光反射器及び光学装置
【課題】サブミクロン光導波路に設けられ、反射可能な波長範囲を広くし、かつ、反射率を高くする。
【解決手段】サブミクロン光導波路１６の光入出力端面１６ａに接続され、反射領域２０と遷移領域１６とに区分され、反射領域及び遷移領域は、それぞれ１個以上の単位構造体ＵＳｊを含み、単位構造体は、低屈折率部ＳＰｊと高屈折率部ＷＳｊとを備えており、低屈折率部の長さをＳとし、高屈折率部の長さをＬとしたとき、反射領域において、Ｓ＝Ｓｍａｘであり、及びＬ＝Ｌｍｉｎであり、遷移領域が２個以上の単位構造体を含むときに、Ｓは、光入出力端面側から数えた単位構造体の席次とともに増加し、及び遷移領域が２個以上の前記単位構造体を含むときに、Ｌは、光入出力端面側から数えた単位構造体の席次とともに減少する。
【解決手段】サブミクロン光導波路１６の光入出力端面１６ａに接続され、反射領域２０と遷移領域１６とに区分され、反射領域及び遷移領域は、それぞれ１個以上の単位構造体ＵＳｊを含み、単位構造体は、低屈折率部ＳＰｊと高屈折率部ＷＳｊとを備えており、低屈折率部の長さをＳとし、高屈折率部の長さをＬとしたとき、反射領域において、Ｓ＝Ｓｍａｘであり、及びＬ＝Ｌｍｉｎであり、遷移領域が２個以上の単位構造体を含むときに、Ｓは、光入出力端面側から数えた単位構造体の席次とともに増加し、及び遷移領域が２個以上の前記単位構造体を含むときに、Ｌは、光入出力端面側から数えた単位構造体の席次とともに減少する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、光反射器、及びこの光反射器を備えた光学装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、よりコンパクトな光回路を作成するために、伝播光の波長未満の断面寸法を有する光導波路サブミクロン光導波路が開発されており、最近では、サブミクロンの断面寸法を有する、所謂サブミクロン光導波路が全体としてもｍｍサイズの非常にコンパクトな光回路を実現する手段として注目されている。このサブミクロン光導波路には、更に反射効率を高めるため、光反射器を設ける必要が生じる場合がある。
【０００３】
従来型の光導波路の場合には、光反射器として、光導波路の光入出力端面に誘電体多層膜ミラーや、光導波路中に作り込んだ回折格子などが用いられている。
【０００４】
しかし、このような反射器は直ちにサブミクロン光導波路には適用できるものではない。なぜなら、例えば、誘電体多層膜ミラーの場合は、サブミクロン光導波路の寸法が波長より極端に短いため、その端面から出射する光の回折角が非常に大きく、広い角度範囲にわたって出射され、その結果、誘電体多層膜ミラーで反射されない光成分が増加し、光の損失が大きくなってしまうからである。
【０００５】
一方、反射器として回折格子を用いる例としては、シリコン細線導波路に等間隔で溝を形成したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】米国特許第５８３８８７０号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１に記載の技術では、等間隔に形成した溝からなる回折格子を用いているために、反射可能な光の波長範囲が非常に狭くなるという問題が生じる。また、光導波路領域（溝が存在しない領域）と、回折格子領域（溝が存在する領域）との境界で等価屈折率が急激に変化するため、光の放射による光の損失が発生し、光の反射率が減少するという問題が生じる。
【０００７】
この発明は、このような問題に鑑みなされたものである。したがって、この発明の課題は、サブミクロン光導波路に好適に設けられる光反射器であって、反射可能な波長範囲が広く、かつ、反射率が高い光反射器、及びこの光反射器を備えた光学装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決するために、この発明の光反射器は、光導波路の中心軸を通り、光伝播方向に垂直に光導波路を貫通する直線の光導波路内における長さの最小値よりも長い波長の光を伝播する光導波路の光入出力端面に光結合されている。
【０００９】
この光反射器は、光伝播方向に沿って互いに区分された、反射領域及び反射領域と光入出力端面との間に介在する遷移領域を備えており、反射領域及び遷移領域は、それぞれ１個以上の単位構造体を含んでいる。
【００１０】
単位構造体は、光導波路から近距離に位置する低屈折率部と、光導波路から遠距離に位置する高屈折率部とが、光伝播方向に沿って互いに接触して配置されている。
【００１１】
ここで、低屈折率部の光伝播方向に沿った長さをＳとし、高屈折率部の光伝播方向に沿った長さをＬとする。このとき、反射領域において、ＳはＳｍａｘで一定であり、及びＬはＬｍｉｎで一定である。
【００１２】
また、遷移領域において、ＳはＳｍａｘ未満の大きさであり、かつ、遷移領域が２個以上の単位構造体を含むときに、Ｓは、光導波路側から反射領域側にかけて増加する。そして、Ｌは、Ｌｍｉｎを超過する大きさであり、かつ、遷移領域が２個以上の単位構造体を含むときに、Ｌは、光導波路側から反射領域側にかけて減少する。
【００１３】
この光反射器によれば、光を反射する反射領域を、低屈折率部と高屈折率部とが交互に配置された回折格子としている。よって、反射領域においては、回折格子の格子間隔に対応した波長の光が反射される。
【００１４】
また、相対的に等価屈折率が大きい光導波路から、相対的に等価屈折率が小さい反射領域までの間を、等価屈折率が徐々に減少する遷移領域で接続している。つまり、光導波路と反射領域との間で等価屈折率はなだらかに変化する。その結果、光導波路と反射領域との間での等価屈折率の急峻な変化が抑制される。よって、従来の光反射器とは異なり、この境界部での光の放射（損失）が抑制される。
【００１５】
この光反射器の第１の好適実施例においては、光の中心波長をλとし、低屈折率部の屈折率をｎＳとし、高屈折率部の屈折率をｎＬとしたとき、反射領域において、Ｓｍａｘをλ／（４ｎＳ）とし、及びＬｍｉｎをλ／（４ｎＬ）とすることが好ましい。
【００１６】
反射領域において、Ｓｍａｘ及びＬｍｉｎをこのような長さとすることにより、低屈折率部と高屈折率部との間の各界面で反射された戻り光の位相が一致する。これにより、戻り光の強度が強められ、光反射器の反射率が増加する。
【００１７】
この光反射器の第２の好適実施例においては、遷移領域に含まれる単位構造体の個数をＮ個（ただし、ＮはＮ≧１の整数）とする。そして、遷移領域に直列に並ぶＮ個の単位構造体を、光入出力端面側から反射領域にかけて順番に第１〜第Ｎ単位構造体とする。
【００１８】
このとき第ｊ単位構造体（ただし、ｊは１≦ｊ≦Ｎの整数）において、ＳをＳｍａｘ×（ｊ／（Ｎ＋１））とし、及び、ＬをＬｍｉｎ×（２−（ｊ／（Ｎ＋１）））とすることが好ましい。
【００１９】
このように構成することにより、光導波路（等価屈折率：大）から反射領域（等価屈折率：小）にかけて延在する遷移領域において、等価屈折率をなだらかに減少させることができる。つまり、第１〜第Ｎ単位構造体にかけて、高屈折率部の長さＬは、Ｌｍｉｎに向かって徐々に減少する。逆に、低屈折率部の長さＳは、第１〜第Ｎ単位構造体にかけて、Ｓｍａｘに向かって徐々に増加する。その結果、光反射器と光導波路との境界部で等価屈折率の急峻な変化が抑制され、境界部における光の放射に由来する光の損失を低減できる。
【００２０】
この光反射器の第３の好適実施例においては、第２の好適実施例と同様に第１〜第Ｎ単位構造体が設けられているときに、第ｊ単位構造体（ただし、ｊは１≦ｊ≦Ｎの整数）において、ＳをＳｍａｘ×（ｊ／（Ｎ＋１））とし、及び、ＬをＬｍｉｎ＋Ｓｍａｘ×（１−ｊ／（Ｎ＋１））とすることが好ましい。
【００２１】
このように構成することによっても、光導波路（等価屈折率：大）から反射領域（等価屈折率：小）にかけて延在する遷移領域において、等価屈折率をなだらかに減少させることができる。その結果、第２の好適実施例には劣るものの、光反射器と光導波路との境界部での急峻な等価屈折率変化を抑制できる。よって、境界部における光の放射に由来する光の損失が低減される。
【００２２】
この光反射器の第４の好適実施例においては、遷移領域を構成する第１〜第Ｎ単位構造体にかけて、単位構造体の光伝播方向に直交する面の寸法を徐々に増大させ、かつ、反射領域を構成する単位構造体の光伝播方向に直交する面の寸法を第Ｎ単位構造体と等しくすることが好ましい。
【００２３】
このように、単位構造体の断面寸法を遷移領域から反射領域にかけて大きくすることにより、光反射器全体としての等価屈折率を大きくすることができる。その結果、光反射器に入射する光を閉じ込める能力が増大する。よって、光反射器からの光の放射に由来する光の損失を低減できる。
【００２４】
この発明の光学装置は、上述の光反射器を備えている。
【発明の効果】
【００２５】
上述のように、この発明では、光導波路と反射領域との間に遷移領域を設けることにより、光導波路から反射領域にかけての等価屈折率をなだらかに変化させている。その結果、サブミクロン光導波路に設けられる光反射器であって、反射可能な波長範囲が広く、かつ、反射率が高い光反射器を得ることができる。また、この光反射器を備えた光学装置を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、図を参照して、この発明の実施の形態について説明する。なお、各図は、各構成要素の形状、大きさ及び配置関係について、この発明が理解できる程度に概略的に示したものにすぎない。また、以下、この発明の好適な構成例について説明するが、各構成要素の材質及び数値的条件などは、単なる好適例にすぎない。したがって、この発明は、以下の実施の形態に何ら限定されない。
【００２７】
（実施の形態１）
図１及び図２を参照して実施の形態１の光反射器１０の構造の一例について説明する。
【００２８】
図１は、光反射器１０を含む光学装置１２の構造の主要部を概略的に示す斜視図である。図２は、光反射器１０を含む光学装置１２の、図１に対応する部分の構造を概略的に示す上面図である。
【００２９】
図１の光反射器１０は、光学装置１２の一部品として構成されている。光学装置１２は、基板１４と、光導波路１６と、光反射器１０とを備えている。
【００３０】
基板１４は、互いに平行に対向する第１主面１４ａ及び第２主面１４ｂを備えた板状体である。基板１４の材料は、好ましくは、例えば石英とする。
【００３１】
光導波路１６は、基板１４の第１主面１４ａ上に配置されている。光導波路１６は、光伝播方向に対して垂直な断面の形状が矩形、例えば正方形のチャネル型導波路である。光導波路１６の光反射器１０側の端面は、光反射器１０に向けて光を出射し、かつ光反射器１０からの戻り光が入射される光入出力端面１６ａになっている。光導波路１６は、大気中に配置されている。なお、大気の屈折率は光導波路よりも小さい。光導波路１６の材料は、好ましくは、例えばシリコンとする。
【００３２】
図１において、光伝播方向（光導波路１６の中心軸を通る光の延長方向）に垂直に切断したと仮定した光導波路１６の断面を１６ｂとし、及びこの断面１６ｂの中心点を１６ｃとする。そして、中心点１６ｃを通過し、光伝播方向に垂直に、この断面１６ｂを横切る（貫通する）直線を考えた場合、この直線と、上記断面１６ｂの外周との交点ｃｐ１，ｃｐ２を通り、この交点ｃｐ１及びｃｐ２間の距離が最小値となるものを直線Ａとする。
【００３３】
図１では、光導波路の断面１６ｂの形状が正方形であるので、交点ｃｐ１及びｃｐ２間の距離は、光導波路１６の光入出力端面１６ａの１辺の長さに等しく、光導波路１６を伝播する実際の光の波長よりも小さい長さとする。換言すれば、光導波路１６は、交点ｃｐ１及びｃｐ２間の距離よりも長い波長の光を伝播する。光導波路１６の断面１６ｂの１辺の長さは０．２μｍである。
【００３４】
光反射器１０は、光導波路１６の光入出力端面１６ａに連続して、光導波路１６の光伝播方向に沿った延長線上に配置されている。
【００３５】
詳しくは後述するが、光反射器１０は、長尺な直方体状に形成された光導波路の端部付近に、一定の規則で複数の溝ＳＰｋ（ただし、ｋは１≦ｋ≦７の整数）を掘り込んで形成される。つまり、光反射器１０では、光導波路の断片（導波路セグメントＷＳｋ（ただし、ｋは１≦ｋ≦７の整数）が、光伝播方向に沿って直線的かつ断続的に並んでいる構成となっている。これらの断片は、光伝播方向に直交する切断面を有する直方体である。
本発明でいう単一構造体とは、上記溝ＳＰｋと断片ＷＳｋとを１つずつ組み合わせたもののことをいい、たとえば、図１の例では、溝ＳＰ１と断片ＷＳ１とを１単位構造体、同様にしてＳＰ７と断片ＷＳ７までの合計７個の単位構造体が例示されている。 光反射器１０は、光導波路１６側から、光伝播方向に沿って順次に配列された遷移領域１８と反射領域２０とに区分されている。
【００３６】
ここで、反射領域２０は、光導波路１６の光伝播方向に沿った延長線上に、第１番目の単位構造体ＵＳ１（光導波路の溝ＳＰ１と断片ＷＳ１）から第３番目の単位構造体ＵＳ３（光導波路の溝ＳＰ３と断片ＷＳ３）を設けた領域とし、遷移領域１８は、第４番目の単位構造体ＵＳ４（光導波路の溝ＳＰ４と断片ＷＳ４）から第７番目の単位構造体ＵＳ７（光導波路の溝ＳＰ７と断片ＷＳ７）を設けた領域となっている。以下、下付数字は光導波路１６から近い順第１、第２・・・第７とする。なお、これら反射領域２０と遷移領域１８の設定は、取り付けられる光導波路からの位置で規定し、光導波路に近い位置を反射領域２０、設定された反射領域２０以外を遷移領域１８と設定し、使用する単位構造体の数、形状によって適宜調整されるが、通常、単位構造体の数を１〜4個とした場合には、単位構造体が存在する領域を等分した領域、5個以上の場合には、全単位構造体が存在する領域の反射領域：遷移領域の割合は、２：３〜４：５、好ましくは、３：４の領域にすることが所望の反射率が得られる点から推奨される。
【００３７】
また、反射領域端面、遷移領域端面とは、光反射器１０の端面であって、反射領域、遷移領域が存する位置を意味し、例えば図１の例であれば、第１の単位構造体ＵＳ１が光導波路１６に接する部分が反射領域端面、遷移領域端面とは、第７の単位構造体ＵＳ１の断片ＷＳ７の外側面のことをいう。
これらの単位構造体ＵＳ１，ＵＳ２，ＵＳ３，ＵＳ４，ＵＳ５，ＵＳ６及びＵＳ７は、隣り合ったもの同士が互いに接触し、直列に配置されている。
【００３８】
導波路セグメントＷＳｋは、「高屈折率部」を構成する。また、溝ＳＰｋは、高屈折率部よりも屈折率が小さい「低屈折率部」を構成する。
【００３９】
個々の導波路セグメントＷＳｋは、光伝播方向に直交する断面形状が光導波路１６と同一形状である。また、導波路セグメントＷＳｋの材料は、光導波路１６と同様にシリコンとする。
【００４０】
ここで、導波路セグメントＷＳｋの屈折率をｎＬとする。ｎＬは、添字ｋの値によらず一定とする。つまり、すべての導波路セグメントＷＳ１〜７において、屈折率はｎＬで等しいものとする。既に説明した通り、導波路セグメントＷＳｋの屈折率ｎＬは、後述する溝ＳＰｋの屈折率ｎＳよりも大きい（ｎＬ＞ｎＳ）。また、導波路セグメントＷＳｋの光伝播方向に沿った長さを、それぞれＬｋとする。このＬｋについては後述する。
【００４１】
個々の溝ＳＰｋは、光導波路１６を、周知のエッチングにより、光伝播方向に直交する方向に掘り込むことで形成されている。ここで、溝ＳＰｋの屈折率をｎＳとする。ｎＳは、添字ｋの値によらず一定である。つまり、すべての溝ＳＰ１〜７において、屈折率はｎＳで等しい。また、溝ＳＰｋの光伝播方向に沿った長さを、それぞれＳｋとする。このＳｋについては後述する。
【００４２】
次に、主に図２を参照して、単位構造体ＵＳｋを構成する導波路セグメントＷＳｋの長さＬｋ、及び溝ＳＰｋの長さＳｋについて説明する。
【００４３】
まず反射領域２０における長さＬｍ及びＳｍについて説明する。
【００４４】
反射領域２０では、Ｌｍを一定値Ｌｍｉｎとし、及びＳｍを一定値Ｓｍａｘとする。つまり、Ｌ４，Ｌ５，Ｌ６及びＬ７は、それぞれ等しくＬｍｉｎとする。また、Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６及びＳ７は、それぞれ等しくＳｍａｘとする。
【００４５】
ここで、光入出力端面１６ａから光反射器１０に入射される光の中心波長をλとする。このとき、Ｌｍｉｎは、λ／（４ｎＬ）とする。また、Ｓｍａｘは、λ／（４ｎＳ）とする。ここで、上述のようにｎＬ＞ｎＳであるので、Ｓｍａｘ＞Ｌｍｉｎである。
【００４６】
反射領域２０における単位構造体ＵＳｍの光伝播方向に沿った長さをΛｍａｘとする。このとき、Λｍａｘは（Ｌｍｉｎ＋Ｓｍａｘ）で与えられる。
【００４７】
Ｌｍｉｎ及びＳｍａｘを上述の長さとすることにより、導波路セグメントＷＳｍと溝ＳＰｍとの間の各界面で反射される光の位相を揃えることができる。その結果、光反射器１０で反射されて光導波路１６に入射する戻り光の強度を強めることができる。
【００４８】
なお、反射領域２０を構成する単位構造体ＵＳｍの総数をＭとしたときに、反射領域２０で反射される光の反射率Ｒは、周知のように下記（１）式で与えられる。
Ｒ＝（ｎＬ２Ｍ＋２−ｎＳ２）２／（ｎＬ２Ｍ＋２＋ｎＳ２）２・・・（１）
（ただし、この実施の形態ではＭ＝４である。）
（１）式は、Ｍの増加、すなわち、反射領域２０を構成する単位構造体ＵＳｍの総数が増えるとともに、反射率Ｒが１に漸近するように増加する。
【００４９】
次に、遷移領域１８における長さＬｊ及びＳｊについて説明する。
【００５０】
遷移領域１８では、Ｌｊ及びＳｊを添字ｊの変化とともに変化させる。つまり、Ｌｊ及びＳｊを、光入出力端面１６ａ側から数えた単位構造体ＵＳｊの席次（順序）とともに変化させる。
【００５１】
より詳細には、単位構造体ＵＳｊを構成する導波路セグメントＷＳｊの長さＬｊを、添字ｊの増加とともに減少させる。つまり、単位構造体ＵＳ１，ＵＳ２及びＵＳ３の順番で、導波路セグメントＷＳｊの長さＬ１，Ｌ２及びＬ３を短くする（Ｌ１＞Ｌ２＞Ｌ３）。ただし、Ｌ１〜Ｌ３は、いずれもＬｍｉｎを超過する値、すなわちＬ１〜３＞Ｌｍｉｎとする。
【００５２】
遷移領域１８を構成する単位構造体ＵＳｊの総数をＮとしたときに、Ｌｊは、下記（２）式により決定される。
Ｌｊ＝Ｌｍｉｎ×（２−（ｊ／（Ｎ＋１）））・・・（２）
（ただし、この実施の形態においてはＮ＝３である。）
（２）式を用いた具体的な数値を挙げると、Ｌ１＝（７／４）Ｌｍｉｎ、Ｌ２＝（６／４）Ｌｍｉｎ、及びＬ３＝（５／４）Ｌｍｉｎである。つまり、Ｌｊは、添字ｊの増加とともに、Ｌｍｉｎに向かって漸減する。
【００５３】
また、単位構造体ＵＳｊを構成する溝ＳＰｊの長さＳｊを、添字ｊの増加とともに増加させる。つまり、単位構造体ＵＳ１，ＵＳ２及びＵＳ３の順番で、溝の長さＳ１，Ｓ２及びＳ３を長くする（Ｓ１＜Ｓ２＜Ｓ３）。ただし、Ｓ１〜Ｓ３は、いずれもＳｍａｘ未満の値、すなわち、Ｓ１〜３＜Ｓｍａｘとする。
【００５４】
具体的には、Ｓｊは、下記（３）式により決定される。
Ｓｊ＝Ｓｍａｘ×（ｊ／（Ｎ＋１））・・・（３）
（ただし、この実施の形態においてはＮ＝３である。）
（３）式を用いた具体的な数値を挙げると、Ｓ１＝（１／４）Ｓｍａｘ、Ｓ２＝（２／４）Ｓｍａｘ、及びＳ３＝（３／４）Ｓｍａｘである。つまりＳｊは、添字ｊの増加とともに、Ｓｍａｘに向かって漸増する。
【００５５】
ここで、遷移領域１８に含まれる単位構造体ＵＳｊの光伝播方向に沿った長さをΛｊとすると、Λｊは、下記（４）式で与えられる。
Λｊ＝Ｌｊ＋Ｓｊ
＝Ｌｍｉｎ×（２−（ｊ／（Ｎ＋１）））＋Ｓｍａｘ×（ｊ／（Ｎ＋１））
＝２Ｌｍｉｎ＋（Ｓｍａｘ−Ｌｍｉｎ）×（ｊ／（Ｎ＋１））・・・（４）
ところで、上述のようにＳｍａｘ＞Ｌｍｉｎである。したがって、遷移領域１８において単位構造体ＵＳｊの長さΛｊは、添字ｊの増加とともに長くなっていく。
【００５６】
（４）式を用いた具体的な数値を挙げると、Λ１＝（１／４）Ｓｍａｘ＋（７／４）Ｌｍｉｎ、Λ２＝（２／４）Ｓｍａｘ＋（６／４）Ｌｍｉｎ、及びΛ３＝（３／４）Ｓｍａｘ＋（５／４）Ｌｍｉｎである。つまりΛｊは、添字ｊの増加とともに、Λｍａｘに向かって漸増する。
【００５７】
なお、（２）式及び（３）式は、Ｓｊ及びＬｊを種々に変更したシミュレーションから、最適の結果（広い波長範囲の光を高反射率で反射できる）を与えるＳｊとＬｊを定式化したものである。
【００５８】
次に、図３及び図４に示したシミュレーション結果を参照して、光反射器１０の動作について説明する。
【００５９】
シミュレーションに当たっては、光反射器１０のモデル（以下、第１光反射器モデルと称する。）と、従来型の光反射器のモデル（以下、従来型モデルと称する。）とを計算に用いた。
【００６０】
図３（Ａ）は、第１光反射器モデルに入力された光の電場強度を模式的に示す図である。図３（Ｂ）は、従来型モデルに入力された光の電場強度を模式的に示す図である。図４（Ａ）は、第１光反射器モデルの反射率の波長依存性を模式的に示す図である。図４（Ｂ）は、従来型モデルの反射率の波長依存性を示す模式的に示す図である。
【００６１】
図３（Ａ）及び（Ｂ）、並びに図４（Ａ）及び（Ｂ）は、ＦＤＴＤ（Ｆｉｎｉｔｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ）法によるシミュレーション結果である。ここで、ＦＤＴＤ法とは、マックスウェルの方程式を時間及び空間で差分化し、解析空間の電磁界をシミュレートする方法である。
【００６２】
まず、シミュレーションの条件について説明する。
【００６３】
第１光反射器モデルは、以下の３点を除いて光反射器１０と同様に設計されている。
（１）光導波路１６及び導波路セグメントＷＳｋの高さを無限大と設定した点。
（２）反射領域２０に含まれる単位構造体ＵＳｍの総数Ｍを１０とした点。
（３）遷移領域１８に含まれる単位構造体ＵＳｊの総数Ｎを１０とした点。
【００６４】
なお、ここで導波路セグメントＷＳｋの高さとは、基板１４の第１主面１４ａと導波路セグメントＷＳｋの上面との間の距離をいう。
【００６５】
一方、従来型モデルは、遷移領域１８が設けられていない点を除き、第１光反射器モデルと同様に設計されている。つまり、従来型モデルでは、反射領域２０が、光導波路１６の光入出力端面１６ａに直接、接続されている。
【００６６】
また、第１光反射器モデル及び従来型モデルの両者ともに、導波路セグメントＷＳｋの屈折率ｎＬを３．４とし、及び溝ＳＰｋの屈折率ｎＳを１．４とした。
【００６７】
次に、シミュレーションの結果について説明する。
【００６８】
図３（Ａ）及び（Ｂ）は、縦軸（以下、Ｚ軸とも称する。）が、光伝播方向に沿った位置座標（μｍ）を示す。横軸（以下、Ｘ軸とも称する。）が、第１主面１４ａ内において光伝播方向に直交する方向の位置座標（μｍ）を示す。
【００６９】
図３（Ａ）及び（Ｂ）で白黒のグラデーション（濃淡）で表された図形は、それぞれ第１光反射器モデル及び従来型モデルに入射した光の光電場の大きさを示している。このグラデーションにおいて、白色は、光電場の大きさが正（＞０）であることを示し、及び黒色は、光電場の大きさが負（＜０）であることを示す。
【００７０】
光電場の大きさが０の周りで周期的に振動することを反映して、図３（Ａ）及び（Ｂ）において、白色部と黒色部とは光伝播方向に沿って交互に並んでいる。なお、シミュレーションに用いた光の波長λは１μｍとした。
【００７１】
また、図３（Ａ）及び（Ｂ）において、Ｚ＝０（μｍ）の点が、光導波路１６と第１光反射器モデル及び従来型モデルとの境界部である。つまり、Ｚ＜０の領域には、光導波路１６が延在している。そして、Ｚ≧０の領域に、第１光反射器モデル及び従来型モデルが延在している。
【００７２】
図３（Ｂ）を参照すると、従来型モデルでは、光導波路１６と従来型モデルとの境界部（Ｚ＝０μｍ付近）で、光電場が、Ｘ方向に大きくはみ出していることがわかる。光電場のＸ方向へのはみ出し長さは、最大で±０．５μｍに達している。このはみ出しが、境界部における等価屈折率差などに由来する光の放射（損失）である。
【００７３】
それに対して、図３（Ａ）に示した第１光反射器モデルでは、このような光電場のはみ出しは見られない。
【００７４】
図３（Ａ）及び（Ｂ）から、光導波路１６と反射領域２０との間に遷移領域１８を設けた第１光反射器モデルでは、従来型モデルに比べて境界部での光の放射による損失が大幅に抑えられていることがわかる。
【００７５】
図４（Ａ）及び（Ｂ）は、縦軸が、第１光反射器モデル及び従来型モデルの反射率（単位：無次元）を示す。横軸が、第１光反射器モデル及び従来型モデルに光導波路１６から入射される光の波長（単位：μｍ）を示す。
【００７６】
なお、図４（Ａ）及び（Ｂ）では、第１光反射器モデル及び従来型モデルにＴＥ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｗａｖｅ）偏光が入射された場合を示している。ここでＴＥ偏光とは、光の電場ベクトルが含まれる振動面が基板１４の第１主面１４ａに垂直な方向である光を示す（図１参照）。
【００７７】
図４（Ａ）を参照すると、第１光反射器モデルでは、約０．７４〜約１．０９μｍの比較的広い波長範囲で、ほぼ一定の反射率（約０．９５）であることがわかる。
【００７８】
それに対して、図４（Ｂ）に示した従来型モデルでは、反射率が一定となる領域はほとんど存在しない。反射率は約１．０９μｍで最大値（約０．９０）となり、光の波長が短くなるにつれて減少する。これは、光の波長が短くなるほど光の放射による損失が大きくなるためである。
【００７９】
図４（Ａ）及び（Ｂ）から、光導波路１６と反射領域２０との間に遷移領域１８を設けた第１光反射器モデルでは、従来型モデルに比べて、広い波長範囲の光をより高い反射率で反射できることがわかる。
【００８０】
次に、光反射器１０の奏する効果について説明する。
【００８１】
上述のように光反射器１０は、遷移領域１８を設けることで、光導波路１６から反射領域２０にかけての等価屈折率をなだらかに変化させている。その結果、光反射器１０は、広い波長範囲の光をより高い反射率で反射できる。
反射領域２０において、Ｌｍｉｎ＝λ／（４ｎＬ）、及びＳｍａｘ＝λ／（４ｎＳ）とすることにより、反射領域２０で反射される光の位相を揃えることができる。その結果、反射領域２０から光導波路１６へ戻る戻り光の強度が増加する。よって、光反射器１０の反射率を向上させることができる。
【００８２】
また、遷移領域１８及び反射領域２０は、光導波路１６と同時に形成される。つまり、光導波路１６を形成するためのエッチングを、溝ＳＰｋの掘り込みに兼用できるので、光反射器１０と光導波路１６とを同時に形成することができる。よって、光反射器１０の製造に当たり工程が増えることがなく、有利な製造方法として採用できる。
【００８３】
次に、光反射器１０の設計条件について説明する。
【００８４】
光反射器１０では、遷移領域１８に含まれる単位構造体ＵＳｊの総数Ｎを３とした。しかし、Ｎは、１以上の整数であれば、光反射器１０の設計に応じて適当な値を選択することができる。光導波路１６から反射領域２０にかけて等価屈折率をなだらかに変化させるためには、Ｎは２以上であることが好ましい。このようにすることにより、より広い波長範囲の光をより高い反射率で反射することができる。ただし、Ｎ＝１の場合であっても、上述した従来型モデルと比べれば、広い波長範囲の光をより高い反射率で反射することができる。
【００８５】
光反射器１０では、反射領域２０に含まれる単位構造体ＵＳｍの総数Ｍを４とした。しかし、Ｍは、１以上の整数であれば、設計に応じて適当な値を選択することができ、特に制限されるものではない。より詳細には、反射領域２０の反射率は上述の（１）式で与えられる。よって、反射率を高めるためにはＭを大きくすることが好ましい。しかし、Ｍを大きくすると、反射領域２０のブラッグ反射条件が厳しくなり、反射率が一定に保たれる光の波長範囲が狭まってしまう。よって、Ｍは、これらの要素を勘案して適当な値とすることが好ましい。
光反射器１０では、単位構造体ＵＳｋを構成する溝ＳＰｋ中には介在するものがない。しかし、溝ＳＰｋの屈折率ｎＳが導波路セグメントＷＳｋよりも小さければ（ｎＳ＜ｎＬ）、溝ＳＰｋに物質を充填することができ、例えば、導波路セグメントＷＳｋの材料としてシリコンを用いる場合には、例えばポリイミドや石英等を溝ＳＰｋに充填することができる。
【００８６】
また、この実施の形態では、基板１４の材料として石英を用い、並びに光導波路１６及び導波路セグメントＷＳｋの材料としてシリコンを用いた。しかし、基板１４、光導波路１６及び導波路セグメントＷＳｋの材料はこれらには限定されない。例えば、光導波路１６を、化合物半導体（例えば、ｉ−ＧａＡｓ等）を材料として形成し、この光導波路１６の上下をｎ型クラッド層及びｐ型クラッド層で挟持するようにしてもよい。
更に、この実施の形態では、光導波路を切断する溝ＳＰｋを低屈折率部とし、光導波路の非切断部分（導波路セグメントＷＳｋ）を高屈折率部とした。しかし、低屈折率部及び高屈折率部は溝ＳＰｋと導波路セグメントＷＳｋとに限定されない。例えば、光導波路を切断することなく、光導波路の端部付近に屈折率変調型回折格子を設けてもよい。
【００８７】
一方、光伝播方向に直交する光導波路１６の断面の一辺の長さは、０．２μｍに限定されない。つまり、光導波路１６の光伝播方向に直交する断面１６ｂの中心点１６ｃを通る直線Ａが、この断面１６ｂの外周と２個の交差点ｃｐ１及びｃｐ２で交差するときに、この２個の交差点ｃｐ１及びｃｐ２間の距離の最小値が伝播する光の波長よりも短ければよい。
【００８８】
なお、光導波路１６はサブミクロン光導波路のチャネル型導波路であったが、本発明はこのような光導波路には限定されない。例えば、光導波路１６としては、断面が円形の光ファイバを用いてもよい。
【００８９】
（実施の形態２）
図５を参照して、実施の形態２の光反射器３０の構造の一例について説明する。
【００９０】
図５は、光反射器３０を含む光学装置３２の主要部の構造を概略的に示す上面図である。なお、図５において、図２と同様の構成要素には同符号を付して、その説明を適宜省略する。
【００９１】
まず、光反射器３０と光反射器１０（図２）との相違点について概説する。光反射器３０は、遷移領域３４を構成する単位構造体ＵＳｊの長さΛｊが、一定値Λｍａｘ（反射領域２０の単位構造体ＵＳｍの長さ）とされている点が光反射器１０と異なっている。
【００９２】
以下、この相違点につき詳細に説明する。
【００９３】
光反射器３０では、遷移領域３４は、３個の単位構造体ＵＳ１，ＵＳ２及びＵＳ３で構成されている。つまり、光反射器３０においてＮは３である。
【００９４】
遷移領域３４を構成する単位構造体ＵＳｊにおける導波路セグメントＷＳｊの長さＬｊは、下記（５）式で決定される。
Ｌｊ＝Ｌｍｉｎ＋Ｓｍａｘ×（１−ｊ／（Ｎ＋１））・・・（５）
（５）式を用いた具体的な数値を挙げると、Ｌ１＝Ｌｍｉｎ＋（３／４）Ｓｍａｘ、Ｌ２＝Ｌｍｉｎ＋（２／４）Ｓｍａｘ、及びＬ３＝Ｌｍｉｎ＋（１／４）Ｓｍａｘである。つまり、Ｌｊは、添字ｊの増加とともに、Ｌｍｉｎに向かって漸減する。
【００９５】
また、遷移領域３４を構成する単位構造体ＵＳｊにおける溝ＳＰｊの長さＳｊは、下記（６）式で決定される。
Ｓｊ＝Ｓｍａｘ×（ｊ／（Ｎ＋１））・・・（６）
（６）式を用いた具体的な数値を挙げると、Ｓ１＝（１／４）Ｓｍａｘ、Ｓ２＝（２／４）Ｓｍａｘ、及びＳ３＝（３／４）Ｓｍａｘである。つまり、Ｓｊは、添字ｊの増加とともに、Ｓｍａｘに向かって漸増する。
【００９６】
また、遷移領域３４を構成する単位構造体ＵＳｊの長さΛｊは、下記（７）式で与えられる。
Λｊ＝Ｌｊ＋Ｓｊ＝Ｌｍｉｎ＋Ｓｍａｘ＝Λｍａｘ・・・（７）
つまり、ΛｊはΛｍａｘで一定である。
【００９７】
次に、図３（Ａ）、図３（Ｂ）及び図６に示したシミュレーション結果を参照して、光反射器３０の動作について説明する。
【００９８】
図６は、光反射器３０のモデル（以下、第２光反射器モデルと称する。）に入力された光の電場強度を模式的に示す図である。なお、図６の縦軸及び横軸は、図３（Ａ）及び（Ｂ）と同様の意味である。
【００９９】
なお、図６のシミュレーションはＦＤＴＤ法で行っている。また、第２光反射器モデルにおいて、導波路セグメントＷＳｋの屈折率ｎＬを３．４とし、及び溝ＳＰｋの屈折率ｎＳを１．４とした。
【０１００】
第２光反射器モデルは、以下の３点を除いて光反射器３０と同様に設計されている。
（１）光導波路１６及び導波路セグメントＷＳｋの高さを無限大と設定した点。
（２）反射領域２０に含まれる単位構造体ＵＳｍの総数Ｍを１０とした点。
（３）遷移領域３４に含まれる単位構造体ＵＳｊの総数Ｎを１０とした点。
【０１０１】
図６によれば、第２光反射器モデルでは、光導波路１６と第２光反射器モデルとの境界部（Ｚ＝０μｍ付近）では、光電場のはみ出しはほとんど見られない。しかし、Ｚ座標が約０．５〜約１μｍの範囲において、わずかに光電場のはみ出しが見られる。
【０１０２】
このことより、第２光反射器モデルの光の損失は、従来型モデル（図３（Ｂ））よりも小さく、かつ、第１光反射器モデル（図３（Ａ））よりも大きいということができる。
【０１０３】
次に、光反射器３０の奏する効果について説明する。
【０１０４】
図６より明らかなように、光反射器３０（第２光反射器モデル）は、光反射器１０（第１光反射器モデル）には劣るものの、実用上十分に広い波長範囲の光を、実用上十分に大きな反射率で反射できる。
【０１０５】
また、光反射器１０の場合と同様に、光反射器３０と光導波路１６とを同時に形成することができる。よって、光反射器３０の製造に当たり反射器の取り付け工程等のような特別な工程を増やすことなく製造することができる。
【０１０６】
光反射器３０は、遷移領域３４を除いては光反射器１０と同様の構造である。したがって、光反射器３０では、光反射器１０の場合と同様に設計条件を選択できる。
【０１０７】
（実施の形態３）
図７及び図８を参照して実施の形態３の光反射器４０の構造の一例について説明する。
【０１０８】
図７は、光反射器４０を含む光学装置４２の構造の主要部を概略的に示す上面図である。なお、図７において、図２と同様の構成要素には同符号を付して、その説明を適宜省略する。
【０１０９】
まず、光反射器４０と光反射器１０（図２）との相違点について概説する。光反射器４０は、遷移領域４４において、導波路セグメントＷＳｊの光伝播方向に直交する方向の幅が、添字ｊとともに徐々に大きくなっている点が光反射器１０と異なっている。
【０１１０】
以下、この相違点につき詳細に説明する。
【０１１１】
光反射器４０では、遷移領域４４は、３個の単位構造体ＵＳ１，ＵＳ２及びＵＳ３で構成されている。つまり、光反射器４０においてＮは３である。
【０１１２】
ここで、光伝播方向に直交し、かつ第１主面１４ａに平行な方向を、幅方向とし、また、光伝播方向及び第１主面１４ａの両者に垂直な方向を高さ方向と呼ぶこととする。
【０１１３】
そして、光導波路１６の幅方向の長さをＤｍｉｎ（以下、単に、「光導波路１６の幅Ｄｍｉｎ」とも称する。）とする。また、遷移領域４４における単位構造体ＵＳｊの幅方向の長さをＤｊ（以下、単に、「遷移領域４４の幅Ｄｊ」とも称する。）とする。更に、反射領域２０における単位構造体ＵＳｍの幅方向の長さをＤｍａｘ（以下、単に、「反射領域２０の幅Ｄｍａｘ」とも称する。）とする。
【０１１４】
このとき遷移領域４４での単位構造体ＵＳｊの幅Ｄｊは、光導波路１６の幅Ｄｍｉｎを用いて、下記（８）式により決定される。
Ｄｊ＝Ｄｍｉｎ＋Ｃ×ｊ・・・（８）
（ここで、ＣはＣ＞１の実数である。）
また、反射領域２０での単位構造体ＵＳｍの幅Ｄｍａｘは、下記（９）式により決定される。
Ｄｍａｘ＝Ｄｍｉｎ＋Ｃ×Ｎ・・・（９）
次に、図８に示したシミュレーション結果を参照して、光反射器４０の動作について説明する。
【０１１５】
シミュレーションに当たっては、光反射器４０のモデル（以下、第３光反射器モデルと称する。）と、上述した第１光反射器モデル（光反射器１０のモデル）とを計算に用いた。
【０１１６】
図８（Ａ）は、第３光反射器モデルの反射率の波長依存性を模式的に示す図である。図８（Ｂ）は、第１光反射器モデルの反射率の波長依存性を示す模式的に示す図である。なお、図８（Ａ）及び（Ｂ）の縦軸及び横軸は、図４（Ａ）及び（Ｂ）と同様の意味である。
【０１１７】
また、図８のシミュレーションはＦＤＴＤ法で行っている。また、第３光反射器モデルにおいて、導波路セグメントＷＳｋの屈折率ｎＬを３．４とし、及び溝ＳＰｋの屈折率ｎＳを１．４とした。
【０１１８】
また、このシミュレーションにおいては、第３光反射器モデル及び第１光反射器モデルに、ＴＭ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｗａｖｅ）偏光が入射された場合を示している。ここでＴＭ偏光とは、光の電場ベクトルが含まれる振動面が基板１４の第１主面１４ａに平行な方向である光を示す（図１参照）。
【０１１９】
第３光反射器モデルは、以下の４点を除いて光反射器４０と同様に設計されている。
（１）光導波路１６及び導波路セグメントＷＳｋの高さを無限大と設定した点。
（２）反射領域２０に含まれる単位構造体ＵＳｍの総数Ｍを１０とした点。
（３）遷移領域４４に含まれる単位構造体ＵＳｊの総数Ｎを１０とした点。
（４）反射領域２０の幅Ｄｍａｘの大きさを２×Ｄｍｉｎとした点。
【０１２０】
図８（Ｂ）を参照すると、第１光反射器モデルでは、反射率が一定となる領域はほとんど存在しない。反射率は、波長が約０．８０μｍで最大値（約０．９５）となり、光の波長が長くなるにつれて単調に減少する。これは、光の波長が長くなると、光導波路１６及び第１光反射器からの光（ＴＭ偏光）はみ出し量が多くなることに由来する。つまり、光導波路１６及び第１光反射器の光の閉じ込め能力が減少し、結果として光の損失が増えるためである。
【０１２１】
それに対して、図８（Ａ）に示した第３光反射器モデルでは、約０．７５〜約０．９２μｍの波長範囲で、反射率が約０．９０で一定であることがわかる。これは、（１）遷移領域４４の幅Ｄｊを添字ｊとともに増加していること、及び、（２）反射領域２０の幅Ｄｍａｘを光導波路１６の幅Ｄｍｉｎの２倍としていることに由来する。その結果、第３光反射器モデルを伝播する光（ＴＭ偏光）の遷移領域４４及び反射領域２０からのはみ出し量を、第１光反射器モデルよりも少なくすることができる。その結果、より広い波長範囲の光をより高い反射率で反射できることがわかる。
【０１２２】
次に、光反射器４０の奏する効果について説明する。
【０１２３】
上述のように光反射器４０は、遷移領域４４の幅Ｄｊ及び反射領域の幅Ｄｍａｘが大きいことを除けば、光反射器１０と同様の構造である。したがって、光反射器４０は光反射器１０と同様の効果を奏する。
【０１２４】
また、光反射器４０は、単位構造体ＵＳｊの幅Ｄｊを遷移領域４４から反射領域２０にかけて大きくしている。これにより、光反射器４０の等価屈折率を大きくすることができる。その結果、光反射器４０に対する入射光の閉じ込める能力が増大する。よって、光反射器４０からの光の放射に由来する光の損失を低減できる。
【０１２５】
次に、光反射器４０の設計条件について説明する。
【０１２６】
光反射器４０は、上述した理由により光反射器１０の場合と同様に設計条件を選択できる。
【０１２７】
また、光反射器４０においては、遷移領域４４及び反射領域２０において、単位構造体ＵＳｋの断面寸法を幅方向に大きくしている。しかし、断面寸法を増加する方向は幅方向には限定されない。つまり、単位構造体ＵＳｋの断面寸法を高さ方向に大きくしてもよい。このようにすることによっても、上述したと同様の効果が得られる。
【０１２８】
また、遷移領域４４及び反射領域２０において、単位構造体ＵＳｋの断面寸法を、添字ｋとともに幅方向及び高さ方向の両方向に大きくしてもよい。このようにすることにより、光反射器４０の等価屈折率を、更に大きくすることができる。その結果、入射光を閉じ込める能力が増大し、光反射器４０からの光の放射に由来する光の損失を低減できる。
【０１２９】
以上、本発明の反射器について種々の例を挙げて説明した、が本発明の反射器は、構成要件を逸脱しない限り、種々の変更は差し支えない。
【０１３０】
また、上記実施の形態においては、本発明の反射器を第１の実施形態にかかる反射きに示される光導波路１６と一体に設置されるように同一基板上に構成した例を示したが、特に制限されるものではなく、例えば、反射器と光導波路とを別体に設け、反射器を光導波路とが同様の効果を奏するように配置できれば、反射器を単体の部品として構成することもできる。
【図面の簡単な説明】
【０１３１】
【図１】実施の形態１の光反射器を含む光学装置の構造を概略的に示す斜視図である。
【図２】実施の形態１の光反射器を含む光学装置の構造を概略的に示す上面図である。
【図３】（Ａ）は、第１光反射器モデルに入力された光の電場強度を模式的に示す図である。（Ｂ）は、従来型モデルに入力された光の電場強度を模式的に示す図である。
【図４】（Ａ）は、第１光反射器モデルの反射率の波長依存性を模式的に示す図である。（Ｂ）は、従来型モデルの反射率の波長依存性を示す模式的に示す図である。
【図５】実施の形態２の光反射器を含む光学装置の構造を概略的に示す上面図である。
【図６】第２光反射器モデルに入力された光の電場強度を模式的に示す図である。
【図７】実施の形態３の光反射器を含む光学装置の構造を概略的に示す上面図である。
【図８】（Ａ）は、第３光反射器モデルの反射率の波長依存性を模式的に示す図である。（Ｂ）は、第１光反射器モデルの反射率の波長依存性を示す模式的に示す図である。
【符号の説明】
【０１３２】
１０ 光反射器
１２ 光学装置
１４ 基板
１４ａ 第１主面
１４ｂ 第２主面
１６ 光導波路
１６ａ 光入出力端面
１６ｂ 断面
１６ｃ 中心点
１８ 遷移領域
２０ 反射領域
３０ 光反射器
３２ 光学装置
３４ 遷移領域
４０ 光反射器
４２ 光学装置
４４ 遷移領域
【技術分野】
【０００１】
この発明は、光反射器、及びこの光反射器を備えた光学装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、よりコンパクトな光回路を作成するために、伝播光の波長未満の断面寸法を有する光導波路サブミクロン光導波路が開発されており、最近では、サブミクロンの断面寸法を有する、所謂サブミクロン光導波路が全体としてもｍｍサイズの非常にコンパクトな光回路を実現する手段として注目されている。このサブミクロン光導波路には、更に反射効率を高めるため、光反射器を設ける必要が生じる場合がある。
【０００３】
従来型の光導波路の場合には、光反射器として、光導波路の光入出力端面に誘電体多層膜ミラーや、光導波路中に作り込んだ回折格子などが用いられている。
【０００４】
しかし、このような反射器は直ちにサブミクロン光導波路には適用できるものではない。なぜなら、例えば、誘電体多層膜ミラーの場合は、サブミクロン光導波路の寸法が波長より極端に短いため、その端面から出射する光の回折角が非常に大きく、広い角度範囲にわたって出射され、その結果、誘電体多層膜ミラーで反射されない光成分が増加し、光の損失が大きくなってしまうからである。
【０００５】
一方、反射器として回折格子を用いる例としては、シリコン細線導波路に等間隔で溝を形成したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】米国特許第５８３８８７０号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１に記載の技術では、等間隔に形成した溝からなる回折格子を用いているために、反射可能な光の波長範囲が非常に狭くなるという問題が生じる。また、光導波路領域（溝が存在しない領域）と、回折格子領域（溝が存在する領域）との境界で等価屈折率が急激に変化するため、光の放射による光の損失が発生し、光の反射率が減少するという問題が生じる。
【０００７】
この発明は、このような問題に鑑みなされたものである。したがって、この発明の課題は、サブミクロン光導波路に好適に設けられる光反射器であって、反射可能な波長範囲が広く、かつ、反射率が高い光反射器、及びこの光反射器を備えた光学装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決するために、この発明の光反射器は、光導波路の中心軸を通り、光伝播方向に垂直に光導波路を貫通する直線の光導波路内における長さの最小値よりも長い波長の光を伝播する光導波路の光入出力端面に光結合されている。
【０００９】
この光反射器は、光伝播方向に沿って互いに区分された、反射領域及び反射領域と光入出力端面との間に介在する遷移領域を備えており、反射領域及び遷移領域は、それぞれ１個以上の単位構造体を含んでいる。
【００１０】
単位構造体は、光導波路から近距離に位置する低屈折率部と、光導波路から遠距離に位置する高屈折率部とが、光伝播方向に沿って互いに接触して配置されている。
【００１１】
ここで、低屈折率部の光伝播方向に沿った長さをＳとし、高屈折率部の光伝播方向に沿った長さをＬとする。このとき、反射領域において、ＳはＳｍａｘで一定であり、及びＬはＬｍｉｎで一定である。
【００１２】
また、遷移領域において、ＳはＳｍａｘ未満の大きさであり、かつ、遷移領域が２個以上の単位構造体を含むときに、Ｓは、光導波路側から反射領域側にかけて増加する。そして、Ｌは、Ｌｍｉｎを超過する大きさであり、かつ、遷移領域が２個以上の単位構造体を含むときに、Ｌは、光導波路側から反射領域側にかけて減少する。
【００１３】
この光反射器によれば、光を反射する反射領域を、低屈折率部と高屈折率部とが交互に配置された回折格子としている。よって、反射領域においては、回折格子の格子間隔に対応した波長の光が反射される。
【００１４】
また、相対的に等価屈折率が大きい光導波路から、相対的に等価屈折率が小さい反射領域までの間を、等価屈折率が徐々に減少する遷移領域で接続している。つまり、光導波路と反射領域との間で等価屈折率はなだらかに変化する。その結果、光導波路と反射領域との間での等価屈折率の急峻な変化が抑制される。よって、従来の光反射器とは異なり、この境界部での光の放射（損失）が抑制される。
【００１５】
この光反射器の第１の好適実施例においては、光の中心波長をλとし、低屈折率部の屈折率をｎＳとし、高屈折率部の屈折率をｎＬとしたとき、反射領域において、Ｓｍａｘをλ／（４ｎＳ）とし、及びＬｍｉｎをλ／（４ｎＬ）とすることが好ましい。
【００１６】
反射領域において、Ｓｍａｘ及びＬｍｉｎをこのような長さとすることにより、低屈折率部と高屈折率部との間の各界面で反射された戻り光の位相が一致する。これにより、戻り光の強度が強められ、光反射器の反射率が増加する。
【００１７】
この光反射器の第２の好適実施例においては、遷移領域に含まれる単位構造体の個数をＮ個（ただし、ＮはＮ≧１の整数）とする。そして、遷移領域に直列に並ぶＮ個の単位構造体を、光入出力端面側から反射領域にかけて順番に第１〜第Ｎ単位構造体とする。
【００１８】
このとき第ｊ単位構造体（ただし、ｊは１≦ｊ≦Ｎの整数）において、ＳをＳｍａｘ×（ｊ／（Ｎ＋１））とし、及び、ＬをＬｍｉｎ×（２−（ｊ／（Ｎ＋１）））とすることが好ましい。
【００１９】
このように構成することにより、光導波路（等価屈折率：大）から反射領域（等価屈折率：小）にかけて延在する遷移領域において、等価屈折率をなだらかに減少させることができる。つまり、第１〜第Ｎ単位構造体にかけて、高屈折率部の長さＬは、Ｌｍｉｎに向かって徐々に減少する。逆に、低屈折率部の長さＳは、第１〜第Ｎ単位構造体にかけて、Ｓｍａｘに向かって徐々に増加する。その結果、光反射器と光導波路との境界部で等価屈折率の急峻な変化が抑制され、境界部における光の放射に由来する光の損失を低減できる。
【００２０】
この光反射器の第３の好適実施例においては、第２の好適実施例と同様に第１〜第Ｎ単位構造体が設けられているときに、第ｊ単位構造体（ただし、ｊは１≦ｊ≦Ｎの整数）において、ＳをＳｍａｘ×（ｊ／（Ｎ＋１））とし、及び、ＬをＬｍｉｎ＋Ｓｍａｘ×（１−ｊ／（Ｎ＋１））とすることが好ましい。
【００２１】
このように構成することによっても、光導波路（等価屈折率：大）から反射領域（等価屈折率：小）にかけて延在する遷移領域において、等価屈折率をなだらかに減少させることができる。その結果、第２の好適実施例には劣るものの、光反射器と光導波路との境界部での急峻な等価屈折率変化を抑制できる。よって、境界部における光の放射に由来する光の損失が低減される。
【００２２】
この光反射器の第４の好適実施例においては、遷移領域を構成する第１〜第Ｎ単位構造体にかけて、単位構造体の光伝播方向に直交する面の寸法を徐々に増大させ、かつ、反射領域を構成する単位構造体の光伝播方向に直交する面の寸法を第Ｎ単位構造体と等しくすることが好ましい。
【００２３】
このように、単位構造体の断面寸法を遷移領域から反射領域にかけて大きくすることにより、光反射器全体としての等価屈折率を大きくすることができる。その結果、光反射器に入射する光を閉じ込める能力が増大する。よって、光反射器からの光の放射に由来する光の損失を低減できる。
【００２４】
この発明の光学装置は、上述の光反射器を備えている。
【発明の効果】
【００２５】
上述のように、この発明では、光導波路と反射領域との間に遷移領域を設けることにより、光導波路から反射領域にかけての等価屈折率をなだらかに変化させている。その結果、サブミクロン光導波路に設けられる光反射器であって、反射可能な波長範囲が広く、かつ、反射率が高い光反射器を得ることができる。また、この光反射器を備えた光学装置を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、図を参照して、この発明の実施の形態について説明する。なお、各図は、各構成要素の形状、大きさ及び配置関係について、この発明が理解できる程度に概略的に示したものにすぎない。また、以下、この発明の好適な構成例について説明するが、各構成要素の材質及び数値的条件などは、単なる好適例にすぎない。したがって、この発明は、以下の実施の形態に何ら限定されない。
【００２７】
（実施の形態１）
図１及び図２を参照して実施の形態１の光反射器１０の構造の一例について説明する。
【００２８】
図１は、光反射器１０を含む光学装置１２の構造の主要部を概略的に示す斜視図である。図２は、光反射器１０を含む光学装置１２の、図１に対応する部分の構造を概略的に示す上面図である。
【００２９】
図１の光反射器１０は、光学装置１２の一部品として構成されている。光学装置１２は、基板１４と、光導波路１６と、光反射器１０とを備えている。
【００３０】
基板１４は、互いに平行に対向する第１主面１４ａ及び第２主面１４ｂを備えた板状体である。基板１４の材料は、好ましくは、例えば石英とする。
【００３１】
光導波路１６は、基板１４の第１主面１４ａ上に配置されている。光導波路１６は、光伝播方向に対して垂直な断面の形状が矩形、例えば正方形のチャネル型導波路である。光導波路１６の光反射器１０側の端面は、光反射器１０に向けて光を出射し、かつ光反射器１０からの戻り光が入射される光入出力端面１６ａになっている。光導波路１６は、大気中に配置されている。なお、大気の屈折率は光導波路よりも小さい。光導波路１６の材料は、好ましくは、例えばシリコンとする。
【００３２】
図１において、光伝播方向（光導波路１６の中心軸を通る光の延長方向）に垂直に切断したと仮定した光導波路１６の断面を１６ｂとし、及びこの断面１６ｂの中心点を１６ｃとする。そして、中心点１６ｃを通過し、光伝播方向に垂直に、この断面１６ｂを横切る（貫通する）直線を考えた場合、この直線と、上記断面１６ｂの外周との交点ｃｐ１，ｃｐ２を通り、この交点ｃｐ１及びｃｐ２間の距離が最小値となるものを直線Ａとする。
【００３３】
図１では、光導波路の断面１６ｂの形状が正方形であるので、交点ｃｐ１及びｃｐ２間の距離は、光導波路１６の光入出力端面１６ａの１辺の長さに等しく、光導波路１６を伝播する実際の光の波長よりも小さい長さとする。換言すれば、光導波路１６は、交点ｃｐ１及びｃｐ２間の距離よりも長い波長の光を伝播する。光導波路１６の断面１６ｂの１辺の長さは０．２μｍである。
【００３４】
光反射器１０は、光導波路１６の光入出力端面１６ａに連続して、光導波路１６の光伝播方向に沿った延長線上に配置されている。
【００３５】
詳しくは後述するが、光反射器１０は、長尺な直方体状に形成された光導波路の端部付近に、一定の規則で複数の溝ＳＰｋ（ただし、ｋは１≦ｋ≦７の整数）を掘り込んで形成される。つまり、光反射器１０では、光導波路の断片（導波路セグメントＷＳｋ（ただし、ｋは１≦ｋ≦７の整数）が、光伝播方向に沿って直線的かつ断続的に並んでいる構成となっている。これらの断片は、光伝播方向に直交する切断面を有する直方体である。
本発明でいう単一構造体とは、上記溝ＳＰｋと断片ＷＳｋとを１つずつ組み合わせたもののことをいい、たとえば、図１の例では、溝ＳＰ１と断片ＷＳ１とを１単位構造体、同様にしてＳＰ７と断片ＷＳ７までの合計７個の単位構造体が例示されている。 光反射器１０は、光導波路１６側から、光伝播方向に沿って順次に配列された遷移領域１８と反射領域２０とに区分されている。
【００３６】
ここで、反射領域２０は、光導波路１６の光伝播方向に沿った延長線上に、第１番目の単位構造体ＵＳ１（光導波路の溝ＳＰ１と断片ＷＳ１）から第３番目の単位構造体ＵＳ３（光導波路の溝ＳＰ３と断片ＷＳ３）を設けた領域とし、遷移領域１８は、第４番目の単位構造体ＵＳ４（光導波路の溝ＳＰ４と断片ＷＳ４）から第７番目の単位構造体ＵＳ７（光導波路の溝ＳＰ７と断片ＷＳ７）を設けた領域となっている。以下、下付数字は光導波路１６から近い順第１、第２・・・第７とする。なお、これら反射領域２０と遷移領域１８の設定は、取り付けられる光導波路からの位置で規定し、光導波路に近い位置を反射領域２０、設定された反射領域２０以外を遷移領域１８と設定し、使用する単位構造体の数、形状によって適宜調整されるが、通常、単位構造体の数を１〜4個とした場合には、単位構造体が存在する領域を等分した領域、5個以上の場合には、全単位構造体が存在する領域の反射領域：遷移領域の割合は、２：３〜４：５、好ましくは、３：４の領域にすることが所望の反射率が得られる点から推奨される。
【００３７】
また、反射領域端面、遷移領域端面とは、光反射器１０の端面であって、反射領域、遷移領域が存する位置を意味し、例えば図１の例であれば、第１の単位構造体ＵＳ１が光導波路１６に接する部分が反射領域端面、遷移領域端面とは、第７の単位構造体ＵＳ１の断片ＷＳ７の外側面のことをいう。
これらの単位構造体ＵＳ１，ＵＳ２，ＵＳ３，ＵＳ４，ＵＳ５，ＵＳ６及びＵＳ７は、隣り合ったもの同士が互いに接触し、直列に配置されている。
【００３８】
導波路セグメントＷＳｋは、「高屈折率部」を構成する。また、溝ＳＰｋは、高屈折率部よりも屈折率が小さい「低屈折率部」を構成する。
【００３９】
個々の導波路セグメントＷＳｋは、光伝播方向に直交する断面形状が光導波路１６と同一形状である。また、導波路セグメントＷＳｋの材料は、光導波路１６と同様にシリコンとする。
【００４０】
ここで、導波路セグメントＷＳｋの屈折率をｎＬとする。ｎＬは、添字ｋの値によらず一定とする。つまり、すべての導波路セグメントＷＳ１〜７において、屈折率はｎＬで等しいものとする。既に説明した通り、導波路セグメントＷＳｋの屈折率ｎＬは、後述する溝ＳＰｋの屈折率ｎＳよりも大きい（ｎＬ＞ｎＳ）。また、導波路セグメントＷＳｋの光伝播方向に沿った長さを、それぞれＬｋとする。このＬｋについては後述する。
【００４１】
個々の溝ＳＰｋは、光導波路１６を、周知のエッチングにより、光伝播方向に直交する方向に掘り込むことで形成されている。ここで、溝ＳＰｋの屈折率をｎＳとする。ｎＳは、添字ｋの値によらず一定である。つまり、すべての溝ＳＰ１〜７において、屈折率はｎＳで等しい。また、溝ＳＰｋの光伝播方向に沿った長さを、それぞれＳｋとする。このＳｋについては後述する。
【００４２】
次に、主に図２を参照して、単位構造体ＵＳｋを構成する導波路セグメントＷＳｋの長さＬｋ、及び溝ＳＰｋの長さＳｋについて説明する。
【００４３】
まず反射領域２０における長さＬｍ及びＳｍについて説明する。
【００４４】
反射領域２０では、Ｌｍを一定値Ｌｍｉｎとし、及びＳｍを一定値Ｓｍａｘとする。つまり、Ｌ４，Ｌ５，Ｌ６及びＬ７は、それぞれ等しくＬｍｉｎとする。また、Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６及びＳ７は、それぞれ等しくＳｍａｘとする。
【００４５】
ここで、光入出力端面１６ａから光反射器１０に入射される光の中心波長をλとする。このとき、Ｌｍｉｎは、λ／（４ｎＬ）とする。また、Ｓｍａｘは、λ／（４ｎＳ）とする。ここで、上述のようにｎＬ＞ｎＳであるので、Ｓｍａｘ＞Ｌｍｉｎである。
【００４６】
反射領域２０における単位構造体ＵＳｍの光伝播方向に沿った長さをΛｍａｘとする。このとき、Λｍａｘは（Ｌｍｉｎ＋Ｓｍａｘ）で与えられる。
【００４７】
Ｌｍｉｎ及びＳｍａｘを上述の長さとすることにより、導波路セグメントＷＳｍと溝ＳＰｍとの間の各界面で反射される光の位相を揃えることができる。その結果、光反射器１０で反射されて光導波路１６に入射する戻り光の強度を強めることができる。
【００４８】
なお、反射領域２０を構成する単位構造体ＵＳｍの総数をＭとしたときに、反射領域２０で反射される光の反射率Ｒは、周知のように下記（１）式で与えられる。
Ｒ＝（ｎＬ２Ｍ＋２−ｎＳ２）２／（ｎＬ２Ｍ＋２＋ｎＳ２）２・・・（１）
（ただし、この実施の形態ではＭ＝４である。）
（１）式は、Ｍの増加、すなわち、反射領域２０を構成する単位構造体ＵＳｍの総数が増えるとともに、反射率Ｒが１に漸近するように増加する。
【００４９】
次に、遷移領域１８における長さＬｊ及びＳｊについて説明する。
【００５０】
遷移領域１８では、Ｌｊ及びＳｊを添字ｊの変化とともに変化させる。つまり、Ｌｊ及びＳｊを、光入出力端面１６ａ側から数えた単位構造体ＵＳｊの席次（順序）とともに変化させる。
【００５１】
より詳細には、単位構造体ＵＳｊを構成する導波路セグメントＷＳｊの長さＬｊを、添字ｊの増加とともに減少させる。つまり、単位構造体ＵＳ１，ＵＳ２及びＵＳ３の順番で、導波路セグメントＷＳｊの長さＬ１，Ｌ２及びＬ３を短くする（Ｌ１＞Ｌ２＞Ｌ３）。ただし、Ｌ１〜Ｌ３は、いずれもＬｍｉｎを超過する値、すなわちＬ１〜３＞Ｌｍｉｎとする。
【００５２】
遷移領域１８を構成する単位構造体ＵＳｊの総数をＮとしたときに、Ｌｊは、下記（２）式により決定される。
Ｌｊ＝Ｌｍｉｎ×（２−（ｊ／（Ｎ＋１）））・・・（２）
（ただし、この実施の形態においてはＮ＝３である。）
（２）式を用いた具体的な数値を挙げると、Ｌ１＝（７／４）Ｌｍｉｎ、Ｌ２＝（６／４）Ｌｍｉｎ、及びＬ３＝（５／４）Ｌｍｉｎである。つまり、Ｌｊは、添字ｊの増加とともに、Ｌｍｉｎに向かって漸減する。
【００５３】
また、単位構造体ＵＳｊを構成する溝ＳＰｊの長さＳｊを、添字ｊの増加とともに増加させる。つまり、単位構造体ＵＳ１，ＵＳ２及びＵＳ３の順番で、溝の長さＳ１，Ｓ２及びＳ３を長くする（Ｓ１＜Ｓ２＜Ｓ３）。ただし、Ｓ１〜Ｓ３は、いずれもＳｍａｘ未満の値、すなわち、Ｓ１〜３＜Ｓｍａｘとする。
【００５４】
具体的には、Ｓｊは、下記（３）式により決定される。
Ｓｊ＝Ｓｍａｘ×（ｊ／（Ｎ＋１））・・・（３）
（ただし、この実施の形態においてはＮ＝３である。）
（３）式を用いた具体的な数値を挙げると、Ｓ１＝（１／４）Ｓｍａｘ、Ｓ２＝（２／４）Ｓｍａｘ、及びＳ３＝（３／４）Ｓｍａｘである。つまりＳｊは、添字ｊの増加とともに、Ｓｍａｘに向かって漸増する。
【００５５】
ここで、遷移領域１８に含まれる単位構造体ＵＳｊの光伝播方向に沿った長さをΛｊとすると、Λｊは、下記（４）式で与えられる。
Λｊ＝Ｌｊ＋Ｓｊ
＝Ｌｍｉｎ×（２−（ｊ／（Ｎ＋１）））＋Ｓｍａｘ×（ｊ／（Ｎ＋１））
＝２Ｌｍｉｎ＋（Ｓｍａｘ−Ｌｍｉｎ）×（ｊ／（Ｎ＋１））・・・（４）
ところで、上述のようにＳｍａｘ＞Ｌｍｉｎである。したがって、遷移領域１８において単位構造体ＵＳｊの長さΛｊは、添字ｊの増加とともに長くなっていく。
【００５６】
（４）式を用いた具体的な数値を挙げると、Λ１＝（１／４）Ｓｍａｘ＋（７／４）Ｌｍｉｎ、Λ２＝（２／４）Ｓｍａｘ＋（６／４）Ｌｍｉｎ、及びΛ３＝（３／４）Ｓｍａｘ＋（５／４）Ｌｍｉｎである。つまりΛｊは、添字ｊの増加とともに、Λｍａｘに向かって漸増する。
【００５７】
なお、（２）式及び（３）式は、Ｓｊ及びＬｊを種々に変更したシミュレーションから、最適の結果（広い波長範囲の光を高反射率で反射できる）を与えるＳｊとＬｊを定式化したものである。
【００５８】
次に、図３及び図４に示したシミュレーション結果を参照して、光反射器１０の動作について説明する。
【００５９】
シミュレーションに当たっては、光反射器１０のモデル（以下、第１光反射器モデルと称する。）と、従来型の光反射器のモデル（以下、従来型モデルと称する。）とを計算に用いた。
【００６０】
図３（Ａ）は、第１光反射器モデルに入力された光の電場強度を模式的に示す図である。図３（Ｂ）は、従来型モデルに入力された光の電場強度を模式的に示す図である。図４（Ａ）は、第１光反射器モデルの反射率の波長依存性を模式的に示す図である。図４（Ｂ）は、従来型モデルの反射率の波長依存性を示す模式的に示す図である。
【００６１】
図３（Ａ）及び（Ｂ）、並びに図４（Ａ）及び（Ｂ）は、ＦＤＴＤ（Ｆｉｎｉｔｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ）法によるシミュレーション結果である。ここで、ＦＤＴＤ法とは、マックスウェルの方程式を時間及び空間で差分化し、解析空間の電磁界をシミュレートする方法である。
【００６２】
まず、シミュレーションの条件について説明する。
【００６３】
第１光反射器モデルは、以下の３点を除いて光反射器１０と同様に設計されている。
（１）光導波路１６及び導波路セグメントＷＳｋの高さを無限大と設定した点。
（２）反射領域２０に含まれる単位構造体ＵＳｍの総数Ｍを１０とした点。
（３）遷移領域１８に含まれる単位構造体ＵＳｊの総数Ｎを１０とした点。
【００６４】
なお、ここで導波路セグメントＷＳｋの高さとは、基板１４の第１主面１４ａと導波路セグメントＷＳｋの上面との間の距離をいう。
【００６５】
一方、従来型モデルは、遷移領域１８が設けられていない点を除き、第１光反射器モデルと同様に設計されている。つまり、従来型モデルでは、反射領域２０が、光導波路１６の光入出力端面１６ａに直接、接続されている。
【００６６】
また、第１光反射器モデル及び従来型モデルの両者ともに、導波路セグメントＷＳｋの屈折率ｎＬを３．４とし、及び溝ＳＰｋの屈折率ｎＳを１．４とした。
【００６７】
次に、シミュレーションの結果について説明する。
【００６８】
図３（Ａ）及び（Ｂ）は、縦軸（以下、Ｚ軸とも称する。）が、光伝播方向に沿った位置座標（μｍ）を示す。横軸（以下、Ｘ軸とも称する。）が、第１主面１４ａ内において光伝播方向に直交する方向の位置座標（μｍ）を示す。
【００６９】
図３（Ａ）及び（Ｂ）で白黒のグラデーション（濃淡）で表された図形は、それぞれ第１光反射器モデル及び従来型モデルに入射した光の光電場の大きさを示している。このグラデーションにおいて、白色は、光電場の大きさが正（＞０）であることを示し、及び黒色は、光電場の大きさが負（＜０）であることを示す。
【００７０】
光電場の大きさが０の周りで周期的に振動することを反映して、図３（Ａ）及び（Ｂ）において、白色部と黒色部とは光伝播方向に沿って交互に並んでいる。なお、シミュレーションに用いた光の波長λは１μｍとした。
【００７１】
また、図３（Ａ）及び（Ｂ）において、Ｚ＝０（μｍ）の点が、光導波路１６と第１光反射器モデル及び従来型モデルとの境界部である。つまり、Ｚ＜０の領域には、光導波路１６が延在している。そして、Ｚ≧０の領域に、第１光反射器モデル及び従来型モデルが延在している。
【００７２】
図３（Ｂ）を参照すると、従来型モデルでは、光導波路１６と従来型モデルとの境界部（Ｚ＝０μｍ付近）で、光電場が、Ｘ方向に大きくはみ出していることがわかる。光電場のＸ方向へのはみ出し長さは、最大で±０．５μｍに達している。このはみ出しが、境界部における等価屈折率差などに由来する光の放射（損失）である。
【００７３】
それに対して、図３（Ａ）に示した第１光反射器モデルでは、このような光電場のはみ出しは見られない。
【００７４】
図３（Ａ）及び（Ｂ）から、光導波路１６と反射領域２０との間に遷移領域１８を設けた第１光反射器モデルでは、従来型モデルに比べて境界部での光の放射による損失が大幅に抑えられていることがわかる。
【００７５】
図４（Ａ）及び（Ｂ）は、縦軸が、第１光反射器モデル及び従来型モデルの反射率（単位：無次元）を示す。横軸が、第１光反射器モデル及び従来型モデルに光導波路１６から入射される光の波長（単位：μｍ）を示す。
【００７６】
なお、図４（Ａ）及び（Ｂ）では、第１光反射器モデル及び従来型モデルにＴＥ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｗａｖｅ）偏光が入射された場合を示している。ここでＴＥ偏光とは、光の電場ベクトルが含まれる振動面が基板１４の第１主面１４ａに垂直な方向である光を示す（図１参照）。
【００７７】
図４（Ａ）を参照すると、第１光反射器モデルでは、約０．７４〜約１．０９μｍの比較的広い波長範囲で、ほぼ一定の反射率（約０．９５）であることがわかる。
【００７８】
それに対して、図４（Ｂ）に示した従来型モデルでは、反射率が一定となる領域はほとんど存在しない。反射率は約１．０９μｍで最大値（約０．９０）となり、光の波長が短くなるにつれて減少する。これは、光の波長が短くなるほど光の放射による損失が大きくなるためである。
【００７９】
図４（Ａ）及び（Ｂ）から、光導波路１６と反射領域２０との間に遷移領域１８を設けた第１光反射器モデルでは、従来型モデルに比べて、広い波長範囲の光をより高い反射率で反射できることがわかる。
【００８０】
次に、光反射器１０の奏する効果について説明する。
【００８１】
上述のように光反射器１０は、遷移領域１８を設けることで、光導波路１６から反射領域２０にかけての等価屈折率をなだらかに変化させている。その結果、光反射器１０は、広い波長範囲の光をより高い反射率で反射できる。
反射領域２０において、Ｌｍｉｎ＝λ／（４ｎＬ）、及びＳｍａｘ＝λ／（４ｎＳ）とすることにより、反射領域２０で反射される光の位相を揃えることができる。その結果、反射領域２０から光導波路１６へ戻る戻り光の強度が増加する。よって、光反射器１０の反射率を向上させることができる。
【００８２】
また、遷移領域１８及び反射領域２０は、光導波路１６と同時に形成される。つまり、光導波路１６を形成するためのエッチングを、溝ＳＰｋの掘り込みに兼用できるので、光反射器１０と光導波路１６とを同時に形成することができる。よって、光反射器１０の製造に当たり工程が増えることがなく、有利な製造方法として採用できる。
【００８３】
次に、光反射器１０の設計条件について説明する。
【００８４】
光反射器１０では、遷移領域１８に含まれる単位構造体ＵＳｊの総数Ｎを３とした。しかし、Ｎは、１以上の整数であれば、光反射器１０の設計に応じて適当な値を選択することができる。光導波路１６から反射領域２０にかけて等価屈折率をなだらかに変化させるためには、Ｎは２以上であることが好ましい。このようにすることにより、より広い波長範囲の光をより高い反射率で反射することができる。ただし、Ｎ＝１の場合であっても、上述した従来型モデルと比べれば、広い波長範囲の光をより高い反射率で反射することができる。
【００８５】
光反射器１０では、反射領域２０に含まれる単位構造体ＵＳｍの総数Ｍを４とした。しかし、Ｍは、１以上の整数であれば、設計に応じて適当な値を選択することができ、特に制限されるものではない。より詳細には、反射領域２０の反射率は上述の（１）式で与えられる。よって、反射率を高めるためにはＭを大きくすることが好ましい。しかし、Ｍを大きくすると、反射領域２０のブラッグ反射条件が厳しくなり、反射率が一定に保たれる光の波長範囲が狭まってしまう。よって、Ｍは、これらの要素を勘案して適当な値とすることが好ましい。
光反射器１０では、単位構造体ＵＳｋを構成する溝ＳＰｋ中には介在するものがない。しかし、溝ＳＰｋの屈折率ｎＳが導波路セグメントＷＳｋよりも小さければ（ｎＳ＜ｎＬ）、溝ＳＰｋに物質を充填することができ、例えば、導波路セグメントＷＳｋの材料としてシリコンを用いる場合には、例えばポリイミドや石英等を溝ＳＰｋに充填することができる。
【００８６】
また、この実施の形態では、基板１４の材料として石英を用い、並びに光導波路１６及び導波路セグメントＷＳｋの材料としてシリコンを用いた。しかし、基板１４、光導波路１６及び導波路セグメントＷＳｋの材料はこれらには限定されない。例えば、光導波路１６を、化合物半導体（例えば、ｉ−ＧａＡｓ等）を材料として形成し、この光導波路１６の上下をｎ型クラッド層及びｐ型クラッド層で挟持するようにしてもよい。
更に、この実施の形態では、光導波路を切断する溝ＳＰｋを低屈折率部とし、光導波路の非切断部分（導波路セグメントＷＳｋ）を高屈折率部とした。しかし、低屈折率部及び高屈折率部は溝ＳＰｋと導波路セグメントＷＳｋとに限定されない。例えば、光導波路を切断することなく、光導波路の端部付近に屈折率変調型回折格子を設けてもよい。
【００８７】
一方、光伝播方向に直交する光導波路１６の断面の一辺の長さは、０．２μｍに限定されない。つまり、光導波路１６の光伝播方向に直交する断面１６ｂの中心点１６ｃを通る直線Ａが、この断面１６ｂの外周と２個の交差点ｃｐ１及びｃｐ２で交差するときに、この２個の交差点ｃｐ１及びｃｐ２間の距離の最小値が伝播する光の波長よりも短ければよい。
【００８８】
なお、光導波路１６はサブミクロン光導波路のチャネル型導波路であったが、本発明はこのような光導波路には限定されない。例えば、光導波路１６としては、断面が円形の光ファイバを用いてもよい。
【００８９】
（実施の形態２）
図５を参照して、実施の形態２の光反射器３０の構造の一例について説明する。
【００９０】
図５は、光反射器３０を含む光学装置３２の主要部の構造を概略的に示す上面図である。なお、図５において、図２と同様の構成要素には同符号を付して、その説明を適宜省略する。
【００９１】
まず、光反射器３０と光反射器１０（図２）との相違点について概説する。光反射器３０は、遷移領域３４を構成する単位構造体ＵＳｊの長さΛｊが、一定値Λｍａｘ（反射領域２０の単位構造体ＵＳｍの長さ）とされている点が光反射器１０と異なっている。
【００９２】
以下、この相違点につき詳細に説明する。
【００９３】
光反射器３０では、遷移領域３４は、３個の単位構造体ＵＳ１，ＵＳ２及びＵＳ３で構成されている。つまり、光反射器３０においてＮは３である。
【００９４】
遷移領域３４を構成する単位構造体ＵＳｊにおける導波路セグメントＷＳｊの長さＬｊは、下記（５）式で決定される。
Ｌｊ＝Ｌｍｉｎ＋Ｓｍａｘ×（１−ｊ／（Ｎ＋１））・・・（５）
（５）式を用いた具体的な数値を挙げると、Ｌ１＝Ｌｍｉｎ＋（３／４）Ｓｍａｘ、Ｌ２＝Ｌｍｉｎ＋（２／４）Ｓｍａｘ、及びＬ３＝Ｌｍｉｎ＋（１／４）Ｓｍａｘである。つまり、Ｌｊは、添字ｊの増加とともに、Ｌｍｉｎに向かって漸減する。
【００９５】
また、遷移領域３４を構成する単位構造体ＵＳｊにおける溝ＳＰｊの長さＳｊは、下記（６）式で決定される。
Ｓｊ＝Ｓｍａｘ×（ｊ／（Ｎ＋１））・・・（６）
（６）式を用いた具体的な数値を挙げると、Ｓ１＝（１／４）Ｓｍａｘ、Ｓ２＝（２／４）Ｓｍａｘ、及びＳ３＝（３／４）Ｓｍａｘである。つまり、Ｓｊは、添字ｊの増加とともに、Ｓｍａｘに向かって漸増する。
【００９６】
また、遷移領域３４を構成する単位構造体ＵＳｊの長さΛｊは、下記（７）式で与えられる。
Λｊ＝Ｌｊ＋Ｓｊ＝Ｌｍｉｎ＋Ｓｍａｘ＝Λｍａｘ・・・（７）
つまり、ΛｊはΛｍａｘで一定である。
【００９７】
次に、図３（Ａ）、図３（Ｂ）及び図６に示したシミュレーション結果を参照して、光反射器３０の動作について説明する。
【００９８】
図６は、光反射器３０のモデル（以下、第２光反射器モデルと称する。）に入力された光の電場強度を模式的に示す図である。なお、図６の縦軸及び横軸は、図３（Ａ）及び（Ｂ）と同様の意味である。
【００９９】
なお、図６のシミュレーションはＦＤＴＤ法で行っている。また、第２光反射器モデルにおいて、導波路セグメントＷＳｋの屈折率ｎＬを３．４とし、及び溝ＳＰｋの屈折率ｎＳを１．４とした。
【０１００】
第２光反射器モデルは、以下の３点を除いて光反射器３０と同様に設計されている。
（１）光導波路１６及び導波路セグメントＷＳｋの高さを無限大と設定した点。
（２）反射領域２０に含まれる単位構造体ＵＳｍの総数Ｍを１０とした点。
（３）遷移領域３４に含まれる単位構造体ＵＳｊの総数Ｎを１０とした点。
【０１０１】
図６によれば、第２光反射器モデルでは、光導波路１６と第２光反射器モデルとの境界部（Ｚ＝０μｍ付近）では、光電場のはみ出しはほとんど見られない。しかし、Ｚ座標が約０．５〜約１μｍの範囲において、わずかに光電場のはみ出しが見られる。
【０１０２】
このことより、第２光反射器モデルの光の損失は、従来型モデル（図３（Ｂ））よりも小さく、かつ、第１光反射器モデル（図３（Ａ））よりも大きいということができる。
【０１０３】
次に、光反射器３０の奏する効果について説明する。
【０１０４】
図６より明らかなように、光反射器３０（第２光反射器モデル）は、光反射器１０（第１光反射器モデル）には劣るものの、実用上十分に広い波長範囲の光を、実用上十分に大きな反射率で反射できる。
【０１０５】
また、光反射器１０の場合と同様に、光反射器３０と光導波路１６とを同時に形成することができる。よって、光反射器３０の製造に当たり反射器の取り付け工程等のような特別な工程を増やすことなく製造することができる。
【０１０６】
光反射器３０は、遷移領域３４を除いては光反射器１０と同様の構造である。したがって、光反射器３０では、光反射器１０の場合と同様に設計条件を選択できる。
【０１０７】
（実施の形態３）
図７及び図８を参照して実施の形態３の光反射器４０の構造の一例について説明する。
【０１０８】
図７は、光反射器４０を含む光学装置４２の構造の主要部を概略的に示す上面図である。なお、図７において、図２と同様の構成要素には同符号を付して、その説明を適宜省略する。
【０１０９】
まず、光反射器４０と光反射器１０（図２）との相違点について概説する。光反射器４０は、遷移領域４４において、導波路セグメントＷＳｊの光伝播方向に直交する方向の幅が、添字ｊとともに徐々に大きくなっている点が光反射器１０と異なっている。
【０１１０】
以下、この相違点につき詳細に説明する。
【０１１１】
光反射器４０では、遷移領域４４は、３個の単位構造体ＵＳ１，ＵＳ２及びＵＳ３で構成されている。つまり、光反射器４０においてＮは３である。
【０１１２】
ここで、光伝播方向に直交し、かつ第１主面１４ａに平行な方向を、幅方向とし、また、光伝播方向及び第１主面１４ａの両者に垂直な方向を高さ方向と呼ぶこととする。
【０１１３】
そして、光導波路１６の幅方向の長さをＤｍｉｎ（以下、単に、「光導波路１６の幅Ｄｍｉｎ」とも称する。）とする。また、遷移領域４４における単位構造体ＵＳｊの幅方向の長さをＤｊ（以下、単に、「遷移領域４４の幅Ｄｊ」とも称する。）とする。更に、反射領域２０における単位構造体ＵＳｍの幅方向の長さをＤｍａｘ（以下、単に、「反射領域２０の幅Ｄｍａｘ」とも称する。）とする。
【０１１４】
このとき遷移領域４４での単位構造体ＵＳｊの幅Ｄｊは、光導波路１６の幅Ｄｍｉｎを用いて、下記（８）式により決定される。
Ｄｊ＝Ｄｍｉｎ＋Ｃ×ｊ・・・（８）
（ここで、ＣはＣ＞１の実数である。）
また、反射領域２０での単位構造体ＵＳｍの幅Ｄｍａｘは、下記（９）式により決定される。
Ｄｍａｘ＝Ｄｍｉｎ＋Ｃ×Ｎ・・・（９）
次に、図８に示したシミュレーション結果を参照して、光反射器４０の動作について説明する。
【０１１５】
シミュレーションに当たっては、光反射器４０のモデル（以下、第３光反射器モデルと称する。）と、上述した第１光反射器モデル（光反射器１０のモデル）とを計算に用いた。
【０１１６】
図８（Ａ）は、第３光反射器モデルの反射率の波長依存性を模式的に示す図である。図８（Ｂ）は、第１光反射器モデルの反射率の波長依存性を示す模式的に示す図である。なお、図８（Ａ）及び（Ｂ）の縦軸及び横軸は、図４（Ａ）及び（Ｂ）と同様の意味である。
【０１１７】
また、図８のシミュレーションはＦＤＴＤ法で行っている。また、第３光反射器モデルにおいて、導波路セグメントＷＳｋの屈折率ｎＬを３．４とし、及び溝ＳＰｋの屈折率ｎＳを１．４とした。
【０１１８】
また、このシミュレーションにおいては、第３光反射器モデル及び第１光反射器モデルに、ＴＭ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｗａｖｅ）偏光が入射された場合を示している。ここでＴＭ偏光とは、光の電場ベクトルが含まれる振動面が基板１４の第１主面１４ａに平行な方向である光を示す（図１参照）。
【０１１９】
第３光反射器モデルは、以下の４点を除いて光反射器４０と同様に設計されている。
（１）光導波路１６及び導波路セグメントＷＳｋの高さを無限大と設定した点。
（２）反射領域２０に含まれる単位構造体ＵＳｍの総数Ｍを１０とした点。
（３）遷移領域４４に含まれる単位構造体ＵＳｊの総数Ｎを１０とした点。
（４）反射領域２０の幅Ｄｍａｘの大きさを２×Ｄｍｉｎとした点。
【０１２０】
図８（Ｂ）を参照すると、第１光反射器モデルでは、反射率が一定となる領域はほとんど存在しない。反射率は、波長が約０．８０μｍで最大値（約０．９５）となり、光の波長が長くなるにつれて単調に減少する。これは、光の波長が長くなると、光導波路１６及び第１光反射器からの光（ＴＭ偏光）はみ出し量が多くなることに由来する。つまり、光導波路１６及び第１光反射器の光の閉じ込め能力が減少し、結果として光の損失が増えるためである。
【０１２１】
それに対して、図８（Ａ）に示した第３光反射器モデルでは、約０．７５〜約０．９２μｍの波長範囲で、反射率が約０．９０で一定であることがわかる。これは、（１）遷移領域４４の幅Ｄｊを添字ｊとともに増加していること、及び、（２）反射領域２０の幅Ｄｍａｘを光導波路１６の幅Ｄｍｉｎの２倍としていることに由来する。その結果、第３光反射器モデルを伝播する光（ＴＭ偏光）の遷移領域４４及び反射領域２０からのはみ出し量を、第１光反射器モデルよりも少なくすることができる。その結果、より広い波長範囲の光をより高い反射率で反射できることがわかる。
【０１２２】
次に、光反射器４０の奏する効果について説明する。
【０１２３】
上述のように光反射器４０は、遷移領域４４の幅Ｄｊ及び反射領域の幅Ｄｍａｘが大きいことを除けば、光反射器１０と同様の構造である。したがって、光反射器４０は光反射器１０と同様の効果を奏する。
【０１２４】
また、光反射器４０は、単位構造体ＵＳｊの幅Ｄｊを遷移領域４４から反射領域２０にかけて大きくしている。これにより、光反射器４０の等価屈折率を大きくすることができる。その結果、光反射器４０に対する入射光の閉じ込める能力が増大する。よって、光反射器４０からの光の放射に由来する光の損失を低減できる。
【０１２５】
次に、光反射器４０の設計条件について説明する。
【０１２６】
光反射器４０は、上述した理由により光反射器１０の場合と同様に設計条件を選択できる。
【０１２７】
また、光反射器４０においては、遷移領域４４及び反射領域２０において、単位構造体ＵＳｋの断面寸法を幅方向に大きくしている。しかし、断面寸法を増加する方向は幅方向には限定されない。つまり、単位構造体ＵＳｋの断面寸法を高さ方向に大きくしてもよい。このようにすることによっても、上述したと同様の効果が得られる。
【０１２８】
また、遷移領域４４及び反射領域２０において、単位構造体ＵＳｋの断面寸法を、添字ｋとともに幅方向及び高さ方向の両方向に大きくしてもよい。このようにすることにより、光反射器４０の等価屈折率を、更に大きくすることができる。その結果、入射光を閉じ込める能力が増大し、光反射器４０からの光の放射に由来する光の損失を低減できる。
【０１２９】
以上、本発明の反射器について種々の例を挙げて説明した、が本発明の反射器は、構成要件を逸脱しない限り、種々の変更は差し支えない。
【０１３０】
また、上記実施の形態においては、本発明の反射器を第１の実施形態にかかる反射きに示される光導波路１６と一体に設置されるように同一基板上に構成した例を示したが、特に制限されるものではなく、例えば、反射器と光導波路とを別体に設け、反射器を光導波路とが同様の効果を奏するように配置できれば、反射器を単体の部品として構成することもできる。
【図面の簡単な説明】
【０１３１】
【図１】実施の形態１の光反射器を含む光学装置の構造を概略的に示す斜視図である。
【図２】実施の形態１の光反射器を含む光学装置の構造を概略的に示す上面図である。
【図３】（Ａ）は、第１光反射器モデルに入力された光の電場強度を模式的に示す図である。（Ｂ）は、従来型モデルに入力された光の電場強度を模式的に示す図である。
【図４】（Ａ）は、第１光反射器モデルの反射率の波長依存性を模式的に示す図である。（Ｂ）は、従来型モデルの反射率の波長依存性を示す模式的に示す図である。
【図５】実施の形態２の光反射器を含む光学装置の構造を概略的に示す上面図である。
【図６】第２光反射器モデルに入力された光の電場強度を模式的に示す図である。
【図７】実施の形態３の光反射器を含む光学装置の構造を概略的に示す上面図である。
【図８】（Ａ）は、第３光反射器モデルの反射率の波長依存性を模式的に示す図である。（Ｂ）は、第１光反射器モデルの反射率の波長依存性を示す模式的に示す図である。
【符号の説明】
【０１３２】
１０ 光反射器
１２ 光学装置
１４ 基板
１４ａ 第１主面
１４ｂ 第２主面
１６ 光導波路
１６ａ 光入出力端面
１６ｂ 断面
１６ｃ 中心点
１８ 遷移領域
２０ 反射領域
３０ 光反射器
３２ 光学装置
３４ 遷移領域
４０ 光反射器
４２ 光学装置
４４ 遷移領域
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一対の溝部と断片を単位構造体として含み、かつこれら単位構造体中に光を伝播させる光反射器において、
前記単位構造体の溝部を低屈折率部とすると共に断片を高屈折率部とし、
前記単位構造体が存する領域を光反射領域と該反射領域と前記光入出力端面との間に介在する遷移領域とすると共に、
前記溝部の長さをＳとし、前記断片の長さをＬとしたとき、
前記反射領域において、前記ＳはＳｍａｘで一定であり、及び前記ＬはＬｍｉｎで一定であり、
前記遷移領域において、前記Ｓは前記Ｓｍａｘ未満の大きさであり、かつ、該遷移領域が２個以上の前記単位構造体を含むときに、該反射領域内の溝部の長さＳは反射領域端面から遷移領域端面にかけて増加し、及び前記断片の長さＬは、前記Ｌｍｉｎを超過する大きさであり、かつ、該反射領域内の断片の長さＬは、前記反射領域端面から遷移領域端面にかけて減少したものであることを特徴とする光反射器。
【請求項２】
前記光の中心波長をλとし、前記低屈折率部の屈折率をｎＳとし、前記高屈折率部の屈折率をｎＬとしたとき、
前記反射領域において、前記Ｓｍａｘをλ／（４ｎＳ）とし、及び前記Ｌｍｉｎをλ／（４ｎＬ）とすることを特徴とする請求項１に記載の光反射器。
【請求項３】
前記遷移領域に含まれる前記単位構造体の個数をＮ個（ただし、ＮはＮ≧１の整数）とし、
該遷移領域に直列に並ぶＮ個の前記単位構造体を、前記光入出力端面側から前記反射領域にかけて順番に第１〜第Ｎ単位構造体としたときに、
第ｊ単位構造体（ただし、ｊは１≦ｊ≦Ｎの整数）において、前記ＳをＳｍａｘ×（ｊ／（Ｎ＋１））とし、及び、前記ＬをＬｍｉｎ×（２−（ｊ／（Ｎ＋１）））とすることを特徴とする請求項１又は２に記載の光反射器。
【請求項４】
前記遷移領域に含まれる前記単位構造体の個数をＮ個（ただし、ＮはＮ≧１の整数）とし、
該遷移領域に直列に並ぶＮ個の前記単位構造体を、前記光入出力端面側から前記反射領域にかけて順番に第１〜第Ｎ単位構造体としたときに、
第ｊ単位構造体（ただし、ｊは１≦ｊ≦Ｎの整数）において、前記ＳをＳｍａｘ×（ｊ／（Ｎ＋１））とし、及び、前記ＬをＬｍｉｎ＋Ｓｍａｘ×（１−ｊ／（Ｎ＋１））とすることを特徴とする請求項１又は２に記載の光反射器。
【請求項５】
前記遷移領域を構成する前記第１〜第Ｎ単位構造体にかけて、該単位構造体の前記光伝播方向に直交する面の寸法を徐々に増大させ、かつ、前記反射領域を構成する前記単位構造体の前記光伝播方向に直交する面の寸法を前記第Ｎ単位構造体と等しくすることを特徴とする請求項３又は４に記載の光反射器。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載の光反射器を備えた光学装置。
【請求項１】
少なくとも一対の溝部と断片を単位構造体として含み、かつこれら単位構造体中に光を伝播させる光反射器において、
前記単位構造体の溝部を低屈折率部とすると共に断片を高屈折率部とし、
前記単位構造体が存する領域を光反射領域と該反射領域と前記光入出力端面との間に介在する遷移領域とすると共に、
前記溝部の長さをＳとし、前記断片の長さをＬとしたとき、
前記反射領域において、前記ＳはＳｍａｘで一定であり、及び前記ＬはＬｍｉｎで一定であり、
前記遷移領域において、前記Ｓは前記Ｓｍａｘ未満の大きさであり、かつ、該遷移領域が２個以上の前記単位構造体を含むときに、該反射領域内の溝部の長さＳは反射領域端面から遷移領域端面にかけて増加し、及び前記断片の長さＬは、前記Ｌｍｉｎを超過する大きさであり、かつ、該反射領域内の断片の長さＬは、前記反射領域端面から遷移領域端面にかけて減少したものであることを特徴とする光反射器。
【請求項２】
前記光の中心波長をλとし、前記低屈折率部の屈折率をｎＳとし、前記高屈折率部の屈折率をｎＬとしたとき、
前記反射領域において、前記Ｓｍａｘをλ／（４ｎＳ）とし、及び前記Ｌｍｉｎをλ／（４ｎＬ）とすることを特徴とする請求項１に記載の光反射器。
【請求項３】
前記遷移領域に含まれる前記単位構造体の個数をＮ個（ただし、ＮはＮ≧１の整数）とし、
該遷移領域に直列に並ぶＮ個の前記単位構造体を、前記光入出力端面側から前記反射領域にかけて順番に第１〜第Ｎ単位構造体としたときに、
第ｊ単位構造体（ただし、ｊは１≦ｊ≦Ｎの整数）において、前記ＳをＳｍａｘ×（ｊ／（Ｎ＋１））とし、及び、前記ＬをＬｍｉｎ×（２−（ｊ／（Ｎ＋１）））とすることを特徴とする請求項１又は２に記載の光反射器。
【請求項４】
前記遷移領域に含まれる前記単位構造体の個数をＮ個（ただし、ＮはＮ≧１の整数）とし、
該遷移領域に直列に並ぶＮ個の前記単位構造体を、前記光入出力端面側から前記反射領域にかけて順番に第１〜第Ｎ単位構造体としたときに、
第ｊ単位構造体（ただし、ｊは１≦ｊ≦Ｎの整数）において、前記ＳをＳｍａｘ×（ｊ／（Ｎ＋１））とし、及び、前記ＬをＬｍｉｎ＋Ｓｍａｘ×（１−ｊ／（Ｎ＋１））とすることを特徴とする請求項１又は２に記載の光反射器。
【請求項５】
前記遷移領域を構成する前記第１〜第Ｎ単位構造体にかけて、該単位構造体の前記光伝播方向に直交する面の寸法を徐々に増大させ、かつ、前記反射領域を構成する前記単位構造体の前記光伝播方向に直交する面の寸法を前記第Ｎ単位構造体と等しくすることを特徴とする請求項３又は４に記載の光反射器。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載の光反射器を備えた光学装置。
【図１】
【図２】
【図４】
【図５】
【図７】
【図８】
【図３】
【図６】
【図２】
【図４】
【図５】
【図７】
【図８】
【図３】
【図６】
【公開番号】特開２００７−２７９４５５（Ｐ２００７−２７９４５５Ａ）
【公開日】平成１９年１０月２５日（２００７．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１０６７４９（Ｐ２００６−１０６７４９）
【出願日】平成１８年４月７日（２００６．４．７）
【出願人】（００００００２９５）沖電気工業株式会社 (6,645)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１０月２５日（２００７．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年４月７日（２００６．４．７）
【出願人】（００００００２９５）沖電気工業株式会社 (6,645)
【Ｆターム（参考）】
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