JP3834644B2

JP3834644B2 - Optical material with randomly distributed scatterers

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Publication number: JP3834644B2
Application number: JP2003058447A
Authority: JP
Inventors: 博司宮嵜; 正司長谷; 英樹宮崎; 要一黒川; 紀雄新谷
Original assignee: National Institute for Materials Science
Current assignee: National Institute for Materials Science
Priority date: 2003-03-05
Filing date: 2003-03-05
Publication date: 2006-10-18
Anticipated expiration: 2023-03-05
Also published as: JP2004271600A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、散乱体がランダムに分布した光学材料に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、光導波路、光共振器、レーザなどに応用可能な、散乱体の大きさの不均一や散乱体の位置のずれに強くエネルギー幅の広い等方的フォトニックギャップを持ち、任意の形状の光導波路やキャビティが作製できる、散乱体がランダムに分布した光学材料に関するものである。
【０００２】
【従来の技術とその課題】
従来より、散乱体を並べて作製する屈折率に光の波長程度の周期性を持たせた構造体はフォトニック結晶と呼ばれている。たとえば、空気中または真空中で２次元正方格子や三角格子の格子点上に固体の柱（散乱体）を垂直に配置させたものはフォトニック結晶の例であり、フォトニック結晶では、その屈折率の大きさや周期性に応じてフォトニックギャップと呼ばれる光が伝搬できない波長帯が現れる。
【０００３】
またフォトニック結晶中の一部の柱を取り除くことによって欠陥を導入すると、フォトニックギャップ内のある波長の光のみを、その欠陥部分にだけ通すことが可能となることから、フォトニック結晶は微小光回路、高性能発光デバイスなどの材料として幅広い分野への応用が期待されている（特許文献１参照）。
【０００４】
しかしながら、フォトニックギャップが散乱体の大きさの不均一や散乱体の位置のずれに強いことは生産上重要であり、またフォトニックギャップが等方的で、任意の光導波路やキャビティが作れることは応用上重要なことであるが、フォトニック結晶においては、散乱体の大きさが不均一であったり、散乱体の位置が目的の位置からずれたりすると、フォトニックギャップが壊れやすいという欠点がある。また、フォトニック結晶のフォトニックギャップは光の入射角度によってフォトニックギャップの位置と幅が変化するといった具合に異方的であるため、フォトニック結晶内に光導波路を作る場合、その光導波路を通す光の波長がその進む全ての方向においてフォトニックギャップ内でなければならず、この性質により光導波路の設計が制限され、また、任意の形状の光導波路やキャビティを作り難いという欠点を有する。
【０００５】
たとえば２次元正方格子の格子点上に柱を垂直に配置させたフォトニック結晶において、一部の柱を取り除いて光導波路を作ることを考える。この場合、光導波路は複数の線分を組み合わせることで作製される。９０°曲げは互いに垂直な２つの線分を組み合わせれば容易に作製できる。一方、任意の角度に光を曲げたい場合、より多くの線分を組み合わせることになり、つなぎ目部分で光の散乱が起こって透過率を下げてしまう。したがって、多くのつなぎ目や分岐を持つ光導波路は実質的には作製不可能なのである。
【０００６】
また多くのつなぎ目や分岐を持つ光導波路やキャビティの周りをフォトニック結晶で埋めようとした場合、余分な隙間ができてしまい、この隙間部分で光散乱や局在が生じてしまい、透過率が減少するといった欠点を有してしまっていた。
【０００７】
このため、等方的フォトニックギャップを持つ、複雑な光導波路やキャビティの作製が可能な光学材料が強く望まれていた。
【０００８】
なお、これまでに光の波長程度の大きさを持つ散乱体がランダムに分布した材料の研究はなされているが（非特許文献１）、その材料を用いることによってフォトニックギャップを持たせることには成功していない。
【０００９】
また銅などの金属の直径が数ｎｍ程度の微粒子をガラス内に分散させ、非線形光学特性を持たせた光学材料も知られているが（非特許文献２）、この光学材料内の微粒子の大きさは光の波長よりもずっと小さく、またこの光学材料はフォトニックギャップを持たない。
【００１０】
【特許文献１】
特許第３３７６４１１号
【非特許文献１】
Isaac Freund, Michael Rosenbluh, Richard BerkovitsおよびMoshe Kaveh "Coherent Backscattering of Light in a Quasi-Two-Dimensional System", Physical Review Letters, 61巻, 10号, p.1214-1217, 1988年
【非特許文献２】
Y. Takeda, V. T. Grisyna, N. Umeda, C. G. LeeおよびN. Kishimoto "Linear and nonlinear optical properties of Cu nanoparticles fabricated by high-current Cu implantation in silica glass", Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 148巻 p.1029-1033, 1999年
【００１１】
そこで、この出願の発明は、以上のとおりの事情に鑑みてなされたものであり、従来技術の問題点を解消し、光導波路、光共振器、レーザなどに応用が可能な、散乱体の大きさの不均一や散乱体の位置のずれに強くエネルギー幅の広い等方的フォトニックギャップを持ち任意の形状の光導波路やキャビティを有する、散乱体がランダムに分布した光学材料を提供することを課題としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、まず第１には、媒質中に散乱体が分布し、特定の波長帯の光を通す一定幅を有する直線状または曲線状の光導波路が形成されている光学材料であって、光導波路の両側壁は、散乱体が一定間隔で並べられてなり、光導波路以外の部分は、屈折率がｎ_１である固体、液体、気体または真空からなり光進行方向での最大長が特定の波長帯の光の波長の１／１０以上１０倍以下である複数の微小な散乱体が、屈折率ｎ_２の媒質内にランダムに配列されており、ｎ₁／ｎ₂が２．２以上１０以下もしくはｎ₂／ｎ₁が２．２以上１０以下でありかつ光導波路以外の部分における散乱体の体積分率が１０％以上９０％以下であり、かつ光学材料内の光導波路以外の部分では特定の波長帯の光が通らないことを特徴とする散乱体がランダムに分布した光学材料を提供する。
【００１３】
第２には、この出願の発明は、媒質中に散乱体が分布し、特定の波長帯の光の電界強度が増強されるキャビティとなる円形、球形、多角形または多面体形の部分を有する光学材料であって、キャビティとなる部分の側壁は散乱体が一定間隔で並べられてなり、キャビティとなる部分以外の部分は、屈折率がｎ _１である固体、液体、気体または真空からなり光進行方向での最大長が特定の波長帯の光の波長の１／１０以上１０倍以下である複数の微小な散乱体が、屈折率ｎ _２の媒質内にランダムに配列されており、ｎ ₁ ／ｎ ₂ が２．２以上１０以下もしくはｎ ₂ ／ｎ ₁ が２．２以上１０以下でありかつキャビティとなる部分以外の部分における散乱体の体積分率が１０％以上９０％以下であり、かつ光学材料内のキャビティとなる部分以外の部分では特定の波長帯の光は通らないことを特徴とする散乱体がランダムに分布した光学材料を提供する。
【００２１】
【発明の実施の形態】
この出願の発明は上記のとおりの特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態について説明する。
【００２２】
この出願の発明の散乱体がランダムに分布した光学材料は、特定の波長帯の光を遮断する光学材料であって、屈折率がｎ₁である固体、液体、気体または真空からなり光進行方向の最大長が光学材料に入射する光の波長の１／１０以上１０倍以下である複数の微小な散乱体が、屈折率ｎ₂の媒質内にランダムに配置されており、ｎ₁／ｎ₂が２．２以上１０以下もしくはｎ₂／ｎ₁が２．２以上１０以下でありかつ光学材料全体における散乱体の体積分率が１０％以上９０％以下であることを大きな特徴としている。
【００２３】
たとえば、媒質をｎ₂が１である空気や真空とし、その空気や真空中に固体の散乱体を配置する場合、その散乱体の屈折率ｎ₁を２．２以上１０以下にしなければフォトニックギャップが現れない。また固体媒質に孔を開けてその孔を散乱体とするといったことも可能であるが、その場合、たとえば散乱体が空気や真空であれば散乱体の屈折率ｎ₁が１であるので、媒質の屈折率ｎ₂は２．２以上１０以下でなければフォトニックギャップが現れないのである。またさらに、上記のような屈折率の条件に加えて光学材料全体における散乱体の体積分率が１０％以上９０％以下でなければフォトニックギャップは現れない。それというのも、散乱体の体積分率が１０％よりも小さい場合には光学材料内に光が抜ける隙間が生じてしまい、フォトニックギャップがつぶれてしまうからであり、また全て同じ半径である円柱状の散乱体の場合、最密充填した場合に９０％の体積分率で充填されるからである。
【００２４】
なお散乱体に適したものとしては、半導体や絶縁体が挙げられ、とくにＳｉ、Ｓｉ化合物、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＴｉＯ₂に適当に不純物をまぜ、伝導率などを調整した半導体が挙げられるが、もちろんその他の物質であっても上記の条件を満たすものであれば散乱体として用いることができ、また媒質として適したものとしては空気が挙げられるが、もちろんその他の物質であっても上記の条件を満たすものであれば媒質として用いることができる。
【００２５】
またこの出願の発明の散乱体がランダムに分布した光学材料は、とくに屈折率ｎ₁の複数の微小な散乱体を円柱状のものとし、それら円柱状の微小な散乱体を屈折率ｎ₂の媒質内に並列かつ軸直角方向においてランダムに配置させることで、好適に光学材料に入射する特定の波長帯の光を遮断することができる。
【００２６】
さらにこの出願の発明の散乱体がランダムに分布した光学材料は、特定の波長帯の光を通す直線状または曲線状の光導波路を形成することが可能であるが、その際、一部の散乱体および媒質を直線状または曲線状に取り除き、散乱体および媒質を取り除いた部分に特定の波長帯の光を通す光導波路を形成することができる。なおその場合、散乱体と媒質を取り除いた後、光導波路の側壁として散乱体をその直線状または曲線状部分の両縁部分に規則的に並べる。
【００２７】
あるいは光導波路とされる一定幅を有する直線状または曲線状部分を設定し、その直線状または曲線状部分の両縁部分に散乱体を側壁として規則的に並べて光導波路を形成し、その光導波路の周りに散乱体と媒質とを埋め、散乱体がランダムに分布した光学材料とすることもできる。
【００２８】
これらの方法により、散乱体の大きさの不均一や散乱体の位置のずれに強い、エネルギー幅の広い等方的フォトニックギャップを持つ任意の形状の光導波路を形成することができるのである。
【００２９】
また、この出願の発明の散乱体がランダムに分布した光学材料においては、内部での光の電界強度が増強されるキャビティを形成することもでき、その際、一部の散乱体および媒質を取り除き、取り除かれた部分を円形、球形、多角形または多面体形の形状になるようにして、その取り除いた部分をキャビティとしてその内部での光の電界強度が増強されるようにすることができる。なおその場合、散乱体と媒質を取り除いた後、キャビティの側壁として散乱体をその円形、球形、多角形または多面体形の形状の周縁部分に規則的に並べる。
【００３０】
あるいは、キャビティとなる円形、球形、多角形または多面体形の部分を設定し、散乱体をそのキャビティの周縁部分に側壁として規則的に並べ、キャビティを形成し、そのキャビティの周りを散乱体と媒質とで埋めることによって、光の電界強度が増強されるキャビティを有する散乱体がランダムに分布した光学材料とすることもでき、これにより、散乱体の大きさの不均一や散乱体の位置のずれに強い、エネルギー幅の広い等方的フォトニックギャップを持つ任意の形状のキャビティを得ることができる。
【００３１】
なお、この出願の発明の散乱体がランダムに分布した光学材料の設計は以下のように行う。
【００３２】
まず、最初に全体の大きさと形状、散乱体の大きさと個数と屈折率ｎ₁、媒質の屈折率ｎ₂を決め、そして散乱体の中心がその光学材料内に収まるという条件のもとで、中心座標を決めるための乱数を作って散乱体を媒質の中に配置していく。このような設計によって、この出願の発明の散乱体がランダムに分布した光学材料を製造することができる。
【００３３】
次に光導波路やキャビティを含んだ散乱体がランダムに分布した光学材料の設計は以下のようにして行う。
【００３４】
最初に散乱体がランダムに分布した光学材料の全体の大きさと形状を決め、次にその中に作る光導波路やキャビティとなる部分の形状を決め、その側壁に散乱体を規則的に並べる。規則的に並べる理由は側壁部分からの余分な光の散乱を避けるためである。そして光導波路やキャビティとなる部分以外のランダム光学材料の内部に散乱体を配置するが、その配置方法は最初に記したランダム光学材料の方法と同じである。このようにすることによって光導波路やキャビティを含んだ散乱体がランダムに分布した光学材料を製造することができるのである。
【００３５】
以下、添付した図面に沿って参考比較例、実施例を示し、この出願の発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。もちろん、この発明は以下の例に限定されるものではなく、細部については様々な態様が可能であることは言うまでもない。
【００３６】
【実施例】
＜参考比較例１＞
図１にこの出願の発明の散乱体がランダムに分布した光学材料の一参考比較形態を上から見た場合の図を示す。
【００３７】
（１）は円柱状の散乱体であって、この散乱体（１）の半径をａとして、縦の長さｄが５３．７ａ、横の長さｗが８４．７ａの領域（２）に２００本の散乱体（１）をランダムに面に垂直に立てている。
【００３８】
この場合の散乱体（１）の散乱体がランダムに分布した光学材料（３）全体における体積分率は１４％である。散乱体（１）と媒質（４）の屈折率をそれぞれ３．４６、１とした場合の光透過スペクトルの計算結果を図２の上部曲線として示す。横軸のΩはΩ＝２πａ／λ（λは入射光の波長）で定義されるものである。なお下部曲線との重なりを防ぐために、光透過率を１０⁵倍して示した。計算においては図１で光（５）を上方から入射させ、横線（６）で光強度を計算することで光透過率を決定した。Ω＝０．４付近に光透過率の非常に小さな周波数領域（フォトニックギャップ）が存在するのがわかる。また光の入射角度を変えても、このフォトニックギャップの位置と幅は変わらなかった。
【００３９】
つまりフォトニックギャップは等方的であることがわかった。また図１の散乱体がランダムに分布した光学材料（３）と同じようにして作った円柱の散乱体（１）の位置だけが異なる他の散乱体がランダムに分布した光学材料（３）のフォトニックギャップの位置と幅も同じであり、このことは散乱体がランダムに分布した光学材料（３）のフォトニックギャップは散乱体（１）の位置ずれに対して強いことを示している。
【００４０】
さらに各散乱体（１）の半径を独立にかつランダムに±２０％の範囲内で変化させた場合の光透過スペクトルの計算結果を図２の下部曲線として示す。上部曲線と同様なフォトニックギャップが見られ、円柱状の散乱体（１）の半径の不均一に強いことが分かる。なお、これらの計算では光の電界が散乱体（１）に平行であるような偏光（ＴＭモード）を用いた。ｎ₁が４以上であれば、光の電界が散乱体（１）に垂直であるような偏光（ＴＥモード）でもフォトニックギャップが現れる。
【００４１】
また固体媒質に孔を開けて散乱体としたような散乱体がランダムに分布した光学材料を用いてもＴＥモードでフォトニックギャップが現れる。光通信で広く用いられている光の波長１．５５μｍがフォトニックギャップの中心に来るようにするためには、散乱体の半径は０．１１μｍであれば良い。
＜参考比較例２＞
次に図３にこの出願の発明の散乱体がランダムに分布した光学材料の実施例１とは異なる参考比較形態を上から見た場合の図を示す。
【００４２】
（７）は円柱状の散乱体であって、この散乱体（７）の半径をａとして、縦の長さｄが３３．３ａ、横の長さｗが３７．５ａの領域（８）に２００本の円柱状の散乱体（７）をランダムに面に垂直に立てている。この場合の散乱体（７）の散乱体がランダムに分布した光学材料（９）全体における体積分率は５０％であり、散乱体（７）と媒質（１０）の屈折率をそれぞれ３．４６と１とした場合の光透過スペクトルの計算結果を図４に示す。計算において図３で光（１１）を上方から入射させ、横線（１２）での光強度を計算することで光透過率を決定した。Ω＝０．５４、０．９３、１．３４付近にフォトニックギャップが存在するのがわかる。円柱状の散乱体（７）が周期的に並んでいるフォトニック結晶においても高エネルギー領域にフォトニックギャップが現れることがあるが、通常は最も低エネルギーのフォトニックギャップと比べると幅は狭くなる。一方この散乱体がランダムに分布した光学材料（９）では３番目のフォトニックギャップの幅は１番目のフォトニックギャップの幅と同程度である。このことは応用上大変重要である。光通信で広く用いられている光の波長１．５５μｍが３番目のフォトニックギャップの中心にくるためには、円柱状の散乱体（７）の半径は０．３３μｍであればよい。実施例１での０．１１μｍよりも３倍大きいのでより作製が容易になる。なおこの計算では光の電界が散乱体（７）に平行であるような偏光（ＴＭモード）を用いた。
＜実施例１＞
図５にＬ時型光導波路（１３）を含む散乱体がランダムに分布した光学材料（１４）の円柱状の散乱体（１５）の配置図を示す。
【００４３】
この配置は以下のように決めた。最初に散乱体がランダムに分布した光学材料（１４）の領域（１６）を決める。次にその中に作る光導波路となる部分の形状を決め、その側壁に散乱体（１５）を規則的に並べ、そして光導波路（１３）となる部分以外に散乱体（１５）をランダムに配置する。光導波路（１３）部分以外の散乱体（１５）の散乱体がランダムに分布した光学材料（１４）全体における体積分率は１４％、散乱体（１５）と媒質（１７）の屈折率をそれぞれ３．４６、１とした。また散乱体（１５）の半径は独立にかつランダムに±２０％の範囲内で変化させてある。光（１８）を上方から入射させた場合の線（１９）の位置での光透過率を図６に示す。なお、この計算では光の電界が散乱体（１５）に平行であるような偏光（ＴＭモード）を用いた。点線で囲った周波数領域はフォトニックギャップで、光導波路（１３）以外の部分では光（１８）は通らない。一方フォトニックギャップ内の広い範囲で線（１９）の位置での光透過率は大きく、光（１８）は光導波路（１３）内のみを通っていることが分かる。このように光の９０°曲げに成功しており、また９０°以外の角度の曲げも可能としている。
＜実施例２＞
次に図７に分岐型光導波路（２０）を含む散乱体がランダムに分布した光学材料（２１）の円柱状の散乱体（２２）の配置図を示す。光導波路となる部分の形状の違いを除けば、配置の決定法は図５と同様である。光導波路（２０）部分以外の散乱体（２２）の散乱体がランダムに分布した光学材料（２１）全体における体積分率は１４％、散乱体（２２）と媒質（２３）の屈折率をそれぞれ３．４６、１とした。また、散乱体（２２）の半径は独立にかつランダムに±２０％の範囲内で変化させてある。
【００４４】
光（２４）を上方から入射させた場合の、線（２５）と（２６）の位置での光透過率を図８の上部曲線と下部曲線として示す。なお下部曲線との重なりを防ぐために、上部曲線の光透過率を１０⁵倍して示した。なおこの計算では光の電界が散乱体（２２）に平行であるような偏光（ＴＭモード）を用いた。点線で囲った周波数領域はフォトニックギャップであり、光導波路（２０）以外の部分では光は通らない。一方フォトニックギャップ内の広い範囲で、線（２５）や（２６）の位置での光透過率は大きく、光（２４）は光導波路（２０）内のみを通っていることがわかる。このように光（２４）の分岐に成功している。また他の角度での分岐も可能である。また上部曲線と下部曲線では光透過率が大きい周波数領域が若干異なる。これは波長を選択すれば片方の光導波路のみに光を通すことも可能であることを示している。
＜実施例３＞
図９にＳ字型光導波路（２７）を含む散乱体がランダムに分布した光学材料（２８）の円柱状の散乱体（２９）の配置図を示す。光導波路となる部分の形状の違いを除けば、配置の決定法は図５と同じである。
【００４５】
光導波路（２７）部分以外の散乱体（２９）の散乱体がランダムに分布した光学材料（２８）全体における体積分率は１４％、散乱体（２９）と媒質（３０）の屈折率をそれぞれ３．４６、１とした。また散乱体（２９）の半径は独立にかつランダムに±２０％の範囲内で変化させてある。
【００４６】
光（３１）を上方から入射させた場合の線（３２）の位置での光透過率を図１０に示す。なおこの計算では光の電界が柱に平行であるような偏光（ＴＭモード）を用いた。点線で困った周波数領域はフォトニックギャップで光導波路（２７）以外の部分では光は通らない。一方フォトニックギャップ内の広い範囲で線（３２）の位置での光透過率は大きく、光は光導波路（２７）のみを通っていることが分かる。このように曲線状の光導波路の作製にも成功した。
＜実施例４＞
図１１にロート型光導波路（３３）を含む散乱体がランダムに分布した光学材料（３４）の円柱状の散乱体（３５）の配置図を示す。光導波路となる部分の形状の違いを除けば、配置の決定法は図５と同じである。光導波路（３３）部分以外の散乱体（３５）の散乱体がランダムに分布した光学材料（３４）全体における体積分率は１４％であり、散乱体（３５）と媒質（３６）の屈折率をそれぞれ３．４６、１とした。また、散乱体（３５）の半径は独立にかつランダムに±２０％の範囲内で変化させてある。
【００４７】
光（３７）を上方から入射させた場合の、線（３８）の位置での光透過率を図１２に示す。この計算では光の電界が柱に平行であるような偏光（ＴＭモード）を用いた。点線で囲った周波数領域はフォトニックギャップで、光導波路（３３）以外の部分では光は通らない。一方、フォトニックギャップ内の広い範囲で線（３８）の位置での光透過率は大きく、光は光導波路（３３）のみを通っていることが分かる。このように幅を変化させた光導波路の作製にも成功した。また光透過率が１よりかなり大きい周波数領域がある。これは光の集光が可能であることを示している。
＜実施例５＞
図１３に１つの大きな円（３９Ａ）と２つの小さな円（３９Ｂ）と（３９Ｃ）から成るキャビティ（３９）を含む散乱体がランダムに分布した光学材料（４０）の円柱状の散乱体（４１）の配置図を示す。形状の違いを除けば、配置の決定方法は図５と同じである。キャビティ（３９）部分以外の散乱体（４１）の散乱体がランダムに分布した光学材料（４０）全体における体積分率は１４％、散乱体（４１）と媒質（４２）の屈折率をそれぞれ３．４６、１とした。フォトニックギャップ内の波長を持つ光（４３）を上方から入射させた場合の光の電界強度を等高線で示す。この計算では光の電界が柱に平行であるような偏光（ＴＭモード）を用いた。大きな円内では６箇所、小さな円内では各１箇所、電界強度の強い部分が同時に現れる。このことはキャビティ（３９）内での光の電界強度の増強に成功したことを意味しており、この性質は光共振器やレーザに応用できる。一方キャビティ以外での電解強度は非常に弱いが、これはフォトニックギャップの存在のため、内部に光が進入できないためである。
【００４８】
【発明の効果】
以上詳しく説明したとおり、この出願の発明によって、光導波路、光共振器、レーザなどに応用可能な、散乱体の大きさの不均一や散乱体の位置のずれに強くエネルギー幅の広い等方的フォトニックギャップを持ち任意の形状の光導波路やキャビティを有する、散乱体がランダムに分布した光学材料が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】この出願の発明の散乱体がランダムに分布した光学材料の一実施形態を例示した概念図である。
【図２】図１の散乱体がランダムに分布した光学材料の光透過率を示したグラフである。
【図３】この出願の発明の散乱体がランダムに分布した光学材料の他の実施形態を例示した概念図である。
【図４】図３の散乱体がランダムに分布した光学材料の光透過率を示したグラフである。
【図５】この出願の発明の散乱体がランダムに分布した光学材料の他の実施形態を例示した概念図である。
【図６】図５の散乱体がランダムに分布した光学材料の光透過率を示したグラフである。
【図７】この出願の発明の散乱体がランダムに分布した光学材料のさらに他の実施形態を例示した概念図である。
【図８】図７の散乱体がランダムに分布した光学材料の光透過率を示したグラフである。
【図９】この出願の発明の散乱体がランダムに分布した光学材料の他の実施形態を例示した概念図である。
【図１０】図９の散乱体がランダムに分布した光学材料の光透過率を示したグラフである。
【図１１】この出願の発明の散乱体がランダムに分布した光学材料の他の実施形態を例示した概念図である。
【図１２】図１１の散乱体がランダムに分布した光学材料の光透過率を示したグラフである。
【図１３】この出願の発明の散乱体がランダムに分布した光学材料の他の実施形態を例示した概念図である。
【符号の説明】
１、７、１５、２２、２９、３５、４１（円柱状の）散乱体
２、８、１６領域
３、９、１４、２１、２８、３４、４０散乱体がランダムに分布した光学材料
４、１０、１７、２３、３０、３６、４２媒質
５、１１、１８、２４、３１、３７、４３光
６、１２、１９、２５、２６、３２、３８線
１３、２０、２７、３３光導波路
３９キャビティ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The invention of this application relates to an optical material in which scatterers are randomly distributed. More specifically, the invention of this application is an isotropic photonic that can be applied to optical waveguides, optical resonators, lasers, etc., and is resistant to non-uniform scatterer size and misalignment of the scatterer and has a wide energy range. The present invention relates to an optical material in which scatterers are randomly distributed, and an optical waveguide or cavity having an arbitrary shape can be produced.
[0002]
[Prior art and its problems]
2. Description of the Related Art Conventionally, a structure in which a refractive index produced by arranging scatterers has a periodicity of the order of the wavelength of light is called a photonic crystal. For example, a solid column (scatterer) arranged vertically on lattice points of a two-dimensional square lattice or triangular lattice in air or vacuum is an example of a photonic crystal. A wavelength band called a photonic gap where light cannot propagate depends on the magnitude and periodicity of the rate.
[0003]
In addition, if a defect is introduced by removing a part of a column in the photonic crystal, only a certain wavelength of light in the photonic gap can pass through the defective portion. Application to a wide range of fields is expected as materials for optical circuits and high-performance light-emitting devices (see Patent Document 1).
[0004]
However, it is important for production that the photonic gap is strong against non-uniformity of the size of the scatterer and displacement of the scatterer, and the photonic gap is isotropic, so that an arbitrary optical waveguide or cavity can be made. However, in photonic crystals, if the size of the scatterer is not uniform or the position of the scatterer deviates from the target position, the photonic gap is easily broken. is there. In addition, since the photonic gap of a photonic crystal is anisotropic such that the position and width of the photonic gap change depending on the incident angle of light, when an optical waveguide is formed in the photonic crystal, the optical waveguide is The wavelength of the light to be transmitted must be within the photonic gap in all the traveling directions, and this property limits the design of the optical waveguide, and also has the disadvantage that it is difficult to form an optical waveguide or cavity of any shape.
[0005]
For example, consider that an optical waveguide is formed by removing some of the columns in a photonic crystal in which columns are vertically arranged on lattice points of a two-dimensional square lattice. In this case, the optical waveguide is manufactured by combining a plurality of line segments. The 90 ° bending can be easily produced by combining two perpendicular line segments. On the other hand, when it is desired to bend light at an arbitrary angle, more line segments are combined, and light scattering occurs at the joints, resulting in a decrease in transmittance. Therefore, an optical waveguide having many joints and branches cannot be substantially manufactured.
[0006]
In addition, if an optical waveguide or cavity around many joints or branches is filled with a photonic crystal, an extra gap is created, and light scattering and localization occur in the gap, resulting in a high transmittance. It had the disadvantage of decreasing.
[0007]
For this reason, an optical material having an isotropic photonic gap and capable of producing a complicated optical waveguide or cavity has been strongly desired.
[0008]
In the meantime, research has been made on a material in which scatterers having a size approximately equal to the wavelength of light are randomly distributed (Non-Patent Document 1). By using this material, a photonic gap is provided. Is not successful.
[0009]
Also known is an optical material in which fine particles having a diameter of several nanometers such as copper are dispersed in glass to have nonlinear optical characteristics (Non-Patent Document 2). The size of fine particles in this optical material is also known. It is much smaller than the wavelength of light, and this optical material has no photonic gap.
[0010]
[Patent Document 1]
Japanese Patent No. 3376411 [Non-Patent Document 1]
Isaac Freund, Michael Rosenbluh, Richard Berkovits and Moshe Kaveh "Coherent Backscattering of Light in a Quasi-Two-Dimensional System", Physical Review Letters, 61, 10, p.1214-1217, 1988 [Non-Patent Document 2]
Y. Takeda, VT Grisyna, N. Umeda, CG Lee and N. Kishimoto "Linear and nonlinear optical properties of Cu nanoparticles fabricated by high-current Cu implantation in silica glass", Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 148 p .1029-1033, 1999 【0011】
Therefore, the invention of this application has been made in view of the circumstances as described above, solves the problems of the prior art, and can be applied to optical waveguides, optical resonators, lasers, etc. having the optical waveguide and the cavity of arbitrary shape have a wide isotropic photonic gap with strong energy width deviation of the position of the non-uniform or scatterers scatterer to provide an optical material randomly distributed It is an issue.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problems, the invention of this application is firstly a linear or curved optical waveguide having a constant width in which scatterers are distributed in a medium and light of a specific wavelength band passes. The scatterers are arranged at regular intervals on both side walls of the optical waveguide, and the portions other than the optical waveguide are solid, liquid, gas, or vacuum whose refractive index is n _1. a plurality of minute scatterers maximum length at will beam direction from is less than 10 times less than 1/10 of the wavelength of a specific wavelength band light, are arranged randomly in a medium having a refractive index n ₂ N ₁ / n ₂ is 2.2 or more and 10 or less, or n ₂ / n ₁ is 2.2 or more and 10 or less, and the volume fraction of the scatterer in the part other than the optical waveguide is 10% or more and 90% or less . In addition, light of a specific wavelength band passes through the part other than the optical waveguide in the optical material. Scatterer, wherein the decoction is to provide an optical material randomly distributed.
[0013]
Secondly, the invention of this application is directed to an optical device having a circular, spherical, polygonal or polyhedral part that serves as a cavity in which scatterers are distributed in a medium and the electric field strength of light in a specific wavelength band is enhanced. The side wall of the part that becomes the cavity is made of scatterers arranged at regular intervals, and the part other than the part that becomes the cavity consists of a solid, liquid, gas, or vacuum whose refractive index is n ₁ , and light travels A plurality of minute scatterers whose maximum length in the direction is 1/10 to 10 times the wavelength of light in a specific wavelength band are randomly arranged in a medium having a refractive index n ₂ , and n ₁ / n ₂ is 2.2 or more and 10 or less, or n ₂ / n ₁ is 2.2 or more and 10 or less, and the volume fraction of the scatterer in a portion other than the portion serving as a cavity is 10% or more and 90% or less, and Parts other than the part that becomes the cavity in the optical material In scatterer, characterized in that does not pass through the light of a particular wavelength band to provide an optical material randomly distributed.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The invention of this application has the features as described above, and an embodiment thereof will be described below.
[0022]
The optical material in which the scatterers of the invention of this application are randomly distributed is an optical material that blocks light in a specific wavelength band, and is made of a solid, liquid, gas, or vacuum whose refractive index is n ₁ , and the light traveling direction A plurality of minute scatterers whose maximum length is 1/10 to 10 times the wavelength of light incident on the optical material are randomly arranged in a medium having a refractive index n ₂ , and n ₁ / n ₂ Is not less than 2.2 and not more than 10, or n ₂ / n ₁ is not less than 2.2 and not more than 10, and the volume fraction of the scatterer in the entire optical material is not less than 10% and not more than 90%.
[0023]
For example, when the medium is air or vacuum with n ₂ of 1 and a solid scatterer is placed in the air or vacuum, the photonic is not required if the refractive index n ₁ of the scatterer is not less than 2.2 and not more than 10. There is no gap. It is also possible to make a hole in the solid medium and use the hole as a scatterer. In this case, for example, if the scatterer is air or vacuum, the refractive index n _{1 of the} scatterer is 1. The photonic gap does not appear unless the refractive index n ₂ is 2.2 or more and 10 or less. Furthermore, in addition to the above refractive index conditions, a photonic gap does not appear unless the volume fraction of the scatterer in the entire optical material is 10% or more and 90% or less. This is because when the volume fraction of the scatterer is smaller than 10%, a gap through which light escapes is generated in the optical material, and the photonic gap is collapsed, and all have the same radius. This is because a cylindrical scatterer is filled with a volume fraction of 90% when it is packed most closely.
[0024]
Examples of suitable scatterers include semiconductors and insulators, and particularly semiconductors in which impurities are appropriately mixed with Si, Si compounds, GaAs, InP, TiO ₂ and the conductivity is adjusted. Other materials can be used as a scatterer as long as they satisfy the above conditions, and air can be used as a suitable medium. Of course, other materials satisfy the above conditions. If it satisfies, it can be used as a medium.
[0025]
In the optical material in which the scatterers of the invention of this application are randomly distributed, a plurality of minute scatterers having a refractive index of n ₁ are cylindrical, and the cylindrical scatterers having a refractive index of n ₂ are used. By arranging in parallel in the medium and randomly in the direction perpendicular to the axis, it is possible to suitably block light of a specific wavelength band incident on the optical material.
[0026]
Furthermore, the optical material in which the scatterers of the invention of this application are randomly distributed can form a linear or curved optical waveguide that allows light in a specific wavelength band to pass. It is possible to form an optical waveguide that removes the body and the medium in a straight line or a curved line, and allows light of a specific wavelength band to pass through the portion from which the scatterer and the medium are removed. In the case that, after removing the scatterer and the medium, Ru aligned regularly in both edge portions of the straight line or curved portion scatterers as a sidewall of the optical waveguide.
[0027]
Alternatively, a linear or curved portion having a certain width to be an optical waveguide is set, and an optical waveguide is formed by regularly arranging scatterers as side walls on both edge portions of the linear or curved portion. An optical material in which the scatterers are randomly distributed by filling the scatterers and the medium in the vicinity of each other can be used.
[0028]
By these methods, it is possible to form an optical waveguide having an arbitrary shape having an isotropic photonic gap with a wide energy width, which is resistant to unevenness of the size of the scatterer and displacement of the position of the scatterer.
[0029]
In addition, in the optical material in which the scatterers of the invention of this application are randomly distributed, a cavity that enhances the electric field strength of the light inside can be formed, and in this case, some of the scatterers and the medium are removed. The removed portion may have a circular shape, a spherical shape, a polygonal shape, or a polyhedral shape, and the removed portion may be used as a cavity to enhance the electric field strength of light inside the portion. In the case that, after removing the scatterer and the medium, its circular scatterers as a sidewall of the cavity, spherical, Ru arranged regularly on the periphery portion of the polygonal or polyhedral shape.
[0030]
Alternatively, a circular, spherical, polygonal, or polyhedral part to be a cavity is set, the scatterers are regularly arranged as side walls on the peripheral part of the cavity, a cavity is formed, and the scatterer and medium around the cavity are formed. Can be used as an optical material in which scatterers having cavities that enhance the electric field strength of light are randomly distributed, which results in uneven scatterer size and misalignment of scatterers. It is possible to obtain a cavity having an arbitrary shape having an isotropic photonic gap that is strong and has a wide energy width.
[0031]
The optical material in which the scatterers of the invention of this application are randomly distributed is designed as follows.
[0032]
First, the overall size and shape, the size and number of scatterers, the refractive index n ₁ , the refractive index n _{2 of the} medium, and the center of the scatterer within the optical material, A random number is created to determine the center coordinates, and the scatterer is placed in the medium. With such a design, an optical material in which the scatterers of the invention of this application are randomly distributed can be manufactured.
[0033]
Next, the optical material in which scatterers including optical waveguides and cavities are randomly distributed is designed as follows.
[0034]
First, the overall size and shape of the optical material in which the scatterers are randomly distributed are determined, then the shapes of the optical waveguides and cavities formed therein are determined, and the scatterers are regularly arranged on the side walls. The reason for arranging regularly is to avoid scattering of extra light from the side wall portion. The scatterer is arranged inside the random optical material other than the portion that becomes the optical waveguide and the cavity, and the arrangement method is the same as the method of the random optical material described first. By doing so, an optical material in which scatterers including optical waveguides and cavities are randomly distributed can be manufactured.
[0035]
Hereinafter, reference comparative examples and examples will be shown along the attached drawings, and the embodiments of the invention of this application will be described in more detail. Of course, the present invention is not limited to the following examples, and it goes without saying that various aspects are possible in detail.
[0036]
【Example】
< Reference Comparative Example 1>
FIG. 1 shows a view of one reference comparative form of an optical material in which the scatterers of the invention of this application are randomly distributed as seen from above.
[0037]
(1) is a cylindrical scatterer. The radius (a) of the scatterer (1) is a, and the vertical length d is 53.7a and the horizontal length w is 84.7a. 200 scatterers (1) are stood at random perpendicular to the surface.
[0038]
In this case, the volume fraction of the entire optical material (3) in which the scatterers of the scatterer (1) are randomly distributed is 14%. The calculation results of the light transmission spectrum when the refractive indexes of the scatterer (1) and the medium (4) are 3.46 and 1 are shown as the upper curve in FIG. Ω on the horizontal axis is defined by Ω = 2πa / λ (λ is the wavelength of incident light). In order to prevent overlapping with the lower curve, the light transmittance is shown by 10 ⁵ times. In the calculation, the light transmittance was determined by making light (5) incident from above in FIG. 1 and calculating the light intensity with the horizontal line (6). It can be seen that a frequency region (photonic gap) having a very small light transmittance exists in the vicinity of Ω = 0.4. Even if the incident angle of light was changed, the position and width of the photonic gap did not change.
[0039]
In other words, the photonic gap was found to be isotropic. Further, the optical material (3) in which other scatterers differing only in the position of the cylindrical scatterer (1) made in the same manner as the optical material (3) in which the scatterers in FIG. 1 are randomly distributed are randomly distributed. The position and width of the photonic gap are the same. This indicates that the photonic gap of the optical material (3) in which the scatterers are randomly distributed is strong against the positional shift of the scatterer (1).
[0040]
Furthermore, the calculation result of the light transmission spectrum when the radius of each scatterer (1) is changed independently and randomly within a range of ± 20% is shown as a lower curve in FIG. A photonic gap similar to that of the upper curve is observed, and it can be seen that the radius of the cylindrical scatterer (1) is unevenly strong. In these calculations, polarized light (TM mode) in which the electric field of light is parallel to the scatterer (1) was used. If n ₁ is 4 or more, a photonic gap appears even in polarized light (TE mode) in which the electric field of light is perpendicular to the scatterer (1).
[0041]
Further, even if an optical material in which scatterers are randomly distributed, such as a scatterer by opening holes in a solid medium, a photonic gap appears in the TE mode. In order to make the wavelength of light 1.55 μm widely used in optical communication come to the center of the photonic gap, the radius of the scatterer may be 0.11 μm.
< Reference Comparative Example 2>
Next, FIG. 3 shows a view of a reference comparative form different from Example 1 of the optical material in which the scatterers of the invention of the present application are randomly distributed as seen from above.
[0042]
(7) is a cylindrical scatterer. In the region (8), the radius of the scatterer (7) is a, and the vertical length d is 33.3a and the horizontal length w is 37.5a. 200 cylindrical scatterers (7) are stood randomly perpendicular to the surface. In this case, the volume fraction of the entire optical material (9) in which the scatterers of the scatterer (7) are randomly distributed is 50%, and the refractive indexes of the scatterer (7) and the medium (10) are 3.46 respectively. FIG. 4 shows the calculation result of the light transmission spectrum when 1 and 1. In the calculation, light (11) was incident from above in FIG. 3, and the light transmittance was determined by calculating the light intensity at the horizontal line (12). It can be seen that there are photonic gaps in the vicinity of Ω = 0.54, 0.93, and 1.34. Even in a photonic crystal in which cylindrical scatterers (7) are periodically arranged, a photonic gap may appear in a high energy region, but the width is usually narrower than the lowest energy photonic gap. . On the other hand, in the optical material (9) in which the scatterers are randomly distributed, the width of the third photonic gap is approximately the same as the width of the first photonic gap. This is very important for application. The radius of the cylindrical scatterer (7) has only to be 0.33 μm so that the light wavelength of 1.55 μm widely used in optical communication comes to the center of the third photonic gap. Since it is three times larger than 0.11 μm in Example 1, it becomes easier to manufacture. In this calculation, polarized light (TM mode) in which the electric field of light is parallel to the scatterer (7) was used.
<Example 1 >
FIG. 5 shows a layout of the cylindrical scatterer (15) of the optical material (14) in which the scatterers including the L-time optical waveguide (13) are randomly distributed.
[0043]
This arrangement was determined as follows. First, a region (16) of the optical material (14) in which scatterers are randomly distributed is determined. Next, the shape of the portion to be an optical waveguide formed therein is determined, the scatterers (15) are regularly arranged on the side wall, and the scatterers (15) are randomly arranged in addition to the portion to be the optical waveguide (13). To do. The volume fraction of the entire optical material (14) in which the scatterers of the scatterers (15) other than the optical waveguide (13) are randomly distributed is 14%, and the refractive indexes of the scatterer (15) and the medium (17) are respectively set. It was set to 3.46 and 1. The radius of the scatterer (15) is varied independently and randomly within a range of ± 20%. FIG. 6 shows the light transmittance at the position of the line (19) when the light (18) is incident from above. In this calculation, polarized light (TM mode) in which the electric field of light is parallel to the scatterer (15) was used. A frequency region surrounded by a dotted line is a photonic gap, and light (18) does not pass through a portion other than the optical waveguide (13). On the other hand, the light transmittance at the position of the line (19) is large in a wide range within the photonic gap, and it can be seen that the light (18) passes only in the optical waveguide (13). In this way, the light has been successfully bent at 90 °, and can be bent at angles other than 90 °.
<Example 2 >
Next, FIG. 7 shows a layout of the cylindrical scatterers (22) of the optical material (21) in which scatterers including the branched optical waveguide (20) are randomly distributed. Except for the difference in the shape of the portion that becomes the optical waveguide, the arrangement determining method is the same as in FIG. The volume fraction of the entire optical material (21) in which scatterers of the scatterers (22) other than the optical waveguide (20) are randomly distributed is 14%, and the refractive indexes of the scatterer (22) and the medium (23) are respectively set. It was set to 3.46 and 1. The radius of the scatterer (22) is changed independently and randomly within a range of ± 20%.
[0044]
The light transmittance at the positions of the lines (25) and (26) when the light (24) is incident from above is shown as an upper curve and a lower curve in FIG. In order to prevent overlap with the lower curve, the light transmittance of the upper curve is shown by 10 ⁵ times. In this calculation, polarized light (TM mode) in which the electric field of light is parallel to the scatterer (22) was used. A frequency region surrounded by a dotted line is a photonic gap, and light does not pass through portions other than the optical waveguide (20). On the other hand, the light transmittance at the positions of the lines (25) and (26) is large in a wide range within the photonic gap, and it can be seen that the light (24) passes only in the optical waveguide (20). In this way, the light (24) has been successfully branched. Branching at other angles is also possible. Also, the upper curve and the lower curve have slightly different frequency regions where the light transmittance is large. This indicates that light can be passed through only one of the optical waveguides if the wavelength is selected.
<Example 3 >
FIG. 9 shows a layout of the cylindrical scatterers (29) of the optical material (28) in which scatterers including the S-shaped optical waveguide (27) are randomly distributed. Except for the difference in the shape of the portion that becomes the optical waveguide, the arrangement determining method is the same as in FIG.
[0045]
The volume fraction of the entire optical material (28) in which the scatterers of the scatterer (29) other than the optical waveguide (27) are randomly distributed is 14%, and the refractive indexes of the scatterer (29) and the medium (30) are respectively set. It was set to 3.46 and 1. The radius of the scatterer (29) is changed independently and randomly within a range of ± 20%.
[0046]
FIG. 10 shows the light transmittance at the position of the line (32) when the light (31) is incident from above. In this calculation, polarized light (TM mode) in which the electric field of light is parallel to the column was used. The frequency region troubled by the dotted line is a photonic gap, and light does not pass through portions other than the optical waveguide (27). On the other hand, the light transmittance at the position of the line (32) is large in a wide range within the photonic gap, and it can be seen that light passes only through the optical waveguide (27). In this way, a curved optical waveguide was successfully produced.
<Example 4 >
FIG. 11 shows a layout of the cylindrical scatterers (35) of the optical material (34) in which the scatterers including the funnel type optical waveguide (33) are randomly distributed. Except for the difference in the shape of the portion that becomes the optical waveguide, the arrangement determining method is the same as in FIG. The volume fraction of the entire optical material (34) in which the scatterers of the scatterer (35) other than the optical waveguide (33) are randomly distributed is 14%, and the refractive index of the scatterer (35) and the medium (36). Were 3.46 and 1, respectively. The radius of the scatterer (35) is changed independently and randomly within a range of ± 20%.
[0047]
FIG. 12 shows the light transmittance at the position of the line (38) when the light (37) is incident from above. In this calculation, polarized light (TM mode) in which the electric field of light is parallel to the column was used. A frequency region surrounded by a dotted line is a photonic gap, and light does not pass through a portion other than the optical waveguide (33). On the other hand, the light transmittance at the position of the line (38) is large in a wide range within the photonic gap, and it can be seen that light passes only through the optical waveguide (33). In this way, we have succeeded in fabricating optical waveguides with varying widths. There is also a frequency region in which the light transmittance is considerably larger than 1. This indicates that light can be collected.
<Example 5 >
In FIG. 13, a cylindrical scatterer (41) of an optical material (40) in which scatterers including a cavity (39) composed of one large circle (39A), two small circles (39B), and (39C) are randomly distributed. ) Is a layout diagram. Except for the difference in shape, the arrangement determination method is the same as in FIG. The volume fraction of the entire optical material (40) in which the scatterers of the scatterer (41) other than the cavity (39) are randomly distributed is 14%, and the refractive indexes of the scatterer (41) and the medium (42) are 3 respectively. .46, 1. Contour lines indicate the electric field strength of light when light (43) having a wavelength within the photonic gap is incident from above. In this calculation, polarized light (TM mode) in which the electric field of light is parallel to the column was used. There are 6 locations in the large circle, 1 location in the small circle, and a portion with a strong electric field strength. This means that the electric field strength of light in the cavity (39) has been successfully increased, and this property can be applied to an optical resonator and a laser. On the other hand, the electrolysis strength outside the cavity is very weak because light cannot enter inside due to the existence of the photonic gap.
[0048]
【The invention's effect】
As explained in detail above, the invention of this application is applied to optical waveguides, optical resonators, lasers, etc., and isotropic with a wide range of energy, resistant to non-uniform scatterer size and misalignment. Provided is an optical material in which scatterers are randomly distributed , having a photonic gap and an optical waveguide or cavity of any shape.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a conceptual diagram illustrating an embodiment of an optical material in which scatterers of the invention of this application are randomly distributed.
FIG. 2 is a graph showing the light transmittance of an optical material in which the scatterers of FIG. 1 are randomly distributed.
FIG. 3 is a conceptual diagram illustrating another embodiment of an optical material in which the scatterers of the invention of this application are randomly distributed.
4 is a graph showing the light transmittance of an optical material in which the scatterers of FIG. 3 are randomly distributed.
FIG. 5 is a conceptual diagram illustrating another embodiment of an optical material in which scatterers of the invention of this application are randomly distributed.
6 is a graph showing the light transmittance of an optical material in which the scatterers of FIG. 5 are randomly distributed.
FIG. 7 is a conceptual diagram illustrating still another embodiment of an optical material in which the scatterers of the invention of this application are randomly distributed.
FIG. 8 is a graph showing the light transmittance of an optical material in which the scatterers of FIG. 7 are randomly distributed.
FIG. 9 is a conceptual diagram illustrating another embodiment of an optical material in which the scatterers of the invention of this application are randomly distributed.
FIG. 10 is a graph showing the light transmittance of an optical material in which the scatterers of FIG. 9 are randomly distributed.
FIG. 11 is a conceptual diagram illustrating another embodiment of an optical material in which the scatterers of the invention of this application are randomly distributed.
12 is a graph showing the light transmittance of an optical material in which the scatterers of FIG. 11 are randomly distributed.
FIG. 13 is a conceptual diagram illustrating another embodiment of an optical material in which the scatterers of the invention of this application are randomly distributed.
[Explanation of symbols]
1, 7, 15, 22, 29, 35, 41 (cylindrical) scatterer 2, 8, 16 region 3, 9, 14, 21, 28, 34, 40 optical material 4 in which scatterers are randomly distributed, 10, 17, 23, 30, 36, 42 Medium 5, 11, 18, 24, 31, 37, 43 Light 6, 12, 19, 25, 26, 32, 38 Line 13, 20, 27, 33 Optical waveguide 39 cavity

Claims

An optical material in which a scatterer is distributed in a medium and a linear or curved optical waveguide having a certain width for transmitting light of a specific wavelength band is formed. will be arranged at regular intervals, portions other than the optical waveguide, the refractive index is the maximum length of the wavelength of light in a specific wavelength band at become beam direction from a solid, liquid, gas or vacuum is n ₁ 1 / A plurality of minute scatterers of 10 to 10 times are randomly arranged in a medium having a refractive index n ₂ , and n ₁ / n ₂ is 2.2 or more and 10 or less or n ₂ / n ₁ is 2 .2 or more and 10 or less, and the volume fraction of the scatterer in the portion other than the optical waveguide is 10% or more and 90% or less, and light in a specific wavelength band does not pass through the portion other than the optical waveguide in the optical material. An optical material in which scatterers are randomly distributed.

An optical material having a circular, spherical, polygonal or polyhedral part that becomes a cavity in which scatterers are distributed in the medium and the electric field strength of light in a specific wavelength band is enhanced, and the side wall of the part that becomes the cavity will be in aligned scatterers constant intervals, portions other than the portion to be a cavity, a refractive index of n ₁ solid, liquid, the maximum length at will beam direction from the gas or vacuum in a specific wavelength band A plurality of minute scatterers having a wavelength of 1/10 to 10 times the wavelength of light are randomly arranged in a medium having a refractive index n ₂ , and n ₁ / n ₂ is 2.2 or more and 10 or less, or n ₂ / n ₁ is 2.2 or more and 10 or less, and the volume fraction of the scatterer in the part other than the part that becomes the cavity is 10% or more and 90% or less, and the part other than the part that becomes the cavity in the optical material Then, light of a specific wavelength band does not pass Optical material scatterer, wherein the decoction is randomly distributed.