JP2003329823A - 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分光装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 フォトニック結晶は波長分散が大きいため分
光素子としての応用が期待されるが、２次元、３次元結
晶は寸法の大きいものの製作が困難であるため、回折に
よる光の広がりが大きく、また一般に素子中での光の減
衰も大きいため、実用的な分光素子とすることは難し
い。 【解決手段】 本発明の１次元フォトニック結晶を用い
た光学素子は、多層膜層１により構成され、それを三角
プリズム状に加工した素子２０によって実現する。その
光入射端面に近接もしくは当接して位相変調手段６を設
け、入射光３をフォトニック結晶と同じ周期と方向の位
相変調を与えることにより、特定の高次バンド光のみを
伝播させることができる。この光学素子を光導波路内に
形成することにより、高い分解能を有する小型の分光装
置を提供することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光通信システム、
光計測機器等に用いられる光学素子、特に波長分散素子
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】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よく知られており、このよう
な特性を利用した数多くの光学素子が提案されている。

【０００３】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次元フォトニック結晶 ・２次元フォトニック結晶 ・３次元フォトニック結晶 に分類することができる。もっとも簡単な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
薄膜（ＳｉＯ₂とＴｉＯ₂など）を交互に積層した誘電体
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。

【０００４】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次元結晶ほどは研究されてこなかった。
しかし、１次元結晶は、上記の「フォトニックバンドギ
ャップによる光の閉じ込め」の機能は２次元、３次元結
晶に劣るものの、「特異なバンド構造による非常に大き
な波長分散」あるいは「伝播光の群速度異常」といった
特性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した例があ
る。

【０００５】たとえば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.516、1990年）。さらに周期的多層膜層の第１フ
ォトニック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 W
orkshop on Photonic and Electromagnetic Crystal St
ructures" Technical Digest, F1-3）。

【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、その部分を光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】フォトニック結晶を利用した分光素子はス
-パープリズムとも呼ばれ、通常のプリズムや回折格子
と比較して非常に大きい波長分散が得られている。たと
えば、３次元フォトニック結晶を用いて波長差１％あた
りの角度分散が数１０度にも及ぶ、との実験結果が報告
されている（Physical Review B、58巻、16号、p.R1009
6、1998年）。波長分散が大きい材料は、たとえば波長
多重通信(ＷＤＭ)における波長の異なる信号をよりわけ
る分光素子として用いると、装置全体を非常に小型化す
ることができる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところで、フォトニッ
ク結晶を実用的な分光素子として利用するには、いくつ
かの問題点がある。平行な光束は、回折現象によってあ
る程度の広がり角を生じ、その広がりは光束が細くなる
ほど大きくなる。したがって、波長分解能の高い分光素
子とするためには光束は太いことが望ましい。逆に考え
ると、波長による角度差の大きい分光素子であっても光
束が細ければ高い分解能を発揮できないことになる。

【００１０】太い光束を確保するためには、素子のサイ
ズもある程度大きいものとしなければならず、また素子
中を伝播する光の光路長も必然的に長くなる。ところ
が、２次元、３次元のフォトニック結晶の場合は大きい
素子の製作が困難であり、また素子中での光の減衰も大
きい値であることが多い。したがって、実用的な分光素
子とすることは難しい。

【００１１】本発明はこのような問題点を解決するため
になされたもので、波長分散の大きい分光素子を提供す
ることを目的とする。さらにこの分光素子を用いた小型
の分光装置を提供することも目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明では、プリズム状
に加工した１次元フォトニック結晶(周期構造多層膜)
の、周期性がない方向に光を入射させ、高次バンドによ
る波動を伝播させることによって波長分散の大きい分光
素子を得る。周期的多層膜の作製方法は既に確立されて
おり、大面積のものを量産することができる。

【００１３】上記作用は、以下の手段により達成され
る。本発明の１次元フォトニック結晶を用いた光学素子
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る。この多層構造体の
層面と略垂直な２端面のうち１つを光入射面、他を光出
射面とする。この光入射面に対して光出射面が傾斜角を
有しており、光入射面に入射する入射光、前記多層構造
体中の伝播光、および前記光出射面から出射する出射光
の進行する方向を、いずれも周期構造体の周期方向と垂
直をなすようにする。上記の構造の光学素子は周期構造
多層膜をプリズム状に加工することによって実現する。

【００１４】上記の光入射面に近接もしくは当接して位
相変調手段を設けることが望ましい。入射光をフォトニ
ック結晶と同じ周期と方向の位相変調を与えることによ
り、特定の高次バンド光のみを伝播させることができ
る。この場合、さらに光出射面に近接もしくは当接して
位相変調手段を設けることが望ましい。これによって伝
搬した高次バンド項を平面波として出射させることがで
きる。

【００１５】また、多層構造体の片側もしくは両側の層
面に平行な表面に反射層を設けることが望ましい。この
反射層は周期的多層膜によって実現できる。反射層の形
成により、光学素子内を伝搬する光が光出射面以外の面
から出射して損失が生じるのを防止することができる。

【００１６】なお、周期構造部分を伝播する光は、低次
側から２番目の結合性フォトニックバンドに属する波動
として伝播するものを用いるのが望ましい。

【００１７】上記の光学素子を用いた分光装置は、この
光学素子と、その光入射面に多波長光信号を入射させる
光入射光学系と、光学素子から出射される分光された信
号光を波長別に弁別する光出射光学系とから構成する。
光入射光学系は、入射光を平行光に変換するコリメート
手段を有することが望ましい。これによって広い幅をも
った入射光を得ることができ、分光装置の角度分解能を
向上させることができる。

【００１８】光入射光学系は、多波長信号光を導波する
線状光導波路もしくは光ファイバと、その光出射端に入
射端が接続し、光学素子の光入射面に出射端が接続した
スラブ状光導波路と、スラブ状光導波路中にあって伝搬
光を平行光に変換する集光素子とから構成するのが望ま
しい。

【００１９】また光出射光学系は、前記光学素子が出射
する分波された複数の信号光をそれぞれ複数の光伝搬手
段に結合する光結合手段を有することが望ましい。とく
に光学素子の光出射面に入射端が接続されたスラブ状光
導波路と、その出射端に接続された複数の線状光導波路
もしくは光ファイバと、スラブ状光導波路中にあって伝
搬光を前記複数の線状光導波路もしくは光ファイバに結
合する集光素子とから構成するのが望ましい。

【００２０】集光素子は、スラブ状光導波路中に屈折率
が異なる部分をレンズ状に設けた導波路レンズ、回折レ
ンズ、または光学素子の光入射面または光出射面とスラ
ブ状光導波路との境界面を曲面とした構造とする。

【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。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。基板２
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＋ｔ
Ｂ）の構造とする。多層膜層１の表面は空気と接してい
るものとする。

【００２２】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の入射光束３を入射させたとき、この
光が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、伝搬光４に特異な効果を発現させ
ることがわかる。

【００２３】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、などの文献に詳しく述べられている。

【００２４】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。

【００２５】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。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。

【００２６】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最低次の第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）。

【００２７】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Ｚ軸方向の
伝播に関して「非結合性」であるため無視される。した
がって、波長λ_B1＝２π／ｋ _B1の第１バンド光、および
波長λ_B3＝２π／ｋ_B3の波動がそれぞれフォトニック結
晶内をＺ軸方向に伝播する。図２における第３バンドの
ような、第１バンドではない結合性バンドを、以下では
一般的に「高次伝播バンド」と呼ぶ。通常、第２バンド
と第３バンドのうち片方は結合性、もう片方は非結合性
であり、第１バンドは結合性である。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２
から理解できるように、第１バンド光の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、高次
伝播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は三角プリズム構造の１次元フォトニ
ック結晶２０を示している。光束を入出射させる端面１
ａ、１ｂはいずれも周期的多層膜層１の層面に垂直、す
なわち周期方向（Ｙ軸方向）に平行であるが、両端面は
互いに所定の角度を有している。この端面１ａに、斜め
に平面波の入射光束３を入射させると、実効屈折率に応
じた屈折が発生する。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起こさないのに対して、高次伝播
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とい
える。

【００３０】しかし、図４の構成により高次伝播バンド
光のプリズム効果を利用するためには、いくつかの問題
点がある。図２、図３から明らかなように、高次伝播バ
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バンド光は、高次伝播バンド光を利用する場
合にはエネルギーの損失であり、入射光の利用効率を大
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。

【００３１】また、図４の出射側端面１ｂにはＹ軸方向
の周期構造が露出しており、また高次伝播バンド光自体
もＹ軸方向に強度と位相の周期性を有するため、出射光
はいろいろな次数の回折光が混在したものとなり、単純
な平面波と違って取り扱いが困難である。

【００３２】さらに、高次伝播バンド光の実効屈折率が
プリズムの上下に接する媒体の屈折率よりも小さくなる
と、屈折により伝播光が媒体側に漏れてしまう。特に、
高次伝播バンド光の実効屈折率が１未満になると、媒体
を空気としても漏れを防ぐことができなくなる。

【００３３】ところで、本発明者らの研究によって、入
射光に位相変調を加えることにより、１次元フォトニッ
ク結晶内に特定の高次伝播バンド光のみ伝播させること
が可能であることが明らかとなった。

【００３４】図５及び図６は、物質ＡとＢを重ね合わせ
た１次元フォトニック結晶（周期ａ）内での、Ｚ軸方向
における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。

【００３５】第１バンド光は、図５に示すように電場の
振幅は媒体Ａ（５ａ）内と媒体Ｂ（５ｂ）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。しかし、高次伝播バン
ド光は、たとえば図６に示すように電場振幅が０となる
「節」が生じ、１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。このように１周期あたり２個
の節が生じるのは第２もしくは第３バンドの場合であ
り、さらに高次のバンドによる伝播光では１周期内の節
の数がさらに増えて、１周期内での半波長ズレが何回も
起こるようになる。従って、複数のバンドがともに関与
する波長（たとえば図２のλ_B）の入射光に対する伝播
光は両者が重なって、複雑な電場パターンを示すことに
なる。

【００３６】ところで、図７に示すように、Ｙ軸方向に
周期ａでおおよそ半波長差を生じる位相変調手段６を設
けて平面波７を入射させると、図６における高次結合バ
ンド光に類似した電場パターンを空間８に作ることがで
きる。ここに１次元フォトニック結晶の端面を置くと、
第１バンドによる伝播光は発生せず、高次伝播バンド光
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。ま
た、光路を逆に考えると、特定のバンドに属する伝播光
が多層膜層１の端面から出射された後に、適当な位相変
調手段６を設置することにより、平面波９に戻すことも
できることがわかる（図８参照）。

【００３７】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
層と同じ周期を有する位相格子である。たとえば、図９
に示すように位相格子を設置すれば良い。本発明者らの
シミュレーションによると、位相変調手段の構造（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（後述する計算例参
照）。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 の各条件を満たすようにする。

【００３８】位相格子と周期的多層膜の間隔Ｇ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λ₀と同程度以
下の場合は、両者の間隔を屈折率の大きい媒体で満たす
ことにより、位相変調波を伝播しやすくすることが望ま
しい。

【００３９】実際に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考えられる。この場
合は、位相格子の厚さと溝の幅を調整して特定の高次伝
播バンド光のみが伝播するようにしなくてはならない。
もちろん、溝は空気層としても良いし、均一媒体で満た
しても良い。

【００４０】位相変調波をつくるためには、複数の波面
の干渉を用いる方法もある。図１０に示すように、互い
にコヒーレントな２つの平面波７ａ、７ｂを交叉させる
と、干渉により位相変調波に類似した波動とすることが
できる。Ｙ軸方向の周期は交叉する角度によって調整で
きる。

【００４１】また、図１１のように第３の平面波７ｃを
加えれば、多層膜層によりよく適合するように位相変調
波を細かく調整することも可能となる。実際に３波を調
整するのは困難なので、図１０のように２波の干渉を用
いるのが簡便であることは明らかである。その場合に
は、周期的多層膜層１の構造を調整して、２波の干渉波
と１次元フォトニック結晶の高次伝播バンド光の伝播条
件をマッチングさせることが望ましい。

【００４２】上述したように、高次伝播バンド光の実効
屈折率が多層膜層の上下に接する媒体の屈折率よりも小
さくなると、屈折による伝播光の漏れが発生する。特
に、高次結合バンド光の実効屈折率が１以下になると、
媒体を空気としても漏れを防ぐことができなくなる。

【００４３】伝播光の逃げ出しを防いで閉じ込めるため
には、たとえば図１２に示すように、１次元フォトニッ
ク結晶（多層膜層）１の上下に金属膜などの反射層１０
を設ければ良い。しかし、反射層による多層膜強度の低
下や反射率の不足による減衰等の問題がある場合は、図
１３に示すように、周期あるいは構造の異なる１次元フ
ォトニック結晶（多層膜層）１１により閉じ込めを実現
することができる。

【００４４】図１４は、同じ厚さの２層（屈折率は１．
００および１．４４）を交互に重ねた１次元フォトニッ
ク結晶のバンド図を、２種類の周期（周期ａおよび周期
ａ’＝０．４３４ａ）について同じスケールで２次元的
に示したものである。縦はＹ軸方向で上下の境界線は中
心から±π／ａ、もしくは±π／ａ’の範囲（第１ブリ
ルアンゾーン）を表わす。横はＺ軸方向（Ｘ軸方向も同
じ）であり、周期性がない方向なのでブリルアンゾーン
の境界線は存在せず、図の両端は計算した範囲を示す便
宜的なものである。ブリルアンゾーン内での位置はフォ
トニック結晶内での波数ベクトルを、等高線状の曲線は
特定の規格化周波数ａ／λ₀（もしくはａ’／λ₀）に対
応するバンドを意味する。ちなみに、図２、図３はこの
様なバンド図の一部（Ｚ軸の正の部分）のみを取り出し
て１次元的に表記したものである。

【００４５】図１４の（Ａ）では、周期ａの１次元フォ
トニック結晶について、波長、 λ₀＝０．７２５ａ（ａ／λ₀＝１．３８） に対応するバンドを太線で、Ｚ軸方向の伝播光を表わす
波数ベクトルを矢印で表示してある。また、図１２(Ｂ)
には、同じ波長、 λ₀＝０．７２５ａ（ａ’／λ₀＝０．６０） に対応するバンドを太線で示している。

【００４６】図１４は、(Ａ）の高次伝播バンド光の波
数ベクトルに対応する（Ｚ成分が同じとなる）バンドが
（Ｂ）には存在しないことを示している。すなわち、周
期ａの結晶中の高次伝播バンド光は周期ａ’のフォトニ
ック結晶側に出ていくことができない。したがって、こ
のような条件を満たす周期ａ’を選んで伝播光用のフォ
トニック結晶（周期ａ)の両側に設置すれば、閉じ込め
を実現することができる（図１３参照）。

【００４７】閉じ込め用１次元フォトニック結晶の材料
や膜厚比率は、伝播用１次元フォトニック結晶と異なっ
たものであってもかまわないが、多層膜製作の手間を考
えれば同じ材料を用いて周期を小さくすることが望まし
い。もちろん、使用する波長域において伝播光の波数ベ
クトルに対応するバンドが存在しないことは、バンド計
算によって確認して設計する必要がある。

【００４８】なお、図１４においては、(Ａ）の第１バ
ンド光に対応するバンドも（Ｂ）側に存在しないが、周
期ａ’や膜構造を調整すれば、「第１バンド伝播光は逃
がし、高次伝播バンド光は閉じ込める」という条件とす
ることもできるので、第１バンド伝播光を途中で完全に
排除することもできる。

【００４９】バンド図による閉じ込めの判定は、無限周
期構造を前提としたものであるから、閉じ込め用１次元
フォトニック結晶の周期数がたとえば３周期くらいであ
ると、閉じ込めが不充分となり伝播光が外部に漏れてし
まうことがある。もちろん、不必要に周期数を多くする
ことはコストと多層膜の耐久性や精度の点から好ましく
ない。実際に必要な最低限の周期数は、実験や電磁波シ
ミュレーションにより決定することが望ましい。

【００５０】以上を総合して、本発明による分光素子の
１例を模式的に示したのが図１５である。三角プリズム
形状の１次元フォトニック結晶２０の２端面を光入射端
面１ａ、光出射端面１ｂとする。入射端面および出射端
面の近傍には溝１２が設けてあり、フォトニック結晶の
一部を利用した位相格子（位相変調手段）６により特定
の高次伝播バンド光のみによる伝播と、出射光９の平面
波への変換を行なう。伝播部分の両側は周期あるいは構
成の異なる１次元フォトニック結晶（多層膜層）１１で
挟まれており、伝播光のＹ軸方向の閉じ込めを行なう。

【００５１】以下、本発明の満たすべき条件をさらに具
体的に説明する。図２、図３には示していないが、第４
以上のバンドも第２、第３バンドと同様に大きい波長分
散を示す。しかし伝播光のバンドが高次になるに従っ
て、Ｙ軸方向の１周期あたりに存在する波動の「節」が
増えるので、位相変調のパターンがより複雑になる。従
って、１周期あたりに２個の節がある第２もしくは第３
バンドを高次伝播バンドとして利用することが最も望ま
しい。もちろん「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」ということになる。前述したように、第１バンドは
結合性である。

【００５２】また、高次伝播バンドによる伝播光ではい
わゆる「フォトニック結晶における群速度異常」が生じ
るため、非線型効果の増強作用を起こすことなどが期待
されている。本発明では群速度異常がほとんど起こらな
い第１バンド光にエネルギーを取られることがないの
で、たとえば多層膜中に非線型物質を含ませることによ
ってより大きい非線型増強効果を得ることができる（日
本光学会第２７回冬季講習会資料、41〜53頁、2001
年）。

【００５３】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、本発明による分光素子には偏光分離の作
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、といった利用の仕方も可能である。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、光システムを単純化することもできる。

【００５４】逆に、偏光モードによる差をなくすために
は、修正用の複屈折素子を光路の途中に設置することが
考えられる。複屈折素子としては、複屈折結晶、構造性
複屈折素子、フォトニック結晶などを用いることができ
る。

【００５５】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。

【００５６】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ｎ＝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)。

【００５７】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。

【００５８】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
つくることができる。溝部分の低屈折率材料としては、
空気もしくは真空を利用することもできるし、その他の
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。

【００５９】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。

【００６０】Ｙ軸方向１周期内における多層膜の構造
は、物理的厚さの等しい２層とするのが最も単純である
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。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。

【００６１】多層膜層の基板の材質には特に限定はな
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。

【００６２】［応用例：分波／合波素子］図１６は、本
発明を応用した分波素子の模式図である。基板２上に形
成した第１の線状光導波路１４ａからスラブ状光導波路
１３aに、多波長の信号光を含む入力光（入射光束）３
を導入する。この図の構造の場合には、線状光導波路１
４ａの始端に光ファイバなどを接続するのが実際的であ
るが、スラブ状光導波路１３aの端面に直接光ファイバ
等を接続してもよい。信号光はスラブ状光導波路１３ａ
内を平面状に広がるので、スラブ状光導波路内に設けた
凸レンズ部分１５ａにより略平行光束とする。凸レンズ
部分１５ａは、たとえばスラブ状光導波路１３aの一部
を、より高屈折率の材質に置き換えることによって実現
することができる。ここで、より低屈折率の材料を凹レ
ンズ状としても、同様な集光作用が得られる。

【００６３】信号光は、スラブ状光導波路と同じ平面層
内で、三角プリズム構造の１次元フォトニック結晶（周
期的多層膜層）２０に斜めに入射する。周期的多層膜層
１の入射側端面の近くには溝１２が設けてあり、溝の外
側の部分は位相格子６として機能する。信号光は位相格
子６の変調作用を受けてから溝１２を通って周期的多層
膜層１の本体に入射するので、多層膜層内では高次結合
バンド光として伝播する。図には示していないが、多層
膜層の両側は周期を変えた層とすることによって、上下
の閉じ込めを行なう。高次伝播バンド光は波長分散が非
常に大きいので、プリズム形状の多層膜層を通過した信
号光は波長別の光束となって出射される。

【００６４】ここで、多層膜層の出射側端面にも入射側
と同様な溝１２を設けているので、高次伝播バンド光は
平面波に変換されて第２のスラブ状光導波路１３ｂに入
射する。第２のスラブ状光導波路１３ｂにも凸レンズ部
分１５ｂが設けてあるので、信号光１６は波長別に集光
して、線状光導波路１４ｂの終端より光ファイバ等に出
力される。図１６は分波素子の例であるが、入力側と出
力側を入れかえると合波素子として用いることもでき
る。

【００６５】凸レンズ部分１５ａ、１５ｂの集光作用
は、他の方法によっても達成できる。たとえば、 ・スラブ状導波路中に回折レンズを設ける ・多層構造体とスラブ導波路の境界面を曲面としてレン
ズ作用を持たせる(図１７) といった方法がある。

【００６６】［計算例］ （１）屈折光のシミュレーション 位相格子と組合せた１次元フォトニック結晶プリズム内
部の伝播について、ＦＤＴＤ（Finite Difference Time
Domain）法による電磁波シミュレーションを行なっ
た。使用したソフトウェアは日本総研製のＪＭＡＧであ
る。

【００６７】計算モデルを図１８に示す。１次元フォト
ニック結晶は均質の媒体ＡとＢを交互に重ね合わせた構
造（図１８では１周期だけ表記）であり、周期をa、そ
れぞれの厚さをｔ_A、ｔ_B、屈折率をｎ_A、ｎ_Bとする。プ
リズムの２側面は、距離Ｌだけ離して幅Ｇの溝を設置
し、位相格子とする。溝部分の屈折率はｎ_Gである。

【００６８】プリズムの頂角はθpであり、片側の側面
から波長λ₀の連続的平面波を入射させる。入射光束の
幅はＷ、入射角はθ₀とする。また、プリズムの外側は
屈折率ｎ_Sの空間である。計算範囲はＹ軸方向の１周期
であるが、周期境界条件を設定しているので、Ｙ軸方向
の無限周期構造と等価である。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】（２）Ｙ軸方向閉じ込めのシミュレーショ
ン 図１３のように周期や構成の異なる１次元フォトニック
結晶によるＹ軸方向の閉じ込めを行なう場合についての
シミュレーションも実施した。周期的多層膜部分の計算
モデルは図１８と同様であるが、入射角θ₀は０であ
る。また、１次元フォトニック結晶はＸ軸、Ｚ軸方向に
ついて均質なので、シミュレーションはＹＺ平面につい
て行なえば充分である。

【００７０】（３）位相格子の幅と溝幅の補正 本発明の位相格子は、おおよそ半波長の光路長差を生じ
る厚さとすることが望ましいが、具体的な数値は溝部分
の厚さと屈折率も含めて、電磁波シミュレーションによ
り最適化する必要がある。最適化は、たとえば以下の手
順で行なう。

【００７１】入射角θ₀を０として、図１９（ａ）に
示す構造のＹＺ平面内のシミュレーションを行ない、最
適値Ｌ₀およびＧ₀を決定する。 屈折率１の領域からの一般的な入射角θ₀の場合につ
いての最適値Ｌ’は、Ｌ₀の値から換算する。換算式
は、図１９（ｂ）に示す関係式より、両方の光路長差が
等しいとして、すなわち Ｌ₀（ｎ_B−ｎ_A）＝ Ｐ２＋Ｐ３−Ｐ１ とおいて式を変形すると、 Ｌ’＝Ｌ₀（ｎ_B−ｎ_A）／｛（ｎ_B ²−ｓｉｎ²θ₀）^0.5−
（ｎ_A ²−ｓｉｎ²θ₀） ^0.5｝ である。Ｇ’の換算式は簡単に、 Ｇ’＝Ｇ₀｛１−（ｓｉｎθ₀／ｎ_G）²｝^0.5 である。

【００７２】［計算例１−１］以下の条件で、１次元フ
ォトニック結晶に斜め入射する光束の屈折光についてシ
ミュレーションを実施した。位相格子を設けていない場
合である。 （周期構造体） 周期：ａ （媒体Ａ） 厚さ：ｔ_A＝０．５ａ 屈折率：ｎ_A＝１．００ （媒体Ｂ） 厚さ：ｔ_B＝０．５ａ 屈折率：ｎ_B＝１．４４ （周辺の空間） 屈折率：ｎ_S＝１．００ （入射光） 波長：λ₀＝０．７２５ａ（ａ／λ₀＝１．３８） 偏光：ＴＥ偏光（電場の向きがＸ軸方向） 光束の幅：Ｗ＝５．６６ａ 入射角：θ₀＝３０°

【００７３】ここで、上記条件による１次元フォトニッ
ク結晶のバンド図（ＴＥ偏光）を図２０に示す。図２０
より、ａ／λ₀＝１．３８に対応する値として 第１バンドの有効屈折率：ｎ_eff＝１．３６ 高次伝播バンド（第３バンド）の有効屈折率：ｎ_eff＝
０．８７ であることがわかる。これらの有効屈折率値を用いて、
上記プリズム構造における屈折光の向きを屈折の法則に
より計算して図示したものが図２１aである。

【００７４】ＦＤＴＤシミュレーション結果として、
「媒体Ａの中央をなす平面」と「媒体Ｂの中央をなす平
面」における電場の強度分布を図２１ｂ、図２１ｃに示
す。屈折率の低い媒体Ａでは高次伝播バンドによる波長
の長い波動、屈折率の高い媒体Ｂでは第１バンドによる
波長の短い波動がそれぞれ優位を占めているので、両方
の伝播光の向きを比較することができる。それぞれのバ
ンドによる伝播光の向きは、実効屈折率から計算した屈
折角(図２１ａ)と良く一致していることがわかる。

【００７５】［計算例１−２］計算例１−１に対応する
条件により、Ｙ軸方向閉じ込めのシミュレーションを実
施した。導波用１次元フォトニック結晶の構造と入射光
の波長、偏光は計算例１−１と同じである。位相格子と
溝部分の厚さは、入射角：θ₀＝０として最適化した値
である。

【００７６】 （位相格子） 厚さ：Ｌ＝０．８０３ａ （溝） 幅：Ｇ＝１．０７５ａ、屈折率：ｎ_G＝１．００ また、閉じ込め部分の構造は以下の通りである。 （閉じ込め層） 周期：ａ’＝０．４３４ａ 各層の屈折率と厚さ比率は導波部分と等しい。 （周辺の空間） 屈折率：ｎ_S＝１．００ （入射光） 光束のＹ軸方向幅：２Ｗ’＝１６ａ 導波部分を２０周期とし、その上下を各１０周期の閉じ
込め層としたが、中心対称なので計算を実施したのは上
半分のみである。

【００７７】Ｙ軸方向閉じ込めシミュレーションの結果
（電場の強度分布）を図２２に示す。導波用１次元フォ
トニック結晶部分の高次バンドによる伝播光は、Ｙ軸方
向に閉じ込められて外部には漏れていかないことがわか
る。

【００７８】［計算例１−３］計算例１−２とほぼ同じ
であるが、閉じ込め層の周期のみ異なっている。 （閉じ込め部分） 周期：a’＝０．９０５ａ Ｙ軸方向閉じ込めシミュレーションの結果（電場の強度
分布）を図２３に示す。導波用１次元フォトニック結晶
部分の高次バンドによる伝播光は、Ｙ軸方向に閉じ込め
られて外部には漏れていかないことがわかる。

【００７９】［計算例２−１］計算例１−１の条件か
ら、入射光の波長を変えた場合である。 （入射光） 波長：λ₀＝１．０ａ（ａ／λ₀＝１．０
０） 上記条件による１次元フォトニック結晶のバンド図（Ｔ
Ｅ偏光）は図２０に示されている。図２０より、ａ／λ
₀＝１．００に対応する値として、 第１バンドの有効屈折率：ｎ_eff＝１．３０ 高次伝播バンド（第３バンド）の有効屈折率：ｎ_eff＝
０．６０ であることがわかる。これらの有効屈折率値を用いて、
上記プリズム構造における屈折光の向きを屈折の法則に
より計算して図示したものが図２４ａである。

【００８０】ＦＤＴＤシミュレーション結果として、
「媒体Ａの中央をなす平面」と「媒体Ｂの中央をなす平
面」における電場の強度分布を図２４ｂ、図２４ｃに示
す。それぞれのバンドによる伝播光の向きは、有効屈折
率から計算した屈折角（図２４ａ）と良く一致している
ことがわかる。第１バンド光の屈折角がほとんど変わら
ないのに対して、高次伝播光の屈折角は計算例１−１と
比べると非常に大きく変化している。

【００８１】［計算例２−２]計算例１−１の条件か
ら、入射光の波長を変えた場合である。 （入射光） 波長：λ₀＝１．２５ａ（ａ／λ₀＝０．８
０） 上記条件による１次元フォトニック結晶のバンド図（Ｔ
Ｅ偏光）は図２０に示されている。図２０より、ａ／λ
₀＝０．８０に対応する値として、 第１バンドの有効屈折率：ｎ_eff＝１．３０ 高次伝播バンド（第３バンド）：なし であることがわかる。これらの有効屈折率値を用いて、
上記プリズム構造における屈折光の向きをスネルの法則
により計算して図示したものが図２５ａである。

【００８２】ＦＤＴＤシミュレーション結果として、
「媒体Ａの中央をなす平面」と「媒体Ｂの中央をなす平
面」における電場の強度分布を図２５ｂ、図２５ｃに示
す。この波長に対しては高次伝播バンド光が存在しない
ので、どちらの層でも第１バンド光しか現われない。

【００８３】［計算例３−１］計算例１−１の構成に対
して、溝構造による位相格子を入射端面、出射端面それ
ぞれに形成したものである。 （周期構造体） 周期：ａ 頂角：θ_P ＝７０．１６° （媒体Ａ） 厚さ：ｔ_A＝０．５ａ 屈折率：ｎ_A＝１．００ （媒体Ｂ） 厚さ：ｔ_B＝０．５ａ 屈折率：ｎ_B＝１．４４ （周辺の空間） 屈折率：ｎ_S＝１．００ （位相格子） 厚さ：Ｌ＝０．７３０ａ （溝） 幅：Ｇ＝０．９３１ａ 屈折率：ｎ_G＝１．００ （入射光） 波長：λ₀＝０．６９０ａ（ａ／λ₀＝１．４５） 偏光：ＴＥ偏光（電場の向きがＸ軸方向） 光束の幅：Ｗ＝５，６６ａ 入射角：θ₀＝３０°

【００８４】ＦＤＴＤシミュレーション結果として、
「媒体Ａの中央をなす平面」と「媒体Ｂの中央をなす平
面」における電場の強度分布を図２６ａ、図２６ｂに示
す。どちらの層でも、１次元フォトニック結晶部分はほ
とんど高次伝播バンド光のみが伝播し、出射光は平面波
に近いものとなっていることがわかる。図２６ａより、
出射光の方向角は、８．５°である。

【００８５】［計算例３−２］計算例３−１の波長のみ
を変えたものである。 （入射光） 波長：λ₀＝０．７６０ａ（ａ／λ₀＝１．３２） 偏光：ＴＥ偏光（電場の向きがＸ軸方向） ＦＤＴＤシミュレーション結果として、「媒体Ａの中央
をなす平面」と「媒体Ｂの中央をなす平面」における電
場の強度分布を図２７ａ、図２７ｂ に示す。どちらの
層でも、１次元フォトニック結晶部分はほとんど高次伝
播バンド光のみが伝播し、出射光は平面波に近いものと
なっていることがわかる。図２７ａより、出射光の方向
角は、１３．０°である。

【００８６】計算例３−１と３−２より、本発明におけ
る三角プリズム構造により、広い波長域にわたって大き
い波長分散と良好な平面波状の出射光を得られることが
わかる。

【００８７】［計算例４−１］溝構造による位相格子を
入射端面、出射端面にそれぞれ形成したものである。 （周期構造体） 周期：ａ 頂角：θ_P＝７０° （媒体Ａ） 厚さ：ｔ_A＝０．８ａ 屈折率：ｎ_A＝１．４４ （媒体Ｂ） 厚さ：ｔ_B＝０．２ａ 屈折率：ｎ_B＝２．１８ （周辺の空間） 屈折率：ｎ_S＝１．００ （位相格子） 厚さ：Ｌ＝０．６１５ａ （溝） 幅：Ｇ＝０．７９３ａ 屈折率：ｎ_G＝２．００ （入射光） 波長：λ₀＝１．４３ａ（ａ／λ₀＝０．６９９） 偏光：ＴＥ偏光（電場の向きがＸ軸方向） 光束の幅：Ｗ＝５．５６ａ 入射角：θ₀＝１５°

【００８８】ＦＤＴＤシミュレーション結果として、
「媒体Ａの中央をなす平面」と「媒体Ｂの中央をなす平
面」における電場の強度分布を図２８ａ、図２８ｂに示
す。どちらの層でも、１次元フォトニック結晶部分は大
部分が高次伝播バンド光のみが伝播し、出射光は平面波
に近いものとなっていることがわかる。図２８ａより、
出射光の方向角は、３．０°である。

【００８９】［計算例４−２］計算例４−１の波長のみ
を変えたものである。 （入射光） 波長：λ₀＝１．５４ａ（ａ／λ₀＝０．６４９） 偏光：ＴＥ偏光（電場の向きがＸ軸方向） ＦＤＴＤシミュレーション結果として、「媒体Ａの中央
をなす平面」と「媒体Ｂの中央をなす平面」における電
場の強度分布を図２９ａ、図２９ｂに示す。どちらの層
でも、１次元フォトニック結晶部分はほとんど高次伝播
バンド光のみが伝播し、出射光は平面波に近いものとな
っていることがわかる。図２９ａより、出射光の方向角
は、１５．０°である。

【００９０】［計算例４−３］計算例４−１の波長のみ
を変えたものである。 （入射光） 波長：λ₀＝１．６６ａ（ａ／λ₀＝０．６０２） 偏光：ＴＥ偏光（電場の向きがＸ軸方向） ＦＤＴＤシミュレーション結果として、「媒体Ａの中央
をなす平面」と「媒体Ｂの中央をなす平面」における電
場の強度分布を図３０ａ、図３０ｂに示す。どちらの層
でも、１次元フォトニック結晶部分はほとんど高次伝播
バンド光のみが伝播し、出射光は平面波に近いものとな
っていることがわかる。図３０ａより、出射光の方向角
は、３１．０°である。

【００９１】［計算例４−４］計算例４−１の波長のみ
を変えたものである。 （入射光） 波長：λ₀＝１．８１８ａ（ａ／λ₀＝０．５５０） 偏光：ＴＥ偏光（電場の向きがＸ軸方向） ＦＤＴＤシミュレーション結果として、「媒体Ａの中央
をなす平面」と「媒体Ｂの中央をなす平面」における電
場の強度分布を図３１ａ、図３１ｂに示す。この波長に
対しては高次伝播バンド光が存在しないので、どちらの
層でも第１バンド光しか現われない。

【００９２】計算例４−１、４−２、４−３より、本発
明における三角プリズム構造により、広い波長域にわた
って大きい波長分散と良好な平面波状の出射光を得られ
ることがわかる。

【００９３】［計算例５−１］計算例４−３に対応する
条件により、Ｙ軸方向閉じ込めのシミュレーションを実
施した。導波用１次元フォトニック結晶の構造と入射光
の波長、偏光は計算例４−３と同じである。位相格子と
溝部分の厚さは、入射角θ0＝０として最適化した値で
ある。

【００９４】 （位相格子） 厚さ：Ｌ＝０．６２２ａ （溝） 幅：Ｇ＝０．８００ａ 屈折率：ｎ_G＝２．００ また、閉じ込め部分の構造は以下の通りである。 （閉じ込め層） 周期：a’＝０．５４０ａ 各層の屈折率と厚さ比率は導波部分と同じである。 （周辺の空間） 屈折率：ｎ_S＝１．００ （入射光） 光束のＹ軸方向幅：２Ｗ’＝２０ａ 導波部分を２０周期とし、その上下を各１０周期の閉じ
込め層としたが、中心対称なので計算を実施したのは上
半分のみである。

【００９５】Ｙ軸方向閉じ込めシミュレーションの結果
（電場の強度分布）を図３２に示す。導波用１次元フォ
トニック結晶部分の高次バンドによる伝播光は、Ｙ軸方
向に閉じ込められて外部には漏れていかないことがわか
る。

【００９６】［計算例５−２］計算例５−１とほぼ同じ
であるが、閉じ込め層の周期のみ異なっている。 （閉じ込め層） 周期：ａ’＝１．０８ａ Ｙ軸方向閉じ込めシミュレーションの結果（電場の強度
分布）を図３３に示す。導波用１次元フォトニック結晶
部分の高次バンドによる伝播光は、Ｙ軸方向に閉じ込め
られて外部には漏れていかないことがわかる。

【００９７】

【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（Ｔ
Ｅ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（Ｔ
Ｍ偏光）を示す図である。

【図４】 三角プリズム構造の１次元フォトニック結晶
における光の屈折の様子を示す図である。

【図５】 第１バンド伝播光の電場を示す模式図であ
る。

【図６】 高次結合バンド伝播光の電場を示す模式図で
ある。

【図７】 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８】 入射側と出射側の両方に位相格子を設けた場
合を示す模式図である。

【図９】 入射側に位相格子を設置した構成の各部パラ
メータの説明図である。

【図１０】 ２個の平面波による干渉波を入射光として
用いた場合の模式図である。

【図１１】 ３個の平面波による干渉波を入射光として
用いた場合の模式図である。

【図１２】 多層膜層の両側に反射層を設けた構造を示
す模式図である。

【図１３】 多層膜層の両側に反射層として他の多層膜
層を設けた構造を示す模式図である。

【図１４】 閉じ込め用の１次元フォトニック結晶のバ
ンド条件を説明する図である。

【図１５】 本発明の三角プリズム構造の１次元フォト
ニック結晶を用いた分光素子の概念図である。

【図１６】 本発明の三角プリズム形状の１次元フォト
ニック結晶を用いた導波路型分波／合波素子を示す模式
図である。

【図１７】 １次元フォトニック結晶とスラブ導波路の
境界面を曲面とした例である。

【図１８】 三角プリズム形状の１次元フォトニック結
晶を用いた分光素子の計算例の条件の説明図である。

【図１９】 斜め入射時の位相格子の厚さの換算方法を
説明する図である。

【図２０】 １次元フォトニック結晶のバンド図と実効
屈折率を示す図である。

【図２１】 １次元フォトニック結晶による斜め入射光
に対する屈折光の電磁波シミュレーション結果を示す図
である（位相格子を設けていない場合）。

【図２２】 Ｙ軸方向閉じ込めに関する電磁波シミュレ
ーションの結果を示す図である（位相格子を設けていな
い場合）。

【図２３】 Ｙ軸方向閉じ込めに関する他の電磁波シミ
ュレーションの結果を示す図である（位相格子を設けて
いない場合）。

【図２４】 １次元フォトニック結晶による斜め入射光
に対する屈折光の他の電磁波シミュレーション結果を示
す図である（位相格子を設けていない場合）。

【図２５】 １次元フォトニック結晶による斜め入射光
に対する屈折光の他の電磁波シミュレーション結果を示
す図である（位相格子を設けていない場合）。

【図２６】 １次元フォトニック結晶による斜め入射光
に対する屈折光の電磁波シミュレーション結果を示す図
である（位相格子を設けた場合）。

【図２７】 １次元フォトニック結晶による斜め入射光
に対する屈折光の他の電磁波シミュレーション結果を示
す図である（位相格子を設けた場合）。

【図２８】 １次元フォトニック結晶による斜め入射光
に対する屈折光の他の電磁波シミュレーション結果を示
す図である（位相格子を設けた場合）。

【図２９】 １次元フォトニック結晶による斜め入射光
に対する屈折光の他の電磁波シミュレーション結果を示
す図である（位相格子を設けた場合）。

【図３０】 １次元フォトニック結晶による斜め入射光
に対する屈折光の他の電磁波シミュレーション結果を示
す図である（位相格子を設けた場合）。

【図３１】 １次元フォトニック結晶による斜め入射光
に対する屈折光の他の電磁波シミュレーション結果を示
す図である（位相格子を設けた場合）。

【図３２】 Ｙ軸方向閉じ込めに関する他の電磁波シミ
ュレーションの結果を示す図である（位相格子を設けた
場合）。

【図３３】 Ｙ軸方向閉じ込めに関する他の電磁波シミ
ュレーションの結果を示す図である（位相格子を設けた
場合）。

【符号の説明】

１ 多層膜層 １ａ 入射端面 １ｂ 出射端面 ２ 基板 ３ 入射光束 ４ 伝搬光 ５ａ 媒体Ａ ５ｂ 媒体Ｂ ６ 位相変調手段 ７、７ａ、７ｂ、７ｃ、９ 平面波 ８ 空間 １０ 反射層 １１ 多層膜層 １２ 溝 １３ａ、１３ｂ スラブ状光導波路 １４ａ、１４ｂ 線状光導波路 １５ａ、１５ｂ 凸レンズ部分 １６ 分波された信号光 ２０ 三角プリズム構造１次元フォトニック結晶

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 奈良 正俊 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 常友 啓司 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 KA03 LA18 MA05 PA04 PA05 PA24 QA02 RA08 TA01 TA35 TA41 2H049 AA02 AA31 AA44 AA59

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【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２端面のうち１つを光入射面、他を
   光出射面とする光学素子において、 前記光入射面に対して光出射面が傾斜角を有しており、
   光入射面に入射する入射光、前記多層構造体中の伝播
   光、および前記光出射面から出射する出射光の進行する
   方向が、前記周期構造体の周期方向と垂直をなしている
   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。
2. 【請求項２】前記光入射面に近接もしくは当接して位相
   変調手段が設けられている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。
3. 【請求項３】前記光出射面に近接もしくは当接して位相
   変調手段が設けられていることを特徴とする請求項２に
   記載の１次元フォトニック結晶を用いた光学素子。
4. 【請求項４】前記多層構造体の片側もしくは両側の層面
   に平行な表面に反射層を設けたことを特徴とする請求項
   １、２または３に記載の１次元フォトニック結晶を用い
   た光学素子。
5. 【請求項５】前記反射層が周期的多層膜であることを特
   徴とする請求項４に記載の１次元フォトニック結晶を用
   いた光学素子。
6. 【請求項６】前記周期構造部分を伝播する電磁波は、低
   次側から２番目の結合性フォトニックバンドに属する波
   動として伝播することを特徴とする請求項１〜５のいず
   れか一項に記載の１次元フォトニック結晶を用いた光学
   素子。
7. 【請求項７】請求項１〜６のいずれか一項に記載の１次
   元フォトニック結晶を用いた光学素子と、該光学素子の
   光入射面に、多波長光信号を入射させる光入射光学系
   と、該光学素子から出射される分光された信号光を波長
   別に弁別する光出射光学系から構成されることを特徴と
   する分光装置。
8. 【請求項８】前記光入射光学系が、入射光を平行光に変
   換するコリメート手段を有することを特徴とする請求項
   ７に記載の分光装置。
9. 【請求項９】前記光入射光学系が、多波長信号光を導波
   する線状光導波路もしくは光ファイバと、該線状光導波
   路もしくは光ファイバの光出射端に入射端が接続し、前
   記光学素子の光入射面に出射端が接続したスラブ状光導
   波路と、該スラブ状光導波路中にあって伝搬光を平行光
   に変換する集光素子と、を有することを特徴とする請求
   項８に記載の分光装置。
10. 【請求項１０】前記光出射光学系が、前記光学素子が出
    射する分波された複数の信号光をそれぞれ複数の光伝搬
    手段に結合する光結合手段を有することを特徴とする請
    求項７に記載の分光装置。
11. 【請求項１１】前記光出射光学系が、前記光学素子の光
    出射面に入射端が接続されたスラブ状光導波路と、該ス
    ラブ状光導波路の出射端に接続された複数の線状光導波
    路もしくは光ファイバと、該スラブ状光導波路中にあっ
    て伝搬光を前記複数の線状光導波路もしくは光ファイバ
    に結合する集光素子と、を有することを特徴とする請求
    項１０に記載の分光装置。
12. 【請求項１２】前記集光素子が、前記スラブ状光導波路
    中に屈折率が異なる部分をレンズ状に設けた導波路レン
    ズであることを特徴とする請求項９または１１に記載の
    分光装置。
13. 【請求項１３】前記集光素子が、前記スラブ状光導波路
    中に設けた回折レンズであることを特徴と請求項９また
    は１１に記載の分光装置。
14. 【請求項１４】前記集光素子が、前記光学素子の光入射
    面または光出射面とスラブ状光導波路との境界面を曲面
    とした構造であることを特徴とする請求項９または１１
    に記載の分光装置。