(57)【要約】【課題】コンパクトな構成で、高速動作が可能となる光偏向装置、該光偏向装置によって構成した光偏向装置、該光偏向装置によって構成した光スイッチ、光走査装置、および光偏向方法を提供する。【解決手段】フォトニック結晶部と、前記フォトニック結晶部に光を導入する光導入手段と、前記フォトニック結晶部を機械的外力により変形させ、前記光導入手段により導入された光の前記フォトニック結晶部における屈折角を変化させる外力印加手段と、を有することを特徴とする光偏向装置。コンパクトな構成で、高速動作が可能となる。【選択図】　　　　　　図１
2004145317.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
　フォトニック結晶部と、
　前記フォトニック結晶部に光を導入する光導入手段と、
　前記フォトニック結晶部を機械的外力により変形させ、前記光導入手段により導入された光の前記フォトニック結晶部における屈折角を変化させる外力印加手段と、
　を有することを特徴とする光偏向装置。
【請求項２】
　前記フォトニック結晶部は外力により変形可能な部材で構成され、前記外力印加手段は、前記フォトニック結晶部に該フォトニック結晶部が有する周期構造の周期の方向から機械的外力を印加し、前記フォトニック結晶部における屈折角を変化させる構成を有することを特徴とする請求項１に記載の光偏向装置。
【請求項３】
　前記外力印加手段は、前記フォトニック結晶部に該フォトニック結晶部が有する周期構造の周期の方向に対し垂直な方向から機械的外力を印加し、前記フォトニック結晶部における屈折角を変化させる構成を有することを特徴とする請求項１に記載の
光偏向装置。
【請求項４】
　前記フォトニック結晶部は、前記周期構造を形成する変形可能な柱状の独立部材と、該独立部材の配列方向に対して垂直な方向に、該独立部材を挟んで配された１対の支持部材とで構成されていることを特徴とする請求項３に記載の光偏向装置。
【請求項５】
　前記支持部材が、基板と該基板の前記独立部材側の基板面に設けられた反射層によって形成されることを特徴とする請求項４手に記載の光偏向装置。
【請求項６】
　前記フォトニック結晶部の出射側の端面が弧状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光偏向装置。
【請求項７】
　請求項１〜６のいずれか１項に記載の光偏向装置と、前記光偏向装置によって所望の光導出方向に偏向された光を導出するための光導出手段と、を有することを特徴とする光スイッチ。
【請求項８】
　光偏向装置を備えた光走査装置において、前記光偏向装置を請求項１〜６のいずれか１項に記載の光偏向装置によって構成したことを特徴とする光走査装置。
【請求項９】
　フォトニック結晶部に対して、光を導入し、前記フォトニック結晶部に機械的外力を印加して変形させることにより、前記導入された光の該フォトニック結晶部における屈折角を変化させ、該導入された光を偏向することを特徴とする光偏向方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
　本発明は、光偏向装置、該光偏向装置によって構成した光スイッチ、光走査装置、および光偏向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（非特許文献１）、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。
これら光学特性の中で注目されるものの１つとして、スーパープリズム効果と呼ばれる現象が挙げられる。これは、前述した見かけ上の屈折率異常に起因する現象で、波長や入射角の変化に対し、光学ガラスで作製された通常のプリズムの数〜数１００倍の屈折角を示すというものである。
【０００３】
　上述した現象の応用例として、フォトニック結晶に入射するレーザ光の波長を変化させることで偏向角を制御する方法が提案されている（特許文献１、特許文献２参照）。
また、入射するレーザ光に対し、アクチュエータを用いてフォトニック結晶の角度を変化させることで偏向角を制御する方法も提案されている（特許文献３、特許文献４参照）。
【特許文献１】特開２００１−１３４３９号公報
【特許文献２】米国特許第６４４８９９７号明細書
【特許文献３】特開２００１−４２２４８号公報
【特許文献４】米国特許出願公開第２００２０２７６９６号明細書
【非特許文献１】Ｅ．Ｙａｂｌｏｎｏｖｉｔｃｈ，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．，５８（１９８７）２０５９−２０６２
【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、レーザ光の波長を変化させるためには、波長可変レーザを光源に用いる必要があるが、このようなレーザは一般に高価である。また、一定波長を要求する用途には原理的に不向きである。
また、フォトニック結晶の角度を変化させる場合は、結晶全体を動かすため機構が大きくなり、また、動作周波数が低下するという点等にも課題を有している。
【０００５】
　そこで、本発明は、上記課題を解決し、コンパクトな構成で、高速動作が可能となる光偏向装置、該光偏向装置によって構成した光偏向装置、該光偏向装置によって構成した光スイッチ、光走査装置、および光偏向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】
【０００６】
　本発明は、つぎのように構成した、光偏向装置、該光偏向装置によって構成した光スイッチ、光走査装置、および光偏向方法を提供するものである。
本発明の光偏向装置は、フォトニック結晶部と、前記フォトニック結晶部に光を導入する光導入手段と、前記フォトニック結晶部を機械的外力により変形させ、前記光導入手段により導入された光の前記フォトニック結晶部における屈折角を変化させる外力印加手段と、を有することを特徴とする。
また本発明は、前記の光偏向装置に、前記光偏向装置によって所望の光導出方向に偏向された光を導出するための光導出手段を加えた光スイッチもしくは光走査装置である。
また本発明の光偏向方法は、フォトニック結晶部に対して、光を導入し、前記フォトニック結晶部に機械的外力を印加して変形させることにより、前記導入された光の該フォトニック結晶部における屈折角を変化させ、該導入された光を偏向することを特徴とする。
屈折角は、フォトニック結晶の周期によって変化する。また、周期を固定し、１周期内の屈折率分布を変えることによっても屈折角を変えることができる。
【発明の効果】
【０００７】
　本発明によれば、コンパクトな構成で、高速動作が可能となる光偏向装置、該光偏向装置によって構成した光スイッチ、光走査装置、および光偏向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】
【０００８】
　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、例えば、変形可能な材質で構成したフォトニック結晶に機械的外力を加えるアクチュエータを取り付け、これにレーザ光を入射した状態で、アクチュエータを使用してフォトニック結晶を変形させることにより、レーザ光の波長を変調することなく、屈折角を変化させて、レーザ光を偏向することができる。
また、フォトニック結晶を透過したレーザ光の出射位置を前述した屈折角により変化させることで、所望の経路にレーザ光を導出するようにした光スイッチを実現することができる。
また、フォトニック結晶を透過したレーザ光の出射角度を前述した屈折角により変化させることで、所望の角度にレーザ光を走査するようにした光走査装置を実現することができる。
また、上記したようにフォトニック結晶を直接変形させる本構成によれば、コンパクトな構成で、高速動作を実現することが可能となる。
【実施例】
【０００９】
　以下に、本発明の実施例について、図面を用いて説明する。
［実施例１］
　本実施例は、フォトニック結晶に周期方向の力を加えて機械的変形を生じさせることにより屈折率を変えるものである。
図１は、本発明の実施例１における光スイッチの装置構成を説明する図である。図１に示すように、筐体１０３内に圧電素子からなるアクチュエータ１０１とＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）からなるフォトニック結晶１０２とが接続されて収められている。フォトニック結晶１０２は、板状のＰＭＭＡ１１３に貫通孔１１４を設けたもので、貫通孔はＸ線リソグラフィーにより作製される。
【００１０】
　アクチュエータ１０１の動作方向は、伸縮方向１１２で示す矢印の方向であり、同方向にフォトニック結晶１０２を伸縮させる。筐体１０３には光路を確保するため、フォトニック結晶１０２を挟んで３つの穴があいている。各々の穴にはレーザ光を導入あるいは導出するための光ファイバーが取り付けられており、第３の光ファイバー１０８に対し、フォトニック結晶１０２を挟んで反対側に、第１の光ファイバー１０６と第２の光ファイバー１０７とが配置される。
制御回路１０４は、制御量を駆動回路１０５に送り、アクチュエータ１０１を駆動させる。
第３の光ファイバー１０８からの入射光１１１は、制御回路１０４の出力する制御量に応じて第１の光路１０９あるいは第２の光路１１０を通ってフォトニック結晶１０２中を透過し、第１の光ファイバー１０６あるいは第２の光ファイバー１０７に入射する。
【００１１】
　以上の説明においては、連続体である板状のＰＭＭＡ１１３に貫通孔１１４を形成してフォトニック結晶１０２を形成した。フォトニック結晶の構造はこれに限るものではなく、柱状の部材を基板に垂直に立てて規則的に配列させた周期構造を形成してもよい。この場合は、アクチュエータによって基板に水平方向の力を加えて伸縮させ、それによって間接的に柱状部材の周期性を変えることができる。さらに、基板を圧電体で形成することにより基板自身が伸縮するように構成すれば，アクチュエータや筐体が不要になる。
【００１２】
　なお、フォトニック結晶１０２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。
【００１３】
　　［実施例２］
　本実施例では、フォトニック結晶の周期を固定し、１周期内の屈折率分布を変えて屈折角を変化させ、この変化を連続的に生じさせることにより光の偏向方向を連続可変とする。これにより光スキャナを実現する。
図２は、本発明の実施例２における光スキャナの装置構成を説明する図である。図２に示すように、筐体１０３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１０２とが積層されて収められている。ここでのフォトニック結晶１０２は、図２に示すように周期構造２０２を構成する変形可能な柱状の独立部材を配列した該柱状部材の配列方向に対して、垂直な方向に配された平行な２枚の基板２０３で挟み込んで形成されている。
【００１４】
　アクチュエータ１０１の動作方向は、基板２０３面の法線方向であり、同方向にフォトニック結晶１０２を伸縮させる。筐体１０３には光路を確保するため、フォトニック結晶１０２を挟んで２つの穴があいている。レーザ２０４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１０２中を透過し、走査方向に広く開けられた他方の穴から出射する。制御回路１０４は所望の角度に偏向されたレーザ光が出射されるように、制御量を演算して駆動回路１０５に送り、アクチュエータ１０１を駆動させる。
【００１５】
　フォトニック結晶１０２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２０３上に多層膜を蒸着により作製し、反射膜２０１を形成する。次に反射膜２０１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２０２を作製する。周期構造２０２を構成する個々の柱状部材は孤立し、反射膜２０１上、基板２０３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２０３上に反射膜２０１を形成したものをもう１枚用意し、反射膜２０１をＰＭＭＡからなる周期構造２０２側にして重ね合わせる。さらに、出射側の端面を弧を描いた形状に研削加工し、図３に示す形状とする。なお、この図は基板２０３面の法線方向から見たものである。
【００１６】
　このようにして形成されたフォトニック結晶１０２に対し、基板２０３面の法線方向から外力を加えることにより、周期構造１０２を構成する個々の柱状部材が変形する。駆動回路１０５は連続的な電圧をアクチュエータに印加するように制御回路１０４によってコントロールされる。その結果アクチュエータは連続的な伸縮変位を生じて、柱状部材を変形させ、柱状部材の径が連続的に変化することで、その屈折角を制御することが可能となる。したがって、レーザ２０４からフォトニック結晶１０２に入射した入射光１１１は、制御回路１０４の指示した変形量に応じた角度に屈折してフォトニック結晶１０２を透過し、図３に示すようにその出射光３０１は偏向範囲３０２に示す角度範囲において走査される。
【００１７】
　なお、反射膜２０１、周期構造２０２、基板２０３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。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施例１における光スイッチの装置構成を説明する図。
【図２】本発明の実施例２における光スキャナの装置構成を説明する図。
【図３】本発明の実施例２における素子の構成を説明する図。
【符号の説明】
【００１９】
　１０１：アクチュエータ
　１０２：フォトニック結晶
　１０３：筐体
　１０４：制御回路
　１０５：駆動回路
　１０６：第１の光ファイバー
　１０７：第２の光ファイバー
　１０８：第３の光ファイバー
　１０９：第１の光路
　１１０：第２の光路
　１１１：入射光
　１１２：伸縮方向
　１１３：板状のＰＭＭＡ
　１１４：貫通孔
　２０１：反射膜
　２０２：周期構造
　２０３：基板
　２０４：レーザ
　３０１：出射光
　３０２：偏向範囲
【図１】
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【図２】
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【図３】
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