JP5876076B2 - 共鳴格子を有し、入射角に従って調整可能な偏光無依存型光フィルタ - Google Patents

Description

本発明は、入射角に従って調整可能できる、超波長選択的な（すなわち、１ｎｍ未満のバンド幅を有する）共鳴格子に基づく、自由空間における光フィルタに関する。そのようなフィルタは、導波路の共鳴フィルタまたはファノ（Ｆａｎｏ）共鳴フィルタモードの名称でも知られている。

共鳴格子を備える光フィルタは、（約１０^−１０メートル程度の）非常に狭いバンド幅および非常に高い阻止率を生じさせるための光波長フィルタリング部品である。

また、バンド幅が非常に狭いとき、バンド幅はラマン分光法で、またはいくつかの光学機器でのレーザ安全性に使用される。

共鳴格子を備える光フィルタは、多層構造上にエッチングされたサブ波長格子を備える構造である。

格子は、導波路を使用する多層構造の光学モードへの、自由空間における入射ビームのエネルギーのエバネッセント回折次数による結合を可能にする。また、光学モードの励起も生じる。光学モードはその電磁界とその分散関係（モードの波長と入射波の伝搬方向との関係）とによって特徴付けられるものと規定される。また格子は、表面上の鏡面反射に対応する方向での光学モードから自由空間への解離も可能にする。

この結合／解離は、当然ながら、（分散関係によって連結された）ある波長と固定された入射方向とについてのみなされる。その他の波長は偏向せずにフィルタを通過する。

したがってこれにより波長選択的な光フィルタがもたらされ、その波長はきわめて狭いものとすることができ、その波長は入射角の関数として調整可能である。

本明細書では、構造のパラメータ（光学指数、各層の厚さなど）または入射パラメータを操作することによって、そのフィルタリング波長を変更することができる場合に、フィルタは調整可能であるというものと規定する。

以下では、Ｏｘｙｚベースを定義し、Ｏｘｙｚベースにおける入射ビームＩと、入射ビームＩに属する点Ｐの角座標θおよびφとを考察する。θは極角、すなわち、軸Ｏｚと半径ＯＰとの角度である。φは方位角、すなわち、軸Ｏｘとの平面（ｘＯｙ）上の投影ＯＰの角度である。また入射面も、各層の平面に対する法線（Ｏｚ）と半径ＯＰとを含む平面であるものとして定義される。図１に本明細書で使用する表記法を示す。

これらのフィルタの問題は、特に斜め入射に際してのその偏光への依存である。

本明細書では、中心波長およびその分光感度の幅が、入射波の偏光状態の関数として変動する場合に、フィルタは偏光に依存するというものと規定する。透過時の（あるいは反射時の）フィルタについては、偏光への依存は、入射波の偏光の状態がすべての入手可能な偏光の状態（「Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ Ｌｏｓｓｅｓ（偏波分散損失）」、（ＰＤＬ））を記述するときの最小透過（あるいは反射）と最大透過（あるいは反射）との比によって定義される。この測定値は一般にｄＢ単位で表され、偏光に依存しない部品では理想的には０ｄＢである。

また、２つのモードの分散関係が交点を有する場合には、それらのモードはこの点において縮退されるという。

単一波長についての退縮された２つの直交するモードの、格子の２つの異なる回折次数による、入射波ｓおよび入射波ｐによる同時励起に基づく偏光に依存しない共鳴格子を有するフィルタが知られている。２つの直交するモードは、その場が入射面に対して対称／非対称である２つのモードとすることができ、したがってその平面は構造の対称面でなければならない。縮退は、モードの結び付きが以下の２つの技法のうちの１つによって打ち消されるときに発生する。

−格子のパターンを、各モードを励起させるための格子の回折次数間にゼロ結合が生じるように選択すると同時に、入射波と各モードとの間の非ゼロ結合を維持することによって（単一方向の周期格子を用いて容易に実行可能であり、２方向の周期格子には複雑なパターンを必要とする条件）、または
−極入射角（入射方位の角度自体は、入射面が構造の対称面になるように固定されている）を、２つのモードの伝搬方向間の角度がλ／２ラジアンに近くなるように選択することによって（単一方向の周期格子では実行不能であるが、２つの直交する方向の、またはλ／３ラジアンの角度を形成する周期格子を用いて実行可能になる条件）。

また、この種の構成では、フィルタのバンド幅は、２つのモードの偏光の方向間の角度がλ／２ラジアンに近い場合には偏光に依存しないことも知られており、これは、前述の第２の技法および各方向の周期格子に好都合である。しかし、モードの伝搬方向間の直交性は、１つの極入射角についてしか得られず、これらのフィルタの波長を調整することを難しくしている。

本発明の目的は、入射角にかかわらず偏光に依存しない共鳴格子を備え、入射角に従って波長を調整できるフィルタである。

この目的を達成するために、本発明は、真空で測定された波長を中心とする偏光に依存しない光フィルタに関するものであり、この光フィルタは、
−各々伝搬モードをサポートする第１の導波路および第２の導波路と、
−第１の導波路の表面内に、または表面上に形成された第１の格子であり、少なくとも、第１の正規直交ベースＯｘｙｚを定義する第１の軸Ｏｘに沿って周期的である第１の格子と、
−第２の導波路の表面内に、または表面上に形成された第２の格子であり、少なくとも、第２の正規直交ベースＯｘ’ｙ’ｚを定義する第２の軸Ｏｘｙ’に沿って周期的である第２の格子と
を備える。

本発明による光フィルタは、第１の格子が光ビームによって照明されるときに、第１の伝搬モードおよび第２の伝搬モードが励起され、それらのモードの場が、決定された光ビームの入射角について直交するように、第１の格子と第２の格子とが、相互の上方に配置されており、第１の軸Ｏｘと第２の軸Ｏｘ’とが±π／２ラジアンまで異なる角度を形成するようになっている。

本発明による光フィルタの他の側面は以下の通りである。

−第１の格子と第２の格子とは同一であり、各々、周期ｄ＝ｄ_１＝ｄ_２の一連の同一のパターンまたは溝を備え、角ξは、第１の格子上の任意の入射角の入射ビームについて、−π／２ラジアンからπ／２ラジアンまで変動する入射ビームに対応する極角θ、π／４＋ξ／２ラジアンに等しい入射ビームに対応する方位角φについてのものであり、
−一連の同一のパターンまたは溝は幅Ｄ、高さｈを有し、
−波長はλ_０＝１．６μｍに等しく、各格子は、周期ｄ＝８３８ｎｍ、幅Ｄ＝３００ｎｍ、および高さｈ＝７０ｎｍの溝を有し、
−第１の導波路と第２の導波路とは同一であり、各々、対象となる波長に対して透過的な材料でできた複数の層で構成されており、
−第１の導波路と第２の導波路とは各々異なる屈折率の２層の誘電材料で構成されており、
−光フィルタは、第１の導波路と第２の導波路との間に配置されたガラス基板を備え、
−１より大きい周期次元の格子（２Ｄ格子）を備え、
−第１の格子と第２の格子との間に配置されたガラス基板を備え、
−第１の格子と第２の導波路との間に配置されたガラス基板を備える。

相互に対して配置された２つの１次元の共鳴格子のカスケーディングを有する、各々伝搬モードをサポートする２つの導波路の組み合わせは、偏光の独立性および極入射角と方位入射角の関数としての波長の調整可能性の必要を満たす。

２つのセット（格子＋導波路）間の解離は、一般に極角に依存する所与の方位角について、入射ビームの極入射角にかかわらずモードが縮退されるようなものである。

したがって、２つの格子は、極入射角にかかわらず、同じ共鳴波長について導波路で入射ビームを結合する。また、ある極入射角について、モードは直交し、偏光の独立性を生じる。

特に、２つの導波路と２つの格子とが同一であるときに、２つのモードがそれについて縮退される方位角は、極角に依存せず、入射面が周期性の方向の二等分線を含むようなものである。調整可能性は、その場合、極入射角だけを変動させることによって達成され、方位入射角（したがって入射面）は固定されており、それがフィルタの使用の大きな利点を代表するものである。加えて、一般的な場合と同様に、ある極入射角について、モードは直交し、偏光の独立性を生じる。

この特性は広い範囲の極入射角にわたって保持される。

１次元共鳴格子を使用することは、２次元格子を使用するよりも簡単である。

また、格子が一次元であるために、下にある導波路の構造のみならず２次元格子の形も変更することを必要とする２次元格子を使用した光フィルタとは対照的に、単に格子パラメータ（格子の周期および向き）を操作するだけで公称入射角を変更することができる。

本発明の他の特徴および利点は以下の説明を読めば明らかになるものであり、以下の説明は例示にすぎず、非限定的であり、添付の図面に照らして考察されなければならない。すでに論じた図１は別として、図面は以下の通りである。

本発明による光フィルタを概略的に示す部分３次元図である。 本発明による光フィルタの２つの格子の向きを概略的に示す図である。 本発明による光フィルタを示す正面図である。 入射波の偏光の状態が、すべての入手可能な偏光の状態を本発明による光フィルタの動作波長の関数として説明するときに得られる反射の最小係数および最大係数を示す図である。

すべての図において、類似の要素は同一の参照番号を有する。

本明細書で説明する光フィルタは、自由空間において動作し、真空で測定された波長λ_０を中心とするものであり、偏光に依存しない。

この光フィルタは、スペクトルの広い光の入射ビームＩで照明される。

このビームのスペクトルの狭い部分は、（真空で測定された）対象の波長λ_０を中心としており、鏡面反射されるが、残りの部分は影響を受けずに透過される。

光フィルタは、概念上の波長および概念上の角度（ゼロとすることも非ゼロとすることもできる）について設計されており、入射ビームの偏光に依存しない。そして、フィルタリング波長λ_０は、入射角を変更することにより変更することができる（角度調整可能性）。

光フィルタは、主に、透明な基板３１の両面に配置された２つの格子１１、１１’を備え、これらは各々導波路２１、２１’に結合される。

各導波路は、第１のものについてはｎ_ｆ１、第２のものについてはｎ_ｆ２の実効屈折率の伝搬モードをサポートする。

第１の格子１１平面は第１の導波路２１の表面内または表面上に形成されており、第１の正規直交ベースＯｘｙｚを定義する第１の軸Ｏｘに沿って周期ｄ_１の周期を有する。

第２の格子１１’平面は第２の導波路２１’の表面内または表面上に形成されており、第２の正規直交ベースＯｘ’ｙ’ｚを定義する第２の軸Ｏｙ’に沿って周期ｄ_２の周期を有する。

各格子は、相互に対して、第１の軸Ｏｘと第２の軸Ｏｘ’とが非ゼロの角ξを形成するように配置されている。

ベクトルＶｉおよびベクトルＶ２が以下のように定義され、

それぞれ、第１の格子および第２の格子の回折次数ｎおよびｍ（相対的整数）の伝搬の方向に対応する。角θおよび角φは、それぞれ、極角および方位角であり、λは入射ビームに対応する波長である。したがって、式、

は、それぞれ、第１の格子による第１のモードの励起の条件、第２の格子による第２のモードの励起の条件、および両励起モードの場のこれらの直交性の条件ということになる。式（１）と式（２）とが同じ入射波長λについて検証されるような、極入射角と方位入射角との組（θ，φ）のセットを見つけることが可能である。第１のモードおよび第２のモードは同時に励起される（分散関係が退縮される）。したがってフィルタは、極入射角と方位入射角の関数として調整可能である。また、このセットの組（θ_０，φ_０）についても、式（３）が検証される。各モードの伝搬方向は相互に直交し、各モードの場も同様であり、フィルタは偏光から独立している。この特性は、点（θ_０，φ_０）周辺で比較的よく保持され、フィルタは、この点の周辺では偏光から独立しており、入射の関数として波長の調整が可能である。

特に、格子が同一であるときｄ_１＝ｄ_２＝ｄが成り立ち、加えて、２つの導波路が同一であるときｎ_ｆ１＝ｎ_ｆ２が成り立つ。式（１）と式（２）とが同じ入射波長λについて検証されるような、極入射角と方位入射角の組のセットは、θが−π／２ラジアンからπ／２ラジアンまで変動し、θにかかわらずφ＝π／４＋ξ／２ラジアンであるようなものである。第１の伝搬モードと第２の伝搬モードとは、方位入射角を変更することなく、したがって、入射面の方向を変更することなく、極入射角にかかわらず、同時に励起させることができる。分散関係は、方位入射角がφ＝π／４＋ξ／２であるときに、極入射角にかかわらず縮退され、フィルタは、入射面が２つの格子の周期性の方向の二等分線を含むときに、極入射角の関数として波長を調整することができる。また、角θ_０および波長λ_０では、各モードの伝搬方向は相互に直交し、各モードの場も直交し、フィルタは偏光から独立している。この特性は、θ_０周囲の広い範囲の極入射角にわたって保持され、フィルタは、この点の周囲では、偏光から独立しており、入射の関数として波長の調整が可能である。

入射面が２つの格子の周期性の方向の二等分線を含むよう、第１の格子が入射ビームによって照明されるときに、角ξと周期ｄとの選択によって、第１の伝搬モードと第２の伝搬モードとを、決定された光ビームの概念上の入射角θ_０と概念上の（または対象となる）波長λ_０とについて直交させることができる。

周期ｄおよびその線の相対的向き（格子間の角ξ）の選択は、その入射角およびその波長の関数としてのみ、偏光光ビームを反射し、または全く反射しない。

これによって、入射ビームの偏光から独立した、スペクトル選択性の、調整可能な光フィルタが与えられる。

有利には、導波路は、各々対象となる波長に対して透過的な材料でできた複数の層で構成されている。

導波路２１、２１’は、各々好ましくは、異なる屈折率の２層の誘電材料で構成されている。

有利には、導波路を形成するのに使用される材料は、そのうちの少なくとも１つが、２つの導波路間に配置された基板３１の屈折率よりも大きい屈折率を有するように選択される。

特定の実施形態の例
本発明による光フィルタの特定の実施形態を以下で説明する。これは、この光フィルタをディジタル方式でテストしたものである。

光フィルタを構成する異なる層の積層は、ＬＰＣＶＤ（Ｌｏｗ−Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ（低圧化学蒸着法））の種類の公知の技法によって行うことができる。

格子は、光リソグラフィを行った後でウェットエッチングを行うことによって形成することができる。

当業者に公知の他の技法を使用して光フィルタを実施することもできる。

概念上の入射角はθ０＝１５°であり、対象となる波長はλ_０＝１．６μｍであり、第１のモードおよび第２のモードを励起させるのに選択された回折次数はｍ＝−１およびｎ＝−１であり、その結果、ξ＝−１１度（φ＝５０．５度）および周期ｄ＝８３８ｎｍになるものと仮定する。溝間の間隔はＤ_１＝Ｄ_２＝３００ｎｍであり、各溝の高さはｈ＝７０ｎｍであり、その結果、０．１２ｎｍのフィルタリングバンド幅が生じる。導波路２１、２１’は、屈折率ｎ_２２＝１．４７、屈折率ｎ_２３＝２．０７、高さｈ_２２＝１４０．４ｎｍ、高さｈ_２３＝３１０．２ｎｍの２層の材料２２、２３のスタックで構成されている。

また、導波路２１と導波路２１’との間には、屈折率ｎ_３１＝１．４４８、厚さｈ_３１＝３５０μｍの基板３１が配置されている。

図５に、入射波の偏光が、前述の光フィルタの波長の関数として、反射の係数のすべての入手可能な偏光の状態を記述するときの最小値および最大値を示す。

この図では、共鳴に関して、反射の係数は１００％であり、最小値（破線）と最大値（実線）の曲線が重なっており、共鳴ピークが偏光から独立していることを表していることが明らかである。

Claims (9)

1. 真空で測定された波長（λ_０）を中心とする偏光に依存しない光フィルタであって、 第１の伝搬モードをサポートする第１の導波路（２１）と、
   第２の伝搬モードをサポートする第２の導波路（２１’）と、
   前記第１の導波路（２１）の表面内または表面上に形成された第１の格子（１１）であって、少なくとも、第１の正規直交ベースＯｘｙｚを定義する第１の軸Ｏｘに沿って周期的である、第１の格子と、
   前記第２の導波路（２１’）の表面内または表面上に形成された第２の格子（１１’）であって、少なくとも、第２の正規直交ベースＯｘ’ｙ’ｚを定義する第２の軸Ｏｙ’に沿って周期的である、第２の格子と、
   を備え、
   前記第１の格子および前記第２の格子が互いの上方に配置され、軸Ｏｚはウェーブガイドの表面に垂直になっており、それにより前記第１の軸Ｏｘと前記第２の軸Ｏｙ’とがπ／２ラジアン＋ξ（ξは±π／２ラジアンだけ異なる角）を形成し、それにより、前記第１の格子が光ビームによって照明されるときに、前記第１の伝搬モードおよび前記第２の伝搬モードが励起されて、それぞれの場が光ビームの入射角について直交し、
   前記第1の格子および前記第2の格子のそれぞれの回折次数ｎ，ｍの伝播方向Ｖ１、Ｖ２は以下の式で決定され、
   

   

   ここにおいて、角θおよび角φは、それぞれ、極角および方位角であり、λは入射ビームに対応する波長であり、角θは軸Ｏｚと半径ＯＰとの角度であり、角Φは軸Ｏｘとの平面（ｘＯｙ）上の投影ＯＰの角度であり、ｄ _１ は第１の格子の周期であり、ｄ _２ は第２の格子の周期であり、
   

   

   における（１）が第１の格子による第１のモードの励起の条件、（２）が第２の格子による第２のモードの励起の条件、および（３）が両励起モードの場のこれらの直交性の条件であり、ｎ _ｆ１ は前記第１のモードにおける実効屈折率、ｎ _ｆ２ は前記第２のモードにおける実効屈折率である、
   光フィルタ。
2. 周期ｄ１の前記第１の格子と周期ｄ２の前記第２の格子とが同一であり、それぞれ、周期ｄ＝ｄ_１＝ｄ_２の一連の同一パターンまたは溝を備え、
   角ξは、
   前記第１の格子上の任意の入射角の入射ビーム、
   −π／２ラジアンからπ／２ラジアンまで変動する前記入射ビームに対応する極角θ、
   π／４＋ξ／２ラジアンに等しい前記入射ビームに対応する方位角φ、
   についてのものである、請求項１に記載の光フィルタ。
3. 前記一連の同一のパターンまたは溝は、幅Ｄおよび高さｈを有する、請求項２に記載の光フィルタ。
4. 前記波長がλ_０＝１．６μｍに等しく、
   前記第１および第２の格子が、周期ｄ＝８３８ｎｍ、幅Ｄ＝３００ｎｍ、および高さｈ＝７０ｎｍの溝を有する、請求項１から３のいずれか一項に記載の光フィルタ。
5. 前記第１の導波路と前記第２の導波路とが同一であり、各々、対象となる波長に対して透過的な材料でできた複数の層で構成されている、請求項１から４のいずれか一項に記載の光フィルタ。
6. 前記第１の導波路および前記第２の導波路は、屈折率が異なる２層の誘電材料で構成されている、請求項１から５のいずれか一項に記載の光フィルタ。
7. 前記第１の導波路と前記第２の導波路との間に配置されたガラス基板を備える、請求項１から６のいずれか一項に記載の光フィルタ。
8. 前記第１の格子と前記第２の格子との間に配置されたガラス基板を備える、請求項１から７のいずれか一項に記載の光フィルタ。
9. 前記第１の格子と前記第２の導波路との間に配置されたガラス基板を備える、請求項１から８のいずれか一項に記載の光フィルタ。

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