光學儀器和波長復用光學記錄頭的製作方法
2023-09-23 09:54:45
專利名稱：光學儀器和波長復用光學記錄頭的製作方法
技術領域：
本發明涉及了分光鏡光學儀，它被用來分離不同波長的光線；及偏振光分離儀，它被用來分開在不同方向上的偏振光線；特別的，本發明還涉及使用二維或三維光子晶體的這些光學儀器。
本發明也涉及到光信息記錄；特別是，本發明涉及到光記錄光學系統，這個系統通過波長復用在很高的速度下寫和讀大容量的信息。
光學解復用器(或者分光鏡)被用來人工分離/檢測在波長復用通訊中的多數波長復用的光信號，或者被用來很好的分析在光譜測量中的光線。光學解復用器需要象稜鏡、濾波片、或者衍射光柵這樣的分光鏡儀器。特別的，衍射光柵是一個典型的分光鏡儀器。在石英或者矽樹脂基片上形成了周期性的、細微的皺紋結構的器件被用作衍射光柵。由這些周期性的、細微的皺紋結構所引起的衍射光線會互相干涉，因此，特定波長的光線會各自向不同的方向發散。這個特性被用作分光鏡儀器。
圖19給出了一個使用衍射光柵的分光鏡光學系統的例子。一束從光纖21發射的波長復用的光線30通過準直透鏡22校準成為平行光31。平行光31會在衍射光柵23上入射。入射光線通過衍射光柵23而被分離，因此，被分離的光線會根據波長以不同的出射角出射。出射光線32再次通過準直透鏡22並且在光接受面24上形成會聚的光斑群40。當象光電二極體或者光纖端面這樣的光檢測器作為光接收器件被分別放置在會聚的光斑群的各個位置，不同的信號輸出可以根據先前各自的波長得到。另外，當衍射光柵上入射光有一連續光譜時，嚴格按照光接受面上光接收器件放置間隔的不連續的輸出可以被得到。
假設在有反射的衍射光柵的情況下，那麼存在下面的方程sinθi+sinθ0＝mλ/d其中，m是衍射光柵中的衍射級數，d是光柵常數，λ是使用波的波長，θi是入射光線(光纖的光軸5)和垂直於衍射光柵面的直線的夾角，θ0是出射光線和此垂線的夾角。
當在θi不變的情況下波長變動Δλ，那麼光線在到達距衍射光柵有L距離的光接收面時，光線的位置變化ΔX如下面方程給出ΔX＝(Lm/(d·cosθ0))·Δλ因此，在光接收面上，依照波長間隔，以在此方程的基礎上計算出來的位置間隔來放置光接收器件，那麼不同的信號會各自根據波長而得到。
然而，從衍射光柵出射的光線的出射角，有低的波長依賴性。假設現在的情況是在用於光學通訊的1.55μm的波段中，波長間隔是0.8nm(相應的頻率間隔是100GHz)的光線被分離。假設衍射級數m是25，入射角θi是71.5°，出射角θ0是38.5°，光柵常數d是24.7μm。在這個系統中，依據波長0.8μm的間隔得到的出射角的變化僅僅是0.06°。因此，當間距L被要求是48mm時這些光線才能才能被分離並且才能被間隔為50μm的光接收器件接收。
那就是說，在光接收面上光斑位置的變化ΔX通常不能小於幾十個μm，因為光接受器件有固定的尺寸。既然衍射光柵的常數m和d不能有很大的改變，那麼，對於很小的波長變化Δλ，應增加間距L以獲得所需的ΔX。因此，存在的一個問題就是為了提高使用衍射光柵的光學解復用器的性能，器件的尺寸就不得不增加了。
此外，既然衍射角不會依賴偏振方向而改變，那麼使用普通衍射光柵也不能讓偏振光按照角度被分離。所以，當一個光學系統需要偏振光分離功能時，就需要一個和衍射光柵不一樣的偏振光分離器。
為了解決這些問題，本發明的一個目標就是提供一個色散性能優於由相關工藝製成的衍射光柵的光學儀器。本發明的另一個目標就是提供一種同色散功能一樣好的儀器，這種儀器可以按角度來分離偏振光。
近些年來，隨著計算機技術的迅速發展，計算機的信息處理量已經巨大的增長了。另一方面，隨著網絡普及的迅速發展，通訊能力也有了很大的增強。在這種情況下，有高速度和大容量信息處理量的，有高速度和大容量通訊儀器的，並且有高速度和大容量記錄儀器的電子零件就變得很重要了。
在這些儀器中，磁性記錄儀作為記錄儀器迄今已經很流行了。另一方面，一種運用光的記錄技術，比如磁—光系統或者光相變系統，已經取得了很重要的位置。發展這種光學記錄技術一個很重要的觀點就是減小使用波的波長以便增加記錄密度。這是因為通過透鏡而變窄的光斑的尺寸和波長是成比例的，所以，當光波長變短時，小的光斑就能形成。近來正期望藍色半導體雷射器的發展在這個方面取得很大的效果。
另一方面，現今光學記錄技術的主流是使用單色光的光學系統。然而，為了在很高速度下實現寫/讀，一種使用多元光的寫/讀技術，變成了很重要的觀點。運用多元光的這種系統可以被分成兩類，那就是一種系統，其中，當單個波長或者一個很窄的波段被使用時，取數點的數目增加了；另一個系統，其中，對很大範圍變化的波長有敏感性的記錄媒介被運用。此外，新的把這兩種系統的優點結合起來的方案也被構思。
一些已經被公開的技術將作為這些系統的特例被檢驗。
一種系統被認為是最流行的，這個系統使用了在空間上分離成很多部分的光源，因此，從這些光源部分發出的光可以被會聚到記錄媒介上空間不同的點。例如，日本專利(公開號No.144298/1999)已經公開了一種方法。在公開的方法中，半導體雷射器並列放置，並且通過耦合裝置被耦合到波導管，以便光線可以從合適間距放置的突出端出射。一個透鏡光學系統被放置來突出這些端面。這樣，光線就可以以小的間距會聚於記錄媒介。
另一方面，一種把一條光分成一些光線來利用這些光線的方法已經被提出來了。一種生產適合對不同波長敏感的記錄媒介的光學頭的技術，在日本專利(申請號No.2000-76688)中被公開。這項公開的技術，不是真的多光記錄類型，但建議一個衍射光柵被安置在光電檢測器的一邊用於適應一些波長，因此，一條光線可以按照使用光波的波長被分離成光束。另外，運用衍射光學儀器分離一條光線成為光束的方法，在日本專利(申請號No.306569/1999)中也已經被提出來。
然而，在運用並列放置的半導體雷射器系統時，把系統中的雷射器互相安放得很近是不可能的。因此，系統不得不採用複雜的方法，其中，半導體雷射器被耦合到波導管。所以，存在一個問題就是，光學系統變得太複雜而不利於準直和裝配。另一方面，在使用不同波長光的這個系統中，使光學系統的光路足夠長來充分的分離衍射的光線是很有必要的。這樣，存在的一個不利之處就是光學頭自身變大。
本發明是被發展用來解決以上的問題的。本發明的一個目的就是為了能提供一個容易構造並且尺寸很小的波長復用光學記錄頭。
根據本發明，在二維光子晶體中，這種重複周期結構部分有第一類端面顯露在兩個不同的方向上，作為光入射面；這種重複周期結構部分還有第二類端面顯露在這兩個不同的方向上，作為光出射面。
根據本發明，在二維光子晶體中，這種重複周期結構部分有第一類端面僅僅顯露在兩個不同方向的一個方向上，作為光入射面；這種重複周期結構部分還有一類端面和光入射面相對，作為光出射面。
根據本發明，在三維光子晶體中，這種重複周期結構部分有第一類端面顯露在三個不同方向的兩個方向上，作為光入射面；這種重複周期結構部分還有一類端面和光入射面相對，作為光出射面。
比較可取的是，在(1)到(3)中所述的任何一種光學儀器之中，光出射面至少有一部分相對於光入射面傾斜一個預定的角度。在這種情況下，這種光學儀器就會有一種所謂的稜鏡結構，其中，光入射面和光出射面都是平面。或者是，光學儀器可以是一個衍射光柵，其中，光入射面或光出射面會有一種皺紋結構的重複周期。
更進一步的是，如(1)到(3)中的任何一種，這種顯露在光入射面上的重複周期結構可以是由大的重複周期和小的重複周期兩種組成，在這個時候，光出射面就不必相對於光入射面有一個角度的傾斜了。
當(1)到(3)中所述的任何一種光學儀器被用作分光鏡儀器時，比較可取的是，在這種周期多層結構中，當一種波長範圍被用在光傳播的一個方向上時，相應於這個波長範圍的鍵合光子能帶出現了，並且這個鍵合光子能帶不是處於最低位置。
在這種情況下，特別可取的是，當(1)到(3)中光學儀器被運用時，這種分光鏡儀器沒有任何的偏振依賴性。比較可取的是，在光入射面上或者光出射面上的這種重複周期結構，有圍繞光入射面或者光出射面垂線的90°旋轉對稱。
更進一步的是，在(1)到(3)的任何一種光學儀器之中，比較可取的是，當一種波長範圍被用在光傳播的一個方向上時，相應於這個波長範圍的鍵合光子能帶僅有的一種波矢出現了，並且這個鍵合光子能帶不是處於最低位置。
當根據本發明的這種光學儀器被用作偏振光分離儀，更為可取的是，當(2)中所述的光學儀器被運用時，相應於在光傳播的一個方向上波長範圍的鍵合光子能帶剛好處於最低位置。
比較可取的是，(1)到(3)中任何一種儀器的這種重複周期結構，是由三種不同折射率的材料組成的。更為可取的是，和這種重複周期結構相接觸的媒介是空氣或者真空。
順便提及的是，在每一個光學儀器中，這種光入射面和光出射面是可以互相替代的。
根據本發明，光子晶體作為光分離儀被運用在波長復用光學記錄頭中，這種記錄頭是通過多波長來寫/讀信息進/出一種光記錄媒介的。
這種光子晶體在兩個不同的方向上都有結構重複周期。這種重複周期結構有第一類端面顯露在兩個不同方向的一個方向上，作為光入射面；這種重複周期結構還有一類端面相對於光入射面，作為光出射面。比較可取的是，光出射面至少有一部分相對於光入射面傾斜一個預定的角度。更為可取的是，光入射面或者光出射面形成一個有皺紋結構重複周期的衍射光柵。
運用光子晶體作為光學解復用器允許有一個如下述結構的光學系統一個可以發射不同波長光的多數光源，一個可以把從多數光源發射的光線分別轉化為平行光的準直透鏡，一個可以把不同波長組成的平行光複合為光通量的光學復用器，一個可以分離由多數波長組成的光通量的光學解復用器，並且還有一個可以把分離的光通量會聚到光記錄媒介上的透鏡。
現已知道的是，大的色散可以通過使用這樣的光子晶體(所謂的超稜鏡效應)而得到。因此，當這種光子晶體被用來形成多元光線時，波長復用多元光記錄系統的尺寸可以被大大的減小。那就是說，為了產生多元光線，在記錄敏感性沒有變化的一定範圍內靠改變波長而得到的光源應該準備好，並且，從這些光源發射的光線也應該同時從光子晶體通過。這樣，光線可以從不同的角度出射，同時，大的散射角也可以被得到。因此，這樣就有可能形成小尺寸的光學系統。此外，當通過波長敏感性差異來記錄時，分離從給定光源發射的光線變得如此敏銳以至於可以形成小尺寸的光學系統。
這份公開的文件涉及了日本專利(申請號Nos.2001-108414和2001-108475，兩者都在2001年4月6日提出申請)的主旨，它們通過索引很全面很清楚的包括在此。
圖2示出了依據本發明的一種周期多層結構(一維)。
圖3示出了一個例子，這個例子是關於周期多層結構(一維)光子能帶的計算結果的。
圖4示出了另一個例子，這個例子是關於周期多層結構(一維)光子能帶的計算結果的。
圖5示出了在光傳播的一個方向上周期多層結構(一維)的能帶圖。
圖6示出了在光傳播的一個方向上周期多層結構(一維)的另一個能帶圖。
圖7示出了如稜鏡一樣形狀的周期多層結構(一維，端面入射結構)的散射實驗。
圖8示出了如鋸齒一樣形狀的周期多層結構(一維，端面入射結構)的散射實驗。
圖9示出了有兩種周期的周期多層結構(一維，端面入射結構)的散射實驗。
圖10示出了一個二維端面入射結構。
圖11示出了一個例子，這個例子是關於二維端面入射結構的端面圖的例子。
圖12示出了一個一維端面入射二維結構。
圖13示出了一個例子，這個例子是關於一維端面入射二維結構的光子能帶圖的。
圖14示出了電子場的波，這個電子場是在一維端面入射二維結構中傳播的。
圖15示出的是關於一個光學儀器光學特性計算結果的例子，這個光學儀器有一維端面入射二維稜鏡結構。
圖16示出了另一個例子，這個例子是關於一維端面入射二維結構的光子能帶圖的。
圖17示出的是關於一個光學儀器光學特性計算結果的例子，這個光學儀器有一維端面入射二維鋸齒結構。
圖18示出的是關於這個光學儀器光學特性計算結果的另一個例子，這個光學儀器有一維端面入射二維鋸齒結構。
圖19示出了一個由相關工藝製成的分光鏡儀器的光學系統。
圖20特別示出了依據本發明的波長復用光學記錄頭的整個部分。
圖21示出了依據本發明的波長復用光學記錄頭的主要部分。
一個由每個都等於或者小於光線波長的薄膜構成的周期多層膜，如一維光子晶體，有一個光子能帶間隙。由於這個原因，這種周期性的多層膜作為光學儀器在實際中被廣泛應用，如高反射係數的薄膜，偏振光濾光器或者波長選擇濾光器。
在本發明中，一個在兩個或者三個方向上有重複周期結構的二維或者三維光子晶體結構，被用在一維光子晶體很難達到效果的環境中。
首先，描述將圍繞運用一維光子晶體的光學系統，而一維的光子晶體作為本發明的基礎。
圖1示出了「一維端面入射結構」，這種結構被作為本發明的基礎。多層結構1在平面的基片2的一個面上形成，多層結構1在平行於基片表面的一個方向上(Y向)有周期。一個形狀象鋸齒、並且有衍射光柵功能的重複皺紋(鋸齒形)結構5，在多層結構1的表面上形成。垂直於基片表面的入射光線3從基片的一邊進入，因此，基於折射和衍射的出射光線4就從多層結構1被獲取。通過圖1所示的結構，可以得到比鋸齒形衍射光柵大得多的色散，這種鋸齒形衍射光柵是用同質材料製成的，比如玻璃。
下面將說明這種現象的原理。
圖2涉及一個無限延伸的多層結構。多層結構是這樣一種結構，其中，厚度為tA的材料A(折射率nA)和厚度為tB的材料B(折射率nB)以a＝(tA+tB)為一個周期被交替地堆疊起來。這樣的多層結構可以被看作是一維的光子晶體，因此，在光子晶體理論的基礎上進行計算，可以得到光子能帶圖。這種計算方法在《光子晶體》(普林斯頓大學出版社，1995，PhysicalReview B Vol.44，No.16，P.8565)中或者類似的書中有詳盡的描述。
這種周期多層膜的能帶圖範圍，在圖2中的Y方向(周期方向)受到了限制，但是在X和Z方向上(在這兩個方向上有一個平面延伸)，能帶圖範圍卻無限延伸。圖3和4顯示了通過平面波方法計算能帶的結果，兩圖是分別針對多層薄膜中TE偏光和TH偏光的第一、第二以及第三低的能帶的，而且這個多層薄膜是由下面兩種周期都是a的交替薄層組成的。
折射率是1.44(厚度0.5a)的薄層和折射率是2.18(厚度0.5a)的薄層。
在這裡，TH偏光是指在X方向上有磁場的偏振光，TE偏光是指在X方向上有電場的偏振光。順便提及的是，圖3和圖4中每條曲線的數字給出了歸一化頻率ωa/2πc其中，ω是入射光線的角頻率，a是結構的周期，c是真空中的光速。既然歸一化頻率也可以用入射光在真空中的波長λ0表示成a/λ0，那麼，下面的歸一化頻率就用a/λ0來表示。圖3和圖4顯示的是布裡淵區，每一個布裡淵區代表了倒易空間的一個周期。垂直軸表示Y方向，在此方向上，上邊界和下邊界代表了離中心為±π/a的範圍。水平軸表示Z方向(或者X方向)，在這個方向上沒有邊界，這是因為Z方向沒有任何周期。為了方便，圖3和圖4中每個圖的左端和右端被用來顯示計算的範圍。在每一個布裡淵區，一個位置表示多層結構的一個波矢，一條曲線表示對應于波長λ0(在真空中)的能帶，λ0為入射光的波長。
在這裡，穿過光子晶體的光線將被認為是這樣傳播的圖2結構中的X-Y平面作為一個截面，並且，平面波(TE偏振光或TH偏枕光)將沿Z方向垂直入射於這個截面上。
在圖3和圖4的能帶圖中，a/λ0值從Z向起始點的變化，在圖5(TE偏光)和圖6(TH偏光)中給出。如圖5所示，當真空中入射光波長為λA時，光子晶體中就會存在和第一能帶相對應的波矢KA1。換句話說，入射光會作為周期為λA1＝2π/KA1(以下稱為「第一能帶光」)的波在光子晶體的Z方向上傳播。
另一方面，當真空中入射光波長為λB時，就會存在和第一能帶與第三能帶相對應的波矢KB1和KB1。在這裡，第二能帶不予考慮，因為它是「反鍵態」的。因此，周期λB1＝2π/KB1的第一能帶光和周期λB3＝2π/KB3(以下稱為「第三能帶光」)的光波就會分別穿過光子晶體沿Z向傳播。
在這裡，用真空中的周期(λA，λB，等等)除以光子晶體中相應的周期(λA1，λB3，等等)而得到的數值被定義為「有效折射率」。由圖5可以知道，既然a/λ0和K在第一能帶光中嚴格成比例，所以，根據λ0，第一能帶光的有效折射率也就變化很小。然而，根據λ0，第三能帶光的有效折射率變化非常大。
因此，當多層結構1，也就是光子晶體，被製成了稜鏡一樣的形狀，那麼入射面和出射面就不是互相平行的了，卻形成了一個特定的角度，如圖7所示，並且，在入射面1b和多層結構的層表面(基片沒有畫出來)不平行的情況下，當多波長的平行光線作為入射光3入射在入射面1b上時，從與入射面1b成角度的出射面1a出射的第一能帶光所顯現的色散程度僅僅和普通的同質媒介一樣。反之，第三能帶光卻顯示了很大的色散。這樣，這種光子晶體可以被用作色散儀。這是所謂的超稜鏡效應的一種。這種超稜鏡效應在下面的文件和相關的文件中已經被提出。(Physical Review B，Vol.58，No.16，p.R10096，1998)根據圖7中的稜鏡形狀，在Z方向上增加這種光子晶體結構的厚度是很有必要的。這在生產時是一個問題。當出射面1C被形成如圖8中的鋸齒結構5時，厚度就可以大大的減小了。這種鋸齒結構的衍射被了解到是很好的。如果鋸齒的周期和深度能夠被設計為最佳，那麼特定級別衍射光的效率可以接近100％。然而，由超稜鏡效應而引起的色散很大，因此，可以根據0級衍射光來給鋸齒結構定型。順便提及的是，在這種情況下，第一能帶光也存在，但沒有插圖(同樣的做法會用於下文)。
此外，既然圖2中的多層結構在X方向和Y方向上有很大的結構差異，那麼，根據偏振方向的不同，性質的差異也會出現。因此，當TE偏光的能帶圖和TH偏光的能帶圖互相比較時(圖5和圖6)，每一個能帶都會有差異，並且，在這兩個能帶圖中，第一能帶的差異特別大。為此，第一能帶可以被很好的用來分離偏振光。例如，在圖5和圖6中，符合a/λA的TE入射光和TH入射光在成為出射光時，角度有了很大的差異。在這種情況下，既然沒有了第三能帶光，利用入射光的效率可以被大大加強。順便提及的是，既然圖6中第二能帶和第三能帶互相交叉(根據偶然簡併)，那麼，這些能帶就和圖4中的第二和第三個結果不相符。
在Y方向上的每個周期可以由大的和小的周期形成一個雙結構，這種雙結構可以用來取代圖8中的鋸齒結構。圖9示出了一個例子，其中，小的周期Ps是一種由A和B兩種材料堆疊的重複周期。在一個大周期PL範圍內，當材料A的膜厚度在Y方向上以一個特定的比例增加時，材料B的膜厚度會以同樣的比例減小。這樣，平均折射率在Y方向產生偏離，因此，光子晶體中的光波周期會連續的變化，從而在波前產生了偏離。這種波的周期會以大周期PL重複，因此，在光出射面的波前也就象鋸齒一樣的形狀。結果，就可以得到等同於鋸齒形狀和皺波形狀的光學效果。[第一個實施例]在這種一維端面入射結構中，TE偏光和TH偏光之間存在一個差異，那是因為入射面在X方向和Y方向有很大的結構差異。因此，如果圍繞Z軸方向，也就是沿光入射方向，給X-Y平面上的這種結構提供一個90°旋轉對稱，那麼，由偏振方向引起的差異可以被消除。例如，這種對稱可以通過以下的結構得到。
圖10是關於光子晶體的一個典型的圖形，光子晶體是由折射率分別為n1、n2、n3和n4的四種材料A、B、C和D組成。每一種材料都形成了二次柱面，二次柱面在X-Y平面上有底面。每一個C材料被做成有正方形底面的二次柱面。每一種材料在Z方向上沒有結構。如一端面部分放大的圖形，在X方向上，材料D被安放在材料C的反方向，並且每一個材料C在X-Y剖面上都是正方形。另一方面，在Y方向上，材料A被安放在材料C的反方向。在這樣的布置下，材料D和材料A各自與材料C毗連。材料B和材料C被安放得以至於不能毗連。理所當然的是，X方向的周期ax和Y方向上的周期ay是一樣的。在這種情況下，如果n1＝n4，那麼，沿Z軸的90°旋轉對稱就可以得到了。因此，如果材料A和材料D是用同種材料做的，情況就會變得很好。這種90°的旋轉對稱圖案僅僅是一個例子，這種圖案並不局限於這個例子。圖11示出了90°旋轉對稱圖案的一個通用的例子。
一種類似於圖7中「一維端面入射結構」的結構被採用作為分光鏡儀器，並且，平行光沿Z向在平行於X-Y平面的端面上入射。可在作為出射面的背面得到折射光。用和一維結構情況同樣的方式把以上這種結構製成稜鏡形狀，也就是，入射端面和出射端面互不平行，那麼就可以得到大的色散效果。這種結構可以被製成圖8中的鋸齒形狀。這種結構的分光鏡儀器沒有偏振依賴性，因此，如果不考慮偏振，這種儀器適合被用來分離在光纖中傳播並且和偏振光相混的光束。[第二個實施例]這種一維端面入射結構有一個好處，那就是，這種結構易於製造，因為這是一種相對簡單的多層結構。由圖5和圖6明顯可知，在第三能帶光存在的情況下，第一能帶光也存在。因此，當有大色射的第三能帶光被用於分光鏡儀器時，存在的一個問題就是，第三能帶光和入射光的比率，也就是，光強的利用率變低了。為了解決這個問題，考慮到的一種方法就是，在Z方向引入周期以便增加第三能帶光的比率。
圖12示出了一個二維光子晶體結構的例子，這種晶體結構在Y方向和Z方向上有周期結構。此結構等同於圍繞Y軸把圖10的結構旋轉90°而得到的一種結構。然而，把Y-Z面上每一種材料的每一個周期單元做成正方形是沒有必要的，並且，使Y向周期ay和Z向周期az相等也是沒有必要的。例如，在圖12所示的結構中，當平面波(TE偏振)沿Z向在平行於X-Y平面的一個端面上垂直入射，也就是，當平面波沿這種「一維端面入射二維結構」入射的時候，將基於下面的假設來考慮在光子晶體中傳播的光線。
n1＝1.44n2＝2.18n3＝1.00n4＝1.00ay＝1az＝0.5ty＝0.5tz＝0.5圖13通過區域的放大圖形，顯示了Z方向上從布裡淵區原點起的能帶。如圖13所示，當真空中入射光的波長為λA時，在光子晶體中僅有一個相應於鍵合第三能帶的波矢KA3。雖然在一維結構的情況下，存在兩種由第三能帶產生的波矢，但僅僅只有一種波矢存在於圖13所示的情況中，這是因為在K＝1.0附近有一個很大的帶隙。順便提及一點，第二能帶是反鍵合的。
圖14顯示了數值的結果，這個結果是通過有限元方法計算如圖13一樣情況下光子晶體中光的傳播(TH偏光)而得到的。圖14顯示了在ay/λ0＝0.70的情況下以下的位置的Z向電場的強度(1)n＝2.18層的中心；(3)n＝2.18層和n＝1.44層之間的邊界；(5)n＝1.44層的中心(2)(1)和(3)的中間；以及(4)(3)和(5)的中間。
儘管每層的振幅不一樣，並且觀測到了一定程度的噪聲，但是可以證明的是，具有單一周期的第三能帶光束被傳播了。也可以這樣來說，那就是，通過圖12所示的結構，入射光可以被有效地轉化成為單一第三能帶光。
以利用「一維端面入射結構」同樣的方式，這種結構可以被用作分光鏡儀器或者類似的儀器。這種結構變得比一維結構更為複雜但是可以更高效地利用入射光。[計算的第一個例子]用有限元方法對二維結構進行的模擬在圖13中給出。設定條件如上所述。Y方向上的周期被特地設定為ay＝443.1nm。
真空中波長為λ0的平面波(TE偏光)在作為入射面的X-Y平面上入射，在Y-Z平面上的電磁波用有限元方法來計算。
入射平面波的寬度被設定為10ay，這種結構在Z方向上的厚度被大概設定為7000nm，並且，端面的角度被設定為30°，緊跟著是真空。在傳播方向(Z方向)上，TE偏振光的能帶圖就如圖14所示。表格1顯示了λ0＝633nm的情況下，第三能帶波矢、有效折射率和折射光線角度的大小。折射光線的角度是在有效折射率和折射定律的基礎上計算出來的。[表格1]λ0＝633nm，ay/λ0＝0.700在Z方向傳播的光線(TE偏光) 第三能帶波矢大小K3＝0.243·2π/a有效折射率λ0·K/2π0.347折射光線的角度 θ3＝10.3°圖15顯示了模擬的結果。從圖15得到了以下的結果。
第三能帶光角度θ＝約10°這個數值同表格1中的能帶計算結果很接近。第三能帶折射光佔了從傾斜面出射的出射光的絕大部分。然而，在這種結構的Y方向上傳播的散射光線，也被強烈的發射。這是因為Z方向上的折射率差異比Y方向上的折射率差異大，所以光限效果變得很強烈。
表格2顯示了在λ0＝575.5nm的情況下的計算結果。[表格2]λ0＝575.5nm，ay/λ0＝0.770在Z方向傳播的光線(TE偏光) 第三能帶波矢大小K3＝0.551·2π/a有效折射率λ0· K/2π 0.716折射光線的角度 θ3＝9.0°當把λ0＝633nm和λ0＝575.5nm兩種情況的能帶計算值作比較，可以證明，入射光波長的不同將會表現為第三能帶光折射角的色散。雖然λ0＝633nm和λ0＝575.5nm的波長差Δλ是9.1％(在633nm的基礎上)，但是第三能帶光的方向角度差異卻達到了11.0°。因此，波長Δλ每變化1％時，角度的變化Δθ大約是1.2°。這樣就可以得到比常規稜鏡或者衍射光柵更大的色散。並且，既然可以得到比一維結構情況下更強的第三能帶折射光，那麼，這種二維結構就可以被用作更高效的分光鏡儀器。[計算的第二個例子]對如圖13所示並經過如圖8所示的鋸齒化處理的二維結構用有限元方法進行了模擬。
n1＝1.00n2＝1.00n3＝2.18n4＝1.44ay＝810.2nm
az＝ay/4ty＝0.5tz＝0.5真空中波長為λ0＝633nm的平面波(TE偏光)在作為入射面的X-Y平面上入射，計算在Y-Z平面上的電磁波。這種結構在Z方向上的厚度被設定為約5000nm，並且它被製成鋸齒結構，其中，鋸齒角φ被設定為30°，而且Y方向上的周期是1.536nm(ay的三倍)。與此相鄰的是真空。光傳播方向(Z方向)上TE偏振光的能帶圖在圖16中給出。
表格3列出了在λ0＝633nm的情況下，第三能帶波矢、有效折射率和折射光線(0級衍射光線)方向角度的大小。折射光線的角度是在有效折射率和折射定律的基礎上計算出來的。[表格3]λ0＝633nm，ay/λ0＝1.28在Z方向傳播的光線(TE偏光) 第三能帶波矢大小K3＝1.28·2π/ay有效折射率λ0·K/2π 1.00折射光線的角度 θ3＝0°圖17顯示了模擬的結果。從圖17得到了以下的結果。
第三能帶光方向角度θ＝約0°這個數值同表格3中的能帶計算結果很接近。在圖17中產生的「衍射光線」8是非0級的衍射光線，並且「衍射光線」8是由顯露於端面上光子晶體的周期或者光子晶體中的鋸齒周期產生的。
作為入射光4波長變化的一個例子，在表格4和圖18中分別給出了在λ0＝450nm的情況下的計算結果和模擬結果。[表格4]λ0＝450nm，ay/λ0＝1.138在Z方向傳播的光線(TE偏光) 第三能帶波矢大小 K3＝1.02·2π/a有效折射率λ0·K/2π 0.896折射光線的方向角度 θ3＝3.4°
從圖18可以得到，出射光6(折射光)的方向角度θ大約為3°，這和能帶計算值符合的很好。[第三個實施例]當採用和第一個實施例同樣的方式，給根據第二個實施例構建的「一維端面入射二維結構」的X-Y平面上的結構添加90°旋轉對稱性，第三能帶光得到加強，同時，由偏振方向所引起的差異被消除。這種方法等同於在X，Y和Z三個方向上引入重複周期結構，這也等同於使用三維的光子晶體。這就製成一種「二維端面入射三維結構」的光學儀器。
本發明中所使用的光子晶體材料不會受特別限制，只要它們在所應用的波長範圍內可以保持透明。所用材料的例子，包括二氧化矽，矽，鈦氧化物，鉭氧化物，鈮氧化物和氟化鎂，都是比較可取的，因為它們被廣泛用作多層膜的材料，並且有很好的穩定性，製備膜的成本也較小。然而，最好不要使折射率差異低於0.1，因為當材料之間的折射率差異很小時，調製過程很弱以至於難以達到預期目的。當選擇了合適的材料，就可以在正常應用的波長範圍(約200nm到20μm)中完成本發明的操作。
舉個例子，第二個實施例中描述的結構可以通過以下步驟產生。通過運用真空氣相沉積法，濺射法，離子輔助氣相沉積法或者CVD法，在玻璃基片上交替堆疊二氧化矽薄膜和鈦氧化物薄膜。然後，通過活性離子蝕刻或者類似的方法，可以在垂直薄膜表面的方向上形成條紋狀的凹槽。這樣，就製備出了第二個實施例中所描述的結構。
現已提出各種不同於以上所述的方法用於生產三維光子晶體。
根據本發明，偏振依賴性可以通過一種光學儀器得到控制，在此儀器中，光束在二維或者三維光子晶體中的一個特定的端面入射。這樣就可以高效地獲得沒有偏振依賴性的分光鏡功能或者偏振光分離功能。[光學記錄頭]接著，將會在下面說明運用根據本發明的光子晶體的光學記錄頭。
例如，如圖1所示，在平行的平面基片2上構建在Y方向和Z方向有周期的光子晶體1。一束包含了多個波長的入射光4從基片2的一邊入射到光子晶體1中。光子晶體1的一個出射邊端面被製成鋸齒狀的衍射光柵3。同普通的同質材料相比，穿過光子晶體1的光線色散很大。這樣，由這種結構調製的出射光(折射光)6比通過普通衍射光柵調製的出射光色散更大。
舉例來說，在後面將要談到的一個設計例子中，應用光子晶體儀器，在波長差異Δλ是1％左右，可以得到的角度差異Δθ大約是0.24°。把這個數值和通過另外的色散儀器得到的數值作個比較，這種光子晶體的散射角(約0.24°)要比通常使用的玻璃稜鏡的散射角(約0.08°)大得多，這種玻璃稜鏡由重火石玻璃製成並且有一個11°的頂角。
在另一方面，把它和普通的透射式衍射光柵做比較，當一束光線垂直入射於光柵的表面，而且對應於所用光的波長為λ，這個光柵常數是5λ時，初級衍射光線角度的差異會隨著波長λ改變1％而改變約0.11°。因此，這種衍射光柵的色散角的確大於稜鏡的色散角，但是這種色散角卻比光子晶體的要小。很明顯，應用此光子晶體可以減小這種光學儀器的尺寸。
順便提及一點，當這種透射式衍射光柵的光柵常數小於了5λ時，衍射效率就會突然降低。因此，想通過運用透射式衍射光柵來達到減小光學儀器尺寸的目的是不合適的(見Introduction of Diffraction OpticalDevice by Optronics Co.，Ltd.，1997)。
這種衍射光柵可以被安放在光入射面上。此外，當能夠保持光子晶體的光入射面和光出射面之間有足夠的厚度時，光子晶體就不需要製成鋸齒狀的衍射光柵，但可以做成這樣一種結構入射面和出射面不平行而互相傾斜成一個角度，這樣光子晶體就有分光稜鏡的功能。在這種情況下，可以得到同樣的效果。
根據本發明的波長復用光學記錄頭將在上述基本分析的基礎上來描述。為了獲得高密度的存儲，製成了波長復用光學記錄系統，並且波長中心為400nm。圖20顯示了記錄頭的整個部分，圖21顯示了記錄頭的主要部分。從作為不同波長光發射源的半導體雷射雷射器10和20發射的光線31和32被準直透鏡13和23分別轉化為平行光34和35。然後，平行光34和35在光分離器15上入射，光分離器15是光學復用儀器。通過分離器15復用的光線37在光子晶體儀器11上入射，光子晶體儀器11是光學解復用器，這種儀器有類似於圖1所示的結構。因此，如圖21所示，解復用光束38就會根據波長以不同的角度出射。這些解復用光束38通過透鏡17被分別會聚在記錄介質19的不同位置，如41處和42處。
儘管在圖20顯示的情況中，僅有兩種波長的雷射器10和雷射器20作為光源，但是本發明可以應用更多數目的光源來增加光復用的程度。多波長光復用系統不僅局限於本例。這種光子晶體有這樣一種結構，傳播於其中的入射光和出射光(解復用光束)之間的方向關係變化了。當這種光子晶體被應用於光學記錄頭時，希望入射光和出射光之間的角度儘可能的小，就象圖20或圖21中所示得那樣。然而，這樣一種光學系統即使在以下這種情況下也能製成出射光相對於入射光有一個接近90°的角度，並且出射光從光子晶體的一個側面出射。
舉個例子，當使用發射波長約為400nm的藍色半導體雷射器作為光源時，並且使用NA＝0.6(焦距f＝1mm)的透鏡作為物鏡17，那麼，每一個焦斑的直徑大約為0.3到0.4μm。為了保持1μm的間隔來分開焦斑，折射角差異必須達到0.057°。當使用波長差距為1nm的光源時，對於分光鏡儀器而言，波長每差距1％(4nm)折射角至少應達到0.228°。既然前面檢定的光子晶體的色散特性顯示出波長每差距1％折射角變動0.24°，那麼這個特性是能達到要求的。
在使用衍射光柵或者玻璃稜鏡時，透鏡的焦距要選擇得大一些，否則區分能力將下降。在這種情況下，是不可能構建一個小尺寸的波長復用光學系統。
本發明中所使用的光子晶體材料不會受特別限制，只要它們在所應用的波長範圍內可以保持透明。所用材料的例子，包括二氧化矽，矽，鈦氧化物，鉭氧化物，鈮氧化物和氟化鎂，都是比較可取的，因為它們被廣泛用作多層膜的材料，並且有很好的穩定性，製備膜的成本也較小。然而，最好不要使折射率差異低於0.1，因為當材料之間的折射率差異很小時，調製過程很弱以至於難以達到預期目的。當選擇了合適的材料，就可以在正常應用的波長範圍(約200nm到20μm)中完成本發明的操作。
真空氣相沉積法，濺射法，離子輔助氣相沉積法或者CVD法都可以用來製備這樣的多層膜。
另外，即使在組成這種光子晶體的每一個層呈現出折射率連續變化的折射率梯度的情況下，這種光子晶體仍可以有以上所述的完全一樣的特性，只要在這些折射率之間存在差異。[設計範例]下面將描述一個特定的設計範例。此設計範例的一個目標是有著和圖12所示的一樣結構的二維光子晶體。如圖12，這種光子晶體由4種不同的材料A(折射率n1)，B(折射率n2)，C(折射率n3)和D(折射率n4)組成。這種光子晶體有這樣一種結構每一個在Y-Z平面上有矩形底面的方型柱在Y方向和Z方向各自以預定的間隔ay和az作周期性地堆疊。在本設計範例中折射率設定如下。
n1＝1.0n2＝1.0n3＝2.18n4＝1.44在這個例子中，材料A和材料B是一樣的並且A和B都被作為空氣(真空)層。
各層的周期設定如下。
ay＝512nmaz＝ay/4ty＝0.5tz＝0.5作為本設計範例目標的本光學系統在以下情況下與圖1中所示的結構等價入射端面設定在X-Y平面內並且平面波(TE偏光)在Z方向上垂直入射以便從平行於X-Y平面的相對的端面上獲得出射光。圖17和圖18給出了通過有限元方法計算的波長(真空中波長)為λ0的光波在本光學系統中的傳播的計算結果，結果是以數值來表示的。這種結構在Z方向上的厚度被設定為5000nm。儘管在圖12中沒有清楚的表示出，但是光子晶體的出射面做成鋸齒結構。在這種結構中，鋸齒角φ被設定為30°，並且Y方向上的周期被設定為1536nm(為ay的三倍)。光學儀器周圍的介質是空氣(或者真空)。(1)在λ0＝400nm(圖17)的情況下，入射光4形成了角度θ約為0°的折射光(出射光)6。(2)在λ0＝450nm(圖18)的情況下，入射光4形成了角度θ約為3°的折射光(出射光)6。
400nm和450nm之間的波長差異Δλ為12.5％(以400nm為基礎)，而角度差異達到3°。因此，Δλ為1％時的角度差異Δθ約為0.24°。順便一點，圖17和圖18中的「衍射光束」8是在顯露於端面的光子晶體周期或者光子晶體的鋸齒周期基礎上產生的。
如以上所述，根據本發明，從周期性多層結構的光子晶體中射出的光線有著很好的方向性，而且光線的方向很大程度上依賴於光的波長。利用波長依賴性，在不增加尺寸的情況下可製成波長復用光學記錄頭。既然用於形成這樣光子晶體的多層膜可以通過現存的工藝相對便宜地大量生產，那麼就有可能減小這種光學儀器的成本。此外，利用微處理工藝也可以生產出類似的儀器。
權利要求
1.一種包含二維光子晶體結構的光學儀器，其二維光子晶體結構的一個結構部分在兩個不同方向上具有重複周期，其特徵在於所述的重複周期結構部分有一個端面顯露在兩個不同的方向上，並作為光入射面，另一個端面顯露在兩個不同的方向上並作為光出射面；而且，上述光出射面至少有一部分相對於上述光入射面以特定的角度傾斜。
2.一種包含二維光子晶體結構的光學儀器，其二維光子晶體結構的一個結構部分在兩個不同方向上具有重複周期，其特徵在於所述的重複周期結構部分有一個端面僅顯露在兩個不同的方向中的一個方向上，並作為光入射面，與光入射面相對的另一個端面作為光出射面；而且，上述光出射面至少有一部分相對於上述光入射面以特定的角度傾斜。
3.一種包含三維光子晶體結構的光學儀器，其三維光子晶體結構的一個結構部分在三個不同方向上具有重複周期，其特徵在於所述的重複周期結構部分有一個端面顯露在三個不同的方向中的兩個方向上，並作為光入射面，與光入射面相對的端面作為光出射面；而且，上述光出射面至少有一部分相對於上述光入射面以特定的角度傾斜。
4.根據權利要求1到3的任何一項的光學儀器，其特徵在於光入射面和光出射面都是平面。
5.根據權利要求1到3的任何一項所述的光學儀器，其特徵在於光入射面和光出射面具有波紋狀的結構重複周期。
6.一種包含二維光子晶體結構的光學儀器，其二維光子晶體結構的一個結構部分在兩個不同方向上具有重複周期，其特徵在於所述的重複周期結構部分有一個端面顯露在兩個不同的方向上，並作為光入射面，另一個端面顯露在兩個不同的方向上並作為光出射面；而且，該重複周期性結構至少在兩個不同方向中的一個方向上是由大、小兩種重複周期組成的。
7.一種包含二維光子晶體結構的光學儀器，其二維光子晶體結構的一個結構部分在兩個不同方向上具有重複周期，其特徵在於所述的重複周期結構部分有一個端面僅顯露在兩個不同的方向中的一個方向上，並作為光入射面，與光入射面相對的另一個端面作為光出射面；而且，顯露在光入射面的上述重複周期性結構是由大、小兩種重複周期組成的。
8.一種包含三維光子晶體結構的光學儀器，其三維光子晶體結構的一個結構部分在三個不同方向上具有重複周期，其特徵在於所述的重複周期結構部分有一個端面顯露在三個不同的方向中的兩個方向上，並作為光入射面，另一個端面顯露在三個不同的方向中的兩個方向上作為光出射面；而且，顯露在光入射面的上述重複周期性結構至少在兩個不同方向中的一個方向上是由大、小兩種重複周期組成的。
9.根據權利要求1到3的任何一項所述的光學儀器，其特徵在於在光的入射面上的上述重複周期性結構有圍繞此光入射面垂線的90°旋轉對稱性。
10.根據權利要求1到3的任何一項或6到8的任何一項所述的光學儀器，其特徵在於在所述的周期多層結構中存在鍵合光子能帶的波矢，此鍵合光子能帶對應於光傳播方向上所用的波長範圍；而且，該鍵合光子帶不是處於最低。
11.根據權利要求10所述的光學儀器，其特徵在於在所述的光學儀器中僅存在一種鍵合光子能帶的波矢，此鍵合光子能帶對應於光傳播方向上所用的波長範圍；而且，該鍵合光子帶不是處於最低。
12.根據權利要求2或7所述的光學儀器，其特徵在於對應於光傳播方向上所用的波長範圍的鍵合光子能帶只能是最低級。
13.根據權利要求1到3的任何一項或6到8的任何一項所述的光學儀器，其特徵在於上述重複周期結構是由三種折射率不同的材料組成。
14.根據權利要求1到3的任何一項或6到8的任何一項所述的光學儀器，其特徵在於與上述重複周期結構接觸的介質是空氣或者真空。
15.根據權利要求1到14的任何一項所述的光學儀器，其特徵在於上述光入射面和上述光出射面是互相替代的。
16.應用根據權利要求1到15中的任何一項的光學儀器的波長復用光學記錄頭。
17.利用多個波長來寫/讀信息進/出光學記錄介質的波長復用光學記錄頭，其特徵在於光子晶體被用來作為光學解復用儀。
18.根據權利要求1的波長復用光學記錄頭，其特徵在於上述光子晶體在兩個不同方向上有重複周期結構；所述的重複周期結構部分有一個端面僅顯露在兩個不同的方向中的一個方向上，並作為光入射面，與光入射面相對的另一個端面作為光出射面；而且，上述光出射面至少有一部分相對於上述光入射面以特定的角度傾斜。
19.根據權利要求18的波長復用光學記錄頭，其特徵在於上述光入射面或者上述光出射面有波紋狀重複周期結構。
20.根據權利要求17到19中任何一項的波長復用光學記錄頭，進一步包括一個光學系統，這個系統包含了發射不同波長光波的多束光源，把從所述的多束光源發射的光線分別轉化為平行光線的準直透鏡，將不同波長平行光複合成為光通量的光學復用儀，用來分解上述包含多個波長的光通量的光學解復用儀，和用以將上述分解過的光通量會聚在光學記錄介質上的透鏡。
全文摘要
本發明提供了一種光學儀器,該儀器應用了在兩個或者三個不同方向有重複周期結構的二維或者三維光子晶體。在該光學儀器中的這種光子晶體被製成稜鏡結構或者鋸齒狀的衍射光柵結構。
文檔編號G02B6/34GK1380570SQ0210618
公開日2002年11月20日 申請日期2002年4月8日 優先權日2001年4月6日
發明者橘高重雄, 奈良正俊, 小山正, 淺井貴弘 申請人:日本板硝子株式會社