(57)【要約】【課題】１次元フォトニック結晶とみなせる周期的多層膜の端面に略垂直な入射光を入射すると、波長に依存する角度で屈折光が生じ、分波素子として利用できる。しかし、屈折光は入射端面の近傍でほとんどすべて放出されてしまうため、回折による光束の広がりが発生して波長分解能が低下してしまう。そこで光を高い効率で利用しつつ波長分解能を高めた分波素子を提供することが課題となる。【解決手段】本発明の１次元フォトニック結晶を用いた光学素子においては、多層構造体中の少なくとも一個所に、均質な一定厚みを有する板状媒体を層面とほぼ垂直に挿入する。具体的には多層構造体の少なくとも一部分に、その層面と垂直な方向に溝を形成し、この溝部分を均質媒体で満たす。【選択図】　図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多層構造体により構成され、該多層構造体はその少なくとも一部分が一定周期を有する１次元フォトニック結晶とみなせる周期構造体であり、該多層構造体の層面と略垂直な端面を光入射面とし，かつ該多層構造体の層面と略平行な一方もしくは両方の表面を出射面とする光学素子において、該多層構造体中の少なくとも一個所に、均質な一定厚みを有する板状媒体が前記層面と略垂直に挿入されていることを特徴とする１次元フォトニック結晶を用いた光学素子。
【請求項２】
前記入射光が、前記周期構造体により形成されるフォトニックバンドのうち、最低次バンドを含む２以上のバンドによって前記周期構造体中を伝搬することを特徴とする請求項１に記載の１次元フォトニック結晶を用いた光学素子。
【請求項３】
前記多層構造体の少なくとも一部分に、前記多層構造体の層面と垂直な方向に溝が形成され、該溝部分を均質媒体で満たしたことを特徴とする請求項１に記載の１次元フォトニック結晶を用いた光学素子。
【請求項４】
前記多層構造体の層面に平行な片側表面に反射層を設け、他方の反射層の無い表面のみを出射面とすることを特徴とする請求項１に記載の１次元フォトニック結晶を用いた光学素子。
【請求項５】
請求項１に記載の１次元フォトニック結晶を用いた光学素子と、複数の波長による信号情報を含む光を前記光学素子に入射する手段と、前記光学素子の片側表面からの出射光を集光する光学系と、前記出射光の集光部分に並べて配置した光検出器もしくは光導波路もしくは光ファイバとを備えることを特徴とする分光装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信システム、光計測機器等に用いられるフォトニック結晶を用いた光学素子、およびそれを用いた分光装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、インターネットの普及により光ファイバ通信システムの大容量化、高速化が強く求められており、その手段として波長多重（ＷＤＭ）通信の開発が急速に進められている。ＷＤＭ通信では、異なる波長の光を一つの光導波路に合波して出力したり、一つの光導波路内の光を波長ごとに異なる光導波路に分けて出力する光合波器・光分波器が必要となる．
【０００３】
光分波器に用いる分波素子には、従来からプリズム、波長フィルタ、回折格子等があるが、本発明者らは、１次元フォトニック結晶を利用した分波素子を提案してきた（例えば、特許文献１参照）。最も簡単な１次元フォトニック結晶としては、たとえば平行平面基板に屈折率の異なる２種類の薄膜（ＳｉＯ２とＴａ２Ｏ５など）を交互に積層した周期的多層膜がある。周期的多層膜は周期方向にフォトニックバンドギャップを有する。バンド計算の方法は、たとえば、非特許文献１あるいは非特許文献２などに詳しく述べられている。
【０００４】
本発明者らの研究によると、周期的多層膜の端面に略垂直な入射光を入射すると、周期性のない方向に光が伝搬して、分波素子としての特性を引き出すことができることが明らかになっている。この分波素子では、多層膜層の端面に略垂直に光を入射することにより、最低次及び高次のフォトニックバンドによる伝搬光を発生させる。このうち、高次バンドによる伝搬光は入射光の波長変化に対して実効屈折率が大きく変化する（いわゆる、スーパープリズム効果）ため、多層膜層の表面から波長による角度差の極めて大きい屈折光が放出される。このスーパープリズム効果は、非特許文献３等で提唱されている。
【０００５】
図１は、本発明の基本構造をなす周期的多層膜層を模式的に示した断面図である。平行平面基板２（材質は媒体Ｍ２とする）の表面に周期的多層膜層１を形成する。多層膜は、例えば厚さｔＡの物質Ａ（屈折率ｎＡ）と厚さｔＢの物質Ｂ（屈折率ｎＢ）を交互に積み重ねた周期ａ＝（ｔＡ＋ｔＢ）の構造とする。多層膜層の表面は媒体Ｍ１（図１の場合は空気）と接しているものとする。
【０００６】
多層膜層の端面に入射光を入れると、積層表面より平面波状の屈折光が得られる。図１は波長λ０の入射光が周期的多層構造体の端面に垂直入射したときのＺ軸方向への高次伝搬バンド光（実効屈折率をｎ３する）と、多層構造体の両側の表面に接する媒体Ｍ１（屈折率ｎ１）、Ｍ２（屈折率ｎ２）を図示したものである。
【０００７】
多層膜層１の端面から真空中の波長λ０の光束を入射光３として入射させると、エネルギーの一部は多層膜層１内部での高次バンドによる導波光４となり、その実効屈折率ｎ３が媒体の屈折率ｎ１もしくはｎ２よりも小さければ、媒体Ｍ１側への屈折光５あるいは媒体Ｍ２への屈折光６となる。この屈折光５および６の方向（角度θ１、θ２）はλ０が異なると大きく変化する。したがって、高次伝搬バンド光を利用すると非常に大きい波長分散を得ることができる。このことは従来の分波素子を用いる場合より分波装置を大幅に小型化できることを意味する。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００２−２３６２０６号公報
【非特許文献１】
ジョン・Ｄ・ジョアンノプーロス（Ｊｏｈｎ　Ｄ．　Ｊｏａｎｎｏｐｏｕｌｏｓ），他２名著，「フォトニック・クリスタルズ（Ｐｈｏｔｏｎｉｃ　Ｃｒｙｓｔａｌｓ）」，（米国），プリンストン・ユニバーシティ・プレス（Ｐｒｉｎｃｅｔｏｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　Ｐｒｅｓｓ），１９９５年，ｐ．１２８−１２９
【非特許文献２】
Ｍ．プリハル（Ｍ．Ｐｌｉｈａｌ），他１名，「フィジカル・レビューＢ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ　Ｒｅｖｉｅｗ　Ｂ）」，（米国），１９９１年，第４４巻，第１６号，ｐ．８５６５−８５７１
【非特許文献３】
ヒデオ・コサカ（Ｈｉｄｅｏ　Ｋｏｓａｋａ），他６名，「フィジカル・レビューＢ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ　Ｒｅｖｉｅｗ　Ｂ）」，（米国），１９９８年，第５８巻，第１６号，ｐ．Ｒ１００９６−Ｒ１００９９
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、高次バンド光が伝搬する場合には必ず第１バンド光も伝搬している。第１バンド光は上述した波長分散の効果がほとんどないので、高次バンド伝搬光を利用する場合には単なる損失でしかなく、入射光エネルギーの利用効率を大きく低下させてしまうのみならず、迷光として素子のＳ／Ｎ比を低下させる原因ともなる。
【００１０】
また、図１の構成にすると、高次バンド伝搬光のエネルギーは入射端面の近傍（実験的には数百μｍ以内）において屈折光５または６として積層表面よりほとんどすべて放出されてしまう。屈折光の出射部分が狭いと、屈折光５あるいは６の光束も細いものとなり、回折による光束の広がりが発生して波長分解能が低下してしまうという問題点がある。
【００１１】
本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、高次伝搬バンド光を高い効率で利用しつつ波長分解能を高めた分波素子を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の１次元フォトニック結晶を用いた光学素子は、多層構造体により構成され、この多層構造体はその少なくとも一部分が一定周期を有する１次元フォトニック結晶とみなせる周期構造体である。そしてこの多層構造体の層面とほぼ垂直な端面を光入射面とし，かつこの層面とほぼ平行な一方もしくは両方の表面を出射面とする。このような光学素子において、多層構造体中の少なくとも一個所に、均質な一定厚みを有する板状媒体を層面とほぼ垂直に挿入する。
【００１３】
１次元フォトニック結晶からなる光学素子に入射し伝搬する波動のうち、高次フォトニックバンドに属する波動は屈折光となって１次元フォトニック結晶の積層表面から出射される。しかし最低次フォトニックバンドに属する波動は、１次元フォトニック結晶中をそのまま伝搬し、上記均質な板状媒体を通過した後、再度１次元フォトニック結晶部分に入射される。このとき、最低次フォトニックバンドに属する波動の一部が高次フォトニックバンドに属する波動に変換されるため、板状媒体通過後の１次元フォトニック結晶の積層表面部分から屈折光による出射光が得られる。したがって出射光の全体的強度が増大し、入射光の利用効率が向上する。
【００１４】
上記光学素子への入射光が、周期構造体により形成されるフォトニックバンドのうち、最低次バンドを含む２以上のバンドによって伝搬することが望ましい。
最低次のバンドを含むことにより、伝搬方向に沿って光学素子の広い範囲から出射光を得ることができるので、回折による光の広がりが抑えられ、分光における波長分解能を向上させることができる。
【００１５】
上記の構造は、多層構造体の少なくとも一部分に、その層面と垂直な方向に溝を形成し、この溝部分を均質媒体で満たすことによって形成するのが望ましい。
この構造により、もっとも容易に本発明の光学素子を実現することができる。
【００１６】
さらに、多層構造体の層面に平行な片側表面に反射層を設け、他方の反射層の無い表面のみを出射面とすることが望ましい。
このような反射層の作用により、本来、多層構造体の両面から出射する屈折光を片側表面に集めることができ、出射光強度を増大させることができる。
【００１７】
上記の１次元フォトニック結晶を用いた光学素子を用いた分光装置はつぎのように構成できる。すなわち、上記光学素子と、複数の波長による信号情報を含む光をこの光学素子に入射する手段と、この光学素子の片側表面からの出射光を集光する光学系と、出射光の集光部分に並べて配置した光検出器もしくは光導波路もしくは光ファイバとを備えることによって、分光装置が構成される。
本発明の光学素子を使用することにより、波長分解能が高く、かつ光の利用効率が高い分光装置を提供することが可能となる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について具体的に説明する。
本発明の重要な点はつぎの通りである。周期的多層膜中に均質媒体層を端面に垂直に配置することで、その位置において再度、第１バンド光を高次伝搬バンド光に変換することが可能となる。これにより、入射光エネルギーの利用効率を大幅に改善し、かつ周期的多層膜構造の任意の場所で第１バンド光を高次伝搬光に変換できるため、積層表面における屈折光の出射幅を広げることが可能となる。
【００１９】
上述したように、周期的多層膜端面より、第１バンドと高次結合性バンドがともに関与する波長の光を入射させると、入射光のエネルギーは第１バンド光と高次伝搬バンド光に分かれ、２種類の波動が混在して多層膜内を伝搬することになる。
【００２０】
図２（ａ）及び図２（ｂ）は、媒体ＡとＢを積み重ねた周期的多層膜層１（周期ａ）内での、Ｚ方向における第１バンド光と高次伝搬バンド光の電場の強さを模式的に表わしたものである。電場の山は実線、谷は点線で表わし、線の太さは振幅の大きさを表わすものとする。
【００２１】
第１バンド光は、図２（ａ）に示すように電場の振幅は媒体Ａ内と媒体Ｂ内で異なるものの、電場の山と谷はそれぞれＺ軸と垂直な平面となるので、平面波に近い伝搬となる。しかし、高次バンド伝搬光は、図２（ｂ）に示すように電場振幅が０となる「節」が生じ、Ｙ方向の１構造周期は２つの領域に分割される。隣り合う領域では波動の位相が半波長ずれているため、山と谷が入れ違いに現われる。図示はしていないが、さらに伝搬バンドの次数が高くなると１周期内の節の数が増えて、１周期内での半波長ズレが何回も起こるようになる。したがって、多層膜内における伝搬は第１バンド伝搬光と高次バンド伝搬光が重なった波動となり複雑な電場パターンを示すことになる。
【００２２】
図１に示したように、第１バンド伝搬光は実効屈折率が大きいので多層膜層１内に閉じ込められたまま導波光４として伝搬するが、高次バンド伝搬光は多層膜層１表面からの放出によって減衰する。そこで、本発明では、図３に示すように高次バンド伝搬光が減衰したところに板状の均質媒体７（屈折率ｎＧ）を多層膜層１の層面に垂直に配置する。
【００２３】
第１バンド光は多層膜層１内をほぼ平面波として伝搬しているため、均質媒体７中へ出射した光も略平面波として伝搬していく。均質媒体７中を伝搬する略平面波は再度、多層膜層１１へ入射するが、これは通常の多層膜層端面に平面波を入射させることとほぼ同様であり、この入射光は再度第１バンド光と高次伝搬バンド光に変換されることになる。そして高次バンド伝搬光は再び多層膜の積層表面より屈折光１５として外部へ放出される。
【００２４】
このように多層膜層１中に均質媒体７を層面に垂直に配置することで，無駄な光である第１バンド光を有用な高次伝搬バンド光に変換して外部への屈折光１５とすることが可能であり、入射光の利用効率を大幅に改善することが可能となる。
【００２５】
また、図４に示されているように、多層膜層１、１１、２１、３１中に複数の均質媒体７の領域を設けることで、第１バンド光から高次伝搬光への変換を繰り返して行なうことも可能であり、多層膜の積層表面における屈折光の出射幅をより大きく広げることができる。出射幅が広くなると出射光の光束も太くなり、回折による広がり角を抑えて高い波長分解能を得ることが可能となる。
なお、図３、図４では、多層膜層１〜３１と基板２の間に反射層８を挟むことによって、屈折光５を空気側に集中させる構成となっている。
【００２６】
本発明を利用した分光装置（分波モニタ）の例を図５に示す。単一モード光ファイバ１２をホルダ１６で支持し、その端面を多層膜層からなる１次元フォトニック結晶素子１０の端面に当接させる。単一モード光ファイバ１２を伝搬する複数の波長（λ１、λ２、λ３、・・・）による信号光（入射光）３は、波長ごとに異なる角度の略平行な屈折光５となる。屈折光５は集光レンズ１８により集光して、光センサアレイ１４の別々のセンサ素子に入射させる。１次元フォトニック結晶を利用しているので、もともと波長変化に対する屈折光の角度変化が大きく、かつ本発明によれば波長分解能を向上させることが可能なので、短い距離で近接した波長を分波できる小型の分光装置を構成することができる。
【００２７】
本発明に用いる周期的多層構造体の材料としては、使用波長域における透明性が確保できるものであれば特に限定はないが、１次元の場合には一般的に多層膜の材料として用いられていて耐久性や成膜コストの点で優れたシリカ、シリコン、酸化チタン、酸化タンタル、酸化ニオブ、フッ化マグネシウム、窒化ケイ素などが適する材料である。上記材料は、スパッタリング、真空蒸着、イオンアシスト蒸着、プラズマＣＶＤなどの良く知られた方法により、容易に多層膜とすることができる。
【００２８】
上述したように、屈折光を多層構造体の片側のみに取り出して利用する場合は、図１において
低屈折率媒体Ｍ１を空気層
高屈折率媒体Ｍ２を基板
として、周期構造の周期ａを調整すれば、Ｍ１側の屈折光の発生をなくして屈折光を基板側に集中させることができるので最も簡単である。しかし、この場合は多層膜層内における高次伝搬バンドの実効屈折率が１を超えていなければならない。高次伝搬バンドの実効屈折率が１以下となるような周期ａを選択し、かつ屈折光を片側（たとえば空気側）から取り出すには、多層膜層１と基板２の媒体の間に何らかの反射層８を設ける必要がある（図３、図４参照）。
【００２９】
反射層としては、たとえば反射率の高い金属膜を使用することもできるが、後述する計算例に示すように、光導波路用の多層膜層よりも周期の小さい多層膜層を設けることも有効である。
【００３０】
［計算例］
周期的多層膜により構成される１次元フォトニック結晶の端面に平面波を入射した場合について、電磁波の伝搬を時間領域有限差分法によりシミュレーションした結果を以下に示す。使用したソフトウェアは、日本総合研究所製のＪＭＡＧである。
【００３１】
計算モデルは図３に示すものである。１次元フォトニック結晶は均質の媒体Ａと媒体Ｂを交互に重ね合わせた多層膜層とし、その周期をａ、それぞれの厚さをｔＡ・ａ、ｔＢ・ａ、屈折率をｎＡ、ｎＢとする。真空中の波長がλ０の平面波（直線偏光波）を入射光として１次元フォトニック結晶の層面に垂直な端面より入射させ，入射端面より適当な位置に層面に垂直に均質媒体（媒体Ｃ）を設置し，その屈折率をｎＧとする。基板側には反射層として周期の異なる多層膜層を配置し，屈折光（出射光）は空気側にのみ出射させるようにした。
【００３２】
図３の構造について、周期的多層膜の構成を表１に示す条件として電磁波シミュレーションを実施した。以下の計算例では、長さはすべて周期ａを基準として規格化している。
【００３３】
【表１】
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【００３４】
１次元フォトニック結晶の層面に垂直に均質媒体を配置したときと、均質媒体を配置しない通常の１次元フォトニック結晶内における伝搬と屈折光を，それぞれ計算して比較した。シミュレーション結果として、電場の強度分布を図６に示す。
【００３５】
図６（ａ）は均質媒体を配置していない１次元フォトニック結晶における伝搬と屈折光の様子を示したものである。入射端面１ａ付近では，フォトニック結晶（多層膜層）１内の伝搬は第１バンド光と高次伝搬光が混在しており，複雑な波動を示している。また多層膜層の積層表面１ｂからは高次伝搬光による屈折光５が空気層へ出射しているのが確認できる。しかし高次伝搬光はそのエネルギーのほとんどが入射端面１ａより極わずかな伝搬距離で積層表面１ｂより空気層へ出射してしまっている。その後の１次元フォトニック結晶（多層膜層）１内の伝搬は、ほぼ平面波となっており，第１バンド光のみが伝搬しているのが確認できる。
【００３６】
図６（ｂ）は、入射端面１ａから距離４０ａだけ離れた位置に、厚さ２ａ、屈折率ｎＧ＝１．００の均質媒体７を設置した場合である。均質媒体７まで伝搬する前に、高次バンド伝搬光は空気側への屈折光５としてほぼすべて放出されている。したがって、均質媒体７内へは第１バンド光のみが伝搬し，平面波に近い状態で再度多層膜層１１へ入射している。均質媒体７後の多層膜層１１内は、再び第１バンド光と高次伝搬光が混在した複雑なパターンを示しており，均質媒体７からの入射光が部分的に高次伝搬光へ変換されたことを示している。そのため，多層膜層表面１１ｂから再度屈折光１５が空気側へ出射していることも確認できる。
【００３７】
つぎに周期的多層膜層１、１１の構成は表１の通りとし、均質媒体７の屈折率を周期的多層膜層１の平均屈折率とした場合のシミュレーションを実施した。シミュレーション結果として、電場の強度分布を図７に示す。
【００３８】
図７は、入射端面１ａから距離２０ａだけ離れた位置に、厚さ１ａ、屈折率ｎＧ＝１．６５０７の均質媒体７を設置したときの１次元フォトニック結晶における伝搬と屈折光の様子を示したものである。図６（ｂ）と同様に均質媒体７後の多層膜層１１内では再度第１バンド光と高次伝搬光が伝搬しており、均質媒体７からの入射光が部分的に高次伝搬光へ変換されているのが確認できる。また均質媒体７の屈折率を周期的多層膜層１の平均屈折率としたことにより、周期的多層膜層１と均質媒体７の境界で生じる反射も減少しており、再度得られる屈折光１５の強度も増大しているのが確認できる。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明により、第１バンド光を高次伝搬バンド光に変換することが可能となり，入射光エネルギーの利用効率を大幅に改善することができる。また周期的多層膜構造の任意の場所で第１バンド光を高次伝搬光に変換できるため，積層表面における屈折光の出射幅を広げることが可能であり，より波長分散性の高い屈折光を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】２種の均質媒体に挟まれた周期的多層膜内の伝搬を示す図である。
【図２】第１バンド光と高次伝播バンド光の電場の強さを示す模式図である。
【図３】均質媒体を配置したときの周期的多層膜内の伝搬光と屈折光を示す模式図である。
【図４】複数の均質媒体を配置したときの周期的多層膜内の伝搬光と屈折光を示す模式図である。
【図５】本発明を利用した分波装置の例を示した模式図である。
【図６】シミュレーション結果を示す図である。
【図７】他の条件によるシミュレーション結果を示す図である。
【符号の説明】
１　多層膜層
２　基板
３　入射光
４　伝搬光
５、６　屈折光
７　均質媒体
８　反射層
１０　フォトニック結晶素子
１２　光ファイバ
１４　光センサアレイ
１８　集光レンズ
【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】
2004145117.tif 000008
【図６】
2004145117.tif 000009
【図７】
2004145117.tif 000010