(57)【要約】【課題】フォトニック結晶の性質を十分に利用することにより、小型で高分解能を有する分光装置を提供する。【解決手段】入射した波長λ１、λ２の光１１は、狭帯域フィルタ１２に入り、ここで、フォトニック結晶で分光不可能な波長の光がカットされる。狭帯域フィルタ１２を透過した入射光は、回折格子１３により分光され、波長λ１の光は光路１４、波長λ２の光は光路１５を通るように分光される。これにより、フォトニック結晶１６への入射角が、波長毎に異なるようになる。フォトニック結晶１６に入射した光は、波長分散特性と角度分散特性の両作用により、波長の違いに応じて大きく異なった方向に進む。図では、波長λ１の光は光路１７、波長λ２の光は光路８を通る。よって、フォトニック結晶１６の出口付近に検出器を配置することにより、波長ごとの強度を、高分解能で測定することができる。【選択図】　図４
2004125603.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
分光光学素子とフォトニック結晶とを有してなり、前記分光光学素子で分光された光が、フォトニック結晶によりさらに分光されるように構成されていることを特徴とする分光装置。
【請求項２】
請求項１に記載の分光装置であって、前記分光光学素子が回折格子であることを特徴とする分光装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項３に記載の分光装置であって、前記分光光学素子の前に、狭帯域フィルタを設けた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、分光装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光を波長ごとに分離するための分光素子としては、プリズム、回折格子などが知られている。これらは、それぞれ波長による屈折率変化や回折現象を利用して光線の進行方向を変化させるものである。しかしながらこれらの分光素子においては、回折格子で高次の回折光を使う場合を除くと、微小な波長変化により大きな進行角の変化を生み出すことは困難であり、高分解能での分光を行うためには光路長を大きく取る必要がある。また、高次回折光を使用する場合には、素子自体が大きくなってしまう。よって、これらの分光素子を用いた場合には、分光装置の小型化には限界がある。
【０００３】
近年、分光素子としてフォトニック結晶を用いる技術が注目されている。フォトニック結晶は通常の物質では到底期待できないような極端な分光特性を持つことがあるため、光の波長や入射方向によっては、波長がわずかに変化しただけで結晶内の進行方向が大きく変化することがある。この性質を用いて、コンパクトな分光素子により高分解能分光が可能となることが期待されている。
【０００４】
このようなフォトニック結晶及びその応用については、「フォトニック結晶研究の現状と将来展望、財団法人光産業技術振興会、２０００年３月」（非特許文献１）に記載されている。
【０００５】
【非特許文献１】「フォトニック結晶研究の現状と将来展望、財団法人光産業技術振興会、２０００年３月」
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このように、フォトニック結晶は優れた特性を持っているが、構造の誤差に敏感であるため、十分な性能を出すためには高精度に作成される必要がある。このため、結晶の大きさはできる限り小さくすることが好ましい。これは装置の性能を向上させるため、あるいは大きさを小さくするためにも重要である。これらの点から、特定の構造のフォトニック結晶を使用する場合でも、できる限り角度分散性能を上げることが要求される。
【０００７】
本手段はこのような事情に鑑みてなされたもので、フォトニック結晶の性質を十分に利用することにより、小型で高分解能を有する分光装置を提供することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するための第１の手段は、分光光学素子とフォトニック結晶とを有してなり、前記分光光学素子で分光された光が、フォトニック結晶によりさらに分光されるように構成されていることを特徴とする分光装置（請求項１）である。
【０００９】
フォトニック結晶は、特定の入射角と波長域において、入射角が同一でも波長が異なれば、大きな分光特性を有する（波長分散特性）。また、波長が同一でも入射角が異なれば、光の進行方向が大きく異なるという性質を有する（角度分散特性）。
【００１０】
よって、前置分光光学素子を用いて結晶への入射角を波長に依存して変化させることにより、波長分散特性および角度分散特性の両者の性質を重ねて利用することが可能となり、フォトニック結晶の波長分解能を向上させることができる。
【００１１】
なお、一般に波長分離装置と呼ばれているものも、分光装置の一種であるので、本手段の概念に含まれることは言うまでもない。
【００１２】
前記課題を解決するための第２の手段は、前記第１の手段であって、前記分光光学素子が回折格子であることを特徴とするもの（請求項２）である。
【００１３】
フォトニック結晶の前置分光光学素子としては、プリズムや回折格子を用いることが考えられるが、回折格子を用いると、プリズムに比して、波長分解能を上げることができる。よって、同じ波長域でも、フォトニック結晶に入射する角度を波長に応じて大きく変えることができるので、前置分光光学素子として特に好ましい。
【００１４】
前記課題を解決するための第３の手段は、前記第１の手段又は第２の手段であって、前記分光光学素子の前に、狭帯域フィルタを設けたことを特徴とするもの（請求項３）である。
【００１５】
フォトニック結晶は、狭い範囲の波長域の光に対してのみ特異な性質を示すため、この波長域以外の光が入射することが好ましくない場合がある。このような場合、本手段においては、狭帯域フィルタにより好ましくない波長域の光をカットすることができるので、フォトニック結晶の性質を十分生かして使用することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態の例を、図を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態に用いる二次元フォトニック結晶を示す概念図である。この結晶は媒質１中に円形の空気穴２が正方格子状に等間隔で並んだ構成をしていて、格子定数ａに対し、空気穴２の直径は０．８ａである。媒質の屈折率は２．１１７である。これは、波長５８９ｎｍでのＢＮ（窒化硼素）の屈折率に相当する値である。
【００１７】
以下の説明においては、波長、光の振動数、光の波数は、格子定数ａにより規格化した値を用いる。すなわち、実際の波長をλ’、光の振動数をω’、光の波数をｋ’とすると、
波長としては　λ＝λ’／ａ、
光の振動数としては　ω＝ω’ａ／２πｃ
光の波数としてはｋ＝ｋ’／２πａ
を用いる。ただし、ｃは真空中の光速度である。また、数式中での角度の単位はラジアンとする。
【００１８】
格子構造がある面をｘｚ平面とし、ｙ軸方向（紙面に垂直な方向）には構造は一様であるものとする。結晶と空気の境界線に平行な軸をｘ軸にとる。光線は、矢印に示したように、概ねｚ軸方向に進行し、境界面から結晶に入射するものとする。
【００１９】
図２は、ＴＥ偏光（電場がｙ軸に平行な偏光）に対するω＝０．６１および０．６２での分散曲線（バンド図を振動数が一定の平面で切り取った断面図）である。フォトニック結晶のような周期構造に平面波を入射させた場合には、ｘ方向の波数は保存されるため、振動数ω０、横方向の波数ｋｘの平面波を結晶に入射させた場合、結晶内を伝搬することのできる光は、ω０での分散曲線とｋｘの交点の波数成分を持つもののみとなる。さらに、結晶内での光線の進行方向は、
【００２０】
【数１】
2004125603.tif 000003
【００２１】
であることが知られている。ここで、
【００２２】
【数２】
2004125603.tif 000004
【００２３】
は、それぞれ光線の進行方向ベクトル、波数ベクトルであり、また、
【００２４】
【数３】
2004125603.tif 000005
である。すなわち、光の伝搬方向は分散曲線に垂直で高い振動数の分散曲線のある方向、すなわち、図２の矢印の方向となる。
【００２５】
ここで、ω＝０．６１の光に関して入射角と光線の進行方向の関係を考える。ｋｘ＝０．１０６および０．１５８の直線（それぞれ入射角１０°、１５°に相当）と分散曲線の交点からわかるように、この範囲では入射角の変化がわずか５°であるのに関わらず、結晶内での進行方向は３０°程度変化していて、特異な角度分散特性を示している。なお、この場合は角度分散が負になっている、すなわち入射角が大きくなると屈折角が減少していて、通常の等方性媒質の場合と異なっている。
【００２６】
さらに、ω＝０．６１，　０．６２でｋｘ＝０．１０６の場合を比較すると、入射角がほとんど変わらないにも関わらず、波長の変化により同様に曲線の向きが変化し、進行方向が大きく変化している。この付近の波長・入射角に対する結晶内での光線進行方向の変化を図３に示す。
【００２７】
このように、フォトニック結晶は特定の波長、入射角においては、波長、入射角の変化の両者に対して特異な分散特性を示すため、両者の性質を組み合わせることにより、さらに際立った分解能を得ることができる。実際にこの効果を得るためには、光がフォトニック結晶に入射する前に前置分光光学素子を用いて入射角を波長に応じて変化させればよい。
【００２８】
図４に、本発明の実施の形態の１例である分光装置の構成図を示す。入射した波長λ１、λ２（λ１＞λ２）の光１１は、狭帯域フィルタ１２に入り、ここで、フォトニック結晶で分光不可能な波長の光がカットされる。狭帯域フィルタ１２を透過した入射光は、回折格子１３により分光され、波長λ２の光は光路１４、波長λ１の光は光路１５を通るように分光される。これにより、フォトニック結晶１６への入射角が、波長毎に異なるようになる。
【００２９】
フォトニック結晶１６に入射した光は、前述のように波長分散特性と角度分散特性の両作用により、波長の違いに応じて大きく異なった方向に進む。図では、波長λ１の光は光路１７、波長λ２の光は光路１８を通る。よって、フォトニック結晶１６の出口付近に検出器を配置することにより、波長ごとの強度を、高分解能で測定することができる。
【００３０】
フォトニック結晶内での光線の進行角をθとすると、素子の分解能はｄθ／ｄλにほぼ比例する。結晶への入射角をφとすると、結晶への入射角と波長を共に変化させる場合、進行角の変化率は次式のようになる。
【００３１】
【数４】
2004125603.tif 000006
【００３２】
ここで、右辺第１項が通常の波長分散、第２項が入射角の変化に起因する分散である。
【００３３】
ここでは、回折格子のピッチを２．０として、１次回折光を使用するものとする。光線が回折格子に入射角０で入ったとすると、回折角θ１は
ｓｉｎθ１＝ｍλ／ｐ
となる。ここでｍは回折次数（整数）、ｐは回折格子のピッチである。
ω＝０．６１に相当する波長１．６４付近での出射角（前述した結晶への入射角φと同じ）の分散は、
【００３４】
【数５】
2004125603.tif 000007
【００３５】
である。なお、回折格子を使用した場合、必要な１次回折光以外の次数の回折光も生じ、フォトニック結晶に入射することになる。しかし、この配置の場合は隣接次数との回折角の差が大きいために結晶内での進行方向は１次回折光とは十分に異なり、信号光との混同が起こる恐れはない。
【００３６】
一方、図３などのデータから、波長１．６４，　入射角１０°付近でのフォトニック結晶の波長、角度分散を求めると、
【００３７】
【数６】
2004125603.tif 000008
【００３８】
程度である。したがって、この付近でのトータルでの進行方向の分散は、
【００３９】
【数７】
2004125603.tif 000009
【００４０】
となり、波長分散だけを利用した場合と比べて大幅に大きくすることができる。
【００４１】
結晶内での光線の進行方向は波長により大きく変化するが、本実施の形態においては、結晶からの出射後は入射前と同じ方向に進むため、本発明のターゲットとする波長範囲においては進行方向の変化は十分に小さく、強度の検出は容易である。
【００４２】
フォトニック結晶と前置分光光学素子の間隔は一般にはできる限り狭くすることが望ましい。上記の実施の形態のようにフォトニック結晶の角度分散方向が負である場合は、前置素子による入射光束の位置の移動がフォトニック結晶によるものと逆向きになるため、間隔が広がると両者の光束の移動効果が打ち消しあい、検出分解能が落ちてしまう。角度分散が正であるような場合はそのような心配はないが、進行方向の波長分散はフォトニック結晶内で最大となるため、間隔を小さくする方が素子を全体としてコンパクトにすることができる。
【００４３】
本実施の形態においては前置分光光学素子として回折格子を使っているが、角度分散を与えることのできる素子であればどんな素子、例えば別のフォトニック結晶を用いても構わない。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、フォトニック結晶の性質を十分に利用することにより、小型で高分解能を有する分光装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に用いる二次元フォトニック結晶を示す概念図である。
【図２】ＴＥ偏光に対するω＝０．６１および０．６２での分散曲線である。
【図３】入射角と波長を変化させたときのフォトニック結晶内での光の進行方向の変化を示すグラフである。
【図４】本発明の実施の形態の１例である分光装置の構成図である。
【符号の説明】
１：媒質
２：空気穴
１１：入射光
１２：狭帯域フィルタ
１３：回折格子
１４：波長λ１の光の光路
１５：波長λ２の光の光路
１６：フォトニック結晶
１７：波長λ１の光の光路
１８：波長λ２の光の光路
【図１】
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【図２】
2004125603.tif 000011
【図３】
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【図４】
2004125603.tif 000013