DE10302338A1

DE10302338A1 - Optisches Element

Info

Publication number: DE10302338A1
Application number: DE10302338A
Authority: DE
Inventors: Shigeo Kittaka; Kazuaki Oya; Masatoshi Nara
Original assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Priority date: 2002-01-22
Filing date: 2003-01-22
Publication date: 2003-08-14
Also published as: JP2003215362A; US20030142385A1; FR2835064A1; US6825963B2; JP3979097B2

Abstract

Bei der Erfindung wird auf eine Erdoberfläche eines eindimensionalen photonischen Kristalls einfallendes Licht in der gleichen Periode und Richtung wie derjenigen des photonischen Kristalls phasenmoduliert, so dass es dadurch nur als Licht eines speziellen Bands höherer Ordnung in dem photonischen Kristall propagiert. Das heißt, eine Phasenmodulationseinheit zum Erzeugen einer phasenmodulierten Welle mit der gleichen Periode wie derjenigen der periodischen Struktur ist neben oder in der Nähe einer Lichteinfallsoberfläche der periodischen Struktur vorgesehen.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein optisches Element, das hauptsächlich für ein optisches Kommunikationssystem, ein optisches Messgerät oder ähnliches verwendet wird. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein optisches Element, das einen photonischen Kristall verwendet.
Es ist gut bekannt, dass ein photonischer Kristall mit einer Struktur, bei dem Dielektrika mit unterschiedlichem Brechungsindex periodisch unter Intervallen mit einer nahezu der Wellenlänge des Lichts gleichen Periode angeordnet sind, die folgenden charakteristischen Eigenschaften aufweist:

a) Begrenzung des Lichts aufgrund einer photonischen Bandlücke;
b) sehr große Wellenlängenstreuung aufgrund einer eindeutigen Bandstruktur; und
c) Abnormalität der Gruppengeschwindigkeit des propagierten Lichts.

Eine große Anzahl von optischen Elementen, die solche Eigenschaften verwenden, wurden vorgeschlagen oder untersucht.
Photonische Kristalle können in eindimensionale photonische Kristalle, zweidimensionale photonische Kristalle und dreidimensionale photonische Kristalle durch die Anzahl der Richtungen, die periodische Strukturen aufweisen, klassifiziert werden. Beispielsweise ist der einfachste eindimensionale photonische Kristall ein Filter, der so gebildet ist, dass zwei Arten von dünnen Filmen (z. B. SiO₂ Filme und TiO₂ Filme) wechselweise auf ein parallel ebenes Substrat laminiert werden. Der Filter ist bereits praktisch eingesetzt worden. Diese Struktur hat die Funktion, nur eingehendes Licht in einem speziellen Wellenlängenbereich zu reflektieren, da sie eine photonische Bandlücke in einer periodischen Richtung aufweist. Zusätzlich kann der Filter vorgesehen werden, um als ein Trennfilter für polarisiertes Licht zu wirken, da der Wellenlängenbereich der photonischen Bandlücke für schräg einfallendes Licht in Abhängigkeit von der Polarisationsrichtung variiert.
Eine Struktur, die durch Anwenden einer Photolithographietechnik so gebildet wird, dass Luftlöcher in dünnen Filmen auf einem Substrat angeordnet sind, wurde in großem Maß als zweidimensionaler photonischer Kristall untersucht. Wenn ein linearer Defekt in der Anordnung der Luftlöcher gebildet wird, kann der Bereich des linearen Defekts als optischer Wellenleiter vorgesehen werden.
Da ein räumlicher optischer Wellenleiter erreicht werden kann, wenn eine photonische Bandlücke in allen Richtungen im dreidimensionalen photonischen Kristall eingebracht wird, besteht die Erwartung, dass eine große Anzahl von optischen Elementen in einen etwa 1 mm Würfel integriert werden.
Unter dem eindimensionalen, dem zweidimensionalen und dem dreidimensionalen photonischen Kristall wurde der eindimensionale photonische Kristall nicht in so ausreichenden Maß wie der zweidimensionale und der dreidimensionale photonische Kristall untersucht, da die Möglichkeit, den besten Nutzen aus den Eigenschaften des eindimensionalen photonischen Kristalls zu ziehen, nahezu auf den beschriebenen Filter begrenzt ist, wenn auch der eindimensionale photonische Kristall einen großen Nutzen dadurch aufweist, dass der eindimensionale photonische Kristall einfach erzeugt werden kann. Die Eigenschaften (b) und (c) des eindimensionalen photonischen Kristalls können jedoch im ausreichenden Maß verwendet werden, wenn auch der eindimensionale photonische Kristall bezüglich der Eigenschaft (a) den zweidimensionalen und dreidimensionalen photonischen Kristallen unterlegen ist. Als Mittel, das die Eigenschaften (b) und (c) verwendet, gibt es ein Beispiel, bei dem eine Endfläche eines Mehrschichtfilms, d. h. eine Oberfläche, die eine exponierte Mehrschichtstruktur aufweist, als Lichteinfallfläche oder als Lichtausgangsfläche verwendet wird.
Beispielsweise wurde die theoretische Analyse von Richtungen der Lichtstrahlen, die auf einen Abschnitt eines geneigten Mehrschichtfilms einfallen, in Applied Physics B, Vol. 39, S. 231, 1986, beschrieben. Es wurde auch eine Technik zum Erhalten des gleichen Trenneffekts für polarisiertes Licht wie desjenigen eines doppelbrechenden Materials unter Verwendung der Eigenschaft (sogenannte strukturelle Doppelbrechung) eines Mehrschichtfilms beschrieben, bei dem der Brechungsindex des Mehrschichtfilms in großem Maß in Abhängigkeit von TE/TM polarisiertem Licht variiert, danach trachtend, polarisiertes Licht durch strukturelle Doppelbrechung zu trennen (Optics Letters Vol. 15, Nr. 9; S. 516, 1990). Es gibt einen weiteren Bericht, dass eine sehr große Streuung (Super-Prisma-Effekt) erhalten wird, da die Gestalt des ersten photonischen Bands eines periodischen Mehrschichtfilms linear in der Nähe einer Bandlücke ist ("International Workshop an Photonic and Electromagnetic Crystal Structures" Technical Digest, F1-3).
Nach der Untersuchung des Erfinders wurde ferner klargestellt, dass im wesentlichen senkrecht auf eine Endoberfläche eines Mehrschichtfilms einfallendes Licht in einer aperiodischen Richtung propagiert wird, so dass die Charakteristik des photonischen Kristalls herausgestellt werden kann. Gemäß der elektromagnetischen Wellensimulation und dem Experiment des Erfinders wird das Licht, wenn eine ebene Welle monochromatischen Lichts im wesentlichen senkrecht auf eine Endoberfläche eines eindimensionalen photonischen Kristalls einfallen gelassen wird (periodischer Mehrschichtfilm), das Licht in Wellen entsprechend einigen Bändern getrennt, so dass die Wellen durch den Mehrschichtfilm propagiert werden. Wenn die Wellenlänge des einfallenden Lichts im wesentlichen lang im Vergleich zu der Periode des Mehrschichtfilms ist, wird nur eine Welle entsprechend dem ersten Band (untenstehend als "Licht des ersten Bands" bezeichnet) propagiert. Wenn die Wellenlänge des einfallenden Lichts kürzer wird, beginnen Wellen höherer Ordnung, wie Licht des dritten Bands und Licht des fünften Bands, nacheinanderfolgend zu propagieren. Entsprechend propagiert ein Teil der Energie des einfallenden Lichts stets als Licht des ersten Bands, unabhängig von der Wellenlänge des einfallenden Lichts.
Das Licht des Bands höherer Ordnung, wie das Licht des Bands dritter Ordnung oder das Licht des Bands fünfter Ordnung, hat die Eigenschaften (b) und (c), wohingegen das Licht des Bands erster Ordnung die Eigenschaften (b) und (c) nicht aufweist. Entsprechend ist das Licht des ersten Bands verschwendetes Licht, das nahezu unnütz für ein optisches Element ist. Es besteht das Problem, dass das Licht ersten Bandes als Streulicht dient, was eine Verringerung eines S/N Verhältnisses des Elements bewirkt, ebenso wie dass das Licht des ersten Bands die Effizienz beim Verwenden des einfallenden Lichts verringert.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Die Erfindung wird vorgesehen, um dieses Problem zu lösen, und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein optisches Element vorzusehen, das Mittel aufweist, um nur ein spezifisches Licht eines Bands höherer Ordnung durch den photonischen Kristall zu propagieren.
Für die Erfindung wird auf eine Endoberfläche des eindimensionalen photonischen Kristalls einfallendes Licht in der gleichen Periode und Richtung wie denjenigen des photonischen Kristalls phasenmoduliert, um dadurch nur spezielles Bandlicht höherer Ordnung durch den photonischen Kristall zu propagieren. Oder es wird Licht, das von einer Endfläche des photonischen Kristalls ausgeht, phasenmoduliert, so dass es in eine ebene Welle konvertiert wird.
Dies wird durch die folgenden Mittel erreicht.
Ein optisches Element gemäß der Erfindung umfasst eine Mehrschichtstruktur, die eine Wiederholung einer periodischen Struktur als mindestens ein wiederholbares Gebiet einer vorbestimmten Periode umfasst, wobei eine Endoberfläche der Mehrschichtstruktur im wesentlichen senkrecht zu den Schichtoberflächen der Mehrschichtstruktur als Lichteinfallsfläche verwendet wird. Das wie oben beschrieben konfigurierte optische Element weist ferner eine Phasenmodulationseinheit auf (Mittel zur Phasenmodulation), die neben oder in der Nähe der Lichteingangsfläche angebracht ist, um eine phasenmodulierte Welle zu erzeugen, die die gleiche Periode wie die Periode der periodischen Struktur in einer Laminierungsrichtung der Mehrschichtstruktur aufweist.
Vorzugsweise wird eine Endoberfläche der Mehrschichtstruktur im wesentlichen senkrecht zu den Schichtoberflächen der Mehrschichtstruktur und gegenüber der Lichteingangsfläche als Lichtausgangsfläche verwendet, und das optischen Element weist ferner eine Phasenmodulationseinheit auf, die neben oder in der Nähe der Lichtausgangsfläche angebracht ist, um ausgehendes Licht der Mehrschichtstruktur im wesentlichen in eine ebene Welle zu konvertieren.
Die periodische Struktur kann als eindimensionaler photonischer Kristall angesehen werden. Die phasenmodulierte Welle wird auf eine solche Weise erzeugt, dass eine Welle, die zu einem einzigen assoziativen photonischen Batid außer dem Band niedrigster Ordnung gehört, hauptsächlich in einer Richtung senkrecht zur periodischen Richtung propagiert wird und die periodische Struktur nicht enthält.
Bei dem optischen Element gemäß der Erfindung wird eine ebene Welle von der Außenseite der Mehrschichtstruktur in eine phasenmodulierte Welle durch die Modulationseinheit konvertiert, so dass die phasenmodulierte Welle in die Mehrschichtstruktur eingebracht wird. Die Phasenmodulationseinheit wird entweder durch ein Phasengitter, das die gleiche Periode wie diejenigen der periodischen Struktur aufweist, oder durch ein optisches System gebildet, um mehrere Lichtstrahlen ebener Welle der gleichen Frequenz miteinander interferieren zu lassen. Vorzugsweise sind das Phasengitter und die periodische Struktur integriert. Das Phasengitter kann als ein Teil der Mehrschichtstruktur getrennt durch eine Nut, die in der Nähe von entweder der Lichteingangsendfläche oder der Lichtausgangsendfläche der Mehrschichtstruktur gebildet ist, gebildet sein. Die auf der Lichtausgangsseite angebrachte Phasenmodulationseinheit kann auf die gleiche Weise wie oben beschrieben gebildet sein.
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf den Gegenstand der japanischen Patentanmeldung Nr. 2002-12334 (eingereicht am 22. Januar 2002), der hier ausdrücklich unter Verweis in seiner Gesamtheit eingeschlossen ist.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine typische Ansicht, die die Propagation von Licht in einem periodischen Mehrschichtfilm darstellt.
Fig. 2 ist ein Diagramm, das eine periodische Bandstruktur (TE polarisiertes Licht) des periodischen Mehrschichtfilms zeigt.
Fig. 3 ist ein Diagramm, das eine periodische Bandstruktur (TM polarisiertes Licht) des periodischen Mehrschichtfilms zeigt.
Fig. 4 ist eine Ansicht, die die Propagation von Licht in einem periodischen Mehrschichtfilm zeigt, der zwischen zwei Arten von homogenen Medien liegt.
Fig. 5 ist eine typische Ansicht, die ein elektrisches Feld aufgrund eines propagierenden Lichts des ersten Bandes zeigt.
Fig. 6 ist eine typische Ansicht, die ein elektrisches Feld aufgrund eines propagierenden Lichts des dritten Bandes zeigt.
Fig. 7 ist eine typische Ansicht, die Licht zeigt, das in einem periodischen Mehrschichtfilm propagiert, in dem Fall, in dem ein Phasengitter vorgesehen ist.
Fig. 8 ist eine typische Ansicht, die in einem periodischen Mehrschichtfilm propagierendes Licht in dem Fall zeigt, in dem Phasengitter auf sowohl der Eingangsseite als auch der Ausgangsseite jeweils vorgesehen sind.
Fig. 9 ist eine typische Ansicht eines Phasengitters, das auf der Eingangsseite angebracht ist.
Fig. 10 ist eine typische Ansicht, die in einem periodischen Mehrschichtfilm propagierendes Licht in dem Fall zeigt, in dem die Interferenzwelle, die durch zwei ebene Wellen gebildet wird, als Eingangslicht verwendet wird.
Fig. 11 ist eine typische Ansicht, die in einem periodischen Mehrschichtfilm propagierendes Licht für den Fall zeigt, in dem eine Interferenzwelle, die durch drei ebene Wellen gebildet wird, als Eingangslicht verwendet wird.
Fig. 12 ist eine typische Ansicht der Phasengitter, die auf sowohl der Eingangsseite als auch der Ausgangsseite jeweils angebracht sind.
Fig. 13 ist eine Ansicht, die das Ergebnis einer Simulation im Berechnungsbeispiel zeigt.
Fig. 14 ist eine Ansicht, die ein Ergebnis der Simulation im Berechtigungsbeispiel 1 als Referenz zeigt.
Fig. 15 ist eine Ansicht, die ein Ergebnis einer Simulation im Berechnungsbeispiel 2 zeigt.
Fig. 16 ist eine Ansicht, die ein Ergebnis einer Simulation im Berechnungsbeispiel 3 zeigt.
Fig. 17 ist eine Ansicht, die ein Ergebnis einer Simulation im Berechnungsbeispiel 4 zeigt.
Fig. 18 ist eine Ansicht, die ein Ergebnis einer Simulation im Vergleichsberechnungsbeispiel 4 als Referenz zeigt.
Fig. 19 ist eine Ansicht, die ein Ergebnis einer Simulation in ebenen Wellen, die einander kreuzen, zeigt.
Fig. 20 ist eine Ansicht, die ein Ergebnis einer Simulation im Berechnungsbeispiel 5 zeigt.
Fig. 21 ist eine Ansicht, die ein Ergebnis einer Simulation im Berechnungsbeispiel 6 zeigt.
Fig. 22 ist eine Ansicht, die ein Ergebnis einer Simulation im Vergleichs-Berechnungsbeispiel 6 als Referenz zeigt.
Fig. 23 ist eine typische Ansicht, die eine Demultiplex/Multiplexeinrichtung als Anwendungsbeispiel der Erfindung zeigt.
Fig. 24 ist eine typische Ansicht, die eine Streuungskompensiereinrichtung als Anwendungsbeispiel der Erfindung zeigt.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

Ausführungsformen der Erfindung werden unten im einzelnen beschrieben.
Fig. 1 ist eine typische Querschnittsansicht, die einen periodischen Mehrschichtfilm zeigt, der eine Basisstruktur gemäß der Erfindung bildet. Ein periodischer Mehrschichtfilm 1 ist auf einer Oberfläche eines parallelebenen Substrats 2 (aus einem Medium M₂ gefertigt) gebildet. Beispielsweise hat der Mehrschichtfilm eine Struktur mit einer Periode a (= t_A + t_B), die so gebildet ist, dass eine Substanz A mit einer Dicke t_A (Brechungsindex n_A) und eine Substanz B mit einer Dicke t_B (Brechungsindex n_B) wechselweise laminiert sind. Eine Oberfläche des Mehrschichtfilms grenzt an ein Medium M₁ (Luft im Fall von Fig. 1).
Wenn ein Lichtstrom 3 mit einer Wellenlänge λ₀ in einem Vakuum auf eine Endfläche 1a des periodischen Mehrschichtfilms in Fig. 1 einfallen gelassen wird, wird analysiert, wie das Licht in dem Mehrschichtfilm propagiert. Es ist durch die Analyse herausgefunden werden, dass der periodische Mehrschichtfilm als sogenannter photonischer Kristall wirkt, so dass das propagierte Licht eine eindeutige Wirkung in einem vorbestimmten Zustand ausübt.
Die Charakteristik des propagierenden Lichts in einem photonischen Kristall kann erfasst werden, wenn photonische Bänder berechnet und entschlüsselt werden. Beispielsweise ist ein Verfahren zum Berechnen der Bänder im einzelnen in "Photonic Crystals", Princeton University Press (1995) oder in Physical Review B Vol. 44, Nr. 16, Seite 8565, 1991; beschrieben worden.
Es wird angenommen, dass der in Fig. 1 gezeigte Mehrschichtfilm eine in Y Richtung unendlich fortgesetzte periodische Struktur (Laminierrichtung) aufweist und sich in X und Z Richtungen (Ausbreitungsrichtungen der Schichtoberflächen) unendlich fortsetzt. Fig. 2 und 3 zeigen ein erstes, zweites und drittes Band des TE polarisierten Lichts (Fig. 2) und des TM polarisierten Lichts (Fig. 3), das in der Z-Achsenrichtung (oder der X-Achsenrichtung) durch ein ebenes Wellenverfahren berechnet wurde, in dem Fall, in dem eine Mehrschichtstruktur mit einer Periode a bei der die Schichten die folgenden Brechungsindizes n_A und n_B aufweisen, wechselweise laminiert sind.

n_A = 1,44 (t_A = 0,5a)
n_B = 2,18 (t_B = 0,5a).
Hier bedeutet der Ausdruck "TE polarisiertes Licht" polarisiertes Licht in dem Fall, in dem die Richtung des elektrischen Felds die X-Achsenrichtung ist, wohingegen der Ausdruck "TM polarisiertes Licht" polarisiertes Licht in dem Fall bedeutet, in dem die Richtung des magnetischen Felds die X-Achsenrichtung ist.
In jeder der Fig. 2 und 3 zeigt die horizontale Achse die Größe eines Wellenvektors kz in der Z-Achsenrichtung und die vertikale Achse die standardisierte Frequenz:

ωa/2πc

wobei ω die Winkelfrequenz des eingehenden Lichts ist, a die Periode der Struktur ist und c die Geschwindigkeit des Lichts im Vakuum ist.
Die standardisierte Frequenz kann auch durch a/λ₀ angegeben sein, wobei λ₀ die Wellenlänge des eingehenden Lichts in Vakuum ist. Die standardisierte Frequenz wird untenstehend als a/λ₀ bezeichnet. Da keine Periodizität in der Z-Achsenrichtung vorhanden ist, setzt sich eine Brillouin Zone unendlich ohne jede Grenze in der horizontale Achse in jeder der Fig. 2 und 3 fort.
Wie es in Fig. 2 gezeigt ist, ist ein Wellenvektor k_A1 entsprechend dem ersten Band in dem photonischen Kristall vorhanden, wenn die Wellenlänge des eingehenden Lichts im Vakuum λ_A ist. Mit anderen Worten wird eine Welle mit der folgenden Wellenlänge (untenstehend als "Licht ersten Bandes" bezeichnet) durch den photonischen Kristall in der Z-Achsenrichtung fortgesetzt:

λ_A1 = 2π/k_A1
Auf der anderen Seite, wenn die Wellenlänge des eingehenden Lichts in Vakuum λ_B ist, sind Vektoren k_B1 und k_B3 entsprechend dem ersten und dritten Band vorhanden. Das zweite Band wird nicht betrachtet, da es "dissoziativ" ist. Entsprechend wird das Licht ersten Bandes mit einer Wellenlänge λ_B1 = 2π/k_B1 und eine Welle mit einer Wellenlänge λ_B3 = 2π/k_B3 (untenstehend als "Licht dritten Bandes" bezeichnet) durch den photonischen Kristall in der Z-Achsenrichtung propagiert. Dabei ist die Theorie der dissoziativen Bänder (dissociative bands) im einzelnen in dem Paper: K. Sakoda "Optical Properties of Phonic Crystals", Springer Verlag, 2001, beschrieben.
Dabei ist ein numerischer Wert, der durch Dividieren einer Wellenlänge (λ_A, λ_B, usw.) in einem Vakuum durch eine korrespondierende Wellenlänge (λ_A1, λ_B1, usw.) in einem photonischen Kristall erhalten wird, als "effektiver Brechungsindex" definiert. Wie es aus Fig. 3 zu erkennen ist, ist der effektive Brechungsindex für das Licht ersten Bandes näherungsweise unverändert unabhängig vdn der Änderung von λ₀, da a/λ₀ (die vertikale Achse) nahezu proportional zu kz (die horizontale Achse) ist. Der effektive Brechungsindex für das Licht dritten Bandes variiert jedoch in breitem Maß in Abhängigkeit von λ₀, so dass der effektive Brechungsindex geringer als 1 werden kann, wie es aus Fig. 2 und 3 deutlich wird.
Fig. 4 zeigt das propagierende Licht des dritten Bandes (effektiver Brechungsindex: n₃) in der Z-Achsenrichtung und Medien M₁ (Brechungsindex n₁) und M₂ (Brechungsindex n₂), die an gegenüberliegende Oberflächen der periodischen Mehrschichtstruktur grenzen, in dem Fall, in dem das eingehende Licht bei einer Wellenlänge λ₀ in eine Endoberfläche der periodischen Mehrschichtstruktur senkrecht eindringt. Unter der Annahme, dass n₃ größer als n₁ und n₂ ist, kann das propagierende Licht des dritten Bandes im Inneren des Mehrschichtfilms durch Totalreflexion an den Schnittstellen eingegrenzt werden, so dass das propagierende Licht des dritten Bandes nicht aus den M₁ und M₂ Seiten läuft, sondern in dem Mehrschichtfilm propagiert.
Obwohl das Licht ersten Bands eine Wellenlängenstreuung im gleichen Maß wie in einem allgemeinen homogenen Medium mit sich bringt, weist das Licht des dritten Bandes eine sehr große Wellenlängenstreuung auf, weil der effektive Brechungsindex des Licht dritten Bandes im großen Maß in Abhängigkeit von der Wellenlänge des eingehenden Lichts wie oben beschrieben variiert. Dies ist eine Art von sogenanntem Superprismaeffekt. Der Superprismaeffekt wurde in Physical Review B, Vol. 58, Nr. 16, S. R10096, 1998, vorgeschlagen.
Das vierte Band oder ein Band höherer Ordnung weist eine große Wellenlängenstreuung auf, auch wenn es nicht dargestellt ist. Ein Band niedriger Ordnung, wie das zweite Band oder das dritte Band wird jedoch vorzugsweise verwendet, da die Anzahl von "Knoten", die später beschrieben werden, im Band höherer Ordnung zunimmt. Da es jedoch unmöglich ist, irgendein "dissoziatives" Band wie oben beschrieben zu verwenden, ist das bevorzugte Band ein "zweites assoziatives Band vom Band niedrigster Ordnung". In Fig. 2 und 3 entspricht das dritte Band dem zweiten assoziativen Band. In Abhängigkeit von der Mehrschichtstruktur kann das zweite Band dem zweiten assoziativen Band entsprechen.
Da eine sogenannte "Abnormalität der Gruppengeschwindigkeit im photonischen Kristall" im propagierenden Licht des dritten Bandes auftritt, besteht die Erwartung, dass eine Funktion des Erhöhens eines nicht linearen Effekts vorgesehen wird. Da die Abnormalität der Gruppengeschwindigkeit im ersten Band kaum auftritt, wird es in diesem Hinblick bevorzugt, dass das dritte Band verwendet wird (siehe Optical Society of Japan, the 27^th Winter Meeting Document, Seiten 41-53, 2001).
Da der in Fig. 1 dargestellte periodische Mehrschichtfilm einen großen Unterschied zwischen der Struktur in der X-Achsenrichtung und der Struktur in der Y-Achsenrichtung aufweist, nimmt der effektive Brechungsindex einen Wert an, der in Abhängigkeit von der Richtung der Polarisation variiert. Dies ist aus der Tatsache erkennbar, dass der Graph des TE polarisierten Lichts in Fig. 2 sich vom Graph des TM polarisierten Lichts in Fig. 3 unterscheidet. Entsprechend hat im periodischen Mehrschichtfilm propagierendes Licht eine Funktion des Trennens von polarisiertem Licht. Beispielsweise kann der periodische Mehrschichtfilm so verwendet werden, dass sowohl eine Demultiplexierung als auch eine Trennung von polarisiertem Licht gemäß den Wellenlängen gleichzeitig durchgeführt werden können. Entsprechend können Funktionen, wie sie durch eine Kombination eines Diffraktionsgitters und eine Trennelements für polarisiertes Licht vorgesehen werden, durch ein einziges Element erreicht werden, so dass ein optisches System vereinfacht werden kann.
Im Fall des eindimensionalen photonischen Kristalls ist jedoch die Differenz zwischen TE und TM in einem Band hoher Ordnung (zweite Ordnung oder höhere Ordnung) in einem Gebiet, in dem kz klein ist (in einem Gebiet in der Nähe der vertikalen Achse in Fig. 2 und 3) sehr klein, so dass die Polarisationscharakteristika in diesem Gebiet im wesentlichen vernachlässigt werden können.
Wie oben beschrieben, ist das optische Element, das das propagierende Licht es dritten Bandes verwendet, sehr nützlich. Wie es aus Fig. 2 und 3 deutlich ist, propagiert das Licht ersten Bandes jedoch stets, wenn das Licht dritten Bandes propagiert. Da das propagierende Licht des ersten Bands eine geringe Wirkung bezüglich einer "sehr großen Wellenlängendispersion" oder einer "Abnormalität der Gruppengeschwindigkeit" wie oben beschrieben aufweist, ist das Licht des ersten Bandes nichts außer Verlust, wenn das propagierende Licht dritten Bandes verwendet wird. Das Licht ersten Bandes liefert Streulicht, was eine Verringerung des S/N Verhältnisses des Elements bewirkt, ebenso wie eine große Verringerung in der Effizienz bei der Verwendung von einfallender Lichtenergie.
Gemäß der Untersuchung der Erfinder ist jedoch bekannt, dass nur das Licht dritten Bandes durch den periodischen Mehrschichtfilm propagiert werden kann, wenn das einfallende Licht phasenmoduliert ist.
Fig. 5 und 6 zeigen typischerweise die Intensität des elektrischen Felds aufgrund des propagierende Licht ersten Bandes und des propagierenden Lichts dritten Bandes in der Z-Achsenrichtung in einem periodischen Mehrschichtfilm (Periode a), der als ein Laminat von wechselweisen Substanzen A und B vorgesehen wird. In Fig. 5 und 6 zeigen die durchgezogenen Linien die Spitzen des elektrischen Felds, die gepunkteten Linien zeigen Tiefen des elektrischen Felds und die Dicke jeder Linie zeigt die Größe der Amplitude.
In bezug auf das propagierende Licht ersten Bandes ist, wie es in Fig. 5 dargestellt ist, die Amplitude des elektrischen Felds im Medium A anders als im Medium B, wobei jedoch Spitzen und Tiefen des elektrischen Felds in jeweiligen Ebenen senkrecht zur Z-Achse gebildet sind. Somit propagiert das propagierende Licht ersten Bandes nahezu als ebene Welle.
In bezug auf das propagierende Licht dritten Bandes werden jedoch, wie es in Fig. 6 gezeigt ist, "Knoten" erzeugt, in denen die Amplitude des elektrischen Felds Null ist, so dass eine Periode in zwei Gebiete geteilt wird. Da sich benachbarte Gebiete in der Phase der Welle um eine halbe Wellenlänge unterscheiden, treten Spitzen und Tiefen wechselweise auf. Im propagierenden Licht, das auf ein Band höherer Ordnung zurückgeht, nimmt, wenn es auch nicht dargestellt ist, die Anzahl der Knoten in einer Periode zu, so dass der Versatz um eine halbe Wellenlänge mehrfach in einer Periode auftritt.
Entsprechend überlappen zwei Arten von propagierendem Licht aufgrund des eingehenden Lichts bei einer Wellenlänge (z. B. λ_B in Fig. 2), die zum sowohl dem ersten als auch dem dritten Band gehören, einander, so dass ein komplexes elektrisches Feldmuster, wie es in Fig. 14 gezeigt ist, dargestellt wird.
Wenn dabei eine ebene Welle 7 in ein Phasengitter 6 als Phasenmodulationseinheit zum Erzeugen einer Differenz einer halben Wellenlänge in einer Periode a in der Y-Achsenrichtung, wie es in Fig. 7 gezeigt ist, eingebracht wird, kann ein elektrisches Feldmuster ähnlich demjenigen des propagierenden Lichts dritten Bandes in Fig. 6 in einem Raum 8 erzeugt werden. Es wurde aus der Simulation der Erfinder deutlich, dass nur das propagierende Lichts dritten Bandes ohne Erzeugung des propagierenden Licht ersten Bandes gebildet werden kann, wenn eine Endfläche eines periodischen Mehrschichtfilms in diesem Raum 8 angebracht ist. Die Tatsache, dass "nur propagierendes Licht, das zu einem speziellen Band höherer Ordnung gehört, erreicht werden kann, wenn eine geeignete phasenmodulierte Welle mit einer Periode a in der periodischen Richtung eines Mehrschichtfilms mit einer Periode a in den Mehrschichtfilm eingebracht wird", kann aus diesem Ergebnis verallgemeinert werden. Es ist auch offensichtlich, dass, wenn man annimmt, dass der optische Weg umgekehrt ist, das propagierende Licht dritten Bandes wieder in eine ebene Welle umgesetzt werden kann, nachdem das propagierende Licht dritten Bandes aus einer Endfläche des Mehrschichtfilms austritt, wenn eine geeignete Phasenmodulationseinheit auf der Endflächenseite vorgesehen wird (siehe Fig. 8).
Der Aufbau der Phasenmodulationseinheit wird unten genauer beschrieben.
Die einfachste Phasenmodulationseinheit ist ein Phasengitter, das die gleiche Periode wie diejenige des periodischen Mehrschichtfilms aufweist. Beispielsweise kann das Phasengitter, wie es in Fig. 9 dargestellt ist, angebracht sein. Gemäß der Simulation der Erfinder ist es nötig, die Charakteristik der Phasenmodulation (wie die Werte der Dicken t_C, t_D, L, G, usw. in Fig. 9) in Abhängigkeit von der Charakteristik des periodischen Mehrschichtfilms, d. h. dem Dickenverhältnis der Schichten, den Brechungsindizes der Schichten, und so weiter, zu optimieren (siehe Berechnungsbeispiele, die später beschrieben werden). Da die Phasenmodulation mit der Periode des Mehrschichtfilms synchronisiert werden muss, ist es nötig, die folgenden Bedingungen zu erfüllen:

1. t_A + t_B = t_C + t_D;
2. die Y-Richtungsmitte es Mediums A soll mit der Y-Richtungsmitte des Mediums C zusammenfallen; und
3. die Y-Richtungsmitte des Mediums B soll mit der Y-Richtungsmitte des Mediums D zusammenfallen.

Da die Lücke zwischen dem Phasengitter und dem periodischen Mehrschichtfilm auch einen Einfluss auf das propagierende Licht hat, muss die Lücke so gewählt werden, dass sie in einem optimalen Bereich ist. Wenn die Periode a des Mehrschichtfilms nicht größer als die Wellenlänge λ₀ von Licht in einem Vakuum ist, kann gebeugtes Licht der Größenordnung von ±1 durch das Phasengitter nicht propagieren, wenn die Lücke zwischen dem Phasengitter und dem periodischen Mehrschichtfilm als Luftschicht vorgesehen wird. Als Folge nimmt die Menge von reflektiertem Licht zu. Um den Anstieg der Menge des reflektierten Lichts zu verhindern, kann ein Verfahren verwendet werden, das die Lücke mit einem Medium füllt, das einen hohen Brechungsindex aufweist. Insbesondere wird es bevorzugt, das Verhältnis zu erfüllen:

λ₀/n_G < a,

wobei n_G der Brechungsindex des Mediums ist, mit dem die Lücke gefüllt wird.
Bei der praktischen Verwendung der Erfindung kann man an ein Verfahren denken, bei dem eine Nut in der Nähe einer Endfläche des periodischen Mehrschichtfilms gebildet ist, so dass ein Teil des Mehrschichtfilms als Phasengitter wie er ist verwendet werden kann. In diesem Fall müssen sowohl die Dicke des Phasengitters als auch die Breite der Nut so justiert werden, dass nur das Licht des dritten Bandes propagieren kann. Dabei kann die Nut als Luftschicht vorgesehen werden oder mit einem homogenen Medium gefüllt sein.
Ein Verfahren, das die Interferenz von mehreren Wellenflächen verwendet, kann auch zum Erzeugen der phasenmodulierten Welle verwendet werden. Wenn zwei ebene Wellen, die zueinander kohärent sind, einander zum Kreuzen gebracht werden, wie es in Fig. 10 dargestellt ist, wird eine stationäre Welle durch Interferenz erzeugt. Somit kann der Bereich der stationären Welle als phasenmodulierte Welle vorgesehen werden. Die Y-Richtungsperiode der phasenmodulierten Welle kann durch den Kreuzungswinkel der zwei ebenen Wellen justiert werden.
Wenn eine dritte ebene Welle den zwei ebenen Wellen, wie es in Fig. 11 dargestellt ist, zugefügt wird, kann die phasenmodulierte Welle feinjustiert werden, so dass sie dem Mehrschichtfilm entspricht. Da es jedoch in der Praxis schwierig ist, die drei ebenen Wellen zu justieren, ist es offensichtlich, dass die Verwendung von Interferenz von zwe i ebenen Wellen einfach und unschwer ist, wie es in Fig. 10 gezeigt ist. Entsprechend wird die Struktur der periodischen Mehrschichtfilms vorzugsweise so justiert, dass die Interferenzwelle aufgrund von zwei ebenen Wellen dem Propagationszustand des dritten Bands des Mehrschichtfilms entsprechen kann.
Der periodische Strukturbereich der Mehrschichtstruktur gemäß der Erfindung ist nicht auf die Konfiguration der zwei Arten von Substanzen beschränkt, wie es in Fig. 1 gezeigt ist. Drei oder mehr Arten von Substanzen können verwendet werden. Es ist jedoch nötig, dass der Brechungsindex und die Dicke jeder Schicht eine vorbestimmte Periode aufweisen. Der Bereich der periodischen Struktur wird im allgemeinen durch ein Laminat mit m Arten von Substanzen gebildet (wobei m eine natürliche Zahl ist). Unter der Annahme, dass die Substanzen 1, 2, . . . , m eine Periode bilden, sind jeweils n₁, n₂, . . ., n_m die Brechungsindizes der Substanzen 1, 2, . . ., m und t₁, t₂, . . ., t_m jeweils die Dicken der Substanzen 1, 2, . . ., m. Der durchschnittliche Brechungsindex n_M pro Periode der Mehrschichtstruktur in bezug auf die verwendete Wellenlänge λ wird durch den Ausdruck definiert:

n_M = (t₁.n₁ + t₂.n₂ + . . . + t_m.n_m)/a,

wobei a eine Periode ist, die durch den Ausdruck dargestellt wird:

a = t₁ + t₂ + . . . + t_m.
Es ist kein Band außer dem ersten Band vorhanden (siehe Fig. 2 und 3), wenn der durchschnittliche Brechungsindex n_M des periodischen Strukturbereichs ungefähr die Relation erfüllt:

a/λ₀ ≤ 0,5/n_M.
Um das Band zweiter Ordnung oder höherer Ordnung zu verwenden, ist es daher nötig, dass die Periode a der Mehrschichtstruktur und die verwendete Wellenlänge λ₀ das Verhältnis erfüllen:

λ₀/2n_M≤ a.
Wenn die Periode a kleiner als der Bereich der Bedingung ist, wird die Charakteristik der Mehrschichtstruktur ähnlich derjenigen eines homogenen Mediums, das den durchschnittlichen Brechungsindex aufweist, da kein Licht außer dem Licht des ersten Bandes propagieren kann.
Die Materialien des Mehrschichtfilms, die für die Erfindung verwendet werden, sind nicht besonders begrenzt, solange Transparenz in dem verwendeten Wellenlängenbereich sichergestellt werden kann. Die bevorzugten Materialien sind Quarz, Silikon, Titanoxid, Tantaloxid, Nioboxid, Magnesiumfluorid usw., die im allgemeinen als Materialien für einen Mehrschichtfilm verwendet werden und herausragend hinsichtlich der Dauerhaftigkeit und der Kosten zum Ausbilden des Films sind. Diese Materialien können zum Ausbilden des Mehrschichtfilms in einfacher Weise durch ein gut bekanntes Verfahren, wie Sputtern, die Vakuumdampfdeposition, die ionenunterstützte Dampfdeposition oder Plasma CVD verwendet werden.
Da die Wellenlängendispersion oder ähnliches die Tendenz hat, zuzunehmen, wenn das Brechungsindexverhältnis des Mehrschichtfilmmaterials größer wird, wird es bevorzugt, dass ein Material mit hohem Brechungsindex und ein Material mit niedrigem Brechungsindex in Kombination verwendet werden, für eine Anwendung, die solche Charakteristika verlangt. Wenn beispielsweise Luft (Brechungsindex n = 1) und InSb (Brechungsindex n = 4,21) als Material mit niedrigem Brechungsindex und Material mit hohem Brechungsindex jeweils verwendet werden, kann ein Brechungsindexverhältnis, das nicht niedriger als 4 ist, in der Praxis erreicht werden (siehe "Micro-Optics Handbook", Seite 224, 1995, ASAKURA SHOTEN).
Da der Charakteristikunterschied aufgrund der Richtung der Polarisation dazu neigt abzunehmen, wenn das Brechungsindexverhältnis des Mehrschichtfilmmaterials niedriger wird, ist eine Kombination mit niedrigem Brechungsindexverhältnis ebenfalls zum Erreichen einer Unabhängigkeit der Polarisation nützlich. Die Modulierungsfunktion wird jedoch geschwächt, so dass die erwartete Funktion nicht erfüllt werden könnte, wenn das Brechungsindexverhältnis zu niedrig ist. Somit wird es bevorzugt, dass ein Brechungsindexverhältnis von nicht weniger als 1,2 sichergestellt wird.
Die in der Nähe einer Endoberfläche des Mehrschichtfilms vorgesehene Nut kann durch das folgende allgemeine Verfahren erzeugt werden, nachdem der Mehrschichtfilm laminiert ist. Aufbringen einer Resistschicht → Mustern → Ätzen → Entfernen der Resistschicht.
Luft oder Vakuum in dem Nutbereich kann als Material mit niedrigem Brechungsindex verwendet werden oder der Nutbereich kann mit einem Medium gefüllt sein. Als das Material des Füllmediums kann ein organisches Harz, ein Glasmaterial im Sol-Zustand, oder ein geschmolzenes Halbleitermaterial verwendet werden. Das Glasmaterial im Sol-Zustand kann geliert und dann erwärmt sein, so dass es als transparentes Glas vorgesehen wird.
Wenn die Materialien geeignet ausgewählt werden, kann die Funktion der Erfindung in einem Wellenlängenbereich von etwa 200 nm bis etwa 20 µm, der im allgemeinen verwendet wird, erfüllt werden.
Die einfachste Struktur des Mehrschichtfilms ist eine Struktur, bei der zwei Schichten, die physikalisch gleich in der Dicke zueinander sind, in einer Periode vorgesehen werden. Der durchschnittliche Brechungsindex und die Bandstruktur können justiert werden durch:
(1) Ändern des Dickenverhältnisses der zwei Schichten;
(2) Verwenden von drei oder mehreren Schichten; oder
(3) Verwenden von drei oder mehr Arten von Filmmaterialien, so dass sie zur Verbesserung der Dispersionscharakteristika, der Polarisationscharakterisika, der Effizienz der Verwendung des einfallenden Lichts usw. nützlich sind.
Selbst in dem Fall, in dem der Brechungsindex jeder der Schichten, die den Mehrschichtfilm bilden, sich kontinuierlich verändert, ist die Charakteristik nahezu unverändert, wenn die Brechungsindexdifferenz sichergestellt werden kann.
Das Material des Substrats für den Mehrschichtfilm ist nicht besonders begrenzt, wenn der Brechungsindex des Materials in einem Bereich ist, der keinen Leckstrom von propagierendem Licht zulässt. Beispiele des vorzugsweise verwendeten Materials sind Natronkalkglas, optisches Glas, Quarz, Silikon und eine Halbleiterverbindung, wie Galliumarsenid. Wenn die Einschränkung aufgrund von Temperaturcharakteristika oder ähnlichem gering ist, kann ein Kunststoffmaterial als Substratmaterial verwendet werden.
Eine sogenannte Luftbrückenstruktur, die lediglich durch den Mehrschichtfilm ohne Verwendung von jedem Substrat gebildet wird, kann verwendet werden.
Die Propagation im Inneren des eindimensionalen photonischen Kristalls kombiniert mit einem Phasengitter wird durch ein Finite-Elemente-Verfahren simuliert und das Ergebnis der Simulation wird unten beschrieben. Das verwendete Softwareprogramm ist JMAG, das durch THE JAPAN Research Institute Limited, erzeugt wurde.
Das verwendete Berechnungsmodell ist in Fig. 9 dargestellt. Der eindimensionale photonische Kristall weist eine Struktur auf, bei dem homogene Medien A und B wechselweise unter Intervallen einer Periode a laminiert sind. Die Schichten des Mediums A haben eine Gesamtdicke von t_A.a. Die Schichten des Mediums B haben eine Gesamtdicke von t_B.a. Die Brechungsindizes der Medien A und B sind n_A bzw. n_B. Das Phasengitter ist so angebracht, dass es mit einer Lücke G von einem vertikalen Abschnitt des photonischen Kristalls getrennt ist. Die Lücke zwischen dem photonischen Kristall und dem Phasengitter ist mit einem homogenen Medium mit einem Brechungsindex n_G gefüllt.
Die Periode des Phasengitters, das durch Medien C und D gebildet wird, ist die gleiche wie diejenige des photonischen Kristalls. Die Schichten des Mediums C haben eine Gesamtdicke von t_C.a. Die Schichten des Mediums D haben eine Gesamtdicke von t_D.a. Die Brechungsindizes der Medien C und D sind n_C und bzw. n_D. Das Phasengitter hat eine Länge L in der Z-Achsenrichtung.
Ein Raum mit einem Brechungsindex n_S ist links vom Phasengitter vorgesehen. Eine ebene Welle (linear polarisierte Welle) mit einer Wellenlänge λ₀ im Vakuum wird in das Phasengitter von diesem Raum senkrecht eingebracht.
Das in Fig. 12 gezeigte Berechnungsmodell wird verwendet, wenn ein Phasengitter, das gleich ist wie in Fig. 9, auch auf der Ausgangsseite vorgesehen ist.

Berechnungsbeispiel 1

Die in Fig. 9 gezeigte Struktur wurde einer elektromagnetischen Wellensimulation mit folgender Bedingung unterworfen. In den folgenden Berechnungsbeispielen und Vergleichsbeispielen sind alle Längen mit Referenz zur Periode a standardisiert.

(Periode) a
(Medium A) Dicke t_A = 0,50a, Brechungsindex n_A = 1,44
(Medium B) Dicke t_B = 0,50a, Brechungsindex n_B = 1,00
(Medium C) Dicke t_C = 0,50a, Brechungsindex n_C = 1,44
(Medium D) Dicke t_D = 0,50a, Brechungsindex n_D = 1,00
(Länge des Phasengitters) L = 0,803a
(Gap) G = 1,00a, nG = 1,00
(Raum) n_S = 1,00
(Wellenlänge im Vakuum) λ₀ = 0,7072a, TE polarisiertes Licht (die Richtung des elektrischen Felds war in der X-Achsenrichtung).
Dabei wurde die Berechnung in einem endlichen Bereich durchgeführt. Die Dicke von sowohl dem Mehrschichtfilm 1 als auch dem Phasengitter 6 wurde so festgelegt, dass sie 11 Perioden entspricht. Die Breite des einfallenden Lichts 7 wurde so festgelegt, dass sie acht Perioden entspricht.
Als Ergebnis der Simulation ist eine Verteilung der Intensität des elektrischen Felds in Fig. 13 dargestellt. Das elektrische Feld gibt eine Propagation einer knotenförmigen Welle (propagierendes Licht des dritten Bands) an, außer an den oberen und unteren Endbereichen, an denen die Periodizität ungeordnet ist.

Vergleichs-Berechnungsbeispiel 1

Zum Vergleich wurde eine elektromagnetische Wellensimulation in dem Fall ausgeführt, in dem das Phasengitter aus der in Berechnungsbeispiel 1 beschriebenen Konfiguration entfernt wurde.
Die Intensitätsverteilung des elektrischen Felds ist in Fig. 14 dargestellt. Es ist aus dem Vergleich mit Fig. 13 offensichtlich, dass das Licht des ersten Bands mit kurzer Periode ebenfalls propagiert, so dass es mit dem Licht des dritten Bands überlappt.

Berechnungsbeispiel 2

Eine Struktur, die sich unendlich in der Y-Achsenrichtung fortsetzt, wie es in Fig. 12 dargestellt ist, wurde einer elektromagnetischen Wellensimulation unter den folgenden Bedingungen unterworfen.

(Periode) a
(Medium A) Dicke t_A = 0,50a, Brechungsindex n_A = 1,44
(Medium B) Dicke t_B = 0,50a, Brechungsindex n_B = 1,00
(Medium C) Dicke t_C = 0,50a, Brechungsindex n_C = 1,44
(Medium D) Dicke t_D = 0,50a, Brechungsindex n_D = 1,00
(Länge des Phasengitters) L = 0,803a
(Lücke) G = 1,132a, n_G = 1,00
(Raum) n_S = 1,00
(Wellenlänge im Vakuum) λ₀ = 0,7072a, TE polarisiertes Licht (die Richtung des elektrischen Felds war die X-Achsenrichtung).
Ein Phasengitter 6, das gleich war wie das Phasengitter auf der Eingangsseite, wurde in umgekehrter Reihenfolge auf der Ausgangsseite des Mehrschichtfilms 1 angebracht.
Als Ergebnis der Simulation ist eine Intensitätsverteilung des elektrischen Felds in Fig. 15 dargestellt. Es ist offensichtlich, dass das elektrische Feld aufgrund von Licht, das in dem Mehrschichtfilm 1 propagiert, eine knotenförmige Welle aufweist (das propagierende Licht des dritten Bands), und dass die Welle wieder in eine ebene Welle 15 durch das Phasengitter auf der Ausgangsseite konvertiert wird.

Berechnungsbeispiel 3

Die Struktur, die sich unendlich in der Y-Achsenrichtung wie es in Fig. 12 gezeigt ist fortsetzt, wurde einer elektromagnetischen Wellensimulation unter der folgenden Bedingung unterworfen.

(Periode) a
(Medium A) Dicke t_A = 0,60a, Brechungsindex n_A = 3,48
(Medium B) Dicke t_B = 0,40a, Brechungsindex n_B = 1,44
(Medium C) Dicke t_C = 0,60a, Brechungsindex n_C = 3,48
(Medium D) Dicke t_D = 0,50a, Brechungsindex n_D = 1,44
(Länge des Phasengitters) L = 16,44a
(Lücke) G = 1,00a, n_G = 2,00
(Raum) n_S = 1,00
(Wellenlänge im Vakuum) λ₀ = 1,722a, TE polarisiertes Licht (die Richtung des elektrischen Felds war die X-Achsenrichtung).
Ein Phasengitter 6, das gleich war wie das Phasengitter auf der Eingangsseite, wurde in umgekehrter Reihenfolge auf der Ausgangsseite des Mehrschichtfilms 1 angebracht.
Die Intensitätsverteilung des elektrischen Felds ist in Fig. 16 gezeigt. Es ist offensichtlich, dass das elektrische Feld aufgrund von im Mehrschichtfilm 1 propagierenden Licht eine knotenförmige Welle aufweist (das propagierende Licht dritten Bandes), und dass die Welle wieder in eine ebene Welle 15 durch das Phasengitter auf der Ausgangsseite konvertiert wird.

Berechnungsbeispiel 4

Die Struktur, die sich unendlich in der Y-Achsenrichtung, wie es in Fig. 9 gezeigt ist, fortsetzt, wurde einer elektromagnetischen Wellensimulation unter der folgenden Bedingung unterworfen.
Bei diesem Berechnungsbeispiel war kein Phasengitter angebracht und das einfallende Licht 16 wurde in der Y-Achsenrichtung phasenmoduliert. Das heißt, Licht wurde von einem freien Raum 20 (n_S = 1,00) (siehe Fig. 17) eingebracht, wobei die Phase des eingehenden Lichts wie eine Sinuswelle mit Periode a in der Y-Achsenrichtung verändert wurde.

(Periode) a
(Medium A) Dicke t_A = 0,9a, Brechungsindex n_A = 1,44
(Medium B) Dicke t_B = 0,1a, Brechungsindex n_B = 1,00
(Raum) n_S = 1,00
(Wellenlänge im Vakuum) λ₀ = 0,707a, TE polarisiertes Licht (die Richtung des elektrischen Felds war die X-Achsenrichtung).
Die Intensitätsverteilung des elektrischen Felds ist in Fig. 17 dargestellt. Das aufgrund von im Mehrschichtfilm 1 propagierenden Licht erzeugte elektrische Feld weist eine knotenförmige Welle auf (das propagierende Licht des dritten Bands).

Vergleichs-Berechnungsbeispiel 2

Das gleiche einfallende Licht 16 wie im Berechnungsbeispiel 4 wurde verwendet und das Dickenverhältnis des Mehrschichtfilms 1 wurde wie folgt verändert.

(Periode) a
(Medium A) Dicke t_A 0,3a, Brechungsindex n_A = 1,44
(Medium B) Dicke t_B 0,7a, Brechungsindex n_B = 1,00
Eine Intensitätsverteilung des elektrischen Felds ist in Fig. 18 gezeigt. Das elektrische Feld aufgrund von im Mehrschichtfilm 1 propagierenden Licht gibt an, dass eine Welle mit kurzer Periode (das Licht des ersten Bands) in den Schichten des Mediums A auftritt. Dies ist der Fall, wenn die Abstimmung zwischen den Charakteristika des Mehrschichtfilms 1 und der Phasenmodulation des eingehenden Lichts 16 nicht passend ist.

Berechnungsbeispiel 5

Die Struktur, die sich endlich in der Y-Achsenrichtung, wie es in Fig. 12 gezeigt ist, fortsetzt, wurde einer elektromagnetischen Wellensimulation unter der folgenden Bedingung unterworfen.
Bei diesem Berechnungsbeispiel waren keine Phasengitter auf sowohl der Eingangsseite als auch der Ausgangsseite angebracht und das eingehende Licht 7 wurde als ebene Welle von zwei Richtungen vorgesehen. Wie es in Fig. 19 dargestellt ist, war die gleiche Y-Achsenrichtungs-phasenmodulierte Welle wie das einfallende Licht 16 im Berechnungsbeispiel 4 in einem Kreuzungsbereich der ebenen Wellen 7 in einem freien Raum 18 geformt. Daher war ein Mehrschichtfilm 1, der mit den folgenden Bedingungen gebildet ist, in dem Kreuzungsbereich angebracht.

(Periode) a
(Medium A) Dicke t_A = 0,9a, Brechungsindex n_A = 1,44
(Medium B) Dicke t_B = 0,1a, Brechungsindex n_B = 1,00
(Raum) n_S = 1,00
(Wellenlänge im Vakuum) λ₀ = 0,707a, TE polarisiertes Licht (die Richtung des elektrischen Felds war die X-Achsenrichtung), die ebenen Wellen, die unter ±45° geneigt waren, kreuzten einander.
Der Mehrschichtfilm 1, der gleich war wie im Berechnungsbeispiel 4, wurde verwendet, da es sich durch Berechnungsbeispiel 4 erwiesen hat, dass eine Übereinstimmung zwischen dem Mehrschichtfilm 1 und dem einfallenden Licht 16, das wie eine Sinuswelle phasenmoduliert war, gut war.
Eine Intensitätsverteilung des elektrischen Felds ist in Fig. 20 dargestellt. Da das eingehende Licht 7 eng ist, tritt eine Wellenungleichmäßigkeit im oberen und unteren Endbereich des Mehrschichtfilms 1 auf. Licht, das in dem mittleren Bereich des Mehrschichtfilms 1 propagiert, ist jedoch als knotenförmige Welle vorgesehen (das propagierende Licht des dritten Bands).
Es ist auch deutlich, dass das ausgehende Licht von rechts aus dem Mehrschichtfilm 1 in zwei ebene Wellen wie das eingehende Licht 7 getrennt ist.

Berechnungsbeispiel 6

Die Struktur, die sich unendlich in der Y-Achsenrichtung, wie es in Fig. 9 gezeigt ist, fortsetzt, wurde einer elektromagnetischen Wellensimulation unter den folgenden Bedingungen unterworfen.
In diesem Berechnungsbeispiel war kein Phasengitter angebracht und das eingehende Licht 16 war in der Y-Achsenrichtung phasenmoduliert. Das heißt, Licht wurde von dem freien Raum 20 (n_S = 1,00) (siehe Fig. 21) eingebracht, wobei die Phase des eingehenden Lichts 16 wie eine Sinuswelle mit einer Periode a in der Y-Achsenrichtung verändert wurde.

(Periode) a
(Medium A) Dicke t_A = 0,9a, Brechungsindex n_A = 3,48
(Medium B) Dicke t_B = 0,1a, Brechungsindex n_B = 1,44
(Raum) n_S = 1,00
(Wellenlänge im Vakuum) λ₀ = 1,722a, TE polarisiertes Licht (die Richtung des elektrischen Felds war die X-Achsenrichtung).
Eine Intensitätsverteilung des elektrischen Felds ist in Fig. 21 gezeigt. Das elektrische Feld aufgrund von im Mehrschichtfilm 1 propagierenden Licht gibt eine knotenförmige Welle an (das propagierende Licht dritten Bands).

Vergleichs-Berechnungsbeispiel 3

Das gleiche eingehende Licht 16 wie im Berechnungsbeispiel 6 wurde verwendet und lediglich das Dickenverhältnis des Mehrschichtfilms 1 wurde wie folgt verändert.

(Periode) a
(Medium A) Dicke t_A = 0,3a, Brechungsindex n_A = 1,44
(Medium B) Dicke t_B = 0,7a, Brechungsindex n_B = 1,00
Eine Intensitätsverteilung des elektrischen Felds ist in Fig. 22 gezeigt. Das elektrische Feld aufgrund des im Mehrschichtfilm 1 propagierenden Lichts gibt an, dass eine Welle mit kurzer Periode (das Licht des ersten Bands) in den Schichten des Mediums A auftritt. Dies ist der Fall, wenn die Übereinstimmung zwischen den Charakteristika des Mehrschichtfilms 1 und der Phasenmodulation des eingehenden Lichts 16 nicht passend ist.

Anwendungsbeispiel 1

Demultiplexing/Multiplexing Einrichtung

Fig. 23 ist eine typische Ansicht einer Demultiplexeinrichtung als Anwendungsbeispiel der Erfindung. Eingehendes Licht 3, das ein optisches Signal mehrfacher Wellenlänge enthält, wird in einen ersten Plattenwellenleiter 11a durch einen ersten linearen Wellenleiter 12, der auf einem Substrat 2 gebildet ist, eingeführt. In dem in Fig. 23 dargestellten Fall ist eine optische Faser oder ähnliches mit einem Anfangsende des ersten linearen Wellenleiters 12 verbunden. Alternativ kann eine optische Faser oder ähnliches direkt mit einer Endfläche des ersten Plattenwellenleiters 11a verbunden sein. Da das optische Signal sich eben in dem ersten Plattenwellenleiter 11a verteilt, wird das optische Signal in einen nahezu parallelen Lichtstrom durch einen konvexen Linsenbereich 13 verändert, der in dem ersten plattenförmigen Wellenleiter 11a vorgesehen ist. Beispielsweise kann der konvexe Linsenbereich 13 durch Ersetzen eines Teils des ersten plattenförmigen Wellenleiters 11a durch ein Material mit einem höheren Brechungsindex erzeugt werden. Alternativ kann ein Material mit einem geringeren Brechungsindex zum Ausbilden eines konkaven Linsenbereichs verwendet werden, um die gleiche Lichtbündelwirkung wie oben beschrieben zu erzielen, oder eine Beugungslinse kann verwendet werden.
Das optische Signal tritt schräg in einen dreiecksprismaförmigen periodischen Mehrschichtfilm 1 in der gleichen ebenen Schicht wie des ersten plattenförmigen Wellenleiters 11a ein. Eine Nut 10 ist in der Nähe einer Eingangsseitenendfläche des periodischen Mehrschichtfilms 1 vorgesehen. Ein außenseitiger Bereich der Nut 10 dient als Phasengitter. Da das optische Signal in einen Körper des periodischen Mehrschichtfilms 1 durch die Nut eindringt, nachdem es der Modulationsfunktion des Phasengitters unterworfen wurde, propagiert das optische Signal als das Licht des dritten Bandes in dem Mehrschichtfilm 1. Da das Licht des dritten Bandes eine sehr große Wellenlängenstreuung aufweist, wird das optische Signal, das durch den prismaförmigen Mehrschichtfilm 1 gelangt ist, als nahezu paralleler Lichtstrom getrennt in Wellenlängen ausgegeben. Eine Nut 10, die gleich ist wie die Nut 10, die auf der Eingangsseite vorgesehen ist, ist an einer ausgangsseitigen Endfläche des Mehrschichtfilms 1 vorgesehen. Somit wird das propagierende Licht dritten Bandes in eine ebene Welle konvertiert, so dass die ebene Welle in einen zweiten Plattenwellenleiter 11b gelangt. Ein konvexer Linsenbereich 13 ist auch in dem zweiten Plattenwellenleiter 11b vorgesehen. Somit wird das optische Signal in optische Signale 14 gemäß den Wellenlängen gebündelt, so dass die gebündelten optischen Signale 14 aus den Anschlüssen der linearen Wellenleiter 12 an optische Fasern oder ähnliches abgegeben werden.
Wenn Fig. 23 auch ein Beispiel der Demultiplexeinrichtung zeigt, kann die Erfindung auch auf eine Multiplexeinrichtung angewendet werden, wenn die Eingangsseite und die Ausgangsseite miteinander vertauscht werden.

Anwendungsbeispiel 2

Streuungskompensationseinrichtung

Fig. 24 ist eine typische Ansicht einer Streuungskompensationseinrichtung als ein Anwendungsbeispiel der Erfindung.
Ein optisches Signal, das eine Streuungskompensation benötigt, wird von einer optischen Faser in einen Wellenleiter 12 (aus einem homogenen Material) eingeführt, der auf einem Substrat 2 gebildet ist. Das optische Signal wird an einen Wellenleiter 1 als linearer Mehrschichtfilm durch den Wellenleiter 12 geliefert. Eine Nut 10 ist am Anfangsende des Mehrschichtfilm-Wellenleiters 1 vorgesehen. Somit propagiert nur das Licht des dritten Bands in dem Mehrschichtfilm-Wellenleiter 1. Da die Gruppengeschwindigkeit Vg das Licht des dritten Bands im breiten Maß in Abhängigkeit von der Wellenlänge des eingehenden Lichts wie oben beschrieben variiert, wird eine Streuungskompensation durchgeführt, wobei das Licht des dritten Bands durch den Wellenleiter 1 des Mehrschichtfilms mit verhältnismäßig kurzem Abstand propagiert wird.
Das streuungskompensierte optische Signal wird in eine ebene Welle 15 wieder durch eine Nut 10 konvertiert, die am hinteren Ende des Mehrschichtfilm-Wellenleiters 1 vorgesehen ist. Die ebene Welle 15 ist mit einer optischen Faser oder ähnlichem durch einen Wellenleiter 12 aus homogenem Material verbunden.
Gemäß diesem Anwendungsbeispiel kann eine Dispersionskompensation, die durch eine die Dispersion kompensierende optische Faser mit einer Länge von einigen Kilometern im Stand der Technik durchgeführt wurde, durch eine Einrichtung mit kleiner Größe mit einer Wellenleiterstruktur ausgeführt werden.

Anwendungsbeispiel 3

Nichtlineares optisches Element

Wie oben beschrieben, wird im Inneren der Mehrschichtstruktur gemäß der Erfindung eine nicht lineare optische Wirkung erhöht, indem Licht propagiert wird, das eine geringe Gruppengeschwindigkeit aufweist. Somit kann ein optisches Element, das eine nicht lineare optische Wirkung aufweist, die beträchtlich größer ist als diejenige des Stands der Technik, durch die folgenden Mittel erzielt werden:
Erweitern des periodischen Strukturbereichs mit einer Substanz, die eine nicht lineare optische Funktion aufweist und als feine Partikel vorgesehen wird;
Anbringen einer Dünnfilmschicht, die eine Substanz enthält, die eine nicht lineare optische Funktion aufweist, in dem periodischen Strukturbereich in jedem Intervall der Periode; oder
Vorsehen einer Substanz, die selbst den periodischen Strukturbereich bildet, als eine Substanz, die eine nicht lineare optische Funktion aufweist.

Vorteil der Erfindung

Wie oben beschrieben, können gemäß der Erfindung durch Verwendung der Tatsache, dass das gebrochene Licht aus einer Mehrschichtstruktur eine gute Richtungstreue aufweist und die Richtung des gebrochenen Lichts eine starke Abhängigkeit von der Wellenlänge hat, eine Demultiplexeinrichtung mit hoher Auflösung oder eine Trennvorrichtung für polarisiertes Licht erhalten werden, ohne dass die Vorrichtung in der Größe zunimmt. Da die Mehrschichtstruktur verhältnismäßig kostengünstig durch Massenproduktion unter Verwendung eines bekannten Verfahrens hergestellt werden kann, kann eine Reduktion der Kosten dieser optischen Elemente erhalten werden. Fig. 2 TE Polarisiertes Licht
A Erstes Band
B Zweites Band
C Drittes Band

Fig. 3 wie Fig. 2

Fig. 4

A Eingehendes Licht
B Wellenlänge λ₀
Medium M₁ (Brechungsindex n₁)
Medium M₂ (Brechungsindex n₂)
C propagierendes Licht dritten Bandes
(effektiver Brechungsindex n₃)
Fig. 5 Periode a
Wellenlänge λ
A Spitzen des elektrischen Felds
B Tiefen des elektrischen Felds
C (Richtung der Propagation)
Fig. 6 A Spitzen des elektrischen Felds
B Tiefen des elektrischen Felds
C (Position des Knotens)
D (Richtung der Propagation)
Fig. 7 A Spitzen des elektrischen Felds
B Tiefen des elektrischen Felds
C (Richtung der Propagation)
Fig. 8 A Spitzen des elektrischen Felds
B (Richtung der Propagation)
Fig. 9 Medium A (Dicke t_A)
Medium B (Dicke t_B)
Medium C (Dicke t_C)
Medium D (Dicke t_D)
Brechungsindex n_G
(Brechungsindex n_S des Raums)
Periode a
A Ebene Welle
Vakuumwellenlänge λ
Fig. 10 A Spitzen des elektrischen Felds
B (Richtung der Propagation)

Fig. 11 (wie Fig. 10)

Fig. 12

Medium A (Dicke t_A)
Medium B (Dicke t_B)
Medium C (Dicke t_C)
Medium D (Dicke t_D)
Medium C (Dicke t_C)
Medium D (Dicke t_D)
Brechungsindex n_G
Brechungsindex n_G
(Brechungsindex n_S des Raums)
(Brechungsindex n_S des Raums)
Periode a
A Ebene Welle
Vakuumwellenlänge λ
B Ausgehendes Licht

Claims

1. Optisches Element, umfassend:
eine Mehrschichtstruktur, die die Wiederholung einer periodischen Struktur als mindestens ein wiederholbares Gebiet mit vorbestimmter Periode enthält, wobei eine Endfläche der Mehrschichtstruktur im wesentlichen senkrecht zu Schichtoberflächen der Mehrschichtstruktur als eine Lichteinfallsfläche verwendet wird; wobei das optische Element weiter umfasst:
eine Phasenmodulationseinheit, die neben oder in der Nähe der Lichteinfallsfläche angeordnet ist, um eine phasenmodulierte Welle zu erzeugen, die die gleiche Periode wie die Periode der periodischen Struktur in einer Laminierrichtung der Mehrschichtstruktur aufweist.

2. Optisches Element nach Anspruch 1, wobei:
eine Endfläche der Mehrschichtstruktur im wesentlichen senkrecht zu den Schichtoberflächen der Mehrschichtstruktur und gegenüber der Lichteinfallsfläche als Lichtausgangsfläche verwendet wird; und
das optische Element weiter eine Phasenmodulationseinheit umfasst, die neben oder in der Nähe der Lichtausgangsfläche angebracht ist, um ausgehendes Licht der Mehrschichtstruktur im wesentlichen in eine ebene Welle zu konvertieren.

3. Optisches Element nach Anspruch 1 oder 2, wobei die phasenmodulierte Welle so erzeugt wird, dass eine Welle, die zu einem einzigen assoziativen photonischen Band außer dem Band niedrigster Ordnung gehört, durch das Gebiet der periodischen Struktur propagiert wird, das als eindimensionaler photonischer Kristall angesehen wird, hauptsächlich in einer Richtung senkrecht zur periodischen Richtung und die periodische Struktur nicht enthaltend.

4. Optisches Element nach Anspruch 1, wobei eine nahezu ebene Welle von der Außenseite der Mehrschichtstruktur in die phasenmodulierte Welle durch die Phasenmodulationseinheit konvertiert wird, so dass die phasenmodulierte Welle in die Mehrschichtstruktur eingebracht wird.

5. Optisches Element nach Anspruch 4, wobei die Phasenmodulationseinheit ein Phasengitter ist, das die gleiche Periode wie die periodische Struktur aufweist.

6. Optisches Element nach Anspruch 4, wobei die Phasenmodulationseinheit ein optisches System ist, das mehrere Lichtstrahlen ebener Welle der gleichen Frequenz miteinander interferieren lässt.

7. Optisches Element nach Anspruch 2, wobei die Phasenmodulationseinheit ein Phasengitter ist, das die gleiche Periode wie diejenigen der periodischen Struktur aufweist.

8. Optisches Element nach Anspruch 5 oder 7, wobei das Phasengitter in die periodische Struktur integriert ist.

9. Optisches Element nach Anspruch 8, wobei das Phasengitter ein Teil der Mehrschichtstruktur ist, getrennt durch eine Nut, die in der Nähe von entweder der Lichteinfallsendfläche oder der Lichtausgangsendfläche der Mehrschichtstruktur gebildet ist.