JP2004006567A - Point defect 3-dimensional photonic crystal optical resonator - Google Patents

Point defect 3-dimensional photonic crystal optical resonator Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a point defect 3-dimensional photonic crystal which can control the resonant wavelength. <P>SOLUTION: A point defect 12 is formed by introducing a point defect material into a 3-dimensional photonic crystal. Accordingly, a point detect level is formed within a photonic band gap and only the light of the wavelength corresponding to the energy of the point defect level can exist within the point defect 12. In result, an optical resonator can play the role in the relevant wavelength. The loss of the optical energy from the point defect 12 is rather small and the efficiency of the resonator is high because of the 3-dimensional crystal. The resonant wavelength can be controlled by adequately setting the size, shape and location as the parameters of a defect member. Moreover, the light of a plurality of wavelengths may be resonated with only one 3-dimensional photonic crystal by introducing a plurality of point defects in which parameters of the defect member are different. These elements can contribute to reduction in size of a device for the wavelength multiplex communication or the like. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光波長分割多重通信の光源等に応用可能な光共振器に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、新しい光デバイスとして、フォトニック結晶が注目されている。フォトニック結晶とは周期屈折率分布をもった光学機能材料であり、光子のエネルギーに対してバンド構造を形成する。特に、光の伝播が不可能となるエネルギー領域(フォトニックバンドギャップ)が形成されることが特徴である。
【0003】
フォトニック結晶の適用が期待される分野の一例として、光通信の分野を取り上げる。光通信において、従来の光時分割多重方式(Optical Time Division Multiplexing : OTDM)に代わって、波長分割多重方式(Wavelength Division Multiplexing : WDM)が用いられている。このWDMは、一本の伝送路において複数の波長の光を伝播させ、それぞれに別個の信号を乗せる通信方式である。これによって、単位時間に送信できる情報量が飛躍的に向上する。
【0004】
この波長分割多重通信においては、複数の波長毎にそれぞれ光源が必要となる。現在のところ光源としては、発振波長の異なる半導体レーザを1波長毎に用いるものや、白色光源を光分波器と組み合わせるもの等が用いられている。しかし、これらの方法ではいずれも装置の大型化が避けられず、かつ非効率である。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
フォトニック結晶を光共振器として用いることができることは既に知られている。光共振器は光を閉じこめることができるため、適切な光の取り出し手段を設けることにより、光共振器は光源として使用可能である。そこで、フォトニック結晶を光源として用いることにより、波長分割多重通信装置の大幅な小型化を図ることができる。
【0006】
光共振器としてのフォトニック結晶は、これまでにも2次元フォトニック結晶において検討されている(例えば、特開2001−272555号公報に記載)。この文献においては、フォトニック結晶の周期を乱す点欠陥を導入することにより、光共振器のみならず波長分合波デバイスとして用いることも検討されている。
【0007】
2次元フォトニック結晶は製造が比較的容易であるという利点があるが、光共振器としての効率を考慮すれば、光を共振器内に閉じこめる効果の高い3次元系がより望ましい。
【0008】
3次元フォトニック結晶に関しては、これまで導波路を導入したもの(例えば、特開2001−74955号公報)や、点欠陥を導入したもの(岡野誠他,「3次元フォトニック結晶における微小光共振器の解析」,応用物理学会2000年秋季講演概要集、同,「3次元フォトニック結晶における単一欠陥微小光共振器の解析(II)」,応用物理学会2001年春季講演概要集)が報告されている。しかし、欠陥の構造と共振器の特性との間の関係については、これまで具体的な報告はなされていない。
【0009】
工業的には、光共振器を例えば波長多重光通信の光源として用いる場合、その放出波長を任意の目的の値に設定することができなければ、実用とはならない。
【0010】
本発明はこのような課題を解決するために成されたものであり、その目的とするところは、点欠陥3次元フォトニック結晶を用いた光共振器の共振波長の具体的な制御方法を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために成された本発明に係る点欠陥3次元フォトニック結晶光共振器の第1の態様のものは、
a)複数のロッドを平行且つ所定の面内周期で周期的に配置したストライプ層が複数、平行に積層されて成り、各ストライプ層に属する各ロッドが最隣接のストライプ層に属する各ロッドと直交し、各ストライプ層に属する各ロッドが2層離れたストライプ層に属する各ロッドと平行且つ上記面内周期の1/2だけずれている3次元フォトニック結晶から成る本体と、
b)上記ロッドのうちの1本に設けられた、ロッド幅方向の大きさΔxとロッド長手方向の大きさΔyの比Δx/Δyが1より大きい点欠陥と、
を備えることを特徴とする。
【0012】
また、本発明に係る点欠陥3次元フォトニック結晶光共振器の第2の態様のものは、
a)複数のロッドを平行且つ所定の面内周期で周期的に配置したストライプ層が複数、平行に積層されて成り、各ストライプ層に属する各ロッドが最隣接のストライプ層に属する各ロッドと直交し、各ストライプ層に属する各ロッドが2層離れたストライプ層に属する各ロッドと平行且つ上記面内周期の1/2だけずれている3次元フォトニック結晶から成る本体と、
b)上記ロッドのうちの1本に設けられた点欠陥であって、該点欠陥の中心が、該点欠陥に隣接するストライプ層に属する直近のロッドの中心軸から該点欠陥が属するロッドの長手方向に変位して配置されている点欠陥と、
を備えることを特徴とする。
【0013】
【発明の実施の形態】
まず、本発明の光共振器の母体となる3次元フォトニック結晶について説明する。3次元フォトニック結晶は、ロッドの集合で構成される。このようなロッドを所定の周期(面内周期)aで平行に配列することによって1枚の層が構成される。これをストライプ層と呼ぶ。ストライプ層を積層することによって3次元結晶を構成するが、フォトニックバンドギャップを形成するためには、各ストライプ層に属する各ロッドと他のストライプ層に属するロッドとの間の位置関係が重要である。本発明で用いる3次元フォトニック結晶においては、各ストライプ層に属する各ロッドが最隣接のストライプ層に属する各ロッドと直交するように配置される。また、各ストライプ層に属する各ロッドが、上記最隣接のストライプ層の次に近いストライプ層(すなわち、2層離れたストライプ層)に属する各ロッドと平行、且つロッドの幅方向に長さa/2だけずれて配置されることによって周期的な屈折率分布を形成する。このような周期的な屈折率分布により、3次元フォトニック結晶内に、光が存在し得ないエネルギーの範囲(フォトニックバンドギャップ)が形成される。
【0014】
このような周期性を有する3次元フォトニック結晶内の1本のロッドに、点欠陥を導入する。こうして導入された点欠陥により3次元フォトニック結晶内における周期的な屈折率分布に乱れが生じ、フォトニックバンドギャップ内に、光が存在し得るエネルギー準位(欠陥準位)が形成される。すなわち、このような点欠陥を有する3次元フォトニック結晶は、光共振器となる。この点欠陥部に発光体を導入すれば、この光共振器は光源となる。
【0015】
点欠陥を導入する方法には、種々の方法がある。例えば、ロッドの一部を欠損させ、そこに形状や屈折率等の異なる物体を配置する方法や、ロッドを欠損させることなくロッドに部材を取り付ける方法、或いは、ロッド自体の形状を変化させる(太くする/細くする)等の方法が取り得る。これらを総称して欠陥部材と呼ぶ。なお、点欠陥を光源として使用することを考えた場合、欠陥部に発光体を導入する必要があるが、発光体自体を欠陥部材としてもよい。
【0016】
このように点欠陥を導入した3次元フォトニック結晶を光共振器として用いる際、欠陥準位のエネルギー値、欠陥準位間の間隔、光閉じこめ効果の3つの特性が重要である。これらについて必要な特性を得るためには、点欠陥の大きさ、形状及び変位などの、点欠陥に関するパラメータを適切に選択する必要がある。
【0017】
点欠陥に関する上記パラメータのうち、欠陥部材の大きさにより、欠陥準位のエネルギー値を高い自由度で設定することができる。ただし、欠陥部材の大きさを制御するだけでは、共振周波数の間隔が小さくなる場合がある。すなわち、共振器として使用する準位(以下、使用準位とする)が隣接する準位と近接し、使用準位が隣接準位の影響を受ける場合が生じる。そこで、本発明では、欠陥部材の形状や変位を以下に示す方法で調整することによって、隣接準位の影響を回避することができることを明らかにした。
【0018】
まず、欠陥部材の形状について述べる。ロッド及び欠陥部材を作製する際にリソグラフィー法を用いることを考慮すると、欠陥部材は(積層方向に)ロッドと同じ高さとし、点欠陥箇所において平面形状がロッド部分とは異なる形状(長方形、楕円形等)とすることが望ましい。
【0019】
次に、このような欠陥部材の平面形状における幅Δxと長さΔyの関係を考えると、(i)ΔxとΔyが等しい場合(Δx/Δy=1)、(ii)ΔxがΔyよりも大きい場合(Δx/Δy>1)、(iii)ΔxがΔyよりも小さい場合(Δx/Δy<1)、の3つの場合がある。電磁界分布には方向依存性があるため、点欠陥による欠陥準位のエネルギー値は欠陥部材のΔx/Δyに依存する。そこで使用準位と隣接準位との間のエネルギー差ΔEを調べたところ、欠陥部材の形状がΔx/Δy>1である場合にエネルギー差ΔEが最も大きくなることがわかった。そこで、使用準位に対する隣接準位の影響を回避するために、欠陥部材はその幅Δxが長さΔyよりも大きい形状異方性を持つようにする。また、Δx/Δyの値は1.5以上が好ましく、さらには2以上とすることが特に好ましい。
【0020】
次に、点欠陥の変位について述べる。点欠陥の変位は、その点欠陥と、それが属するストライプ層に隣接する上下のストライプ層(以下、隣接層と呼ぶ)のロッドとの位置関係を表す。
【0021】
電磁界分布の影響を考慮すると容易に理解できるように、欠陥準位のエネルギー値は変位にも依存する。変位が大きいほど、欠陥準位と隣接準位との間隔が大きい。変位を0.1a以上とすることにより、そのエネルギー差は実際上十分なものとなる。なお、上下2つの隣接層のロッドは相互に長さa/2だけずれているため、一方の隣接層に対する変位が0.25aを越えた場合は、他方の隣接層に対する変位が0.25a以下になる。すなわち、上記変位の最大値は0.25aとなり、そのときに欠陥準位と隣接準位との間隔が最大となる。
【0022】
点欠陥のパラメータとしては、結晶全体の中の位置ではなく、上記「変位」が意味を持つ。なぜならば、結晶内の異なる位置においても、同じ変位を与えれば同じ欠陥準位が得られるからである。
【0023】
上記変位の利点は、点欠陥(欠陥部材)の形状とは独立に得られる。
【0024】
ここまで述べたように、点欠陥(欠陥部材)の大きさ・形状・変位を適切に設定することによって欠陥準位のエネルギー値を高い自由度で設定することができる。3次元フォトニック結晶内の異なる位置に異なる大きさ及び/又は形状及び/又は変位を持つ複数の点欠陥(欠陥部材)を導入すれば、それぞれ異なる欠陥準位のエネルギー値を持つ複数の点欠陥を有する光共振器を作製することができる。
【0025】
次に、光共振器におけるQ値について述べる。Q値は、光共振器に蓄積される光のエネルギーを、単位時間に共振器から失われる光のエネルギーで除し、共振角周波数を乗じたものである。この値がおおむね1000を越えると、室温においてレーザ発振を得ることができるとされている。
【0026】
光共振器のQ値を向上させるためには、光共振器からの光のエネルギーの損失を抑制することが必要である。そのためには、3次元の全ての方向について結晶の大きさを十分大きく取ればよい。ただし、以下の点に留意する必要がある。
【0027】
本発明の3次元フォトニック結晶は、ストライプ層を1層ずつ作成し、それらを積み重ねることによって製造されるので、ストライプ層の面内方向に結晶を大きくすることは比較的容易であるのに対して、積層方向に結晶を大きくすることは、積み重ねる工程が増加することによって製造コストを上昇させる。この点からストライプ層の数を増やしすぎることも好ましくない。
【0028】
本発明において、光共振器からの光のエネルギーの損失を抑制するためには、このストライプ層の数が、点欠陥の属するストライプ層の上下共に4層以上あることが望ましい。さらに、このストライプ層の数が、点欠陥の属するストライプ層の上下共に6層以上あれば、Q値は1000近くに達することが明らかになった。この結果と製造コストとを勘案して、適切な積層数を決定すればよい。
【0029】
使用可能な光の波長の範囲を広くするためには、フォトニックバンドギャップ幅が大きいことが望ましい。ここまでは主に点欠陥に関するパラメータについて検討してきたが、以下ではフォトニックバンドギャップの大きさを制御するために、母体となる3次元フォトニック結晶のパラメータについて検討する。検討すべきパラメータには、面内外周期比と面内のロッド充填率がある。面内外周期比とは、ストライプ層内の面内周期aに対する積層方向の1周期(1周期はストライプ層の4層分)の大きさ(面外周期)zの比z/aである。また、ロッドの充填率は、ロッドの幅wを面内周期aで除した値w/aである。
【0030】
各種面内外周期比z/aの値に対して充填率w/aを種々変化させると、面内外周期比z/aがいずれの値の場合も、充填率w/aが0.275〜0.30の範囲においてフォトニックバンドギャップ幅が最大となる。また、充填率w/aが0.20〜0.40の範囲を外れると、その範囲から離れるにつれてフォトニックバンドギャップ幅は急激に減少する。
【0031】
一方、各種充填率w/aの値に対して面内外周期比z/aの値を種々変化させると、充填率w/aが0.20〜0.30の場合は面内外周期比z/a=1.2の時、充填率w/aが0.30〜0.40の場合は面内外周期比z/a=1.3の時に、フォトニックバンドギャップ幅が最大となる。
【0032】
面内外周期比z/aの値を大きくするとQ値が向上する。特に、これまでの3次元フォトニック結晶ではあまり検討されていなかった、z/aが20.5よりも大きい場合に高いQ値が得られる。
【0033】
【発明の効果】
3次元フォトニック結晶に点欠陥を導入し、そこに配置する点欠陥(欠陥部材)の大きさ・形状・変位、及び3次元フォトニック結晶の面内外周期比z/a・充填率w/aなどのパラメータを変化させることにより、共振周波数を任意に設定することが可能となり、また、その周波数の単一性を高めることができるようになる。特に、それらのパラメータの適切な設定により、レーザ発振も可能となる。このため、例えば本発明に係る光共振器を光源として用いた場合、所望の発光波長を有し、且つ、波長単一性の高いものとなり、波長多重光通信用光源として最適なものとなる。もちろん、その他にも各種光学装置の光源として用いることが可能である。
【0034】
【実施例】
まず、母体となる3次元フォトニック結晶の構成例を図1に示す。図に棒状に示したものがロッド11である。図の右端に記した矢印の1つがストライプ層1層分に対応する。図中のaが、ストライプ層内でのロッド配列の1周期分の長さ(面内周期)である。zは、ストライプ層4層で構成される積層方向の1周期の長さ(面外周期)である。wはロッドの幅、hはロッドの高さをそれぞれ表す。ロッドの材質としては、例えば光通信でよく用いられる赤外線に対して透明な物質であり、発光体の導入が可能な誘電体であるIII−V族半導体(例えば、GaAs、InP等)を使用することができる。
【0035】
図1のような結晶がフォトニックバンドギャップを持つことを確認するために、平面波展開法を用いてエネルギーバンドを計算した結果を図2に示す。ここで、面内外周期比z/a=1.2、充填率w/a=0.25、ロッドの屈折率を3.309とした。図2の左側の縦軸は光の周波数にa/c(cは光速)を乗じて無次元とした規格化周波数を表し、右側の縦軸はフォトニックバンドギャップの中心エネルギーを0.8eV(光多重通信において一般的に用いられる波長1.55μmの光のエネルギー)とした場合の光子エネルギーを表す。図2の横軸は波数空間における方向を表す。この図から、規格化周波数が0.38〜0.45の範囲で、波数空間の全方向に対してエネルギーギャップが開いていることが分かる。これがフォトニックバンドギャップである。
【0036】
次に、図3(1)に示すように、上記母体の結晶に点欠陥12を導入する。点欠陥は、ロッドの一部に欠陥部材を配置することにより形成する。本実施例においては欠陥部材は、ロッドと同じ高さを有する直方体であり、その材質はロッドと同じである、とした。なお、材質(屈折率)をロッドとは異なるとした場合も、以下に示す結果は同様となる。以下に、この欠陥部材の各種パラメータが点欠陥のエネルギー準位等の各種特性に及ぼす影響を検討する。欠陥部材の平面形状は、図3(2)に示す幅Δxと長さΔyが等しいものと、図3(3)に示すΔx>Δyのものを検討した。なお、Δx<Δyの場合は、検討の結果、Δx=Δyの場合よりも欠陥準位間の間隔を狭める傾向にあることが明らかとなったので、以下では説明を省略する。以後、Δx=Δyの点欠陥を「正方形欠陥」、Δx>Δyの点欠陥を「長方形欠陥」と呼ぶ。
【0037】
次に、欠陥部材の変位について検討する。図4に示すように、欠陥部材の中心と、直上のストライプ層にある最隣接のロッドの中心とのy方向のずれを検討した。図4(1)はy方向のずれがない場合、図4(2)及び(3)はy方向にずらした場合である。なお、x方向のずれも検討したが、こちらの方は、ずれを大きくすることにより欠陥準位間の間隔を狭める傾向にあることが分かった。従って、以下ではy方向のずれについてのみ検討する。
【0038】
以下に、上記欠陥部材の大きさ・形状・変位が点欠陥の欠陥準位に及ぼす影響について計算した結果を示す。まず、形状を正方形に固定し、変位を0.0a、0.125a、0.25aの3通りに変化させた場合の計算結果を図5に示す。この計算では、上記平面波展開法よりも精度の良い時間領域差分法を用いた。図5の横軸は欠陥部材の大きさを表す。図の背景の白い領域が、フォトニックバンドギャップをもつ領域である。変位が0.0aの場合は低エネルギー(低周波数)側の2つの欠陥準位が大きさΔx=0.6付近で交差している。この交差付近の欠陥準位を用いることは、波長の単一性が損なわれるため、好ましくない。変位が0.125a、0.25aの場合はそのような交差は見られない。
【0039】
図6に、最も周波数が低い欠陥準位とその他の準位との間隔の最小値Δνminを示す。「その他の準位」は、各変位にそれぞれ付した×印及び+印を境に、×印よりも左側では高周波側のバンド端、×印と+印の間では隣接準位、+印よりも右側では低周波側のバンド端である。破線は、欠陥準位とそれに近接する側のバンド端との間隔を表す。なお、計算した範囲内では、変位が0.0aの時は「その他の準位」は全て隣接準位であり、変位が0.125aの時は「その他の準位」が高周波側のバンド端にはならない。
【0040】
図6では、変位が0.25aの時にΔνminが最も大きいことが示されている。ここで、点欠陥にInGaAsP系の材料から成る発光体を導入することを考慮した場合、その多重量子井戸の常温における半値全幅として実験的に60meV(a=0.653μmの場合、0.0315c/a)という値が観測されており、この値から判断すると、Δνminはこの半分の30meV以上であることが望まれる。変位が0.25aの時、この条件は満たされており、単一モードの強い発光が得られる。
【0041】
次に、Δx/Δyが1.5、2.0、2.5である長方形欠陥について平面波展開法を用いて計算を行った結果を図7〜図9に示す。いずれも、最も周波数が低い欠陥準位と隣接する欠陥準位の差が正方形欠陥の場合よりも大きくなることが分かる。Δx/Δyが大きくなるにつれて、その差は大きくなる。正方形欠陥の時に欠陥準位の交差が見られた、変位が0.0aの時も、Δx/Δyの増加とともに隣接する欠陥準位との差が大きくなり、Δx/Δy=2.5の時には交差は見られなくなった。
【0042】
図10に、Δx/Δy=2.0における上記計算を、時間領域差分法を用いて計算した結果を示す。長方形欠陥と正方形欠陥の違いを比較するために、この図と図5を比べると、図5から隣接準位を除去したものと非常によく似ていることが分かる。これは、Δx/Δyの値を1よりも大きくすると、隣接準位は抑制されて高周波側へシフトするのに対して、使用準位及び次隣接準位にはそのようなシフトが生じないことによる。この隣接準位と使用準位との違いは、隣接準位においては電磁界分布がy方向に広がるのに対して使用準位においては電磁界分布が点欠陥の中心部に強く局在することによる。
【0043】
図11に、図10から計算したΔx/Δy=2.0におけるΔνminを示す。図中の×印及び+印の記号及び破線の意味は図6と同様である。変位がいずれの場合においても、正方形欠陥の場合よりもΔνminが増大していることが分かる。
【0044】
図12に、正方形欠陥と長方形欠陥(Δx/Δy=2.0)のそれぞれについて、変位が0.25aである場合のQ値の計算結果を示す。それぞれのΔxは、欠陥準位がフォトニックバンドギャップの中心付近にある場合の、Δx=0.65a(正方形欠陥)及びΔx=0.80a(長方形欠陥)とした。図12の横軸は、ストライプ層の積層総数を表す。点欠陥の属する層の上下にそれぞれストライプ層がn層ずつ存在する場合、上記横軸の値は2n+1となる。この図より、正方形欠陥及び長方形欠陥のいずれの場合においても、n=6の時、Q値は室温においてレーザ発振を得ることができる値である1000に達する。
【0045】
図13に、正方形欠陥と長方形欠陥(Δx/Δy=2.0)のそれぞれに対して、n=4及びn=8の場合について、Q値のΔx依存性を計算した結果を示す。この図より、n=8の場合、Δxがいずれの値の時も高いQ値が得られていることがわかる。従って、フォトニックバンドギャップ内の広い波長範囲に渡り、Q値の高い欠陥準位を形成することができ、設計に際して高い自由度が得られる。
【0046】
図14に、n=8の場合に長方形欠陥(Δx/Δy=2.0)におけるQ値の変位依存性を示す。いずれの変位においても高いQ値が維持される。
【0047】
ここまでの計算結果から、点欠陥に配置する欠陥部材のパラメータを適切に設定することにより、欠陥準位の間隔を広く取ることができ、かつ広い周波数領域において高いQ値が得られることが分かった。このことから、1つの3次元フォトニック結晶内に異なる形状、大きさ及び/又は変位を持つ欠陥部材を複数導入すれば、異なる複数の共振周波数を持つ複数の点欠陥共振器が、互いの周波数領域が重複せず、かついずれも高いQ値で得られる。このように、1つの3次元フォトニック結晶のみで複数の光共振器を実現することができるので、本発明に係る共振器は波長多重光通信等の装置の小型化に寄与する。
【0048】
ここでは、図15に示すように、同じ形状及び大きさで変位の異なる複数の欠陥部材を設けた3次元フォトニック結晶について検討する。このような構成は、欠陥部材が1種類のみであるので、量産の際に好都合である。この図では各欠陥の変位が一定間隔Δdずつ異なる例を挙げたが、もちろん、目的の波長に応じた変位のみを導入するようにしてもよい。図16に、Δx=0.8、Δx/Δy=2.0の場合について、それぞれ変位の異なる複数の点欠陥を導入したときの、各点欠陥の規格化周波数の例を示す。規格化周波数を光多重通信等で用いられる1.55μm帯(Cバンド)に当てはめると、波長を1.525μm〜1.565μm、帯域幅0.04μmに渡って制御することができることが分かる。現在、実際に光多重通信で用いられる波長帯域は1.530μm〜1.565μmであるため、本発明に係る光共振器は点欠陥の変位の調整のみでそれに対応することができる。
【0049】
図15のように同じ形状・同じ大きさで変位のみ異なるN個の点欠陥を導入する場合、それらの変位を0.0a〜0.25aの範囲内で等間隔となるように設定すれば、全波長帯域の中で各波長が等間隔となる複数の波長の光を得ることができる。このような構成にすることにより、上記のように、光多重通信において与えられた波長帯域内の複数の波長の光を1個の光源で生成することができ、しかも各波長が等間隔となることで波長帯域を有効に用いることができる。
【0050】
実用上は、前記変位をさらに0.0a〜0.5aの範囲内で等間隔となるように設定するのが便利である。こうすることにより、図17のA及びBの範囲で示すように、その範囲がどの位置にあろうとも(すなわち、全体としてy方向にΔLだけシフトしたとしても)、常に全波長帯域をカバーすることができるようになる。作製上の位置ずれを考慮した場合、この構造は非常に有益である。
【0051】
点欠陥の変位以外に、その大きさも適切に設定することにより、さらに広い帯域幅で異なる複数の共振周波数を持つ点欠陥光共振器を導入することができる。ただし、フォトニックバンドギャップよりも広い帯域幅を作り出すことはできない。ここで、フォトニックバンドギャップの大きさを制御するには、母体結晶におけるパラメータの調節が必要である。
【0052】
そこで、フォトニックバンドギャップの大きさを制御するための、母体の3次元フォトニック結晶の構造パラメータについて検討する。対象としたパラメータは、ストライプ層の積層周期に関する面内外周期比z/aと、ストライプ層内のロッド充填率w/aである。
【0053】
図18に、フォトニックバンドギャップ幅の、面内外周期比z/a及び充填率w/a依存性を示す。ここで、縦軸はフォトニックバンドギャップ幅をその中心周波数で除したものを百分率で示した。充填率w/aに着目すると、面内外周期比z/aがいずれの値の場合も、充填率w/aが0.2〜0.4の範囲から外れれば、その範囲から離れるにつれてフォトニックバンドギャップ幅は急激に減少する。この結果より、充填率w/aは0.2〜0.4とすることが好ましいことがわかる。
【0054】
面内外周期比z/aの各値においてフォトニックバンドギャップ幅が最大になるときの充填率w/aを用いて、フォトニックバンドギャップ幅の面内外周期比z/a依存性を図19に示す。ここで用いた充填率w/aは、1.05<z/a<1.225及び1.70<z/aにおいて0.275、1.25<z/a<1.65において0.30である。図19より、最もフォトニックバンドギャップ幅が大きいのはz/a=1.225のときであることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の3次元フォトニック結晶光共振器の母体となる、3次元フォトニック結晶の構成例。
【図2】母体の3次元フォトニック結晶のフォトニックバンド構造を表すグラフ。
【図3】3次元フォトニック結晶中に導入した欠陥部材の形状例を表す図。
【図4】3次元フォトニック結晶中に導入した欠陥部材の変位例を表す図。
【図5】正方形欠陥の大きさと共振周波数との関係の、変位依存性を表したグラフ。
【図6】正方形欠陥におけるΔνminを表すグラフ。
【図7】Δx/Δyが1.5である長方形欠陥の場合の欠陥部材の大きさと共振周波数との関係の、変位依存性を表したグラフ。
【図8】Δx/Δyが2.0である長方形欠陥の場合の欠陥部材の大きさと共振周波数との関係の、変位依存性を表したグラフ。
【図9】Δx/Δyが2.5である長方形欠陥の場合の欠陥部材の大きさと共振周波数との関係の、変位依存性を表したグラフ。
【図10】Δx/Δyが2.0である長方形欠陥の場合の欠陥部材の大きさと共振周波数との関係の変位依存性を時間領域差分法で計算した結果を表すグラフ。
【図11】長方形欠陥におけるΔνminを表すグラフ。
【図12】正方形欠陥と長方形欠陥(Δx/Δy=2.0)のそれぞれについて、変位が0.25aである場合のQ値の計算結果を表すグラフ。
【図13】正方形欠陥と長方形欠陥(Δx/Δy=2.0)のそれぞれについて、Q値のΔx依存性を表すグラフ。
【図14】長方形欠陥(Δx/Δy=2.0)におけるQ値の変位依存性を表すグラフ。
【図15】異なる変位で配置された複数の点欠陥を有する共振器の構成図。
【図16】変位の異なる複数の点欠陥を配置したときの、各点欠陥の規格化周波数を表す表。
【図17】変位の異なる複数の点欠陥を配置したときの、各点欠陥の共振波長を模式的に表す図。
【図18】フォトニックバンドギャップ幅の面内外周期比z/a及び充填率w/a依存性を表すグラフ。
【図19】フォトニックバンドギャップ幅の面内外周期比z/a依存性を表すグラフ。
【符号の説明】
11…ロッド
12…点欠陥
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical resonator that can be applied to a light source for optical wavelength division multiplexing communication and the like.
[0002]
[Prior art]
In recent years, photonic crystals have attracted attention as new optical devices. A photonic crystal is an optical functional material having a periodic refractive index distribution, and forms a band structure with respect to photon energy. In particular, it is characterized in that an energy region (photonic band gap) where light cannot be propagated is formed.
[0003]
As an example of a field where photonic crystals are expected to be applied, the field of optical communication is taken up. In optical communication, wavelength division multiplexing (Wavelength Division Multiplexing: WDM) is used instead of the conventional optical time division multiplexing (OTDM). This WDM is a communication system in which light of a plurality of wavelengths is propagated in one transmission line, and a separate signal is carried on each. As a result, the amount of information that can be transmitted per unit time is dramatically improved.
[0004]
In this wavelength division multiplex communication, a light source is required for each of a plurality of wavelengths. At present, as a light source, a light source using a semiconductor laser having a different oscillation wavelength for each wavelength, a light source combining a white light source with an optical demultiplexer, and the like are used. However, all of these methods cannot avoid the increase in size of the apparatus and are inefficient.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
It is already known that a photonic crystal can be used as an optical resonator. Since the optical resonator can confine light, the optical resonator can be used as a light source by providing appropriate light extraction means. Therefore, by using a photonic crystal as a light source, the size of the wavelength division multiplex communication device can be significantly reduced.
[0006]
A photonic crystal as an optical resonator has been studied in a two-dimensional photonic crystal (for example, described in JP-A-2001-272555). In this document, the use of not only an optical resonator but also a wavelength demultiplexing / multiplexing device by introducing a point defect that disturbs the period of the photonic crystal has been studied.
[0007]
Although a two-dimensional photonic crystal has an advantage of being relatively easy to manufacture, a three-dimensional system having a high effect of confining light within the resonator is more desirable in consideration of the efficiency as an optical resonator.
[0008]
Regarding the three-dimensional photonic crystal, a waveguide in which a waveguide has been introduced (for example, Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2001-79555) or a point in which a point defect is introduced (Makoto Okano et al. Analysis of the Apparatus ”, Abstracts of the 2000 Autumn Meeting of the Japan Society of Applied Physics, and“ Analysis of Single-Defect Micro Optical Resonators in Three-Dimensional Photonic Crystals (II) ”, Abstracts of the 2001 Spring Meeting of the Japan Society of Applied Physics) Have been. However, no specific report has been made on the relationship between the structure of the defect and the characteristics of the resonator.
[0009]
Industrially, when an optical resonator is used as a light source for wavelength division multiplexing optical communication, for example, it is not practical if the emission wavelength cannot be set to an arbitrary desired value.
[0010]
The present invention has been made to solve such a problem, and an object of the present invention is to provide a specific control method of a resonance wavelength of an optical resonator using a point defect three-dimensional photonic crystal. Is to do.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The first aspect of the point defect three-dimensional photonic crystal optical resonator according to the present invention, which has been made to solve the above problems, is as follows.
a) A plurality of stripe layers in which a plurality of rods are arranged in parallel and periodically at a predetermined in-plane period are stacked in parallel, and each rod belonging to each stripe layer is orthogonal to each rod belonging to the nearest stripe layer. A main body made of a three-dimensional photonic crystal in which each rod belonging to each stripe layer is parallel to each rod belonging to a stripe layer separated by two layers and is shifted by ず れ of the in-plane period;
b) a point defect provided on one of the rods and having a ratio Δx / Δy of a size Δx in the rod width direction and a size Δy in the rod longitudinal direction larger than 1;
It is characterized by having.
[0012]
In a second aspect of the point defect three-dimensional photonic crystal optical resonator according to the present invention,
a) A plurality of stripe layers in which a plurality of rods are arranged in parallel and periodically at a predetermined in-plane period are stacked in parallel, and each rod belonging to each stripe layer is orthogonal to each rod belonging to the nearest stripe layer. A main body made of a three-dimensional photonic crystal in which each rod belonging to each stripe layer is parallel to each rod belonging to a stripe layer separated by two layers and is shifted by ず れ of the in-plane period;
b) a point defect provided in one of the rods, wherein the center of the point defect is determined from the center axis of the nearest rod belonging to the stripe layer adjacent to the point defect; Point defects arranged displaced in the longitudinal direction;
It is characterized by having.
[0013]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
First, a three-dimensional photonic crystal serving as a base of the optical resonator of the present invention will be described. A three-dimensional photonic crystal is composed of a set of rods. By arranging such rods in parallel at a predetermined period (in-plane period) a, one layer is formed. This is called a stripe layer. A three-dimensional crystal is formed by laminating stripe layers. In order to form a photonic band gap, the positional relationship between rods belonging to each stripe layer and rods belonging to other stripe layers is important. is there. In the three-dimensional photonic crystal used in the present invention, each rod belonging to each stripe layer is arranged so as to be orthogonal to each rod belonging to the nearest stripe layer. Further, each rod belonging to each stripe layer is parallel to each rod belonging to a stripe layer next to the nearest adjacent stripe layer (that is, a stripe layer separated by two layers), and has a length a / a in the width direction of the rod. By being displaced by two, a periodic refractive index distribution is formed. Such a periodic refractive index distribution forms an energy range (photonic band gap) where light cannot exist in the three-dimensional photonic crystal.
[0014]
Point defects are introduced into one rod in a three-dimensional photonic crystal having such periodicity. The point defects introduced in this way cause disturbances in the periodic refractive index distribution in the three-dimensional photonic crystal, and energy levels (defect levels) where light can exist are formed in the photonic band gap. That is, the three-dimensional photonic crystal having such a point defect becomes an optical resonator. If a light emitter is introduced into this point defect, this optical resonator becomes a light source.
[0015]
There are various methods for introducing a point defect. For example, a method of removing a part of a rod and disposing an object having a different shape, a different refractive index, or the like, a method of attaching a member to the rod without causing the rod to be lost, or a method of changing the shape of the rod itself (thickness). Or thinning). These are collectively called defective members. When a point defect is used as a light source, it is necessary to introduce a luminous body into a defective portion, but the luminous body itself may be used as a defective member.
[0016]
When a three-dimensional photonic crystal having a point defect introduced therein is used as an optical resonator, three characteristics of an energy value of a defect level, an interval between defect levels, and an optical confinement effect are important. In order to obtain the necessary characteristics for these, it is necessary to appropriately select parameters relating to the point defect, such as the size, shape, and displacement of the point defect.
[0017]
The energy value of the defect level can be set with a high degree of freedom depending on the size of the defect member among the parameters relating to the point defect. However, simply controlling the size of the defective member may reduce the resonance frequency interval. That is, a level used as a resonator (hereinafter, referred to as a used level) is close to an adjacent level, and the used level may be affected by the adjacent level. Therefore, in the present invention, it has been clarified that the influence of the adjacent level can be avoided by adjusting the shape and displacement of the defective member by the following method.
[0018]
First, the shape of the defective member will be described. Considering the use of the lithography method when manufacturing the rod and the defective member, the defective member has the same height (in the stacking direction) as the rod, and the planar shape at the point defect point is different from the rod portion (rectangular shape, elliptical shape). Etc.).
[0019]
Next, considering the relationship between the width Δx and the length Δy in such a planar shape of the defective member, (i) when Δx and Δy are equal (Δx / Δy = 1), (ii) Δx is larger than Δy (Δx / Δy> 1) and (iii) a case where Δx is smaller than Δy (Δx / Δy <1). Since the electromagnetic field distribution has direction dependency, the energy value of the defect level due to the point defect depends on Δx / Δy of the defective member. Therefore, when the energy difference ΔE between the used level and the adjacent level was examined, it was found that the energy difference ΔE was largest when the shape of the defective member was Δx / Δy> 1. Therefore, in order to avoid the influence of the adjacent level on the used level, the defective member has a shape anisotropy in which the width Δx is larger than the length Δy. The value of Δx / Δy is preferably 1.5 or more, and more preferably 2 or more.
[0020]
Next, the displacement of the point defect will be described. The displacement of a point defect indicates a positional relationship between the point defect and rods of upper and lower stripe layers (hereinafter, referred to as adjacent layers) adjacent to the stripe layer to which the point defect belongs.
[0021]
As can be easily understood in consideration of the influence of the electromagnetic field distribution, the energy value of the defect level also depends on the displacement. The larger the displacement, the larger the distance between the defect level and the adjacent level. By setting the displacement to 0.1a or more, the energy difference becomes practically sufficient. Since the rods of the upper and lower adjacent layers are shifted from each other by the length a / 2, when the displacement with respect to one adjacent layer exceeds 0.25a, the displacement with respect to the other adjacent layer is 0.25a or less. become. That is, the maximum value of the displacement is 0.25a, and at that time, the interval between the defect level and the adjacent level becomes maximum.
[0022]
As the parameter of the point defect, not the position in the whole crystal but the above “displacement” is significant. This is because the same defect level can be obtained even at different positions in the crystal by applying the same displacement.
[0023]
The advantage of the displacement is obtained independently of the shape of the point defect (defective member).
[0024]
As described above, the energy value of the defect level can be set with a high degree of freedom by appropriately setting the size, shape, and displacement of the point defect (defective member). If a plurality of point defects (defect members) having different sizes and / or shapes and / or displacements are introduced at different positions in the three-dimensional photonic crystal, a plurality of point defects each having a different defect level energy value are introduced. Can be manufactured.
[0025]
Next, the Q value in the optical resonator will be described. The Q value is obtained by dividing the energy of light stored in the optical resonator by the energy of light lost from the resonator per unit time and multiplying the result by the resonance angular frequency. When this value exceeds about 1000, laser oscillation can be obtained at room temperature.
[0026]
In order to improve the Q value of the optical resonator, it is necessary to suppress the loss of light energy from the optical resonator. For that purpose, the size of the crystal should be sufficiently large in all three-dimensional directions. However, it is necessary to pay attention to the following points.
[0027]
Since the three-dimensional photonic crystal of the present invention is manufactured by forming stripe layers one by one and stacking them, it is relatively easy to enlarge the crystal in the in-plane direction of the stripe layer. Enlarging the crystal in the stacking direction increases the manufacturing cost by increasing the number of stacking steps. From this point, it is not preferable to increase the number of stripe layers too much.
[0028]
In the present invention, in order to suppress the loss of light energy from the optical resonator, it is desirable that the number of the stripe layers is four or more both above and below the stripe layer to which the point defect belongs. Furthermore, when the number of the stripe layers is six or more in both the upper and lower portions of the stripe layer to which the point defect belongs, the Q value reaches nearly 1,000. The appropriate number of layers may be determined in consideration of the result and the manufacturing cost.
[0029]
In order to widen the usable wavelength range of light, it is desirable that the photonic band gap width is large. Up to this point, parameters relating to point defects have been mainly discussed, but in the following, in order to control the size of the photonic band gap, parameters of a three-dimensional photonic crystal serving as a base are discussed. The parameters to be considered include the in-plane / out-of-plane period ratio and the in-plane rod filling factor. The in-plane / out-of-plane period ratio is a ratio z / a of a magnitude (out-of-plane period) z of one period (one period corresponds to four layers of the stripe layer) in the stacking direction with respect to an in-plane period a in the stripe layer. The rod filling rate is a value w / a obtained by dividing the rod width w by the in-plane period a.
[0030]
When the filling ratio w / a is variously changed with respect to various values of the in-plane / out-of-plane periodic ratio z / a, the filling ratio w / a is 0.275 to 0, regardless of the in-plane / out-of-plane period ratio z / a. In the range of 0.30, the photonic band gap width becomes maximum. When the filling ratio w / a is out of the range of 0.20 to 0.40, the photonic band gap width sharply decreases as the filling ratio w / a departs from the range.
[0031]
On the other hand, when the value of the in-plane / out-of-plane periodic ratio z / a is variously changed with respect to various values of the filling rate w / a, when the in-plane / out-of-plane period ratio z / a is 0.20 to 0.30, When a = 1.2, when the filling ratio w / a is 0.30 to 0.40, the photonic band gap width becomes maximum when the in-plane / out-of-plane period ratio z / a = 1.3.
[0032]
When the value of the in-plane / out-of-plane period ratio z / a is increased, the Q value is improved. In particular, z / a is 2 which has not been studied so far in three-dimensional photonic crystals. 0.5 If it is larger than the above, a high Q value is obtained.
[0033]
【The invention's effect】
A point defect is introduced into a three-dimensional photonic crystal, and the size, shape, and displacement of the point defect (defect member) arranged therein, and the in-plane / out-of-plane period ratio z / a and the filling factor w / a of the three-dimensional photonic crystal By changing the parameters such as these, the resonance frequency can be set arbitrarily, and the unity of the frequency can be improved. In particular, laser oscillation can be performed by appropriately setting these parameters. Therefore, for example, when the optical resonator according to the present invention is used as a light source, the light source has a desired emission wavelength and a high wavelength uniformity, and is optimal as a light source for wavelength division multiplexing optical communication. Of course, other light sources can be used as light sources for various optical devices.
[0034]
【Example】
First, FIG. 1 shows a configuration example of a three-dimensional photonic crystal serving as a base. The rod 11 is shown as a rod in the figure. One of the arrows shown at the right end of the figure corresponds to one stripe layer. “A” in the drawing is the length (in-plane period) of one period of the rod array in the stripe layer. z is the length (out-of-plane period) of one cycle in the stacking direction composed of four stripe layers. w represents the width of the rod, and h represents the height of the rod. As a material of the rod, for example, a III-V group semiconductor (for example, GaAs, InP, or the like) which is a substance which is transparent to infrared rays often used in optical communication and is a dielectric capable of introducing a light emitting body is used. be able to.
[0035]
FIG. 2 shows the result of calculating the energy band using the plane wave expansion method in order to confirm that the crystal as shown in FIG. 1 has a photonic band gap. Here, the in-plane / out-of-plane periodic ratio z / a = 1.2, the filling rate w / a = 0.25, and the refractive index of the rod was 3.309. The vertical axis on the left side of FIG. 2 represents a normalized frequency obtained by multiplying the frequency of light by a / c (c is the speed of light) to make it dimensionless, and the vertical axis on the right side represents the center energy of the photonic band gap at 0.8 eV ( It represents the photon energy when it is assumed to be energy of light having a wavelength of 1.55 μm generally used in optical multiplex communication. The horizontal axis in FIG. 2 represents the direction in the wave number space. From this figure, it can be seen that when the normalized frequency is in the range of 0.38 to 0.45, the energy gap is open in all directions in the wavenumber space. This is the photonic band gap.
[0036]
Next, as shown in FIG. 3A, a point defect 12 is introduced into the base crystal. The point defect is formed by disposing a defective member on a part of the rod. In this embodiment, the defective member is a rectangular parallelepiped having the same height as the rod, and the material is the same as the rod. Even when the material (refractive index) is different from that of the rod, the results shown below are the same. In the following, the effects of various parameters of the defective member on various characteristics such as the energy level of a point defect will be examined. The planar shape of the defective member was examined when the width Δx and the length Δy shown in FIG. 3 (2) were equal and when Δx> Δy shown in FIG. 3 (3). In the case of Δx <Δy, as a result of the examination, it has been found that the interval between the defect levels tends to be narrower than that in the case of Δx = Δy, and the description is omitted below. Hereinafter, the point defect of Δx = Δy is referred to as “square defect”, and the point defect of Δx> Δy is referred to as “rectangular defect”.
[0037]
Next, the displacement of the defective member will be examined. As shown in FIG. 4, the displacement in the y direction between the center of the defective member and the center of the nearest rod in the stripe layer immediately above was examined. FIG. 4A shows the case where there is no shift in the y direction, and FIGS. 4B and 4C show the case where the shift is in the y direction. In addition, although the displacement in the x direction was also examined, it was found that in this case, the gap between the defect levels tends to be narrowed by increasing the displacement. Therefore, only the displacement in the y direction will be discussed below.
[0038]
The calculation results of the effect of the size, shape, and displacement of the defective member on the defect level of the point defect are shown below. First, FIG. 5 shows calculation results when the shape is fixed to a square and the displacement is changed in three ways of 0.0a, 0.125a, and 0.25a. In this calculation, a time-domain difference method that is more accurate than the plane wave expansion method is used. The horizontal axis in FIG. 5 represents the size of the defective member. The white area in the background of the figure is an area having a photonic band gap. When the displacement is 0.0a, the two defect levels on the low energy (low frequency) side intersect near the magnitude Δx = 0.6. It is not preferable to use a defect level near this intersection because the unity of wavelength is lost. When the displacements are 0.125a and 0.25a, no such intersection is seen.
[0039]
FIG. 6 shows the minimum value Δν of the interval between the defect level having the lowest frequency and the other levels. min Is shown. The “other levels” are the band edge on the high frequency side on the left side of the × mark, the adjacent levels between the × mark and the + mark, Also on the right side is the band edge on the low frequency side. The dashed line indicates the distance between the defect level and the band edge on the side close to the defect level. Note that, within the calculated range, when the displacement is 0.0a, the "other levels" are all adjacent levels, and when the displacement is 0.125a, the "other levels" are the band edges on the high frequency side. It does not become.
[0040]
In FIG. 6, when the displacement is 0.25a, Δν min Is shown to be the largest. Here, when considering the introduction of a luminescent material made of an InGaAsP-based material into a point defect, the full width at half maximum of the multiple quantum well at room temperature is experimentally 60 meV (0.0315 c / a) is observed, and judging from this value, Δν min Is desirably 30 half meV or more. When the displacement is 0.25a, this condition is satisfied, and a single-mode strong light emission is obtained.
[0041]
Next, FIGS. 7 to 9 show the results of calculation using a plane wave expansion method for rectangular defects with Δx / Δy of 1.5, 2.0, and 2.5. In each case, it can be seen that the difference between the defect level having the lowest frequency and the defect level adjacent thereto is larger than that of the square defect. As Δx / Δy increases, the difference increases. At the time of the square defect, the intersection of the defect levels was observed. When the displacement was 0.0a, the difference from the adjacent defect level increased with the increase of Δx / Δy, and when Δx / Δy = 2.5, The intersection has disappeared.
[0042]
FIG. 10 shows a result of the above calculation at Δx / Δy = 2.0 using the time domain difference method. Comparing FIG. 5 with FIG. 5 in order to compare the difference between the rectangular defect and the square defect, it can be seen that it is very similar to FIG. 5 from which adjacent levels have been removed. This is because, when the value of Δx / Δy is larger than 1, the adjacent level is suppressed and shifted to the high frequency side, but such a shift does not occur in the used level and the next adjacent level. by. The difference between the adjacent level and the used level is that the electromagnetic field distribution in the adjacent level spreads in the y direction, whereas the electromagnetic field distribution in the used level is strongly localized at the center of the point defect. by.
[0043]
FIG. 11 shows Δν at Δx / Δy = 2.0 calculated from FIG. min Is shown. The symbols x and + in the figure and the meaning of the broken lines are the same as those in FIG. In any case, the displacement was Δν more than that of the square defect. min It can be seen that has increased.
[0044]
FIG. 12 shows a calculation result of the Q value when the displacement is 0.25a for each of the square defect and the rectangular defect (Δx / Δy = 2.0). Each Δx is Δx = 0.65a (square defect) and Δx = 0.80a (rectangular defect) when the defect level is near the center of the photonic band gap. The horizontal axis in FIG. 12 represents the total number of stacked stripe layers. If there are n layers of stripe layers above and below the layer to which the point defect belongs, the value on the horizontal axis is 2n + 1. From this figure, in both cases of the square defect and the rectangular defect, when n = 6, the Q value reaches 1000 which is a value at which laser oscillation can be obtained at room temperature.
[0045]
FIG. 13 shows the results of calculating the Δx dependence of the Q value for the square defects and the rectangular defects (Δx / Δy = 2.0) for the cases of n = 4 and n = 8. From this figure, it can be seen that when n = 8, a high Q value is obtained for any value of Δx. Therefore, a defect level having a high Q value can be formed over a wide wavelength range within the photonic band gap, and a high degree of freedom in designing can be obtained.
[0046]
FIG. 14 shows the displacement dependence of the Q value for a rectangular defect (Δx / Δy = 2.0) when n = 8. A high Q value is maintained at any displacement.
[0047]
From the calculation results so far, it is found that by appropriately setting the parameters of the defective member to be arranged at the point defect, the interval between the defect levels can be widened and a high Q value can be obtained in a wide frequency range. Was. From this, if a plurality of defect members having different shapes, sizes, and / or displacements are introduced into one three-dimensional photonic crystal, a plurality of point defect resonators having a plurality of different resonance frequencies will cause each other to have a different frequency. Regions do not overlap and all are obtained with high Q values. As described above, since a plurality of optical resonators can be realized using only one three-dimensional photonic crystal, the resonator according to the present invention contributes to downsizing of a device such as wavelength division multiplexing optical communication.
[0048]
Here, as shown in FIG. 15, a three-dimensional photonic crystal provided with a plurality of defect members having the same shape and size and different displacements will be examined. Such a configuration is advantageous in mass production because there is only one type of defective member. In this figure, an example is given in which the displacement of each defect differs by a constant interval Δd, but it goes without saying that only the displacement corresponding to the target wavelength may be introduced. FIG. 16 shows an example of the normalized frequency of each point defect when a plurality of point defects having different displacements are introduced when Δx = 0.8 and Δx / Δy = 2.0. When the standardized frequency is applied to the 1.55 μm band (C band) used in optical multiplex communication or the like, it can be seen that the wavelength can be controlled over a range of 1.525 μm to 1.565 μm and a bandwidth of 0.04 μm. At present, the wavelength band actually used in the optical multiplex communication is 1.530 μm to 1.565 μm. Therefore, the optical resonator according to the present invention can cope with it only by adjusting the displacement of the point defect.
[0049]
When N point defects having the same shape and the same size but different displacements are introduced as shown in FIG. 15, if the displacements are set so as to be equally spaced within a range of 0.0a to 0.25a, Light of a plurality of wavelengths in which the wavelengths are equally spaced in the entire wavelength band can be obtained. With such a configuration, as described above, light of a plurality of wavelengths within a given wavelength band in optical multiplex communication can be generated by one light source, and the wavelengths are equally spaced. Thus, the wavelength band can be used effectively.
[0050]
In practical use, it is convenient to set the displacements so as to be evenly spaced within the range of 0.0a to 0.5a. In this way, as shown by the ranges A and B in FIG. 17, the entire wavelength band is always covered regardless of the position of the range (ie, even if the range is shifted by ΔL in the y direction as a whole). Will be able to do it. This structure is very useful in consideration of manufacturing misalignment.
[0051]
By appropriately setting the size of the point defect other than the displacement of the point defect, it is possible to introduce a point defect optical resonator having a plurality of different resonance frequencies in a wider bandwidth. However, a bandwidth wider than the photonic band gap cannot be created. Here, in order to control the size of the photonic band gap, it is necessary to adjust parameters in the host crystal.
[0052]
Therefore, the structural parameters of the parent three-dimensional photonic crystal for controlling the size of the photonic band gap will be examined. The target parameters are the in-plane / out-of-plane period ratio z / a relating to the lamination period of the stripe layer, and the rod filling ratio w / a in the stripe layer.
[0053]
FIG. 18 shows the dependence of the photonic band gap width on the in-plane / out-of-plane period ratio z / a and the filling factor w / a. Here, the vertical axis shows the photonic band gap width divided by its center frequency in percentage. Focusing on the filling rate w / a, if the in-plane / out-of-plane period ratio z / a is any value, if the filling rate w / a is out of the range of 0.2 to 0.4, the photonic becomes farther away from the range. The band gap width decreases sharply. From this result, it is understood that the filling ratio w / a is preferably set to 0.2 to 0.4.
[0054]
FIG. 19 shows the dependency of the photonic band gap width on the in-plane / out-of-plane period ratio z / a using the filling factor w / a when the photonic band gap width is maximized at each value of the in-plane / out-of-plane period ratio z / a. Show. The filling ratio w / a used here is 0.275 at 1.05 <z / a <1.225 and 1.70 <z / a, and 0.30 at 1.25 <z / a <1.65. It is. From FIG. 19, it can be seen that the photonic band gap width is largest when z / a = 1.225.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration example of a three-dimensional photonic crystal serving as a base of a three-dimensional photonic crystal optical resonator of the present invention.
FIG. 2 is a graph showing a photonic band structure of a base three-dimensional photonic crystal.
FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a shape of a defective member introduced into a three-dimensional photonic crystal.
FIG. 4 is a diagram illustrating an example of displacement of a defective member introduced into a three-dimensional photonic crystal.
FIG. 5 is a graph showing displacement dependence of a relationship between the size of a square defect and a resonance frequency.
FIG. 6 shows Δν in a square defect min A graph representing.
FIG. 7 is a graph showing the displacement dependence of the relationship between the size of a defective member and the resonance frequency in the case of a rectangular defect where Δx / Δy is 1.5.
FIG. 8 is a graph showing the displacement dependence of the relationship between the size of a defective member and the resonance frequency in the case of a rectangular defect having Δx / Δy of 2.0.
FIG. 9 is a graph showing the displacement dependence of the relationship between the size of a defective member and the resonance frequency in the case of a rectangular defect where Δx / Δy is 2.5.
FIG. 10 is a graph showing the result of calculating the displacement dependence of the relationship between the size of a defective member and the resonance frequency in the case of a rectangular defect having Δx / Δy of 2.0 by the time domain difference method.
FIG. 11 shows Δν in a rectangular defect min A graph representing.
FIG. 12 is a graph showing a calculation result of a Q value when a displacement is 0.25a for each of a square defect and a rectangular defect (Δx / Δy = 2.0).
FIG. 13 is a graph showing the Δx dependency of the Q value for each of a square defect and a rectangular defect (Δx / Δy = 2.0).
FIG. 14 is a graph showing displacement dependence of a Q value in a rectangular defect (Δx / Δy = 2.0).
FIG. 15 is a configuration diagram of a resonator having a plurality of point defects arranged at different displacements.
FIG. 16 is a table showing a normalized frequency of each point defect when a plurality of point defects having different displacements are arranged.
FIG. 17 is a diagram schematically illustrating a resonance wavelength of each point defect when a plurality of point defects having different displacements are arranged.
FIG. 18 is a graph showing the dependency of the photonic band gap width on the in-plane / out-of-plane period ratio z / a and the filling factor w / a.
FIG. 19 is a graph showing the dependence of the photonic band gap width on the in-plane / out-of-plane period ratio z / a.
[Explanation of symbols]
11… Rod
12 ... Point defect

Claims (18)

a)複数のロッドを平行且つ所定の面内周期で周期的に配置したストライプ層が複数、平行に積層されて成り、各ストライプ層に属する各ロッドが最隣接のストライプ層に属する各ロッドと直交し、各ストライプ層に属する各ロッドが2層離れたストライプ層に属する各ロッドと平行且つ上記面内周期の1/2だけずれている3次元フォトニック結晶から成る本体と、
b)上記ロッドのうちの1本に設けられた、ロッド幅方向の大きさΔxとロッド長手方向の大きさΔyの比Δx/Δyが1より大きい点欠陥と、
を備えることを特徴とする点欠陥3次元フォトニック結晶光共振器。
a) A plurality of stripe layers in which a plurality of rods are arranged in parallel and periodically at a predetermined in-plane period are stacked in parallel, and each rod belonging to each stripe layer is orthogonal to each rod belonging to the nearest stripe layer. A main body made of a three-dimensional photonic crystal in which each rod belonging to each stripe layer is parallel to each rod belonging to a stripe layer separated by two layers and is shifted by ず れ of the in-plane period;
b) a point defect provided on one of the rods and having a ratio Δx / Δy of a size Δx in the rod width direction and a size Δy in the rod longitudinal direction larger than 1;
A point-defect three-dimensional photonic crystal optical resonator, comprising:
a)複数のロッドを平行且つ所定の面内周期で周期的に配置したストライプ層が複数、平行に積層されて成り、各ストライプ層に属する各ロッドが最隣接のストライプ層に属する各ロッドと直交し、各ストライプ層に属する各ロッドが2層離れたストライプ層に属する各ロッドと平行且つ上記面内周期の1/2だけずれている3次元フォトニック結晶から成る本体と、
b)上記ロッドのうちの1本に設けられた点欠陥であって、該点欠陥の中心が、該点欠陥に隣接するストライプ層に属する直近のロッドの中心軸から該点欠陥が属するロッドの長手方向に変位して配置されている点欠陥と、
を備えることを特徴とする点欠陥3次元フォトニック結晶光共振器。
a) A plurality of stripe layers in which a plurality of rods are arranged in parallel and periodically at a predetermined in-plane period are stacked in parallel, and each rod belonging to each stripe layer is orthogonal to each rod belonging to the nearest stripe layer. A main body made of a three-dimensional photonic crystal in which each rod belonging to each stripe layer is parallel to each rod belonging to a stripe layer separated by two layers and is shifted by ず れ of the in-plane period;
b) a point defect provided in one of the rods, wherein the center of the point defect is determined from the center axis of the nearest rod belonging to the stripe layer adjacent to the point defect; Point defects arranged displaced in the longitudinal direction;
A point-defect three-dimensional photonic crystal optical resonator, comprising:
上記変位が上記面内周期の0.1倍以上であることを特徴とする請求項2に記載の点欠陥3次元フォトニック結晶光共振器。3. The point defect three-dimensional photonic crystal optical resonator according to claim 2, wherein the displacement is at least 0.1 times the in-plane period. 上記変位が上記面内周期の0.25倍であることを特徴とする請求項3に記載の点欠陥3次元フォトニック結晶光共振器。4. The point-defect three-dimensional photonic crystal optical resonator according to claim 3, wherein the displacement is 0.25 times the in-plane period. 上記点欠陥のロッド幅方向の大きさΔxとロッド長手方向の大きさΔyの比Δx/Δyが1より大きいことを特徴とする請求項2〜4のいずれかに記載の点欠陥3次元フォトニック結晶光共振器。5. The point defect three-dimensional photonic according to claim 2, wherein a ratio [Delta] x / [Delta] y of the size [Delta] x in the rod width direction and the size [Delta] y in the rod longitudinal direction of the point defect is larger than 1. Crystal optical resonator. 上記の比Δx/Δyが1.5〜2.5であることを特徴とする請求項5に記載の点欠陥3次元フォトニック結晶光共振器。6. The point defect three-dimensional photonic crystal optical resonator according to claim 5, wherein the ratio Δx / Δy is 1.5 to 2.5. 上記の比Δx/Δyが2.0〜2.5であることを特徴とする請求項6に記載の点欠陥3次元フォトニック結晶光共振器。7. The point-defect three-dimensional photonic crystal optical resonator according to claim 6, wherein the ratio [Delta] x / [Delta] y is 2.0 to 2.5. 上記点欠陥が、ロッドと同じ高さを有する直方体の欠陥部材で構成されることを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の点欠陥3次元フォトニック結晶光共振器。The point defect three-dimensional photonic crystal optical resonator according to any one of claims 1 to 7, wherein the point defect is formed of a rectangular parallelepiped defect member having the same height as a rod. 上記点欠陥が属するストライプ層の上下にそれぞれ4層以上のストライプ層を設けることを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載の点欠陥3次元フォトニック結晶光共振器。9. The point defect three-dimensional photonic crystal optical resonator according to claim 1, wherein four or more stripe layers are provided above and below the stripe layer to which the point defect belongs. 上記点欠陥が属するストライプ層の上下にそれぞれ6層以上のストライプ層を設けることを特徴とする請求項9に記載の点欠陥3次元フォトニック結晶光共振器。10. The point defect three-dimensional photonic crystal optical resonator according to claim 9, wherein six or more stripe layers are provided above and below the stripe layer to which the point defect belongs. 4層のストライプ層から成る積層方向の1周期の長さである面外周期を上記面内周期の1.1〜1.7倍とすることを特徴とする請求項1〜10のいずれかに記載の点欠陥3次元フォトニック結晶光共振器。11. The method according to claim 1, wherein an out-of-plane period, which is a length of one period in the stacking direction including four stripe layers, is 1.1 to 1.7 times the in-plane period. The point defect three-dimensional photonic crystal optical resonator according to the above. 4層のストライプ層から成る積層方向の1周期の長さである面外周期を上記面内周期の20.5〜1.7倍とすることを特徴とする請求項11に記載の点欠陥3次元フォトニック結晶光共振器。Point defects wherein one period of the lamination direction consisting stripe layer of four layers plane period is the length in claim 11, characterized in that the 2 0.5 to 1.7 times the surface within a period Three-dimensional photonic crystal optical resonator. 上記面内周期に対する上記ロッドの幅の比を0.2〜0.4としたことを特徴とする請求項1〜12のいずれかに記載の点欠陥3次元フォトニック結晶光共振器。The point defect three-dimensional photonic crystal optical resonator according to claim 1, wherein a ratio of a width of the rod to the in-plane period is 0.2 to 0.4. 本体内に複数の点欠陥を設けたことを特徴とする請求項1〜13のいずれかに記載の点欠陥3次元フォトニック結晶光共振器。14. The point defect three-dimensional photonic crystal optical resonator according to claim 1, wherein a plurality of point defects are provided in the main body. 本体内に同じ形状で変位の異なる複数の点欠陥を設けたことを特徴とする請求項14に記載の点欠陥3次元フォトニック結晶光共振器。15. The point defect three-dimensional photonic crystal optical resonator according to claim 14, wherein a plurality of point defects having the same shape and different displacements are provided in the main body. 上記変位が0.0a〜0.25aの範囲内で等間隔となるように、本体内に同じ形状で複数の点欠陥を設けたことを特徴とする請求項15に記載の点欠陥3次元フォトニック結晶光共振器。The point defect three-dimensional photo according to claim 15, wherein a plurality of point defects having the same shape are provided in the main body such that the displacements are equally spaced within a range of 0.0a to 0.25a. Nick crystal optical resonator. 上記変位が0.0a〜0.5aの範囲内で等間隔となるように、本体内に同じ形状で複数の点欠陥を設けたことを特徴とする請求項15に記載の点欠陥3次元フォトニック結晶光共振器。The point defect three-dimensional photo according to claim 15, wherein a plurality of point defects having the same shape are provided in the main body such that the displacements are equally spaced within a range of 0.0a to 0.5a. Nick crystal optical resonator. 上記点欠陥部に発光体を導入することを特徴とする、請求項1〜17のいずれかに記載の点欠陥3次元フォトニック結晶光共振器。18. The point-defect three-dimensional photonic crystal optical resonator according to claim 1, wherein a light emitter is introduced into the point-defect portion.
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