JP2000249828A - フォトニック結晶構造 - Google Patents

フォトニック結晶構造

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JP2000249828A
JP2000249828A JP5384399A JP5384399A JP2000249828A JP 2000249828 A JP2000249828 A JP 2000249828A JP 5384399 A JP5384399 A JP 5384399A JP 5384399 A JP5384399 A JP 5384399A JP 2000249828 A JP2000249828 A JP 2000249828A
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polarized light
light
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photonic crystal
crystal structure
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Haruto Noro
治人 野呂
Naoshi Sakamoto
直志 坂本
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Showa Electric Wire and Cable Co
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Abstract

(57)【要約】 【課題】Z軸方向に電場成分をもたない偏光及び磁場成
分をもたない偏光に対して共通する周波数領域で幅広い
フォトニック・バンドギャップを得る。 【解決手段】フォトニック結晶構造は、Z軸方向に一様
な光波長に相当する辺長を有する複数の長方形ロッド2
が相互に90度回転されて配置され、この長方形ロッド
の誘電率と大きく異なる誘電率を有し長方形ロッドの周
囲に設けられるZ軸方向に一様な周囲誘電体1によって
構成される。このため、Z軸方向に電場成分を持たない
偏光及び磁場成分を持たない偏光に対して共通な周波数
領域で光波の伝播を抑制する特性を有するものとするこ
とができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、特定の波長領域の
光波の伝播を禁じるフォトニックバンドギャップを形成
するフォトニック結晶構造に関する。
【0002】
【従来の技術】従来から、誘電率を波長単位で周期的に
大きく変化させると、電磁波が固有のモードを持てない
周波数領域、即ちフォトニック・バンドギャップが形成
され、フォトニック・バンドギャップに相当する光子エ
ネルギーを持つ光の伝播が抑制されるフォトニック結晶
構造が知られている。このようなフォトニック結晶構造
に、人為的に誘電率を変化させた欠陥を導入すると、フ
ォトニック・バンドギャップ中に許容準位が形成され、
その準位に相当する光子エネルギーをもつ光のみの放射
が可能となる。フォトニック結晶構造は、電磁波を制御
するための最も有望な材料であり、単一波長発光ダイオ
−ドや無閾値レ−ザ、フィルタ−及び高密度光集積回路
などの応用面での実用化が期待されるものである。
【0003】このようなフォトニック結晶としては、2
次元的には、図5に示すように、誘電率εaをもつ円形
ロッド11を、誘電率εaと大きく異なる誘電率εbを
もつ周囲誘電体10に正方格子状に周期的に配置した周
期面に垂直な方向(以下、Z軸方向と称す)に一様な構
造のもの、あるいは、図6に示すように、誘電率εaを
もつ正方形ロッド21を、誘電率εaと大きく異なる誘
電率εbをもつ周囲誘電体20に正方格子状に周期的に
配置されたZ軸に一様な構造のもの等があった。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな2次元フォトニック結晶においては、図5のよう
に、円形ロッド11を正方格子状に周期的に配置した場
合、Z軸方向に磁場成分を持たない偏光、所謂TMモ−
ドでは、広いフォトニック・バンドギャップが存在する
が、Z軸方向に電場成分を持たない偏光、所謂TEモ−
ドでは、フォトニック・バンドギャップは円形ロッド1
1と周囲誘電体10との誘電率比や充填率(誘電率の高
い領域が占める割合。)等の条件により、フォトニック
・バンドギャップは僅かに存在するに過ぎないものであ
った。
【0005】一方、図6のように、正方形ロッド21を
正方格子状に周期的に配置した場合は、円形ロッド11
の場合とは逆に、TEモ−ドでは、広いフォトニック・
バンドギャップが存在するが、TMモ−ドでは、誘電率
比や充填率等の条件により、フォトニック・バンドギャ
ップは狭いものであった。例えば、正方形ロッド21を
エアーで構成し、周囲誘電体をエアーに対する誘電率比
8.9のもので構成し、即ちεa=1・0、εb=8.
9とし、充填率を30%、正方格子の格子定数をaとし
たときのTE、TM両偏光の計算された光波の状態密度
は、図7に示すように、TEモードとTMモードにおい
て光の状態密度が殆どの周波数領域で拮抗しており、フ
ォトニック・バンドギャップが一致する周波数領域は認
められなかった。
【0006】これは、4つの隣接する円形ロッド11に
囲まれた周囲誘電体10の誘電体スポット12がある程
度の大きさで周期的に配置された構造においては、TM
偏光に対してフォトニック・バンドギャップのできる可
能性が高く、4つの隣接する正方形ロッド21の間に囲
まれた周囲誘電体20の狭い誘電体ベイン22が周期的
に配置された構造においては、TE偏光に対してフォト
ニック・バンドギャップのできる可能性が高いためであ
ると考えられる。このことは、電磁波伝播の理論計算か
らも明らかにされていたが、TE、TM両偏光において
共通の周波数領域で幅広いフォトニック・バンドギャッ
プを有するフォトニック結晶構造は存在しなかった。
【0007】本発明は上記欠点を解消するためになされ
たものであって、本発明の目的は、TE、TM両偏光に
対して共通の周波数領域で幅広いフォトニック・バンド
ギャップを持つ正方格子状の2次元フォトニック結晶構
造を提供するものである。
【0008】
【発明を解決するための手段】本発明のフォトニック結
晶構造は上記目的を達成するため、Z軸方向に一様な誘
電率の異なる2種の誘電体で形成され、一方の誘電体は
光波長に相当する辺長を有する複数の長方形ロッドであ
って、隣接する当該長方形ロッドが相互に90度回転さ
れて配置され、他方の誘電体は長方形ロッドの周囲に設
けられ、好ましくは、Z軸方向に電場成分を持たない偏
光及び磁場成分を持たない偏光に対して共通な周波数領
域で光波の伝播を抑制する特性を有するものである。
【0009】また、本発明のフォトニック結晶構造は、
Z軸方向に一様な誘電率の異なる2種の誘電体で形成さ
れ、一方の誘電体は光波長に相当する軸長を有する複数
の楕円形ロッドであって、隣接する当該楕円形ロッドが
相互に90度回転されて配置され、他方の誘電体は楕円
形ロッドの周囲に設けられ、好ましくは、Z軸方向に電
場成分を持たない偏光及び磁場成分を持たない偏光に対
して共通な周波数領域で光波の伝播を抑制する特性を有
するものである。
【0010】本願発明のフォトニック結晶構造は、光波
長に相当する辺長を有する複数の長方形ロッドを交互に
90度回転させて配置し、これらと誘電率が大きく異な
りこれらの周囲に設けられる周囲誘電体とで構成したた
め、周囲誘電体は、長辺が短辺より長い部分によって形
成される大きい面積の部分(スポット)と、短辺と長辺
が隣接する部分で形成される狭い面積の部分(ベイン)
が交互に連続した形状となる。このため、Z軸方向に電
場成分を持たない偏光及び磁場成分を持たない偏光に対
して共通な周波数領域で光波の伝播を抑制することがで
きる。
【0011】また、同様に光波長に相当する軸長を有す
る楕円形ロッドを交互に90度回転させて配置し、これ
らと誘電率が大きく異なりこれらの周囲に設けられる周
囲誘電体とで構成したため、周囲誘電体は、長軸が短軸
より長い部分によって形成される大きい面積の部分(ス
ポット)と、楕円の頂部(長軸方向の先端部分)と楕円
の腹部(短軸方向の先端部分)によって形成される狭い
面積の部分(ベイン)が交互に連続した形状となる。こ
のため、Z軸方向に電場成分を持たない偏光及び磁場成
分を持たない偏光に対して共通な周波数領域で光波の伝
播を抑制することができる。
【0012】
【発明の実施の形態】本発明のフォトニック結晶構造を
適用した好ましい実施形態について図面を参照して説明
する。本発明のフォトニック結晶構造は、図1に示すよ
うに、誘電率εaを有する複数の長方形ロッド2と、長
方形ロッド2の周囲に設けられ誘電率εbを有する周囲
誘電体1で構成される。
【0013】長方形ロッド2は隣接する4つの長方形ロ
ッド2と相互に90度回転されて配置される。即ち、長
方形ロッド2を90度回転させたものを1つおきに配置
したものである。長方形ロッド2の長辺、短辺は光波長
と近似した長さを有し、且つ、長方形ロッド2は従来の
正方形ロッド12の断面積とほぼ同一の断面積を有す
る。
【0014】周囲誘電体1は、このような長方形ロッド
2の周囲に設けられるため、図1に示すように、長方形
ロッド2の長辺が短辺より長い部分によって形成される
誘電体スポット3と、短辺と長辺によって挟まれた狭い
部分の誘電体ベイン4が交互に連続的につながったハイ
ブリッド構造を有する形状となっている。このようなフ
ォトニック結晶構造の長方形ロッド2の長辺と短辺との
長さは所定の割合、長辺に対する短辺の比が0.5を中
心とした割合であることが好ましい。
【0015】また、他のフォトニック結晶構造として、
図2に示すように、誘電率εaを有する複数の楕円形ロ
ッド6と、楕円形ロッド6の周囲に設けられ誘電率εb
を有する周囲誘電体5で構成される。楕円形ロッド6は
隣接する4つの楕円形ロッド6と相互に90度回転され
て配置される。即ち、楕円形ロッド6を90度回転させ
たものを1つおきに配置したものである。楕円形ロッド
6の長軸、短軸は光波長と近似した長さを有し、且つ、
楕円形ロッド6は従来の円形ロッド11の断面積とほぼ
同一の断面積を有する。
【0016】周囲誘電体5は、このような楕円形ロッド
6の周囲に設けられるため、図2に示すように、楕円形
ロッド6の長軸が短軸より長い部分によって形成される
誘電体スポット7と、楕円の頂部と復部によって挟まれ
た狭い部分の誘電体ベイン8が交互に連続的につながっ
たハイブリッド構造を有する形状となっている。また、
楕円形ロッド6においても、長軸に対する短軸の比は同
様に0.5を中心としたものであることが好ましい。
【0017】このようなハイブリッド構造を有するフォ
トニック結晶構造を製造するには、半導体成膜方法を用
いることができる。Al23、Si、SiO2等の基板
にCr等のマスクをして長方形あるいは楕円形のパター
ンを転写し、エッチングにより基板にエアーパターンを
形成することにより製造することができる。また、長方
形ロッド等も空乏(エアー)とせず所望の材質のものと
することもできる。
【0018】このようなハイブリッド構造を有するフォ
トニック結晶構造においては、TE偏光に対するフォト
ニック・バンドギャップと、TM偏光に対するフォトニ
ック・バンドギャップを共通する周波数領域において有
するものである。長方形ロッド2または楕円形ロッド6
と周囲誘電体1、5との誘電率比や充填率などの条件に
より、TE偏光とTM偏光に共通する周波数領域で完全
なバンドギャップを生成することができる。
【0019】本発明の実施例として、長方形ロッド2の
短辺と長辺との比を0.5とし、長方形エアーロッド2
の誘電率εa=1.0、周囲誘電体Al23の誘電率ε
b=8.9、周囲誘電体が占める割合、即ち充填率を3
0%、格子定数aとしたときのTE偏光とTM偏光に対
する光波の状態密度を理論計算した結果は、図3に示す
ものとなった。図3から明らかなように、規格化周波数
0.32〜0.34付近に光波の状態密度がゼロ、即ち
両モードに共通のフォトニック・バンドギャップが生成
されていることがわかる。
【0020】また、長方形エアーロッド2の格子定数a
を0.5μmとして、長方形エアーロッド2の断面積を
一定として、短辺と長辺の比を変化させたときのバンド
ギャップ幅の変化は、図4に示すとおりである。図4か
らも明らかなように、長方形エアーロッド2の断面積が
一定のとき、長辺に対する短辺の比が0.5に対して、
TE偏光とTM偏光に共通な周波数領域のバンドギャッ
プの幅が最大であることがわかる。
【0021】以上の説明は本願発明の一実施例について
であり、本願発明はこれに限定されず、種々の誘電率を
有する公知の材質のものを好適に適用することができ
る。また、2次元構造に限らず、この2次元構造を所定
の厚さのものとすることもできる。
【0022】
【発明の効果】以上の説明からも明らかなように、本発
明のフォトニック結晶構造によれば、長方形ロッドある
いは楕円形ロッドを交互に90度回転させた配置とし、
これらと誘電率が大きく異なる誘電率を有する周囲誘電
体で構成したため、TE偏光、TM偏光に対して共通す
る周波数領域において幅広いフォトニック・バンドギャ
ップを得ることができる。このため、半導体レーザ、フ
ィルター等に好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のフォトニック結晶構造の一実施形態を
示す説明図。
【図2】本発明の他の実施形態を示す説明図。
【図3】本発明のフォトニック結晶構造の特性の説明
図。
【図4】本発明のフォトニック結晶構造の特性の説明
図。
【図5】従来例の説明図。
【図6】従来例の説明図。
【図7】従来例の特性の説明図。
【符号の説明】
1、5・・・・・周囲誘電体 2・・・・・長方形ロッド 6・・・・・楕円形ロッド
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 2H047 PA21 PA24 QA01 RA00 TA00 2H048 AA07 AA09 AA11 GA03 GA11 GA51 GA60

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】周期面に垂直な方向に一様な誘電率の異な
    る2種の誘電体で形成され、一方の誘電体は光波長に相
    当する辺長を有する複数の長方形ロッドであって、隣接
    する当該長方形ロッドが相互に90度回転されて配置さ
    れ、他方の誘電体は前記長方形ロッドの周囲に設けられ
    ることを特徴とするフォトニック結晶構造。
  2. 【請求項2】周期面に垂直な方向に電場成分を持たない
    偏光及び磁場成分を持たない偏光に対して共通な周波数
    領域で光波の伝播を抑制する特性を有することを特徴と
    する請求項1記載のフォトニック結晶構造。
  3. 【請求項3】周期面に垂直な方向に一様な誘電率の異な
    る2種の誘電体で形成され、一方の誘電体は光波長に相
    当する軸長を有する複数の楕円形ロッドであって、隣接
    する当該楕円形ロッドが相互に90度回転されて配置さ
    れ、他方の誘電体は前記楕円形ロッドの周囲に設けられ
    ることを特徴とするフォトニック結晶構造。
  4. 【請求項4】周期面に垂直な方向に電場成分を持たない
    偏光及び磁場成分を持たない偏光に対して共通な周波数
    領域で光波の伝播を抑制する特性を有することを特徴と
    する請求項3記載のフォトニック結晶構造。
JP5384399A 1999-03-02 1999-03-02 フォトニック結晶構造 Withdrawn JP2000249828A (ja)

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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005085911A1 (ja) * 2004-03-05 2005-09-15 Kyoto University 2次元フォトニック結晶およびこれを用いた光合分波器
US7136561B2 (en) 2003-03-26 2006-11-14 Tdk Corporation Two-dimensional photonic crystal, and waveguide and resonator using the same
CN1332239C (zh) * 2004-02-03 2007-08-15 复旦大学 一种调节二维光子晶体禁带的方法
US7317860B2 (en) 2005-10-04 2008-01-08 Fujitsu Limited Optical device having photonic crystal structure

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Effective date: 20060509