JP4294264B2 - 集積型光学素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は２次元的もしくは３次元的な屈折率の周期性をもつ構造を、領域ごとにその周期性をもつ方向を異なる方向で組み合わせることで、場所により光学特性の異なる領域を複数もつ光学素子並びにその作製方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来用いられてきた光学材料は自然界に存在する材料を用いており、それらは非晶質か結晶質に分けられる。非晶質の場合には、その光学特性において方向依存性はない。結晶質においてはその結晶軸と光の進む方向並びに偏光方向との間で異方性が生じる。しかし一つの結晶質ではその方向は一意に決まっている。したがって非晶質の場合も結晶質の場合も、異なる光学特性を一つの素子として実現しようとする場合、異なる材料を接着等で組み合わせる以外に方法が無かった。
【０００３】
本発明は光学素子に関する応用のきわめて広い範囲に関するものであるため、その一例として偏光子を挙げる。特定の偏光状態を得るために現在用いられている偏光子としては、動作形態から（１）不要な偏波を吸収させるもの、（２）別々の光路に分けるものに分類することができる。
【０００４】
上記（１）の動作をするものでは高分子フィルムにヨウ素などの二色性分子を入れたものが一般的である。これは安価で大面積のものが得られるが、消光比が低く、温度特性に劣るという欠点がある。
【０００５】
この問題を解決するため、安定性の高い材料を用いた偏光子が開発されている。即ちガラスなどの透明体の中に金属や半導体などの吸収体を、細線状あるいは薄膜状に一方向に配列したものである。細線あるいは薄膜に平行な偏波成分は吸収あるいは反射され、それに直交する偏波は透過する。
上記どちらの偏光子おいても、引き伸ばしといった工程を用いるため、透過する偏光に場所依存性を持たせるためには不可能である。したがって場所依存性を持たせるためには、透過する偏光方向の異なるものを複数枚張り合わせることが必要となる。
【０００６】
一方、（２）に複屈折結晶を用いたものは、方解石などの複屈折率の大きい材料を用い、三角プリズムを２個貼り付けた構造もしくは楔形の構造をとらせることで、それぞれの偏光に対して異なる光路に分けている。これらは自然結晶をもちいているため、その結晶軸は一意に決まり、一つの結晶の中で異なる方向の結晶軸を任意の場所に実現することは不可能である。したがって場所により、異なる偏光を透過させようとした場合、結晶軸の異なる方向をもつ結晶を組み合わせる必要がある。
【０００７】
透明体のブリュースター角を使用したものでは、誘電体多層膜を用いた偏光ビームスプリッタが挙げられる。これは多層膜が光の入射方向に対して斜めに設置されているため、その偏光特性に場所依存性を持たせようとすると、異なる角度に多層膜を配置する必要が生じ、一つの素子では実現不可能であることは明らかである。
【０００８】
また別の一例として波長板をあげる。一般的に用いられている波長板は水晶の結晶板の持つ複屈折性を利用している。したがって材料自体が高価であること、１／４波長板もしくは１／２波長板として動作させるために、高精度な厚さ制御が必要である。さらに一つの素子で光学特性に場所依存性を持たせるためには、複数の波長板を並べる以外に実現方法は無い。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明は上記の問題点を解決するためのものであり、任意の場所に、任意の光学特性を持たせた構造を実現することで、自然界では得られない高い機能性を持った光学素子を実現することにある。
【００１０】
【課題を解決する手段】
２次元もしくは３次元の屈折率周期性をもち、その周期が波長オーダのものはフォトニック結晶と呼ばれ、その光学特性は用いる材料の屈折率、構造の周期、周期性の配列並びにその方向に依存する。実現される光学特性の例を挙げると、各周期により光が多重反射されることにより、ブラッグ遮断がおき、特定の波長帯に対して遮断される現象が起きる。また遮断が起きなくとも、波長により多重反射の度合いが異なるため、実効的な屈折率が変化し波長分散を持たせることもできる。さらにこうした光学特性は偏光依存性を持ち、複屈折性も実現できる。
【００１１】
フォトニック結晶の大きな特徴は、人工構造であるため構造の設計により光学特性を制御できることにある。したがって特定の場所に特定の光学特性を実現することが可能となる。
【００１２】
例えば偏光素子に関して言及する。図１に示すような２次元周期構造を二つ組み合わせた構造を考える。
このような高屈折率媒質と低屈折率媒質からなる人工的な周期構造において、互いに直交する二つの偏波成分は、それぞれが独立な分散関係（周波数と波動ベクトルとの間の関係）を持っている。図１において光がｚ方向に進む場合、柱に平行な偏波成分と垂直な偏波成分との間では、バンドギャップ、すなわち光が遮断される波長域も異なる。つまりある波長域において、一方の偏光モードが遮断され、他方の偏光モードが伝搬する場合がある。即ち、この波長域においてはこの周期構造は一方の偏光を反射または回折し、他方の偏光を透過させる偏光子としての動作が可能である。また、消光比も理論的に十分高いものが得られる（浜野哲子、井筒雅之、平山秀樹、“２次元フォトニック結晶を用いた偏光子の可能性”、第５８回応物周期予稿集、ｐａｐｅｒ２ａ−Ｗ−７、１９９７、佐藤晃、竹部雅博、“構造性複屈折による光学異方性多層膜”、Ｏｐｔｉｃｓ Ｊａｐａｎ’９７、講演予稿集、ｐａｐｅｒ３０ｐＤＯ１、１９９７）。
符号２においては符号１の構造をｘ−ｙ面内で９０度回転した構造を作製することで、符号１とは反対にｘ方向の偏光は反射し、ｙ方向の偏光は透過する特性を実現できる。
【００１３】
なお、必要とされる機能により、透過、反射の特性は設計により変更可能であり、符号１と符号２の角度も９０度でなくともよく、かつ角度の異なる領域が複数存在してもよく、またそれぞれの構造の周期が異なってもよい。
【００１４】
また偏光依存性だけではなく、遮断特性、分散性も同様に場所依存性を持たせることができる。このようにフォトニック結晶を用いることで、任意の場所に任意の光学特性を実現することができる。
【００１５】
フォトニック結晶の実現方法としては、例えば自己クローニング法が挙げられる（特許公開番号：特開平１０−３３５７５８）。これはバイアス・スパッタリングに代表される堆積粒子の拡散入射とスパッタエッチングを併用した成膜法を用いて凹凸パターンの形成した基板の上に交互多層膜を堆積することで、基板のパターンを反映した凹凸形状を保存しつつ積層を行う方法である。このメカニズムは次の３つの効果、（１）堆積粒子の拡散入射により影となる凹部の堆積速度が遅くなる効果、（２）スパッタエッチングによる傾斜角約５０度から６０度の面においてエッチング速度が最大となる効果、（３）面にスパッタエッチングにより削られた粒子が基板の別の場所に再付着する効果、の適切な割合での重ねあわせであると説明できる（川上彰二郎、佐藤尚、川嶋貴之、“バイアススパッタ法で作製される３Ｄ周期ナノ構造の形成機構”、電子情報通信学会誌Ｃ−１、ｖｏｌ．Ｊ８１−Ｃ−１、ｎｏ．２、ｐｐ．１０８−１０９、１９９８年２月）。
【００１６】
自己クローニング法において基板上の凹凸パターンはリソグラフィおよびエッチングで形成されるため、場所によってことなる任意のパターンを形成することが可能であり、その上に形成されるフォトニック結晶もパターンを反映し、場所により異なるフォトニック結晶が実現される。
【００１７】
また自己クローニング法により作製される２次元周期構造において、高い性能をもつ偏光子が実現されている（特許公開番号：特開２０００−５６１３３）。
【００１８】
図２のような基板を用意し、その上に自己クローニング法で多層膜を堆積することで図３のような構造が実現できる。こうした構造では図１と同様に符号６の部分と符号７の部分との間で異なる偏光依存性を持たせることは可能である。
【００１９】
【実施例１】
図３中符号３の部分の偏光素子について説明する。図中符号８はアモルファスＳｉＯ２の層（ＳｉＯ２層）、符号９はアモルファスＳｉの層（Ｓｉ層）である。ｘ軸方向の周期Ｌｘは０．５μｍ、ｚ軸方向の周期Ｌｚは０．５７μｍである。ＳｉＯ２層８及びＳｉ層９は周期的にｘ軸方向にそって折れ曲がった形状をなしている。符号７は符号６を９０度回転した構造である。
【００２０】
次にその作製方法を説明する。
まず基板上に電子ビームリソグラフィー技術により周期的なレジストパターンを形成する。溝の幅は０．２５μｍ、深さは０．２μｍ、横方向の周期は０．５μｍである。図２にその模式図を示す。符号３は基板、符号４は無反射コーティング層、符号５は周期的な溝の部分である。一般には周期構造の寸法の選択により、４、５は基板と異なる材料から選択するが、基板と同一の材料のまま、その上に溝を形成することもできる。今回は石英基板上に、ＳｉＯ２及びＳｉのターゲットを用い、バイアス・スパッタリング法により、ＳｉＯ２層とＳｉ層を交互に積層した。その時、各層のｘ軸方向に周期的な凹凸の形状を保存しながら成膜を行うことが肝要である。その条件は次の通りであった：ＳｉＯ２の成膜に対してはＡｒガス圧２Ｐａ、ターゲット高周波電力８００Ｗ、基板高周波電力２０Ｗ；Ｓｉの成膜に対し、Ａｒガス圧０．１５Ｐａ、ターゲット高周波電力４００Ｗであった。ＳｉＯ２とＳｉの層を１０層ずつ積層した。積層した厚さは約６μｍである。
【００２１】
なお基板上の周期的な溝と多層膜の間および、多層膜と空気の屈折率の違いから生じる反射を防ぐため、多層膜１０層ずつの上下にそれぞれ厚さを調整した膜を挿入することで、多層膜と基板もしくは空気との整合をとり、反射を低減している。今回、多層膜の上は空気としたが、別の物質であっても可能である。
【００２２】
図４に、作製した構造に光を垂直に入射した際の各偏波に対する透過率を、波長を変化させながら測定した結果を示す。ここでは溝に平行な偏波をＴＥ波、垂直な偏波をＴＭ波と記す。符号１１で示す波長１．５μｍ付近においてＴＭ偏波が透過し、ＴＥ偏波が遮断されている。遮断されたＴＥ偏波は反射光として反射されている。また無反射層を積層開始部分及び終了部分に導入した結果、ＴＭ偏波の透過率は波長１．５μｍ付近で高い値を示すとともに、多層膜と基板および多層膜と空気の界面同士の間で生じる多重反射の影響で、波長の変化に伴い透過率が変動すること無く、平坦な特性が得られている。
【００２３】
図５に、この周期構造体における周波数と波動ベクトルの関係を、周期的境界条件を用いたＦＤＴＤ法（有限差分時間領域法）により計算した結果を示す。ＦＤＴＤ法によるフォトニック結晶のバンド構造と光透過特性の解析はＳ．Ｆａｎらにより、Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｂ，ｖｏｌ．５４，ｎｏ．１６，ｐｐ．１１２４５−１１２５１（１９９６年）において報告されているとおりである。
図５において、横軸は相対値で表した周波数Ｌｘ／λである。ここで、λは入射光の波長、ｋｚは波動ベクトルのｚ成分である。実線と破線は、それぞれＴＥ波とＴＭ波における分散曲線を示す。ここでＬｘ０．５μｍ、波長１．５５μｍより、周波数Ｌｚ／λ＝０．３７１となる。この図からわかるように、Ｌｚ／λ＝０．３７１の直線はＴＥ波の分散曲線（実線）とは交わらず、ＴＭ波の分散曲線（破線）とは交わる。つまりＴＥ波は遮断・反射され、ＴＭ波は透過することを意味する。すなわち、この周期構造体は周波数Ｌｚ／λが０．３５から０．３９の間に位置する符号１２の周波数帯でＴＭ波を透過させる偏光子として動作している。
【００２４】
なお低屈折率媒質としてはＳｉＯ２を主成分とする材料が最も一般的である。ＳｉＯ２は透明波長領域が広く、化学的、熱的、機械的にも安定であり、成膜も容易に行なえる。高屈折率材料としては、ＴｉＯ２などの酸化物や、Ｓｉ、ＧａＡｓなどの半導体が使用できる。ＴｉＯ２などは透明波長範囲が広く、可視光領域でも使用できる。一方、半導体は、近赤外域に限定されるが、屈折率が大きく偏光子としての動作帯域を広く取れる利点がある。
【００２５】
ところで、多目的の偏光子としては、広い周波数帯域で、使用することが望ましい。高屈折率媒質層と低屈折率媒質層の形状を適切に決定することにより、偏光子としての使用周波数帯域を広くとることができる。逆に、特定のレーザ光のような単色の光に対しては、高屈折率媒質と低屈折率媒質の形状に対する自由度は大きく、成膜において、繰り返しが容易な形状を選択することができる。
【００２６】
実施例において、ｚ軸方向とｘ軸方向の繰り返し周期の比Ｌｚ／Ｌｘは１．１４であったが、ＦＤＴＤ法による他の計算結果から０．２程度の比であっても、偏光子としての作用が可能であることがわかっている。またｘ方向の周期Ｌｘは、通常の偏光子として使用する場合には、光の波長以下程度に選ばれるが、一方の偏光をまっすぐに透過させ、他方の偏光を回折させるための偏光素子においては、光の波長よりも長い周期Ｌｘを選択するとよいことがわかっている。さらに、溝はｙ軸方向に必ずしも一様である必要はなく、ｘ軸方向の溝の幅と間隔に対して、異なる周期構造を持っていてもよく、あるいはｙ方向に充分長いランダムな長さの溝であってもよいことが、他の計算の結果、わかっている。
【００２７】
ところで、今回は、単位となる層の形状を繰り返しつつ積層する手段として、バイアス・スパッタリング法を用いたが、堆積プロセスとスパッタリングエッチングのプロセスを同時でなく時間的に分離した方法を加えることにより、積層の単位となる層の形状の設計自由度を大きくとることができる。さらに、低屈折率媒質としては、アモルファスＳｉＯ２以外にも、パイレックスなどの光学ガラスを用いることができる。一方、高屈折率媒質としてはＳｉ以外にも、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、Ｎｂ２Ｏ５などを用いることもできる。またそれ以外にも屈折率差のある材料の組み合わせで同様の効果が得られることは明らかである。
【００２８】
符号１０は、はじめの数周期を周期的な溝と同じ屈折率の膜で積層したものである。屈折率はＳｉターゲットをスパッタする際、アルゴンと酸素をある割合で混ぜたガスを用いた反応性スパッタを行うことで、ＳｉＯ２の屈折率１．４６からＳｉの屈折率３．５の間で任意に制御が可能である。こうした膜を数層堆積することで、基板がどのような形状であっても、多層膜の積層時に保存される形状に収束させることができる。また光にとっては屈折率に違いが無いため、周期的な溝と最初の数層の膜との間の違いを感じることができない。
【００２９】
基板の周期的な溝の形成には電子ビームリソグラフィー技術とドライエッチング技術を用いたが、光リソグラフィー技術もしくはｘ線リソグラフィー技術を用いても可能であり、パターンの形状は矩形でなくとも、周期的な凹凸であればいい。またリソグラフィー技術ではなく、あらかじめ周期的な溝をシリコンなどの基板上に形成し、それを金型として、ポリイミドなどの高分子材料を塗布した基板上に押し付けることで、パターンを形成することも可能である。その後、ドライエッチング技術によりパターンを結晶板に転写する。結晶板に形成される溝が矩形である必要はないため、パターン転写におけるエッチングにウエットエッチングを用いても可能である。
【００３０】
【実施例２】
図３符合３の部分と同様の構造において基板並びに積層の周期を適当に定めることで、直角を成す互いの偏光の間に任意の位相差を与える波長板として動作させることができる。つまり図３のような構造をとった場合、波長板の光軸が場所によって異なった方向を向いた波長板が複合された光学素子となる。さらに同じ積層周期であっても基板の周期の違いにより、２分の１波長板として動作させたり、４分の１波長板として動作させたりすることも可能であるため、基板の周期を各部において異なるように作製すると、一枚の基板上に２分の１波長板と４分の１波長板を同時に実現することができる。
【００３１】
こうしたデバイスの応用としては光サーキュレータ（特開平１０−２３９６３８、特開平１１−１９４３０１）がある。通常、光サーキュレータでは偏光の違いにより光路を二つに分けた後、それぞれの光路に光軸の異なる波長板が必要となる。そこで従来は２枚の波長板は別々に用意され、隣り合わせて固定される。
本発明により、一枚の基板上に任意の場所に任意の光学特性を持つ波長板が作製できることから、張り合わせの工程を必要とせず、互いの平行度がずれることが無いため、量産性の高い製品を実現することができる。
【００３２】
【実施例３】
図６に示すパターンのように溝の方向が９０度異なる領域を２次元的に交互に並べる。このような構造では、符号１３、符号１４おいて、符合６の構造と同様の構造とすると、符号１３部分ではｘ方向と偏光が反射され、ｙ方向の偏光が透過される。逆に符号１４部分ではｘ方向の偏光が透過され、ｙ方向の偏光が反射される。符号１３領域の面積と符号１４領域の面積を等しくすることで、ｚ方向に入射した光はどのような偏光であっても、符号１３，１４いずれかの領域で反射され、もう片方では透過される。つまり入射工の偏光状態によらず入射したパワーの５０％が透過され、５０％が反射される光学素子が実現される。この動作は図４の符合１１で示した波長域で可能であり、入射角においても±数度の範囲において動作する。このように本発明を用いることで広い波長範囲において、入射角の自由度も高く、かつ偏光に依存しないハーフミラーを実現することができ。
【００３３】
またそれぞれ向きの９０度異なる構造を周期的に並べなくとも、ランダムに並べかつそれぞれの大きさが光ビームの直径に比べ小さければ、同様の効果が期待できる。
【００３４】
さらにそれぞれの領域の面積比を調整することで、それぞれの偏光成分を任意の割合で含んだ光を取り出すことができる。
【００３５】
【発明の効果】
従来の光学素子は物質の持つ光学定数をそのまま利用していたため、任意の部分にのみ機能を持たせるといったことができなかった。しかし人工構造であるフォトニック結晶を用いることで、任意の光学定数を任意の部分に持たせることが可能となる。
【００３５】
例えば特性に偏光依存性をもつフォトニック結晶を所望の部分にのみ形成することが可能であり、さらには異なる偏光依存性を持つ領域を自由な配置で形成することが可能である。これは従来ではそれぞれ異なる素子を、接着等の工程で繋ぎ合わせることでしか実現できなかった機能が一枚の素子で実現可能となり、材料コストを下げ、作製工程を大幅に削減できる。さらに複雑なパターンで特定の部分に機能を持たせることが可能となるため、従来の工程では実現不可能であった複雑な機能を持つ素子が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 異方性をもつ２次元フォトニック結晶が異なる向きに複合された構造の概念図
【図２】 実施例１における表面に溝を有する基板を示す図
【図３】 実施例１における自己クローニング法により作製された構造を示す図
【図４】 実施例１における波長と透過率の関係を示す図
【図５】 実施例１における周波数と波動ベクトルの関係を示す図
【図６】 実施例３における偏光無依存のハーフミラーとなる構造の配列を基板に対して垂直な方向から見た図
【符号の説明】
１ ｘ方向に一様な構造をもつ２次元フォトニック結晶
２ ｙ方向に一様な構造をもつ２次元フォトニック結晶
３ 基板
４ 無反射コーティング層
５ 周期的な溝
６ 自己クローニング法で作製されたｙ方向に一様な構造をもつ２次元フォトニック結晶
７ 自己クローニング法で作製されたｘ方向に一様な構造をもつ２次元フォトニック結晶
８ ＳｉＯ２層
９ Ｓｉ層
１０ 基板成形層
１１ ＴＭ波を透過させる偏光子として作用する波長帯の一つ
１２ ＴＭ偏波を透過させる偏光子として作用する周波数帯の一つ
１３ ＴＥ偏波を透過させる偏光子として作用する周波数帯の一
１４ ｘ方向に一様な構造をもつ２次元フォトニック結晶
１５ ｙ方向に一様な構造をもつ２次元フォトニック結晶
【発明の属する技術分野】
本発明は２次元的もしくは３次元的な屈折率の周期性をもつ構造を、領域ごとにその周期性をもつ方向を異なる方向で組み合わせることで、場所により光学特性の異なる領域を複数もつ光学素子並びにその作製方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来用いられてきた光学材料は自然界に存在する材料を用いており、それらは非晶質か結晶質に分けられる。非晶質の場合には、その光学特性において方向依存性はない。結晶質においてはその結晶軸と光の進む方向並びに偏光方向との間で異方性が生じる。しかし一つの結晶質ではその方向は一意に決まっている。したがって非晶質の場合も結晶質の場合も、異なる光学特性を一つの素子として実現しようとする場合、異なる材料を接着等で組み合わせる以外に方法が無かった。
【０００３】
本発明は光学素子に関する応用のきわめて広い範囲に関するものであるため、その一例として偏光子を挙げる。特定の偏光状態を得るために現在用いられている偏光子としては、動作形態から（１）不要な偏波を吸収させるもの、（２）別々の光路に分けるものに分類することができる。
【０００４】
上記（１）の動作をするものでは高分子フィルムにヨウ素などの二色性分子を入れたものが一般的である。これは安価で大面積のものが得られるが、消光比が低く、温度特性に劣るという欠点がある。
【０００５】
この問題を解決するため、安定性の高い材料を用いた偏光子が開発されている。即ちガラスなどの透明体の中に金属や半導体などの吸収体を、細線状あるいは薄膜状に一方向に配列したものである。細線あるいは薄膜に平行な偏波成分は吸収あるいは反射され、それに直交する偏波は透過する。
上記どちらの偏光子おいても、引き伸ばしといった工程を用いるため、透過する偏光に場所依存性を持たせるためには不可能である。したがって場所依存性を持たせるためには、透過する偏光方向の異なるものを複数枚張り合わせることが必要となる。
【０００６】
一方、（２）に複屈折結晶を用いたものは、方解石などの複屈折率の大きい材料を用い、三角プリズムを２個貼り付けた構造もしくは楔形の構造をとらせることで、それぞれの偏光に対して異なる光路に分けている。これらは自然結晶をもちいているため、その結晶軸は一意に決まり、一つの結晶の中で異なる方向の結晶軸を任意の場所に実現することは不可能である。したがって場所により、異なる偏光を透過させようとした場合、結晶軸の異なる方向をもつ結晶を組み合わせる必要がある。
【０００７】
透明体のブリュースター角を使用したものでは、誘電体多層膜を用いた偏光ビームスプリッタが挙げられる。これは多層膜が光の入射方向に対して斜めに設置されているため、その偏光特性に場所依存性を持たせようとすると、異なる角度に多層膜を配置する必要が生じ、一つの素子では実現不可能であることは明らかである。
【０００８】
また別の一例として波長板をあげる。一般的に用いられている波長板は水晶の結晶板の持つ複屈折性を利用している。したがって材料自体が高価であること、１／４波長板もしくは１／２波長板として動作させるために、高精度な厚さ制御が必要である。さらに一つの素子で光学特性に場所依存性を持たせるためには、複数の波長板を並べる以外に実現方法は無い。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明は上記の問題点を解決するためのものであり、任意の場所に、任意の光学特性を持たせた構造を実現することで、自然界では得られない高い機能性を持った光学素子を実現することにある。
【００１０】
【課題を解決する手段】
２次元もしくは３次元の屈折率周期性をもち、その周期が波長オーダのものはフォトニック結晶と呼ばれ、その光学特性は用いる材料の屈折率、構造の周期、周期性の配列並びにその方向に依存する。実現される光学特性の例を挙げると、各周期により光が多重反射されることにより、ブラッグ遮断がおき、特定の波長帯に対して遮断される現象が起きる。また遮断が起きなくとも、波長により多重反射の度合いが異なるため、実効的な屈折率が変化し波長分散を持たせることもできる。さらにこうした光学特性は偏光依存性を持ち、複屈折性も実現できる。
【００１１】
フォトニック結晶の大きな特徴は、人工構造であるため構造の設計により光学特性を制御できることにある。したがって特定の場所に特定の光学特性を実現することが可能となる。
【００１２】
例えば偏光素子に関して言及する。図１に示すような２次元周期構造を二つ組み合わせた構造を考える。
このような高屈折率媒質と低屈折率媒質からなる人工的な周期構造において、互いに直交する二つの偏波成分は、それぞれが独立な分散関係（周波数と波動ベクトルとの間の関係）を持っている。図１において光がｚ方向に進む場合、柱に平行な偏波成分と垂直な偏波成分との間では、バンドギャップ、すなわち光が遮断される波長域も異なる。つまりある波長域において、一方の偏光モードが遮断され、他方の偏光モードが伝搬する場合がある。即ち、この波長域においてはこの周期構造は一方の偏光を反射または回折し、他方の偏光を透過させる偏光子としての動作が可能である。また、消光比も理論的に十分高いものが得られる（浜野哲子、井筒雅之、平山秀樹、“２次元フォトニック結晶を用いた偏光子の可能性”、第５８回応物周期予稿集、ｐａｐｅｒ２ａ−Ｗ−７、１９９７、佐藤晃、竹部雅博、“構造性複屈折による光学異方性多層膜”、Ｏｐｔｉｃｓ Ｊａｐａｎ’９７、講演予稿集、ｐａｐｅｒ３０ｐＤＯ１、１９９７）。
符号２においては符号１の構造をｘ−ｙ面内で９０度回転した構造を作製することで、符号１とは反対にｘ方向の偏光は反射し、ｙ方向の偏光は透過する特性を実現できる。
【００１３】
なお、必要とされる機能により、透過、反射の特性は設計により変更可能であり、符号１と符号２の角度も９０度でなくともよく、かつ角度の異なる領域が複数存在してもよく、またそれぞれの構造の周期が異なってもよい。
【００１４】
また偏光依存性だけではなく、遮断特性、分散性も同様に場所依存性を持たせることができる。このようにフォトニック結晶を用いることで、任意の場所に任意の光学特性を実現することができる。
【００１５】
フォトニック結晶の実現方法としては、例えば自己クローニング法が挙げられる（特許公開番号：特開平１０−３３５７５８）。これはバイアス・スパッタリングに代表される堆積粒子の拡散入射とスパッタエッチングを併用した成膜法を用いて凹凸パターンの形成した基板の上に交互多層膜を堆積することで、基板のパターンを反映した凹凸形状を保存しつつ積層を行う方法である。このメカニズムは次の３つの効果、（１）堆積粒子の拡散入射により影となる凹部の堆積速度が遅くなる効果、（２）スパッタエッチングによる傾斜角約５０度から６０度の面においてエッチング速度が最大となる効果、（３）面にスパッタエッチングにより削られた粒子が基板の別の場所に再付着する効果、の適切な割合での重ねあわせであると説明できる（川上彰二郎、佐藤尚、川嶋貴之、“バイアススパッタ法で作製される３Ｄ周期ナノ構造の形成機構”、電子情報通信学会誌Ｃ−１、ｖｏｌ．Ｊ８１−Ｃ−１、ｎｏ．２、ｐｐ．１０８−１０９、１９９８年２月）。
【００１６】
自己クローニング法において基板上の凹凸パターンはリソグラフィおよびエッチングで形成されるため、場所によってことなる任意のパターンを形成することが可能であり、その上に形成されるフォトニック結晶もパターンを反映し、場所により異なるフォトニック結晶が実現される。
【００１７】
また自己クローニング法により作製される２次元周期構造において、高い性能をもつ偏光子が実現されている（特許公開番号：特開２０００−５６１３３）。
【００１８】
図２のような基板を用意し、その上に自己クローニング法で多層膜を堆積することで図３のような構造が実現できる。こうした構造では図１と同様に符号６の部分と符号７の部分との間で異なる偏光依存性を持たせることは可能である。
【００１９】
【実施例１】
図３中符号３の部分の偏光素子について説明する。図中符号８はアモルファスＳｉＯ２の層（ＳｉＯ２層）、符号９はアモルファスＳｉの層（Ｓｉ層）である。ｘ軸方向の周期Ｌｘは０．５μｍ、ｚ軸方向の周期Ｌｚは０．５７μｍである。ＳｉＯ２層８及びＳｉ層９は周期的にｘ軸方向にそって折れ曲がった形状をなしている。符号７は符号６を９０度回転した構造である。
【００２０】
次にその作製方法を説明する。
まず基板上に電子ビームリソグラフィー技術により周期的なレジストパターンを形成する。溝の幅は０．２５μｍ、深さは０．２μｍ、横方向の周期は０．５μｍである。図２にその模式図を示す。符号３は基板、符号４は無反射コーティング層、符号５は周期的な溝の部分である。一般には周期構造の寸法の選択により、４、５は基板と異なる材料から選択するが、基板と同一の材料のまま、その上に溝を形成することもできる。今回は石英基板上に、ＳｉＯ２及びＳｉのターゲットを用い、バイアス・スパッタリング法により、ＳｉＯ２層とＳｉ層を交互に積層した。その時、各層のｘ軸方向に周期的な凹凸の形状を保存しながら成膜を行うことが肝要である。その条件は次の通りであった：ＳｉＯ２の成膜に対してはＡｒガス圧２Ｐａ、ターゲット高周波電力８００Ｗ、基板高周波電力２０Ｗ；Ｓｉの成膜に対し、Ａｒガス圧０．１５Ｐａ、ターゲット高周波電力４００Ｗであった。ＳｉＯ２とＳｉの層を１０層ずつ積層した。積層した厚さは約６μｍである。
【００２１】
なお基板上の周期的な溝と多層膜の間および、多層膜と空気の屈折率の違いから生じる反射を防ぐため、多層膜１０層ずつの上下にそれぞれ厚さを調整した膜を挿入することで、多層膜と基板もしくは空気との整合をとり、反射を低減している。今回、多層膜の上は空気としたが、別の物質であっても可能である。
【００２２】
図４に、作製した構造に光を垂直に入射した際の各偏波に対する透過率を、波長を変化させながら測定した結果を示す。ここでは溝に平行な偏波をＴＥ波、垂直な偏波をＴＭ波と記す。符号１１で示す波長１．５μｍ付近においてＴＭ偏波が透過し、ＴＥ偏波が遮断されている。遮断されたＴＥ偏波は反射光として反射されている。また無反射層を積層開始部分及び終了部分に導入した結果、ＴＭ偏波の透過率は波長１．５μｍ付近で高い値を示すとともに、多層膜と基板および多層膜と空気の界面同士の間で生じる多重反射の影響で、波長の変化に伴い透過率が変動すること無く、平坦な特性が得られている。
【００２３】
図５に、この周期構造体における周波数と波動ベクトルの関係を、周期的境界条件を用いたＦＤＴＤ法（有限差分時間領域法）により計算した結果を示す。ＦＤＴＤ法によるフォトニック結晶のバンド構造と光透過特性の解析はＳ．Ｆａｎらにより、Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｂ，ｖｏｌ．５４，ｎｏ．１６，ｐｐ．１１２４５−１１２５１（１９９６年）において報告されているとおりである。
図５において、横軸は相対値で表した周波数Ｌｘ／λである。ここで、λは入射光の波長、ｋｚは波動ベクトルのｚ成分である。実線と破線は、それぞれＴＥ波とＴＭ波における分散曲線を示す。ここでＬｘ０．５μｍ、波長１．５５μｍより、周波数Ｌｚ／λ＝０．３７１となる。この図からわかるように、Ｌｚ／λ＝０．３７１の直線はＴＥ波の分散曲線（実線）とは交わらず、ＴＭ波の分散曲線（破線）とは交わる。つまりＴＥ波は遮断・反射され、ＴＭ波は透過することを意味する。すなわち、この周期構造体は周波数Ｌｚ／λが０．３５から０．３９の間に位置する符号１２の周波数帯でＴＭ波を透過させる偏光子として動作している。
【００２４】
なお低屈折率媒質としてはＳｉＯ２を主成分とする材料が最も一般的である。ＳｉＯ２は透明波長領域が広く、化学的、熱的、機械的にも安定であり、成膜も容易に行なえる。高屈折率材料としては、ＴｉＯ２などの酸化物や、Ｓｉ、ＧａＡｓなどの半導体が使用できる。ＴｉＯ２などは透明波長範囲が広く、可視光領域でも使用できる。一方、半導体は、近赤外域に限定されるが、屈折率が大きく偏光子としての動作帯域を広く取れる利点がある。
【００２５】
ところで、多目的の偏光子としては、広い周波数帯域で、使用することが望ましい。高屈折率媒質層と低屈折率媒質層の形状を適切に決定することにより、偏光子としての使用周波数帯域を広くとることができる。逆に、特定のレーザ光のような単色の光に対しては、高屈折率媒質と低屈折率媒質の形状に対する自由度は大きく、成膜において、繰り返しが容易な形状を選択することができる。
【００２６】
実施例において、ｚ軸方向とｘ軸方向の繰り返し周期の比Ｌｚ／Ｌｘは１．１４であったが、ＦＤＴＤ法による他の計算結果から０．２程度の比であっても、偏光子としての作用が可能であることがわかっている。またｘ方向の周期Ｌｘは、通常の偏光子として使用する場合には、光の波長以下程度に選ばれるが、一方の偏光をまっすぐに透過させ、他方の偏光を回折させるための偏光素子においては、光の波長よりも長い周期Ｌｘを選択するとよいことがわかっている。さらに、溝はｙ軸方向に必ずしも一様である必要はなく、ｘ軸方向の溝の幅と間隔に対して、異なる周期構造を持っていてもよく、あるいはｙ方向に充分長いランダムな長さの溝であってもよいことが、他の計算の結果、わかっている。
【００２７】
ところで、今回は、単位となる層の形状を繰り返しつつ積層する手段として、バイアス・スパッタリング法を用いたが、堆積プロセスとスパッタリングエッチングのプロセスを同時でなく時間的に分離した方法を加えることにより、積層の単位となる層の形状の設計自由度を大きくとることができる。さらに、低屈折率媒質としては、アモルファスＳｉＯ２以外にも、パイレックスなどの光学ガラスを用いることができる。一方、高屈折率媒質としてはＳｉ以外にも、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、Ｎｂ２Ｏ５などを用いることもできる。またそれ以外にも屈折率差のある材料の組み合わせで同様の効果が得られることは明らかである。
【００２８】
符号１０は、はじめの数周期を周期的な溝と同じ屈折率の膜で積層したものである。屈折率はＳｉターゲットをスパッタする際、アルゴンと酸素をある割合で混ぜたガスを用いた反応性スパッタを行うことで、ＳｉＯ２の屈折率１．４６からＳｉの屈折率３．５の間で任意に制御が可能である。こうした膜を数層堆積することで、基板がどのような形状であっても、多層膜の積層時に保存される形状に収束させることができる。また光にとっては屈折率に違いが無いため、周期的な溝と最初の数層の膜との間の違いを感じることができない。
【００２９】
基板の周期的な溝の形成には電子ビームリソグラフィー技術とドライエッチング技術を用いたが、光リソグラフィー技術もしくはｘ線リソグラフィー技術を用いても可能であり、パターンの形状は矩形でなくとも、周期的な凹凸であればいい。またリソグラフィー技術ではなく、あらかじめ周期的な溝をシリコンなどの基板上に形成し、それを金型として、ポリイミドなどの高分子材料を塗布した基板上に押し付けることで、パターンを形成することも可能である。その後、ドライエッチング技術によりパターンを結晶板に転写する。結晶板に形成される溝が矩形である必要はないため、パターン転写におけるエッチングにウエットエッチングを用いても可能である。
【００３０】
【実施例２】
図３符合３の部分と同様の構造において基板並びに積層の周期を適当に定めることで、直角を成す互いの偏光の間に任意の位相差を与える波長板として動作させることができる。つまり図３のような構造をとった場合、波長板の光軸が場所によって異なった方向を向いた波長板が複合された光学素子となる。さらに同じ積層周期であっても基板の周期の違いにより、２分の１波長板として動作させたり、４分の１波長板として動作させたりすることも可能であるため、基板の周期を各部において異なるように作製すると、一枚の基板上に２分の１波長板と４分の１波長板を同時に実現することができる。
【００３１】
こうしたデバイスの応用としては光サーキュレータ（特開平１０−２３９６３８、特開平１１−１９４３０１）がある。通常、光サーキュレータでは偏光の違いにより光路を二つに分けた後、それぞれの光路に光軸の異なる波長板が必要となる。そこで従来は２枚の波長板は別々に用意され、隣り合わせて固定される。
本発明により、一枚の基板上に任意の場所に任意の光学特性を持つ波長板が作製できることから、張り合わせの工程を必要とせず、互いの平行度がずれることが無いため、量産性の高い製品を実現することができる。
【００３２】
【実施例３】
図６に示すパターンのように溝の方向が９０度異なる領域を２次元的に交互に並べる。このような構造では、符号１３、符号１４おいて、符合６の構造と同様の構造とすると、符号１３部分ではｘ方向と偏光が反射され、ｙ方向の偏光が透過される。逆に符号１４部分ではｘ方向の偏光が透過され、ｙ方向の偏光が反射される。符号１３領域の面積と符号１４領域の面積を等しくすることで、ｚ方向に入射した光はどのような偏光であっても、符号１３，１４いずれかの領域で反射され、もう片方では透過される。つまり入射工の偏光状態によらず入射したパワーの５０％が透過され、５０％が反射される光学素子が実現される。この動作は図４の符合１１で示した波長域で可能であり、入射角においても±数度の範囲において動作する。このように本発明を用いることで広い波長範囲において、入射角の自由度も高く、かつ偏光に依存しないハーフミラーを実現することができ。
【００３３】
またそれぞれ向きの９０度異なる構造を周期的に並べなくとも、ランダムに並べかつそれぞれの大きさが光ビームの直径に比べ小さければ、同様の効果が期待できる。
【００３４】
さらにそれぞれの領域の面積比を調整することで、それぞれの偏光成分を任意の割合で含んだ光を取り出すことができる。
【００３５】
【発明の効果】
従来の光学素子は物質の持つ光学定数をそのまま利用していたため、任意の部分にのみ機能を持たせるといったことができなかった。しかし人工構造であるフォトニック結晶を用いることで、任意の光学定数を任意の部分に持たせることが可能となる。
【００３５】
例えば特性に偏光依存性をもつフォトニック結晶を所望の部分にのみ形成することが可能であり、さらには異なる偏光依存性を持つ領域を自由な配置で形成することが可能である。これは従来ではそれぞれ異なる素子を、接着等の工程で繋ぎ合わせることでしか実現できなかった機能が一枚の素子で実現可能となり、材料コストを下げ、作製工程を大幅に削減できる。さらに複雑なパターンで特定の部分に機能を持たせることが可能となるため、従来の工程では実現不可能であった複雑な機能を持つ素子が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 異方性をもつ２次元フォトニック結晶が異なる向きに複合された構造の概念図
【図２】 実施例１における表面に溝を有する基板を示す図
【図３】 実施例１における自己クローニング法により作製された構造を示す図
【図４】 実施例１における波長と透過率の関係を示す図
【図５】 実施例１における周波数と波動ベクトルの関係を示す図
【図６】 実施例３における偏光無依存のハーフミラーとなる構造の配列を基板に対して垂直な方向から見た図
【符号の説明】
１ ｘ方向に一様な構造をもつ２次元フォトニック結晶
２ ｙ方向に一様な構造をもつ２次元フォトニック結晶
３ 基板
４ 無反射コーティング層
５ 周期的な溝
６ 自己クローニング法で作製されたｙ方向に一様な構造をもつ２次元フォトニック結晶
７ 自己クローニング法で作製されたｘ方向に一様な構造をもつ２次元フォトニック結晶
８ ＳｉＯ２層
９ Ｓｉ層
１０ 基板成形層
１１ ＴＭ波を透過させる偏光子として作用する波長帯の一つ
１２ ＴＭ偏波を透過させる偏光子として作用する周波数帯の一つ
１３ ＴＥ偏波を透過させる偏光子として作用する周波数帯の一
１４ ｘ方向に一様な構造をもつ２次元フォトニック結晶
１５ ｙ方向に一様な構造をもつ２次元フォトニック結晶
Claims (9)
- 基板と，前記基板上に形成されたフォトニック結晶とを具備する光学素子であって；
前記基板は：
少なくとも基板の片面が複数の領域に分割され；
前記基板の複数の領域は，前記基板の片面をｘ−ｙ平面としたとき，ｘ軸方向に複数に分割された領域を有するとともに，ｙ軸方向にも複数に分割された領域を有し；
前記基板の複数の領域は，それぞれに固有の周期的なパターンを有する溝が，複数個形成され，前記それぞれの領域に形成される溝のパターンとして，少なくとも２種類以上のパターンがあり；
前記フォトニック結晶は：
前記基板の複数の領域に対応する部分であって，前記基板上のそれぞれの領域の周期的なパターンを反映した，周期的な構造を有するものを，複数有し，
前記基板の片面をｘ−ｙ平面としたとき，ｚ軸方向には，ｚ軸方向に隣接する層において屈折率が異なる誘電体により形成された，周期的な層を複数層有する，
光学素子。 - 前記基板の複数の領域は，
ｘ軸方向及びｙ軸方向に同一周期で配置され，格子状に分割された複数の領域である，
請求項１に記載の光学素子。 - 前記基板の複数の領域は，ｘ軸方向及びｙ軸方向に同一周期で配置され，格子状に分割された複数の領域であり，
前記フォトニック結晶の複数の部分は，ｘ軸方向及びｙ軸方向に同一周期で配置され，格子状に配置される，
請求項１に記載の光学素子。 - 前記基板の複数の領域は，ｘ軸方向及びｙ軸方向に同一周期で配置され，格子状に分割された複数の領域であり，
前記基板の複数の領域に形成される周期的なパターンは，溝が形成される方向が９０度異なる２つのパターンであり，
前記格子状に分割された複数の領域は，前記２つのパターンがｘ軸方向に周期的なパターン及びｙ軸方向に周期的なパターンであり，それら２つのパターンは交互に配置された，
請求項１に記載の光学素子。 - 前記基板の複数の領域は，ｘ軸方向及びｙ軸方向に同一周期で配置され，格子状に分割された複数の領域であり，
前記フォトニック結晶の複数の部分は，ｘ軸方向及びｙ軸方向に同一周期で配置され，格子状に配置され，
２分の１波長板として動作する部位と，４分の１波長板として機能する部位のいずれか又は両方を有する，
請求項１に記載の光学素子。 - 前記基板の複数の領域は，ｘ軸方向及びｙ軸方向に同一周期で配置され，格子状に分割された複数の領域であり，
前記基板の複数の領域に形成される周期的なパターンは，溝が形成される方向が９０度異なる２つのパターンであり，
前記格子状に分割された複数の領域は，前記２つのパターンがｘ軸方向及びｙ軸方向に交互に配置され，
前記基板上のパターンが異なる領域に対応するフォトニック結晶の部分は，偏光面が９０度異なる偏光子として機能する，請求項１に記載の光学素子。 - 前記フォトニック結晶は，
前記ｚ軸方向に，隣接する層において屈折率が異なる誘電体により形成された，周期的な複数の層の上下の少なくとも一方に反射を低減するための膜を有する，
請求項１に記載の光学素子。 - 基板と，前記基板上に形成されたフォトニック結晶とを具備する光学素子の製造方法であって；
自己クローニング法を用いて；
前記基板の片面を複数の領域に分割し；
前記基板の片面をｘ−ｙ平面としたとき，前記基板の複数の領域は，ｘ軸方向に複数に分割された領域を有するとともに，ｙ軸方向にも複数に分割された領域を有するようにし；
前記基板の複数の領域のぞれぞれに，それぞれの領域に固有な周期的なパターンを有する溝を，複数個形成する工程と；
前記基板上に屈折率の異なる誘電体を交互に堆積させ，
前記基板の複数の領域に対応する部分であって，前記基板上のそれぞれの領域の周期的なパターンを反映した，周期的な構造を有するものを，複数形成し，
前記基板の片面をｘ−ｙ平面としたとき，ｚ軸方向には，隣接する層において屈折率が異なる誘電体により形成された，周期的な層を複数層有する，前記フォトニック結晶を形成する工程と；
を含む，光学素子の製造方法。 - 前記基板の複数の領域は，ｘ軸方向及びｙ軸方向に同一周期で配置され，格子状に分割された複数の領域であり，
前記基板の複数の領域に形成される周期的なパターンは，溝が形成される方向が９０度異なる２つのパターンであり，
前記格子状に分割された複数の領域は，ｘ軸方向に周期的なパターン及びｙ軸方向に周期的なパターンであり，それら２つのパターンは交互に配置され，
前記基板上のパターンが異なる領域に対応するフォトニック結晶の部分は，偏光面が９０度異なる偏光子として機能し，
前記２つのパターンが形成される領域の面積比が所望の偏光割合となるように，２つのパターンが形成される領域を制御する工程を含み，
偏光成分を所望の割合で含んだ光を出力できる光学素子を製造する，請求項８に記載の光学素子の製造方法。
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