(57)【要約】【課題】導光体の１面に１次元フォトニック結晶を構成する多層膜中に欠陥層を設け、欠陥層の屈折率を変化させることで、導光体に入射させた光束を任意に取り出す発光デバイスは、入射光の透過率が角度依存性を有するため、入射光の入射角が製造誤差その他のために目標の角度からずれた場合、著しく透過率が低下する。【解決手段】導光体１に入射した光束は、欠陥層３に所定の電圧が与えられているとき、光束の一部が透過光となって多層膜２上面から出射する。出射点におかれたプリズム４によって出射光束の一部が分岐され、検出手段５に入射する。入射角が目標からずれているときは、検出手段５によって光束の位置ずれが検出される。そのずれ量に対応した電圧を欠陥層３に与えることによって、その入射角に最適な透過率分布が得られる。【選択図】  図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、光の入射面および出射面を有する導光体と、前記光源からの光束を前記導光体の入射面に入射させる結合光学素子とを有し、前記導光体の前記出射面に１次元フォトニック結晶多層膜を設け、該多層膜の一部に列設した屈折率可変の複数の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、前記欠陥層の屈折率を変化させる手段を有し、該屈折率の変化によって、前記結合素子からの入射光の入射角変化による透過率の低下を補償する制御を行なう制御手段を有することを特徴とする発光デバイス。
【請求項３】
請求項２に記載の発光デバイスにおいて、入射光の入射角変化に伴う前記出射光の位置変化を検出する検出手段を設けた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、前記出射光の一部を分岐させて前記検出手段に導くことを特徴とする発光デバイス。
【請求項５】
請求項２に記載の発光デバイスにおいて、前記入射光の入射角変化に伴う前記１次元フォトニック結晶多層膜からの反射光の位置変化を検出する検出手段を、前記入射面と同一の面に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、前記導光体の、前記検出手段の前面に半透鏡を設けたことを特徴とする発光デバイス。
【請求項７】
請求項３ないし６のいずれか１つに記載の発光デバイスにおいて、前記検出手段は、２分割フォトダイオードと演算回路とから構成されることを特徴とする発光デバイス。
【請求項８】
請求項３ないし６のいずれか１つに記載の発光デバイスにおいて、前記検出手段は、ポジションセンシティブデバイスと演算回路とから構成されることを特徴とする発光デバイス。
【請求項９】
請求項３ないし６のいずれか１つに記載の発光デバイスにおいて、前記制御手段は前記検出手段からの出力と、前記欠陥層にかけるべき電圧との関係を定めた対応表を記憶装置に有し、前記検出手段からの出力に対応した電圧を前記欠陥層に与えることを特徴とする発光デバイス。
【請求項１０】
請求項１ないし９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１１】
請求項１ないし９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９は１次元フォトニック結晶の例を示す図である。
図１０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９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１０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１１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。
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。
この他に１次元フォトニック結晶の例としては、多層膜に垂直に光を入射する３角形プリズム形状の分光素子がある（例えば、特許文献１  参照。）。
さらに多層膜による変調器の例としては、電気光学効果により屈折率変化が生じてデバイスの反射率が変化を起こし、変調器として作用するものもある（例えば、特許文献２  参照。）。
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３  参照。）。これは点欠陥が導波路を伝播する光のなかで或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４  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５  参照。）。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−３２９８２３号公報
【特許文献２】特開２００３−１９５２３８号公報
【特許文献３】特開２００１−２７２５５号公報
【特許文献４】特開２００１−３５０２３１号公報
【特許文献５】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。
１次元フォトニック結晶では入射光の入射角に対して透過・反射特性が敏感であり、特に１次元フォトニック結晶を構成する膜の層数が増えると、わずかな入射角のずれで透過・反射特性が変わってしまう。この結果たとえば、反射率あるいは透過率が悪くなり光の利用効率が劣化したり、スイッチ機能のＯＮ／ＯＦＦの強度比を悪くさせたりということがある。
１次元フォトニック結晶を利用した任意ピッチのアレイ光源において、入射光の入射角が変化しても、ほぼ同じ透過・反射特性が得られるよう、構成を変えることなく特性を補償する機能を設けたアレイ光源を提供することを目的とする。
【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、光の入射面および出射面を有する導光体と、前記光源からの光束を前記導光体の入射面に入射させる結合光学素子とを有し、前記導光体の前記出射面に１次元フォトニック結晶多層膜を設け、該多層膜の一部に列設した屈折率可変の複数の欠陥層を設けた発光デバイスを特徴とする。
【０００８】
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、前記欠陥層の屈折率を変化させる手段を有し、該屈折率の変化によって、前記結合素子からの入射光の入射角変化による透過率の低下を補償する制御を行なう制御手段を有することを特徴とする。
請求項３に記載の発明では、請求項２に記載の発光デバイスにおいて、入射光の入射角変化に伴う前記出射光の位置変化を検出する検出手段を設けたことを特徴とする。
【０００９】
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、前記出射光の一部を分岐させて前記検出手段に導くことを特徴とする。
請求項５に記載の発明では、請求項２に記載の発光デバイスにおいて、前記入射光の入射角変化に伴う前記１次元フォトニック結晶多層膜からの反射光の位置変化を検出する検出手段を、前記入射面と同一の面に設けたことを特徴とする。
【００１０】
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、前記導光体の、前記検出手段の前面に半透鏡を設けたことを特徴とする。
請求項７に記載の発明では、請求項３ないし６のいずれか１つに記載の発光デバイスにおいて、前記検出手段は、２分割フォトダイオードと演算回路とから構成されることを特徴とする。
請求項８に記載の発明では、請求項３ないし６のいずれか１つに記載の発光デバイスにおいて、前記検出手段は、ポジションセンシティブデバイスと演算回路とから構成されることを特徴とする。
請求項９に記載の発明では、請求項３ないし６のいずれか１つに記載の発光デバイスにおいて、前記制御手段は前記検出手段からの出力と、前記欠陥層にかけるべき電圧との関係を定めた対応表を記憶装置に有し、前記検出手段からの出力に対応した電圧を前記欠陥層に与えることを特徴とする。
請求項１０に記載の発明では、請求項１ないし９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１１に記載の発明では、請求項１ないし９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た任意のピッチのアレイ光源において、製造誤差等によってデバイスに入射する光束の入射角度が目標値と異なった場合でも、最大の透過率で出射できるよう補正することができ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は本発明に用いる発光デバイスの基本構成を説明するための図である。図１は多層膜の詳細を説明するための図、図２は発光デバイスの構成を説明するための図である。
両図において符号１は導光路を構成する基板、２、２’は誘電体多層膜、３は欠陥層、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、２０は発光デバイスをそれぞれ示す。
光が伝播する基板１（以下導光体１という）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（ここではＳｉＯ２）を使用している。誘電体多層膜２ａとして具体的には、ＴｉＯ２（ｎ＝２．３５）とＳｉＯ２（ｎ＝１．４６）の膜が交互に７層積層されている。それぞれの膜厚はＳｉＯ２が１０３ｎｍ、ＴｉＯ２が６４ｎｍである。そして、導光体１の図における上側には誘電体多層膜層の間に欠陥層３が成膜されている。この欠陥層３は、ＬｉＮｂＯ３（ｎ＝２．２）の膜で膜厚は１０５ｎｍである。欠陥層３の上には、ＳｉＯ２とＴｉＯ２の薄膜のペアが７層積層された誘電体多層膜２ｂが成膜されている。なお、導光体１の下の面も誘電体多層膜２’としているが、金属などの反射膜に代えてもかまわない。なお、実際にはＬｉＮｂＯ３薄膜に対して電圧を印加するための電極があるが、ここでは省略している。電極はアレイ化するために発光アレイの間隔となるように配置されている。
【００１３】
誘電体多層膜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２に示した。発光デバイス２０は、光源１１と、光源１１から出た光をコリメートするためのコリメートレンズ１２と、導光路１に光を入射させるためのプリズム１３と、上面に上述の一部欠陥層３を有する多層膜２が成膜され、下面に反射層が設けられた導光体１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、導光体１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。
【００１４】
この発光デバイス２０の動作について説明する。光源１１は赤色半導体レーザーとし、波長は６６０ｎｍとしている。光源１１から出た光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。そこで光が導光体１へ設定した角度である５°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、光は多層膜２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は欠陥層３があるので、欠陥層に或る所定の電圧を与えると欠陥層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から一部が出射し、欠陥層が発光したように見える。欠陥層３に所定の電圧が印加されないとき反射した光は、下側の反射層で反射されて再び欠陥層３がある部分に到達し、その欠陥層に電圧が加えられていれば、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となる。ここでどの欠陥層３からも出射されず反射された光は導光路デバイス１０からそのまま抜けていくことになる。しかし、何らかの原因により入射角が５°からずれた場合はこのデバイスの透過率（反射率）が変化する。なぜなら、多層膜を用いたデバイスの場合、透過率は波長依存性の他に、入射角依存性があるからである。この入射角依存性は光路長が変化することによるものである。欠陥層に注目して説明する。欠陥層の厚さをｄ、屈折率をｎとし、入射した光の入射角度をφとする。このとき、光路長はｎ×ｄ／ｃｏｓφとなる。ここで、入射開いた角度が変化すると、光路長が変化する。例えば、入射角φが大きくなると、ｃｏｓφは小さくなり、ｎとｄは変化がないとすると、光路長は長い方に変化する。ここで、屈折率を変化させて小さくすると、光路長がほぼ同じとすることが可能となる。このようにして、入射角変化に対して光路長の変化のない状況をつくることができる。しかし、実際には誘電体多層膜も入射角特性があるため、或る程度の補償はできても、デバイス全体の透過率・反射率を一定に保つことはできない。
【００１５】
図３、４は導光路デバイスへの光の入射角の違いによる透過率の違いを説明するための図である。図３は欠陥層に電圧を印加しない場合（ＯＦＦ）、図４は電圧を印加した場合（ＯＮ）をそれぞれ示す図である。
両図において符号Ｇ５は入射角５°のときの透過率分布、Ｇ６は入射角６°のときの透過率分布をそれぞれ示す曲線である。両図において横軸は波長、縦軸は透過率を示す。
図３において、実線で示した曲線Ｇ５では、波長６６０ｎｍで透過率が０．８１となっているが、点線で示した曲線Ｇ６では透過率が０．４２とほぼ半減する。ここでＬｉＮｂＯ３膜の部分に電圧を印加し、屈折率が２．２０５になったときの透過率分布を図４に示している。入射角６°の時の波長６６０ｎｍに注目すると透過率が０．７１となっており、屈折率変化により６６０ｎｍの波長に対する透過率が上昇している。このようにして入射角の変化による透過率の減少を補償する。所定の入射角からの角度変化量、と透過率分布曲線のピーク位置の移動量は実験および理論からあらかじめ分かっている。また、印加する電圧と上記ピーク位置の移動量も同様に分かっている。したがって、それらの対応表を作っておけば、入射光の角度変化量を検知することで、与えるべき電圧を決定することができる。良く知られた手段として、上記対応表を、いわゆるルックアップテーブルとして、制御手段の中に用意した記憶手段に記憶させておけばよい。
【００１６】
図５は本発明の第１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４はプリズム、５は検出素子をそれぞれ示す。
導光路デバイス１０の基本構成は、基本構成と同様なので詳細な説明は省略する。
導光路デバイス１０の上面にはプリズム４が配置され、プリズム４で光路を分岐した延長上には検出素子５がある。
導光路デバイス１０を用いた発光デバイス２０の構成も、基本構成において説明したものと同じ構成が用いられる。
導光路デバイス１０へ入射する光束の入射角は、プリズム１３によって所定の角度である５°に設定される。しかし、何らかの原因により入射角が５°からずれた場合は、その角度に対するこのデバイスの透過率（反射率）が異なる。この角度の変化量は、導光路デバイス１０を透過してきた光をプリズム４で分岐し、検出素子５上で光の位置を検出することにより、どの程度入射角がずれたか知ることができる。実際には欠陥層３に所定の電圧を加えてデバイスからの出射光を得、入射角５°の時に検出素子５で検出した位置を記憶しておき、その位置が変化したときは、その変化量を検知し、記憶手段に用意された対応表を用いて、欠陥層３に与えるべき電圧を読み出し、その電圧で欠陥層３の屈折率を変化させることにより、変化後の入射角において最も透過率が高くなる位置に反射率分布曲線が移動する。
【００１７】
図６は検出素子による位置の検出原理を説明するための図である。
同図において符号Ａ、Ｂは分割された検出素子単体、ＳＰは入射光束（スポット光）をそれぞれ示す。
同図は２分割フォトダイオード（ＰＤ）を用いた例であるが、ポジションセンシティブデバイス（ＰＳＤ）を用いることもできる。
２分割のＰＤは同図（ａ）に示したように２つのＰＤが近接して配置されたＰＤアレイであり、それぞれの出力の相対関係は同図（ｂ）から（ｄ）に示したように３つのタイプに分かれる。つまり、スポット光ＳＰの位置の変化に応じて、同図（ｂ）のＰＤ−ＡとＰＤ−Ｂの出力（この場合電流）が等しい場合（Ｉａ＝Ｉｂ）、同図（ｃ）のＰＤ−Ａの出力がＰＤ−Ｂの出力より大きい場合（Ｉａ＞Ｉｂ）、同図（ｄ）のＰＤ−Ａの出力がＰＤ−Ｂの出力より小さい場合（Ｉａ＜ＩＢ）がある。
光束の入射角が５°になるよう設定し、欠陥層３に所定の電圧を与えて検出素子の出力を見、そのときの両出力が等しくなるよう検出素子の位置を調整する。検出素子５からの出力が変化した場合、例えばＩａ−Ｉｂのようにその出力値を算出し、その値を元にして作成されている対応表から、欠陥層３に印加すべき電圧を読み取る。
【００１８】
図７はＰＳＤの動作原理を説明するための図である。
同図において符号５０はＰＳＤ検出素子、５１は高抵抗半導体基板、５２は抵抗層、５３は共通電極、５４、５５は信号取り出し電極をそれぞれ示す。
高抵抗半導体基板５１の片面または両面に均一な抵抗層５２が形成され、抵抗層５２の両端に信号取り出し用の一対の電極５４が設けられており、受光面は抵抗層であると同時にＰＮ接合も形成しており、光起電力効果により光電流を生成する。ＰＳＤにスポット光ＳＰが入射すると、入射位置には光量に比例した電荷が発生する。この電荷が光電流として抵抗層に到達し、それぞれの電極までの距離に逆比例して分割され、両端の２つの出力電極５４、５５から取り出され、その信号を演算することによりスポット光ＳＰの位置を知ることができる。設定した入射角５°のとき中央にスポット光ＳＰが来るように検出素子の位置を調整しておく。得られる電流値の一方をＩａ、他方をＩｂとしてＩａ−Ｉｂを算出する。以後の処理は上記と同様なので省略する。
【００１９】
図８は本発明の第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６は検出素子、７は半透鏡を示す。
本実施形態では導光体１の上面に誘電体多層膜２と欠陥層３を設ける点に関しては基本構成と同様である。異なる点は導光体１の下面に誘電体多層膜２の代わりに半透鏡と検出素子６を設けた点である。検出素子としては第１の実施形態の説明で述べたように、２分割ＰＤあるいはＰＳＤが利用できる。
欠陥層３に電圧を印加していない場合、入射光は多層膜２において反射され、下側の半透鏡７に到る。半透鏡７によって、光束は殆ど再反射されるが、一部は透過して検出素子６にはいる。その透過光量は検出素子の感度には足りる量であればよい。
光束の入射角が所定の角度からずれた場合は、検出素子６に対する誘電体多層膜２からの反射光のスポット光ＳＰの位置が変化するので、第１の実施形態の説明において述べたような方法で角度調整をすることができる。
特に図示はしていないが、半透鏡７は、検出素子６の前面部だけ半透鏡とし、それ以外の部分は全反射鏡である方がよい。
【００２０】
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。
欠陥層３のある位置に対応させて光ファイバの入力端を設ければ、光通信の端末器や中継器として用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明に用いる発光デバイスの基本構成を説明するための図である。
【図２】本発明に用いる発光デバイスの基本構成を説明するための図である。
【図３】導光路デバイスへの光の入射角の違いによる透過率の違いを説明するための図である。
【図４】導光路デバイスへの光の入射角の違いによる透過率の違いを説明するための図である。
【図５】本発明の第１の実施形態を説明するための図である。
【図６】検出素子による位置の検出原理を説明するための図である。
【図７】ＰＳＤの動作原理を説明するための図である。
【図８】本発明の第２の実施形態を説明するための図である。
【図９】１次元フォトニック結晶の例を示す図である。
【図１０】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１１】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】
【００２２】
１      導光体
２      誘電体多層膜
３      欠陥層
４      プリズム
５      検出手段
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
【図１】
2006078985.tif 000003
【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】
2006078985.tif 000008
【図７】
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【図８】
2006078985.tif 000010
【図９】
2006078985.tif 000011
【図１０】
2006078985.tif 000012
【図１１】
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