(57)【要約】      （修正有）【課題】  従来よりも広い反射波長範囲を持つ波長選択素子を実現する。【解決手段】  導波モード共鳴格子素子は、基板１上に格子層２を備えて構成される。格子層２は、格子部材２１を、基板１の上に周期的に配置することにより形成されており、互いに隣接する格子部材２１の間にはどのような部材も充填されない構造となっている。格子層２の平均屈折率は基板１の屈折率よりも大きい。格子層２に対する格子部材２１の充填率が０．５以上０．７５以下である。【選択図】図１
2006350126.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
上記基板上に形成された、格子部材を空間を隔てて周期的に配置してなる格子層とを備えており、
上記格子層の平均屈折率は上記基板の屈折率よりも大きいことを特徴とする波長選択素子。
【請求項２】
上記格子層に対する上記格子部材の充填率が０.５以上０.７５以下であることを特徴とする請求項１に記載の波長選択素子。
【請求項３】
上記格子部材の材料の屈折率が２以上であることを特徴とする請求項２に記載の波長選択素子。
【請求項４】
上記格子部材は、上記波長選択素子に入射させる光に対して光学的に透明であることを特徴とする請求項１ないし３のうち何れか一項に記載の波長選択素子。
【請求項５】
上記格子部材が配置される周期は、上記波長選択素子に入射する光の真空中の波長よりも小さいことを特徴とする請求項１ないし４のうち何れか一項に記載の波長選択素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特定波長の光を反射する波長選択素子に関するものであって、特に、波長変動範囲の大きい光源に対して利用可能な波長選択素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
導波路と、入射光の波長と同程度の周期を持つ回折格子とを備えた素子は、共鳴条件を満たす特定の波長を持つ入射光のみを選択的に反射し、それ以外の入射光を透過するという性質を有しており、導波モード共鳴格子素子（guided-mode resonant grating）として知られている。
【０００３】
導波モード共鳴格子素子の一般的な構成を図４を用いて説明する。導波モード共鳴格子素子は、基板１１０、導波路１２０、および、回折格子１３０から構成される。回折格子１３０は、導波路１２０の上に、格子部材１３１を周期的に配置することで形成される。
【０００４】
導波モード共鳴格子素子は、鋭い波長選択性を有するため、狭帯域の反射型の波長選択素子として利用することが可能である。このような導波モード共鳴格子素子に関する文献としては、特許文献1および２が挙げられる。特許文献1では、導波モード共鳴格子素子の偏光依存性をなくす構造が提案されている。また、特許文献２では、導波モード共鳴格子素子を光波長多重方式（ＷＤＭ）等に用いる波長分離フィルタに適用したものが提案されている。
【０００５】
また、導波モード共鳴格子素子は、回折格子１３０および導波路１２０を基板１１０の上に形成する上述の構成に限らない。例えば、図５に示すように、互いに屈折率の異なる格子部材１４１と格子部材１４２とを周期的に配置してなる格子層１４０を、基板１１０に形成した構成とすることも可能である（例えば、非特許文献１）。上記格子層１４０の平均屈折率が、基板１００の屈折率より大きいとき、格子層１４０が導波路としての機能も果たし、上記構成の導波モード共鳴格子素子においても、入射光に対する選択的反射が実現する。（ただし、非特許文献１においては、入射光の偏光方向は、図示した方向とは異なり、格子部材１４１に平行な方向である。）
【特許文献１】特開２０００−２７５４１５（公開日：平成１２年１０月６日）
【特許文献２】特開２００２−２２９１８（公開日：平成１４年１月２３日）
【非特許文献１】OPTICAL REVIEW Vol. 10, No. I (2003) 1 3-18 "Wave Localization of Doubly Periodic Guided-mode Resonant Grating" Akio MIZUTANI, Hisao KIKUTA and Koichi IWATA
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の導波モード共鳴格子素子は、鋭い波長選択性を有するため、波長変動の大きい光源に対する波長選択素子として利用できないという問題があった。すなわち、導波モード共鳴格子素子を種々の民生用途で用いようとする場合、その用途によっては、反射波長が狭帯域である導波モード共鳴格子素子を利用することは困難であった。これは、種々の民生用途で使用される光源では、使用される光源の波長自体に大きなばらつきがあったり、また、同じ光源であっても使用環境により波長が大きく変動したりするためである。
【０００７】
例えば、光ディスク用ピックアップ等に備えられるダイクロックミラーに導波モード共鳴格子素子を用いる場合、該導波モード共鳴格子素子の反射波長が狭帯域であれば、光源温度の変化によって所望の反射特性が得られなくなる。例えば、光ディスク用ピックアップに用いられている赤色光源から発する光の波長は、同じ光源であっても、光源の温度環境等により２０ｎｍ程度の範囲で変動する。一方で、図４に示す従来の導波モード共鳴格子素子では、図６に示すグラフから分かるように、入射波の波長と反射率との関係において、反射率が８０％以上に達する波長領域は通常１ｎｍ程度である。従って、上記光ディスク用ピックアップ等に備えられる、赤色光反射用のダイクロックミラーに従来の導波モード共鳴格子素子を用いる場合、光源温度に依存して入射光の波長域が変動すると、入射光の大部分は反射されずに透過してしまうという不具合を生じる。
【０００８】
このため、導波モード共鳴格子素子を種々の民生用途で使用する場合、その用途によっては、該素子の反射波長帯域を、光源の波長変動範囲に比して広帯域化する必要がある。
【０００９】
しかしながら、以下で説明するように、図４に示す構造の導波モード共鳴格子素子では、その反射波長帯域を広帯域化することは困難である。なお、以下の説明では、導波モード共鳴格子素子の反射率が８０％以上になる波長範囲Δλとし、その中心波長λの比を百分率で表した（Δλ／λ）×１００を反射波長範囲として、導波モード共鳴格子素子の反射波長帯域を特徴づける指標として用いた。
【００１０】
まず、図４に示した導波モード共鳴格子素子において、格子部材１３１の高さｄを変化させることによる、反射波長範囲の広帯域化について述べる。
【００１１】
図７に、基板１１０の屈折率ｎ１１０を１．５、導波路１２０の屈折率ｎ１２０を２、導波路１２０の高さｈを１６０ｎｍ、格子部材１３１の屈折率ｎ１３１を１．６、回折格子１３０の周期Λを３９０ｎｍ、回折格子１３０の格子周期Λに対し格子部材１３１の幅ｗが占める割合（以後、充填率と記載する）ｆを５０％とした場合のシミュレーション結果を示す。なお、導波モード共鳴格子素子に入射する入射光Ｌ１は、該素子に垂直に入射するものとし、また、該入射光Ｌ１の偏光方向は図示したように格子部材１３１に直交するものとした。
【００１２】
上述した光ディスク用ピックアップに用いられる赤色光源では、波長６５５ｎｍに対する波長変動が±１０ｎｍ程度あり、前記光源に対する波長選択素子として、導波モード共鳴格子素子に要求される反射波長範囲は３％程度である。しかしながら、図７に示したグラフによれば、回折格子の高さｄを変化させても、反射波長範囲も変化は殆どなく、要求される反射波長範囲３％を達成することは困難であることが分かる。
【００１３】
さらに、図４に示した導波モード共鳴格子素子における、回折格子１３０を形成する格子部材１３１の屈折率ｎ１３１を変化させることによる、反射波長範囲の広帯域化について述べる。
【００１４】
図８に、基板１０１の屈折率ｎ１０１を１．５、導波路１２０の屈折率ｎ１２０を２、導波路１２０の高さｈを１６０ｎｍ、格子部材１３１の高さｄを１２５ｎｍ、回折格子１３０の周期Λを３９０ｎｍとした場合のシミュレーション結果を示す。なお、導波モード共鳴格子素子に入射する入射光Ｌ１は、該素子に垂直に入射するものとし、また、該入射光Ｌ１の偏光方向は図示したように格子部材１３１に直交するものとした。
【００１５】
図８に示したグラフによれば、格子部材１３１の屈折率ｎ１３１が２．９以上の場合、上記導波モード共鳴格子素子の反射波長範囲は３％を超えている。しかしながら、２．９以上の屈折率を持つ透明部材は限られており、このとき、設計の自由度は著しく制限されるという問題が生ずる。
【００１６】
次に、図５に示す構造の導波モード共鳴格子素子に関して、反射波長範囲の広帯域化、特に、格子層１４０を形成する格子部材１４１と格子部材１４２との屈折率差Δｎを変化させることによる広帯域化を検討する。
【００１７】
図９に、基板１１０の屈折率ｎ１１０を１．５、格子層１４０の平均屈折率ｎaveを２、格子層１４０の高さｈを１６０ｎｍ、格子周期Λを３９０ｎｍ、格子周期Λに対し格子部材１４１の幅ｗが占める割合ｆを５０％とした場合のシミュレーション結果を示す。なお、導波モード共鳴格子素子に入射する入射光Ｌ１は、該素子に垂直に入射するものとし、また、該入射光Ｌ１の偏光方向は図示したように格子部材１４１に直交するものとした。
【００１８】
図９に示したグラフによれば、格子層１４０における屈折率差Δｎが大きいほど反射波長範囲が広がり、格子層１４０における屈折率差Δｎが１．３以上の場合に、上記導波モード共鳴格子素子の反射波長範囲は３％を超えることが分かる。しかしながら、格子層１４０を構成する２つの格子部材（格子部材１４１と格子部材１４２）のうち、低い屈折率を持つ格子部材として、屈折率１．５程度の一般的な部材を使用すると、格子層１４０における屈折率差Δｎを１．３以上にするためには、もう一方の格子部材の屈折率を２．８以上にする必要がある。２．８以上の屈折率を持つ透明部材は限られており、従って、上記構成を持つ導波モード共鳴格子素子においては、設計の自由度が著しく制限されるという問題を生じる。
【００１９】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、従来よりも広い反射波長範囲を持つ波長選択素子を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明に係る波長選択素子は、上記課題を解決するために、基板と、上記基板上に形成された、格子部材を空間を隔てて周期的に配置してなる格子層とを備えており、上記格子層の平均屈折率は上記基板の屈折率よりも大きいことを特徴としている。
【００２１】
上記構成によれば、上記格子層の平均屈折率を上記基板の屈折率よりも大きいものとすることにより、上記格子層は回折格子と導波路との両方の機能をはたし、特定の波長の入射波を選択的に反射する選択的反射が実現する。
【００２２】
しかも、上記構成によれば、上記格子層は上記基板上に格子部材を空間を隔てて周期的に配置してなる構成であり、互いに隣接する格子部材の間には固体や液体よりなる部材は充填されない。すなわち、上記波長選択素子では、導波路を形成するための部材が設けられておらず、回折格子を形成する格子部材間に存在する空気層を導波路として機能させることとなる。このため、格子部材の空間を透明部材で埋めた構成を有する従来の導波モード共鳴格子素子に比べ、格子層内の屈折率差が大きくなり、該波長選択素子の反射波長範囲が広がる。
【００２３】
また、本発明に係る波長選択素子では、上記格子層に対する上記格子部材の充填率が０.５以上０.７５以下であることが好ましい。
【００２４】
上記構成によれば、該波長選択素子の反射波長範囲をより広くすることができる。
【００２５】
本発明に係る波長選択素子では、上記格子部材の材料の屈折率が２以上であることが好ましい。
【００２６】
上記構成によれば、充填率が０．５以上０．７５以下の範囲において、基板としてガラス等の１．５程度の屈折率を持つ部材の使用が可能となり、広い反射波長範囲を持つ波長選択素子を、低コストで作製できる。
【００２７】
本発明に係る波長選択素子では、上記格子部材は、上記波長選択素子に入射させる光に対して光学的に透明であることが好ましい。
【００２８】
上記構成によれば、上記格子部材による光の吸収を抑制でき、上記波長選択素子に入射する光の利用効率を上げることが可能になる。
【００２９】
本発明に係る波長選択素子では、上記格子部材が配置される周期は、上記波長選択素子に入射する光の真空中の波長よりも小さいことが好ましい。
【００３０】
上記構成によれば、上記波長選択素子において、発生する回折光の次数を少なくでき、上記波長選択素子に入射する光の利用効率を上げることが可能になる。
【発明の効果】
【００３１】
本発明に係る波長選択素子は、以上のように、基板と、上記基板上に形成された、格子部材を空間を隔てて周期的に配置してなる格子層とを備えており、上記格子層の平均屈折率は上記基板の屈折率よりも大きい構成である。
【００３２】
それゆえ、上記波長選択素子では、回折格子を形成する格子部材間に存在する空気層を導波路として機能させることとなる。このため、格子部材の間の空間を透明部材で埋めた構成を有する従来の導波モード共鳴格子素子に比べ、格子層内の屈折率差が大きくなり、該波長選択素子の反射波長範囲が広がるといった効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
本実施の形態に係る導波モード共鳴格子素子（波長選択素子）の構成について図１（ａ）および図１（ｂ）に基づいて説明すれば以下の通りである。なお、図１（ａ）は導波モード共鳴格子素子の側面図であり、図１（ｂ）は該素子の平面図である。
【００３４】
図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、本実施の形態に係る導波モード共鳴格子素子は基板１上に格子層２を備えて構成されている。また、格子層２は、格子部材２１を、基板１の上に周期的に配置することにより形成されており、互いに隣接する格子部材２１の間には固体や液体からなる部材は充填されていない構造である。
【００３５】
すなわち、従来の導波モード共鳴格子素子は、回折格子を形成する部材（図４における格子部材１３１）と導波路を形成する部材（図４における導波路１２０）との両方を備えるか、導波路として高屈折率部材（図５における格子部材１４１）と低屈折率部材（図５における格子部材１４２）とを備えることが構造的な前提であった。これに対し、本実施の形態に係る導波モード共鳴格子素子では、導波路を形成する部材、および、低屈折率部材が設けられていない。つまり、回折格子を形成する格子部材２１の間には空気層が存在し、この空気層を導波路として機能させることを構造的な特徴としている。
【００３６】
ここで、上記導波モード共鳴格子素子を波長選択素子として機能させるためには、基板１の屈折率ｎ１よりも導波路２の平均屈折率ｎaveを高くしておく必要がある。導波路２の平均屈折率ｎaveは、格子部材２１の充填率をｆ、格子部材２１の屈折率をｎ２１とすれば、空気の屈折率が1であることより、
ｎave＝ｎ２×ｆ＋（１−ｆ）    ・・・（１）
により計算される。そして、導波路２の平均屈折率ｎaveと基板１の屈折率ｎ１にはｎave＞ｎ１の関係があるので、最終的に
ｎ２×ｆ＋（１−ｆ）＞ｎ１    ・・・（２）
の関係が必要である。
【００３７】
尚、格子部材２１の幅ｗ、および格子部材２１を基板１上に配置する周期（すなわち、格子周期）Λは、ｎave  ＞  ｎ１となる範囲で設定すればよい。
【００３８】
続いて、本実施の形態に係る導波モード共鳴格子素子の反射波長範囲について、図５に示した従来の導波モード共鳴格子素子と比較しながら説明すれば以下の通りである。なお、以下の説明では、図５に示した従来の導波モード共鳴格子素子においては、格子部材１４１の屈折率が格子部材１４２の屈折率よりも高いものとする。
【００３９】
本実施の形態に係る導波モード共鳴格子素子は、図５に示した従来の導波モード共鳴格子素子と比較すれば、格子層１４０を構成する低屈折率格子部材１４２を有さず、低屈折率格子部材１４２を空気層に置き換えた構造とも言える。空気の屈折率は１であり、従来の導波モード共鳴格子素子において低屈折率の格子部材１４２として通常用いられる一般的な透明部材の屈折率（例えば、ガラスの場合、約１．５）と比べてさらに小さい。このため、本実施の形態に係る導波モード共鳴格子素子においては、反射波長範囲を広げるために要求される格子層内の屈折率差を確保することが容易になる。すなわち、格子部材２１として、従来の導波モード共鳴格子素子における高屈折率の格子部材１４１の屈折率と比べて、小さい屈折率を持つ材料の選択が可能になる。
【００４０】
また、本実施の形態において格子層２を形成する格子部材２１を、従来の導波モード共鳴格子素子において格子層１４０を構成する高屈折率格子部材１４１と同じ屈折率を持つ材料で形成した場合、本実施の形態に係る導波モード共鳴格子素子の反射波長範囲は、従来の導波モード共鳴格子素子の反射波長範囲と比べて広くなる。
【００４１】
図２に、本実施の形態に係る導波モード共鳴格子素子と、従来の導波モード共鳴格子素子（図５の構造）とのそれぞれにおける入射波の波長に対する反射率の変化を表すグラフを示す。本実施の形態に係る導波モード共鳴格子素子では、基板１の屈折率ｎ１を１．５、格子部材２１の屈折率ｎ２１を２．５、格子部材２１の高さｈを１６０ｎｍ、格子層２の格子周期Λを３９０ｎｍ、充填率ｆを５０％に設定している。また、従来の導波モード共鳴格子素子では、基板１１０の屈折率ｎ１１０を１．５、高屈折率格子部材１４１の屈折率ｎ１４１を２．５、低屈折率格子部材４２の屈折率ｎ１４２を１．５、格子部材１４１および格子部材１４２の高さｈを１６０ｎｍ、格子層１４０の格子周期Λを３９０ｎｍ、充填率ｆを５０％に設定している。なお、いずれの場合も、導波モード共鳴格子素子に入射する入射光Ｌ１は、該素子に垂直に入射するものとし、また、該入射光Ｌ１の偏光方向は図示したように格子部材に直交するものとした。
【００４２】
上記２つのグラフを比較すれば、格子部材２１の屈折率と格子部材１４１の屈折率とが同一であっても、本実施の形態に係る導波モード共鳴素子の方が、従来の導波モード共鳴格子素子と比べて、広い反射波長範囲が得られることが分かる。
【００４３】
なお、本実施の形態に係る導波モード共鳴格子素子においては、格子層２を形成する格子部材２１は、入射光に対して光学的に透明であることが望ましい。ここで、入射光に対して光学的に透明とは、該素子に入射させる光の波長域において、透過率が７０％以上であることを意味する。格子部材２１が入射光に対して光学的に透明であることにより、該格子部材による光の吸収を抑制でき、該素子に入射する光の利用率を上げることが可能となる。
【００４４】
また、本実施の形態に係る導波モード共鳴格子素子においては、前記格子部材２１を周期的に配置して形成される格子の格子周期は、該素子に入射させる光の波長より小さくすることが好ましい。格子周期を入射光の波長より短くすることで、発生する回折光の次数を少なくでき、該素子に入射する光の利用効率を上げることが可能となる。
【００４５】
また、本実施の形態に係る導波モード共鳴格子素子においては、充填率ｆは、０．５以上０．７５以下であることが好ましい。図３に示したグラフは、基板１の屈折率ｎ１を１．５、格子部材２１の屈折率ｎ２１を２．５、格子部材２１の高さｈを１６０ｎｍ、格子層２の格子周期Λを３９０ｎｍに設定した場合の、充填率ｆに対する反射波長範囲の変化を示すグラフである。上記グラフによれば、充填率ｆが概ね０．６のとき反射波長範囲が最大となり、また充填率ｆが０．５以上０．７５以下の範囲にあれば、最大反射波長範囲の９０％以上の反射波長範囲を達成できることが分かる。
【００４６】
また、本実施の形態に係る導波モード共鳴格子素子において、充填率ｆを上記のように０．５以上０．７５以下の範囲にした場合、さらに、格子部材２１の屈折率ｎ２１は２以上であることが好ましい。これは、格子層２の平均屈折率ｎaveを基板１の屈折率ｎ１より大きくする（格子層２を導波路として機能させる）には、充填率ｆが小さいときほど格子部材２１の屈折率ｎ２１を大きくする必要があるためである。
【００４７】
すなわち、基板１の屈折率ｎ１が決まると、上記（２）式を満たすためには、充填率ｆが小さいほど、格子部材２１において高い屈折率ｎ２１が必要となる（充填率ｆが０．５以上０．７５以下の範囲にあるときは、充填率ｆを０．５とした場合に、最も高い屈折率が必要となる）。基板１として一般的なガラスを用いる場合、すなわち基板１の屈折率ｎ１が１．５の場合、充填率ｆを０．５とすると、格子部材２１の屈折率ｎ２１が２以上のとき、格子層２は導波路として機能する。すなわち、格子部材２１の材料として屈折率が２以上の材料を用いれば、基板１をガラスなどの一般的な透明部材で形成することが可能になる。尚、屈折率２以上の材質としては、例えば、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、ＴｉＯ２、ＳｒＴｉＯ３、Ｂｉ１２ＳｉＯ２０、Ｂｉ１２ＧｅＯ２０、ＧａＰ、ＣｄＳ、ＰＬＺＴなどがある。
【００４８】
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に記載した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
波長変動範囲の大きい光源に対する波長選択素子として利用可能であり、例えば、光ディスク用光ピックアップに使用されるダイクロイックミラー等に使用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】図１（ａ）は、本発明の実施形態を示すものであり、導波モード共鳴格子（波長選択素子）の構成を示す側面図である。図１（ｂ）は、本発明の実施形態を示すものであり、導波モード共鳴格子（波長選択素子）の構成を示す平面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る導波モード共鳴格子素子と、従来の導波モード共鳴格子素子とに関して、入射波の波長と反射率の関係を表すグラフである。
【図３】本発明の実施形態に係る導波モード共鳴格子素子に関して、充填率と反射波長範囲の関係を示すグラフである。
【図４】従来技術を示すものであり、基板と導波路と回折格子とを備える導波モード共鳴格子素子の構成を示す側面図である。
【図５】従来技術を示すものであり、基板と格子層とを備える導波モード共鳴格子素子の構成を示す側面図である。
【図６】図４に示す従来の導波モード共鳴格子素子に関して、入射波の波長と反射率との関係を示すグラフである。
【図７】図４に示す従来の導波モード共鳴格子素子に関して、格子部材の高さと反射波長範囲との関係を示すグラフである。
【図８】図４に示す従来の導波モード共鳴格子素子に関して、格子部材の屈折率と反射波長範囲との関係を示すグラフである。
【図９】図５に示す従来の導波モード共鳴格子素子に関して、格子層を構成する２つの格子部材の屈折率差と反射波長範囲の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５１】
１  基板
２  格子層
２１  格子部材
Ｌ１  入射光
【図１】
2006350126.tif 000003
【図２】
2006350126.tif 000004
【図３】
2006350126.tif 000005
【図４】
2006350126.tif 000006
【図５】
2006350126.tif 000007
【図６】
2006350126.tif 000008
【図７】
2006350126.tif 000009
【図８】
2006350126.tif 000010
【図９】
2006350126.tif 000011