WO2006025343A1 - ２次元フォトニック結晶及びそれを用いた光デバイス - Google Patents

２次元フォトニック結晶及びそれを用いた光デバイス Download PDF

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dimensional photonic
main body
different refractive
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Susumu Noda
Takashi Asano
Hitoshi Kitagawa
Seiichi Takayama
Original Assignee
Kyoto University
Alps Electric Co., Ltd.
Tdk Corporation
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/122—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths
    • G02B6/1225—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths comprising photonic band-gap structures or photonic lattices
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals

Definitions

  • the present invention relates to a two-dimensional photonic crystal used for an optical multiplexer / demultiplexer or the like in the field of wavelength division multiplex communication or the like.
  • “light” used in the present application includes electromagnetic waves other than visible light.
  • Optical communication is a communication method that will play a central role in future broadband communication.
  • higher performance, smaller size, and lower price are required for the optical components used in the system.
  • One potential candidate for communication components is optical communication devices that use photonic crystals. Some of these are already in practical use, and photonic crystal fibers for polarization dispersion compensation are in practical use.
  • WDM Wavelength Division Multiplexing
  • a photonic crystal is obtained by artificially forming a periodic structure in a dielectric.
  • This periodic structure is generally formed by periodically arranging regions having different refractive indexes from the dielectric body (different refractive index regions) in the dielectric body. Due to the periodic structure, a band structure related to light energy is formed in the crystal, and an energy region in which light cannot be propagated is formed. Such an energy region is called a “photonic band gap (PBG)”.
  • PBG photonic band gap
  • the energy region (wavelength band) in which PBG is formed is determined by the refractive index of the dielectric and the period of the periodic structure.
  • Patent Document 1 discloses that a waveguide is formed by periodically disposing a different refractive index region in a main body (slab) and providing a defect in a linear shape in the periodic arrangement.
  • a two-dimensional photonic crystal in which a point defect is formed adjacent to the waveguide is described.
  • This two-dimensional photonic crystal functions as a demultiplexer that extracts light with a wavelength that matches the resonance wavelength of the resonator from various wavelengths propagating in the waveguide, and is introduced into the external force waveguide. It also functions as a multiplexer.
  • PBG is formed only for TE polarization, but such a two-dimensional photonic crystal In the waveguide and resonator, there is almost no loss of TE polarization, whereas TM polarization does not form PBG, so it propagates freely in the main body and generates loss.
  • a two-dimensional photonic crystal in which PBGs are formed for both TE polarized waves and TM polarized waves, and both PBGs have a common area has been studied.
  • this common area is referred to as the “complete photonic band gap (complete PBG)”.
  • a complete PBG is formed by periodically arranging triangular (triangular prism-shaped) holes 12 in a triangular lattice shape in a slab-shaped body 11 2 A two-dimensional photonic crystal is described.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-272555 ([0023] to [0027], [0032], FIG. 1, FIGS. 5 to 6)
  • Non-Patent Document 1 Hitoshi Kitagawa et al., “Complete photo-band gap in two-dimensional photonic crystal slabs”, Proceedings of the 50th Joint Conference on Applied Physics, Japan Society of Applied Physics, March 2003 , P. 1129
  • the complete PBG is large, for example, it is easy to match the transmission wavelength band of the waveguide with the resonance wavelength of the resonator under the condition that neither TE polarization nor TM polarization leaks into the main body. For example, the degree of freedom in designing the optical device is increased.
  • the degree of freedom in designing the optical device is increased.
  • the problem to be solved by the present invention is to provide a two-dimensional photonic crystal having a complete PBG larger than the conventional two-dimensional photonic crystal and an optical device using the two-dimensional photonic crystal. is there.
  • a two-dimensional photonic crystal according to the present invention which has been made to solve the above-mentioned problems, is formed by periodically arranging regions of the same shape having a refractive index different from that of a slab-like body.
  • the arrangement of the lattice points for arranging the different refractive index regions satisfies a symmetry of 6 mm, and the different refractive index regions satisfy a symmetry of 3 m in cross section by a plane parallel to the main body. It is not uniform in the vertical direction.
  • the edge shape of the cross section of the different refractive index region by a plane perpendicular to the main body is convex, concave, U-shaped, or inclined line toward the vertical center line of the different refractive index region, or It can also be a combination force. Further, one or both of the upper surface and the lower surface of the different refractive index region may be closed.
  • the cladding member can be made of a material having a lower refractive index than that of the main body material having a higher refractive index than air.
  • the main body is made of Si force and the clad member is made of SiO force.
  • the different refractive index region is composed of holes.
  • An optical waveguide device is formed by linearly providing a defect in a different refractive index region in the two-dimensional photonic crystal of the present invention.
  • the optical resonator device is formed by providing the two-dimensional photonic crystal of the present invention with a defect in the different refractive index region in a dot shape.
  • An optical multiplexer / demultiplexer includes the two-dimensional photonic crystal according to the present invention, at least one optical waveguide formed by linearly providing a defect in a different refractive index region in the two-dimensional photonic crystal, And at least one optical resonator formed by providing defects in the different refractive index region in the vicinity of the optical waveguide in the form of dots.
  • a method for producing a two-dimensional photonic crystal according to the present invention is a method for producing a two-dimensional photonic crystal, in which holes are periodically arranged in a slab-shaped body.
  • the main body of the two-dimensional photonic crystal is a force that uses the expressions “upper surface” and “lower surface” of the different refractive index region. This does not limit the orientation of the two-dimensional photonic crystal. It just shows one direction.
  • FIG. 1 is a perspective view showing an example of a conventional two-dimensional photonic crystal in which triangular prismatic holes are periodically provided in a slab body.
  • FIG. 2 is a view for explaining the shape of a different refractive index region in the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of the shape of a different refractive index region in the present invention.
  • FIG. 4 is a perspective view showing a cross section for explaining the shape of a different refractive index region.
  • FIG. 5 is a perspective view (a), a plan view (b), and a sectional view (c) showing an embodiment of the two-dimensional photonic crystal of the present invention.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing one embodiment of the method for producing a two-dimensional photonic crystal of the present invention.
  • FIG. 7 is a plan view showing another embodiment of the two-dimensional photonic crystal of the present invention.
  • FIG. 8 is a diagram showing the calculation result of complete PBG of the two-dimensional photonic crystal of the comparative example.
  • FIG. 9 is a view showing the calculation result of complete PBG of the two-dimensional photonic crystal of this example.
  • FIG. 10 is a diagram showing a calculation result of complete PBG of the two-dimensional photonic crystal of this example.
  • FIG. 11 is a diagram showing a calculation result of complete PBG of the two-dimensional photonic crystal of this example. Explanation of symbols
  • the two-dimensional photonic crystal according to the present invention is characterized by the shape of the different refractive index region and the periodic arrangement thereof, but the slab-like body has a region having a different refractive index (different refractive index region).
  • the slab-like body has a region having a different refractive index (different refractive index region).
  • different refractive index region can be formed by embedding any member having a refractive index different from that of the main body, but can also be formed by providing a hole in the main body. The latter is preferable because it is easier to manufacture and the difference in refractive index from the main body can be made sufficiently large.
  • the shape of the different refractive index region will be described.
  • the direction parallel to the main body is defined as the plane direction
  • the thickness direction of the main body is defined as the vertical direction.
  • the planar shape of the different refractive index region is a symmetrical shape having a three-fold rotational symmetry axis and a vertical mirror surface including the rotational axis. This symmetry is expressed as “3m” in the international notation Hellman Morgan notation and as “C3v” in the chain free notation.
  • a plane shape having such symmetry is positive.
  • the planar shape of the different refractive index region is not uniform in the vertical direction. That is, as shown in FIG. 2, the shape of the cross-section 24 of the different refractive index region 23 cut by the cross-section 22 in the parallel direction of the main body 21 changes when the surface 22 is moved in a direction perpendicular thereto. To do. Examples of the form of the change are shown in Fig. 3 (a) to (: D. Fig. 3 (a) shows the edge of the different refractive index region 23 when cut by a plane 25 (Fig. 4) perpendicular to the main body 21. The shape force of 26 is convex toward the vertical center line 27 of the refractive index region 23.
  • (b) is concave
  • (c) is U-shaped
  • (d) is an inclined line.
  • the upper and lower surfaces of the different refractive index region 23 are closed, or only one of the upper or lower surface of the different refractive index region 23 is shown in (£). It may be occluded.
  • the periodic arrangement of many different refractive index regions provided in the main body is such that the arrangement of the lattice points at the arrangement position is 6 mm in the Herman Morgan notation (C6 V in the case of the scene fleece notation).
  • TE polarization and TM polarization can be obtained.
  • a PBG is formed for both.
  • the TM-polarized PBG becomes larger than the case where the planar shape is uniform in the vertical direction, thereby overlapping the TE-polarized PBG, Or the overlap becomes large. This makes it possible to obtain a larger complete PBG than before. As a result, the degree of freedom in designing optical devices using two-dimensional photonic crystals is increased.
  • the complete PBG is increased. can do. This is because the electromagnetic field distribution in the direction perpendicular to the main body is flattened due to the presence of such clad members above and below the main body, and this is the electromagnetic wave of the dielectric band and the air band, which ultimately causes the PBG. This is because the difference in the entire field distribution can be increased.
  • the material of the clad member may have a refractive index larger or smaller than that of the main body, but in many two-dimensional photonic crystals, the main body material usually has a large difference in refractive index from air. Therefore, since a material having a high refractive index is used, it is natural to use a clad member having a refractive index lower than that of the main body.
  • Si when Si is used as the material of the main body, it is better to use SiO as the material of the clad member. In this case, the Si layer and the SiO layer were stacked.
  • a commercially available SOI (Silicon On Insulator) substrate can be used.
  • the two-dimensional photonic crystal of the present invention becomes an optical waveguide device by providing defects in a different refractive index region in a linear shape, and becomes an optical resonator device by providing defects in a dot shape.
  • An optical multiplexer / demultiplexer is provided by providing an optical resonator in the vicinity of such an optical waveguide.
  • energy levels (defect levels) in which light can exist in the complete PBG are formed only at the positions of the defects arranged in a line or dot. Light with a wavelength (frequency) corresponding to this defect level can exist in the defect, whereas complete PBG exists in the two-dimensional photonic crystal outside the defect. Both TE polarization and TM polarization cannot propagate. This prevents light in the defect from leaking into the two-dimensional photonic crystal outside the defect. Thereby, the loss of light in the optical waveguide or the optical resonator can be suppressed.
  • a complete PBG is not formed when the cross-sectional shape of the different refractive index region by a plane parallel to the main body does not satisfy the symmetry of 3 m and is not uniform in the vertical direction.
  • a two-dimensional photonic crystal with a cross-sectional shape that does not satisfy the symmetry of 3 m and is uniform in the vertical direction and has a different refractive index region (i) has a large TE-PBG.
  • the transmission wavelength band of the GiO optical resonator increases, and the Q value of the GiO optical resonator increases.
  • FIG. 5 is a perspective view of the structure of the two-dimensional photonic crystal of the present invention (a), a cross-sectional view when cut parallel to the main body (b), and a cross-sectional view when cut perpendicular to the main body (c) )
  • holes 32 are arranged with a period a in a slab-shaped body 31 having Si force.
  • the arrangement of the holes 32 is a triangular lattice, and the arrangement of lattice points of the triangular lattice satisfies a symmetry of 6 mm.
  • the hole 32 has a shape in which the upper surface and the lower surface thereof are closed (FIG. 5 (c)), it does not appear on the surface of the main body.
  • the planar shape of each hole 32 is an equilateral triangle as shown in FIG. 5 (b), and this shape satisfies the symmetry of 3 m.
  • an SOI substrate in which a Si thin film 42 as a main body is formed on a substrate 41 made of SiO.
  • Use plate 40 (a).
  • a resist 43 is applied on the Si thin film 42, and the planar shape of the resist 43 is a regular triangle (this shape is not shown because FIG. 6 is a cross-sectional view perpendicular to the Si thin film 42).
  • 44 is formed in a triangular lattice pattern (b).
  • the hole 44 can be formed by a method usually used in manufacturing a semiconductor device, such as exposure or electron beam drawing.
  • the silicon thin film 42 is positively etched by a method such as dry etching using an etching gas (for example, SF gas).
  • an etching gas for example, SF gas
  • Drill a prismatic hole 45 (c).
  • the holes 45 are stopped in the middle so that the Si thin film 42 remains on the substrate 41 side of the holes 44.
  • the resist is removed (d). Separately, the Si thin film 47 is formed on the substrate 46 that also has SiO force.
  • the formed product is prepared, and the Si thin film 42 and the Si thin film 47 are stacked (e) and bonded together (£).
  • a method of heating to 900 to 1100 ° C. and fusing can be used.
  • the Si thin films 42 and 47 are integrated.
  • the SiO substrates 41 and 46 are removed (g) by a method such as wet etching using an etching solution (for example, HF aqueous solution).
  • a two-dimensional photonic crystal 48 according to the present invention is obtained. As will be described later, when a clad member is provided, it is used as a clad member without removing the SiO substrates 41 and 46.
  • Fig. 7 is a cross-sectional view in the parallel direction of the body when the cross-sectional shape in the parallel direction of the holes is a shape other than an equilateral triangle.
  • the cross-sectional shape of the holes when cut perpendicular to the body is the same as in Fig. 5 (c).
  • three cylindrical holes 54a, 54b, 54c centered on the vertices 53a, 53b, 53c of the equilateral triangle 52 are provided, and these three holes become a body. Acts as a single different refractive index region 55. Also, the different refractive index region consisting of these three holes satisfies the symmetry of 3m.
  • Such different refractive index regions 55 are arranged in a triangular lattice shape.
  • the arrangement of the lattice points where this different refractive index region 55 is arranged satisfies the symmetry of 6 mm.
  • Figure 7 (b) shows that the three cylindrical holes 54a, 54b, 54c in Figure 7 (a) overlap each other, resulting in one hole 56 It has become.
  • the holes 56 are arranged in a triangular lattice pattern.
  • the holes 56 satisfy the symmetry of 3 m, and the arrangement of the lattice points where the holes 56 are arranged satisfies the symmetry of 6 mm.
  • the results of calculating the value of the complete PBG width (hereinafter referred to as the complete PBG value) for some of the two-dimensional photonic crystals of the present embodiment are shown below.
  • a three-dimensional time domain difference (Finite Difference Time Domain: FDTD) method was used. This 3D FDTD method is more complicated than the plane wave expansion method used in Non-Patent Document 1 etc., but the resulting value is more accurate.
  • the values of PBG related to TM polarization hereinafter referred to as TM-PBG
  • PBG related to TE polarization hereinafter referred to as TE-PBG
  • complete PBG is an energy region where TM-PBG and TE-PBG overlap.
  • the PBG value is expressed as a percentage by dividing the PBG width ⁇ expressed in frequency by the center value ⁇ of the PBG.
  • TM-PBG values and complete ⁇ G values were calculated for a conventional two-dimensional photonic crystal (Fig. 8).
  • the main body 81 is made of Si (the same applies to Calculation Examples 1 to 3 described later).
  • the planar shape of the hole 82 is also composed of three circular forces centered at the three apexes of the 0 equilateral triangle or GO equilateral triangle.
  • Filling factor which is the value obtained by dividing the void volume by the volume of the body f was (0.45 for 0 and 0.58 for (ii).
  • the body 81 has a clad member in which both the upper surface and the lower surface are in contact with air in (a), and in (b) the upper surface is in air and the lower surface is sufficiently thicker than the body.
  • a complete PBG value is obtained for a two-dimensional photonic crystal in which the planar shape of the holes 82 is an equilateral triangle and the upper and lower surfaces of the holes 82 are closed.
  • the height is 0.6a, and the height of the cover that closes the upper and lower surfaces of the air holes 82 is the upper and lower surfaces.
  • the deviation was 0.1a.
  • 9 (a) to 9 (c) the upper surface and the lower surface of the main body 81 correspond to the structures of FIGS. 8 (a) to 8 (c), and also have air or SiO force.
  • Clad member 83
  • the complete PBG values were (a) 2.1%, (b) 2.6%, and (c) 3.1%, which were found to be larger than in the comparative example of FIG.
  • TM-PBG values were (a) 2.1%, (b) 2.6%, and (c) 3.1%.
  • TM-PBG does not open in the corresponding comparative example of Fig. 8, whereas TM-PBG opens in this example, so the complete PBG opens only in this calculation example.
  • TM-PBG becomes larger than the corresponding comparative example in FIG.
  • the complete PBG value was calculated for the 2D photonic crystal with the top and bottom surfaces closed ( Figure 10).
  • the hole and cover heights were 0.6a and 0.1a (both top and bottom surfaces), respectively, and in (b), the hole and cover heights were 0.7a and 0.05a, respectively.
  • C) consists of SiO above and below (b)
  • a clad member 83 is provided.
  • the complete PBG values are (a) 2.0%, (b) 3.5%, and (c) 3.2%, which are larger than those in the comparative example. From this, it is clear that when the body thickness is the same (0.8a), the size of the complete PBG changes as the hole height is changed.
  • the complete PBG is smaller than TM-PBG. This is completely included in the energy range of TM-PBG force TE-PBG in the case of Calculation Example 1 and Fig. 10 (b), whereas in the case of Figs. 10 (a) and (c), TM -It is because it overlaps with only a part of PBG force TE-PBG.

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Abstract

　本発明は、広い完全フォトニックバンドギャップ(PBG)を有する２次元フォトニック結晶を提供することを目的として成された。スラブ状の本体３１に、スラブ面に平行な方向の断面形状が正三角形である空孔３２を三角格子状に周期的に配置する。この空孔３２の上面及び下面を本体３１の材料で覆うことにより、上記断面形状がスラブ面に垂直な方向には一様でないようにする。これによりTM偏波に対するPBGは広くなり、TE偏波に対するPBGと重なるエネルギーの範囲が広くなる。この重なりの部分が完全PBGである。完全PBG内のエネルギーに対応する波長を有する光は、TE偏波、TM偏波の双方がフォトニック結晶内を伝播することができない。そのため、このフォトニック結晶に導波路や共振器を設けると、それらからフォトニック結晶内に上記波長を有する光が漏れて損失となることを防ぐことができる。

Description

2次元フォトニック結晶及びそれを用いた光デバイス
技術分野
[0001] 本発明は、波長分割多重通信等の分野において光分合波器等に用いられる 2次 元フォトニック結晶に関する。なお、本願において用いる「光」には、可視光以外の電 磁波も含むものとする。
背景技術
[0002] 光通信は、今後のブロードバンド通信の中心的役割を担う通信方式である。光通信 の普及のために、そのシステムに使用される光部品類に対して、より高性能化、小型 ィ匕、低価格ィ匕が求められているが、このような要求を満たす次世代光通信部品の有 力候補のひとつとして、フォトニック結晶を利用した光通信用デバイスがある。これら は既に一部で実用化段階に入っており、偏波分散補償用フォトニック結晶ファイバー などが実用に供されている。現在では更に、波長分割多重通信 (Wavelength Division Multiplexing: WDM)に使用される光分合波器等の開発が実用化に向けて進められ ている。
[0003] フォトニック結晶は、誘電体に周期構造を人工的に形成したものである。この周期 構造は一般に、誘電体本体とは屈折率が異なる領域 (異屈折率領域)を誘電体本体 内に周期的に配置することにより形成される。その周期構造により、結晶中に光のェ ネルギーに関するバンド構造が形成され、光の伝播が不可能となるエネルギー領域 が形成される。このようなエネルギー領域は「フォトニックバンドギャップ」（Photonic Ba nd Gap:PBG)と呼ばれる。 PBGが形成されるエネルギー領域 (波長帯）は、誘電体の 屈折率や周期構造の周期により定まる。
[0004] また、このフォトニック結晶中に適切な欠陥を導入することにより、 PBG中にエネル ギー準位 (欠陥準位)が形成され、その欠陥準位に対応する波長の光のみがその欠 陥の近傍に存在できるようになる。従って、このような欠陥を有するフォトニック結晶は その波長の光共振器として使用することができる。更に、この欠陥を線状に設けること により、導波路として使用することができる。 [0005] 上記技術の一例として、特許文献 1には、本体 (スラブ)に異屈折率領域を周期的に 配置し、その周期的配置に欠陥を線状に設けることにより導波路を形成するとともに 、その導波路に隣接して点状欠陥を形成した 2次元フォトニック結晶が記載されてい る。この 2次元フォトニック結晶は、導波路内を伝播する様々な波長の光のうち共振 器の共振波長に一致する波長の光を外部へ取り出す分波器として機能すると共に、 外部力 導波路に導入する合波器としても機能する。
[0006] 特許文献 1に記載のものを含め、多くの 2次元フォトニック結晶では、電場が本体に 平行に振動する TE偏波又は磁場が本体に平行に振動する TM偏波のどちらか一方 の偏波の光に対して PBGが形成されるように設計される。従って、両偏波を含む光が 2次元フォトニック結晶の導波路や共振器に導入された場合、一方の偏波は本体内 を散逸してしまうため、導波路の伝播効率が低下してしまう。例えば、周期構造を三 角格子とし、異屈折率領域を円形（円柱状)とした場合には、 TE偏波に対してのみ PB Gが形成されるが、このような 2次元フォトニック結晶の導波路や共振器では TE偏波 の損失はほとんど生じないのに対し、 TM偏波は PBGが形成されないため本体内を自 由に伝播し、損失が発生する。
[0007] そこで、 TE偏波及び TM偏波の両方に対して PBGを形成し、その両 PBGが共通域を 持つようにした 2次元フォトニック結晶が検討されている。以下、この共通域を「完全フ オトニックバンドギャップ (完全 PBG)」と呼ぶ。例えば、非特許文献 1には、図 1に示す ように、スラブ状の本体 11に三角形 (三角柱状)の空孔 12を三角格子状に周期的に 配置することにより完全 PBGが形成される 2次元フォトニック結晶が記載されている。 この 2次元フォトニック結晶では、完全 PBG内の波長の光は、 TE偏波及び TM偏波の いずれであっても、導波路や共振器等力も本体内に漏れることがなぐ導波路の伝播 効率の低下が生じない。
[0008] 特許文献 1 :特開 2001- 272555号公報（[0023]〜[0027]、 [0032]、図 1、図 5〜6)
非特許文献 1 :北川均 他、『2次元フォトニック結晶スラブにおける完全フォト-ックバ ンドギャップ』、第 50回応用物理学関係連合講演会 講演予稿集、社団法人応用物 理学会、 2003年 3月、 p. 1129
発明の開示 発明が解決しょうとする課題
[0009] 完全 PBGが大きければ、 TE偏波及び TM偏波のいずれも本体内に漏れることがな いという条件下において、例えば導波路の透過波長帯域と共振器の共振波長とを合 わせやすくなる等、光デバイスの設計の自由度が大きくなるという効果がある。しかし 、上述したように、これまで、完全 PBGが形成される 2次元フォトニック結晶に関する研 究は鋭意行われてきたものの、十分に大きな完全 PBGが得られているとは言えない。
[0010] そこで本発明が解決しょうとする課題は、従来の 2次元フォトニック結晶よりも大きな 完全 PBGを有する 2次元フォトニック結晶及びその 2次元フォトニック結晶を用いた光 デバイスを提供することである。
課題を解決するための手段
[0011] 上記課題を解決するために成された本発明に係る 2次元フォトニック結晶は、スラブ 状の本体に該本体とは屈折率の異なる同一形状の領域を周期的に配置して成る 2 次元フォトニック結晶であって、
前記異屈折率領域を配置する格子点の配列は 6mmの対称性を満たし、 前記異屈折率領域は、本体に平行な面による断面形状が 3mの対称性を満たし、 該断面形状が、本体に垂直な方向に一様でないことを特徴とする。
[0012] 前記異屈折率領域の前記本体に垂直な面による断面の縁形状は、該異屈折率領 域の垂直中心線に向けて凸状、凹状、コの字状、もしくは傾斜線状又はそれらの組 み合わせ力も成るものとすることができる。また、前記異屈折率領域の上面又は下面 の一方又は双方は閉塞されているものとすることができる。
[0013] 前記本体の上面又は下面の一方又は双方は、本体とは屈折率の異なるクラッド部 材に接するようにすることができる。この場合、クラッド部材には空気よりも屈折率が高 ぐ本体の材料よりも屈折率が低い材料力も成るものを用いることができる。例えば、 本体には Si力も成るものを、前記クラッド部材には SiO力も成るものを、それぞれ用い
2
る。
[0014] 前記異屈折率領域は空孔から成ることが望ま 、。
[0015] 本発明に係る光導波路デバイスは、上記本発明の 2次元フォトニック結晶に異屈折 率領域の欠陥を線状に設けて成るものである。また、本発明に係る光共振器デバイ スは、上記本発明の 2次元フォトニック結晶に異屈折率領域の欠陥を点状に設けて 成るものである。本発明に係る光合分波器は、上記本発明の 2次元フォトニック結晶 と、該 2次元フォトニック結晶に異屈折率領域の欠陥を線状に設けて成る少なくとも 1 本の光導波路と、該光導波路の近傍に異屈折率領域の欠陥を点状に設けて成る少 なくとも 1個の光共振器と、を備えるものである。
[0016] 本発明に係る 2次元フォトニック結晶の製造方法は、スラブ状の本体に空孔を周期 的に配置して成る 2次元フォトニック結晶の製造方法において、
前記本体に空孔を形成する空孔形成工程と、
前記空孔に接する前記本体の上面又は下面の一方又は双方に、該本体と同じ屈 折率を有する板状の部材を接着する工程と、
を有することを特徴とする。
[0017] なお、本願では便宜上、 2次元フォトニック結晶の本体ゃ異屈折率領域の「上面」、 及び「下面」という表現を用いる力 これは 2次元フォトニック結晶の向きを限定するも のではなぐ単に一つの方向を示すに過ぎない。
図面の簡単な説明
[0018] [図 1]スラブ状の本体に三角柱状の空孔を周期的に設けた従来の 2次元フォトニック 結晶の一例を示す斜視図。
[図 2]本発明における異屈折率領域の形状を説明するための図。
[図 3]本発明における異屈折率領域の形状の例を示す図。
[図 4]異屈折率領域の形状を説明するための断面を示す斜視図。
[図 5]本発明の 2次元フォトニック結晶の一実施例を示す斜視図 (a)、平面図 (b)及び 断面図 (c)。
[図 6]本発明の 2次元フォトニック結晶の製造方法の一実施例を示す断面図。
[図 7]本発明の 2次元フォトニック結晶の他の実施例を示す平面図。
[図 8]比較例の 2次元フォトニック結晶の完全 PBGの計算結果を示す図。
[図 9]本実施例の 2次元フォトニック結晶の完全 PBGの計算結果を示す図。
[図 10]本実施例の 2次元フォトニック結晶の完全 PBGの計算結果を示す図。
[図 11]本実施例の 2次元フォトニック結晶の完全 PBGの計算結果を示す図。 符号の説明
[0019] 11、 21、 31、 81· ··本体
12、 32、 54a、 54b、 54c、 56、 82· ··空孔
22· ··本体 21の平行方向の断面
23、 55…異屈折率領域
24· ··断面 22で切断した異屈折率領域 23の断面
25· ,·本体 21に垂直な面
26· ··面 25で切断したときの異屈折率領域 23の縁
40· ■•SOI基板
41、 46- --SiO基板
2
42、 47—Si薄膜
43· ,·レジス卜
48· ••2次元フォトニック結晶
51 · ··格子点
83· クラッド部材
発明の実施の形態及び効果
[0020] 本発明に係る 2次元フォトニック結晶は、異屈折率領域の形状及びその周期的配 置に特徴を有するが、スラブ状の本体にそれとは屈折率の異なる領域 (異屈折率領 域)を周期的に配置する点では、例えば特許文献 1に記載されたような従来の 2次元 フォトニック結晶と同様である。異屈折率領域は、本体とは屈折率の異なる何らかの 部材を埋め込むことによつても形成することができるが、本体に空孔を設けることによ り形成することもできる。後者の方が作製が容易であり、本体との屈折率の差も十分 に大きくすることができるため望まし 、。
[0021] この異屈折率領域の形状について説明する。なお、以下、本体に平行な方向を平 面方向とし、本体の厚さ方向を垂直方向とする。異屈折率領域の平面形状は、 3回 回転対称軸とその回転軸を含む垂直鏡映面を持つ対称性を有する形状とする。この 対称性は、国際表記であるへルマンモーガン表記では「3m」と表され、シエーンフリ ース表記では「C3v」と表される。このような対称性を有する平面形状には、例えば正 三角形状のものや、正三角形の 3個の頂点をそれぞれ中心とした 3個の円形の異屈 折率領域の集合体等がある。
[0022] 異屈折率領域の平面形状は、垂直方向に一様でないようにする。すなわち、図 2に 示すように、本体 21の平行方向の断面 22で切断した異屈折率領域 23の断面 24の 形状が、その面 22をそれに垂直な方向に移動したときに、変化するようにする。その 変化の形態の例を図 3(a)〜(： Dに示す。図 3(a)は、本体 21に垂直な面 25 (図 4)で切 断したときの異屈折率領域 23の縁 26の形状力 異屈折率領域 23の垂直中心線 27 に向かって凸状となっているものであり、（b)は凹状、（c)はコの字状、（d)は傾斜線とな つているものである。また、（e)に示すように異屈折率領域 23の上面及び下面を閉塞 したものや、（£)に示すように異屈折率領域 23の上面又は下面の一方のみを閉塞した ものであってもよい。
[0023] 本体に多数設けられる異屈折率領域の周期的配置は、その配置する位置の格子 点の配列が、ヘルマンモーガン表記による表現で 6mm (シヱーンフリース表記では C6 V)となるようにする。
[0024] 上記のように、平行方向の断面形状が 3mの対称性を有する異屈折率領域を、 6mm の対称性を有する格子点状に複数配置することにより、 TE偏波と TM偏波の双方に 対する PBGが形成される。そして、更に垂直方向の断面形状を一様でないものとする ことにより、平面形状が垂直方向に一様である場合よりも TM偏波の PBGが大きくなり 、それにより TE偏波の PBGと重なり、あるいはその重なりが大きくなる。これにより、従 来よりも大きな完全 PBGを得ることができる。その結果、 2次元フォトニック結晶を用い た光デバイスの設計の自由度が大きくなる。
[0025] 本発明の 2次元フォトニック結晶の本体が有する上下 2つの面のうち、一方又は双 方に、本体とは屈折率の異なる部材 (クラッド部材)を設けることにより、完全 PBGを大 きくすることができる。これは、このようなクラッド部材が本体の上下に存在することに より本体に垂直な方向の電磁界分布が平坦ィ匕し、これが最終的に PBGの起源となる 誘電体バンドと空気バンドの電磁界分布全体としての差を大きくできるためである。ク ラッド部材の材料は、本体よりも屈折率の大きいものでも小さいものでもよいが、多く の 2次元フォトニック結晶では通常、本体の材料には、空気との屈折率の差を大きく するために、屈折率の大きいものが用いられるため、クラッド部材には本体よりも屈折 率の小さいものを用いるのが自然である。また、本体の材料に Siを用いた場合には、 クラッド部材の材料には SiOを用いるとよい。この場合、 Siの層と SiOの層が積層した
2 2
市販の SOI(Silicon On Insulator)基板を利用することができる。
[0026] 本発明の 2次元フォトニック結晶は、異屈折率領域の欠陥を線状に設けることにより 光導波路デバイスとなり、欠陥を点状に設けることにより光共振器デバイスとなる。ま た、このような光導波路の近傍に光共振器を設けることにより光合分波器となる。これ らの光デバイスでは、線状又は点状に配置される欠陥の位置においてのみ、完全 PB G内に光が存在することのできるエネルギー準位 (欠陥準位)が形成される。この欠陥 準位に対応する波長 (周波数)を持つ光は、欠陥内には存在することができるのに対 して、欠陥の外部である 2次元フォトニック結晶内では、完全 PBGが存在するために T E偏波、 TM偏波の双方が伝播することができない。そのため、欠陥内の光が欠陥外 の 2次元フォトニック結晶内に漏れ出すことを防ぐことができる。これにより、光導波路 や光共振器における光の損失を抑制することができる。
[0027] なお、異屈折率領域の、本体に平行な面による断面形状が 3mの対称性を満たさず 垂直方向に一様でない場合には完全 PBGは形成されない。しかし、該断面形状が 3 mの対称性を満たさず垂直方向に一様でな ヽ異屈折率領域を有する 2次元フォト二 ック結晶は、（i)TE-PBGが大きくなる、 GO導波路の透過波長帯域が大きくなる、 GiO光 共振器の Q値が大きくなる、という効果を奏する。
実施例
[0028] (1)本発明の 2次元フォトニック結晶の一実施例
本発明の 2次元フォトニック結晶の一構造を図 5の本体の斜視図 (a)、本体に平行に 切断したときの断面図 (b)、及び本体に垂直に切断したときの断面図 (c)を用いて説明 する。まず、例えば Si力も成るスラブ状の本体 31に空孔 32を周期 aで配置する。この 空孔 32の配置は三角格子状であり、この三角格子の格子点の配列は 6mmの対称性 を満たす。但し、空孔 32は、その上面及び下面が閉塞された形状を有する（図 5(c)) ため、本体の表面には現れない。各空孔 32の平面形状は図 5(b)に示されるように正 三角形であり、この形状は 3mの対称性を満たして 、る。 [0029] (2)製造方法
図 6を用いて、図 5に示したような 2次元フォトニック結晶の製造方法の一例につい て説明する。
本実施例では、 SiOから成る基板 41上に、本体となる Si薄膜 42が形成された SOI基
2
板 40を用いる (a)。 Si薄膜 42上にレジスト 43を塗布し、レジスト 43に平面形状が正三 角形（図 6は Si薄膜 42に垂直な方向の断面図であるため、この形状は示されていな い。）である孔 44を三角格子状に形成する (b)。孔 44は、露光や電子線描画等、半導 体装置の製造において通常用いられる方法により形成することができる。次に、エツ チングガス (例えば SFガス)を用いたドライエッチング等の方法により Si薄膜 42に正三
6
角柱形の空孔 45を穿孔する (c)。ここで、エッチングを行う時間を調節することにより、 空孔 45の穿孔を途中で止め、孔 44の基板 41側に Si薄膜 42がー部残るようにする。 次に、レジストを除去する (d)。これとは別に、 SiO力も成る基板 46上に Si薄膜 47を形
2
成したものを作製しておき、 Si薄膜 42と Si薄膜 47を重ね (e)、両者を接着する (£)。この 接着には、例えば 900〜1100°Cに加熱して融着する等の方法を用いることができる。 これにより Si薄膜 42と 47は一体となる。最後に、エッチング液 (例えば HF水溶液)を用 いたウエットエッチング等の方法により SiO基板 41及び 46を除去する (g)ことにより、
2
本発明に係る 2次元フォトニック結晶 48が得られる。なお、後述するようにクラッド部 材を設ける場合には、 SiO基板 41及び 46を除去することなくそれをクラッド部材とす
2
ればよい。
[0030] (3)本発明の 2次元フォトニック結晶の他の実施例
図 7は空孔の平行方向の断面形状を正三角形以外の形状とした場合の、本体の平 行方向の断面図である。本体に垂直に切断したときの空孔の断面形状は図 5(c)と同 じである。図 7(a)の例では、正三角形 52の頂点 53a、 53b、 53cを中心とする 3個の 円柱状の空孔 54a、 54b、 54cを設け、この 3個の空孔がー体となって 1個の異屈折 率領域 55として作用する。また、この 3個の空孔から成る異屈折率領域は 3mの対称 性を満たしている。そして、このような異屈折率領域 55を三角格子状に配置する。こ の異屈折率領域 55を配置する格子点の配列は 6mmの対称性を満たす。図 7(b)は、 図 7(a)の 3個の円柱状の空孔 54a、 54b、 54c力重なり合うことにより、 1個の空孔 56と なったものである。上記の例と同様に、空孔 56を三角格子状に配置する。この例に おいても、空孔 56は 3mの対称性を満たし、空孔 56を配置する格子点の配列は 6mm の対称性を満たす。
[0031] (4)本実施例の 2次元フォトニック結晶の完全 PBG値
以下に、上記本実施例の 2次元フォトニック結晶のうちのいくつかについて、完全 P BGの幅の値 (以下、完全 PBG値とする）を計算により求めた結果を示す。計算には、 3次元時間領域差分 (Finite Difference Time Domain:FDTD)法を用いた。この 3次元 FDTD法は、非特許文献 1等で用いられた平面波展開法よりも複雑であるが、結果の 値がより正確である。併せて、 TM偏波に係る PBG (以下、 TM- PBGとする）と TE偏波 に係る PBG (以下、 TE- PBGとする）の値を示す。上記のように完全 PBGは TM- PBGと TE-PBGが重なるエネルギー領域である。以下の計算結果では、 PBG値は、周波数 で表した PBG幅 Δ ωをその PBGの中心値 ωで除して百分率で表したもので示す。
0
[0032] [比較例]
まず、比較のために、従来の 2次元フォトニック結晶について、 TM-PBG値と完全 ΡΒ G値を計算した（図 8)。（a)〜(c)はいずれも、本体 81は Siから成る (後述の計算例 1〜 3においても同様)。空孔 82の平面形状は (0正三角形、又は GO正三角形の 3個の頂 点をそれぞれ中心とした 3個の円力も成る。空孔の体積を本体の体積で除した値で あるフィリングファクタ f は、（0では 0.45、（ii)では 0.58であった。本体 81の厚さは空孔
air
82の周期 aの 0.8倍とした。また、本体 81は、（a)では上面及び下面の双方が空気に 接し、（b)では上面が空気に、下面が本体よりも十分に厚い SiO力 成るクラッド部材 8
2
3に接し、（c)では上面及び下面の双方がクラッド部材 83に接する。これらの各構成に ついて TM- PBG値と完全 PBG値の計算結果を図 8に示す。この結果、完全 PBGが形 成されるのは (a)(i)の場合と (c)Gi)の場合のみであり、その値は 0.4%及び 1.2%であった。
[0033] [計算例 1]
次に、本発明の 2次元フォトニック結晶の例として、空孔 82の平面形状が正三角形 であって、空孔 82の上面及び下面が閉塞された 2次元フォトニック結晶について、完 全 PBG値を計算した（図 9)。空孔 82のフィリングファクタは f =0.45であった。空孔の
air
高さは 0.6aであり、空孔 82の上面及び下面を閉塞する覆いの高さは上面、下面のい ずれも 0.1aであった。この図 9(a)〜(； c)の構成は、本体 81の上面及び下面が、上記図 8の (a)〜(c)の各構成に対応して、同様に空気、又は SiO力も成るクラッド部材 83に
2
接している。
[0034] 計算の結果、完全 PBG値は (a)2.1%、（b)2.6%、（c)3.1%となり、上記図 8の比較例の場 合よりも大きくなることが明らかになった。この時、 TM- PBG値も (a)2.1%、（b)2.6%、 (c)3. 1%となった。（b)、（c)については、対応する図 8の比較例において TM-PBGが開かな いのに対して本実施例では TM-PBGが開くため、本計算例の場合のみ完全 PBGが 開く。また、（a)については対応する図 8の比較例よりも TM-PBGが大きくなることにより 、完全 PBGも大きくなる。また、本計算例より、クラッド部材 83を設けることにより、完全 PBGはより大きくなることが明らかになった。
[0035] [計算例 2]
次に、図 7(a)に示した 2次元フォトニック結晶、即ち空孔 82の平面形状が 3個の円 の中心を正三角形の 3つの頂点に配置した形状であって、空孔 82の上面及び下面 が閉塞された 2次元フォトニック結晶について、完全 PBG値を計算した（図 10)。（a)で は空孔及び覆いの高さをそれぞれ 0.6a及び 0.1a (上面、下面のいずれも)とし、（b)では 空孔及び覆いの高さをそれぞれ 0.7a及び 0.05aとした。（c)は (b)の上下に SiOから成る
2 クラッド部材 83を設けたものである。
[0036] 計算の結果、完全 PBG値は (a)2.0%、（b)3.5%、（c)3.2%となり、上記比較例の場合より も大きい。このことより、本体の厚さが同じ (0.8a)場合において、空孔の高さを変化さ せると完全 PBGの大きさも変化することが明らかになった。ここで、（a)及び (c)の場合 には、計算例 1の場合とは異なり、完全 PBGは TM-PBGよりも小さい。これは計算例 1 及び図 10(b)の場合には TM-PBG力TE-PBGのエネルギーの範囲に完全に含まれる のに対して、図 10(a)及び (c)の場合には TM-PBG力TE-PBGの一部にのみ重なるた めである。
[0037] なお、図 10(a)と (b)を比較すると、空孔の高さを大きくする (覆いの高さを小さくする） ことにより完全 PBGが大きくなるようにも思われる力 更に空孔の高さを大きくして覆い をなくした場合（図 8(a)(i0)には完全 PBGが形成されないことに留意する必要がある。
[0038] [計算例 3] さらに、空孔 82の平面形状が図 7(b)に示すものであって、下面のみが閉塞された 2 次元フォトニック結晶について、完全 PBG値を計算した（図 11)。（a)では空孔の高さ を 0.75a、空孔の下面のみに設けた覆いの高さを 0.05aとした。（b)は、（a)の下面のみに SiO力も成るクラッド部材 83を設けたものである。計算の結果、完全 PBG値は (a)4.4%
2
、（b)3.0%となった。（a)では上記各実施例よりも大きな完全 PBGが得られた。

Claims

請求の範囲
[1] スラブ状の本体に該本体とは屈折率の異なる同一形状の領域を周期的に配置して 成る 2次元フォトニック結晶であって、
前記異屈折率領域を配置する格子点の配列は 6mmの対称性を満たし、 前記異屈折率領域は、本体に平行な面による断面形状が 3mの対称性を満たし、 該断面形状力 本体に垂直な方向に一様でないことを特徴とする 2次元フォトニック ホ吉晶。
[2] 前記異屈折率領域の前記本体に垂直な面による断面の縁形状が、該異屈折率領 域の垂直中心線に向けて凸状、凹状、コの字状、もしくは傾斜線状又はそれらの組 み合わせ力 成ることを特徴とする請求項 1に記載の 2次元フォトニック結晶。
[3] 前記異屈折率領域の上面又は下面の一方又は双方が閉塞されていることを特徴と する請求項 1に記載の 2次元フォトニック結晶。
[4] 前記本体の上面又は下面の一方又は双方が該本体とは屈折率の異なるクラッド部 材に接することを特徴とする請求項 1に記載の 2次元フォトニック結晶。
[5] 前記クラッド部材が空気よりも屈折率が高ぐ本体の材料よりも屈折率が低い材料 力 成ることを特徴とする請求項 4に記載の 2次元フォトニック結晶。
[6] 前記本体力 iから成り、前記クラッド部材カ ¾0から成ることを特徴とする請求項 5に
2
記載の 2次元フォトニック結晶。
[7] 前記異屈折率領域が空孔力 成ることを特徴とする請求項 1〜6のいずれかに記載 の 2次元フォトニック結晶。
[8] 請求項 1〜6のいずれかに記載の 2次元フォトニック結晶に、異屈折率領域の欠陥 を線状に設けて成ることを特徴とする光導波路デバイス。
[9] 請求項 1〜6のいずれかに記載の 2次元フォト ック結晶に、異屈折率領域の欠陥 を点状に設けて成ることを特徴とする光共振器デバイス。
[10] 請求項 1〜6のいずれかに記載の 2次元フォトニック結晶と、該 2次元フォトニック結 晶に異屈折率領域の欠陥を線状に設けて成る少なくとも 1本の光導波路と、該光導 波路の近傍に異屈折率領域の欠陥を点状に設けて成る少なくとも 1個の光共振器と
、を備えることを特徴とする光合分波器。 スラブ状の本体に空孔を周期的に配置して成る 2次元フォトニック結晶の製造方法 において、
前記本体に空孔を形成する空孔形成工程と、
前記空孔に接する前記本体の上面又は下面の一方又は双方に、該本体と同じ屈 折率を有する板状の部材を接着する工程と、
を有することを特徴とする 2次元フォトニック結晶の製造方法。
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