专利名称：光学仪器和波长复用光学记录头的制作方法
技术领域：
本发明涉及了分光镜光学仪，它被用来分离不同波长的光线；及偏振光分离仪，它被用来分开在不同方向上的偏振光线；特别的，本发明还涉及使用二维或三维光子晶体的这些光学仪器。
本发明也涉及到光信息记录；特别是，本发明涉及到光记录光学系统，这个系统通过波长复用在很高的速度下写和读大容量的信息。
光学解复用器(或者分光镜)被用来人工分离/检测在波长复用通讯中的多数波长复用的光信号，或者被用来很好的分析在光谱测量中的光线。光学解复用器需要象棱镜、滤波片、或者衍射光栅这样的分光镜仪器。特别的，衍射光栅是一个典型的分光镜仪器。在石英或者硅树脂基片上形成了周期性的、细微的皱纹结构的器件被用作衍射光栅。由这些周期性的、细微的皱纹结构所引起的衍射光线会互相干涉，因此，特定波长的光线会各自向不同的方向发散。这个特性被用作分光镜仪器。
图19给出了一个使用衍射光栅的分光镜光学系统的例子。一束从光纤21发射的波长复用的光线30通过准直透镜22校准成为平行光31。平行光31会在衍射光栅23上入射。入射光线通过衍射光栅23而被分离，因此，被分离的光线会根据波长以不同的出射角出射。出射光线32再次通过准直透镜22并且在光接受面24上形成会聚的光斑群40。当象光电二极管或者光纤端面这样的光检测器作为光接收器件被分别放置在会聚的光斑群的各个位置，不同的信号输出可以根据先前各自的波长得到。另外，当衍射光栅上入射光有一连续光谱时，严格按照光接受面上光接收器件放置间隔的不连续的输出可以被得到。
假设在有反射的衍射光栅的情况下，那么存在下面的方程sinθi+sinθ0＝mλ/d其中，m是衍射光栅中的衍射级数，d是光栅常数，λ是使用波的波长，θi是入射光线(光纤的光轴5)和垂直于衍射光栅面的直线的夹角，θ0是出射光线和此垂线的夹角。
当在θi不变的情况下波长变动Δλ，那么光线在到达距衍射光栅有L距离的光接收面时，光线的位置变化ΔX如下面方程给出ΔX＝(Lm/(d·cosθ0))·Δλ因此，在光接收面上，依照波长间隔，以在此方程的基础上计算出来的位置间隔来放置光接收器件，那么不同的信号会各自根据波长而得到。
然而，从衍射光栅出射的光线的出射角，有低的波长依赖性。假设现在的情况是在用于光学通讯的1.55μm的波段中，波长间隔是0.8nm(相应的频率间隔是100GHz)的光线被分离。假设衍射级数m是25，入射角θi是71.5°，出射角θ0是38.5°，光栅常数d是24.7μm。在这个系统中，依据波长0.8μm的间隔得到的出射角的变化仅仅是0.06°。因此，当间距L被要求是48mm时这些光线才能才能被分离并且才能被间隔为50μm的光接收器件接收。
那就是说，在光接收面上光斑位置的变化ΔX通常不能小于几十个μm，因为光接受器件有固定的尺寸。既然衍射光栅的常数m和d不能有很大的改变，那么，对于很小的波长变化Δλ，应增加间距L以获得所需的ΔX。因此，存在的一个问题就是为了提高使用衍射光栅的光学解复用器的性能，器件的尺寸就不得不增加了。
此外，既然衍射角不会依赖偏振方向而改变，那么使用普通衍射光栅也不能让偏振光按照角度被分离。所以，当一个光学系统需要偏振光分离功能时，就需要一个和衍射光栅不一样的偏振光分离器。
为了解决这些问题，本发明的一个目标就是提供一个色散性能优于由相关工艺制成的衍射光栅的光学仪器。本发明的另一个目标就是提供一种同色散功能一样好的仪器，这种仪器可以按角度来分离偏振光。
近些年来，随着计算机技术的迅速发展，计算机的信息处理量已经巨大的增长了。另一方面，随着网络普及的迅速发展，通讯能力也有了很大的增强。在这种情况下，有高速度和大容量信息处理量的，有高速度和大容量通讯仪器的，并且有高速度和大容量记录仪器的电子零件就变得很重要了。
在这些仪器中，磁性记录仪作为记录仪器迄今已经很流行了。另一方面，一种运用光的记录技术，比如磁—光系统或者光相变系统，已经取得了很重要的位置。发展这种光学记录技术一个很重要的观点就是减小使用波的波长以便增加记录密度。这是因为通过透镜而变窄的光斑的尺寸和波长是成比例的，所以，当光波长变短时，小的光斑就能形成。近来正期望蓝色半导体激光器的发展在这个方面取得很大的效果。
另一方面，现今光学记录技术的主流是使用单色光的光学系统。然而，为了在很高速度下实现写/读，一种使用多元光的写/读技术，变成了很重要的观点。运用多元光的这种系统可以被分成两类，那就是一种系统，其中，当单个波长或者一个很窄的波段被使用时，取数点的数目增加了；另一个系统，其中，对很大范围变化的波长有敏感性的记录媒介被运用。此外，新的把这两种系统的优点结合起来的方案也被构思。
一些已经被公开的技术将作为这些系统的特例被检验。
一种系统被认为是最流行的，这个系统使用了在空间上分离成很多部分的光源，因此，从这些光源部分发出的光可以被会聚到记录媒介上空间不同的点。例如，日本专利(公开号No.144298/1999)已经公开了一种方法。在公开的方法中，半导体激光器并列放置，并且通过耦合装置被耦合到波导管，以便光线可以从合适间距放置的突出端出射。一个透镜光学系统被放置来突出这些端面。这样，光线就可以以小的间距会聚于记录媒介。
另一方面，一种把一条光分成一些光线来利用这些光线的方法已经被提出来了。一种生产适合对不同波长敏感的记录媒介的光学头的技术，在日本专利(申请号No.2000-76688)中被公开。这项公开的技术，不是真的多光记录类型，但建议一个衍射光栅被安置在光电检测器的一边用于适应一些波长，因此，一条光线可以按照使用光波的波长被分离成光束。另外，运用衍射光学仪器分离一条光线成为光束的方法，在日本专利(申请号No.306569/1999)中也已经被提出来。
然而，在运用并列放置的半导体激光器系统时，把系统中的激光器互相安放得很近是不可能的。因此，系统不得不采用复杂的方法，其中，半导体激光器被耦合到波导管。所以，存在一个问题就是，光学系统变得太复杂而不利于准直和装配。另一方面，在使用不同波长光的这个系统中，使光学系统的光路足够长来充分的分离衍射的光线是很有必要的。这样，存在的一个不利之处就是光学头自身变大。
本发明是被发展用来解决以上的问题的。本发明的一个目的就是为了能提供一个容易构造并且尺寸很小的波长复用光学记录头。
根据本发明，在二维光子晶体中，这种重复周期结构部分有第一类端面显露在两个不同的方向上，作为光入射面；这种重复周期结构部分还有第二类端面显露在这两个不同的方向上，作为光出射面。
根据本发明，在二维光子晶体中，这种重复周期结构部分有第一类端面仅仅显露在两个不同方向的一个方向上，作为光入射面；这种重复周期结构部分还有一类端面和光入射面相对，作为光出射面。
根据本发明，在三维光子晶体中，这种重复周期结构部分有第一类端面显露在三个不同方向的两个方向上，作为光入射面；这种重复周期结构部分还有一类端面和光入射面相对，作为光出射面。
比较可取的是，在(1)到(3)中所述的任何一种光学仪器之中，光出射面至少有一部分相对于光入射面倾斜一个预定的角度。在这种情况下，这种光学仪器就会有一种所谓的棱镜结构，其中，光入射面和光出射面都是平面。或者是，光学仪器可以是一个衍射光栅，其中，光入射面或光出射面会有一种皱纹结构的重复周期。
更进一步的是，如(1)到(3)中的任何一种，这种显露在光入射面上的重复周期结构可以是由大的重复周期和小的重复周期两种组成，在这个时候，光出射面就不必相对于光入射面有一个角度的倾斜了。
当(1)到(3)中所述的任何一种光学仪器被用作分光镜仪器时，比较可取的是，在这种周期多层结构中，当一种波长范围被用在光传播的一个方向上时，相应于这个波长范围的键合光子能带出现了，并且这个键合光子能带不是处于最低位置。
在这种情况下，特别可取的是，当(1)到(3)中光学仪器被运用时，这种分光镜仪器没有任何的偏振依赖性。比较可取的是，在光入射面上或者光出射面上的这种重复周期结构，有围绕光入射面或者光出射面垂线的90°旋转对称。
更进一步的是，在(1)到(3)的任何一种光学仪器之中，比较可取的是，当一种波长范围被用在光传播的一个方向上时，相应于这个波长范围的键合光子能带仅有的一种波矢出现了，并且这个键合光子能带不是处于最低位置。
当根据本发明的这种光学仪器被用作偏振光分离仪，更为可取的是，当(2)中所述的光学仪器被运用时，相应于在光传播的一个方向上波长范围的键合光子能带刚好处于最低位置。
比较可取的是，(1)到(3)中任何一种仪器的这种重复周期结构，是由三种不同折射率的材料组成的。更为可取的是，和这种重复周期结构相接触的媒介是空气或者真空。
顺便提及的是，在每一个光学仪器中，这种光入射面和光出射面是可以互相替代的。
根据本发明，光子晶体作为光分离仪被运用在波长复用光学记录头中，这种记录头是通过多波长来写/读信息进/出一种光记录媒介的。
这种光子晶体在两个不同的方向上都有结构重复周期。这种重复周期结构有第一类端面显露在两个不同方向的一个方向上，作为光入射面；这种重复周期结构还有一类端面相对于光入射面，作为光出射面。比较可取的是，光出射面至少有一部分相对于光入射面倾斜一个预定的角度。更为可取的是，光入射面或者光出射面形成一个有皱纹结构重复周期的衍射光栅。
运用光子晶体作为光学解复用器允许有一个如下述结构的光学系统一个可以发射不同波长光的多数光源，一个可以把从多数光源发射的光线分别转化为平行光的准直透镜，一个可以把不同波长组成的平行光复合为光通量的光学复用器，一个可以分离由多数波长组成的光通量的光学解复用器，并且还有一个可以把分离的光通量会聚到光记录媒介上的透镜。
现已知道的是，大的色散可以通过使用这样的光子晶体(所谓的超棱镜效应)而得到。因此，当这种光子晶体被用来形成多元光线时，波长复用多元光记录系统的尺寸可以被大大的减小。那就是说，为了产生多元光线，在记录敏感性没有变化的一定范围内靠改变波长而得到的光源应该准备好，并且，从这些光源发射的光线也应该同时从光子晶体通过。这样，光线可以从不同的角度出射，同时，大的散射角也可以被得到。因此，这样就有可能形成小尺寸的光学系统。此外，当通过波长敏感性差异来记录时，分离从给定光源发射的光线变得如此敏锐以至于可以形成小尺寸的光学系统。
这份公开的文件涉及了日本专利(申请号Nos.2001-108414和2001-108475，两者都在2001年4月6日提出申请)的主旨，它们通过索引很全面很清楚的包括在此。
图2示出了依据本发明的一种周期多层结构(一维)。
图3示出了一个例子，这个例子是关于周期多层结构(一维)光子能带的计算结果的。
图4示出了另一个例子，这个例子是关于周期多层结构(一维)光子能带的计算结果的。
图5示出了在光传播的一个方向上周期多层结构(一维)的能带图。
图6示出了在光传播的一个方向上周期多层结构(一维)的另一个能带图。
图7示出了如棱镜一样形状的周期多层结构(一维，端面入射结构)的散射实验。
图8示出了如锯齿一样形状的周期多层结构(一维，端面入射结构)的散射实验。
图9示出了有两种周期的周期多层结构(一维，端面入射结构)的散射实验。
图10示出了一个二维端面入射结构。
图11示出了一个例子，这个例子是关于二维端面入射结构的端面图的例子。
图12示出了一个一维端面入射二维结构。
图13示出了一个例子，这个例子是关于一维端面入射二维结构的光子能带图的。
图14示出了电子场的波，这个电子场是在一维端面入射二维结构中传播的。
图15示出的是关于一个光学仪器光学特性计算结果的例子，这个光学仪器有一维端面入射二维棱镜结构。
图16示出了另一个例子，这个例子是关于一维端面入射二维结构的光子能带图的。
图17示出的是关于一个光学仪器光学特性计算结果的例子，这个光学仪器有一维端面入射二维锯齿结构。
图18示出的是关于这个光学仪器光学特性计算结果的另一个例子，这个光学仪器有一维端面入射二维锯齿结构。
图19示出了一个由相关工艺制成的分光镜仪器的光学系统。
图20特别示出了依据本发明的波长复用光学记录头的整个部分。
图21示出了依据本发明的波长复用光学记录头的主要部分。
一个由每个都等于或者小于光线波长的薄膜构成的周期多层膜，如一维光子晶体，有一个光子能带间隙。由于这个原因，这种周期性的多层膜作为光学仪器在实际中被广泛应用，如高反射系数的薄膜，偏振光滤光器或者波长选择滤光器。
在本发明中，一个在两个或者三个方向上有重复周期结构的二维或者三维光子晶体结构，被用在一维光子晶体很难达到效果的环境中。
首先，描述将围绕运用一维光子晶体的光学系统，而一维的光子晶体作为本发明的基础。
图1示出了“一维端面入射结构”，这种结构被作为本发明的基础。多层结构1在平面的基片2的一个面上形成，多层结构1在平行于基片表面的一个方向上(Y向)有周期。一个形状象锯齿、并且有衍射光栅功能的重复皱纹(锯齿形)结构5，在多层结构1的表面上形成。垂直于基片表面的入射光线3从基片的一边进入，因此，基于折射和衍射的出射光线4就从多层结构1被获取。通过图1所示的结构，可以得到比锯齿形衍射光栅大得多的色散，这种锯齿形衍射光栅是用同质材料制成的，比如玻璃。
下面将说明这种现象的原理。
图2涉及一个无限延伸的多层结构。多层结构是这样一种结构，其中，厚度为tA的材料A(折射率nA)和厚度为tB的材料B(折射率nB)以a＝(tA+tB)为一个周期被交替地堆叠起来。这样的多层结构可以被看作是一维的光子晶体，因此，在光子晶体理论的基础上进行计算，可以得到光子能带图。这种计算方法在《光子晶体》(普林斯顿大学出版社，1995，PhysicalReview B Vol.44，No.16，P.8565)中或者类似的书中有详尽的描述。
这种周期多层膜的能带图范围，在图2中的Y方向(周期方向)受到了限制，但是在X和Z方向上(在这两个方向上有一个平面延伸)，能带图范围却无限延伸。图3和4显示了通过平面波方法计算能带的结果，两图是分别针对多层薄膜中TE偏光和TH偏光的第一、第二以及第三低的能带的，而且这个多层薄膜是由下面两种周期都是a的交替薄层组成的。
折射率是1.44(厚度0.5a)的薄层和折射率是2.18(厚度0.5a)的薄层。
在这里，TH偏光是指在X方向上有磁场的偏振光，TE偏光是指在X方向上有电场的偏振光。顺便提及的是，图3和图4中每条曲线的数字给出了归一化频率ωa/2πc其中，ω是入射光线的角频率，a是结构的周期，c是真空中的光速。既然归一化频率也可以用入射光在真空中的波长λ0表示成a/λ0，那么，下面的归一化频率就用a/λ0来表示。图3和图4显示的是布里渊区，每一个布里渊区代表了倒易空间的一个周期。垂直轴表示Y方向，在此方向上，上边界和下边界代表了离中心为±π/a的范围。水平轴表示Z方向(或者X方向)，在这个方向上没有边界，这是因为Z方向没有任何周期。为了方便，图3和图4中每个图的左端和右端被用来显示计算的范围。在每一个布里渊区，一个位置表示多层结构的一个波矢，一条曲线表示对应于波长λ0(在真空中)的能带，λ0为入射光的波长。
在这里，穿过光子晶体的光线将被认为是这样传播的图2结构中的X-Y平面作为一个截面，并且，平面波(TE偏振光或TH偏枕光)将沿Z方向垂直入射于这个截面上。
在图3和图4的能带图中，a/λ0值从Z向起始点的变化，在图5(TE偏光)和图6(TH偏光)中给出。如图5所示，当真空中入射光波长为λA时，光子晶体中就会存在和第一能带相对应的波矢KA1。换句话说，入射光会作为周期为λA1＝2π/KA1(以下称为“第一能带光”)的波在光子晶体的Z方向上传播。
另一方面，当真空中入射光波长为λB时，就会存在和第一能带与第三能带相对应的波矢KB1和KB1。在这里，第二能带不予考虑，因为它是“反键态”的。因此，周期λB1＝2π/KB1的第一能带光和周期λB3＝2π/KB3(以下称为“第三能带光”)的光波就会分别穿过光子晶体沿Z向传播。
在这里，用真空中的周期(λA，λB，等等)除以光子晶体中相应的周期(λA1，λB3，等等)而得到的数值被定义为“有效折射率”。由图5可以知道，既然a/λ0和K在第一能带光中严格成比例，所以，根据λ0，第一能带光的有效折射率也就变化很小。然而，根据λ0，第三能带光的有效折射率变化非常大。
因此，当多层结构1，也就是光子晶体，被制成了棱镜一样的形状，那么入射面和出射面就不是互相平行的了，却形成了一个特定的角度，如图7所示，并且，在入射面1b和多层结构的层表面(基片没有画出来)不平行的情况下，当多波长的平行光线作为入射光3入射在入射面1b上时，从与入射面1b成角度的出射面1a出射的第一能带光所显现的色散程度仅仅和普通的同质媒介一样。反之，第三能带光却显示了很大的色散。这样，这种光子晶体可以被用作色散仪。这是所谓的超棱镜效应的一种。这种超棱镜效应在下面的文件和相关的文件中已经被提出。(Physical Review B，Vol.58，No.16，p.R10096，1998)根据图7中的棱镜形状，在Z方向上增加这种光子晶体结构的厚度是很有必要的。这在生产时是一个问题。当出射面1C被形成如图8中的锯齿结构5时，厚度就可以大大的减小了。这种锯齿结构的衍射被了解到是很好的。如果锯齿的周期和深度能够被设计为最佳，那么特定级别衍射光的效率可以接近100％。然而，由超棱镜效应而引起的色散很大，因此，可以根据0级衍射光来给锯齿结构定型。顺便提及的是，在这种情况下，第一能带光也存在，但没有插图(同样的做法会用于下文)。
此外，既然图2中的多层结构在X方向和Y方向上有很大的结构差异，那么，根据偏振方向的不同，性质的差异也会出现。因此，当TE偏光的能带图和TH偏光的能带图互相比较时(图5和图6)，每一个能带都会有差异，并且，在这两个能带图中，第一能带的差异特别大。为此，第一能带可以被很好的用来分离偏振光。例如，在图5和图6中，符合a/λA的TE入射光和TH入射光在成为出射光时，角度有了很大的差异。在这种情况下，既然没有了第三能带光，利用入射光的效率可以被大大加强。顺便提及的是，既然图6中第二能带和第三能带互相交叉(根据偶然简并)，那么，这些能带就和图4中的第二和第三个结果不相符。
在Y方向上的每个周期可以由大的和小的周期形成一个双结构，这种双结构可以用来取代图8中的锯齿结构。图9示出了一个例子，其中，小的周期Ps是一种由A和B两种材料堆叠的重复周期。在一个大周期PL范围内，当材料A的膜厚度在Y方向上以一个特定的比例增加时，材料B的膜厚度会以同样的比例减小。这样，平均折射率在Y方向产生偏离，因此，光子晶体中的光波周期会连续的变化，从而在波前产生了偏离。这种波的周期会以大周期PL重复，因此，在光出射面的波前也就象锯齿一样的形状。结果，就可以得到等同于锯齿形状和皱波形状的光学效果。[第一个实施例]在这种一维端面入射结构中，TE偏光和TH偏光之间存在一个差异，那是因为入射面在X方向和Y方向有很大的结构差异。因此，如果围绕Z轴方向，也就是沿光入射方向，给X-Y平面上的这种结构提供一个90°旋转对称，那么，由偏振方向引起的差异可以被消除。例如，这种对称可以通过以下的结构得到。
图10是关于光子晶体的一个典型的图形，光子晶体是由折射率分别为n1、n2、n3和n4的四种材料A、B、C和D组成。每一种材料都形成了二次柱面，二次柱面在X-Y平面上有底面。每一个C材料被做成有正方形底面的二次柱面。每一种材料在Z方向上没有结构。如一端面部分放大的图形，在X方向上，材料D被安放在材料C的反方向，并且每一个材料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。在这样的布置下，材料D和材料A各自与材料C毗连。材料B和材料C被安放得以至于不能毗连。理所当然的是，X方向的周期ax和Y方向上的周期ay是一样的。在这种情况下，如果n1＝n4，那么，沿Z轴的90°旋转对称就可以得到了。因此，如果材料A和材料D是用同种材料做的，情况就会变得很好。这种90°的旋转对称图案仅仅是一个例子，这种图案并不局限于这个例子。图11示出了90°旋转对称图案的一个通用的例子。
一种类似于图7中“一维端面入射结构”的结构被采用作为分光镜仪器，并且，平行光沿Z向在平行于X-Y平面的端面上入射。可在作为出射面的背面得到折射光。用和一维结构情况同样的方式把以上这种结构制成棱镜形状，也就是，入射端面和出射端面互不平行，那么就可以得到大的色散效果。这种结构可以被制成图8中的锯齿形状。这种结构的分光镜仪器没有偏振依赖性，因此，如果不考虑偏振，这种仪器适合被用来分离在光纤中传播并且和偏振光相混的光束。[第二个实施例]这种一维端面入射结构有一个好处，那就是，这种结构易于制造，因为这是一种相对简单的多层结构。由图5和图6明显可知，在第三能带光存在的情况下，第一能带光也存在。因此，当有大色射的第三能带光被用于分光镜仪器时，存在的一个问题就是，第三能带光和入射光的比率，也就是，光强的利用率变低了。为了解决这个问题，考虑到的一种方法就是，在Z方向引入周期以便增加第三能带光的比率。
图12示出了一个二维光子晶体结构的例子，这种晶体结构在Y方向和Z方向上有周期结构。此结构等同于围绕Y轴把图10的结构旋转90°而得到的一种结构。然而，把Y-Z面上每一种材料的每一个周期单元做成正方形是没有必要的，并且，使Y向周期ay和Z向周期az相等也是没有必要的。例如，在图12所示的结构中，当平面波(TE偏振)沿Z向在平行于X-Y平面的一个端面上垂直入射，也就是，当平面波沿这种“一维端面入射二维结构”入射的时候，将基于下面的假设来考虑在光子晶体中传播的光线。
n1＝1.44n2＝2.18n3＝1.00n4＝1.00ay＝1az＝0.5ty＝0.5tz＝0.5图13通过区域的放大图形，显示了Z方向上从布里渊区原点起的能带。如图13所示，当真空中入射光的波长为λA时，在光子晶体中仅有一个相应于键合第三能带的波矢KA3。虽然在一维结构的情况下，存在两种由第三能带产生的波矢，但仅仅只有一种波矢存在于图13所示的情况中，这是因为在K＝1.0附近有一个很大的带隙。顺便提及一点，第二能带是反键合的。
图14显示了数值的结果，这个结果是通过有限元方法计算如图13一样情况下光子晶体中光的传播(TH偏光)而得到的。图14显示了在ay/λ0＝0.70的情况下以下的位置的Z向电场的强度(1)n＝2.18层的中心；(3)n＝2.18层和n＝1.44层之间的边界；(5)n＝1.44层的中心(2)(1)和(3)的中间；以及(4)(3)和(5)的中间。
尽管每层的振幅不一样，并且观测到了一定程度的噪声，但是可以证明的是，具有单一周期的第三能带光束被传播了。也可以这样来说，那就是，通过图12所示的结构，入射光可以被有效地转化成为单一第三能带光。
以利用“一维端面入射结构”同样的方式，这种结构可以被用作分光镜仪器或者类似的仪器。这种结构变得比一维结构更为复杂但是可以更高效地利用入射光。[计算的第一个例子]用有限元方法对二维结构进行的模拟在图13中给出。设定条件如上所述。Y方向上的周期被特地设定为ay＝443.1nm。
真空中波长为λ0的平面波(TE偏光)在作为入射面的X-Y平面上入射，在Y-Z平面上的电磁波用有限元方法来计算。
入射平面波的宽度被设定为10ay，这种结构在Z方向上的厚度被大概设定为7000nm，并且，端面的角度被设定为30°，紧跟着是真空。在传播方向(Z方向)上，TE偏振光的能带图就如图14所示。表格1显示了λ0＝633nm的情况下，第三能带波矢、有效折射率和折射光线角度的大小。折射光线的角度是在有效折射率和折射定律的基础上计算出来的。[表格1]λ0＝633nm，ay/λ0＝0.700在Z方向传播的光线(TE偏光) 第三能带波矢大小K3＝0.243·2π/a有效折射率λ0·K/2π0.347折射光线的角度 θ3＝10.3°图15显示了模拟的结果。从图15得到了以下的结果。
第三能带光角度θ＝约10°这个数值同表格1中的能带计算结果很接近。第三能带折射光占了从倾斜面出射的出射光的绝大部分。然而，在这种结构的Y方向上传播的散射光线，也被强烈的发射。这是因为Z方向上的折射率差异比Y方向上的折射率差异大，所以光限效果变得很强烈。
表格2显示了在λ0＝575.5nm的情况下的计算结果。[表格2]λ0＝575.5nm，ay/λ0＝0.770在Z方向传播的光线(TE偏光) 第三能带波矢大小K3＝0.551·2π/a有效折射率λ0· K/2π 0.716折射光线的角度 θ3＝9.0°当把λ0＝633nm和λ0＝575.5nm两种情况的能带计算值作比较，可以证明，入射光波长的不同将会表现为第三能带光折射角的色散。虽然λ0＝633nm和λ0＝575.5nm的波长差Δλ是9.1％(在633nm的基础上)，但是第三能带光的方向角度差异却达到了11.0°。因此，波长Δλ每变化1％时，角度的变化Δθ大约是1.2°。这样就可以得到比常规棱镜或者衍射光栅更大的色散。并且，既然可以得到比一维结构情况下更强的第三能带折射光，那么，这种二维结构就可以被用作更高效的分光镜仪器。[计算的第二个例子]对如图13所示并经过如图8所示的锯齿化处理的二维结构用有限元方法进行了模拟。
n1＝1.00n2＝1.00n3＝2.18n4＝1.44ay＝810.2nm
az＝ay/4ty＝0.5tz＝0.5真空中波长为λ0＝633nm的平面波(TE偏光)在作为入射面的X-Y平面上入射，计算在Y-Z平面上的电磁波。这种结构在Z方向上的厚度被设定为约5000nm，并且它被制成锯齿结构，其中，锯齿角φ被设定为30°，而且Y方向上的周期是1.536nm(ay的三倍)。与此相邻的是真空。光传播方向(Z方向)上TE偏振光的能带图在图16中给出。
表格3列出了在λ0＝633nm的情况下，第三能带波矢、有效折射率和折射光线(0级衍射光线)方向角度的大小。折射光线的角度是在有效折射率和折射定律的基础上计算出来的。[表格3]λ0＝633nm，ay/λ0＝1.28在Z方向传播的光线(TE偏光) 第三能带波矢大小K3＝1.28·2π/ay有效折射率λ0·K/2π 1.00折射光线的角度 θ3＝0°图17显示了模拟的结果。从图17得到了以下的结果。
第三能带光方向角度θ＝约0°这个数值同表格3中的能带计算结果很接近。在图17中产生的“衍射光线”8是非0级的衍射光线，并且“衍射光线”8是由显露于端面上光子晶体的周期或者光子晶体中的锯齿周期产生的。
作为入射光4波长变化的一个例子，在表格4和图18中分别给出了在λ0＝450nm的情况下的计算结果和模拟结果。[表格4]λ0＝450nm，ay/λ0＝1.138在Z方向传播的光线(TE偏光) 第三能带波矢大小 K3＝1.02·2π/a有效折射率λ0·K/2π 0.896折射光线的方向角度 θ3＝3.4°
从图18可以得到，出射光6(折射光)的方向角度θ大约为3°，这和能带计算值符合的很好。[第三个实施例]当采用和第一个实施例同样的方式，给根据第二个实施例构建的“一维端面入射二维结构”的X-Y平面上的结构添加90°旋转对称性，第三能带光得到加强，同时，由偏振方向所引起的差异被消除。这种方法等同于在X，Y和Z三个方向上引入重复周期结构，这也等同于使用三维的光子晶体。这就制成一种“二维端面入射三维结构”的光学仪器。
本发明中所使用的光子晶体材料不会受特别限制，只要它们在所应用的波长范围内可以保持透明。所用材料的例子，包括二氧化硅，硅，钛氧化物，钽氧化物，铌氧化物和氟化镁，都是比较可取的，因为它们被广泛用作多层膜的材料，并且有很好的稳定性，制备膜的成本也较小。然而，最好不要使折射率差异低于0.1，因为当材料之间的折射率差异很小时，调制过程很弱以至于难以达到预期目的。当选择了合适的材料，就可以在正常应用的波长范围(约200nm到20μm)中完成本发明的操作。
举个例子，第二个实施例中描述的结构可以通过以下步骤产生。通过运用真空气相沉积法，溅射法，离子辅助气相沉积法或者CVD法，在玻璃基片上交替堆叠二氧化硅薄膜和钛氧化物薄膜。然后，通过活性离子蚀刻或者类似的方法，可以在垂直薄膜表面的方向上形成条纹状的凹槽。这样，就制备出了第二个实施例中所描述的结构。
现已提出各种不同于以上所述的方法用于生产三维光子晶体。
根据本发明，偏振依赖性可以通过一种光学仪器得到控制，在此仪器中，光束在二维或者三维光子晶体中的一个特定的端面入射。这样就可以高效地获得没有偏振依赖性的分光镜功能或者偏振光分离功能。[光学记录头]接着，将会在下面说明运用根据本发明的光子晶体的光学记录头。
例如，如图1所示，在平行的平面基片2上构建在Y方向和Z方向有周期的光子晶体1。一束包含了多个波长的入射光4从基片2的一边入射到光子晶体1中。光子晶体1的一个出射边端面被制成锯齿状的衍射光栅3。同普通的同质材料相比，穿过光子晶体1的光线色散很大。这样，由这种结构调制的出射光(折射光)6比通过普通衍射光栅调制的出射光色散更大。
举例来说，在后面将要谈到的一个设计例子中，应用光子晶体仪器，在波长差异Δλ是1％左右，可以得到的角度差异Δθ大约是0.24°。把这个数值和通过另外的色散仪器得到的数值作个比较，这种光子晶体的散射角(约0.24°)要比通常使用的玻璃棱镜的散射角(约0.08°)大得多，这种玻璃棱镜由重火石玻璃制成并且有一个11°的顶角。
在另一方面，把它和普通的透射式衍射光栅做比较，当一束光线垂直入射于光栅的表面，而且对应于所用光的波长为λ，这个光栅常数是5λ时，初级衍射光线角度的差异会随着波长λ改变1％而改变约0.11°。因此，这种衍射光栅的色散角的确大于棱镜的色散角，但是这种色散角却比光子晶体的要小。很明显，应用此光子晶体可以减小这种光学仪器的尺寸。
顺便提及一点，当这种透射式衍射光栅的光栅常数小于了5λ时，衍射效率就会突然降低。因此，想通过运用透射式衍射光栅来达到减小光学仪器尺寸的目的是不合适的(见Introduction of Diffraction OpticalDevice by Optronics Co.，Ltd.，1997)。
这种衍射光栅可以被安放在光入射面上。此外，当能够保持光子晶体的光入射面和光出射面之间有足够的厚度时，光子晶体就不需要制成锯齿状的衍射光栅，但可以做成这样一种结构入射面和出射面不平行而互相倾斜成一个角度，这样光子晶体就有分光棱镜的功能。在这种情况下，可以得到同样的效果。
根据本发明的波长复用光学记录头将在上述基本分析的基础上来描述。为了获得高密度的存储，制成了波长复用光学记录系统，并且波长中心为400nm。图20显示了记录头的整个部分，图21显示了记录头的主要部分。从作为不同波长光发射源的半导体激光激光器10和20发射的光线31和32被准直透镜13和23分别转化为平行光34和35。然后，平行光34和35在光分离器15上入射，光分离器15是光学复用仪器。通过分离器15复用的光线37在光子晶体仪器11上入射，光子晶体仪器11是光学解复用器，这种仪器有类似于图1所示的结构。因此，如图21所示，解复用光束38就会根据波长以不同的角度出射。这些解复用光束38通过透镜17被分别会聚在记录介质19的不同位置，如41处和42处。
尽管在图20显示的情况中，仅有两种波长的激光器10和激光器20作为光源，但是本发明可以应用更多数目的光源来增加光复用的程度。多波长光复用系统不仅局限于本例。这种光子晶体有这样一种结构，传播于其中的入射光和出射光(解复用光束)之间的方向关系变化了。当这种光子晶体被应用于光学记录头时，希望入射光和出射光之间的角度尽可能的小，就象图20或图21中所示得那样。然而，这样一种光学系统即使在以下这种情况下也能制成出射光相对于入射光有一个接近90°的角度，并且出射光从光子晶体的一个侧面出射。
举个例子，当使用发射波长约为400nm的蓝色半导体激光器作为光源时，并且使用NA＝0.6(焦距f＝1mm)的透镜作为物镜17，那么，每一个焦斑的直径大约为0.3到0.4μm。为了保持1μm的间隔来分开焦斑，折射角差异必须达到0.057°。当使用波长差距为1nm的光源时，对于分光镜仪器而言，波长每差距1％(4nm)折射角至少应达到0.228°。既然前面检定的光子晶体的色散特性显示出波长每差距1％折射角变动0.24°，那么这个特性是能达到要求的。
在使用衍射光栅或者玻璃棱镜时，透镜的焦距要选择得大一些，否则区分能力将下降。在这种情况下，是不可能构建一个小尺寸的波长复用光学系统。
本发明中所使用的光子晶体材料不会受特别限制，只要它们在所应用的波长范围内可以保持透明。所用材料的例子，包括二氧化硅，硅，钛氧化物，钽氧化物，铌氧化物和氟化镁，都是比较可取的，因为它们被广泛用作多层膜的材料，并且有很好的稳定性，制备膜的成本也较小。然而，最好不要使折射率差异低于0.1，因为当材料之间的折射率差异很小时，调制过程很弱以至于难以达到预期目的。当选择了合适的材料，就可以在正常应用的波长范围(约200nm到20μm)中完成本发明的操作。
真空气相沉积法，溅射法，离子辅助气相沉积法或者CVD法都可以用来制备这样的多层膜。
另外，即使在组成这种光子晶体的每一个层呈现出折射率连续变化的折射率梯度的情况下，这种光子晶体仍可以有以上所述的完全一样的特性，只要在这些折射率之间存在差异。[设计范例]下面将描述一个特定的设计范例。此设计范例的一个目标是有着和图12所示的一样结构的二维光子晶体。如图12，这种光子晶体由4种不同的材料A(折射率n1)，B(折射率n2)，C(折射率n3)和D(折射率n4)组成。这种光子晶体有这样一种结构每一个在Y-Z平面上有矩形底面的方型柱在Y方向和Z方向各自以预定的间隔ay和az作周期性地堆叠。在本设计范例中折射率设定如下。
n1＝1.0n2＝1.0n3＝2.18n4＝1.44在这个例子中，材料A和材料B是一样的并且A和B都被作为空气(真空)层。
各层的周期设定如下。
ay＝512nmaz＝ay/4ty＝0.5tz＝0.5作为本设计范例目标的本光学系统在以下情况下与图1中所示的结构等价入射端面设定在X-Y平面内并且平面波(TE偏光)在Z方向上垂直入射以便从平行于X-Y平面的相对的端面上获得出射光。图17和图18给出了通过有限元方法计算的波长(真空中波长)为λ0的光波在本光学系统中的传播的计算结果，结果是以数值来表示的。这种结构在Z方向上的厚度被设定为5000nm。尽管在图12中没有清楚的表示出，但是光子晶体的出射面做成锯齿结构。在这种结构中，锯齿角φ被设定为30°，并且Y方向上的周期被设定为1536nm(为ay的三倍)。光学仪器周围的介质是空气(或者真空)。(1)在λ0＝400nm(图17)的情况下，入射光4形成了角度θ约为0°的折射光(出射光)6。(2)在λ0＝450nm(图18)的情况下，入射光4形成了角度θ约为3°的折射光(出射光)6。
400nm和450nm之间的波长差异Δλ为12.5％(以400nm为基础)，而角度差异达到3°。因此，Δλ为1％时的角度差异Δθ约为0.24°。顺便一点，图17和图18中的“衍射光束”8是在显露于端面的光子晶体周期或者光子晶体的锯齿周期基础上产生的。
如以上所述，根据本发明，从周期性多层结构的光子晶体中射出的光线有着很好的方向性，而且光线的方向很大程度上依赖于光的波长。利用波长依赖性，在不增加尺寸的情况下可制成波长复用光学记录头。既然用于形成这样光子晶体的多层膜可以通过现存的工艺相对便宜地大量生产，那么就有可能减小这种光学仪器的成本。此外，利用微处理工艺也可以生产出类似的仪器。
权利要求
1.一种包含二维光子晶体结构的光学仪器，其二维光子晶体结构的一个结构部分在两个不同方向上具有重复周期，其特征在于所述的重复周期结构部分有一个端面显露在两个不同的方向上，并作为光入射面，另一个端面显露在两个不同的方向上并作为光出射面；而且，上述光出射面至少有一部分相对于上述光入射面以特定的角度倾斜。
2.一种包含二维光子晶体结构的光学仪器，其二维光子晶体结构的一个结构部分在两个不同方向上具有重复周期，其特征在于所述的重复周期结构部分有一个端面仅显露在两个不同的方向中的一个方向上，并作为光入射面，与光入射面相对的另一个端面作为光出射面；而且，上述光出射面至少有一部分相对于上述光入射面以特定的角度倾斜。
3.一种包含三维光子晶体结构的光学仪器，其三维光子晶体结构的一个结构部分在三个不同方向上具有重复周期，其特征在于所述的重复周期结构部分有一个端面显露在三个不同的方向中的两个方向上，并作为光入射面，与光入射面相对的端面作为光出射面；而且，上述光出射面至少有一部分相对于上述光入射面以特定的角度倾斜。
4.根据权利要求1到3的任何一项的光学仪器，其特征在于光入射面和光出射面都是平面。
5.根据权利要求1到3的任何一项所述的光学仪器，其特征在于光入射面和光出射面具有波纹状的结构重复周期。
6.一种包含二维光子晶体结构的光学仪器，其二维光子晶体结构的一个结构部分在两个不同方向上具有重复周期，其特征在于所述的重复周期结构部分有一个端面显露在两个不同的方向上，并作为光入射面，另一个端面显露在两个不同的方向上并作为光出射面；而且，该重复周期性结构至少在两个不同方向中的一个方向上是由大、小两种重复周期组成的。
7.一种包含二维光子晶体结构的光学仪器，其二维光子晶体结构的一个结构部分在两个不同方向上具有重复周期，其特征在于所述的重复周期结构部分有一个端面仅显露在两个不同的方向中的一个方向上，并作为光入射面，与光入射面相对的另一个端面作为光出射面；而且，显露在光入射面的上述重复周期性结构是由大、小两种重复周期组成的。
8.一种包含三维光子晶体结构的光学仪器，其三维光子晶体结构的一个结构部分在三个不同方向上具有重复周期，其特征在于所述的重复周期结构部分有一个端面显露在三个不同的方向中的两个方向上，并作为光入射面，另一个端面显露在三个不同的方向中的两个方向上作为光出射面；而且，显露在光入射面的上述重复周期性结构至少在两个不同方向中的一个方向上是由大、小两种重复周期组成的。
9.根据权利要求1到3的任何一项所述的光学仪器，其特征在于在光的入射面上的上述重复周期性结构有围绕此光入射面垂线的90°旋转对称性。
10.根据权利要求1到3的任何一项或6到8的任何一项所述的光学仪器，其特征在于在所述的周期多层结构中存在键合光子能带的波矢，此键合光子能带对应于光传播方向上所用的波长范围；而且，该键合光子带不是处于最低。
11.根据权利要求10所述的光学仪器，其特征在于在所述的光学仪器中仅存在一种键合光子能带的波矢，此键合光子能带对应于光传播方向上所用的波长范围；而且，该键合光子带不是处于最低。
12.根据权利要求2或7所述的光学仪器，其特征在于对应于光传播方向上所用的波长范围的键合光子能带只能是最低级。
13.根据权利要求1到3的任何一项或6到8的任何一项所述的光学仪器，其特征在于上述重复周期结构是由三种折射率不同的材料组成。
14.根据权利要求1到3的任何一项或6到8的任何一项所述的光学仪器，其特征在于与上述重复周期结构接触的介质是空气或者真空。
15.根据权利要求1到14的任何一项所述的光学仪器，其特征在于上述光入射面和上述光出射面是互相替代的。
16.应用根据权利要求1到15中的任何一项的光学仪器的波长复用光学记录头。
17.利用多个波长来写/读信息进/出光学记录介质的波长复用光学记录头，其特征在于光子晶体被用来作为光学解复用仪。
18.根据权利要求1的波长复用光学记录头，其特征在于上述光子晶体在两个不同方向上有重复周期结构；所述的重复周期结构部分有一个端面仅显露在两个不同的方向中的一个方向上，并作为光入射面，与光入射面相对的另一个端面作为光出射面；而且，上述光出射面至少有一部分相对于上述光入射面以特定的角度倾斜。
19.根据权利要求18的波长复用光学记录头，其特征在于上述光入射面或者上述光出射面有波纹状重复周期结构。
20.根据权利要求17到19中任何一项的波长复用光学记录头，进一步包括一个光学系统，这个系统包含了发射不同波长光波的多束光源，把从所述的多束光源发射的光线分别转化为平行光线的准直透镜，将不同波长平行光复合成为光通量的光学复用仪，用来分解上述包含多个波长的光通量的光学解复用仪，和用以将上述分解过的光通量会聚在光学记录介质上的透镜。
全文摘要
本发明提供了一种光学仪器,该仪器应用了在两个或者三个不同方向有重复周期结构的二维或者三维光子晶体。在该光学仪器中的这种光子晶体被制成棱镜结构或者锯齿状的衍射光栅结构。
文档编号G02B6/34GK1380570SQ0210618
公开日2002年11月20日 申请日期2002年4月8日 优先权日2001年4月6日
发明者橘高重雄, 奈良正俊, 小山正, 浅井贵弘 申请人:日本板硝子株式会社