(57)【要約】【課題】二次元フォトニック結晶との光結合効率が高く、二次元フォトニック結晶のスーパープリズム効果により広い偏光角度で入射光を偏向することができる光偏向素子及び光偏光方法を提供する。【解決手段】上部反射ミラー１８と下部反射ミラー２０とは、反射面が互いに対向するように離間配置されている。二次元フォトニック結晶１４は、二次元周期構造を有する板状体であり、上部反射ミラー１８と下部反射ミラー２０との間に挿入され、下部反射ミラー２０と略平行に配置されている。所定波長の入射光Ｌinを下部反射ミラー２０に対して垂直に近い角度で入射させると、入射光Ｌinは上部反射ミラー１８と下部反射ミラー２０との間で繰り返し反射され、二次元フォトニック結晶１４を複数回通過する。これにより光偏光素子全体として見たときに、光波の伝搬方向が大幅に変換され、回折光Ｌdifが入射光Ｌinが入射した方向とは異なる方向に射出される。【選択図】図１
2010078675.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光を反射する第１反射面を備えた第１反射板と、
入射光を反射する第２反射面を備え、前記第２反射面が前記第１反射面に対向するように配置された第２反射板と、
前記第１反射板と前記第２反射板との間に、前記第１反射板と平行に配置され、第１媒体で構成された基板内に前記第１媒体とは屈折率の異なる柱状の第２媒体が二次元周期的に配列された二次元フォトニック結晶と、
を備えた光偏向素子。
【請求項２】
前記第１反射板と前記二次元フォトニック結晶との間に、電気光学効果により屈折率が変化する強誘電体層を更に挿入した、請求項１に記載の光偏向素子。
【請求項３】
前記第２反射面の前記第１反射面に対する傾きが変化するように、前記第２反射板が回転可能に配置された、請求項１に記載の光偏向素子。
【請求項４】
前記二次元フォトニック結晶に隣接して、前記二次元フォトニック結晶を変形させる圧電素子が更に配置された、請求項１に記載の光偏向素子。
【請求項５】
前記第１反射面と前記第２反射面との距離が、入射光の波長に対し定在波が生じる距離となるように、前記第１反射板と前記第２反射板とを離間配置した、請求項１〜４の何れか１項に記載の光偏向素子。
【請求項６】
請求項１〜５の何れか１項に記載の光偏向素子を用いた光偏向方法であって、
前記第１反射板及び前記第２反射板の何れか一方に入射された入射光が、前記第１反射板と前記第２反射板との間で反射されて前記二次元フォトニック結晶を複数回通過し、前記二次元フォトニック結晶により回折されて射出されるように、前記入射光を数度の入射角で入射させる光偏向方法。
【請求項７】
請求項２に記載の光偏向素子を用いた光偏向方法であって、
前記第１反射板及び前記第２反射板の何れか一方に入射された入射光が、前記第１反射板と前記第２反射板との間で反射されて前記二次元フォトニック結晶を複数回通過し、前記二次元フォトニック結晶により回折されて射出されるように、前記入射光を数度の入射角で入射させると共に、
前記強誘電体層に電界を印加して電気光学効果により屈折率を変化させ、前記二次元フォトニック結晶に入射する入射光の角度を変化させて、前記回折光が射出される方向を変化させる光偏向方法。
【請求項８】
請求項３に記載の光偏向素子を用いた光偏向方法であって、
前記第１反射板及び前記第２反射板の何れか一方に入射された入射光が、前記第１反射板と前記第２反射板との間で反射されて前記二次元フォトニック結晶を複数回通過し、前記二次元フォトニック結晶により回折されて射出されるように、前記入射光を数度の入射角で入射させると共に、
前記第２反射板を回転させ、前記第２反射面の前記第１反射面に対する傾きを変化させて、前記回折光が射出される方向を変化させる光偏向方法。
【請求項９】
請求項４に記載の光偏向素子を用いた光偏向方法であって、
前記第１反射板及び前記第２反射板の何れか一方に入射された入射光が、前記第１反射板と前記第２反射板との間で反射されて前記二次元フォトニック結晶を複数回通過し、前記二次元フォトニック結晶により回折されて射出されるように、前記入射光を数度の入射角で入射させると共に、
前記圧電素子により前記二次元フォトニック結晶を変形させて、前記回折光が射出される方向を変化させる光偏向方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光偏向素子及び光偏向方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
フォトニック結晶は、その内部に周期的な屈折率分布を有する構造体である。フォトニック結晶では、特定波長範囲の光の存在が許されない「フォトニックバンドギャップ」が現れる。このバンド端での分散を利用すると、スネルの法則に従った界面での通常の屈折とは全く異なる概念の屈折が得られる。即ち、フォトニック結晶による屈折効果は、入射波長、入射角度等、種々の要因により大幅に変化する。例えば、三次元フォトニック結晶を用いて、入射波長が１％変化しただけで、光線の屈折角が５０°も変化するプリズムが得られている（非特許文献１）。この屈折効果は、「スーパープリズム」効果と称されている。
【０００３】
また、強誘電体から構成された二次元フォトニック結晶を用いて、印加する電圧に応じて強誘電体の屈折率を変化させて、フォトニック結晶から射出される走査光線の方向を変化させる光走査装置が提案されている（特許文献１参照）。フォトニック結晶を用いた光偏向器は、ポリゴンミラーやＭＥＭＳミラー等を用いた機械式の光偏向器と比較すると、精密な動作制御を行う必要がない、動作音が発生しない、走査角度（偏向角度）を広くできる、という利点を有している。
【０００４】
【非特許文献１】小坂英男等、ジャーナル・オブ・ライトウエイブ・テクノロジー, １７巻, Ｎｏ.１１, ｐ２０３２〜２０３８, １９９９年１１月
【特許文献１】特開２００６−１７８３６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載された光走査装置では、二次元フォトニック結晶を、面内方向に光を伝搬するスラブ型導波路として用いているため、端面から光を入射させなければならず、光結合効率が低くなるという問題があった。
【０００６】
一方、光偏光素子に応用可能なフォトニック結晶としては、二次元周期構造を有する二次元フォトニック結晶の外に、三次元周期構造を有する三次元フォトニック結晶も存在する。しかしながら、三次元フォトニック結晶は製造工程が煩雑であり高価である。従って、光偏光素子等の汎用用途には、二次元フォトニック結晶の方が好適である。
【０００７】
本発明は、上記問題を鑑みなされたものであり、本発明の目的は、二次元フォトニック結晶との光結合効率が高く、二次元フォトニック結晶のスーパープリズム効果により広い偏光角度で入射光を偏向することができる光偏向素子及び光偏光方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために本発明の光偏光素子は、入射光を反射する第１反射面を備えた第１反射板と、入射光を反射する第２反射面を備え、前記第２反射面が前記第１反射面に対向するように配置された第２反射板と、前記第１反射板と前記第２反射板との間に、前記第１反射板と平行に配置され、第１媒体で構成された基板内に前記第１媒体とは屈折率の異なる柱状の第２媒体が二次元周期的に配列された二次元フォトニック結晶と、を備えて構成されている。
【０００９】
本発明の光偏光方法は、本発明の光偏向素子を用いた光偏向方法であって、前記第１反射板及び前記第２反射板の何れか一方に入射された入射光が、前記第１反射板と前記第２反射板との間で反射されて前記二次元フォトニック結晶を複数回通過し、前記二次元フォトニック結晶により回折されて射出されるように、前記入射光を数度の入射角で入射させることを特徴としている。
【００１０】
上記の光偏光素子は、前記第１反射板と前記二次元フォトニック結晶との間に、電気光学効果により屈折率が変化する強誘電体層を更に挿入した構成とすることができる。この場合は、上述したように前記入射光を数度の入射角で入射させると共に、前記強誘電体層に電界を印加して電気光学効果により屈折率を変化させ、前記二次元フォトニック結晶に入射する入射光の角度を変化させて、前記回折光が射出される方向を変化させる。
【００１１】
また、上記の光偏光素子は、前記第２反射面の前記第１反射面に対する傾きが変化するように、前記第２反射板が回転可能に配置された構成とすることができる。この場合には、上述したように前記入射光を数度の入射角で入射させると共に、前記第２反射板を回転させ、前記第２反射面の前記第１反射面に対する傾きを変化させて、前記回折光が射出される方向を変化させる。
【００１２】
また、上記の光偏光素子は、前記二次元フォトニック結晶に隣接して、前記二次元フォトニック結晶を変形させる圧電素子が更に配置された構成とすることができる。この場合には、上述したように前記入射光を数度の入射角で入射させると共に、前記圧電素子により前記二次元フォトニック結晶を変形させて、前記回折光が射出される方向を変化させる。
【００１３】
更に、上記の光偏光素子は、前記第１反射面と前記第２反射面との距離が、入射光の波長に対し定在波が生じる距離となるように、前記第１反射板と前記第２反射板とを離間配置することが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の光偏向素子及び光偏光方法は、二次元フォトニック結晶との光結合効率が高く、二次元フォトニック結晶のスーパープリズム効果により広い偏光角度で入射光を偏向することができる、という効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態の一例を詳細に説明する。
【００１６】
（基本的な動作原理）
図１は本発明の光偏光素子の基本的な動作原理を説明するための説明図である。
本発明の光偏光素子は、少なくとも、二次元フォトニック結晶１４、上部反射ミラー１８、及び下部反射ミラー２０を備えて構成されている。二次元フォトニック結晶１４は、二次元周期構造を有する板状体である。上部反射ミラー１８と下部反射ミラー２０とは、反射面同士が互いに対向するように離間して配置されている。二次元フォトニック結晶１４は、上部反射ミラー１８と下部反射ミラー２０との間に挿入され、下部反射ミラー２０と略平行に配置されている。
【００１７】
本発明の光偏光素子では、所定波長の入射光Ｌinを下部反射ミラー２０に対して垂直に近い角度で入射させる。即ち、入射角が数°〜十数°となるように、入射光Ｌinを下部反射ミラー２０に入射させる。入射された入射光Ｌinは、下部反射ミラー２０により反射される。反射光は、二次元フォトニック結晶１４に対し面入射し、二次元フォトニック結晶１４を通過して、上部反射ミラー１８に到達する。上部反射ミラー１８に照射された光は、上部反射ミラー１８により反射される。反射光は、再度、二次元フォトニック結晶１４を通過して、下部反射ミラー２０に到達する。
【００１８】
入射光Ｌinは、上部反射ミラー１８と下部反射ミラー２０との間で、上述した通り、繰り返し反射される。繰り返し反射される間に、入射光Ｌinは、二次元フォトニック結晶１４を複数回通過する。入射光Ｌinは、二次元フォトニック結晶１４に対し、常に面方向に結合するように動作する。即ち、二次元フォトニック結晶１４は、その二次元周期構造によって入射された光を回折する。
【００１９】
しかしながら、二次元フォトニック結晶１４を１回通過するだけでは、光波の伝搬方向を変換させる効果（回折効果）は小さい。二次元フォトニック結晶１４を複数回通過することで、光偏光素子全体として見たときに、光波の伝搬方向（エネルギーの向き）が大幅に変換される。これにより回折光Ｌdifが、入射光Ｌinが入射された方向（又は入射光Ｌinが反射される方向）とは異なる方向に射出される。
【００２０】
上述したように、上部反射ミラー１８と下部反射ミラー２０との間で、入射光Ｌinを何度も反射させて、入射光Ｌinが二次元フォトニック結晶１４を複数回通過するように構成することで、スラブ型光導波路のように端面から入射させる場合と比べて、二次元フォトニック結晶１４への光結合効率を増加させることができる。
【００２１】
（第１の実施の形態）
＜光偏光素子の概略構成＞
まず、本発明の第１の実施の形態に係る光偏光素子の概略構成を説明する。
図２は第１の実施の形態に係る光偏光素子の斜視図である。図３は図２のＡ-Ａ断面図である。第１の実施の形態に係る光偏光素子は、平面視が略矩形状の基板１０を備えている。基板１０上には、下部スペーサ層１２、二次元フォトニック結晶１４、上部スペーサ層１６、及び上部反射ミラー１８が、基板側からこの順に積層されて、角柱状のメサが形成されている。メサの断面形状は、基板１０よりも一回り小さい矩形状である。また、基板１０の裏面側には、裏面を覆うように下部反射ミラー２０が形成されている。上部反射ミラー１８及び下部反射ミラー２０以外は、入射光Ｌinに対し透明な材料で構成されている。
【００２２】
上部反射ミラー１８及び下部反射ミラー２０の各々は、屈折率の異なる誘電体を交互に積層した誘電体多層膜で構成された多層膜反射鏡である。上部反射ミラー１８と下部反射ミラー２０とは反射面が対向するように、平行に配置されている。下部スペーサ層１２及び上部スペーサ層１６は、メサの周辺部に枠状に形成されている。メサの中央部では、二次元フォトニック結晶１４の上方及び下方には、キャビティ（空洞部）が形成されている。二次元フォトニック結晶１４の構造については後述する
【００２３】
本実施の形態では、基板１０はシリコン（Ｓｉ）基板であり、下部スペーサ層１２及び上部スペーサ層１６は酸化シリコン（ＳｉＯ２）で形成されている。二次元フォトニック結晶１４もシリコン（Ｓｉ）基板を備えている。上部反射ミラー１８と下部反射ミラー２０の各々は、酸化シリコン（ＳｉＯ２）と酸化チタン（ＴｉＯ２）とを交互に積層した誘電体多層膜で構成されている。誘電体多層膜としては、例えば、厚さ２６３ｎｍのＳｉＯ２層と厚さ１５４ｎｍのＴｉＯ２層とを交互に３組ほど積層したものを用いることができる。
【００２４】
上部反射ミラー１８と下部反射ミラー２０とは、反射面間の距離が、入射光Ｌinの波長に対し定在波が生じる距離となるように離間配置することが好ましい。即ち、入射光Ｌinの波長がλ（例えば、１５５０ｎｍ）の場合には、基板１０の厚さをＬsub、二次元フォトニック結晶１４の厚さをＬpc、二次元フォトニック結晶１４の上下に存在する空気層の厚さをＬair、基板１０の屈折率をｎsub、二次元フォトニック結晶１４の屈折率をｎpc、とした場合に、下記関係式を満たすように、上部反射ミラー１８と下部反射ミラー２０との離間距離（Ｌpc＋Ｌair）を定めることができる。
ｎpcＬpc＋ｎsubＬsub＋Ｌair＝ｍ（λ／２）  （ｍは１以上の整数である）
【００２５】
なお、空気層の厚さＬairは、二次元フォトニック結晶１４と上部反射ミラー１８との間に存在する空気層の厚さと、二次元フォトニック結晶１４と下部反射ミラー２０との間に存在する空気層の厚さと、を足した総和である。また、各層の厚さは、波長や材料の屈折率に応じて、上記関係式を満たすように、適宜設計することができる。
【００２６】
次に、二次元フォトニック結晶の構造について説明する。二次元フォトニック結晶は、第１媒体で構成された基板内に第１媒体とは屈折率の異なる柱状の第２媒体が二次元周期的に配列されたフォトニック結晶である。柱状の第２媒体は、円柱状でもよく、断面が六角形の角柱状でもよい。二次元周期配列は、正方格子配列でもよく、三角格子配列でもよい。
【００２７】
図４（Ａ）は二次元フォトニック結晶１４の平面図であり、図４（Ｂ）は図４（Ａ）のＢ-Ｂ断面図である。本実施の形態では、二次元フォトニック結晶１４として、三角格子状に配列された複数の空気ロッド（貫通孔）１４ａを有するシリコン基板１４ｂを用いている。このような二次元フォトニック結晶１４は、シリコン基板１４ｂに、所定直径の貫通孔１４ａを形成して得ることができる。
【００２８】
本実施の形態では、第１媒体はシリコンであり、第２媒体は空気である。また、約０．５ｍｍ四方のシリコン基板１４ｂに、１６個の空気ロッド１４ａが、三角格子状に配列されている。シリコン基板１４ｂの厚さは、０．１μｍ〜０．２μｍとすることができる。
【００２９】
＜光偏光素子の製造方法＞
次に、図２に示す光偏光素子の製造方法について説明する。まず、Ｓｉ基板１０を準備する。次に、Ｓｉ基板１０上に、スパッタリングにより下部スペーサ層１２となるＳｉＯ２膜を堆積する。この下部スペーサ層１２上に、スパッタリングにより二次元フォトニック結晶１４となるＳｉ膜を堆積する。二次元フォトニック結晶１４となるＳｉ膜に、放射線描画装置でフォトニック結晶パターンを描画する。このとき、二次元フォトニック結晶１４にアライメント用のマークも付しておく。二次元フォトニック結晶１４となるＳｉ膜をＣＦ４等でドライエッチングして貫通孔１４ａを形成する。
【００３０】
次に、二次元フォトニック結晶１４上に、スパッタリングにより上部スペーサ層１６となるＳｉＯ２膜を堆積する。その後、バッファードフッ酸に浸漬して、枠状の下部スペーサ層１２及び枠状の上部スペーサ層１６を残し、これ以外のＳｉＯ２膜を溶解して水洗する。これにより、二次元フォトニック結晶１４の上下に空間が形成される。次いで、Ｓｉ基板１０の裏面に、ＳｉＯ２膜とＴｉＯ２膜とをスパッタリングにより交互に堆積した誘電体多層膜である下部反射ミラー２０を形成する。
【００３１】
一方、別のＳｉ基板上に、ＳｉＯ２膜とＴｉＯ２膜とをスパッタリングにより交互に堆積して誘電体多層膜である上部反射ミラー１８を形成する。上部反射ミラー１８を、ミラー側を下にして、上部スペーサ層１６上に重ねて外周側を接着する。最後に、レジストを厚めに塗布して、基板１０上の不要なＳｉＯ２膜、Ｓｉ膜、及び誘電体多層膜をエッチングにより除去してメサを形成し、図２に示す光偏光素子が完成する。
【００３２】
＜光偏光素子の偏光動作＞
次に、第１の実施の形態に係る光偏光素子の偏光動作を説明する。
図５は光偏光素子の偏向作用の動作原理を説明するための説明図である。第１の実施の形態に係る光偏光素子では、基本的な動作原理として説明したように、入射光Ｌinを下部反射ミラー２０に対して垂直に近い角度で入射させる。入射光Ｌinは、上部反射ミラー１８と下部反射ミラー２０との間で、繰り返し反射される。
【００３３】
繰り返し反射される間に、入射光Ｌinは、二次元フォトニック結晶１４を複数回通過する。二次元フォトニック結晶１４は、その二次元周期構造により入射（交差）する光を回折する。二次元フォトニック結晶１４を複数回通過することで、光波の伝搬方向が大幅に変換される。これにより回折光Ｌdifが、入射光Ｌinが入射された方向（又は入射光Ｌinが反射される方向）とは異なる方向に射出される。
【００３４】
図５に示すように、入射光Ｌinの下部反射ミラー２０に対する入射角を変更する。前の入射光Ｌin（１）より小さい入射角で、次の入射光Ｌin（２）を入射させる。入射光Ｌin（１）に応じて回折光Ｌdif（１）が射出され、入射光Ｌin（２）に応じて回折光Ｌdif（２）が射出される。このように入射光Ｌinの下部反射ミラー２０に対する入射角を変化させることで、回折光Ｌdifの出射方向が変化する。
【００３５】
図６（Ａ）及び（Ｂ）は波数ベクトル間の関係を表す波数ベクトル図である。光子の運動量保存則から、位相整合した状態では、関係する光波の波数ベクトルを合成した波数ベクトル図は閉じた三角形となる。従って、入射光Ｌinの波数が変動すると、射出される回折光Ｌdifの波数も変動する。二次元フォトニック結晶の波数ベクトルをＫとする。フォトニック結晶では、群速度が大幅に変化する「スーパープリズム効果」が発現する。このため、波数ベクトルＫの「向き」や「大きさ」は、入射光Ｌinの入射角に応じて大幅に変化する。
【００３６】
図６（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、入射光Ｌin（１）の波数ベクトルをｋi、入射光Ｌin（２）の波数ベクトルをｋin’とし、回折光Ｌdif（１）の波数ベクトルをｋout、回折光Ｌdif（２）の波数ベクトルをｋout’とする。入射光Ｌinの波数ベクトルがｋiからｋin’に変化すると、光子の運動量保存則から、二次元フォトニック結晶の波数ベクトルＫの変化に応じて、回折光Ｌdifの波数ベクトルがｋoutからｋout’に大きく変化する。
【００３７】
以上説明したように、本実施の形態では、入射光Ｌinの入射角が少し変化しただけでも、二次元フォトニック結晶のスーパープリズム効果により、回折光Ｌdifの出射方向（偏向方向）が大幅に変化する。これにより、広い偏向角度で偏向可能な光偏向素子を得ることができる。
【００３８】
（第２の実施の形態）
＜光偏光素子の概略構成＞
図７は本発明の第２の実施の形態に係る光偏光素子の斜視図である。図８は図７のＣ-Ｃ断面図である。第２の実施の形態に係る光偏光素子は、二次元フォトニック結晶１４と上部反射ミラー１８との間に、上部スペーサ層１６に代えて強誘電体層２２を積層した以外は、第１の実施の形態と同じ構成である。従って、同じ構成部分には同じ符号を付して説明を省略する。
【００３９】
強誘電体層２２は、入射光Ｌinに対し透明であり、電気光学効果により屈折率が変化する強誘電体材料により構成されている。このような強誘電体材料としては、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）やＰＬＺＴを用いることができる。ＰＬＺＴは、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ：ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３）のＰｂ（鉛）の一部をＬａ（ランタン）で置換して得られる強誘電性多結晶体である。その組成は（Ｐｂ1-xＬａx）（Ｚｒ1-yＴｉy）で表される。一般には、ｘ＝０．０７〜０．１２、ｙ＝０．３５の組成物が汎用されている。
【００４０】
本実施の形態では、強誘電体層２２以外の各部材の材料、大きさ、厚さは、第１の実施の形態と同様である。強誘電体層２２の厚さは約０．１μｍである。第２の実施の形態に係る光偏光素子には、図示しない一対の電極が設けられている。これら一対の電極間に電圧を印加することで電界が発生し、強誘電体層２２に電界が印加されて、電気光学効果により強誘電体層２２の屈折率が変動する。電界強度の大きい領域に、二次元フォトニック結晶１４及び強誘電体層２２が配置されるように、電界を発生させることが好ましい。
【００４１】
＜光偏光素子の製造方法＞
次に、図７に示す光偏光素子の製造方法について説明する。二次元フォトニック結晶１４を形成する工程までは、第１の実施の形態と同様にして、貫通孔１４ａを備えた二次元フォトニック結晶１４を形成する。その後、バッファードフッ酸に浸漬して、枠状の下部スペーサ層１２を残し、これ以外のＳｉＯ２膜を溶解して水洗する。これにより、二次元フォトニック結晶１４の下方に空間が形成される。次いで、Ｓｉ基板１０の裏面に、ＳｉＯ２膜とＴｉＯ２膜とをスパッタリングにより交互に堆積した誘電体多層膜である下部反射ミラー２０を形成する。
【００４２】
次に、強誘電体層２２上に上部反射ミラー１８が形成された別の基板を用意する。まず、強誘電体層２２となる強誘電体薄膜を成膜する。強誘電体薄膜の堆積方法には、ゾルゲル法などの溶液塗布法、スパッタなどの物理堆積法、及びＣＶＤといった化学堆積法がある。いずれの方法も最初に非晶質の強誘電体薄膜を堆積した後に、熱処理による結晶化を行う方法である。次いで、強誘電体層２２上に、ＳｉＯ２膜とＴｉＯ２膜とをスパッタリングにより交互に堆積した誘電体多層膜である上部反射ミラー１８を形成する。次いで、電界を印加するための電極（図示せず）を形成する。
【００４３】
別に用意した基板を、強誘電体層２２側を下にして、二次元フォトニック結晶１４上に重ねて外周側を接着する。最後に、レジストを厚めに塗布して、基板１０上の不要なＳｉＯ２膜、Ｓｉ膜、強誘電体薄膜、及び誘電体多層膜をエッチングにより除去してメサを形成し、図７に示す光偏光素子が完成する。
【００４４】
＜光偏光素子の偏光動作＞
次に、第２の実施の形態に係る光偏光素子の偏光動作を説明する。
図９は光偏光素子の偏向作用の動作原理を説明するための説明図である。第２の実施の形態に係る光偏光素子では、基本的な動作原理として説明したように、入射光Ｌinを下部反射ミラー２０に対して垂直に近い角度で入射させる。入射光Ｌinは、上部反射ミラー１８と下部反射ミラー２０との間で、繰り返し反射される。
【００４５】
繰り返し反射される間に、入射光Ｌinは、二次元フォトニック結晶１４及び強誘電体層２２を複数回通過する。二次元フォトニック結晶１４は、その二次元周期構造により入射（交差）する光を回折する。また、強誘電体層２２は、通過時の屈折率で、入射した光波の伝搬方向を変化させる。従って、二次元フォトニック結晶１４及び強誘電体層２２を複数回通過することで、光波の伝搬方向が大幅に変換される。これにより回折光Ｌdifが、入射光Ｌinが入射された方向（又は入射光Ｌinが反射される方向）とは異なる方向に射出される。
【００４６】
図９に示すように、入射光Ｌinの入射角は一定とする。図１０に示すように、電界の印加により強誘電体層２２の屈折率を変化させる。強誘電体層２２の屈折率が変化する前は、実線で示すように、二次元フォトニック結晶１４及び強誘電体層２２を入射光Ｌin（１）が通過する。一方、強誘電体層２２の屈折率が変化した後は、点線で示すように、二次元フォトニック結晶１４及び強誘電体層２２を入射光Ｌin（２）が通過する。
【００４７】
電界の印加により強誘電体層２２の屈折率が増加しており、強誘電体層２２に入射したときに、入射光Ｌin（２）の光路は、入射光Ｌin（１）の光路よりも折り曲げられる。入射光Ｌin（１）に応じて回折光Ｌdif（１）が射出され、入射光Ｌin（２）に応じて回折光Ｌdif（２）が射出される。このように強誘電体層２２の屈折率を変化させることで、強誘電体層２２を通過する入射光Ｌinの光路が変更され、回折光Ｌdifの出射方向が変化する。
【００４８】
図１１（Ａ）及び（Ｂ）は波数ベクトル間の関係を表す波数ベクトル図である。光子の運動量保存則から、位相整合した状態では、関係する光波の波数ベクトルを合成した波数ベクトル図は閉じた三角形となる。二次元フォトニック結晶の波数ベクトルＫは、スーパープリズム効果により、入射光Ｌinの光路に応じて大幅に変化する。
【００４９】
入射光Ｌin（１）の波数ベクトルをｋi、入射光Ｌin（２）の波数ベクトルをｋin’とし、回折光Ｌdif（１）の波数ベクトルをｋout、回折光Ｌdif（２）の波数ベクトルをｋout’とする。入射光Ｌinの波数ベクトルがｋiからｋin’に変化すると、光子の運動量保存則から、二次元フォトニック結晶の波数ベクトルＫの変化に応じて、回折光Ｌdifの波数ベクトルがｋoutからｋout’に大きく変化する。
【００５０】
以上説明したように、本実施の形態では、外部電場により強誘電体層２２の屈折率が変化する。強誘電体層２２の屈折率変化によって、強誘電体層２２を通過する入射光Ｌinの光路が変化する。入射光Ｌinの光路が少し変化しただけでも、二次元フォトニック結晶のスーパープリズム効果により、回折光Ｌdifの出射方向（偏向方向）が大幅に変化する。これにより、広い偏向角度で偏向可能な光偏向素子を得ることができる。
【００５１】
（第３の実施の形態）
＜光偏光素子の概略構成＞
図１２は本発明の第３の実施の形態に係る光偏光素子の斜視図である。図１３は図１２のＤ-Ｄ断面図である。第３の実施の形態に係る光偏光素子は、固定配置された上部反射ミラー１８に代えて、上部回転反射ミラー１８Ｒを回転可能に配置すると共に、二次元フォトニック結晶１４と上部回転反射ミラー１８Ｒとの間の上部スペーサ層１６を取り除いた以外は、第１の実施の形態と同じ構成である。従って、同じ構成部分には同じ符号を付して説明を省略する。
【００５２】
上部回転反射ミラー１８Ｒは、メサ断面と同じ大きさの平面視が略矩形状の板状体である。上部回転反射ミラー１８Ｒには、図示しない取り付け部材により、対向する一対の側面の各々に一対の回転軸２４が取り付けられている。一方、基板１０上には、軸受け部を備えた柱状の保持部材２６が２本（一対）立設されている。一対の保持部材２６は、メサを挟んで対向するように配置されている。回転軸２４及び保持部材２６は、光路を避けて配置されている。
【００５３】
一対の回転軸２４の各々は、対応する保持部材２６の軸受け部に嵌め込まれている。こうして、上部回転反射ミラー１８Ｒは、一対の保持部材２６によって、回転軸２４の周りに（矢印Ｅ方向に）回転可能に保持されている。回転軸２４には、回転軸を僅かな角度ずつ回転させるモータ２８が取り付けられている。このようなモータ２８としては、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems：微小電気機械システム）技術を用いた小型モータを用いることが好ましい。
【００５４】
本実施の形態では、上部回転反射ミラー１８Ｒは、酸化シリコン（ＳｉＯ２）と酸化チタン（ＴｉＯ２）を交互に積層した誘電体多層膜で構成されている。上部回転反射ミラー１８Ｒ以外の各部材の材料、大きさ、厚さは、第１の実施の形態と同様である。回転軸２４及び保持部材２６は、どのような材料で構成されていても良いが、半導体製造技術を適用して形成する場合には、下部スペーサ層１２と同様に酸化シリコン（ＳｉＯ２）で形成することが好ましい。
【００５５】
＜光偏光素子の製造方法＞
次に、図１２に示す光偏光素子の製造方法について説明する。二次元フォトニック結晶１４を形成する工程までは、第１の実施の形態と同様にして、貫通孔１４ａを備えた二次元フォトニック結晶１４を形成する。その後、バッファードフッ酸に浸漬して、枠状の下部スペーサ層１２を残し、これ以外のＳｉＯ２膜を溶解して水洗する。これにより、二次元フォトニック結晶１４の下方に空間が形成される。次いで、Ｓｉ基板１０の裏面に、ＳｉＯ２膜とＴｉＯ２膜とをスパッタリングにより交互に堆積した誘電体多層膜である下部反射ミラー２０を形成する。
【００５６】
次に、レジストを厚めに塗布して、基板１０上の不要なＳｉＯ２膜、Ｓｉ膜をエッチングにより除去してメサを形成する。エッチングにより露出した基板１０上に、軸受け部を備えた柱状の保持部材２６を立設する。一方、別の基板上に、ＳｉＯ２膜とＴｉＯ２膜とをスパッタリングにより交互に堆積した誘電体多層膜である上部回転反射ミラー１８Ｒを形成する。上部回転反射ミラー１８Ｒに、回転軸２４を取り付ける。
【００５７】
回転軸２４を備えた上部回転反射ミラー１８Ｒを、軸受け部を備えた柱状の保持部材２６に回転可能に取り付ける。そして、モータ２８を回転軸２４に取り付ける。これにより、図１２に示す光偏光素子が完成する。なお、上部回転反射ミラー１８Ｒとして、日本信号社製の「エコスキャン（商品名）」等、市販のＭＥＭＳミラーデバイスを用いることもできる。
【００５８】
＜光偏光素子の偏光動作＞
次に、第３の実施の形態に係る光偏光素子の偏光動作を説明する。
図１４は光偏光素子の偏向作用の動作原理を説明するための説明図である。第３の実施の形態に係る光偏光素子では、基本的な動作原理として説明したように、入射光Ｌinを下部反射ミラー２０に対して垂直に近い角度で入射させる。入射光Ｌinは、上部回転反射ミラー１８Ｒと下部反射ミラー２０との間で、繰り返し反射される。
【００５９】
繰り返し反射される間に、入射光Ｌinは、二次元フォトニック結晶１４を複数回通過する。二次元フォトニック結晶１４は、その二次元周期構造により入射（交差）する光を回折する。また、上部回転反射ミラー１８Ｒの位置に応じて、入射した光波の伝搬方向（反射方向）を変化させる。従って、二次元フォトニック結晶１４を複数回通過することで、光波の伝搬方向が大幅に変換される。これにより回折光Ｌdifが、入射光Ｌinが入射された方向（又は入射光Ｌinが反射される方向）とは異なる方向に射出される。
【００６０】
図１４に示すように、入射光Ｌinの入射角は一定とする。図１５に示すように、モータ等の機械的機構により、上部回転反射ミラー１８Ｒを回転軸２４の周りに回転させて、上部回転反射ミラー１８Ｒの傾きを変化させる。上部回転反射ミラー１８Ｒの傾きが変化する前は、実線で示すように、二次元フォトニック結晶１４を入射光Ｌin（１）が通過する。一方、上部回転反射ミラー１８Ｒの傾きが変化した後は、点線で示すように、二次元フォトニック結晶１４を入射光Ｌin（２）が通過する。
【００６１】
上部回転反射ミラー１８Ｒが、回転軸２４周りに矢印Ｅ方向（図１５では左回り）に回転して、上部回転反射ミラー１８Ｒの傾きが変化する。これにより、入射光Ｌinの上部回転反射ミラー１８Ｒへの入射角（＝反射角）が増加する。入射光Ｌin（２）が二次元フォトニック結晶１４と交差する角度は、入射光Ｌin（１）が二次元フォトニック結晶１４と交差する角度よりも大きくなる。入射光Ｌin（１）に応じて回折光Ｌdif（１）が射出され、入射光Ｌin（２）に応じて回折光Ｌdif（２）が射出される。このように上部回転反射ミラー１８Ｒを回転させてその位置を変化させることで、二次元フォトニック結晶１４を通過する入射光Ｌinの光路が変更され、回折光Ｌdifの出射方向が変化する。
【００６２】
図１６（Ａ）及び（Ｂ）は波数ベクトル間の関係を表す波数ベクトル図である。光子の運動量保存則から、位相整合した状態では、関係する光波の波数ベクトルを合成した波数ベクトル図は閉じた三角形となる。二次元フォトニック結晶の波数ベクトルＫは、スーパープリズム効果により、入射光Ｌinの光路に応じて大幅に変化する。
【００６３】
入射光Ｌin（１）の波数ベクトルをｋi、入射光Ｌin（２）の波数ベクトルをｋin’とし、回折光Ｌdif（１）の波数ベクトルをｋout、回折光Ｌdif（２）の波数ベクトルをｋout’とする。入射光Ｌinの波数ベクトルがｋiからｋin’に変化すると、光子の運動量保存則から、二次元フォトニック結晶の波数ベクトルＫの変化に応じて、回折光Ｌdifの波数ベクトルがｋoutからｋout’に大きく変化する。
【００６４】
以上説明したように、本実施の形態では、上部回転反射ミラー１８Ｒの回転という機械的変動を加えることにより、上部回転反射ミラー１８Ｒの傾きが変化する。上部回転反射ミラー１８Ｒの傾きの変化によって、二次元フォトニック結晶１４を通過する入射光Ｌinの光路が変化する。入射光Ｌinの光路が少し変化しただけでも、二次元フォトニック結晶のスーパープリズム効果により、回折光Ｌdifの出射方向（偏向方向）が大幅に変化する。これにより、広い偏向角度で偏向可能な光偏向素子を得ることができる。
【００６５】
（第４の実施の形態）
＜光偏光素子の概略構成＞
図１７は本発明の第４の実施の形態に係る光偏光素子の斜視図である。図１８は図１７のＦ-Ｆ断面図である。第４の実施の形態に係る光偏光素子は、二次元フォトニック結晶１４と上部反射ミラー１８との間の上部スペーサ層１６を取り除くと共に、上部反射ミラー１８上に圧電素子３０を載置した以外は、第１の実施の形態と同じ構成である。従って、同じ構成部分には同じ符号を付して説明を省略する。
【００６６】
圧電素子３０は、メサ断面と同じ大きさの平面視が略矩形状の板状体である。圧電素子とは、一般に、加えられた力を電圧に変換、又は印加された電圧を力に変換する「圧電効果」を利用した受動素子であり、ピエゾ素子と通称されている。本実施の形態では、圧電素子３０として、電圧を加えると微小に伸縮する電歪素子が用いられる。圧電素子３０には、図示しない一対の電極が設けられている。これら一対の電極間に電圧を印加することで、圧電素子３０が積層方向に伸縮して、下方に配置された二次元フォトニック結晶１４を変形させる。
【００６７】
上述した圧電素子３０としては、ＰＺＴ、ＰＬＺＴ等の圧電セラミクスや、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）、ＰＶＣ（ポリ塩化ビニル）、ナイロン１１（ポリアミド）、ビニリデンシアナイド系共重合体などの圧電性高分子などの圧電材料を用いた圧電素子が挙げられる。ＰＺＴは、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３）の略称である。
【００６８】
本実施の形態では、圧電素子３０以外の各部材の材料、大きさ、厚さは、第１の実施の形態と同様である。
【００６９】
＜光偏光素子の製造方法＞
次に、図１７に示す光偏光素子の製造方法について説明する。二次元フォトニック結晶１４を形成する工程までは、第１の実施の形態と同様にして、貫通孔１４ａを備えた二次元フォトニック結晶１４を形成する。その後、バッファードフッ酸に浸漬して、枠状の下部スペーサ層１２を残し、これ以外のＳｉＯ２膜を溶解して水洗する。これにより、二次元フォトニック結晶１４の下方に空間が形成される。次いで、Ｓｉ基板１０の裏面に、ＳｉＯ２膜とＴｉＯ２膜とをスパッタリングにより交互に堆積した誘電体多層膜である下部反射ミラー２０を形成する。
【００７０】
次に、圧電素子３０上に上部反射ミラー１８が形成された別の基板を用意する。圧電素子３０を用意し、この圧電素子３０上に、ＳｉＯ２膜とＴｉＯ２膜とをスパッタリングにより交互に堆積した誘電体多層膜である上部反射ミラー１８を形成する。次いで、電圧を印加するための電極（図示せず）を形成する。
【００７１】
別に用意した基板を、上部反射ミラー１８側を下にして、二次元フォトニック結晶１４上に重ねて外周側を接着する。最後に、レジストを厚めに塗布して、基板１０上の不要なＳｉＯ２膜、Ｓｉ膜、及び誘電体多層膜等をエッチングにより除去してメサを形成し、図１７に示す光偏光素子が完成する。なお、図１７に示す光偏光素子は、剛性の高い金属性の枠などに嵌め込むことで、圧電素子３０が積層方向に伸縮したときに、下方に配置された二次元フォトニック結晶１４を効率よく変形させることができる。
【００７２】
＜光偏光素子の偏光動作＞
次に、第４実施の形態に係る光偏光素子の偏光動作を説明する。
図１９は光偏光素子の偏向作用の動作原理を説明するための説明図である。第４の実施の形態に係る光偏光素子では、基本的な動作原理として説明したように、入射光Ｌinを下部反射ミラー２０に対して垂直に近い角度で入射させる。入射光Ｌinは、上部反射ミラー１８と下部反射ミラー２０との間で、繰り返し反射される。
【００７３】
繰り返し反射される間に、入射光Ｌinは、二次元フォトニック結晶１４を複数回通過する。二次元フォトニック結晶１４は、その二次元周期構造により入射（交差）する光を回折する。また、二次元フォトニック結晶１４は、圧電素子３０によって付与された歪みに応じて、入射した光波の伝搬方向（反射方向）を変化させる。従って、二次元フォトニック結晶１４を複数回通過することで、光波の伝搬方向が大幅に変換される。これにより回折光Ｌdifが、入射光Ｌinが入射された方向（又は入射光Ｌinが反射される方向）とは異なる方向に射出される。
【００７４】
図１９に示すように、入射光Ｌinの入射角は一定とする。図２０に示すように、二次元フォトニック結晶１４を変形させる前は、実線で示すように、二次元フォトニック結晶１４からは、回折光Ｌdif（１）が射出される。一方、二次元フォトニック結晶１４が変形した後は、点線で示すように、二次元フォトニック結晶１４からは、回折光Ｌdif（２）が射出される。
【００７５】
圧電素子３０により歪みを付与して、二次元フォトニック結晶１４を僅かに変形させると、スーパープリズム効果により大きな群速度変化が生じ、二次元フォトニック結晶の波数ベクトルＫが大きく変化する。従って、入射光Ｌinの入射角が一定であっても、回折光Ｌdif（１）と回折光Ｌdif（２）とは、全く異なる方向に射出される。このように二次元フォトニック結晶１４を変形させることで、二次元フォトニック結晶１４から射出される回折光Ｌdifの出射方向が変化する。
【００７６】
図２１（Ａ）及び（Ｂ）は波数ベクトル間の関係を表す波数ベクトル図である。光子の運動量保存則から、位相整合した状態では、関係する光波の波数ベクトルを合成した波数ベクトル図は閉じた三角形となる。入射光Ｌinの波数ベクトルをｋiとし、回折光Ｌdif（１）の波数ベクトルをｋout、回折光Ｌdif（２）の波数ベクトルをｋout’とする。入射光Ｌinの波数ベクトルｋiは一定であるが、二次元フォトニック結晶の波数ベクトルＫが変化すると、光子の運動量保存則から、回折光Ｌdifの波数ベクトルがｋoutからｋout’に大きく変化する。
【００７７】
以上説明したように、本実施の形態では、二次元フォトニック結晶１４を僅かに変形させることにより、二次元フォトニック結晶のスーパープリズム効果により、二次元フォトニック結晶１４から射出される回折光Ｌdifの出射方向（偏向方向）が大幅に変化する。これにより、広い偏向角度で偏向可能な光偏向素子を得ることができる。
【００７８】
なお、上記の第１〜第４の実施の形態では、所定波長の入射光を入射させて回折光が射出する方向（偏向角度）を変化させる光偏向素子について説明したが、図１に示した基本構成は、偏光角度は入射光の波長に応じて変化するので光分光器にも適用することが可能である。この場合、上部反射ミラー及び下部反射ミラーとしては、多層膜反射鏡よりも、反射面に金や銀等の光反射率の高い金属を蒸着した反射板を用いることが好ましい。
【００７９】
例えば、波長の異なる複数の光波が多重化された入射光を用いた場合には、図２２に示すように、回折光が波長毎に分離され、分離された光波が各々異なる方向に射出される。図２２に示す例では、回折光が、波長λ１の光波、波長λ２の光波、及び波長λ３の光波に分離される。波長の異なる３種類の光波λ１、λ２、λ３は、各々異なる方向に射出される。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】本発明の光偏光素子の基本的な動作原理を説明するための説明図である。
【図２】第１の実施の形態に係る光偏光素子の斜視図である。
【図３】図２のＡ-Ａ断面図である。
【図４】（Ａ）は二次元フォトニック結晶１４の平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＢ-Ｂ断面図である。
【図５】光偏光素子の偏向作用の動作原理を説明するための説明図である。
【図６】（Ａ）及び（Ｂ）は波数ベクトル間の関係を表す波数ベクトル図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態に係る光偏光素子の斜視図である。
【図８】図７のＣ-Ｃ断面図である。
【図９】光偏光素子の偏向作用の動作原理を説明するための説明図である。
【図１０】光偏光素子の偏向作用の動作原理を説明するための説明図である。
【図１１】（Ａ）及び（Ｂ）は波数ベクトル間の関係を表す波数ベクトル図である。
【図１２】本発明の第３の実施の形態に係る光偏光素子の斜視図である。
【図１３】図１２のＤ-Ｄ断面図である。
【図１４】光偏光素子の偏向作用の動作原理を説明するための説明図である。
【図１５】光偏光素子の偏向作用の動作原理を説明するための説明図である。
【図１６】（Ａ）及び（Ｂ）は波数ベクトル間の関係を表す波数ベクトル図である。
【図１７】本発明の第４の実施の形態に係る光偏光素子の斜視図である。
【図１８】図１７のＦ-Ｆ断面図である。
【図１９】光偏光素子の偏向作用の動作原理を説明するための説明図である。
【図２０】光偏光素子の偏向作用の動作原理を説明するための説明図である。
【図２１】（Ａ）及び（Ｂ）は波数ベクトル間の関係を表す波数ベクトル図である。
【図２２】本発明の光偏光素子の構造を光分光器に応用した変形例を示す図である。
【符号の説明】
【００８１】
１０        基板
１２        下部スペーサ層
１４        二次元フォトニック結晶
１４ｂ      シリコン基板
１４ａ      貫通孔
１６        上部スペーサ層
１８        上部反射ミラー
１８Ｒ      上部回転反射ミラー
２０        下部反射ミラー
２２        強誘電体層
２４        回転軸
２６        保持部材
２８        モータ
３０        圧電素子
【図１】
2010078675.tif 000003
【図２】
2010078675.tif 000004
【図３】
2010078675.tif 000005
【図４】
2010078675.tif 000006
【図５】
2010078675.tif 000007
【図６】
2010078675.tif 000008
【図７】
2010078675.tif 000009
【図８】
2010078675.tif 000010
【図９】
2010078675.tif 000011
【図１０】
2010078675.tif 000012
【図１１】
2010078675.tif 000013
【図１２】
2010078675.tif 000014
【図１３】
2010078675.tif 000015
【図１４】
2010078675.tif 000016
【図１５】
2010078675.tif 000017
【図１６】
2010078675.tif 000018
【図１７】
2010078675.tif 000019
【図１８】
2010078675.tif 000020
【図１９】
2010078675.tif 000021
【図２０】
2010078675.tif 000022
【図２１】
2010078675.tif 000023
【図２２】
2010078675.tif 000024