(57)【要約】      （修正有）【課題】複数のバンドギャップを有し、複数の共振モードを形成することができるフォトニック結晶を用いた共振器を提供する。【解決手段】第１の誘電率を有する第１の誘電体、第１の誘電内に少なくとも１つの方向に対して第１の周期で配置される複数の第２の誘電体、複数の第２の誘電体により形成される単位セル内に配置され、少なくとも１つの方向に対して第２の周期で配置される複数の第３の誘電体、および複数の第２の誘電体または複数の第３の誘電体が形成する第１の周期または第２の周期を破る少なくとも１つの局所的な欠陥を備えてなる。【選択図】図４ａ
2004310049.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の誘電率を有する第１の誘電体と、
第２の誘電率を有し、前記第１の誘電体により形成される平面上で少なくとも１つの方向に対して第１の周期で配置される複数の第２の誘電体と、
第３の誘電率を有し、前記第１の誘電体により形成される前記平面上で少なくとも１つの方向に対して第２の周期で配置され、前記複数の第２の誘電体により形成される単位セル内に配置され、前記複数の第２の誘電体と共に第３の周期で配置される複数の第３の誘電体と、
前記複数の第２の誘電体または前記複数の第３の誘電体が形成する前記第１の周期または前記第２の周期を破るために形成された少なくとも１つの局所的な欠陥と、
を備えることを特徴とするフォトニック結晶を用いた共振器。
【請求項２】
前記第３の誘電体は、複数の第２の誘電体により形成される単位セル内に内挿され得る大きさを有し、第２の誘電体と互いに重ならないように配置されることを特徴とする請求項１に記載のフォトニック結晶を用いた共振器。
【請求項３】
前記第３の誘電体は、前記複数の第２の誘電体により形成された単位セル間の境界線上に配置されることを特徴とする請求項１に記載のフォトニック結晶を用いた共振器。
【請求項４】
前記第２の誘電率は、前記第１の誘電率より大きな誘電率を有するように形成されることを特徴とする請求項１に記載のフォトニック結晶を用いた共振器。
【請求項５】
前記第３の誘電率は、前記第１の誘電率と前記第２の誘電率との間の値を有するように形成されることを特徴とする請求項４に記載のフォトニック結晶を用いた共振器。
【請求項６】
前記欠陥は、周期的に配置される前記複数の第２の誘電体または前記複数の第３の誘電体のうち設定された位置の誘電体を欠如させて形成することを特徴とする請求項１に記載のフォトニック結晶を用いた共振器。
【請求項７】
前記欠陥は、周期的に配置される前記複数の第２の誘電体または前記複数の第３の誘電体のうち設定された位置の誘電体に対して大きさまたは形状を変更させて形成することを特徴とする請求項１に記載のフォトニック結晶を用いた共振器。
【請求項８】
電磁波が前記欠陥に到達するように前記第１の誘電体内にウェーブガイドがさらに設けられることを特徴とする請求項１に記載のフォトニック結晶を用いた共振器。
【請求項９】
第１の誘電率を有する第１の誘電体と、第２の誘電率を有し、前記第１の誘電体により形成される平面上で少なくとも１つの方向に対して第１の周期で配置される複数の第２の誘電体と、第３の誘電率を有し、前記第１の誘電体により形成される前記平面上で少なくとも１つの方向に対して第２の周期で配置され、前記複数の第２の誘電体により形成される単位セル内に配置されて前記複数の第２の誘電体と共に第３の周期で配置される複数の第３の誘電体と、前記複数の第２の誘電体または前記複数の第３の誘電体が形成する前記第１の周期または前記第２の周期を破るために形成された少なくとも１つの局所的な欠陥とを有する共振器と、
電磁波が前記欠陥に到達するように前記第１の誘電体内に前記欠陥に隣接して集積された第１のウェーブガイドと、
前記共振器により発生した前記電磁波を希望する方向に出力されるようにするため、前記第１の誘電体内に前記欠陥に隣接して集積された第２のウェーブガイドと、
を備えることを特徴とする複数のフィルタリング周波数を有する共振装置。
【請求項１０】
前記第１のウェーブガイドは、入射される電磁波が１つ以上の欠陥に到達できるようにする入力ウェーブガイドであることを特徴とする請求項９に記載の複数のフィルタリング周波数を有する共振装置。
【請求項１１】
前記第２のウェーブガイドは、１つ以上の欠陥により形成された前記共振器により生成された電磁波が希望する方向に出射されるようにする出力ウェーブガイドであることを特徴とする請求項９に記載の複数のフィルタリング周波数を有する共振装置。
【請求項１２】
前記第１のウェーブガイドおよび第２のウェーブガイドは、１つ以上の欠陥の反対側または１つ以上の欠陥の同一側のいずれか一方に形成されることを特徴とする請求項９に記載の複数のフィルタリング周波数を有する共振装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、共振器に関し、特に、フォトニック結晶を用いる共振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
フォトニック結晶は、数μｍ〜数百μｍの構造を有し、屈折率が互いに異なる物質がそれぞれ規則的に配列されて形成された光素子であって、特定偏波の光を透過させない完全バンドギャップ（ｃｏｍｐｌｅｔｅ ｂａｎｄ−ｇａｐ）を形成することができ、また、偏波に関係なく光を透過させない絶対バンドギャップ（ａｂｓｏｌｕｔｅ ｂａｎｄ−ｇａｐ）を形成することができ、分岐フィルタ、光導波管、光遅延素子、レーザーなどのような光に関連した装置において用いられる。
【０００３】
かかるフォトニック結晶は、周期性を有する方向の数によって１次元、２次元、３次元の３つの構造があり、次元による具体的な構造が種々提案されている。例えば、二次元フォトニック結晶の場合、格子模様、格子定数、挿入された柱状体の模様などにより特性が決定される。また、挿入された柱状体が円状である場合、その半径、背景の誘電率、挿入された柱状体の誘電率などを適切に選択すると、格子定数の二倍程度に相当する波長の光が、周期構造内のいずれの方向にも伝播されない完全なバンドギャップを有するようにすることができる。
【０００４】
図１は、フォトニック結晶を用いた従来の共振器を示す図であって、共振器１０は、予め設定された誘電率を有する誘電体１２に規則的な空気孔１４およびその規則性を破る局所的な欠陥１６を有する。
ここで、局所的な欠陥１６は、空間的に電磁場を制限してバンドギャップ内に電磁気モードを生成する。そして、二次元面に垂直な方向の電磁気放射は、全反射（Ｔｏｔａｌ Ｉｎｔｅｒｎａｌ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ：ＴＩＲ）によって制限される。
【０００５】
従って、誘電体１２に規則的な空気孔１４と局所的な欠陥を有するようにした構造を介して入射した光は、局所的な欠陥１４個所への捕獲が可能であり、これによって、非常に高いＱ（ｑｕａｌｉｔｙ ｆａｃｔｏｒ）を有するレーザー共振器として利用することができる。
なお、本出願人は、二次元および三次元フォトニック結晶から複数のバンドギャップが得られるフォトニック結晶構造を特許出願（大韓民国特許出願１０−２００２−００２４７６１）している。
【０００６】
図２は、本出願人により出願された複数のバンドギャップを有するフォトニック結晶の構造を示すものである。複数のバンドギャップを有するフォトニック結晶構造は、第１の誘電率を有する第１の誘電体２１により形成される平面上において少なくとも１つの方向に対して第２の誘電率を有し、第１の周期で配置される第２の誘電体２５と、第２の誘電体２５により形成される単位セル内に第２の周期で配置されて第３の誘電率を有する第３の誘電体２５’とを内挿するが、第２の誘電体２５および第３の誘電体２５’は、少なくとも１つの方向に対して第３の周期を有するように配置される。
【０００７】
ここで、第３の誘電体２５’は、その大きさを維持しながら誘電率を変化させて行くことで利用することができ、または、誘電率を維持しながらその大きさを変化させて行くことで利用することもできる。また、第３の誘電体２５’は、その大きさおよび誘電率を共に変化させて利用することもできる。
図３は、図２の構造において第３の誘電体２５’の半径の大きさが変化した時のそれぞれの周波数バンドギャップを示すものである。フォトニック結晶は、誘電率がεaである第１の誘電体２１内に誘電率が８．９であり半径がＲである第２の誘電体２５が格子定数ａとなるように配置された状態で半径がＲ’である第３の誘電体２５’が第２の誘電体２５の格子中央に内挿された場合であって、第３の誘電体の半径（Ｒ’）は、０から0.2a/21/2を５等分した、0.2a/(5*21/2)、0.4a/(5*21/2)、0.6a/(5*21/2) 0.8a/(5*21/2) 0.2a/21/2の値を有する。なお、第３の誘電体２５’が内挿された最終フォトニック結晶の構造が、２1/2倍のスケールとなるようにするため、第３の誘電体２５’の半径（Ｒ’）だけでなく、内挿される第２の誘電体２５の半径（Ｒ）も０から0.2a/21/2を５等分して内挿する。内挿の方向が左から右へである場合、左から見て、３５’は、最初フォトニック結晶において、一番目のバンドギャップの下側周波数値であり、３６’は、一番目のバンドギャップの上側周波数値となる。３１’は、内挿の進行中にバンドギャップが形成される内挿の一地点における周波数、また、右から見て、３１は、内挿された最終フォトニック結晶において、一番目のバンドギャップの下側周波数値であり、３２は、一番目のバンドギャップの上側周波数値である。また、３５は、バンドギャップが存在しない内挿の一地点における周波数値である。
【０００８】
前述のように互いに異なる誘電体の配置構造および大きさによってフォトニック結晶は、マルチバンドギャップを有することができる。
しかし、本出願人の提案した前述のフォトニック結晶構造においては、内挿された各誘電体を介してマルチバンドギャップを持たせることはできるが、共振器としては利用できない。また、従来のフォトニック結晶を用いた共振器では、単一のバンドギャップを有しているため、共振モードの形態においても単一バンドの単位波長となるという問題点があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、前述の問題点を解決するため、複数のバンドギャップを有し、複数の共振モードを形成することができる、フォトニック結晶を用いた共振器を提供することにある。
本発明の他の目的は、マイクロレーザーの発振波長を制御することができるフォトニック結晶を用いた共振器を提供することにある。
【００１０】
本発明のまた他の目的は、複数のバンドギャップを有するフォトニック結晶を用いて複数のフィルタリング周波数を有する共振装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の目的を達成するための本発明の共振器は、第１の誘電率を有する第１の誘電体；第２の誘電率を有し、前記第１の誘電体により形成される平面上で少なくとも１つの方向に対して第１の周期で配置される複数の第２の誘電体；第３の誘電率を有し、前記第１の誘電体により形成される前記平面上で少なくとも１つの方向に対して第２の周期で配置され、前記複数の第２の誘電体により形成される単位セル内に配置され、前記複数の第２の誘電体と共に第３の周期で配置される複数の第３の誘電体；および前記複数の第２の誘電体または前記複数の第３の誘電体が形成する前記第１の周期または前記第２の周期を破るために形成された少なくとも１つの局所的な欠陥；を備える。
【００１２】
ここで、前記第３の誘電体のそれぞれは、前記複数の第２の誘電体により形成された単位セル内に配置されるか、または、単位セル間の境界線上に配置されることができる。
前記第２の誘電率は、前記第１の誘電率より大きな誘電率を有するように形成し、また、前記第３の誘電率は、前記第１の誘電率と前記第２の誘電率との間の値を有するようにする。
【００１３】
前記欠陥は、周期的に配置される前記複数の第２の誘電体または前記複数の第３の誘電体のうち設定された位置の誘電体を欠如させて形成することができる。または、前記欠陥は、周期的に配置される前記複数の第２の誘電体または前記複数の第３の誘電体のうち設定された位置の誘電体に対して大きさまたは形状を変更させて形成することもできる。
なお、フォトニック結晶を用いた前記共振器は、電磁波が前記欠陥に到達され得るように前記第１の誘電体内にウェーブガイドをさらに備えている。
【００１４】
上記の目的を達成するための本発明のフォトニック結晶を用いた共振装置は、第１の誘電率を有する第１の誘電体と、第２の誘電率を有し、前記第１の誘電体により形成される平面上で少なくとも１つの方向に対して第１の周期で配置される複数の第２の誘電体と、第３の誘電率を有し、前記第１の誘電体により形成される前記平面上で少なくとも１つの方向に対して第２の周期で配置され、前記複数の第２の誘電体により形成される単位セル内に配置されて前記複数の第２の誘電体と共に第３の周期で配置される複数の第３の誘電体と、前記複数の第２の誘電体または前記複数の第３の誘電体が形成する前記第１の周期または前記第２の周期を破るために形成された少なくとも１つの局所的な欠陥とを有する共振器；電磁波が前記欠陥に到達するように前記第１の誘電体内に前記欠陥に隣接して集積された第１のウェーブガイド；および前記共振器により発生した前記電磁波を希望する方向に出力されるようにするため、前記第１の誘電体内に前記欠陥に隣接して集積された第２のウェーブガイド；を備える。
【００１５】
ここで、前記第１のウェーブガイドおよび第２のウェーブガイドは、前記欠陥を中心に反対側または同一側において形成される。
以上のような本発明の共振器は、複数のバンドギャップを有するフォトニック結晶構造を介して互いに異なるＱ値を有する複数の電磁共振モードを生成することができる。
【発明の効果】
【００１６】
上記のようなフォトニック結晶構造を用いた共振器および共振装置は、複数のバンドギャップ内に複数の電磁共振モードを生成することができるため、微細に分離された複数の発振波長を有するマイクロレーザーダイオードおよび複数の共振周波数を有する共振フィルタなどのような多様な装置の開発を促進することができる。
以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。しかしながら、本発明の保護範囲は、以下の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物にまで及ぶものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、添付の図面を参照して本発明を詳述する。なお、本発明を説明するにあたって、同一の複数の部材については、同じ符号を付してある。従って、単一部材に対する名称は、複数の部材を意味することもある。
【実施例】
【００１８】
図４（ａ）、図４（ｂ）および図４（ｃ）は、それぞれ本発明の実施例に係るフォトニック結晶を用いた共振器の構造を示す図である。図４（ａ）の共振器は、第１の誘電率を有する第１の誘電体１１０内に周期的に配置された複数の第２の誘電体１２０、異なる周期を有して配置された複数の第３の誘電体１３０および複数の第２の誘電体が有する周期性を破る欠陥１４０を含む。また、図４（ｂ）の共振器は、第１の誘電体１１０内に周期的に配置された複数の第２の誘電体１２０、異なる周期を有して配置された複数の第３の誘電体１３０および複数の第３の誘電体１３０が有する周期性を破る欠陥１４０’を含む。
【００１９】
ここで、第２の誘電体１２０および第３の誘電体１３０は、それぞれ第２の誘電率および第３の誘電率を有する。この時、第２の誘電率は、第１の誘電率より大きく、第３の誘電率は、第１の誘電率と第２の誘電率との間の値を有するようにする。そして、第３の誘電体１３０は、その配置に際し、中心から最外郭までの距離が中心から最近接位置にある第２の誘電体１２０との距離よりは短く形成されるように配置する。即ち、第３の誘電体１３０は、複数の第２の誘電体１２０により形成される単位セル内に内挿され得る大きさを有しながら、第２の誘電体１２０と互いに重ならないように配置する。
【００２０】
なお、図４（ａ）および図４（ｂ）において第３の誘電体１３０は、第２の誘電体１２０により形成された単位セルの中心に配置されているが、図４（ｃ）のように第２の誘電体１２０により形成された各単位セル間の境界線上に位置付けて利用することもできる。また、図４（ａ）および図４（ｂ）に示された欠陥１４０、１４０’、１４０’’は、周期的に配置された複数の第２の誘電体１２０および複数の第３の誘電体１３０のうちの１つを欠如させて形成しているが、必ず１つだけを欠如させて形成しなければならないのではなく、周期性を有する誘電体１２０、１３０から複数の誘電体を欠如させて形成することもできる。また、欠陥１４０、１４０’、１４０’’は、誘電体の欠如によってのみ形成できるのではなく、周期性を有する誘電体１２０、１３０から１つ以上の誘電体に対して大きさおよび形状を変形させることにより形成することもできる。
【００２１】
図５は、図４（ａ）、図４（ｂ）、図４（ｃ）の共振器によるバンドギャップおよび共振周波数を示すものである。図３に比較すると、バンドギャップの位置において少し差異があるが、これは、シミュレーションで発生した誤差によるものである。図中、符号１５１が付された点線は、図４（ａ）のように、複数の第２の誘電体１２０のうちの一つを欠如させることにより生成されるバンドギャップ内の共振周波数であり、符号１５５が付された点線は、図４（ｂ）のように、複数の第３の誘電体１３０のうちの１つを欠如させることにより生成されるバンドギャップ内の共振周波数に相当する。フォトニック結晶のいろいろな条件は、概して図３に示されたものと同じ条件を有する。但し、ｘ軸は、第３の誘電体１３０の大きさを基準に、０から0.2a/21/2を５等分した０、１、２、３、４、５に対してそれぞれ１．３の指数乗を行って示している。
【００２２】
図５からわかるように、図４（ａ）のように複数の第２の誘電体１２０から１つを欠如させる場合は、内挿が進行されながらバンドギャップ内の低バンドギャップにおいてのみ共振モードが生成されるが、以後、高バンドギャップにおいても共振モードが生成され始め、やがて低バンドギャップと高バンドギャップとの両方において共振モードが存在することとなる。次いで、低バンドギャップの共振モードがバンドと共になくなり、高バンドギャップにおいてのみ共振モードが存在することとなる。即ち、図４（ａ）のような共振器の場合、内挿の途中に高バンドギャップと低バンドギャップとの両方において同時に存在することがわかる。なお、図４（ｂ）のように複数の第３の誘電体１３０から１つを欠如させた場合は、高バンドギャップ内においてのみ共振モードが存在する。即ち、内挿が進行しながら低バンドギャップにおいて共振モードが生成されず、高バンドギャップの生成後、低バンドギャップから共振モードが生成され始める。また、内挿の最終地点に至ると、第２の誘電体１２０の共振モードと一致することとなる。
【００２３】
結果的に、複数の第２の誘電体１２０および複数の第３の誘電体１３０からいずれか１つの誘電体を欠如させると、内挿の中間地点において複数のバンドギャップが存在し、低バンドギャップと高バンドギャップのそれぞれにおいて電磁共振モードが存在することとなる。ここで、内挿された誘電体の具体的な形態および局所欠陥の形態を変化させることで共振モードの位置およびＱ（ｑｕｌｉｔｙ ｆａｃｔｏｒ）を調節することができる。
【００２４】
図６は、本発明のまた他の実施例に係るフォトニック結晶を用いた共振器を示す図である。共振器は、第１の誘電率を有する第１の誘電体１１０内に周期的に配置された複数の第２の誘電体１２０、異なる周期をもって配置された複数の第３の誘電体１３０、複数の第２の誘電体１２０が有する周期性を破る欠陥１６１、および、欠陥に近接して集積化されたウェーブガイド１６５を含む。
【００２５】
かかる共振器は、半導体レーザーダイオードなどに用いられ、ウェーブガイド１６５を介してマイクロレーザーからの光を直に結合することができる。また、共振器は、複数の共振モードが可能であるため、設定された波長領域内において複数の発振波長を有するレーザーダイオードなどに応用することができるようになる。
図７（ａ）及び図７（ｂ）のそれぞれは、本発明に係るフォトニック結晶を用いた共振装置を示す図である。共振装置は、第１の誘電率を有する第１の誘電体１１０内に周期的に配置された複数の第２の誘電体１２０、異なる周期をもって配置された複数の第３の誘電体１３０、複数の第２の誘電体１２０が有する周期性を破る欠陥１７１を有する共振器、入射される電磁波が欠陥１７１に直に到達されるように欠陥１７１に近接して集積化された入力ウェーブガイド１７３、および、欠陥１７１により形成された共振器１７１により発生された電磁波を希望する出力方向に出射されるように欠陥に近接して集積化された出力ウェーブガイド１７５を含む。
【００２６】
図７（Ａ）の実施例では、入力ウェーブガイド１７３及び出力ウェーブガイド１７５が欠陥１７１を基準にして反対方向に形成されているが、図７（Ｂ）の実施では、入力ウェーブガイド１７３及び出力ウェーブガイド１７５が欠陥１７１を基準にして同一方向に形成されている。
かかる共振装置は、入力ウェーブガイド１７３を介して伝達された電磁波のエネルギー中に希望する波長の電磁波を出力ウェーブガイド１７５を介して出射することができるようになる。同様に、共振装置は、複数の共振モードを有するため、複数の共振モードを要するフィルタなどにおいて利用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明は、共振器に関するものであり、本発明によれば、複数のバンドギャップ内に複数の電磁共振モードを生成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】従来のフォトニック結晶を用いた共振器を示す図である。
【図２】二次元構造を有する従来のフォトニック結晶の構造を示す図である。
【図３】複数のバンドギャップを有する従来のフォトニック結晶に係る複数のバンドギャップを示す図である。
【図４ａ】本発明の実施例に係るフォトニック結晶を用いた共振器を示す図である。
【図４ｂ】本発明の実施例に係るフォトニック結晶を用いた共振器を示す図である。
【図４ｃ】本発明の実施例に係るフォトニック結晶を用いた共振器を示す図である。
【図５】図４（ａ）、図４（ｂ）および図４（ｃ）のフォトニック結晶を用いた共振器に係るバンドギャップおよび共振周波数を示す図である。
【図６】本発明のまた他の実施例に係るフォトニック結晶を用いた共振器を示す図である。
【図７ａ】本発明の実施例に係るフォトニック結晶を用いた共振装置を示す図である。
【図７ｂ】本発明の実施例に係るフォトニック結晶を用いた共振装置を示す図である。
【符号の説明】
【００２９】
１０    共振器
１２    誘電体
１４    空気孔
１６、１４０、１４０’、１６１、１７１    欠陥
２１、１１０    第１の誘電体
２５、１２０    第２の誘電体
２５’、１３０    第３の誘電体
１６５、１７３、１７５    ウェーブガイド
【図１】
2004310049.tif 000003
【図２】
2004310049.tif 000004
【図３】
2004310049.tif 000005
【図４ａ】
2004310049.tif 000006
【図４ｂ】
2004310049.tif 000007
【図４ｃ】
2004310049.tif 000008
【図５】
2004310049.tif 000009
【図６】
2004310049.tif 000010
【図７ａ】
2004310049.tif 000011
【図７ｂ】
2004310049.tif 000012