波モードの説明図
【図１９】本発明の実施例７の導波モードの説明図
【図２０】本発明の実施例８の要部概略図
【図２１】本発明の実施例８の導波モードの説明図
【図２２】本発明の実施例９の要部概略図
【図２３】本発明の実施例９の導波モードの説明図
【図２４】本発明の実施例９の導波モードの説明図
【図２５】本発明の実施例１０の要部概略図
【図２６】本発明の実施例１０の要部概略図
【図２７】本発明の実施例１０の要部概略図
【図２８】本発明の実施例１０のスペクトルの説明図
【図２９】従来のフォトニック結晶の説明図
【図３０】従来のフォトニック結晶の電場強度分布の説明図
【符号の説明】
【０１３５】
Ａ                            ウッドパイル構造
Ｆ                            フォトニック結晶構造
Ｂ〜Ｅ、Ｇ〜Ｌ                導波路構造
１０１〜１０４                第１〜第４の層
１０１ａ〜１０４ａ            柱状構造
２０                          第１の線状欠陥部
２００                        第２の線状欠陥部
３０                          第１の線状欠陥部
３００                        第２の線状欠陥部
４００〜４１２                第１〜第１２の層
４０１ａ、４０４ａ、４０７ａ、４１０ａ  柱状構造
４０２ａ、４０３ａ、４０５ａ、４０６ａ、４０８ａ、４０９ａ、４１１ａ、４１２ａ          離散構造
５０                          第１の線状欠陥部
５００                        第２の線状欠陥部
６０                          第１の線状欠陥部
６００                        第２の線状欠陥部
７０                          第１の線状欠陥部
７００                        第２の線状欠陥部
８０７                        第１の線状欠陥部
８０８                        第２の線状欠陥部
９０７                      第１の線状欠陥部
９０８                      第２の線状欠陥部
１００１                      第１の線状欠陥部
１００２                      第２の線状欠陥部
８００，９００，１０００    発光素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【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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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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