JP2004157421A

JP2004157421A - １次元フォトニック結晶を用いた光学素子

Info

Publication number: JP2004157421A
Application number: JP2002324608A
Authority: JP
Inventors: Tatsuhiro Nakazawa; 達洋中澤; Shigeo Kikko; 重雄橘高; Kazuaki Oya; 和晃大家; Keiji Tsunetomo; 啓司常友; Junji Nishii; 準治西井
Original assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2002-11-08
Filing date: 2002-11-08
Publication date: 2004-06-03
Anticipated expiration: 2022-11-08
Also published as: JP4162976B2

Abstract

【課題】１次元フォトニック結晶のスーパープリズム効果は分光装置に応用することができる。しかし、多層膜層で１次元フォトニック結晶を構成する場合、その厚さから考えると、入射光束幅が大きくできず、波長分解能を高くすることが困難である。
【解決手段】本発明においては、１次元フォトニック結晶とみなせる周期的多層構造により構成される光学素子を採用するが、この光学素子は、多層構造の層面に対して傾斜し互いに平行でない第１および第２の端面を有する。入射光束を層面に対して一方の側から第１の端面に入射させ、かつ出射光束を第２の端面から層面に対して同側に出射させるように構成する。この傾斜した端面は、断面が略三角形状の凹凸溝を多層膜層表面に形成し、その三角形状の一斜辺に相当する溝側面を入射面とし、他の一斜辺に相当する溝側面を出射面とすることによって実現できる。
【選択図】図７

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信システムや光ディスク用ピックアップ装置などにおいて、波長の異なる光を分離する分光素子に関し、とくに１次元フォトニック結晶するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、インターネットの普及により光ファイバ通信システムの大容量化、高速化が強く求められており、その手段として波長多重（ＷＤＭ）通信の開発が急速に進められている。ＷＤＭ通信では、異なる波長の光を一つの光導波路に合波して出力したり、一つの光導波路内の光を波長ごとに異なる光導波路に分けて出力する光合波器・光分波器が必要となる．
【０００３】
光分波器に用いる分波素子には、従来からプリズム、波長フィルタ、回折格子等があるが、本発明者らは、１次元フォトニック結晶を利用した分波素子を提案してきた（例えば、特許文献１参照）。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屈折率の異なる２種類の薄膜（ＳｉＯ_２とＴａ_２Ｏ_５など）を交互に積層した周期的多層膜がある。
【０００４】
図１は、１次元フォトニック結晶の基本構造である周期的多層膜層を模式的に示した斜視図である。多層膜１は、例えば厚さ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）の構造とする。このような周期的多層膜１は周期方向（Ｙ方向）にフォトニックバンドギャップを有する。バンド計算の方法は、たとえば、非特許文献１あるいは非特許文献２などに詳しく述べられている。
【０００５】
図２は、
屈折率１．４５の層（厚さ０．７ａ）
屈折率２．１０の層（厚さ０．３ａ）
の層を交互に重ねた周期ａの多層膜についてのフォトニックバンドを、ＴＥ偏光について低次のものから３番目まで示したものである。ここで、ＴＥ偏光は電場の向きがＸ軸方向である偏光を表わす。なお、図２の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λ_０を用いて、ａ／λ_０とも表わすことができるので、以下ではａ／λ_０と記述する。
【０００６】
図２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ａ／λ_０値に対応するバンドをそれぞれ意味する。
【０００７】
この多層膜層の端面に略垂直に光を入射し、Ｚ方向に伝搬させることにより、第１次（最低次）及び高次のフォトニックバンドによる伝搬光を発生させる。このうち、高次バンドによる伝搬光は入射光の波長変化に対して実効屈折率が大きく変化する（いわゆる、スーパープリズム効果）ため、多層膜層の表面から波長による角度差の極めて大きい屈折光が放出される。
【０００８】
このようなフォトニック結晶によるスーパープリズム効果を利用した分光素子としては、３次元結晶を用いたもの（非特許文献３参照）や２次元結晶を用いた計算結果（非特許文献４参照）、１次元結晶によるもの（非特許文献５参照）等が発表されている。
【０００９】
図３に周期的多層膜を用いた分光素子の一例を示す。基板２上に周期的多層膜層１を形成し、その一端面を多層膜層の層面に対して一定角度傾斜させる。多層膜層１の層面に対して傾斜した端面１ｘから真空中の波長がλ_Ａとλ_Ｂの光を多重化した光束３を入射させ、表面（図では多層膜と基板の界面１ｂ）から出射させると、スーパープリズム効果を得ることができる（光束の方向は逆でも良い）。すなわち、出射光１５は波長λ_Ａとλ_Ｂによってその方向が大きく変化する。このことは従来の分波素子を用いる場合より分波装置を大幅に小型化できることを意味する。
【００１０】
【特許文献１】
特願２０００−２６６５３３号公報
【非特許文献１】
アムノン・ヤリフ（ＡｍｎｏｎＹａｒｉｖ），他１名著，「結晶中の光波（ＯｐｔｉｃａｌＷａｖｅｓｉｎＣｒｙｓｔａｌｓ）」，（米国），ジョン・ワイリー・アンド・サンズ（ＪｏｈｎＷｉｌｅｙ＆Ｓｏｎｓ），１９８４年，第６章
【非特許文献２】
Ｍ．プリハル（Ｍ．Ｐｌｉｈａｌ），他１名，「フィジカル・レビューＢ（ＰｈｙｓｉｃａｌＲｅｖｉｅｗＢ）」，（米国），１９９１年，第４４巻，第１６号，ｐ．８５６５−８５７１
【非特許文献３】
ヒデオ・コサカ（ＨｉｄｅｏＫｏｓａｋａ），他６名，「フィジカル・レビューＢ（ＰｈｙｓｉｃａｌＲｅｖｉｅｗＢ）」，（米国），１９９８年，第５８巻，第１６号，ｐ．Ｒ１００９６−Ｒ１００９９
【非特許文献４】
馬場俊彦，他１名，「第４９回応用物理学関係連合講演会予稿集」，応用物理学会，２００２年３月，２８ｐ−ＺＦ−１７，ｐ．１０３６
【非特許文献５】
Ｄ．Ｎ．チグリン（Ｄ．Ｎ．Ｃｈｉｇｒｉｎ），「テクニカル・ダイジェスト：インターナショナル・ワークショップ・オン・フォトニクス・アンド・エレクトロマグネティック・クリスタル・ストラクチャーズ（ＴｅｃｈｎｉｃａｌＤｉｇｅｓｔ：ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＷｏｒｋｓｈｏｐｏｎＰｈｏｔｏｎｉｃｓａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃＣｒｙｓｔａｌＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓ」，（日本），東北大学電気通信研究所，２０００年３月，Ｆ１−３
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のフォトニック結晶による分光素子にはいくつかの問題点がある。
素子内を伝搬する電磁波の幅、もしくは光束をあまり細く設定すると回折による広がりが生じるため、波長分解能が低下してしまう、という問題点が発生する。したがって、実際に高い波長分解能を発揮するためには光束をある程度太くする必要があり、素子のサイズや光路長もそれに応じて大きくなってしまう。
【００１２】
現在作製されている２次元あるいは３次元のフォトニック結晶は大きさが１ｍｍ以下の小さい物が多く、また内部での吸収・散乱も大きいので、たとえば光束の幅１ｍｍ、フォトニック結晶内の光路長が数ｍｍといった素子を実現することは極めて困難である。
【００１３】
最も単純な１次元フォトニック結晶である周期的多層膜を利用する場合は、例えば図３に示すように、一表面から入射させた光束をその表面に対して傾斜した表面から出射させるとスーパープリズム効果を得ることができる（光束の方向は逆でも良い）。この場合、光入射面と光出射面が互いに平行であると、スーパープリズム効果を発揮することができない。
【００１４】
しかし、実用的な多層膜層の厚さから考えると、斜め断面での光束幅はたかだか１００μｍ程度が限度であり、前述した理由により波長分解能を高くすることが困難である。
【００１５】
本発明は上記の問題点を解決するためになされたもので、小型でかつ高い波長分解能をもつフォトニック結晶を用いた分光素子を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明では、以下の手段により上記の課題を解決する。
本発明においては、１次元フォトニック結晶とみなせる周期的多層構造により構成される光学素子を採用する。この光学素子は、多層構造の層面に対して傾斜し互いに平行でない第１および第２の端面を有し、入射光束を層面に対して一方の側から第１の端面に入射させ、かつ出射光束を第２の端面から層面に対して同側に出射させるように構成する。
【００１７】
上記のように多層構造に対して傾斜した端面を入出射面とすることにより、入出射面を実効的に拡大することができる。したがって入射光及び出射光のビーム径を大きくすることができるので、ビームの広がりが小さく、波長分解能を高くすることが可能となる。
【００１８】
このとき入射光束が、周期的多層構造により形成される特定のフォトニックバンドと結合して伝搬し、その伝搬光エネルギーの進行方向が、多層構造の層面と略平行であるように構成する。またこの入射光束は、周期的多層構造により形成される最低次のフォトニックバンドのみと結合して伝搬させる。
このように構成することで、出射光を入射光が入射したのと多層構造に対して同じ側から出射させることができる。
【００１９】
さらに、周期的多層構造を屈折率の異なる複数の薄膜を周期的に積層した多層膜によって構成し、第１および第２の端面が、その多層膜の少なくとも片側表面に形成した溝構造の側面であることが望ましく、この溝構造による第１の端面と第２の端面の対が平行に複数形成されていればより好ましい。
【００２０】
多層膜の成膜とその表面への溝加工は既存の技術により可能であり、この構造により出射光を入射光が入射したのと多層膜に対して同じ側から出射させることができる。また溝構造を平行に複数形成することにより、入出射面を実効的に拡大することができ、したがって波長分解能を高くすることが可能となる。
【００２１】
さらに、上記の凹凸溝構造の溝の方向に垂直な断面が略三角形状であり、この三角形状の一斜辺に相当する溝側面を入射面とし、他の一斜辺に相当する溝側面を出射面とすることが望ましく、さらに入射面と出射面がそれぞれ多層膜構造の層面に対して等しい角度をなし、前記凹凸構造の断面が略二等辺三角形であることが望ましい。
凹凸溝の断面を三角形状とすることで、もっとも有効に表面を光入射面と光出射面に利用できる。また、とくに二等辺三角形状の場合は実際に形成しやすい構造である。
【００２２】
また周期的多層構造は、平板状均質物質に複数の平行な溝を、溝幅、溝間隔が互いに等しくなるように形成し、この溝に上記の均質物質とは屈折率の異なる均質物質を充填して構成してもよい。
このような多層構造の層面に対して傾斜し互いに平行でない第１および第２の端面を設けることにより、多層膜による場合と同様な機能を有する光学素子を実現することができる。
【００２３】
【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。
上記の通り、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みなすことができ、そのフォトニック結晶中を伝搬する電磁波の波面やエネルギーの進行方向は、フォトニックバンドの構造によって決定される。
【００２４】
本発明においては、図４（ａ）に示すように、周期的多層膜層１に対して斜め角度ψ_１の断面を入射面１ａとして設け、この面に対して入射角θ_０の平面波（ａ／λ_０＝０．７０、ＴＥ偏光）を入射光３として入射させた場合について、フォトニック結晶内の伝搬光４について考える。
【００２５】
入出射光の方向とフォトニック結晶内での伝搬方向の関係は図２に示すようなバンド図を用いて作図により示すことができる。その方法は特許文献１に示されている。図４（ｂ）において、入射光３に対応するバンド上の点Ｐがフォトニック結晶内での伝搬を表わし、波動エネルギーの進行方向はＰ点におけるバンドの法線（ａ／λ値の大きくなる向き）により示される。図４の場合、エネルギーの進行方向はほぼ水平になることがわかる。ただし、図４（ｂ）のバンド図においてはＴＥ偏光に対する第１バンドのみを、周期的ゾーン形式で示している。
【００２６】
図５は、図４の構造にさらに斜め角度ψ_２の出射面１ｂを加えたものである。この場合も出射面１ｂから自由空間に出射される出射光５の方向を同様な作図によって求めることができる。ただし、出射面１ｂには多層膜層１の周期構造が露出しているので、回折により出射光５の方向が複数となる場合もある。図５の場合においては、１次回折光５−１と２次回折光５−２が発生することが示されている。
【００２７】
図５における入射光３に、わずかに異なる２種の波長λ_Ａ、λ_Ｂが含まれている場合は、図６に示すようにフォトニック結晶中での伝搬を表わす点Ｐ_ＡとＰ_Ｂが異なったものとなる。ここで、点Ｐ_Ａ、Ｐ_Ｂ近傍のフォトニックバンドは太線で示すように同心円状からかなりずれているので、Ｐ_ＡとＰ_Ｂを結ぶ線分は出射面１ｂにほぼ平行となる。したがって出射光５の角度差は非常に大きいものとなり、スーパープリズム効果が発揮される（図６では簡単のために１次回折光のみ示している）。
【００２８】
上記の概念を実際の分光素子として応用するため、本発明においては図７のような構造体を作製した。従来の１次元フォトニック結晶を用いた分光素子では図３に示したように、多層膜層１の層面に対して傾斜した端面を設け、入射光３を入射させる。この場合、多層膜の厚さは実際的には数１００μｍが限度である。したがって入射光のビーム径の最大値も数１００μｍとなる。
【００２９】
これに対し、図７の場合は、入射光３を入射させる傾斜した入射面１ａは多層膜層１の表面に複数形成されることになる。したがって入射光３のビーム径は多層膜層１の膜厚によって制限されなくなり、基板２を大面積化し多層膜層１を形成する面積を大きくすれば、入射光３のビーム径を大きくできる。これにより出射光５を複数の傾斜面１ｂから出射させることができる。したがって出射光５の回折による広がりが小さくなり、波長分解能を高くすることが可能となる。三角形状の溝深さと周期は、分光したい波長域について、各出射面からの出射光の位相ができるだけ一致するように調整すれば、より高い効率を得ることができる。
【００３０】
上記多層膜の材料としては、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、一般的に光学多層膜の材料として用いられ、耐久性や成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、窒化ケイ素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〜２０μｍ程度の波長範囲で発揮される。
【００３１】
本発明の構造は代表的には半導体微細加工技術を利用することで作製できる。多層膜の形成は従来技術である真空蒸着、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。真空蒸着によるシリカと金属酸化物（酸化チタン、酸化タンタル等）の交互多層膜は、一般的に光学多層膜として用いられており、成膜装置、コストの面からも好適である。また酸化金属膜の代わりにシリコンや窒化シリコンを用いることで、後述するエッチング微細加工における加工性を向上させることができる。
【００３２】
断面が三角形状の溝構造を形成する工程をつぎに示す。３種類の工程を図８〜図１０に基づいて説明する。
【００３３】
（工程１）
図８に工程１の概要を示す。まず基板２上に形成した多層膜層１の表面にフォトレジスト８をコートする（図８（ａ））。
【００３４】
つぎにこのフォトレジスト８に図８（ｂ）に示すような断面が三角形状の溝を形成する。具体的な方法としてはレーザ光１２により直接描画する方法を用いる。一定強度のレーザ光１２をフォトレジスト８に照射しながら直線状に走査する。つぎにレーザ光強度を一定量増加（もしくは減少）させて、さきに露光した直線に近接した直線上を走査する。このようにレーザ光強度を徐々に変化させながら直線状の露光を繰り返す。
【００３５】
フォトレジストがネガ型の場合、露光したフォトレジストを現像すると、もっとも露光量の少ない部分が三角形の頂点部分としてもっとも厚くフォトレジストが残り、もっとも露光量の多い部分はフォトレジストがもっとも除去され溝の最低部となる。ポジ型のフォトレジストの場合は露光量と加工される形状の関係は逆となる。いずれにしても以上により傾斜面が階段状であり、近似的には断面が三角形状の溝１４が形成できる。当然レーザ光強度の変化幅を小さくし、階段の段数を多くすることで傾斜面の表面が滑らかな三角形状へと近づく。
【００３６】
三角形状溝の形成には段階的に透過率が傾斜したマスク（グレースケールマスク）を用いてもよい。フォトレジストをこのようなマスクを介して露光することにより、一度の通常の露光により三角形状溝を作製できる。
【００３７】
次に三角形状に加工したフォトレジスト１８をマスクとして気相エッチングを行う。エッチングは選択比（＝多層膜のエッチング速度／フォトレジストのエッチング速度）に従って進行するので、多層膜層１はフォトレジスト１８が薄い部分ほど深くエッチングされる。これにより、フォトレジストの三角形状が多層膜層１の表面へと転写されることになる（図８（ｃ））。
【００３８】
この手法はフォトレジストの露光とエッチングという２段階の加工により構造を作製でき、比較的簡便であるという利点をもつ。しかし一方でフォトレジストの厚さと選択比により三角形状の溝深さが限定されてしまうという問題が発生する。一般にシリカ単層とフォトレジストの選択比は１程度であり、これではフォトレジストの厚さ以上の溝を形成することができない。
【００３９】
（工程２）
図９に示す工程２によれば、工程１の問題点を改善することができる。まず工程１と同様に、基板２上に形成した多層膜層１の表面にフォトレジスト８をコートする（図９（ａ））。このフォトレジスト８の感光波長を有する放射光２２により所望のラインパターンをもつマスク１８を形成させる（図９（ｂ））。具体的にはレーザによる直接描画、２光束干渉露光、ステッパ露光等を用いることができる。
【００４０】
その後気相エッチングにより溝を形成する。通常ならば気相エッチングではその異方的性質からほぼ垂直な溝しか形成されない。そこで三角構造を得るために、フォトレジストの消耗を積極的に利用する。フォトレジストは気相エッチングにより損傷を受ける。厚みを調整したフォトレジストをマスクとして用いてエッチングを行うと、マスク２８は消耗し、完全に除去されるとエッジ部の後退が起こる。そうしたエッジ後退が発生した後も引き続きエッチングを行うことで溝２４は自然に三角形状になっていく（図９（ｃ））。またプロセスガス種、流量、プラズマパワー、バイアスパワー、エッチング時間等のプロセス条件を制御することでこの三角形状を制御することも可能である。
【００４１】
（工程３）
またそれでも溝深さが不足する場合には、フォトレジストのラインパターンの代わりに金属マスクパターンを用いることができる。金属のマスクパターンの形成方法は例えば、多層膜上に金属膜を成膜し、その上にフォトレジストを塗布する。このフォトレジストを上記同様にパターニングして、フォトレジストラインパターンを形成する。
【００４２】
このラインパターンをマスクとして金属膜を金属をエッチング可能なエッチング液による液相エッチングか気相エッチングによりエッチングすることでラインパターンの金属パターンを形成することができる。一般的に金属膜の選択比（＝多層膜のエッチング速度／金属マスクのエッチング速度）はフォトレジストに比較して数倍から数十倍大きく、より深い溝を持った三角形状を得ることができる。
【００４３】
さらにエッチングのしにくい金属あるいは膜厚の厚い金属のマスクの形成法には図１０に示すリフトオフ法がある。まず基板２上に形成した多層膜層１の表面にフォトレジスト８をコートする（図１０（ａ））。このフォトレジストの感光波長を有する放射光により所望のラインパターン３８を形成させる（図１０（ｂ））。
【００４４】
このフォトレジストラインパターン３８上に金属膜を成膜し、レジスト剥離液により金属膜の下層のフォトレジストを余分な金属膜ごと除去することで金属マスクパターン４８を得ることもできる（図１０（ｃ））。この場合、選択比の大きい金属マスクをさらに厚く形成できるため、より深い三角形状の溝３４を得ることができる。
【００４５】
また上記手法以外の形成方法としては、精密スライサによるＶ溝加工や、パルスレーザを用いたレーザーアブレーション等も用いることができ、特に限定はされない。しかし三角溝の周期や加工断面の面精度、加工コスト等を考慮し、被加工材料に適した手法を用いるのが好ましい。
【００４６】
また、本発明の光学素子は図１１の構成とすることもできる。図１１の構成における１次元フォトニック結晶は、例えば基板３２上に形成した均質物質の層３１を形成し、その表面にほぼ垂直な溝３７を平行に一定周期で複数形成したものである。この溝３７内には層３１とは屈折率の異なる均質物質を充填する。つぎにこの溝３７の方向に対して互いに異なる角度で傾斜した端面３１ａ、３１ｂを形成して光学素子とする。
【００４７】
この端面３１ａに図のＺ軸方向から入射光３を入射させると、この光はこの周期構造体中をほぼ溝の方向に伝搬し、Ｚ軸に対して一定の角度をもった端面３１ｂから出射される。
【００４８】
なお、基板３２上に均質物質の層３１を形成せず、基板３２そのものに溝を形成してもよい。また溝に充填する物質は固体に限らず、気体や液体であってもよい。固体材料の屈折率は１より大きいから屈折率１の空気はもっとも使用が容易な物質である。
【００４９】
［計算例］
１次元フォトニック結晶中の電磁波の伝搬をＦＤＴＤ（ＦｉｎｉｔｅＤｉｆｆｅｒｅｎｃｅＴｉｍｅＤｏｍａｉｎ）法により計算して評価した。計算の対象とした１次元フォトニック結晶は物質Ａ、Ｂの２層からなる周期的多層膜で、これに断面が二等辺三角形状の溝を形成して入出射面とする。具体的な条件は以下の通りである。
【００５０】
（多層膜構造）
周期１０００ｎｍ
Ａ層厚さ５００ｎｍ屈折率１．４５
Ｂ層厚さ５００ｎｍ屈折率１．００
ただし、自由空間の屈折率は１．００である。
（三角形状）
ψ_１＝４５°
ψ_２＝４５°
（入射光）
（ａ）ａ／λ_１＝０．５０
（ｂ）ａ／λ_２＝０．５５
いずれもＴＥ偏光
θ＝０°
入射平面波の幅１０μｍ
【００５１】
（ａ）、（ｂ）の波長による結果を図１２に示す。両者の出射光５の角度差は、概略２０°に達している。
【００５２】
【発明の効果】
本発明によれば、１次元フォトニック結晶への入出射光束の径を実効的に大きくすることができるので、波長分解能の高い分光素子を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基礎となる周期的多層膜の構造を示す模式図である。
【図２】１次元フォトニック結晶のＴＥ偏光におけるフォトニックバンドを示す図である。
【図３】周期的多層膜の層面に対して傾斜した端面から入射した光束の分光作用を示す図である。
【図４】周期的多層膜の斜め端面から入射した光束の伝搬を示す図である。
【図５】三角形状の断面を有する周期的多層膜への入射光と出射光を示す図である。
【図６】三角形状の断面を有する周期的多層膜による分光作用を示す図である。
【図７】本発明の光学素子の基本構成を示す模式図である。
【図８】本発明の三角形状溝構造の製造工程を示す図である。
【図９】本発明の三角形状溝構造の他の製造工程を示す図である。
【図１０】本発明の三角形状溝構造のさらに他の製造工程を示す図である。
【図１１】周期的多層膜の斜め端面から光束を入射する構造体を示す斜視図である。
【図１２】本発明の三角形状溝構造による分光特性のシミュレーション結果を示す図である。
【符号の説明】
１周期的多層膜層
１ａ、３１ａ光入射面
１ｂ、３１ｂ光出射面
２、３２基板
３入射光
４伝搬光
５出射光

Claims

１次元フォトニック結晶とみなせる周期的多層構造により構成される光学素子であって、前記層面に対して傾斜し互いに平行でない第１および第２の端面を有し、入射光束を前記層面に対して一方の側から前記第１の端面に入射させ、かつ出射光束を前記第２の端面から前記層面に対して同側に出射させ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。
前記入射光束が、前記周期的多層構造により形成される特定のフォトニックバンドと結合して伝搬し、その伝搬光エネルギーの進行方向が、前記多層構造の層面と略平行であること特徴とする請求項１に記載の１次元フォトニック結晶を用いた光学素子。
前記入射光束は、周期的多層構造により形成される最低次のフォトニックバンドのみと結合して伝搬すること特徴とする請求項２に記載の光学素子。
前記周期的多層構造が屈折率の異なる複数の薄膜を周期的に積層した多層膜からなり、前記第１および第２の端面が、該多層膜の少なくとも片側表面に形成した溝構造の側面であ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。
前記溝構造による第１の端面と第２の端面の対が平行に複数形成さ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。
前記溝構造の溝の方向に垂直な断面が略三角形状であり、該三角形状の一斜辺に相当する溝側面を第１の端面とし、他の一斜辺に相当する溝側面を第２の端面とすることを特徴とする請求光４または５に記載の１次元フォトニック結晶を用いた光学素子。
前記溝の断面が略二等辺三角形である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。
前記周期的多層構造が、平板状均質物質に複数の平行な溝を、溝幅、溝間隔が互いに等しくなるように形成し、該溝に前記均質物質とは屈折率の異なる均質物質を充填してな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。