(57)【要約】【課題】屈折率を任意に制御できる光学媒質の屈折率制御方法、屈折率の非周期性が任意に制御が可能な光学媒質、ならびにその光学媒質を用い、屈折率の制御を任意に行えるばかりでなく、その屈折率の変化を保持することができ、さらに可逆的に消失することも可能な光学装置を提案すること。【解決手段】光学媒質１に、磁場印加装置３を用いて磁場を印加し、磁場を印加した領域の屈折率を変化させる（斜線部２）。磁場の印加を適切に行うことにより、屈折率の変化した領域２を周期的に形成（屈折率の周期性を形成）する。屈折率の周期的な分布を持ったフォトニック結晶を光が伝播する場合、フォトニックバンドギャップに相当するエネルギーを有する光は、このフォトニック結晶中を伝播できない。磁場の強度を変えて屈折率に非周期性の部分を連続的に形成するとその部分は光を導光することができ、導波路として利用できる。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学媒質の屈折率を制御し屈折率の周期性を形成する屈折率制御方法において、前記光学媒質の周期的な領域に磁場を印加し、前記光学媒質の屈折率に周期性を持たせるか、あるいは、前記光学媒質の屈折率に周期性を形成するとともにその一部に非周期性を形成することを特徴とする光学媒質の屈折率制御方法。
【請求項２】
磁場に印加により屈折率に周期性を形成されたことを特徴とする光学媒体。
【請求項３】
磁場に印加により屈折率に周期性を形成され、その少なくとも一部の領域の屈折率に非周期性を形成されたことを特徴とする光学媒質。
【請求項４】
請求項２または３記載の光学媒質として、少なくとも誘電体と磁性体とを具備したことを特徴とする光学媒質。
【請求項５】
請求項４に記載の光学媒質において、前記誘電体と磁性体がそれぞれ少なくとも酸化物誘電体と酸化物磁性体から構成されることを特徴とする光学媒質。
【請求項６】
請求項２〜５のいずれかに記載の光学媒質と該光学媒質に磁場を印加する磁場印加装置を具備したことを特徴とする光学装置。
【請求項７】
請求項６に記載の光学装置において、前記光学媒質に隣接して、磁性体により構成される層を具備したことを特徴とする光学装置。
【請求項８】
請求項７に記載の光学装置において、前記磁性体層が、少なくとも磁場の印加により残留磁化を生じることのできる永久磁石材料を具備したことを特徴とする光学装置。
【請求項９】
請求項８に記載の光学装置において、残留磁化を消失することのできる消磁装置を具備したことを特徴とする光学装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の光学装置において、前記消磁装置が、磁場の印加により残留磁化を消失させる消磁装置であることを特徴とする光学装置。
【請求項１１】
請求項９記載の光学装置において、前記消磁装置が、熱の印加により残留磁化を消失させる消磁装置であることを特徴とする光学装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、例えばフォトニック結晶等に有用な、屈折率の周期性を有する光学媒質の屈折率制御方法、および屈折率の周期性を有する光学媒質、屈折率の周期性の中に屈折率の非周期性を有する光学媒質、ならびにその光学媒質を例えば導波路等として用いた光学装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
フォトニック結晶とは、その内部に屈折率の周期的な分布を持つ結晶であり、光がこの結晶を伝播する時、伝播できない光のエネルギー帯、すなわちフォトニックバンドギャップを形成する。例えば、このフォトニックバンドギャップを有するフォトニック結晶中に欠陥を導入した場合、その欠陥に沿って光が伝播することにより導波路が形成される等、微小領域における光の制御が行えるものである。
【０００３】
フォトニック結晶の作製に関しては、半導体プロセス技術を駆使しての作製方法および微粒子の配列技術を用いる方法等が数多く報告されている。例えば、微粒子の配列技術を用いた方法では、特開２０００−２３３９９８号公報において、コロイド結晶からなるテンプレートを用意し、そのテンプレートを電解液内に配置し、続いてコロイド結晶内に格子材料を電気化学的に形成した後、コロイド結晶粒子を除去して、フォトニック結晶に通ずる周期性構造物を形成する技術が開示されている。また、特開２０００−２３３９９９号公報では、コロイド結晶からなるテンプレートを用意し、このコロイド結晶へとナノ粒子液体分散を導入し、続いてコロイド結晶粒子を除去して、フォトニック結晶に通ずる周期性構造物を形成する技術が開示されている。
【０００４】
しかしながら、上記の開示された技術では、所望の領域に欠陥を導入することが極めて困難であるという不具合が生じていた。
【０００５】
これに対し、特開平１１−２１８６２７号公報では、フォトニック結晶導波路の製造方法として、基板上に下部クラッド層、コア層、上部クラッド層からなるスラブ光導波路を作製した後、電子線、ＳＯＲ（ｓｙｎｃｈｒｏｔｒｏｎ　ｏｒｂｉｔａｌ　ｒａｄｉａｔｉｏｎ）光、紫外線および近赤外線のうちのいずれかを上部クラッド層を通してコア層に選択的に照射して光誘起効果による屈折率変化を生じさせて屈折率変化領域を作製する方法が開示されている。
【０００６】
上記の開示された技術を応用することにより、所望の領域に欠陥（屈折率の非周期性領域）を導入することは可能になるが、その技術においても欠陥の領域を変更する、あるいは目的に応じて欠陥の領域を設定し直す等はできないという不具合を有していた。
【０００７】
これに対し、特開２００１−９１９１２号公報では、外場により屈折率が変化する複数の光学媒質を利用し、ある外場の条件下では、複数ある光学媒質のうちある２つの屈折率が等しく、あるいはほぼ等しくなるようにする。これら２つの条件下で光が感じる分布パターンを所望の結晶構造、格子点の形状、周期に設定することで、２つの大きく異なるフォトニックバンド構造間を、外場条件を変えるだけで切り替えられるスイッチング動作可能な光素子およびフォトニック結晶中の光導波路を利用した光分波器が開示されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この技術は、外場により、欠陥（屈折率の非周期性領域）を変更できる点では、有用であるが、ある光学媒質の屈折率が他２つの光学媒質の屈折率と、異なった外場条件により等しくなるように、材料および外場を設定しなければならず、更に、光が感じる分布パターンを所望の結晶構造、格子点の形状、周期に設定しなければならないため、生産性および製造コストの面で大変大きい課題を有しており、コスト的に非常に不利であった。
【０００９】
また、この開示された技術中に、外場として磁場を利用する技術も開示されている。外場として、磁場を選択する場合は、屈折率変化の精密な制御、および屈折率変化の可逆性を確保できる点で非常に有利であるが、開示されている技術、すなわち▲１▼磁場による準位分裂に伴う共鳴エネルギーのシフトに起因する屈折率変化を用いる場合は、その変化が極めて小さいため実用的ではなく、また磁場印加を終了すると屈折率変化も消失するため、屈折率の変化を保持するためには磁場を印加し続ける必要があった。
【００１０】
また、▲２▼Ｃｏｔｔｏｎ−Ｍｏｕｔｏｎ効果などを利用する場合は、磁場と光の方向による屈折率の差を利用するものであり、磁場と光の相対的な方向を変化させないと屈折率変化は生じないため、その方向を精密に調整しながら、製造することが極めて難しく、また、印加する磁場の方向も限定されてしまうという欠点を有しているのが現状である。またこの場合も磁場印加を終了した場合には屈折率変化も消失するため、屈折率の変化を保持するためには磁場を印加し続ける必要があった。
【００１１】
このような事情から、フォトニック結晶中に任意に欠陥を導入でき、すなわち、屈折率の周期性を任意に変更でき、その屈折率変化を保持することが可能で、さらに、その屈折率の変化を可逆的に元に戻すことのできる技術が切望されていた。
【００１２】
そこで、本発明の目的は、屈折率を任意に制御できる光学媒質の屈折率制御方法と、屈折率の非周期性が任意に制御が可能な光学媒質、ならびにその光学媒質を用い、屈折率の制御を任意に行えるばかりでなく、その屈折率の変化を保持することができ、さらに可逆的に消失することも可能な光学装置を提案することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、次のような構成を採用した。
ａ）請求項１記載の発明は、光学媒質の屈折率を制御し屈折率の周期性を形成する屈折率制御方法において、前記光学媒質の周期的な領域に磁場を印加し、前記光学媒質の屈折率に周期性を持たせるか、あるいは、前記光学媒質の屈折率に周期性を形成するとともにその一部に非周期性を形成することを特徴としている。
【００１４】
ｂ）請求項２記載の発明は、磁場に印加により屈折率に周期性を形成されたことを特徴とする光学媒体であり、請求項３記載の発明は、磁場に印加により屈折率に周期性を形成され、その少なくとも一部の領域の屈折率に非周期性を形成されたことを特徴とする光学媒質であり、請求項４記載の発明は、光学媒質として、少なくとも誘電体と磁性体とを具備したことを特徴とし、請求項５記載の発明は、光学媒体の誘電体と磁性体が酸化物誘電体と酸化物磁性体から構成されることを特徴としている。
【００１５】
ｃ）請求項６記載の発明は、上記光学媒質と該光学媒質に磁場を印加する磁場印加装置を具備した光学装置であり、請求項７記載の発明は、前記光学媒質に隣接して、磁性体により構成される層を具備したことを特徴とし、請求項８記載の発明は、前記磁性体層が、少なくとも磁場の印加により残留磁化を生じることのできる永久磁石材料を具備したことを特徴としている。
【００１６】
ｄ）請求項９記載の発明は、前記残留磁化を消失することのできる消磁装置を具備したことを特徴とし、請求項１０記載の発明は、前記消磁装置が、磁場の印加により残留磁化を消失させる消磁装置であり、請求項１１記載の発明は、前記消磁装置が、熱の印加により残留磁化を消失させる消磁装置であることを特徴としている。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に関して図面を用いて説明する。
図１は、光学媒質１に、磁場印加装置３を用いて磁場を印加し、磁場を印加した領域の光学媒質１の屈折率が変化した様子（図中円の斜線部２）を示した概念図である。
【００１８】
磁場の印加を適切に行うことにより、屈折率の変化した領域２を周期的に形成（屈折率の周期性を形成）することができる。このように、屈折率の周期的な分布を持ったフォトニック結晶を光が伝播する場合、フォトニックバンドギャップに相当するエネルギーを有する光は、このフォトニック結晶中を伝播できない。
【００１９】
ここで、光学媒質１としては、磁場の印加により屈折率が変化する材料であれば如何なるものも用いることができる。特にこの光学媒質１として、少なくとも誘電体と磁性体とを共存させることにより、磁場を印加した場合に、磁性と誘電性との相互作用により、屈折率そのものを変化させることができる。ここで、「屈折率そのものを」と記述したのは、印加磁場と光の相対的な方向の変化により屈折率が変化するのでなく、磁場を印加した領域の屈折率自体が変化するという意味である。
【００２０】
磁場印加装置３を用いて、この光学媒質１に磁場を印加することにより屈折率の変化した領域を周期的に形成した場合の概念図を図２に示した。ここで、この磁場印加装置は、磁場印加領域を任意に制御できるものとすることが重要である。また、光学媒質に誘電体および磁性体を共存させる場合は、誘電体および磁性体は両方とも酸化物である方が混合物を合成する際に有利である。
【００２１】
また、ここで用いた光学媒質１は、特に可視光で透明である必要はなく、用いる波長に対して必要な特性を有すればよく、目的に応じて適宜選択すればよい。また、必要に応じて、石英、ガラスを初めとする各種酸化物基板、あるいは各種有機材料基板等上に積層しても問題ない。
【００２２】
また、図２では、屈折率の変化した領域２を４回対称の格子状にしたが、この配置に限定するわけではなく、例えば図３に示したように、６回対称の格子状に配置しても良い。もちろん、これ以外の配置でも、一定の周期性を有していれば特に問題ない。
【００２３】
磁場印加による屈折率の変化が、印加する磁場強度により変化する場合は、周期的に磁場を印加している途中で磁場強度を変化させることにより、前述の一定の磁場を印加した領域２とはさらに屈折率が異なることになる。図４にこの概念図を示した。図中の４が前述の領域２とはさらに屈折率が異なる領域を示している。この領域４は、前述の領域２とは屈折率の変化量が異なるため、結果的に屈折率の周期性に欠陥を生じることになる。
【００２４】
この欠陥の領域は、上記のフォトニックバンドギャップに相当するエネルギーを有するため伝播できなかった光が伝播できるようになり、例えば導波路等の光学素子として機能することになる。
【００２５】
また、周期的に磁場を印加している途中で、磁場印加自体を行わない領域を設ける場合も、上記と同様に、屈折率の周期性を欠くことになり、屈折率の周期性を有する領域中に欠陥を生じることになる。図５にこの概念図を示した。図中、磁場印加自体を行わない領域を参照符号５で示してある。この欠陥を用いることによっても上記と同様に、例えば導波路等の光学素子として機能することになる。
【００２６】
すなわち本発明を用いれば、光学媒質に磁場を周期的に印加して任意の領域の屈折率を変化させ、その一部の領域で磁場強度を変化させたり、磁場を印加しないことにより、例えば、所望の領域のみに光を導波できる光学素子を実現できる。
【００２７】
これは、半導体プロセス技術を駆使したり、微粒子の配列技術を用いることにより屈折率の周期性、ならびにその周期性中に屈折率の非周期性を形成するのに比べると、その製造が非常に容易になり、生産性の上からも非常に有利である。
【００２８】
ここで、磁場印加装置３によって磁場を印加し続ける場合は、屈折率の変化を保持することが可能であるが、磁場の印加を停止しても、この屈折率変化を保持するためには、図６に示したように、光学媒質１に隣接して、少なくとも磁性体を含有する磁性体層６を設ける必要がある。ここで用いる磁性体層６の材質として、磁場を印加した後に残留磁化の生じる材料、いわゆる永久磁石材料を用いれば屈折率変化を保持するためには有利である。
【００２９】
永久磁石材料としては、金属材料、金属間化合物材料および酸化物材料等、どのような材料を用いても問題ない。また、必要に応じて、永久磁石材料を含有する層と、磁場に対して敏感な高透磁率材料を含有する層、あるいは残留磁化の大きい材料を含有する層と組み合わせて用いても問題ない。
【００３０】
このように、磁性体層を具備する場合、図７に示したように、残留磁化を消失することのできる消磁装置７を具備すると、磁場を印加することにより光学媒質の屈折率を変化させた領域を元に戻し、必要に応じて違った領域に磁場を印加することにより、その領域の光学媒質の屈折率を変化させることが可能になる。
【００３１】
本例によれば、屈折率の周期性も欠陥の位置も任意に制御できるばかりでなく、さらに任意の領域に変更が可能になる。この消磁装置７としては、磁場の正方向および負方向への印加を繰り返すことにより消磁する方式を用いる場合は、エネルギー的にも有利であるばかりでなく、消磁時間も短縮できる利点がある。
【００３２】
また、消磁装置７として、熱の印加により消磁する方式を用いる場合は、磁化されている領域をその磁性体のキュリー温度以上に熱を印加することにより、磁化の残留を完全に無くせる利点がある。
【００３３】
以上説明したように、本発明を用いることにより、光学媒質中の任意の領域に屈折率の周期性を形成でき、また、その任意の場所に屈折率の非周期性領域を容易に導入することができ、さらにその領域を任意に変更することが容易に行うことができるようになり、例えば、光導波路を任意に形成できさらに変更も可能である、大変有益な光学装置が得られる。
【００３４】
以下、具体的な実施例を説明する。
（実施例１）
石英基板上に誘電性と磁性を併せ持つ光学媒体としてＦｅ２Ｏ３−Ｂｉ２Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３薄膜を、ゾルゲル法を用いて成膜した。膜厚は２００ｎｍとした。
【００３５】
これに５ｋＯｅの磁場を印加することにより、磁場印加領域のＦｅ２Ｏ３−Ｂｉ２Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３薄膜の屈折率を変化させ、屈折率の変化した領域を５００ｎｍ□でピッチが１μｍとなるような周期構造を形成した。これを上面から観察した概念図を図８に示した。図８に示したように、Ｆｅ２Ｏ３−Ｂｉ２Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３薄膜８中の斜線で示した領域１０における磁場強度を、他の周期性のある領域９における磁場強度より小さくする（０．５ｋＯｅ）ことにより、この磁場強度を小さくした領域だけを他の磁場印加領域とは屈折率が異なった状態にできた。
【００３６】
（実施例２）
実施例１において形成した光学媒体の石英基板の下にＳｍ−Ｃｏ系磁石合金粉末を樹脂中に分散させた材料を用いた磁性体層を、図６に示すように接合し、さらに磁場印加装置を実装した装置を形成した。
【００３７】
図９に斜線で示した領域に磁場を印加することにより、この磁場を印加した領域だけを他のＦｅ２Ｏ３−Ｂｉ２Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３媒体とは屈折率が異なった状態にできた。また、磁場印加を停止しても、斜線の領域は、他の領域と屈折率が異なった状態を保持することができた。
【００３８】
（実施例３）
実施例２における光学装置に、図７に示すように残留磁化を消失できる消磁装置を実装した装置を形成した。消磁装置は、磁場の印加により消磁するタイプとした。
【００３９】
実施例２と同様に、図９に斜線で示した領域９に磁場を印加した後、磁場の印加を停止することにより、この磁場を印加した領域だけを他のＦｅ２Ｏ３−Ｂｉ２Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３媒体とは屈折率が異なった状態で保持した。続いて、磁性体層の磁化が残留している領域を消磁装置で消磁した。再度異なった領域に磁場を印加した後磁場の印加を停止することにより、図１０に斜線で示したように、違った形態（ピッチ）で屈折率を変化せせることができた。
【００４０】
（実施例４）
実施例３において、消磁装置を、熱の印加により消磁するタイプとした以外は、実施例３と同様にして、磁場印加−磁場停止−消磁−磁場印加（他の領域）−磁場停止と行った。
この場合も、任意の領域の屈折率を変化せせることができ、またその領域を任意に移動することができた。
【００４１】
【発明の効果】
本発明によって達成される効果を、請求項毎に述べる。
ａ）請求項１記載の発明によれば、非常に簡便な方法で、光学媒質に屈折率の周期的変化（屈折率の周期性、非周期性）を形成できた。
【００４２】
ｂ）請求項２〜５記載の発明によれば、非常に簡便な方法で屈折率の周期性及び屈折率の非周期性を具備した光学媒質が得られた。
【００４３】
ｃ）請求項６記載の発明によれば、光学媒質中の任意の領域に、磁場の印加により屈折率の周期性及び屈折率の非周期性を具備できる光学装置が得られた。
【００４４】
ｄ）請求項７、８記載の発明によれば、光学媒質中の任意の領域に、磁場の印加により屈折率の周期性及び屈折率の非周期性を具備でき、磁場の印加を停止してもその屈折率の周期性及び屈折率の非周期性を保持できる光学装置が得られた。
【００４５】
ｅ）請求項９〜１１記載の発明によれば、光学媒質中の任意の領域に、磁場の印加により屈折率の周期性及び屈折率の非周期性を具備でき、磁場の印加を停止してもその屈折率の周期性及び屈折率の非周期性を保持でき、さらに、その屈折率の周期性及び屈折率の非周期性を具備した領域を任意に変更できる光学装置が得られた。
【図面の簡単な説明】
【図１】光学媒質に磁場を印加することにより、磁場を印加した領域の屈折率が変化する様子を示した概念図である。
【図２】光学媒質中に、光学媒質とは屈折率の異なる領域が周期的に形成した様子を示す概念図である。
【図３】光学媒質中に、光学媒質とは屈折率の異なる領域が周期的に形成した様子を示す概念図である。
【図４】光学媒質に印加する磁場強度を変化することにより、屈折率の周期性を有する領域中にその周期性を欠く領域が生じた様子を示した概念図である。
【図５】光学媒質に磁場を印加する際、途中で磁場を印加しない領域を設けることにより、屈折率の周期性を有する領域中にその周期性を欠く領域が生じた様子を示した概念図である。
【図６】光学媒質に隣接して磁性体層を有し、さらに磁場印加装置を実装した光学装置の概念図である。
【図７】光学媒質に隣接して磁性体層を有し、さらに磁場印加装置ならびに消磁装置を実装した光学装置の概念図である。
【図８】実施例１を説明するための概念図である。
【図９】実施例２を説明するための概念図である。
【図１０】実施例３を説明するための概念図である。
【符号の説明】
１：光学媒質
２：磁場印加により屈折率の変化した領域
３：磁場印加装置
４：磁場印加による屈折率の変化量が異なる領域（屈折率の非周期性領域）
５：屈折率の非周期性領域
６：磁性体層
７：消磁装置
８：Ｆｅ２Ｏ３−Ｂｉ２Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３
９：磁場印加により屈折率の変化した領域
１０：磁場印加による屈折率の変化量が異なる領域（屈折率の非周期性領域）
【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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