JP5451367B2 - Three-dimensional photonic crystal and light emitting device - Google Patents
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Description
本発明は、発光素子等の機能素子に用いられる3フォトニック結晶に関し、特に結晶中に導波路領域およびモード変換領域を設けた3次元フォトニック結晶に関する。 The present invention relates to a three-photonic crystal used for a functional element such as a light-emitting element, and more particularly to a three-dimensional photonic crystal in which a waveguide region and a mode conversion region are provided in the crystal.
波長以下の大きさの構造体を周期的に配列することによって電磁波の透過・反射等の特性を制御する概念が、Yablonovitchによって提唱されている(非特許文献1)。このような構造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、光の損失がない100%の反射率を有する光学素子を実現できる。このように、ある波長域で反射率を100%にする作用は、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(作用)と言われている。 Yablonovitch has proposed the concept of controlling characteristics such as transmission / reflection of electromagnetic waves by periodically arranging structures having a size equal to or smaller than the wavelength (Non-Patent Document 1). Such a structure is known as a photonic crystal, and an optical element having a reflectance of 100% with no light loss can be realized in a certain wavelength region. Thus, the effect of setting the reflectance to 100% in a certain wavelength region is said to be a photonic band gap (action) from the comparison with the energy gap of a conventional semiconductor.
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状または線状の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。 By using a photonic crystal having a photonic band gap, an optical element having a new function can be realized. For example, by providing a point-like or linear defect in the photonic crystal, it can be operated as a resonator or a waveguide.
フォトニック結晶内に、導波路として動作する線状欠陥部を設けると、光は導波路の構造に応じた固有の電磁エネルギー分布を有する状態で伝播する。また、フォトニック結晶の外部領域においても、光は構造に応じた固有の電磁エネルギー分布を有する状態で伝播する。以下、この固有の電磁エネルギー分布を有して伝播する光の状態を「導波モード」という。また、導波モードの固有の電磁エネルギー分布を「導波モードパターン」といい、固有の電磁エネルギー分布で伝播する光の周波数を「導波モード周波数」という。さらに、フォトニック結晶よりも外側の領域を、「外部領域」という。 When a linear defect portion operating as a waveguide is provided in the photonic crystal, light propagates in a state having an inherent electromagnetic energy distribution corresponding to the structure of the waveguide. In addition, light propagates in an external region of the photonic crystal with a unique electromagnetic energy distribution corresponding to the structure. Hereinafter, the state of light propagating with this inherent electromagnetic energy distribution is referred to as a “waveguide mode”. Further, the inherent electromagnetic energy distribution of the guided mode is referred to as “guided mode pattern”, and the frequency of light propagating with the inherent electromagnetic energy distribution is referred to as “guided mode frequency”. Furthermore, a region outside the photonic crystal is referred to as an “external region”.
導波路を伝搬する光は、外部領域に近接したとき、導波路を伝搬する光の導波モードが外部領域の光の導波モードと結合し、外部領域を伝搬する光に変換されて射出される。以下、導波路を伝播する光の導波モードを「導波モード1」とし、外部領域を伝播する光のモードを「導波モード2」とする。 When the light propagating in the waveguide is close to the external region, the waveguide mode of the light propagating in the waveguide is combined with the waveguide mode of the light in the external region, converted into light propagating in the external region, and emitted. The Hereinafter, the waveguide mode of light propagating through the waveguide is referred to as “guided mode 1”, and the mode of light propagating through the external region is referred to as “guided mode 2”.
フォトニック結晶から外部領域へと光を射出する際に、光が伝搬する方向に直交する面における光の電磁エネルギー分布について考える。外部領域が一様な媒質であるとき、レンズ等の光学素子で集光あるいは平行光化された光を使用する場合、その光の電磁エネルギー分布は、複数の軸に関して鏡映対称となるような高い対称性を持つ方が好ましい。このため、フォトニック結晶から外部領域へと射出する直前の光の導波モードパターンの形状を、光が伝搬する方向に直交する面において、できるだけ高い対称性を有する形状にすることが必要である。 When light is emitted from the photonic crystal to the external region, the electromagnetic energy distribution of light on the plane orthogonal to the light propagation direction is considered. When the external region is a uniform medium, when using light condensed or collimated by an optical element such as a lens, the electromagnetic energy distribution of the light is mirror-symmetric about multiple axes. It is preferable to have high symmetry. For this reason, it is necessary to make the shape of the waveguide mode pattern of the light just before being emitted from the photonic crystal to the external region a shape having as high symmetry as possible in the plane orthogonal to the light propagation direction. .
また、フォトニック結晶内に設けられた導波路(フォトニック結晶導波路)と細線により形成された導波路(細線導波路)とを結合する場合、細線導波路を伝搬する導波モードパターンは、複数の軸に関して鏡映対称である。よって、結合する直前のフォトニック結晶導波路を伝搬する導波モードパターンが高い対称性を有した形状であれば、細線導波路に効率良く結合させることができる。 In addition, when a waveguide (photonic crystal waveguide) provided in a photonic crystal and a waveguide (thin wire waveguide) formed by a thin wire are coupled, a waveguide mode pattern propagating through the thin wire waveguide is: Mirror symmetry about multiple axes. Therefore, if the waveguide mode pattern propagating through the photonic crystal waveguide immediately before coupling has a highly symmetric shape, it can be efficiently coupled to the thin wire waveguide.
フォトニック結晶導波路の導波モード1から外部領域の導波モード2に変換する手段として、モード変換構造を使用することが知られている。例えば、非特許文献2および特許文献1では、フォトニック結晶内におけるフォトニック結晶導波路と外部領域との間にモード変換構造としてテーパー状の欠陥部を設けた構造が提案されている。テーパー状の欠陥部とは、線状欠陥部における光伝搬方向に対して直交する方向の幅を、光伝搬方向に向かって徐々に拡大した構造である。モード変換構造を伝播する光の導波モードを、「導波モード3」とする。 It is known to use a mode conversion structure as means for converting from the waveguide mode 1 of the photonic crystal waveguide to the waveguide mode 2 of the external region. For example, Non-Patent Document 2 and Patent Document 1 propose a structure in which a tapered defect portion is provided as a mode conversion structure between a photonic crystal waveguide and an external region in a photonic crystal. The tapered defect portion is a structure in which the width of the linear defect portion in the direction orthogonal to the light propagation direction is gradually enlarged toward the light propagation direction. A waveguide mode of light propagating through the mode conversion structure is referred to as “guided mode 3”.
モード変換構造をフォトニック結晶導波路と外部領域との間に配置することで、フォトニック結晶導波路を伝播する導波モード1の光を導波モード2と近い導波モードパターンを有する導波モード3の光に変換した後、導波モード2の光に変換することができる。このようにモード変換構造を用いることで、フォトニック結晶導波路を導波モード1で伝播する光を外部領域を伝播する導波モード2の光へ効率良く変換できる。 By arranging the mode conversion structure between the photonic crystal waveguide and the external region, the waveguide mode 1 light propagating in the photonic crystal waveguide has a waveguide mode pattern close to the waveguide mode 2. After being converted to mode 3 light, it can be converted to guided mode 2 light. By using the mode conversion structure in this manner, light propagating in the waveguide mode 1 in the photonic crystal waveguide can be efficiently converted into light in the waveguide mode 2 propagating in the external region.
3次元フォトニック結晶は、3次元的に光を閉じ込めることができるため、2次元フォトニック結晶に比べて損失を低減することが可能である。全ての方向の光に対して、モードが存在できない完全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として、ダイヤモンド構造が知られている。 Since the three-dimensional photonic crystal can confine light in three dimensions, the loss can be reduced as compared with the two-dimensional photonic crystal. A diamond structure is known as a three-dimensional photonic crystal having a complete photonic band gap in which no mode can exist for light in all directions.
以下、フォトニック結晶の1周期分の単位構造を、「フォトニック結晶単位構造」という。図28(a)には、ダイヤモンド構造のフォトニック結晶単位構造αを示す。図28(b)は、図28(a)の(110)面の射影図を表している。フォトニック結晶単位構造αの(1−10)の方向をx’軸方向、(001)の方向をy’軸方向、(110)の方向をz’軸方向とする。図28(b)には、y’軸に平行な少なくとも1つの直線に関して鏡映対称であり、x’軸に平行な任意の直線に関して鏡映対称ではない構造を示している。 Hereinafter, the unit structure for one period of the photonic crystal is referred to as “photonic crystal unit structure”. FIG. 28A shows a photonic crystal unit structure α having a diamond structure. FIG. 28B shows a projection view of the (110) plane of FIG. The (1-10) direction of the photonic crystal unit structure α is the x′-axis direction, the (001) direction is the y′-axis direction, and the (110) direction is the z′-axis direction. FIG. 28B shows a structure that is mirror symmetric with respect to at least one straight line parallel to the y ′ axis and is not mirror symmetric with respect to any straight line parallel to the x ′ axis.
導波路とモード変換構造は、フォトニック結晶単位構造αを全て同じ向きに配列することで形成されたフォトニック結晶基本構造の内部に、線状の欠陥部を設けることで構成される。ここで、線状欠陥部が延びる方向をz軸方向とし、z軸に直交する面において互いに直交する2つの直線をx軸およびy軸とする。また、フォトニック結晶基本構造のx軸方向、y軸方向およびz軸方向はそれぞれ、フォトニック結晶単位構造αのx’軸方向、y’軸方向およびz’軸方向と一致しているとする。 The waveguide and the mode conversion structure are configured by providing a linear defect inside the basic photonic crystal structure formed by arranging all the photonic crystal unit structures α in the same direction. Here, a direction in which the linear defect portion extends is defined as a z-axis direction, and two straight lines orthogonal to each other in a plane orthogonal to the z-axis are defined as an x-axis and a y-axis. In addition, it is assumed that the x-axis direction, the y-axis direction, and the z-axis direction of the photonic crystal basic structure coincide with the x′-axis direction, the y′-axis direction, and the z′-axis direction of the photonic crystal unit structure α, respectively. .
このとき、導波路とモード変換構造のxy断面は、図29に示すような構造となる。図29に示すxy断面において、x軸とy軸が欠陥部の中心を通るとしたとき、y軸に関して鏡映対称を有し、x軸に関して鏡映対称を有さない構造となる。 At this time, the xy section of the waveguide and the mode conversion structure has a structure as shown in FIG. In the xy cross section shown in FIG. 29, when the x-axis and the y-axis pass through the center of the defect portion, the structure has mirror symmetry with respect to the y-axis and does not have mirror symmetry with respect to the x-axis.
導波路とモード変換構造を伝搬する光は、欠陥部とその近傍の構造に集中するため、導波モードパターンは、欠陥部やその周囲の構造の影響を受ける。xy断面において、欠陥部の周囲の構造が、図29に示すようにx軸に関して鏡映対称を有さない構造であれば、導波モードパターンもx軸に関して鏡映対称を有さない形状となる。外部領域に射出される光の導波モードパターンは、射出される直前の導波モードパターンの影響を受ける。外部領域が一様な屈折率媒質の領域である場合に、鏡映対称を持たないような低い対称性を有するモード変換構造から外部領域へ光が射出されると、射出される光の電磁エネルギー分布も低い対称性を有する形状となってしまう。 Since light propagating through the waveguide and the mode conversion structure concentrates on the defect portion and the structure in the vicinity thereof, the waveguide mode pattern is affected by the defect portion and the surrounding structure. In the xy cross section, if the structure around the defect portion is a structure having no mirror symmetry with respect to the x axis as shown in FIG. 29, the waveguide mode pattern has a shape having no mirror symmetry with respect to the x axis. Become. The guided mode pattern of light emitted to the external region is affected by the guided mode pattern immediately before being emitted. When the outer region is a uniform refractive index medium region, when light is emitted from the mode conversion structure having low symmetry that does not have mirror symmetry to the outer region, the electromagnetic energy of the emitted light The distribution also has a shape with low symmetry.
また、フォトニック結晶導波路と細線導波路とを結合する場合において、モード変換構造を伝搬する光の導波モードパターンが、xy断面において鏡映対称を持たない低い対称性を有する形状であれば、効率良く光を結合させることができない。 Further, when the photonic crystal waveguide and the thin wire waveguide are coupled, if the waveguide mode pattern of the light propagating through the mode conversion structure is a shape having low symmetry that does not have mirror symmetry in the xy section. Can't combine light efficiently.
本発明は、複数の軸に関して鏡映対称を有さないフォトニック結晶導波路から外部領域に射出される光に、複数の軸に関して鏡映対称である高い対称性を有した電磁エネルギー分布を持たせることができる3次元フォトニック結晶を提供する。 The present invention has an electromagnetic energy distribution with high symmetry that is mirror-symmetric with respect to a plurality of axes, in light emitted from the photonic crystal waveguide having no mirror symmetry with respect to a plurality of axes to the external region. Provided is a three-dimensional photonic crystal.
本発明の一側面としての3次元フォトニック結晶は、導波路領域とモード変換領域を有する。導波路領域は、第1のフォトニック結晶基本構造と、該第1のフォトニック結晶基本構造の内部に設けられた第1の欠陥部とを有し、モード変換領域は、第2のフォトニック結晶基本構造と、第3のフォトニック結晶基本構造と、第2の欠陥部とを有する。導波路領域とモード変換領域は、第1の界面において互いのモードで伝搬する光が結合するように接続されている。第1のフォトニック結晶基本構造、第2のフォトニック結晶基本構造および第3のフォトニック結晶基本構造はそれぞれ、複数のフォトニック結晶単位構造が配列されて構成されている。該フォトニック結晶単位構造は、互いに直交する3軸を第1の軸、第2の軸および第3の軸としたときの第2および第3の軸に平行な断面において、第2の軸に平行な直線に関しては鏡映対称ではなく、第3の軸に平行な直線に関して鏡映対称な構造を有する。光が導波路領域およびモード変換領域を伝搬する方向を第1の方向とし、該第1の方向に直交し、かつ互いに直交する2つの方向を第2の方向および第3の方向とするとき、第1のフォトニック結晶基本構造および第2のフォトニック結晶基本構造は、第1の方向、第2の方向および第3の方向がそれぞれフォトニック結晶単位構造の第1の軸、第2の軸および第3の軸が延びる方向と一致するようにフォトニック結晶単位構造が配列されることで構成される。第2および第3の方向に平行な第1の断面において、第2のフォトニック結晶基本構造は、第2の方向に延びて第2の欠陥部の中心を通る中心軸よりも第3の方向における片側に配置されている。 The three-dimensional photonic crystal as one aspect of the present invention has a waveguide region and a mode conversion region. The waveguide region has a first photonic crystal basic structure and a first defect provided inside the first photonic crystal basic structure, and the mode conversion region is a second photonic crystal. It has a crystal basic structure, a third photonic crystal basic structure, and a second defect portion. The waveguide region and the mode conversion region are connected so that light propagating in the respective modes is coupled at the first interface. Each of the first photonic crystal basic structure, the second photonic crystal basic structure, and the third photonic crystal basic structure is configured by arranging a plurality of photonic crystal unit structures. The photonic crystal unit structure has a second axis in a cross section parallel to the second and third axes when the three axes orthogonal to each other are the first axis, the second axis, and the third axis. It is not mirror-symmetric with respect to a parallel straight line, but has a mirror-symmetric structure with respect to a straight line parallel to the third axis. When the direction in which light propagates through the waveguide region and the mode conversion region is the first direction, and the two directions orthogonal to the first direction and orthogonal to each other are the second direction and the third direction, In the first photonic crystal basic structure and the second photonic crystal basic structure, the first direction, the second direction, and the third direction are respectively the first axis and the second axis of the photonic crystal unit structure. The photonic crystal unit structure is arranged so as to coincide with the direction in which the third axis extends. In the first cross section parallel to the second and third directions, the second photonic crystal basic structure extends in the second direction and passes through the center of the second defect portion in the third direction. It is arranged on one side.
第1の断面において、第3のフォトニック結晶基本構造は、上記中心軸に関して第2のフォトニック結晶基本構造と鏡映対称な構造を有するようにフォトニック結晶単位構造が配列されることで構成されている。第2のフォトニック結晶基本構造と第3のフォトニック結晶基本構造は、第1および第2の方向に平行で第2の欠陥部の中心を通る接続面で接続されている。モード変換領域は、第1の断面において、第2の欠陥部の中心を通り第2の方向および第3の方向にそれぞれ延びる直線に関して鏡映対称の構造を有することを特徴とする。 In the first cross section, the third photonic crystal basic structure is configured by arranging photonic crystal unit structures so as to have a mirror-symmetrical structure with the second photonic crystal basic structure with respect to the central axis. Has been. The second photonic crystal basic structure and the third photonic crystal basic structure are connected to each other at a connection surface that is parallel to the first and second directions and passes through the center of the second defect portion. The mode conversion region has a mirror-symmetric structure with respect to straight lines extending in the second direction and the third direction through the center of the second defect portion in the first cross section.
なお、上記3次元フォトニック結晶を用いた発光素子も本発明の他の一側面を構成する。 Incidentally, also constitutes another aspect of the present invention emitting light device using the three-dimensional photonic crystal.
本発明によれば、複数の軸に関して鏡映対称を有さないフォトニック結晶導波路から外部領域に射出する光に高い対称性を有した電磁エネルギー分布を持たることができ、フォトニック結晶導波路から外部領域に高い効率で光を結合(伝播)させることができる。 According to the present invention, it is possible to have a highly symmetrical electromagnetic energy distribution in the light emitted from the photonic crystal waveguide that does not have mirror symmetry with respect to a plurality of axes to the external region, and the photonic crystal guide. Light can be coupled (propagated) with high efficiency from the waveguide to the external region.
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1を用いて、本発明の実施例である、モード変換構造を含む3次元フォトニック結晶の概念について説明する。図1に示す3次元フォトニック結晶Aは、導波路領域5とモード変換領域6とを含む。 The concept of a three-dimensional photonic crystal including a mode conversion structure, which is an embodiment of the present invention, will be described with reference to FIG. A three-dimensional photonic crystal A shown in FIG. 1 includes a waveguide region 5 and a mode conversion region 6.
導波路領域5は、フォトニック結晶基本構造(第1のフォトニック結晶基本構造)1と、該フォトニック結晶基本構造1の内部に設けられた線状欠陥部(第1の欠陥部)3とで構成される。 The waveguide region 5 includes a photonic crystal basic structure (first photonic crystal basic structure) 1, and a linear defect portion (first defect portion) 3 provided in the photonic crystal basic structure 1. Consists of.
モード変換領域6は、フォトニック結晶基本構造(第2のフォトニック結晶基本構造)2と、フォトニック結晶基本構造(第3のフォトニック結晶基本構造)2’と、線状欠陥部(第2の欠陥部)4とで構成される。 The mode conversion region 6 includes a photonic crystal basic structure (second photonic crystal basic structure) 2, a photonic crystal basic structure (third photonic crystal basic structure) 2 ′, and a linear defect portion (second photonic crystal structure). Defective portion) 4.
導波路領域5とモード変換領域6は、界面(第1の界面)7において、導波路領域5を伝搬する光とモード変換領域6を伝播する光とが結合するように接続されている。 The waveguide region 5 and the mode conversion region 6 are connected at an interface (first interface) 7 so that light propagating through the waveguide region 5 and light propagating through the mode conversion region 6 are coupled.
また、実施例では、フォトニック結晶の外側の領域を外部領域9とし、図1に示すようにモード変換領域6の端部と外部領域9との界面を、界面(第2の界面)8とする。 In the embodiment, the region outside the photonic crystal is the external region 9, and the interface between the end of the mode conversion region 6 and the external region 9 is the interface (second interface) 8 as shown in FIG. To do.
導波路領域5の線状欠陥部3およびモード変換領域6および線状欠陥部4が延びる方向、すなわち光が伝播する方向を、z軸の方向(第1の方向:以下、z軸方向という)とする。また、z軸方向に直交する面において、線状欠陥部3の中心を通り、互いに直交する2つの直線をx軸とy軸とする。x軸の方向(第2の方向)およびy軸の方向(第3の方向)を、以下それぞれ、x軸方向およびy軸方向という。 The direction in which the linear defect portion 3 and the mode conversion region 6 and the linear defect portion 4 in the waveguide region 5 extend, that is, the direction in which light propagates, is the z-axis direction (first direction: hereinafter referred to as the z-axis direction). And Two straight lines that pass through the center of the linear defect portion 3 and are orthogonal to each other on the plane orthogonal to the z-axis direction are defined as an x-axis and a y-axis. The x-axis direction (second direction) and the y-axis direction (third direction) are hereinafter referred to as the x-axis direction and the y-axis direction, respectively.
xy断面(第1の断面)において、導波路領域5の線状欠陥部3の中心とモード変換領域6の線状欠陥部4の中心とは互いに一致している。 In the xy cross section (first cross section), the center of the linear defect portion 3 in the waveguide region 5 and the center of the linear defect portion 4 in the mode conversion region 6 coincide with each other.
フォトニック結晶基本構造1、フォトニック結晶基本構造2およびフォトニック結晶基本構造2′はそれぞれ、複数のフォトニック結晶単位構造αを全て同じ向きに向け、各面が接するように配列することで形成される。フォトニック結晶単位構造αは、3次元フォトニック結晶の1周期分の単位構造であり、図28(a),(b)にも示したダイヤモンド構造である。前述したように、図28(b)は、図28(a)の(110)面の射影図を表している。フォトニック結晶単位構造αの(101)の方向をx’軸(第2の軸)の方向(以下、x’軸方向という)とし、(001)の方向をy’軸(第3の軸)の方向(以下、y’軸方向という)とする。(110)の方向をz’軸(第1の軸)の方向(以下、z’軸方向という)とする。 The photonic crystal basic structure 1, the photonic crystal basic structure 2 and the photonic crystal basic structure 2 ′ are formed by arranging a plurality of photonic crystal unit structures α in the same direction and in contact with each other. Is done. The photonic crystal unit structure α is a unit structure for one period of the three-dimensional photonic crystal, and is the diamond structure shown in FIGS. As described above, FIG. 28B shows a projection view of the (110) plane of FIG. The (101) direction of the photonic crystal unit structure α is the x′-axis (second axis) direction (hereinafter referred to as the x′-axis direction), and the (001) direction is the y′-axis (third axis). Direction (hereinafter referred to as the y′-axis direction). The direction of (110) is defined as the direction of the z ′ axis (first axis) (hereinafter referred to as the z ′ axis direction).
フォトニック結晶基本構造1,2,2’はいずれも、完全フォトニックバンドギャップを有する。フォトニック結晶基本構造の内部に線状欠陥部を設けると、完全フォトニックバンドギャップ内に含まれる周波数のうちの一部の帯域の光が、線状欠陥部に存在できる状態を作ることができる。 Each of the photonic crystal basic structures 1, 2, 2 'has a complete photonic band gap. When a linear defect is provided inside the basic structure of the photonic crystal, it is possible to create a state in which light in a part of the frequency band included in the complete photonic band gap can exist in the linear defect. .
図2(a)に、導波路領域5のxy断面を示す。フォトニック結晶基本構造1は、x軸方向、y軸方向およびz軸方向がそれぞれ、フォトニック結晶単位構造αのx’軸方向、y’軸方向、z’軸方向と一致するようにフォトニック結晶単位構造αを配列することで形成されている。このとき、導波路領域5は、xy断面において、y軸に関して鏡映対称であり、x軸に関して鏡映対称ではない構造を有する。 FIG. 2A shows an xy cross section of the waveguide region 5. The photonic crystal basic structure 1 is photonic so that the x-axis direction, the y-axis direction, and the z-axis direction coincide with the x′-axis direction, the y′-axis direction, and the z′-axis direction of the photonic crystal unit structure α, respectively. It is formed by arranging the crystal unit structures α. At this time, the waveguide region 5 has a structure that is mirror-symmetric with respect to the y-axis and is not mirror-symmetrical with respect to the x-axis in the xy cross section.
図2(b)に、モード変換領域6のxy断面を示す。フォトニック結晶基本構造2およびフォトニック結晶基本構造2’はそれぞれ、線状欠陥部4の中心を通るxz断面(中心軸)より、y軸方向のうち+y方向および−y方向、すなわち片側に配置されている。 FIG. 2B shows an xy cross section of the mode conversion region 6. The photonic crystal basic structure 2 and the photonic crystal basic structure 2 ′ are arranged on the + y direction and the −y direction, that is, on one side of the y-axis direction from the xz cross section (center axis) passing through the center of the linear defect portion 4, respectively. Has been.
フォトニック結晶基本構造2は、フォトニック結晶基本構造1と同様に、x,yおよびz軸方向がそれぞれ、フォトニック結晶単位構造αのx’,y’およびz’軸方向と一致するように複数のフォトニック結晶単位構造αを配列することで形成されている。 Similar to the photonic crystal basic structure 1, the photonic crystal basic structure 2 is such that the x, y, and z axis directions coincide with the x ′, y ′, and z ′ axis directions of the photonic crystal unit structure α, respectively. It is formed by arranging a plurality of photonic crystal unit structures α.
フォトニック結晶基本構造2’は、線状欠陥部4の中心を通るxz断面(中心軸)に関して、フォトニック結晶基本構造2と鏡映対称な構造を有するようにフォトニック結晶単位構造αを配列することで形成されている。 The photonic crystal basic structure 2 ′ has a photonic crystal unit structure α arranged so as to have a mirror-symmetrical structure with the photonic crystal basic structure 2 with respect to an xz cross section (center axis) passing through the center of the linear defect portion 4. It is formed by doing.
フォトニック結晶基本構造2とフォトニック結晶基本構造2’は、線状欠陥部4の中心を通るxz断面(接続面)で接続されている。このとき、モード変換領域6は、xy断面(第1の断面)において、x軸とy軸の2軸に関して鏡映対称な構造を有する。 The photonic crystal basic structure 2 and the photonic crystal basic structure 2 ′ are connected by an xz cross section (connection surface) passing through the center of the linear defect portion 4. At this time, the mode conversion region 6 has a mirror-symmetric structure with respect to two axes of the x axis and the y axis in the xy section (first section).
従来のモード変換構造は、xy断面において、導波路領域5と同じようにx軸に関して鏡映対称ではない構造を有していた。本実施例におけるモード変換領域6は、xy断面において、x軸とy軸の2軸に関して鏡映対称な構造であるので、従来のモード変換構造に比べて対称性が高い構造である。 The conventional mode conversion structure has a structure that is not mirror-symmetric with respect to the x-axis in the xy cross section, like the waveguide region 5. Since the mode conversion region 6 in the present embodiment has a mirror-symmetric structure with respect to the two axes of the x-axis and the y-axis in the xy section, it has a higher symmetry than the conventional mode conversion structure.
導波路領域5を伝搬する光の導波モードを導波モード1とし、外部領域9を伝播する光の導波モードを導波モード2とする。また、モード変換領域6を伝搬する光の導波モードを導波モード3とする。 A waveguide mode of light propagating through the waveguide region 5 is referred to as a waveguide mode 1, and a waveguide mode of light propagating through the external region 9 is referred to as a waveguide mode 2. The guided mode of light propagating through the mode conversion region 6 is referred to as a guided mode 3.
図1に示す3次元フォトニック結晶Aにおいて、導波路領域5を伝搬した光は、界面7でモード変換領域6を伝搬する光に変換され、モード変換領域6を伝播した光は、界面8において外部領域9を伝搬する光に変換されて外部領域9に射出される。従来のモード変換構造に比べて対称性が向上したモード変換領域6を用いることで、外部領域9に射出される光の導波モードパターンの対称性を向上させることができる。 In the three-dimensional photonic crystal A shown in FIG. 1, the light propagating through the waveguide region 5 is converted into light propagating through the mode conversion region 6 at the interface 7, and the light propagating through the mode conversion region 6 is transmitted at the interface 8. It is converted into light propagating through the external region 9 and emitted to the external region 9. By using the mode conversion region 6 having improved symmetry as compared with the conventional mode conversion structure, the symmetry of the guided mode pattern of light emitted to the external region 9 can be improved.
ここで、モード変換領域6を用いることで、外部領域9に射出される光の導波モードパターンの対称性を向上させることができる理由について説明する。 Here, the reason why the symmetry of the waveguide mode pattern of the light emitted to the external region 9 can be improved by using the mode conversion region 6 will be described.
モード変換構造を伝搬する光は、モード変換構造の内部の線状欠陥部とその近傍の構造に集中するため、光が伝搬する線状欠陥部やその周囲の構造の影響を受ける。モード変換構造の線状欠陥部の周囲の構造が、従来のモード変換構造のように、xy断面において1つの軸に関してのみ鏡映対称な構造であれば、導波モードパターンも1つ軸に関してのみ鏡映対称な形状となる。モード変換構造の線状欠陥部の周囲の構造を、本実施例のモード変換領域6のように互いに直交する2つの軸に関して鏡映対称な構造とすると、導波モードパターンも互いに直交する2つの軸に関して対称な形状となり、対称性を高くすることができる。 Since the light propagating through the mode conversion structure concentrates on the linear defect portion inside the mode conversion structure and the structure in the vicinity thereof, the light is influenced by the linear defect portion through which the light propagates and the surrounding structure. If the structure around the linear defect portion of the mode conversion structure is a mirror-symmetric structure with respect to only one axis in the xy section as in the conventional mode conversion structure, the waveguide mode pattern also has only one axis. It becomes a mirror-symmetrical shape. When the structure around the linear defect portion of the mode conversion structure is a mirror-symmetric structure with respect to two axes orthogonal to each other as in the mode conversion region 6 of this embodiment, the waveguide mode pattern also has two orthogonal directions. The shape is symmetric with respect to the axis, and the symmetry can be increased.
外部領域9に射出される光の導波モードパターンは、射出される直前のモード変換構造の導波モードパターンの影響を受けるため、モード変換構造の対称性を高くすることで、外部領域9に射出される光の導波モードパターンの対称性を向上することができる。したがって、本実施例におけるモード変換領域6を用いることで、導波モードパターンの対称性が向上した光を外部領域9に射出することができる
図1に示す3次元フォトニック結晶Aの導波路領域5とモード変換領域6の界面7において、フォトニック結晶Aの周期的な構造が乱れた面が生じるため、接合の仕方によって、界面7のxy断面の面内方向を伝搬するモードが存在する。ここで、界面7のxy断面の面内を伝搬する導波モードを導波モード4とする。
Since the waveguide mode pattern of the light emitted to the external region 9 is affected by the waveguide mode pattern of the mode conversion structure immediately before being emitted, the symmetry of the mode conversion structure is increased so that the external region 9 The symmetry of the guided mode pattern of the emitted light can be improved. Therefore, by using the mode conversion region 6 in the present embodiment, light with improved symmetry of the waveguide mode pattern can be emitted to the external region 9. The waveguide region of the three-dimensional photonic crystal A shown in FIG. 5 and a mode conversion region 6 have an interface 7 in which the periodic structure of the photonic crystal A is disturbed. Therefore, there is a mode that propagates in the in-plane direction of the xy cross section of the interface 7 depending on the way of bonding. Here, a waveguide mode that propagates in the plane of the xy section of the interface 7 is referred to as a waveguide mode 4.
導波モード1の光が、導波モード4の光が伝搬する周波数帯域とは異なる周波数で伝搬すれば、導波モード1の光は導波モード4の光に変換されずに、モード変換領域6の導波モード3の光に変換される。導波モード1の光の周波数が導波モード4の光が伝搬する周波数帯域に含まれていても、導波モード4と同じ周波数で同じ偏光成分の導波モードが存在しないように導波路領域5とモード変換領域6を接続すればよい。これにより、導波モード1の光は、導波モード4の光に変換されない。同じ偏光成分がない(つまり偏光方向が直交する)モード同士は結合しないため、導波モード1の光が界面7に達したときに、該導波モード1の光は界面7の導波モード4の光へは変換されずに、モード変換領域6の導波モード3の光に損失なく高効率に変換される。 If the light of the waveguide mode 1 propagates at a frequency different from the frequency band in which the light of the waveguide mode 4 propagates, the light of the waveguide mode 1 is not converted into the light of the waveguide mode 4, and the mode conversion region 6 is converted into light of guided mode 3. Even if the frequency of the light of the waveguide mode 1 is included in the frequency band in which the light of the waveguide mode 4 propagates, the waveguide region has the same frequency as the waveguide mode 4 and does not have the same polarization component. 5 and the mode conversion area 6 may be connected. Thereby, the light of the waveguide mode 1 is not converted into the light of the waveguide mode 4. Since modes that do not have the same polarization component (that is, the polarization directions are orthogonal) do not couple with each other, when the light of the waveguide mode 1 reaches the interface 7, the light of the waveguide mode 1 is guided by the waveguide mode 4 of the interface 7. Without being converted into light, the light in the waveguide mode 3 in the mode conversion region 6 is converted with high efficiency without loss.
以上より、フォトニック結晶Aがモード変換構造6を含むことにより、導波路領域5を伝搬する光を外部領域9に射出するときに、高い対称性を有する導波モードパターンの光を射出することができる。 As described above, when the photonic crystal A includes the mode conversion structure 6, when light propagating in the waveguide region 5 is emitted to the external region 9, light having a waveguide mode pattern having high symmetry is emitted. Can do.
次に、上記概念に従った、モード変換構造6を含む具体的な構造例である3次元フォトニック結晶Bについて、図3を用いて説明する。3次元フォトニック結晶Bは、導波路領域103とモード変換領域104とを含む。 Next, a three-dimensional photonic crystal B which is a specific structural example including the mode conversion structure 6 according to the above concept will be described with reference to FIG. The three-dimensional photonic crystal B includes a waveguide region 103 and a mode conversion region 104.
導波路領域103は、フォトニック結晶基本構造(第1のフォトニック結晶基本構造)101と、該フォトニック結晶基本構造101の内部に設けられた線状欠陥部10,11とで構成されている。 The waveguide region 103 includes a photonic crystal basic structure (first photonic crystal basic structure) 101 and linear defect portions 10 and 11 provided inside the photonic crystal basic structure 101. .
モード変換領域104は、フォトニック結晶基本構造(第2のフォトニック結晶基本構造)102と、該フォトニック結晶基本構造(第3のフォトニック結晶基本構造)102’と、線状欠陥部12とで構成されている。 The mode conversion region 104 includes a photonic crystal basic structure (second photonic crystal basic structure) 102, the photonic crystal basic structure (third photonic crystal basic structure) 102 ′, a linear defect portion 12, and the like. It consists of
導波路領域103とモード変換領域104は、界面(第1の界面)105において互いの導波モードで伝搬する光が結合するように接続されている。また、3次元フォトニック結晶Bの外側の領域を外部領域106とし、モード変換領域104の端部と外部領域106との界面を界面(第2の界面)107とする。 The waveguide region 103 and the mode conversion region 104 are connected at the interface (first interface) 105 so that light propagating in the mutual waveguide mode is coupled. Further, an outer region of the three-dimensional photonic crystal B is an outer region 106, and an interface between the end portion of the mode conversion region 104 and the outer region 106 is an interface (second interface) 107.
導波路領域103の線状欠陥部10が延びる方向をz軸方向とし、xy断面において線状欠陥部10の中心を通り、互いに直交する2つの直線をx軸とy軸とする。 A direction in which the linear defect portion 10 extends in the waveguide region 103 is defined as a z-axis direction, and two straight lines that pass through the center of the linear defect portion 10 in the xy section and are orthogonal to each other are defined as an x-axis and a y-axis.
また、xy断面において、導波路領域103の線状欠陥部10の中心とモード変換領域104の線状欠陥部12の中心の位置は互いに一致している。 In the xy cross section, the center of the linear defect portion 10 in the waveguide region 103 and the center of the linear defect portion 12 in the mode conversion region 104 coincide with each other.
フォトニック結晶基本構造101,102,102’はそれぞれ、フォトニック結晶単位構造100を全て同じ向きに向け、各面が接するように配列することで形成されている。フォトニック結晶単位構造100は、周期的な屈折率分布を有する3次元フォトニック結晶の1周期分の単位構造であり、図4(a)に該フォトニック結晶単位構造100を示している。 Each of the photonic crystal basic structures 101, 102, 102 'is formed by arranging the photonic crystal unit structures 100 in the same direction so that each surface is in contact with each other. The photonic crystal unit structure 100 is a unit structure for one period of a three-dimensional photonic crystal having a periodic refractive index distribution. FIG. 4A shows the photonic crystal unit structure 100.
フォトニック結晶単位構造100において、互いに直交する柱状構造が延びる方向をx’軸方向およびz’軸方向とし、これら柱状構造の積層方向をy’軸方向とする。図4(b)は、図4(a)のx’y’断面を表している。図4(b)に示すフォトニック結晶単位構造100のx’y’断面は、y’軸に平行な少なくとも1つの直線に関して鏡映対称であり、x’軸に平行な任意の直線に関しては鏡映対称ではない構造である。 In the photonic crystal unit structure 100, the direction in which the columnar structures orthogonal to each other extend is the x′-axis direction and the z′-axis direction, and the stacking direction of these columnar structures is the y′-axis direction. FIG. 4B shows the x′y ′ cross section of FIG. The x′y ′ cross section of the photonic crystal unit structure 100 shown in FIG. 4B is mirror symmetric with respect to at least one straight line parallel to the y ′ axis, and is mirrored with respect to any straight line parallel to the x ′ axis. The structure is not mirror-symmetric.
複数のフォトニック結晶単位構造100を、それらの各面が互いに接するようにx’軸方向,y’軸方向およびz’軸方向に配列したフォトニック結晶基本構造を図5に示す。該基本構造は、12の層1000〜1011が積層されて構成される。図6には、各層のx’z’面の構造を示している。図6において、破線の四角で囲んだ外部領域1012が基本構造の大きさを表している。 FIG. 5 shows a basic photonic crystal structure in which a plurality of photonic crystal unit structures 100 are arranged in the x′-axis direction, the y′-axis direction, and the z′-axis direction so that their respective surfaces are in contact with each other. The basic structure is formed by laminating 12 layers 1000 to 1011. FIG. 6 shows the structure of the x′z ′ plane of each layer. 6, outer region 1 012 represents the magnitude of the basic structure surrounded by a dashed box.
第1層1000および第7層1006ではそれぞれ、x’軸方向に延びる複数の柱状構造(第1の柱状構造)1000aおよび1006aが等間隔Pでz’軸方向に並んで配置されている。柱状構造1000a,1006aは互いにz’軸方向にP/2(半周期)ずれた位置に配置されている。 In the first layer 1000 and the seventh layer 1006, a plurality of columnar structures (first columnar structures) 1000a and 1006a extending in the x′-axis direction are arranged side by side in the z′-axis direction at equal intervals P. The columnar structures 1000a and 1006a are arranged at positions shifted from each other by P / 2 (half cycle) in the z′-axis direction.
また、第4層1003および第10層1009ではそれぞれ、z’軸方向に延びる複数の柱状構造(第2の柱状構造)1003a,1009aが等間隔Pでx’軸方向に並んで配置されている。柱状構造1003a,1009aは互いにx’軸方向にP/2(半周期)ずれた位置に配置されている。 In the fourth layer 1003 and the tenth layer 1009, a plurality of columnar structures (second columnar structures) 1003a and 1009a extending in the z′-axis direction are arranged in the x′-axis direction at equal intervals P. . The columnar structures 1003a and 1009a are arranged at positions shifted from each other by P / 2 (half cycle) in the x′-axis direction.
このように、フォトニック結晶単位構造100は、x’軸方向に延びる複数の柱状構造を有する柱状構造層(第1層、第7層)と、z’軸方向に延びる複数の柱状構造を有する柱状構造層(第4層、第10層)とが交互に積層された基本構造を有する。柱状構造層は、第1の層、第2の層、第3の層および第4の層にそれぞれ相当する第1層1000、第4層1003、第7層1006および第10層1009がこの順で積層されている。 Thus, the photonic crystal unit structure 100 has a columnar structure layer (first layer, seventh layer) having a plurality of columnar structures extending in the x′-axis direction and a plurality of columnar structures extending in the z′-axis direction. It has a basic structure in which columnar structure layers (fourth layer, tenth layer) are alternately stacked. The columnar structure layer includes a first layer 1000, a fourth layer 1003, a seventh layer 1006, and a tenth layer 1009 corresponding to the first layer, the second layer, the third layer, and the fourth layer in this order. Are stacked.
第1層1000と第4層1003との間には、第2層1001および第3層1002が配置されている。第2層1001および第3層1002における第1層10の柱状構造1000aと第4層1003の柱状構造1003aとのy’軸方向視での交点(立体的な交差位置)に相当する位置には、離散構造1001a,1002aが配置されている。離散構造1001a,1002aは、x’z’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。 Between the first layer 1000 and the fourth layer 1003, a second layer 1001 and a third layer 1002 are arranged. In the second layer 1001 and the third layer 1002, the columnar structure 1000a of the first layer 10 and the columnar structure 1003a of the fourth layer 1003 have a position corresponding to the intersection (stereoscopic intersection position) in the y′-axis direction. Discrete structures 1001a and 1002a are arranged. The discrete structures 1001a and 1002a are discretely arranged so as not to contact each other in the x′z ′ plane.
第2層1001および第3層1002は、上記柱状構造層に対する付加層である。離散構造1001a,1002aは、x’z’断面内における90度の回転により相互に重なる対称性を有する。 The second layer 1001 and the third layer 1002 are additional layers to the columnar structure layer. The discrete structures 1001a and 1002a have symmetry that overlaps each other by rotation of 90 degrees in the x'z 'cross section.
第4層1003と第7層1006の間、第7層1006と第10層1009の間および第10層1009と次の基本構造周期における第1層1000の間にも、付加層としての第5層1004と第6層1005、第8層1007と第9層1008および第11層1010と第12層1011がそれぞれ配置されている。これら第5層1004と第6層1005、第8層1007と第9層1008および第11層1010と第12層1011も、第2層1001および第3層1002と同様に構成されている。すなわち、互いに直交する方向に延びる柱状構造を含む柱状構造層間のy’軸方向視での柱状構造の交点に相当する位置に、離散構造1004a,1005a,1007a,1008a,1010a,1011aが配置されている。 A fifth layer as an additional layer is also provided between the fourth layer 1003 and the seventh layer 1006 , between the seventh layer 1006 and the tenth layer 1009 , and between the tenth layer 1009 and the first layer 1000 in the next basic structure period. The layer 1004 and the sixth layer 1005, the eighth layer 1007 and the ninth layer 1008, the eleventh layer 1010 and the twelfth layer 1011 are arranged, respectively. The fifth layer 1004 and the sixth layer 1005, the eighth layer 1007, the ninth layer 1008, the eleventh layer 1010, and the twelfth layer 1011 are also configured in the same manner as the second layer 1001 and the third layer 1002. That is, the discrete structures 1004a, 1005a, 1007a, 1008a, 1010a, 1011a are arranged at positions corresponding to the intersections of the columnar structures as viewed in the y′-axis direction between the columnar structure layers including columnar structures extending in directions orthogonal to each other. Yes.
柱状構造層とこれに隣り合う付加層において、柱状構造と離散構造とは互いに接している。柱状構造および離散構造の材料の屈折率、形状、間隔および各層の厚さ等の構造パラメータを適切に設定することで、特定の広い周波数帯域(波長帯域)において完全フォトニックバンドギャップを得ることができる。広い完全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を用いることで、損失を抑えることができ、動作する周波数の帯域を広げることが可能となる。 In the columnar structure layer and the additional layer adjacent thereto, the columnar structure and the discrete structure are in contact with each other. It is possible to obtain a complete photonic band gap in a specific wide frequency band (wavelength band) by appropriately setting the structural parameters such as the refractive index, shape, spacing and thickness of each layer of the columnar structure and discrete structure material. it can. By using a photonic crystal having a wide complete photonic band gap, loss can be suppressed and the operating frequency band can be widened.
フォトニック結晶単位構造100の構造パラメータを表1に示す。表1において、面内格子周期とは、図6に示した柱状構造の間隔Pに相当する。面外格子周期とは、フォトニック結晶単位構造100の層1000〜1011の12層の積層方向での長さ(厚み)をいう。また、表1中の屈折率は、フォトニック結晶単位構造100の柱状構造および離散構造を構成する媒質(第1の媒質)の屈折率を表している。フォトニック結晶単位構造100の柱状構造および離散構造以外の部分の媒質(第2の媒質)は空気であり、その屈折率は1.0である。 The structural parameters of the photonic crystal unit structure 100 are shown in Table 1. In Table 1, the in-plane lattice period corresponds to the interval P between the columnar structures shown in FIG. The out-of-plane lattice period refers to the length (thickness) in the stacking direction of 12 layers 1000 to 1011 of the photonic crystal unit structure 100. The refractive index in Table 1 represents the refractive index of the medium (first medium) constituting the columnar structure and the discrete structure of the photonic crystal unit structure 100. The medium (second medium) other than the columnar structure and discrete structure of the photonic crystal unit structure 100 is air, and its refractive index is 1.0.
柱状構造幅とは、柱状構造が延びる方向に直交する方向での柱状構造の寸法であり、柱状構造高さとは、積層方向(y’軸方向)における柱状構造の寸法をいう。また、離散構造幅Dw1,Dw2はそれぞれ、図6に示すように、各付加層での1つの離散構造の長辺方向および短辺方向での寸法を表す。さらに、離散構造高さDhは、図5に示すように、離散構造の積層方向(y’軸方向)での寸法である。 The columnar structure width is the dimension of the columnar structure in a direction orthogonal to the direction in which the columnar structure extends, and the columnar structure height is the dimension of the columnar structure in the stacking direction (y′-axis direction). Further, as shown in FIG. 6, the discrete structure widths Dw1 and Dw2 respectively represent the dimensions in the long side direction and the short side direction of one discrete structure in each additional layer. Further, the discrete structure height Dh is a dimension in the stacking direction (y′-axis direction) of the discrete structure as shown in FIG.
図7は、複数のフォトニック結晶単位構造100を同じ向きに向け、各面が接するように配列して構成されたフォトニック結晶基本構造のフォトニックバンドギャップを、平面波展開(PWE)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基本構造に入射する電磁波の入射方向を表す。 FIG. 7 shows a photonic band gap of a basic structure of a photonic crystal formed by aligning a plurality of photonic crystal unit structures 100 in the same direction and contacting each surface by a plane wave expansion (PWE) method. It is a graph which shows the result of calculation. The horizontal axis of the graph represents the wave number vector, that is, the incident direction of the electromagnetic wave incident on the photonic crystal basic structure.
例えば、K点は、x’軸(もしくはz’軸)に平行な波数ベクトルであり、X点はx’z’面内においてx’軸(もしくはz’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6において網掛けで示された周波数帯域においては、光の入射方向によらずモード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。 For example, the K point is a wave vector parallel to the x ′ axis (or z ′ axis), and the X point has an inclination of 45 ° with respect to the x ′ axis (or z ′ axis) in the x′z ′ plane. It represents a wave vector. The vertical axis of the graph indicates the frequency normalized by the grating period (normalized frequency). In the frequency band indicated by shading in FIG. 6, a complete photonic band gap in which no mode exists regardless of the incident direction of light is formed.
このようなフォトニック結晶基本構造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モードを生成する。このモードは、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、線状欠陥部を設けると、該線状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、欠陥モードは線状欠陥部が延びる方向に導波する導波モードとなる。 When a defect portion whose period is disturbed is provided inside the basic structure of the photonic crystal, a mode having a frequency within the complete photonic band gap is generated. This mode is a mode in which the frequency (wavelength) and wave number vector are determined by the shape of the defect portion and the medium. At this time, if a linear defect is provided, the magnitude of the wave vector is not limited in the direction in which the linear defect extends, so the defect mode becomes a waveguide mode that guides in the direction in which the linear defect extends. .
導波路領域103は、フォトニック結晶基本構造101と、フォトニック結晶基本構造101の内部に設けられたz軸方向に延びる第1の線状欠陥部10と、該第1の線状欠陥部10を含む層とは異なる層に設けられた第2の線状欠陥部11とで構成される。第2の線状欠陥部11は、z軸方向に延びる柱状構造の一部を変形する又は除くことで形成される。 The waveguide region 103 includes a photonic crystal basic structure 101, a first linear defect portion 10 provided in the photonic crystal basic structure 101 and extending in the z-axis direction, and the first linear defect portion 10. The second linear defect portion 11 is provided in a layer different from the layer containing the. The second linear defect portion 11 is formed by deforming or removing a part of the columnar structure extending in the z-axis direction.
図8(a)は、第1および第2の線状欠陥部10,11がz軸方向に延びている場合の導波路領域103のxy断面を示している。図8(b),(c)はそれぞれ、図8(a)に示す断面iおよび断面iiのxz断面図である。 FIG. 8A shows an xy cross section of the waveguide region 103 when the first and second linear defect portions 10 and 11 extend in the z-axis direction. 8B and 8C are xz sectional views of the section i and the section ii shown in FIG. 8A, respectively.
フォトニック結晶基本構造101は、x軸方向、y軸方向およびz軸方向がそれぞれ、フォトニック結晶単位構造100のx’軸方向、y’軸方向、z’軸方向と一致するように複数のフォトニック結晶単位構造100を配列することで形成されている。 The photonic crystal basic structure 101 includes a plurality of x-axis directions, y-axis directions, and z-axis directions so as to match the x′-axis direction, the y′-axis direction, and the z′-axis direction of the photonic crystal unit structure 100, respectively. It is formed by arranging the photonic crystal unit structures 100.
導波路領域103は、図8(a)に示すように、xy断面において、y軸に関して鏡映対称で、x軸に関しては鏡映対称ではない構造を有する。 As shown in FIG. 8A, the waveguide region 103 has a structure that is mirror-symmetric with respect to the y-axis and is not mirror-symmetrical with respect to the x-axis, in the xy section.
第1の線状欠陥部10は、0.60Pの幅を有し、フォトニック結晶単位構造100の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ている。第2の線状欠陥部11は、0.00Pの幅を有する。導波路領域103の構造パラメータを表2に示す。 The first linear defect portion 10 has a width of 0.60 P and is formed of a medium having the same refractive index as that of the medium forming the columnar structure of the photonic crystal unit structure 100. The second linear defect portion 11 has a width of 0.00P. The structural parameters of the waveguide region 103 are shown in Table 2.
欠陥部幅10w,11wは、図8(b),(c)に示すように各欠陥部の層内におけるx軸方向での寸法である。また、欠陥部高さ10hは、図8(a)に示すように各欠陥部の積層方向(y軸方向)での寸法である。また、欠陥部屈折率10nは、各欠陥部を構成する媒質の屈折率である。なお、座標の原点は、図8(a)のxy断面における第1の線状欠陥部10の中心とする。 The defect widths 10w and 11w are dimensions in the x-axis direction in the layers of the respective defect portions as shown in FIGS. 8 (b) and 8 (c). The defect height 10h is a dimension in the stacking direction (y-axis direction) of each defect portion as shown in FIG. Further, the defect portion refractive index 10n is the refractive index of the medium constituting each defect portion. The origin of the coordinates is the center of the first linear defect portion 10 in the xy cross section of FIG.
図9は、導波路領域103について転送行列法(TMM)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。グラフの横軸は、格子周期Pで規格化した波数ベクトルの導波方向(z軸方向)成分の大きさを示し、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γ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いる。領域β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内において、欠陥部に起因した単一の導波モードが存在する周波数帯域を示している。 FIG. 9 is a graph showing the result of calculating the waveguide mode for the waveguide region 103 using the transfer matrix method (TMM). The horizontal axis of the graph indicates the magnitude of the wave guide vector (z-axis direction) component of the wave vector normalized by the grating period P, and the vertical axis indicates the frequency (normalized frequency) normalized by the grating period P. Yes. Further, the frequency band indicated by the region γ is a frequency band other than the complete photonic band gap. The frequency band indicated by the region β indicates a frequency band in which a single guided mode due to the defect exists in the complete photonic band gap.
図9に示すように、導波路領域103は、周波数帯域βにおいて、単一の導波モードが存在する導波路である。導波路領域103に含まれるような導波路とすることで、導波路領域103内の第1の線状欠陥部10に、光が強く集中する導波モードで光を伝播させることができ、第1の線状欠陥部10の表面の荒れなどによる散乱損失を軽減することができる。 As shown in FIG. 9, the waveguide region 103 is a waveguide having a single waveguide mode in the frequency band β. By setting the waveguide to be included in the waveguide region 103, light can be propagated to the first linear defect portion 10 in the waveguide region 103 in a waveguide mode in which light is strongly concentrated. It is possible to reduce scattering loss due to surface roughness of one linear defect portion 10.
モード変換領域104は、フォトニック結晶基本構造102と、フォトニック結晶基本構造102’と、線状欠陥部12とで構成されている。図10(a)は線状欠陥部12がz軸方向に延びている場合のモード変換領域104のxy断面を示している。図10(b)は、図10(a)に示す断面iにおける、モード変換領域104のxz断面を示している。 The mode conversion region 104 includes a photonic crystal basic structure 102, a photonic crystal basic structure 102 ′, and a linear defect portion 12. FIG. 10A shows an xy cross section of the mode conversion region 104 when the linear defect portion 12 extends in the z-axis direction. FIG. 10B shows an xz cross section of the mode conversion region 104 in the cross section i shown in FIG.
フォトニック結晶基本構造102およびフォトニック結晶基本構造102’はそれぞれ、線状欠陥部12の中心を通るxz断面より+y方向および−y方向(つまりは片側)に配置されている。 The photonic crystal basic structure 102 and the photonic crystal basic structure 102 ′ are respectively arranged in the + y direction and the −y direction (that is, one side) from the xz section passing through the center of the linear defect portion 12.
フォトニック結晶基本構造102は、x,yおよびz軸方向がそれぞれ、フォトニック結晶単位構造100のx’,y’およびz’軸方向と一致するように複数のフォトニック結晶単位構造100を配列することで形成されている。 The photonic crystal basic structure 102 has a plurality of photonic crystal unit structures 100 arranged so that the x, y, and z axis directions thereof coincide with the x ′, y ′, and z ′ axis directions of the photonic crystal unit structure 100, respectively. It is formed by doing.
フォトニック結晶基本構造102’は、線状欠陥部12の中心を通るxz断面に関してフォトニック結晶基本構造102と鏡映対称な構造となるようにフォトニック結晶単位構造100を配列することで形成されている。フォトニック結晶102とフォトニック結晶102’は、線状欠陥部12の中心を通るxz断面において接続されている。フォトニック結晶2とフォトニック結晶2’は、線状欠陥部4の中心を通るxz断面で接続されている。このとき、モード変換領域6は、図10(a)に示すように、xy断面において、x軸とy軸の2軸に関して鏡映対称を有する構造となる。 Photonic crystal base structure 102 'is formed by arranging the photonic crystal unit structure 100 so that the photonic crystal base structure 102 and the mirror-symmetrical structure with respect to xz section passing through the center of the line defect member 1 2 Has been. Photonic crystal 102 and photonic crystal 102 'is connected in the xz cross section passing through the center line defect member 1 2. The photonic crystal 2 and the photonic crystal 2 ′ are connected by an xz section passing through the center of the linear defect portion 4. At this time, as shown in FIG. 10A, the mode conversion region 6 has a structure having mirror symmetry with respect to the two axes of the x axis and the y axis in the xy cross section.
また、図3に示すようにモード変換領域104の端部107は、外部領域106と接している。 Further, as shown in FIG. 3, the end 107 of the mode conversion area 104 is in contact with the external area 106.
本実施例では、1.00Pの幅および1.00Pの高さを有する線状欠陥部12を含む構造について示している。モード変換領域104の構造パラメータを表3に示す。欠陥部幅12wは、図10(b)に示す各欠陥部の層内におけるx軸方向での寸法である。また、欠陥部高さ12hは、図10(a)に示す各欠陥部の積層方向(y軸方向)での寸法である。また、欠陥部屈折率12nは、各欠陥部を構成する媒質の屈折率である。欠陥部長さ12Dは、図10(b)に示す欠陥部の層内におけるz軸方向での寸法である。 In the present embodiment, a structure including a linear defect portion 12 having a width of 1.00P and a height of 1.00P is shown. Table 3 shows the structural parameters of the mode conversion area 104. The defect width 12w is a dimension in the x-axis direction in the layer of each defect portion shown in FIG. The defect height 12h is a dimension in the stacking direction (y-axis direction) of each defect portion shown in FIG. The defect refractive index 12n is a refractive index of a medium constituting each defect portion. The defect portion length 12D is a dimension in the z-axis direction in the layer of the defect portion shown in FIG.
本実施例において、外部領域106は一様な屈折率分布を有する領域とし、外部領域106の屈折率を106nとしている。 In this embodiment, the external region 106 is a region having a uniform refractive index distribution, and the refractive index of the external region 106 is 106n.
欠陥部屈折率12nは、フォトニック結晶単位構造100を形成する媒質の屈折率以上の屈折率である。これにより、線状欠陥部12に、光が強く集中する導波モードで光を伝播させることができ、線状欠陥部12の表面の荒れなどによる散乱損失を軽減することができる。 The defect portion refractive index 12n is a refractive index equal to or higher than the refractive index of the medium forming the photonic crystal unit structure 100. Thereby, light can be propagated to the linear defect portion 12 in a waveguide mode in which light is strongly concentrated, and scattering loss due to surface roughness of the linear defect portion 12 can be reduced.
導波路領域103を伝搬する光の導波モードを「導波モード1」とし、外部領域106を伝播する光の導波モードを「導波モード2」とする。また、モード変換領域104を伝搬する光の導波モードを「導波モード3」とする。 The waveguide mode of light propagating through the waveguide region 103 is “guided mode 1”, and the waveguide mode of light propagating through the external region 106 is “guided mode 2”. In addition, the waveguide mode of light propagating through the mode conversion region 104 is referred to as “guided mode 3”.
図3に示す3次元フォトニック結晶Bにおいて、導波路領域103を伝搬した光は界面105にてモード変換領域104を伝搬する光に変換される。モード変換領域104を伝播した光は、界面107において外部領域106を伝搬する光に変換されて外部領域106に射出される。 In the three-dimensional photonic crystal B shown in FIG. 3, the light propagating through the waveguide region 103 is converted into light propagating through the mode conversion region 104 at the interface 105. The light propagating through the mode conversion region 104 is converted into light propagating through the external region 106 at the interface 107 and emitted to the external region 106.
外部領域106を伝搬する光の波長をλとするとき、モード変換領域104と外部領域106との界面107から+z方向に3λだけ離れた位置におけるxy断面をxy断面Aとする。図11(a)に、モード変換領域104を含む3次元フォトニック結晶Bから外部領域106に射出された光のxy断面Aでの電場強度分布を計算した結果を示す。図11(b)は、図11(a)のx=0におけるy軸方向での電場強度分布を示しており、縦軸は最大値で規格化した電場強度を、横軸はy軸の座標をそれぞれ表している。 When the wavelength of light propagating through the external region 106 is λ, an xy cross section at a position 3λ away from the interface 107 between the mode conversion region 104 and the external region 106 in the + z direction is defined as an xy cross section A. FIG. 11A shows the result of calculating the electric field intensity distribution at the xy section A of the light emitted from the three-dimensional photonic crystal B including the mode conversion region 104 to the external region 106. FIG. 11 (b) shows the electric field strength distribution in the y-axis direction at x = 0 in FIG. 11 (a). The vertical axis represents the electric field strength normalized by the maximum value, and the horizontal axis represents the y-axis coordinate. Respectively.
図11(a)および図11(b)より、モード変換領域104を含む3次元フォトニック結晶Bから外部領域106に射出された光の導波モードパターンは、x軸とy軸の2軸に関して鏡映対称となるような高い対称性を有する形状となっていることがわかる。 From FIG. 11A and FIG. 11B, the guided mode pattern of light emitted from the three-dimensional photonic crystal B including the mode conversion region 104 to the external region 106 is related to two axes, the x axis and the y axis. It can be seen that the shape is highly symmetric so as to be mirror symmetric.
ここで比較のため、モード変換領域の構造が導波路領域103のようにx軸に関して鏡映対称ではない場合の電場強度分布の計算結果を示す。図12(a)は、y軸に関して鏡映対称であり、x軸に関して鏡映対称ではないモード変換領域109を含む3次元フォトニック結晶のyz断面を示している。また、図12(b)は、モード変換領域109のxy断面を示す。 Here, for comparison, an electric field intensity distribution calculation result in the case where the structure of the mode conversion region is not mirror-symmetrical with respect to the x-axis as in the waveguide region 103 is shown. FIG. 12A shows a yz section of a three-dimensional photonic crystal including a mode conversion region 109 that is mirror symmetric with respect to the y axis and is not mirror symmetric with respect to the x axis. FIG. 12B shows an xy cross section of the mode conversion region 109.
モード変換領域109の欠陥部12の周囲のフォトニック結晶101は、導波路領域103と同じ構造を有し、フォトニック結晶単位構造100を同じ向きに向け、各面が接するように配列した構造である。線状欠陥部12は、図10と表3に示したモード変換領域104に含まれる線状欠陥部と同じ構造を有する。図13(a)に、図12(a)に示すモード変換領域109を含む3次元フォトニック結晶から外部領域106に射出された光のxy断面Aでの電場強度分布を計算した結果を示す。図13(b)は、図13(a)のx=0におけるy軸方向の電場強度分布を表しており、縦軸は最大値で規格化した電場強度を、横軸はy軸の座標をそれぞれ表している。 The photonic crystal 101 around the defect 12 in the mode conversion region 109 has the same structure as that of the waveguide region 103, and has a structure in which the photonic crystal unit structures 100 are oriented in the same direction and are in contact with each other. is there. The linear defect portion 12 has the same structure as the linear defect portion included in the mode conversion region 104 shown in FIG. FIG. 13A shows the calculation result of the electric field intensity distribution in the xy section A of the light emitted from the three-dimensional photonic crystal including the mode conversion region 109 shown in FIG. FIG. 13B shows the electric field strength distribution in the y-axis direction at x = 0 in FIG. 13A, where the vertical axis shows the electric field strength normalized by the maximum value, and the horizontal axis shows the y-axis coordinates. Represents each.
図11(a),(b)と図13(a),(b)を比較すると、x軸とy軸の2軸に関して鏡映対称であるモード変換領域104から射出された光の電場強度分布(図11(a),(b))の方が対称性が高い形状になっていることがわかる。 Comparing FIGS. 11A and 11B with FIGS. 13A and 13B, the electric field intensity distribution of light emitted from the mode conversion region 104 that is mirror-symmetrical with respect to the two axes of the x-axis and the y-axis. It can be seen that (FIGS. 11A and 11B) are more symmetrical.
x軸とy軸の2軸に関して鏡映対称な構造のモード変換領域を用いることで、射出された光の導波モードパターンの対称性が向上する理由は、上記概念の説明の部分で示した理由と同じである。 The reason why the symmetry of the guided mode pattern of the emitted light is improved by using a mode conversion region having a mirror-symmetric structure with respect to the two axes of the x-axis and the y-axis is described in the explanation of the above concept. For the same reason.
このように本実施例では、互いに直交する2軸に関して鏡映対称な構造のモード変換領域104を含む3次元フォトニック結晶Bを用いている。これにより、互いに直交する2軸に関して鏡映対称となるような高い対称性を有する導波モードパターンの光を射出することができる。 As described above, in this embodiment, the three-dimensional photonic crystal B including the mode conversion region 104 having a mirror-symmetric structure with respect to two axes orthogonal to each other is used. Accordingly, it is possible to emit light having a waveguide mode pattern having high symmetry that is mirror-symmetric with respect to two axes orthogonal to each other.
図2に示す3次元フォトニック結晶Bの導波路領域103とモード変換領域104の界面105では、フォトニック結晶の周期的な構造が乱れた面が生じ、接合の仕方によっては界面105のxy断面の面内方向を伝搬するモードが存在する。ここで、界面105のxy断面の面内を伝搬する導波モードを、「導波モード4」とする。 In the interface 105 between the waveguide region 103 and the mode conversion region 104 of the three-dimensional photonic crystal B shown in FIG. 2, a surface in which the periodic structure of the photonic crystal is disturbed is generated. There is a mode that propagates in the in-plane direction. Here, the waveguide mode propagating in the plane of the xy section of the interface 105 is referred to as “guided mode 4”.
導波モード1の光が導波モード4の光が伝搬する周波数帯域とは異なる周波数で伝搬すれば、導波モード1の光は、導波モード4へは変換されずにモード変換領域113の導波モード3の光に変換される。導波モード1の光の周波数が導波モード4の光が伝搬する周波数帯域に含まれていても、導波モード4と同じ周波数で同じ偏光成分を持つ導波モードが存在しないように導波路領域103とモード変換領域113を接続すればよい。これにより、導波モード1の光は導波モード4の光に変換されない。同じ偏光成分がないモード同士は結合しないため、導波路領域5を伝播した導波モード1の光が界面105に達したとき、該光は、界面105で導波モード4の光へは変換されず、モード変換領域113の導波モード3の光に、損失なく高効率に変換される。 If the light of the waveguide mode 1 propagates at a frequency different from the frequency band in which the light of the waveguide mode 4 propagates, the light of the waveguide mode 1 is not converted into the waveguide mode 4 but in the mode conversion region 113. It is converted into guided mode 3 light. Even if the frequency of the light of the waveguide mode 1 is included in the frequency band in which the light of the waveguide mode 4 propagates, the waveguide does not have a waveguide mode having the same polarization component at the same frequency as the waveguide mode 4 The area 103 and the mode conversion area 113 may be connected. Thereby, the light of the waveguide mode 1 is not converted into the light of the waveguide mode 4. Since modes that do not have the same polarization component are not coupled to each other, when the light of the waveguide mode 1 propagated through the waveguide region 5 reaches the interface 105, the light is converted into the light of the waveguide mode 4 at the interface 105. First, it is converted into light of the waveguide mode 3 in the mode conversion region 113 with high efficiency without loss.
導波路領域103のxy断面、界面105のxy断面およびモード変換領域104の各xy断面における伝搬する光のエネルギーの量から、界面105のxy断面を伝搬する導波モード4に変換される割合を計算した。この結果、界面105を伝搬するxy断面の光に変換された割合は、モード変換領域104の光に変換された量に対して1%程度の値となった。したがって、導波路領域103を伝搬した光は、界面105において、界面105のxy断面を伝搬する光へは殆ど変換されず、モード変換領域104を伝搬する光に変換されたと考えられる。 The ratio of the energy of light propagating in the xy cross section of the waveguide region 103, the xy cross section of the interface 105, and the xy cross section of the mode conversion region 104 to the waveguide mode 4 propagating through the xy cross section of the interface 105 is Calculated. As a result, the ratio of the light converted into the xy cross-section propagating through the interface 105 was about 1% with respect to the amount converted into the light in the mode conversion region 104. Therefore, it is considered that the light propagating through the waveguide region 103 is hardly converted into light propagating through the xy section of the interface 105 at the interface 105 and is converted into light propagating through the mode conversion region 104.
次に、本実施例において、導波路もx軸とy軸の2軸に関して鏡映対称な構造とした場合について説明する。図14(a)は、導波路とモード変換構造のどちらもx軸とy軸の2軸に関して鏡映対称な構造を有する場合の3次元フォトニック結晶を示している。図14(b)は、x軸とy軸の2軸に関して鏡映対称を有する導波路領域110のxy断面を示している。ここで、モード変換構造は、図9と表3で示したx軸とy軸の2軸に関して鏡映対称な構造を有するモード変換領域104と同じ構造とする。 Next, in this embodiment, a description will be given of a case where the waveguide also has a mirror-symmetric structure with respect to the two axes, the x axis and the y axis. FIG. 14A shows a three-dimensional photonic crystal in which both the waveguide and the mode conversion structure have a mirror-symmetric structure with respect to the two axes of the x-axis and the y-axis. FIG. 14B shows an xy cross section of the waveguide region 110 having mirror symmetry with respect to the two axes of the x axis and the y axis. Here, the mode conversion structure is the same as that of the mode conversion region 104 having a mirror-symmetric structure with respect to the two axes of the x axis and the y axis shown in FIG. 9 and Table 3.
導波路領域110はフォトニック結晶単位構造100を配列した構造の内部に第1の線状欠陥部10を設けることで構成され、xy断面においてx軸とy軸の2軸に関して鏡映対称な構造を有する。導波路領域110の第1の線状欠陥部10は、図7および表2に示す導波路領域103の第1の線状欠陥部10と同じ構造を有する。このとき、導波路領域110とモード変換領域104は、界面111に関して鏡映対称な構造を有する。 The waveguide region 110 is configured by providing the first linear defect portion 10 inside the structure in which the photonic crystal unit structures 100 are arranged, and is a mirror-symmetric structure with respect to two axes of the x axis and the y axis in the xy section. Have The first linear defect portion 10 in the waveguide region 110 has the same structure as the first linear defect portion 10 in the waveguide region 103 shown in FIG. At this time, the waveguide region 110 and the mode conversion region 104 have a mirror-symmetric structure with respect to the interface 111.
導波路領域110の界面111では、第1の線状欠陥部10の周囲にあるフォトニック結晶の周期が乱れている。このため、界面111のxz断面を伝搬するモードが存在し、導波路を伝搬する導波モード1は界面111のxz断面を伝搬する導波モードと結合して損失となってしまう。特に、光を導波路領域110を長距離にわたって伝搬させると、損失が大きくなる。 At the interface 111 of the waveguide region 110, the period of the photonic crystal around the first linear defect 10 is disturbed. Therefore, there is a mode that propagates through the xz section of the interface 111, and the waveguide mode 1 that propagates through the waveguide is combined with the waveguide mode that propagates through the xz section of the interface 111, resulting in a loss. In particular, when light propagates through the waveguide region 110 over a long distance, the loss increases.
また、導波路領域110の第1の線状欠陥部10の構造が変わることで、複数の導波モードが存在してしまい、所望の単一モードの光で伝播することが困難となる。したがって、x軸とy軸の2軸に関して鏡映対称な領域は、導波路には設けず、外部領域106に射出する直前のモード変換構造の領域にのみ設けることが必要である。 In addition, since the structure of the first linear defect portion 10 in the waveguide region 110 is changed, a plurality of waveguide modes exist, and it is difficult to propagate with light of a desired single mode. Therefore, it is necessary to provide a mirror-symmetric region with respect to the two axes of the x-axis and the y-axis only in the region of the mode conversion structure immediately before being emitted to the external region 106, not in the waveguide.
このように本実施例では、互いに直交する2軸に関して鏡映対称な構造のモード変換領域109を含む3次元フォトニック結晶Bを用いている。これにより、高い対称性を有する導波モードパターンの光を射出することができる。 As described above, in this embodiment, the three-dimensional photonic crystal B including the mode conversion region 109 having a mirror-symmetric structure with respect to two axes orthogonal to each other is used. Thereby, the light of the waveguide mode pattern which has high symmetry can be inject | emitted.
なお、フォトニック結晶単位構造は、図15(a)に示すような単純なウッドパイル構造のフォトニック結晶単位構造112としてもよい。この場合、上述した3次元フォトニック結晶単位構造100を用いた場合に比べて完全フォトニックバンドギャップを有する周波数帯域は狭くなるが、積層数が少なくなるため、製造工程数を少なくすることができる。 The photonic crystal unit structure may be a simple woodpile photonic crystal unit structure 112 as shown in FIG. In this case, the frequency band having a complete photonic bandgap is narrower than in the case where the above-described three-dimensional photonic crystal unit structure 100 is used, but the number of stacks is reduced, so that the number of manufacturing steps can be reduced. .
図15(b)には、図15(a)に示したフォトニック結晶単位構造112を、そのx’y’面、y’z’面およびx’z’面が互いに接するように、x’、y’およびz’軸方向に複数配列して構成されたフォトニック結晶基本構造を示している。 FIG. 15B shows the photonic crystal unit structure 112 shown in FIG. 15A in which x′y ′ plane, y′z ′ plane, and x′z ′ plane are in contact with each other. , A basic structure of a photonic crystal composed of a plurality of elements arranged in the y ′ and z ′ axis directions.
フォトニック結晶単位構造112は、xz面を含む層1013〜1016の4層を基本周期として構成されている。図16は、各層1013〜1016のxz断面を示しており、四角で囲った破線部1017の領域は基本構造の大きさを表している。 Photonic crystal unit structure 112 is composed of 4 layers of a layer 1013-101 6 including the xz plane as the base period. Figure 16 shows the xz cross section of each layer 1013-101 6, the area of the broken lines 101 7 boxed represents the size of the basic structure.
第1層1013および第3層1015では、x軸方向に延びる複数の柱状構造1013a,1015aが等間隔Pでz軸方向に並べられて配置されている。柱状構造1013a,1015aは、互いにz軸方向にP/2(半周期)ずれた位置に配置されている。また、第2層1014および第4層1016では、z軸方向に延びる複数の柱状構造1014a,1016aが等間隔Pでx軸方向に並べられて配置されている。柱状構造1014a,1016aは、互いにx軸方向にP/2(半周期)ずれた位置に配置されている。 In the first layer 1013 and the third layer 1015, a plurality of columnar structures 1013a and 1015a extending in the x-axis direction are arranged at equal intervals P in the z-axis direction. The columnar structures 1013a and 1015a are arranged at positions shifted from each other by P / 2 (half cycle) in the z-axis direction. In the second layer 1014 and the fourth layer 101 6, a plurality of columnar structures 1014a extending in the z-axis direction, 101 6 a are each arranged in the x axis direction at equal intervals P. Columnar structures 1014a, 101 6 a are arranged at positions shifted P / 2 (a half cycle) in the x-axis direction.
柱状構造の材料の屈折率、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。なお、フォトニック結晶基本構造は、上述した3次元フォトニック結晶構造以外の構造を有していてもよい。 By optimizing the refractive index of the material of the columnar structure, the shape and interval of the columnar structure, the thickness of each layer, etc., a complete photonic band gap can be obtained in a desired frequency band (wavelength band). Note that the photonic crystal basic structure may have a structure other than the above-described three-dimensional photonic crystal structure.
図17には、本発明の実施例2である、モード変換構造を含む3次元フォトニック結晶の構成を示している。図17に示した3次元フォトニック結晶Cは、導波路領域103とモード変換領域113を含む。 FIG. 17 shows a configuration of a three-dimensional photonic crystal including a mode conversion structure, which is Embodiment 2 of the present invention. A three-dimensional photonic crystal C shown in FIG. 17 includes a waveguide region 103 and a mode conversion region 113.
導波路領域103は、フォトニック結晶基本構造101と、フォトニック結晶基本構造101の内部に設けた第1および第2の線状欠陥部10,11とにより構成されており、実施例1の図8(a)〜(c)および表2に示した構造と同じ構造を有する。 The waveguide region 103 includes a photonic crystal basic structure 101 and first and second linear defect portions 10 and 11 provided in the photonic crystal basic structure 101. FIG. 8 (a) to (c) and the same structure as shown in Table 2.
モード変換領域113は、フォトニック結晶102と、フォトニック結晶102’と、テーパー状の欠陥部13とにより構成されている。導波路領域103とモード変換領域113は、界面105において互いのモードで伝搬する光が結合するように接続されている。モード変換領域113の端部と外部領域106との界面を、界面107とする。 The mode conversion region 113 includes a photonic crystal 102, a photonic crystal 102 ', and a tapered defect portion 13. The waveguide region 103 and the mode conversion region 113 are connected so that light propagating in the mutual mode is coupled at the interface 105. An interface between the end of the mode conversion region 113 and the external region 106 is referred to as an interface 107.
図17に示すように、導波路領域103の第1の線状欠陥部10が延びる方向をz軸方向とし、xy断面において第1の線状欠陥部10の中心を通り、互いに直交する2つの直線をx軸およびy軸とする。また、xy断面において、第1の線状欠陥部10の中心と線状欠陥部13の中心の位置は互いに一致している。 As shown in FIG. 17, the direction in which the first linear defect portion 10 extends in the waveguide region 103 is defined as the z-axis direction, and passes through the center of the first linear defect portion 10 in the xy section and is orthogonal to each other. Let the straight line be the x-axis and the y-axis. In the xy cross section, the positions of the center of the first linear defect portion 10 and the center of the linear defect portion 13 coincide with each other.
フォトニック結晶基本構造101,102,102’はそれぞれ、フォトニック結晶単位構造100を全て同じ向きに向け、各面が接するように配列することで形成され、完全フォトニックバンドギャップを有する。フォトニック結晶単位構造100は、実施例1の図4(a),(b)および表1で示した構造と同じ構造を有する。柱状構造が延びる方向をx’軸方向およびz’軸方向とし、積層方向をy’軸方向とする。x’y’断面は、y’軸に平行な少なくとも1つの直線に関して鏡映対称であり、x’軸に平行な任意の直線に関して鏡映対称ではない構造を有する。 Each of the photonic crystal basic structures 101, 102, 102 'is formed by arranging the photonic crystal unit structures 100 all in the same direction and in contact with each other, and has a complete photonic band gap. The photonic crystal unit structure 100 has the same structure as that shown in FIGS. 4A and 4B and Table 1 of the first embodiment. The direction in which the columnar structure extends is the x′-axis direction and the z′-axis direction, and the stacking direction is the y′-axis direction. The x'y 'cross section has a structure that is mirror symmetric with respect to at least one straight line parallel to the y' axis and is not mirror symmetric with respect to any straight line parallel to the x 'axis.
導波路領域103に含まれるフォトニック結晶基本構造101は、x,yおよびz軸方向がそれぞれ、フォトニック結晶単位構造100のx’,y’およびz’軸方向と一致するようにフォトニック結晶単位構造100を配列することで形成されている。導波路領域103は、実施例1の図8(a)に示すように、xy断面においてy軸に関して鏡映対称であり、x軸に関して鏡映対称ではない構造を有する。 The photonic crystal basic structure 101 included in the waveguide region 103 has a photonic crystal so that the x, y, and z axis directions coincide with the x ′, y ′, and z ′ axis directions of the photonic crystal unit structure 100, respectively. It is formed by arranging unit structures 100. As shown in FIG. 8A of the first embodiment, the waveguide region 103 has a structure that is mirror-symmetric with respect to the y-axis and not mirror-symmetric with respect to the x-axis in the xy section.
図18(a),(b),(c)に、モード変換領域113の構成を示す。図18(a)は、図17の界面105におけるxy断面を示す。また、図18(b)は、図17の界面107におけるxy断面を、図18(c)は欠陥部13の中心を通るxz断面をそれぞれ示している。 18A, 18B, and 18C show the configuration of the mode conversion area 113. FIG. FIG. 18A shows an xy cross section at the interface 105 in FIG. 18B shows an xy cross section at the interface 107 in FIG. 17, and FIG. 18C shows an xz cross section passing through the center of the defect portion 13, respectively.
フォトニック結晶基本構造102およびフォトニック結晶基本構造102’はそれぞれ、線状欠陥部13の中心を通るxz断面よりも+y方向および−y方向に配置されている。フォトニック結晶基本構造102は、フォトニック結晶基本構造101と同様に、x,yおよびz軸方向がそれぞれフォトニック結晶単位構造100のx’,y’およびz’軸方向と一致するように、フォトニック結晶単位構造100を配列することで形成されている。フォトニック結晶基本構造102’は、線状欠陥部13の中心を通るxz断面に関してフォトニック結晶基本構造102と鏡映対称な構造となるようにフォトニック結晶単位構造100を配列することで形成されている。 The photonic crystal basic structure 102 and the photonic crystal basic structure 102 ′ are respectively arranged in the + y direction and the −y direction with respect to the xz section passing through the center of the linear defect portion 13. Similar to the photonic crystal basic structure 101, the photonic crystal basic structure 102 is arranged so that the x, y, and z axis directions thereof coincide with the x ′, y ′, and z ′ axis directions of the photonic crystal unit structure 100, respectively. It is formed by arranging the photonic crystal unit structures 100. The photonic crystal basic structure 102 ′ is formed by arranging the photonic crystal unit structures 100 so as to have a mirror-symmetrical structure with the photonic crystal basic structure 102 with respect to the xz cross section passing through the center of the linear defect portion 13. ing.
フォトニック結晶基本構造102とフォトニック結晶基本構造102’は、線状欠陥部13の中心を通るxz断面において接続されている。このとき、モード変換領域113は、図18(a)に示すように、xy断面においてx軸とy軸の2軸に関して鏡映対称な構造となる。また、図17に示すように、モード変換領域113の端部107は、外部領域106と接している
図18(a)に示す界面107における線状欠陥部13の幅は0.6Pであり、厚さは0.25Pである。また、図18(b)に示す界面107における欠陥部13の幅は2.10Pであり、厚さは2.55Pである。図18(c)に示す界面105,107の間の長さは7.00Pである。線状欠陥部13は、図17および図20において、界面105で示した位置から界面107で示した位置との間でxy断面内での幅と厚さが徐々に変化するテーパー状の形状を有する。線状欠陥部13は、3次元フォトニック結晶単位構造100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。線状欠陥部13のxy断面の中心座標は、x座標が0.00Pであり、y座標が3.50Pである。
The photonic crystal basic structure 102 and the photonic crystal basic structure 102 ′ are connected in an xz cross section passing through the center of the linear defect portion 13. At this time, as shown in FIG. 18A, the mode conversion region 113 has a mirror-symmetric structure with respect to the two axes of the x axis and the y axis in the xy section. Moreover, as shown in FIG. 17, the end 107 of the mode conversion region 113 is in contact with the external region 106. The width of the linear defect portion 13 at the interface 107 shown in FIG. The thickness is 0.25P. Further, the width of the defect portion 13 at the interface 107 shown in FIG. 18B is 2.10P, and the thickness is 2.55P. The length between the interfaces 105 and 107 shown in FIG. 18C is 7.00P. In FIG. 17 and FIG. 20, the linear defect portion 13 has a tapered shape in which the width and thickness in the xy section gradually change from the position indicated by the interface 105 to the position indicated by the interface 107. Have. The linear defect portion 13 is a region formed of a medium having the same refractive index as that of the medium forming the columnar structure included in the three-dimensional photonic crystal unit structure 100. As for the center coordinates of the xy section of the linear defect portion 13, the x coordinate is 0.00P and the y coordinate is 3.50P.
モード変換領域113の構造パラメータを表4に示す。欠陥部幅13w1,13w2はそれぞれ、図18(c)に示す層内でのx軸方向での寸法である。また、欠陥部高さ13h1,13h2は、図18(a)、(b)に示す欠陥部の積層方向(y軸方向)の寸法である。欠陥部長さ13Dは、図18(c)に示す欠陥部の層内におけるz軸方向での寸法である。また、欠陥部屈折率13nは、欠陥部を構成する媒質の屈折率である。 Table 4 shows the structural parameters of the mode conversion area 113. The defect widths 13w1 and 13w2 are dimensions in the x-axis direction in the layer shown in FIG. The defect heights 13h1 and 13h2 are dimensions in the stacking direction (y-axis direction) of the defect portions shown in FIGS. 18 (a) and 18 (b). The defect portion length 13D is a dimension in the z-axis direction in the layer of the defect portion shown in FIG. The defect refractive index 13n is the refractive index of the medium constituting the defect portion.
本実施例において、外部領域106は、実施例1と同様に、屈折率1.0で形成された一様な媒質を有する領域である。 In the present embodiment, the external region 106 is a region having a uniform medium formed with a refractive index of 1.0, as in the first embodiment.
図17に示す3次元フォトニック結晶Cに含まれる導波路領域103と外部領域106を伝搬する光の導波モードを、実施例1と同様にそれぞれ、「導波モード1」および「導波モード2」とする。また、モード変換領域113を伝搬する光の導波モードを、「導波モード5」とする。 The waveguide modes of light propagating through the waveguide region 103 and the external region 106 included in the three-dimensional photonic crystal C shown in FIG. 17 are respectively “guided mode 1” and “guided mode” as in the first embodiment. 2 ”. The waveguide mode of light propagating through the mode conversion region 113 is referred to as “guided mode 5”.
図17に示す3次元フォトニック結晶Cにおいて、導波路領域103を伝搬した光は、界面105でモード変換領域113を伝搬する光に変換される。モード変換領域113を伝播した光は、界面107において外部領域106を伝搬する光に変換されて外部領域106に射出される。 In the three-dimensional photonic crystal C shown in FIG. 17, light propagated through the waveguide region 103 is converted into light propagated through the mode conversion region 113 at the interface 105. The light propagating through the mode conversion region 113 is converted into light propagating through the external region 106 at the interface 107 and emitted to the external region 106.
外部領域106を伝搬する光の波長をλとしたとき、モード変換領域113と外部領域106との界面107から、+z方向に3λだけ離れた位置におけるxy断面を、xy断面Aとする。 When the wavelength of light propagating through the external region 106 is λ, an xy cross section at a position 3λ away from the interface 107 between the mode conversion region 113 and the external region 106 in the + z direction is defined as an xy cross section A.
図19(a)に、モード変換領域113を含む3次元フォトニック結晶Bから外部領域106に射出された光のxy断面Aでの電場強度分布を計算した結果を示す。図19(b)は、図19(a)のx=0におけるy軸方向の電場強度分布を示しており、縦軸は最大値で規格化した電場強度を、横軸はy軸の座標をそれぞれ表している。電場強度分布は、有限差分時間領域(FDTD)法を用いて計算した。 FIG. 19A shows the calculation result of the electric field intensity distribution at the xy section A of the light emitted from the three-dimensional photonic crystal B including the mode conversion region 113 to the external region 106. FIG. 19 (b) shows the electric field strength distribution in the y-axis direction at x = 0 in FIG. 19 (a). The vertical axis represents the electric field strength normalized by the maximum value, and the horizontal axis represents the y-axis coordinate. Represents each. The electric field strength distribution was calculated using a finite difference time domain (FDTD) method.
図19(a),(b)より、モード変換領域104を含む3次元フォトニック結晶Bから外部領域106に射出された光の導波モードパターンは、x軸とy軸の2軸に関して鏡映対称となるような高い対称性を有する形状となっていることがわかる。 19A and 19B, the waveguide mode pattern of light emitted from the three-dimensional photonic crystal B including the mode conversion region 104 to the external region 106 is reflected with respect to the two axes of the x axis and the y axis. It can be seen that the shape is highly symmetric so as to be symmetric.
ここで比較のため、モード変換領域の構造が、導波路領域103のようにx軸に関して鏡映対称ではない場合の電場強度分布の計算結果を以下に示す。図20(a)は、y軸に関して鏡映対称であり、x軸に関して鏡映対称ではない構造のモード変換領域114を含む3次元フォトニック結晶のyz断面を示している。また、図20(b)は、モード変換領域114のxy断面を示す。モード変換領域114は、導波路領域103と同様に、x軸に関しては鏡映対称ではない構造を有するフォトニック結晶基本構造101と、該フォトニック結晶基本構造101の内部に設けられた線状欠陥部13とで形成される。ここで、線状欠陥部13は、図18および表4に示した、モード変換領域113に含まれる線状欠陥部と同じ線状欠陥部である。 Here, for comparison, the calculation result of the electric field intensity distribution when the structure of the mode conversion region is not mirror-symmetrical with respect to the x axis as in the waveguide region 103 is shown below. FIG. 20A shows a yz section of a three-dimensional photonic crystal including a mode conversion region 114 having a structure that is mirror-symmetric with respect to the y-axis and is not mirror-symmetrical with respect to the x-axis. FIG. 20B shows an xy cross section of the mode conversion region 114. Similar to the waveguide region 103, the mode conversion region 114 includes a photonic crystal basic structure 101 having a structure that is not mirror-symmetric with respect to the x-axis, and a linear defect provided in the photonic crystal basic structure 101. It is formed with the part 13. Here, the linear defect portion 13 is the same linear defect portion as the linear defect portion included in the mode conversion region 113 shown in FIG. 18 and Table 4.
図21(a)には、モード変換領域113を含む3次元フォトニック結晶Bから外部領域106に射出された光のxy断面Aの電場強度分布を計算した結果を示す。図21(b)は、図21(a)のx=0におけるy軸方向の電場強度分布を示しており、縦軸は最大値で規格化した電場強度を、横軸はy軸の座標をそれぞれ表している。 FIG. 21A shows the result of calculating the electric field intensity distribution in the xy section A of the light emitted from the three-dimensional photonic crystal B including the mode conversion region 113 to the external region 106. FIG. 21 (b) shows the electric field strength distribution in the y-axis direction at x = 0 in FIG. 21 (a), where the vertical axis represents the electric field strength normalized by the maximum value, and the horizontal axis represents the y-axis coordinate. Represents each.
図19(a),(b)と図21(a),(b)を比較したとき、x軸とy軸の2軸に関して鏡映対称な構造を有するモード変換領域113から射出された光の電場強度分布(図19(a),(b))の方が、対称性が高い形状になっていることがわかる。 When comparing FIGS. 19A and 19B with FIGS. 21A and 21B, the light emitted from the mode conversion region 113 having a mirror-symmetric structure with respect to the two axes of the x-axis and the y-axis. It can be seen that the electric field intensity distribution (FIGS. 19A and 19B) has a higher symmetry.
ここで、x軸とy軸の2軸に関して鏡映対称な構造のモード変換領域を用いることで、射出された光の導波モードパターンの対称性が向上する理由は、実施例1で示した理由と同じである。 Here, the reason why the symmetry of the guided mode pattern of the emitted light is improved by using the mode conversion region having a mirror-symmetric structure with respect to the two axes of the x-axis and the y-axis is shown in the first embodiment. For the same reason.
なお、実施例1と同様に、導波路領域103とモード変換領域113との界面105において界面105のxy断面を伝搬する導波モード4が存在するが、本実施例では、導波モード4に変換されないように導波路領域103とモード変換領域113を接続している。導波モード1の光が、導波モード4の光が伝搬する周波数帯域とは異なる周波数で伝搬していれば、導波モード1の光は導波モード4へは変換されずに、モード変換領域113の導波モード3の光に変換される。 As in the first embodiment, there is a waveguide mode 4 that propagates in the xy section of the interface 105 at the interface 105 between the waveguide region 103 and the mode conversion region 113. The waveguide region 103 and the mode conversion region 113 are connected so as not to be converted. If the guided mode 1 light propagates at a frequency different from the frequency band in which the guided mode 4 light propagates, the guided mode 1 light is not converted to the guided mode 4 and mode conversion is performed. The light is converted into guided mode 3 light in the region 113.
導波モード1の光の周波数が導波モード4の光が伝搬する周波数帯域に含まれていても、導波モード4と同じ周波数で同じ偏光成分を持つ導波モードが存在しないように導波路領域103とモード変換領域113を接続すればよい。これにより、導波モード1の光は、導波モード4の光に変換されない。同じ偏光成分がないモード同士は結合しないため、導波モード1の光が界面105に達したとき、該光は界面105の導波モード4の光へは変換されずに、モード変換領域113の導波モード5の光へと、損失なく高い効率で変換される。 Even if the frequency of the light of the waveguide mode 1 is included in the frequency band in which the light of the waveguide mode 4 propagates, the waveguide does not have a waveguide mode having the same polarization component at the same frequency as the waveguide mode 4 The area 103 and the mode conversion area 113 may be connected. Thereby, the light of the waveguide mode 1 is not converted into the light of the waveguide mode 4. Since modes that do not have the same polarization component do not couple with each other, when the light of the waveguide mode 1 reaches the interface 105, the light is not converted into the light of the waveguide mode 4 of the interface 105, It is converted into light of the waveguide mode 5 with high efficiency without loss .
このように、本実施例によれば、互いに直交する2軸に関して鏡映対称のモード変換領域109を含む3次元フォトニック結晶Bを用いることにより、高い対称性を有する導波モードパターンの光を射出することができる。 As described above, according to the present embodiment, by using the three-dimensional photonic crystal B including the mode conversion region 109 that is mirror-symmetrical with respect to two axes orthogonal to each other, the light of the waveguide mode pattern having high symmetry can be obtained. Can be injected.
また、モード変換領域113に含まれるモード変換構造を用いることにより、導波路領域103を伝搬する導波モード1の光を、徐々に外部領域106の導波モード2の光に変換することができる。これにより、効率良く外部領域106へ光を射出することができる。 Further, by using the mode conversion structure included in the mode conversion region 113, the light of the waveguide mode 1 propagating through the waveguide region 103 can be gradually converted into the light of the waveguide mode 2 in the external region 106. . Thereby, light can be efficiently emitted to the external region 106.
図22には、本発明の実施例3である、モード変換構造を含む3次元フォトニック結晶Dの構造を示す。3次元フォトニック結晶Dは、導波路領域115とモード変換領域113とを含む。 FIG. 22 shows a structure of a three-dimensional photonic crystal D including a mode conversion structure, which is Embodiment 3 of the present invention. The three-dimensional photonic crystal D includes a waveguide region 115 and a mode conversion region 113.
導波路領域115は、フォトニック結晶基本構造101の内部に、線状欠陥部14、15,16,17,18を設けることによって構成されている。 The waveguide region 115 is configured by providing linear defect portions 14, 15, 16, 17, and 18 inside the photonic crystal basic structure 101.
モード変換領域113は、フォトニック結晶基本構造102、フォトニック結晶基本構造102’およびテーパー状の線状欠陥部13とで構成されており、実施例2の図18(a)〜(c)および表4に示した構造と同じ構造を有する。導波路領域115とモード変換領域113は、界面105において互いのモードで伝搬する光が結合するように接続されている。また、モード変換領域113の端部と外部領域106の界面を、界面107とする。 The mode conversion region 113 is composed of the photonic crystal basic structure 102, the photonic crystal basic structure 102 ′, and the tapered linear defect portion 13, and FIGS. 18A to 18C of Example 2 and FIG. It has the same structure as shown in Table 4. The waveguide region 115 and the mode conversion region 113 are connected so that light propagating in the mutual mode is coupled at the interface 105. The interface between the end of the mode conversion region 113 and the external region 106 is referred to as an interface 107.
図22に示すように、導波路領域115の第1の線状欠陥部14が延びる方向をz軸方向とし、xy断面において、第1の線状欠陥部14の中心を通り、互いに直交する2つの直線をx軸とy軸とする。また、xy断面において、導波路領域115の第1の線状欠陥部14の中心とモード変換領域113のテーパー状の線状欠陥部13の中心の位置は互いに一致している。 As shown in FIG. 22, the direction in which the first linear defect 14 in the waveguide region 115 extends is defined as the z-axis direction, and passes through the center of the first linear defect 14 in the xy cross section. Let two straight lines be the x-axis and the y-axis. In the xy section, the center of the first linear defect 14 in the waveguide region 115 and the center of the tapered linear defect 13 in the mode conversion region 113 coincide with each other.
フォトニック結晶基本構造101,102,102’はそれぞれ、フォトニック結晶単位構造100を全て同じ向きに向け、各面が接するように配列することで形成され、完全フォトニックバンドギャップを有する。フォトニック結晶単位構造100は、実施例1の図4(a),(b)およびと表1に示した構造と同じ構造を有する。柱状構造が延びる方向をx’軸方向およびz’軸方向とし、積層方向をy’軸方向とする。x’y’断面は、y’軸に平行な少なくとも1つの直線に関して鏡映対称で、x’軸に平行な任意の直線に関して鏡映対称ではない構造を有する。 Each of the photonic crystal basic structures 101, 102, 102 'is formed by arranging the photonic crystal unit structures 100 all in the same direction and in contact with each other, and has a complete photonic band gap. The photonic crystal unit structure 100 has the same structure as that shown in FIGS. 4A and 4B of Example 1 and Table 1. The direction in which the columnar structure extends is the x′-axis direction and the z′-axis direction, and the stacking direction is the y′-axis direction. The x'y 'cross section has a structure that is mirror symmetric with respect to at least one straight line parallel to the y' axis and is not mirror symmetric with respect to any straight line parallel to the x 'axis.
導波路領域115に含まれるフォトニック結晶基本構造101は、x,yおよびz軸方向がそれぞれ、フォトニック結晶単位構造100のx’,y’およびz’軸方向と一致するようにフォトニック結晶単位構造100を配列することで形成されている。 The photonic crystal basic structure 101 included in the waveguide region 115 has a photonic crystal so that the x, y, and z axis directions coincide with the x ′, y ′, and z ′ axis directions of the photonic crystal unit structure 100, respectively. It is formed by arranging unit structures 100.
導波路領域115は、フォトニック結晶構造101の内部に、z軸方向に延びる第1の線状欠陥部14と、該第1の線状欠陥部14とは異なる層に位置し、z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15〜18とを含む。フォトニック結晶基本構造101は、フォトニック結晶単位構造100をx,yおよびz方向に同じ向きに向け、各面が接するように配列した構造を有し、完全フォトニックバンドギャップを有する。 The waveguide region 115 is located in the photonic crystal structure 101 in the first linear defect portion 14 extending in the z-axis direction and in a layer different from the first linear defect portion 14, and in the z-axis direction. And the second linear defect portions 15 to 18 formed by deforming a part of the columnar structure extending in the direction. The photonic crystal basic structure 101 has a structure in which the photonic crystal unit structures 100 are arranged in the same direction in the x, y, and z directions and are in contact with each other, and has a complete photonic band gap.
導波路領域115を図23(a)〜(d)に示す。本実施例では、z軸方向に延びる柱状構造の幅を0.20Pとした第2の線状欠陥部15〜18を含む構造について示している。導波路領域115の詳細な構造パラメータを表5に示す。欠陥部幅とは、それぞれの線状欠陥部14〜15の各層内でのx軸方向での寸法を示し、表5および図23(a)では14w〜18wと記している。また、欠陥部高さとは、線状欠陥部14〜15の積層方向での寸法を示し、表5および図23(a)には14h〜18hと記している。 The waveguide region 115 is shown in FIGS. In the present embodiment, a structure including the second linear defect portions 15 to 18 in which the width of the columnar structure extending in the z-axis direction is 0.20P is shown. Detailed structural parameters of the waveguide region 115 are shown in Table 5. The defect width indicates the dimension in the x-axis direction within each layer of each of the linear defect portions 14 to 15, and is written as 14 w to 18 w in Table 5 and FIG. The defect height indicates the dimension of the linear defect portions 14 to 15 in the stacking direction, and is indicated as 14h to 18h in Table 5 and FIG.
本実施例において、外部領域106は、実施例1,2と同様に、一様な屈折率1.0を有する。 In the present embodiment, the outer region 106 has a uniform refractive index of 1.0 as in the first and second embodiments.
導波路領域115は、xy断面において、y軸に関して鏡映対称で、z軸に関して鏡映対称ではない構造を有する。モード変換領域113は、xy断面において、x軸とy軸の2軸に関して鏡映対称な構造を有する。 The waveguide region 115 has a structure that is mirror-symmetric with respect to the y-axis and not mirror-symmetrical with respect to the z-axis in the xy cross section. The mode conversion region 113 has a mirror-symmetric structure with respect to two axes of the x axis and the y axis in the xy cross section.
導波路領域115を伝搬する光の導波モードを、「導波モード6」とする。また、外部領域106を伝搬する光の導波モードを、実施例1,2と同様に、「導波モード2」とし、モード変換領域113を伝搬する光の導波モードを、実施例2と同様に、「導波モード5」とする。 The waveguide mode of light propagating through the waveguide region 115 is referred to as “guided mode 6”. In addition, the waveguide mode of light propagating through the external region 106 is “guided mode 2” as in the first and second embodiments, and the waveguide mode of light propagating through the mode conversion region 113 is the same as in the second embodiment. Similarly, “guided mode 5” is assumed.
図22に示す3次元フォトニック結晶Dにおいて、導波路領域115を伝搬した光は、界面105でモード変換領域113を伝搬する光に変換される。モード変換領域113を伝播した光は、界面107において外部領域106を伝搬する光に変換されて外部領域106に射出される。 In the three-dimensional photonic crystal D shown in FIG. 22, the light propagating through the waveguide region 115 is converted into light propagating through the mode conversion region 113 at the interface 105. The light propagating through the mode conversion region 113 is converted into light propagating through the external region 106 at the interface 107 and emitted to the external region 106.
外部領域106を伝搬する光の波長をλとするとき、モード変換領域113と外部領域106の界面107から+z方向に3λだけ離れた位置におけるxy断面を、xy断面Aとする。 When the wavelength of light propagating through the external region 106 is λ, an xy cross section at a position 3λ away from the interface 107 between the mode conversion region 113 and the external region 106 in the + z direction is defined as an xy cross section A.
図24(a)は、導波路領域115とモード変換領域113を含む3次元フォトニック結晶Dから外部領域106に射出された光のxy断面Aでの電場強度分布を計算した結果を示す。図24(b)は、図24(a)のx=0におけるy軸方向の電場強度分布を示しており、縦軸は最大値で規格化した電場強度を、横軸はy軸の座標をそれぞれ表している。電場強度分布は有限差分時間領域(FDTD)法を用いて計算した。 FIG. 24A shows the result of calculating the electric field intensity distribution in the xy section A of the light emitted from the three-dimensional photonic crystal D including the waveguide region 115 and the mode conversion region 113 to the external region 106. FIG. FIG. 24 (b) shows the electric field strength distribution in the y-axis direction at x = 0 in FIG. 24 (a). The vertical axis represents the electric field strength normalized by the maximum value, and the horizontal axis represents the y-axis coordinate. Represents each. The electric field strength distribution was calculated using a finite difference time domain (FDTD) method.
図24(a),(b)より、導波路領域115とモード変換領域113を含む3次元フォトニック結晶Dから外部領域106に射出された光の導波モードパターンは、x軸とy軸の2つの軸に関して鏡映対称となるような高い対称性を有していることがわかる。 24A and 24B, the guided mode pattern of the light emitted from the three-dimensional photonic crystal D including the waveguide region 115 and the mode conversion region 113 to the external region 106 is the x-axis and the y-axis. It can be seen that it has a high symmetry that is mirror-symmetric with respect to the two axes.
ここで比較のため、モード変換領域の構造がx軸に関して鏡映対称ではない場合の電場強度分布の計算結果を以下に示す。図25(a)に、導波路領域115とy軸に関して鏡映対称であり、x軸に関して鏡映対称ではないモード変換領域114を含む3次元フォトニック結晶のyz断面を示す。モード変換領域114は、実施例2の図22で示した構造と同じ構造を有する。 Here, for comparison, the calculation result of the electric field intensity distribution in the case where the structure of the mode conversion region is not mirror-symmetric with respect to the x-axis is shown below. FIG. 25A shows a yz cross section of a three-dimensional photonic crystal including a mode conversion region 114 that is mirror-symmetric with respect to the waveguide region 115 and the y-axis and is not mirror-symmetrical with respect to the x-axis. The mode conversion region 114 has the same structure as that shown in FIG.
図26(a)には、導波路領域115とモード変換領域114を含む3次元フォトニック結晶Dから射出された光のxy断面Aにおける電場強度分布を示す。図26(b)は図26(a)のx=0におけるy軸方向の電場強度分布を示しており、縦軸は最大値で規格化した電場強度を、横軸はy軸の座標をそれぞれ表している。 FIG. 26A shows the electric field intensity distribution in the xy section A of the light emitted from the three-dimensional photonic crystal D including the waveguide region 115 and the mode conversion region 114. FIG. 26B shows the electric field strength distribution in the y-axis direction at x = 0 in FIG. 26A, where the vertical axis represents the electric field strength normalized by the maximum value, and the horizontal axis represents the y-axis coordinate. Represents.
図24(a),(b)と図26(a),(b)を比較すると、x軸とy軸の2軸に関して鏡映対称な構造を有するモード変換領域113から射出された光の電場強度分布(図24(a),(b))の方が対称性が高い形状になっていることがわかる。
x軸とy軸の2軸に関して鏡映対称な構造のモード変換領域を用いることで、射出された光の導波モードパターンの対称性が向上する理由は、実施例1で示した理由と同じである。
Comparing FIGS. 24A and 24B with FIGS. 26A and 26B, the electric field of light emitted from the mode conversion region 113 having a mirror-symmetric structure with respect to the two axes of the x-axis and the y-axis. It can be seen that the intensity distribution (FIGS. 24A and 24B) has a shape with higher symmetry.
The reason why the symmetry of the guided mode pattern of the emitted light is improved by using the mode conversion region having a mirror-symmetric structure with respect to the two axes of the x axis and the y axis is the same as the reason described in the first embodiment. It is.
導波路領域115とモード変換領域113との界面105において界面105のxy断面を伝搬する導波モード4が存在するが、本実施例では、導波モード6が導波モード4に変換されないように導波路領域115とモード変換領域113を接続している。 In the interface 105 between the waveguide region 115 and the mode conversion region 113, there is a waveguide mode 4 that propagates in the xy section of the interface 105. In this embodiment, the waveguide mode 6 is not converted to the waveguide mode 4. The waveguide region 115 and the mode conversion region 113 are connected.
導波モード6の光が、導波モード4の光が伝搬する周波数帯域とは異なる周波数で伝搬していれば、導波モード6の光は導波モード4に変換されずに、モード変換領域113の導波モード5の光に変換される。 If the light in the guided mode 6 propagates at a frequency different from the frequency band in which the light in the guided mode 4 propagates, the light in the guided mode 6 is not converted into the guided mode 4, and the mode conversion region 113 is converted into the light of the waveguide mode 5.
導波モード6の光の周波数が導波モード4の光が伝搬する周波数帯域に含まれていても、導波モード4と同じ周波数で同じ偏光成分を持つ導波モードが存在しないように導波路領域115とモード変換領域113を接続すればよい。これにより、導波モード6の光は、導波モード4の光に変換されない。同じ偏光成分がないモード同士は結合しないため、導波モード6の光が界面105に達したとき、該光は界面105の導波モード4の光に変換されずに、モード変換領域113の導波モード5の光に、損失なく高効率に変換される。 Even if the frequency of the light of the waveguide mode 6 is included in the frequency band in which the light of the waveguide mode 4 propagates, the waveguide has a frequency that is the same as that of the waveguide mode 4 and that does not have the same polarization component. The region 115 and the mode conversion region 113 may be connected. Thereby, the light of the waveguide mode 6 is not converted into the light of the waveguide mode 4. Since modes that do not have the same polarization component are not coupled to each other, when the light of the guided mode 6 reaches the interface 105, the light is not converted into the guided mode 4 light of the interface 105, but is guided in the mode conversion region 113. It is converted into light of wave mode 5 with high efficiency without loss.
このように、本実施例では、互いに直交する2軸に関して鏡映対称な構造のモード変換領域113を含む3次元フォトニック結晶Bを用いることにより、高い対称性を有する導波モードパターンの光を射出することができる。また、本実施例では、上述した構造の導波路領域を用いることにより、単一の導波モードの光を伝搬させることができる。 As described above, in this embodiment, by using the three-dimensional photonic crystal B including the mode conversion region 113 having a mirror-symmetric structure with respect to two axes orthogonal to each other, light having a waveguide mode pattern having high symmetry can be obtained. Can be injected. Further, in this embodiment, it is possible to propagate light of a single waveguide mode by using the waveguide region having the above-described structure.
なお、導波路を構成する線状欠陥部15〜18は、柱状構造の一部を変位させることによって形成してもよい。 In addition, you may form the linear defect parts 15-18 which comprise a waveguide by displacing a part of columnar structure.
以下、上記実施例1〜3にて説明した3次元フォトニック結晶を用いた、本発明の実施例4であるフォトニック結晶発光素子について説明する。本実施例のフォトニック結晶発光素子は、実施例1〜3で説明した3次元フォトニック結晶基本構造の内部に、点状欠陥部を形成することで設けられた共振器と、線状欠陥部で構成された導波路およびモード変換構造とが設けられた構造を有する。 Hereinafter, a photonic crystal light-emitting element that is Embodiment 4 of the present invention using the three-dimensional photonic crystal described in Embodiments 1 to 3 will be described. The photonic crystal light-emitting device of this example includes a resonator provided by forming a point-like defect inside the three-dimensional photonic crystal basic structure described in Examples 1 to 3, and a linear defect. And a mode conversion structure are provided.
点状欠陥部は、形状、媒質を最適化することによって、完全フォトニックバンドギャップ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。発光スペクトルに共振波長が含まれる発光媒質(利得媒質)を上記共振器の内部に配置し、この発光媒質に対して外部から電磁波や電流等でエネルギーを供給することによってこれを励起して光を発生させる。発光媒質から発生した光は、共振器内で増幅される。 The point defect can function as a resonator having a resonance mode at a desired frequency within the complete photonic band gap by optimizing the shape and medium. A light emitting medium (gain medium) having a resonance wavelength in the emission spectrum is arranged inside the resonator, and the light is excited by supplying energy to the light emitting medium from the outside by electromagnetic waves or current. generate. Light generated from the light emitting medium is amplified in the resonator.
このような点欠陥共振器の近傍に、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導波路を配置すると、共振器の内部で発生し、増幅された光は、導波路が有する導波モードで伝播する光と結合し、共振器の外に抽出される。抽出された光は、導波路およびモード変換構造が有する導波モードでこれらを伝播する。これにより、効率の高いレーザやLED等の発光素子を実現することができる。 When a waveguide having a waveguide mode is arranged in the vicinity of such a point defect resonator at a frequency that the resonance mode of the resonator has, the light generated inside the resonator and amplified light is guided by the waveguide. Coupled with light propagating in wave mode, it is extracted out of the resonator. The extracted light propagates in the waveguide mode of the waveguide and the mode conversion structure. Thereby, light emitting elements, such as a laser and LED with high efficiency, are realizable.
図27には、本実施例のフォトニック結晶発光素子の構造を示している。図27には、実施例1〜3にて説明した3次元フォトニック結晶のうち代表として実施例2(図17)に示した3次元フォトニック結晶に、共振器、電極およびキャリア伝導路を設けた構造を有する。 FIG. 27 shows the structure of the photonic crystal light-emitting element of this example. In FIG. 27, a resonator, an electrode, and a carrier conduction path are provided in the three-dimensional photonic crystal shown in the second embodiment (FIG. 17) as a representative of the three-dimensional photonic crystals described in the first to third embodiments. Has a structure.
導波路領域103の線状欠陥部10が延びる方向をz軸方向とし、xy断面において線状欠陥部10の中心を通り、互いに直交する2つの直線をx軸およびy軸とする。 A direction in which the linear defect portion 10 extends in the waveguide region 103 is defined as a z-axis direction, and two straight lines that pass through the center of the linear defect portion 10 in the xy section and are orthogonal to each other are defined as an x-axis and a y-axis.
フォトニック結晶単位構造100は、実施例1において図4に示した構造を有し、該フォトニック結晶単位構造100を同じ向きに向けて、各面が接するようにx,yおよびz軸方向に配列した構造は、完全フォトニックバンドギャップを有する。 The photonic crystal unit structure 100 has the structure shown in FIG. 4 in the first embodiment. The photonic crystal unit structure 100 is oriented in the x, y, and z-axis directions so that each surface is in contact with the photonic crystal unit structure 100 facing the same direction. The aligned structure has a complete photonic band gap.
図27に示す発光素子は、3次元フォトニック結晶基本構造101中に点欠陥部19を設けることにより形成された共振器116と、p型電極117と、p型キャリア伝導路118と、n型電極119と、n型キャリア伝導路120とを有する。 The light emitting device shown in FIG. 27 includes a resonator 116 formed by providing a point defect 19 in the three-dimensional photonic crystal basic structure 101, a p-type electrode 117, a p-type carrier conduction path 118, and an n-type. It has an electrode 119 and an n-type carrier conduction path 120.
共振器116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が形成されている。p型電極117およびp型キャリア伝導路118を介して共振器116に正孔が供給され、n型電極119およびn型キャリア伝導路120を介して共振器116に電子が供給される。供給された正孔と電子は共振器116の内部で結合して発光し、レーザ発振する。 In the resonator 116, an active portion that exhibits a light emitting action by carrier injection is formed. Holes are supplied to the resonator 116 via the p-type electrode 117 and the p-type carrier conduction path 118, and electrons are supplied to the resonator 116 via the n-type electrode 119 and the n-type carrier conduction path 120. The supplied holes and electrons are combined inside the resonator 116 to emit light, and laser oscillation occurs.
導波路領域103は、実施例1の図8(a)〜(c)で示した構造と同じ構造を有し、xy断面においてy軸に関して鏡映対称で、x軸に関して鏡映対称ではない構造を有する。また、導波路領域103は、共振器116の共振モードが有する周波数において導波モードを有している。導波路領域103を共振器116に対して適切な位置に配置することにより、共振器116の共振モードで存在する光を、導波路が有する導波モードで伝播する光に効率良く変換することができる。 The waveguide region 103 has the same structure as the structure shown in FIGS. 8A to 8C of the first embodiment, and is a structure that is mirror symmetric with respect to the y axis and is not mirror symmetric with respect to the x axis in the xy section. Have The waveguide region 103 has a waveguide mode at a frequency that the resonance mode of the resonator 116 has. By arranging the waveguide region 103 at an appropriate position with respect to the resonator 116, light existing in the resonance mode of the resonator 116 can be efficiently converted into light propagating in the waveguide mode of the waveguide. it can.
導波路領域103とモード変換領域113は、界面105で接続されている。モード変換領域113は、実施例2の図18(a)〜(c)で示した構造と同じ構造を有し、xy断面においてx軸とy軸の2軸に関して鏡映対称な構造を有する。 The waveguide region 103 and the mode conversion region 113 are connected by an interface 105. The mode conversion region 113 has the same structure as that shown in FIGS. 18A to 18C of the second embodiment, and has a mirror-symmetric structure with respect to the two axes of the x axis and the y axis in the xy section.
また、モード変換領域113の端部は、界面107にて外部領域106と接している。 In addition, the end of the mode conversion region 113 is in contact with the external region 106 at the interface 107.
実施例2と同様に、導波路領域103を伝搬する光の導波モードを「導波モード1」とし、外部領域106を伝搬する光の導波モードを「導波モード2」とする。モード変換領域113を伝搬する光の導波モードを「導波モード5」とする。 As in the second embodiment, the waveguide mode of light propagating through the waveguide region 103 is “guided mode 1”, and the waveguide mode of light propagating through the external region 106 is “guided mode 2”. A waveguide mode of light propagating through the mode conversion region 113 is referred to as “guided mode 5”.
導波路領域103とモード変換領域113の界面105において、界面105のxy断面を伝搬する導波モード4が存在する。しかし、本実施例においても、導波モード4のうち導波モード1と同周波数で同じ偏光成分を持つような導波モードが存在しないように導波路領域103とモード変換領域113を接続している。 At the interface 105 between the waveguide region 103 and the mode conversion region 113, the waveguide mode 4 that propagates along the xy section of the interface 105 exists. However, also in this embodiment, the waveguide region 103 and the mode conversion region 113 are connected so that there is no waveguide mode having the same polarization component at the same frequency as the waveguide mode 1 in the waveguide mode 4. Yes.
このようなフォトニック結晶発光素子において、共振器116で発生し、増幅された光は、導波路領域103が有する導波モードで伝播する光に変換され、導波路領域103を伝搬する。そして、界面105でモード変換領域113を伝搬する光に変換される。モード変換領域113を伝播した光は、界面107において外部領域106を伝搬する光に変換されて外部領域106に射出される。 In such a photonic crystal light emitting device, light generated and amplified by the resonator 116 is converted into light propagating in the waveguide mode of the waveguide region 103 and propagates through the waveguide region 103. Then, the light is converted into light propagating through the mode conversion region 113 at the interface 105. The light propagating through the mode conversion region 113 is converted into light propagating through the external region 106 at the interface 107 and emitted to the external region 106.
先の実施例でも説明したように、本実施例では、xy断面においてx軸とy軸の2軸に関して鏡映対称な構造のモード変換領域113を用いることで、外部領域106へ高い対称性を有する導波モードパターンの光を射出することができる。そして、高い対称性を有する導波モードパターンを持つ光を外部領域106に射出することができることで、高性能なレーザーデバイスを実現することができる。 As described in the previous embodiment, in this embodiment, by using the mode conversion region 113 having a mirror-symmetric structure with respect to the two axes of the x-axis and the y-axis in the xy cross section, the outer region 106 is highly symmetrical. The light of the waveguide mode pattern which it has can be inject | emitted. In addition, since a light having a waveguide mode pattern having high symmetry can be emitted to the external region 106, a high-performance laser device can be realized.
以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。 Each embodiment described above is only a representative example, and various modifications and changes can be made to each embodiment in carrying out the present invention.
外部領域に高い効率で光を伝播させることができる3次元フォトニック結晶および発光素子を提供できる。 It is possible to provide a three-dimensional photonic crystal and a light emitting device that can propagate light to an external region with high efficiency.
100 フォトニック結晶単位構造
101 (第1の)フォトニック結晶基本構造
102 (第2の)フォトニック結晶基本構造
102’ (第3の)フォトニック結晶基本構造
103 導波路領域
104 モード変換領域
106 外部領域
100 photonic crystal unit structure 101 (first) photonic crystal basic structure 102 (second) photonic crystal basic structure 102 '(third) photonic crystal basic structure 103 waveguide region 104 mode conversion region 106 external region
Claims (9)
前記導波路領域は、第1のフォトニック結晶基本構造と、該第1のフォトニック結晶基本構造の内部に設けられた第1の欠陥部とを有し、
前記モード変換領域は、第2のフォトニック結晶基本構造と、第3のフォトニック結晶基本構造と、第2の欠陥部とを有し、
前記導波路領域と前記モード変換領域は、第1の界面において互いのモードで伝搬する光が結合するように接続され、
前記第1のフォトニック結晶基本構造、前記第2のフォトニック結晶基本構造および前記第3のフォトニック結晶基本構造はそれぞれ、複数のフォトニック結晶単位構造が配列されて構成され、
該フォトニック結晶単位構造は、互いに直交する3つの軸を第1の軸、第2の軸および第3の軸としたときの前記第2および第3の軸に平行な断面において、前記第2の軸に平行な直線に関しては鏡映対称ではなく、前記第3の軸に平行な直線に関して鏡映対称な構造を有しており、
光が前記導波路領域および前記モード変換領域を伝搬する方向を第1の方向とし、該第1の方向に直交し、かつ互いに直交する2つの方向を第2の方向および第3の方向とするとき、
前記第1および第2のフォトニック結晶基本構造は、前記第1の方向、前記第2の方向および前記第3の方向がそれぞれ前記フォトニック結晶単位構造の前記第1の軸、前記第2の軸および前記第3の軸が延びる方向と一致するように前記フォトニック結晶単位構造が配列されることで構成され、
前記第2および第3の方向に平行な第1の断面において、前記第2のフォトニック結晶基本構造は、前記第2の方向に延びて前記第2の欠陥部の中心を通る中心軸よりも前記第3の方向における片側に配置され、
前記第1の断面において、前記第3のフォトニック結晶基本構造は、前記中心軸に関して前記第2のフォトニック結晶基本構造と鏡映対称な構造を有するように前記フォトニック結晶単位構造が配列されることで構成され、
前記第2のフォトニック結晶基本構造と前記第3のフォトニック結晶基本構造は、前記第1および第2の方向に平行で前記第2の欠陥部の中心を通る接続面で接続され、
前記モード変換領域は、前記第1の断面において、前記第2の欠陥部の中心を通り前記第2の方向および前記第3の方向にそれぞれ延びる直線に関して鏡映対称の構造を有することを特徴とする3次元フォトニック結晶。 A three-dimensional photonic crystal having a waveguide region and a mode conversion region,
The waveguide region has a first photonic crystal basic structure and a first defect provided inside the first photonic crystal basic structure;
The mode conversion region has a second photonic crystal basic structure, a third photonic crystal basic structure, and a second defect portion,
The waveguide region and the mode conversion region are connected so that light propagating in each other mode is coupled at the first interface;
Each of the first photonic crystal basic structure, the second photonic crystal basic structure, and the third photonic crystal basic structure is configured by arranging a plurality of photonic crystal unit structures,
The photonic crystal unit structure has the second axis in a cross section parallel to the second and third axes when three axes orthogonal to each other are defined as a first axis, a second axis, and a third axis. A straight line parallel to the axis is not mirror symmetric but has a mirror symmetric structure with respect to the straight line parallel to the third axis,
The direction in which light propagates through the waveguide region and the mode conversion region is defined as a first direction, and two directions orthogonal to the first direction and orthogonal to each other are defined as a second direction and a third direction. When
In the first and second photonic crystal basic structures, the first direction, the second direction, and the third direction are the first axis of the photonic crystal unit structure, the second direction, respectively. The photonic crystal unit structure is arranged so as to coincide with the direction in which the axis and the third axis extend,
In the first cross section parallel to the second and third directions, the second photonic crystal basic structure extends from the central axis extending in the second direction and passing through the center of the second defect portion. Arranged on one side in the third direction,
In the first cross section, the photonic crystal unit structure is arranged so that the third photonic crystal basic structure has a mirror-symmetrical structure with the second photonic crystal basic structure with respect to the central axis. Composed of
The second photonic crystal basic structure and the third photonic crystal basic structure are connected by a connection surface that is parallel to the first and second directions and passes through the center of the second defect portion,
The mode conversion region has a mirror-symmetric structure with respect to straight lines extending in the second direction and the third direction through the center of the second defect portion in the first cross section, respectively. 3D photonic crystal.
それぞれ複数の第1の柱状構造が互いに間隔をあけて、該第1の柱状構造が延びる方向に直交する方向に周期的に配置された第1の層および第3の層と、
それぞれ前記第1の柱状構造が延びる方向に直交する方向に延びる複数の第2の柱状構造が互いに間隔をあけて、該第2の柱状構造が延びる方向に直交する方向に周期的に配置された第2の層および第4の層とを有し、
前記第1の層に含まれる前記第1の柱状構造と前記第3の層に含まれる前記第1の柱状構造とが、前記第1の柱状構造が延びる方向に直交する方向において互いに半周期ずれて配置され、かつ前記第2の層に含まれる前記第2の柱状構造と前記第4の層に含まれる前記第2の柱状構造とが前記第2の柱状構造が延びる方向に直交する方向において互いに半周期ずれて配置され、
前記第1の層から前記第4の層がこの順で積層されて構成されており、
前記第1および第2の柱状構造は第1の媒質で形成され、それら以外の領域は、前記第1の媒質とは異なる第2の媒質で形成されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の3次元フォトニック結晶。 The photonic crystal unit structure is
A plurality of first columnar structures spaced apart from each other, and a first layer and a third layer periodically arranged in a direction orthogonal to the direction in which the first columnar structures extend;
A plurality of second columnar structures each extending in a direction perpendicular to the direction in which the first columnar structures extend are periodically arranged in a direction perpendicular to the direction in which the second columnar structures extend. Having a second layer and a fourth layer;
The first columnar structure included in the first layer and the first columnar structure included in the third layer are shifted from each other by a half cycle in a direction orthogonal to a direction in which the first columnar structure extends. The second columnar structure included in the second layer and the second columnar structure included in the fourth layer are orthogonal to the direction in which the second columnar structure extends. Placed half a cycle away from each other,
The first layer to the fourth layer are laminated in this order,
The first and second columnar structures are formed of a first medium, and the other regions are formed of a second medium different from the first medium. 3. A three-dimensional photonic crystal according to 2.
前記第1の柱状構造、前記第2の柱状構造および前記離散構造は第1の媒質で形成され、それら以外の領域は、前記第1の媒質とは異なる第2の媒質で形成されていることを特徴とする請求項3に記載の3次元フォトニック結晶。 Discretely arranged between the first layer and the fourth layer at a three-dimensional intersection of the first columnar structure and the second columnar structure in a plane parallel to the layers. An additional layer including at least one layer including a discrete structure is disposed;
The first columnar structure, the second columnar structure, and the discrete structure are formed of a first medium, and the other regions are formed of a second medium different from the first medium. The three-dimensional photonic crystal according to claim 3.
前記フォトニック結晶基本構造の内部に点状欠陥部を設けることで形成された共振器を有し、
該共振器と前記導波路領域は、該共振器が有するモードで存在する光のうち少なくとも一部が、該導波路領域が有する導波モードで伝播する光と結合するように配置されており、
前記共振器の内部には利得媒質が配置され、該利得媒質を励起することによって発生した光が該共振器で増幅されて、前記導波路領域および前記モード変換領域を伝播して該3次元フォトニック結晶の外部領域に射出されることを特徴とする発光素子。 A light-emitting element using the three-dimensional photonic crystal according to any one of claims 1 to 7,
Having a resonator formed by providing a point defect inside the photonic crystal basic structure;
The resonator and the waveguide region are arranged so that at least a part of the light existing in the mode of the resonator is coupled with the light propagating in the waveguide mode of the waveguide region,
A gain medium is disposed inside the resonator, and light generated by exciting the gain medium is amplified by the resonator and propagates through the waveguide region and the mode conversion region to thereby generate the three-dimensional photo. light - emitting element characterized in that it is emitted to the outside region of the photonic crystal.
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