WO2004031812A1

WO2004031812A1 - 光学素子、分光装置、及び集光装置

Info

Publication number: WO2004031812A1
Application number: PCT/JP2003/012480
Authority: WO
Inventors: Hiroyuki Tsukamoto
Original assignee: Nikon Corporation
Priority date: 2002-10-02
Filing date: 2003-09-30
Publication date: 2004-04-15
Also published as: AU2003266707A1; US20050191021A1; US7054056B2; JP2004126208A; EP1548467A4; EP1548467A1; JP4254189B2

Abstract

　フォトニック結晶１においては、媒質２の屈折率、格子の周期などは一定であるが、空気穴３の大きさがｚ軸方向で徐々に変化している。振動数0.61付近の光４は、結晶への入射時はほとんど直進するが、穴の大きさが小さくなるにつれて進行方向が変化していく。これに対して、振動数が大きくなるに従って、光の光路は５、６に示すように大きく屈曲するようになる。よって、微小な波長範囲の光に対して、大きな屈折角の変化を起こさせ、分解能良く分光を行うことができる。

Description

明細書光学素子、分光装置、及び集光装置技術分野

本発明は、フォトニック結晶による光学素子、及びこの光学素子を用いた分光装置と集光装置に関するものである。背景技術

光回路などにおいては、微小かつ高性能な光学素子が必要とされる場合が多い。近年、このような微小光学素子にフォ卜ニック結晶を用いる技術が広く研究されている。フォトニック結晶はフォトニックバンドギヤップによる、入射方向に関わらない光の完全反射、異常分散による光の速度や方向の変化など極端な性質を持ち、光を制御するために都合の良い性質を数多く持つことが知られている。このようなフォトニック結晶及びその応用については、「フォトニック結晶研究の現状と将来展望、財団法人光産業技術振興会、 2000年 3月」に記載されている。

また、特開 2 0 0 1— 9 1 7 0 1号公報には、フォトニック結晶において、周期構造体の基本的な周期の方向の一つ以上を、空間的に徐々にないし緩やかな階段状に変化させること、又は、周期構造体の基本的な周期の一つ以上の長さを、空間的に徐々にないし緩やかな階段状に変化させることにより、 1枚の基板において種々の波長域の光を透過させる干渉フィル夕を製作したり、分光される中心波長が光の入射位置によつて異なる導波型スーパープリズムを作成したりする技術、及び 3次元フォトニクス結晶内において、同様の手法により曲がった導波路を形成する技術が開示されている。フォトニック結晶は、光に対して際立った性質を示すものの、通常のガラスや結晶による光学素子と同じく、機能を発揮するのは他の媒質との境界部分のみであり、フォトニック結晶内部では光は一定の速度で直進するだけである。このため、フォトニック結晶は光に対する精密な制御をするのには必ずしも適さない場合もある。例えば、分光素子を構成する場合、一定の入射角で異常な分散を示す波長の範囲は限られ、それ以外は通常の結晶と比べても分散が小さくなる場合が多い。従って、通常のフォトニック結晶で分光が可能なのは極狭帯域の分光に限られる。

また、フォトニック結晶は、通常の物質や他のフォトニック結晶との境界において、反射、散乱などによる損失が生じやすい。特に異常分散を生じるような場面においては損失が大きくなりがちであり、これらを回避するのは困難である。従って、フォトニック結晶を用いて光学系を構成する場合には、フォトニック結晶の表面をできる限り少なくする（すなわち、フォトニック結晶の数を少なくする）一方で、 1つのフォト二ヅク結晶の機能を高めることが重要となる。

また、前述の特開 2 0 0 1 - 9 1 7 0 1号公報に記載される技術は、 1枚の基板において種々の波長域の光を透過させる干渉フィル夕を製作したり、分光される中心波長が光の入射位置によって異なる導波型スーパ一プリズムの技術を開示しているものの、結晶の構造を変化させることにより、光の屈折角を波長によって異ならせ、フォトニック結晶内部において光の進行方向を制御する技術については、何も触れていない。発明の開示

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、光制御の機能を高めたフォトニック結晶による光学素子、及びこの光学素子を用いた分光装置、集光装置を提供することを目的とする。前記目的を達成するための第 1の発明は、少なくとも 1軸方向に進むに従って、フォトニック結晶を構成する屈折率の異なる物質の構成比が徐々に変化するように構成されたフォトニック結晶を用いた光学素子である。

フォトニック結晶は、屈折率の異なる誘電体又は化合物半導体（一方は空気又は真空であってもよい）を用いて周期的構造を形成した結晶である。一般的に知られているものは、誘電体等の中に、周期的な穴を形成したものや、誘電体等を周期的に多層構造にしたものであるが、このようなものに限られるものではない。本発明は、 2次元的又は 3次元的な構造を有するフォトニック結晶において、少なくとも、その 1軸方向に進むに従ってフォト二ック結晶を構成する屈折率の異なる物質の構成比（単位堆積当たり）が徐々に変化するようにされている。

フォトニック結晶において、周期的である構造に変調を加えた場合、一般にはバンド構造は成立しなくなる。しかし、変調が微小である場合には、基本的なバンド構造自体は保たれ、これに微小な摂動が加わったような状態となる。このような状況下では、バンドの変化自体も微小であるため、結晶内での光は徐々に速度や進行方向を変えることになる。さらに、通常の媒質内で屈折率が連続的に変化した場合と同様、基本的には反射などによる損失は生じない。

このような光のふるまいは、光学ガラスに対する GRIN (屈折率分布型）光学素子と対比することが可能である。通常の光学ガラスで構成された光学素子では、光がその進行方向を変化させるのは空気等他の媒質との境界部分のみであるが、 GRIN光学素子では、光が媒質中でその進行方向を変化するため、集光などの機能を持つことができる。本発明の光学素子も原理としては同様であるが、フォトニック結晶のバンド変化による変調の効果は GRIN素子における屈折率変化よりもはるかに大きい場合が多く、より劇的な効果を発揮させることが可能である。特に結晶中での光の曲げによる効果が期待できる。

このように、フォトニック結晶を構成する屈折率の異なる物質の構成比を徐々に変化させることによって、フォトニック結晶と他の物質の境界面だけでなく、フォトニック結晶内部においても、光の進行方向や透過率を波長によって変化させることができる。よって、フォトニック結晶と他の物質の境界面のみにおいて光の制御が可能であった従来の光学素子に無い、優位な特性を持った光学素子を得ることができる。

特開 2 0 0 1— 9 1 7 0 1号公報においては、結晶構造の周期を変化させている、しかし、周期を変化させる場合、単位構造同士の相対位置がずれることによる悪影響が存在し得る。したがって、本発明のように結晶を構成する物質の構成比を変化させるのが最も好ましい。例えば円柱が規則的に配列した構造の 2次元フォトニック結晶の場合、円柱の太さを変化させることにより、構成比を変化させることができる。

前記目的を達成するための第 2の発明は、結晶内部を光が進行するに従って、結晶軸に対する光の進行方向が所定の変化を生じるように構成されたフォトニック結晶による光学素子である。

本発明においても、フォト二ック結晶と他の物質の境界面のみにおいて光の制御が可能であった従来の光学素子に無い、優位な特性を持った光学素子を得ることができる。

前記目的を達成するための第 3の発明は、前記第 1の発明又は第 2の発明を用いた分光装置である。

前述のように、前記第 1の発明を用いれば、フォトニック結晶と他の物質の境界面だけでなく、フォトニック結晶内部においても、光の進行方向を波長によって変化させることができる。よって、この性質を利用すれば、微小な波長範囲の光に対して、大きな屈折角の変化を起こさせ、分解能良く分光を行うことができる。

前記目的を達成するための第 4の発明は、結晶内部において、少なくとも 1軸方向に進むに従って、構造が徐々に変化するように構成されたフォトニック結晶を用いた分光装置であって、前記結晶に入射した光の進路において、結晶構造が徐々に変化するように構成された分光装置である。

フォトニック結晶を構成する屈折率の異なる物質の構成比のみならず、フォトニック結晶を構成する物質の形状、屈折率、構造の周期等を徐々に変化させることによつても、フォトニック結晶と他の物質の境界面だけでなく、フォトニック結晶内部においても、光の進行方向や透過率を波長によって変化させることができる。よって、フォトニック結晶と他の物質の境界面のみにおいて光の制御が可能であった従来の光学素子と異なり、結晶の内部においても、光の進行方向を波長に応じて変化させることができるので、高分解能の分光装置とすることができる。

なお、本発明は前記第 3の発明と異なり、フォト： ±ック結晶を構成する物質の形状、屈折率、構造の周期等を徐々に変化させている。これらのうち、結晶を構成する物質の形状を変化させる方法は、数/ z m以下の波長を対象とする場合には困難が伴い、屈折率を変化させる方法も精密な制御は難しい。また、前述のように、周期を変化させる場合、単位構造同士の相対位置がずれることよる悪影響が存在し得る。よって、本発明は、前記第 3の発明に比して、実現に困難が伴うが、実施不可能なものではない。

前記目的を達成するための第 5の発明は、前記第 3の発明又は第 4の発明であって、分光の対象となる光が前記フォトニック結晶に入射する方向と、前記 1軸とのなす角が 4 5 ° 以下とされていることを特徴とするものである。分光の対象となる光が入射する方向と、前記 1軸とのなす角が 4 5 ° 以下とされていると、分光の対象とする光の進行方向成分のうち、前記 1軸方向を向いた成分が大きくなる。よって、前記 1軸方向の結晶の変化の影響を大きく受けるようにすることができ、効率よく分光を行うことができる。

前記目的を達成するための第 6の発明は、前記第 1の発明又は第 2の発明を用いた集光装置である。

前述のように、前記第 1の発明又は第 2の発明を用いれば、フォト二ック結晶と他の物質の境界面だけでなく、フォトニック結晶内部においても、光の進行方向を波長によって変化させることができる。よって、この性質を利用すれば、フォト二ック結晶の異なる位置に入射した光の光路を、フォトニック結晶内部で曲げて、集光を行うことができる。前記目的を達成するための第 7の発明は、結晶内部において、少なくとも 1軸方向に進むに従って、構造が徐々に変化するように構成されたフォトニック結晶を用いた集光装置である。

前述のように、フォトニック結晶を構成する物質の、屈折率の異なる物質の構成比のみならず、フォトニック結晶を構成する物質の形状、屈折率、構造の周期等を徐々に変化させることによつても、フォトニック結晶と他の物質の境界面だけでなく、フォトニック結晶内部においても、光の進行方向や透過率を波長によって変化させることができる。よって、フォト二ック結晶と他の物質の境界面のみにおいて光の制御が可能であつた従来の光学素子と異なり、結晶の内部においても、光の進方向を波長に応じて変化させることができるので、高分解能の分光装置とすることができる。

なお、本発明は前記第 6の発明と異なり、フォトニック結晶を構成する物質の形状、屈折率、構造の周期等を徐々に変化させている。これらのうち、結晶を構成する物質の形状を変化させる方法は、数/ m以下の波長を対象とする場合には困難が伴い、屈折率を変化させる方法も精密な制御は難しい。また、前述のように、周期を変化させる場合、単位構造同士の相対位置がずれることよる悪影響が存在し得る。よって、本発明は、前記第 6の発明に比して、実現に困難が伴うが、実施不可能なものではない。

前記目的を達成するための第 8の発明は、前記第 6の発明又は第 7の発明であって、集光の対象となる光が前記フォトニック結晶に入射する方向と、前記 1軸とのなす角が 4 5 ° 以上とされていることを特徴とするものである。

集光の対象となる光が前記フォトニック結晶に入射する方向と、前記 1軸とのなす角を 4 5 ° 以上としておけば、前記 1軸方向に対して、入射する光の分散の度合いが大きくなる。よって、光の入射位置でのフォトニクス結晶の変化の度合いを大きくすることができ、光を効率的に集光することができる。図面の簡単な説明

図 1は、本発明の実施の形態に使用するフォトニック結晶の構造の例を示す模式図である。

図 2は、媒質の中に半径の等しい円筒状の空洞を格子状に形成したフォトニック結晶における、空洞の半径と屈折角の関係の例を示す図である。横軸は r (孔の半径）、縦軸は屈折角）である。

図 3は、図 1に示すような素子を使用して構成した本発明の実施の形態である分光器を示す模式図である。

図 4は、図 3に示すような分光器における、フォトニック結晶中での各波長の光の光路の例を示す図である。図 5は、本発明の実施の形態の例である集光装置を示す模式図である。発明を実施するための最良の形態

以下、本発明の実施の形態の例を、図を用いて説明する。図 1は、本発明の実施の形態の 1例である光学素子を形成するフォトニック結晶の構造の概要を示す図である。このフォトニック結晶 1は 2次元構造を持ち、 B N (窒化硼素）からなる媒質 2中に正方格子状に円形の空気穴 3 が整列した形状をしている。紙面の左右方向に X軸、紙面の上下方向に z軸、紙面に垂直に y軸をとると、空気穴 3は、フォトニック結晶 1内の y軸方向に形成されている。

媒質 2の屈折率、格子の周期などは一定であるが、空気穴 3の大きさが z軸方向で徐々に変化している。このような 2次元構造は、リソグラフィなどの手法により作成することができるため、構造を変化させることは比較的容易である。

図 1に示すような構造のフォトニック結晶 1を製造するには、例えば所定厚の B N基板を用意し、その片面にレジスト層を形成する。そして、フォトリソグラフィにより、空気穴 3を形成したい部分に対して、その穴の大きさに応じた露光を行い、レジストを現像して除去する。そして、残ったレジストをマスクとしてドライエッチングにより B N基板をエツチングすると、高アスペクト比で、 B N基板を貫通する空気穴 3を形成することができる。その後、残ったレジストを除去して、図 1に示すような構造のフォトニック結晶が完成する。

以下、このようなフォトニック結晶が有する性質を説明するが、以下の説明においては、穴の半径、光の振動数、光の波数は、格子定数 aにより規格化した値を用いる。すなわち、実際の穴の半径を r '、光の振動数を ω '、光の波数を k ' とすると、半径としては r二 r'/a、

光の振動数としては w = oVa/2 7T c

光の波数としては k=k'/2 7r a

を用いる。ただし、 cは真空中の光速度である。

媒質として B Nを用いて、一様な円形の空気穴を正方格子状に形成したフォトニヅク結晶においては、媒質の屈折率 n =2. 117， r =0.4, ω =0.61という条件では、結晶への光の入射角が 10 ° 付近で異常分散が生じる。このような構造が一様なフォトニック結晶に対して、入射角 10 ° で、振動数 ωが 0.61、 0.62および 0.63の光線が入射した場合の、空気穴の大きさと光の進行方向（屈折角）との関係を図 2に示す。

図 2において、太い実線は入射角が 10 ° 、 ωが 0.61のとき、細い実線は入射角が 10 ° 、 ωが 0.62のとき、太い破線は入射角が 10 ° 、 ωせ 0.63のときのものである。図 2を見ると、 rが同じでも、 ωの違いによつてフォトニック結晶中での光の進行方向、すなわち屈折角が異なり、光の分散が行われることが分かると同時に、 rの相違によって、光の進行方向に大きな差が生じていることが分かる。

rによって、光の進行方向が大きく変化することを利用すれば、図 1 に示すように、 rの大きさを z軸方向で徐々に変化させることにより、フォトニック結晶内においても、光の進行方向を波長に応じて変化させることが可能となる。このことを利用すれば、微小な波長範囲の光を大きな分光角で分光することが可能になる。

図 1に示すような素子を用いて分光器を構成した例を図 3に示す。 r の最大値は 0.425で、 z軸方向に進むにつれて小さくなつていく構造をしている。なお、図 3は模式図であるので、実際のフォトニック結晶の構造の周期はこれよりもずつと小さい。入射光は z軸に対して入射角 10 ° で結晶に入射する。振動数 0.61付近の光 4 (波長え ) は、結晶への入射時はほとんど直進するが、穴の大きさが小さくなるにつれて進行方向が変化していく。これに対して、振動数が大きくなるに従って、光の光路は 5 (波長え ₂ )、 6 (波長 λ ₃ ) に示すように大きく屈曲するようになる。

結晶内の各点において光線が進む方向 6>は振動数 ω、波数 kの X成分 k _x 、その位置での穴の大きさ rによって決まり、

θ (ω , 1ί _χ , r (z))

のように表現できる。 0の具体的な値については、フォトニック結晶のバンド解析を行うことにより、バンドの振動数一定での断面上の曲線の法鞞方向として求めることができる。その結果を使うと、光線は

という経路を通ることが分かる。この計算を行って求めた、振動数 0.61, 0.62 および 0.63 の場合の光路を図 4に示す。これは、穴の半径の変化 dr/dz=- 0. 0005

と一定値とした場合の値である。また、光線の入射位置を原点にとっている。

この構成では、結晶に入射した光線は波長に応じた異常分散部分で進行方向が X軸方向に大きく変化し、側面から出射することになる。通常のフォトニック結晶では、異常分散をおこす狭い範囲の振動数の光しか分光できないのに対し、この構成においては、光路中でバンド構造が変化するため、光路中のいずれかの部分で異常分散が起きる振動数の範囲であれば、分光を行うことが可能となる。例えば、入射直後（z=0, r=0.425) の部分では、 ω =0.61〜0.62 の振動数に対する分散は小さいが、 r=0.40 〜0.41(z=30〜50)では十分に分散が大きいため、この部分を通過させることにより、フォトニヅク結晶の大ぎさがさほど大きくなくてもこの範囲の振動数の光路を分離することができる。一方、 ω =0.63 付近の光は r=0.39(z=60)付近になると、同振動数の他のバンドが出現するために分光を行う際の障害となってしまうが、 r=0.42付近での分散が大きく、進行方向の X成分が十分に大きくなるため、 r=0.39の領域まで到達せずに済む。

このように、構造が変化するフオトニック結晶を用いることにより、フォトニック結晶による分散素子のコンパクトさと高分散性を保ちつつ、対応波長範囲を広げることができる。さらに、ここでは構造の変化率を一定としたが、これを位置によって変えることにより、結晶出口での波長と位置の関係を変化させることも可能である。

図 5に、本発明の実施の形態の 1例である集光素子の模式図を示す。使用するフォト二ック結晶の基本構成は前述の実施の形態の場合と基本的に同じである。ただし、図 5に示すフォトニック結晶においては、空気穴 3のサイズが z軸方向では同じであり、紙面の X軸の左側から右側へ行くに従って、その半径 rが徐々に大きくなつている点が異なる。図 2には、入射角が 1 0 ° 、 ωが 0.61 のときの関係を太い実線で示し、入射角が 1 5 ° 、 ωが 0.61のときの関係を細い破線で示している。双方のデータを比較すると分るように、入射角が小さいほど屈折角が大きくなり、 rの値が小さいほど屈折角が大きくなるので、 rの値が小さくなるにつれて入射角が小さくなると、その相乗効果により屈折角はさらに大きくなる。

このことから、図 5のフォトニック結晶 1に紙面の z軸の上側から光束を入射させると、光はフォトニック結晶内を進行するが、入射位置により結晶構造が異なるため、入射位置に応じて光の進行方向が変化する。即ち、図 5に示すように、相対的に rの小さな空気穴 3の位置に入射する光線 7が、相対的に rの大きな空気穴 3の位置に入射する光線 8の入射角に比べて小さくなるようないわゆる発散気味の光 7、 8をフォトニック結晶 1に入射させると、光線 7の屈折角は、光線 8の屈折角にくらベて大きくなる。

したがって、光束を発散気味に入射させると両端の光線がある点で交差することになる。この現象は、入射角が一様でなければ、本発明の構造変化を伴うフォト二ック結晶でなくても生じるが、本発明の構造変化を持つフォトニック結晶を用いることにより、収差補正に相当する作用を持たせることが可能になり、収束性能が向上する。結晶を出射後、光線は入射前と同じ向きに進行するため、収束後しばらくして光線が結晶から出るようにすれば、出射後の空間の点 9で光線は再び集光する。この場合の具体的な光線の経路は、

により計算できる。ただし、 χ。は ζ = 0での光線の X座標である。ここでは、穴の径は Xの関数である。ある光線の経路 χ(ζ)に対し、入射角がわずかに変化した光線、すなわち k _χ が ( k _x + δ _k ) に変化した光線の経路は、 )))}dg + x₀ k_x, Γ(χ ς)))}άς

のようになる。

一方、入射位置が x。から（χ。 + 5 _Χ ) に変化した場合は、光線の経路は、 2 ( ⁼f ^ {θ(ω, k_x, r(x(g)))}dg + χ₀ + δ_χ である。元の光線経路からの変位量を（5 (z)とし、 x ₂ の zによる微分を考えると、

= tan{0 {co, k_x, ri x₂ (z))) } = tan{0 ω ,k . , nx(z) + {z)))}

dz

= tan{ 人， r ( (z)))}+ δ₂ (z)¾^ tan{ ， r ( )))}

ax or

となる。

これらを数値的に計算することにより、光線の経路を計算することができる。集光素子を構成するには、パラメ一夕 k _x 、 x。が変化しても特定の z。における位置 χ(ζ)が変化しないように、すなわち、

となるような設計を行えばよい。ただし、ここで、 k _x と x。は独立ではなく、入射光の位置、発散 (収束)角、光束径などによって決まる関係を持っている。

異常分散部分で使用する場合、 k _x の変化量と光路の変化量の比例関係はあまり期待できない。このため、特性が x。に依存しない通常のフオトニック結晶の場合は集光できる光束径は小さい。しかし、上記の式からも分かるように、両パラメ一夕が変化したときの経路に与える影響は異なるので、構造の変化するフォトニック結晶を使用して両者を組み合わせるようにすれば、「収差」を除去することが可能となり、より広い範囲の入射光を集めることができるようになる。

以上の実施の形態においては、フォト二ック結晶中における空気穴の直径を徐々に変化させたフォトニック結晶を光学素子として用いた分光装置、集光装置の例を示したが、フォトニック結晶における他の構造要素を徐々に変化させても、同様の効果が得られる。

Claims

請求の範囲

1 . 結晶内部において、少なくとも 1軸方向に進むに従って、フォトニック結晶を構成する屈折率の異なる物質の構成比が徐々に変化するように構成されたフォトニック結晶による光学素子。

2 . 結晶内部を光が進行するに従って、結晶軸に対する光の進行方向が所定の変化を生じるように構成されたフォト二ック結晶による光学素子。

3 . 請求の範囲第 1項又は第 2項に記載の光学素子を用いた分光装置。

4 . 結晶内部において、少なくとも 1軸方向に進むに従って、構造が徐々に変化するように構成されたフォトニック結晶を用いた分光装置であって、前記結晶に入射した光の進路において、結晶構造が徐々に変化するように構成された分光装置。

5 . 請求の範囲第 3項に記載の分光素子であって、分光の対象となる光が前記フォトニック結晶に入射する方向と、前記 1軸とのなす角が 4

5 ° 以下とされていることを特徴とする分光装置。

6 . 請求の範囲第 4項に記載の分光素子であって、分光の対象となる光が前記フォトニック結晶に入射する方向と、前記 1軸とのなす角が 4 5 ° 以下とされていることを特徴とする分光装置。

7 . 請求の範囲第 1項又は第 2項に記載の光学素子を用いた集光装置。

8 . 結晶内部において、少なくとも 1軸方向に進むに従って、構造が徐々に変化するように構成されたフォトニック結晶を用いた集光装置。

9 . 請求の範囲第 7項に記載の集光素子であって、集光の対象となる光が前記フォトニック結晶に入射する方向と、前記 1軸とのなす角が 4 5 ° 以上とされていることを特徴とする分光装置。

1 0 . 請求の範囲第 8項に記載の集光素子であって、集光の対象となる光が前記フォトニック結晶に入射する方向と、前記 1軸とのなす角が 4 5 ° 以上とされていることを特徴とする分光装置。