專利名稱：光學(xué)器件、及光子晶體厚片的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用了使用于例如濾波器、棱鏡、波導(dǎo)、及光平面回路等的光子晶體厚片(optical crystal slab)的光學(xué)器件(optical device)、及光子晶體厚片的制造方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的光子晶體厚片包括二維光子晶體，其在折射率一定的厚片(折射率＝ν2)中二維周期性排列有多個柱狀部分(折射率＝ν1)；下部包層(clad)及上部包層(折射率＝ν3)，其沿膜厚方向夾入二維光子晶體且具有比ν1、ν2低的折射率；及基板。
(1)在光子晶體厚片中傳播的光在與折射率比二維光子晶體的任何部分都低的上下包層的分界通過全反射而在上下方向上被封閉(例如，參照特開2001-337236(例如，第1圖))。
(2)又，在二維及三維光子晶體中，有使周期長或周期性的方向關(guān)于晶體中的位置徐徐地或臺階狀地變化的光子晶體(例如，參照特開2001-91701(例如，第9圖))。另外，圖9是在Z方向上交替地重疊配置高折射率材料10(SiO2)和低折射率材料11(SiO2)的結(jié)構(gòu)，由圖10表示圖9的構(gòu)造的波導(dǎo)作用的原理。
另外，特開2001-337236、特開2001-91701的文獻(xiàn)的所有公開，通過完全原封不動地引用，在此一體化。
(1)但是，在前者中，需要選擇在二維周期性配置的柱狀部分(折射率＝ν1)、柱狀部分以外(折射率＝ν2)及包層部分(折射率＝ν3)之間滿足ν1≠ν2、ν1＞ν3、ν2＞ν3的關(guān)系的材料。而且，為了降低膜厚方向的光的漏泄，ν1和ν3的折射率差及ν2和ν3的折射率差較大為好。又，為了構(gòu)成光子晶體，也需要ν1和ν2的折射率差盡可能大。
因此，材料的組合受到限制。
例如，在選擇了折射率最低的空氣(折射率＝1)作為包層的情況下，光子晶體部分組合高折射材料(例如，折射率＝3以上的半導(dǎo)體材料)和低折射率材料(例如，樹脂·玻璃·空氣等)。以此，可以確保作為光子晶體的最低限的折射率差(若使低折射率材料為空氣，則能夠得到光子帶隙，不過嚴(yán)格地說，不滿足ν1＞ν3)。
但是，使包層為空氣的氣橋(air bridge)構(gòu)造需要使光子晶體浮在空中，從而有時操作困難。
又，在設(shè)包層為作為固體的最低折射率材料的氟化物(折射率＝約1.3)的情況下，若作為光子晶體部分的低折射率材料而使用接近高折射率材料的折射率的半導(dǎo)體材料，則作為光子晶體的功能被限定，另一方面，若作為光子晶體部分的低折射率材料而使用樹脂或玻璃等折射率為2以下的材料，則包層等的折射率差變小，膜厚方向的光的封閉變?nèi)?特別是，在膜厚為5μm以下的二維光子晶體的情況下，因為衍射較大，所以大部分光漏泄)。
(2)又，在后者中，利用長周期光子晶體部分的芯(core)和包圍芯的短周期光子晶體的包層，通過周期控制在周圍方向上增大相位速度，以此將光封閉于相位速度相對低的芯。
該方法因為可以通過控制周期而自由地控制y方向的光的傳播模場(mode field)的狀態(tài)，所以在設(shè)備設(shè)計上優(yōu)點非常大。又，因為芯或包層由固體構(gòu)成，所以操作良好，較為實用。
但是，調(diào)制周期的該方法在制造工序上需要高度的管理，而且制造裝置特殊。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明考慮了上述現(xiàn)有這樣的問題，其目的在于提供一種例如可以由更簡單的光學(xué)系統(tǒng)對于不具有光子晶體的周期的方向封閉光的光學(xué)器件、及光學(xué)器件的制造方法。
本發(fā)明第一技術(shù)方案提供一種光學(xué)器件，其具備光子晶體，所述光子晶體包括
第一部件，其在與入射的光的光軸的方向垂直的第一方向上，具有隨著從所述光軸遠(yuǎn)離而減少的折射率的分布；及第二部件，其在所述第一部件中，在與所述第一方向不同的第二方向上，實質(zhì)性地周期性配置。
本發(fā)明第二技術(shù)方案的光學(xué)器件，在本發(fā)明第一技術(shù)方案中，隨著從所述光軸遠(yuǎn)離而減少的所述折射率的分布，是朝向所述第二部件的所述周期性配置的方向以外的方向減少的折射率的分布。
本發(fā)明第三技術(shù)方案的光學(xué)器件，在本發(fā)明第二技術(shù)方案中，(a)所述第一部件具有的在所述第一方向上的折射率的分布、(b)所述光子晶體具有的在所述第一方向的厚度、(c)所述入射的光的波長、及(d)所述入射的光的、所述光入射的所述光子晶體的光入射端部的內(nèi)側(cè)的、所述第一方向上的光束光斑半徑被設(shè)定為使所述入射的光在所述第一方向上實質(zhì)上封閉于所述光子晶體的內(nèi)部。
本發(fā)明第四技術(shù)方案的光學(xué)器件，在本發(fā)明第三技術(shù)方案中，所述光子晶體具有膜形狀，所述第一方向是所述膜形狀的膜厚的方向，所述第二方向是與所述膜形狀的膜面平行的方向。
本發(fā)明第五技術(shù)方案的光學(xué)器件，在本發(fā)明第四技術(shù)方案中，所述第一部件具有的在所述膜厚的方向上的折射率的分布具有比規(guī)定的分布函數(shù)大的陡峭性，所述規(guī)定的分布函數(shù)基于所述光子晶體具有的在所述膜厚方向上的厚度W；所述入射的光的波長λ；及所述入射的光的、所述光入射端部的內(nèi)側(cè)的、所述膜厚方向上的光束光斑半徑ω1而決定。
本發(fā)明第六技術(shù)方案的光學(xué)器件，在本發(fā)明第五技術(shù)方案中，所述規(guī)定的分布函數(shù)由具有針對坐標(biāo)y的、折射率分布常數(shù)g及所述折射率的最大值n1的二次函數(shù)[公式1]n(y)=n1(1-g2y22)]]>
實質(zhì)地求出，所述坐標(biāo)y是以所述光軸為基準(zhǔn)的所述膜厚的方向。
本發(fā)明第七技術(shù)方案的光學(xué)器件，在本發(fā)明第五技術(shù)方案中，所述規(guī)定的分布函數(shù)由具有針對坐標(biāo)y的、折射率分布常數(shù)g、平坦部分常數(shù)a及所述折射率的最大值n1的函數(shù)[公式2]n′(y)=n1{1-g2(y+a)22}(y≤-a)n1(-a≤y≤a)n1{1-g2(y-a)22}(a≤y)]]>實質(zhì)地求出，所述坐標(biāo)y是以所述光軸為基準(zhǔn)的所述膜厚的方向。
本發(fā)明第八技術(shù)方案的光學(xué)器件，在本發(fā)明第六或第七技術(shù)反感中，所述折射率分布常數(shù)g實質(zhì)地滿足[公式3]g≥2λπω1W.]]>本發(fā)明第九技術(shù)方案的光學(xué)器件，在本發(fā)明第五技術(shù)方案中，所述入射的光的波陣面的所述光入射端部的曲率半徑實質(zhì)上無限大。
本發(fā)明第十技術(shù)方案的光學(xué)器件，在本發(fā)明第九技術(shù)方案中，所述光束光斑半徑ω1實質(zhì)上是所述厚度W的一半。
本發(fā)明第十一技術(shù)方案的光學(xué)器件，在本發(fā)明第九技術(shù)方案中，所述膜厚在規(guī)定的部位變化。
本發(fā)明第十二技術(shù)方案的光學(xué)器件，在本發(fā)明第十一技術(shù)方案中，所述第一部件具有的所述膜厚方向上的折射率的分布、所述光子晶體具有的所述膜厚的方向上的厚度W、所述入射的光的波長λ、及所述入射的光的、所述光入射端部的內(nèi)側(cè)的、所述膜厚的方向上的光束光斑半徑ω1被設(shè)定為所述入射的光在所述規(guī)定的部位在所述膜厚的方向漏泄到所述光子晶體的外部。
本發(fā)明第十三技術(shù)方案的光學(xué)器件，在本發(fā)明第九技術(shù)方案中，所述第二部件的實質(zhì)周期性配置在規(guī)定的部位變化。
本發(fā)明第十四技術(shù)方案的光學(xué)器件，在本發(fā)明第十三技術(shù)方案中，所述規(guī)定的部位是所述入射的光的、所述光子晶體的內(nèi)側(cè)的、在所述膜厚的方向上的光束光斑半徑取極大值或極小值的部位。
本發(fā)明第十五技術(shù)方案的光學(xué)器件，在本發(fā)明第十三技術(shù)方案中，所述規(guī)定的部位是從所述光入射端部至所述光出射的所述光子晶體的光出射端部連續(xù)的、實質(zhì)上未配置所述第二部件的部位。
本發(fā)明第十六技術(shù)方案的光學(xué)器件，在本發(fā)明第九技術(shù)方案中，所述第二部件是利用在所述膜厚的方向上延伸的空孔而配置的空氣。
本發(fā)明第十七技術(shù)方案的光學(xué)器件，在本發(fā)明第十六技術(shù)方案中，還具備保持所述光子晶體的基板，所述空孔在所述基板的側(cè)延伸。
本發(fā)明第十八技術(shù)方案的光學(xué)器件，在本發(fā)明第三技術(shù)方案中，還具備用于將所述入射的光導(dǎo)引到所述光入射端部的導(dǎo)引部。
本發(fā)明第十九技術(shù)方案的光學(xué)器件，在八本發(fā)明第十技術(shù)方案中，所述導(dǎo)引部將所述入射的光變換為其波陣面的所述光入射端部的曲率半徑實質(zhì)上無限大。
本發(fā)明第二十技術(shù)方案的光學(xué)器件，在本發(fā)明第十八技術(shù)方案中，所述導(dǎo)引部將所述入射的光變換為在所述光入射端部形成光束損耗。
本發(fā)明第二十一技術(shù)方案的光學(xué)器件，在本發(fā)明第十八技術(shù)方案中，所述導(dǎo)引部將所述入射的光變換為其所述光入射端部的內(nèi)側(cè)的關(guān)于所述第一方向的光束光斑半徑實質(zhì)上成為關(guān)于所述光子晶體具有的所述第一方向的厚度的一半。
本發(fā)明第二十二技術(shù)方案的光學(xué)器件，在本發(fā)明第三技術(shù)方案中，所述第一部件是通過硅氧烷構(gòu)造對應(yīng)于所述折射率的分布而分布于以聚硅烷為主成分的基材而得到的部件。
本發(fā)明第二十三技術(shù)方案提供一種光子晶體厚片的制造方法，其用于制造光子晶體厚片，所述光子晶體厚片具有第一部件，其在與入射的光的光軸的方向垂直的第一方向，具有折射率的分布；及第二部件，其在與所述第一方向不同的第二方向，實質(zhì)性地周期性配置于所述第一部件中，該方法包括
第一工序，其供給以聚硅烷為主成分且具有規(guī)定的厚度的基材；第二工序，其對所述被供給的基板引起所述聚硅烷的氧化反應(yīng)，并且以所述厚度方向為基準(zhǔn)來控制所述氧化反應(yīng)的進(jìn)行的程度，以此形成隨著從所述光軸遠(yuǎn)離而減少的折射率的分布，及第三工序，其在所述第二工序之前的工序或之后的工序中形成所述第二部件。
本發(fā)明第二十四技術(shù)方案的光子晶體厚片的制造方法，在本發(fā)明第二十三技術(shù)方案中，隨著從所述光軸遠(yuǎn)離而減少的折射率的分布是指，朝向所述第二部件的所述周期性配置的方向以外的方向減少的折射率分布。
本發(fā)明第二十五技術(shù)方案的光子晶體厚片的制造方法，在本發(fā)明第二十四技術(shù)方案中，所述第一方向是所述基材的厚度方向，所述第二方向是與所述基材的表面平行的方向。
本發(fā)明第二十六技術(shù)方案的光子晶體厚片的制造方法，在本發(fā)明第二十五技術(shù)方案中，在所述第二工序中，對所述基材，通過從其兩面?zhèn)日丈渥贤饩€來產(chǎn)生所述折射率的分布，并控制所述紫外線的照射量，使得所述折射率的分布的方式滿足預(yù)先確定的基準(zhǔn)。
本發(fā)明第二十七技術(shù)方案的光子晶體厚片的制造方法，在本發(fā)明第二十六技術(shù)方案中，在所述第一工序中，將所述基材涂敷于規(guī)定的基板上，在所述第二工序中，通過對所述被涂敷的基材進(jìn)行所述紫外線照射及熱處理，使所述基材固化，在所述第三工序中，對所述固化的所述基材使用模具或進(jìn)行蝕刻，以此周期性配置作為所述第二部件的圓筒狀的空孔。
本發(fā)明第二十八技術(shù)方案的光子晶體厚片的制造方法，在本發(fā)明第二十七技術(shù)方案中，所述預(yù)先確定的基準(zhǔn)是指，所述折射率的分布具有比基于關(guān)于所述光子晶體具有的所述膜厚方向的厚度W；所述入射的光的波長λ；及所述入射的光的、光入射端部的內(nèi)側(cè)的、關(guān)于所述膜厚方向的光束光斑半徑ω1，而設(shè)定的規(guī)定的分布函數(shù)大的陡峭性。
如上述明確所述，本發(fā)明具有例如可以由更簡單的光學(xué)系統(tǒng)對于不具有光子晶體的周期的方向封閉光的效果。


圖1是本發(fā)明的實施方式一的GI型光子晶體厚片的剖面概要圖；圖2是本發(fā)明的實施方式一的GI型光子晶體厚片的概要圖；圖3是本發(fā)明的實施方式一的GI型光子晶體厚片的解析用模型的概要圖；圖4是本發(fā)明的實施方式一的沒有空孔的情況的GI型光子晶體厚片的光封閉條件的說明圖；圖5是本發(fā)明的實施方式一的沒有空孔的情況的GI型光子晶體厚片內(nèi)的最大光斑徑ω2和折射率分布常數(shù)g的關(guān)系的說明圖；圖6是本發(fā)明的實施方式一的空孔半徑r和周期δ的關(guān)系為約r＝0.2×δ的情況的GI型光子晶體厚片內(nèi)的最大光斑徑ω2和折射率分布常數(shù)g的關(guān)系的說明圖；圖7(a)～圖7(c)是本發(fā)明的實施方式一的GI型光子晶體厚片的三維FDTD仿真結(jié)果的說明圖；圖8是本發(fā)明的實施方式一的GI型光子晶體厚片(變形例)的概要圖；圖9是本發(fā)明的實施方式三的膜厚變化的GI型光子晶體厚片的剖面概要圖；圖10是本發(fā)明的實施方式四的有意控制傳播損耗的GI型光子晶體厚片的剖面概要圖；圖11是本發(fā)明的實施方式五的在光束損耗附近使周期構(gòu)造變化的GI型光子晶體厚片的剖面概要圖；圖12是本發(fā)明的實施方式的空孔延長到基板內(nèi)部的GI型光子晶體厚片的概要圖；圖13是本發(fā)明的實施方式的從入射端至出射端具有周期缺陷列的GI型光子晶體厚片的概要圖；圖14是本發(fā)明的實施方式的將在入射端形成光束損耗的透鏡設(shè)置于入射部的GI型光子晶體厚片的剖面概要圖；圖15是本發(fā)明的實施方式的在與具有與膜厚不同的芯徑的光纖之間設(shè)置有在膜厚方向上具有錐度和折射率分布的光束導(dǎo)引部的GI型光子晶體厚片剖面概要圖；
圖16(a)～圖16(d)是本發(fā)明的實施方式二的GI型光子晶體的制造方法的特征部分的說明圖；圖17(a)～圖17(c)是本發(fā)明的實施方式二的GI型光子晶體的孔形成方法的說明圖；圖18(a)～圖18(c)是本發(fā)明的實施方式二的GI型光子晶體的其它的孔形成方法的說明圖；圖19是本發(fā)明的實施方式的具有圓柱形狀的GI型光子晶體的概要圖。
圖中，1—GI型厚片；2—空孔；3、3’—基板；4—GI型光子晶體厚片；5—入射側(cè)波導(dǎo)；9—入射端；10—出射端；12—折射率分布；13—剖面；17—三角格子的基本格子矢量；18—一定部分；19—折射率分布部分；20—光軸(折射率極大位置)；30-GRIN透鏡；31—空氣層；90—膜厚減少部分；91—最低折射率分布常數(shù)增加部分；92—膜厚減少部分折射率極大位置；100—光封閉部分；101—光漏泄部分；102—漏泄光；103—(漏泄部分)折射率分布；110—光束損耗；111—功能部分；120—基板內(nèi)空孔；130—周期缺陷部分；140—光源光束；141—透鏡；142—波陣面；150—光纖；151—芯；152—包層；153—光纖的光軸；154—導(dǎo)引部；155—光束光斑軌跡；156—錐度；1601—片狀聚硅烷；1602—聚硅烷構(gòu)造(高折射率)；1603—硅氧烷構(gòu)造(低折射率)；1604—已形成折射率分布的厚片。
具體實施例方式
以下，參照

本發(fā)明的實施方式。
(實施方式一)首先，主要參照圖1、2，說明本實施方式的光學(xué)器件的原理。
在此，圖1是光子晶體厚片(在本說明書中，將其命名為Graded-Index型光子晶體厚片，以下，簡稱為GI型光子晶體厚片)的剖面圖，是包含膜厚方向和傳播方向的剖面13(參照圖2)的概要圖，所述光子晶體厚片具有如下的折射率分布折射率在膜厚方向中心附近為極大，且隨著從該中心距離變遠(yuǎn)而大致拋物線狀地降低。又，圖2是表示剖面13的位置的GI型光子晶體厚片的立體圖。
另外，光束光斑軌跡41(參照圖1等)在入射側(cè)波導(dǎo)5(芯折射率n0)和GI型光子晶體厚片4的分界部分、或GI型光子晶體厚片4和空孔2的分界部分不連續(xù)地變化。但是，因為該不連續(xù)性的程度較小，所以如圖1等所示，連續(xù)地圖示光束光斑軌跡41(以下同樣)。
又，入射端9的在GI型光子晶體厚片內(nèi)側(cè)的入射端光斑半徑ω1是GI型光子晶體厚片內(nèi)光束光斑半徑ω2的最大值ω2max以下。但是，在入射端的、光束的波陣面的曲率半徑無限大的情況(以下主要考察的情況)下，因為它們一致，所以圖示了該情況(以下同樣)。
在本實施方式中，GI型光子晶體厚片4在容易由半導(dǎo)體工序或成型工序加工的厚片中二維周期性形成規(guī)定的柱狀部分(柱狀部件)，在該GI型光子晶體厚片4，與膜厚垂直的方向利用由光子晶體的特性控制光的方法，針對膜厚方向的光的封閉，利用不依存于包層的折射率的方法。
若更具體地敘述，則如圖1所示，本實施方式的光學(xué)器件具備GI型光子晶體厚片4，其在與具有折射率不隨著在膜厚方向上從折射率的極大(最大)部分遠(yuǎn)離而增加的折射率分布的GI型厚片1中的膜厚方向垂直的二維方向上周期性配置有規(guī)定的折射率；及入射側(cè)波導(dǎo)5，其作為使光向GI型光子晶體厚片4入射的輸入部。
而且，GI型光子晶體厚片4具有在根本上由該入射端9的在GI型光子晶體厚片內(nèi)側(cè)的入射端光斑半徑ω1、波長λ及GI型厚片1的膜厚方向的折射率分布形狀設(shè)定的GI型光子晶體厚片內(nèi)光束光斑半徑ω2的2倍以上的膜厚W。
這樣，通過設(shè)置滿足折射率不隨著在光子晶體的周期方向以外的方向上從折射率的極大部分遠(yuǎn)離而增加這一特定的條件的折射率分布，可以在光因衍射效果而漏泄的方向上封閉光。
又，通過操作折射率分布的形狀，可以使不具有光子晶體的周期的方向的光束光斑的半徑ω2的大小任意地變化。
在實施方式二中，說明伴隨著折射率分布的形狀操作的、這樣的光子晶體的制造方法。
另外，GI型光子晶體厚片4對應(yīng)于本發(fā)明的光子晶體，本實施方式的光學(xué)器件對應(yīng)于本發(fā)明的光學(xué)器件。
接著，更詳細(xì)地說明本實施方式的光學(xué)器件的結(jié)構(gòu)及動作。
本實施方式的光學(xué)器件具備基板3、及結(jié)合于GI型光子晶體厚片4的入射端9的、芯折射率n0的入射側(cè)波導(dǎo)5。
又，本實施方式的光學(xué)器件具備GI型光子晶體厚片4，所述GI型光子晶體厚片4形成有關(guān)于與垂直于GI型厚片1的y方向的光傳播方向?qū)?yīng)的z方向和與寬度方向?qū)?yīng)的x方向而二維周期性排列，且沿y方向延伸的多個空孔2，所述GI型厚片1具有在與膜厚方向?qū)?yīng)的y方向的大致中心具有極大值n1，且關(guān)于距與y＝0對應(yīng)的光軸(折射率極大位置)20的距離y，大致沿著[公式1]n(y)=n1(1-g2y22)]]>的折射率分布12而降低的折射率分布。
在此，關(guān)于折射率分布常數(shù)g，[公式3]g≥2λπω1W]]>成立。其中，W是GI型厚片1的膜厚，ω1是入射端9的在GI型光子晶體厚片內(nèi)側(cè)的光束光斑半徑，λ是波長。
另外，基板3用于加強GI型光子晶體厚片4的強度，對光的封閉不產(chǎn)生任何作用，所以即使除去也無妨。
這樣，通過使GI型光子晶體厚片4的折射率變化為特定的折射率變化以上，則越從光軸20遠(yuǎn)離越可以進(jìn)一步加快相位速度，所以可以抑制成為光漏泄的原因的衍射。
另外，就通過上述的y方向的折射率的分布滿足上述(公式1)、(公式3)的條件，可以進(jìn)行膜厚方向的光封閉的原因而言，將在后面進(jìn)一步提到，在此，簡單地敘述在本實施方式中導(dǎo)出的這些公式的利用例。
即，例如，在成為傳播對象的光的波長λ、上述光束光斑半徑ω1及GI型厚片1的膜厚W作為要求規(guī)格而預(yù)先設(shè)定的狀況下，設(shè)計并制造可以進(jìn)行膜厚方向的光封閉的GI型光子晶體厚片4時利用上述的公式。具體地，將上述要求規(guī)格代入到公式3，求出折射率分布常數(shù)g，并以此為基礎(chǔ)決定(公式1)的分布函數(shù)。然后，如后所述，例如可以制造硅氧烷構(gòu)造對應(yīng)于上述分布函數(shù)而分布于由以聚硅烷為主成分的基材(厚片1604，參照圖16(d))的GI型光子晶體厚片4。
又，與上述的例相反地，在預(yù)先設(shè)定了可以制造的折射率的分布，且設(shè)定了作為上述3個要素的、成為傳播對象的光的波長λ、上述光束光斑半徑ω1、及GI型厚片1的膜厚W內(nèi)的任意2個的情況下，可以通過利用上述公式，適當(dāng)?shù)貙?dǎo)出剩余的一個要素。
接著，更詳細(xì)地說明GI型光子晶體厚片4的膜厚方向的光封閉機理。
因為GI型光子晶體厚片4的膜內(nèi)的光的控制由二維晶格控制，所以只要在包含與膜厚方向?qū)?yīng)的y方向和與光傳播方向?qū)?yīng)的z方向的剖面13(參照圖2)封閉y方向的光即可。不過，因為空孔2越大因衍射而導(dǎo)致的光損失越大，所以設(shè)定空孔2的占有率變得最大(即，空孔2的剖面包含空孔2的直徑)的、構(gòu)成二維晶格的二維三角格子的基本格子矢量17之一表示的方向為與光傳播方向?qū)?yīng)的z方向。該空孔2的占有率為最大的情況的光封閉條件，即使在空孔的占有率較小的所有的情況下也是有效的。
圖1的剖面內(nèi)的光束解析可以置換為如圖3所示的周期性縱向排列有GRIN(Graded-Index)透鏡30和空氣層31的1維透鏡波導(dǎo)模型。
在此，圖3是縱向排列有GRIN透鏡的GI型光子晶體厚片的解析用模型。
因此，通過使用了光線矩陣的光束解析，對麥克斯韋爾方程式進(jìn)行向量解析。
具有長度d的GRIN透鏡30、及具有長度2r的空氣層31的每一個光線矩陣分別由 [Lens(d)]=cosgd1gsingd-gsingdcosgd]]>[公式5][Air(r)]=12rn1n001]]>表示。其中，r是空孔半徑，n0如上所述是與GI型光子晶體厚片入射前的材料相當(dāng)?shù)墓獠▽?dǎo)5的折射率。
因而，距縱向排列有n個GRIN透鏡30的GI型光子晶體厚片內(nèi)的第k個GRIN透鏡36(k＝1，2，……，n)的入射端距離為z’的位置(距GI型光子晶體入射端的距離是Z＝(k-1)×d+z’)的光線矩陣為[公式6][GIPC(Z)]=[Lens(z′)]([Air(r)][Lens(d)])k-1=ABCD.]]>其中，A、B、C、D是矩陣要素。
第k個GRIN透鏡36內(nèi)的光束光斑半徑ω2和在入射端9的光斑半徑ω1對于這樣的光線矩陣的關(guān)系由[公式7](ω2ω1)2=(A+BR1)2+(λπω12)2B2]]>表示。其中，R1是在入射端的、光束的波陣面的曲率半徑。
A及B與GRIN透鏡的透鏡效果和由空孔的空間傳播構(gòu)成的光束的約束有關(guān)，λ/ω1與因衍射效果而導(dǎo)致的漫射有關(guān)。因而，(公式7)的右邊的第1項對不考慮光的波動性的幾何光學(xué)決定的ω1和由R1計算的ω2的成分起作用，同第2項對由以B表示的透鏡效果抑制了衍射的ω2的成分起作用，所述衍射由考慮了光的波動性的波動光學(xué)決定。
因而，為了減小ω2，最好幾何光學(xué)式地減小ω1并增大R1，波動光學(xué)式地增大ω1并減小λ。不過，通常，因為光子晶體厚片的膜厚一般來說比單模光纖(SMF)的模場直徑(MFD)的約9μm小，所以與ω1相比，1/ω1對光斑半徑ω2的影響大得多。
另外，因為光束光斑半徑ω2由成為高斯光束的強度在中心的極大值的1/e2(e是自然對數(shù)的底)的半徑定義，所以并不是所有的光束均不超過GI型光子晶體厚片的膜厚。但是，只要光束光斑半徑ω2在膜厚內(nèi)變化，光束就不會超過膜厚。
接著，欲以折射率分布常數(shù)g、膜厚W、及空孔半徑r等GI型光子晶體厚片的結(jié)構(gòu)要素來表示光封閉條件。
但是，以這些結(jié)構(gòu)要素的關(guān)系式表示光封閉條件是非常困難的，具體的光封閉條件依賴于使用了計算機的數(shù)值解析，是較為實用的。
以下，使用空孔半徑r和光封閉的關(guān)系，導(dǎo)出在GI型光子晶體厚片內(nèi)的光封閉的必要條件。
從空氣層31的光線矩陣觀察可以知道，因為在空孔沒有透鏡效果只有促進(jìn)衍射的效果，所以GI型厚片產(chǎn)生的透鏡效果需要在沒有空孔的情況的衍射效果以上。
因而，代入r＝0而得到的條件是光封閉的必要條件。
從在r＝0時的GI型光子晶體厚片的入射端至Z位置的光線矩陣以[公式8][GIPC(Z)]=cosgZ1gsingZ-gsingZcosgZ.]]>表示。
而且，(公式7)成為 (ω2ω1)2=(cosgZ+1R11gsingZ)2+(λπω12)2(1g)2sin2gZ]]>=1R11gsin2gZ-12[{1R12+(λπω12)2}(1g)2-1]cos2gZ+12[{1R12+(λπω12)2}(1g)2+1]]]>=ρsin{2gZ-θ}+12[{1R12+(λπω12)2}(1g)2+1].]]>其中，取ρ，使得其滿足[公式10]ρ=(1R11g)2+14[{1R12+(λπω12)2}(1g)2-1]2.]]>取θ，使得其滿足[公式11]cosθ=1R11g]]>[公式12]sinθ=12[{1R12+(λπω12)2}(1g)2-1].]]>因而，ω2的與Z有關(guān)的最大值ω2max滿足[公式13](ω2maxω1)2=ρ+12[{1R12+(λπω12)2}(1g)2+1]]]>=(1R11g)2+14[{1R12+(λπω12)2}(1g)2-1]2+12[{1R12+(λπω12)2}(1g)2+1].]]>以此可以知道，R1越大ω2max越小，對封閉光是有利的，所以以下，
通過[公式14]R1＝∞來考察[公式15](ω2maxω1)2=12|(λπω12)2(1g)2-1|+12{(λπω12)2(1g)2+1}]]>的情況。
由(公式15)可以知道，在[公式16]g<λπω12]]>的情況下，是[公式17]ω2max=λπω1g]]>在[公式18]g≥λπω12]]>的情況下，是[公式19]ω2max＝ω1因為為了封閉光的必要充分條件是[公式20]ω2max≤W/2，所以作為用于封閉光的必要條件，得到[公式3]g≥2λπω1W]]>
。
另外，在導(dǎo)出(公式3)之際，使用了[公式21]ω1≤W/2，不過在(公式21)中等號成立的情況的(公式3)成為[公式22]g≥λπ(2W)2.]]>由以上可以知道，為了封閉光，有利條件是高折射率·大入射光斑徑·大膜厚·短波長。
設(shè)λ＝1.3μm，在(公式22)中取等號而得到的最低折射率分布常數(shù)和GI型光子晶體厚片的膜厚W的關(guān)系如圖4所示。
在此，圖4表示無空孔的GI型厚片的情況的光封閉條件(膜厚W和折射率分布常數(shù)g的關(guān)系)。另外，縱軸是對數(shù)刻度。
在圖4中，在使與(入射端的內(nèi)側(cè)的光束光斑半徑ω1)/(入射端9的外側(cè)的光束光斑半徑)相等的n1/n0變化為1、1.5、……、5的各自的情況下，表示了相同關(guān)系。
因而，在圖4中，因為關(guān)于入射端9的外側(cè)的光束光斑半徑進(jìn)行圖示，所以嚴(yán)格地說，必須考慮以(n1/n0)W來置換(公式22)中的W。
以此，可以知道，在膜厚為2μm且入射端側(cè)的波導(dǎo)的折射率與GI型光子晶體厚片的極大折射率相等的情況(即，n1/n0＝1的情況)下，至少需要400/mm以上的折射率分布常數(shù)g。又，也可以知道，若更大地設(shè)定與GI型光子晶體厚片的極大折射率對應(yīng)的n1，或更小地設(shè)定與入射端的波導(dǎo)的折射率對應(yīng)的n0，則得到更小的折射率分布常數(shù)g。
接著，在仍然是ω1＝W/2的情況下，設(shè)與入射端側(cè)的波導(dǎo)的折射率對應(yīng)的n0等于與GI型光子晶體厚片的極大折射率對應(yīng)的n1，且r＝0μm(沒有空孔)的情況和大約r＝0.19μm、d＝0.74μm的情況的在GI型光子晶體厚片內(nèi)的最大光斑半徑ω2max、折射率分布常數(shù)g及入射端光斑半徑ω1的關(guān)系如圖5和6所示。
在此，圖5表示沒有空孔的GI型厚片的情況的在入射端的每個光斑徑ω1的最大光斑徑ω2max和折射率分布常數(shù)g的關(guān)系。又，圖6表示空孔半徑r和周期δ(＝d+2r)的關(guān)系約是r＝0.2×δ的情況的、GI型厚片的情況的在入射端的每個光斑直徑ω1的最大光斑徑ω2max和折射率分布常數(shù)g的關(guān)系。另外，縱軸及橫軸是對數(shù)刻度。
在圖5～6中，在使ω1變化為0.1、0.5、……、4的各自的情況下，表示了相同關(guān)系。
在(公式16)成立的情況下由(公式15)得到的(公式23)相當(dāng)于圖5的關(guān)系。
ω2maxω1=λπω121g]]>其中，因為考慮入射端光斑半徑ω1是GI型光子晶體厚片的膜厚W的一半的情況，所以GI型光子晶體厚片內(nèi)最大光束光斑半徑ω2max必須比入射端光斑半徑ω1小。因而，ω2max/ω1為1以下這一情況成為光封閉的必要充分條件，圖5的ω2max/ω1＝1時的折射率分布常數(shù)g和入射端光斑半徑ω1的關(guān)系相當(dāng)于圖4的關(guān)系。
若比較圖5和圖6，則可以知道，不論有無空孔，折射率分布常數(shù)g和ω2max的關(guān)系類似。不過，因為衍射因空孔的存在而變大，所以在有空孔的情況下，與沒有空孔的情況相比，需要約1.5倍左右的更大的折射率分布常數(shù)g。
圖7表示(a)在滿足折射率分布關(guān)于光的傳播方向而臺階狀地變化的現(xiàn)有的SI(Step-Index)型光子晶體厚片701的光封閉條件的情況下的三維FDTD(Finite Difference Time Domain)仿真結(jié)果701a；(b)在滿足現(xiàn)有的氣橋構(gòu)造的SI型光子晶體厚片702的光封閉條件的情況下的三維FDTD仿真結(jié)果702a；及(c)在滿足本實施方式的、大約r＝0.19μm、d＝0.74μm的GI型光子晶體厚片703的光封閉條件的情況下的三維FDTD仿真結(jié)果703a。不過，只表示包含傳播方向和膜厚方向的剖面。
可以知道，若將在SI型光子晶體厚片(參照圖7(a))的光的漏泄也作成為氣橋構(gòu)造(參照圖7(b))，則光被完全地封閉。
在GI型光子晶體厚片(參照圖7(c))的情況下，可以知道，即使帶有基板，光也被封閉，光因透鏡效果而描繪蜿蜒軌跡(只圖示聚光部分)。
這樣，通過設(shè)折射率在膜厚方向的中心附近具有極大值，并隨著從極大部分遠(yuǎn)離而大致拋物線狀地降低的GI型光子晶體厚片的折射率分布常數(shù)g為由膜厚等決定的特定的值以上，在光因衍射效果而漏泄的膜厚方向上不論基板的折射率如何都可以封閉光。
又，通過操作折射率分布常數(shù)g，也可以使光子晶體厚片的膜厚自如地變化。
另外，在本實施方式中，說明了在膜厚的中心附近具有極大點的GI型光子晶體厚片。
但是，并不限定于此，如圖8所示，也可以利用距與y＝0對應(yīng)的中心的距離在平坦部分常數(shù)a以內(nèi)的一定部分18、及一定部分18以外的折射率分布部分19，使折射率沿著下述的(公式2)降低。
n′(y)=n1{1-g2(y+a)22(y≤-a)n1(-a≤y≤a)n1{1-g2(y-a)22(a≤y)]]>在此，圖8是包含GI型光子晶體厚片的膜厚方向和傳播方向的剖面概要圖，所述GI型光子晶體厚片具有折射率在膜厚方向中心附近形成有大致一定值的極大區(qū)域，且除此以外隨著距極大區(qū)域的距離而大致拋物線狀地降低的折射率分布。
因為該GI型光子晶體厚片在折射率一定部分以外也產(chǎn)生透鏡效果，所以同樣可以進(jìn)行光的封閉。
當(dāng)然，因為在一定部分18，膜厚方向15的折射率一定，所以衍射的效果更強，不過若在折射率分布部分19增大折射率分布常數(shù)g，則沒有任何問題。
該結(jié)構(gòu)的目的倒不如說是為了通過在一定部分18使膜厚方向15的折射率一定，來容易控制一定部分18的膜厚方向以外的光子晶體的特性。
若更具體地敘述，則光子晶體的特性(光子帶)在周期性構(gòu)成的材料的折射率一定的情況下容易計算，所以現(xiàn)在若這樣設(shè)計了一定部分18則容易設(shè)計。
但是，即使在經(jīng)由膜厚整體而具有折射率分布的情況下，也可以知道，若折射率的最大值和最小值的差較小，為數(shù)％以下，則光子晶體的特性從在折射率一定的情況下的特性產(chǎn)生較小的變化，在實用上很多情況下沒有問題。
(實施方式二)接著，參照圖16(a)～圖18，說明本發(fā)明的光子晶體厚片的制造方法的一實施方式。
圖16(a)～圖16(d)是關(guān)于在上述實施方式一中說明的GI型光子晶體厚片，說明其制造方法的特征部分的圖。即，這些圖表示了對涂敷于基板3(參照圖1、圖16(d))上的片狀聚硅烷1601(對應(yīng)于本發(fā)明的第一工序的基材)，通過加熱和來自于上下方向的紫外線照射，在膜厚方向上形成折射率分布(對應(yīng)于本發(fā)明的第二工序)的機理。
首先，參照圖16(a)～圖16(d)，說明本實施方式的折射率分布的形成方法的原理。
如圖16(a)所示，片狀聚硅烷1601(參照圖16(d))通過因UV(紫外線)曝光及熱處理而引起的固化時的氧化作用，從高折射率的聚硅烷構(gòu)造1602變化為低折射率的硅氧烷構(gòu)造1603。
因而，在聚硅烷中，從被UV照射的側(cè)(參照圖16(d))引起氧化反應(yīng)，生成硅氧烷構(gòu)造1603。其結(jié)果是，在硅氧烷構(gòu)造1603較多地分布的聚硅烷1601的表面附近，氧氣濃度因進(jìn)入到硅氧烷構(gòu)造的氧氣的分布而增加。圖16(b)是表示了使用未進(jìn)行氧化物等的擴(kuò)散的片狀聚硅烷1601進(jìn)行了UV照射的情況的、進(jìn)入到硅氧烷構(gòu)造1603的氧氣的濃度分布的變化的概略圖。圖中的橫軸表示氧氣濃度，縱軸表示距膜厚的中心的距離。又，圖16(c)是與圖16(b)對應(yīng)地表示了對與上述同樣的片狀聚硅烷1601進(jìn)行了UV照射的情況的、折射率分布的變化的概略圖。圖中的橫軸表示折射率，縱軸表示距膜厚的中心的距離。
如圖16(b)～圖16(d)所示，隨著從UV照射用光源遠(yuǎn)離，氧氣濃度減少，低折射率的氧硅烷構(gòu)造1603成為以與氧氣濃度成比例的方式隨著從UV照射用光源遠(yuǎn)離，換言之隨著從聚硅烷1601的表面?zhèn)瘸蛑行亩鴾p少的分布。在圖16(d)中，以點的濃淡表示了折射率分布，表示如下情況越濃的部位折射率越高，越薄的部位折射率越低。
這樣，因為聚硅烷構(gòu)造1602的部分和因氧化反應(yīng)而產(chǎn)生的硅氧烷構(gòu)造1603的部分對應(yīng)于氧氣濃度分布而分布，所以可以通過UV照射的方法或其它條件設(shè)定，自由自如地形成折射率分布。
作為該條件設(shè)定的要素，可以列舉UV照射的時間、照射量、周圍溫度、及氧氣濃度等。通過適當(dāng)?shù)卦O(shè)定或控制這些要素的全部或一部分，可以實現(xiàn)滿足上述的公式1～3的條件的折射率分布。
折射率的分布形成的要點在于以固化的聚硅烷1601的厚度的中心位置為基準(zhǔn)，形成對稱的分布。
以下，更詳細(xì)地說明該對稱分布的形成方法。
在片狀聚硅烷1601的膜厚較小的情況下，可以消耗氣氛中的氧氣。但是，在片狀聚硅烷1601的膜厚較大的情況或片狀聚硅烷1601因基板等而不與空氣直接接觸的情況下，除了氣氛中的氧氣濃度以外，預(yù)先在固化前的片狀聚硅烷1601的內(nèi)部使氧氣或氧化物擴(kuò)散，以此直至氣氛中的氧氣擴(kuò)及不到的內(nèi)部都可以形成折射率分布。又，因為在片狀聚硅烷1601的基板3側(cè)和空氣側(cè)，氧氣供給量(氧氣濃度)不同，所以在照射的UV照射量是上下等量的情況下，因為氧氣供給量較多的空氣側(cè)的折射率降低較大，所以最大折射率位置移動到基板3側(cè)，因為通過使從基板3側(cè)照射的UV照射量比空氣側(cè)多，作成為非對稱，來抑制空氣側(cè)的氧化反應(yīng)，所以可以形成以膜厚的中心位置為基準(zhǔn)的對稱形狀的折射率分布。
例如，如圖16(d)表示的已經(jīng)形成折射率分布的厚片1604所示，在形成以膜厚方向為基準(zhǔn)，折射率在膜厚中心為極大，且隨著距該膜厚中心的距離，該折射率沿著中心對稱的大致拋物線形狀而降低這一折射率分布(參照圖16(b))的情況下，只要從固化前的片狀聚硅烷1601的上下進(jìn)行相同強度的UV照射即可。
不過，在由UV曝光進(jìn)行固化的情況下，從基板3側(cè)進(jìn)行曝光的情況，作為基板3的材料，使用對紫外線透明的材料，例如石英或硼硅酸等的玻璃、或透射紫外線的樹脂、或LiNbO3或LiTaO3等的晶體性基板。
若是中心對稱的分布，則成為近似沿著拋物線狀的分布。
另外，在片狀聚硅烷1601的膜厚較大的情況、或氧氣供給量因基板3而上下非對稱的情況下，與上述厚片1604的情況同樣地，若預(yù)先在片狀聚硅烷添加氧氣或氧化物，或使UV照射量上下非對稱，則可以調(diào)整膜厚方向的折射率分布。
接著，說明對通過上述的工序形成有折射率分布的上述厚片1604(參照圖16(d))形成空孔2(參照圖1)的第三工序。
空孔2的形成可以使用利用模具的方法(參照圖17)、或在照射了離子束之后，實施蝕刻處理的方法(參照圖18)等任意的方法。
圖17(a)～圖17(c)是表示對上述厚片1604按壓模具1701(參照圖17(a)、(b))，形成空孔2(參照圖17(c))的工序的圖。模具1701的突起部1702配置為與如圖2所示的空孔2的2維周期構(gòu)造對應(yīng)。
又，圖18(a)～圖18(c)是表示對上述厚片1604配置掩模1801，照射Ar、Xe、或Kr等的離子束1802，然后，利用強堿(NaOH)1803形成空孔(侵蝕孔)2的工序的圖。
通過上述工序，得到對于厚度方向的中心具有對稱形狀的折射率分布的GI型光子晶體厚片4。
另外，因為本實施方式的情況在第二工序固化片狀聚硅烷1601，所以優(yōu)選在上述第二工序之后進(jìn)行該空孔的形成，不過并不限定于此。
(實施方式三)接著，主要參照圖9，說明本發(fā)明的光學(xué)器件的一實施方式的光學(xué)器件的結(jié)構(gòu)及動作。
在此，圖9是包含GI型光子晶體厚片的膜厚方向和傳播方向的剖面概要圖，所述GI型光子晶體厚片為了滿足光封閉條件而對應(yīng)于一部分的膜厚變化使折射率分布形狀變化。
如圖9所示，GI型光子晶體厚片具有膜厚W在與傳播方向?qū)?yīng)的z方向的某一部分變化的膜厚減少部分90。而且，使折射率分布常數(shù)g變化為更大的值，以便對于在膜厚減少部分90變化為封閉光的膜厚，滿足所述的光封閉條件(參照公式3)。
因為膜厚在途中減小，所以為了抑制膜厚減少部分90的更大的衍射，產(chǎn)生最低折射率分布常數(shù)的增加部分91。
不過，在膜厚變化在膜厚方向上非對稱的情況下，不僅折射率分布常數(shù)需要變化，膜厚減少部分折射率極大位置92也需要與周圍錯開。在膜厚對稱地變化的情況下，折射率極大部分與周圍相同即可。
相反地，在膜厚變大的情況下，因為最低折射率分布常數(shù)比周圍小即可，所以不一定需要使折射率分布常數(shù)變化。
另外，即使在膜厚減小的情況下，若膜厚減少部分90以外的折射率分布常數(shù)是膜厚減小部分90的最低折射率分布常數(shù)以上，則不一定需要使折射率分布常數(shù)變化。
當(dāng)然，說明了在包含與傳播方向?qū)?yīng)的z方向和與膜厚方向?qū)?yīng)的y方向的剖面內(nèi)的膜厚變化的情況，不過就與寬度方向?qū)?yīng)的x方向的膜厚變化而言，也是同樣的。
另外，若使用滿足對于膜厚最少部分的膜厚的光封閉條件的最低折射率分布常數(shù)以上的折射率分布常數(shù)，則也可以在GI型光子晶體厚片整體使用一定的折射率分布常數(shù)。
又，在GI型光子晶體厚片內(nèi)，膜厚在光束光斑半徑成為極小的部分減小的情況下，進(jìn)一步減小滿足光封閉條件的最低折射率分布常數(shù)即可。理由如下滿足光封閉條件的最低折射率分布常數(shù)設(shè)定為光束光斑半徑的極大值不超過膜厚。
(實施方式四)接著，主要參照圖10，說明本實施方式的光學(xué)器件的結(jié)構(gòu)及動作。
在此，圖10是包含GI型光子晶體厚片的膜厚方向和傳播方向的剖面概要圖，所述GI型光子晶體厚片具有如下的結(jié)構(gòu)在一部分有意地形成有具有不滿足光封閉條件的折射率分布103的部分(光漏泄部分)，控制傳播損耗。
GI型光子晶體厚片具有在與傳播方向?qū)?yīng)的z方向的某一部分折射率分布常數(shù)是光封閉所需要的最低折射率分布常數(shù)以下的光漏泄部分101，追加了有意使光損失的衰減功能或損耗功能。
在本實施方式中，因為GI性光子晶體厚片的上包層是空氣，下包層是基板，所以光在光漏泄部分101的漏泄只發(fā)生在基板側(cè)。
在利用損耗功能的情況下，漏泄光102進(jìn)入到包層模，在基板中傳播，從而與在GI型光子晶體厚片內(nèi)傳播的原信號分離。
當(dāng)然，說明了直接使折射率分布常數(shù)為光封閉所需要的最低折射率分布常數(shù)以下從而引起光漏泄的方法，不過也可以減薄膜厚，增大光封閉所需要的最低折射率分布常數(shù)，從而使折射率分布常數(shù)相對地為光封閉所需要的最低折射率分布常數(shù)以下。
另外，說明了在包含與傳播方向?qū)?yīng)的z方向和與膜厚方向?qū)?yīng)的y方向的剖面內(nèi)的折射率分布常數(shù)變化，不過就與軸向?qū)?yīng)的x方向的折射率分布常數(shù)變化而言，也是同樣的。
又，在GI型光子晶體厚片內(nèi)，通過在光束光斑半徑成為極大的部分不滿足光封閉條件，可以容易引起光的漏泄。
(實施方式五)接著，主要參照圖11，說明本實施方式的光學(xué)器件的結(jié)構(gòu)及動作。
在此，圖11是包含GI型光子晶體厚片的膜厚方向和傳播方向的剖面概要圖，所述GI型光子晶體厚片在光束光斑減小的光束損耗區(qū)域形成有用于引出特定的光子晶體的功能的周期構(gòu)造。
如圖11所示，形成有功能部分111，所述功能部分111用于使GI型光子晶體厚片內(nèi)的光束光斑半徑成為極小的光束損耗110具有特定的功能，且功能部分111具有與周圍不同的周期。
若形成在光束損耗110具有特定的功能的功能光子晶體部分，則因為光束經(jīng)過的部分的折射率變化最少，所以容易進(jìn)行利用了光子晶體的光子帶的設(shè)備設(shè)計。
當(dāng)然，說明了使周期變化的情況，不過總的來說，只要使光子晶體的特性變化即可。
以上，詳細(xì)地說明了本實施方式1～5。
(A)另外，說明了空孔的深度與GI型光子晶體厚片的高度一致的情況，不過如圖12所示，為了更可靠地進(jìn)行光的封閉，也可以在基板3’形成有基板內(nèi)空孔120。
在此，圖12表示空孔延長到基板的GI型光子晶體厚片的剖面圖。
另外，基板3’對應(yīng)于本發(fā)明的基板。
(B)又，說明了無缺陷的GI型光子晶體厚片，不過如圖13所示，GI型光子晶體厚片也可以具有不存在空孔的周期缺陷部分130。
在此，圖13是從入射端至出射端10連續(xù)具有周期缺陷列的GI型光子晶體厚片的立體圖。
在具有這樣的1維缺陷的情況下，因為缺陷部分相當(dāng)于上述的沒有空孔的GI型厚片的模型，所以滿足光封閉條件的最低折射率分布常數(shù)比周圍的無缺陷部分小，無論是存在空孔的無缺陷部分還是缺陷部分，都可以進(jìn)行光的封閉。
在光子帶隙存在于空孔周期性排列的周期無缺陷部分的情況下，光不能夠進(jìn)入到周期無缺陷部分。因而，膜厚方向的封閉也是有效的，所以光只向周期缺陷方向傳播。
另外，為了形成周期缺陷，只要使周期配置的材料(部件)的折射率、周期、形狀內(nèi)的至少一個變化即可。
(C)又，也可以利用用于連接滿足光封閉條件的GI型光子晶體厚片和外部輸入部的機構(gòu)。
如上所述，在GI型光子晶體厚片的入射端的光束狀態(tài)(曲率半徑R1、光束光斑半徑ω1)較大地左右在GI型光子晶體厚片內(nèi)的衍射。
例如，在曲率半徑無限大，光束光斑半徑成為極小的光束損耗位于入射端之前的情況下，光束在入射端擴(kuò)展地入射。在這樣的情況下，在GI型光子晶體厚片內(nèi)的最大光斑半徑ω2max，與在入射端具有光束損耗的情況比較，變得較大。
另一方面，在光束損耗比入射端位于內(nèi)部的情況下，光束在入射端縮窄地入射。在這樣的情況下，因為在GI型光子晶體厚片內(nèi)的光束損耗的半徑比在入射端具有光束損耗的情況變小，所以衍射變大，最大光斑半徑ω2max比在入射端具有光束損耗的情況變大。
因而，在光束損耗位于入射端的情況下，在GI型光子晶體厚片內(nèi)的最大光斑半徑ω2max最小。
不過，這樣的光束損耗不是GI型光子晶體厚片的透鏡效果產(chǎn)生的部分，而是依存于在入射端附近產(chǎn)生的入射狀態(tài)的光束光斑半徑成為極小的部分。
另外，即使是在入射端產(chǎn)生光束損耗的情況下，光束光斑半徑ω1越大，衍射越大，從而用于光封閉的最低折射率分布常數(shù)也較小。因此，在入射端的光束光斑半徑ω1越接近GI型光子晶體厚片的膜厚的一半越好。
不過，這樣的在入射端的光束光斑半徑ω1是指在GI型光子晶體內(nèi)部側(cè)，即GI型光子晶體厚片的折射率的、光束光斑半徑。另外，在以入射之前的光束光斑半徑進(jìn)行討論的情況下，因為GI型光子晶體厚片和入射側(cè)的材料的相位速度不同，所以需要進(jìn)行光束光斑半徑的變換。
另外，作為在入射端制作上述的光斑狀態(tài)的方法，如圖14所示，有如下的方法使用透鏡141等光束變換部，在入射端形成光束光斑半徑大致等于膜厚的一半的光束損耗。
在此，圖14是包含GI型光子晶體厚片的膜厚方向和傳播方向的剖面概要圖，所述GI型光子晶體厚片在入射部設(shè)置有形成曲率半徑在入射端成為無限大這一光束狀態(tài)的透鏡。
另外，透鏡141對應(yīng)于本發(fā)明的導(dǎo)引部。
在入射側(cè)是使用了光源光束140的空間耦合的情況下，因為作為同相位面入射的波陣面142擴(kuò)張，所以只要使用透鏡141將其變換為縮窄，使得在入射端形成光束損耗即可。
另外，在入射側(cè)是波導(dǎo)的情況下，若波導(dǎo)的模場直徑和GI型光子晶體厚片的模場直徑大致一致(即，波導(dǎo)的折射率和GI型光子晶體厚片的折射率大致相等)，則只要波導(dǎo)芯直徑和膜厚大致一致即可。
但是，如圖15所示，在不僅模場直徑偏離，相當(dāng)于該波導(dǎo)的、光纖的光軸153也偏離的情況下，也可以中轉(zhuǎn)使用光束導(dǎo)引部154，所述光束導(dǎo)引部154具有利用關(guān)于膜厚方向的錐度156及折射率分布的光束變換的功能、和對光進(jìn)行導(dǎo)引的功能。
在此，圖15是包含GI型光子晶體厚片的膜厚方向和傳送方向的剖面概要圖，所述GI型光子晶體厚片為了在膜厚方向上與具有不同于膜厚的芯徑的光纖結(jié)合，而在入射端設(shè)置有具有錐度和膜厚方向的折射率分布的光束導(dǎo)引部。
另外，光束導(dǎo)引部154對應(yīng)于本發(fā)明的導(dǎo)引部。
在圖15中也圖示了光束光斑軌跡155。
當(dāng)然，說明了入射側(cè)，不過在光在雙方向上傳播的情況下，只要在GI型光子晶體厚片的輸出側(cè)也設(shè)置與輸入側(cè)相同的構(gòu)造即可。
(D)又，在上述的實施方式中，光子晶體具有膜形狀，第一方向是膜形狀的膜厚方向，第二方向是與膜形狀的膜面平行的方向。
但是，并不限定于此，如本發(fā)明的實施方式的具有圓柱形狀的GI型光子晶體的概要圖即圖19所示，光子晶體具有圓柱形狀，第一方向是與圓柱形狀的底面平行的x方向及y方向，第二方向可以是圓柱形狀的長度的z方向。又，該情況下，圓柱的直徑對應(yīng)于上述(公式3)中使用的膜厚W。
又，該情況下，例如一邊使圓柱以其中心軸1901為旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)一邊進(jìn)行制造工序中的紫外線的照射。另外，照射方法并不限定于此，從結(jié)果上來說只要是從圓柱的整周面朝向中心軸照射的方法，則可以是任意的方法。
另外，這樣的光子晶體，在第一部件201中具有關(guān)于z方向?qū)嵸|(zhì)上周期性配置的第二部件202，第一部件201在與對應(yīng)于光軸方向的z方向垂直的x方向及y方向這二個方向上例如具有折射率隨著從中心遠(yuǎn)離而大致拋物線狀地降低的折射率分布。
又，在上述實施方式中，以GI型光子晶體厚片在y方向(參照圖2)上，具有基于上述的(公式1)至(公式3)的任意之一的、折射率拋物線狀地降低的折射率的分布為中心進(jìn)行了說明，不過并不限定于此，總的來說，只要是具備光子晶體的光學(xué)器件即可，所述光子晶體具有第一部件，其關(guān)于與入射的光的光軸的方向垂直的第一方向，具有隨著從該光軸遠(yuǎn)離而減少的折射率的分布；第二部件，其關(guān)于與第一方向不同的第二方向，實質(zhì)性地周期性配置于該第一部件中。
工業(yè)上的可利用性本發(fā)明的光學(xué)器件、及光子晶體厚片的制造方法例如具有可以由更簡單的光學(xué)系統(tǒng)對于不具有光子晶體的周期的方向封閉光的效果，作為光子晶體厚片的光封閉構(gòu)造等是有用的。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)器件，其具備光子晶體，所述光子晶體包括第一部件，其在與入射的光的光軸的方向垂直的第一方向上，具有隨著從所述光軸遠(yuǎn)離而減少的折射率的分布；及第二部件，其在所述第一部件中，在與所述第一方向不同的第二方向上，實質(zhì)性地周期性配置。
2.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)器件，其中，隨著從所述光軸遠(yuǎn)離而減少的所述折射率的分布，是朝向所述第二部件的所述周期性配置的方向以外的方向減少的折射率的分布。
3.如權(quán)利要求2所述的光學(xué)器件，其中，(a)所述第一部件具有的在所述第一方向上的折射率的分布、(b)所述光子晶體具有的在所述第一方向的厚度、(c)所述入射的光的波長、及(d)所述入射的光的、所述光入射的所述光子晶體的光入射端部的內(nèi)側(cè)的、所述第一方向上的光束光斑半徑被設(shè)定為使所述入射的光在所述第一方向上實質(zhì)上封閉于所述光子晶體的內(nèi)部。
4.如權(quán)利要求3所述的光學(xué)器件，其中，所述光子晶體具有膜形狀，所述第一方向是所述膜形狀的膜厚的方向，所述第二方向是與所述膜形狀的膜面平行的方向。
5.如權(quán)利要求4所述的光學(xué)器件，其中，所述第一部件具有的在所述膜厚的方向上的折射率的分布具有比規(guī)定的分布函數(shù)大的陡峭性，所述規(guī)定的分布函數(shù)基于所述光子晶體具有的在所述膜厚方向上的厚度W；所述入射的光的波長λ；及所述入射的光的、所述光入射端部的內(nèi)側(cè)的、所述膜厚方向上的光束光斑半徑ω1而決定。
6.如權(quán)利要求5所述的光學(xué)器件，其中，所述規(guī)定的分布函數(shù)由具有針對坐標(biāo)y的、折射率分布常數(shù)g及所述折射率的最大值n1的二次函數(shù)[公式1]n(y)=n1(1-g2y22)]]>實質(zhì)地求出，所述坐標(biāo)y是以所述光軸為基準(zhǔn)的所述膜厚的方向。
7.如權(quán)利要求5所述的光學(xué)器件，其中，所述規(guī)定的分布函數(shù)由具有針對坐標(biāo)y的、折射率分布常數(shù)g、平坦部分常數(shù)a及所述折射率的最大值n1的函數(shù)[公式2]n′(y)=n1{1-g2(y+a)22}(y≤-a)n1(-a≤y≤a)n1{1-g2(y-a)22}(a≤y)]]>實質(zhì)地求出，所述坐標(biāo)y是以所述光軸為基準(zhǔn)的所述膜厚的方向。
8.如權(quán)利要求6或7所述的光學(xué)器件，其中，所述折射率分布常數(shù)g實質(zhì)地滿足[公式3]g≥2λπω1W.]]>
9.如權(quán)利要求5所述的光學(xué)器件，其中，所述入射的光的波陣面的所述光入射端部上的曲率半徑實質(zhì)上無限大。
10.如權(quán)利要求9所述的光學(xué)器件，其中，所述光束光斑半徑ω1實質(zhì)上是所述厚度W的一半。
11.如權(quán)利要求9所述的光學(xué)器件，其中，所述膜厚在規(guī)定的部位變化。
12.如權(quán)利要求11所述的光學(xué)器件，其中，所述第一部件具有的所述膜厚方向上的折射率的分布、所述光子晶體具有的所述膜厚的方向上的厚度W、所述入射的光的波長λ、及所述入射的光的、所述光入射端部的內(nèi)側(cè)的、所述膜厚的方向上的光束光斑半徑ω1被設(shè)定為所述入射的光在所述規(guī)定的部位在所述膜厚的方向漏泄到所述光子晶體的外部。
13.如權(quán)利要求9所述的光學(xué)器件，其中，所述第二部件的實質(zhì)性地周期性配置，是在規(guī)定的部位變化。
14.如權(quán)利要求13所述的光學(xué)器件，其中，所述規(guī)定的部位是所述入射的光的、所述光子晶體的內(nèi)側(cè)的、所述膜厚的方向上的光束光斑半徑取極大值或極小值的部位。
15.如權(quán)利要求13所述的光學(xué)器件，其中，所述規(guī)定的部位是從所述光入射端部至所述光出射的所述光子晶體的光出射端部連續(xù)的、實質(zhì)上未配置所述第二部件的部位。
16.如權(quán)利要求9所述的光學(xué)器件，其中，所述第二部件是利用在所述膜厚的方向上延伸的空孔而配置的空氣。
17.如權(quán)利要求16所述的光學(xué)器件，其中，還具備保持所述光子晶體的基板，所述空孔在所述基板的側(cè)延伸。
18.如權(quán)利要求3所述的光學(xué)器件，其中，還具備用于將所述入射的光導(dǎo)引到所述光入射端部的導(dǎo)引部。
19.如權(quán)利要求18所述的光學(xué)器件，其中，所述導(dǎo)引部將所述入射的光變換為其波陣面的所述光入射端部上的曲率半徑實質(zhì)上無限大。
20.如權(quán)利要求18所述的光學(xué)器件，其中，所述導(dǎo)引部將所述入射的光變換為在所述光入射端部上形成光束損耗。
21.如權(quán)利要求18所述的光學(xué)器件，其中，所述導(dǎo)引部將所述入射的光變換為其所述光入射端部的內(nèi)側(cè)的在所述第一方向上的光束光斑半徑實質(zhì)上成為所述光子晶體具有的在所述第一方向上的厚度的一半。
22.如權(quán)利要求3所述的光學(xué)器件，其中，所述第一部件是通過使硅氧烷構(gòu)造對應(yīng)于所述折射率的分布而分布于以聚硅烷為主成分的基材而得到的部件。
23.一種光子晶體厚片的制造方法，所述光子晶體厚片具有第一部件，其在與入射的光的光軸的方向垂直的第一方向上具有折射率的分布；及第二部件，其在所述第一部件中，在與所述第一方向不同的第二方向上，實質(zhì)性地周期性配置，該方法包括第一工序，其供給以聚硅烷為主成分且具有規(guī)定的厚度的基材；第二工序，其對所述被供給的基板引起所述聚硅烷的氧化反應(yīng)，并且以所述厚度方向為基準(zhǔn)來控制所述氧化反應(yīng)的進(jìn)行程度，以此形成隨著從所述光軸遠(yuǎn)離而減少的折射率的分布，及第三工序，其在所述第二工序之前的工序或之后的工序中形成所述第二部件。
24.如權(quán)利要求23所述的光子晶體厚片的制造方法，其中，隨著從所述光軸遠(yuǎn)離而減少的折射率的分布，是朝向所述第二部件的所述周期性配置的方向以外的方向減少的折射率分布。
25.如權(quán)利要求24所述的光子晶體厚片的制造方法，其中，所述第一方向是所述基材的厚度方向，所述第二方向是與所述基材的表面平行的方向。
26.如權(quán)利要求25所述的光子晶體厚片的制造方法，其中，在所述第二工序中，對所述基材，通過從其兩面?zhèn)日丈渥贤饩€來產(chǎn)生所述折射率的分布，并且，以所述折射率的分布的方式滿足預(yù)先確定的基準(zhǔn)的方式控制所述紫外線的照射量。
27.如權(quán)利要求26所述的光子晶體厚片的制造方法，其中，在所述第一工序中，將所述基材涂敷于規(guī)定的基板上，在所述第二工序中，通過對所述被涂敷的基材，與所述紫外線照射同時進(jìn)行熱處理，使所述基材固化，在所述第三工序中，對所述固化的所述基材使用模具或進(jìn)行蝕刻，從而周期性配置作為所述第二部件的圓筒狀的空孔。
28.如權(quán)利要求27所述的光子晶體厚片的制造方法，其中，所述預(yù)先確定的基準(zhǔn)，是所述折射率的分布具有比規(guī)定的分布函數(shù)大的陡峭性，所述規(guī)定的分布函數(shù)基于所述光子晶體具有的在所述膜厚方向上的厚度W；所述入射的光的波長λ；及所述入射的光的、光入射端部的內(nèi)側(cè)的、在所述膜厚方向上的光束光斑半徑ω1而決定。
全文摘要
期望以更簡單的光學(xué)系統(tǒng)對于不具有光子晶體的周期的方向封閉光。一種光學(xué)器件，其具備GI型光子晶體厚片4，所述GI型光子晶體厚片4包括第一部件，其在與入射的光的光軸20的方向垂直的第一方向，具有從光軸20朝向兩方向減少的折射率分布12；及第二部件，其在與第一方向不同的第二方向，實質(zhì)性地周期性配置于第一部件中。第一部件具有的第一方向上的折射率分布12、GI型光子晶體厚片4具有的第一方向上的厚度、入射的光的波長、及入射的光的、光入射的GI型光子晶體厚片4的入射端9的內(nèi)側(cè)的、在第一方向上的入射端光束光斑半徑ω
文檔編號G02B1/02GK1906512SQ20048004072
公開日2007年1月31日 申請日期2004年12月10日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月22日
發(fā)明者浜田英伸 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社