JP2004271600A - Optical material with randomly distributed scatterers, and method for manufacturing the same - Google Patents

Optical material with randomly distributed scatterers, and method for manufacturing the same Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical material which is randomly distributed with scatterers and which is applicable to an optical waveguide, optical resonator, laser, etc., is strong to nonuniformity in the sizes of the scatterers and the deviation in the positions of the scatterers, has an isotropic photonic gap of a broad energy width and permits manufacturing of the optical waveguides and cavities of arbitrary shapes. <P>SOLUTION: A plurality of the microscatterers (1) which are composed of solid, liquid, gas or vacuum of n<SB>1</SB>in refractive index and have the maximum length in a light progression direction of 1/0 to 10 times the wavelength of light are randomly arranged within a medium (4) of a refractive index n<SB>2</SB>and the optical material (3) randomly distributed with the scatterers of ≥2.2 in n<SB>1</SB>/n<SB>2</SB>or ≥2.2 in n<SB>2</SB>/n<SB>1</SB>and 10 to 90% in volume fraction of the scatterers (1) over the entire part of the material (3) is provided. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、散乱体がランダムに分布した光学材料に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、光導波路、光共振器、レーザなどに応用可能な、散乱体の大きさの不均一や散乱体の位置のずれに強くエネルギー幅の広い等方的フォトニックギャップを持ち、任意の形状の光導波路やキャビティが作製できる、散乱体がランダムに分布した光学材料に関するものである。
【0002】
【従来の技術とその課題】
従来より、散乱体を並べて作製する屈折率に光の波長程度の周期性を持たせた構造体はフォトニック結晶と呼ばれている。たとえば、空気中または真空中で2次元正方格子や三角格子の格子点上に固体の柱(散乱体)を垂直に配置させたものはフォトニック結晶の例であり、フォトニック結晶では、その屈折率の大きさや周期性に応じてフォトニックギャップと呼ばれる光が伝搬できない波長帯が現れる。
【0003】
またフォトニック結晶中の一部の柱を取り除くことによって欠陥を導入すると、フォトニックギャップ内のある波長の光のみを、その欠陥部分にだけ通すことが可能となることから、フォトニック結晶は微小光回路、高性能発光デバイスなどの材料として幅広い分野への応用が期待されている(特許文献1参照)。
【0004】
しかしながら、フォトニックギャップが散乱体の大きさの不均一や散乱体の位置のずれに強いことは生産上重要であり、またフォトニックギャップが等方的で、任意の光導波路やキャビティが作れることは応用上重要なことであるが、フォトニック結晶においては、散乱体の大きさが不均一であったり、散乱体の位置が目的の位置からずれたりすると、フォトニックギャップが壊れやすいという欠点がある。また、フォトニック結晶のフォトニックギャップは光の入射角度によってフォトニックギャップの位置と幅が変化するといった具合に異方的であるため、フォトニック結晶内に光導波路を作る場合、その光導波路を通す光の波長がその進む全ての方向においてフォトニックギャップ内でなければならず、この性質により光導波路の設計が制限され、また、任意の形状の光導波路やキャビティを作り難いという欠点を有する。
【0005】
たとえば2次元正方格子の格子点上に柱を垂直に配置させたフォトニック結晶において、一部の柱を取り除いて光導波路を作ることを考える。この場合、光導波路は複数の線分を組み合わせることで作製される。90°曲げは互いに垂直な2つの線分を組み合わせれば容易に作製できる。一方、任意の角度に光を曲げたい場合、より多くの線分を組み合わせることになり、つなぎ目部分で光の散乱が起こって透過率を下げてしまう。したがって、多くのつなぎ目や分岐を持つ光導波路は実質的には作製不可能なのである。
【0006】
また多くのつなぎ目や分岐を持つ光導波路やキャビティの周りをフォトニック結晶で埋めようとした場合、余分な隙間ができてしまい、この隙間部分で光散乱や局在が生じてしまい、透過率が減少するといった欠点を有してしまっていた。
【0007】
このため、等方的フォトニックギャップを持つ、複雑な光導波路やキャビティの作製が可能な光学材料が強く望まれていた。
【0008】
なお、これまでに光の波長程度の大きさを持つ散乱体がランダムに分布した材料の研究はなされているが(非特許文献1)、その材料を用いることによってフォトニックギャップを持たせることには成功していない。
【0009】
また銅などの金属の直径が数nm程度の微粒子をガラス内に分散させ、非線形光学特性を持たせた光学材料も知られているが(非特許文献2)、この光学材料内の微粒子の大きさは光の波長よりもずっと小さく、またこの光学材料はフォトニックギャップを持たない。
【0010】
【特許文献1】
特許第3376411号
【非特許文献1】
Isaac Freund, Michael Rosenbluh, Richard BerkovitsおよびMoshe Kaveh ”Coherent Backscattering of Light in a Quasi−Two−Dimensional System”, Physical Review Letters, 61巻, 10号, p.1214−1217, 1988年
【非特許文献2】
Y. Takeda, V. T. Grisyna, N. Umeda, C. G. LeeおよびN. Kishimoto ”Linear and nonlinear optical properties of Cu nanoparticles fabricated by high−current Cu implantation in silica glass”, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 148巻 p.1029−1033, 1999年
【0011】
そこで、この出願の発明は、以上のとおりの事情に鑑みてなされたものであり、従来技術の問題点を解消し、光導波路、光共振器、レーザなどに応用が可能な、散乱体の大きさの不均一や散乱体の位置のずれに強くエネルギー幅の広い等方的フォトニックギャップを持ち任意の形状の光導波路やキャビティが作製できる、散乱体がランダムに分布した光学材料を提供することを課題としている。
【0012】
【課題を解決するための手段】
この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、まず第1には、特定の波長帯の光を遮断する光学材料であって、屈折率がnである固体、液体、気体または真空からなり光進行方向の最大長が光の波長の1/10以上10倍以下である複数の微小な散乱体が、屈折率nの媒質内にランダムに配置されており、n/nが2.2以上10以下もしくはn/nが2.2以上10以下でありかつ光学材料全体における散乱体の体積分率が10%以上90%以下であることを特徴とする散乱体がランダムに分布した光学材料を提供する。
【0013】
第2には、この出願の発明は、第1の発明において、媒質が空気であることを特徴とする散乱体がランダムに分布した光学材料を提供する。
【0014】
第3には、この出願の発明は、第1または2の発明の散乱体がランダムに分布した光学材料において、屈折率nの複数の微小な散乱体が、直径が光の波長の1/10以上10倍以下である円柱状の微小な散乱体であり、その複数の円柱状の微小な散乱体が屈折率nの媒質内に並列かつ軸直角方向においてランダムに配置されていることを特徴とする散乱体がランダムに分布した光学材料を提供する。
【0015】
さらに、第4には、第1ないし3いずれかの発明の散乱体がランダムに分布した光学材料において、特定の波長帯の光を通す直線状または曲線状の光導波路が形成されていることを特徴とする散乱体がランダムに分布した光学材料を提供する。
【0016】
また、第5には、第1ないし3いずれかの発明の散乱体がランダムに分布した光学材料において、内部で光の電界強度が増強されるキャビティが形成されていることを特徴とする散乱体がランダムに分布した光学材料を提供する。
【0017】
第6には、第4の発明において、一部の散乱体および媒質を直線状または曲線状に取り除き、散乱体および媒質を取り除いた部分に特定の波長帯の光を通す光導波路を形成することを特徴とする散乱体がランダムに分布した光学材料の製造方法を提供する。
【0018】
第7には、第4の発明において、光導波路とされる一定幅を有する直線状または曲線状部分を設定し、その直線状または曲線状部分の両縁部分に散乱体を側壁として規則的に並べて光導波路を形成し、その光導波路の周りを前記散乱体と媒質とで埋めることを特徴とする散乱体がランダムに分布した光学材料の製造方法を提供する。
【0019】
第8には、第5の発明において、一部の散乱体および媒質を取り除き、取り除かれた部分を円形、球形、多角形または多面体形の形状になるようにして、その取り除いた部分をキャビティとすることを特徴とする散乱体がランダムに分布した光学材料の製造方法を提供する。
【0020】
第9には、第5の発明において、キャビティとなる円形、球形、多角形または多面体形の部分を設定し、散乱体をそのキャビティの側壁として規則的に並べキャビティを形成し、そのキャビティの周りを、前記散乱体と媒質とで埋め、キャビティ内部での光の電界強度が増強されるようにすることを特徴とする散乱体がランダムに分布した光学材料の製造方法を提供する。
【0021】
【発明の実施の形態】
この出願の発明は上記のとおりの特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態について説明する。
【0022】
この出願の発明の散乱体がランダムに分布した光学材料は、特定の波長帯の光を遮断する光学材料であって、屈折率がnである固体、液体、気体または真空からなり光進行方向の最大長が光学材料に入射する光の波長の1/10以上10倍以下である複数の微小な散乱体が、屈折率nの媒質内にランダムに配置されており、n/nが2.2以上10以下もしくはn/nが2.2以上10以下でありかつ光学材料全体における散乱体の体積分率が10%以上90%以下であることを大きな特徴としている。
【0023】
たとえば、媒質をnが1である空気や真空とし、その空気や真空中に固体の散乱体を配置する場合、その散乱体の屈折率nを2.2以上10以下にしなければフォトニックギャップが現れない。また固体媒質に孔を開けてその孔を散乱体とするといったことも可能であるが、その場合、たとえば散乱体が空気や真空であれば散乱体の屈折率nが1であるので、媒質の屈折率nは2.2以上10以下でなければフォトニックギャップが現れないのである。またさらに、上記のような屈折率の条件に加えて光学材料全体における散乱体の体積分率が10%以上90%以下でなければフォトニックギャップは現れない。それというのも、散乱体の体積分率が10%よりも小さい場合には光学材料内に光が抜ける隙間が生じてしまい、フォトニックギャップがつぶれてしまうからであり、また全て同じ半径である円柱状の散乱体の場合、最密充填した場合に90%の体積分率で充填されるからである。
【0024】
なお散乱体に適したものとしては、半導体や絶縁体が挙げられ、とくにSi、Si化合物、GaAs、InP、TiOに適当に不純物をまぜ、伝導率などを調整した半導体が挙げられるが、もちろんその他の物質であっても上記の条件を満たすものであれば散乱体として用いることができ、また媒質として適したものとしては空気が挙げられるが、もちろんその他の物質であっても上記の条件を満たすものであれば媒質として用いることができる。
【0025】
またこの出願の発明の散乱体がランダムに分布した光学材料は、とくに屈折率nの複数の微小な散乱体を円柱状のものとし、それら円柱状の微小な散乱体を屈折率nの媒質内に並列かつ軸直角方向においてランダムに配置させることで、好適に光学材料に入射する特定の波長帯の光を遮断することができる。
【0026】
さらにこの出願の発明の散乱体がランダムに分布した光学材料は、特定の波長帯の光を通す直線状または曲線状の光導波路を形成することが可能であるが、その際、一部の散乱体および媒質を直線状または曲線状に取り除き、散乱体および媒質を取り除いた部分に特定の波長帯の光を通す光導波路を形成することができる。なおその場合、散乱体と媒質を取り除いた後、光導波路の側壁として散乱体をその直線状または曲線状部分の両縁部分に規則的に並べるのが望ましい。
【0027】
あるいは光導波路とされる一定幅を有する直線状または曲線状部分を設定し、その直線状または曲線状部分の両縁部分に散乱体を側壁として規則的に並べて光導波路を形成し、その光導波路の周りに散乱体と媒質とを埋め、散乱体がランダムに分布した光学材料とすることもできる。
【0028】
これらの方法により、散乱体の大きさの不均一や散乱体の位置のずれに強い、エネルギー幅の広い等方的フォトニックギャップを持つ任意の形状の光導波路を形成することができるのである。
【0029】
また、この出願の発明の散乱体がランダムに分布した光学材料においては、内部での光の電界強度が増強されるキャビティを形成することもでき、その際、一部の散乱体および媒質を取り除き、取り除かれた部分を円形、球形、多角形または多面体形の形状になるようにして、その取り除いた部分をキャビティとしてその内部での光の電界強度が増強されるようにすることができる。なおその場合、散乱体と媒質を取り除いた後、キャビティの側壁として散乱体をその円形、球形、多角形または多面体形の形状の周縁部分に規則的に並べるのが望ましい。
【0030】
あるいは、キャビティとなる円形、球形、多角形または多面体形の部分を設定し、散乱体をそのキャビティの周縁部分に側壁として規則的に並べ、キャビティを形成し、そのキャビティの周りを散乱体と媒質とで埋めることによって、光の電界強度が増強されるキャビティを有する散乱体がランダムに分布した光学材料とすることもでき、これにより、散乱体の大きさの不均一や散乱体の位置のずれに強い、エネルギー幅の広い等方的フォトニックギャップを持つ任意の形状のキャビティを得ることができる。
【0031】
なお、この出願の発明の散乱体がランダムに分布した光学材料の設計は以下のように行う。
【0032】
まず、最初に全体の大きさと形状、散乱体の大きさと個数と屈折率n、媒質の屈折率nを決め、そして散乱体の中心がその光学材料内に収まるという条件のもとで、中心座標を決めるための乱数を作って散乱体を媒質の中に配置していく。このような設計によって、この出願の発明の散乱体がランダムに分布した光学材料を製造することができる。
【0033】
次に光導波路やキャビティを含んだ散乱体がランダムに分布した光学材料の設計は以下のようにして行う。
【0034】
最初に散乱体がランダムに分布した光学材料の全体の大きさと形状を決め、次にその中に作る光導波路やキャビティとなる部分の形状を決め、その側壁に散乱体を規則的に並べる。規則的に並べる理由は側壁部分からの余分な光の散乱を避けるためである。そして光導波路やキャビティとなる部分以外のランダム光学材料の内部に散乱体を配置するが、その配置方法は最初に記したランダム光学材料の方法と同じである。このようにすることによって光導波路やキャビティを含んだ散乱体がランダムに分布した光学材料を製造することができるのである。
【0035】
以下、添付した図面に沿って実施例を示し、この出願の発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。もちろん、この発明は以下の例に限定されるものではなく、細部については様々な態様が可能であることは言うまでもない。
【0036】
【実施例】
<実施例1>
図1にこの出願の発明の散乱体がランダムに分布した光学材料の一実施形態を上から見た場合の図を示す。
【0037】
(1)は円柱状の散乱体であって、この散乱体(1)の半径をaとして、縦の長さdが53.7a、横の長さwが84.7aの領域(2)に200本の散乱体(1)をランダムに面に垂直に立てている。
【0038】
この場合の散乱体(1)の散乱体がランダムに分布した光学材料(3)全体における体積分率は14%である。散乱体(1)と媒質(4)の屈折率をそれぞれ3.46、1とした場合の光透過スペクトルの計算結果を図2の上部曲線として示す。横軸のΩはΩ=2πa/λ(λは入射光の波長)で定義されるものである。なお下部曲線との重なりを防ぐために、光透過率を10倍して示した。計算においては図1で光(5)を上方から入射させ、横線(6)で光強度を計算することで光透過率を決定した。Ω=0.4付近に光透過率の非常に小さな周波数領域(フォトニックギャップ)が存在するのがわかる。また光の入射角度を変えても、このフォトニックギャップの位置と幅は変わらなかった。
【0039】
つまりフォトニックギャップは等方的であることがわかった。また図1の散乱体がランダムに分布した光学材料(3)と同じようにして作った円柱の散乱体(1)の位置だけが異なる他の散乱体がランダムに分布した光学材料(3)のフォトニックギャップの位置と幅も同じであり、このことは散乱体がランダムに分布した光学材料(3)のフォトニックギャップは散乱体(1)の位置ずれに対して強いことを示している。
【0040】
さらに各散乱体(1)の半径を独立にかつランダムに±20%の範囲内で変化させた場合の光透過スペクトルの計算結果を図2の下部曲線として示す。上部曲線と同様なフォトニックギャップが見られ、円柱状の散乱体(1)の半径の不均一に強いことが分かる。なお、これらの計算では光の電界が散乱体(1)に平行であるような偏光(TMモード)を用いた。nが4以上であれば、光の電界が散乱体(1)に垂直であるような偏光(TEモード)でもフォトニックギャップが現れる。
【0041】
また固体媒質に孔を開けて散乱体としたような散乱体がランダムに分布した光学材料を用いてもTEモードでフォトニックギャップが現れる。光通信で広く用いられている光の波長1.55μmがフォトニックギャップの中心に来るようにするためには、散乱体の半径は0.11μmであれば良い。
<実施例2>
次に図3にこの出願の発明の散乱体がランダムに分布した光学材料の実施例1とは異なる実施形態を上から見た場合の図を示す。
【0042】
(7)は円柱状の散乱体であって、この散乱体(7)の半径をaとして、縦の長さdが33.3a、横の長さwが37.5aの領域(8)に200本の円柱状の散乱体(7)をランダムに面に垂直に立てている。この場合の散乱体(7)の散乱体がランダムに分布した光学材料(9)全体における体積分率は50%であり、散乱体(7)と媒質(10)の屈折率をそれぞれ3.46と1とした場合の光透過スペクトルの計算結果を図4に示す。計算において図3で光(11)を上方から入射させ、横線(12)での光強度を計算することで光透過率を決定した。Ω=0.54、0.93、1.34付近にフォトニックギャップが存在するのがわかる。円柱状の散乱体(7)が周期的に並んでいるフォトニック結晶においても高エネルギー領域にフォトニックギャップが現れることがあるが、通常は最も低エネルギーのフォトニックギャップと比べると幅は狭くなる。一方この散乱体がランダムに分布した光学材料(9)では3番目のフォトニックギャップの幅は1番目のフォトニックギャップの幅と同程度である。このことは応用上大変重要である。光通信で広く用いられている光の波長1.55μmが3番目のフォトニックギャップの中心にくるためには、円柱状の散乱体(7)の半径は0.33μmであればよい。実施例1での0.11μmよりも3倍大きいのでより作製が容易になる。なおこの計算では光の電界が散乱体(7)に平行であるような偏光(TMモード)を用いた。
<実施例3>
図5にL時型光導波路(13)を含む散乱体がランダムに分布した光学材料(14)の円柱状の散乱体(15)の配置図を示す。
【0043】
この配置は以下のように決めた。最初に散乱体がランダムに分布した光学材料(14)の領域(16)を決める。次にその中に作る光導波路となる部分の形状を決め、その側壁に散乱体(15)を規則的に並べ、そして光導波路(13)となる部分以外に散乱体(15)をランダムに配置する。光導波路(13)部分以外の散乱体(15)の散乱体がランダムに分布した光学材料(14)全体における体積分率は14%、散乱体(15)と媒質(17)の屈折率をそれぞれ3.46、1とした。また散乱体(15)の半径は独立にかつランダムに±20%の範囲内で変化させてある。光(18)を上方から入射させた場合の線(19)の位置での光透過率を図6に示す。なお、この計算では光の電界が散乱体(15)に平行であるような偏光(TMモード)を用いた。点線で囲った周波数領域はフォトニックギャップで、光導波路(13)以外の部分では光(18)は通らない。一方フォトニックギャップ内の広い範囲で線(19)の位置での光透過率は大きく、光(18)は光導波路(13)内のみを通っていることが分かる。このように光の90°曲げに成功しており、また90°以外の角度の曲げも可能としている。
<実施例4>
次に図7に分岐型光導波路(20)を含む散乱体がランダムに分布した光学材料(21)の円柱状の散乱体(22)の配置図を示す。光導波路となる部分の形状の違いを除けば、配置の決定法は図5と同様である。光導波路(20)部分以外の散乱体(22)の散乱体がランダムに分布した光学材料(21)全体における体積分率は14%、散乱体(22)と媒質(23)の屈折率をそれぞれ3.46、1とした。また、散乱体(22)の半径は独立にかつランダムに±20%の範囲内で変化させてある。
【0044】
光(24)を上方から入射させた場合の、線(25)と(26)の位置での光透過率を図8の上部曲線と下部曲線として示す。なお下部曲線との重なりを防ぐために、上部曲線の光透過率を10倍して示した。なおこの計算では光の電界が散乱体(22)に平行であるような偏光(TMモード)を用いた。点線で囲った周波数領域はフォトニックギャップであり、光導波路(20)以外の部分では光は通らない。一方フォトニックギャップ内の広い範囲で、線(25)や(26)の位置での光透過率は大きく、光(24)は光導波路(20)内のみを通っていることがわかる。このように光(24)の分岐に成功している。また他の角度での分岐も可能である。また上部曲線と下部曲線では光透過率が大きい周波数領域が若干異なる。これは波長を選択すれば片方の光導波路のみに光を通すことも可能であることを示している。
<実施例5>
図9にS字型光導波路(27)を含む散乱体がランダムに分布した光学材料(28)の円柱状の散乱体(29)の配置図を示す。光導波路となる部分の形状の違いを除けば、配置の決定法は図5と同じである。
【0045】
光導波路(27)部分以外の散乱体(29)の散乱体がランダムに分布した光学材料(28)全体における体積分率は14%、散乱体(29)と媒質(30)の屈折率をそれぞれ3.46、1とした。また散乱体(29)の半径は独立にかつランダムに±20%の範囲内で変化させてある。
【0046】
光(31)を上方から入射させた場合の線(32)の位置での光透過率を図10に示す。なおこの計算では光の電界が柱に平行であるような偏光(TMモード)を用いた。点線で困った周波数領域はフォトニックギャップで光導波路(27)以外の部分では光は通らない。一方フォトニックギャップ内の広い範囲で線(32)の位置での光透過率は大きく、光は光導波路(27)のみを通っていることが分かる。このように曲線状の光導波路の作製にも成功した。
<実施例6>
図11にロート型光導波路(33)を含む散乱体がランダムに分布した光学材料(34)の円柱状の散乱体(35)の配置図を示す。光導波路となる部分の形状の違いを除けば、配置の決定法は図5と同じである。光導波路(33)部分以外の散乱体(35)の散乱体がランダムに分布した光学材料(34)全体における体積分率は14%であり、散乱体(35)と媒質(36)の屈折率をそれぞれ3.46、1とした。また、散乱体(35)の半径は独立にかつランダムに±20%の範囲内で変化させてある。
【0047】
光(37)を上方から入射させた場合の、線(38)の位置での光透過率を図12に示す。この計算では光の電界が柱に平行であるような偏光(TMモード)を用いた。点線で囲った周波数領域はフォトニックギャップで、光導波路(33)以外の部分では光は通らない。一方、フォトニックギャップ内の広い範囲で線(38)の位置での光透過率は大きく、光は光導波路(33)のみを通っていることが分かる。このように幅を変化させた光導波路の作製にも成功した。また光透過率が1よりかなり大きい周波数領域がある。これは光の集光が可能であることを示している。
<実施例7>
図13に1つの大きな円(39A)と2つの小さな円(39B)と(39C)から成るキャビティ(39)を含む散乱体がランダムに分布した光学材料(40)の円柱状の散乱体(41)の配置図を示す。形状の違いを除けば、配置の決定方法は図5と同じである。キャビティ(39)部分以外の散乱体(41)の散乱体がランダムに分布した光学材料(40)全体における体積分率は14%、散乱体(41)と媒質(42)の屈折率をそれぞれ3.46、1とした。フォトニックギャップ内の波長を持つ光(43)を上方から入射させた場合の光の電界強度を等高線で示す。この計算では光の電界が柱に平行であるような偏光(TMモード)を用いた。大きな円内では6箇所、小さな円内では各1箇所、電界強度の強い部分が同時に現れる。このことはキャビティ(39)内での光の電界強度の増強に成功したことを意味しており、この性質は光共振器やレーザに応用できる。一方キャビティ以外での電解強度は非常に弱いが、これはフォトニックギャップの存在のため、内部に光が進入できないためである。
【0048】
【発明の効果】
以上詳しく説明したとおり、この出願の発明によって、光導波路、光共振器、レーザなどに応用可能な、散乱体の大きさの不均一や散乱体の位置のずれに強くエネルギー幅の広い等方的フォトニックギャップを持ち任意の形状の光導波路やキャビティが作製できる、散乱体がランダムに分布した光学材料が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図1】この出願の発明の散乱体がランダムに分布した光学材料の一実施形態を例示した概念図である。
【図2】図1の散乱体がランダムに分布した光学材料の光透過率を示したグラフである。
【図3】この出願の発明の散乱体がランダムに分布した光学材料の他の実施形態を例示した概念図である。
【図4】図3の散乱体がランダムに分布した光学材料の光透過率を示したグラフである。
【図5】この出願の発明の散乱体がランダムに分布した光学材料の他の実施形態を例示した概念図である。
【図6】図5の散乱体がランダムに分布した光学材料の光透過率を示したグラフである。
【図7】この出願の発明の散乱体がランダムに分布した光学材料のさらに他の実施形態を例示した概念図である。
【図8】図7の散乱体がランダムに分布した光学材料の光透過率を示したグラフである。
【図9】この出願の発明の散乱体がランダムに分布した光学材料の他の実施形態を例示した概念図である。
【図10】図9の散乱体がランダムに分布した光学材料の光透過率を示したグラフである。
【図11】この出願の発明の散乱体がランダムに分布した光学材料の他の実施形態を例示した概念図である。
【図12】図11の散乱体がランダムに分布した光学材料の光透過率を示したグラフである。
【図13】この出願の発明の散乱体がランダムに分布した光学材料の他の実施形態を例示した概念図である。
【符号の説明】
1、7、15、22、29、35、41 (円柱状の)散乱体
2、8、16 領域
3、9、14、21、28、34、40 散乱体がランダムに分布した光学材料
4、10、17、23、30、36、42 媒質
5、11、18、24、31、37、43 光
6、12、19、25、26、32、38 線
13、20、27、33 光導波路
39 キャビティ
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The invention of this application relates to an optical material in which scatterers are randomly distributed. More specifically, the invention of this application is applied to optical waveguides, optical resonators, lasers, and the like, and isotropic photonics having a wide energy width that are strong against non-uniform scatterer size and displacement of scatterers. The present invention relates to an optical material having a gap and capable of producing an optical waveguide or a cavity having an arbitrary shape and having scatterers randomly distributed.
[0002]
[Prior art and its problems]
Conventionally, a structure in which a refractive index produced by arranging scatterers and having a periodicity on the order of light wavelength is called a photonic crystal. For example, a solid pillar (scatterer) vertically arranged on a lattice point of a two-dimensional square lattice or a triangular lattice in air or vacuum is an example of a photonic crystal. A wavelength band called a photonic gap, in which light cannot propagate, appears depending on the magnitude and periodicity of the rate.
[0003]
In addition, if a defect is introduced by removing some of the pillars in the photonic crystal, only light of a certain wavelength in the photonic gap can pass through only the defect, so that the photonic crystal has a very small size. It is expected to be applied to a wide range of fields as a material for optical circuits and high-performance light-emitting devices (see Patent Document 1).
[0004]
However, it is important for the production that the photonic gap is resistant to uneven size of the scatterer and displacement of the position of the scatterer, and that the photonic gap is isotropic and an arbitrary optical waveguide or cavity can be formed. Is important for applications, but the disadvantage of photonic crystals is that if the size of the scatterer is not uniform or the position of the scatterer is shifted from the target position, the photonic gap is likely to be broken. is there. In addition, since the photonic gap of a photonic crystal is anisotropic, such as the position and width of the photonic gap changing depending on the incident angle of light, when forming an optical waveguide in a photonic crystal, the optical waveguide must be The wavelength of the light to be transmitted must be within the photonic gap in all the traveling directions, and this property limits the design of the optical waveguide, and has a disadvantage that it is difficult to form an optical waveguide or a cavity having an arbitrary shape.
[0005]
For example, in a photonic crystal in which columns are vertically arranged on lattice points of a two-dimensional square lattice, it is considered that some of the columns are removed to form an optical waveguide. In this case, the optical waveguide is manufactured by combining a plurality of line segments. A 90 ° bend can be easily made by combining two perpendicular segments. On the other hand, if it is desired to bend light at an arbitrary angle, more line segments will be combined, and light will be scattered at the joints, thereby lowering the transmittance. Therefore, an optical waveguide having many joints and branches cannot be practically manufactured.
[0006]
If an attempt is made to fill the periphery of an optical waveguide or cavity having many joints or branches with a photonic crystal, an extra gap is formed, and light scattering or localization occurs in the gap, and the transmittance is reduced. It had the disadvantage that it decreased.
[0007]
For this reason, an optical material having an isotropic photonic gap and capable of producing a complicated optical waveguide or cavity has been strongly desired.
[0008]
Heretofore, research has been conducted on a material in which scatterers having a size about the wavelength of light are randomly distributed (Non-Patent Document 1), but by using such a material, it is necessary to provide a photonic gap. Has not succeeded.
[0009]
Further, an optical material having non-linear optical characteristics by dispersing fine particles of a metal such as copper having a diameter of about several nm in glass is also known (Non-Patent Document 2). It is much smaller than the wavelength of light, and this optical material has no photonic gap.
[0010]
[Patent Document 1]
Patent No. 3376411
[Non-patent document 1]
Isaac Freund, Michael Rosenbluh, Richard Berkovits, and Moshe Kaveh, "Coherent Backscattering of Light in a Quasi-Two-dimensional, Long-term, Lifestyle, Six-Two-Dimensional Edition. 1214-1217, 1988
[Non-patent document 2]
Y. Takeda, V .; T. Grisina, N .; Umeda, C.I. G. FIG. Lee and N.M. Kishimoto "Linear and nonlinear optical properties of Cu nanoparticles fabricated by high-current current education in a part of the nation's largest part of a license." 1029-1033, 1999
[0011]
Therefore, the invention of this application has been made in view of the circumstances described above, and solves the problems of the prior art, and can be applied to optical waveguides, optical resonators, lasers, etc. To provide an optical material in which scatterers are randomly distributed, with which an isotropic photonic gap with a wide energy width can be manufactured, which is resistant to non-uniformity and displacement of the scatterers, and which can produce optical waveguides and cavities of any shape. Is an issue.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
The invention of this application solves the above-mentioned problems. First, an optical material that blocks light in a specific wavelength band, and has a refractive index of n 1 A plurality of minute scatterers having a maximum length in the light traveling direction of not less than 1/10 and not more than 10 times the wavelength of light having a refractive index n 2 Are randomly arranged in the medium of 1 / N 2 Is 2.2 or more and 10 or less or n 2 / N 1 Is not less than 2.2 and not more than 10 and the volume fraction of the scatterers in the whole optical material is not less than 10% and not more than 90%.
[0013]
Secondly, the invention of this application provides the optical material according to the first invention, wherein the scatterer is randomly distributed, wherein the medium is air.
[0014]
Thirdly, the invention of this application is directed to an optical material in which the scatterers of the first or second invention are randomly distributed, wherein the refractive index n 1 Are fine columnar scatterers having a diameter of 1/10 to 10 times the wavelength of light, and the plurality of fine columnar scatterers have a refractive index n. 2 An optical material in which scatterers are randomly distributed in parallel in a medium and in a direction perpendicular to the axis is provided.
[0015]
Fourth, a linear or curved optical waveguide that transmits light in a specific wavelength band is formed in an optical material in which the scatterers according to any one of the first to third aspects are randomly distributed. The present invention provides an optical material in which characteristic scatterers are randomly distributed.
[0016]
Fifthly, in the optical material in which the scatterer according to any one of the first to third aspects is randomly distributed, a cavity in which the electric field intensity of light is enhanced is formed. Provides an optical material having a random distribution.
[0017]
Sixth, in the fourth aspect, a part of the scatterer and the medium are removed in a straight line or a curved line, and an optical waveguide that transmits light in a specific wavelength band is formed in a portion where the scatterer and the medium are removed. And a method for producing an optical material in which scatterers are randomly distributed.
[0018]
Seventh, in the fourth invention, a linear or curved portion having a constant width that is used as an optical waveguide is set, and both edges of the linear or curved portion are regularly arranged with scatterers as side walls. A method for manufacturing an optical material in which scatterers are randomly distributed, wherein an optical waveguide is formed side by side and the periphery of the optical waveguide is filled with the scatterer and a medium.
[0019]
Eighth, in the fifth invention, a part of the scatterer and the medium are removed, the removed part is formed into a circular, spherical, polygonal or polyhedral shape, and the removed part is defined as a cavity. The present invention provides a method for producing an optical material in which scatterers are randomly distributed.
[0020]
Ninth, in the fifth aspect, a circular, spherical, polygonal, or polyhedral portion serving as a cavity is set, and scatterers are regularly arranged as side walls of the cavity to form a cavity. Embedded in the scatterer and a medium so as to enhance the electric field intensity of light inside the cavity.
[0021]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
The invention of this application has the features as described above, and embodiments thereof will be described below.
[0022]
The optical material of the invention of this application in which scatterers are randomly distributed is an optical material that blocks light in a specific wavelength band, and has a refractive index of n. 1 And a plurality of minute scatterers having a maximum length in the light traveling direction that is 1/10 to 10 times the wavelength of light incident on the optical material, and has a refractive index n 2 Are randomly arranged in the medium of 1 / N 2 Is 2.2 or more and 10 or less or n 2 / N 1 Is not less than 2.2 and not more than 10 and the volume fraction of the scatterer in the entire optical material is not less than 10% and not more than 90%.
[0023]
For example, if the medium is n 2 Is 1 or air and vacuum, and a solid scatterer is arranged in the air or vacuum, the refractive index n of the scatterer 1 If the value is not less than 2.2 and not more than 10, no photonic gap appears. It is also possible to make a hole in the solid medium and make the hole a scatterer. In this case, for example, if the scatterer is air or vacuum, the refractive index n of the scatterer 1 Is 1, the refractive index n of the medium 2 If the value is not less than 2.2 and not more than 10, no photonic gap appears. Furthermore, if the volume fraction of the scatterer in the entire optical material is not less than 10% and not more than 90% in addition to the above-mentioned condition of the refractive index, the photonic gap does not appear. This is because if the volume fraction of the scatterer is smaller than 10%, a gap through which light escapes in the optical material is created, and the photonic gap is collapsed, and all have the same radius. This is because a cylindrical scatterer is filled at a volume fraction of 90% when it is closest packed.
[0024]
Semiconductors and insulators are suitable for the scatterer. In particular, Si, Si compounds, GaAs, InP, TiO 2 Semiconductors in which the conductivity and the like are adjusted by appropriately mixing impurities are listed. Of course, other substances can be used as scatterers as long as they satisfy the above conditions, and are suitable as a medium. As an example, air can be used, but other substances can be used as a medium as long as they satisfy the above conditions.
[0025]
Further, the optical material in which the scatterers of the invention of this application are randomly distributed has a refractive index n 1 Are made into a columnar shape, and these columnar fine scatterers are referred to as a refractive index n 2 By arranging them in parallel in the medium and randomly in the direction perpendicular to the axis, light of a specific wavelength band incident on the optical material can be suitably blocked.
[0026]
Further, the optical material in which the scatterers of the invention of the present application are randomly distributed can form a linear or curved optical waveguide that transmits light in a specific wavelength band. The body and the medium are removed in a straight line or a curved line, and an optical waveguide that transmits light in a specific wavelength band can be formed in a portion where the scatterer and the medium are removed. In this case, after removing the scatterer and the medium, it is desirable to arrange the scatterer as a side wall of the optical waveguide regularly at both edges of the linear or curved portion.
[0027]
Alternatively, a linear or curved portion having a constant width is set as an optical waveguide, and the optical waveguide is formed by regularly arranging scatterers as side walls on both edges of the linear or curved portion, and forming the optical waveguide. An optical material in which scatterers are randomly distributed can be formed by burying a scatterer and a medium around.
[0028]
By these methods, it is possible to form an optical waveguide of any shape having an isotropic photonic gap with a wide energy width, which is resistant to uneven size of the scatterer and displacement of the scatterer.
[0029]
Further, in the optical material in which the scatterers of the invention of the present application are randomly distributed, a cavity in which the electric field intensity of light inside is enhanced can be formed, and at that time, some scatterers and a medium are removed. The removed portion may have a circular, spherical, polygonal, or polyhedral shape, and the removed portion may be used as a cavity to enhance the electric field strength of light therein. In this case, after removing the scatterer and the medium, it is desirable to arrange the scatterer as a side wall of the cavity regularly around the periphery of the circular, spherical, polygonal or polyhedral shape.
[0030]
Alternatively, a circular, spherical, polygonal, or polyhedral portion serving as a cavity is set, the scatterers are regularly arranged as side walls on the peripheral portion of the cavity, a cavity is formed, and the scatterer and a medium are formed around the cavity. By filling in with, the scatterer having a cavity in which the electric field strength of light is enhanced can be made an optical material in which the scatterer is randomly distributed, whereby the size of the scatterer is uneven and the position of the scatterer is shifted. A cavity having an arbitrary shape having a strong isotropic photonic gap having a wide energy width can be obtained.
[0031]
The design of the optical material in which the scatterers of the invention of this application are randomly distributed is performed as follows.
[0032]
First, the overall size and shape, the size and number of scatterers, and the refractive index n 1 , The refractive index n of the medium 2 Then, under the condition that the center of the scatterer falls within the optical material, a random number for determining the center coordinates is created and the scatterer is arranged in the medium. With such a design, an optical material in which the scatterers of the invention of this application are randomly distributed can be manufactured.
[0033]
Next, the design of an optical material in which scatterers including optical waveguides and cavities are randomly distributed is performed as follows.
[0034]
First, the overall size and shape of the optical material in which the scatterers are randomly distributed are determined, and then the shape of the optical waveguide or cavity to be formed therein is determined, and the scatterers are regularly arranged on the side walls. The reason for arranging them regularly is to avoid scattering of extra light from the side wall portions. Then, the scatterer is arranged inside the random optical material other than the optical waveguide and the portion to be the cavity, and the arrangement method is the same as the random optical material method described first. By doing so, an optical material in which scatterers including optical waveguides and cavities are randomly distributed can be manufactured.
[0035]
Hereinafter, embodiments will be described with reference to the accompanying drawings, and embodiments of the present invention will be described in more detail. Of course, the present invention is not limited to the following examples, and it goes without saying that various aspects are possible in detail.
[0036]
【Example】
<Example 1>
FIG. 1 is a diagram showing one embodiment of an optical material in which scatterers of the invention of the present application are randomly distributed, when viewed from above.
[0037]
(1) is a columnar scatterer, where the radius of the scatterer (1) is a and the vertical length d is 53.7a and the horizontal length w is 84.7a. 200 scatterers (1) are set up randomly at right angles to the plane.
[0038]
In this case, the volume fraction of the entire optical material (3) in which the scatterers of the scatterer (1) are randomly distributed is 14%. The calculation result of the light transmission spectrum when the refractive indexes of the scatterer (1) and the medium (4) are set to 3.46 and 1, respectively, is shown as an upper curve in FIG. Ω on the horizontal axis is defined by Ω = 2πa / λ (λ is the wavelength of incident light). In order to prevent overlap with the lower curve, the light transmittance is set to 10 5 It is shown twice. In the calculation, the light (5) was incident from above in FIG. 1, and the light transmittance was determined by calculating the light intensity by the horizontal line (6). It can be seen that there is a frequency region (photonic gap) where the light transmittance is very small around Ω = 0.4. The position and width of the photonic gap did not change even when the light incident angle was changed.
[0039]
That is, the photonic gap was found to be isotropic. Also, the optical material (3) in which other scatterers are randomly distributed except for the position of the cylindrical scatterer (1) made in the same manner as the optical material (3) in which the scatterers in FIG. The position and width of the photonic gap are also the same, which indicates that the photonic gap of the optical material (3) in which the scatterers are randomly distributed is strong against the displacement of the scatterer (1).
[0040]
Further, a calculation result of a light transmission spectrum when the radius of each scatterer (1) is independently and randomly changed within a range of ± 20% is shown as a lower curve in FIG. A photonic gap similar to the upper curve is seen, indicating that the radius of the columnar scatterer (1) is unevenly strong. In these calculations, polarized light (TM mode) in which the electric field of light is parallel to the scatterer (1) was used. n 1 Is 4 or more, a photonic gap appears even in polarized light (TE mode) in which the electric field of light is perpendicular to the scatterer (1).
[0041]
Also, a photonic gap appears in the TE mode even when an optical material in which scatterers are randomly distributed, such as a scatterer formed by making holes in a solid medium. In order to make the wavelength of light, which is widely used in optical communication, 1.55 μm come to the center of the photonic gap, the radius of the scatterer may be 0.11 μm.
<Example 2>
Next, FIG. 3 shows a view of an embodiment of the optical material in which the scatterers of the invention of the present application are randomly distributed, which is different from Example 1 when viewed from above.
[0042]
(7) is a columnar scatterer, where the radius of the scatterer (7) is a and the vertical length d is 33.3a and the horizontal length w is 37.5a. 200 columnar scatterers (7) are set up vertically perpendicular to the plane at random. In this case, the volume fraction of the entire optical material (9) in which the scatterers of the scatterer (7) are randomly distributed is 50%, and the refractive indices of the scatterer (7) and the medium (10) are 3.46, respectively. FIG. 4 shows the calculation results of the light transmission spectrum when the values are set to 1 and 1. In the calculation, the light (11) was incident from above in FIG. 3, and the light transmittance was determined by calculating the light intensity at the horizontal line (12). It can be seen that photonic gaps exist near Ω = 0.54, 0.93, 1.34. Even in a photonic crystal in which cylindrical scatterers (7) are periodically arranged, a photonic gap may appear in a high energy region, but the width is usually narrower than that of a photonic gap having the lowest energy. . On the other hand, in the optical material (9) in which the scatterers are randomly distributed, the width of the third photonic gap is substantially equal to the width of the first photonic gap. This is very important for applications. In order for the wavelength 1.55 μm of light widely used in optical communication to come to the center of the third photonic gap, the radius of the columnar scatterer (7) may be 0.33 μm. Since it is three times larger than 0.11 μm in the first embodiment, the fabrication becomes easier. In this calculation, polarization (TM mode) in which the electric field of light is parallel to the scatterer (7) was used.
<Example 3>
FIG. 5 shows a layout of a columnar scatterer (15) of an optical material (14) in which scatterers including an L-time optical waveguide (13) are randomly distributed.
[0043]
This arrangement was determined as follows. First, a region (16) of the optical material (14) in which scatterers are randomly distributed is determined. Next, the shape of the part to be the optical waveguide to be formed therein is determined, the scatterers (15) are regularly arranged on the side wall thereof, and the scatterers (15) are randomly arranged in portions other than the part to be the optical waveguide (13). I do. The volume fraction of the entire optical material (14) in which the scatterers of the scatterer (15) other than the optical waveguide (13) are randomly distributed is 14%, and the refractive indices of the scatterer (15) and the medium (17) are respectively 3.46 and 1. The radius of the scatterer (15) is independently and randomly changed within a range of ± 20%. FIG. 6 shows the light transmittance at the position of the line (19) when the light (18) is incident from above. In this calculation, a polarization (TM mode) in which the electric field of light is parallel to the scatterer (15) was used. A frequency region surrounded by a dotted line is a photonic gap, and light (18) does not pass through portions other than the optical waveguide (13). On the other hand, it can be seen that the light transmittance at the position of the line (19) is large over a wide range within the photonic gap, and the light (18) passes only inside the optical waveguide (13). As described above, the light has been successfully bent at 90 °, and the light can be bent at an angle other than 90 °.
<Example 4>
Next, FIG. 7 shows an arrangement diagram of a columnar scatterer (22) of an optical material (21) in which scatterers including a branched optical waveguide (20) are randomly distributed. Except for the difference in the shape of the part to be the optical waveguide, the method of determining the arrangement is the same as that in FIG. The volume fraction of the entire optical material (21) in which the scatterers of the scatterer (22) other than the optical waveguide (20) are randomly distributed is 14%, and the refractive indices of the scatterer (22) and the medium (23) are respectively 3.46 and 1. The radius of the scatterer (22) is independently and randomly changed within a range of ± 20%.
[0044]
The light transmittance at the positions of the lines (25) and (26) when the light (24) is incident from above is shown as an upper curve and a lower curve in FIG. In order to prevent overlap with the lower curve, the light transmittance of the upper curve is set to 10 5 It is shown twice. In this calculation, a polarization (TM mode) in which the electric field of light is parallel to the scatterer (22) was used. A frequency region surrounded by a dotted line is a photonic gap, and light does not pass through portions other than the optical waveguide (20). On the other hand, the light transmittance at the positions of the lines (25) and (26) is large over a wide range within the photonic gap, and it can be seen that the light (24) passes only through the optical waveguide (20). Thus, the light (24) is successfully branched. Branching at other angles is also possible. The upper curve and the lower curve slightly differ in the frequency region where the light transmittance is large. This indicates that light can be transmitted through only one of the optical waveguides if the wavelength is selected.
<Example 5>
FIG. 9 shows a layout of a columnar scatterer (29) of an optical material (28) in which scatterers including an S-shaped optical waveguide (27) are randomly distributed. Except for the difference in the shape of the portion to be the optical waveguide, the method for determining the arrangement is the same as that in FIG.
[0045]
The volume fraction of the entire optical material (28) where the scatterers of the scatterer (29) other than the optical waveguide (27) are randomly distributed is 14%, and the refractive indices of the scatterer (29) and the medium (30) are respectively 3.46 and 1. The radius of the scatterer (29) is independently and randomly changed within the range of ± 20%.
[0046]
FIG. 10 shows the light transmittance at the position of the line (32) when the light (31) is incident from above. In this calculation, polarized light (TM mode) in which the electric field of light is parallel to the pillar was used. The frequency region troubled by the dotted line is a photonic gap, and light does not pass through portions other than the optical waveguide (27). On the other hand, the light transmittance at the position of the line (32) is large over a wide range within the photonic gap, and it can be seen that light passes only through the optical waveguide (27). Thus, a curved optical waveguide was successfully produced.
<Example 6>
FIG. 11 shows a layout of a columnar scatterer (35) of an optical material (34) in which scatterers including a funnel-type optical waveguide (33) are randomly distributed. Except for the difference in the shape of the portion to be the optical waveguide, the method for determining the arrangement is the same as that in FIG. The volume fraction of the entire optical material (34) where the scatterers of the scatterers (35) other than the optical waveguide (33) are randomly distributed is 14%, and the refractive indexes of the scatterers (35) and the medium (36). Were set to 3.46 and 1, respectively. The radius of the scatterer (35) is independently and randomly changed within a range of ± 20%.
[0047]
FIG. 12 shows the light transmittance at the position of the line (38) when the light (37) is incident from above. In this calculation, polarized light (TM mode) in which the electric field of light is parallel to the pillar was used. A frequency region surrounded by a dotted line is a photonic gap, and light does not pass through portions other than the optical waveguide (33). On the other hand, the light transmittance at the position of the line (38) is large over a wide range in the photonic gap, and it can be seen that light passes only through the optical waveguide (33). An optical waveguide with a changed width was also successfully manufactured. There is also a frequency region where the light transmittance is significantly larger than 1. This indicates that light can be collected.
<Example 7>
FIG. 13 shows a cylindrical scatterer (41) of an optical material (40) in which scatterers including a cavity (39) composed of one large circle (39A), two small circles (39B) and (39C) are randomly distributed. FIG. Except for the difference in shape, the method for determining the arrangement is the same as that in FIG. The volume fraction of the entire optical material (40) in which the scatterers of the scatterer (41) other than the cavity (39) are randomly distributed is 14%, and the refractive indexes of the scatterer (41) and the medium (42) are 3 respectively. .46 and 1. The electric field intensity of light when the light (43) having the wavelength in the photonic gap is incident from above is shown by contour lines. In this calculation, polarized light (TM mode) in which the electric field of light is parallel to the pillar was used. Six portions in a large circle, one portion in a small circle, and a portion with a strong electric field strength appear simultaneously. This means that the electric field intensity of light in the cavity (39) was successfully increased, and this property can be applied to an optical resonator and a laser. On the other hand, the electrolysis strength outside the cavity is very weak, because light cannot enter inside due to the presence of the photonic gap.
[0048]
【The invention's effect】
As described in detail above, according to the invention of this application, it is applicable to optical waveguides, optical resonators, lasers, etc., and isotropic with a wide energy width, which is strong against unevenness in the size of the scatterer and displacement of the position of the scatterer. Provided is an optical material having a photonic gap and capable of producing an optical waveguide or a cavity having an arbitrary shape and in which scatterers are randomly distributed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a conceptual diagram illustrating an embodiment of an optical material in which scatterers of the present invention are randomly distributed.
FIG. 2 is a graph showing light transmittance of an optical material in which scatterers of FIG. 1 are randomly distributed.
FIG. 3 is a conceptual diagram illustrating another embodiment of the optical material of the present invention in which scatterers are randomly distributed.
FIG. 4 is a graph showing light transmittance of an optical material in which the scatterers of FIG. 3 are randomly distributed.
FIG. 5 is a conceptual diagram illustrating another embodiment of the optical material of the present invention in which scatterers are randomly distributed.
FIG. 6 is a graph showing light transmittance of an optical material in which the scatterers of FIG. 5 are randomly distributed.
FIG. 7 is a conceptual diagram illustrating still another embodiment of the optical material in which the scatterers of the invention of this application are randomly distributed.
8 is a graph showing light transmittance of an optical material in which the scatterers of FIG. 7 are randomly distributed.
FIG. 9 is a conceptual diagram illustrating another embodiment of the optical material of the present invention in which scatterers are randomly distributed.
FIG. 10 is a graph showing light transmittance of an optical material in which the scatterers of FIG. 9 are randomly distributed.
FIG. 11 is a conceptual diagram illustrating another embodiment of the optical material of the present invention in which scatterers are randomly distributed.
FIG. 12 is a graph showing light transmittance of an optical material in which the scatterers of FIG. 11 are randomly distributed.
FIG. 13 is a conceptual diagram illustrating another embodiment of the optical material of the present invention in which scatterers are randomly distributed.
[Explanation of symbols]
1, 7, 15, 22, 29, 35, 41 (Cylindrical) scatterers
2, 8, 16 areas
3, 9, 14, 21, 28, 34, 40 Optical material in which scatterers are randomly distributed
4, 10, 17, 23, 30, 36, 42 Medium
5, 11, 18, 24, 31, 37, 43 light
6, 12, 19, 25, 26, 32, 38 lines
13, 20, 27, 33 Optical waveguide
39 cavities

Claims (9)

特定の波長帯の光を遮断する光学材料であって、屈折率がnである固体、液体、気体または真空からなり光進行方向の最大長が光の波長の1/10以上10倍以下である複数の微小な散乱体が、屈折率nの媒質内にランダムに配置されており、n/nが2.2以上10以下もしくはn/nが2.2以上10以下でありかつ光学材料全体における散乱体の体積分率が10%以上90%以下であることを特徴とする散乱体がランダムに分布した光学材料。An optical material that blocks light having a specific wavelength band, the refractive index is n 1 solid, liquid, the maximum length of the result beam direction from gas or vacuum at less than 10 times less than 1/10 of the wavelength of light A plurality of minute scatterers are randomly arranged in a medium having a refractive index of n 2 , and n 1 / n 2 is 2.2 or more and 10 or less, or n 2 / n 1 is 2.2 or more and 10 or less. An optical material in which scatterers are randomly distributed, wherein the volume fraction of the scatterers in the entire optical material is 10% or more and 90% or less. 媒質が空気であることを特徴とする請求項1記載の散乱体がランダムに分布した光学材料。2. The optical material according to claim 1, wherein the medium is air. 請求項1または2記載の散乱体がランダムに分布した光学材料において、屈折率nの複数の微小な散乱体が、直径が光の波長の1/10以上10倍以下である円柱状の微小な散乱体であり、その複数の円柱状の微小な散乱体が屈折率nの媒質内に並列かつ軸直角方向においてランダムに配置されていることを特徴とする散乱体がランダムに分布した光学材料。3. The optical material according to claim 1 , wherein the plurality of minute scatterers having a refractive index of n1 have a diameter of at least 1/10 and at most 10 times the wavelength of light. a Do scatterers, optical scattering body characterized by being arranged at random in the parallel and perpendicular to the axis direction into a plurality of cylindrical micro scattering thereof is in the medium of refractive index n 2 are distributed randomly material. 請求項1ないし3いずれかに記載の散乱体がランダムに分布した光学材料において、特定の波長帯の光を通す直線状または曲線状の光導波路が形成されていることを特徴とする散乱体がランダムに分布した光学材料。The scatterer according to claim 1, wherein the scatterer is randomly distributed, wherein a linear or curved optical waveguide for transmitting light in a specific wavelength band is formed. Optical material randomly distributed. 請求項1ないし3いずれかに記載の散乱体がランダムに分布した光学材料において、内部で光の電界強度が増強されるキャビティが形成されていることを特徴とする散乱体がランダムに分布した光学材料。4. The optical material according to claim 1, wherein a scatterer is randomly distributed in the optical material, wherein a cavity is formed inside the scatterer, the electric field intensity of light being enhanced. material. 一部の散乱体および媒質を直線状または曲線状に取り除き、散乱体および媒質を取り除いた部分に特定の波長帯の光を通す光導波路を形成することを特徴とする請求項4記載の散乱体がランダムに分布した光学材料の製造方法。5. The scatterer according to claim 4, wherein a part of the scatterer and the medium are removed in a straight line or a curve, and an optical waveguide for transmitting light in a specific wavelength band is formed in a portion where the scatterer and the medium are removed. A method for producing an optical material in which is randomly distributed. 光導波路とされる一定幅を有する直線状または曲線状部分を設定し、その直線状または曲線状部分の両縁部分に散乱体を側壁として規則的に並べて光導波路を形成し、その光導波路の周りを前記散乱体と媒質とで埋めることを特徴とする請求項4記載の散乱体がランダムに分布した光学材料の製造方法。A linear or curved portion having a constant width to be set as an optical waveguide is set, and an optical waveguide is formed by regularly arranging the scatterers on both side portions of the linear or curved portion as side walls to form an optical waveguide. 5. The method according to claim 4, wherein the surroundings are filled with the scatterer and a medium. 一部の散乱体および媒質を取り除き、取り除かれた部分を円形、球形、多角形または多面体形の形状になるようにして、その取り除いた部分をキャビティとすることを特徴とする請求項5記載の散乱体がランダムに分布した光学材料の製造方法。6. The method according to claim 5, wherein a part of the scatterer and the medium is removed, and the removed part has a circular, spherical, polygonal or polyhedral shape, and the removed part is a cavity. A method for producing an optical material in which scatterers are randomly distributed. キャビティとなる円形、球形、多角形または多面体形の部分を設定し、散乱体をそのキャビティの側壁として規則的に並べキャビティを形成し、そのキャビティの周りを、前記散乱体と媒質とで埋め、キャビティ内部での光の電界強度が増強されるようにすることを特徴とする請求項5記載の散乱体がランダムに分布した光学材料の製造方法。Circular, spherical, polygonal or polyhedral parts to be cavities are set, scatterers are regularly arranged as side walls of the cavities to form cavities, and the surroundings of the cavities are filled with the scatterers and the medium, 6. The method according to claim 5, wherein the electric field intensity of the light inside the cavity is enhanced.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1670065A1 (en) 2004-12-10 2006-06-14 Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. Light-scattering film and optical device using the same
JP2007011219A (en) * 2005-07-04 2007-01-18 Shinko Electric Ind Co Ltd Photonic crystal
KR20160120269A (en) * 2013-10-29 2016-10-17 더 유니버시티 코트 오브 더 유니버시티 오브 세인트 앤드류스 Random Wavelength meter

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1670065A1 (en) 2004-12-10 2006-06-14 Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. Light-scattering film and optical device using the same
US8129611B2 (en) 2004-12-10 2012-03-06 Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. Light-scattering film and optical device using the same
JP2007011219A (en) * 2005-07-04 2007-01-18 Shinko Electric Ind Co Ltd Photonic crystal
KR20160120269A (en) * 2013-10-29 2016-10-17 더 유니버시티 코트 오브 더 유니버시티 오브 세인트 앤드류스 Random Wavelength meter
JP2017501385A (en) * 2013-10-29 2017-01-12 ユニバーシティー コート オブ ザ ユニバーシティー オブ セイント アンドリューズUniversity Court Of The University Of St Andrews Random wavelength measuring instrument
US10429245B2 (en) 2013-10-29 2019-10-01 University Court Of The University Of St Andrews Random wavelength meter
JP2019215351A (en) * 2013-10-29 2019-12-19 ユニバーシティー コート オブ ザユニバーシティー オブ セイント アンドリューズUniversity Court Of The University Of St Andrews Random wavelength-measuring instrument
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