(57)【要約】【課題】ＬＤやＬＥＤなどをアレイ状にして用いるいわゆるアレイ光源では、発光時の発熱の問題や、狭ピッチ化困難などの問題で所望の用途に適さない状況が出てきている。２次元フォトニック結晶の線欠陥導波路を利用したアレイ状の光源の提案があるが、光のＯｎ／Ｏｆｆ制御には触れられていない。また１次元フォトニック結晶を利用したアレイ状の光源は提案されていない。【解決手段】導光体１の両面に誘電体多層膜２を形成し、その一方の面に、部分的な欠陥層３を必要に応じて、例えば所定ピッチで列状に複数設ける。光束Ｌの入射面は反射防止膜４を設けて入射光量の損失を防ぐ。導光体１に入射した光束Ｌは、原則としては誘電体多層膜２で反射を繰り返して進み、導光体１の終端から外部へ出ていく。光束Ｌが欠陥層３に到ったときは反射の条件から外れるため、欠陥層３の位置で外部へ出ていく。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、導光路デバイスと、前記光源からの光束を前記導光路デバイスに入射させるための結合素子を有し、前記導光路デバイスは、導光体の両面に１次元フォトニック結晶多層膜を設け、該多層膜の片面の一部に、所定のピッチで欠陥層を設けたことを特徴とする発光デバイス。
【請求項２】
請求項１に記載の発光デバイスにおいて、前記結合素子はコリメータレンズとプリズムからなることを特徴とする発光デバイス。
【請求項３】
請求項１または２に記載の発光デバイスにおいて、前記欠陥層は蛍光体材料を含むことを特徴とする発光デバイス。
【請求項４】
請求項３に記載の発光デバイスにおいて、前記欠陥層は屈折率の変化する材料を含むことを特徴とする発光デバイス。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１つに記載の発光デバイスにおいて、前記導光体の終端に位相共役鏡を設けたことを特徴とする発光デバイス。
【請求項６】
請求項５に記載の発光デバイスにおいて、該発光デバイスは、前記位相共役鏡に用いる４光波混合を発生させるための光学系を配置したことを特徴とする発光デバイス。
【請求項７】
請求項５に記載の発光デバイスにおいて、該発光デバイスは、前記位相共役鏡に用いる縮体４光波混合を発生させるための光学系を配置したことを特徴とする発光デバイス。
【請求項８】
請求項６に記載の発光デバイスにおいて、前記光学系は前記結合素子を構成するコリメータレンズとプリズムの間に配置することを特徴とする発光デバイス。
【請求項９】
請求項１ないし８のいずれか１つに記載の発光デバイスを用いたことを特徴とする光書込み装置。
【請求項１０】
請求項１ないし８のいずれか１つに記載の発光デバイスを用いたことを特徴とする光通信装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プリンタ用光書込み用アレイ光源、光通信装置用アレイ光源などに用いることのできる、フォトニック結晶を利用する発光デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
図８は１次元フォトニック結晶の例を示す図である。
図９は１次元フォトニック結晶の透過光スペクトルを観察した結果を示す図である。
フォトニック結晶を用いて微小光回路を作製する考えは数多く提案されている。
フォトニック結晶とは屈折率の異なる材料を波長サイズ程度に周期的に配列した人工結晶であり、設計の自由度が大きく、特異な光学特性（フォトニックバンドギャップ、スーパーレンズ、スーパープリズムなど）を有する。
また、フォトニック結晶はその周期から１次元、２次元、３次元と分類される。このうち１次元フォトニック結晶はもっともシンプルな構造をもっている。図８は、１次元フォトニック結晶の例として非特許文献１に紹介されているものである。それによれば、同図（ａ）に示すように、ＴｉＯ２層とＳｉＯ２層の多層膜がガラス基板上にその膜厚が６００ｎｍ／４になるように交互に成膜されている。同図（ｂ）に示すように、中央部に欠陥層として厚さが１．６倍の層を設けている。
この２つのデバイスに光を入射し、その透過光スペクトルを観察した結果を図９に示す。欠陥層を含まない場合は波長６００ｎｍを中心とした広い範囲で透過率が低い領域が存在するが、欠陥層がある場合は鋭い透過ピークが存在する。欠陥層を含まないときの透過率の低い領域が伝播方向を限定した場合のフォトニックバンドギャップに対応する。また、欠陥層がある場合、フォトニックバンドギャップ中に欠陥準位ができ、欠陥準位に相当する波長の光が透過することとなる。欠陥層に共鳴する光を入射すると１次元フォトニック結晶中で多重反射が生じ、光電場は欠陥層のまわりに局在化する。
【０００３】
図１０は全反射型１次元フォトニック結晶の作用を説明する図である。
次に、同じ１次元フォトニック結晶の例として、非特許文献２に記載された全反射型１次元フォトニック結晶の例を同図に示した。これはプリズムの表面にＴｉＯ２とＳｉＯ２の多層膜を設け、欠陥層として色素ドープした有機膜が設けられている。このデバイスに光が入射すると共鳴する波長や入射角でなければ光は欠陥層表面での全反射により光を閉じ込めることができる。
また、２次元フォトニック結晶を利用した例を説明する。結晶の周期性から光の伝播が禁じられるフォトニックバンドギャップをもつフォトニック結晶に対して、線状の欠陥を導入することによりフォトニック結晶導波路を作成することができる。欠陥とは周期構造に対して屈折率の異なる材料あるいは周期構造を乱す配列（大きさ）を持ったものである。この線状の欠陥では光が伝播することができ、また周囲はフォトニックバンドギャップであるので光は線欠陥にほぼ閉じ込められて伝播するため、光導波路として機能する。
【０００４】
ここで、線状欠陥をもつフォトニック結晶に対して、線状欠陥のそばに点欠陥を配置すると、点欠陥から光が放出されるという現象がある。この現象を利用して光の合波分波するデバイスが提案されている（例えば、特許文献１  参照。）。これは点欠陥が導波路を伝播する光のなかである特定の条件を満たす光だけを捕獲し放射するものである。また、外部から特定の条件を満たす光だけを取り入れて導波路を伝播させる働きをもつものである。
一方、アレイ光源の例としては、ＬＤやＬＥＤのアレイ光源が一般的で、その他の構成として、導波路を使ったものとして出射側のピッチを入射側よりも狭ピッチにしたアレイ光源がある（例えば、特許文献２  参照。）。さらに、ビームを複数の導波路に分岐し、電気光学素子でＯｎ／Ｏｆｆするアレイ光源も提案 されている（例えば、特許文献３  参照。）。
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−２７２５５号公報
【特許文献２】特開２００１−３５０２３１号公報
【特許文献３】特開平８−２２０４６４号公報
【非特許文献１】井上、他、”１次元フォトニック結晶における光電場増強と高速光応答”、光学、Ｖｏｌ．３０、Ｎｏ．２，２００１）
【非特許文献２】H. Inouye、他、 念ptical Properties of a Total-Reflection-Type One-Dimensional Photonic Crystal煤AIEEE J. Quantum Electron、Vol.38、No.7 (2002)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
通常のアレイ光源、たとえばＬＥＤアレイやＬＤアレイでは発光時の熱の問題があり、任意のピッチ、特に狭ピッチ化が困難であり、かつ材料の制約により任意の波長の光源を準備するのは困難である。また、高い光源出力が欲しくても、デバイス構造上などから高い出力を得られないことがある。
一方、１次元フォトニック結晶を利用した光源アレイの構成は提供されていない。また、２次元フォトニック結晶の線欠陥導波路の近傍に点欠陥を配置し、入射した光を共鳴させて取り出す構成が提供されているが、光のＯｎ／Ｏｆｆ制御については述べられていない。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に記載の発明では、光源と、導光路デバイスと、前記光源からの光束を前記導光路デバイスに入射させるための結合素子を有し、前記導光路デバイスは、導光体の両面に１次元フォトニック結晶多層膜を設け、該多層膜の片面の一部に、所定のピッチで欠陥層を設けた発光デバイスを特徴とする。
請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の発光デバイスにおいて、前記結合素子はコリメータレンズとプリズムからなることを特徴とする発光デバイス。
請求項３に記載の発明では、請求項１または２に記載の発光デバイスにおいて、前記欠陥層は蛍光体材料を含むことを特徴とする。
【０００８】
請求項４に記載の発明では、請求項３に記載の発光デバイスにおいて、前記欠陥層は屈折率の変化する材料を含むことを特徴とする。
請求項５に記載の発明では、請求項１ないし４のいずれか１つに記載の発光デバイスにおいて、前記導光体の終端に位相共役鏡を設けたことを特徴とする。
【０００９】
請求項６に記載の発明では、請求項５に記載の発光デバイスにおいて、該発光デバイスは、前記位相共役鏡に用いる４光波混合を発生させるための光学系を配置したことを特徴とする。
請求項７に記載の発明では、請求項５に記載の発光デバイスにおいて、該発光デバイスは、前記位相共役鏡に用いる縮体４光波混合を発生させるための光学系を配置したことを特徴とする。
【００１０】
請求項８に記載の発明では、請求項６に記載の発光デバイスにおいて、前記光学系は前記結合素子を構成するコリメータレンズとプリズムの間に配置することを特徴とする。
請求項９に記載の発明では、請求項１ないし８のいずれか１つに記載の発光デバイスを用いた光書込み装置を特徴とする。
請求項１０に記載の発明では、請求項１ないし８のいずれか１つに記載の発光デバイスを用いた光通信装置を特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は、１次元フォトニック結晶を利用し、任意のピッチのアレイ光源を提供することを目的とする。また、光の利用効率を上げるため、結晶中の光を往復させる構成を提供することを目的とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１、２は本発明の第１の実施形態を説明するための図である。
両図において符号１は導光体、２、２’は１次元フォトニック結晶としての誘電体多層膜、３は欠陥層、４は反射防止膜、１０は導光路デバイス、１１は光源、１２はコリメートレンズ、１３はプリズム、１４は基板、２０は発光デバイス、Ｌは光束をそれぞれ示す。
図１において、光束Ｌは左右方向に伝播可能であるとする。光束Ｌが伝播する導光体１の両面に誘電体多層膜層２、２’が成膜されている。導光体１は利用する光に対して透過率の高いガラスを使用している。また、誘電体多層膜２、２’として具体的には、ＴｉＯ２とＳｉＯ２の膜が交互に積層されている。そして、同図の上側の一部に欠陥層３が成膜されている。この欠陥層３は、ＳｉＯ２の膜で誘電体多層膜２部分のＳｉＯ２の膜に対して膜厚を厚くし欠陥層３としている。欠陥層３は、任意の個数を任意の位置に形成することができるが、実用的には、例えば、或る所定のピッチで等間隔に形成するとよい。
なお、光が入射する端面は入射時に発生する反射光を極力抑えるために反射防止膜４を用いている。また、導光体１の下の面にも誘電体多層膜２’を形成しているが、金属などの反射膜でもかまわない。
上記説明した誘電体多層膜２、２’が成膜された導光路デバイス１０を使った発光デバイス２０を図８に示した。発光デバイス２０は、光源１１と、光源１１から出た光束Ｌをコリメートするためのコリメートレンズ１２と、導光路デバイス１０の導光体１に光を入射するためのプリズム１３と、両面に誘電体多層膜２が成膜され一部欠陥層３を有する導光路デバイス１０で構成される。光源１１としては、半導体レーザーや固体レーザーやＳＨＧレーザーなどがある。また、コリメートレンズ１２は同図に示したように、半導体レーザーのそばに置くため、マイクロレンズなどが用いられる。さらにプリズム１３は、導光路デバイス１０へ設定した角度で入射できるような角度をもったプリズムとなっている。コリメートレンズ１２とプリズム１３を纏めて結合素子と称する。
【００１３】
この発光デバイス２０の動作について説明する。
光源から出た光束Ｌはコリメートレンズ１２でコリメート光となって、プリズム１３に入射する。そこで光束Ｌが導光路デバイス１０へ設定した角度で入射できるように屈折されて導光体１へ入射する。すると、光束Ｌは誘電体多層膜２内で通常は全反射されるのだが、図１に示したように入射した光束の一部は、欠陥層３があるので欠陥層３に局在化する光となる。このときに全反射の条件からずれるので欠陥層３に光が局在化し欠陥層３から発光する。反射した光は、下側で反射されて再び他の欠陥層３がある部分に到達し、また一部が出射する。このようにして複数の位置から出射する発光デバイス２０が構成される。欠陥層３が１本の線上に例えば等間隔で配列してあると、発光点はあたかも発光素子アレイの光源のような作用が期待できる。欠陥層を複数列に配列することももちろん容易である。このように、欠陥層の配置の仕方で、任意の位置から発光させることができるようになる。また、誘電体多層膜の構成を選ぶことで反射する光束の波長を異ならせることができるので、欠陥層によって取り出す光の波長を選ぶことができる。
ここで欠陥層３から出射されず反射された光束は導光路デバイス１０の導光体１の端縁（終端と呼ぶ）からそのまま抜けていくことになる。
【００１４】
図３は第２の実施形態を説明するための図である。
同図において符号３ａは屈折率の変化する層、３ｂは蛍光体層、Ｅ１、Ｅ２は屈折率の変化する層に電位差を与える透明電極をそれぞれ示す。
導光路デバイス１０の基本構成は第１の実施形態のそれと同じである。異なる点は欠陥層３の構成である。
この欠陥層３は、蛍光体が含まれた層３ｂと屈折率の変化する層３ａで構成されている。蛍光体としてはたとえば色素分子がある。また、屈折率の変化する層３ａとしては、電気光学効果などを利用した非線形材料や液晶などがある。屈折率の変化する層３ａの上下面に電極Ｅ１、Ｅ２を設けてその間に電圧をかけることで屈折率を変えることができる。電極Ｅ１、Ｅ２は、当然のことながら、ＩＴＯなどの透明電極を用いる。電界制御を複数の欠陥層３に関して個別に制御することによって、例えば画像書込などに用いることができる。なお、図示はしていないが、電極Ｅ２は誘電体多層膜２の上面を含めて全面に設けて共通電極とすることもできる。蛍光体層３ｂは、出射する光束の波長変換をさせるためであって、この層を省略してＥ１、３ａ、Ｅ２の層構成にしても良い。
この導光路デバイス１０を用いた発光デバイスの作用も第１の実施形態のそれとほぼ同様である。
【００１５】
このデバイスの動作について説明する。光源１１から出た光束Ｌはコリメートレンズ１２でコリメート光となって、プリズム１３に入射する。そこで光束Ｌが導光路デバイス１０へ設定した角度で入射できるように屈折されて導光路デバイス１０へ入射する。すると、光束は誘電体多層膜２内で通常は全反射されるのだが、図３に示したように入射した光は欠陥層３があるので欠陥層３に局在化する光となる。このときに欠陥層３内の屈折率が変化する層３ａの屈折率に変化を与えてない場合、全反射の条件のままであるので光がこの欠陥層から出射せず、全反射される。反射した光は、下側で反射されて再び他の欠陥層３がある部分に到達するが、ここで例えば、欠陥層内の屈折率の変化する層３ａに屈折率変化を与えたとすると全反射の条件からずれるので光が局在化し欠陥層３中の蛍光体３ｂから発光する。このようにして複数の位置にある欠陥層３から発光する発光デバイスとなる。ここで欠陥層３から出射されず反射された光束Ｌは導光体１の終端からそのまま抜けていくことになる。
このように、欠陥層に蛍光材料を用いることにより光源波長と異なる波長の光を出射させることができる。必要に応じて蛍光体を含む欠陥層と、含まない欠陥層とを混在させても良い。なお、先に示した第１の実施形態における欠陥層として、ここに示した蛍光体を用いることもできる。
また、屈折率の変化する層を用いることによって、出射させる光をＯｎ／Ｏｆｆさせることができる。
【００１６】
図４、５は第３の実施形態を説明するための図である。
両図において符号１５は位相共役鏡、１６、１６’は第１および第２のミラー、１７はポンプ光源、Ｌｐはポンプ光をそれぞれ示す。
導光路デバイス１０の構成は実施形態２のそれと同じである。この実施形態が第２の実施形態と異なる点は、導光路デバイス１０から光束Ｌが出射する導光体１の終端に位相共役鏡１５が配置されている点である。
導光路デバイス１０の基本的な作用は第２の実施形態のそれと同じである。
位相共役鏡１５には、ポンプ光源から出射したポンプ光Ｌｐが２つに分けられて、ミラー１６、１６’で反射し位相共役鏡１５に入射する構成となっている。
位相共役鏡とは、位相共役波を発生する媒質を鏡のように使用するものである。
位相共役波とは、光波の空間的位相の項がその位相変化を反転させた波のことである。
位相共役鏡から反射された光は入射光路に沿ってまったく逆向きに伝播していくという特徴がある。位相共役鏡１５としては、非線形光学材料を用いる。また、位相共役波を発生させる代表的な方法には、３次の非線形効果を利用した４光波混合がある。これは材料に対して、ポンプ光を反平行に対向するように入射し、入力光を入力するとまったく反対方向に位相共役光が発生する。
欠陥層３から出ていかなかった光束Ｌは、導光体１の終端から出ていくところであるが、この位置に位相共役鏡１５が配置されているため、光束Ｌは光路を逆戻りし、再度全反射条件の崩れた欠陥層３に達した光束Ｌは先に示したのと同じ原理で外部に出てゆく。こうして、光束の行きと帰りで効率よく光を取り出すことができる。
【００１７】
図６、７は第４の実施形態を説明するための図である。
図７において符号１８は光路分割素子、１９、１９’はミラーをそれぞれ示す。
導光路デバイス１０の構成は第３の実施形態のそれと同じである。
本実施形態が第３の実施形態と異なる点は、位相共役鏡１５の構成、および機能である。すなわち、本実施形態では、光源１１から出射し、コリメートレンズを通った光束Ｌをポンプ光Ｌｐとして利用する。光束は、光路分割素子１８で、プリズム１３を介して導光路デバイス１０に入射する光束Ｌと、２つのポンプ光Ｌｐに分けられ、ポンプ光Ｌｐはミラー１９、１９’を経て１６、１６’で反射され、位相共役鏡１５に入射する構成となっている。
本実施形態で用いる位相共役波を発生させる方法としては、３次の非線形効果を利用した縮退４光波混合がある。これは第３の実施形態で利用した４光波混合とは異なり、ポンプ光、入射光、位相共役光ともに同じ光源からの光を利用している。したがって、図７に示したようにポンプ光発生用の光源はない。ポンプ光の位相共役鏡に対する入射は４光波混合と同じで、ポンプ光を反平行に対向するように入射し、入力光を入力すると、第３の実施形態の場合と同様、まったく反対方向に位相共役光が発生する。
この方式は、光源１１からの同じ波長の光を利用して位相共役光を得るので、部品点数が少なくなる。
以上に説明した発光デバイスを光書込み装置の光源として用いれば、高密度の光源が得られ、高解像度の画像形成装置が得られる。本発明の発光デバイスは、誘電体多層膜と欠陥層の構成を変えることで、出射する光の波長を任意に選ぶことができるので、光源との組み合わせを選ぶことで、カラー画像に必要な３原色を構成することもできる。したがって、そのような３色の発光デバイスを組み合わせればカラー画像形成装置も構成できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の本発明の第１の実施形態を説明するための図である。
【図２】本発明の第１の実施形態を説明するための図である。
【図３】第２の実施形態を説明するための図である。
【図４】第３の実施形態を説明するための図である。
【図５】第３の実施形態を説明するための図である。
【図６】第４の実施形態を説明するための図である。
【図７】第４の実施形態を説明するための図である。
【図８】１次元フォトニック結晶の例を示す図である。
【図９】１次元フォトニック結晶の透過光スペクトルを観察した結果を示す図である。
【図１０】全反射型１次元フォトニック結晶の作用を説明する図である。
【符号の説明】
【００１９】
１      導光体
２      誘電体多層膜
３      欠陥層
４      反射防止膜
１０      導光路デバイス
１１      光源
１２      コリメートレンズ
１３      プリズム
１５      位相共役鏡
１７      ポンプ光源
１８      光路分割素子
【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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【図９】
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【図１０】
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