(57)【要約】【課題】光学素子全体の寸法精度を高くするとができ、光学特性が均一で、材料選択の自由度を高くすることを可能とする光学素子および光学素子の変調方法を提供する。【解決手段】周期的に配列した複数の柱状部材と、該柱状部材の配列方向に対して垂直な方向に配置されて該柱状部材を挟む１対の支持部材とを含んで形成され、屈折率が周期的に分布する周期構造をなす光学素子に対し、該柱状部材にその配列方向と垂直な方向から力を加えて該柱状部材の径を変化させることにより、該光学素子の光学特性を変調することを特徴とする光学素子の変調方法を提供する。光学素子全体の寸法精度を高くすることができ、光学特性が均一で、材料選択の自由度を高くすることを可能とする。【選択図】　　　　　　図１
2004145315.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
　周期的に配列した複数の柱状部材と、
　該柱状部材の配列方向に対して垂直な方向に配置されて該柱状部材を挟む１対の支持部材と、
　を含んで形成され、屈折率が周期的に分布する周期構造をなす光学素子と、
該支持部材から該柱状部材にその配列方向と垂直な方向の力を加えて、該柱状部材を変形させる手段と、
　を有することを特徴とする光学装置。
【請求項２】
　前記柱状部材はその配列方向と垂直な方向からの力により高さとともに径が変化する部材である請求項１に記載の光学装置。
【請求項３】
前記支持部材は、柱状部材より剛性の大きい部材である請求項１に記載の光学装置。
【請求項４】
　前記光学素子は柱状部材の変形に際して前記周期構造の周期を変えない光学素子である請求項１に記載の光学装置。
【請求項５】
　前記１対の支持部材の少なくとも一方がアクチュエータに固定されている請求項１に記載の光学装置。
【請求項６】
　前記支持部材の前記柱状部材側に反射層が設けられている請求項１に記載の光学装置。
【請求項７】
　前記１対の支持部材の少なくとも一方が圧電体に固定され、前記機械的力を加える手段が該圧電体に配置される電極と、該電極に電圧を印加する回路装置を含む請求項１に記載の光学装置。
【請求項８】
　周期的に配列した複数の柱状部材と、該柱状部材の配列方向に対して垂直な方向に配置されて該柱状部材を挟む１対の支持部材とを含んで形成され、屈折率が周期的に分布する周期構造をなす光学素子に対し、該柱状部材にその配列方向と垂直な方向から力を加えて該柱状部材の径を変化させることにより、該光学素子の光学特性を変調することを特徴とする光学素子の変調方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
　本発明は、光学素子および光学素子の変調方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
　近年、屈折率の異なる物質を波長程度の間隔で周期的に配列した「フォトニック結晶」と呼ばれる新しい人工結晶が提案され（Ｅ．Ｙａｂｌｏｎｏｖｉｔｃｈ，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．，５８（１９８７）２０５９−２０６２）、注目を集めている。この人工結晶は、半導体のバンド構造に類似した、いわゆるフォトニックバンド構造に起因する光の禁制帯、見かけ上の屈折率異常といった特異な光学的特性を示し、その特性を構造やスケールで人為的に設計可能なことから、光学素子としての研究開発が盛んに行われるようになっている。
これら研究開発の中で注目されるものの１つとして、アクティブ型の光学素子が挙げられる。これは、設計時のみならず、使用中に外部から光学特性を能動的に制御可能な素子であり、可変フィルタ、光スイッチ等、幅広い分野への応用が期待されている。
【０００３】
　このような従来技術として、特許文献１に、ファイバ回折格子の周囲にアクチュエータを配置し、これを伸縮してファイバに張力を与えることにより、ファイバ内の屈折率分布を制御する方法が提案されている。
また、特許文献２には、結晶中に圧電素子等、屈折率や透過率が外部制御可能な物質を導入し、その物質の伸縮や特性変化によって結晶の周期性を乱す方法が提案されている。
また、特許文献３にはフォトニック結晶に外部より圧力を加え、格子間隔を制御する方法が提案されている。
【特許文献１】特開平１０−２５３８２９号公報
【特許文献２】特開２００１−０９１９１１号公報
【特許文献３】国際公開番号　ＷＯ０２／２７３８４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
　しかしながら、これらの従来技術はつぎのような課題を有している。
光ファイバを伸縮させる方法は、光の入射方向に並ぶ一次元の周期構造を変化させるので、伸縮力を発生する部材、例えば圧電体など、以外に、その力をファイバに伝えるための伝達部材が必要で、これらの伝達部材の材質、配置、接続状態などによって格子間隔の制御精度が左右されるという問題がある。
また、前述したような見かけ上の屈折率異常は二次元以上の周期構造で現れるが、伝達部材を介して２以上の方向に力を加えるにはさらに装置が複雑化する。
フォトニック結晶中に、結晶構造を乱す手段を作り込む方法においては、作製時に多くの作業工程が必要で煩雑さが増し、使用可能な材料にも制限が大きいという難点がある。
【０００５】
　また、フォトニック結晶に外部より圧力を印加することで結晶構造を変化させる方式では、図５に示す周期的な屈折率分布（図５の縦の平行線が周期を表している）をもつフォトニック結晶に対して、垂直方向から圧力を印加して変形させると、図６に示すように、中心部から周辺部へ至るに従って変形量が累積し、結晶全体の形状が大きく歪んでしまう。また、結晶内の部位により、特性の不均一が生じることとなる。さらに、１周期内での屈折率分布の変化、周期の変化、および位相の変化が混在し、制御が困難である。
【０００６】
　そこで、本発明は、上記課題を解決し、光学素子全体の寸法精度を高くするとができ、光学特性が均一で、材料選択の自由度を高くすることを可能とする光学素子および光学素子の変調方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
　本発明は、つぎのように構成した光学素子および光学素子の変調方法を提供するものである。
本発明の光学装置は、周期的に配列した複数の柱状部材と、該柱状部材の配列方向に対して垂直な方向に配置されて該柱状部材を挟む１対の支持部材とを含んで形成され、屈折率が周期的に分布する周期構造をなす光学素子と、該支持部材から該柱状部材にその配列方向と垂直な方向の力を加えて、該柱状部材を変形させる手段とを有することを特徴とする。
また、本発明は、周期的に配列した複数の柱状部材と、該柱状部材の配列方向に対して垂直な方向に配置されて該柱状部材を挟む１対の支持部材とを含んで形成され、屈折率が周期的に分布する周期構造をなす光学素子に対し、該柱状部材にその配列方向と垂直な方向から力を加えて該柱状部材の径を変化させることにより、該光学素子の光学特性を変調することを特徴とする光学素子の変調方法でもある。
【発明の効果】
【０００８】
　本発明によれば、光学素子全体の寸法精度を高くすることができ、光学特性が均一で、材料選択の自由度を高くすることを可能とする光学素子の光学素子および光学素子の変調方法を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
　本発明の実施の形態においては、上記構成を適用することにより、変形可能な材質で独立した柱状部材を周期的に配列し、これを支持部材で挟んで２次元のフォトニック結晶を構成する。支持部材は変形が無視できる程度に剛性があり、柱状部材を挟んでその周期配列を固定する。支持部材と柱状部材の上下底面とは接着剤で固定されている。もしくは、上下一方の底面のみが接着されていてもよく、両底面とも接着しないで圧力だけで柱状部材を支持してもよい。その場合はしかし支持部材を介して柱状部材に加わる外力としては圧力のみで張力は伝わらない。
【００１０】
　この結晶に対して支持部材面に対して垂直な方向に機械的外力を加えるアクチュエータを取り付けて、このアクチュエータを駆動することにより、支持部材を介して柱状部材に垂直方向の力を加える。これによって柱状部材は高さが変化するとともに上下底面の中間付近で柱の径および断面積が変化する。すなわち、上下支持部材から圧力が加えられると柱状部材は中央付近で断面積が増加し、張力が加えられると断面積は減少する。加えられる力に対する断面積変化の割合は、柱状部材の高さと断面形状、および材料定数であるヤング率とポアソン比で決まっている。
【００１１】
　支持部材は柱状部材に対して十分大きな剛性を持つ材料で構成される。したがって、力は柱状部材の変形に有効に用いられる。また柱状部材は支持部材に固定されているので、配置周期は変化しない。
断面積の変化は屈折率の周期配列の１周期内の分布を変化させるので、フォトニックバンド構造の変化をもたらす。これによって光の反射、屈折などフォトニック結晶としての光学特性を調整することが可能となる。
また、前記構成によれば、ほぼ柱状部材の径のみを変化させることで光学特性を調整することができるため、特に面積の広い場合においても、全体の寸法の精度を保ちながら、均一な変形を生じさせることが可能となり、調整後の結晶全体の特性の均一化を図ることができる。
【００１２】
　また、前記構成によれば、部材への制限が小さく、材料選択時の自由度が上がり、作製プロセスを簡便にするものを適宜選択することが可能となる。
また、支持部材を圧電体材料で作ることにより、支持部材自身をアクチュエータとして柱状部材に直接力を与えることもできる。
本発明においては、柱状部材は互いに離れて配置されているが、その空隙部には柱状部材の変形を妨げないほかの物質、例えば気体、液体、ゲル状物質、あるいは柔軟性に富む樹脂などが充填されていてもよい。
【実施例】
【００１３】
　以下、図面を用いて、本発明の実施例について説明する。
図１は、本実施例の光学装置の装置構成を示す図である。図１に示すように筐体１０６内に圧電素子からなるアクチュエータ１０１とフォトニック結晶１０５とが積層されて収められている。アクチュエータ１０１の動作方向は基板１０４面の法線方向であり、同方向にフォトニック結晶１０５を伸縮させる。筐体１０６には光路を確保するため、フォトニック結晶１０５を挟んで２つの穴があいている。
光ファイバー１１０からのレーザ光は、一方の穴より素子内に入り、フォトニック結晶１０５中を透過し、他方の穴から抜けて受光器１０９に入射する。受光器１０９はフォトダイオードからなり、入射光の強度を制御回路１０７に送る。制御回路１０７はあらかじめ指定された強度のレーザ光が受光器１０９に入射されるように、制御量を演算して駆動回路１０８に送り、アクチュエータ１０１を駆動させる。
【００１４】
　フォトニック結晶１０５は、例えば以下のようにして作製する。まずレーザ光の透過率向上のため、Ｓｉからなる基板１０４上に多層膜を蒸着により作製し、反射膜１０２を形成する。次に反射膜１０２上にＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）を塗布し、Ｘ線リソグラフィーにより周期構造１０３を作製する。図４はこれを基板１０４面の法線方向、周期構造１０３側から見たものである。周期構造１０３を構成する個々の柱状部材は孤立し、反射膜１０２上、基板１０４面と平行な面内において２次元の周期構造をなす。
次に、Ｓｉからなる基板１０４上に反射膜１０２を形成したものをもう１枚用意し、反射膜１０２をＰＭＭＡからなる周期構造１０３側にして重ね合わせる。以上のようにして、図２に示す、周期構造１０３を平行な２枚の反射膜１０２、さらに基板１０４で挟み込んだフォトニック結晶１０５が形成される。
【００１５】
　図２のフォトニック結晶１０５に対し、基板１０４面の法線方向から外力を加え、同方向に圧縮した様子を図３に示す。周期構造１０３を構成する個々の柱状部材が変形し、径が変化することで、フォトニック結晶１０５の光学特性が変化する。その際、個々の柱状部材は孤立しているため、周期構造１０３の配列面内において、前述した変形量の累積は発生せず、結晶全体の形状の変化は生じない。なお、反射膜１０２、周期構造１０３、基板１０４等の材質は前述の例に限るものではなく、屈折率、ヤング率といった物理的特性や、作製時のプロセス適合性、温度、湿度といった使用環境に対する適合性等から、適宜選択可能である。また、本実施例においては、アクチューエータ１０１として圧電素子を用いたが、送りねじ機構、ボイスコイル等、他の駆動機構を選択することも可能である。また、本実施例においては、光学特性として透過率の調整に本発明を適用したが、例えば反射率等、他の光学特性に対しても適用可能であることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施例における光学装置の装置構成を説明する図。
【図２】本発明の実施例における素子の構成を説明する図。
【図３】本発明の実施例における調整動作を説明する図。
【図４】本発明の実施例における周期構造を基板面の法線方向から見た図。
【図５】従来の発明における課題を説明する図。
【図６】従来の発明における課題を説明する図。
【符号の説明】
【００１７】
　１０１：アクチュエータ
　１０２：反射膜
　１０３：周期構造
　１０４：基板
　１０５：フォトニック結晶
　１０６：筐体
　１０７：制御回路
　１０８：駆動回路
　１０９：受光器
　１１０：光ファイバー
【図１】
2004145315.tif 000003
【図２】
2004145315.tif 000004
【図３】
2004145315.tif 000005
【図４】
2004145315.tif 000006
【図５】
2004145315.tif 000007
【図６】
2004145315.tif 000008