光学素子、光学素子への光の入射方法、及び、スーパープリズム
【課題】 フォトニック結晶構造を有する光学素子の光透過効率を向上させる。
【解決手段】 光学素子１０は、第１の媒質からなる通常媒質領域１１と、第１の媒質中に円孔１５が二次元的に配列された、第２の屈折率から成る平均屈折率を有するフォトニック結晶領域１２と、通常媒質領域１１からフォトニック結晶領域１２に向かって屈折率が第１の屈折率から第２の屈折率に徐々に変化する中間領域１３とを有する。中間領域１３には、突起付き円孔１６が周期的に形成され、突起付き円孔の突起の角度は、中間領域１３とフォトニック結晶領域１２との境界面１４から２０度傾いている。光は、境界面１４の垂線に関して突起の傾き方向とは逆の方向に、境界面１４の垂線から１０度傾いて入射される。
【解決手段】 光学素子１０は、第１の媒質からなる通常媒質領域１１と、第１の媒質中に円孔１５が二次元的に配列された、第２の屈折率から成る平均屈折率を有するフォトニック結晶領域１２と、通常媒質領域１１からフォトニック結晶領域１２に向かって屈折率が第１の屈折率から第２の屈折率に徐々に変化する中間領域１３とを有する。中間領域１３には、突起付き円孔１６が周期的に形成され、突起付き円孔の突起の角度は、中間領域１３とフォトニック結晶領域１２との境界面１４から２０度傾いている。光は、境界面１４の垂線に関して突起の傾き方向とは逆の方向に、境界面１４の垂線から１０度傾いて入射される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、均一な媒質中に、屈折率が異なる別の媒質を、対象とする光の波長と同じ程度の周期で二次元的に配列したフォトニック結晶を用いた光学素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
次世代の超小型光集積回路を実現するためのキーテクノロジーとして、フォトニック結晶が注目を集めており、多くの研究機関により、理論及び実験の両面から精力的な研究が行われている。フォトニック結晶は、光の波長と同程度の周期で屈折率が変調された構造を有し、周期場中のマックスウェル方程式の解に従って、通常の固体結晶中の電子に対するエネルギーバンドと同様に、光に対するフォトニックバンドが形成される構造体である。
【０００３】
フォトニック結晶では、その特殊な構造の結果として現れる特異な光の分散特性を利用して、光偏向素子や光スイッチなどへの利用が提案されており、例えば非特許文献１には、その特性に関する詳細な記述がある。この文献には、フォトニック結晶を、スーパープリズム効果と呼ばれ、フォトニック結晶に入射する光の波長または角度が僅かに変化しただけで光の伝搬方向を大きく変えることできる光学素子に適用する旨の記載がある。
【０００４】
しかし、フォトニック結晶を利用した光学素子では、実際にフォトニック結晶に光を入射させると、入射光は、通常媒質とフォトニック結晶との境界面で、そのほとんどが反射されてしまい、フォトニック結晶内を透過して所望の方向へ伝搬される光量が非常に少ないという問題があった。この反射損失の問題を解決するために、通常媒質とフォトニック結晶との境界領域に反射防止のための構造を設けた技術が、例えば非特許文献２や特許文献１に記載されている。
【０００５】
例えば特許文献１に記載された導波路は、図６に示すように、第１の屈折率を有する第１媒質からなる通常媒質領域５１と、第１の媒質中に光の入射方向と直交方向に延びる円筒形状を持つ第２の媒質５５を光の波長程度の周期で二次元的に配列し、第１の屈折率とは異なる第２の屈折率を等価屈折率（平均屈折率）として有するフォトニック結晶領域５２と、これら双方の領域５１、５２の境界部分に形成され、光の入射方向と直交方向に延びる筒形状を持ち横断面が半円とその半円から延びる三角形状の突起とから成る第２の媒質５６を第１の媒質中に配列した構造の中間領域５３とを備える。
【０００６】
中間領域５３では、突起の向きが、フォトニック結晶領域５２（又は通常媒質領域５１）と中間領域５３との境界面と垂直になるように媒質５６を配列している。これによって、中間領域５３の屈折率は、通常媒質領域５１からフォトニック結晶領域５２に向かって第１の屈折率から第２の屈折率へと徐々に変化する。中間領域５３は、通常媒質領域５１とフォトニック結晶領域５２の境界領域に垂直に入射する光に対して、通常媒質領域５１とフォトニック結晶領域５２との間で異なるインピーダンス不整合を解消し、これによって反射損失を改善する効果を実現している。
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−７１９８１号公報
【非特許文献１】H.Kosaka等の「Superprism phenomena in photonic crystals」（Physical Review B,Vol.58,No.16,p.R10096,1998年）
【非特許文献２】T.Baba等の「Interfaces of Photonic Crystals for High Efficiency Light Transmisson」（Japanese Journal of Applied Physics,Vol.40,No.10,p.5920,2001年）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１（及び非特許文献２）に記載の方法によって実現できる１つの境界領域あたりの透過率は９６％程度と非常に高いものの、その透過率改善の効果は、光が境界領域に対して垂直に入射する場合に限られていた。一方、スーパープリズム効果では、基本的に光を斜め方向から入射させる必要がある。ここで、特許文献１に記載の構造に、例えば境界領域に引いた垂線に対して１０°の角度で光を入射させた場合には、その透過率は１つの境界領域あたりで約４７％程度に低下してしまう。なお、光の斜め入射では、非特許文献２に記載の手法に従って、図７のように、中間領域５３の突起を、境界領域に立てた垂線から１０度傾けた光の入射方向に向けることも考えられる。しかし、このように、境界領域に引いた垂線に対して１０度の角度で光を入射させ、光の入射方向と突起の向く方向とを同一としても、透過率は１つの境界領域あたり高々２５％程度と低い値しか得られない。この場合に、通常媒質領域からフォトニック結晶領域内に入射し、更に、フォトニック結晶領域から別の通常媒質領域に出射する２回の境界領域の通過を考慮すると、入射光量の内の約９４％が反射により失われてしまう。さらに、この程度の低反射率特性でさえ、実現される帯域が非常に狭いという問題があった。
【０００９】
本発明は、上記に鑑み、第１の屈折率を有する通常媒質領域と、第２の屈折率を平均屈折率として有するフォトニック結晶領域と、通常媒質領域とフォトニック結晶領域との間に配設され、通常媒質領域からフォトトニック結晶領域に向かって屈折率が第１の屈折率から第２の屈折率へと変化する中間領域とを備える光学素子を改良し、もって光の透過効率が改善できる光学素子、該光学素子への光の入射方法、及び、スーパープリズムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明の第１発明の光学素子は、第１の屈折率を有する第１の媒質から成る通常媒質領域と、第２の媒質が前記第１の媒質中に一定の周期で二次元的に配列され、前記第１の屈折率とは異なる平均屈折率を有するフォトニック結晶領域と、前記通常媒質領域と前記フォトニック結晶領域との境界部分に配設される中間領域であって、光の入射方向と直交方向に延びる筒形状を持ち横断面が前記フォトニック結晶領域側の部分で半円形状を有し前記通常媒質領域側の部分で前記半円形状から延びる突起を有する突起付き半円形状を持つ第２の媒質が前記第１の媒質中に周期的に配列される中間領域とを備える光学素子において、
前記突起付き半円形状の突起の向きが、前記中間領域と前記フォトニック結晶領域との間の境界面に垂直な方向から、１０度より大きく３０度以下傾いていることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の第２発明の光学素子は、第１の屈折率を有する第１の媒質から成る通常媒質領域と、第２の媒質が前記第１の媒質中に一定の周期で二次元的に配列され、前記第１の屈折率とは異なる平均屈折率を有するフォトニック結晶領域と、前記通常媒質領域と前記フォトニック結晶領域との境界部分に配設され、光の入射方向と直交方向に延びる筒形状を持ち横断面が半円形状を有する第２の媒質が前記第１の媒質中に周期的に配列される中間領域とを備え、前記半円形状の直線部分の向きが、前記中間領域と前記フォトニック結晶領域との間の境界面に平行な方向から所定角度傾いていることを特徴とする。
【００１２】
本発明者らは、通常媒質領域とフォトニック結晶領域との境界面に設ける反射防止構造について、様々な形状に対して検討を行ない、その結果、例えば図１に示すように、光の入射方向に沿った横断面が、半円と半円から延びる三角形状の突起とから成る筒形状を有する媒質を、突起の向きが境界方向から一定角度傾くように配置し、且つ、その突起の傾き方向と同一方向ではなく、むしろこの突起の傾きとある一定の角度で傾けて光を入射すること、或いは、図２に示すように、半円筒である媒質を境界面に対して一定角度傾けて配置することによって、境界面における光の反射損失を大幅に低減させることができることを見出した。これら構造を用いることにより、広い帯域の光に対して、特に斜め入射の光に対して、１つの境界面あたりでおよそ９０％以上の光を所望の方向へ透過させることが可能になる。
【００１３】
上記光学素子は、例えばＳＯＩ基板のシリコン層中に形成される。この場合には、中間領域は、シリコン層で構成される第１の媒質と、この第１の媒質中に形成される空孔とから構成することが出来る。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の光学素子によると、通常媒質からフォトニック結晶領域への光入射及びその逆方向への光出射の際の反射損失を、特にスーパープリズムにおいて有効な斜め入射光及び出射光に対して、大幅に低減させることが出来る。
【００１５】
本発明の光学素子への光入射方法によると、光の入射方向を、フォトニック結晶領域（又は通常媒質領域）と中間領域との間の境界面と垂直な方向に関して、前記突起の向きとは逆側に傾けることで、特に良好な光透過率が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１は、本発明の第１発明の一実施形態例に係る光学素子の構造と、その光学素子に光を入射する方向及びその進行方向とを模式的に示している。光学素子１０は、例えば一様なシリコン層からなる通常媒質領域１１と、光の入射方向と直交方向に延びる円筒形状の空孔１５が、光の波長程度の周期でシリコン層中に二次元的に配列されたフォトニック結晶領域１２と、通常媒質領域１１とフォトニック結晶領域１２との間に配設される中間領域とを有する。中間領域１２では、光の入射方向と直交方向に延びる筒形状を持ち横断面が半円及び半円から延びる三角形状の突起からなる突起付き半円を有する空孔１６が、通常媒質領域１１とフォトニック結晶領域１２との境界方向に沿って通常媒質中に周期的に配列されている。
【００１７】
フォトニック結晶領域１２は、正方格子状に周期的に配列された空孔１５が４５度回転して得られた空孔配列を有する。中間領域１３の空孔１６は、フォトニック結晶構造の最上段の円孔の半円部分を三角状の突起に変えた構造を有する。中間領域１３の各空孔１６は、横断面における三角形状の突起が、通常媒質領域１１とフォトニック結晶領域１２との境界方向と垂直な方向から約２０度傾けて形成されている。この傾き角は、好ましくは、１０度よりも大きく且つ３０度以下の範囲、より好ましくは、１５度以上２５度以下の範囲から選択される。
【００１８】
入射光は、例えば１５５０ｎｍの波長を有し、境界方向と垂直な方向（例えば、フォトニック結晶１２と中間領域１３との境界面１４に引いた垂線方向）に関して、突起付き半円孔１６の突起が傾いた方向とは逆の方向に、その垂直方向から約１０度傾けて入射される。入射光は、中間領域１３でその方向が変わり、フォトニック結晶領域１２中を、境界面１４の垂線に関して入射光と同じ側で且つ垂線と４５度よりも幾らか大きな角度を成して透過する。中間領域１３は、屈折率が光の進行方向に向かって徐々に変化する低反射構造部として機能する。
【００１９】
図２は、本発明の第二発明の一実施形態例に係る光学素子の構造と、その光学素子に光を入射する方向及びその進行方向とを模式的に示している。この光学素子２０は、例えば一様なシリコンからなる通常媒質領域２１と、光の入射方向と直交方向に延びる円筒形状の空孔２５が光の波長程度の周期で二次元的に配列されたフォトニック結晶領域２２と、半円筒形状の空孔２６が通常媒質領域２１とフォトニック結晶領域２２の境界方向に沿って周期的に配列された中間領域２３とから構成される。空孔２６の横断面で見て半円の直線状の縁部は、つまり、半円筒の側壁平面部分は、境界方向から約１５度傾いた方向に延びている。
【００２０】
本実施形態例のフォトニック結晶領域２２の構造は、先の実施形態例のフォトニック結晶領域１２と同様であるが、通常媒質領域２１とフォトニック結晶領域２２の境界領域である中間領域２３は、先の実施形態例とは４５度異なる方向を向いている。中間領域２３は、第１発明の中間領域と同様に、通常媒質領域２１が持つ第１の屈折率から、フォトニック結晶領域２２が持つ平均屈折率に徐々に変化する低反射構造部として機能する。
【実施例１】
【００２１】
図３は、本発明の第１発明を適用して作製した、本発明の第１の実施例に係る光学素子の構造を平面図で示している。同図には、部分拡大図を併せて示した。本実施例の光学素子３０は、第１発明の光学素子の２つを、双方のフォトニック結晶領域１２が共通の領域によって構成された構造を有する。本実施例の光学素子は、例えばＳＯＩ（Silicon-On-Insulator）基板上に以下のように形成される。
【００２２】
ＳＯＩ基板は、Ｓｉ基板上に厚さ約３μｍ程度のＳｉＯ2、及び、０．３μｍ程度のＳｉが順次に積層された構造を有する。最上層のＳｉ薄膜層に、電子線ビームリ・ソグラフィーとリアクティブイオン・エッチング（ＲＩＥ）とによって、直径（２ｒ）が２７０ｎｍ程度の空孔を周期ａ＝４５０ｎｍ程度で正方格子状に配列した空孔列を４５度回転した形状としたフォトニック結晶領域１２を形成する。また、フォトニック結晶領域１２の双方の終端部を成す中間領域１３、１８には、図３に示すように、フォトニック結晶領域１２の円孔１５と同じ直径を有する円孔の半分を三角形状の突起に置き換えた形状の空孔１６を、フォトニック結晶領域１２と同様の周期で境界方向に沿って形成する。ここで、突起の向く方向が、この中間領域１３とフォトニック結晶構造との境界面に垂直な方向から約２０度傾いた方向としている。双方の中間領域１３、１８の突起１６は、隣接する通常媒質領域１１、１７を向き、従って、互いに逆方向を向いている。
【００２３】
図５に、断面が突起付き半円形状を有する空孔１６の突起部及び半円の寸法関係を定めるパラメータであるアスペクト比の定義を示す。同図において、突起部を成す三角形の頂点から、半円の円弧中心点までの距離をｂとし、円弧の直径を２ｒとして、アスペクト比をｂ／２ｒと定義する。本実施例では、アスペクト比として約３を選定している。このアスペクト比に関しては、２．５から４．０の間で、ほぼ同等の反射防止効果が得られることが実験により確かめられた。
【００２４】
その後、フッ酸系のエッチャントにより、Ｓｉ層の導波路を構成する光透過領域に隣接するＳｉＯ2層の部分をその端面からエッチングし、光透過領域に隣接するＳｉＯ2層の部分を溝状に除去する。次いで、この基板と、溝状に除去したＳｉＯ2層の部分とＳｉ層の光透過領域を挟んで対向する表面部分に空気層を持ち、その他の表面部分にＳｉＯ2層を形成したＳｉ基板とを貼り合わせる。これによって、フォトニック結晶領域を含むＳｉ層を空気クラッド層で挟んだ構造の、所謂エアブリッジ型と呼ばれる導波路構造が得られる。
【００２５】
ここで、上記実施形態例に係る光学素子の作製に用いる材料については、ＳＯＩ基板に限定する必要はなく、ＩｎＧａＡｓＰ系やＧａＡｓ系、ＡｌＧａＩｎＡｓ系、ＧａＩｎＮＡｓ系、ＧａＮ系などの半導体材料が好適に利用できる。これら半導体材料を用いる場合には、屈折率の違いなどを考慮した計算により、円孔の周期や円孔の径、或いは、光の入射角度などについて適切な設計を行なう必要がある。また、光学素子の動作波長帯についても、１５５０ｎｍ帯に限る必要はなく、同様に適切な設計を行なうことにより、例えば可視光波長帯で動作する光学素子も実現できる。
【００２６】
上記のように作製した図３の光学素子のサンプルに光を入射し、その透過光の強度を測定して透過率を評価した。その結果、入射角度をフォトニック結晶と中間領域の境界面に垂直な方向に対して約１０度とした場合に、波長１５００ｎｍ〜１６００ｎｍの広い波長範囲の光に対して、通常媒質領域から入射した光のうちの９０％以上がフォトニック結晶領域側に入射し、且つ、フォトニック結晶領域側に入射した光のうちの９０％以上が、対向する通常媒質側に透過することが確認された。
【００２７】
本実施例の光学素子は、１５５０ｎｍ帯で動作するスーパープリズム、例えば、波長によって伝搬方向を変化させる光分波器として機能する。
【実施例２】
【００２８】
図４は、本発明の第１発明及び第２発明を適用して作製された、本発明の第２実施例に係る光学素子の構造を平面図で示す。同図には、同様に部分拡大図を併せて示した。本実施例の光学素子は、例えば、第１実施例の光学素子と同様にＳｉＯ基板上に形成される。本実施例の光学素子４０は、平面形状が台形構造を有し、光入射側端面４１、及び、この光入射側端面４１と４５度の角度を成す光出射側端面４２のそれぞれに、通常媒質領域１１、２１及び中間領域１３、２３を有する。フォトニック結晶領域１２は、双方の中間領域１３、２３の間に形成される。
【００２９】
光入射側端面４１に隣接する中間領域１３は、フォトニック結晶領域１２の円孔１５を突起付き円孔１６に変えた低反射構造を有する。また、台形の斜辺に相当する、入射側端面４１と４５度の角度を成す光出射側端面４２に隣接する中間領域２では、フォトニック結晶領域１２の円孔１５を半円孔２６に変えた低反射構造を有する。
【００３０】
本実施例の光学素子は、以下のようにして形成される。円孔等の形成方法に関しては、先の第１実施例の光学素子と同様に作製する。光入射側端面４１に隣接する中間領域１３の低反射構造は、突起付き半円孔１６の三角の突起形状を、光入射側端面４１に立てた垂線から２０度傾けて配置しておく。
【００３１】
一方、光出射側端面４２に隣接する中間領域２３の低反射構造は、図４に示すように、半円孔２３の半円の直線部を光出射側端面４２から傾けて配置する。傾ける角度は、円弧の直径に相当する直線部（平面部分）に立てた垂線が、光の入射側端面４１に引いた垂線と６０度の角度を成すようにしている。換言すると、フォトニック結晶領域１２からの光の入射角を、実際にフォトニック結晶素子１２と中間領域２３の境界面に光が入射する入射角よりも、半円形状の直線部に対して考えた入射角の方が小さくなるような方向へ、半円の直線部を約１５度傾けている。この傾斜角は、例えば０度よりも大きく３０度以下の範囲から、より好ましくは、１０度以上で２０度以下の範囲から選択できる。
【００３２】
半円形状の空孔２６を有する中間領域２３は、光出射側端面４２から浅い角度で出射する光に対して、有効な反射防止構造として作用し、１境界領域あたりで８０％近い透過率が確認できた。
【００３３】
上記のように作製した、本発明の第２実施例のフォトニック結晶素子４０のサンプルに、波長が１５５０ｎｍの光、及び、波長が１５８５ｎｍの光を、それぞれ、境界面１４に立てた垂線に関して突起の向きの傾きとは異なる方向に傾けて、入射角１０度で入射した。その結果、出射方向が波長によって、図４のように分離され、本実施例の光学素子がスーパープリズム（光分波器）として有効に機能することが確認された。更に、双方の波長成分について、光学素子の透過率として、７０％以上が実現できた。この入射角は、好ましくは５度から１５度の範囲から選択される。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明の光学素子は、波長によって伝搬方向を変化させるスーパープリズム、例えば光分波器として利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の第１発明の一実施形態例に係る光学素子を光の透過方向と共に示す平面図。
【図２】本発明の第２発明の一実施形態例に係る光学素子を光の透過方向と共に示す平面図。
【図３】本発明の第１の実施例の光学素子を光の透過方向と共に示す平面図。
【図４】本発明の第２の実施例の光学素子を光の透過方向と共に示す平面図。
【図５】突起付き半円のアスペクト比を定義するための平面図。
【図６】従来の光学素子の平面図。
【図７】別の従来の光学素子の平面図。
【符号の説明】
【００３６】
１０：光学素子
１１：通常媒質領域
１２：フォトニック結晶領域
１３：中間領域
１４：境界面
１５：円孔
１６：突起付き半円孔
１７：通常媒質領域
１８：中間領域
１９：境界面
２０：光学素子
２１：通常媒質領域
２２：フォトニック結晶領域
２３：中間領域
２４：境界面
２５：円孔
２６：半円孔
４０：光学素子
４１：光入射側端面
４２：光出射側端面
【技術分野】
【０００１】
本発明は、均一な媒質中に、屈折率が異なる別の媒質を、対象とする光の波長と同じ程度の周期で二次元的に配列したフォトニック結晶を用いた光学素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
次世代の超小型光集積回路を実現するためのキーテクノロジーとして、フォトニック結晶が注目を集めており、多くの研究機関により、理論及び実験の両面から精力的な研究が行われている。フォトニック結晶は、光の波長と同程度の周期で屈折率が変調された構造を有し、周期場中のマックスウェル方程式の解に従って、通常の固体結晶中の電子に対するエネルギーバンドと同様に、光に対するフォトニックバンドが形成される構造体である。
【０００３】
フォトニック結晶では、その特殊な構造の結果として現れる特異な光の分散特性を利用して、光偏向素子や光スイッチなどへの利用が提案されており、例えば非特許文献１には、その特性に関する詳細な記述がある。この文献には、フォトニック結晶を、スーパープリズム効果と呼ばれ、フォトニック結晶に入射する光の波長または角度が僅かに変化しただけで光の伝搬方向を大きく変えることできる光学素子に適用する旨の記載がある。
【０００４】
しかし、フォトニック結晶を利用した光学素子では、実際にフォトニック結晶に光を入射させると、入射光は、通常媒質とフォトニック結晶との境界面で、そのほとんどが反射されてしまい、フォトニック結晶内を透過して所望の方向へ伝搬される光量が非常に少ないという問題があった。この反射損失の問題を解決するために、通常媒質とフォトニック結晶との境界領域に反射防止のための構造を設けた技術が、例えば非特許文献２や特許文献１に記載されている。
【０００５】
例えば特許文献１に記載された導波路は、図６に示すように、第１の屈折率を有する第１媒質からなる通常媒質領域５１と、第１の媒質中に光の入射方向と直交方向に延びる円筒形状を持つ第２の媒質５５を光の波長程度の周期で二次元的に配列し、第１の屈折率とは異なる第２の屈折率を等価屈折率（平均屈折率）として有するフォトニック結晶領域５２と、これら双方の領域５１、５２の境界部分に形成され、光の入射方向と直交方向に延びる筒形状を持ち横断面が半円とその半円から延びる三角形状の突起とから成る第２の媒質５６を第１の媒質中に配列した構造の中間領域５３とを備える。
【０００６】
中間領域５３では、突起の向きが、フォトニック結晶領域５２（又は通常媒質領域５１）と中間領域５３との境界面と垂直になるように媒質５６を配列している。これによって、中間領域５３の屈折率は、通常媒質領域５１からフォトニック結晶領域５２に向かって第１の屈折率から第２の屈折率へと徐々に変化する。中間領域５３は、通常媒質領域５１とフォトニック結晶領域５２の境界領域に垂直に入射する光に対して、通常媒質領域５１とフォトニック結晶領域５２との間で異なるインピーダンス不整合を解消し、これによって反射損失を改善する効果を実現している。
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−７１９８１号公報
【非特許文献１】H.Kosaka等の「Superprism phenomena in photonic crystals」（Physical Review B,Vol.58,No.16,p.R10096,1998年）
【非特許文献２】T.Baba等の「Interfaces of Photonic Crystals for High Efficiency Light Transmisson」（Japanese Journal of Applied Physics,Vol.40,No.10,p.5920,2001年）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１（及び非特許文献２）に記載の方法によって実現できる１つの境界領域あたりの透過率は９６％程度と非常に高いものの、その透過率改善の効果は、光が境界領域に対して垂直に入射する場合に限られていた。一方、スーパープリズム効果では、基本的に光を斜め方向から入射させる必要がある。ここで、特許文献１に記載の構造に、例えば境界領域に引いた垂線に対して１０°の角度で光を入射させた場合には、その透過率は１つの境界領域あたりで約４７％程度に低下してしまう。なお、光の斜め入射では、非特許文献２に記載の手法に従って、図７のように、中間領域５３の突起を、境界領域に立てた垂線から１０度傾けた光の入射方向に向けることも考えられる。しかし、このように、境界領域に引いた垂線に対して１０度の角度で光を入射させ、光の入射方向と突起の向く方向とを同一としても、透過率は１つの境界領域あたり高々２５％程度と低い値しか得られない。この場合に、通常媒質領域からフォトニック結晶領域内に入射し、更に、フォトニック結晶領域から別の通常媒質領域に出射する２回の境界領域の通過を考慮すると、入射光量の内の約９４％が反射により失われてしまう。さらに、この程度の低反射率特性でさえ、実現される帯域が非常に狭いという問題があった。
【０００９】
本発明は、上記に鑑み、第１の屈折率を有する通常媒質領域と、第２の屈折率を平均屈折率として有するフォトニック結晶領域と、通常媒質領域とフォトニック結晶領域との間に配設され、通常媒質領域からフォトトニック結晶領域に向かって屈折率が第１の屈折率から第２の屈折率へと変化する中間領域とを備える光学素子を改良し、もって光の透過効率が改善できる光学素子、該光学素子への光の入射方法、及び、スーパープリズムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明の第１発明の光学素子は、第１の屈折率を有する第１の媒質から成る通常媒質領域と、第２の媒質が前記第１の媒質中に一定の周期で二次元的に配列され、前記第１の屈折率とは異なる平均屈折率を有するフォトニック結晶領域と、前記通常媒質領域と前記フォトニック結晶領域との境界部分に配設される中間領域であって、光の入射方向と直交方向に延びる筒形状を持ち横断面が前記フォトニック結晶領域側の部分で半円形状を有し前記通常媒質領域側の部分で前記半円形状から延びる突起を有する突起付き半円形状を持つ第２の媒質が前記第１の媒質中に周期的に配列される中間領域とを備える光学素子において、
前記突起付き半円形状の突起の向きが、前記中間領域と前記フォトニック結晶領域との間の境界面に垂直な方向から、１０度より大きく３０度以下傾いていることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の第２発明の光学素子は、第１の屈折率を有する第１の媒質から成る通常媒質領域と、第２の媒質が前記第１の媒質中に一定の周期で二次元的に配列され、前記第１の屈折率とは異なる平均屈折率を有するフォトニック結晶領域と、前記通常媒質領域と前記フォトニック結晶領域との境界部分に配設され、光の入射方向と直交方向に延びる筒形状を持ち横断面が半円形状を有する第２の媒質が前記第１の媒質中に周期的に配列される中間領域とを備え、前記半円形状の直線部分の向きが、前記中間領域と前記フォトニック結晶領域との間の境界面に平行な方向から所定角度傾いていることを特徴とする。
【００１２】
本発明者らは、通常媒質領域とフォトニック結晶領域との境界面に設ける反射防止構造について、様々な形状に対して検討を行ない、その結果、例えば図１に示すように、光の入射方向に沿った横断面が、半円と半円から延びる三角形状の突起とから成る筒形状を有する媒質を、突起の向きが境界方向から一定角度傾くように配置し、且つ、その突起の傾き方向と同一方向ではなく、むしろこの突起の傾きとある一定の角度で傾けて光を入射すること、或いは、図２に示すように、半円筒である媒質を境界面に対して一定角度傾けて配置することによって、境界面における光の反射損失を大幅に低減させることができることを見出した。これら構造を用いることにより、広い帯域の光に対して、特に斜め入射の光に対して、１つの境界面あたりでおよそ９０％以上の光を所望の方向へ透過させることが可能になる。
【００１３】
上記光学素子は、例えばＳＯＩ基板のシリコン層中に形成される。この場合には、中間領域は、シリコン層で構成される第１の媒質と、この第１の媒質中に形成される空孔とから構成することが出来る。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の光学素子によると、通常媒質からフォトニック結晶領域への光入射及びその逆方向への光出射の際の反射損失を、特にスーパープリズムにおいて有効な斜め入射光及び出射光に対して、大幅に低減させることが出来る。
【００１５】
本発明の光学素子への光入射方法によると、光の入射方向を、フォトニック結晶領域（又は通常媒質領域）と中間領域との間の境界面と垂直な方向に関して、前記突起の向きとは逆側に傾けることで、特に良好な光透過率が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１は、本発明の第１発明の一実施形態例に係る光学素子の構造と、その光学素子に光を入射する方向及びその進行方向とを模式的に示している。光学素子１０は、例えば一様なシリコン層からなる通常媒質領域１１と、光の入射方向と直交方向に延びる円筒形状の空孔１５が、光の波長程度の周期でシリコン層中に二次元的に配列されたフォトニック結晶領域１２と、通常媒質領域１１とフォトニック結晶領域１２との間に配設される中間領域とを有する。中間領域１２では、光の入射方向と直交方向に延びる筒形状を持ち横断面が半円及び半円から延びる三角形状の突起からなる突起付き半円を有する空孔１６が、通常媒質領域１１とフォトニック結晶領域１２との境界方向に沿って通常媒質中に周期的に配列されている。
【００１７】
フォトニック結晶領域１２は、正方格子状に周期的に配列された空孔１５が４５度回転して得られた空孔配列を有する。中間領域１３の空孔１６は、フォトニック結晶構造の最上段の円孔の半円部分を三角状の突起に変えた構造を有する。中間領域１３の各空孔１６は、横断面における三角形状の突起が、通常媒質領域１１とフォトニック結晶領域１２との境界方向と垂直な方向から約２０度傾けて形成されている。この傾き角は、好ましくは、１０度よりも大きく且つ３０度以下の範囲、より好ましくは、１５度以上２５度以下の範囲から選択される。
【００１８】
入射光は、例えば１５５０ｎｍの波長を有し、境界方向と垂直な方向（例えば、フォトニック結晶１２と中間領域１３との境界面１４に引いた垂線方向）に関して、突起付き半円孔１６の突起が傾いた方向とは逆の方向に、その垂直方向から約１０度傾けて入射される。入射光は、中間領域１３でその方向が変わり、フォトニック結晶領域１２中を、境界面１４の垂線に関して入射光と同じ側で且つ垂線と４５度よりも幾らか大きな角度を成して透過する。中間領域１３は、屈折率が光の進行方向に向かって徐々に変化する低反射構造部として機能する。
【００１９】
図２は、本発明の第二発明の一実施形態例に係る光学素子の構造と、その光学素子に光を入射する方向及びその進行方向とを模式的に示している。この光学素子２０は、例えば一様なシリコンからなる通常媒質領域２１と、光の入射方向と直交方向に延びる円筒形状の空孔２５が光の波長程度の周期で二次元的に配列されたフォトニック結晶領域２２と、半円筒形状の空孔２６が通常媒質領域２１とフォトニック結晶領域２２の境界方向に沿って周期的に配列された中間領域２３とから構成される。空孔２６の横断面で見て半円の直線状の縁部は、つまり、半円筒の側壁平面部分は、境界方向から約１５度傾いた方向に延びている。
【００２０】
本実施形態例のフォトニック結晶領域２２の構造は、先の実施形態例のフォトニック結晶領域１２と同様であるが、通常媒質領域２１とフォトニック結晶領域２２の境界領域である中間領域２３は、先の実施形態例とは４５度異なる方向を向いている。中間領域２３は、第１発明の中間領域と同様に、通常媒質領域２１が持つ第１の屈折率から、フォトニック結晶領域２２が持つ平均屈折率に徐々に変化する低反射構造部として機能する。
【実施例１】
【００２１】
図３は、本発明の第１発明を適用して作製した、本発明の第１の実施例に係る光学素子の構造を平面図で示している。同図には、部分拡大図を併せて示した。本実施例の光学素子３０は、第１発明の光学素子の２つを、双方のフォトニック結晶領域１２が共通の領域によって構成された構造を有する。本実施例の光学素子は、例えばＳＯＩ（Silicon-On-Insulator）基板上に以下のように形成される。
【００２２】
ＳＯＩ基板は、Ｓｉ基板上に厚さ約３μｍ程度のＳｉＯ2、及び、０．３μｍ程度のＳｉが順次に積層された構造を有する。最上層のＳｉ薄膜層に、電子線ビームリ・ソグラフィーとリアクティブイオン・エッチング（ＲＩＥ）とによって、直径（２ｒ）が２７０ｎｍ程度の空孔を周期ａ＝４５０ｎｍ程度で正方格子状に配列した空孔列を４５度回転した形状としたフォトニック結晶領域１２を形成する。また、フォトニック結晶領域１２の双方の終端部を成す中間領域１３、１８には、図３に示すように、フォトニック結晶領域１２の円孔１５と同じ直径を有する円孔の半分を三角形状の突起に置き換えた形状の空孔１６を、フォトニック結晶領域１２と同様の周期で境界方向に沿って形成する。ここで、突起の向く方向が、この中間領域１３とフォトニック結晶構造との境界面に垂直な方向から約２０度傾いた方向としている。双方の中間領域１３、１８の突起１６は、隣接する通常媒質領域１１、１７を向き、従って、互いに逆方向を向いている。
【００２３】
図５に、断面が突起付き半円形状を有する空孔１６の突起部及び半円の寸法関係を定めるパラメータであるアスペクト比の定義を示す。同図において、突起部を成す三角形の頂点から、半円の円弧中心点までの距離をｂとし、円弧の直径を２ｒとして、アスペクト比をｂ／２ｒと定義する。本実施例では、アスペクト比として約３を選定している。このアスペクト比に関しては、２．５から４．０の間で、ほぼ同等の反射防止効果が得られることが実験により確かめられた。
【００２４】
その後、フッ酸系のエッチャントにより、Ｓｉ層の導波路を構成する光透過領域に隣接するＳｉＯ2層の部分をその端面からエッチングし、光透過領域に隣接するＳｉＯ2層の部分を溝状に除去する。次いで、この基板と、溝状に除去したＳｉＯ2層の部分とＳｉ層の光透過領域を挟んで対向する表面部分に空気層を持ち、その他の表面部分にＳｉＯ2層を形成したＳｉ基板とを貼り合わせる。これによって、フォトニック結晶領域を含むＳｉ層を空気クラッド層で挟んだ構造の、所謂エアブリッジ型と呼ばれる導波路構造が得られる。
【００２５】
ここで、上記実施形態例に係る光学素子の作製に用いる材料については、ＳＯＩ基板に限定する必要はなく、ＩｎＧａＡｓＰ系やＧａＡｓ系、ＡｌＧａＩｎＡｓ系、ＧａＩｎＮＡｓ系、ＧａＮ系などの半導体材料が好適に利用できる。これら半導体材料を用いる場合には、屈折率の違いなどを考慮した計算により、円孔の周期や円孔の径、或いは、光の入射角度などについて適切な設計を行なう必要がある。また、光学素子の動作波長帯についても、１５５０ｎｍ帯に限る必要はなく、同様に適切な設計を行なうことにより、例えば可視光波長帯で動作する光学素子も実現できる。
【００２６】
上記のように作製した図３の光学素子のサンプルに光を入射し、その透過光の強度を測定して透過率を評価した。その結果、入射角度をフォトニック結晶と中間領域の境界面に垂直な方向に対して約１０度とした場合に、波長１５００ｎｍ〜１６００ｎｍの広い波長範囲の光に対して、通常媒質領域から入射した光のうちの９０％以上がフォトニック結晶領域側に入射し、且つ、フォトニック結晶領域側に入射した光のうちの９０％以上が、対向する通常媒質側に透過することが確認された。
【００２７】
本実施例の光学素子は、１５５０ｎｍ帯で動作するスーパープリズム、例えば、波長によって伝搬方向を変化させる光分波器として機能する。
【実施例２】
【００２８】
図４は、本発明の第１発明及び第２発明を適用して作製された、本発明の第２実施例に係る光学素子の構造を平面図で示す。同図には、同様に部分拡大図を併せて示した。本実施例の光学素子は、例えば、第１実施例の光学素子と同様にＳｉＯ基板上に形成される。本実施例の光学素子４０は、平面形状が台形構造を有し、光入射側端面４１、及び、この光入射側端面４１と４５度の角度を成す光出射側端面４２のそれぞれに、通常媒質領域１１、２１及び中間領域１３、２３を有する。フォトニック結晶領域１２は、双方の中間領域１３、２３の間に形成される。
【００２９】
光入射側端面４１に隣接する中間領域１３は、フォトニック結晶領域１２の円孔１５を突起付き円孔１６に変えた低反射構造を有する。また、台形の斜辺に相当する、入射側端面４１と４５度の角度を成す光出射側端面４２に隣接する中間領域２では、フォトニック結晶領域１２の円孔１５を半円孔２６に変えた低反射構造を有する。
【００３０】
本実施例の光学素子は、以下のようにして形成される。円孔等の形成方法に関しては、先の第１実施例の光学素子と同様に作製する。光入射側端面４１に隣接する中間領域１３の低反射構造は、突起付き半円孔１６の三角の突起形状を、光入射側端面４１に立てた垂線から２０度傾けて配置しておく。
【００３１】
一方、光出射側端面４２に隣接する中間領域２３の低反射構造は、図４に示すように、半円孔２３の半円の直線部を光出射側端面４２から傾けて配置する。傾ける角度は、円弧の直径に相当する直線部（平面部分）に立てた垂線が、光の入射側端面４１に引いた垂線と６０度の角度を成すようにしている。換言すると、フォトニック結晶領域１２からの光の入射角を、実際にフォトニック結晶素子１２と中間領域２３の境界面に光が入射する入射角よりも、半円形状の直線部に対して考えた入射角の方が小さくなるような方向へ、半円の直線部を約１５度傾けている。この傾斜角は、例えば０度よりも大きく３０度以下の範囲から、より好ましくは、１０度以上で２０度以下の範囲から選択できる。
【００３２】
半円形状の空孔２６を有する中間領域２３は、光出射側端面４２から浅い角度で出射する光に対して、有効な反射防止構造として作用し、１境界領域あたりで８０％近い透過率が確認できた。
【００３３】
上記のように作製した、本発明の第２実施例のフォトニック結晶素子４０のサンプルに、波長が１５５０ｎｍの光、及び、波長が１５８５ｎｍの光を、それぞれ、境界面１４に立てた垂線に関して突起の向きの傾きとは異なる方向に傾けて、入射角１０度で入射した。その結果、出射方向が波長によって、図４のように分離され、本実施例の光学素子がスーパープリズム（光分波器）として有効に機能することが確認された。更に、双方の波長成分について、光学素子の透過率として、７０％以上が実現できた。この入射角は、好ましくは５度から１５度の範囲から選択される。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明の光学素子は、波長によって伝搬方向を変化させるスーパープリズム、例えば光分波器として利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の第１発明の一実施形態例に係る光学素子を光の透過方向と共に示す平面図。
【図２】本発明の第２発明の一実施形態例に係る光学素子を光の透過方向と共に示す平面図。
【図３】本発明の第１の実施例の光学素子を光の透過方向と共に示す平面図。
【図４】本発明の第２の実施例の光学素子を光の透過方向と共に示す平面図。
【図５】突起付き半円のアスペクト比を定義するための平面図。
【図６】従来の光学素子の平面図。
【図７】別の従来の光学素子の平面図。
【符号の説明】
【００３６】
１０：光学素子
１１：通常媒質領域
１２：フォトニック結晶領域
１３：中間領域
１４：境界面
１５：円孔
１６：突起付き半円孔
１７：通常媒質領域
１８：中間領域
１９：境界面
２０：光学素子
２１：通常媒質領域
２２：フォトニック結晶領域
２３：中間領域
２４：境界面
２５：円孔
２６：半円孔
４０：光学素子
４１：光入射側端面
４２：光出射側端面
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の屈折率を有する第１の媒質から成る通常媒質領域と、第２の媒質が前記第１の媒質中に一定の周期で二次元的に配列され、前記第１の屈折率とは異なる平均屈折率を有するフォトニック結晶領域と、前記通常媒質領域と前記フォトニック結晶領域との境界部分に配設される中間領域であって、光の入射方向と直交方向に延びる筒形状を持ち横断面が前記フォトニック結晶領域側の部分で半円形状を有し前記通常媒質領域側の部分で前記半円形状から延びる突起を有する突起付き半円形状を持つ第２の媒質が前記第１の媒質中に周期的に配列される中間領域とを備える光学素子において、
前記突起付き半円形状の突起の向きが、前記中間領域と前記フォトニック結晶領域との間の境界面に垂直な方向から、１０度より大きく３０度以下傾いていることを特徴とする光学素子。
【請求項２】
前記突起の向きと、前記境界面に垂直な方向との成す角度が１５度以上で２５度以下であることを特徴とする、請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
前記突起の頂点と前記半円の円弧との間の最大距離ｂと前記半円の直径２ｒとの比で定められるアスペクト比（ｂ／２ｒ）が２．５以上４．０以下であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の光学素子への光の入射方法。
【請求項４】
前記フォトニック結晶領域は、前記第１の媒質内に、光の入射方向と直交方向に延びる複数の円筒形状の第２の媒質が、二次元の格子状に配列されて形成されることを特徴とする、請求項１〜３の何れか一に記載の光学素子。
【請求項５】
請求項１〜４の何れか一に記載の光学素子に光を入射する方法であって、光の入射方向を、前記境界面に垂直な方向に関して前記突起の向きとは逆方向に、前記境界面に垂直な方向から５度以上で１５度以下の範囲の角度傾けることを特徴とする、光学素子への光の入射方法。
【請求項６】
それぞれが第１の屈折率を有する第１の媒質から成る第１及び第２の通常媒質領域と、
前記第１の通常媒質領域と前記第２の通常媒質領域との間に配設され、第２の媒質が前記第１の媒質中に一定の周期で二次元的に配列され、前記第１の屈折率とは異なる平均屈折率を有するフォトニック結晶領域と、
前記第１の通常媒質領域と前記フォトニック結晶領域との境界部分、及び、前記第２の通常媒質領域と前記フォトニック結晶領域との境界部分にそれぞれ配設される第１及び第２の中間領域であって、光の入射方向と直交方向に延びる筒形状を持ち横断面が前記フォトニック結晶領域側の部分で半円形状を有し前記通常媒質領域側の部分で前記半円形状から延びる突起を有する突起付き半円形状を持つ第２の媒質が前記第１の媒質中に周期的に配列される第１及び第２の中間領域とを備え、
前記突起付き半円形状の突起の向きが、前記中間領域のそれぞれと前記フォトニック結晶領域との間の境界面に垂直な方向から１０度よりも大きく３０度以下傾いていることを特徴とする光学素子。
【請求項７】
前記突起の向きと、前記境界面に垂直な方向との成す角度が２０度であることを特徴とする、請求項６に記載の光学素子。
【請求項８】
前記突起の頂点と前記半円の円弧との間の最大距離ｂと前記半円の直径２ｒとの比で定められるアスペクト比（ｂ／２ｒ）が２．５以上４．０以下であることを特徴とする、請求項６又は７に記載の光学素子。
【請求項９】
第１の屈折率を有する第１の媒質から成る通常媒質領域と、
第２の媒質が前記第１の媒質中に一定の周期で二次元的に配列され、前記第１の屈折率とは異なる平均屈折率を有するフォトニック結晶領域と、
前記通常媒質領域と前記フォトニック結晶領域との境界部分に配設され、光の入射方向と直交方向に延びる筒形状を持ち横断面が半円形状を有する第２の媒質が前記第１の媒質中に周期的に配列される中間領域とを備え、
前記半円形状の直線部分の向きが、前記中間領域と前記フォトニック結晶領域との間の境界面に平行な方向から所定角度傾いていることを特徴とする光学素子。
【請求項１０】
前記所定角度が０度より大きく３０度以下であることを特徴とする、請求項９に記載の光学素子。
【請求項１１】
前記フォトニック結晶領域は、前記第１の媒質内に、光の入射方向と直交方向に延びる円筒形状を持つ第２の媒質が、一定の周期で二次元の格子状に配列されて形成されることを特徴とする、請求項１０又は１１に記載の光学素子。
【請求項１２】
光入射面を有し第１の屈折率を有する第１の媒質から成る第１の通常媒質領域と、
第２の媒質が前記第１の媒質中に一定の周期で二次元的に配列され、前記第１の屈折率とは異なる平均屈折率を有するフォトニック結晶領域と、
前記第１の通常媒質領域と前記フォトニック結晶領域との境界部分に配設される第１の中間領域であって、光の入射方向と直交方向に延びる筒形状を持ち横断面が前記フォトニック結晶領域側の部分で半円形状を有し前記通常媒質領域側の部分で前記半円形状から延びる突起を有する突起付き半円形状を持つ第２の媒質が前記第１の媒質中に周期的に配列される第１の中間領域と、
前記フォトニック結晶領域における第２の媒質の配列方向から４５度の角度を成す光出射面を有し、前記第１の媒質から成る第２の通常媒質領域と、
前記第２の通常媒質領域と前記フォトニック結晶領域との間に配設される第２の中間領域であって、光の出射方向と直交方向に延びる筒形状を持ち横断面が半円形状を有する第２の媒質が前記第１の媒質中に前記光出射面と平行な方向に周期的に配列される第２の中間領域とを備え、
前記突起付き半円形状の突起の向きが、前記中間領域と前記フォトニック結晶領域との間の境界面に垂直な方向から、１０度より大きく３０度以下傾いており、
前記半円形状の直線部分の向きが、前記中間領域と前記フォトニック結晶領域との間の境界面に平行な方向から所定角度傾いていることを特徴とする光学素子。
【請求項１３】
請求項１〜４、６〜１２の何れか一に記載の光学素子を備えるスーパープリズム。
【請求項１】
第１の屈折率を有する第１の媒質から成る通常媒質領域と、第２の媒質が前記第１の媒質中に一定の周期で二次元的に配列され、前記第１の屈折率とは異なる平均屈折率を有するフォトニック結晶領域と、前記通常媒質領域と前記フォトニック結晶領域との境界部分に配設される中間領域であって、光の入射方向と直交方向に延びる筒形状を持ち横断面が前記フォトニック結晶領域側の部分で半円形状を有し前記通常媒質領域側の部分で前記半円形状から延びる突起を有する突起付き半円形状を持つ第２の媒質が前記第１の媒質中に周期的に配列される中間領域とを備える光学素子において、
前記突起付き半円形状の突起の向きが、前記中間領域と前記フォトニック結晶領域との間の境界面に垂直な方向から、１０度より大きく３０度以下傾いていることを特徴とする光学素子。
【請求項２】
前記突起の向きと、前記境界面に垂直な方向との成す角度が１５度以上で２５度以下であることを特徴とする、請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
前記突起の頂点と前記半円の円弧との間の最大距離ｂと前記半円の直径２ｒとの比で定められるアスペクト比（ｂ／２ｒ）が２．５以上４．０以下であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の光学素子への光の入射方法。
【請求項４】
前記フォトニック結晶領域は、前記第１の媒質内に、光の入射方向と直交方向に延びる複数の円筒形状の第２の媒質が、二次元の格子状に配列されて形成されることを特徴とする、請求項１〜３の何れか一に記載の光学素子。
【請求項５】
請求項１〜４の何れか一に記載の光学素子に光を入射する方法であって、光の入射方向を、前記境界面に垂直な方向に関して前記突起の向きとは逆方向に、前記境界面に垂直な方向から５度以上で１５度以下の範囲の角度傾けることを特徴とする、光学素子への光の入射方法。
【請求項６】
それぞれが第１の屈折率を有する第１の媒質から成る第１及び第２の通常媒質領域と、
前記第１の通常媒質領域と前記第２の通常媒質領域との間に配設され、第２の媒質が前記第１の媒質中に一定の周期で二次元的に配列され、前記第１の屈折率とは異なる平均屈折率を有するフォトニック結晶領域と、
前記第１の通常媒質領域と前記フォトニック結晶領域との境界部分、及び、前記第２の通常媒質領域と前記フォトニック結晶領域との境界部分にそれぞれ配設される第１及び第２の中間領域であって、光の入射方向と直交方向に延びる筒形状を持ち横断面が前記フォトニック結晶領域側の部分で半円形状を有し前記通常媒質領域側の部分で前記半円形状から延びる突起を有する突起付き半円形状を持つ第２の媒質が前記第１の媒質中に周期的に配列される第１及び第２の中間領域とを備え、
前記突起付き半円形状の突起の向きが、前記中間領域のそれぞれと前記フォトニック結晶領域との間の境界面に垂直な方向から１０度よりも大きく３０度以下傾いていることを特徴とする光学素子。
【請求項７】
前記突起の向きと、前記境界面に垂直な方向との成す角度が２０度であることを特徴とする、請求項６に記載の光学素子。
【請求項８】
前記突起の頂点と前記半円の円弧との間の最大距離ｂと前記半円の直径２ｒとの比で定められるアスペクト比（ｂ／２ｒ）が２．５以上４．０以下であることを特徴とする、請求項６又は７に記載の光学素子。
【請求項９】
第１の屈折率を有する第１の媒質から成る通常媒質領域と、
第２の媒質が前記第１の媒質中に一定の周期で二次元的に配列され、前記第１の屈折率とは異なる平均屈折率を有するフォトニック結晶領域と、
前記通常媒質領域と前記フォトニック結晶領域との境界部分に配設され、光の入射方向と直交方向に延びる筒形状を持ち横断面が半円形状を有する第２の媒質が前記第１の媒質中に周期的に配列される中間領域とを備え、
前記半円形状の直線部分の向きが、前記中間領域と前記フォトニック結晶領域との間の境界面に平行な方向から所定角度傾いていることを特徴とする光学素子。
【請求項１０】
前記所定角度が０度より大きく３０度以下であることを特徴とする、請求項９に記載の光学素子。
【請求項１１】
前記フォトニック結晶領域は、前記第１の媒質内に、光の入射方向と直交方向に延びる円筒形状を持つ第２の媒質が、一定の周期で二次元の格子状に配列されて形成されることを特徴とする、請求項１０又は１１に記載の光学素子。
【請求項１２】
光入射面を有し第１の屈折率を有する第１の媒質から成る第１の通常媒質領域と、
第２の媒質が前記第１の媒質中に一定の周期で二次元的に配列され、前記第１の屈折率とは異なる平均屈折率を有するフォトニック結晶領域と、
前記第１の通常媒質領域と前記フォトニック結晶領域との境界部分に配設される第１の中間領域であって、光の入射方向と直交方向に延びる筒形状を持ち横断面が前記フォトニック結晶領域側の部分で半円形状を有し前記通常媒質領域側の部分で前記半円形状から延びる突起を有する突起付き半円形状を持つ第２の媒質が前記第１の媒質中に周期的に配列される第１の中間領域と、
前記フォトニック結晶領域における第２の媒質の配列方向から４５度の角度を成す光出射面を有し、前記第１の媒質から成る第２の通常媒質領域と、
前記第２の通常媒質領域と前記フォトニック結晶領域との間に配設される第２の中間領域であって、光の出射方向と直交方向に延びる筒形状を持ち横断面が半円形状を有する第２の媒質が前記第１の媒質中に前記光出射面と平行な方向に周期的に配列される第２の中間領域とを備え、
前記突起付き半円形状の突起の向きが、前記中間領域と前記フォトニック結晶領域との間の境界面に垂直な方向から、１０度より大きく３０度以下傾いており、
前記半円形状の直線部分の向きが、前記中間領域と前記フォトニック結晶領域との間の境界面に平行な方向から所定角度傾いていることを特徴とする光学素子。
【請求項１３】
請求項１〜４、６〜１２の何れか一に記載の光学素子を備えるスーパープリズム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００６−４７４４２（Ｐ２００６−４７４４２Ａ）
【公開日】平成１８年２月１６日（２００６．２．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２２５１１１（Ｐ２００４−２２５１１１）
【出願日】平成１６年８月２日（２００４．８．２）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 平成１６年２月３日 社団法人電子情報通信学会東京支部主催の「フォトニック結晶〜基礎から製品まで〜」において文書をもって発表
【出願人】（５０４１８２２５５）国立大学法人横浜国立大学 (429)
【出願人】（０００００５２９０）古河電気工業株式会社 (4,457)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年２月１６日（２００６．２．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年８月２日（２００４．８．２）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 平成１６年２月３日 社団法人電子情報通信学会東京支部主催の「フォトニック結晶〜基礎から製品まで〜」において文書をもって発表
【出願人】（５０４１８２２５５）国立大学法人横浜国立大学 (429)
【出願人】（０００００５２９０）古河電気工業株式会社 (4,457)
【Ｆターム（参考）】
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