JP2012163395A - 分光装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 高速かつ高感度な分光が可能であるとともに、小型化を実現可能な分光装置を提供する。
【解決手段】 光源からの光が入力される光入力部１０２と、光学素子と、光偏向素子１０７と、光偏向素子１０７から出射された光を反射する反射素子１０８と、光検出器１１０とを少なくとも備え、
光偏向素子１０７が、電気光学効果を有する材料で形成された屈折率変化領域１２１、及び屈折率変化領域１２１を挟むように電極１２２が配置されてなり、
反射素子１０８が、特定波長の光を共鳴反射する波長選択性を有する共鳴フィルタであることを特徴とする分光装置１０１である。
【選択図】図１
【解決手段】 光源からの光が入力される光入力部１０２と、光学素子と、光偏向素子１０７と、光偏向素子１０７から出射された光を反射する反射素子１０８と、光検出器１１０とを少なくとも備え、
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反射素子１０８が、特定波長の光を共鳴反射する波長選択性を有する共鳴フィルタであることを特徴とする分光装置１０１である。
【選択図】図１
Description
本発明は、分光装置に関し、特に高速な光走査デバイスを用いた分光装置に関する。
従来より分光技術を用いた装置は数多く提案されており、例えば、分散型回折格子を用いた分光装置や、音響光学素子を用いた分光装置などが知られている。
分散型回折格子を用いた分光装置（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）における、回折格子による分光は、極めて高分解能での計測が可能である。しかしながら、高次回折光の影響による回折光の光量低減などが課題となり、スリットを設ける必要があることから、光量の減衰が生じ、光学系の大型化を避けることができない。さらに機械的な駆動に頼る必要があるため高速な分光が期待できないという問題がある。
分散型回折格子を用いた分光装置（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）における、回折格子による分光は、極めて高分解能での計測が可能である。しかしながら、高次回折光の影響による回折光の光量低減などが課題となり、スリットを設ける必要があることから、光量の減衰が生じ、光学系の大型化を避けることができない。さらに機械的な駆動に頼る必要があるため高速な分光が期待できないという問題がある。
これに対し、機械的な駆動部を持たない方式として、音響光学素子を用いた分光装置が知られている。
音響光学素子による分光装置は、ブラッグ回折を用いているため、上述の回折格子でみられる不具合は生じず、また音響波を用いるため、比較的高速な分光が可能となる。しかしながら、音響波を発生させるトランデューサで消費される電力が大きく、駆動回路も複雑となる。さらに、分光装置を構成する中核部品のサイズが大きいという課題がある。
音響光学素子による分光装置は、ブラッグ回折を用いているため、上述の回折格子でみられる不具合は生じず、また音響波を用いるため、比較的高速な分光が可能となる。しかしながら、音響波を発生させるトランデューサで消費される電力が大きく、駆動回路も複雑となる。さらに、分光装置を構成する中核部品のサイズが大きいという課題がある。
一方、電気光学効果を用いた光偏向素子とプリズムや回折格子、音響光学チューナブルフィルタ（ＡＯＦ）などの分散素子を用いた高速分光装置が開示されている（例えば、特許文献３参照）。
電気光学効果を用いた光偏向素子は、電圧印加により高速に光を偏向させることができる。偏向された光を分散素子であるプリズムによって分光し、その集光位置を、光を偏向させることで変化させ、スリットを通過する光の波長を変化させることができる。
電気光学効果を用いた光偏向素子は、電圧印加により高速に光を偏向させることができる。偏向された光を分散素子であるプリズムによって分光し、その集光位置を、光を偏向させることで変化させ、スリットを通過する光の波長を変化させることができる。
しかしながら、特許文献３に記載の装置の構成では、高速な分光は実現できるが、分散プリズムによる分散特性が、その材料に大きく依存するために、分光できる波長領域が制限されるという問題がある。
また、特許文献１及び２に記載の装置では、機械駆動させる回折格子型の分光装置と同様に光量が低下するなどの課題があり、また、スリットを含めたトータルな光学設計が必要となるため、装置の小型化が課題となる。
また、特許文献１及び２に記載の装置では、機械駆動させる回折格子型の分光装置と同様に光量が低下するなどの課題があり、また、スリットを含めたトータルな光学設計が必要となるため、装置の小型化が課題となる。
よって、本発明の課題は、高速かつ高感度な分光が可能であるとともに、小型化を実現可能な分光装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明に係る分光装置は、以下のとおりである。
〔１〕 光源からの光が入力される光入力部と、光学素子と、光偏向素子と、前記光偏向素子から出射された光を反射する反射素子と、光検出器とを少なくとも備え、
前記光偏向素子が、電気光学効果を有する材料で形成された屈折率変化領域、及び該屈折率変化領域を挟むように電極が配置されてなり、
前記反射素子が、特定波長の光を共鳴反射する波長選択性を有する共鳴フィルタであることを特徴とする分光装置である。
〔２〕 前記光偏向素子の前記屈折率変化領域が、プリズム形状の電極反転部が連続して形成されてなることを特徴とする前記〔１〕に記載の分光装置である。
〔３〕 前記光偏向素子の光伝搬領域が、薄膜状部材で形成されていることを特徴とする前記〔１〕または〔２〕に記載の分光装置である。
〔４〕 前記共鳴フィルタが、基板上に、相対的に屈折率の高い高屈折率層及び相対的に屈折率が低い低屈折率層が積層されてなり、
前記高屈折率層の上部に、所望の波長と同等か所望の波長以下のピッチで形成された一方向の凹凸による周期構造を有することを特徴とする前記〔１〕から〔３〕のいずれかに記載の分光装置である。
〔５〕 前記共鳴フィルタが、基板上に、相対的に屈折率の高い高屈折率層及び相対的に屈折率が低い低屈折率層が積層されてなり、
前記高屈折率層の上部に、所望の波長と同等か所望の波長以下のピッチで形成された水平断面が二次元形状の凹凸による周期構造を有することを特徴とする前記〔１〕から〔３〕のいずれかに記載の分光装置である。
〔６〕 前記共鳴フィルタが、同一平面内において、異なるピッチで形成された凹凸による周期構造を有することを特徴とする前記〔４〕または〔５〕に記載の分光装置である。
〔１〕 光源からの光が入力される光入力部と、光学素子と、光偏向素子と、前記光偏向素子から出射された光を反射する反射素子と、光検出器とを少なくとも備え、
前記光偏向素子が、電気光学効果を有する材料で形成された屈折率変化領域、及び該屈折率変化領域を挟むように電極が配置されてなり、
前記反射素子が、特定波長の光を共鳴反射する波長選択性を有する共鳴フィルタであることを特徴とする分光装置である。
〔２〕 前記光偏向素子の前記屈折率変化領域が、プリズム形状の電極反転部が連続して形成されてなることを特徴とする前記〔１〕に記載の分光装置である。
〔３〕 前記光偏向素子の光伝搬領域が、薄膜状部材で形成されていることを特徴とする前記〔１〕または〔２〕に記載の分光装置である。
〔４〕 前記共鳴フィルタが、基板上に、相対的に屈折率の高い高屈折率層及び相対的に屈折率が低い低屈折率層が積層されてなり、
前記高屈折率層の上部に、所望の波長と同等か所望の波長以下のピッチで形成された一方向の凹凸による周期構造を有することを特徴とする前記〔１〕から〔３〕のいずれかに記載の分光装置である。
〔５〕 前記共鳴フィルタが、基板上に、相対的に屈折率の高い高屈折率層及び相対的に屈折率が低い低屈折率層が積層されてなり、
前記高屈折率層の上部に、所望の波長と同等か所望の波長以下のピッチで形成された水平断面が二次元形状の凹凸による周期構造を有することを特徴とする前記〔１〕から〔３〕のいずれかに記載の分光装置である。
〔６〕 前記共鳴フィルタが、同一平面内において、異なるピッチで形成された凹凸による周期構造を有することを特徴とする前記〔４〕または〔５〕に記載の分光装置である。
本発明によれば、高速かつ高感度な分光が可能であるとともに、小型化を実現可能な分光装置を提供することができる。
以下、本発明に係る分光装置について図面を参照して説明する。なお、本発明は以下に示す実施例の実施形態に限定されるものではなく、他の実施形態、追加、修正、削除など、当業者が想到することができる範囲内で変更することができ、いずれの態様においても本発明の作用・効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。
本発明の分光装置の概略構成を図１に示す。
図１に示すように、本発明の分光装置１０１は、光源からの光が入力される光入力部１０２と、光学素子（偏光子１０３、コリメートレンズ１０４、集光レンズ１０５及び１０６、レンズ１０９）と、光偏向素子１０７と、光偏向素子１０７から出射された光を反射する反射素子１０８と、光検出器と１１０を少なくとも備え、さらに信号制御部１１１、信号検出部（図示せず）、電圧印加制御部１１２を備える。
光偏向素子１０７は、電気光学効果を有する材料で形成された屈折率変化領域１２１、及び該屈折率変化領域１２１を挟むように電極１２２が配置されてなり、反射素子１０８は、特定波長の光を共鳴反射する波長選択性を有する共鳴フィルタである。（以下、反射素子１０８を「共鳴フィルタ」という。）
図１に示すように、本発明の分光装置１０１は、光源からの光が入力される光入力部１０２と、光学素子（偏光子１０３、コリメートレンズ１０４、集光レンズ１０５及び１０６、レンズ１０９）と、光偏向素子１０７と、光偏向素子１０７から出射された光を反射する反射素子１０８と、光検出器と１１０を少なくとも備え、さらに信号制御部１１１、信号検出部（図示せず）、電圧印加制御部１１２を備える。
光偏向素子１０７は、電気光学効果を有する材料で形成された屈折率変化領域１２１、及び該屈折率変化領域１２１を挟むように電極１２２が配置されてなり、反射素子１０８は、特定波長の光を共鳴反射する波長選択性を有する共鳴フィルタである。（以下、反射素子１０８を「共鳴フィルタ」という。）
光入力部１０２に入射した様々な波長を有する光は、偏光子１０３により紙面垂直方向に振動する直線偏光に調整される。次いでコリメートレンズ１０４により幅が数百μｍから数ｍｍ程度の平行光に変換され、集光レンズ１０５により光偏向素子１０７に入力される。図１に示す例では、紙面平行方向の光の幅を保ちながら、紙面垂直方向のみを集光するシリンドリカルレンズを用いている。なおコリメートレンズ１０４は、図１では模式的に１枚しか描いていないが、数枚のレンズ群からなるものから構成されていてもよい。
光偏向素子１０７には、屈折率変化領域１２１を挟むように電極１２２が配置されている。電極１２２には、電圧印加制御部１１２から数百Ｖから数ｋＶの電圧が印加される。
屈折率変化領域１２１は、プリズム形状（三角プリズム型）の分極反転部が連続して形成されている。屈折率変化領域１２１に電圧が印加されると、図１に模式的に示される三角形内の屈折率変化の極性が、三角形外の屈折率変化の極性と反対の極性をもつように変化する。たとえば、電圧が印加されたときに三角形内の屈折率変化が（−Δｎ）であれば、三角形外の屈折率変化は(＋Δｎ)となる。
屈折率変化領域１２１は、プリズム形状（三角プリズム型）の分極反転部が連続して形成されている。屈折率変化領域１２１に電圧が印加されると、図１に模式的に示される三角形内の屈折率変化の極性が、三角形外の屈折率変化の極性と反対の極性をもつように変化する。たとえば、電圧が印加されたときに三角形内の屈折率変化が（−Δｎ）であれば、三角形外の屈折率変化は(＋Δｎ)となる。
なお、屈折率変化領域１２１は、図１に示した同形状の組合からなる態様だけではなく、出力側に向かうにつれ、三角プリズム形状の高さが大きくなるホーン型プリズムを形成しても良い。
屈折率変化領域１２１は、電気光学効果を有する材料で形成されており、例えば、電気光学結晶に分極反転技術により屈折率変化領域１２１を形成している。
電極１２２に電圧を印加すると、電界が生じ、屈折率変化領域１２１を形成する電気光学結晶のポッケルス効果により屈折率が変化する。この屈折率変化が分極反転によって正負逆転するので、三角形形状の屈折変化部分ができることにより、光は偏向する。
屈折率の変化は印加電圧の大きさに依存し、印加される電圧が大きくなると偏向角が大きくなる。また、電圧の極性が変わると振れ方向が中心軸から反対方向へ偏向する。
上述のような分極反転技術により屈折率が反転する領域を形成する方法以外に、電極形状自体を三角形形状にすることにより、電極形状に応じた屈折率変化を与える態様としてもよい。
電極１２２に電圧を印加すると、電界が生じ、屈折率変化領域１２１を形成する電気光学結晶のポッケルス効果により屈折率が変化する。この屈折率変化が分極反転によって正負逆転するので、三角形形状の屈折変化部分ができることにより、光は偏向する。
屈折率の変化は印加電圧の大きさに依存し、印加される電圧が大きくなると偏向角が大きくなる。また、電圧の極性が変わると振れ方向が中心軸から反対方向へ偏向する。
上述のような分極反転技術により屈折率が反転する領域を形成する方法以外に、電極形状自体を三角形形状にすることにより、電極形状に応じた屈折率変化を与える態様としてもよい。
光偏向素子１０７により偏向された光は、集光レンズ１０６によって再びコリメート光とされ、共鳴フィルタ１０８に入射される。共鳴フィルタ１０８には波長選択性があり、ビームの入力角度によって、異なる波長が反射される構造を有する（詳細は後述）。そのため、図１の概略図に示されるように偏向方向が異なる光が共鳴フィルタ１０８に入射されると、その角度に応じた波長が共鳴フィルタ１０８で選択されて反射される。
反射された特定波長の光は、レンズ１０９によって集光されて光検出器１１０に入力され、光検出器１１０により電気信号に変換され、出力信号として出力される。この出力信号は信号制御部１１１から外部入出力に接続される。
反射された特定波長の光は、レンズ１０９によって集光されて光検出器１１０に入力され、光検出器１１０により電気信号に変換され、出力信号として出力される。この出力信号は信号制御部１１１から外部入出力に接続される。
このような構成により、電圧印加により共鳴フィルタ１０８での反射波長を制御することが可能となるため、可動部を必要とせず、また電圧印加スピードに応じた高速な分光が可能な分光装置が得られる。また、共鳴フィルタ１０８により、高反射率での分光が可能となるため高効率である。さらに、光検出器１１０の直前にスリットを置く必要がないため、波長間の迷光による影響を低減することができる。
〔光偏向素子〕
以下、本発明の分光装置に用いられる光偏向素子について説明する。
図２に、光偏向素子の構成を模式的に示す。光偏向素子は、屈折率変化領域２０１が電気光学効果を有する材料（電気光学結晶）により形成される。ここでは、一例としてニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３：ＬＮ）により形成された光偏向素子を示す。
図２に示すように、屈折率変化領域（以下、「ニオブ酸リチウム基板」ともいう）２０１を挟むように電極２０３及び２０４が配置されており、この電極２０３及び２０４が形成されたニオブ酸リチウム基板２０１は、接着剤層２０６によって支持基板２０５に接着されている。
以下、本発明の分光装置に用いられる光偏向素子について説明する。
図２に、光偏向素子の構成を模式的に示す。光偏向素子は、屈折率変化領域２０１が電気光学効果を有する材料（電気光学結晶）により形成される。ここでは、一例としてニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３：ＬＮ）により形成された光偏向素子を示す。
図２に示すように、屈折率変化領域（以下、「ニオブ酸リチウム基板」ともいう）２０１を挟むように電極２０３及び２０４が配置されており、この電極２０３及び２０４が形成されたニオブ酸リチウム基板２０１は、接着剤層２０６によって支持基板２０５に接着されている。
ニオブ酸リチウム基板２０１には、フォトリソグラフィーにより高さ３ｍｍ、幅１ｍｍ程度の三角形状が連なったレジストパターンからなる分極反転部２０２が形成されている。ニオブ酸リチウム基板２０１を挟み込むように抗電界を越えるような高電圧を印加すると、レジストがない部分に直接電界が印加されるので、その部分が分極反転し、レジストパターンに対応した三角形状の極性を変化させた分極反転部２０２を形成することができる。
このような分極反転により極性が異なる屈折率変化領域を形成することができる。
このような分極反転により極性が異なる屈折率変化領域を形成することができる。
分極反転部２０２は、フォトリソグラフィーによるパターニングであるので、基板上に一度に複数のパターンを近接させて配置させることは十分可能であり、それらを用いた分極反転基板を作成することも可能である。
マスクパターンをあらかじめ設定しておけば、任意のパターンを同じ領域にひとつのパターンを形成する方法とほとんど変わらずに形成することができる。
マスクパターンをあらかじめ設定しておけば、任意のパターンを同じ領域にひとつのパターンを形成する方法とほとんど変わらずに形成することができる。
分極反転部２０２の領域を覆うように形成された電極２０３及び２０４の面積は、分極反転部２０２を過不足なく覆う程度でよい。さらに、分極反転されたニオブ酸リチウム基板２０１を挟み込むように電極２０４もあらかじめ形成しておく。基板２０１の厚みは５００μｍから３００μｍ程度であるが、図２のように基板２０１の表裏面に電極を形成し、電圧印加による屈折率変化を起こすことを考慮に入れると、低電圧動作を実現するためには電圧が印加される幅が狭いほうがより好ましい。
光伝搬領域が薄膜状部材で形成されていることが好ましく、ずなわち、ニオブ酸リチウム基板２０１の厚みを薄くすることにより低電圧動作が可能となる。
光伝搬領域が薄膜状部材で形成されていることが好ましく、ずなわち、ニオブ酸リチウム基板２０１の厚みを薄くすることにより低電圧動作が可能となる。
ただし、基板２０１の厚みが薄いと、機械的な強度を保つための支持構成が必要となる。
図２では、支持基板２０５によって支えられる構成を示している。図２のように分極反転部２０２が形成されたニオブ酸リチウム層２０１は、接着層２０６を介して支持基板２０５上に貼り付けられている。
このような構成は、例えば分極反転部２０２と電極２０４とを形成した基板２０１を、支持基板２０５に接着剤（接着層２０６）により接着し、電極２０４が形成されている面とは反対の面を研磨加工により薄膜化することで製作することができる。より薄い構造であれば、低電圧動作が可能となるが、高精度な加工技術が必要となるので、ニオブ酸リチウム基板２０１の厚みは１０μｍから２０μｍ程度としてある。
図２では、支持基板２０５によって支えられる構成を示している。図２のように分極反転部２０２が形成されたニオブ酸リチウム層２０１は、接着層２０６を介して支持基板２０５上に貼り付けられている。
このような構成は、例えば分極反転部２０２と電極２０４とを形成した基板２０１を、支持基板２０５に接着剤（接着層２０６）により接着し、電極２０４が形成されている面とは反対の面を研磨加工により薄膜化することで製作することができる。より薄い構造であれば、低電圧動作が可能となるが、高精度な加工技術が必要となるので、ニオブ酸リチウム基板２０１の厚みは１０μｍから２０μｍ程度としてある。
支持基板２０５の材質としては、熱膨張係数が屈折率変化領域と同じものが好ましく、例えばニオブ酸リチウム基板を用いるのが好ましいが、シリコンや石英、ガラス基板であってもよい。また厚みは５００μｍ程度あれば十分である。
図３に、電気化学効果を有する材料としてニオブ酸リチウム材料を用いて作製した光偏向素子の印加電圧と偏向角との関係を示す。
印加する電圧が大きくなるにつれて、ニオブ酸リチウム材料のポッケルス効果により屈折率変化が大きくなるので、線形に偏向角も大きくすることができる。光が伝搬する部分の厚みは１０μｍまで薄膜化されているために、最大偏向角を得るための電圧も、１５０Ｖ程度と低電圧で駆動させることができることがわかる。
なお、薄膜化しない基板結晶厚の３００μｍ程度の厚みで駆動させるためには、薄膜化した場合と比べて３０倍の電圧を必要とする。この場合、複雑な電圧源が必要となり、消費電力も大きくなってしまうという問題がある。
印加する電圧が大きくなるにつれて、ニオブ酸リチウム材料のポッケルス効果により屈折率変化が大きくなるので、線形に偏向角も大きくすることができる。光が伝搬する部分の厚みは１０μｍまで薄膜化されているために、最大偏向角を得るための電圧も、１５０Ｖ程度と低電圧で駆動させることができることがわかる。
なお、薄膜化しない基板結晶厚の３００μｍ程度の厚みで駆動させるためには、薄膜化した場合と比べて３０倍の電圧を必要とする。この場合、複雑な電圧源が必要となり、消費電力も大きくなってしまうという問題がある。
図３に示した特性を有する光偏向素子は、電圧と偏向角とが一対一対応していることを特徴とし、任意電圧を印加することで、任意偏向角を実現できる点である。つまり、偏向角と偏向周波数を電圧源によってのみ決定させることができることができる。このような駆動は、機械的な駆動では困難であり、ランダムアクセスによる偏向方向の走査も可能である。
図４に、上述の光偏向素子の動作電圧の周波数に対する出力光電圧をプロットしたグラフを示す。図４から、光偏向素子が、周波数が０．１Ｈｚから２０ｋＨｚまでは一定した電圧出力を示していることがわかる。２０ｋＨｚ以上は印加電圧を発生させる電圧源の性能により出力が落ちてしまっているが、潜在的には１００ｋＨｚ程度まで一定して電圧出力を示すことが可能である。
このことから、従来の共振現象を用いた光偏向素子と比較して、本発明の分光装置に用いられる上述の光偏向素子は、高速スキャンかつランダムスキャンでの動作が可能であることがわかる。
このことから、従来の共振現象を用いた光偏向素子と比較して、本発明の分光装置に用いられる上述の光偏向素子は、高速スキャンかつランダムスキャンでの動作が可能であることがわかる。
また、上述の光偏向素子は、任意の周波数に対して複雑な偏向をさせることが可能であるため、１００ｋＨｚ程度までの周波数であれば、柔軟な偏向が可能となる。たとえば、１００Ｈｚで電圧を変化させていたところを局所的に１０ｋＨｚで電圧を変化させることも可能である。
さらに、光導波路型を採用することにより、比較的低電圧での駆動が可能となり、柔軟な電子回路設計で電圧制御部を形成することができる。
このように形成された光偏向素子の解像点数は、入力されるビーム径になどにも依存するが、現実的な値として１００〜３００点程度である。
さらに、光導波路型を採用することにより、比較的低電圧での駆動が可能となり、柔軟な電子回路設計で電圧制御部を形成することができる。
このように形成された光偏向素子の解像点数は、入力されるビーム径になどにも依存するが、現実的な値として１００〜３００点程度である。
〔共鳴フィルタ〕
以下、本発明の分光装置に用いられる反射部材としての共鳴フィルタについて説明する。
前記共鳴フィルタは、特定波長の光を共鳴反射する波長選択性を有し、波長と同程度の周期構造を有する狭帯域の光学フィルタである。
共鳴フィルタは、導波モード共鳴格子や共振モード格子と呼ばれることもある。周期構造のピッチと入射光の波長とがある共振条件を満たすと共振現象が発生し、これによって非常に帯域の狭い反射型の波長フィルタを作製することができる。共振波長での反射率は理論的には１００％に達するので、高次回折光が出てくる回折格子と比較して光量を効率良く得ることができる。また、波長選択フィルタであるので、反射波長以外は透過する。これは、すべての波長を回折してしまう反射型の回折格子と比較して、本発明の分光装置に用いられる共鳴フィルタの特徴である。
以下、本発明の分光装置に用いられる反射部材としての共鳴フィルタについて説明する。
前記共鳴フィルタは、特定波長の光を共鳴反射する波長選択性を有し、波長と同程度の周期構造を有する狭帯域の光学フィルタである。
共鳴フィルタは、導波モード共鳴格子や共振モード格子と呼ばれることもある。周期構造のピッチと入射光の波長とがある共振条件を満たすと共振現象が発生し、これによって非常に帯域の狭い反射型の波長フィルタを作製することができる。共振波長での反射率は理論的には１００％に達するので、高次回折光が出てくる回折格子と比較して光量を効率良く得ることができる。また、波長選択フィルタであるので、反射波長以外は透過する。これは、すべての波長を回折してしまう反射型の回折格子と比較して、本発明の分光装置に用いられる共鳴フィルタの特徴である。
多層膜から形成される波長フィルタは、垂直入射に対しては理論的に１００％の反射が得られるが、斜入射の光に対しては反射率が低下することや、反射スペクトルの半値全幅が大きくなるなどの課題がある。
図５に、一般的な一方向に配列した、すなわち一次元の周期構造を有する共鳴フィルタの構成の一例を示す。（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は断面図である。
共鳴フィルタは、屈折率の異なる２種類の材料から構成されており、相対的に低い屈折率ｎＬを持つ低屈折率材料からなる基板層３０１上に、相対的に高い屈折率ｎＨを持つ高屈折率材料からなる導波層３０２が形成され、導波層３０２の上面に低屈折率材料からなる周期構造層３０３が形成されている。（ここで、屈折率ｎＨ＞屈折率ｎＬとなっており、以後、２種類の材料を使用しているとき、相対的に屈折率のより高い材料からなる層を高屈折率層、相対的に屈折率の低い材料からなる層を低屈折率層と呼ぶ。）
図５に示す共鳴フィルタでは、入射した光のうち周期構造層３０３と共鳴する波長のみが、導波層３０２の導波モードとカップリングし共鳴反射することとなる。
共鳴フィルタは、屈折率の異なる２種類の材料から構成されており、相対的に低い屈折率ｎＬを持つ低屈折率材料からなる基板層３０１上に、相対的に高い屈折率ｎＨを持つ高屈折率材料からなる導波層３０２が形成され、導波層３０２の上面に低屈折率材料からなる周期構造層３０３が形成されている。（ここで、屈折率ｎＨ＞屈折率ｎＬとなっており、以後、２種類の材料を使用しているとき、相対的に屈折率のより高い材料からなる層を高屈折率層、相対的に屈折率の低い材料からなる層を低屈折率層と呼ぶ。）
図５に示す共鳴フィルタでは、入射した光のうち周期構造層３０３と共鳴する波長のみが、導波層３０２の導波モードとカップリングし共鳴反射することとなる。
図５（Ｂ）に示すように、周期構造層３０３は、凹凸構造が周期ｐで一方向に配列した周期構造を有する。グレーティングの幅は周期に対してＦＦ倍（０＜ＦＦ＜１）で定義する。このような一次元の周期構造においては、偏光方向に対する依存性が発生するため、図５（Ａ）に示すように溝に平行な電場振動を有する成分をＴＥ偏光、溝方向に垂直な電場振動を有する成分をＴＭ偏光と呼ぶことにする。
本発明の分光装置に用いられる共鳴フィルタに関し、厳密結合波解析（ＲＣＷＡ）によりフィルタの設計を行った。
シミュレーションモデルを図６に示す。図６に示すように、基板４０１上に、高屈折率層４０２と、低屈折率層４０３と、サブ波長構造（Sub-Wavelength Structure：SWS）層４０４をこの順に積層して形成している。
基板４０１の屈折率をｎｓ＝１．５１、高屈折率層４０２の屈折率をｎＨ＝２．２３、低屈折率層４０３の屈折率をｎＬ＝１．４４とし、サブ波長構造は高屈折率層と同質の材料と仮定し、その屈折率はｎＳ＝２．２３としてシミュレーションを行った。
また、図６にあるような電界の振動方向に対してシミュレーションし、周期ｐ＝２５０ｎｍ、充填率ＦＦ＝０．４とした。
各層の厚みを、高屈折率層ｄ１、低屈折率層ｄ２、サブ波長構造層（高屈折率層）ｄ３としたときに、ｄ１＝１００ｎｍ、ｄ２＝５０ｎｍ、ｄ３＝３００ｎｍとしてシミュレーションした。
シミュレーションモデルを図６に示す。図６に示すように、基板４０１上に、高屈折率層４０２と、低屈折率層４０３と、サブ波長構造（Sub-Wavelength Structure：SWS）層４０４をこの順に積層して形成している。
基板４０１の屈折率をｎｓ＝１．５１、高屈折率層４０２の屈折率をｎＨ＝２．２３、低屈折率層４０３の屈折率をｎＬ＝１．４４とし、サブ波長構造は高屈折率層と同質の材料と仮定し、その屈折率はｎＳ＝２．２３としてシミュレーションを行った。
また、図６にあるような電界の振動方向に対してシミュレーションし、周期ｐ＝２５０ｎｍ、充填率ＦＦ＝０．４とした。
各層の厚みを、高屈折率層ｄ１、低屈折率層ｄ２、サブ波長構造層（高屈折率層）ｄ３としたときに、ｄ１＝１００ｎｍ、ｄ２＝５０ｎｍ、ｄ３＝３００ｎｍとしてシミュレーションした。
すなわち、図６のモデルで示される本発明の分光装置に用いられる前記共鳴フィルタの一実施態様は、基板（ｎｓｕｂ）上４０１に、相対的に屈折率の高い高屈折率層（ｎＨ）４０２、及び相対的に屈折率が低い低屈折率層（ｎＬ）４０３が積層されてなり、高屈折率層と同質の材料からなるサブ波長構造層（ｎＳ）４０４が、所望の波長と同等か所望の波長以下のピッチで形成された一方向の凹凸による周期構造を有する。
図７に、図６のシミュレーション結果の一例を示す。
図７は、入射角度を２０度から３０度まで変化させたときの分光スペクトルを示している。波長６００ｎｍから６５０ｎｍの波長をもつ光に対して分光できるようにパラメータを設定してあるので、入射角度によって反射される波長が変化し、偏向素子から出力される光の入射角によって分光できることがわかる。また、反射率もシミュレーション上では１００％であり、入射角度に対応した波長の光を効率よく反射させることができることがわかる。
図７は、入射角度を２０度から３０度まで変化させたときの分光スペクトルを示している。波長６００ｎｍから６５０ｎｍの波長をもつ光に対して分光できるようにパラメータを設定してあるので、入射角度によって反射される波長が変化し、偏向素子から出力される光の入射角によって分光できることがわかる。また、反射率もシミュレーション上では１００％であり、入射角度に対応した波長の光を効率よく反射させることができることがわかる。
本発明の分光装置に用いられる前記光偏向素子に印加する電圧を連続的に変化させることにより、該光偏向素子から出力される光の偏向角を連続的に変化させることができる。このことから、分解能は前記共鳴フィルタのフィルタ性能に依存する。
図８は、前記共鳴フィルタにおいて、より詳細に、入射角度に対する反射スペクトルをプロットしたグラフである。入射角度が０．１度で変化したときの反射スペクトルをプロットし、図８のグラフから、１ｎｍ以上の分解能は十分に得られるようなフィルタであることがわかる。
スペクトルの半値で分解能を定義すると、このフィルタの波長分解能は０．５ｎｍ程度であり、サブｎｍの分解能での分光が可能であることを示している。
スペクトルの半値で分解能を定義すると、このフィルタの波長分解能は０．５ｎｍ程度であり、サブｎｍの分解能での分光が可能であることを示している。
前記共鳴フィルタにおいて、スペクトルの線幅や中心波長の設計は、パラメータ（層の厚さ、屈折率、周期）の設定で比較的容易に調整することができる。
前記共鳴フィルタを構成する材料としては、例えば、基板には合成石英ガラス、高屈折率材料には酸化チタン（ＴｉＯ２）、低屈折率材料には二酸化シリコン（ＳｉＯ２）などが挙げられる。これらの材料を用いて均一な層を形成することは、スパッタリングや蒸着などの一般的な方法で可能である。上記以外の材料としては、例えば、基板としてはシリコン、石英、サファイアなど、高屈折率材料としては五酸化二タンタル（Ｔａ２Ｏ５）、ハフニウム酸化物など、低屈折率材料としては酸化マグネシウムなどを用いることができる。さらに、無機材料以外で有機材料を用いることも可能である。
前記共鳴フィルタのサブ波長構造部分は、リソグラフィーとエッチングにより形成することができる。ここでは、電子ビーム描画により波長以下の周期構造をパターニングし、ドライエッチングで酸化チタンをエッチングして形成することを想定している。
本発明の分光装置における分光原理を説明する。
上述のように、前記光偏向素子は高速かつ連続して光を偏向させることができる。このとき偏向角が±５度（全角で１０度）であるので、中心の入射角度が２５度に設定すると、２０度から３０度の間で入射角を調整することが可能となる。さらに２５度の入射角のときに反射波長を６３０ｎｍ程度に設定すると、光を偏向させて得られる反射光は波長に対応していることになる。つまり、光偏向素子からの入射光の角度を電圧により変化させることができ、電圧の変化に対する反射光の受光量が波長に対応し、スペクトルを得ることができる。
上述のように、前記光偏向素子は高速かつ連続して光を偏向させることができる。このとき偏向角が±５度（全角で１０度）であるので、中心の入射角度が２５度に設定すると、２０度から３０度の間で入射角を調整することが可能となる。さらに２５度の入射角のときに反射波長を６３０ｎｍ程度に設定すると、光を偏向させて得られる反射光は波長に対応していることになる。つまり、光偏向素子からの入射光の角度を電圧により変化させることができ、電圧の変化に対する反射光の受光量が波長に対応し、スペクトルを得ることができる。
高速な光偏向素子と分散が強いプリズムもしくは回折格子を組み合わせて得られる従来の分光装置に対して、本発明の分光装置の構成では、分散による波長分離とスリットによる波長選択とを、前記共鳴フィルタによって同時に行うことができるため、高精度な光学部品配置の必要がなく、さらに装置の小型化が可能となる。
また、波長分散が角度変化に変換されているため、大きな偏向角を必要としない光偏向素子の小さい角度変化に対しても感度良く波長を分離させることができる。
また、波長分散が角度変化に変換されているため、大きな偏向角を必要としない光偏向素子の小さい角度変化に対しても感度良く波長を分離させることができる。
回折格子を用いた場合、高次モードの影響で反射光のパワーが減衰せざるをえず、分散型回折格子としてブレーズ回折格子を用いると、バイナリー型にする必要があり、０次または＋１次の回折光が６０％〜８０％程度になる。
これに対し、本発明のように前記共鳴フィルタを用いることにより、理論上は１００％反射であり、９０％以上の反射率を実現することができる。
これに対し、本発明のように前記共鳴フィルタを用いることにより、理論上は１００％反射であり、９０％以上の反射率を実現することができる。
入射される光は微弱であるため、光検出器において効率よく光を得ることができれば、高性能の光検出器を用いる必要がなく、装置を低コスト化することができる。また、前記共鳴フィルタを用いることにより、波長分離された光を適切にスリットで分離するための位置調整機構なども必要としないので、装置の小型化を実現できる。
本発明のサブ波長構造層を備えた共鳴フィルタは、基本構造として、基板（屈折率ｎｓｕｂ）上に、低屈折率層１（屈折率：ｎＬ１）、高屈折率層（屈折率：ｎＨ）、低屈折率層２（屈折率：ｎＬ２、ｎＬ１とｎＬ２は同じでなくてよい）、サブ波長構造層（屈折率：ｎＳ）と積層して形成される。高屈折率層が低屈折率層１と低屈折率層２で挟まれているので、高屈折率層に光が導波されると、高屈折率層は光導波層となる。
サブ波長構造層は、独立した層として形成して積層してもよく、低屈折率層２に直接形成することにより設けてもよく、高屈折率層に直接形成することにより設けてもよい。サブ波長構造層を設ける位置や形成方法は、共鳴フィルタに求める効果や製作プロセスなどの条件に応じて適宜選択することができる。
共鳴フィルタを構成する各層の屈折率（材料）のパターンとしては、例えば、以下の態様が挙げられる。
（１）ｎｓｕｂ、ｎＬ１、ｎＨ、ｎＬ２、ｎＳがすべて異なる。
（２）ｎｓｕｂとｎＬ１が同じ（同じ材料で形成されている）。
（３）ｎｓｕｂとｎＬ１が同じ、かつｎＬ２とｎＳが同じ（同じ材料で形成されている）。
（４）ｎｓｕｂとｎＬ１が同じ、かつｎＨとｎＬ２とｎＳが同じで、ｎＬ１とｎＨとは異なる屈折率。
サブ波長構造層は、独立した層として形成して積層してもよく、低屈折率層２に直接形成することにより設けてもよく、高屈折率層に直接形成することにより設けてもよい。サブ波長構造層を設ける位置や形成方法は、共鳴フィルタに求める効果や製作プロセスなどの条件に応じて適宜選択することができる。
共鳴フィルタを構成する各層の屈折率（材料）のパターンとしては、例えば、以下の態様が挙げられる。
（１）ｎｓｕｂ、ｎＬ１、ｎＨ、ｎＬ２、ｎＳがすべて異なる。
（２）ｎｓｕｂとｎＬ１が同じ（同じ材料で形成されている）。
（３）ｎｓｕｂとｎＬ１が同じ、かつｎＬ２とｎＳが同じ（同じ材料で形成されている）。
（４）ｎｓｕｂとｎＬ１が同じ、かつｎＨとｎＬ２とｎＳが同じで、ｎＬ１とｎＨとは異なる屈折率。
また、本発明の分光装置に用いられる前記共鳴フィルタは、図９（ａ）及び（ｂ）に示すように、基板５０１上に、相対的に屈折率の高い高屈折率層５０３及び相対的に屈折率が低い低屈折率層５０２が積層されてなり、高屈折率層５０３の上部、具体的には最上面に形成された前記高屈折率層５０３の少なくとも一部に、所望の波長と同等か所望の波長以下のピッチで形成された水平断面が二次元形状の凹凸による周期構造を有する態様であってもよい。
図９（ａ）及び（ｂ）は、水平断面が二次元形状の高屈折材料からなるサブ波長構造を配置したものである。このような二次元の周期構造のことをフォトニック結晶配列と呼ぶこともある。
図９（ａ）及び（ｂ）は、水平断面が二次元形状の高屈折材料からなるサブ波長構造を配置したものである。このような二次元の周期構造のことをフォトニック結晶配列と呼ぶこともある。
垂直断面図に示すように、基板５０１に低屈折率層５０２と高屈折率層５０３を形成し、高屈折率層５０３にパターニングすることでサブ波長構造が形成されている。なお、図９（ａ）のような凹構成でも、(ｂ)のような凸構造でもよい。また、パターンの形状は図のような円形構造でも四角形構造でもよく、所望の波長特性に応じた形状とすることができる。
このような構成であると、偏向方向によって異なる特性が得られるとともに、エアーブリッジ構造にすることで構造強度を向上させることができる。
このような構成であると、偏向方向によって異なる特性が得られるとともに、エアーブリッジ構造にすることで構造強度を向上させることができる。
サブ波長構造５０４での波長適用範囲は、その構造の周期に依存しており、その範囲は１００ｎｍ程度である。それ以上の範囲を分光するためには、異なる共鳴フィルタを用意する必要がある。
これに対し、異なる領域を分光するために、前記共鳴フィルタを領域分割で形成し、図１０に示すように、同一平面内において、異なるピッチで形成された凹凸による周期構造を有する態様としてもよい。
これに対し、異なる領域を分光するために、前記共鳴フィルタを領域分割で形成し、図１０に示すように、同一平面内において、異なるピッチで形成された凹凸による周期構造を有する態様としてもよい。
図１０に、領域分割された共鳴フィルタの一例を示す。基板６０１上に、高屈折率層６０２、低屈折率層６０３が形成され、さらに領域Ａ及び領域Ｂに、それぞれ異なるピッチでサブ波長構造層６０４ａ及び６０４ｂが形成されている。なお、図１０に示す上面図の上方は、領域ＡのＡ１−Ａ２での断面を領域Ａ側から見た図であり、下方は領域ＢのＢ１−Ｂ２での断面を領域Ｂ側から見た図である。
サブ波長構造層６０４ａ及び６０４ｂは、高屈折率層６０２と同質の材料からなる層であってもよく、低屈折率層６０３と同質の材料からなる層であってもよい。後者の場合、低屈折率層６０３に凹凸による周期構造を形成することによりサブ波長構造層を同時に形成することができ、サブ波長構造層を新たな層として形成するプロセスを省略することができる。
なお、このような領域分割された構造は、パターンを制御することにより、複数の領域を一度に形成することができる。
サブ波長構造層６０４ａ及び６０４ｂは、高屈折率層６０２と同質の材料からなる層であってもよく、低屈折率層６０３と同質の材料からなる層であってもよい。後者の場合、低屈折率層６０３に凹凸による周期構造を形成することによりサブ波長構造層を同時に形成することができ、サブ波長構造層を新たな層として形成するプロセスを省略することができる。
なお、このような領域分割された構造は、パターンを制御することにより、複数の領域を一度に形成することができる。
１０１ 分光装置
１０２ 光入力部
１０３ 偏光子
１０４ コリメートレンズ
１０５ 集光レンズ
１０６ 集光レンズ
１０７ 光偏向素子
１０８ 共鳴フィルタ
１０９ レンズ
１１０ 光検出器
１１１ 信号制御部
１１２ 電圧印加制御部
１２１ 屈折率変化領域
１２２ 電極
１０２ 光入力部
１０３ 偏光子
１０４ コリメートレンズ
１０５ 集光レンズ
１０６ 集光レンズ
１０７ 光偏向素子
１０８ 共鳴フィルタ
１０９ レンズ
１１０ 光検出器
１１１ 信号制御部
１１２ 電圧印加制御部
１２１ 屈折率変化領域
１２２ 電極
Claims (6)
- 光源からの光が入力される光入力部と、光学素子と、光偏向素子と、前記光偏向素子から出射された光を反射する反射素子と、光検出器とを少なくとも備え、
前記光偏向素子が、電気光学効果を有する材料で形成された屈折率変化領域、及び該屈折率変化領域を挟むように電極が配置されてなり、
前記反射素子が、特定波長の光を共鳴反射する波長選択性を有する共鳴フィルタであることを特徴とする分光装置。 - 前記光偏向素子の前記屈折率変化領域が、プリズム形状の分極反転部が連続して形成されてなることを特徴とする請求項１に記載の分光装置。
- 前記光偏向素子の光伝搬領域が、薄膜状部材で形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の分光装置。
- 前記共鳴フィルタが、基板上に、相対的に屈折率の高い高屈折率層及び相対的に屈折率が低い低屈折率層が積層されてなり、
前記高屈折率層の上部に、所望の波長と同等か所望の波長以下のピッチで形成された一方向の凹凸による周期構造を有することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の分光装置。 - 前記共鳴フィルタが、基板上に、相対的に屈折率の高い高屈折率層及び相対的に屈折率が低い低屈折率層が積層されてなり、
前記高屈折率層の上部に、所望の波長と同等か所望の波長以下のピッチで形成された水平断面が二次元形状の凹凸による周期構造を有することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の分光装置。 - 前記共鳴フィルタが、同一平面内において、異なるピッチで形成された凹凸による周期構造を有することを特徴とする請求項４または５に記載の分光装置。
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- 2012-02-01 US US13/363,779 patent/US20120200853A1/en not_active Abandoned
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