(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
有限の厚さを持つ高屈折率層に一定の規則をもって低屈折率の媒質からなる柱を配置した構造である２次元フォトニック結晶の中に形成された光共振器と、その周辺の構造とを含む光共振器構造であって、
前記光共振器の周辺の一部に低屈折率の媒質からなるスロットを配置し、前記高屈折率層と前記スロットとの間の屈折率差による光の反射により、前記光共振器の光閉じ込め性能を増強することを特徴とする光共振器構造。
【請求項２】
前記高屈折率層が広がる面に平行な面による前記スロットの断面の形状が、矩形、多角形、円形、楕円形、またはそれらに類似した形状であることを特徴とする請求項１に記載の光共振器構造。
【請求項３】
前記スロットに対して前記光共振器が配置された側と反対の側に前記低屈折率の媒質からなる柱を配置しないことを特徴とする請求項１または２に記載の光共振器構造。
【請求項４】
前記光共振器は、前記２次元フォトニック結晶中に線欠陥導波路を配置し、当該線欠陥導波路周辺の２次元フォトニック結晶に局所的に変調を加えて前記線欠陥導波路の一部にモードギャップバリアを導入することにより光の閉じ込めを行う光共振器であり、
前記スロットを、前記線欠陥の片側または両側に配置したことを特徴とする請求項１ないし３のうちいずれか１項に記載の光共振器構造。
【請求項５】
前記線欠陥に沿った方向の前記スロットの長さを前記２次元フォトニック結晶の結晶周期の２０倍以上としたことを特徴とする請求項４に記載の光共振器構造。
【請求項６】
前記スロットの前記線欠陥に沿った方向の中心軸を、前記線欠陥に接する柱の列から数えて（ｎ＋１）番目の列上に配置する場合において、ｎは３以上の自然数であることを特徴とする請求項４または５に記載の光共振器構造。
【請求項７】
前記２次元フォトニック結晶に局所的に変調を加える方法は、前記低屈折率の媒質からなる前記柱を前記線欠陥の中心から離れる方向にシフトさせて配置する方法、前記２次元フォトニック結晶の格子定数を部分的に変化させてダブルへテロ構造を作成する方法、または前記柱の大きさを局所的に変化させる方法であることを特徴とする請求項４ないし６のうちいずれか１項に記載の光共振器構造。
【請求項８】
前記高屈折率層は、光の波長が２００ｎｍから５０００ｎｍの範囲である場合において屈折率が２．５以上となる媒質であり、当該媒質の種類として、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＳｉＣ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＧａＰ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＺｎＳｅ、もしくはＺｎＯの半導体、またはこれらの半導体のうちのいずれか複数の混晶半導体を含み、
前記低屈折率の媒質は、前記波長の範囲において屈折率が１．８以下となる媒質であり、当該媒質の種類として、ガラス、アモルファス、高分子物質、空気、または真空を含むことを特徴とする請求項１ないし７のうちいずれか１項に記載の光共振器構造。
【請求項９】
前記スロットに対して前記光共振器が配置される側とは反対の側に当該光共振器とは別の光共振器を配置したことを特徴とする請求項１ないし８のうちいずれか１項に記載の光共振器構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光信号処理素子への応用が可能な光共振器構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
Ｓｉ（シリコン）など屈折率の高い有限の厚さを持つ薄膜（高屈折率層と呼ぶ）の上下をより屈折率の低い空気やＳｉＯ２などの低屈折材料からなるクラッド層で挟み込んだ構造に、低屈折材料の媒質からなる柱を三角格子または四角格子に配置した構造は、２次元フォトニック結晶（以下、単にフォトニック結晶と呼ぶ）と呼ばれている。フォトニック結晶では、特定の波長の光を高屈折率層内に有効に閉じ込め、かつその構造を適宜変えることにより、光の伝播特性を意図的に制御することが可能である。
【０００３】
このフォトニック結晶は、フォトニックバンド構造という新たな光物性を導入することにより、単純な屈折率差による光の閉じ込めないし導波を実現する従来技術に対し、高性能でかつ圧倒的に小さな光素子および集積回路を実現可能な手法として近年大変注目され活発に研究されている。
【０００４】
例えば光共振器においては、本願の発明者らが既に共振器性能の代表的指標であるＱ値（Quality Factor)１２０万の光共振器を実現し、光閉じ込めの実時間寿命１ｎｓを達成し、かつ特定の光パルス信号を真空中の光速度の５万分の１まで減速できることを実験により証明している（非特許文献１）。また、２次元フォトニック結晶を用いた共振器のモード体積は１(λ/n）3程度でありＱ値１０万以上を実現可能な他のあらゆる光共振器に比べて圧倒的に小さい。
【０００５】
２次元フォトニック結晶を用いた従来の共振器の例として、本願の発明者らが発明し、特許文献１及び非特許文献２に記載されている線欠陥幅変化型共振器を図１Ａ、図１Ｂに示す。図１Ａ、図１Ｂはそれぞれ当該線欠陥幅変化型共振器の上面図であり、図１Ｂは図１Ａの点線枠で囲んだ部分を拡大して示した図である。
【０００６】
この線欠陥幅変化型共振器における高屈折率層であるＳｉ層は波長１．５５ミクロン付近で屈折率３．４６であり厚さが２０５ｎｍである。また、正三角格子を構成する各穴はＳｉ層を貫通する半径１０８ｎｍの円柱であり、屈折率１の空気が低屈折率の媒質として満たされている。正三角格子の格子定数は４２０ｎｍであり、図１Ａの線欠陥に接する両側の穴の中心間隔は格子定数の√３×０．９８倍である。また、図１Ｂにおいて、Ａ、Ｂ、Ｃで示した穴は、フォトニック結晶の格子点の位置に対して線欠陥の中心から離れる方向（かつ線欠陥の方向に垂直な方向）にそれぞれ９ｎｍ、６ｎｍ、３ｎｍずつシフトされている。
【０００７】
この共振器は線欠陥の一部に構造的変調を加えモードギャップを導入することにより、モードギャップによる光閉じ込めを原理とする共振器である。図１Ａに示すように、５８．５周期（線欠陥に沿った方向の周期であり、１１７列）×２７列の領域で３次元有限領域時間差分法（FDTD: Finite Difference Time Domain method）により計算を行うと、１．６億の計算Ｑ値が得られる。なお、計算領域の端から１９２ｎｍまではＰＭＬ（Perfectly Matched Layer）である。また、この共振器を構成するフォトニック結晶が正三角格子であるため、線欠陥に沿った方向の周期とは格子定数（４２０ｎｍ）であり、幅方向の１列分の幅（穴の列の中心軸とその隣の穴の列の中心軸との間隔）は格子定数の√３／２倍である。
【０００８】
この共振器の共振波長はおよそ１５７７ｎｍになり、この共振器のモード体積は１．５(λ/n）3と十分に小さくなる。図１Ｃに、この共振器に対するＦＤＴＤ計算により得られた紙面に垂直な方向の磁界のパワーの分布を示す。図１Ｃの下側には磁界パワー強度のスケールが示されている。図１Ｃの縮尺は図１Ａの縮尺と同一であり、パワーの強度は共振器中央付近の最大値を１として規格化してある。図１Ｃに示すように、電磁界エネルギーのほとんどは効率良く共振器中心に集中しているが、電磁界の裾は弱いながらも極めて広い領域に広がっている。これは理論Ｑ値が１００万を超えるあらゆるフォトニック結晶共振器に共通する現象である。
【０００９】
本願に関連する先行技術文献として以下のものがある。
【特許文献１】特開２００７−４７６０４号公報
【非特許文献１】Takasumi Tanabe, Masaya Notomi, Eiichi Kuramochi, Akihiko Shinya and Hideaki Taniyama, "Trapping and delaying photons for one nanosecond in an ultrasmall high-Q photonic-crystal nanocavity", Nature Photonics 1, pp.49 - 52, January 2007.
【非特許文献２】Eiichi Kuramochi, Masaya Notomi, Satoshi Mitsugi, Akihiko Shinya and Takasumi Tanabe, "Ultrahigh-Q photonic crystal nanocavities realized by the local width modulation of a line defect", Applied Physics Letters, Volume 88, Issue 4, id. 041112 (3 pages) (2006).
【非特許文献３】Bong-Shik Song, Susumu Noda, Takashi Asano and Yoshihiro Akahane, "Ultra-high-Q photonic double-heterostructure nanocavity", Nature Materials 4, pp. 207 - 210 (2005).
【非特許文献４】E. Kuramochi, M. Notomi, S. Hughes, A. Shinya, T. Watanabe and L. Ramunno, "Disorder-induced scattering loss of line-defect waveguides in photonic crystal slabs", PHYSICAL REVIEW B 72, 161318(R) (2005).
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上述したようにフォトニック結晶を用いた共振器では、電磁界の裾が広い領域に広がるため、単純に共振器を取り囲む規則的低屈折率柱状構造を取り除いてフォトニック結晶の幅（線欠陥方向に対して垂直な方向の規則的低屈折率柱状構造が存在する長さ）を狭くしていくと、フォトニック結晶外への電磁界の漏れが大きくなり、共振器のＱ値が減少していく。
【００１１】
図２Ａに図１Ａ、１Ｂに示した構造に対し共振器周辺のフォトニック結晶の幅を変えた構造を示す。図２Ｂにその場合のＱ値の変化をＦＤＴＤ計算により求めた結果結果を示す。図２Ａに示すように、幅を変えている部分は共振器中心から線欠陥方向に上下１２周期ずつである。また、線欠陥の両側におけるフォトニック結晶の幅は同じとしている。
【００１２】
以下、フォトニック結晶の幅を線欠陥に接する穴の列から数えた穴の列数ｐで表すことにする。図２Ａの例では、線欠陥に対する一方の側と他方の側のフォトニック結晶の幅はそれぞれ６（穴が６列）である。
【００１３】
図２Ｂに示すように、ｐが１０程度までであればＱ値は１億程度であるが、ｐが８ではＱ値は１千万程度に急減する。この計算Ｑ値は、現状では実験Ｑ値１００万を達成するためのほぼ下限のＱ値である。ｐ＝６では図２Ｂに示すＱ値が１００万を割り込んでしまうので実験Ｑ値は１００万を大きく下回ることになってしまう。ｐ＝４になると実験Ｑ値として１万を達成するのも困難になる。このように従来技術ではｐ＝８末満にフォトニック結晶幅を制限した場合、高い性能を維持することは困難であった。
【００１４】
従って、フォトニック結晶を用いて共振器を実現する場合には一定の大きさの穴列数ｐを確保しなければならず、共振器を含むフォトニック結晶の規模を縮小することを制約する原因になっていた。
【００１５】
また、幅方向にｐ＝８程度まで電磁界が広がるということは、ｐ＝８以内に別の共振器を配置した場合、その共鳴波長がそれほど違わない場合は２つの共振器が結合して一つの結合共振器を形成してしまうことを意味する。また共振器の近くに導波路を配置すると共振器と導波路が結合し、光の導波路への漏れが発生する。これらは光素子を高密度に集積する場合にそれを制約する要因となっていた。
【００１６】
また、フォトニック結晶の加工には電子線や波長の短い光を利用したリソグラフィー技術が主に用いられているが、電子線リソグラフィーにせよフォトリソグラフィにせよ、あるパタンをレジストに転写するために感光させる際、周辺のレジストがその影響を受ける近接効果と呼ばれる現象が、特に近接して高密度にパタンが配置されている場合に問題になる。
【００１７】
さて、フォトニック結晶の結晶周期は光の周波数にスケールして変化する。例えば、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＰなど屈折率が３．５程度の半導体薄膜と、屈折率が１の空気の穴からなるフォトニック結晶の場合、光通信用に使用されている波長１．５５ミクロンの光に対する結晶周期はおよそ４００ｎｍ程度、コンパクトディスク（ＣＤ）の読み出しや局所ネットワーク（ＬＡＮ）に使用されている波長８００ｎｍ程度の光に対する結晶周期は２００ｎｍを下回る程度になる。このように特に波長が短い光に対する極微細な周期を有するフォトニック結晶のリソグラフィーにおける近接効果は最先端の技術においてもパタン品質劣化という問題を引き起こしている。
【００１８】
このような問題点に鑑みると、フォトニック結晶の幅を狭くしパタンを構成する穴の総数を削減できれば、特にフォトニック結晶の周期が短ければ短いほど近接効果を低減し特性劣化を抑制することが可能になる。しかしながら単純にｐを小さくしていく従来の手法では前述のとおりフォトニック結晶を用いた共振器の原理的な理由による性能低下を回避できなかった。
【００１９】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、有限の厚さを持つ高屈折率層に一定の規則をもって低屈折率の媒質からなる柱を配置した構造の中に形成された光共振器と、その周辺の構造とを含む光共振器構造において、光共振器の周辺への電磁界エネルギーの漏れを抑えた光共振器構造を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
上記の課題を解決するために、本発明は、有限の厚さを持つ高屈折率層に一定の規則をもって低屈折率の媒質からなる柱を配置した構造である２次元フォトニック結晶の中に形成された光共振器と、その周辺の構造とを含む光共振器構造であって、前記光共振器の周辺の一部に、低屈折率の媒質からなるスロットを配置し、前記高屈折率層と前記スロットとの間の屈折率差による光の反射により、前記光共振器の光閉じ込め性能を増強することを特徴とする光共振器構造として構成される。
【００２１】
前記高屈折率層が広がる面に平行な面による前記スロットの断面の形状としては、例えば、矩形、多角形、円形、楕円形、またはそれらに類似した形状を用いることができる。
【００２２】
また、前記スロットに対して前記光共振器が配置された側と反対の側においては前記低屈折率の媒質からなる柱を配置しなくてもよい。
【００２３】
前記光共振器構造において、前記光共振器は、前記２次元フォトニック結晶中に線欠陥導波路を配置し、当該線欠陥導波路周辺の２次元フォトニック結晶に局所的に変調を加えて前記線欠陥導波路の一部にモードギャップバリアを導入することにより光の閉じ込めを行う光共振器とすることができる。その場合、前記スロットを、前記線欠陥の片側または両側に配置する。
【００２４】
上記の構造において、前記線欠陥に沿った方向の前記スロットの長さを前記２次元フォトニック結晶の結晶周期の２０倍以上とすることができる。また、上記の構造において、前記スロットの前記線欠陥に沿った方向の中心軸を、前記線欠陥に接する柱の列から数えて（ｎ＋１）番目の列上に配置する場合において、ｎは３以上の自然数であることとすることができる。
【００２５】
また、前記２次元フォトニック結晶に局所的に変調を加える方法としては、前記低屈折率の媒質からなる前記柱を前記線欠陥の中心から離れる方向にシフトさせて配置する方法、前記２次元フォトニック結晶の格子定数を部分的に変化させてダブルへテロ構造を作成する方法、または前記柱の大きさを局所的に変化させる方法がある。
【００２６】
また、前記高屈折率層は、光の波長が２００ｎｍから５０００ｎｍの範囲である場合において屈折率が２．５以上となる媒質であり、当該媒質の種類として、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＳｉＣ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＧａＰ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＺｎＳｅ、もしくはＺｎＯの半導体、またはこれらの半導体のうちのいずれか複数の混晶半導体を含み、前記低屈折率の媒質は、前記波長の範囲において屈折率が１．８以下となる媒質であり、当該媒質の種類として、ガラス、アモルファス、高分子物質、空気、または真空を含むこととしてもよい。
【００２７】
また、前記スロットに対して前記光共振器が配置される側とは反対の側に当該光共振器とは別の光共振器を配置した構造を採用することもできる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、有限の厚さを持つ高屈折率層に一定の規則をもって低屈折率の媒質からなる柱を配置した構造の中に形成された光共振器と、その周辺の構造とを含む光共振器構造において、前記光共振器の周辺の一部に低屈折率の媒質からなるスロットを配置し、前記高屈折率層と前記スロットとの間の屈折率差による光の反射により、前記光共振器の光閉じ込め性能を増強することとしたので、光共振器の周辺への電磁界エネルギーの漏れを抑えた光共振器構造を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
次に、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。以下、フォトニック結晶内においてモードギャップバリアを導入することにより共振器として機能する部分を光共振器または単に共振器と呼び、当該共振器とその周辺の構造を含む部分を光共振器構造と呼ぶことにする。
【００３０】
＜第１の実施の形態＞
（基本構造）
図３Ａに、第１の実施の形態における光共振器構造の上面図を示す。この光共振器構造のフォトニック結晶としての構造、及び線欠陥幅変化型である共振器としての構造は図１Ａに示す光共振器構造と同じである。
【００３１】
つまり、図３Ａに示す光共振器構造における高屈折率層であるＳｉ層は波長１．５５ミクロン付近で屈折率３．４６であり厚さが２０５ｎｍである。また、正三角格子を構成する各穴はＳｉ層を貫通する半径１０８ｎｍの円柱であり、屈折率１の空気が低屈折率の媒質として満たされている。正三角格子の格子定数は４２０ｎｍであり、線欠陥に接する両側の穴の中心間隔は格子定数の√３×０．９８倍である。また、図３Ａにおける中央の点線枠で囲まれた部分（この部分を共振器と呼ぶことができる）の構造は図１Ｂに示した構造と同じであり、図１ＢにおいてＡ、Ｂ、Ｃで示された線欠陥の両側の穴がそれぞれ線欠陥から離れる方向に９ｎｍ、６ｎｍ、３ｎｍずつシフトされている。
【００３２】
図３Ａに示すように、この光共振器構造は、共振器の両側、つまり線欠陥において共振器が形成された部分の両側に２つの長方形のスロット３０２を備えている。図３Ａに示す例では、線欠陥に対して両側が対称なので、以下、片側に関して説明する。
【００３３】
このスロット３０２の線欠陥に沿った方向の中心軸は、線欠陥に接する線欠陥方向の穴の列を１列目とし（以下、線欠陥方向の穴の列を単に列と呼ぶ）、線欠陥の中心から外側方向に数えて５列目の列上に配置され、当該スロットの横方向の幅は２列分（つまり格子定数の√３倍の長さ）である。なお、この場合の１列分とは、列を構成する穴の線欠陥に沿った方向の中心軸とその隣の列を構成する穴の線欠陥に沿った方向の中心軸との間隔である。
【００３４】
また、線欠陥方向に関しては、当該スロット３０２は、共振器の中心を通り線欠陥方向に垂直な線上を中心とし、長さが格子定数の２４倍である。
【００３５】
当該スロット３０２は、図３Ａにおける紙面と平行な面による断面、すなわち、高屈折率層を形成するＳｉ薄膜が広がる面と平行な面による断面が長方形である直方体の柱状の形状を有し、Ｓｉ薄膜を貫通し、低屈折率媒質である空気で満たされている。なお、本明細書において"断面"は上記の方向の断面を意味する。図４は、このスロットの構造を示す３次元鳥瞰図である。
【００３６】
なお、図４に示す例では、高屈折率層４０１内におけるスロット４０３の両側にフォトニック結晶構造（規則的な穴４０２の配置構造）が設けられているが、図３Ａに示す例では、スロット３０２の外側にフォトニック結晶構造は設けられていない。外側とは、スロット３０２に対して共振器が配置された側と反対の側のことである。スロット３０２の外側にフォトニック結晶構造を設けても設けなくても、光共振器の周辺への電磁界エネルギーの漏れを抑えるという効果に関しては同様の効果が得られる。
【００３７】
以下、線欠陥方向に対して垂直方向でのスロット３０２の中心（つまり、線欠陥方向の沿ったスロットの中心軸）が置かれる穴列を、線欠陥に接する穴列から数えて（ｎ＋１）列目の列とし、スロットの線欠陥方向の長さを格子定数のｍ倍とする。
【００３８】
図３Ａに示す細長いスロット３０２は、フォトニック結晶の周期的ブラック反射とは独立した低屈折率媒体（図３Ａの例では空気）と高屈折率媒体（ここではＳｉ）との屈折率差による光の反射により、共振器中心から当該スロット３０２までの間に光を有効に閉じ込める作用を有する。言い換えると、共振器の周辺への電磁界エネルギーの漏れを抑える作用を有する。
【００３９】
このスロット３０２と、スロット３０２に対する共振器側に残っている（ｎ−１）列分の穴列とを組み合わせることにより、図３Ａに示すように共振器から見てスロット３０２の外側に位置する穴を全て取り除いた場合においても強い光閉じ込めを実現し、共振器のＱ値を高く維持することを可能としている。
【００４０】
図３Ａに示す光共振器に対して透過測定を行ったり、当該光共振器を実際に光処理素子として利用する場合においては光信号の入出力のために、共振器に結合させた入出力導波路を設置する必要があるが、本実施形態においては、例えば図３Ａの３０３で示した部分（フォトニック結晶が図３Ａの外側まで更に連続して広がる場合にはその結晶端まで）の線欠陥の両側の穴を、共振器の中心に近い部分に比べて、線欠陥の中央から外側に離れる方向にシフトさせることで、当該線欠陥の幅を、共振器波長の光が伝搬可能になるまで拡幅すればよい。
【００４１】
それにより、共振器に閉じ込められている光がモードギャップをトンネル効果で通り抜けて拡幅部分の線欠陥に結合し透過するようになる。また拡幅部分の線欠陥は共振器波長に対し導波路として動作する。
【００４２】
共振器と導波路の結合は共振器の中心から３０３に示す部分までの間隔に依存し変化する。共振器と導波路の結合は穴の形状や共振器のＱ値にも依存して変化するので構造と目標透過率に合わせ調整することが望ましい。
【００４３】
（スロットの横方向の位置（ｎの値）について）  
図３Ａに示した光共振器構造に対し、ｎを変更させながら図２Ａに示す構造に対して行ったＦＤＴＤ計算と同様のＦＤＴＤ計算を実行した結果を図５に示す。図５の横軸はｎの値であり、縦軸は計算の結果得られたＱ値である。また、図５には、比較のために図２Ａに示すスロット無しの場合における計算結果も示されている。
【００４４】
上記のとおりスロット３０２の中心は（ｎ＋１）列目の列上に配置するので、ｎの変更に連動してスロット３０２の位置は線欠陥方向と垂直の方向にシフトする。なお、本計算においては図３Ａに示す３０３の点線枠で囲んだ部分における上述した変更は行っていない。
【００４５】
図５は、スロット３０２を追加したことにより、ｎが小さい場合においてＱ値が大幅に改善されることを明確に示している。ｎ＝１０において既に１．６億のＱ値が達成され、ｎ＝８でもほぼ同一のＱ値が得られている。ｎを更に小さくしていくとＱ値の減少が始まるが、ｎ＝４まではＱ値が１千万を大きく超えている。ｎ＝３ではＱ値は３００万であるが、これでも十分に高いＱ値である。ｎ＝２ではスロットの残された穴数はわずか１列（半周期）のみとなり穴の周期性が完全に失われるが、この場合はＱ値が高いとは言えない値に低下する。
【００４６】
図３Ｂに、ｎ＝３の場合における図３Ａの中央の点線枠部分の拡大図を示す。また、図３Ｃに、ｎ＝２の場合における図３Ａの中央の点線枠部分の拡大図を示す。それぞれの図におけるＡ、Ｂ、Ｃは、図１Ｂに示したものと同じである。
【００４７】
図３Ｂ、３Ｃに示すように、ｎ＝３以下になると、線欠陥の幅を変えるためにシフトしてある穴がスロット３０２に切断され、あるいはスロット３０２に埋められる。図５に示す計算においては、それらの穴はそのままにしてあり、シフト量の変更やシフトする穴の追加などの共振器構造の微調整は行っていない。以下、本明細書に示す実施形態の全てに対し同様の扱いを行っている。
【００４８】
この計算において、共振器の波長は検討した全域にわたりほぼ１５７７ｎｍであり、図１に示した従来の共振器構造に対する計算結果とほとんど変わらなかった。また、電磁界の広がりを表すモード体積を求めたところ、ｎ＝３以上では全域で１．３５−１．５０(λ/n）3となり、図１の従来構造におけるモード体積である１．５(λ/n）3と同じか若干小さい値が得られた。
【００４９】
図５の計算で用いた共振器では、図３Ａに示すようにわずか２列分（格子定数の√３倍）の幅を持つ狭いスロットを採用しているが、基本的に２次元フォトニック結晶においては低屈折率の穴構造の媒質と高屈折率の薄膜の媒質との屈折率差が大きいことが前提であるため、狭いスロット幅でも大きな効果が得られる。
【００５０】
スロット幅を広げることにより若干のＱ値の改善が図られる。しかし、例えば特にスロット幅拡大の効果が大きいと見込まれるｎ＝３の場合においてスロット幅を２倍にしても計算Ｑ値は３００万から４００万に増える程度で、１桁増加に及ぶような大きな改善はスロット幅拡大によっては得られない。
【００５１】
（スロットの形状等について）
さて、本発明に係る光共振器構造におけるスロットの断面形状は、図３Ａ、図６（ａ）に示すように長方形に限られるわけではない。例えば図６（ｂ）に示す楕円など長方形（矩形）に近似の形状でもよい。また、スロットは必ずしも単一媒質である必要はなく、例えば図６（ｃ）に示すように一列上に並んだ複数の長方形断面の低屈折率媒質の集合をスロットとして用いてもよいし、図６（ｄ）に示すように複数の長方形断面の低屈折率媒質を規則的に配置したものをスロットとして用いてもよい。
【００５２】
また、スロットは必ずしも高屈折率薄膜層を完全に貫通している必要はなく、例えば薄膜の途中で底に達し、有限の厚さの高屈折率層がスロットの下に残っていてもよい。
【００５３】
上記の例のいずれも、図３Ａに示した構造の光共振器構造と同様の効果を奏する。本発明に係るスロットを設けたフォトニック結晶共振器の本質は、フォトニック結晶においてスロットが全体として低屈折率媒質として作用し、スロットと共振器中心側の高屈折率媒質との屈折率差による光の反射により、光を共振器中心側に有効に閉じ込める作用をする点にある。つまり、本実施形態で説明した光共振器構造は、共振器を形成する変調が加えられた規則的な柱状構造と、上記のスロット構造との併用により有効な光閉じ込め効果を得ている。このような作用を奏するスロットであれば、スロットの断面形状はどのようなものでもよい。
【００５４】
また、本発明に係るスロット付きの光共振器構造において光共振器のＱ値が改善される原理は上述したとおりであるから、スロットを配置する光共振器構造における共振器自体の構造としては図１Ａ、１Ｂに示したものに限られるわけではない。あらゆるフォトニック結晶共振器に対して、スロットを配置する本発明の原理は有効である。また、スロットを配置する手法は、フォトニック準結晶共振器にも有効なものである。なお、フォトニック準結晶共振器とは、単一の結晶周期は持たないが一定の規則に基づき低屈折率の柱状構造を規則的に配置することにより光を閉じ込める作用を有する共振器である。
【００５５】
（スロットの線欠陥方向の長さ（ｍ）について）
ところで本願の発明者らは、本発明に係るスロット付き光共振器構造における光共振器が、フォトニック結晶中に線欠陥導波路を配置し、フォトニック結晶に局所的に変調を加えることにより、導波路の一部にモードギャップを導入し、それによる光閉込を原理とする共振器である場合において、共振器のＱ値がスロットの線欠陥方向の長さ（ｍ）に大きく依存して変化することを発見した。
【００５６】
図３Ａに示した線欠陥幅変化型共振器は上記の構造を持つ共振器の一例である。また、上記の構造を持つ共振器の他の例としては、格子定数を部分的に変化させてダブルヘテロ構造を形成した共振器（非特許文献３）、また、柱状の構造の大きさを局所的に変調した（例えば円柱構造の穴なら半径（柱の太さ）を変化させる）共振器（特許文献１に例が記載されている）がある。以下では、図３Ａに示したような線欠陥幅変化型共振器を例にとり説明する。
【００５７】
図７Ａに図３Ａに示した光共振器構造の例からｎの大きさと、スロットの長さ（ｍ）を変更した光共振器構造の一例を示す。図７Ａに示す例では、ｎ＝８であり、ｍ＝１４（格子定数の１４倍）である。また、スロット７０１の外側にフォトニック結晶を構成する格子穴は設けられていない。図７Ｂに、図３Ａに示した光共振器構造の例から、図７Ａに示すようにｎとｍを変更した場合におけるＦＤＴＤ計算により求めたＱ値を示す。ｎについては図７Ｂではｎ＝３、４、８の場合について示している。
【００５８】
図７Ｂに示すように、ｎの数値がいずれの場合もｍが２０以下になるとＱ値が急激に減少する。ｎ＝８の場合においてこそｍが小さくても実験で違いが現れない程度の減少に留まっているものの、ｎ＝３及び４においてはｎが１８を割り込むと著しいＱ値の低下を示す。ただし、スロットが無い場合（ｍ＝０）に比べるとｍが小さい場合でもＱ値は一定の向上を示しており、スロットの有効性は示されている。ｍ＝２２になるとスロット採用によるＱ値の向上が極めて有効になる。
【００５９】
特にｎ＝３の場合においてはｍが２４以上になるとＱ値が逆に低下してしまい、ｎ＝２２程度で１千万に迫る最高Ｑ値が得られた。図７Ａに示すような線欠陥幅変化型共振器構造の例においては少なくともｍを２２あるいは２４に設定すればｎ＝３以上で常に非常に高いＱ値が得られることになる。
【００６０】
なお、ｍが２０以下でＱ値が急激に減少する理由としては、スロットの線欠陥に直交する方向の端面における電磁界強度がスロットが短い場合には大きくなり、同端面による散乱による損失が大きくなることによるものと考えられる。
【００６１】
発明者らは本実施形態の構造を既に作製し実験にて従来構造と同等以上の性能を達成していることを確認している。また、図３Ａ、７Ａに示す構造において、ｎ＝４、ｍ＝１８、２０、２２、２４に該当する構造を実際に作製して、実験にてｍ＝２０以下で急激に共振器Ｑ値の低下が起こることを確認している。
【００６２】
（材料、及び製造方法等について）
本実施の形態における光共振器構造の高屈折率層は、対象波長が２００ｎｍから５０００ｎｍの範囲において屈折率が２．５以上となるＳｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＳｉＣ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＧａＰ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＺｎＳｅ、ＺｎＯ等の半導体、またはこれらの半導体のうちのいずれか複数の混晶半導体等の媒質からなる。また、穴やスロットは、上記対象波長において屈折率が１．８以下となるＳｉＯｘ、ＳｉＮｘ（ｘ＝０．５−２）等のガラス・アモルファス・高分子物質・空気または真空などの媒質からなる。他の実施の形態に示す共振器構造についても同様の材料を用いることができる。上記の材料を用いることにより少なくとも共振波長が２００ｎｍから５０００ｎｍの範囲に存在する共振器を実現することが可能である。
【００６３】
また、本実施の形態の光共振器構造は、例えば非特許文献４に記載された方法で製造することが可能である。つまり、市販のSilicon on Insulator (SOI)ウェハに電子線リソグラフィーにて所望の加工を行い、スロットを含むフォトニック結晶の下側のＳｉ熱酸化膜を例えばフッ化水素酸の水溶液等により溶解除去することにより製造する。他の実施の形態に示す共振器構造も同様の方法で製造することが可能である。
【００６４】
このようにフォトニック結晶構造をリソグラフィーにより作成する場合において、共振器中心から見てスロットより外側に低屈折率の規則的な柱状構造（図３Ａの場合は正三角格子状に配置された穴）を配置しないことにより、当該リソグラフィーにおける近接効果を大幅に低減し、その結果それによる共振器性能の劣化を抑制することが可能になる。
【００６５】
スロット構造自身が発生させる近接効果については、スロットの幅を非常に狭くしても高性能を維持できることに加え、特に単一の長方形のような単純な断面形状のスロットを設けた場合は、フォトニック結晶を構成する微小な柱状構造に対し、スロット自身が引き起こす近接効果はずっと小さいので、スロットの外側の規則的な柱状構造を全て取り除く効果と合わせ、近接効果の大幅な低減が可能になる。
【００６６】
＜第２の実施の形態＞
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。
【００６７】
第１の実施の形態で示した非常に幅の狭いスロットにより、スロットの両側の電磁的な結合を遮断することが可能になる。よって、スロット付共振器構造におけるスロットの外側に別の共振器を近接して配置しても、２つの共振器が相互に影響を及ぼし合うことなく独立に動作することを可能にできる。第２の実施の形態は、このような観点から構成されたものであり、その構造を図８に示す。
【００６８】
図８に示す構造は、図３Ａに示したスロット付き光共振器構造においてｎ＝３としたもの２つを、中間のスロットを完全に重ね１つのスロットとして共有するように、並べて配置したものである。
【００６９】
より詳細には、Ｓｉ層の厚さが２０５ｎｍであり、正三角格子を構成する各穴はＳｉ層を貫通する半径９０ｎｍの円柱であり、屈折率１の空気が低屈折率の媒質として満たされている。正三角格子の格子定数は４２０ｎｍであり、線欠陥８０１に接する両側の穴の中心間隔は格子定数の√３×０．９８倍である。また、図３Ａと同じく、Ａ、Ｂ、Ｃで示された線欠陥の両側の穴がそれぞれ線欠陥から外側にシフトされている。各スロットは、ｎ＝３、ｍ＝２４、幅は２列分である。
【００７０】
図８における中央のスロット８０２を除去し、代わりに穴列を配置した構造においては２つの共振器が結合して１つの結合共振器を形成するため、両者を独立な光素子として扱うことは不可能である。
【００７１】
例えば図１Ａに示したフォトニック結晶共振器の場合、線欠陥からの穴の列数が８程度までは電磁界が広がっているため、２つのフォトニック結晶共振器を、２つの線欠陥の間に列が７列含まれるように並べて配置したすると、２つのフォトニック結晶共振器が結合して１つの結合共振器を構成してしまう。
【００７２】
結合を防ぎ２つに共振器をそれぞれ独立な光素子とせしめるためには両者の間隔をもっと大きくし、両者の間に多数の穴列を追加配置する必要がある。
【００７３】
これに対し、第２の実施の形態のように２つの共振器を中間のスロット８０２を共有するように並べて配置した場合、２つの線欠陥の間隔を、それらの間に穴列が７列含まれる場合と同一にしつつ、２つの共振器を結合することなく独立に動作させることが可能になる。つまり、第２の実施の形態においては２つの共振器を形成する２つの線欠陥の間にわずか７列（３．５周期）分の穴列しかないが、スロット８０２が効果的に光を遮断するため、２つの共振器を完全に独立に動作させることが可能になっている。
【００７４】
第２の実施の形態を発展させ、例えば線欠陥幅や、幅変化のためにシフトさせる穴の配置やシフト量を変えること等により、スロットを挟んで近接して配置された２つの共振器に異なる動作周波数を与え、周波数の異なる２つの光信号の処理を同時に実行することを可能にすることができる。
【００７５】
＜第３の実施の形態＞
本発明における第３の実施の形態の光共振器構造を図９に示す。この共振器構造を構成するフォトニック結晶のＳｉ層の厚さは２０５ｎｍであり、正三角格子を構成する各穴はＳｉ層を貫通する半径１００ｎｍの円柱であり、屈折率１の空気が低屈折率の媒質として満たされている。正三角格子の格子定数は４２０ｎｍであり、線欠陥９０１に接する両側の列の穴の中心間隔は格子定数の√３×０．９８倍である。また、図３Ａと同じく、Ａ、Ｂ、Ｃで示された線欠陥の両側の穴がそれぞれ線欠陥から外側にシフトされている。スロット９０２は、ｎ＝４、ｍ＝２２、幅は２列分である。
【００７６】
図９に示すように、フォトニック結晶のΓ―Ｍ方向に線欠陥との間に穴列数６列（７列でもよい）を置いて、同一列上に対向する２本の入出力線欠陥導波路９０３が配置され（非特許文献１、及び非特許文献２参照）、導波路９０１の反対側の片側のみにスロット９０２を配置し、その外側の穴を全て取り去った構造としている。入出力線欠陥導波路９０３における両側の穴の間隔は格子定数の√３×１．０５倍である。本実施形態のように、片側のみにスロット９０２を配置した場合にも、スロット９０２と共振器側の高屈折率媒質との屈折率差による光閉じ込め増強効果により、スロット９０２を共振器に近接して配置し、かつスロット９０２より外側に穴を配置しないことにより、片側のみ結晶幅を極めて狭くした場合においても高い共振器Ｑ値を維持すること、また外側の穴を配置しないことによるリソグラフィーの際の近接効果の抑制が可能になる。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
本実施の形態における光共振器構造は、非常に高いＱ値を利用した光の一定時間の保持（バッファリング）、遅延処理、波長選択フィルタ処理、媒質の非線形効果、増幅作用などの光物性の増強等への産業応用が期待できる。またフォトニック結晶をベースとし、従来のフォトニック結晶共振器構造を更に小型化することが可能なため、従来技術に比べ非常に小型の光素子及び光集積回路の実現への寄与が期待できる。
【００７８】
なお、本発明者らは既に非特許文献１、２を含む多数の公開資料にて、波長１．５５ミクロン付近で屈折率３．４６のＳｉと屈折率１の空気からなるフォトニック結晶で高性能のフォトニック結晶が実現できることを実証してきている。また、本実施の形態で説明した構成において所望の効果が得られることをＦＤＴＤ法による電磁界解析により理論的に実証している。なお、本明細書及び特許請求の範囲において"屈折率"を"誘電率"に置き換えることにより、"光共振器構造"を電磁波領域にも適用できることは明らかである。
【００７９】
本発明は、上記の実施の形態に限定されることなく、特許請求の範囲内において、種々変更・応用が可能である。    
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１Ａ】従来の線欠陥幅変化型共振器の上面図である。
【図１Ｂ】図１Ａの点線枠で囲んだ部分を拡大して示した図である。
【図１Ｃ】図１Ａに示す共振器に対するＦＤＴＤ計算により得られた紙面に垂直な方向の磁界のパワーの分布を示す図である。
【図２Ａ】図１Ａに示した構造に対し共振器周辺のフォトニック結晶の幅（ｐ）を変えたものの上面図である。
【図２Ｂ】ｐを変化させたときのＱ値の変化をＦＤＴＤ計算により求めた結果結果を示す図である。
【図３Ａ】第１の実施の形態における光共振器構造の上面図を示す図である。
【図３Ｂ】ｎ＝３の場合における図３Ａの中央の点線枠部分の拡大図である。
【図３Ｃ】ｎ＝２の場合における図３Ａの中央の点線枠部分の拡大図である。
【図４】スロットの構造を示す３次元鳥瞰図である。
【図５】図３Ａに示す構造に対してｎを変化させたときのＱ値の変化をＦＤＴＤ計算により求めた結果結果を示す図である。
【図６】スロットの断面形状の例を示す図である。
【図７Ａ】図３Ａに示した光共振器の例からｎの大きさと、スロットの長さ（ｍ）を変更した光共振器の一例を示す図である。
【図７Ｂ】ｎとｍを変更した場合におけるＦＤＴＤ計算により求めたＱ値を示す図である。
【図８】第２の実施の形態における光共振器構造を示す図である。
【図９】第３の実施の形態における光共振器構造を示す図である。
【符号の説明】
【００８１】
３０２、４０３、７０１、８０２、９０２  スロット
３０３  線欠陥の両側の穴を拡幅する部分
４０１  高屈折率層
４０２  規則的に配置された穴
８０１、９０１  線欠陥
９０３  入出力線欠陥導波路
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【図１Ｃ】
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