JP2003315552A - 集積型光学素子 - Google Patents
集積型光学素子Info
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Abstract
(57)【要約】
【目的】一枚の基板の上に、それぞれ異なる光学異方性
をもつフォトニック結晶を複数の領域において作製した
構造とその作製方法を提供する。 【構成】１次元的に周期的な溝の上に２種類以上の媒質
をほぼ周期的に積層した構造を持つ。さらに積層面内に
おいて、場所によりその溝の方向が異なる。 【効果】場所により異なる偏光依存性を持つ光学素子が
得られる。つまり異なる特性の素子が一枚の基板上に集
積可能となる。
をもつフォトニック結晶を複数の領域において作製した
構造とその作製方法を提供する。 【構成】１次元的に周期的な溝の上に２種類以上の媒質
をほぼ周期的に積層した構造を持つ。さらに積層面内に
おいて、場所によりその溝の方向が異なる。 【効果】場所により異なる偏光依存性を持つ光学素子が
得られる。つまり異なる特性の素子が一枚の基板上に集
積可能となる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は２次元的もしくは３
次元的な屈折率の周期性をもつ構造を、領域ごとにその
周期性をもつ方向を異なる方向で組み合わせることで、
場所により光学特性の異なる領域を複数もつ光学素子並
びにその作製方法に関する。
次元的な屈折率の周期性をもつ構造を、領域ごとにその
周期性をもつ方向を異なる方向で組み合わせることで、
場所により光学特性の異なる領域を複数もつ光学素子並
びにその作製方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来用いられてきた光学材料は自然界に
存在する材料を用いており、それらは非晶質か結晶質に
分けられる。非晶質の場合には、その光学特性において
方向依存性はない。結晶質においてはその結晶軸と光の
進む方向並びに偏光方向との間で異方性が生じる。しか
し一つの結晶質ではその方向は一意に決まっている。し
たがって非晶質の場合も結晶質の場合も、異なる光学特
性を一つの素子として実現しようとする場合、異なる材
料を接着等で組み合わせる以外に方法が無かった。
存在する材料を用いており、それらは非晶質か結晶質に
分けられる。非晶質の場合には、その光学特性において
方向依存性はない。結晶質においてはその結晶軸と光の
進む方向並びに偏光方向との間で異方性が生じる。しか
し一つの結晶質ではその方向は一意に決まっている。し
たがって非晶質の場合も結晶質の場合も、異なる光学特
性を一つの素子として実現しようとする場合、異なる材
料を接着等で組み合わせる以外に方法が無かった。
【０００３】本発明は光学素子に関する応用のきわめて
広い範囲に関するものであるため、その一例として偏光
子を挙げる。特定の偏光状態を得るために現在用いられ
ている偏光子としては、動作形態から（１）不要な偏波
を吸収させるもの、（２）別々の光路に分けるものに分
類することができる。
広い範囲に関するものであるため、その一例として偏光
子を挙げる。特定の偏光状態を得るために現在用いられ
ている偏光子としては、動作形態から（１）不要な偏波
を吸収させるもの、（２）別々の光路に分けるものに分
類することができる。
【０００４】上記（１）の動作をするものでは高分子フ
ィルムにヨウ素などの二色性分子を入れたものが一般的
である。これは安価で大面積のものが得られるが、消光
比が低く、温度特性に劣るという欠点がある。
ィルムにヨウ素などの二色性分子を入れたものが一般的
である。これは安価で大面積のものが得られるが、消光
比が低く、温度特性に劣るという欠点がある。
【０００５】この問題を解決するため、安定性の高い材
料を用いた偏光子が開発されている。即ちガラスなどの
透明体の中に金属や半導体などの吸収体を、細線状ある
いは薄膜状に一方向に配列したものである。細線あるい
は薄膜に平行な偏波成分は吸収あるいは反射され、それ
に直交する偏波は透過する。上記どちらの偏光子おいて
も、引き伸ばしといった工程を用いるため、透過する偏
光に場所依存性を持たせるためには不可能である。した
がって場所依存性を持たせるためには、透過する偏光方
向の異なるものを複数枚張り合わせることが必要とな
る。
料を用いた偏光子が開発されている。即ちガラスなどの
透明体の中に金属や半導体などの吸収体を、細線状ある
いは薄膜状に一方向に配列したものである。細線あるい
は薄膜に平行な偏波成分は吸収あるいは反射され、それ
に直交する偏波は透過する。上記どちらの偏光子おいて
も、引き伸ばしといった工程を用いるため、透過する偏
光に場所依存性を持たせるためには不可能である。した
がって場所依存性を持たせるためには、透過する偏光方
向の異なるものを複数枚張り合わせることが必要とな
る。
【０００６】一方、（２）に複屈折結晶を用いたもの
は、方解石などの複屈折率の大きい材料を用い、三角プ
リズムを２個貼り付けた構造もしくは楔形の構造をとら
せることで、それぞれの偏光に対して異なる光路に分け
ている。これらは自然結晶をもちいているため、その結
晶軸は一意に決まり、一つの結晶の中で異なる方向の結
晶軸を任意の場所に実現することは不可能である。した
がって場所により、異なる偏光を透過させようとした場
合、結晶軸の異なる方向をもつ結晶を組み合わせる必要
がある。
は、方解石などの複屈折率の大きい材料を用い、三角プ
リズムを２個貼り付けた構造もしくは楔形の構造をとら
せることで、それぞれの偏光に対して異なる光路に分け
ている。これらは自然結晶をもちいているため、その結
晶軸は一意に決まり、一つの結晶の中で異なる方向の結
晶軸を任意の場所に実現することは不可能である。した
がって場所により、異なる偏光を透過させようとした場
合、結晶軸の異なる方向をもつ結晶を組み合わせる必要
がある。
【０００７】透明体のブリュースター角を使用したもの
では、誘電体多層膜を用いた偏光ビームスプリッタが挙
げられる。これは多層膜が光の入射方向に対して斜めに
設置されているため、その偏光特性に場所依存性を持た
せようとすると、異なる角度に多層膜を配置する必要が
生じ、一つの素子では実現不可能であることは明らかで
ある。
では、誘電体多層膜を用いた偏光ビームスプリッタが挙
げられる。これは多層膜が光の入射方向に対して斜めに
設置されているため、その偏光特性に場所依存性を持た
せようとすると、異なる角度に多層膜を配置する必要が
生じ、一つの素子では実現不可能であることは明らかで
ある。
【０００８】また別の一例として波長板をあげる。一般
的に用いられている波長板は水晶の結晶板の持つ複屈折
性を利用している。したがって材料自体が高価であるこ
と、１／４波長板もしくは１／２波長板として動作させ
るために、高精度な厚さ制御が必要である。さらに一つ
の素子で光学特性に場所依存性を持たせるためには、複
数の波長板を並べる以外に実現方法は無い。
的に用いられている波長板は水晶の結晶板の持つ複屈折
性を利用している。したがって材料自体が高価であるこ
と、１／４波長板もしくは１／２波長板として動作させ
るために、高精度な厚さ制御が必要である。さらに一つ
の素子で光学特性に場所依存性を持たせるためには、複
数の波長板を並べる以外に実現方法は無い。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】したがって、本発明は
上記の問題点を解決するためのものであり、任意の場所
に、任意の光学特性を持たせた構造を実現することで、
自然界では得られない高い機能性を持った光学素子を実
現することにある。
上記の問題点を解決するためのものであり、任意の場所
に、任意の光学特性を持たせた構造を実現することで、
自然界では得られない高い機能性を持った光学素子を実
現することにある。
【００１０】
【課題を解決する手段】２次元もしくは３次元の屈折率
周期性をもち、その周期が波長オーダのものはフォトニ
ック結晶と呼ばれ、その光学特性は用いる材料の屈折
率、構造の周期、周期性の配列並びにその方向に依存す
る。実現される光学特性の例を挙げると、各周期により
光が多重反射されることにより、ブラッグ遮断がおき、
特定の波長帯に対して遮断される現象が起きる。また遮
断が起きなくとも、波長により多重反射の度合いが異な
るため、実効的な屈折率が変化し波長分散を持たせるこ
ともできる。さらにこうした光学特性は偏光依存性を持
ち、複屈折性も実現できる。
周期性をもち、その周期が波長オーダのものはフォトニ
ック結晶と呼ばれ、その光学特性は用いる材料の屈折
率、構造の周期、周期性の配列並びにその方向に依存す
る。実現される光学特性の例を挙げると、各周期により
光が多重反射されることにより、ブラッグ遮断がおき、
特定の波長帯に対して遮断される現象が起きる。また遮
断が起きなくとも、波長により多重反射の度合いが異な
るため、実効的な屈折率が変化し波長分散を持たせるこ
ともできる。さらにこうした光学特性は偏光依存性を持
ち、複屈折性も実現できる。
【００１１】フォトニック結晶の大きな特徴は、人工構
造であるため構造の設計により光学特性を制御できるこ
とにある。したがって特定の場所に特定の光学特性を実
現することが可能となる。
造であるため構造の設計により光学特性を制御できるこ
とにある。したがって特定の場所に特定の光学特性を実
現することが可能となる。
【００１２】例えば偏光素子に関して言及する。図１に
示すような２次元周期構造を二つ組み合わせた構造を考
える。このような高屈折率媒質と低屈折率媒質からなる
人工的な周期構造において、互いに直交する二つの偏波
成分は、それぞれが独立な分散関係（周波数と波動ベク
トルとの間の関係）を持っている。図１において光がｚ
方向に進む場合、柱に平行な偏波成分と垂直な偏波成分
との間では、バンドギャップ、すなわち光が遮断される
波長域も異なる。つまりある波長域において、一方の偏
光モードが遮断され、他方の偏光モードが伝搬する場合
がある。即ち、この波長域においてはこの周期構造は一
方の偏光を反射または回折し、他方の偏光を透過させる
偏光子としての動作が可能である。また、消光比も理論
的に十分高いものが得られる（浜野哲子、井筒雅之、平
山秀樹、“２次元フォトニック結晶を用いた偏光子の可
能性”、第５８回応物周期予稿集、ｐａｐｅｒ２ａ−Ｗ
−７、１９９７、佐藤晃、竹部雅博、“構造性複屈折に
よる光学異方性多層膜”、Ｏｐｔｉｃｓ Ｊａｐａｎ’
９７、講演予稿集、ｐａｐｅｒ３０ｐＤＯ１、１９９
７）。符号２においては符号１の構造をｘ−ｙ面内で９
０度回転した構造を作製することで、符号１とは反対に
ｘ方向の偏光は反射し、ｙ方向の偏光は透過する特性を
実現できる。
示すような２次元周期構造を二つ組み合わせた構造を考
える。このような高屈折率媒質と低屈折率媒質からなる
人工的な周期構造において、互いに直交する二つの偏波
成分は、それぞれが独立な分散関係（周波数と波動ベク
トルとの間の関係）を持っている。図１において光がｚ
方向に進む場合、柱に平行な偏波成分と垂直な偏波成分
との間では、バンドギャップ、すなわち光が遮断される
波長域も異なる。つまりある波長域において、一方の偏
光モードが遮断され、他方の偏光モードが伝搬する場合
がある。即ち、この波長域においてはこの周期構造は一
方の偏光を反射または回折し、他方の偏光を透過させる
偏光子としての動作が可能である。また、消光比も理論
的に十分高いものが得られる（浜野哲子、井筒雅之、平
山秀樹、“２次元フォトニック結晶を用いた偏光子の可
能性”、第５８回応物周期予稿集、ｐａｐｅｒ２ａ−Ｗ
−７、１９９７、佐藤晃、竹部雅博、“構造性複屈折に
よる光学異方性多層膜”、Ｏｐｔｉｃｓ Ｊａｐａｎ’
９７、講演予稿集、ｐａｐｅｒ３０ｐＤＯ１、１９９
７）。符号２においては符号１の構造をｘ−ｙ面内で９
０度回転した構造を作製することで、符号１とは反対に
ｘ方向の偏光は反射し、ｙ方向の偏光は透過する特性を
実現できる。
【００１３】なお、必要とされる機能により、透過、反
射の特性は設計により変更可能であり、符号１と符号２
の角度も９０度でなくともよく、かつ角度の異なる領域
が複数存在してもよく、またそれぞれの構造の周期が異
なってもよい。
射の特性は設計により変更可能であり、符号１と符号２
の角度も９０度でなくともよく、かつ角度の異なる領域
が複数存在してもよく、またそれぞれの構造の周期が異
なってもよい。
【００１４】また偏光依存性だけではなく、遮断特性、
分散性も同様に場所依存性を持たせることができる。こ
のようにフォトニック結晶を用いることで、任意の場所
に任意の光学特性を実現することができる。
分散性も同様に場所依存性を持たせることができる。こ
のようにフォトニック結晶を用いることで、任意の場所
に任意の光学特性を実現することができる。
【００１５】フォトニック結晶の実現方法としては、例
えば自己クローニング法が挙げられる（特許公開番号：
特開平１０−３３５７５８）。これはバイアス・スパッ
タリングに代表される堆積粒子の拡散入射とスパッタエ
ッチングを併用した成膜法を用いて凹凸パターンの形成
した基板の上に交互多層膜を堆積することで、基板のパ
ターンを反映した凹凸形状を保存しつつ積層を行う方法
である。このメカニズムは次の３つの効果、（１）堆積
粒子の拡散入射により影となる凹部の堆積速度が遅くな
る効果、（２）スパッタエッチングによる傾斜角約５０
度から６０度の面においてエッチング速度が最大となる
効果、（３）面にスパッタエッチングにより削られた粒
子が基板の別の場所に再付着する効果、の適切な割合で
の重ねあわせであると説明できる（川上彰二郎、佐藤
尚、川嶋貴之、“バイアススパッタ法で作製される３Ｄ
周期ナノ構造の形成機構”、電子情報通信学会誌Ｃ−
１、ｖｏｌ．Ｊ８１−Ｃ−１、ｎｏ．２、ｐｐ．１０８
−１０９、１９９８年２月）。
えば自己クローニング法が挙げられる（特許公開番号：
特開平１０−３３５７５８）。これはバイアス・スパッ
タリングに代表される堆積粒子の拡散入射とスパッタエ
ッチングを併用した成膜法を用いて凹凸パターンの形成
した基板の上に交互多層膜を堆積することで、基板のパ
ターンを反映した凹凸形状を保存しつつ積層を行う方法
である。このメカニズムは次の３つの効果、（１）堆積
粒子の拡散入射により影となる凹部の堆積速度が遅くな
る効果、（２）スパッタエッチングによる傾斜角約５０
度から６０度の面においてエッチング速度が最大となる
効果、（３）面にスパッタエッチングにより削られた粒
子が基板の別の場所に再付着する効果、の適切な割合で
の重ねあわせであると説明できる（川上彰二郎、佐藤
尚、川嶋貴之、“バイアススパッタ法で作製される３Ｄ
周期ナノ構造の形成機構”、電子情報通信学会誌Ｃ−
１、ｖｏｌ．Ｊ８１−Ｃ−１、ｎｏ．２、ｐｐ．１０８
−１０９、１９９８年２月）。
【００１６】自己クローニング法において基板上の凹凸
パターンはリソグラフィおよびエッチングで形成される
ため、場所によってことなる任意のパターンを形成する
ことが可能であり、その上に形成されるフォトニック結
晶もパターンを反映し、場所により異なるフォトニック
結晶が実現される。
パターンはリソグラフィおよびエッチングで形成される
ため、場所によってことなる任意のパターンを形成する
ことが可能であり、その上に形成されるフォトニック結
晶もパターンを反映し、場所により異なるフォトニック
結晶が実現される。
【００１７】また自己クローニング法により作製される
２次元周期構造において、高い性能をもつ偏光子が実現
されている（特許公開番号：特開２０００−５６１３
３）。
２次元周期構造において、高い性能をもつ偏光子が実現
されている（特許公開番号：特開２０００−５６１３
３）。
【００１８】図２のような基板を用意し、その上に自己
クローニング法で多層膜を堆積することで図３のような
構造が実現できる。こうした構造では図１と同様に符号
６の部分と符号７の部分との間で異なる偏光依存性を持
たせることは可能である。
クローニング法で多層膜を堆積することで図３のような
構造が実現できる。こうした構造では図１と同様に符号
６の部分と符号７の部分との間で異なる偏光依存性を持
たせることは可能である。
【００１９】
【実施例１】図３中符号３の部分の偏光素子について説
明する。図中符号８はアモルファスＳｉＯ２の層（Ｓｉ
Ｏ２層）、符号９はアモルファスＳｉの層（Ｓｉ層）で
ある。ｘ軸方向の周期Ｌｘは０．５μｍ、ｚ軸方向の周
期Ｌｚは０．５７μｍである。ＳｉＯ２層８及びＳｉ層
９は周期的にｘ軸方向にそって折れ曲がった形状をなし
ている。符号７は符号６を９０度回転した構造である。
明する。図中符号８はアモルファスＳｉＯ２の層（Ｓｉ
Ｏ２層）、符号９はアモルファスＳｉの層（Ｓｉ層）で
ある。ｘ軸方向の周期Ｌｘは０．５μｍ、ｚ軸方向の周
期Ｌｚは０．５７μｍである。ＳｉＯ２層８及びＳｉ層
９は周期的にｘ軸方向にそって折れ曲がった形状をなし
ている。符号７は符号６を９０度回転した構造である。
【００２０】次にその作製方法を説明する。まず基板上
に電子ビームリソグラフィー技術により周期的なレジス
トパターンを形成する。溝の幅は０．２５μｍ、深さは
０．２μｍ、横方向の周期は０．５μｍである。図２に
その模式図を示す。符号３は基板、符号４は無反射コー
ティング層、符号５は周期的な溝の部分である。一般に
は周期構造の寸法の選択により、４、５は基板と異なる
材料から選択するが、基板と同一の材料のまま、その上
に溝を形成することもできる。今回は石英基板上に、Ｓ
ｉＯ２及びＳｉのターゲットを用い、バイアス・スパッ
タリング法により、ＳｉＯ２層とＳｉ層を交互に積層し
た。その時、各層のｘ軸方向に周期的な凹凸の形状を保
存しながら成膜を行うことが肝要である。その条件は次
の通りであった：ＳｉＯ２の成膜に対してはＡｒガス圧
２Ｐａ、ターゲット高周波電力８００Ｗ、基板高周波電
力２０Ｗ；Ｓｉの成膜に対し、Ａｒガス圧０．１５Ｐ
ａ、ターゲット高周波電力４００Ｗであった。ＳｉＯ２
とＳｉの層を１０層ずつ積層した。積層した厚さは約６
μｍである。
に電子ビームリソグラフィー技術により周期的なレジス
トパターンを形成する。溝の幅は０．２５μｍ、深さは
０．２μｍ、横方向の周期は０．５μｍである。図２に
その模式図を示す。符号３は基板、符号４は無反射コー
ティング層、符号５は周期的な溝の部分である。一般に
は周期構造の寸法の選択により、４、５は基板と異なる
材料から選択するが、基板と同一の材料のまま、その上
に溝を形成することもできる。今回は石英基板上に、Ｓ
ｉＯ２及びＳｉのターゲットを用い、バイアス・スパッ
タリング法により、ＳｉＯ２層とＳｉ層を交互に積層し
た。その時、各層のｘ軸方向に周期的な凹凸の形状を保
存しながら成膜を行うことが肝要である。その条件は次
の通りであった：ＳｉＯ２の成膜に対してはＡｒガス圧
２Ｐａ、ターゲット高周波電力８００Ｗ、基板高周波電
力２０Ｗ；Ｓｉの成膜に対し、Ａｒガス圧０．１５Ｐ
ａ、ターゲット高周波電力４００Ｗであった。ＳｉＯ２
とＳｉの層を１０層ずつ積層した。積層した厚さは約６
μｍである。
【００２１】なお基板上の周期的な溝と多層膜の間およ
び、多層膜と空気の屈折率の違いから生じる反射を防ぐ
ため、多層膜１０層ずつの上下にそれぞれ厚さを調整し
た膜を挿入することで、多層膜と基板もしくは空気との
整合をとり、反射を低減している。今回、多層膜の上は
空気としたが、別の物質であっても可能である。
び、多層膜と空気の屈折率の違いから生じる反射を防ぐ
ため、多層膜１０層ずつの上下にそれぞれ厚さを調整し
た膜を挿入することで、多層膜と基板もしくは空気との
整合をとり、反射を低減している。今回、多層膜の上は
空気としたが、別の物質であっても可能である。
【００２２】図４に、作製した構造に光を垂直に入射し
た際の各偏波に対する透過率を、波長を変化させながら
測定した結果を示す。ここでは溝に平行な偏波をＴＥ
波、垂直な偏波をＴＭ波と記す。符号１１で示す波長
１．５μｍ付近においてＴＭ偏波が透過し、ＴＥ偏波が
遮断されている。遮断されたＴＥ偏波は反射光として反
射されている。また無反射層を積層開始部分及び終了部
分に導入した結果、ＴＭ偏波の透過率は波長１．５μｍ
付近で高い値を示すとともに、多層膜と基板および多層
膜と空気の界面同士の間で生じる多重反射の影響で、波
長の変化に伴い透過率が変動すること無く、平坦な特性
が得られている。
た際の各偏波に対する透過率を、波長を変化させながら
測定した結果を示す。ここでは溝に平行な偏波をＴＥ
波、垂直な偏波をＴＭ波と記す。符号１１で示す波長
１．５μｍ付近においてＴＭ偏波が透過し、ＴＥ偏波が
遮断されている。遮断されたＴＥ偏波は反射光として反
射されている。また無反射層を積層開始部分及び終了部
分に導入した結果、ＴＭ偏波の透過率は波長１．５μｍ
付近で高い値を示すとともに、多層膜と基板および多層
膜と空気の界面同士の間で生じる多重反射の影響で、波
長の変化に伴い透過率が変動すること無く、平坦な特性
が得られている。
【００２３】図５に、この周期構造体における周波数と
波動ベクトルの関係を、周期的境界条件を用いたＦＤＴ
Ｄ法（有限差分時間領域法）により計算した結果を示
す。ＦＤＴＤ法によるフォトニック結晶のバンド構造と
光透過特性の解析はＳ．Ｆａｎらにより、Ｐｈｙｓｉｃ
ａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｂ，ｖｏｌ．５４，ｎｏ．１６，
ｐｐ．１１２４５−１１２５１（１９９６年）において
報告されているとおりである。図５において、横軸は相
対値で表した周波数Ｌｘ／λである。ここで、λは入射
光の波長、ｋｚは波動ベクトルのｚ成分である。実線と
破線は、それぞれＴＥ波とＴＭ波における分散曲線を示
す。ここでＬｘ０．５μｍ、波長１．５５μｍより、周
波数Ｌｚ／λ＝０．３７１となる。この図からわかるよ
うに、Ｌｚ／λ＝０．３７１の直線はＴＥ波の分散曲線
（実線）とは交わらず、ＴＭ波の分散曲線（破線）とは
交わる。つまりＴＥ波は遮断・反射され、ＴＭ波は透過
することを意味する。すなわち、この周期構造体は周波
数Ｌｚ／λが０．３５から０．３９の間に位置する符号
１２の周波数帯でＴＭ波を透過させる偏光子として動作
している。
波動ベクトルの関係を、周期的境界条件を用いたＦＤＴ
Ｄ法（有限差分時間領域法）により計算した結果を示
す。ＦＤＴＤ法によるフォトニック結晶のバンド構造と
光透過特性の解析はＳ．Ｆａｎらにより、Ｐｈｙｓｉｃ
ａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｂ，ｖｏｌ．５４，ｎｏ．１６，
ｐｐ．１１２４５−１１２５１（１９９６年）において
報告されているとおりである。図５において、横軸は相
対値で表した周波数Ｌｘ／λである。ここで、λは入射
光の波長、ｋｚは波動ベクトルのｚ成分である。実線と
破線は、それぞれＴＥ波とＴＭ波における分散曲線を示
す。ここでＬｘ０．５μｍ、波長１．５５μｍより、周
波数Ｌｚ／λ＝０．３７１となる。この図からわかるよ
うに、Ｌｚ／λ＝０．３７１の直線はＴＥ波の分散曲線
（実線）とは交わらず、ＴＭ波の分散曲線（破線）とは
交わる。つまりＴＥ波は遮断・反射され、ＴＭ波は透過
することを意味する。すなわち、この周期構造体は周波
数Ｌｚ／λが０．３５から０．３９の間に位置する符号
１２の周波数帯でＴＭ波を透過させる偏光子として動作
している。
【００２４】なお低屈折率媒質としてはＳｉＯ２を主成
分とする材料が最も一般的である。ＳｉＯ２は透明波長
領域が広く、化学的、熱的、機械的にも安定であり、成
膜も容易に行なえる。高屈折率材料としては、ＴｉＯ２
などの酸化物や、Ｓｉ、ＧａＡｓなどの半導体が使用で
きる。ＴｉＯ２などは透明波長範囲が広く、可視光領域
でも使用できる。一方、半導体は、近赤外域に限定され
るが、屈折率が大きく偏光子としての動作帯域を広く取
れる利点がある。
分とする材料が最も一般的である。ＳｉＯ２は透明波長
領域が広く、化学的、熱的、機械的にも安定であり、成
膜も容易に行なえる。高屈折率材料としては、ＴｉＯ２
などの酸化物や、Ｓｉ、ＧａＡｓなどの半導体が使用で
きる。ＴｉＯ２などは透明波長範囲が広く、可視光領域
でも使用できる。一方、半導体は、近赤外域に限定され
るが、屈折率が大きく偏光子としての動作帯域を広く取
れる利点がある。
【００２５】ところで、多目的の偏光子としては、広い
周波数帯域で、使用することが望ましい。高屈折率媒質
層と低屈折率媒質層の形状を適切に決定することによ
り、偏光子としての使用周波数帯域を広くとることがで
きる。逆に、特定のレーザ光のような単色の光に対して
は、高屈折率媒質と低屈折率媒質の形状に対する自由度
は大きく、成膜において、繰り返しが容易な形状を選択
することができる。
周波数帯域で、使用することが望ましい。高屈折率媒質
層と低屈折率媒質層の形状を適切に決定することによ
り、偏光子としての使用周波数帯域を広くとることがで
きる。逆に、特定のレーザ光のような単色の光に対して
は、高屈折率媒質と低屈折率媒質の形状に対する自由度
は大きく、成膜において、繰り返しが容易な形状を選択
することができる。
【００２６】実施例において、ｚ軸方向とｘ軸方向の繰
り返し周期の比Ｌｚ／Ｌｘは１．１４であったが、ＦＤ
ＴＤ法による他の計算結果から０．２程度の比であって
も、偏光子としての作用が可能であることがわかってい
る。またｘ方向の周期Ｌｘは、通常の偏光子として使用
する場合には、光の波長以下程度に選ばれるが、一方の
偏光をまっすぐに透過させ、他方の偏光を回折させるた
めの偏光素子においては、光の波長よりも長い周期Ｌｘ
を選択するとよいことがわかっている。さらに、溝はｙ
軸方向に必ずしも一様である必要はなく、ｘ軸方向の溝
の幅と間隔に対して、異なる周期構造を持っていてもよ
く、あるいはｙ方向に充分長いランダムな長さの溝であ
ってもよいことが、他の計算の結果、わかっている。
り返し周期の比Ｌｚ／Ｌｘは１．１４であったが、ＦＤ
ＴＤ法による他の計算結果から０．２程度の比であって
も、偏光子としての作用が可能であることがわかってい
る。またｘ方向の周期Ｌｘは、通常の偏光子として使用
する場合には、光の波長以下程度に選ばれるが、一方の
偏光をまっすぐに透過させ、他方の偏光を回折させるた
めの偏光素子においては、光の波長よりも長い周期Ｌｘ
を選択するとよいことがわかっている。さらに、溝はｙ
軸方向に必ずしも一様である必要はなく、ｘ軸方向の溝
の幅と間隔に対して、異なる周期構造を持っていてもよ
く、あるいはｙ方向に充分長いランダムな長さの溝であ
ってもよいことが、他の計算の結果、わかっている。
【００２７】ところで、今回は、単位となる層の形状を
繰り返しつつ積層する手段として、バイアス・スパッタ
リング法を用いたが、堆積プロセスとスパッタリングエ
ッチングのプロセスを同時でなく時間的に分離した方法
を加えることにより、積層の単位となる層の形状の設計
自由度を大きくとることができる。さらに、低屈折率媒
質としては、アモルファスＳｉＯ２以外にも、パイレッ
クス（登録商標）などの光学ガラスを用いることができ
る。一方、高屈折率媒質としてはＳｉ以外にも、ＴｉＯ
２、Ｔａ２Ｏ５、Ｎｂ２Ｏ５などを用いることもでき
る。またそれ以外にも屈折率差のある材料の組み合わせ
で同様の効果が得られることは明らかである。
繰り返しつつ積層する手段として、バイアス・スパッタ
リング法を用いたが、堆積プロセスとスパッタリングエ
ッチングのプロセスを同時でなく時間的に分離した方法
を加えることにより、積層の単位となる層の形状の設計
自由度を大きくとることができる。さらに、低屈折率媒
質としては、アモルファスＳｉＯ２以外にも、パイレッ
クス（登録商標）などの光学ガラスを用いることができ
る。一方、高屈折率媒質としてはＳｉ以外にも、ＴｉＯ
２、Ｔａ２Ｏ５、Ｎｂ２Ｏ５などを用いることもでき
る。またそれ以外にも屈折率差のある材料の組み合わせ
で同様の効果が得られることは明らかである。
【００２８】符号１０は、はじめの数周期を周期的な溝
と同じ屈折率の膜で積層したものである。屈折率はＳｉ
ターゲットをスパッタする際、アルゴンと酸素をある割
合で混ぜたガスを用いた反応性スパッタを行うことで、
ＳｉＯ２の屈折率１．４６からＳｉの屈折率３．５の間
で任意に制御が可能である。こうした膜を数層堆積する
ことで、基板がどのような形状であっても、多層膜の積
層時に保存される形状に収束させることができる。また
光にとっては屈折率に違いが無いため、周期的な溝と最
初の数層の膜との間の違いを感じることができない。
と同じ屈折率の膜で積層したものである。屈折率はＳｉ
ターゲットをスパッタする際、アルゴンと酸素をある割
合で混ぜたガスを用いた反応性スパッタを行うことで、
ＳｉＯ２の屈折率１．４６からＳｉの屈折率３．５の間
で任意に制御が可能である。こうした膜を数層堆積する
ことで、基板がどのような形状であっても、多層膜の積
層時に保存される形状に収束させることができる。また
光にとっては屈折率に違いが無いため、周期的な溝と最
初の数層の膜との間の違いを感じることができない。
【００２９】基板の周期的な溝の形成には電子ビームリ
ソグラフィー技術とドライエッチング技術を用いたが、
光リソグラフィー技術もしくはｘ線リソグラフィー技術
を用いても可能であり、パターンの形状は矩形でなくと
も、周期的な凹凸であればいい。またリソグラフィー技
術ではなく、あらかじめ周期的な溝をシリコンなどの基
板上に形成し、それを金型として、ポリイミドなどの高
分子材料を塗布した基板上に押し付けることで、パター
ンを形成することも可能である。その後、ドライエッチ
ング技術によりパターンを結晶板に転写する。結晶板に
形成される溝が矩形である必要はないため、パターン転
写におけるエッチングにウエットエッチングを用いても
可能である。
ソグラフィー技術とドライエッチング技術を用いたが、
光リソグラフィー技術もしくはｘ線リソグラフィー技術
を用いても可能であり、パターンの形状は矩形でなくと
も、周期的な凹凸であればいい。またリソグラフィー技
術ではなく、あらかじめ周期的な溝をシリコンなどの基
板上に形成し、それを金型として、ポリイミドなどの高
分子材料を塗布した基板上に押し付けることで、パター
ンを形成することも可能である。その後、ドライエッチ
ング技術によりパターンを結晶板に転写する。結晶板に
形成される溝が矩形である必要はないため、パターン転
写におけるエッチングにウエットエッチングを用いても
可能である。
【００３０】
【実施例２】図３符合３の部分と同様の構造において基
板並びに積層の周期を適当に定めることで、直角を成す
互いの偏光の間に任意の位相差を与える波長板として動
作させることができる。つまり図３のような構造をとっ
た場合、波長板の光軸が場所によって異なった方向を向
いた波長板が複合された光学素子となる。さらに同じ積
層周期であっても基板の周期の違いにより、２分の１波
長板として動作させたり、４分の１波長板として動作さ
せたりすることも可能であるため、基板の周期を各部に
おいて異なるように作製すると、一枚の基板上に２分の
１波長板と４分の１波長板を同時に実現することができ
る。
板並びに積層の周期を適当に定めることで、直角を成す
互いの偏光の間に任意の位相差を与える波長板として動
作させることができる。つまり図３のような構造をとっ
た場合、波長板の光軸が場所によって異なった方向を向
いた波長板が複合された光学素子となる。さらに同じ積
層周期であっても基板の周期の違いにより、２分の１波
長板として動作させたり、４分の１波長板として動作さ
せたりすることも可能であるため、基板の周期を各部に
おいて異なるように作製すると、一枚の基板上に２分の
１波長板と４分の１波長板を同時に実現することができ
る。
【００３１】こうしたデバイスの応用としては光サーキ
ュレータ（特開平１０−２３９６３８、特開平１１−１
９４３０１）がある。通常、光サーキュレータでは偏光
の違いにより光路を二つに分けた後、それぞれの光路に
光軸の異なる波長板が必要となる。そこで従来は２枚の
波長板は別々に用意され、隣り合わせて固定される。本
発明により、一枚の基板上に任意の場所に任意の光学特
性を持つ波長板が作製できることから、張り合わせの工
程を必要とせず、互いの平行度がずれることが無いた
め、量産性の高い製品を実現することができる。
ュレータ（特開平１０−２３９６３８、特開平１１−１
９４３０１）がある。通常、光サーキュレータでは偏光
の違いにより光路を二つに分けた後、それぞれの光路に
光軸の異なる波長板が必要となる。そこで従来は２枚の
波長板は別々に用意され、隣り合わせて固定される。本
発明により、一枚の基板上に任意の場所に任意の光学特
性を持つ波長板が作製できることから、張り合わせの工
程を必要とせず、互いの平行度がずれることが無いた
め、量産性の高い製品を実現することができる。
【００３２】
【実施例３】図６に示すパターンのように溝の方向が９
０度異なる領域を２次元的に交互に並べる。このような
構造では、符号１３、符号１４おいて、符合６の構造と
同様の構造とすると、符号１３部分ではｘ方向と偏光が
反射され、ｙ方向の偏光が透過される。逆に符号１４部
分ではｘ方向の偏光が透過され、ｙ方向の偏光が反射さ
れる。符号１３領域の面積と符号１４領域の面積を等し
くすることで、ｚ方向に入射した光はどのような偏光で
あっても、符号１３，１４いずれかの領域で反射され、
もう片方では透過される。つまり入射工の偏光状態によ
らず入射したパワーの５０％が透過され、５０％が反射
される光学素子が実現される。この動作は図４の符合１
１で示した波長域で可能であり、入射角においても±数
度の範囲において動作する。このように本発明を用いる
ことで広い波長範囲において、入射角の自由度も高く、
かつ偏光に依存しないハーフミラーを実現することがで
き。
０度異なる領域を２次元的に交互に並べる。このような
構造では、符号１３、符号１４おいて、符合６の構造と
同様の構造とすると、符号１３部分ではｘ方向と偏光が
反射され、ｙ方向の偏光が透過される。逆に符号１４部
分ではｘ方向の偏光が透過され、ｙ方向の偏光が反射さ
れる。符号１３領域の面積と符号１４領域の面積を等し
くすることで、ｚ方向に入射した光はどのような偏光で
あっても、符号１３，１４いずれかの領域で反射され、
もう片方では透過される。つまり入射工の偏光状態によ
らず入射したパワーの５０％が透過され、５０％が反射
される光学素子が実現される。この動作は図４の符合１
１で示した波長域で可能であり、入射角においても±数
度の範囲において動作する。このように本発明を用いる
ことで広い波長範囲において、入射角の自由度も高く、
かつ偏光に依存しないハーフミラーを実現することがで
き。
【００３３】またそれぞれ向きの９０度異なる構造を周
期的に並べなくとも、ランダムに並べかつそれぞれの大
きさが光ビームの直径に比べ小さければ、同様の効果が
期待できる。
期的に並べなくとも、ランダムに並べかつそれぞれの大
きさが光ビームの直径に比べ小さければ、同様の効果が
期待できる。
【００３４】さらにそれぞれの領域の面積比を調整する
ことで、それぞれの偏光成分を任意の割合で含んだ光を
取り出すことができる。
ことで、それぞれの偏光成分を任意の割合で含んだ光を
取り出すことができる。
【００３５】
【発明の効果】従来の光学素子は物質の持つ光学定数を
そのまま利用していたため、任意の部分にのみ機能を持
たせるといったことができなかった。しかし人工構造で
あるフォトニック結晶を用いることで、任意の光学定数
を任意の部分に持たせることが可能となる。
そのまま利用していたため、任意の部分にのみ機能を持
たせるといったことができなかった。しかし人工構造で
あるフォトニック結晶を用いることで、任意の光学定数
を任意の部分に持たせることが可能となる。
【００３５】例えば特性に偏光依存性をもつフォトニッ
ク結晶を所望の部分にのみ形成することが可能であり、
さらには異なる偏光依存性を持つ領域を自由な配置で形
成することが可能である。これは従来ではそれぞれ異な
る素子を、接着等の工程で繋ぎ合わせることでしか実現
できなかった機能が一枚の素子で実現可能となり、材料
コストを下げ、作製工程を大幅に削減できる。さらに複
雑なパターンで特定の部分に機能を持たせることが可能
となるため、従来の工程では実現不可能であった複雑な
機能を持つ素子が実現できる。
ク結晶を所望の部分にのみ形成することが可能であり、
さらには異なる偏光依存性を持つ領域を自由な配置で形
成することが可能である。これは従来ではそれぞれ異な
る素子を、接着等の工程で繋ぎ合わせることでしか実現
できなかった機能が一枚の素子で実現可能となり、材料
コストを下げ、作製工程を大幅に削減できる。さらに複
雑なパターンで特定の部分に機能を持たせることが可能
となるため、従来の工程では実現不可能であった複雑な
機能を持つ素子が実現できる。
【図１】 異方性をもつ２次元フォトニック結晶が
異なる向きに複合された構造の概念図
異なる向きに複合された構造の概念図
【図２】 実施例１における表面に溝を有する基板
を示す図
を示す図
【図３】 実施例１における自己クローニング法に
より作製された構造を示す図
より作製された構造を示す図
【図４】 実施例１における波長と透過率の関係を
示す図
示す図
【図５】 実施例１における周波数と波動ベクトル
の関係を示す図
の関係を示す図
【図６】 実施例３における偏光無依存のハーフミ
ラーとなる構造の配列を基板に対して垂直な方向から見
た図
ラーとなる構造の配列を基板に対して垂直な方向から見
た図
１ ｘ方向に一様な構造をもつ２次元フォト
ニック結晶 ２ ｙ方向に一様な構造をもつ２次元フォト
ニック結晶 ３ 基板 ４ 無反射コーティング層 ５ 周期的な溝 ６ 自己クローニング法で作製されたｙ方向
に一様な構造をもつ２次元フォトニック結晶 ７ 自己クローニング法で作製されたｘ方向
に一様な構造をもつ２次元フォトニック結晶 ８ ＳｉＯ２層 ９ Ｓｉ層 １０ 基板成形層 １１ ＴＭ波を透過させる偏光子として作用す
る波長帯の一つ １２ ＴＭ偏波を透過させる偏光子として作用
する周波数帯の一つ １３ ＴＥ偏波を透過させる偏光子として作用
する周波数帯の一 １４ ｘ方向に一様な構造をもつ２次元フォト
ニック結晶 １５ ｙ方向に一様な構造をもつ２次元フォト
ニック結晶
ニック結晶 ２ ｙ方向に一様な構造をもつ２次元フォト
ニック結晶 ３ 基板 ４ 無反射コーティング層 ５ 周期的な溝 ６ 自己クローニング法で作製されたｙ方向
に一様な構造をもつ２次元フォトニック結晶 ７ 自己クローニング法で作製されたｘ方向
に一様な構造をもつ２次元フォトニック結晶 ８ ＳｉＯ２層 ９ Ｓｉ層 １０ 基板成形層 １１ ＴＭ波を透過させる偏光子として作用す
る波長帯の一つ １２ ＴＭ偏波を透過させる偏光子として作用
する周波数帯の一つ １３ ＴＥ偏波を透過させる偏光子として作用
する周波数帯の一 １４ ｘ方向に一様な構造をもつ２次元フォト
ニック結晶 １５ ｙ方向に一様な構造をもつ２次元フォト
ニック結晶
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 石川 理
宮城県宮城郡七ヶ浜町汐見台南２丁目21番
８号
(72)発明者 佐藤 尚
宮城県仙台市太白区富沢南１丁目２番５号
ボナール富沢302号
Ｆターム(参考） 2H047 KA03 LA18 PA05 PA06 QA02
RA08 TA01 TA11 TA41
2H049 AA03 AA07 AA37 AA42 AA64
AA65 BA02 BA05 BA06 BA45
BB01 BB02 BC08
Claims (4)
- 【請求項１】一枚の基板上に形成された屈折率の異なる
２種類以上の誘電体からなる２次元もしくは３次元の周
期性をもつ構造で、構造の基板面内での周期に比べ大き
な面積で複数存在し、かつそれぞれの部分での周期もし
くは周期性をもつ方向が互いに大きく異なることで、そ
れぞれの部分に異なる光学特性を持たせることを可能と
する、基板にほぼ垂直に光が入射することを特徴とする
光学素子。 - 【請求項２】請求項１にしめす光学素子で、それぞれの
部分が基板に垂直な方向とそれに垂直な一方向に周期性
をもつ２次元周期構造であり、それぞれの周期性をもた
ない１方向が互いに異なる方向を向いており、それぞれ
の部分において、その周期性をもたない方向に平行な偏
波とそれに垂直な偏波にたいして光学特性に偏波依存性
をもつ偏光素子。 - 【請求項３】請求項１にしめす光学素子で、それぞれの
部分が基板に垂直な方向とそれに垂直な一方向に周期性
をもつ２次元周期構造であり、互いに９０度周期性の向
きが異なる構造が、入射する光ビームの直径に比べ小さ
い大きさで２次元的に交互に形成されることで、基板に
ほぼ垂直に光を入射した際に、その光学特性に任意の割
合で偏光依存性を持たせることを可能とした光学素子。 - 【請求項４】請求項１に示す構造で、基板上の少なくと
も片面に周期的な凹凸をその周期よりも大きな面積で形
成し、かつそれぞれの周期的パターンの周期もしくはそ
の方向が場所により大きく異なるパターンの上に、少な
くとも一部分に自己クローニング法を用いて、多次元周
期構造を作製する方法。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002163571A JP4294264B2 (ja) | 2002-04-25 | 2002-04-25 | 集積型光学素子 |
| US10/422,156 US7136217B2 (en) | 2002-04-25 | 2003-04-24 | Integrated optical element |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002163571A JP4294264B2 (ja) | 2002-04-25 | 2002-04-25 | 集積型光学素子 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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Family
ID=29545710
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002163571A Expired - Fee Related JP4294264B2 (ja) | 2002-04-25 | 2002-04-25 | 集積型光学素子 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US7136217B2 (ja) |
| JP (1) | JP4294264B2 (ja) |
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| US10564355B2 (en) | 2016-05-11 | 2020-02-18 | Furukawa Electric Co., Ltd. | Optical waveguide element |
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| WO2004008196A1 (ja) * | 2002-07-13 | 2004-01-22 | Autocloning Technology Ltd. | 偏光解析装置 |
| US7420610B2 (en) * | 2004-12-15 | 2008-09-02 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Solid-state imaging element, solid-state imaging device, and method for fabricating the same |
| TWI261378B (en) * | 2005-09-19 | 2006-09-01 | Ind Tech Res Inst | Polarized light emitting device |
| JP2007183333A (ja) * | 2006-01-05 | 2007-07-19 | Fujinon Sano Kk | 撮像装置 |
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| TWI359999B (en) * | 2007-07-10 | 2012-03-11 | Hannstar Display Corp | Polarized light-emitting device |
| TWI370558B (en) * | 2007-11-07 | 2012-08-11 | Ind Tech Res Inst | Light emitting diode and process for fabricating the same |
| WO2009147814A1 (ja) * | 2008-06-02 | 2009-12-10 | パナソニック株式会社 | 法線情報を生成する画像処理装置、方法、コンピュータプログラム、および、視点変換画像生成装置 |
| EP2293541B1 (en) * | 2008-06-26 | 2018-09-12 | Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. | Image processing apparatus, image division program and image synthesising method |
| JP4469021B2 (ja) * | 2008-07-08 | 2010-05-26 | パナソニック株式会社 | 画像処理方法、画像処理装置、画像処理プログラム、画像合成方法、および画像合成装置 |
| TWI373861B (en) * | 2008-12-11 | 2012-10-01 | Nat Univ Tsing Hua | Fabrication method of light emitting element and its light emitting element |
| CN102213793B (zh) * | 2011-05-10 | 2013-05-01 | 中国科学院半导体研究所 | 复合结构光子晶体 |
| JP6105849B2 (ja) * | 2011-05-16 | 2017-03-29 | デクセリアルズ株式会社 | 位相差素子 |
| KR101933159B1 (ko) * | 2012-06-18 | 2018-12-28 | 삼성디스플레이 주식회사 | 편광 필름 및 표시 장치 |
| CN102830463B (zh) * | 2012-08-29 | 2014-07-16 | 深圳大学 | 光子晶体波导全偏振态整数比功率分配器 |
| JP6456156B2 (ja) * | 2015-01-20 | 2019-01-23 | キヤノン株式会社 | 法線情報生成装置、撮像装置、法線情報生成方法および法線情報生成プログラム |
| JP2022147419A (ja) | 2021-03-23 | 2022-10-06 | キオクシア株式会社 | テンプレート、被加工部材、及びアライメント方法 |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5440421A (en) * | 1994-05-10 | 1995-08-08 | Massachusetts Institute Of Technology | Three-dimensional periodic dielectric structures having photonic bandgaps |
| JP3522117B2 (ja) * | 1998-08-05 | 2004-04-26 | 日本電気株式会社 | 自己導波光回路 |
| US6582512B2 (en) * | 2001-05-22 | 2003-06-24 | Micron Technology, Inc. | Method of forming three-dimensional photonic band structures in solid materials |
-
2002
- 2002-04-25 JP JP2002163571A patent/JP4294264B2/ja not_active Expired - Fee Related
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2003
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