JP2003287633A

JP2003287633A - １次元フォトニック結晶を用いた光学素子およびそれを用いた光学装置

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Publication number: JP2003287633A
Application number: JP2002089995A
Authority: JP
Inventors: Shigeo Kikko; 重雄橘高; Kazuaki Oya; 和晃大家
Original assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Priority date: 2002-03-27
Filing date: 2002-03-27
Publication date: 2003-10-10
Anticipated expiration: 2022-03-27
Also published as: TW200403462A; CA2423763A1; US20030184845A1; FR2837935A1; GB0307057D0; JP3979146B2; GB2386966A

Abstract

(57)【要約】【課題】１次元フォトニック結晶を用いて、高次のバ
ンド光のみを利用して高い効率の分光性能を有する光学
素子およびそれを用いた分光装置を提供する。【解決手段】本発明においては、１次元フォトニック
結晶１の端面に位相変調手段８を設けて入射光３に、フ
ォトニック結晶と同じ周期と方向の位相変調を与え、フ
ォトニック結晶内において特定の高次バンド光のみを伝
播させることにより、分光装置として利用する１次元フ
ォトニック結晶の表面からの出射光６の強度を増大さ
せ、すなわち入射光の利用効率を向上させる。また、上
記フォトニック結晶に付加する構造１２の作用により、
フォトニック結晶の片側もしくは両側に出射光６を配分
し、また強度を調整する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、主に光通信システ
ム、光計測機器、レーザの外部共振器等に用いられる光
学素子および分光装置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（または分光装置）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】しかし、回折格子からの出射角の波長によ
る変化量には実用的な限界があり、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。このような問題点を
解決するためには、回折格子より波長に対して大きな角
度変化を生じる光学素子が必要となる。回折格子よりも
大きい波長分散を示す光学素子としては、屈折率の異な
る誘電体を光の波長程度の周期で並べた構造を有するフ
ォトニック結晶がある。フォトニック結晶には、・フォトニックバンドギャップによる光の閉じ込め・特異なバンド構造による非常に大きな波長分散・伝播光の群速度異常といった特性があることは良く知られており、このよう
な特性を利用した数多くの光学素子が提案あるいは研究
されている。

【０００５】このようなフォトニック結晶は、周期構造
を有する方向の数によって、１次元、２次元、３次元に
分類することができる。最も簡単な１次元フォトニック
結晶としては、たとえば平行平面基板に２種類の誘電体
薄膜（ＳｉＯ₂とＴｉＯ₂など）を交互に積層した多層膜
フィルタがあり、すでに実用化している。上記構造は周
期方向にフォトニックバンドギャップを有するため、特
定の波長域の入射光のみを反射するはたらきがある。ま
た、斜め入射光に対するフォトニックバンドギャップの
波長域が偏光方向によって異なることから、偏光分離フ
ィルタとして機能させることもできる。

【０００６】２次元フォトニック結晶としては、フォト
リソグラフィー技術を応用して、基板上の薄膜に空気孔
を並べた構造が良く研究されている。空気孔の配列に線
状欠陥をつくれば、その部分を導波路とすることができ
る。

【０００７】３次元フォトニック結晶では、全方向にわ
たるフォトニックバンドギャップを実現すると立体的な
導波路が実現できることから、１ｍｍ角程度の素子中に
多くの光学素子を組み込むことができるものと期待され
ている。

【０００８】１次元、２次元、３次元のなかで、１次元
フォトニック結晶は製作しやすいという大きな長所があ
る反面、上記の多層膜フィルタ以外にフォトニック結晶
としての特性を生かす方法が少ないことから、２次元、
3次元結晶ほどには研究されてこなかった。しかし、１
次元結晶において、特異なバンド構造による非常に大き
な波長分散を利用することは充分可能であり、その手段
として多層膜層の端面、すなわち多層構造が露出してい
る面を、光入射面もしくは光出射面として使用すること
ができる。

【０００９】本発明者らの研究によると、多層膜層の端
面に略垂直な入射光を入れると、周期性のない方向に光
が伝播して、フォトニック結晶を利用した分光素子とし
ての特性を引き出すことができることが明らかになって
いる（特願２００１−２６６７１５）。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】後述するように、本発
明者らの電磁波シミュレーションによると、１次元フォ
トニック結晶（周期的多層膜）の端面に単色光の平面波
を略垂直に入射させた場合、いくつかのバンドに対応す
る波動に分かれて多層膜層内を伝播することがわかる。
多層膜の周期に対して入射光の波長が充分に長い場合に
は第１バンドによる波動（以下、第１バンド光と呼ぶ）
のみが伝播するが、波長が短くなると第３バンド光、第
５バンド光といった高次の波動も順次伝播するようにな
る。従って、入射波長にかかわらず、入射光のエネルギ
ーの一部は必ず第１バンド光となって伝播することにな
る。

【００１１】ところが、第３、第５といった高次のバン
ド光は特異なバンド構造に由来する非常に大きな波長分
散を有するが、第１バンド光はそうではなく波長分散性
が小さい。したがって、第１バンド光は分光素子として
利用価値のほとんど無い無駄な光であり、入射光の利用
効率を落とすだけではなく、迷光として素子のＳ/Ｎ比
を悪くする恐れもある。

【００１２】本発明はこのような問題を解決するために
なされたもので、高次のバンド光のみを利用して高い効
率の分光性能を有する光学素子およびそれを用いた分光
装置を提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明では、１次元フォ
トニック結晶の端面への入射光に、フォトニック結晶と
同じ周期と方向の位相変調を与え、フォトニック結晶内
において特定の高次バンド光のみを伝播させることによ
り、分光装置として利用する１次元フォトニック結晶の
表面からの出射光の強度を増大させ、すなわち入射光の
利用効率を向上させる。また、上記フォトニック結晶に
付加する構造の作用により、フォトニック結晶の片側も
しくは両側に出射光を配分し、また強度を調整する。

【００１４】上記作用は、以下の手段により達成され
る。本発明の光学素子は多層構造体により構成され、こ
の多層構造体はその少なくとも一部分が一定周期を有す
る１次元フォトニック結晶とみなせる周期構造体であ
り、多層構造体の層面と略垂直な端面を光入射面とす
る。このような光学素子において、多層構造の方向に周
期構造体の周期と同一の周期を有する位相変調波を発生
する位相変調手段を光入射面に当接もしくは近接して配
設する。そして多層構造体の層面と略平行な一方もしく
は両方の表面を光出射面とする。

【００１５】また、上記とは逆に、多層構造体の層面と
略平行な表面を光入射面とし、多層構造体の層面と略垂
直な端面を光出射面とすることもできる。

【００１６】この光学素子に入射する光の真空中での波
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、層面と平行な方向につ
いての大きさをks、多層構造体の両側表面に接する媒体
の屈折率をそれぞれｎs₁、ns ₂（ただしｎs₂≦ｎs₁）と
するとき、０＜ｋs・λ₀／（２π・ｎs₂）＜１の条件を満たすようにする。この場合、出射光は多層構
造体の両側に生じる。

【００１７】また、０＜ｋs・λ₀／（２π・ｎs₁）＜１１＜ｋs・λ₀／（２π・ｎs₂）の条件を満たすようにする。この場合、出射光は屈折率
ｎs₁を有する媒体側のみに出射光が生じる。

【００１８】また、０＜ｋs・λ₀／（２π・ｎs）＜１なる条件を満たす屈折率ｎsの媒体と周期構造部分との
間に、第２の周期構造部分を設ける。これによってこの
媒体側への出射光強度を低下させることができる。

【００１９】また、０＜ｋs・λ₀／（２π・ｎs）＜１なる条件を満たす屈折率ｎsの媒体と前記周期構造部分
との間に、反射層を設ける。これによってこの媒体側へ
の出射光の発生を抑えることができる。この反射層は、
フォトニック結晶としての周期構造部分とは異なる周期
構造によるのが望ましい。

【００２０】上記の多層構造体によって構成される光学
素子と、多層構造体の周期構造部分の端面に複数波長の
混合した光束を入射させる手段と、多層構造体の光出射
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
る手段とを用いて分光装置として機能する光学装置を構
成することができる。

【００２１】また、上記光学素子と光学的に結合した半
導体レーザと、光学素子からの出射光を反射して光学素
子に戻す反射鏡とを用いて外部共振器を備えたレーザ発
振装置として機能する光学装置を構成することができ
る。

【００２２】

【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。図１は、本発明の基本構造をなす
周期的多層膜層を模式的に示した断面図である。平行平
面基板２（材質は媒体Ｍ₂とする）の表面に周期的多層
膜層１を形成する。多層膜は、例えば厚さｔＡの物質Ａ
（屈折率ｎＡ）と厚さｔＢの物質Ｂ（屈折率ｎＢ）を交
互に積み重ねた周期ａ＝（ｔＡ＋ｔＢ）の構造とする。
多層膜層の表面は媒体Ｍ₁（図１の場合は空気）と接し
ているものとする。

【００２３】図１における周期的多層膜の端面１aから
真空中の波長λ₀の光束３を入射させたとき、この光が
この多層膜内でどのように伝搬するかを解析すると、一
定条件においてこの周期的多層膜はいわゆるフォトニッ
ク結晶として作用し、伝搬する光に特異な効果を発現さ
せることがわかる。

【００２４】フォトニック結晶内を伝播する光の特性
は、フォトニックバンドを計算し図示することにより知
ることができる。バンド計算の方法は、たとえば、"Pho
tonicCrystals", Princeton University Press (1995)
あるいは、Physical Review B44巻、16号、p.8565、199
1年、などに詳しく述べられている。

【００２５】図１に示す周期的多層膜はＹ方向（積層方
向）には無限に続く周期構造を有し、ＸおよびＺ方向
（層面の広がる方向）には無限に広がっているものと仮
定する。図２、図３は、ｎＡ＝１．４４（ｔＡ＝０．５ａ）ｎＢ＝２．１８（ｔＢ＝０．５ａ）の層を交互に重ねた周期ａの多層構造体について、Ｚ軸
方向（Ｘ軸方向も同じ）における平面波法によるバンド
計算の結果を、ＴＥ偏光（図２）及びＴＭ偏光(図３)の
第１〜第３バンドについて示したものである。ここで、
ＴＥ偏光は電場の向きがＸ軸方向である偏光を、ＴＭ偏
光は磁場の向きがＸ軸方向である偏光をそれぞれ表わ
す。

【００２６】図２、図３の横軸はＺ軸方向の波数ベクト
ルｋzの大きさであり、縦軸は規格化周波数 ωａ／２πｃである。ここで、ωは入射する光の角周波数、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。Ｚ軸方
向には周期性がないので、図２、図３の横軸にはブリル
アンゾーンの境界が存在せず、どこまでも広がってい
る。

【００２７】図２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、波長 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バンド光と呼ぶ）。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」であるため無視される。従って、
波長λ_B1＝２π／ｋ_B1の第１バンド光、および波長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。な
お、非結合性バンドについての理論は、以下の文献に詳
しく記述されている。 K.Sakoda “Optical Properties of Photonic Crystal
s” Springer-Verlag(2001).

【００２８】ここで、真空中での波長（λ_A、λ_Bなど）
を、対応するフォトニック結晶中の波長（λ_A1、λ_B3な
ど）で除した数値を「実効屈折率」と定義する。図３か
ら理解できるように、第１バンドのａ／λ₀（縦軸）と
ｋz（横軸）はほぼ比例するため、実効屈折率もλ₀の変
化に対してほとんど不変である。しかし、第３バンド光
は実効屈折率がλ₀により大きく変化し、図２、図３よ
り明らかなように実効屈折率が１未満になることもあ
る。

【００２９】図４は波長λ₀の入射光が周期的多層構造
体の端面に垂直入射したときのＺ軸方向への第３バンド
伝播光（実効屈折率をn₃する）と、多層構造体の両側の
表面に接する媒体Ｍ₁（屈折率ｎ₁）、Ｍ₂（屈折率ｎ₂）
を図示したものである。

【００３０】多層膜層１の端面から真空中の波長λ₀の
光束３を入射させると、一部の光は多層膜層１内部での
導波光４となるが、一部の光は媒体Ｍ₁側への屈折光５
あるいは媒体Ｍ₂への屈折光６となる。この屈折光５お
よび６の方向（角度θ₁、θ₂）は波長λ₀に対してほぼ
一定であり、指向性の非常に良い光束となる。また、θ
₁、θ₂の値はλ₀が異なると大きく変化するため、高分
解能の分光素子として利用することができる。

【００３１】ここで、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５を
用いて説明する。屈折率ｎＡの均質媒体Ａと屈折率ｎＢ
の均質媒体Ｂ（ｎＡ＜ｎＢ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ＲＡは、角度θの屈折光
ＲＢとなって媒体Ｂ側に放出される。この角度θは、半
径がｎＡとｎＢに比例した２つの円ＣＡ、ＣＢを用いた
作図によって求めることができる。

【００３２】周期的多層膜の場合でも、実効屈折率ｎ
_effを用いて同様の作図により屈折角θ₁、θ₂を求める
ことができる（図６）。ここで、n₃がn₁,n₂よりも大き
ければ、第３バンド伝播光は界面での全反射によって多
層膜層１の内部に閉じ込めることができ、Ｍ₁，Ｍ₂側に
は出ていかず多層膜層１内を伝播し続けることになる。

【００３３】第１バンド光は通常の均質媒体と同程度の
波長分散しか起こさないのに対して、第３バンド光は前
述したように実効屈折率が入射波長により大きく変化す
るため、非常に大きい波長分散を示す。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 R
eview B、58巻、16号、p.R10096、1998年

【００３４】図２、図３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、高次のバン
ドは後述する「節」の数が増えるので、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、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２、図３においては第３バンドがこれに
相当する。

【００３５】また、図１の周期的多層膜層は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２(ＴＥ偏
光)と図３(ＴＭ偏光)のグラフが異なることからも明ら
かである。従って、周期的多層膜層の伝播光には偏光分
離の作用があり、たとえば波長による分光と偏光分離を
同時に行なう、といった利用のしかたも可能である。こ
のため、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、光学系を単純化することもでき
る。ただし、１次元フォトニック結晶の場合、ｋｚが小
さい領域（図２、図３では縦軸に近い領域）における高
次バンド（第２以上）のＴＥとＴＭの差は非常に小さい
ので、この領域では実質的に偏光特性を無視することも
可能となる。

【００３６】図６に示すように、屈折光は多層膜層１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、１屈折光は、Ｍ₁側、Ｍ₂側ともに発生しない２屈折光は、Ｍ₂側のみ発生する３屈折光は、Ｍ₁側、Ｍ₂側ともに発生するの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。もちろん、両媒体が同じ物であれ
ば同じ角度の屈折光を両側に取り出すことができる。

【００３７】具体的には、Ｍ₁、Ｍ₂の屈折率をそれぞれ
ｎ₁,n₂（ただし、ｎ₁≦ｎ₂）とするとき、０＜ｋs・λ₀／（２π・ｎ₂）＜１１＜ｋs・λ₀／（２π・ｎ₁）であればの条件になり、０＜ｋs・λ₀／（２π・ｎ₁）＜１０＜ｋs・λ₀／（２π・ｎ₂）＜１であればの条件となる。

【００３８】なお、本発明者らのシミュレーションによ
ると、屈折角θが２０°〜６０°の範囲とすると特に強
い屈折光が得られる。そこで、屈折角が２０°〜６０°
となるための条件 cos60°≦ｋs・λ₀／（２π・ｎ）≦cos20° がより望ましい範囲である。（ｎは、ｎs₁あるいはｎs₂
を意味する）

【００３９】以上述べたように、高次バンド伝播光を利
用すると非常に大きい波長分散を得ることができる。し
かし、図２、図３から明らかなように、たとえば第３バ
ンド光が伝播する場合には必ず第１バンド光も伝播して
いる。第１バンド伝播光は上述した波長分散の効果がほ
とんどないので、第３バンド伝播光を利用する場合には
単なる損失でしかなく、入射光エネルギーの利用効率を
大きく低下させてしまうのみならず、迷光として素子の
Ｓ／Ｎ比を低下させる原因ともなる。

【００４０】ところが、本発明者らの研究によると、入
射光に位相変調を加えると周期的多層膜層内をたとえば
第３バンド光といった高次の伝播光のみ伝播させること
が可能となる。図７（ａ）及び図７（ｂ）は、物質Ａと
Ｂを重ね合わせた周期的多層膜（周期ａ）内での、Ｚ方
向における第１バンド伝播光と第３バンド伝播光の電場
の強さを模式的に表わしたものである。電場の山は実
線、谷は点線で表わし、線の太さは振幅の大きさを表わ
すものとする。

【００４１】第1バンド伝播光は、図７（ａ）に示すよ
うに電場の振幅は媒体Ａ内と媒体Ｂ内で異なるものの、
電場の山と谷はそれぞれＺ軸と垂直な平面となるので、
平面波に近い伝播となる。

【００４２】しかし、最低次から２番目の結合性バンド
（ここでは、第３バンドであるとする）による伝播光
は、図７（ｂ）に示すように電場振幅が０となる「節」
が生じ、Ｚ方向の１構造周期は２つの領域に分割され
る。隣り合う領域では波動の位相が半波長ずれているた
め、山と谷が入れ違いに現われる。図示はしていない
が、さらに高次のバンドによる伝播光では１周期内の節
の数が増えて、１周期内での半波長ズレが何回も起こる
ようになる。したがって、第１バンドと第３バンドがと
もに関与する波長（たとえば図２のλB）の入射光に対
する伝播光は両者が重なった複雑な電場パターンを示す
ことになる（図２０がその例である）。

【００４３】ところで、図８に示すように、Ｙ方向に周
期ａで概略半波長差を生じる位相格子８に平面波７を入
射させると、図７（ｂ）における第３バンド伝播光に類
似した電場パターンを空間１０に作ることができる。こ
こに周期的多層膜層１の端面を置くと、第１バンド伝播
光は発生せず、第３バンド伝播光のみが生じることが、
本発明者らのシミュレーションにより明らかとなった。
以上の結果を一般化すると、「周期ａの多層膜層に対し
て、同じ方向に周期ａを有する適当な位相変調波を入射
させると、特定の高次バンドに属する伝播光のみを得る
ことができる」ということになる。

【００４４】以下、位相変調手段の条件について具体的
に説明する。最も簡便な位相変調手段は、周期的多層膜
層１と同じ周期を有する位相格子８である。一般的に
は、図９に示すような位相格子８を設置すれば良い。本
発明者らのシミュレーションによると、位相変調の特性
（図９における厚さｔ_C、ｔ_D、Ｌ，Ｇの値など）は、
周期的多層膜１の特性、すなわち各層の厚さ比率と屈折
率などに合わせて最適化する必要がある。また、位相変
調と多層膜の周期は同調させる必要があるので、ｔ_A＋ｔ_B＝ｔ_C＋ｔ_D 媒体Ａと媒体ＣのＹ方向中心は一致媒体Ｂと媒体ＤのＹ方向中心は一致といった各条件を満たしていなければならない。

【００４５】位相格子８と周期的多層膜１の間の空間１
１の長さも伝播光に影響するので最適な範囲を選ばなく
てはならない。また、多層膜の周期ａが真空中の光の波
長λ ₀以下の場合は、両者の間隙を空気層とすると位相
格子８による±１次回折光が伝播できなくなり、反射光
が多くなる。これを防ぐためには、間隙の空間１１を屈
折率ｎ_Gの大きい媒体で満たす方法がある。具体的に
は、 λ₀／ｎ_G＜ａとすればよい。

【００４６】本発明を実施するにあたっては、周期的多
層膜の端面近くに溝を形成して多層膜の一部をそのまま
位相格子として用いる方法がより実用的である。この場
合は図９における、媒体Ａと媒体Ｃは同じ媒体Ｂと媒体Ｄは同じｔ_A＝ｔ_C ｔ_B＝ｔ_D の条件に相当する。位相格子の厚さと溝の幅は調整して
第３バンド光のみが効率良く伝播するようにしなくては
ならない。溝部分は空気層のままでもよいが、上記の条
件を満たすために均一媒体としても良い。

【００４７】本発明における多層構造体の周期構造部分
は、図１に示すような２種類の物質による構成が最も単
純であるが、（１）２層の膜厚比を変える、（２）３層
以上とする、（３）膜材質を３種以上とする、といった
手段により平均屈折率やバンド構造の調整を行ない、分
散特性や偏光特性、入射光の利用効率の改善などに役立
てることも可能である。ただし各層の屈折率、厚みが一
定の周期をもっている必要がある。また、多層膜を構成
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。

【００４８】周期構造部分は一般的にはｍ種類（ｍは自
然数）の物質の積層体からなる。１周期を構成する物質
１、２、・・・、ｍの屈折率をｎ１、ｎ２、・・・，ｎ
ｍ、厚さをｔ１、ｔ２、・・・、ｔｍ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ｎＭ＝（ｔ１・ｎ１＋ｔ２・ｎ２＋・・・＋ｔｎ・ｎ
ｍ）／ａと定義する。１周期ａは、ａ＝ｔ１＋ｔ２＋・・・＋ｔｍである。

【００４９】周期構造部分の平均屈折率ｎ_Mは、概略ａ／λ₀≦０．５／ｎＭの範囲では第１バンドしか存在しない（図２、図３参
照）。そこで、第２以上のバンドを利用するためには、
多層構造の周期ａは使用波長λ₀に対して λ₀／２ｎＭ≦ａの関係を満たす必要がある。周期ａが上記条件の範囲よ
りも小さくなると、第１バンド光しか伝播しないので、
多層構造体の特性は平均屈折率を有する均質媒体に近い
ものとなってしまう。後述する計算例に示すように、多
層膜層が薄くなると波動が特に乱れやすくなるため、多
層膜層の周期数は１０周期以上、可能であれば１５周期
以上確保することが望ましい。

【００５０】本発明に用いる多層膜層の材料としては、
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
ていて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。上記材料は、スパ
ッタリング、真空蒸着、イオンアシスト蒸着、プラズマ
ＣＶＤなどの良く知られた方法により、容易に多層膜と
することができる。

【００５１】多層膜材料の屈折率比は大きくなるほど、
波長分散なども大きくなる傾向があるので、そのような
特性が必要な用途に対しては高屈折率材料と低屈折率材
料を組合せることが望ましい。実用的に実現できる屈折
率比は、たとえば低屈折率材料として空気（屈折率：
１）、高屈折率材料としてＩｎＳｂ（屈折率：４．２
１）を用いると４以上にすることができる（「微小光学
ハンドブック」224頁、朝倉書店、1995年、参照）。

【００５２】多層膜材料の屈折率比が小さくなると、偏
光方向による特性の違いが小さくなる傾向があるので、
偏波無依存を実現するためには屈折率比の小さい組合せ
も有用である。ただし、屈折率比があまり小さくなると
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、屈折率比として１．２以上確保すること
が望ましい。

【００５３】多層膜層の端面近傍に設ける溝は、多層膜
を積層した後に、レジスト層塗布→パターニング→エッ
チング→レジスト層の除去、といった一般的な方法によ
り形成することができる。溝部分の空気もしくは真空を
低屈折率材料として利用することもできるし、溝部分に
媒体を充填してもよい。充填する物質としては、有機樹
脂、ゾル状態のガラス、溶融状態の半導体材料などを用
いることができる。ゾル状態のガラスはゲル化した後に
加熱して透明なガラスとすることができる。

【００５４】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〜２０μｍ程度の波長範囲で
発揮される。

【００５５】多層膜層の基板の材質は、伝播光の漏れ発
生しない屈折率の範囲の材料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。基板を用いず、多層膜層だけから
構成される、いわゆるエアーブリッジ構造としてもよ
い。

【００５６】上述したように、屈折光を多層構造体の片
側のみに取り出して利用する場合は、図６における低屈折率媒体Ｍ₁（空気層）高屈折率媒体Ｍ₂（基板) として、周期構造の周期ａを調整すれば、Ｍ₁側の屈折
光の発生をなくして屈折光を基板側に集中させることが
できるので最も簡単であるが、多層膜層内の有効屈折率
が１を超えていなければならない。多層膜層内の有効屈
折率を１以下とし、かつ屈折光を片側のみから取り出す
には、多層膜層と片側の媒体の間に何らかの反射層を設
ける必要がある。

【００５７】図１０は、基板２と多層膜層１の間に反射
層１２（たとえば金属膜）を挟んだ構造である。このよ
うにすると、入射光３は位相格子８に入射し、その作用
を受けたのち、空間１１を介して多層膜層１の層面にほ
ぼ垂直な面から入射する。多層膜層１中ではほぼ第３バ
イド光のみからなる伝搬光４が効率よく層面に平行な方
向に伝搬するが、屈折光５は反射層１２の作用によって
空気側にだけ集中して出射する。

【００５８】図１１は、基板２と多層膜層１の間に、第
２の多層膜層１３を挟みこんだ構造である。その他の各
部は図１０に示すのと同じ符号で示し、説明は省略する
（以下同様）。第１の多層膜層１内の高次バンド伝播光
に対応するフォトニックバンドが第２の多層膜層１３内
に存在しなければ、第２の多層膜層１３は伝播光を閉じ
込めるはたらきをなす。

【００５９】第２の多層膜層としては、第１の多層膜層
と同一の材料を用いて、周期あるいは膜厚比を異なった
ものとする方法が、成膜工程を単純化できる点から最も
簡単である。具体的には、たとえば周期を第１の多層膜
層の周期ａよりも小さくして、伝播光の周波数に対応す
る高次バンドをなくせばよい。後述の計算例に示すよう
に、伝播光の電場は第２の多層膜層にもエバネッセント
光として浸み出すので、閉じこめを確実なものとするた
めには、第２の多層膜層の厚み（すなわち周期数）をあ
る程度大きくする必要がある。

【００６０】図１２は、屈折光５を取り出す側に第３の
多層膜層１４を設置した場合である。第３の多層膜層１
４は、幾分薄く（周期数を少なく）してあるので伝播光
の閉じ込めは不完全となり、屈折光５の強度を弱くする
はたらきをなす。屈折光の強度が弱くなっても屈折光の
総量は変わらないので、Ｚ軸方向での屈折光の放射され
る範囲が大きくなる。従って、屈折光５の光束がより太
くなり回折による広がりが減少するので、波長分解能を
大きくする効果がある。

【００６１】次に、多層膜層の表面からの屈折光を取り
出す方法について説明する。屈折光を基板側のみに取り
出す場合は、基板と空気との界面を利用して図１３〜１
５に示すような構成とすることができる。図１３は、基
板２側の屈折光５を基板の端面２ａでもう一度屈折させ
たものであり、波長分散の角度差は基板内部よりも空気
中での値のほうが大きくなる。図１４は、基板端面２ａ
に傾きをつけたものであり、空気中の波長分散を最大化
することも可能となる。平行平面基板に斜め面を有する
媒体を接着しても同様な作用が得られる。図１５は、図
１３同様の構造で、空気側表面に反射層１２を設けた場
合である。

【００６２】図１６は上記の光学系を平板状光回路とし
て構成し、光学的な処理を基板表面に平行な方向だけで
行えるようにした例を示している。平面基板３２上に基
板表面と平行な方向に周期を有する多層構造体３１を形
成する。位相格子３８は多層構造体３１の端部に溝４０
を形成することにより設けることができる。入射光３
は、多層構造体３１の表面３１ｂから波長に依存する角
度θ1を有する屈折光５となって基板３２に平行に出射
される。

【００６３】このような多層構造体の一例としては、基
板３２上の均質な物質に基板表面に垂直で、互いに平行
な深い溝を形成した構造があげられる。この場合は、溝
部分の空気もしくは真空を低屈折率材料として利用する
こともできるし、溝部分に何らかの媒体を充填してもよ
い。充填する物質としては、有機樹脂、ゾル状態のガラ
ス、溶融状態の半導体材料などを用いることができる。
ゾル状態のガラスはゲル化した後に加熱して透明なガラ
スとすることができる。

【００６４】本発明の構成は、入射光と出射光を入れ換
えて使用することもできる。すなわち、多層構造体の層
面に平行な表面に対し、真空中での波長がλ₀の光を入
射する場合、所定の角度の方向から入射した場合だけ、
多層構造体の層面に平行な方向に光が伝搬し、多層構造
体の層面にほぼ垂直な端面から出射光が得られる。以
下、本発明の具体的な構成例について説明する。

【００６５】［計算例］位相格子と組合せた１次元フォ
トニック結晶内部の伝播と屈折光とを、有限要素法によ
りシミュレーションした結果を以下に列挙する。使用し
たソフトウェアは日本総合研究所製のＪＭＡＧである。

【００６６】計算モデルは図９に示すものである。１次
元フォトニック結晶は均質の媒体Ａと媒体Ｂを交互に重
ね合わせた多層膜１状の構造とし、その周期をａ、それ
ぞれの厚さをｔ_A・ａ、ｔ_B・ａ、屈折率をｎ_A、ｎ_Bとす
る。フォトニック結晶の垂直断面から距離Ｇだけ離して
位相格子８を設置する。フォトニック結晶と位相格子の
間の空間１１は、屈折率ｎ_Gの均質媒体で満たされてい
る。

【００６７】媒体Ｃと媒体Ｄから構成される位相格子８
の周期は多層膜１のそれと同じであり、媒体Ｃと媒体Ｄ
の厚さはｔ_C・ａ、及びｔ_D・a、屈折率はｎ_Cおよびｎ_D
であり、Ｚ軸方向の長さはＬとする。位相格子８の外側
は屈折率ｎ_Sの空間であり、ここから真空中の波長λ₀の
平面波（直線偏光波）を垂直入射させる。

【００６８】［計算例１］図９の構造について、表１に
示す条件で入射光の波長を変えた場合の電磁波シミュレ
ーションを実施した。以下の計算例、比較例では、長さ
はすべて周期ａを基準として規格化している。

【００６９】

【表１】

【００７０】シミュレーション結果として、電場の強度
分布と屈折光の角度を図１７（λ₀＝１．２ａの場
合），図１８(λ₀＝１．３ａの場合）に示す。位相格子
８の作用により、多層膜層１部分の伝播光は節のある規
則的なものであり、第１バンド伝播光がほとんどないこ
とがわかる。伝播光の実効屈折率は１．００と１．４４
の間にあるので、屈折光６は屈折率の大きい基板２側だ
けに発生している。また、入射光３のわずかな波長差に
よって、基板側屈折光６の角度θ2が大きく変化してい
る。

【００７１】入射光波長（λ₀／ａ）に対する屈折角θ2
の変化についてシミュレーション結果を、上記以外の入
射光波長も含めて図１９に示す。基板側屈折光６の角度
変化は、Δλ₀＝１％当たり約０．６９°であり、大き
い波長分散が得られていることがわかる。なお、図１９
における「バンド計算値」は、平面波法によるバンド図
から求めた実効屈折率による計算値である。

【００７２】［比較計算例１］計算例１から、位相格子
部分を除いたシミュレーション結果を図２０に示す。た
だし、入射光３の真空波長λ₀＝１．２ａの場合につい
てのみ示す。図２０では、第１バンドによる波長の短い
伝播光と第３バンドによる波長の長い伝播光が重なるた
め、電場のパターンは図１７の場合よりも複雑なものと
なっている。また、図１７と比較すると第３バンド伝播
光が弱い分だけ屈折光６の強度も弱くなっていることが
わかる。

【００７３】［計算例２］周期的多層膜１と基板２の間
に周期の短い第２の周期構造１３部分を設置して、基板
２側への屈折光がでないようにした場合である。多層膜
の構成を表２に示す。

【００７４】

【表２】

【００７５】シミュレーション結果として、λ₀ ＝１．
６６ａの場合の電場強度分布を図２１に示す。伝播光の
実効屈折率は概略０．３７と１未満であるが、第２の周
期構造１３により基板２側の屈折光はほとんど無くな
り、空気側に強い屈折光５が発生している。入射光波長
（λ₀／ａ）に対する屈折角θ2の変化についてシミュレ
ーション結果を図２２に示す。空気側屈折光５の角度変
化は、Δλ₀＝１％当たり約３．１°であり、非常に大
きい波長分散が得られていることがわかる。

【００７６】［計算例３］計算例２の構成に、さらに周
期的多層膜１と空気層の間に周期の短い第３の周期構造
１４部分を設置して、空気側への屈折光強度を弱くした
場合である。多層膜の構成を表３に示す。

【００７７】

【表３】

【００７８】シミュレーション結果として、λ₀＝１．
６６ａの場合の電場強度分布を図２３に示す。空気側の
屈折光５を図２１の場合と比較すると、屈折角θ1は変
化していないが、空気側に設置した第３の周期構造１４
により強度は大幅に弱くなっていることがわかる。

【００７９】［応用例１：分光装置］図２４は、本発明
を応用した、波長多重（ＷＤＭ）信号における、各波長
の強度を個別に測定する波長モニター装置の主要部
（ａ）および受光光学系（ｂ）の模式図である。多層膜
層１の端面近くに溝１１をつくり、その外側を位相格子
８とする。また、光ファイバ１５のコアを直接位相格子
８部分の端面に突き当て、入射光３を入射する、入射光
３は、位相格子８の作用により第３バンド伝播光として
多層膜層１内を伝播しつつ、多層膜層１の表面から除々
に屈折光６となって取り出される。図２４（ａ）は、基
板２側に屈折光６を取り出す場合である。光ファイバ１
５からの入射光３が多波長の信号を含むものであれば、
各波長の光は角度差のある屈折光の光束となる。

【００８０】屈折光６は、図２４（ｂ）に示す受光光学
系により波長ごとに異なった焦点を結ぶので、センサア
レイ１７によってそれぞれの強度を測定することができ
る。なお、屈折光６の出射部分６ａは図２４（ａ）に示
すように著しい楕円状となるので、出射光６ｂも楕円状
の略ガウシアンビームとなる。このため、図２４（ｂ）
に示すように円筒状のレンズ１６により円形に近い焦点
スポットが得られるように修正している。

【００８１】［応用例２：レーザの外部共振器］図２５
は、本発明を応用した外部共振器つき半導体レーザ装置
の模式図である。基板２上に、導波路状の活性層１９と
多層膜層１を形成する。活性層１９の片側には反射鏡２
０と両側の電極２２を設けて、レーザ発振をさせる（電
源部分は図示を省略する）。活性層１９の多層膜層側か
ら出射した光は位相格子８，空間１１を通して多層膜層
１内を伝搬し、多層膜層１の表面１ｂから屈折光５とし
て出射される。空間に設置して反射鏡２１により反射さ
れる光のうち、特定波長の光のみが多層膜層１内に戻る
ことができるので、この波長の光だけが共振して発振光
となる。発振波長は、ミラー２１の角度によって変える
ことができる。

【００８２】反射鏡２０を部分反射鏡とすればレーザ光
２３を多層膜層がある側とは反対側に取り出すことがで
きるので、この構成により波長可変レーザ装置が実現で
きる。また、反射鏡２１を部分反射鏡とすれば斜め右上
に光束の太いコリメートされたレーザ光２４を取り出す
ことができる。なお、このような外部共振器波長可変半
導体レーザの基本構成（分波素子として回折格子を用い
た例）は ”The Eighth Microoptics Conference Techn
ical Digest(2001)” の64〜67頁に掲載されている。

【００８３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
多層構造体からの屈折光が良好な指向性をもち、その方
向が大きな波長依存性をもつことを利用して、装置を大
型化することなく高分解能の分光装置、偏光分離装置を
実現することができる。多層構造の製作は既存の技術を
用いて比較的安価に量産することができるので、これら
の光学素子の低価格化を図ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】周期的多層膜層内の光の伝播を示す模式図であ
る。

【図２】周期的多層膜のフォトニックバンド構造（ＴＥ
偏光）を示す図である。

【図３】周期的多層膜のフォトニックバンド構造（ＴＭ
偏光）を示す図である。

【図４】２種の均質媒体に挟まれた周期的多層膜内の伝
播を示す図である。

【図５】（ａ）均質媒体界面での屈折および（ｂ）第３
バンド伝播光の屈折を示す模式図である。

【図６】第１バンド伝播光の電場を示す模式図である。

【図７】第３バンド伝播光の電場を示す模式図である。

【図８】位相格子を設けた周期的多層膜層内伝播光を示
す模式図である。

【図９】計算例における各種パラメータを示す図であ
る。

【図１０】周期的多層膜の基板側に反射層を設置した構
成を示す図である。

【図１１】周期的多層膜の基板側に第２の多層膜層を設
けた構成を示す図である。

【図１２】周期的多層膜の両側に第２、第３の多層膜層
を設けた構成を示す図である。

【図１３】基板側に屈折光を取り出す場合の実施例を示
す模式図である。

【図１４】基板側に屈折光を取り出す場合の他の実施例
を示す模式図である。

【図１５】基板側に屈折光を取り出す場合の他の実施例
を示す模式図である。

【図１６】本発明の平面光回路構成による実施例を示す
図である。

【図１７】計算例１のシミュレーション結果を示す図で
ある。

【図１８】計算例１の他のシミュレーション結果を示す
図である。

【図１９】計算例１のシミュレーション結果とバンド計
算値とを比較した図である。

【図２０】比較計算例１のシミュレーション結果を示す
図である。

【図２１】計算例２のシミュレーション結果を示す図で
ある。

【図２２】計算例２のシミュレーション結果とバンド計
算値とを比較した図である。

【図２３】計算例３のシミュレーション結果を示す図で
ある。

【図２４】本発明を応用した分光装置の（ａ）主要部お
よび（ｂ）受光光学系を示す模式図である。

【図２５】本発明を応用した外部共振器付波長可変レー
ザ装置を示す模式図である。

【符号の説明】

１周期的多層膜層１a 周期的多層膜層の端面１b 周期構造部分の表面２基板２a 基板の端面２ｂ基板の表面３入射光４周期的多層膜層内の伝播光５上の媒体側もしくは空気側の屈折光６下の媒体側もしくは基板側の屈折光７a 多層膜を構成する物質Ａ７b 多層膜を構成する物質Ｂ８位相格子９入射光（平面波）１０位相変調波の存在する空間１１周期的多層膜の端面近くに設けた溝１２反射層１３第２の多層膜層１４第３の多層膜層１５光ファイバ１６円筒状レンズ１７センサアレイ１９活性層２０、２１反射鏡２２電極２３反射鏡２０を部分反射鏡とした場合のレーザ光２４反射鏡２１を部分反射鏡とした場合のレーザ光

───────────────────────────────────────────────────── 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 6/12 ＺＦターム(参考） 2H047 LA18 MA07 PA05 PA06 TA01 TA12 2H049 AA02 AA53 AA59 AA62 AA64 BA05 BA45 BB06 BB63 BC25 5F073 AA67 AB25 AB29

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】多層構造体により構成され、該多層構造体
はその少なくとも一部分が一定周期を有する１次元フォ
トニック結晶とみなせる周期構造体であり、該多層構造
体の層面と略垂直な端面を光入射面とする光学素子にお
いて、多層構造の方向に前記周期構造体の周期と同一の
周期を有する位相変調波を発生する位相変調手段が、前
記光入射面に当接もしくは近接して配設され、かつ多層
構造体の層面と略平行な一方もしくは両方の表面を光出
射面とすることを特徴とする１次元フォトニック結晶を
用いた光学素子。
【請求項２】多層構造体により構成され、該多層構造体
はその少なくとも一部分が一定周期を有する１次元フォ
トニック結晶とみなせる周期構造体であり、該多層構造
体の層面と略平行な表面を光入射面とする光学素子にお
いて、多層構造の方向に前記周期構造体の周期と同一の
周期を有する位相変調波を発生する位相変調手段が、前
記光入射面に当接もしくは近接して配設され、かつ多層
構造体の層面と略垂直な端面を光出射面とすることを特
徴とする１次元フォトニック結晶を用いた光学素子。
【請求項３】前記光学素子に入射する光の真空中での波
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、前記層面と平行な
方向についての大きさをks、前記多層構造体の両側表面
に接する媒体の屈折率をそれぞれｎs₁、ns₂（ただしｎs
₂≦ｎs₁）とするとき、０＜ｋs・λ₀／（２π・ｎs₂）＜１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１次元フォトニック結晶を用いた光学素子。
【請求項４】前記λ₀、ks、ｎs₁、ns₂について０＜ｋs・λ₀／（２π・ｎs₁）＜１１＜ｋs・λ₀／（２π・ｎs₂）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１次元フォトニック結晶を用いた光学素子。
【請求項５】前記λ₀、ksについて０＜ｋs・λ₀／（２π・ｎs）＜１なる条件を満たす屈折率ｎsの媒体と前記周期構造部分
との間に、第２の周期構造部分を設けたことを特徴とす
る請求項１または２に記載の１次元フォトニック結晶を
用いた光学素子。
【請求項６】前記λ₀、ksについて０＜ｋs・λ₀／（２π・ｎs）＜１なる条件を満たす屈折率ｎsの媒体と前記周期構造部分
との間に、反射層を設けたことを特徴とする請求項１に
記載の１次元フォトニック結晶を用いた光学素子。
【請求項７】前記反射層は、前記周期構造部分とは異な
る周期構造部分を用いたことを特徴とする請求項６に記
載の１次元フォトニック結晶を用いた光学素子。
【請求項８】請求項１に記載の多層構造体によって構成
される光学素子と、該多層構造体の周期構造部分の端面
に複数波長の混合した光束を入射させる手段と、前記多
層構造体の光出射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用いて構成し分光装置とし
て機能することを特徴とする光学装置。
【請求項９】請求項１に記載の多層構造体によって構成
される光学素子と、該光学素子と光学的に結合した半導
体レーザと、前記光学素子からの出射光を反射して該光
学素子に戻す反射鏡とを用いて構成し外部共振器を備え
たレーザ発振装置として機能することを特徴とする光学
装置。