JP2002267845A

JP2002267845A - 光学素子およびそれを用いた分光装置及び偏光分離装置

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Publication number: JP2002267845A
Application number: JP2001071830A
Authority: JP
Inventors: Shigeo Kikko; 重雄橘高; Masatoshi Nara; 正俊奈良; Tatsuhiro Nakazawa; 達洋中澤; Tadashi Koyama; 正小山; Takahiro Asai; 貴弘浅井
Original assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Priority date: 2001-03-14
Filing date: 2001-03-14
Publication date: 2002-09-18

Abstract

(57)【要約】【課題】回折格子からの出射角の波長依存性は小さいた
め、回折格子を使用した光分波器の性能を向上させるた
めには装置を大型化せざるを得ないという問題点があっ
た。【解決手段】１次元フォトニック結晶とみなせる周期的
多層構造体の層面と略垂直な端面を光入射面とし、その
層面に平行な表面を光出射面とする光学素子において、
使用波長λ₀に対応するフォトニック結晶の最低次では
ない結合性バンドを利用する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、波長の異なる光を
分離する分光光学素子、あるいは偏光方向の異なる光を
分離する偏光分離光学素子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、インターネットの急速な普及によ
り、光ファイバー通信網の容量の増大が強く求められて
おり、その手段としてＷＤＭ（波長多重）通信の開発が
急速に進められている。ＷＤＭ通信においては、わずか
な波長差の光が個別の情報を伝達することから、波長選
択性の良い光分波器、フィルタ、アイソレータといった
光学機能素子が必要である。上記機能素子においては、
量産性、小型化、集積化、安定性などが強く求められて
いることは言うまでもない。

【０００３】波長多重光通信のように人為的に複数の波
長が多重化された光信号を分波・検出する目的や、分光
測定のように被測定光のスペクトル解析等の目的に光分
波器（または分光器）が用いられる。この光分波器に
は、プリズム、波長フィルタ、回折格子等の分光素子が
必要とされる。とくに回折格子は代表的な分光素子であ
り、石英やシリコン基板などの表面に周期的な微細凹凸
構造を形成したものが用いられている。その周期的凹凸
構造によって発生する回折光が互いに干渉し、ある特定
波長の光が特定の方向に出射される。この特性が分波素
子として利用されている。

【０００４】回折格子を用いた分光光学系の一例を図１
８に示す。光ファイバ２１から出射した波長多重化され
た光線３０はコリメータレンズ２２で平行光３１となり
回折格子２３に入射される。この光は回折格子２３で分
波され、波長ごとに異なった出射角をもって出射され
る。この出射光３２は再びコリメータレンズ２２を通過
し、受光面２４上に集光スポット群４０を形成する。こ
の各集光スポットの位置に受光手段としてフォトダイオ
ードなどの光検出器、あるいは光ファイバの端面を設置
すれば、所定の波長毎に分離した信号出力を得ることが
できる。また、回折格子に入射する光が連続スペクトル
をもっていれば、受光面に設置する受光手段の間隔に応
じてスペクトルの離散化した出力が得られる。

【０００５】反射回折格子の場合、回折格子の回折次数
をｓ、格子定数をｄ、使用波長をλとし、回折格子を形
成した面の法線と入射光線（光ファイバの光軸５）のな
す角をθi、出射光線のなす角をθoとすると、次式が成
り立つ。ｓｉｎθi＋ｓｉｎθo＝ｓλ／ｄ θiを一定とし、波長がΔλだけ変化すると、回折格子
から距離Ｌだけ離れた受光面上に到達する光線の位置の
変化Δｘは、 Δｘ＝（Ｌｓ／（ｄ・ｃｏｓθo））・Δλ で与えられる。したがって波長間隔に応じて上式から計
算される位置間隔で受光手段を受光面上に配列しておけ
ば、各波長ごとに分離した信号が得られる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、回折格
子からの出射角の波長依存性は小さい。例えば、光通信
で用いられる波長１．５５μｍ帯で波長間隔０．８ｎｍ
（周波数間隔１００ＧＨｚに相当）の光を分波する場合
を考える。回折次数ｓ＝２５次とし、入射角θｉ＝７
１．５°、出射角θｏ＝３８．５°とすると、回折格子
の格子定数ｄは２４．７μｍとなる。この系で上記波長
間隔０．８ｎｍに対して得られる出射角の変化は約０．
０６°に過ぎず、５０μｍ間隔で配列した受光素子でこ
れを分離して受光するためにはＬ＝４８ｍｍの距離が必
要となる。

【０００７】すなわち、受光面上の光スポットの位置変
化Δｘは受光手段が一定の大きさをもつため、通常数１
０μｍ以上とする必要がある。回折格子の定数である
ｍ、ｄは大きくは変えられないため、小さい波長変化Δ
λに対して必要なΔｘを得るためには距離Ｌを大きくす
る必要があり、回折格子を使用した光分波器の性能を向
上させるためには装置を大型化せざるを得ないという問
題点があった。

【０００８】また、回折角度には偏光方向による差がな
いので、通常の回折格子によって角度による偏光分離を
行なうことはできない。したがって、光システムにおい
て偏光分離機能が必要とされる場合は、回折格子とは別
に偏光分離素子が必要になることもある。

【０００９】本発明の目的は、このような問題点を解決
するため、従来の回折格子よりも大きい波長分散特性を
有する光学素子を提供することにある。また、本発明の
他の目的は、波長分散と同時に、角度による偏光分離の
機能を備えた光学素子を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明においては、１次
元フォトニック結晶とみなせる１周期の長さがａである
周期的多層構造体の１周期内の平均屈折率が、真空中に
おける波長がλ₀である光に対してｎ_Mであるとき、ａが
次式の条件、 λ₀／２ｎ_M ≦ａを満たす多層構造体に対して、その層面と略垂直な端面
を光入射面とし、前記層面に平行な表面を光出射面とす
る光学素子において、その層面と平行であり周期構造を
有さない方向について、前記波長λ₀に対応するフォト
ニック結晶の最低次ではない結合性バンドの波数ベクト
ルの大きさをｋ_s、多層構造体の光出射面となる、層面
に平行な表面に接する媒体の前記波長λ₀における屈折
率をｎ_sとするとき、０＜ｋ_s・λ₀／（２π・ｎ_s）＜１の条件が満たすようにする。入出射面は入れ替えてもよ
い。

【００１１】上記の結合性バンドとしては最低次から２
番目の結合性バンドがもっとも好ましい。また上式の条
件範囲のうち、ｃｏｓ６０°≦ｋ_s・λ₀／（２π・ｎ_s）≦ｃｏｓ２０
° を満たす範囲がさらに好ましい。また、最低次の結合性
バンドの波数ベクトルの大きさをｋ₁とするとき、ｋ
_sが、０．９ｋ₁／ｍ≦ｋ_s≦１．１ｋ₁／ｍ（ｍは２以上の
整数）の条件を満たすことが望ましい。

【００１２】以上の条件を満たす範囲において、周期的
多層構造体を、使用波長に対して透明な基板上に形成し
た周期的に同じ構造を繰り返す光学的多層膜層とし、基
板と接する多層膜層の表面を光入射面もしくは光出射面
とした光学素子が構成上好ましい。この場合、周期的多
層構造体の１周期が互いに異なる材料各１層から構成し
てもよく、また各層の境界のなかに、連続的に組成もし
くは特性が変化する層を含んでもよい。ただし、周期的
多層構造体を構成する複数の物質間における最大屈折率
と最小屈折率の比の値が、使用波長において1.１以上で
あることが望ましい。また、光入射面もしくは光出射面
となる多層構造体の表面に接する媒体は、空気もしくは
真空であることが使用し易く望ましい。

【００１３】上記の周期的多層構造体によって構成され
る光学素子と、この光学素子の多層構造体端面に複数波
長の混合した光束を入射させる手段と、前記多層構造体
の表面から波長ごとに異なる角度で出射される光線を検
知する手段とを有することにより、分光装置を提供する
ことができる。また同様の構成で偏光分離装置を提供す
ることができる。

【００１４】本発明における周期的多層構造体は１次元
フォトニック結晶と見なせ、その機能によって優れた分
光作用、偏光分離作用を得ることができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て具体的に説明する。本発明では、周期的な多層構造に
より構成される１次元フォトニック結晶を分光素子とし
て利用する。光の波長程度もしくはそれ以下の厚さの薄
膜から構成される周期的多層膜は、１次元フォトニック
結晶としての性質を有することから、高反射膜、偏光分
離フィルタ、波長選択性フィルタなどの光学素子として
既に実用化しており、広く用いられている。

【００１６】ところで、光学的多層膜の利用にあたって
は、通常基板表面に設けた多層膜層の最上面から最下面
まで貫通する光線を前提として考えられているものがほ
とんどである。多層膜層の端面、すなわち周期的構造が
露出している面を、光入射面もしくは光出射面として使
用した例としては、以下のようなものがあるに過ぎな
い。

【００１７】傾いた多層膜層の断面に入射する光線の方
向の理論的な解析が示され（Applied Physics B、39
巻、p.231、1986年）、また、構造性複屈折による偏光
分離をねらいとし、多層膜層の屈折率がＴＥ，ＴＨの偏
光によって大きく異なる性質（いわゆる構造性複屈折）
を利用して、複屈折材料と同様の偏光分離効果を得たこ
とが開示されている（Optics Letters 15巻、９号、p.5
16、1990年）。さらに周期的多層膜層を１次元フォトニ
ッククリスタルと考え、第１バンドの形状がバンドギャ
ップ近傍で直線状となることから、非常に大きい分散
（スーパープリズム効果）が得られるとした報告もある
（"International Workshop on Photonic andElectroma
gnetic Crystal Structures" Technical Digest, F1-
3）。本発明では、周期的多層構造体の端面を光入射面
もしくは光出射面として用い、大きい波長分散効果を得
ることを特徴とする。

【００１８】図１は本発明の基本的実施形態の一例であ
る。平面基板２の片側表面２ａに、基板表面と垂直な方
向（Ｙ方向）に周期を有する多層構造体１を形成する。
多層構造体部分の端面１ａから、基板表面２ａと平行な
Ｚ軸方向の入射光３を送り込み、多層構造体１の表面１
ｂから屈折する出射光４もしくは表面１ｃから出射光５
を取り出す。図１に示すような構成により、ガラスなど
均質な物質に設けたブレーズ回折格子よりはるかに大き
い波長分散を得ることができる。

【００１９】上記現象の原理について簡単に説明する。
まず、屈折率が均質な２つの媒体の境界における光の屈
折を作図によって表現する方法を図２を用いて説明す
る。屈折率ｎ_Aの媒体Ａと屈折率ｎ_Bの媒体Ｂ（ｎ _A＜ｎ_B
とする）の媒体Ａ側境界面近傍を、境界面と平行に進む
光線Ｒ_Aは、角度θの屈折光Ｒ_Bとなって媒体Ｂ側に放出
される。

【００２０】この角度θは、半径がｎ_Aとｎ_Bに比例した
２つの円Ｃ_A、Ｃ_Bを用いた作図によって求めることがで
きる。図２に示すように円Ｃ_A、Ｃ_Bを描く。光線Ｒ_Aに
対応する方向をもつベクトルを円Ｃ_A上からの法線とし
て描く。この円Ｃ_A上の点から２つの円の中心を結ぶ直
線に平行な直線を引き、円Ｃ_Bとの交点を求める。この
交点から円Ｃ_Bの法線方向にベクトルを描くと、これが
屈折光Ｒ_Bの方向を示している。

【００２１】図３は、無限に広がる多層構造体１の模式
図であり、厚さｔ_Aの物質Ａ（屈折率、ｎ_A）と厚さｔ_B
の物質Ｂ（屈折率、ｎ_B）を交互に積み重ねた周期ａ＝
（ｔ_A＋ｔ_B）の構造である。このような多層構造体１は
１次元のフォトニック結晶とみなすことができ、フォト
ニック結晶の理論によりフォトニックバンド図を計算に
より求めることができる。計算の方法は、"Photonic Cr
ystals", Princeton University Press (1995) あるい
は、Physical Review B 44巻、16号、p.8565、1991年、
などに詳しい。

【００２２】周期的多層構造体のバンド図の範囲は図３
のＹ方向（周期方向）には限定されるが、ＸおよびＺ方
向（平面の広がる方向）には無限に広がっている。図４
と図５は、ｎ_A＝１．４４（ｔ_A＝０．５ａ）ｎ_B＝２．１８（ｔ_B＝０．５ａ）の層を交互に重ねた周期ａの多層膜についての、平面波
法によるバンド計算の結果を、ＴＨ偏光とＴＥ偏光のそ
れぞれ第１〜第３バンド（下から１、２、３番目のバン
ド）について示したものである。ここで、ＴＨ偏光は磁
場の向きがＸ軸方向である偏光を、ＴＥ偏光は電場の向
きがＸ軸方向である偏光をそれそれ表わす。

【００２３】なお、図４、図５の各曲線に対して示した
数字は、規格化周波数 ωａ／２πｃである。ここで、ωは入射光の角振動数、ａは多層構造
体の周期、ｃは真空中での光速である。規格化周波数
は、真空中の入射光波長λ₀を用いて、ａ／λ₀とも表わ
すことができるので、以下ではａ／λ₀と記述する。図
４と図５は、逆空間における１周期を表わすブリルアン
ゾーンであり、縦はＹ軸方向で上下の境界は中心から±
π／ａの範囲を表わす。横はＺ軸方向（Ｘ軸方向でも同
じ）であり、周期性がない方向なので境界線は存在せ
ず、図の両端は計算の範囲を示す便宜的なものである。
ブリルアンゾーン内での位置は多層構造体内での波数ベ
クトルを、曲線は入射光波長λ₀に対応するバンドを意
味する。

【００２４】ここで、図３の構造においてＸＹ平面を入
射端面として、この端面からＺ軸方向に平面波（ＴＨ偏
光）を垂直入射させる場合について、フォトニック結晶
内の伝播光を考える。図４の各バンド図（ＴＨ）におい
て、原点からＺ軸方向についてａ／λ₀値の変化を示し
たのが図６である。同様に図５の各バンド図（ＴＥ）に
おいて、原点からＺ軸方向についてａ／λ₀値の変化を
示したのが図７である。ただし、図６ではバンドの交叉
があるので、図４に示す第２バンドと第３バンドを途中
で入れ替えて表示している。図６に示すように、入射光
の真空中の波長がλ_Aの場合、フォトニック結晶内では
第１バンドに対応する波数ベクトルｋ_A1が存在する。換
言すると、周期λ_A1＝２π/ｋ_A1の波動としてフォトニ
ック結晶内をＺ軸方向に伝播する（以下、第１バンド光
とする）。

【００２５】ところが、入射光の真空中の波長がλ_Bの
場合には、第１、第２、第３バンドに対応する波数ベク
トルｋ_B1、ｋ_B2、ｋ_B3が存在する。従って、周期λ_B1＝
２π/ｋ_B1の第１バンド光、λ_B2＝２π/ｋ_B2の第２バン
ド光、およびλ_B3＝２π/ｋ_B ₃の第３バンド光がそれぞ
れフォトニック結晶内をＺ軸方向に伝播する。ところ
が、この構造においては第２バンドが「非結合性」バン
ドなので、実際には伝播しない。非結合性バンドについ
ての理論は、Physical Review B、 52巻（1995年）7982
頁、あるいはPhysical Review Letters、68巻（1995
年）2023頁などの文献に記述されている。

【００２６】図８は波長λの入射光３が周期的多層構造
体に入射したときのＺ軸方向への伝播光と、多層構造体
の両側の表面に接する媒体Ｍ１、Ｍ２への屈折光とを第
３バンドについてそれぞれ示したものである。第３バン
ド伝播光は、波数ベクトルｋに応じた角度θで、多層構
造体表面に接する媒体Ｍ１との界面から屈折光となって
出射される。ただし、屈折光が出射されるためには、図
から明らかなように、円の半径で表される媒体の屈折率
が一定値より大きい必要がある。円の半径は、媒体の屈
折率をｎとして２πｎ/λ₀であることから、ｋ＜２πｎ/λ₀ であれば屈折光が出射される。屈折光の角度θは一定値
なので、出射光は非常に指向性の良い光束となる。

【００２７】つぎに、上記屈折光を分光素子として利用
するための条件について述べる。真空中での波長λ₀に
対して、対応するフォトニック結晶中の周期は２π/ｋ
（たとえば図６の横軸）となるので、λ₀／（２π／
ｋ）を実効屈折率と定義する。図６から理解できるよう
に、最低次である第１バンド光のａ／λ₀とｋはほぼ比
例するため、実効屈折率もλ₀によりほとんど変化しな
いので、屈折光の波長分散も小さい。ところが、第２バ
ンド、第３バンドでは、ａ／λ₀とｋが比例関係から大
きくはずれているので、λ₀のわずかな違いに対して
も、実効屈折率が大きく変化する。すなわち、屈折光に
非常に大きい波長分散が現われるので、分光素子として
利用できる。これは、いわゆるスーパープリズム効果の
一種である。スーパープリズム効果は、Physical Revie
w B、58巻（1998年）10096頁の文献で提唱されている。

【００２８】図には示していないが、第４以上のバンド
も大きい波長分散を示す。しかし、バンドの重なりを防
ぐためには、第２、第３といった低次のバンドを利用す
ることが望ましい。ただし、上述したように「非結合
性」バンドは利用できないので、最も望ましいバンドは
「最低次から２番目の結合性バンド」であり、図６にお
いては第３バンドがこれに相当する。

【００２９】多層構造体の１周期内の平均屈折率（後
述）をｎ_M とすると、概略ａ／λ₀≦０．５／ｎ_M の範囲では第１バンドしか存在しない（図４、図５参
照）。上記のように、第１バンドは利用に適さないの
で、多層構造体の周期ａは使用波長λ₀に対して λ₀／２ｎ_M≦ａの関係を満たす必要がある。

【００３０】また、使用波長λ₀に対する媒体の屈折率
をｎ_s、最低次ではない結合性バンドの波数ベクトルを
ｋ_sとすると、屈折が起こるための条件は上述したよう
に０＜ｋ_s＜２πｎ_s／λ₀ もしくは、０＜ｋ_s・λ₀／（２π・ｎ_s）＜１である。

【００３１】また、図２の多層構造体はＸ軸方向とＹ軸
方向の構造に大きな違いがあるため、偏光方向により実
効屈折率は異なる値となる。これは、図６（ＴＨ偏光）
と図７（ＴＥ偏光）のグラフが異なることからも明らか
である。従って、多層構造体の屈折光の角度θはＴＥ偏
光、ＴＨ偏光で異なった値となり、偏光分離の作用があ
る。従って、本発明の光学素子では波長による分光と偏
光分離を同時に行なうことができる。このため、従来の
回折格子と偏光分離素子の組合せによる機能を単一の素
子で実現でき、光システムを単純化することができる。

【００３２】周期的多構構造体は、図３に示すような２
種類の物質による構成に限定されない。物質は３種類以
上であってもよい。ただし積層は各層の屈折率、厚みが
一定の周期をもっている必要がある。周期的多層構造体
は一般的にはｎ種類（ｎは正の整数）の物質の積層体か
らなる。１周期を構成する物質１、２、・・・、ｎの屈
折率をｎ₁、ｎ₂、・・・，ｎ_n、厚さをｔ₁、ｔ₂、・・
・、ｔ_nとする。また使用波長λにおける多層構造体一
周期あたりの平均屈折率ｎ_Mをｎ_M＝（ｔ₁・ｎ₁＋ｔ₂・ｎ₂＋・・・＋ｔ_n・ｎ_n）／ａと定義する。１周期ａは、ａ＝ｔ₁＋ｔ₂＋・・・＋ｔ_n である。

【００３３】図８に示すように、屈折光は多層構造の両
側から取り出すことができる。媒体Ｍ１の屈折率が媒体
Ｍ２の屈折率より小さい場合、屈折光は、Ｍ１側、Ｍ２側共に発生しない屈折光は、Ｍ２側のみ発生する屈折光は、Ｍ１側、Ｍ２側共に発生するの３種類に分類することができる。屈折光を片側に集中
させたければの条件、両側で個別に利用したければ
の条件を選べば良い。の条件では本発明の光学素子と
して機能させることができない。

【００３４】入射光の分割による屈折光強度の低減を防
ぐために、多層構造体の片面に反射層を設けることによ
り、屈折光を反射層の逆側に集中させ強度を上昇させる
こともできる。たとえば、媒体Ｍ１として空気（もしく
は真空）を用いると屈折光の波長分散を最大とすること
ができるものの、Ｍ２側への屈折光が必ず生じてしま
う。そこで、例えば多層構造体と媒体Ｍ２の界面に反射
層を設ければ空気側に屈折光を集中することができる。

【００３５】図６、図７から明らかなように、多層構造
体の内部で第２バンド以上の光が伝播する条件では第１
バンド伝播光が必ず存在する。第１バンド光は波長分散
の目的には不適なので、入射光の利用効率という点では
損失となる。発明者らのシミュレーションによると、多
層構造を構成する物質の屈折率比を大きくするほど、第
２バンド以上の伝播光の割合が（第１バンド伝播光と比
較して）増加するので、入射光の利用効率を高めること
ができる。

【００３６】本発明に用いるフォトニック結晶の材料と
しては、使用波長域における透明性が確保できるもので
あれば特に限定はないが、一般的に多層膜の材料として
用いられ、耐久性や製膜コストの点で優れたシリカ、酸
化チタン、シリコン、酸化タンタル、酸化ニオブ、フッ
化マグネシウムなどが適する材料である。ただし、材料
間の屈折率比が小さいと変調作用が弱くなり、期待され
る作用が発揮されないこともあるので、材料間の最大屈
折率比として０．１以上確保することが望ましい。材料
を適切に選定すれば、本発明の作用は通常使用される２
００ｎｍ〜２０μｍ程度の波長範囲で発揮される。

【００３７】多層膜を形成する方法としては、真空蒸
着、スパッタ、イオンアシスト蒸着、ＣＶＤ法などを利
用することができる。また、フォトニック結晶を構成す
る各層が、連続的に屈折率が変化するものであっても、
屈折率差が確保されていれば特性はほとんど同じとな
る。基板の材質としても、使用波長域における透明性が
確保できるものであれば特に限定はなく、ソーダライム
ガラス、光学ガラス、シリカ、シリコン、あるいはガリ
ウム砒素などの化合物半導体などが適する材料である。
温度特性などの限定が小さければ、プラスチック材料で
も良い。

【００３８】本発明は、例えば平面基板上に、基板表面
と平行な方向に周期を有する多層構造体を作製して、平
板状光回路部品として使用することもできる。また、以
上述べた構成では入射光を多層構造体の端面から入射
し、層面に平行な表面から出射させているが、入射光と
出射光を入れ換えて使用することもできる。同一構造の
多層構造体であれば、端面から入射する場合と入出射光
の間でちょうど逆の関係が成り立つ。したがって入射光
を多層構造体の表面に対して一定の角度で入射する。波
長に対して適切な入射角度を設定すると、入射光は多層
構造体の層面に沿って伝搬し、端面から出射する。すな
わち異なる波長の光を合波する機能が具備されているこ
とになる。

【００３９】以上、説明した光学素子は図９に示すよう
に分光装置として構成することができる。図１同様に基
板２上に周期的多層構造体１を形成し、分光機能を備え
た光学素子２０とする。この例では分波光５を基板２側
に出射させるため、多層構造体の表面には反射層７を設
け、表面側に出射する屈折光を反射させ、分波光として
の利用率を向上するようにしている。複数波長λ₁、
λ₂、・・・を含む入射光３を多層構造体端面１ａから
入射させる。入射手段としてはレンズ等を用いて入射光
を空間的に結合する。この他、光ファイバ、光導波路等
を用いて入射光を結合してもよい。

【００４０】入射した光は上で説明した原理により波長
毎に異なった角度で基板２側に出射され、分波光５とな
る。これをレンズ２８で集光すると、光検出手段２９の
受光面上の異なる位置に入射させることができる。光検
出手段を受光素子アレイとすれば、異なる波長の光を異
なる素子で受光するように設定することができる。ある
いは複数の光ファイバを配列し、異なる波長の光が異な
る光ファイバに入射するようにしてもよい。

【００４１】また、この光学素子は偏光分離機能を有す
るため、図１０に示すように偏光分離装置３０として構
成することもできる。複数の偏光成分を含む光、例えば
単一モード光ファイバ３２の伝搬光を多層構造体１の端
面１ａに入射する。入射した光は異なる偏光成分に対し
て異なる角度で多層構造体１の表面から出射する。これ
を上記分光装置同様にレンズ２８で集光すると、光検出
手段２９の受光面上の異なる位置に入射させることがで
きる。それぞれ複数の偏光成分を含む異なる波長の光を
入射し、波長分離（分波）と偏光分離を同時に行うこと
も可能である。

【００４２】（実施例）厚さ１ｍｍの平行平面基板２
（材質は石英ガラス）の片面に多層膜層１を形成した。
基板表面に酸化チタン（厚さｔ₁＝２１２ｎｍ）の薄
膜、次にシリカ（厚さｔ₂＝２１２ｎｍ）の薄膜を形成
して１周期とし、これを２０周期（４０層）繰り返し
た。空気と接する表面はシリカ層である。

【００４３】上記基板を切断・研磨して、幅１ｍｍ、長
さ２０ｍｍの棒状サンプル（図１１）として、図１２の
装置により波長分散を測定した。光源としてはキセノン
ランプの白色光をモノクロメータにて略単色光源とした
ものを用いた。モノクロメータからの出射光は、マルチ
モード光ファイバを通した後に略平行光束として偏光プ
リズム１３を通過させ、対物レンズ１４により概略ＮＡ
＝０．１の収束光とし、焦点位置にサンプルの多層膜垂
直端面を置いて入射させた。

【００４４】偏光プリズム１４により入射光をＴＥ偏光
とした場合での、空気側屈折光の角度を、ｆ−θレンズ
系をもつ可視用ＣＣＤカメラで測定した。方向角θと入
射光波長λ₀の関係を図１３に示す。図１３の「理論
値」は、第３バンド光の屈折角を、平面波法によるバン
ド計算結果から求めたものである。λ₀の波長変化Δλ
＝１％に対して、屈折角θはΔθ≒２．２°変化した。
上記波長分散は、通常のスリット型の回折格子などと比
べると、はるかに大きい値である。

【００４５】ここで実験値が示されている屈折角θが２
０°〜６０°の範囲ではとくに強い屈折光が得られた。
そこで、上で規定したｋ_s・λ₀／（２π・ｎ_s）の範囲
のうち、屈折角が２０°〜６０°となるつぎの範囲、ｃｏｓ６０°≦ｋ_s・λ₀／（２π・ｎ_s）≦ｃｏｓ２０
° がさらに望ましい範囲である。

【００４６】また、実験によると、ｋ_sとｋ₁が簡単な整
数比、すなわちｋ_s＝ｋ₁／ｍ（ｍ＝２、３、４、…）となる波長の前後±１０％程で屈折光は特に強く現われ
る現象が観察された。従って、０．９ｋ₁／ｍ≦ｋ_s≦１．１ｋ₁／ｍも好ましい範囲である。なかでも、ｋ_sを「最低次から
２番目の結合性バンド」の波数ベクトル（ｍ＝２）とす
る条件が最も実現容易で好適な条件である。上記の現象
が起こる原因について、詳しいことは不明であるが、伝
播光の周期が整数比となることによって共鳴が起こり、
ｋ_sに対応する波長の伝播光が屈折しやすくなったので
はないかと考えられる。つぎに２、３の条件で光学素子
の特性を計算結果により説明する。

【００４７】（計算例１）以下の計算例において波長λ
₀、周期ａの数値は便宜的なものであり、ａ／λ₀の値が
同じであればスケール以外は同じ結果となる。図３に模
式図を示した、１周期が２層により構成される構造につ
いて、以下の条件を設定した。屈折率ｎ₁＝１．４４屈折率ｎ₂＝２．２８層厚ｔ₁＝０．５ａ層厚ｔ₂＝０．５ａただし、ａはＹ方向の周期長である。したがって多層構造体の平均屈折率ｎ_M＝１．８１となる。また、

【００４８】多層構造体の表面と接する媒体Ｍ１の屈折
率ｎ_s1＝１．５０ａ／λ₀＝０．７３０とした。上記構造の多層構造体に対して、ＸＹ平面を入
射面として、真空から波長λ₀の平面波（ＴＥ偏光）を
入射させる。以上の設定条件において、平面波法による
フォトニックバンド計算を行ない、以下の結果を得た。

【００４９】第１バンドの波数ベクトルの大きさは、ｋ₁＝１．４６・２π／ａ（ＴＥ偏光、Ｚ方向）であり、第３バンドの波数ベクトルの大きさは、ｋ_s＝０．７２７・２π／ａ（ＴＥ偏光、Ｚ方向）である。したがって両者の比は、ｋ₁／ｋ_s＝２．０１となり、ほぼ整数ｍ＝２に相当する。また、 λ₀／２ｎ_M＝０．３７８ａであり、λ₀／２ｎ_M＜ａの関係を満たしている。さら
に、ｋ_s・λ₀／（２π・ｎ_s1）＝０．６６４＝ｃｏｓ４８° である。

【００５０】上記設定条件の多層構造体について、ＹＺ
平面内の電磁波を有限要素法によりシミュレーションし
た結果を画像表現した結果を図１４に示す。図で縞状に
示されている濃淡が光の波面を示しており、濃淡のコン
トラストが大きいほど、光の振幅、すなわち強度が大き
いことを意味する。媒体Ｍ１側に、非常に強い屈折光が
生じていることがわかる。屈折角は、Ｍ１側 θ1＝５０° であり、バンド計算結果（４８°）に近い値となった。

【００５１】（計算例２）計算例１と、ａ／λ₀の値の
みが異なるつぎの条件で計算を行なった。ａ／λ₀＝０．７５８計算結果を以下に記す。第１バンドの波数ベクトルの大
きさは、ｋ₁＝１．５２・２π／ａ（ＴＥ偏光、Ｚ方向）であり、第３バンドの波数ベクトルの大きさは、ｋ_s＝０．７９８・２π／ａ（ＴＥ偏光、Ｚ方向）である。両者の比は、ｋ₁／ｋ_s＝１．９０ λ₀／２ｎ_M＝０．３７８ａｋ_s・λ₀／（２π・ｎ_s1）＝０．７０２＝ｃｏｓ４５°

【００５２】上記設定条件の多層構造体について、ＹＺ
平面内の電磁波を有限要素法によりシミュレーションし
た結果を図１５に示す。媒体Ｍ１側に、強い屈折光が生
じていることがわかる。屈折角は、Ｍ１側 θ1＝４７° であり、バンド計算結果（４５°）とほぼ一致した。

【００５３】計算例１と計算例２を比較すると、入射波
長の違いが屈折角の分散となっていることがわかる。計
算例２（ａ／λ₀＝０．７５８）の入射波長をλとする
と、計算例１（ａ／λ₀＝０．７３０）の入射波長は
１．０３８λ（Δλ＝３．８％）である。屈折角の差は
３°なので、Δλ＝１％あたりの屈折角差Δθは約０．
８°である。

【００５４】（計算例３）図３に模式図を示した、１周
期が２層により構成される構造について、以下の条件を
設定した。屈折率ｎ₁＝１．４４屈折率ｎ₂＝２．２８Ｙ方向の周期長ａ＝４３０ｎｍ層厚ｔ₁＝０．５ａ層厚ｔ₂＝０．５ａ上記同様、多層構造体の平均屈折率ｎ_M＝１．８１となる。また、多層構造体の表面と接する媒体Ｍ１の屈折率ｎ_s1＝１．
００多層構造体の表面と接する媒体Ｍ２の屈折率ｎ_s2＝１．
４４とした。ＸＹ平面を入射面として、真空から波長λ₀＝
６３３ｎｍの平面波(ＴＥ偏光)を入射させる。したがっ
てａ／λ₀＝０．６７９である。

【００５５】以上の設定条件において、平面波法による
フォトニックバンド計算を行ない、以下の結果を得た。
第１バンドの波数ベクトルの大きさは、ｋ₁＝１．３５・２π／ａ（ＴＥ偏光、Ｚ方向）であり、第３バンドの波数ベクトルの大きさは、ｋ_s＝０．５９６・２π／ａ（ＴＥ偏光、Ｚ方向）である。したがって両者の比は、ｋ_1/ｋ_s＝２．２７となる。また、 λ₀／２ｎ_M＝１７９．４ｎｍ＝０．４１７ａであり、λ₀／２ｎ_M＜ａの関係を満たしている。さら
に、ｋ_s・λ₀／（２π・ｎ_s1）＝０．８７７＝ｃｏｓ２９° ｋ_s・λ₀／（２π・ｎ_s2）＝０．５８５＝ｃｏｓ５４° が得られた。

【００５６】上記設定条件の多層構造について、ＹＺ平
面内の電磁波を有限要素法によりシミュレーションした
結果を図１６に示す。媒体Ｍ１側、Ｍ２側に、強い屈折
光が生じていることがわかる。屈折角は、Ｍ１側 θ1＝３３° Ｍ２側 θ2＝５５° であり、バンド計算結果（２９°、５４°）とほぼ一致
した。

【００５７】（比較計算例４）多層構造体の表面と接する媒体Ｍ１の屈折率ｎ_s1＝１．
００多層構造体の表面と接する媒体Ｍ２の屈折率ｎ_s2＝１．
４４とした。ＸＹ平面を入射面として、真空から波長λ₀＝
６３３ｎｍの平面波(ＴＥ偏光)を入射させる。したがっ
てａ／λ₀＝０．６７９である。

【００５８】以上の設定条件において、平面波法による
フォトニックバンド計算を行ない、以下の結果を得た。
第１バンドの波数ベクトルの大きさは、ｋ₁＝１．３５・２π／ａ（ＴＥ偏光、Ｚ方向）であり、第３バンドの波数ベクトルの大きさは、ｋ_s＝０．５９６・２π／ａ（ＴＥ偏光、Ｚ方向）である。

【００５９】図３に模式図を示した、１周期が２層によ
り構成される構造について、以下の条件を設定した。屈折率ｎ₁＝１．４４屈折率ｎ₂＝２．１８Ｙ方向の周期ａ＝２００ｎｍｔ₁＝０．５ａｔ₂＝０．５ａこの場合、上記同様、多層構造体の平均屈折率ｎ_M＝
１．８１となる。また、多層構造の表面と接する媒体Ｍ
１の屈折率ｎ_s1＝１．５０とした。ＸＹ平面を入射面と
して、真空から波長λ₀＝６３３ｎｍの平面波(ＴＥ偏
光)を入射させる。したがってａ／λ₀＝０．３１６である。

【００６０】上記設定条件において、平面波法によるフ
ォトニックバンド計算を行ない、以下の結果を得た。第
１バンドの波数ベクトルの大きさは、ｋ₁＝０．５９２・２π／ａ（ＴＥ偏光、Ｚ方向）であるが、第３バンドの波数ベクトルは存在しない（Ｔ
Ｅ偏光、Ｚ方向）。また λ₀／２ｎ_M＝１７４．９ｎｍ＝０．８７５ａであり、λ₀／２ｎ_Mはａより小さいが、両者はかなり近
い値となっている。ｋ₁・λ₀／（２π・ｎ_s2）＝１．２５＞１となり、第１バンド屈折光は存在しない。

【００６１】上記設定条件の多層構造について、ＹＺ平
面内の電磁波を有限要素法によりシミュレーションした
結果を図１７に示す。多層構造に第３バンド伝播光が存
在せず、第１バンド光も屈折する条件ではないので、媒
体側にはごく弱いノイズ光しか認められない。

【００６２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
周期的多層構造体に複数のバンド光が伝播する場合、分
散性の高いものを屈折光としてとりだすことができ、か
つその相対的強度も増加させ出力効率を高めることが可
能となる。従って、波長分散角の非常に大きい分光素子
とすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光学素子の基本構造を示す模式図であ
る。

【図２】２層の均質物質における伝播光と屈折光の関係
を示す図である。

【図３】本発明の周期的多層構造体を示す説明図であ
る。

【図４】周期的多層構造体のＴＨ偏光におけるフォトニ
ックバンド図の一例を示す図である。

【図５】周期的多層構造体のＴＥ偏光におけるフォトニ
ックバンド図の一例を示す図である。

【図６】ＴＨ偏光におけるフォトニックバンド図の原点
からＺ軸方向へのａ／λ0変化を示す図である。

【図７】ＴＥ偏光におけるフォトニックバンド図の原点
からＺ軸方向へのａ／λ0変化を示す図である。

【図８】周期的多層構造体のフォトニックバンド図と両
側表面からの屈折光の関係を示す図である。

【図９】周期的多層構造体を用いて構成した分光装置を
示す図である。

【図１０】周期的多層構造体を用いて構成した偏光分離
装置を示す図である。

【図１１】実験用光学系に用いた多層構造体試料を示す
図である。

【図１２】実験用光学系を示す図である。

【図１３】本発明実施例の波長分散性を示す図である。

【図１４】本発明の計算例における結果を示す図であ
る。

【図１５】本発明の他の計算例における結果を示す図で
ある。

【図１６】本発明の他の計算例における結果を示す図で
ある。

【図１７】本発明の他の計算例における結果を示す図で
ある。

【図１８】従来の分光装置の光学系を示す図である。

【符号の説明】

１多層構造体、多層膜層２基板３入射光４屈折光（空気側）５屈折光（基板側）６伝播光７反射層８キセノンランプ９モノクロメータ１０マルチモード光ファイバ１１コリメータ１２偏光プリズム１３対物レンズ１４ f-θレンズ系１５ CCDカメラ

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｇ０２Ｂ 6/28 Ｂ (72)発明者中澤達洋大阪府大阪市中央区北浜四丁目７番28号日本板硝子株式会社内 (72)発明者小山正大阪府大阪市中央区北浜四丁目７番28号日本板硝子株式会社内 (72)発明者浅井貴弘大阪府大阪市中央区北浜四丁目７番28号日本板硝子株式会社内Ｆターム(参考） 2G020 AA03 BA20 CA15 CA17 CB32 CC13 CC14 CC15 CD24 2H047 KA02 MA03 RA02 2H049 BA05 BA42 BC23 BC25 2H099 BA17 CA00 DA05

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】１次元フォトニック結晶とみなせる１周期
の長さがａである周期的多層構造体の１周期内の平均屈
折率が、真空中における波長がλ₀である光に対してｎ_M
であるとき、ａが次式の条件、 λ₀／２ｎ_M ≦ａを満たす前記多層構造体に対して、その層面と略垂直な
端面を光入射面とし、前記層面に平行な表面を光出射面
とする光学素子において、前記層面と平行であり周期構
造を有さない方向について、前記波長λ₀に対応する前
記フォトニック結晶の最低次ではない結合性バンドの波
数ベクトルの大きさをｋ_s、前記多層構造体の光出射面
となる、層面に平行な表面に接する媒体の前記波長λ₀
における屈折率をｎ_sとするとき、０＜ｋ_s・λ₀／（２π・ｎ_s）＜１の条件が満たされることを特徴とする光学素子。
【請求項２】１次元フォトニック結晶とみなせる１周期
の長さがａである周期的多層構造体の１周期内の平均屈
折率が、真空中における波長がλ₀である光に対してｎ_M
であるとき、ａが次式の条件、 λ₀／２ｎ_M ≦ａを満たす前記多層構造体に対して、その層面に平行な表
面を光入射面とし、前記層面と略垂直な端面を光出射面
とする光学素子において、前記層面と平行であり周期構
造を有さない方向について、前記波長λ₀に対応する前
記フォトニック結晶の最低次ではない結合性バンドの波
数ベクトルの大きさをｋs、前記多層構造体の光入射面
となる、層面に平行な表面に接する媒体の前記波長λ₀
における屈折率をｎ_sとするとき、０＜ｋ_s・λ₀／（２π・ｎ_s）＜１の条件が満たされることを特徴とする光学素子。
【請求項３】前記結合性バンドが最低次から２番目の結
合性バンドであることを特徴とする請求項１または２に
記載の光学素子。
【請求項４】次式の条件ｃｏｓ６０°≦ｋ_s・λ₀／（２π・ｎ_s）≦ｃｏｓ２０
° を満たすことを特徴とする請求項１または２に記載の光
学素子。
【請求項５】前記最低次の結合性バンドの波数ベクトル
の大きさをｋ₁とするとき、ｋ_sが、０．９ｋ₁／ｍ≦ｋ_s≦１．１ｋ₁／ｍ（ｍは２以上の
整数）の条件を満たすことを特徴とする請求項１または２に記
載の光学素子。
【請求項６】光入射面もしくは光出射面とする多層構造
体の表面に接する媒体が空気もしくは真空であることを
特徴とする請求項１または２に記載の光学素子。
【請求項７】前記周期的多層構造体が、使用波長に対し
て透明な基板上に形成した周期的に同じ構造を繰り返す
光学的多層膜層であり、前記基板と接する多層膜層の表
面を光入射面もしくは光出射面とすることを特徴とする
請求項１または２に記載の光学素子。
【請求項８】前記周期的多層構造体の１周期が互いに異
なる材料各１層から構成されることを特徴とする請求項
１または２に記載の光学素子。
【請求項９】前記周期的多層構造体を構成する各層の境
界のなかに、連続的に組成もしくは特性が変化する層を
含むことを特徴とする請求項１または２に記載の光学素
子。
【請求項１０】前記周期的多層構造体を構成する複数の
物質間における最大屈折率と最小屈折率の比の値が、使
用波長において1.１以上であることを特徴とする請求項
１または２に記載の光学素子。
【請求項１１】請求項１に記載の周期的多層構造体によ
って構成される光学素子と、該光学素子の多層構造体端
面に複数波長の混合した光束を入射させる手段と、前記
多層構造体の表面から波長ごとに異なる角度で出射され
る光線を検知する手段とを有することを特徴とする分光
装置。
【請求項１２】請求項１に記載の周期的多層構造体によ
って構成される光学素子と、該光学素子の多層構造体端
面に複数の偏光成分を含む光束を入射させる手段と、前
記多層構造体の表面から偏光成分ごとに異なる角度で出
射される光線を検知する手段とを有することを特徴とす
る偏光分離装置。