(57)【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する光学素子において、
多層構造の積層方向に前記周期構造体の周期と同一の周期を有する位相変調波を発生する位相変調手段が、前記光入射面に当接もしくは近接して配設され、
前記光学素子に入射する光の真空中での波長λ0に対応する、前記フォトニック結晶の最低次ではない結合性バンドの波数ベクトルの、前記層面と平行な方向についての大きさをks、前記多層構造体の両側表面に接する媒体の屈折率をそれぞれｎs1、ｎs2（ただしｎs2≦ｎs1）とするとき、
０＜ｋs・λ0／（２π・ｎs2）＜１
の条件を満たすことにより、前記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光出射面とす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】
多層構造体により構成され、該多層構造体は一定周期を有する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平行な表面を光入射面とする光学素子において、
多層構造の積層方向に前記周期構造体の周期と同一の周期を有する位相変調波を発生する位相変調手段が、前記光出射面に当接もしくは近接して配設され、
前記光学素子に入射する光の真空中での波長λ0に対応する、前記フォトニック結晶の最低次ではない結合性バンドの波数ベクトルの、前記層面と平行な方向についての大きさをks、前記多層構造体の両側表面に接する媒体の屈折率をそれぞれｎs1、ｎs2（ただしｎs2≦ｎs1）とするとき、
０＜ｋs・λ0／（２π・ｎs2）＜１
の条件を満たすことにより、前記多層構造体の層面と略垂直な端面を光出射面とす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３】
前記λ0、ks、ｎs1、ｎs2について
０＜ｋs・λ0／（２π・ｎs1）＜１
１＜ｋs・λ0／（２π・ｎs2）
の条件を満たすことを特徴とする請求項１または２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λ0、ksについて
０＜ｋs・λ0／（２π・ｎs）＜１
なる条件を満たす屈折率ｎsの媒体と前記周期構造部分との間に、第２の周期構造部分を設けたことを特徴とする請求項１または２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】
前記λ0、ksについて
０＜ｋs・λ0／（２π・ｎs）＜１
なる条件を満たす屈折率ｎsの媒体と前記周期構造部分との間に、反射層を設け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６】
前記反射層は、前記周期構造部分とは異なる周期構造部分を用いたことを特徴とする請求項５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７】
請求項１に記載の多層構造体によって構成される光学素子と、該多層構造体の周期構造部分の端面に複数波長の混合した光束を入射させる手段と、前記多層構造体の光出射面から波長ごとに異なる角度で出射される光線を検知する手段とを用いて構成し分光装置として機能することを特徴とする光学装置。
【請求項８】
請求項１に記載の多層構造体によって構成される光学素子と、該光学素子と光学的に結合した半導体レーザと、前記光学素子からの出射光を反射して該光学素子に戻す反射鏡とを用いて構成し外部共振器を備えたレーザ発振装置として機能することを特徴とする光学装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主に光通信システム、光計測機器、レーザの外部共振器等に用いられる光学素子および分光装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、インターネットの急速な普及により、光ファイバ通信網の容量の増大が強く求められており、その手段としてＷＤＭ（波長多重）通信の開発が急速に進められている。ＷＤＭ通信においては、わずかな波長差の光が個別の情報を伝達することから、波長選択性の良い光分波器、フィルタ、アイソレータといった光学機能素子が必要である。上記機能素子においては、量産性、小型化、集積化、安定性などが強く求められていることは言うまでもない。
【０００３】
波長多重光通信のように人為的に複数の波長が多重化された光信号を分波・検出する目的や、分光測定のように被測定光のスペクトル解析等の目的に光分波器（または分光装置）が用いられる。この光分波器には、プリズム、波長フィルタ、回折格子等の分光素子が必要とされる。とくに回折格子は代表的な分光素子であり、石英やシリコン基板などの表面に周期的な微細凹凸構造を形成したものが用いられている。その周期的凹凸構造によって発生する回折光が互いに干渉し、ある特定波長の光が特定の方向に出射される。この特性が分波素子として利用されている。
【０００４】
しかし、回折格子からの出射角の波長による変化量には実用的な限界があり、回折格子を使用した光分波器の性能を向上させるためには装置を大型化せざるを得ないという問題点があった。このような問題点を解決するためには、回折格子より波長に対して大きな角度変化を生じる光学素子が必要となる。回折格子よりも大きい波長分散を示す光学素子としては、屈折率の異なる誘電体を光の波長程度の周期で並べた構造を有するフォトニック結晶がある。フォトニック結晶には、
・フォトニックバンドギャップによる光の閉じ込め
・特異なバンド構造による非常に大きな波長分散
・伝播光の群速度異常
といった特性があることは良く知られており、このような特性を利用した数多くの光学素子が提案あるいは研究されている。
【０００５】
このようなフォトニック結晶は、周期構造を有する方向の数によって、１次元、２次元、３次元に分類することができる。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２種類の誘電体薄膜（ＳｉＯ2とＴｉＯ2など）を交互に積層した多層膜フィルタがあり、すでに実用化している。上記構造は周期方向にフォトニックバンドギャップを有するため、特定の波長域の入射光のみを反射するはたらきがある。また、斜め入射光に対するフォトニックバンドギャップの波長域が偏光方向によって異なることから、偏光分離フィルタとして機能させることもできる。
【０００６】
２次元フォトニック結晶としては、フォトリソグラフィー技術を応用して、基板上の薄膜に空気孔を並べた構造が良く研究されている。空気孔の配列に線状欠陥をつくれば、その部分を導波路とすることができる。
【０００７】
３次元フォトニック結晶では、全方向にわたるフォトニックバンドギャップを実現すると立体的な導波路が実現できることから、１ｍｍ角程度の素子中に多くの光学素子を組み込むことができるものと期待されている。
【０００８】
１次元、２次元、３次元のなかで、１次元フォトニック結晶は製作しやすいという大きな長所がある反面、上記の多層膜フィルタ以外にフォトニック結晶としての特性を生かす方法が少ないことから、２次元、３次元結晶ほどには研究されてこなかった。しかし、１次元結晶において、特異なバンド構造による非常に大きな波長分散を利用することは充分可能であり、その手段として多層膜層の端面、すなわち多層構造が露出している面を、光入射面もしくは光出射面として使用することができる。
【０００９】
本発明者らの研究によると、多層膜層の端面に略垂直な入射光を入れると、周期性のない方向に光が伝播して、フォトニック結晶を利用した分光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（特願２００１−２６６７１５）。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
後述するように、本発明者らの電磁波シミュレーションによると、１次元フォトニック結晶（周期的多層膜）の端面に単色光の平面波を略垂直に入射させた場合、いくつかのバンドに対応する波動に分かれて多層膜層内を伝播することがわかる。多層膜の周期に対して入射光の波長が充分に長い場合には第１バンドによる波動（以下、第１バンド光と呼ぶ）のみが伝播するが、波長が短くなると第３バンド光、第５バンド光といった高次の波動も順次伝播するようになる。従って、入射波長にかかわらず、入射光のエネルギーの一部は必ず第１バンド光となって伝播することになる。
【００１１】
ところが、第３、第５といった高次のバンド光は特異なバンド構造に由来する非常に大きな波長分散を有するが、第１バンド光はそうではなく波長分散性が小さい。したがって、第１バンド光は分光素子として利用価値のほとんど無い無駄な光であり、入射光の利用効率を落とすだけではなく、迷光として素子のＳ/Ｎ比を悪くする恐れもある。
【００１２】
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、高次のバンド光のみを利用して高い効率の分光性能を有する光学素子およびそれを用いた分光装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明では、１次元フォトニック結晶の端面への入射光に、フォトニック結晶と同じ周期と方向の位相変調を与え、フォトニック結晶内において特定の高次バンド光のみを伝播させることにより、分光装置として利用する１次元フォトニック結晶の表面からの出射光の強度を増大させ、すなわち入射光の利用効率を向上させる。また、上記フォトニック結晶に付加する構造の作用により、フォトニック結晶の片側もしくは両側に出射光を配分し、また強度を調整する。
【００１４】
上記作用は、以下の手段により達成される。
本発明の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、多層構造体の層面と略垂直な端面を光入射面とする。このような光学素子において、多層構造の方向に周期構造体の周期と同一の周期を有する位相変調波を発生する位相変調手段を光入射面に当接もしくは近接して配設する。そして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光出射面とし、  この光学素子に入射する光の真空中での波長λ0に対応する、フォトニック結晶の最低次ではない結合性バンドの波数ベクトルの、層面と平行な方向についての大きさをks、多層構造体の両側表面に接する媒体の屈折率をそれぞれｎs1、ｎs2（ただしｎs2≦ｎs1）とするとき、
０＜ｋs・λ0／（２π・ｎs2）＜１
の条件を満たすようにする。この場合、出射光は多層構造体の両側に生じる。
【００１５】
また、上記とは逆に、多層構造体の層面と略平行な表面を光入射面とし、多層構造体の層面と略垂直な端面を光出射面とすることもできる。
【００１６】
また、
０＜ｋs・λ0／（２π・ｎs1）＜１
１＜ｋs・λ0／（２π・ｎs2）
の条件を満たすようにする。この場合、出射光は屈折率ｎs1を有する媒体側のみに出射光が生じる。
【００１７】
また、
０＜ｋs・λ0／（２π・ｎs）＜１
なる条件を満たす屈折率ｎsの媒体と周期構造部分との間に、第２の周期構造部分を設ける。これによってこの媒体側への出射光強度を低下させることができる。
【００１８】
また、
０＜ｋs・λ0／（２π・ｎs）＜１
なる条件を満たす屈折率ｎsの媒体と前記周期構造部分との間に、反射層を設ける。これによってこの媒体側への出射光の発生を抑えることができる。この反射層は、フォトニック結晶としての周期構造部分とは異なる周期構造によるのが望ましい。
【００１９】
上記の多層構造体によって構成される光学素子と、多層構造体の周期構造部分の端面に複数波長の混合した光束を入射させる手段と、多層構造体の光出射面から波長ごとに異なる角度で出射される光線を検知する手段とを用いて分光装置として機能する光学装置を構成することができる。
【００２０】
また、上記光学素子と光学的に結合した半導体レーザと、光学素子からの出射光を反射して光学素子に戻す反射鏡とを用いて外部共振器を備えたレーザ発振装置として機能する光学装置を構成することができる。
【００２１】
【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。
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。
【００２２】
図１における周期的多層膜の端面１aから真空中の波長λ0の光束３を入射させたとき、この光がこの多層膜内でどのように伝搬するかを解析すると、一定条件においてこの周期的多層膜はいわゆるフォトニック結晶として作用し、伝搬する光に特異な効果を発現させることがわかる。
【００２３】
フォトニック結晶内を伝播する光の特性は、フォトニックバンドを計算し図示することにより知ることができる。バンド計算の方法は、たとえば、"Photonic Crystals", Princeton University Press (1995) あるいは、Physical Review B 44巻、16号、p.8565、1991年、などに詳しく述べられている。
【００２４】
図１に示す周期的多層膜はＹ方向（積層方向）には無限に続く周期構造を有し、ＸおよびＺ方向（層面の広がる方向）には無限に広がっているものと仮定する。図２、図３は、
ｎＡ＝１．４４（ｔＡ＝０．５ａ）
ｎＢ＝２．１８（ｔＢ＝０．５ａ）
の層を交互に重ねた周期ａの多層構造体について、Ｚ軸方向（Ｘ軸方向も同じ）における平面波法によるバンド計算の結果を、ＴＥ偏光（図２）及びＴＭ偏光(図３)の第１〜第３バンドについて示したものである。ここで、ＴＥ偏光は電場の向きがＸ軸方向である偏光を、ＴＭ偏光は磁場の向きがＸ軸方向である偏光をそれぞれ表わす。
【００２５】
図２、図３の横軸はＺ軸方向の波数ベクトルｋzの大きさであり、縦軸は規格化周波数
ωａ／２πｃ
である。ここで、ωは入射する光の角周波数、ａは構造の周期、ｃは真空中での光速である。規格化周波数は、真空中の入射光波長λ0を用いて、ａ／λ0とも表わすことができるので、以下ではａ／λ0と記述する。Ｚ軸方向には周期性がないので、図２、図３の横軸にはブリルアンゾーンの境界が存在せず、どこまでも広がっている。
【００２６】
図２に示すように、入射光の真空中の波長がλAの場合、フォトニック結晶内では第１バンドに対応する波数ベクトルｋA1が存在する。換言すると、波長
λA1＝２π／ｋA1
の波動としてフォトニック結晶内をＺ軸方向に伝播する（以下、第１バンド光と呼ぶ）。
ところが、入射光の真空中の波長がλBの場合には、第１、第３バンドに対応する波数ベクトルｋB1、ｋB3が存在する。ここで、第２バンドは「非結合性」であるため無視される。従って、波長λB1＝２π／ｋB1の第１バンド光、および波長λB3＝２π／ｋB3の波動（以下、第３バンド光とする）がそれぞれフォトニック結晶内をＺ軸方向に伝播する。なお、非結合性バンドについての理論は、以下の文献に詳しく記述されている。
K.Sakoda  “Optical Properties of Photonic Crystals”  Springer-Verlag (2001).
【００２７】
ここで、真空中での波長（λA、λBなど）を、対応するフォトニック結晶中の波長（λA1、λB3など）で除した数値を「実効屈折率」と定義する。図３から理解できるように、第１バンドのａ／λ0（縦軸）とｋz（横軸）はほぼ比例するため、実効屈折率もλ0の変化に対してほとんど不変である。しかし、第３バンド光は実効屈折率がλ0により大きく変化し、図２、図３より明らかなように実効屈折率が１未満になることもある。
【００２８】
図４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軸方向への第３バンド伝播光（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。
【００２９】
多層膜層１の端面から真空中の波長λ0の光束３を入射させると、一部の光は多層膜層１内部での導波光４となるが、一部の光は媒体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）は波長λ0に対してほぼ一定であり、指向性の非常に良い光束となる。また、θ1、θ2の値はλ0が異なると大きく変化するため、高分解能の分光素子として利用することができる。
【００３０】
ここで、屈折率が均質な２つの媒体の境界における光の屈折を作図によって表現する方法を図５を用いて説明する。屈折率ｎＡの均質媒体Ａと屈折率ｎＢの均質媒体Ｂ（ｎＡ＜ｎＢとする）の媒体Ａ側境界面近傍を、境界面と平行に進む光線ＲＡは、角度θの屈折光ＲＢとなって媒体Ｂ側に放出される。この角度θは、半径がｎＡとｎＢに比例した２つの円ＣＡ、ＣＢを用いた作図によって求めることができる。
【００３１】
周期的多層膜の場合でも、実効屈折率ｎeffを用いて同様の作図により屈折角θ1、θ2 を求めることができる（図６）。ここで、ｎ3がｎ1,ｎ2よりも大きければ、第３バンド伝播光は界面での全反射によって多層膜層１の内部に閉じ込めることができ、Ｍ1，Ｍ2側には出ていかず多層膜層１内を伝播し続けることになる。
【００３２】
第１バンド光は通常の均質媒体と同程度の波長分散しか起こさないのに対して、第３バンド光は前述したように実効屈折率が入射波長により大きく変化するため、非常に大きい波長分散を示す。これは、いわゆるスーパープリズム効果の一種である。スーパープリズム効果は、以下の文献等で提唱されている。
Physical Review B、58巻、16号、p.R10096、1998年
【００３３】
図２、図３には示していないが、第４以上のバンドも大きい波長分散を示す。しかし、高次のバンドは後述する「節」の数が増えるので、第２、第３といった低次のバンドを利用することが望ましい。ただし、上述したように「非結合性」バンドは利用できないので、望ましいバンドは「最低次から２番目の結合性バンド」であり、図２、図３においては第３バンドがこれに相当する。
【００３４】
また、図１の周期的多層膜層はＸ軸方向とＹ軸方向の構造に大きな違いがあるため、偏光方向により実効屈折率は異なる値となる。これは、図２(ＴＥ偏光)と図３(ＴＭ偏光)のグラフが異なることからも明らかである。従って、周期的多層膜層の伝播光には偏光分離の作用があり、たとえば波長による分光と偏光分離を同時に行なう、といった利用のしかたも可能である。このため、回折格子と偏光分離素子の組合せによる機能を単一の素子で実現でき、光学系を単純化することもできる。
ただし、１次元フォトニック結晶の場合、ｋｚが小さい領域（図２、図３では縦軸に近い領域）における高次バンド（第２以上）のＴＥとＴＭの差は非常に小さいので、この領域では実質的に偏光特性を無視することも可能となる。
【００３５】
図６に示すように、屈折光は多層膜層１の両側から取り出すことができる。媒体Ｍ1の屈折率が媒体Ｍ2の屈折率より小さい場合、
(1)屈折光は、Ｍ1側、Ｍ2側ともに発生しない
(2)屈折光は、Ｍ2側のみ発生する
(3)屈折光は、Ｍ1側、Ｍ2側ともに発生する
の３種類に分類することができる。屈折光を片側に集中させたければ(2)の条件、両側で個別に利用したければ(3)の条件を選べば良い。もちろん、両媒体が同じ物であれば同じ角度の屈折光を両側に取り出すことができる。
【００３６】
具体的には、Ｍ1、Ｍ2の屈折率をそれぞれｎ1,ｎ2（ただし、ｎ1≦ｎ2）とするとき、
０＜ｋs・λ0／（２π・ｎ2）＜１
１＜ｋs・λ0／（２π・ｎ1）
であれば(2)の条件になり、
０＜ｋs・λ0／（２π・ｎ1）＜１
０＜ｋs・λ0／（２π・ｎ2）＜１
であれば(3)の条件となる。
【００３７】
なお、本発明者らのシミュレーションによると、屈折角θが２０°〜６０°の範囲とすると特に強い屈折光が得られる。そこで、屈折角が２０°〜６０°となるための条件
cos60°≦ｋs・λ0／（２π・ｎ）≦cos20°
がより望ましい範囲である。（ｎは、ｎs1あるいはｎs2を意味する）
【００３８】
以上述べたように、高次バンド伝播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。しかし、図２、図３から明らかなように、たとえば第３バンド光が伝播する場合には必ず第１バンド光も伝播している。第１バンド伝播光は上述した波長分散の効果がほとんどないので、第３バンド伝播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。
【００３９】
ところが、本発明者らの研究によると、入射光に位相変調を加えると周期的多層膜層内をたとえば第３バンド光といった高次の伝播光のみ伝播させることが可能となる。
図７（ａ）及び図７（ｂ）は、物質ＡとＢを重ね合わせた周期的多層膜（周期ａ）内での、Ｚ方向における第１バンド伝播光と第３バンド伝播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。
【００４０】
第１バンド伝播光は、図７（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、平面波に近い伝播となる。
【００４１】
しかし、最低次から２番目の結合性バンド（ここでは、第３バンドであるとする）による伝播光は、図７（ｂ）に示すように電場振幅が０となる「節」が生じ、Ｚ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、さらに高次のバンドによる伝播光では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、第１バンドと第３バンドがともに関与する波長（たとえば図２のλB）の入射光に対する伝播光は両者が重なった複雑な電場パターンを示すことになる（図２０がその例である）。
【００４２】
ところで、図８に示すように、Ｙ方向に周期ａで概略半波長差を生じる位相格子８に平面波７を入射させると、図７（ｂ）における第３バンド伝播光に類似した電場パターンを空間１０に作ることができる。ここに周期的多層膜層１の端面を置くと、第１バンド伝播光は発生せず、第３バンド伝播光のみが生じることが、本発明者らのシミュレーションにより明らかとなった。以上の結果を一般化すると、
「周期ａの多層膜層に対して、同じ方向に周期ａを有する適当な位相変調波を入射させると、特定の高次バンドに属する伝播光のみを得ることができる」
ということになる。
【００４３】
以下、位相変調手段の条件について具体的に説明する。
最も簡便な位相変調手段は、周期的多層膜層１と同じ周期を有する位相格子８である。一般的には、図９に示すような位相格子８を設置すれば良い。本発明者らのシミュレーションによると、位相変調の特性（図９における厚さｔC 、ｔD 、Ｌ，Ｇの値など）は、周期的多層膜１の特性、すなわち各層の厚さ比率と屈折率などに合わせて最適化する必要がある。また、位相変調と多層膜の周期は同調させる必要があるので、
ｔA＋ｔB＝ｔC＋ｔD
媒体Ａと媒体ＣのＹ方向中心は一致
媒体Ｂと媒体ＤのＹ方向中心は一致
といった各条件を満たしていなければならない。
【００４４】
位相格子８と周期的多層膜１の間の空間１１の長さも伝播光に影響するので最適な範囲を選ばなくてはならない。また、多層膜の周期ａが真空中の光の波長λ0以下の場合は、両者の間隙を空気層とすると位相格子８による±１次回折光が伝播できなくなり、反射光が多くなる。これを防ぐためには、間隙の空間１１を屈折率ｎGの大きい媒体で満たす方法がある。具体的には、
λ0／ｎG＜ａ
とすればよい。
【００４５】
本発明を実施するにあたっては、周期的多層膜の端面近くに溝を形成して多層膜の一部をそのまま位相格子として用いる方法がより実用的である。この場合は図９における、
媒体Ａと媒体Ｃは同じ
媒体Ｂと媒体Ｄは同じ
ｔA＝ｔC
ｔB＝ｔD
の条件に相当する。位相格子の厚さと溝の幅は調整して第３バンド光のみが効率良く伝播するようにしなくてはならない。溝部分は空気層のままでもよいが、上記の条件を満たすために均一媒体としても良い。
【００４６】
本発明における多層構造体の周期構造部分は、図１に示すような２種類の物質による構成が最も単純であるが、（１）２層の膜厚比を変える、（２）３層以上とする、（３）膜材質を３種以上とする、といった手段により平均屈折率やバンド構造の調整を行ない、分散特性や偏光特性、入射光の利用効率の改善などに役立てることも可能である。ただし各層の屈折率、厚みが一定の周期をもっている必要がある。
また、多層膜を構成する各層が、連続的に屈折率が変化するものであっても、屈折率差が確保されていれば特性はほとんど同じとなる。
【００４７】
周期構造部分は一般的にはｍ種類（ｍは自然数）の物質の積層体からなる。１周期を構成する物質１、２、・・・、ｍの屈折率をｎ１、ｎ２、・・・，ｎｍ、厚さをｔ１、ｔ２、・・・、ｔｍとする。また使用波長λにおける多層構造体一周期あたりの平均屈折率ｎＭを
ｎＭ＝（ｔ１・ｎ１＋ｔ２・ｎ２＋・・・＋ｔｎ・ｎｍ）／ａ
と定義する。１周期ａは、
ａ＝ｔ１＋ｔ２＋・・・＋ｔｍ
である。
【００４８】
周期構造部分の平均屈折率ｎMは、概略
ａ／λ0≦０．５／ｎＭ
の範囲では第１バンドしか存在しない（図２、図３参照）。そこで、第２以上のバンドを利用するためには、多層構造の周期ａは使用波長λ0に対して
λ0／２ｎＭ≦ａ
の関係を満たす必要がある。周期ａが上記条件の範囲よりも小さくなると、第１バンド光しか伝播しないので、多層構造体の特性は平均屈折率を有する均質媒体に近いものとなってしまう。
後述する計算例に示すように、多層膜層が薄くなると波動が特に乱れやすくなるため、多層膜層の周期数は１０周期以上、可能であれば１５周期以上確保することが望ましい。
【００４９】
本発明に用いる多層膜層の材料としては、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、一般的に多層膜の材料として用いられていて耐久性や製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。
【００５０】
多層膜材料の屈折率比は大きくなるほど、波長分散なども大きくなる傾向があるので、そのような特性が必要な用途に対しては高屈折率材料と低屈折率材料を組合せることが望ましい。実用的に実現できる屈折率比は、たとえば低屈折率材料として空気（屈折率：１）、高屈折率材料としてＩｎＳｂ（屈折率：４．２１）を用いると４以上にすることができる（「微小光学ハンドブック」224頁、朝倉書店、1995年、参照）。
【００５１】
多層膜材料の屈折率比が小さくなると、偏光方向による特性の違いが小さくなる傾向があるので、偏波無依存を実現するためには屈折率比の小さい組合せも有用である。ただし、屈折率比があまり小さくなると変調作用が弱くなり、期待される作用が発揮されないこともあるので、屈折率比として１．２以上確保することが望ましい。
【００５２】
多層膜層の端面近傍に設ける溝は、多層膜を積層した後に、レジスト層塗布→パターニング→エッチング→レジスト層の除去、といった一般的な方法により形成することができる。溝部分の空気もしくは真空を低屈折率材料として利用することもできるし、溝部分に媒体を充填してもよい。充填する物質としては、有機樹脂、ゾル状態のガラス、溶融状態の半導体材料などを用いることができる。ゾル状態のガラスはゲル化した後に加熱して透明なガラスとすることができる。
【００５３】
材料を適切に選定すれば、本発明の作用は通常使用される２００ｎｍ〜２０μｍ程度の波長範囲で発揮される。
【００５４】
多層膜層の基板の材質は、伝播光の漏れ発生しない屈折率の範囲の材料であれば特に限定はなく、ソーダライムガラス、光学ガラス、シリカ、シリコン、あるいはガリウム砒素などの化合物半導体などが適する材料である。温度特性などの限定が小さければ、プラスチック材料でも良い。
基板を用いず、多層膜層だけから構成される、いわゆるエアーブリッジ構造としてもよい。
【００５５】
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６における
低屈折率媒体Ｍ1（空気層）
高屈折率媒体Ｍ2（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が、多層膜層内の有効屈折率が１を超えていなければならない。多層膜層内の有効屈折率を１以下とし、かつ屈折光を片側のみから取り出すには、多層膜層と片側の媒体の間に何らかの反射層を設ける必要がある。
【００５６】
図１０は、基板２と多層膜層１の間に反射層１２（たとえば金属膜）を挟んだ構造である。このようにすると、入射光３は位相格子８に入射し、その作用を受けたのち、空間１１を介して多層膜層１の層面にほぼ垂直な面から入射する。多層膜層１中ではほぼ第３バイド光のみからなる伝搬光４が効率よく層面に平行な方向に伝搬するが、屈折光５は反射層１２の作用によって空気側にだけ集中して出射する。
【００５７】
図１１は、基板２と多層膜層１の間に、第２の多層膜層１３を挟みこんだ構造である。その他の各部は図１０に示すのと同じ符号で示し、説明は省略する（以下同様）。第１の多層膜層１内の高次バンド伝播光に対応するフォトニックバンドが第２の多層膜層１３内に存在しなければ、第２の多層膜層１３は伝播光を閉じ込めるはたらきをなす。
【００５８】
第２の多層膜層としては、第１の多層膜層と同一の材料を用いて、周期あるいは膜厚比を異なったものとする方法が、成膜工程を単純化できる点から最も簡単である。具体的には、たとえば周期を第１の多層膜層の周期ａよりも小さくして、伝播光の周波数に対応する高次バンドをなくせばよい。後述の計算例に示すように、伝播光の電場は第２の多層膜層にもエバネッセント光として浸み出すので、閉じこめを確実なものとするためには、第２の多層膜層の厚み（すなわち周期数）をある程度大きくする必要がある。
【００５９】
図１２は、屈折光５を取り出す側に第３の多層膜層１４を設置した場合である。第３の多層膜層１４は、幾分薄く（周期数を少なく）してあるので伝播光の閉じ込めは不完全となり、屈折光５の強度を弱くするはたらきをなす。屈折光の強度が弱くなっても屈折光の総量は変わらないので、Ｚ軸方向での屈折光の放射される範囲が大きくなる。従って、屈折光５の光束がより太くなり回折による広がりが減少するので、波長分解能を大きくする効果がある。
【００６０】
次に、多層膜層の表面からの屈折光を取り出す方法について説明する。
屈折光を基板側のみに取り出す場合は、基板と空気との界面を利用して図１３〜１５に示すような構成とすることができる。図１３は、基板２側の屈折光５を基板の端面２ａでもう一度屈折させたものであり、波長分散の角度差は基板内部よりも空気中での値のほうが大きくなる。図１４は、基板端面２ａに傾きをつけたものであり、空気中の波長分散を最大化することも可能となる。平行平面基板に斜め面を有する媒体を接着しても同様な作用が得られる。図１５は、図１３同様の構造で、空気側表面に反射層１２を設けた場合である。
【００６１】
図１６は上記の光学系を平板状光回路として構成し、光学的な処理を基板表面に平行な方向だけで行えるようにした例を示している。平面基板３２上に基板表面と平行な方向に周期を有する多層構造体３１を形成する。位相格子３８は多層構造体３１の端部に溝４０を形成することにより設けることができる。入射光３は、多層構造体３１の表面３１ｂから波長に依存する角度θ1を有する屈折光５となって基板３２に平行に出射される。
【００６２】
このような多層構造体の一例としては、基板３２上の均質な物質に基板表面に垂直で、互いに平行な深い溝を形成した構造があげられる。この場合は、溝部分の空気もしくは真空を低屈折率材料として利用することもできるし、溝部分に何らかの媒体を充填してもよい。充填する物質としては、有機樹脂、ゾル状態のガラス、溶融状態の半導体材料などを用いることができる。ゾル状態のガラスはゲル化した後に加熱して透明なガラスとすることができる。
【００６３】
本発明の構成は、入射光と出射光を入れ換えて使用することもできる。すなわち、多層構造体の層面に平行な表面に対し、真空中での波長がλ0の光を入射する場合、所定の角度の方向から入射した場合だけ、多層構造体の層面に平行な方向に光が伝搬し、多層構造体の層面にほぼ垂直な端面から出射光が得られる。
以下、本発明の具体的な構成例について説明する。
【００６４】
［計算例］
位相格子と組合せた１次元フォトニック結晶内部の伝播と屈折光とを、有限要素法によりシミュレーションした結果を以下に列挙する。使用したソフトウェアは日本総合研究所製のＪＭＡＧである。
【００６５】
計算モデルは図９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１状の構造とし、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。フォトニック結晶の垂直断面から距離Ｇだけ離して位相格子８を設置する。フォトニック結晶と位相格子の間の空間１１は、屈折率ｎGの均質媒体で満たされている。
【００６６】
媒体Ｃと媒体Ｄから構成される位相格子８の周期は多層膜１のそれと同じであり、媒体Ｃと媒体Ｄの厚さはｔC・ａ、及びｔD・ａ、屈折率はｎCおよびｎDであり、Ｚ軸方向の長さはＬとする。
位相格子８の外側は屈折率ｎSの空間であり、ここから真空中の波長λ0の平面波（直線偏光波）を垂直入射させる。
【００６７】
［計算例１］
図９の構造について、表１に示す条件で入射光の波長を変えた場合の電磁波シミュレーションを実施した。以下の計算例、比較例では、長さはすべて周期ａを基準として規格化している。
【００６８】
【表１】
0003979146.tif 000002
【００６９】
シミュレーション結果として、電場の強度分布と屈折光の角度を図１７（λ0 ＝１．２ａの場合），図１８(λ0＝１．３ａの場合）に示す。位相格子８の作用により、多層膜層１部分の伝播光は節のある規則的なものであり、第１バンド伝播光がほとんどないことがわかる。伝播光の実効屈折率は１．００と１．４４の間にあるので、屈折光６は屈折率の大きい基板２側だけに発生している。また、入射光３のわずかな波長差によって、基板側屈折光６の角度θ2が大きく変化している。
【００７０】
入射光波長（λ0／ａ）に対する屈折角θ2の変化についてシミュレーション結果を、上記以外の入射光波長も含めて図１９に示す。基板側屈折光６の角度変化は、Δλ0＝１％当たり約０．６９°であり、大きい波長分散が得られていることがわかる。
なお、図１９における「バンド計算値」は、平面波法によるバンド図から求めた実効屈折率による計算値である。
【００７１】
［比較計算例１］
計算例１から、位相格子部分を除いたシミュレーション結果を図２０に示す。ただし、入射光３の真空波長λ0＝１．２ａの場合についてのみ示す。
図２０では、第１バンドによる波長の短い伝播光と第３バンドによる波長の長い伝播光が重なるため、電場のパターンは図１７の場合よりも複雑なものとなっている。また、図１７と比較すると第３バンド伝播光が弱い分だけ屈折光６の強度も弱くなっていることがわかる。
【００７２】
［計算例２］
周期的多層膜１と基板２の間に周期の短い第２の周期構造１３部分を設置して、基板２側への屈折光がでないようにした場合である。多層膜の構成を表２に示す。
【００７３】
【表２】
0003979146.tif 000003
【００７４】
シミュレーション結果として、λ0 ＝１．６６ａの場合の電場強度分布を図２１に示す。伝播光の実効屈折率は概略０．３７と１未満であるが、第２の周期構造１３により基板２側の屈折光はほとんど無くなり、空気側に強い屈折光５が発生している。
入射光波長（λ0／ａ）に対する屈折角θ2の変化についてシミュレーション結果を図２２に示す。空気側屈折光５の角度変化は、Δλ0＝１％当たり約３．１°であり、非常に大きい波長分散が得られていることがわかる。
【００７５】
［計算例３］
計算例２の構成に、さらに周期的多層膜１と空気層の間に周期の短い第３の周期構造１４部分を設置して、空気側への屈折光強度を弱くした場合である。多層膜の構成を表３に示す。
【００７６】
【表３】
0003979146.tif 000004
【００７７】
シミュレーション結果として、λ0＝１．６６ａの場合の電場強度分布を図２３に示す。空気側の屈折光５を図２１の場合と比較すると、屈折角θ1は変化していないが、空気側に設置した第３の周期構造１４により強度は大幅に弱くなっていることがわかる。
【００７８】
［応用例１：分光装置］
図２４は、本発明を応用した、波長多重（ＷＤＭ）信号における、各波長の強度を個別に測定する波長モニター装置の主要部（ａ）および受光光学系（ｂ）の模式図である。
多層膜層１の端面近くに溝１１をつくり、その外側を位相格子８とする。また、光ファイバ１５のコアを直接位相格子８部分の端面に突き当て、入射光３を入射する、入射光３は、位相格子８の作用により第３バンド伝播光として多層膜層１内を伝播しつつ、多層膜層１の表面から除々に屈折光６となって取り出される。図２４（ａ）は、基板２側に屈折光６を取り出す場合である。光ファイバ１５からの入射光３が多波長の信号を含むものであれば、各波長の光は角度差のある屈折光の光束となる。
【００７９】
屈折光６は、図２４（ｂ）に示す受光光学系により波長ごとに異なった焦点を結ぶので、センサアレイ１７によってそれぞれの強度を測定することができる。
なお、屈折光６の出射部分６ａは図２４（ａ）に示すように著しい楕円状となるので、出射光６ｂも楕円状の略ガウシアンビームとなる。このため、図２４（ｂ）に示すように円筒状のレンズ１６により円形に近い焦点スポットが得られるように修正している。
【００８０】
［応用例２：レーザの外部共振器］
図２５は、本発明を応用した外部共振器つき半導体レーザ装置の模式図である。
基板２上に、導波路状の活性層１９と多層膜層１を形成する。活性層１９の片側には反射鏡２０と両側の電極２２を設けて、レーザ発振をさせる（電源部分は図示を省略する）。活性層１９の多層膜層側から出射した光は位相格子８，空間１１を通して多層膜層１内を伝搬し、多層膜層１の表面１ｂから屈折光５として出射される。空間に設置して反射鏡２１により反射される光のうち、特定波長の光のみが多層膜層１内に戻ることができるので、この波長の光だけが共振して発振光となる。発振波長は、ミラー２１の角度によって変えることができる。
【００８１】
反射鏡２０を部分反射鏡とすればレーザ光２３を多層膜層がある側とは反対側に取り出すことができるので、この構成により波長可変レーザ装置が実現できる。また、反射鏡２１を部分反射鏡とすれば斜め右上に光束の太いコリメートされたレーザ光２４を取り出すことができる。なお、このような外部共振器波長可変半導体レーザの基本構成（分波素子として回折格子を用いた例）は ”The Eighth Microoptics Conference Technical Digest(2001)” の64〜67頁に掲載されている。
【００８２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、多層構造体からの屈折光が良好な指向性をもち、その方向が大きな波長依存性をもつことを利用して、装置を大型化することなく高分解能の分光装置、偏光分離装置を実現することができる。多層構造の製作は既存の技術を用いて比較的安価に量産することができるので、これらの光学素子の低価格化を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  周期的多層膜層内の光の伝播を示す模式図である。
【図２】  周期的多層膜のフォトニックバンド構造（ＴＥ偏光）を示す図である。
【図３】  周期的多層膜のフォトニックバンド構造（ＴＭ偏光）を示す図である。
【図４】  ２種の均質媒体に挟まれた周期的多層膜内の伝播を示す図である。
【図５】  （ａ）均質媒体界面での屈折および（ｂ）第３バンド伝播光の屈折を示す模式図である。
【図６】  第１バンド伝播光の電場を示す模式図である。
【図７】  第３バンド伝播光の電場を示す模式図である。
【図８】  位相格子を設けた周期的多層膜層内伝播光を示す模式図である。
【図９】  計算例における各種パラメータを示す図である。
【図１０】  周期的多層膜の基板側に反射層を設置した構成を示す図である。
【図１１】  周期的多層膜の基板側に第２の多層膜層を設けた構成を示す図である。
【図１２】  周期的多層膜の両側に第２、第３の多層膜層を設けた構成を示す図である。
【図１３】  基板側に屈折光を取り出す場合の実施例を示す模式図である。
【図１４】  基板側に屈折光を取り出す場合の他の実施例を示す模式図である。
【図１５】  基板側に屈折光を取り出す場合の他の実施例を示す模式図である。
【図１６】  本発明の平面光回路構成による実施例を示す図である。
【図１７】  計算例１のシミュレーション結果を示す図である。
【図１８】  計算例１の他のシミュレーション結果を示す図である。
【図１９】  計算例１のシミュレーション結果とバンド計算値とを比較した図である。
【図２０】  比較計算例１のシミュレーション結果を示す図である。
【図２１】  計算例２のシミュレーション結果を示す図である。
【図２２】  計算例２のシミュレーション結果とバンド計算値とを比較した図である。
【図２３】  計算例３のシミュレーション結果を示す図である。
【図２４】  本発明を応用した分光装置の（ａ）主要部および（ｂ）受光光学系を示す模式図である。
【図２５】  本発明を応用した外部共振器付波長可変レーザ装置を示す模式図である。
【符号の説明】
１    周期的多層膜層
１a   周期的多層膜層の端面
１b   周期構造部分の表面
２    基板
２a   基板の端面
２b   基板の表面
３    入射光
４    周期的多層膜層内の伝播光
５    上の媒体側もしくは空気側の屈折光
６    下の媒体側もしくは基板側の屈折光
７a   多層膜を構成する物質Ａ
７b   多層膜を構成する物質Ｂ
８    位相格子
９    入射光（平面波）
１０    位相変調波の存在する空間
１１    周期的多層膜の端面近くに設けた溝
１２    反射層
１３    第２の多層膜層
１４    第３の多層膜層
１５    光ファイバ
１６    円筒状レンズ
１７    センサアレイ
１９    活性層
２０、２１    反射鏡
２２    電極
２３    反射鏡２０を部分反射鏡とした場合のレーザ光
２４    反射鏡２１を部分反射鏡とした場合のレーザ光
【図１】
0003979146.tif 000005
【図２】
0003979146.tif 000006
【図３】
0003979146.tif 000007
【図４】
0003979146.tif 000008
【図５】
0003979146.tif 000009
【図６】
0003979146.tif 000010
【図７】
0003979146.tif 000011
【図８】
0003979146.tif 000012
【図９】
0003979146.tif 000013
【図１０】
0003979146.tif 000014
【図１１】
0003979146.tif 000015
【図１２】
0003979146.tif 000016
【図１３】
0003979146.tif 000017
【図１４】
0003979146.tif 000018
【図１５】
0003979146.tif 000019
【図１６】
0003979146.tif 000020
【図１７】
0003979146.tif 000021
【図１８】
0003979146.tif 000022
【図１９】
0003979146.tif 000023
【図２０】
0003979146.tif 000024
【図２１】
0003979146.tif 000025
【図２２】
0003979146.tif 000026
【図２３】
0003979146.tif 000027
【図２４】
0003979146.tif 000028
【図２５】
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