(57)【要約】【課題】従来困難又は不可能であった光の伝搬形態を実現する周期構造体を提供する。【解決手段】基本単位格子を構成する第１から第３のＰＴＶのうち、第１及び第２のＰＴＶを含む面と直交する任意の軸を含み、かつ第１のＰＴＶと平行な面および／または第２のＰＴＶと平行な面に対して、単位構造中の誘電率又は屈折率の分布および／または基本単位格子が非鏡映対称であることを特徴とする、屈折率または誘電率が周期的に変化する周期構造体。【選択図】図１
2007108212.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
屈折率が１．２より大きい２種以上の媒質からなる周期構造体であって、含まれる媒質間の屈折率の比が１：１．２より大きくなる組合せがあり、基本単位格子を構成する第１から第３の基本並進ベクトルのうち、第１及び第２の基本並進ベクトルを含む面と直交する任意の軸を含み、かつ第１の基本並進ベクトルと平行な面および／または第２の基本並進ベクトルと平行な面に対して、単位構造中の誘電率又は屈折率の分布および／または基本単位格子が非鏡映対称であることを特徴とする、屈折率または誘電率が周期的に変化する周期構造体。
【請求項２】
屈折率が１．２より大きい２種以上の媒質からなる周期構造体であって、含まれる媒質間の屈折率の比が１：１．２より大きくなる組合せがあり、単位構造中の誘電率又は屈折率の分布および／または基本単位格子が、非回転対称、非反転対称であり、基本単位格子を構成する第１から第３の基本並進ベクトルのうち第１及び第２の基本並進ベクトルを含む面と直交する任意の軸を含みかつ第１の基本並進ベクトルと平行な面および／または第２の基本並進ベクトルと平行な面に対して非鏡映対称であることを特徴とする、屈折率または誘電率が周期的に変化する周期構造体。
【請求項３】
屈折率が１．２より大きい２種以上の媒質からなる周期構造体であって、含まれる媒質間の屈折率の比が１：１．２より大きくなる組合せがあり、単位構造中の誘電率又は屈折率の分布および／または基本単位格子が、並進対称性のみ有することを特徴とする、屈折率または誘電率が周期的に変化する周期構造体。
【請求項４】
前記第２の基本並進ベクトルはゼロでない任意の長さを取りうることを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載する周期構造体。
【請求項５】
前記第１から第３の基本並進ベクトルのうちいずれか２つの基本並進ベクトルを含む面と残る１つの基本並進ベクトルとがなす角度が６０度より大きく９０度より小さいことを特徴とする、請求項１から４のいずれかに記載する周期構造体。
【請求項６】
前記周期構造体は薄膜が複数周期積層されてなり、前記薄膜層は周期的な凹凸構造を有し、該凹凸構造における凸部は最上部から最下部までの距離が複数存在する凸部であることを特徴とする、請求項１から５のいずれかに記載する周期構造体。
【請求項７】
少なくとも１つの基本並進ベクトルの長さが１００ｎｍから１０００ｎｍであり、前記単位構造に含まれる媒質のうち少なくとも１つが２以上の屈折率をもつことを特徴とする、請求項１から６のいずれかに記載する周期構造体。
【請求項８】
第１及び第２の基本並進ベクトルを含む面と直交する任意の軸を含み、かつ第１の基本並進ベクトルと平行な面および／または第２の基本並進ベクトルと平行な面に対して、電磁場が非鏡映対称の固有モードを呈することを特徴とする、請求項１から７のいずれかに記載する周期構造体。
【請求項９】
電磁場が、第１及び第２の基本並進ベクトルを含む面と直交する任意の軸を含み、かつ第１の基本並進ベクトルと平行な面および／または第２の基本並進ベクトルと平行な面に対して非鏡映対称であり、前記軸に対して非回転対称である、固有モードを呈することを特徴とする、請求項１から７のいずれかに記載する周期構造体。
【請求項１０】
励振の方位にかかわらず電磁場が、第１及び第２の基本並進ベクトルを含む面と直交する任意の軸を含み、かつ第１の基本並進ベクトルと平行な面および／または第２の基本並進ベクトルと平行な面に対して非鏡映対称であり、前記軸に対して３回以上の回転対称性をもたない、固有モードを呈することを特徴とする、請求項１から７のいずれかに記載する周期構造体。
【請求項１１】
前記第１から第３の基本並進ベクトルのうちいずれか２つの基本並進ベクトルを含む面に所定の角度をもって入射した電磁波のビームを、該面と平行な方向に伝搬させるか、または該面に対して周期構造体と空気との臨界角以上の角度で伝搬させることを特徴とする、請求項１から１０のいずれかに記載する周期構造体。
【請求項１２】
入射ビームを互いに平行に伝搬する複数のビームに分岐させることを特徴とする、請求項１から１１のいずれかに記載する周期構造体。
【請求項１３】
請求項１１に記載するビームの伝搬方向または請求項１２に記載するビームの分岐方向が、前記第１又は第２の基本並進ベクトルの方向または前記第１から第３の基本並進ベクトルのうちいずれか２つの基本並進ベクトルを含む面に残る１つの基本並進ベクトルを投影した方向であることを特徴とする、請求項１１または１２に記載する周期構造体。
【請求項１４】
入射ビームの入射角または入射位置または入射ビームの波長を変えることにより、請求項１１における面内の逆方向に伝搬する２つビームの強度比、または、請求項１２における同一方向に伝搬するビームの強度比または分岐間隔の少なくともいずれか１つが変化することを特徴とする、請求項１１から１３のいずれかに記載する周期構造体。
【請求項１５】
請求項１から７のいずれかに記載する周期構造体と比べて基本単位格子の断面積又は体積が同一であり、おのおのに含まれる１つの基本並進ベクトルが同一であり、単位構造における媒質の種類、構成比率が同一であり、そして、鏡映対称な基本単位格子および単位構造による周期構造体が有する反対称モードの存在する波長相当のエネルギーの中心値の±３０％以内に相当する波長において請求項１１から１４のいずれかに記載するビームの伝搬形態を呈することを特徴とする、屈折率または誘電率が周期的に変化する周期構造体。
【請求項１６】
前記周期構造体の単位構造内の媒質にｐｎ接合またはｐｉｎ接合が存在することを特徴とする、請求項１から１５のいずれかに記載する周期構造体。
【請求項１７】
前記周期構造体中の媒質は透明導電体材料を含有し、該周期構造体が電気伝導性をもつことを特徴とする、請求項１から１６のいずれかに記載する周期構造体。
【請求項１８】
前記周期構造体中の媒質は流体と固体とを含有することを特徴とする、請求項１から１７のいずれかに記載する周期構造体。
【請求項１９】
前記単位構造中の媒質の一部分に非線形光学材料、発光性物質のいずれかを含有することを特徴とする、請求項１から１８のいずれかに記載する周期構造体。
【請求項２０】
請求項１から１９のいずれかに記載する周期構造体と、該周期構造体に接続され該周期構造体と媒質が連続する他の周期構造体とを有し、
前記周期構造体を構成する第１から第３の基本並進ベクトルの和と前記他の周期構造体を構成する第１から第３の基本並進ベクトルの和とが異なることを特徴とする、複合周期構造体。
【請求項２１】
請求項１から１９のいずれかに記載する周期構造体と該周期構造体に接続された一様媒質とを有することを特徴とする、複合周期構造体。
【請求項２２】
凹凸形状が１次元的な周期性または２次元的な周期性をもって形成された基板上に、少なくとも異方性デポジションまたは異方性エッチングのいずれか一方を用いて製造する周期構造体の製造方法であって、
堆積粒子またはエッチング粒子の基板に対する入射方向の平均が基板面に対して垂直ではなく、
前記入射方向を前記基板面に投影した方向と、前記周期性の方向とがなす角度が０度から４５度の範囲であることを特徴とする、
請求項１から７のいずれかに記載する周期構造体の製造方法。
【請求項２３】
請求項１から２１のいずれかに記載する周期構造体または複合周期構造体と、光源、偏光子、反射型偏光分離素子、ウォークオフ型偏光分離素子、反射手段、位相板、回折格子、散乱体、空間光変調器、電極、感光体及び受光器からなる群から選ばれる少なくとも１つとを有することを特徴とする、デバイス。
【請求項２４】
平行ビーム源と、請求項１１から１４のいずれかに記載する周期構造体と、反射型偏光分離素子とを有し、
前記周期構造体における第１から第３の基本並進ベクトルのうちいずれか２つの基本並進ベクトルを含む平面と前記反射型偏光分離素子とが互いに平行であり、
前記反射型偏光分離素子により、前記平行ビーム源からのビームが前記周期構造体に複数回入射されることを特徴とする、デバイス。
【請求項２５】
レーザー光源と、空間光変調器と、レンズと、感光体と、請求項１２に記載する周期構造体とを有し、
前記周期構造体によって、前記レーザー光源から入射されたビームを、入射光と同一方向かつ互いに平行に伝搬する複数のビームに分岐させ、
前記空間光変調器によって、前記分岐させた複数のビームのうち少なくとも１つのビームを透過させるかまたは反射させ、
前記レンズにより、前記空間光変調器によって透過または反射させたビームを少なくとも含む複数のビームを前記感光体における同一の箇所に集光することを特徴とする、デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光波長程度の周期を有する周期構造体及びその製造方法に関する。また、該周期構造体を用いた電磁波、特に光の伝搬の制御方法及び応用製品に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年フォトニック結晶（Photonic Crystal、以下「ＰｈＣ」と略記する）と呼ばれる２種類以上の媒質からなる電磁波の波長程度の周期をもつ２次元又は３次元の周期構造体（periodical structure）が電磁波の伝搬を制御するものとして注目を集めている。【０００３】
ＰｈＣの基本となるフォトニックバンドの概念は非特許文献１により発表され、その後様々な興味深い性質が提示されたことにより注目を集めた。【０００４】
なお、既に知られる主要な構造、現象、解析手法及び応用事例については非特許文献２や非特許文献３の第78〜第137頁にまとめられている。【０００５】
また非特許文献４および非特許文献５では、自己クローニング型ＰｈＣ（以下、「AC-PhC」と略記する）の反対称モード（奇対称モード）と外部平面波の結合について説明されている。【０００６】
【特許文献１】特開2001-091701号公報
【特許文献２】特開2004-279713号公報
【特許文献３】特開平9-146064号公報
【特許文献４】特開平3-111806号公報
【特許文献５】米国特許第3631288号公報
【特許文献６】米国特許第5172267号公報
【０００７】
【非特許文献１】Ohtaka, PHYSICAL REVIEW B, Vol.19, No.10, pp.5057-5067, 15 May 1979
【非特許文献２】川上彰二郎  監修，”フォトニック結晶技術とその応用”，株式会社シーエムシー出版，2002
【非特許文献３】平成15年度特許出願技術動向調査報告書  光集積回路，平成16年3月，特許庁
【非特許文献４】本間洋  他，”フォトニック結晶の反対称モードと外部平面波の結合”，2004年秋季第65回応用物理学会学術講演会，2004年9月
【非特許文献５】本間洋  他，”フォトニック結晶の反対称モードを用いた光減衰器”，電子情報通信学会ソサイエティ大会，2004年9月
【非特許文献６】川嶋貴之  他，”２次元フォトニック結晶偏光分離素子の作製とその高性能化”，電子情報通信学会光エレクトロニクス研究会，OPE99-109，1999年12月
【非特許文献７】濱川圭弘  編著，”太陽光発電  最新の技術とシステム”，株式会社シーエムシー，2000
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述する状況において、従来困難であった光の伝搬形態、その伝搬形態を実現する素子、素子の製造方法、および素子の利用形態を提供することが望まれている。【０００９】
薄膜光学素子中の任意の位置に対して、任意の入射角（または広い入射角度範囲）で平面波を入射した場合に、光学素子の面内（薄膜内）に高効率で光を伝搬させることは不可能であった。例えば光導波路やウッドのアノマリー（Wood’s Anomaly）のように回折格子を用いた外部平面波の結合の例があるが、薄膜光学素子中の任意の位置に対して、面に対して任意に近い広い角度範囲で平面波を入射した場合に、光学素子の面内（薄膜内）に高効率で光を伝搬するわけではない。【００１０】
しかしながら、このような光学素子が存在するならば、薄膜を構成する媒質と光の相互作用を増大させることができる。【００１１】
また、同一のコヒーレント光源から２つ又はそれ以上の互いに平行に伝搬するビームが得られるならば、干渉を用いる光記録や計測に用いるのに有効であるが、従来の単一の光学素子では困難であった。【００１２】
本発明は、上記状況に鑑みてなされたものであり、従来困難又は不可能であった光の伝搬形態を実現する方法とその応用を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
第１の発明は、
屈折率が１．２より大きい２種以上の媒質からなる周期構造体であって、含まれる媒質間の屈折率の比が１：１．２より大きくなる組合せがあり、基本単位格子を構成する第１から第３の基本並進ベクトルのうち、第１及び第２の基本並進ベクトルを含む面と直交する任意の軸を含み、かつ第１の基本並進ベクトルと平行な面および／または第２の基本並進ベクトルと平行な面に対して、単位構造中の誘電率又は屈折率の分布および／または基本単位格子が非鏡映対称であることを特徴とする、屈折率または誘電率が周期的に変化する周期構造体。【００１４】
第２の発明は、
屈折率が１．２より大きい２種以上の媒質からなる周期構造体であって、含まれる媒質間の屈折率の比が１：１．２より大きくなる組合せがあり、単位構造中の誘電率又は屈折率の分布および／または基本単位格子が、非回転対称、非反転対称であり、基本単位格子を構成する第１から第３の基本並進ベクトルのうち第１及び第２の基本並進ベクトルを含む面と直交する任意の軸を含みかつ第１の基本並進ベクトルと平行な面および／または第２の基本並進ベクトルと平行な面に対して非鏡映対称であることを特徴とする、屈折率または誘電率が周期的に変化する周期構造体。【００１５】
第３の発明は、
屈折率が１．２より大きい２種以上の媒質からなる周期構造体であって、含まれる媒質間の屈折率の比が１：１．２より大きくなる組合せがあり、単位構造中の誘電率又は屈折率の分布および／または基本単位格子が、並進対称性のみ有することを特徴とする、屈折率または誘電率が周期的に変化する周期構造体。【００１６】
第４の発明は、
前記第２の基本並進ベクトルはゼロでない任意の長さを取りうることを特徴とする、第１から第３の発明のいずれかに記載する周期構造体。【００１７】
第５の発明は、
前記第１から第３の基本並進ベクトルのうちいずれか２つの基本並進ベクトルを含む面と残る１つの基本並進ベクトルとがなす角度が６０度より大きく９０度より小さいことを特徴とする、第１から第４の発明のいずれかに記載する周期構造体。【００１８】
第６の発明は、
前記周期構造体は薄膜が複数周期積層されてなり、前記薄膜層は周期的な凹凸構造を有し、該凹凸構造における凸部は最上部から最下部までの距離が複数存在する凸部であることを特徴とする、第１から第５の発明のいずれかに記載する周期構造体。【００１９】
第７の発明は、
少なくとも１つの基本並進ベクトルの長さが１００ｎｍから１０００ｎｍであり、前記単位構造に含まれる媒質のうち少なくとも１つが２以上の屈折率をもつことを特徴とする、第１から第６の発明のいずれかに記載する周期構造体。【００２０】
第８の発明は、
第１及び第２の基本並進ベクトルを含む面と直交する任意の軸を含み、かつ第１の基本並進ベクトルと平行な面および／または第２の基本並進ベクトルと平行な面に対して、電磁場が非鏡映対称の固有モードを呈することを特徴とする、第１から第７の発明のいずれかに記載する周期構造体。【００２１】
第９の発明は、
電磁場が、第１及び第２の基本並進ベクトルを含む面と直交する任意の軸を含み、かつ第１の基本並進ベクトルと平行な面および／または第２の基本並進ベクトルと平行な面に対して非鏡映対称であり、前記軸に対して非回転対称である、固有モードを呈することを特徴とする、第１から第７の発明のいずれかに記載する周期構造体。【００２２】
第１０の発明は、
励振の方位にかかわらず電磁場が、第１及び第２の基本並進ベクトルを含む面と直交する任意の軸を含み、かつ第１の基本並進ベクトルと平行な面および／または第２の基本並進ベクトルと平行な面に対して非鏡映対称であり、前記軸に対して３回以上の回転対称性をもたない、固有モードを呈することを特徴とする、第１から第７の発明のいずれかに記載する周期構造体。【００２３】
第１１の発明は、
前記第１から第３の基本並進ベクトルのうちいずれか２つの基本並進ベクトルを含む面に所定の角度をもって入射した電磁波のビームを、該面と平行な方向に伝搬させるか、または該面に対して周期構造体と空気との臨界角以上の角度で伝搬させることを特徴とする、第１から第１０の発明のいずれかに記載する周期構造体。【００２４】
第１２の発明は、
入射ビームを互いに平行に伝搬する複数のビームに分岐させることを特徴とする、第１から第１１の発明のいずれかに記載する周期構造体。【００２５】
第１３の発明は、
第１１の発明に記載するビームの伝搬方向または第１２の発明に記載するビームの分岐方向が、前記第１又は第２の基本並進ベクトルの方向または前記第１から第３の基本並進ベクトルのうちいずれか２つの基本並進ベクトルを含む面に残る１つの基本並進ベクトルを投影した方向であることを特徴とする、第１１または第１２の発明に記載する周期構造体。【００２６】
第１４の発明は、
入射ビームの入射角または入射位置または入射ビームの波長を変えることにより、第１１の発明における面内の逆方向に伝搬する２つビームの強度比、または、第１２の発明における同一方向に伝搬するビームの強度比または分岐間隔の少なくともいずれか１つが変化することを特徴とする、第１１から第１３の発明のいずれかに記載する周期構造体。【００２７】
第１５の発明は、
第１から第７の発明のいずれかに記載する周期構造体と比べて基本単位格子の断面積又は体積が同一であり、おのおのに含まれる１つの基本並進ベクトルが同一であり、単位構造における媒質の種類、構成比率が同一であり、そして、鏡映対称な基本単位格子および単位構造による周期構造体が有する反対称モードの存在する波長相当のエネルギーの中心値の±３０％以内に相当する波長において第１１から第１４の発明のいずれかに記載するビームの伝搬形態を呈することを特徴とする、屈折率または誘電率が周期的に変化する周期構造体。【００２８】
第１６の発明は、
前記周期構造体の単位構造内の媒質にｐｎ接合またはｐｉｎ接合が存在することを特徴とする、第１から第１５の発明のいずれかに記載する周期構造体。【００２９】
第１７の発明は、
前記周期構造体中の媒質は透明導電体材料を含有し、該周期構造体が電気伝導性をもつことを特徴とする、第１から第１６の発明のいずれかに記載する周期構造体。【００３０】
第１８の発明は、
前記周期構造体中の媒質は流体と固体とを含有することを特徴とする、第１から第１７の発明のいずれかに記載する周期構造体。【００３１】
第１９の発明は、
前記単位構造中の媒質の一部分に非線形光学材料、発光性物質のいずれかを含有することを特徴とする、第１から第１８の発明のいずれかに記載する周期構造体。【００３２】
第２０の発明は、
第１から第１９の発明のいずれかに記載する周期構造体と、該周期構造体に接続され該周期構造体と媒質が連続する他の周期構造体とを有し、
前記周期構造体を構成する第１から第３の基本並進ベクトルの和と前記他の周期構造体を構成する第１から第３の基本並進ベクトルの和とが異なることを特徴とする、複合周期構造体。【００３３】
第２１の発明は、
第１から第１９の発明のいずれかに記載する周期構造体と該周期構造体に接続された一様媒質とを有することを特徴とする、複合周期構造体。【００３４】
第２２の発明は、
凹凸形状が１次元的な周期性または２次元的な周期性をもって形成された基板上に、少なくとも異方性デポジションまたは異方性エッチングのいずれか一方を用いて製造する周期構造体の製造方法であって、
堆積粒子またはエッチング粒子の基板に対する入射方向の平均が基板面に対して垂直ではなく、
前記入射方向を前記基板面に投影した方向と、前記周期性の方向とがなす角度が０度から４５度の範囲であることを特徴とする、
第１から第７の発明のいずれかに記載する周期構造体の製造方法。【００３５】
第２３の発明は、
第１から第２１の発明のいずれかに記載する周期構造体または複合周期構造体と、光源、偏光子、反射型偏光分離素子、ウォークオフ型偏光分離素子、反射手段、位相板、回折格子、散乱体、空間光変調器、電極、感光体及び受光器からなる群から選ばれる少なくとも１つとを有することを特徴とする、デバイス。【００３６】
第２４の発明は、
平行ビーム源と、第１１から第１４の発明いずれかに記載する周期構造体と、反射型偏光分離素子とを有し、
前記周期構造体における第１から第３の基本並進ベクトルのうちいずれか２つの基本並進ベクトルを含む平面と前記反射型偏光分離素子とが互いに平行であり、
前記反射型偏光分離素子により、前記平行ビーム源からのビームが前記周期構造体に複数回入射されることを特徴とする、デバイス。【００３７】
第２５の発明は、
レーザー光源と、空間光変調器と、レンズと、感光体と、第１２の発明に記載する周期構造体とを有し、
前記周期構造体によって、前記レーザー光源から入射されたビームを、入射光と同一方向かつ互いに平行に伝搬する複数のビームに分岐させ、
前記空間光変調器によって、前記分岐させた複数のビームのうち少なくとも１つのビームを透過させるかまたは反射させ、
前記レンズにより、前記空間光変調器によって透過または反射させたビームを少なくとも含む複数のビームを前記感光体における同一の箇所に集光することを特徴とする、デバイス。
【発明の効果】
【００３８】
本発明の最も好ましい実施形態によれば、従来なしえなかった光の伝搬形態が実現できる。例えば任意の位置に対して、広い入射角度範囲で平面波を入射した場合に、光学素子の面内に高効率で光を伝搬させることができる。また入射したビームを、平行な２つのほぼ同一の偏波状態を有するビームまたは３つ以上のビームに分岐させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】図１は、一例としての周期構造体の断面斜視図である。
【図２】図２は、図１に示す周期構造体の基本単位格子および単位構造を示す図である。図２(ａ)は基本単位格子を示す図であり、図２(ｂ)は単位構造を示す図である。
【図３】図３は周期構造体の基本単位格子および単位構造の一種である。図３(ａ)は基本単位格子を示す図であり、図３(ｂ)は単位構造を示す図である。
【図４】図４は、図３に示す基本単位格子による無限周期の周期構造体のＺ方向から入射するＴＥ偏波の波長を横軸にしたバンド図である。
【図５】図５は、図２に示す基本単位格子による無限周期の周期構造体のＺ方向から入射するＴＥ偏波の波長を横軸にしたバンド図である。
【図６】図６は、図３に示す基本単位格子による無限周期の周期構造体のＺＸ平面に対して平行でＺ軸から10度傾いた方向から入射するＴＥ偏波の波長を横軸にしたバンド図である。
【図７】図７は、図３に示す基本単位格子による無限周期の周期構造体のＺ方向から入射するＴＭ偏波の波長を横軸にしたバンド図である。
【図８】図８は、図２に示す基本単位格子による無限周期の周期構造体のＺ方向から入射するＴＭ偏波の波長を横軸にしたバンド図である。
【図９】図９は、図３に示す基本単位格子による無限周期の周期構造体のＺＸ平面に対して平行でＺ軸から１０度傾いた方向から入射するＴＭ偏波の波長を横軸にしたバンド図である。
【図１０】図10は、自己クローニング型２次元フォトニック結晶と該結晶に平行ビームを垂直入射したときの出射光の伝搬を示す図である。図10(ａ)は側面図、図10(ｂ)は正面図である。
【図１１】図11は、自己クローニング型２次元フォトニック結晶と該結晶に平行ビームを小さな入射角をもって斜入射したときの出射光の伝搬を示す図である。図11(ａ)は側面図、図11(ｂ)は正面図である。
【図１２】図12は、自己クローニング型２次元フォトニック結晶と該結晶に平行ビームを垂直入射したときの出射光の伝搬を示す図である。図12(ａ)は正面図、図12(ｂ)は側面図である。
【図１３】図13は、自己クローニング型２次元フォトニック結晶と該結晶に平行ビームを入射したときの出射光の伝搬を示す図である。図13(ａ)は正面図、図13(ｂ)は側面図である。
【図１４】図14は図10記載の基板1002上に形成された「AC-2DPhC」1001、１次元多層膜1003および空気の間での光の伝搬を拡大して表記したモデル図である。
【図１５】図15は図14記載の基板1402上に形成された「AC-2DPhC」1401、１次元多層膜1403および空気の間での光の伝搬を拡大して表記したモデル図である。
【図１６】図16は、自己クローニング型フォトニック結晶における基本並進ベクトルが全て直交する基本単位格子と媒質の分布が偏った単位構造のモデルを示す図である。図16(ａ)は基本単位格子を示す図であり、図16(ｂ)は単位構造を示す図である。
【図１７】図17は、基板と基板に入射する堆積粒子又はエッチング粒子の方向を示す正面図である。
【図１８】図18は、基板と基板に入射する堆積粒子又はエッチング粒子の方向を示す上面図である。
【図１９】図19は、ターゲット及び基板の位置関係を示す上面図である。
【図２０】図20は、ターゲットと基板との位置関係及び堆積粒子又はエッチング粒子またはエッチング粒子の入射方向を示す正面及び側面図である。図20(ａ)は正面図、図20(ｂ)は側面図である。
【図２１】図21は図１に示す基板124を表す模式的な斜視図である。
【図２２】図22は図１に示す基板124および整形層112を表す図である。
【図２３】図23は実際に作製した２次元自己クローニング型フォトニック結晶（2D-横崩しACPC）のＺＸ平面における断面の電子顕微鏡写真である。
【図２４】図24は透過特性のグラフである。図24(ａ)は入射ビームがＴＥ偏波、図24(ｂ)は入射ビームがＴＭ偏波の場合にそれぞれ対応する特性である。
【図２５】図25はホログラフィック記録装置の基本構成を示す側面図である。
【図２６】図26は記録時の動作を示す側面図である。
【図２７】図27は再生時の動作を示す側面図である。
【図２８】図28は実施例２に用いるＨＢＳを示す図である。
【図２９】図29は偏光補償型オプティカルインテグレータおよび入出射する光の伝搬を示す図である。
【図３０】図30はa-SiCと薄膜多結晶シリコンからなる「2D-横崩しACPC」をベースにした光電変換装置の側面模式図である。
【図３１】図31は図30に示す「2D-横崩しACPC」3003の基本単位格子および単位構造を表す。図31(ａ)は基本単位格子であり、図31(ｂ)は単位構造である。
【図３２】図32は、TiO2、SnO2、ヨウ素溶液を用いて作製した３次元フォトニック結晶の断面図である。
【符号の説明】
【００４０】
201  一つめのＰＴＶ
202  二つめのＰＴＶ
1001  自己クローニング型２次元フォトニック結晶
1004  入射平行ビーム
1005  出力ビーム
1006  出力ビーム
1007  出力ビーム
1008  出力ビーム
1009  出力ビーム
1010  出力ビーム
3107  ｉ型多結晶シリコンが占める領域
3108  ｉ型多結晶シリコンが占める領域
3109  ｎ型多結晶シリコンが占める領域
3110  ｐ型アモルファスシリコンカーバイトが占める領域
3111  ｐ型アモルファスシリコンカーバイトが占める領域
3112  ｐ型アモルファスシリコンカーバイトが占める領域
【発明を実施するための最良の形態】
【００４１】
１．第１から第７の発明の説明
以下、第１から第７の発明について、例示的に図面を参照しつつ、詳細に説明する。【００４２】
図１は、一例としての周期構造体および周辺部材の断面斜視図である。屈折率ｎ≒1.5の媒質が占める領域101から領域111、ハッチングされて示される屈折率ｎ≒2.4の媒質が占める領域113から領域123が周期構造体をなす。符号124は基板、符号112は基板と周期構造体の間の中間層（整形層）を示す。図１記載の周期構造体は一種の多層薄膜であり、領域101から領域111の膜厚は各々約150nm、領域113から領域123の膜厚は各々約100nmである。【００４３】
図２は、図１に示す周期構造体の基本単位格子（primitive cell、以下「ＰｒＣ」と略す）および単位構造（basis、以下「ＢＡＳ」と略記する）を示す図である。図２(ａ)はＰｒＣを示す図であり、一つめの基本並進ベクトル（primitive translation vector、以下「ＰＴＶ」と略記する）201は長さ410nmでＸ方向と平行であり、二つめのＰＴＶ202は長さ251nmでＸＹ平面に対して86度の角度をもち、かつＺＸ平面に対して平行である。三つめのＰＴＶはＹ軸と平行であり、長さは任意（不定）である。ここで、長さが不定とはＢＡＳ中の媒質の分布がＹ方向については一様であり、ＰＴＶの長さは一意に定義できない（任意）ことを示す。符号203〜206は格子点である。図２(ｂ)はＢＡＳを示す図であり、三つめのＰＴＶの中点を含む一つめのＰＴＶ201と二つめのＰＴＶ202を含む面と平行な面での断面図である。ＢＡＳは、可視光の範囲でｎ≒2.4の媒質が占める領域207とｎ≒1.5の媒質が占める領域208及びｎ≒1.5の媒質が占める領域209とからなる。ただし周期構造体としては領域208と領域209とは連続しており、ＢＡＳは実質的に２つの領域からなる。また符号210、211及び212はｎ≒2.4である媒質の領域の頂点である（また、ｎ≒1.5である媒質が占める領域の頂点でもある）。図２に示すＰｒＣおよびＢＡＳによる周期構造体は２次元自己クローニング型フォトニック結晶（以下、「AC-2DPhC」と略記する）の一種となる。【００４４】
図２に示すＰｒＣ及びＢＡＳによる周期構造体または図２に示すＰｒＣ及びＢＡＳを３次元周期構造体に拡張したＰｒＣ及びＢＡＳによる周期構造体は、上述する第１から第７の発明を説明するものである。なお、図２に示すＰｒＣ及びＢＡＳを３次元周期構造体に拡張したＰｒＣ及びＢＡＳとは、ＹＺ平面の断面図が図２と同じで、かつＸＹ平面の断面図が図２と同じであるＰｒＣ及びＢＡＳである。【００４５】
第１の発明に関しては、図２に示すＰｒＣ及びＢＡＳにより説明できる。これは、図２に示すＰｒＣ及びＢＡＳによる周期構造体が、第１のＰＴＶとしてＰＴＶ201、第２のＰＴＶとして前記Ｙ軸と平行な不定長のＰＴＶを選択した場合に、ＰｒＣ中の第１及び第２のＰＴＶを含む面（ここではＸＹ平面と平行）と直交する任意の軸（ここではＺ軸と平行な任意の軸）を含み、第２のＰＴＶと平行な面（ここではＹＺ平面と平行な面、Ｘは任意）がＰｒＣおよびＢＡＳ中の屈折率の分布のいずれに対して鏡映面とはなりえず、一方、ＰｒＣ中の第１及び第２のＰＴＶを含む面と直交する任意の軸を含み、第１のＰＴＶ201と平行な面（ここではＺＸ平面と平行な面、Ｙは任意）は第２のＰＴＶの長さの中点を含む面の場合にＰｒＣおよびＢＡＳ中の屈折率の分布のいずれに対しても鏡映面となるからである。【００４６】
第２の発明に関しては、図２に示すＰｒＣ及びＢＡＳによる周期構造体により説明できる。これは、ＢＡＳ中の屈折率の分布が非回転対称及び非反転対称であるからである。なお、ＰｒＣは２回の回転対称性を有している。また、「単位構造中の誘電率又は屈折率の分布および／または基本単位格子が、非回転対称、非反転対称」とは、いずれの軸、点に対する回転操作、反転操作を行っても単位構造中の誘電率と屈折率のいずれかの分布および基本単位格子が元と同じにならないか、もしくは単位構造中の誘電率と屈折率のいずれかの分布または基本単位格子が元と同じにならないことを意味する。【００４７】
第３の発明に関しては、図２に示すＰｒＣ及びＢＡＳを３次元周期構造体に拡張したＢＡＳ中の屈折率の分布が並進を除く対称性を持たない例により説明できる。なお、周期構造体であるため、当然に並進対称性は有する。なお屈折率に対する記述は誘電率εに対しても成り立つ。【００４８】
第４の発明に関しては、図２に示すＰｒＣ及びＢＡＳにおいて第２のＰＴＶがゼロでない任意の長さを取りうる例により説明できる。このことはＢＡＳ中の媒質の分布が第２のＰＴＶの方向について一様であり、いわゆる連続的並進対称性を有していることによる。【００４９】
第５の発明に関しては、図２で説明することができる。これは、図２(ａ)に示す第１及び第２のＰＴＶを含む面（ＸＹ平面と平行）と残る第３のＰＴＶの間になる角度が86度であり、60度より大きく90度より小さいからである。
前記第１から第３のＰＴＶのうちいずれか２つのＰＴＶを含む面と残る１つのＰＴＶとがなす角度については、好ましくは65度より大きく85度より小さく、より好ましくは75度より大きく85度より小さい。65度より大きく85度より小さいと、後述する第11の発明において第１及び第３のＰＴＶを含む面と平行な面である周期構造体の表面に入射した電磁波が、第１及び第３のＰＴＶを含む面と平行な方向により大きい比率をもって伝搬するから有利である。また、75度より大きく85度より小さいと、後述する第22の発明による製造が容易であると共に、後述する第11の発明において第１及び第３のＰＴＶを含む面と平行な面である周期構造体の表面に入射した電磁波が、第１及び第３のＰＴＶを含む面と平行な方向により大きい比率をもって伝搬させることができるため、有利である。【００５０】
第６の発明に関しては、図１に示すような、複数の凹凸構造を有する薄膜がＺ軸方向に積層されてなる周期構造体により説明できる。また、図２からｎ≒2.4の媒質の領域の頂点210は凸部の最上部、頂点211および頂点212は凸部の最下部にあたることがわかる。そして、頂点210と頂点211との距離は、頂点210と頂点212との距離とは異なることから、凸部の最上部から最下部までの距離が２種類（複数）存在する。この形態はＢＡＳの対称性を崩す最も簡便な方法の１つである。また、後述するように、第１及び第３のＰＴＶの長さと第11または第12の発明を特徴づける伝搬を示す電磁波（光）の波長との間には以下の関係がある。
第11または第12の発明を特徴づける伝搬を示す電磁波（光）の波長は、第１のＰＴＶに対してＢＡＳに含まれる最も大きな屈折率をもつ媒質の屈折率をかけた値（例えば図１記載の周期構造体においては波長約980nm）以下であり、好ましくは第１のＰＴＶに対してＢＡＳに含まれる媒質の屈折率の加重平均をかけた値（例えば図１記載の周期構造体においては波長約760nm）以下であり、より好ましくは第１のＰＴＶに対してＢＡＳに含まれる媒質の屈折率の加重平均をかけた値以下でかつ第３のＰＴＶに対してＢＡＳに含まれる媒質の屈折率の加重平均をかけた値以下でかつ第１のＰＴＶ以上（例えば図１記載の周期構造体においては波長約410nm以上465nm以下）である。【００５１】
第７の発明に関しては、図２に示されるように第１のＰＴＶが410nm、第２のＰＴＶが不定（任意）、第３のＰＴＶが約251nmであるため、図２における第１及び第３のＰＴＶが100nmから１μｍの長さの条件を満たす。かつ含まれる一方の媒質のｎ≒2.4である点についても条件を満たす。なおＰＴＶの長さと含まれる媒質の屈折率については対応する電磁波の波長と密接な相関がある。
前記少なくとも１つのＰＴＶの長さについては、後述する第１１の発明において第１及び第２のＰＴＶを含む面と平行な面である周期構造体の表面に入射した電磁波の波長が紫外線領域の場合は、好ましくは100nmから400nm、より好ましくは150nmから350nmとする。同じく電磁波の波長が可視光領域の場合は、好ましくは200nmから700nm、より好ましくは350nmから500nmとする。同じく電磁波の波長が近赤外領域の場合は、好ましくは300nmから1000nm、より好ましくは400nmから700nmとする。【００５２】
なお、ＰｒＣは、例外を除いて、最も対称性のよい一般的なＰｒＣの選択により定義されるものとする。【００５３】
２．第８から第10の発明の説明
以下、第８から第10の発明について、例示的に図面を参照しつつ、詳細に説明する。【００５４】
図３は周期構造体のＰｒＣおよびＢＡＳの一種である。図３(ａ)はＰｒＣを示す図であり、一つめのＰＴＶ301の長さは410nmでＸ方向と平行であり、二つめのＰＴＶ302の長さは251nmでＺ軸に対して平行である。三つめのＰＴＶはＹ軸と平行であり、長さは任意（不定）である。長さが不定とはＢＡＳ中の媒質の分布がＹ方向については一様であり、ＰＴＶの長さは一意に定義できない（任意）ことを示す。符号303〜306は格子点である。【００５５】
図３(ｂ)はＢＡＳを示す図であり、三つめのＰＴＶの中点を含む一つめ及び二つめのＰＴＶを含む面と平行な面での断面図である。ＢＡＳは、可視光の範囲でｎ≒2.4の媒質が占める領域307とｎ≒1.5の媒質が占める領域308及びｎ≒1.5の媒質が占める領域309からなる。ただし周期構造体としては領域308と領域309は連続しており、ＢＡＳは実質的に２つの領域からなる。図10に示すＰｒＣおよびＢＡＳによる周期構造体はAC-2DPhCの一種となる。【００５６】
図３に示すＰｒＣとＢＡＳと、図２に示すＰｒＣ及びＢＡＳとは、互いの一つめ及び三つめのＰＴＶの長さが同一で、ＰｒＣがなす６面体の体積が同一である。また、含まれる全ての媒質の屈折率及びその充填率が同一である。一方、図３に示すＰｒＣ及びＢＡＳは、ＰＴＶ301とＰＴＶ302を含む面と直交する軸とＰＴＶ301の中点とを含む面に対して鏡映対称であり、２回の回転対称性と反転対称性を有する。【００５７】
図４は、図３に示すＰｒＣによる無限周期の周期構造体のＺ方向から入射するＴＥ偏波の波長を横軸にしたバンド図である。大きな点（太い線）で表されるのが対称モード、小さい点（細い線）で表されるのが反対称モードを示す。反対称モードの第１バンドは波長約680nmから波長約790nmに存在し、反対称モードの第２バンドは波長約440nmから波長約540nmの範囲で存在し、反対称モードの第３バンドは波長約430nm以下で存在する。なお反対称モードの第３バンドは偶対称モードのバンドと重なり合っている。【００５８】
図５は、図２に示すＰｒＣによる無限周期の周期構造体のＺ方向から入射するＴＥ偏波の波長を横軸にしたバンド図である。図６は、図３に示すＰｒＣによる無限周期の周期構造体のＺＸ平面に対して平行でＺ軸から10度傾いた方向から入射するＴＥ偏波の波長を横軸にしたバンド図である。【００５９】
図６は、図３に示すＰｒＣによる無限周期の周期構造体のＺ方向から入射するＴＭ偏波の波長を横軸にしたバンド図である。大きな点（太い線）で表されるのが対称モード、小さい点（細い線）で表されるのが反対称モードを示す。反対称モードの第１バンドは波長約580nmから波長約720nmに存在し、反対称モードの第２バンドは波長約400nmから波長約550nmの範囲で存在する。なお反対称モードの第２バンドは偶対称モードのバンドとほぼ重なり合っている。【００６０】
図７は、図２に示すＰｒＣによる無限周期の周期構造体のＺ方向から入射するＴＭ偏波の波長を横軸にしたバンド図である。図８は、図３に示すＰｒＣによる無限周期の周期構造体のＺＸ平面に対して平行でＺ軸から10度傾いた方向から入射するＴＭ偏波の波長を横軸にしたバンド図である。【００６１】
第８の発明に関しては、図５及び図８に示されるバンド図中のすべてのバンドにより説明できる。図５及び図８に示されるバンド図中のすべてのバンドは対称モードと反対称モードの区別ができない。これはＰｒＣ及びＢＡＳが既に第１及び第２のＰＴＶを含む面（図２におけるＸＹ平面）と直交する任意の軸（図２におけるＺ軸と平行な軸）を含み、かつ第２のＰＴＶと平行な面（ＹＺ平面と平行）に対して非鏡映対称であることから、電磁場の固有モードもまた該面に対して非鏡映対称となることによる。【００６２】
第９の発明に関しては図５及び図８に示されるバンド図中のすべてのバンドにより説明できる。また同様にＰｒＣ及びＢＡＳが既に第１及び第２のＰＴＶを含む面（図２におけるＸＹ平面）と直交する任意の軸（図２におけるＺ軸と平行な軸）に対してＰｒＣ及びＢＡＳが既に非回転対称であるので、電磁場の固有モードもまた該軸に対して非回転対称である。【００６３】
第10の発明に関しては、図５及び図８に示されるバンド図中のすべてのバンドにより説明できる。また同様にＰｒＣ及びＢＡＳが既に第１及び第２のＰＴＶを含む面（図２におけるＸＹ平面）と直交する任意の軸（図２におけるＺ軸と平行な軸）を含み、かつ第２のＰＴＶと平行な面（ＹＺ平面と平行）に対して非鏡映対称であり、該軸に対して非回転対称であるので、電磁場の固有モードは励振の方位にかかわらず該面に対して非鏡映対称であり該軸に対して３回以上の回転対称性をもたない。【００６４】
図６及び図９に示されるバンド図においても対称モードと反対称モードの区別ができていないが、その理由は非特許文献４および非特許文献５で述べられている。【００６５】
図４に示すバンド図には偶対称モード(Even)のバンドと反対称モード(Odd)のバンドが存在し、図５に示すバンド図では対称モードのバンドと反対称モードのバンドの区別が付かないものの、両バンド図は各バンドの傾き、折り返しの周波数、バンドギャップの存在する周波数などにおいてほぼ同一である。そこで図４における反対称モードのバンドに対応する図５におけるバンドを反対称ライクモードのバンドと呼称する。図４における偶対称モードのバンドに対応する図５におけるバンドも同様に偶対称ライクモードのバンドと呼称する。【００６６】
偶対称モードと反対称モードの区別が付かないことは非特許文献４で述べられているビームを垂直入射した場合及び斜入射した場合と類似している。しかしながら、図４のバンド図に対して図５のバンド図を比較した場合と、図４のバンド図に対して図６のバンド図を比較した場合の相違点としては、図４でほぼ重なり合う偶対称モードと反対称モードに対応する図５の偶対称ライクモードのバンドと反対称ライクモードのバンドが乖離していく傾向が見えることと、図５の偶対称モードのバンド、反対称モードのバンドが存在する周波数近傍で図６ではバンドギャップが発生するなどバンド構造の著しい変形が認められるが、図５ではそのような傾向がみられないことがあげられる。【００６７】
また反対称モードのバンドに対して反対称ライクモードのバンドが存在するバンド端が周波数にして７％程度まで乖離が認められる。図２の一つめのＰＴＶと三つめのＰＴＶを含む面と二つめのＰＴＶとがなす角度がさらに小さい場合は、周波数の違いはさらに大きくなる。図２に類似したＰｒＣ及びＢＡＳでは±30％程度の乖離が可能である。【００６８】
また図７から図９に示したＴＭ偏波のバンド図を比較した場合についても、図４から図６記載のＴＥ偏波の各バンド図を比較した場合とほぼ同傾向を示している。【００６９】
３．第11から第15の発明の説明
以下、第11から第15の発明について、例示的に図面を参照しつつ、詳細に説明する。【００７０】
前記第１から第10の発明による周期構造体（ＰｈＣ）および／または該ＰｈＣを含むデバイスに「特定の波長の光（電磁波）を入射」した場合、以下（Ａ）〜（Ｒ）の現象が生じる。【００７１】
（Ａ）  第１及び第２のＰＴＶを含む面と平行な面である周期構造体の表面に入射した電磁波の一部は、周期構造体内部を第１及び第２のＰＴＶを含む面と平行な方向に伝搬する（第11の発明に相当する）。
（Ｂ）  第１及び第２のＰＴＶを含む面と平行な面である周期構造体の表面に入射した電磁波の一部は、周期構造体内部で回折光となり、周期構造体内部を「第１および／又は第２のＰＴＶの方向」および／又は「第１及び第３のＰＴＶを含む面と平行な方向」および／又は「第２及び第３のＰＴＶを含む面と平行な方向」に伝搬する。
（Ｃ）  上記（Ｂ）の回折光は、周期構造体と一様媒質の界面で全反射、又は一部を除いて反射し残りは透過する。（第11の発明に相当する）。つまり周期構造体は導波路としての作用も有する。【００７２】
（Ｄ）  周期構造体と一様媒質との界面を透過した上記（Ｂ）の回折光は、一様媒質と空気（他の一様媒質）との界面で反射し、再度周期構造体に入射する。
（Ｅ）  上記（Ｂ）から上記（Ｄ）により、入射ビームと同一進行方向及び反射ビームと同一方向に進む複数のビームが得られる（ビームの分岐。第12の発明に相当する）。さらに該複数のビームは、互いにほぼ同一の偏波状態をもつ。【００７３】
（Ｆ）  上記（Ａ）の光の伝搬方向および上記（Ｅ）の光の分岐方向は、「第１のＰＴＶの方向およびその逆方向」および／又は「第２のＰＴＶの方向およびその逆方向」又は「第１及び第２のＰＴＶに対して第３のＰＴＶを投影した方向およびその逆方向」である（第13の発明に相当する）。
（Ｇ）  入射角によって同一方向に伝搬するビームの強度比、分岐間隔が、変化する（第14の発明に相当する）。
（Ｈ）  入射位置によって同一方向に伝搬するビームの強度比が、変化する（第14の発明に相当する）。
（Ｉ）  波長によって同一の入射角、入射位置における面内の逆方向に伝搬する２つビームの分岐間隔が、おおよそ波長に比例して変化する。また入射角度、入射位置を変化させた場合の分岐された光の強度比も変化する（第14の発明に相当する）。【００７４】
（Ｊ）  ビームの分岐間隔は、面内周期の大きさ、媒質の屈折率と波長、基板材質及び厚さに依存する。
（Ｋ）  前記特定波長以外では、ビームの伝搬方向は通常の幾何光学に従う。
（Ｌ）  上記（Ａ）から上記（Ｊ）に記載される伝搬を示す波長は、図２に示すＰｒＣおよびＢＡＳと周期構造体とＰｒＣの面積又は体積が同一、かつおのおのに含まれる１つのＰＴＶが同一、ＢＡＳにおける媒質の種類、構成比率が同一、かつ鏡映対称な図３に示すＰｒＣおよびＢＡＳによる周期構造体が有する反対称モードの存在する波長の近傍である（周波数にして７％のずれは存在する。また、場合によっては10％のずれ、15％のずれ、20％のずれ、30％のずれは存在する）（第15の発明に相当する）。
（Ｍ）  第１または第３のＰＴＶの大きさと含まれる媒質のうち最も大きな屈折率との積は、上記（Ａ）から上記（Ｋ）の伝搬が生じる最も長い波長よりも大きい。
（Ｎ）  上記（Ｅ）記載の互いに平行に伝搬する複数のビームが発現する範囲は、多次元周期構造体の範囲内に限られる。多次元周期構造の外に上記（Ｅ）記載の互いに平行に伝搬する複数のビームは発生しない。
（Ｏ）  上記（Ａ）および（Ｂ）の伝搬をなす光が、欠陥や表面の異物など周期が乱れた個所から漏れ出す。
（Ｐ）  図３記載のＰｒＣおよびＢＡＳによる周期構造体に、反対称モードのバンドが存在する波長の光を斜め入射しても上記（Ａ）から上記（Ｊ）の光の伝搬は生じない。【００７５】
以下に、上述する光の振る舞いについて、図面を参照して詳細に説明する。基板上に形成した図２記載のＰｒＣ及びＢＡＳによる周期構造体に対して、偏光方向を選択した平行ビームを入射し、伝搬を調べた結果を示す。【００７６】
図10は、前記の基板上に形成された「AC-2DPhC」1001の中心部に波長532nmのレーザー光によるガウス型の強度分布を有する平行ビームを垂直入射したときの出射光の伝搬を示す図である。図10(ａ)は側面図、図10(ｂ)は正面図である。【００７７】
「AC-2DPhC」1001は厚さ0.5mmの溶融石英基板1002の上に積層されておりＹ軸方向については一様（１周期）である。また同時に１次元（平面）多層膜1003も基板1002の上に積層されている。図中、符号1004は入射平行ビームを示し、符号1005〜1014は出力ビームを示す。同様に符号1015は「AC-2DPhC」1001における入射平行ビーム1004の入射位置および出射位置、符号1016及び1017は「AC-2DPhC」1001における出射ビームの出射位置を示す。符号1018は、「AC-2DPhC」1001中に存在する欠陥領域、符号1019は１次元多層膜部分の表層に塗布された散乱体を表す。【００７８】
まず、図10に示すように、スネルの法則に従う透過光と前記透過光と進行方向が平行な２つのビームが確認された。また反射側に伝搬する光についても反射の法則に従う反射光と前記反射光と進行方向が平行な２つのビームが確認された。なおビームの出射位置は多次元周期構造の範囲に限定され、同一方向に伝搬する３つのビームの間隔は2.0ｍｍで同一であった。【００７９】
またＴＥ、ＴＭ、電界振動方向がＴＥ偏波に対して45度傾いた直線偏波の各偏波を入れた場合、いずれにおいても同様の振る舞いが確認された。さらに出力ビーム1008、1009、1010はほぼ同一の偏波状態をもつことも確認された。【００８０】
次に、ビームの入射位置を「AC-2DPhC」1001のＸ方向の端部付近にしたところ「AC-2DPhC」1001の存在する範囲からのみ４つのビームが出射し、かつ４つのビームの間隔は図10の場合と同一であることを確認した。また入射位置によって、ビームの強度比を変化させることができ、特に出力ビーム1009より出力ビーム1008の強度を大きくできることを確認した。【００８１】
またAC-2DPhC面の荒れ（欠陥領域1018）によって散乱する光が存在し、かつ「AC-2DPhC」1001と同時に積層された１次元多層膜1003の端面の前記３つの出射ビームの出射位置の並ぶ延長線上の位置から出力ビーム1011〜出力ビーム1014がビームとして出力したことから、薄膜面内を光が伝播することが確認できた。さらに、１次元多層膜部分の表層に散乱体1019を塗布したところ、散乱体1019からの光の漏れも確認された。【００８２】
ついで、基板1002と種々の厚さの石英板を、屈折率マッチングオイルを介して光学的には一体として見なせるよう接続したところ、出力ビーム1008と1009の間隔が変化した。【００８３】
図11は、前記の基板上に形成された「AC-2DPhC」1001と、「AC-2DPhC」1001の中心部に波長532nmのレーザー光によるガウス型の強度分布を有する平行ビームを小さな入射角をもって斜入射したときの出射光の伝搬を示す図である。入射面はＺＸ平面と平行である。図11(ａ)は側面図、図11(ｂ)は正面図である。【００８４】
図中、符号1101は入射平行ビームを示し、符号1102〜1107は出力ビームを示す。同様に符号1108は「AC-2DPhC」1001における入射平行ビームの入射位置および出射位置、符号1109及び符号1110は「AC-2DPhC」1001における出射ビームの出射位置を示す。【００８５】
図11に示す例では、透過側に伝搬する光の分岐間隔については垂直入射時を最大に入射角によって変化した。また反射側に伝搬するビームの進行方向は幾何光学における反射の法則で示される方向と同一であった。さらに透過側、反射側のいずれについても入射角を変化させることで同一方向に伝搬するビームの強度比を変化させることが可能であった。【００８６】
また図11の場合よりも入射角を大きくすると透過側及び反射側に伝搬するビームが各々２つに減少した。さらに入射角を大きくするとビームが１つになる場合もあった。さらに入射する方向を変えてみた（Ｘ軸の周りで回転させる）ところ、同じくビームの分岐が生じ、反射側に伝搬するビームの進行方向は、幾何光学における反射の法則で示される方向と同一であった。また入射角によって透過光と反射光の比率を変更できることを確認した。【００８７】
ついで入射光の波長を変えてみたところ、波長473nmの平行ビームのレーザー光を入射した場合であっても、図10における波長532nmと同様の振る舞いをした。ただし、波長473nmの場合、垂直入射時のビームの分岐間隔は1.4mmで減少していた。さらに短波長の波長405nmでは垂直入射時のビームの分岐間隔は、1.0mm程度になった。さらに波長650nmにおいては入射平行ビームの伝搬は、通常のスネルの法則、反射の法則に従うことが確認された。【００８８】
以上のように、同一入射角におけるビームの分岐間隔は、ある所定の波長までは１次関数の関係になる。また532nmでは通常の幾何光学に従うビームと分岐光の比率がＴＥ偏波を入射した場合の方がＴＭ偏波を入射した場合に比べて小さく（分岐光が多く）、473nmでは通常の幾何光学に従うビームと分岐光の比率がＴＥ偏波を入射した場合の方がＴＭ偏波を入射した場合に比べて大きい（分岐光が少ない）ことを確認した。分岐自体はＴＥ、ＴＭの両偏波で生じるが、分岐光強度は偏波によって異なり、かつ通常の幾何光学に従うビームと分岐光の比率も波長に依存する。なお出力ビーム1011と出力ビーム1013の間になす角度も波長によって変化した。【００８９】
またビーム直径３mm、波長473nmの平行ビームのレーザー光を入射した場合、分岐されたビームが重なって干渉パターンが確認された。【００９０】
図12は、基板1202上に形成された「AC-2DPhC」1201と、「AC-2DPhC」1201に波長532nmのレーザー光によるガウス型の強度分布を有する平行ビームを垂直入射したときの出射光の伝搬を示す図である。図12(ａ)は側面図、図12(ｂ)は正面図である。【００９１】
図中、符号1203は「AC-2DPhC」1201と媒質が連続する平面多層膜であり、符号1204は入射平行ビームを示し、符号1205〜1215は出力ビームを示す。符号1216は「AC-2DPhC」1201における入射平行ビームの入射位置および出射位置、符号1217及び符号1218は「AC-2DPhC」1201における出射ビームの出射位置を示す。「AC-2DPhC」1201は、「AC-2DPhC」1001の一部を劈開したものである。【００９２】
図12に示すように、AC-2DPhCの一部を劈開し、図10と同様に平行ビームを入射したところ、図10に示す出力ビーム1011および1013よりも強い出力ビーム1211、1213および1215が劈開した端面から出力し、かつ出力ビーム1205は出力ビーム1005に比べ強度が低いことが確認された。同様に出力ビーム1208は出力ビーム1008に比べ強度が低いことが確認された。また入射位置をＸ方向で変えると劈開した端面からの光の漏れ光強度が変化すること、漏れ光のビームの強度比が変化することを確認した。この結果から、１次元多層膜部が面内伝搬光に対する弱い光閉じこめ機構として作用していることがわかる。また劈開した端面外の空間（一様）もわずかに光閉じこめ機構となることがわかる。【００９３】
さらにＸ方向の周期が500nmで、水素化アモルファスシリコン（以下、「a-Si:H」）と二酸化珪素（以下、「SiO2」）による図１と同等のAC-2DPhCを用いて、中心のビームについて透過光と反射光の和を測定したところ、そのディップの生じる波長が同一膜構成で垂直成長のＰｈＣにおける反対称モードのバンドの影響が存在する波長と同じであることが確認された。なお波長可変レーザーを用いる必要があるため、a-Si:HとSiO2による図１と同等のAC-2DPhCを用いた。【００９４】
図13は、図12に示す基板1202上に形成された「AC-2DPhC」1201に波長532nmのレーザー光によるガウス型の強度分布を有する平行ビームを垂直入射したときの出射光の伝搬を示す図である。図13(ａ)は正面図、図13(ｂ)は側面図である。【００９５】
図中、符号1301は入射平行ビームを示し、符号1302〜1305は薄膜面内を伝搬する光を示し、符号1306〜1308は出力ビームを示す。なお図13には特徴的な光の伝搬のみ記載している。図13のように劈開した端面から光を入射することを試みたところ、以下の事柄が確認できた。
第１に薄膜面内を光が伝搬する。
第２にAC-2DPhCと１次元多層膜部の境界で反射する。
第３にＺ方向に光が漏れ出す。【００９６】
また図２記載のＰｒＣとＢＡＳと相似形であり、一つめのＰＴＶが350nmのＰｒＣとＢＡＳからなるAC-2DPhCを厚さ0.5mmの溶融石英基板上に形成し、垂直入射時の光の分岐を評価したところ、波長405nmで分岐間隔1.7mmが確認されたが、波長473nm、532nm、660nmのいずれでも分岐は確認できなかった。【００９７】
以下、図を用いて図10から図13に示した光の伝搬を説明する。
図14は図10記載の基板1002上に形成された「AC-2DPhC」1001、１次元多層膜1003および空気の間での光の伝搬を拡大して表記したモデル図である。図中の符号1401はAC-2DPhC、符号1402は石英基板、符号1403は１次元多層膜、符号1404は入射光、符号1405〜1423はそれぞれ光線を表す。【００９８】
空気中から入射した光線1404は、「AC-2DPhC1401」内部で１次回折光1405〜1408、スネルの法則に従う光線1409、「AC-2DPhC」1401の膜と平行に伝搬する光線1411〜1412、不図示の反射光に分岐される。
１次回折光である光線1405は「AC-2DPhC」1401と空気との界面で全反射し、ついで「AC-2DPhC」1401と基板1402との界面に入射する。この界面では反射光と透過光1416に分岐される。
同じく１次回折光である光線1406は「AC-2DPhC」1401と基板1402との界面に入射し、反射光の光線1414と透過光の光線1415に分岐される。
同じく１次回折光である光線1407は「AC-2DPhC」1401と空気との界面で全反射し、ついで「AC-2DPhC」1401と１次元多層膜1403との界面に入射する。この界面では反射光1419と透過光1420に分岐される。
また「AC-2DPhC」1401の膜と平行（Ｘ軸と平行方向）に伝搬する光線1412は「AC-2DPhC」1401と１次元多層膜1403との界面に入射し、一部は透過する。なお、光線1415の出力が望ましくない場合は、以下の方法で出力を小さくできる
・AC-2DPhCの実効屈折率が高くなるようにする。
・基板に金属材料を用いる。または基板と周期構造体の間に金属層を介する。
・屈折率の小さい材料を基板として用いる。【００９９】
図15は図14記載の基板1402上に形成された「AC-2DPhC」1401、１次元多層膜1403および空気の間での光の伝搬を拡大して表記したモデル図である。図中の符号1501〜1502、1504〜1509及び1511はそれぞれ光線を表し、符号1503は「AC-2DPhC」1401と基板1402の界面、符号1510は基板1402と１次元多層膜1403の界面を表す。
「AC-2DPhC」1401と基板1402の界面を透過した光線1415は、基板1402と空気の界面に入射し全反射する。ついで再度「AC-2DPhC」1401と基板1402の界面に入射し、一部は「AC-2DPhC」1401内に透過し、相反性の要求に従い光線1504と1505を生じさせる。これが前記の分岐光の発生過程である。
一方、「AC-2DPhC」1401と基板1402の界面を透過した光線1423は基板1402と空気の界面に入射し全反射する。ついで１次元多層膜1403と基板1402の界面に入射し全反射する。そのため光線1423は基板1402中に閉じこめられる。【０１００】
以下、前述の光の伝搬の波長依存性についてバンド構造との関係を説明する。
前述した光の伝搬の波長依存性からすると、図４の反対称モードの第２バンドに対応する図５の反対称ライクモードの第２バンドでは面内への伝搬などが生じるが図４の反対称モードの第１バンドに対応する図５の反対称ライクモードの第１バンドでは均質媒質によるバルクの平板と同様の伝搬を生じさせる。図５では反対称ライクモードの第１バンドが存在する波長近傍のバンド構造は図４の反対称モードの第１バンドが存在する波長近傍のバンド構造と傾き及び波長がさほど変わらず、反対称ライクモードの第１バンドが存在する波長近傍のバンド構造は垂直成長の反対称モードの第２バンドが存在する波長近傍のバンド構造は大きく乖離していることから図１の構成では反対称ライクモードの第２バンドまたはより高次の反対称ライクモードのバンドが存在する波長で後述する光の伝搬をなすと結論付ける。【０１０１】
上述した光の伝搬と従来の回折格子との相違を説明する。
従来の回折格子には｜sinθ｜＞１（θは回折角）の条件を満たす回折光が、回折格子表面（回折格子と空気の界面）に近接場光として局在する現象が知られている。
本発明は、界面ではなく、ＰｈＣ内部を伝搬光として伝搬することが異なる。【０１０２】
図16は、AC-PhCにおけるＰＴＶが全て直交するＰｒＣと媒質の分布が偏ったＢＡＳのモデルを示す図である。図16(ａ)はＰｒＣを示す図であり、一つめのＰＴＶ1601はＸ方向と平行で長さが410ｎｍであり、二つめのＰＴＶ1602はＺ方向に対して平行で長さが250ｎｍである。三つめのＰＴＶはＹ軸と平行であり、長さは任意（不定）である。符号1603〜1606は格子点である。図16(ｂ)はＢＡＳを示す図であり、ＺＸ平面と平行な面での断面図である。ＢＡＳは、ｎ≒2.4の媒質が占める領域1607とｎ≒1.5の媒質が占める領域1608および領域1609とからなる。ただし周期構造体としては領域1608と領域1609とは連続しており、ＢＡＳは実質的に２つの領域からなる。【０１０３】
第１から第10の発明に該当する周期構造体は、図２に示すＰｒＣ及びＢＡＳによる周期構造体に限らない。一般的に、図16に示すＰｒＣ及びＢＡＳまたは図16に示すＰｒＣ及びＢＡＳを３次元に拡張したによる周期構造体もまた第１から第10に該当する周期構造体である。なおＰＴＶが全て直交する場合、該当する周期構造体は媒質の分布が偏ったＢＡＳによる場合に限られる。図16に示すＰｒＣとＢＡＳによる周期構造体のバンド構造は、図２に示すＰｒＣとＢＡＳによる周期構造体のバンド構造と類似する。【０１０４】
ここでＰｈＣと原子の周期配列による結晶のＰｒＣ及びＢＡＳの違いについて補足する。上記で示したようにＰｈＣはＰｒＣの形状、ＢＡＳの自由度が大きい。このような特徴は原子の周期配列による結晶とＰｈＣの間で大きく異なる点であるといえる。ＰｒＣに関して原子の周期配列による結晶では基本的に３次元構造にならざるを得ず、ＰｈＣのように２次元周期構造体とすることは困難であり、ＰｒＣの形状についても同様である。【０１０５】
ＢＡＳについては、原子の周期配列による結晶では電子の軌道によって制限されるのに対し、ＰｈＣでは構成媒質自体が形状を保持するため、製造工程さえ満たせば基本的に制限はない。【０１０６】
また周期構造体の外観上の相違として、前記の光の伝搬を示す周期構造体については宝石のオパールにみられる遊色効果(play of color)に類似した色むらのある外観であるのに対し、非特許文献４に記載する周期構造体は透過反射スペクトルを反映した着色があるものの均一な外観（半透明の色つきガラスに似る）であった。【０１０７】
ここまでで第11から第15の発明によるところの周期構造体がもつ電磁波の伝搬の特殊性も明らかになった。そこで前記（Ａ）から（Ｊ）の光の伝搬をまとめてＨ型伝搬と呼称することとする。またＨ型伝搬の中でも個別の事項を指すとき、たとえば前記（Ａ）を指すときはＨ型伝搬（Ａ）と略記する。【０１０８】
さらに上記第１から第15の発明について、次の補助技術を付加してもよい。既に述べたように、第１から第７の発明に係る周期構造体であれば、前記Ｈ型伝搬（Ａ）〜Ｈ型伝搬（Ｄ）に記載する光の伝搬が生じる。前記（Ｌ）に示したように、鏡映面を有する類似構造の反対称モードと近縁性があり、前記反対称モードのバンドの存在する波長を制御することが前記Ｈ型伝搬（Ａ）〜Ｈ型伝搬（Ｄ）に記載する光の伝搬が生じる波長を制御する手段となる。【０１０９】
これを受けて、図３と同等のＰｒＣ及びＢＡＳによるＰｈＣにおいて「反対称モードのバンドが存在する波長帯域の拡張方法」を検討した。反対称モードのバンドが存在する波長は以下の２点が支配的であり、ＰｒＣにおける他のパラメータの影響は小さいことが既に知られている（非特許文献６を参照）。
（１）入射方向と直交又はそれに近い角度をもつＰＴＶの長さ（AC-PhCにおいては基板上に形成されて凹凸の周期）
（２）用いる媒質の屈折率と充填比率（実効屈折率）【０１１０】
以上をふまえて、シミュレーションを行ったところ、一般に複雑な構成のＰｒＣ又はＢＡＳ中の屈折率の分布を有する周期構造体が反対称モードのバンドが存在する波長帯域の拡張には有利であることがわかった。【０１１１】
以下、波長帯域の拡張に特に有効な方法を図面を参照しつつ列記する。
第１の有効な方法として、３次元ＰｈＣを用いる。離散的並進対称性を有する方向と周期の大きさの存在数が多いほど反対称モードのバンドが存在する波長が増えるため、３次元ＰｈＣは２次元ＰｈＣに比べ有利である。特にＰＴＶの長さが各々異なることが望ましい。【０１１２】
第２の有効な方法として、３種類以上の屈折率を有する媒質を含まれているＢＡＳを用いる。この手段は、用いる媒質を３種類以上にすることや製造条件を適切に設定することで実現できる。【０１１３】
第３の有効な方法として、屈折率の変調が光進行方向に２回以上存在するＢＡＳを用いる。【０１１４】
例えば、図１における領域114、116、118、120、122をｎ＝3.4の媒質に変更すれば、屈折率の変調が２回存在することになる。また、AC-PhCのＰｒＣとＢＡＳであることから第１から第10の発明に容易に対応できる。【０１１５】
または例えば、図１における領域114、116、118、120、122の厚さを、領域115の厚さに対して十分異なる厚さに変更すれば、屈折率の変調が２回存在することになる。【０１１６】
第４の有効な方法として、フォトニックバンドギャップが狭く、バンドの折り返しが多く、反対称モードのバンドにおける光の群速度が小さくなるよう、ＰｒＣのパラメータを最適化する。【０１１７】
なお上記の「反対称モードのバンドが存在する波長帯域の拡張方法」は、単独のみならず組み合わせて用いることも可能である。逆に特定波長でのみＨ型伝搬（Ｅ）を生じさせたい場合など、反対称モードのバンドが存在する波長帯域が狭いことが望ましい場合は、上記の手段の逆を行えばよい。【０１１８】
４．第16から第19の発明の説明
以下、第16から第19の発明について、例示的に図面を参照しつつ、詳細に説明する。【０１１９】
第16の発明に関しては、たとえば図２において、領域207を占めるｎ≒2.4の媒質に代えてシリコン（以下、Ｓｉ）を用い、領域208と領域209を占めるｎ≒1.5の媒質に代えてシリコンカーバイト（以下SiC、ｐ型半導体である）を用いた例により説明できる。なお、該Ｓｉに真性半導体層（ｉ層）とｎ型半導体層（ｎ層）を形成すれば、pin接合を形成できる。該Ｓｉ中のｉ層とｎ層の屈折率はほぼ同じであるので、光に対しては２つの媒質による周期構造体として振る舞う。【０１２０】
第17の発明に関しては、たとえば図２において、領域207を占めるｎ≒2.4の媒質に代えてＳｉを用い、領域208を占めるｎ≒1.5の媒質に代えて透明導電体である酸化スズ（以下SnO2、ｎ型半導体である）を用い、領域209を占めるｎ≒1.5の媒質に代えてSiCを用い、該Ｓｉに真性半導体層（ｉ層）とｎ型半導体層（ｎ層）を形成した例により説明できる。この場合の周期構造体はＺ方向に電気伝導性を有する。なお、該SiCとSnO2の屈折率はほぼ同じであるので、光に対しては２つの媒質による周期構造体として振る舞う。【０１２１】
第18の発明に関しては、Ｈ型伝搬を示す周期構造体の媒質のうち、１つの媒質が流体（気体、液体）であり、その他の媒質が固体である例により説明できる。流体としては空気や液体などが該当し、流体であれば周期構造体の内外で出入り可能であり、流体の入れ替えによって前記Ｈ型伝搬が生じる波長やＨ型伝搬（Ｅ）の分岐間隔を変化させることができる。【０１２２】
第19の発明に関しては、たとえば図１における屈折率ｎ≒1.5の媒質または屈折率ｎ≒2.4の媒質として非線形光学材料、発光性物質のいずれかを用いた例により説明できる。Ｈ型伝搬（Ａ）から（Ｄ）はいわば光を周期構造体内に閉じこめる作用である。光を閉じこめることにより、周期構造体内での電界強度が増大し、均質媒質に比べ媒質と光の相互作用を増大させることができる。つまり、周期構造体の構成媒質が非線形性を有する光学的分極率をもつならば、非線形光学効果の効率を増大させることができる。さらに、周期構造体の構成媒質が光吸収性物質を含むならば、吸収効率を増大させることができる。なお周期構造体においては高屈折率媒質に光の強度分布が集中するため、前記非線形光学材料、発光性物質、光増幅性物質と組み合わされる他の媒質は非線形光学材料、発光性物質、光増幅性物質に比べ低屈折率であることが望ましい。【０１２３】
５．第20及び第21の発明の説明
以下、第20及び第21の発明について、例示的に図面を参照しつつ、詳細に説明する。【０１２４】
前述のように、前記周期構造体の周辺構造も光の伝搬を制御する手段となる。有効な周期構造体の周辺構造としては、以下の３種類があげられる。
（ａ）異なるＰｒＣの長さ、ＰｒＣの方向、次元数をもつ周期構造体のヘテロ接合。つまりＰＴＶの和、いわゆる合成ベクトルが異なる周期構造体同士の接合を行う。このとき接合される各周期構造体中の構成媒質は同じで、各周期構造体中の同種の構成媒質どうしが連続することが望ましい（第20の発明に相当する）。
（ｂ）周期構造体の端面を一様媒質と接続した構造（第21の発明に相当する）。
（ｃ）第３のＰＴＶの方向に異なる周期、媒質構成の異なるＰｈＣを直列接続した構造。【０１２５】
第20の発明に関しては、例えば図10に示す「AC-2DPhC」1001と平面多層膜1003との組み合わせにより説明できる。「AC-2DPhC」1001は２方向に実質的な周期を持ち、平面多層膜1003はＺ方向の１方向にのみ実質的な周期を有するので、当然にそのＰＴＶの和、いわゆる合成ベクトルは異なる。また「AC-2DPhC」1001と平面多層膜1003はともに多層膜であり、各層は互いに連続している。【０１２６】
ＰＴＶの和が異なる周期構造体同士としては、異なるＰｒＣの長さ、または異なるＰｒＣの方向、または異なる次元数をもつ周期構造体同士が挙げられる。【０１２７】
第20の発明の効果としては、すでに述べたように平面多層膜1003が「AC-2DPhC」1001の薄膜面内を伝搬する光を閉じこめる作用を有するように、ＰＴＶの和が異なる２つの周期構造体間で、一定割合をもって光の受け渡し（透過及び反射）させることができる。さらにその割合をＰＴＶの長さや方向で制御することができる。また、例えば図10において、平面多層膜1003に代えて、「AC-2DPhC」1001の周辺に適切な３次元自己クローニング型フォトニック結晶を並置することで、図10における出力ビーム1011から1012を抑制できる。【０１２８】
第21の発明に関しては、図15に示す「AC-2DPhC」1401と周辺の大気や石英基板1402との組み合わせにより説明できる。なお大気はｎ≒1.0の一様媒質である。Ｈ型伝搬（Ｃ）及び（Ｅ）は周辺の大気や石英基板1402との組み合わせにより発現する。また図12における劈開された端部を金属でコートすれば出力ビーム1211を抑制できる。【０１２９】
前記（ｃ）の構造に関しては、たとえば図１の領域123の上に、屈折率ｎ≒1.5の媒質による厚さ120nmの薄膜と屈折率ｎ≒2.1の媒質による厚さ90nmの薄膜を交互に、かつ領域123の凹凸形状を保持したまま積層することなどがあげられる。【０１３０】
ＰＴＶの和が異なる周期構造体同士をＺ方向に対して接合することで以下のような効果が得られる。まず、前記ＰＴＶの向きが異なる複数のＰｈＣを直列に接続することで、例えばＨ型伝搬（Ｅ）によって、スネルの法則に従う透過光と同じ方向に進むビームの分岐方向を複数得られる。次に、構成物質又はＸＹ平面上の周期の異なる複数のＰｈＣを直列に接続することで、例えば広い波長範囲で前述のＨ型伝搬（Ｅ）が得られる。なお、AC-PhCであれば、基板の中で領域毎に凹凸の周期を変え、多層膜の厚さも替えることにより、ヘテロ構造ＰｈＣが既に実現されている（特許文献１を参照）。【０１３１】
６．第22の発明の説明
以下、第22の発明について、例示的に図面を参照しつつ、詳細に説明する。【０１３２】
前記Ｈ型伝搬を発現させるためには、第１から第15のいずれかの発明の周期構造体を大面積で用意することが好ましいので、現時点では薄膜のＰｈＣ、特にAC-PhCを用いることが望ましい。実際、図１に示す構造のAC-PhCにおいては、一般にデポジションまたはエッチングの粒子の平均的な入射方向が基板に対して斜め方向になるようにすることで第１から第15のいずれかの発明の周期構造体を大面積で用意することを実現できる。具体的な製造方法については、以下で図面を参照しつつ説明する。【０１３３】
図17は、基板と基板に入射する堆積粒子又はエッチング粒子の方向を示す正面図である。符号1701は基板上に形成された凸部、符号1702は基板上に形成された凹部、符号1703は堆積粒子またはエッチング粒子の平均の入射方向を示す。符号1704および符号1705は前記凸部の頂点を示す。【０１３４】
図18は、基板と基板に入射する堆積粒子又はエッチング粒子の方向を示す上面図である。符号1801は基板の上面、符号1802は堆積粒子またはエッチング粒子の平均の入射方向、符号1803は基板上に形成された凹凸の周期の方向を示す。【０１３５】
図19は、ターゲット及び基板の位置関係を示す上面図である。符号1901はターゲット、符号1902は基板、符号1903は基板上に形成された凹凸の周期の方向、符号1904は堆積粒子又はエッチング粒子またはエッチング粒子の平均の入射方向を示す。【０１３６】
図20は、ターゲットと基板との位置関係及び堆積粒子又はエッチング粒子またはエッチング粒子の入射方向を示す正面及び側面図である。図20(ａ)は正面図、図20(ｂ)は側面図である。【０１３７】
第22の発明に関しては、例えば図17から図20に示す基板および堆積粒子またはエッチング粒子の基板に対する入射方向により説明できる。図１に示すAC-PhCを製造するに当たっては、図17のように凹凸またはノコギリ歯状の２次元または１次元周期を形成された基板上に、堆積粒子またはエッチング粒子が入射方向の平均値が特定方向に集中する成膜プロセスをもって製造し（異方性デポジション又は異方性エッチング）、堆積粒子またはエッチング粒子の基板に対する入射角の平均の入射方向1703が基板に対して斜方向であることが望ましい。また図18のように基板1801上に形成された凹凸の周期1803と堆積粒子またはエッチング粒子の平均の入射方向1802のなす角度が０度から45度の間、好ましくは０度から10度、最も好ましくは０度とする。なお前記角度は０度において図２における二つめのＰＴＶ202とＸＹ平面（第１および第３のＰＴＶを含む面）との間の角度が最小になり、対称性の崩れの程度は最大となる。【０１３８】
２次元周期構造体に関して最も簡便な方法は、図19および図20のようにターゲットの軸外（直上から外れている）に基板を配置し、かつ基板に形成された周期の方向1903と円筒形のターゲット1901の中心と基板の重心を結ぶ方向が互いに平行となるように配置して、スパッタリング法を用いることである。スパッタリング法ではターゲットから飛び出すデポジション粒子は方向性を持ち（粒子の飛ぶ方向がランダムではない）、ターゲットの軸外に飛散するデポジション粒子は平均の入射方向1904の方向に指向性を有する。そのため、凸部の頂点1705に凸部の頂点1704より多くの粒子が堆積し、結果として図１に示すAC-2DPhCが得られる。【０１３９】
３次元周期構造体に関しては、ターゲットの直上外（軸外）に非特許文献２の231ページ中の図３(ｂ)に記載されるような正方格子の２次元周期をもつ面内パターンをもつ基板が配置され、かつ基板に形成された周期の方向と堆積粒子またはエッチング粒子の平均の入射方向が互いに約45度となるように配置することが簡便である。一方、所望の伝搬方向を得るために基板に形成された周期の方向と、堆積粒子またはエッチング粒子の平均の入射方向がなす角度を利用することが可能である。【０１４０】
例えば、堆積粒子またはエッチング粒子の平均の入射方向と凹凸の周期の一方（周期１とする）がなす角度を０度とし、堆積粒子またはエッチング粒子の平均の入射方向と凹凸の周期のもう一方（周期２とする）のなす角度を90度として作製すれば、Ｈ型伝搬（Ａ）、（Ｅ）の伝搬は周期１の方向のみに生じる。また堆積粒子またはエッチング粒子の平均の入射方向と周期１のなす角度を45度として作製すれば、Ｈ型伝搬（Ａ）、（Ｅ）の伝搬は周期１および周期２の方向に生じる。また前記角度の値によって周期１の方向に生じるＨ型伝搬（Ｅ）の光の強度および周期２の方向に生じるＨ型伝搬（Ｅ）の光の強度の比を調節できる。【０１４１】
一方、堆積粒子が基板と垂直な方向に指向性を持ち、エッチング粒子が基板に対して斜め方向に入射する（基板と垂直ではない方向に指向性を有する）工法でも同様に図１記載の周期構造体を作製できる。【０１４２】
また、図16に示すＰｒＣを用いた２次元ＰｈＣの製造方法としては、ブレーズド回折格子のような形状の凹凸を有する基板の上に自己クローニング法で製膜することで実現できる。ブレーズド回折格子のような形状の凹凸を有する基板の製造方法としては、ステップ型のブレーズド回折格子に適切な条件下でスパッタデポジションを行うことが有効である。ターゲットと基板の位置関係は直上でよい。なお、ナノインプリントでもブレーズド型回折格子のような断面形状を有する基板を作製できる。【０１４３】
７．第23から第25の発明の説明
以下、第23から第25の発明について、例示的に図面を参照しつつ、詳細に説明する。上記第１から第21の発明は、他の関連技術や他のデバイスと組み合わせてさらに応用範囲を広げることができる。【０１４４】
第１から第15の発明は、別途電磁波源（光源）がなければ、その機能を発現しない。また、第11から第14の発明は、対称性の崩れに伴い偏光依存性をもつことから、別途偏光分離素子、偏光子又は位相板などと組み合わせて利用すること有効である。また、従来の光の伝搬を制御するデバイスであるレンズ、金属ミラーなどの反射手段と組み合わせることが有効である。【０１４５】
一方、Ｈ型伝搬を示す周期構造体とミラーとを組み合わせた間において、ビームを往復させればビームの数をねずみ算式に増やすことができる。またＨ型伝搬の結果生じた平行に進む複数のビームとレンズとを組み合わせれば、同一光源から生じた複数のビームを一点に集光させることができる。この集光させた一点に感光体を配置させれば光記録装置となる。【０１４６】
また、前記Ｈ型伝搬（Ｅ）によって生じた互いに平行に進むビームはほぼ同一偏光状態をもつが、偏光消光比が劣化しているため、偏光子、反射型偏光分離素子及びウォークオフ型偏光分離素子などと組み合わせて偏光消光比を回復させることが望ましい。【０１４７】
また、光を信号伝達に用いる場合には、変調器や受光器が必要であり、適宜反射手段や回折格子などを組み合わせることも有効である。さらに、前記Ｈ型伝搬（Ｅ）によって生じた互いに平行に進むビームを各々個別に利用する場合には、光導波路と組み合わせることが望ましい。【０１４８】
次に、第24の発明について説明する。第24の発明によるデバイスを用いれば、一つのビームを複数の同一方向に伝搬するビームに分岐させる機能を有する光学素子に１つの光源からでたビームを何度も入射させることが可能である。さらに、ビームの分岐方向が異なる複数の前記光学素子を用いれば、ビームの強度を分散して前記光学素子の有効範囲内でほぼ均一にすることができる。また一つの平行ビームが複数の同一方向に伝搬するビームに分岐する前記Ｈ型伝搬を生じさせる周期構造体と反射型偏光子、ミラー及び波長板等を組み合わせることでも同様の効果を得ることができる。なお、最初に外部から入射されるビームは複数であってもかまわない。【０１４９】
次に、第25の発明について説明する。第25の発明は、例えば光学的記録装置として有効である。また、該デバイスは、場合によっては、電荷結合素子アレイ受光器またはＣＭＯＳセンサアレイや前記周期構造体と反射方向が同一である反射手段を備えてもよい。特に、周期構造体によって、入射光が同一方向に伝搬する２つ以上のビームに分岐され、前記２つ以上のビームのうち少なくとも１つのビームが前記空間光変調器を透過または反射し、前記２つ以上のビームのうち前記空間光変調器を透過または反射したビームを含む少なくとも２つのビームが前記レンズを介して感光体中の同一の箇所に集光するデバイスは光学的記録装置として有効である。特に、一つのビームを複数の同一方向に伝搬するビームに分岐させる機能と１つのレンズを用いれば、２つのビームを正確に１点に集光させることができる（ただし、スポットの広がりを無視する）。さらに、２つのビームの一方または双方に２次元の強度分布変化を与えればホログラフィック記録に利用できる。【０１５０】
８．フォトニック結晶の反対称モードと外部平面波の結合効率を制御する方法
さらに発明者は「ＰｈＣの反対称モードと外部平面波の結合効率を制御する方法」についても検討した。以下（１）、（２）については非特許文献４において知られており、そのまま活用できる。
（１）ＰｈＣの反対称モードと外部平面波の結合効率は入射角に依存する。
（２）ＰｈＣの反対称モードと外部平面波の結合効率は層数（周期数）に依存する。【０１５１】
なおここまで光を中心に解説した事柄は、電磁波一般に適用できる。【０１５２】
上述するように、第１から第19の発明に係る周期構造体の特殊性が明らかにされている。そこで従来の周期構造体やＰｈＣと区別するため、第１から第10の発明に該当する周期構造体に特別な呼称を与えることとする。すなわち、図２に示すＰｒＣ及びＢＡＳ及び同等のＰｒＣ及びＢＡＳを「2D-横崩しACBC」、該「2D-横崩しACBC」による周期構造体を「2D-横崩しACPC」、図２に示すＰｒＣ及びＢＡＳを３次元に拡張したＰｒＣ及びＢＡＳを「3D-横崩しACBC」、該「3D-横崩しACBC」による周期構造体を「3D-横崩しACPC」、図16に示すＰｒＣ及びＢＡＳ及び同等のＰｒＣ及びＢＡＳを「2D-内崩しACBC」、該「2D-内崩しACBC」による周期構造体を「2D-内崩しACPC」と呼称することとする。
【実施例１】
【０１５３】
本発明の実施例１に係る光伝搬の制御素子について、図面を用いて詳細に説明する。
図１記載の基板上に形成された周期構造体を用い、ｎ≒1.5の媒質としてSiO2、ｎ≒2.4の媒質として五酸化ニオブ（以下、Nb2O5）を用いる。【０１５４】
図１に示す「2D-横崩しACPC」の製造方法について説明する。図１の構造は自己クローニング法及び第22の発明に従い、はじめに基板母材上に凹凸を形成し、次に基板上に整形層を形成し、ついで多層膜を積層することにより製造できる。【０１５５】
まず基板124について説明する。図21は図１に示す基板124を表す模式的な斜視図である。符号2101は基板母材、符号2102は基板母材上に形成された凹凸の凸部を表す。基板母材上に形成された凹凸の周期性はＸ方向にのみ有しており、Ｙ方向には一様である。【０１５６】
基板124の材質として溶融石英を用い、平面溶融石英基板上には電子ビーム（以下ＥＢ）露光によるリソグラフィー工程とドライエッチングで410nm周期（凸部（突起部）の高さおよび幅は205nm）の矩形の凹凸（以下基板パターンとする）が形成されている。基板上への基板パターンの形成方法について補足すると、ＥＢによるリソグラフィーとエッチングを組み合わせた工程、光又はＸ線露光によるリソグラフィーとエッチングを組み合わせた工程、又はナノインプリント等が利用できる。また紫外線領域で不透明な材料の基板又は透明基板上に積層された十分な厚さの紫外線領域で不透明材質の膜を用いれば、干渉露光とエッチングを組み合わせた工程でも基板上への凹凸を形成できる。本実施例では凸凹の形状精度に優れエッチングが容易であることから、溶融石英基板に対してＥＢによるリソグラフィーとエッチングを組み合わせた工程を採用することが好ましい。【０１５７】
次に中間層（整形層）112について説明する。図22は図１に示す基板124および整形層112を表す図である。符号2201は図21記載の基板を表し、符号2202は整形層（中間層112と同じ）を表す。周期性はＸ方向にのみ有している。
図21記載の基板上に凹凸を形成した後、該基板上に適切な条件下でｒｆバイアススパッタリング法（スパッタエッチングも効果を伴うｒｆスパッタリング）によりSiO2膜を堆積させることで三角形形状の整形層を形成する。このとき図19および図20のように、基板をターゲットの直上から外し、かつターゲットの径方向と基板の周期方向をほぼ同一方向とすることで、ＺＸ平面での断面が非二等辺三角形（三辺の長さが異なる三角形）形状の整形層が実現できる。【０１５８】
次に、図１に示すSiO2層101から111およびNb2O5層113から123よりなる多層膜について説明する。図22に示す整形層2202が積層された基板の上に、さらに図19および図20の配置でNb2O5、SiO2を交互に積層すれば図１に示す断面形状が得られる。SiO2層およびNb2O5層の積層はｒｆバイアススパッタリングにて行う。【０１５９】
図23は実際に作製した２次元自己クローニング型ＰｈＣ（2D-横崩しACPC）のＺＸ平面における断面の電子顕微鏡写真である。なお積層周期は11周期である。図23において、白に近い外観の層はNb2O5層、黒に近い外観の層はSiO2層であり、基板および整形層は同一組成の材料からなるため区別がつかない。【０１６０】
図23によれば膜の成長方向が約４度傾いていることがわかる。図23では多層膜の初期の３層目までは形状が安定せず、４層目から形状が安定化しているが、別段問題ない。なお膜の成長方向が第３のＰＴＶの方向となり、この第３のＰＴＶを図１におけるＸＹ平面に投影した方向がＨ型伝搬（Ａ）から（Ｅ）における光の伝搬または分岐が生じる方向となる。【０１６１】
次に周期構造体の作製方法について補足する。Nb2O5膜を積層する場合、ターゲットとしては例えばNb2O5焼結体、堆積ガスとしては例えばアルゴンと酸素の混合ガス、ガス圧力としては例えば0.3Paから1.0Pa（好ましくは0.4Paから0.8Pa、より好ましくは膜の在留応力と密度のバランスがとれる条件の0.5Paから0.7Paである）、酸素ガス流量比としては例えば10％程度（好ましくは５％以上20％以下、より好ましくは製膜速度（時間あたりの膜厚増加量）と組成の安定性のバランスがとれる条件の７％以上15％以下である）であることが好ましい。SiO2膜を積層する場合、ターゲットとしては例えば石英であり、堆積ガスとしては例えばアルゴンと酸素の混合ガス、ガス圧力としては例えば0.3Paから2.0Pa（好ましくは0.6Paから1.8Pa、より好ましくは、膜の在留応力と密度のバランスのとれる条件の0.8Paから1.5Paである）であることが好ましい。印加するバイアスはその最適値に他の成膜条件に対する依存性や装置依存性があるものの、数十Ｖ程度であることが好ましい。薄膜プロセスにおける基板加熱温度は通常では媒質の融点の0.3倍以上が望ましいとされるが、好ましくは0.3倍以上0.5倍以下、より好ましくは、膜の密度と加熱冷却に必要な時間のバランスのとれる0.31倍以上0.4倍以下である。本実施例では基板加熱温度を約600Kとすることが好ましい。【０１６２】
また、前記ｒｆバイアススパッタリング法、ＥＣＲスパッタリング法、ピラミッド型に整形された基板上にバイアスを加えないｒｆマグネトロンスパッタリングとスパッタリング、イオンガン、ＲＩＥなどのエッチングの組み合わせによっても2D-横崩しACPCを作製することが可能である。【０１６３】
なお、膜の成長方向（ＰＴＶの方向に等しい）はターゲットの径方向と基板の周期方向の間の角度を変えることで制御することが可能であり、かつターゲットと基板の距離などでも制御可能である。また「3D-横崩しACPC」は、例えば図18におけるエッチング粒子の平均の入射方向1802と凹凸の周期1803のなす角度を０度から90度の間で調整することにより、ＰＴＶの方向を制御できる。【０１６４】
本実施例ではＰｈＣにおける高屈折率媒質としてNb2O5を用いたが、SiC、SiOx（ただし０＜ｘ＜２）、五酸化タンタル（Ta2O5）、二酸化チタン（TiO2）、ガリウムナイトライド（GaN）、アルミニウムナイトライド（AlN）、酸化亜鉛（ZnO）、ZnSe、ＩＴＯ（Indium Thin Oxide）、酸化ハフニウム（HfO2）、a-SiO、SiN等のｎ≧２の媒質のいずれかを組み合わせて用いることも有効である。また低屈折率媒質としてフッ化マグネシウム（MgF）、フッ化カルシウム（CaF）などのｎ≦1.6の媒質のいずれかを組み合わせて用いることも有効である。【０１６５】
図１（および図23）に示す周期構造体は前記Ｈ型伝搬を示す。図24は図１に示す基板上に形成された周期構造体の、スネルの法則に従って透過したビームの垂直入射時における透過率波長依存性を示すグラフである。図24(ａ)は入射ビームがＴＥ偏波、図24(ｂ)は入射ビームがＴＭ偏波の場合にそれぞれ対応する特性である。図24(ａ)及び(ｂ)に示すように、図１（および図23）に示す周期構造体は回折格子や波長選択フィルタ等の従来の光学素子とは異なる透過率波長依存性をもつことが分かる。【０１６６】
本実施形態は、Ｈ型伝搬（Ｅ）を利用して、例えば光の入射位置及び分岐光の出射位置にレンズ付き光ファイバを設置することで、光通信に用いられる光分岐装置（スターカプラ）として利用できる。また１つのレーザー光源からの平行ビームを３つに分岐させることで、トラッキングと読み書きを行う３ビームピックアップを容易に実現でき、光記録装置に利用できる。【０１６７】
また、Ｈ型伝搬（Ｉ）を利用して、本実施形態に対してＺ方向から、異なる波長のビームを各波長の分離距離と等しい間隔でかつ同一方向で入射すれば、波長合成機構として利用でき、例えばＤＶＤとＣＤから信号を読みとるピックアップの構造を簡略化できる。
また、本実施形態に対してＺ方向から、広いスペクトルをもつビームを入射すれば波長分岐機構として利用でき、例えば分光器として活用できる。【０１６８】
また、他の発明としては、前記Ｈ型伝搬（Ｅ）を生じさせる周期構造体を用い、ビームと同数のレンズを用いれば、同一波長を利用する複数種類の光記録ディスクに対応するピックアップを１台で実現できる。
【実施例２】
【０１６９】
本発明の実施例２に係るホログラフィック光記録装置について、図面を用いて詳細に説明する。本実施例はＨ型伝搬を利用したホログラフィック光記録装置である。【０１７０】
図25はホログラフィック記録装置の基本構成を示す側面図である。ホログラフィック記録装置はレーザー光源2501、レンズ2502、Ｈ型伝搬（Ｅ）による光分岐機能を有する周期構造体2503、隣り合わせに一体化された空間光変調器であるＤＭＤ2504（ディジタルマイクロミラーデバイス）とミラー2505、反射型偏光分離素子2506、１／４波長板2507、レンズ2508、記録媒体2509、２次元撮像素子（ＣＭＯＳセンサ）を有する。なお以後Ｈ型伝搬（Ｅ）〜Ｈ型伝搬（Ｋ）による光分岐機能を有するデバイスを「ＨＢＳ」と略記する。【０１７１】
図26は記録時の動作を示す側面図である。符号2601はＨＢＳ2503に対する入射平行ビーム、符号2602及び符号2603はＨＢＳ2503から透過側に出力される出力ビーム、符号2604はミラーで反射されたビーム、符号2605はＤＭＤ2504で反射されたビーム、符号2606及び符号2607はＨＢＳ2503から反射側に出力される出力ビームをそれぞれ表す。【０１７２】
図26を用いて記録時の動作を説明する。レーザー光源から出力された平行ビームがＨＢＳに入射した後、透過側から２つの平行に伝搬するビームとして出力される。その後２つのビームの一方がＤＭＤにより２次元ページデータを付与され、もう一方のビームはＤＭＤと同一基板上に形成された誘電体多層膜によるミラーで反射される。ついで各々のビームは、共通のレンズの焦点位置に集光し、感光物質からなる記録媒体に干渉縞の形でデータを記録する。【０１７３】
図27は再生時の動作を示す側面図である。符号2701はＨＢＳ2503に対する入射平行ビーム、符号2702及び符号2703はＨＢＳ2503から透過側に出力される出力ビーム、符号2704はミラーで反射されたビーム、符号2705は記録媒体2509で反射されたビーム、符号2706は反射型偏光分離素子2506で反射されたビームをそれぞれ表す。【０１７４】
図27を用いて再生時の動作を説明する。レンズの付いたレーザー光源から出力された平行ビームがＨＢＳに入射した後、透過側から２つの平行に伝搬するビームとして出力される。その後、全ての画素がオフ状態のＤＭＤにより、２つのビームの一方が遮断され、もう一方のビームはＤＭＤと同一基板上に形成された誘電体多層膜によるミラーで反射される。この反射されたビームは、反射型偏光分離素子及び１／４波長板を透過した後、レンズにより焦点位置に集光され、記録媒体の干渉縞の形で強度分布情報が付与される。該情報が付与されて記録媒体から反射されたビームは、反射型偏光分離素子で反射されて、２次元撮像素子に入射する。【０１７５】
信号処理等については従来のホログラフィック記録と同様でよい。またＤＭＤは原則として再生時にはオフ状態とされるが、ＤＭＤがオン状態であってもＤＭＤ反射光とミラー反射光は２次元撮像素子の十分離れた位置に入射するため再生に悪影響は与えないが、記録媒体の感光材料を劣化させる場合があるためオフ状態にすることが望ましい。【０１７６】
図28は本実施例に用いるＨＢＳを示す図である。ＨＢＳ中の第１の領域2801と第３の領域2803は自己クローニング型３次元ＰｈＣ「3D-横崩しACPC」で、ＸＹ平面上の凹凸の周期が180nmの正方格子状の周期構造を有する。第２の領域2802は図１と同様に作製された基板の凹凸の周期が205nmの「2D-横崩しACPC」である。第４の領域2804は１次元周期構造体である。符号2805はビームの入射および出射位置、符号2806はビームの出射位置である。【０１７７】
図28を用いてＨＢＳ2503を説明する。ＨＢＳ2503中の第１の領域2801は自己クローニング型３次元ＰｈＣで、ＸＹ平面上の凹凸の周期が180nmの正方格子状の周期構造を有する。第２の領域2802は実施例１と同様に作製された基板の凹凸の周期が205nmの「2D-横崩しACPC」である。第３の領域2803は第１の領域2801と同じである。第４の領域2804はＸＹ方向に周期を持たない１次元多層膜である。第１の領域2801は波長405nmでバンドギャップを持ち、第２の領域2802からＹ方向への漏れ光を抑制する。また第２の領域2802の寸法はビームが２つ出射するよう４mmとした。また反射側に出射されるビームはレーザー光源のモニタ用として利用できる。なお第２の領域2802は「2D-内崩しACPC」であってもかまわない。【０１７８】
一般にホログラフィック記録では、特許文献２に記載されているように、同一のレーザー光源から多数回の反射を伴う光学系を用い、情報光と参照光を別の部品で処理するため、振動に弱く（例えば円盤形ディスクの回転時に生じる面ぶれ）、環境変化に対する安定性に乏しいとされている。しかし図28に示すＨＢＳを用い、図25の光学系を用いれば各部品の位置ずれ、角度ずれが生じても情報光と参照光は常に同一の点に集光するため、安定した記録が可能である。
【実施例３】
【０１７９】
本発明の実施例３に係る装置について、図面を用いて詳細に説明する。本実施例は、Ｈ型伝搬を利用した光の強度分布の均一化及び偏光変換を行う装置である。本実施例に係る装置は、特に投影型ディスプレイ（プロジェクタ）での光強度均一化及び無偏光光源からの偏光変換での使用が適している。【０１８０】
従来、液晶プロジェクタでは特許文献３や特許文献５に記載されたｐｓ偏光変換素子を用いて、無偏光光源であるランプから直線偏光を得てきた。【０１８１】
また、ランプまたはランプに付属する反射鏡からの円形断面をもつ光束を、矩形の液晶パネルに有効に当てるためにオプティカルインテグレータ（optical integrator、以下OpIと略記する）が用いられている。OpIとしては、特許文献４、特許文献５に記載された例が知られる。【０１８２】
本実施例は、Ｈ型伝搬を示す周期構造体を用い、簡単かつ小型な構成で光強度の均一化と偏波変換を行うと共に、その出力光が１方向に集中する偏光補償型OpI（以下、「PC-OpI」と略記する）である。【０１８３】
図29はPC-OpIの側面図及びPC-OpI内部での光の伝搬を示す図である。図29に示すPC-OpIは、レンズ付き光ファイバ2901、ミラー2902、１／４波長板2903、ＨＢＳ群2904〜2907、ＰｈＣ反射型偏光分離素子2908、遮光板2909を有する。符号2910はレンズ付き光ファイバ2901から出力される平行ビームを表す。レンズ付き光ファイバ2901からのビームの進行方向に対して直列に配置されたＨＢＳ群2904〜2907、２次元ＰｈＣによる反射型偏光分離素子2908、ミラー2902は平行ビーム2910に対して３度傾けて配置してあり、ＨＢＳ2904とミラー2902の間隔は20mmである。【０１８４】
図29を用いて動作を説明する。まず、レンズ付き光ファイバ2901からの出力光2910は、１／４波長板2903を介してＨＢＳ2904に入射して、透過側に３本のビームに分岐されて出力される。ＨＢＳ2904の透過側に出力した３本のビームは次のＨＢＳ2905に入射してビームが透過側に９本に分岐されて出力される。このように後段のＨＢＳになるに従って透過側に出力されるビームの数は増加する。【０１８５】
さらに、レンズ付き光ファイバ2901からの出力光2910は、１／４波長板2903を介してＨＢＳ2904に入射して、反射側に３本のビームに分岐されて出力される。ＨＢＳ2904の反射側に出力した３本のビームは１／４波長板2903を透過してミラーで反射し、再び１／４波長板を透過して再度ＨＢＳ2904に入射する。再度ＨＢＳ2904に入射してビームが透過側に９本に分岐されて出力される。ただしビームの位置が重なるものがあるため、実際のビームの数は５本となる。また再度ＨＢＳ2904に入射してビームが透過側に９本に分岐されて出力される位置は、レンズ付き光ファイバ2901からの出力光2910が１／４波長板2903を介してＨＢＳ2904に入射して、透過側に３本のビームに分岐されて出力される位置とは異なる。なお記載されないが、再度ＨＢＳ2904に入射したビームは、反射側に９本（ビームの重なりによって実際は５本）に分岐されて出力する。【０１８６】
このようにＨＢＳ間や反射型偏光分離素子2908、ミラー2902で透過、多重反射を繰り返すごとにビームの数は増大する（その様は、例えば、核分裂における連鎖反応に似ている）。【０１８７】
ＨＢＳ間、反射型偏光分離素子2908−ＨＢＳ間、ＨＢＳ−ミラー間などで反射と分岐を繰り返したビームが多数存在するため、反射型偏光分離素子2908を透過した光は多くのビームが重なった強度分布が均一化された直線偏光となる。【０１８８】
また、ミラー2902、ＨＢＳ2904〜2907、反射型偏光分離素子2908を平行に配置し、入射光が平行ビームであるので、反射型偏光分離素子2908を透過する光はいわゆるテレセントリックな光となる。さらにレンズ付き光ファイバを多数設置すればさらに大面積でほぼ均一な光が得られる。また遮光板2909によって反射型偏光分離素子2908を透過した光の外周部の均一性が低い光を遮断することができる。【０１８９】
ＨＢＳ群について説明する。ＨＢＳ群中の「2D-横崩しACPC」は、Ｚ軸の回りで各々45度異なる光分岐方向を有し、各々２mmのビーム分離機能を有する。また、「2D-横崩しACPC」の周辺には面内伝搬を遮断する１次元平面多層膜が配置される。ただし、面内伝搬をより効率的に遮断するには１次元平面多層膜に代えて、製造コストの上昇を伴うが３次元周期構造体または金属膜を用いることが有効である。また、やはり製造コストの上昇を伴うが、ＨＢＳの数が多いほど図29における出力光の均一性が向上する。【０１９０】
他の部品について説明する。レンズ付き光ファイバ2901は緑色のレーザー光源と接続されており、出力ビームのビーム径は１mmである。反射型偏光分離素子2908は最終的な出力光を所定の方位を有する直線偏光に選択する作用を持ち、偏光分離素子に対する入射光に含まれる出力光の偏光方向と直交する偏光成分は反射され、再度ＨＢＳに入射させる。反射型偏光分離素子として２次元ＰｈＣを用いるのは、透過率および反射率を任意に設定できるためであり、透過偏光方向についての透過率を40％程度（好ましくは20％以上60％以下、より好ましくは30％以上50％以下である）とすることで、より光強度分布を均一化できる。【０１９１】
ミラー2902は誘電体多層膜からなり、レンズ付き光ファイバ2901からの光入射位置のみ多層膜が取り除かれており、光分岐機能を有する周期構造体の戻り光を反射させる効果を持つ。ミラーは透明ガラス板上にアルミニウム膜を付着させたものも使用可能であるが、平板ミラーであり、光吸収がないことから誘電体多層膜の方が適している。１／４波長板2903は偏波状態を変化させる機能を持ち、反射型偏光分離素子2908で反射された光が１／４波長板2903を透過し、ミラー2902で反射して再度１／４波長板2903を透過した光は、高い割合で反射型偏光分離素子2908を透過する。【０１９２】
本実施例の効果について説明する。図29に示す構成を用いれば、ビームの分岐と反射を繰り返すことで強度分布が均一化され、かつ出力光は直線偏波となる。さらに平行ビームと全て平行に配置された反射素子と入射光を平行に伝搬する複数のビームに分岐する光分岐機能を有する周期構造体を用いるため、出力光は同一方向に伝搬する多数の平行ビームの集合となり、光が伝搬した後の遠方でも強度分布は保持される。一般にＬＤ光源は干渉性が高く照明として用いた場合スペックルが生じるが、図29に示すPC-OpIから出力される光は、通過した光路が異なる多数のビームの集合であり、干渉性は緩和されている。【０１９３】
なお、ミラー2902と反射型偏光分離素子2908の間に１／２波長板、複屈折結晶ウォークオフ偏光分離素子、デポラライザ等偏光素子を挿入してもかまわない。また光源としてレーザーダイオード（ＬＤ）、ＬＥＤを用いることも有効である。
【実施例４】
【０１９４】
本発明の実施例４に係る光吸収体および光電変換装置について、図面を用いて詳細に説明する。本実施例は、Ｈ型伝搬を利用した光吸収体および光電変換装置である。【０１９５】
一般的な光電変換装置は半導体の光起電力効果（半導体が光を吸収するときに電子と正孔に分離される）の利用をその基本動作原理とする（非特許文献７を参照）。【０１９６】
半導体を用いた光電変換装置は、一般的に半導体接合を用いてキャリアを取り出す。半導体の光吸収過程は、帯間吸収、帯・局在準位間吸収、局在準位間吸収、帯内吸収に大別され、帯間吸収、帯・局在準位間吸収では自由キャリアが発生する。局在準位間吸収、帯内吸収は自由キャリア生成には関与せず、吸収されたフォトンのエネルギーは熱エネルギーに変換される。【０１９７】
光電変換装置のエネルギー変換には損失が存在する。この損失は、上述する自由キャリア生成部にフォトンが100％到達しないことによる第１の損失と、自由キャリア生成部がフォトンを100％吸収できないことによる第２の損失、自由キャリア生成部が吸収したフォトンが100％電気エネルギーに変換されないことによる第３の損失、及び電気的な第４の損失に分けられる。【０１９８】
光電変換装置特に太陽電池などで用いられる光吸収体（層）において、光の吸収効率を向上させるためには厚い光吸収層が必要であるが、逆に厚い光吸収層を用いた場合、電子と正孔の再結合が生じ電気エネルギーへの変換効率が低くなるジレンマがあった。【０１９９】
一方、Ｈ型伝搬（Ａ）及び（Ｂ）のように薄膜光学素子中の任意の位置に対して、面に垂直または任意の角度範囲で平面波を入射した場合に、光学素子の面内に光を伝搬させることが可能であるので、単体では光吸収率の小さな光吸収体（膜）をもって大きな光吸収が可能になり、ジレンマを解消できる。その際に用いる周期構造体の構成媒質は、半導体、透明導電体、または電解液などの流体が含まれることが必要である。【０２００】
以上を踏まえて、実施例４に係る光電変換装置について、図面を用いて詳細に説明する。図３０はアモルファスSiC（以下「a-SiC」）と薄膜多結晶シリコン（以下「μc-Si」）からなる「2D-横崩しACPC」をベースにした光電変換装置の側面模式図である。図30に示すように、光電変換装置は、ガラス基板とガラス基板上にSiO2のバリア層（以上、図示せず）、ミラーを兼ねる裏面電極3001、ＩＴＯによる透明導電膜（ＴＣＯ）3002、「2D-横崩しACPC」3003、透明導電膜3004、電極3005および3006、SiO2層3007を有する。基本構造としてはp-i-n／p-i-n／・・・／p-i-nの２端子接続スタック型である。【０２０１】
本実施例の特徴は主に以下の３点である。
（１）Ｚ方向に導電性を持ち、かつＨ型伝搬（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）を示すＰｈＣ「2D-横崩しACPC」を用いる。
（２）外部から入射した光が、Ｈ型伝搬（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）によりＰｈＣ内部に閉じこめられつつ伝搬し、吸収されることによって、バルクの材料に比べ光吸収効率を増大させる。
（３）上記により電子のバンド構造に由来する光の吸収率を、フォトンのバンド構造と光の伝搬方向を制御することで補う。【０２０２】
具体的には面に垂直に入射（−Ｚ方向に入射）した光を面内Ｘ方向で伝搬させることによりフォトンを効率的に吸収させ、±Ｚ方向にキャリアを取り出す。これにより、より薄い光吸収層で十分な光吸収を可能にして、電子と正孔の再結合損失を抑制する。また吸収端より長波長のフォトンのエネルギー利用を可能にする（帯・局在準位間吸収によって生じる自由キャリアの取り出しを可能にする）。【０２０３】
図31は図30に示す「2D-横崩しACPC」3003のＰｒＣおよびＢＡＳを表す。図31(ａ)はＰｒＣであり、Ｘ方向と平行な一つめのＰＴＶ3101の長さは350ｎｍ、二つめのＰＴＶ3102の長さは161ｎｍでＸＹ平面に対して86度の角度をもち、かつＺＸ平面に対して平行であり、三つめのＰＴＶはＹ方向については一様であり、長さは一意に定義できない（任意）。符号3103〜3106は格子点である。図31(ｂ)はＢＡＳであり、一つめのＰＴＶ3101と二つめのＰＴＶ3102を含む面（ここではＺＸ平面と平行である）と平行で、かつ三つめのＰＴＶの中点を含む面による断面図である。【０２０４】
図31(ｂ)のＢＡＳは、ｉ型のμc-Siが占める領域3107及び3108、ｎ型μc-Siが占める領域3109、ｐ型a-SiCが占める領域3110、3111及び3112からなる。領域3107と領域3108は周期構造体としては連続する。領域3110、3111及び3112についても同様である。また屈折率分布としては領域3107、3108と領域3109は一体と見なせる。ｉ型のμc-Si層の厚さは約100nm、ｎ型μc-Si層の厚さは約10nm、ｐ型a-SiC層の厚さは約50nmである。【０２０５】
次に用いた媒質について説明する。「a-SiC」は、ｐ型半導体でＥｇ≒2.0〜2.1eVかつｎ≒2.1（吸収端より長波長において）である。一方μc-Siは、Ｅｇ≒1.1eVかつｎ≒3.4（吸収端より長波長において）である。「μc-Si」層はノンドープの層とｎ型半導体の層に分かれているが、屈折率に関しては同等であり、ＰｈＣとしてフォトンに対する振る舞いを検討する場合は一体と見なせる。【０２０６】
本実施例ではＰｈＣにおける高屈折率媒質としてμc-Siを用いたが、ｎ≒３程度の媒質であれば代替えできる。例えばまたμc-Siに変えてa-Si:Hを用いることも有効である。「a-Si:H」は、μc-Siに比べ、可視領域での光吸収率が高いが、電気的な特性（キャリア輸送特性）で劣り、少数キャリア拡散長は100nm以下とされる（非特許文献７を参照）。しかしながら、ＰｈＣによるa-Si:Hを用いた可視光から2000nm程度の光吸収体のＰｒＣとＢＡＳではa-Si:H層の厚さは100nm以下でよいので、ＰｈＣによる光電変換装置においては、a-Si:Hの問題点を抑制しつつ、利点（吸収端より長波長側でのすそ吸収が大きい、バンドギャップエネルギーが大きい、等）を利用できる。なお透明波長帯でｎ≧３を満たす材料としては、Ｓｉ、Ｇｅ、SiGe、ガリウム砒素、アルミニウムガリウム砒素化合物などの半導体があげられる。【０２０７】
本実施例における理想的な光吸収層（ｉ層）の材料を述べると、以下の５点が挙げられる
（１）電子のバンドギャップエネルギーが大きい。
（２）吸収係数が吸収端より長波長側になるに従い、急激に減少せずなだらかに減少する（すそ吸収が大きい。帯・局在準位間吸収がある）。
（３）屈折率が大きい（ｎ≧３である。）
（４）抵抗率が小さい。
（５）ｐ型透明導電膜との間に電気的な接合が可能である。【０２０８】
次に窓層（フォトンを吸収せず、かつ電気伝導性を有する層）について説明する。「a-SiC」は広バンドギャップの半導体であり、太陽光スペクトル領域での光吸収が小さく太陽光に対する光電変換装置での窓層としての利用に適するが、a-SiCに替えてa-SiOを用いることも可能である（非特許文献７を参照）。【０２０９】
次に本実施例の全体の構成について述べる。まず平板の厚さ５ｍｍの白板ガラス上に、SiO2のバリアー層を成膜し、その上に金属電極を形成する。さらにその上にＩＴＯをスパッタリングで500nm程度積層する。次いで前記ＩＴＯ層に感光レジストとマスク露光を用いたパターニングを行いエッチングによりピラミッド型の凸凹を形成する。その後、バイアススパッタリングでＩＴＯによる三角形状の整形層を積層する。ついで以下の工程（１）〜（３）を11周期またはそれ以上繰り返す。【０２１０】
（１）スパッタデポジションでa-Siを10nm積層し、エキシマーレーザーでアニーリングを行い多結晶化し、その後イオン注入とランプアニールによる不純物ドーピングを行うことでｎ型μc-Siを形成する。なおｎ層への不純物ドーピングはｒｆスパッタリングによる成膜時にアルゴン、水素、ＰＨ３混合ガスを用いることで行うことやターゲットに当該不純物を添加したものを用いることも可能である【０２１１】
（２）スパッタデポジションでa-Siを100nm積層し、エキシマーレーザーでアニーリングを行い多結晶化する。【０２１２】
（３）a-SiCを上述する自己クローニング法に従い成膜する。「a-SiC」は、SiC焼結体ターゲットをアルゴン、C2H2でｒｆバイアススパッタリングすることで成膜する。他の方法としては、Ｓｉターゲットをアルゴン、C2H2でｒｆスパッタリングすることでも得られる（反応性スパッタリング）。なお、SiCにはアルミニウムを不純物としてドープしてありｐ型半導体とする。【０２１３】
最後に、凸凹を埋める条件（バイアス量を多くする）で、ＩＴＯ層をバイアススパッタリングにて成膜する。このＩＴＯ層の上に櫛形金属電極を形成することにより、図30に示す構造は完成する。さらに反射防止層としてSiO2膜を任意の製膜方法で形成することも有効である。本実施例では、ｒｆスパッタリングによって「2D-横崩しACPC」層が形成されるが、ほかにもＥＣＲスパッタ、ＣＶＤ法とエッチングの組み合わせによっても実現可能である。【０２１４】
本実施例ではｐ層側から光を入射しているが、これは正孔の輸送特性が電子の輸送特性に劣り、ｐ層側から光を入射する方が有利であるためである（非特許文献７を参照）。また、本実施例におけるμc-Si層の１層は100nmで通常のμc-Siを用いた薄膜多層膜太陽電池の膜厚（100μｍ以上）に比べ薄いが、光がμc-Siの表面付近で特に強く吸収され電子正孔対を生成すること、電子正孔対を分離し接合部に移動させることから、光吸収は接合に近い部分で行われることが望ましく、本実施例のようにμc-Si層の１層が薄いことは高効率化にとって有利である。また、本実施例では「2D-横崩しACPC」としたが、「3D-横崩しACPC」をもちいれば、より広い波長帯域で高効率な光吸収が可能になる。【０２１５】
次に、ＰｈＣ部のＰｒＣとＢＡＳについて補足する。図30の光電変換装置中のＰｈＣ部について、ｎの分布がほぼ同一で電気的に異なる構成が可能になる。高屈折率部がｐ型a-Si:H、ｉ型a-Si:H、ｎ型a-Si:Hによる多層膜で、低屈折率部がSnO2のＰｒＣとＢＡＳであっても、フォトニックバンド構造はほぼ同一になり、電気的な接続もなされるので図30と同様に優れた光電変換装置を実現できる。【０２１６】
また、ＩＴＯに代えてSnO2やZnOを用いることも有効である。【０２１７】
さらに本実施例では１種類のＰｒＣとＢＡＳによる周期構造体を用いたが、解決の手段において述べたように、異なるＰｒＣとＢＡＳによる周期構造体をＺ方向に複数接続すること等で、より広い波長で入射光を薄膜面内に伝搬させ効率的に光電変換することも可能である。異なるＰｒＣとＢＡＳとしては、基本格子ベクトルの長さが異なるものは膜厚を変えることで、基本格子ベクトルの方向が異なるものは堆積粒子又はエッチング粒子の入射方向を変えることで実現可能である。また、屈折率分布の異なるＢＡＳとしては、堆積粒子やドーパントを変えることで実現可能である。特にｉ層の堆積粒子を変えることが有効で、従来の太陽電池におけるスタック型に相当する効果が得られる。【０２１８】
電極による光の遮蔽を最小限に抑えるため、外部にプリズマティックカバー（非特許文献７を参照）を加えることが有効である。プリズマティックカバーの屈折率が小さければ周期構造体3003からプリズマティックカバーに漏れる光は十分小さい。
【実施例５】
【０２１９】
本発明の実施例16に係る一部に流体を用いた周期構造体について、図面を用いて詳細に説明する。本実施例はAC-PhC以外の第１から第10の発明に該当する周期構造体である。【０２２０】
図32はTiO2、SnO2、ヨウ素溶液を用いて作製した３次元ＰｈＣの断面図である。符号3201はTiO2、符号3202はSnO2、符号3203はヨウ素溶液、符号3204は基板をそれぞれ表す。周期構造体のＰＴＶはＸ方向、Ｙ方向およびＸＹ平面に対して86度傾いた方向にある。【０２２１】
本実施例の特徴は、媒質の１つとして流体を用いており、流体が外部と交換可能であることである。液体を用いた光デバイスとしては湿式太陽電池などの例があるが、液体として電解液、特にヨウ素溶液を用い、外部に電極を接続すれば、図32に示す周期構造体も湿色太陽電池として動作する。製造方法としては、SnO2とTiO2の多層膜を形成した後に、流体を注入できる穴をあけるか又は溝を形成する（特許文献６を参照）。【０２２２】
本実施形態のように媒質の１つが流体である場合、伝搬特性を可変にできることや化学的反応を周期構造体内部で生じさせることができる利点がある。
次に、光の伝搬について説明する。本実施形態においても、Ｚ方向から入射した光は周期構造体内でＸ方向に伝搬する。Ｘ方向への伝搬は光を周期構造体内に閉じこめることに等しく、変換効率の高い湿式太陽電池となる。
【産業上の利用可能性】
【０２２３】
本発明は、例えば光分岐、分光、光記録といった光学操作などの分野において好適に用いることができる。
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【国際調査報告】
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