JP2002303713A

JP2002303713A - 光学素子

Info

Publication number: JP2002303713A
Application number: JP2001108475A
Authority: JP
Inventors: Shigeo Kikko; 重雄橘高; Masatoshi Nara; 正俊奈良; 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: 2001-04-06
Filing date: 2001-04-06
Publication date: 2002-10-18

Abstract

(57)【要約】【課題】分光素子として用いられる回折格子からの出射
角の波長依存性は小さく、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】本発明においては、２つまたは３つの異な
る方向に周期的繰り返し構造を有する２次元または３次
元フォトニック結晶を用いた光学素子を提供する。この
光学素子のフォトニック結晶はプリズム構造、もしくは
ブレーズ状回折格子構造に加工する。

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、とくに２次
元または３次元フォトニック結晶を用いたこれらの光学
素子に関する。

【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
９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２２２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ｍ、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＝ｍλ／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＝（Ｌｍ／（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ｍ＝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】上記の課題を解決するた
め、本発明の光学素子は、２つまたは３つの異なる方向
に周期的繰り返し構造を有する２次元または３次元フォ
トニック結晶を用いる。

【００１１】その第１の態様では、２次元フォトニック
結晶において周期的繰り返し構造部分が２方向ともに露
出する第１の端面を光入射面、周期的繰り返し構造部分
が２方向ともに露出する第２の端面を光出射面とする。

【００１２】第２の態様では、２次元フォトニック結晶
において周期的繰り返し構造部分が１方向のみ露出する
第１の端面を光入射面、この光入射面と相対する端面を
光出射面とする。

【００１３】第３の態様では、３次元フォトニック結晶
において周期的繰り返し構造部分が２方向に露出する第
１の端面を光入射面、この光入射面と相対する端面を光
出射面とする。

【００１４】上記３つの態様の光学素子は、いずれもそ
の光入射面に対して光出射面の少なくとも一部が一定の
傾斜角を有していることが望ましい。その際、光入射面
と光出射面がそれぞれ平面である、いわゆるプリズム構
造であっても、光入射面もしくは光出射面が周期的繰り
返し凹凸構造を有する回折格子であってもよい。

【００１５】さらに上記３つの態様において、光入射面
に対して光出射面が傾斜角を有する替わりに、光入射面
に露出する周期的繰り返し構造が、大小２種類の繰り返
し周期から構成されるようにしてもよい。

【００１６】上記各態様の光学素子を分光素子として使
用する場合には、周期的多層構造体に、光の伝播する方
向での使用波長域に対応する結合性フォトニックバンド
が存在し、かつそれら結合性フォトニックバンドは最低
次のものではないことが好ましい。

【００１７】その際、この分光素子が偏光依存性をもた
ないためには、上記第１または第３の態様の光学素子を
用いるのがとくに望ましく、光入射面もしくは光出射面
における周期的繰り返し構造が、光入射面もしくは光出
射面の法線を軸とする９０°回転対称性を有することが
望ましい。

【００１８】さらに第１、第３の態様の光学素子におい
て、光の伝播する方向での使用波長域に対応する結合性
フォトニックバンドの波数ベクトルが１種類のみ存在
し、かつその結合性フォトニックバンドは最低次のもの
ではないことが望ましい。

【００１９】本発明の光学素子を偏光分離素子として使
用する場合には、上記第２の態様を使用するのが望まし
く、かつ光の伝播する方向での使用波長域に対応する結
合性フォトニックバンドが、最低次のバンドのみである
ことが望ましい。

【００２０】上記いずれの周期的繰り返し構造も、屈折
率の異なる３種類の材料により構成されることが好まし
く、またこれらの構造に接する媒体は、空気もしくは真
空であることが好ましい。なお、各光学素子の光入射面
と光出射面は入れ替えて構成してもよい。

【００２１】

【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。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フォトニックバンドギャップを有す
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。

【００２２】本発明では、周期的繰り返し構造が２方向
あるいは３方向に存在する２次元または３次元フォトニ
ック結晶構造を利用することにより、１次元フォトニッ
ク結晶では実現が困難な性能を提供する。はじめに本発
明の基礎となる１次元フォトニック結晶を用いた光学素
子について説明する。

【００２３】図１は本発明の基礎となる「１次元端面入
射構造」を模式的に示した図である。平面基板２の片側
表面に、基板表面と平行な方向（Ｙ方向）に周期を有す
る多層構造体１を形成し、その表面に回折格子の機能を
有する鋸歯状繰り返し凹凸（ブレーズ）構造５を形成す
る。基板側から、基板表面と垂直な入射光３を送り込
み、屈折もしくは回折による出射光４を取り出す。図１
の構造とすると、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。

【００２４】上記現象の原理について簡単に説明する。
図２は、無限に広がる多層構造体の模式図であり、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 Crystals", Princet
on University Press (1995) あるいは、Physical Revi
ew B 44巻、16号、p.8565、1991年、などに詳しい。

【００２５】周期的多層膜のバンド図の範囲は図２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３と
図４は、屈折率１．４４の層（厚さ０．５ａ）屈折率２．１８の層（厚さ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、ＴＥ偏光とＴＨ偏光のそ
れぞれ下から３番目までについて示したものである。

【００２６】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。なお、図３、図４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は入射する光の角振動数、ａは構造
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３
と図４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線は中心から±
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内での波数ベク
トルを、曲線は入射光の波長λ₀（真空中）に対応する
バンドをそれぞれ意味する。

【００２７】ここで、図２の構造においてＸＹ平面を断
面として、この断面からＺ軸方向に平面波(ＴＥ偏光ま
たは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について考える。

【００２８】図３、４の各バンド図において、原点から
Ｚ軸方向へのａ／λ₀値の変化を示したのが図５（ＴＥ
偏光）及び図６（ＴＨ偏光）である。図５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）。

【００２９】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３バンドに対応する波数ベクトルｋ
_B1、ｋ_B3が存在する。ここで、第２バンドは「非結合
性」であるため無視する。従って、周期λ_B1＝２π／ｋ
_B1の第１バンド光、およびλ_B3＝２π／ｋ_B3の波動（以
下、第３バンド光とする）がそれぞれフォトニック結晶
内をＺ軸方向に伝播する。

【００３０】ここで、真空中での周期（λ_A、λ_Bなど）
を、対応するフォトニック結晶中の周期（λ_A1、λ_B3な
ど）で除した数値を「実効屈折率」と定義する。図５か
ら理解できるように、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。しかし、第３バンド光は実効屈折率がλ₀によ
り大きく変化する。

【００３１】したがって、多層構造体１すなわちフォト
ニック結晶を図７に示すように入射面と出射面が平行で
なく一定の傾斜角をもったプリズム状に加工し、複数の
波長を含む平行光線を入射光３として多層構造の層面と
平行でない入射面１ｂに入射させると（基板は図示を省
略する）、入射面１ｂに対して傾斜した出射面１ａから
出射する第１バンド光は通常の均質媒体と同程度の波長
分散しか示さない。これに対して、第３バンド光は非常
に大きい分散を示すため、分散素子として利用すること
ができる。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、以下の文献等で提
唱されている。 Physical Review B、58巻、16号、p.R10096、1998年

【００３２】図７のプリズム形状では、フォトニック結
晶構造体のＺ軸方向の厚みを大きくしなければならない
点が製作上の問題となる。そこで、図８に示すように出
射面１ｃをブレーズ構造５とすれば厚みを大幅に減らす
ことができる。ブレーズ構造の回折についてはよく知ら
れており、ブレーズの周期と深さを最適化設計すれば、
特定の次数の回折光効率を１００％に近いものとするこ
とができる。ただし、スーパープリズム効果による分散
は非常に大きいので、０次回折光に合わせたブレーズ形
状としてもよい。なお、この場合も第１バンド光は存在
するが、図示は省略している（以下同様）。

【００３３】また、図２の多層構造はＸ軸方向とＹ軸方
向の構造に大きな違いがあるため、偏光方向による特性
の違いが現われる。そのために、ＴＥ偏光とＴＨ偏光の
バンド図（図５、６）を比べると、すべてのバンドで異
なっており、特に第１バンドは差が大きい。そこで、第
１バンドは偏光分離に役立てることができる。たとえ
ば、図５、図６のａ／λAに相当するＴＥ、およびＴＨ
の入射光は、大きく角度の異なる出射光となる。この場
合は第３バンド光が存在しないので、入射光の利用効率
を大きくすることができる。なお、図６においては第２
バンドと第３バンドの交叉（偶然の縮退）があるので、
図４における２番目、３番目の結果とは一致していな
い。

【００３４】図８のブレーズ構造のかわりに、Ｙ軸方向
の周期を、小周期と大周期の二重構造としても良い。一
例を図９に示す。この例では小周期Ｐ_sは２種類の物質
Ａ、Ｂの積層繰り返しの周期である。大周期Ｐ_Lの１周
期の範囲内では物質Ａの膜厚がＹ軸方向に一定の割合で
増加し、物質Ｂの膜厚が同じ割合で減少している。この
ためＹ軸方向に平均屈折率が傾斜し、フォトニック結晶
内での波動周期が連続的に変化して、波面に傾きが生じ
る。これが大周期Ｐ_Lをもって繰り返すため、光出射側
表面の波面も鋸歯状となるので、結果としてブレーズ状
の凹凸形状と同等の光学的効果が生じる。

【００３５】［第１の実施形態]上述した１次元端面入
射構造では、入射面でのＸ方向とＹ方向で構造が大きく
異なるために、ＴＥ偏光とＴＨ偏光での違いが現われ
る。そこで、ＸＹ平面における構造に、光の入射方向で
あるＺ軸の周りに９０°回転対称性を持たせれば、偏光
方向による差をなくすことができる。このような対称性
は例えばつぎのような構造により実現できる。

【００３６】図１０は、屈折率がそれぞれｎ₁、ｎ₂、ｎ
₃、ｎ₄である４種類の物質Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄからなるフォ
トニック結晶の模式図である。各物質はそれぞれＸＹ平
面を底面とする角柱状であり、物質Ｃは底面が正方形の
四角柱である。いずれもＺ軸方向には構造をもたない。
端面の一部の拡大図に示されるように、ＸＹ断面が正方
形の物質ＣのＸ方向の両隣には物質Ｄが、またＹ方向の
両隣には物質Ａがそれぞれ辺を接して配列されている。
物質Ｂは物質Ｃとは辺を接しない位置を占める。もちろ
ん、Ｘ方向の周期ａｘとＹ方向の周期ａｙは等しい。こ
のとき、ｎ１＝ｎ４であればＺ軸周りの９０°回転対称
性が実現するので、物質ＡとＤを同一物質とすればよ
い。この９０°回転対称パターンは一例であってこれに
限定はされない。９０°回転対称パターンの一般的な例
を図１１に示す。

【００３７】分光素子としては、図７の「１次元端面入
射構造」と同様の構造をとり、ＸＹ平面と平行な一端面
からＺ方向に平行光を入射させる。屈折光は裏面側を出
射面として得られるが、１次元の場合同様に入射端面と
出射端面が平行でないようにプリズム型に加工すると大
きな波長分散効果が得られる。図８のようにこれをブレ
ーズ状に加工してもよい。この構造の分光素子は偏光依
存性がなく、偏光が混在する光ファイバ伝搬光などを偏
光に関係なく分光するために好適である。

【００３８】[第２の実施形態］１次元端面入射構造は
比較的単純な多層構造なので製作しやすいという利点が
ある。ところが、図５、図６から明らかなように、第３
バンド光が発生する条件では第１バンド光も存在する。
従って、分散の大きい第３バンド光を分光素子として利
用しようとする場合、入射光に対する第３バンド光の割
合、すなわち光量の利用効率が低くなるという問題が生
じる。この問題に対しては、Ｚ軸方向に周期性を導入し
て第３バンド光の割合を大きくすることが考えられる。

【００３９】Ｙ方向とＺ方向に周期構造を有する２次元
フォトニック結晶構造の一例を、図１２に示す。この構
造は、図１０に示した構造をＹ軸の周りに９０°回転し
た場合に相当するが、各物質のＹＺ断面の１周期単位は
正方形である必要はなく、Ｙ方向の周期ａｙとＺ方向の
周期ａｚが等しい必要はない。たとえば図１２の構造に
おいて、ｎ₁＝１．４４ｎ₂＝２．１８ｎ₃＝１．００ｎ₄＝１．００ａｙ＝１ａｚ＝０．５ｔｙ＝０．５ｔｚ＝０．５とした場合、ＸＹ平面に平行な端面からＺ軸方向に平面
波（ＴＥ偏光）を垂直入射させる場合、すなわち「１次
元端面入射２次元構造」について、フォトニック結晶内
の伝播光について考える。

【００４０】ブリルアンゾーンの原点からＺ軸方向への
バンドを部分的な拡張ゾーン方式で示したのが図１３で
ある。図１３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結合性の第３バンド
に対応する波数ベクトルｋ_A3のみが存在する。１次元の
場合においては第３バンドによる波数ベクトルが２種類
存在したが、図１３の場合にはｋ＝１．０の付近に大き
いバンドギャップが存在するため、波数ベクトルは１種
類となる。ただし、第２バンドは非結合性である。

【００４１】図１３と同じ条件のフォトニック結晶につ
いて、波動の伝播（ＴＨ偏光）を有限要素法により数値
計算した結果が図１４である。図１４はａｙ／λ0＝
０．７０の場合に、Ｚ軸方向での電場の強さを：ｎ＝２．１８の層の中央：ｎ＝２．１８の層とｎ＝１．４４の層の境界：ｎ＝１．４４の層の中央：との中間：との中間について示したものである。各層では振幅が異なり、多
少のノイズが見られるものの、単一周期の第３バンド光
が伝播していることがわかる。従って、図１２の構造で
は入射光を効率良く単一の第３バンド光に変換すること
ができると言える。

【００４２】分光素子などとしての使い方については
「１次元端面入射構造」と同じである。１次元構造より
も構造は複雑になるが、入射光をより高い効率で利用す
ることができる。

【００４３】［計算例１］図１３に模式図を示した２次
元構造について、有限要素法によるシミュレーションを
行なった。設定条件は上記の通りである。Ｙ方向の周期
を具体的にａｙ＝４４３．１ｎｍとした。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
入射させて有限要素法によりＹＺ平面内の電磁波を計算
した。

【００４４】入射平面波の幅は１０ａｙ、構造体のＺ軸
方向の厚さは約７０００ｎｍであり、端面角度は３０°
としてその先は真空とした。伝播方向（Ｚ軸方向）にお
けるＴＥ偏光のバンド図は図１４と同じである。λ₀＝
６３３ｎｍの場合における第３バンドの波数ベクトルの
大きさ、実効屈折率、屈折光の方向角を表１に示す。屈
折光の方向角は実効屈折率と屈折の法則から計算したも
のである。

【００４５】

【表１】λ₀＝６３３ｎｍ、ａｙ／λ₀＝０．７００ −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−− Ｚ方向の伝搬光（ＴＥ偏光）第３バンド波数ベクトルの大きさｋ₃＝0.243・2π/a 実効屈折率 λ₀・k/2π 0.347 屈折光の方向角 θ₃＝10.3° −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−

【００４６】また、シミュレーション結果を図１５に示
す。図１５より第３バンド光：方向角θ＝約１０° であり、表１に記したバンド計算結果に近い値となっ
た。斜め面からの出射光は、第３バンド屈折光がほとん
どを占めている。ただし、構造体中でＹ方向に伝播する
散乱光も強く出ている。これは、Ｚ軸方向の屈折率差が
Ｙ軸方向よりも大きく、光の閉じ込め効果が強いためで
ある。表２にλ₀＝５７５．５ｎｍの場合における計算
結果を示す。

【００４７】

【表２】λ₀＝５７５．５ｎｍ、ａｙ／λ₀＝０．７７０ −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−− Ｚ方向の伝搬光（ＴＥ偏光）第３バンド波数ベクトルの大きさｋ₃＝0.551・2π/a 実効屈折率 λ₀・k/2π 0.716 屈折光の方向角 θ₃＝9.0° −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−

【００４８】λ₀＝６３３ｎｍと５７５．５ｎｍの場合
をバンド計算値で比較すると、入射波長の違いが第３バ
ンド光屈折角の分散となっていることがわかる。６３３
ｎｍと５７５．５ｎｍの波長差Δλが９．１％（６３３
ｎｍ基準）であるのに対して、第３バンド光の方向角差
は１１．０°に及んでいる。従って、Δλ＝１％あたり
の方向角差Δθは約１．２°であり、通常のプリズムや
回折格子よりも大きい分散が得られた。また、１次元の
場合よりも強い第３バンド屈折光が得られているので、
より効率の高い分光素子として役立てることができる。

【００４９】[計算例２］図１２に模式図を示した２次
元構造を図８のようにブレーズ加工した場合について、
有限要素法によるシミュレーションを行なった。ｎ₁＝１．００ｎ₂＝１．００ｎ₃＝２．１８ｎ₄＝１．４４ａｙ＝８１０．２ｎｍａｚ＝ａｙ／４ｔｙ＝０．５ｔｚ＝０．５

【００５０】ＸＹ平面を入射面として、真空から波長λ
₀＝６３３ｎｍの平面波（ＴＥ偏光）を入射させてＹＺ
平面内の電磁波を計算した。構造体のＺ軸方向の厚さは
約５０００ｎｍであり、ブレーズ角度φは３０°とし
て、Ｙ軸方向の周期１５３６ｎｍ（ａｙの３倍）のブレ
ーズ構造とした。その先は真空である。伝播方向（Ｚ軸
方向）におけるＴＥ偏光のバンド図は図１６に示す。

【００５１】λ₀＝６３３ｎｍの場合における第３バン
ドの波数ベクトルの大きさ、実効屈折率、屈折光（０次
回折光）の方向角を表３に示す。屈折光の方向角は実効
屈折率と屈折の法則から計算したものである。

【００５２】

【表３】λ₀＝６３３ｎｍ、ａｙ／λ₀＝１．２８ −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−− Ｚ方向の伝搬光（ＴＥ偏光）第３バンド波数ベクトルの大きさｋ₃＝1.28・2π/aｙ実効屈折率 λ₀・k/2π 1.00 屈折光の方向角 θ₃＝0° −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−

【００５３】また、シミュレーション結果を図１７に示
す。図１７より第３バンド屈折光：方向角θ＝約０° であり、表３に記したバンド計算結果に近い値となっ
た。図１７に発生している「回折光」８は、端面に露出
しているフォトニック結晶構造の周期やブレーズ周期に
より発生した次回折光である。

【００５４】入射光４の波長を変えた例として、表４に
λ₀＝４５０ｎｍの場合における計算結果を、図１８に
シミュレーション結果をそれぞれ示す。

【００５５】

【表４】λ₀＝４５０ｎｍ、ａｙ／λ0＝１．１３８ −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−− Ｚ方向の伝搬光（ＴＥ偏光）第３バンド波数ベクトルの大きさｋ₃＝1.02・2π/a 実効屈折率 λ₀・k/2π 0.896 屈折光の方向角 θ₃＝3.4° −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−

【００５６】図１８より、出射光（屈折光）６の方向角
θは約３°であり、バンド計算値と良く一致している。

【００５７】［第３の実施形態］第２の実施形態である
「１次元端面入射２次元構造」のＸＹ平面における構造
に第１の実施形態同様の９０°回転対称性を持たせれ
ば、第３バンド光を強くすると共に偏光方向による差を
なくすことができる。これはＸ、Ｙ、Ｚの３方向に周期
的繰り返し構造を導入することになり、３次元フォトニ
ック結晶を用いることに相当する。光学素子としては
「２次元端面入射３次元構造」となる。

【００５８】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、シ
リコン、酸化チタン、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
間の屈折率差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、屈折率差として
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２００ｎｍ〜２
０μｍ程度の波長範囲で発揮される。

【００５９】例えば第２の実施例で例示した構造は次の
ように作製することができる。ガラス基板上に真空蒸
着、スパッタ、イオンアシスト蒸着、ＣＶＤ法などを利
用してシリカと酸化チタンの薄膜を交互に積層する。つ
いで膜面に垂直にストライプ状の溝を反応性イオンエッ
チング等の手段を用いて形成する。これによって第２の
実施形態で示した構造が形成できる。３次元フォトニッ
ク結晶を作製方法はこの他にも種々提案されている。

【００６０】

【発明の効果】本発明によれば、２次元もしくは３次元
フォトニック結晶の特定の端面から光を入射する光学素
子により、偏光依存性を制御することができ、偏光依存
性のない分光機能あるいは偏光分離機能を高い効率で実
現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の基礎となる光学素子の構造を示す模式
図である。

【図２】本発明の周期的多層構造体（１次元）を示す説
明図である。

【図３】周期的多層構造体（１次元）のフォトニックバ
ンド計算結果の一例を示す図である。

【図４】周期的多層構造体（１次元）のフォトニックバ
ンド計算結果の他の一例を示す図である。

【図５】周期的多層構造体（１次元）の、光の伝播方向
におけるバンド図である。

【図６】周期的多層構造体（１次元）の、光の伝播方向
における他のバンド図である。

【図７】プリズム状に加工した周期的多層構造体（１次
元、端面入射構造）の分散作用を表わす模式図である。

【図８】ブレーズ状に加工した周期的多層構造体（１次
元、端面入射構造）の分散作用を表わす模式図である。

【図９】２種類の周期を有する周期的多層構造体（１次
元、端面入射構造）の分散作用を表わす模式図である。

【図１０】２次元端面入射構造を表わす模式図である。

【図１１】２次元端面入射構造の端面パターン例を表わ
す模式図である。

【図１２】１次元端面入射２次元構造を表わす模式図で
ある。

【図１３】１次元端面入射２次元構造のフォトニックバ
ンド図の一例である。

【図１４】１次元端面入射２次元構造の内部を伝播する
電場の波動を表わす図である。

【図１５】１次元端面入射２次元プリズム構造光学素子
の光学特性に関する計算結果の一例を示す図である。

【図１６】１次元端面入射２次元構造のフォトニックバ
ンド図の他の一例である。

【図１７】１次元端面入射２次元ブレーズ構造光学素子
の光学特性に関する計算結果の一例を示す図である。

【図１８】１次元端面入射２次元ブレーズ構造光学素子
の光学特性に関する計算結果の他の一例を示す図であ
る。

【図１９】従来の分光装置の光学系を示す図である。

【符号の説明】１フォトニック結晶１ａ、１ｃ光出射面１ｂ光入射面２基板３回折格子４入射光５回折格子６出射光８回折光

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１３年４月１９日（２００１．４．１
９）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】請求項４

【補正方法】変更

【補正内容】

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】請求項５

【補正方法】変更

【補正内容】

フロントページの続き (72)発明者小山正大阪府大阪市中央区北浜４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４丁目７番28号日本板硝子株式会社内Ｆターム(参考） 2H047 KA02 LA21 PA04 PA05 PA24 2H049 AA37 AA44 AA51 AA58 AA59 AA62 AA63 BA05 BA45 BB06 BC25

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】２つの異なる方向に周期的繰り返し構造を
有する２次元フォトニック結晶構造により構成され、前
記周期的繰り返し構造部分が２方向ともに露出する第１
の端面を光入射面、前記周期的繰り返し構造部分が２方
向ともに露出する第２の端面を光出射面とし、かつ前記
光入射面に対して前記光出射面の少なくとも一部が一定
の傾斜角を有していることを特徴とする光学素子。
【請求項２】２つの異なる方向に周期的繰り返し構造を
有する２次元フォトニック結晶構造により構成され、前
記周期的繰り返し構造部分が１方向のみ露出する第１の
端面を光入射面、前記光入射面と相対する端面を光出射
面とし、かつ前記光入射面対して前記光出射面の少なく
とも一部が一定の傾斜角を有していることを特徴とする
光学素子。
【請求項３】３つの異なる方向に周期的繰り返し構造を
有する３次元フォトニック結晶構造により構成され、前
記周期的繰り返し構造部分が２方向に露出する第１の端
面を光入射面、前記光入射面と相対する端面を光出射面
とし、かつ前記光入射面に対して前記光出射面の少なく
とも一部が一定の傾斜角を有していることを特徴とする
光学素子。
【請求項４】前記光入射面と光出射面がそれぞれ平面で
あることを特徴とする請求項１ないし３に記載の波長多
重光記録ヘッド。
【請求項５】前記光入射面もしくは光出射面が周期的繰
り返し凹凸構造を有することを特徴とする請求項１ない
し３に記載の波長多重光記録ヘッド。
【請求項６】２つの異なる方向に周期的繰り返し構造を
有する２次元フォトニック結晶構造により構成され、前
記周期的繰り返し構造部分が２方向ともに露出する第１
の端面を光入射面、前記周期的繰り返し構造部分が２方
向ともに露出する第２の端面を光出射面とし、かつ前記
周期的繰り返し構造のうち少なくとも片方が、大小２種
類の繰り返し周期から構成されることを特徴とする光学
素子。
【請求項７】２つの異なる方向に周期的繰り返し構造を
有する２次元フォトニック結晶構造により構成され、前
記周期的繰り返し構造部分が１方向のみ露出する第１の
端面を光入射面、前記光入射面と相対する端面を光出射
面とし、かつ光入射面に露出する周期的繰り返し構造
が、大小２種類の繰り返し周期から構成されることを特
徴とする光学素子。
【請求項８】３つの異なる方向に周期的繰り返し構造を
有する３次元フォトニック結晶構造により構成され、前
記周期的繰り返し構造部分が２方向に露出する第１の端
面を光入射面、前記周期的繰り返し構造部分が２方向に
露出する第２の端面を光出射面とし、かつ光入射面に露
出する前記周期的繰り返し構造のうち少なくとも片方
が、大小２種類の繰り返し周期から構成されることを特
徴とする光学素子。
【請求項９】前記光入射面における周期的繰り返し構造
が、前記光入射面の法線を軸とする９０°回転対称性を
有することを特徴とする請求項１ないし３に記載の光学
素子。
【請求項１０】前記周期的多層構造体に、光の伝播する
方向での使用波長域に対応する結合性フォトニックバン
ドの波数ベクトルが存在し、かつ前記結合性フォトニッ
クバンドは最低次のものではないことを特徴とする請求
項１ないし３、または請求項６ないし８に記載の光学素
子。
【請求項１１】請求項１０に記載の光学素子において、
光の伝播する方向での使用波長域に対応する結合性フォ
トニックバンドの波数ベクトルが１種類のみ存在し、か
つ前記結合性フォトニックバンドは最低次のものではな
いことを特徴とする光学素子。
【請求項１２】請求項２または７に記載の光学素子にお
いて、光の伝播する方向での使用波長域に対応する結合
性フォトニックバンドが、最低次のバンドのみであるこ
とを特徴とする光学素子。
【請求項１３】前記周期的繰り返し構造が、屈折率の異
なる３種類の材料により構成されることを特徴とする請
求項１ないし３、または請求項６ないし８に記載の光学
素子。
【請求項１４】前記周期的繰り返し構造に接する媒体
が、空気もしくは真空であることを特徴とする請求項１
ないし３、または請求項６ないし８に記載の光学素子。
【請求項１５】請求項１ないし１４に記載の光学素子に
おいて、光入射面と光出射面を入れかえることを特徴と
する光学素子。