(57)【要約】【課題】紫外光からマイクロ波の範囲の波長を有する電磁波を偏極させるためにスケーリングでき、可視光波長及びＩＲ光波長での使用に適する、低作成費用、高耐久性、高消光比、広偏極波長範囲及び耐大パワー性を満たす偏極素子。【解決手段】偏極素子は、長さ、幅及び厚さを有し、ガラスマトリクス内にまたはガラスマトリクスを貫通して埋め込まれ、ガラスの厚さを貫通し、よって互いに直交する２つの偏波モードを有する入り電磁波を偏極させて、一方のモードは経路を遮断するかまたは反射させ、他方のモードの素子通過を可能にする、チャネル、空孔または穴のパターン構造を有する。ガラスは、その範囲ではガラス内の成分による電磁波の吸収による過大な透過損失無しに用いられるであろう範囲において電磁波を透過させるに適するいずれかのガラスとすることができる。一態様において、発明による素子は、マイクロ波から紫外光までの波長範囲において動作するように作成できるという意味で、「万能」偏極素子と見なすことができる。素子は明細書に示される原理を利用して高分子材で作成することもできる。
2009543129.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フォトニック結晶原理に基づく光偏極素子において、
前記偏極素子が、前記偏極素子に入る波長λの電磁波をＴＭ及びＴＥの２つの偏波成分に偏極させ、前記ＴＭ成分は前記偏極素子を通過することができ、前記ＴＥ成分は反射されるような、屈折率ｎの周期的変化を前記偏極素子の構造内に有し、
前記偏極素子が選ばれた前記波長λに対して透明な誘電体を有し、選ばれた厚さ及び前記誘電体にわたる長さをもつ複数のチャネルを有し、
前記複数のチャネルがピッチΛを有し、前記波長λは前記チャネルの長さと交差する方向で前記偏極素子に入って、通過し、
前記厚さが複数のチャネル列で定められ、
前記誘電体が、前記波長λの電磁波に対して透明な、ガラス及び高分子材からなる群から選ばれる、
ことを特徴とする素子。
【請求項２】
前記厚さが１８Λ以上であることを特徴とする請求項１に記載の素子。
【請求項３】
前記素子が規格化周波数Λ/λ及びチャネル径対ピッチ比ｒ/Λの関数であるバンドギャップを有し、前記チャネルが０.２〜０.６μｍの範囲のピッチ及び選ばれたチャネル寸法を有することを特徴とする請求項１に記載の素子。
【請求項４】
前記誘電体が、石英ガラス、溶融石英ガラス、フッ素ドープ溶融石英ガラス、高純度溶融石英ガラス、０±３０ｐｐｂ/℃の熱膨張係数（ＣＴＥ）を有する超低膨張ガラス、及びホウケイ酸ガラスからなる群から選ばれることを特徴とする請求項１に記載の素子。
【請求項５】
前記素子が、マイクロ波から紫外光の範囲の波長を有する電磁波を偏極させ、前記素子が偏極させる前記電磁波の正確な波長が前記ｒ及びΛの選択によって決定されることを特徴とする請求項１に記載の素子。
【請求項６】
前記素子が、電磁波スペクトルの緑色領域、青色領域及び赤色領域にある波長を有する電磁波を偏極させ、偏極させられる正確な波長が前記ｒ及びΛの選ばれた値に依存していることを特徴とする請求項１に記載の素子。
【請求項７】
可視光を透過させるための光偏極素子において、
前記偏極素子が、誘電体であって、それぞれが独立に０.４ｍｍから０.６ｍｍの範囲内で選ばれる、選ばれた長さ及び選ばれた幅、１８Λ〜２２Λの範囲の厚さ、及び前記誘電体の前記厚さを貫通する複数の空気充満チャネルを有する、誘電体を有し、
前記チャネルが０.２〜０.６μｍの範囲の選ばれた径及びピッチΛを有し、
前記誘電体が、石英ガラス、溶融石英ガラス、フッ素ドープ溶融石英ガラス、高純度溶融石英ガラス、０±３０ｐｐｂ/℃のＣＴＥを有する超低膨張ガラス、及びホウケイ酸ガラスからなる群から選ばれる、
ことを特徴とする偏極素子。
【請求項８】
前記偏極素子が、青色波長、赤色波長及び緑色波長を偏極させることを特徴とする請求項７に記載の偏極素子。
【請求項９】
フォトニック構造を有するガラス偏極素子を作成する方法において、前記方法が、
選ばれた組成をもつガラスを提供する工程、及び
前記選ばれたガラスを、選ばれた長さ及び選ばれた幅、１８Λ〜２２Λの範囲の厚さ、及び前記ガラスの前記厚さを貫通する複数の空気充満チャネルを有する形状に押出成形する工程、
を含み、
前記チャネルが、０.２〜０.６μｍの範囲にある、選ばれた径ｒ及びピッチΛを有することを特徴とする方法。
【請求項１０】
前記提供されるガラスが、石英ガラス、溶融石英ガラス、フッ素ドープ溶融石英ガラス、高純度溶融石英ガラス、０±３０ｐｐｂ/℃のＣＴＥを有する超低膨張ガラス、及びホウケイ酸ガラスからなる群から選ばれることを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
フォトニック構造を有するガラス偏極素子の作成方法において、前記方法が、
選ばれたガラスでつくられたガラスプレートを提供する工程、
前記プレートに構造対称性を有する複数のチャネルを穴開けする工程、
前記プレート内の前記チャネルの位置が合うように、複数の前記プレートを重ね合せる工程、
前記プレートを融着し合せる工程、及び
延伸プロセス中に前記チャネルの前記直径が２００〜２２００ｎｍの範囲の選ばれた直径まで細められる前記延伸プロセスの間に前記チャネルの前記構造対称性が維持されるように、前記重ね合わせプレートを延伸する工程、
を含み、
延伸後の前記チャネルの直径が２００〜２２００ｎｍの範囲にあり、前記偏極素子の厚さが１８Λ〜２２Λの範囲の範囲にあり、前記チャネルのピッチΛが０.２〜０.６μｍの範囲にあることを特徴とする方法。
【請求項１２】
前記提供されるガラスが、石英ガラス、溶融石英ガラス、フッ素ドープ溶融石英ガラス、高純度溶融石英ガラス、０±３０ｐｐｂ/℃のＣＴＥを有する超低膨張ガラス、及びホウケイ酸ガラスからなる群から選ばれることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
フォトニック構造を有するガラス偏極素子の作成方法において、前記方法が、
それぞれが、それぞれを貫通する、選ばれた直径をもつチャネルを有する、複数本の中空ガラスファイバまたはガラス毛管の束を提供する工程、及び
延伸プロセス中に前記チャネルの前記直径が２００〜２２００ｎｍの範囲の選ばれた直径まで細められる前記延伸プロセスの間に、前記中空ガラスファイバまたはガラス毛管が融着し合され、前記中空ガラスファイバまたはガラス毛管の前記束内の前記チャネルの構造対称性が維持されるように、前記中空ガラスファイバまたはガラス毛管の前記束を延伸する工程、
を含み、
延伸後の前記チャネルの前記直径が２００〜２２００ｎｍの範囲にあり、前記偏極素子の厚さが１８Λ〜２２Λの範囲の範囲にあり、前記チャネルのピッチΛが０.２〜０.６μｍの範囲にあることを特徴とする方法。
【請求項１４】
前記提供される中空ガラスファイバまたはガラス毛管のガラスが、石英ガラス、溶融石英ガラス、フッ素ドープ溶融石英ガラス、高純度溶融石英ガラス、０±３０ｐｐｂ/℃のＣＴＥを有する超低膨張ガラス、及びホウケイ酸ガラスからなる群から選ばれることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はフォトニックバンドギャップ構造を有するガラス偏極素子に向けられる。特に、本発明は、紫外光からマイクロ波の範囲の波長を有する電磁波を偏極させるための寸法につくることができる偏極素子に向けられ、さらに詳しくは、遠距離通信波長での使用に適する素子に向けられる。最後に、ガラス偏極素子の作成方法が説明される。
【背景技術】
【０００２】
普通の無偏極光はそれぞれの電場及び磁場の向きがランダムである多くの波からなる。ただし、電場と磁場は互いに対して、また進行方向に対して、必ず垂直である（直交する）。通例、光は２つの偏極波の合成であると見なされる。光が多モード光ファイバを通して送られる場合、偏極は重要ではない。しかし、光が単一モード光ファイバを通して送られる場合には、単一モードファイバが実際には互いに垂直な２つのモードを伝えることになることから、光の偏極が重要になり得る。これらの２つのモードは機能的に等価であり、完全に対称な円形コアを有する光ファイバにおいては偏極による以外にそれぞれのモードの形状及び伝搬特性を弁別することはできない。しかし、現実の世界においてコアが完全に対称であることは決してない。この結果、２つの偏波モードがファイバを通って進行するに必要な時間は、それぞれがコア内で受ける条件が異なり、したがって異なる速度でコアを通って伝搬するから、異なり得る。この結果、光は分散し、性能が低下する。この性能低下は、光ファイバによって送られる前に光を偏極させることにより、回避することができる。
【０００３】
光を偏極させるため及びその偏極を維持するための多くの方法が知られており、遠距離通信に用いられている。一方法はダイクロイック材料がドープされた高分子材膜を用いることであった。このタイプの偏極素子は安価であり、作成が容易であるが、（光を１つの軸に沿って偏極させる程度を定量化する）消光比が多くの用途の要件に十分ではないため、満足なものではない。さらに、そのような偏極素子は可視スペクトルの青色領域または紫外光では十分に機能せず、大パワーに耐えられない（すなわち、熱安定性が低い）。グラントムソン偏極素子は光を偏極させる別の手段である。グラントムソン偏極素子は、大きな複屈折係数を有する方解石のような材料の２つの直方体プリズムを接合することでつくられる。しかし、グラントムソン偏極素子は高い消光比を有し、熱的に安定であるが、このタイプでは、大きく及び／または薄い偏極素子の作成が非常に困難であり、このプリズムを接合させる「セメント」が問題になり、またグラントムソン偏極素子は非常に高価である。別のタイプの偏極素子は、透明体のブルースター角を利用する偏極素子、例えば多層誘電体を用いるビームスプリッタである。このタイプの素子は安価であり、大量生産できるが、一般に小型化が困難であることから有用性が限定されて満足できず、また高い偏極度を得ることができず、用い得る波長帯域が狭い。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって、現在利用できる偏極素子にともなう問題から見て、作成に比較的費用がかからず、耐久性が非常に高く、高消光（コントラスト）比を有し、広い波長範囲にわたって偏極させ、大パワー（例えば、レーザ及び投影器の高輝度ランプ）に耐え得る、偏極素子が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は電磁波を偏極させることができるガラス素子に向けられ、本素子は、長さ、幅及び厚さ、並びに、ガラスマトリクス内にまたはガラスマトリクスを貫通して埋め込まれ、ガラスの厚さを貫通し、よって互いに直交する２つの偏波モードを有する入り電磁波を偏極させて、一方のモードはその経路を遮断するかまたは反射させ、他方のモードの素子通過を可能にする、チャネル、空孔または穴のパターン構造を有する。本発明の素子は、電磁波スペクトルのマイクロ波から紫外光までの範囲にある波長（ほぼ１０ｃｍから１０−７ｃｍの範囲の波長λ）で動作するように調製することができる。ガラスは、その範囲ではガラス内の成分による電磁波の吸収による過大な透過損失無しに用いられるであろう範囲において電磁波を透過させるに適するいずれかのガラスとすることができる。一態様において、本発明にしたがう素子は、マイクロ波から紫外光までの波長範囲において動作するように作成できるという意味で、「万能」偏極素子と見なすことができる。偏極素子の寸法（特に厚さ及び偏極素子内のチャネル、穴または空孔の寸法）が定められると、偏極素子が動作するであろう波長（すなわち、偏極されるであろう光の波長）が定められたことになる。チャネルはほぼ２００〜２２００ｎｍの範囲の大きさを有することができる。例えば、可視光範囲において「チャネル」はほぼ４００〜５００ｎｍの範囲の大きさを有し、紫外光範囲において「チャネル」はほぼ２２０〜２８０ｎｍの範囲の大きさを有する。赤外光範囲において「チャネルまたは穴」はほぼ１０００〜２０００ｎｍの範囲の大きさを有するであろう。本発明にしたがう素子は、本明細書に示される原理を利用することにより、高分子材で作成することもできる。
【０００６】
一実施形態において、ガラス素子は電磁波スペクトルの赤外（ＩＲ）光及び可視光の範囲において光を偏極させることができるガラス偏極素子であり、赤外光範囲はほぼ１０−２ｃｍから７×１０−５ｃｍ，可視光範囲はほぼ７×１０−５ｃｍから４×１０−５ｃｍであって、素子は長さ、幅及び厚さを有する。素子は、ガラスマトリクス内に埋め込まれて、ガラスの厚さを貫通する、チャネル、空孔または穴の規則的平行配列構造を有する。素子のチャネルは円形であり、偏極素子が適用されるであろう光の範囲に適するように選ばれた直径及び間隔を有する。
【０００７】
別の実施形態において、素子はほぼ７００〜１６００ｎｍの光遠距離通信波長における使用に適するガラス偏極素子である。偏極素子は、ガラスマトリクス内に埋め込まれて、ガラスの厚さを貫通する、チャネル、空孔または穴の規則的平行配列構造を有する。素子のチャネルは円形であり、偏極素子が適用されるであろう光の範囲に適するように選ばれた直径及び間隔を有する。
【０００８】
別の実施形態において、電磁波スペクトルのＩＲ範囲及び可視範囲の光を偏極させることができるガラス偏極素子の作成方法が説明される。１００μｍから数ｍｍの範囲、好ましくは２００〜９００μｍの範囲の、様々な厚さのガラスプレートが用いられ、図８にしたがって穴が開けられる。これが本発明の肝要部品である。穴はガラスに空気孔アレイを作成するために開けられる。穴開けは一般にＣＯ２レーザによって行われるが、その他の穴開け方法を用いることができる。用いることができるガラスには、高純度溶融石英（ＨＰＦＳ）ガラス、Ｖｙｃｏｒ、超低膨張（ＵＬＥ）ガラス、あるいはレーザまたは通常の穴開けの下で、穴開けプロセス中に誘起される応力によるクラックが発生しないであろうその他いずれかのガラスがある。ガラスに関する限定条件は、本発明にしたがうガラス偏極素子が用いられるであろう特定の用途及び波長によって規定される。例えば、光通信用途には、水酸基（-ＯＨ）含有量が低いガラスが、水酸基は遠距離通信波長を強く吸収するから、好ましい。
【０００９】
穴またはチャネル、ピッチ及びガラスプレートの寸法（大小）は仕様に与えられる。当業者にとって、寸法を変えることができ、フォトニックバンドギャップ構造の偏極能力を決定するのが穴径、ピッチ及び穴の構造対称性であることは当然である。フォトニック偏極素子を作成するためには、多くのガラスプレートを重ね合わせ、融着し合せて、穴の寸法を特定の偏極に必要な寸法まで縮小するために後に延伸されるガラス体を作成する。延伸は用いられているガラスの軟化点温度またはその近くで行われる。プレートを重ね合わせて融着するときには、積層ガラスプレート内に、または重ねガラスプレートの融着によって形成されるいかなるガラス体内にも、どのガラスプレートの空気孔も隣接ガラスプレートの空気孔の上に重なって縦型円柱形チャネルまたは穴をつくるように注意が払われる。空気孔の構造対称性はガラス体構造内に維持され、例えば、上面から底面まで図８に示されるガラスプレートと同じ構造対称性にある円柱形空気孔をもつ縦長ガラスブロックのように見えるガラス体がつくられる。上から見ると、そのようなガラス体は、例えば図８に示されるようなガラスプレートと全く同じに見える。ガラス体の高さは変えることができ、少なくとも数ｃｍである。これは、ガラス体が後に空気孔の寸法を特定の波長に望ましい寸法まで縮小するために延伸されるから重要である。例えば、青色可視電磁波領域における偏極が必要であれば、穴の間隔はほぼ２００〜２５０ｎｍとすべきである。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は光を偏極するための一連の規則的配列「チャネル」をもつ構造を示す、本発明の概念の図である。
【図２】図２はフォトニック結晶を示し、どのように入射非偏極光ビームがフォトニック結晶を通過しながらかなりの角度での屈折を受けるかを示す。
【図３】図３は本明細書に与えられる式に用いられる値２ｒ及びΛを決定するために用いられる物理的配置を示す。
【図４】図４は２つの異なるフォトニック結晶構造について、入射角の関数としての横電場（ＴＥ）波ポインティングベクトルと横磁場（ＴＭ）波ポインティングベクトルの間の角度を示す。
【図５】図５は、一連の穴径対ピッチ比に対するバンド端周波数を、ＴＥ偏波に対するバンドギャップの上端及び下端を表す２本の曲線で示す。
【図６】図６はバンド端波長を２５０ｎｍの例示ピッチを用いるチャネルの関数として示す。
【図７】図７は、選ばれた径、ピッチ及び構造対称性をもって穴が開けられたプレートについて、規格化ギャップを穴径対ピッチ比の関数として示す。
【図８】図８は、選ばれた（直径２ｒとして示される）径、ピッチ及び構造対称性になるように穴が開けられたプレートを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本明細書に用いられるように、「径」は円形チャネルの直径の１/２または非円形チャネル（例えば、長方形、正方形、八角形、台形またはその他の形状のチャネル）の最長寸法の１/２を意味する。また本明細書に用いられるように、「穴」、「チャネル」及び「開口」は互換態様で用いることができる。
【００１２】
図１は、ある方向の光の伝搬が禁じられるスペクトル帯であるバンドギャップを形成する、厚さを貫通する平行チャネルの規則的配列を有するフォトニック結晶構造を示す。フォトニックバンドギャップは光の偏極が異なれば異なり、一方に偏極した光だけが伝搬でき、他方に偏極した光は完全に反射される、スペクトル帯がある。作動光波長がこれらのスペクトル帯の１つにあれば、フォトニック結晶は偏極素子としてはたらくことができる。入射光ｈνは、ＴＭ偏波光が通過（伝搬）して、ＴＥ偏波光が完全に反射され、よって偏極される。平行円柱形チャネルまたは穴の列を有する、図示されるフォトニック結晶を用いて例示されるように、横電場（ＴＥ）はその電場成分がチャネルの軸に垂直に偏極された電磁場である。横磁場（ＴＭ）はその電場成分がチャネルの軸に平行に偏極された電磁場である。
【００１３】
図２は両偏波に対する透過窓の波長におけるガラスフォトニック結晶の複屈折に基づく偏波分離の実施形態を示す。入射光ｈνがフォトニック結晶３０に当たり、入射ビームのＴＭ偏波成分とＴＥ偏波成分が参照数字３２で示されるようにかなりの角度をなして方向を変えられる。平面波展開法に基づくモデルを用いて、波長１.５μｍについての２つの偏波成分の角度分離が１５°もの大きさになり得ることが示された。
【００１４】
図３は、可視光波長λＶにおいて同じ（〜１５°の）偏波分離を与えるガラスフォトニック結晶に対する幾何学的パラメータが電気力学的スケーリング関係式：
【数１】
2009543129.tif 000003
【００１５】
及び
【数２】
2009543129.tif 000004
【００１６】
を用いて決定できることを示す。ここで、２ｒＶ及び２ｒはそれぞれ可視光波長及び赤外（ＩＲ）光波長（λＩＲ＝１.５μｍ）に対する空気チャネルの直径、ΛＶ及びΛはそれぞれ可視光波長及びＩＲ光波長に対する２次元格子のピッチである。図３に示される本発明にしたがう構造は図２に示される分離度と同じ分離度を与え、ここでこのフォトニック構造は、ピッチがΛ＝１.２５μｍ、チャネル径がｒ＝０.５μｍ、作動波長がλ＝１.５μｍである。
【００１７】
図８はそのままで用いることができ、あるいは所望であればより小さいプレートに分割することができる、この場合は長さ×幅×厚さ（Ｌ×Ｗ×Ｔ）が５０.８ｍｍ×５０.８ｍｍ×２ｍｍの、大形プレート１００及びプレートの"Ａ"部詳細を示す。"Ａ"部詳細はプレートの、穴１１０の直径が２×径（すなわち２ｒ）として示され、ピッチがΛの、構造配置を示す。プレートは上記のＬ×Ｗ×Ｔに限定されず、製造プロセス及び用途に適するいかなる寸法にもすることができる。穴の径、ピッチ及び配置は本明細書の教示にしたがって変えることもできる。図８に示されるようなプレートが作成されると、複数のそのようなプレートが重ね合されて、プレートがそれぞれのチャネル構造は維持したまま互いに融着し合うように、選ばれた温度、一般にはガラスの軟化点にほぼ等しい温度に加熱される。融着されたプレート積層は次いで、本明細書に説明されるように延伸プロセスにかけられる。
【００１８】
穴またはチャネル、ピッチ及びガラスプレートの寸法（大小）は仕様に与えられる。当業者にとって、寸法を変えることができ、フォトニックバンドギャップ構造の偏極能力を決定するのが穴径、ピッチ及び穴の構造対称性であることは当然である。フォトニック偏極素子を作成するためには、多くのガラスプレートを重ね合せ、融着し合せて、穴の寸法を特定の偏極に必要な寸法まで縮小するために後に延伸されるガラス体を作成する。延伸は、用いられているガラスの軟化点温度またはその近くで行われる。ガラスプレートを重ね合わせて融着するときには、積層ガラスプレート内に、または重ねガラスプレートの融着によって形成されるいかなるガラス体内でも、どのガラスプレートの空気孔も隣接ガラスプレートの空気孔の上に重なって縦型円柱形チャネルまたは穴をつくるように注意が払われる。空気孔の構造対称性はガラス体構造内に維持され、上面から底面まで図８に示されるガラスプレートと同じ構造対称性にある円柱形空気孔をもつ縦長ガラスブロックのように見えるガラス体がつくられる。上から見ると、そのようなガラス体は、例えば図８に示されるような、ガラスプレートと全く同じに見える。ガラス体の高さは変えることができ、少なくとも数ｃｍである。これは、ガラス体が後に空気孔の寸法を特定の波長に望ましい寸法まで縮小するために延伸されるから、重要である。例えば、青色可視電磁波領域における偏極が必要であれば、穴の間隔はほぼ２００〜２５０ｎｍとすべきである。
【００１９】
本発明にしたがう偏極素子は、選ばれた長さ及び幅を有し、２次元格子の周期Λがほぼ０.４μｍである場合に、１８Λ以上の厚さを有する、チャネル入ガラスプレートを含む。厚さは１８〜２２Λの範囲にあることが好ましい。チャネル入ガラスプレートは選ばれた長さ及び選ばれた幅を有し、２次元格子のΛがほぼ０.４μｍである場合に、２０Λ以上の厚さを有することが好ましい。ガラスプレートは、本発明にしたがう偏極素子が用いられる予定の波長の光の透過に適するいずれかの光学ガラスで作成することができる。チャネル入ガラスプレートは技術上既知のいずれか適する方法で作成することができ、好ましい方法は、押出しによる方法及び結束−延伸による方法（すなわち、一群の中空ファイバまたは毛管を束ね合せて、この束を、それぞれのファイバまたは毛管の中空チャネルまたは開口が所望のチャネル直径になり、ファイバが融着し合うように、延伸する方法）である。そのようなガラスの、限定ではなく、例には、溶融石英ガラス、フッ素ドープ溶融石英ガラス、高純度溶融石英ガラス（例えばコーニング社（Corning Incorporated）のＨＰＦＳ（登録商標）ガラス）、ホウケイ酸ガラス、パイレックス（登録商標）ガラス及び偏極素子の作成に有用な技術上既知のその他のガラスがある。ガラスの限定条件は特定の用途及び本発明にしたがうガラス偏極素子が用いられるであろう波長によって規定される。例えば、光通信用途には、水酸基（-ＯＨ）は遠距離通信波長で強い吸収を示すため、低水酸基含有ガラスが好ましい。ガラス材料から作成されるガラスプレートの選ばれる長さ及び幅に限界はなく、製造プロセス及び用途に適するいかなる大きさにもすることができる。限定ではなく、例として、図８は長さ及び幅がそれぞれ５０.８ｍｍのプレートを示す。望ましければ、より大きいかまたはより小さいプレートを作成することができる。
【００２０】
本発明にしたがう偏極素子の利点は、全ガラス構造であるから非常に耐久性が高く、ガラスで作成されているからガラスがもつ低熱膨張係数により温度変動に関して非常に安定であり、実質的に光吸収がなく、赤色、緑色及び青色の波長に対して２次元格子構造は同じであるからそれぞれについて−ピッチΛ及び空気孔直径２ｒが異なるだけの−偏極素子を作成できることである。
【００２１】
光学結晶素子に基づく偏極素子に重要な多くの要因には、スペクトル感度、角感度、透過偏波の反射損失及び２つの異なる偏波の十分な分離のための一方の偏波の反射に十分なガラスプレートの最小厚がある。これらの要因の研究から、角度不感の偏極素子が得られた。
【００２２】
以下の表１は、角感度をもつ偏極素子についての許容量を示す。動作角における透過偏波に対する構造の実効屈折率ｎ実効を調べることによって透過偏波のフレネル損失を評価した。発明者等は、ｒ/Λ＝０.３５に対する構造の実効屈折率がｎ実効＝１.１２であり、ｒ/Λ＝０.４９に対してはｎ実効＝０.９２であることを見いだした。これらの結果からフレネル反射はそれぞれ０.３％及び０.２％になり、これは透過率がそれぞれ９９.４％及び９９.６％であることを意味する。
【００２３】
光学において、フレネル反射は屈折率が異なる２つの媒質の間、例えばガラスと空気の間の不連続界面における入射光の一部の反射である。フレネル反射は、例えば光ファイバの、入射端及び出射端における空気−ガラス界面でおこる。この結果の、界面あたり４％程度の、透過損失は屈折率整合材料の使用によってかなり低減することができる。反射係数は、屈折率差、入射角及び入射波の偏極に依存する。法線光線に対し、入射パワーの反射分率は式：
【数３】
2009543129.tif 000005
【００２４】
によって与えられる。ここで、Ｒはパワー反射係数であり、ｎ１及びｎ２は２つの媒質のそれぞれの屈折率である。一般に、法線に対する入射角が大きくなるほどフレネル反射係数は大きくなるが、入射平面に沿う直線偏波に対しては、ブルースター角における反射はゼロである。
【表１】
2009543129.tif 000006
【００２５】
図４は、フォトニック結晶構造のｒ/Λの２つの場合について、材料内のＴＥ偏波ポインティングベクトルとＴＭ偏波ポインティングベクトルの間の角度差を入射角の関数として示すグラフである。グラフは、規格化周波数Λ/λ＝０.５７及びｒ/Λ＝０.３５の構造について、２つの偏波（ＴＥ及びＴＭ）に対応する２つのポインティングベクトルが２０°の角度をなして分離するであろうことを示す。すなわち、フォトニック結晶構造の出力において１２５μｍの分離を達成するために必要なフォトニック結晶構造の厚さはほぼ３５０μｍである。
【００２６】
発明者等は角度不感偏極素子を作成できることを発見した。発明者等は、ガラスマトリクスまたはシリカマトリクス内の三角配置空気孔格子におけるＴＥ偏波に対し、周期平面における全ての角度についてバンドギャップを見いだした。このバンドギャップは角度不感偏極素子の構成に利用することができる。チャネルの寸法及び規格化周波数に対する適切な値が図５に示される。図５に示される２本の曲線はＴＥ偏波光に対するバンドギャップの上端及び下端を表す。
【００２７】
例として図６はピッチが２５０ｎｍのフォトニック構造を示す。グラフはこの素子についての波長感度及びチャネル寸法感度を示す。波長５００ｎｍで動作している偏極素子について、この構造は８５〜９０ｎｍの範囲のチャネル寸法を許容するであろう。チャネル寸法が特に、例えば８７.５ｎｍであれば、この素子の偏極波長範囲は４９５ｎｍから５０５ｎｍであろう。スペクトル感度Δλ/λ及び構造感度ΔΛ/Λが図７に示され、この素子についての許容量が表２に示される。
【表２】
2009543129.tif 000007
【００２８】
すなわち、図７及び表２で示されるような素子を用いれば、２つの偏波が同じ角度で素子に入射したときに、一方の偏波には素子を通る伝搬に利用できるモードがないが、他方の偏波は素子を通って伝搬して別の側から出射する、偏極素子が得られるであろう。
【００２９】
電磁波スペクトルのＩＲ光範囲及び可視光範囲において光を偏極させることができるガラス偏極素子を作成する方法が説明される。１００μｍから数ｍｍの範囲、好ましくは２００〜９００μｍの範囲の、様々な厚さのガラスプレートがガラス偏極素子を作成するために用いられ、チャネルまたは穴が穴開けされるかまたは別の方法でプレートに形成され（図８を見よ）、チャネルまたは穴は本発明の肝要部分である。ガラスに空気孔アレイを形成するために穴が開けられる。穴開けは一般にＣＯ２レーザで行われるが、他の穴開け方法を用いることができる。ガラスは、高純度溶融石英（ＨＰＳＦ）ガラス、Ｖｙｃｏｒ、超低膨張（ＵＬＥ）ガラスあるいは、レーザまたは通常の穴開けの下で穴開けプロセス中に誘起される応力によりクラックが発生しないその他いずれかのガラスとすることができる。ガラス体の高さは変えることができ、少なくとも数ｃｍである。これは、ガラス体が空気孔の寸法を特定の波長に望ましい寸法まで縮小するために後に延伸されるから、重要である。例えば、青色可視電磁波領域における偏極が必要であれば、構造内の空気孔の寸法及びピッチは数１００ｎｍのオーダーとすべきである。これは、図８に示されるようなプレートの重ね合わせでつくられたガラス体を延伸して、数１００ｎｍのオーダーの径及びピッチをもつチャネルを作成することで達成される。
【００３０】
本発明を限られた数の実施形態に関して説明したが、本開示の恩恵を有する当業者には、本明細書に開示されるような本発明の範囲を逸脱しない別の実施形態が案出され得ることを認めるであろう。例えば、本明細書に説明されるガラス素子は本明細書に示される原理を利用することによって高分子材でも作成することができる。したがって、本発明の範囲は添付される特許請求に範囲によってのみ限定されるべきである。
【符号の説明】
【００３１】
３０    フォトニック結晶
１００    ガラスフォトニック結晶プレート
１１０    穴（チャネル）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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