(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの光ファイバそれぞれの端部が固定される固定部と、前記端部間を伝搬する光の光路内に配置され、ゲル状の物質内に微小球または気泡を含有させてなるホトニック結晶と、前記ホトニック結晶に外力を印加する外力印加手段とを備えることを特徴とする光ファイバ結合装置。
【請求項２】
１つの光ファイバの端部が固定される固定部と、前記端部から出射された光の光路上に配置され且つ前記光が反射によって前記端部へと戻されるように配置された反射鏡と、前記端部と前記反射鏡との間の光路内に配置され、ゲル状の物質内に微小球または気泡を含有させてなるホトニック結晶と、前記ホトニック結晶に外力を印加する外力印加手段とを備えることを特徴とする波長可変器。
【請求項３】
移動体に設けられる加速度センサにおいて、光ファイバの端部が固定される固定部と、前記端部から出射された光の光路内に配置され、ゲル状の物質内に微小球または気泡を含有させてなるホトニック結晶と、前記ホトニック結晶から出射された光を検出する光検出器とを備えることを特徴とする加速度センサ。
【請求項４】
光ファイバの端部が固定される固定部と、前記端部から出射された光の光路内に配置され、ゲル状の物質内に微小球または気泡を含有させてなるホトニック結晶と、前記ホトニック結晶から出射された光を検出する光検出器と、前記ホトニック結晶を押圧可能な位置に配置された押圧部とを備えることを特徴とする圧力センサ。
【請求項５】
光ファイバの端部が固定される固定部と、前記端部から出射された光の光路内に配置され、ゲル状の物質内に微小球または気泡を含有させてなるホトニック結晶と、前記ホトニック結晶を加熱するヒータと、前記ホトニック結晶の温度を測定する温度センサとを備え、前記温度センサによって測定された温度に応じて前記ヒータへの供給電力を制御することを特徴とする光学装置。
【請求項６】
光ファイバの端部が固定される固定部と、前記端部から出射された光の光路内に配置され、ゲル状の物質内に微小球または気泡を含有させてなるホトニック結晶と、前記ホトニック結晶に外力を印加する外力印加手段と、入力光に応じて前記外力印加手段を駆動するための電気信号を出力する光検出器とを備え、前記入力光は、前記光ファイバを介して前記光検出器に導入されることを特徴とする光学装置。
【請求項７】
光ファイバの端部が固定される固定部と、前記端部から出射された光の光路内に配置され、ゲル状の物質内に微小球または気泡を含有させてなるホトニック結晶とを備え、前記ホトニック結晶はホトニックバンドギャップの異なる少なくとも２つのホトニック結晶を隣接させてなることを特徴とする光学装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバ結合装置、波長可変器、圧力センサ、加速度センサ及び光学装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、光ファイバを用いた光ファイバ結合装置が知られており、このような装置は、一方の光ファイバから伝達された光を他方に結合させている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、光ファイバを用いた光ファイバ結合装置においては、その波長を可変することができなかった。本発明においては、波長を可変することができる光ファイバ結合装置、波長可変器、このような光学装置を用いた圧力センサ及び加速度センサを提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明の光ファイバ結合装置は、２つの光ファイバそれぞれの端部が固定される固定部と、上記端部間を伝搬する光の光路内に配置されたホトニック結晶と、ホトニック結晶に外力を印加する外力印加手段とを備えることを特徴とする。
【０００５】
本装置によれば、一方の光ファイバ内に光を伝搬させつつ外力印加手段によってホトニック結晶に外力を印加すると、ホトニック結晶のホトニックバンドギャップが変化し、このホトニックバンドギャップに応じた波長の光が他方の光ファイバから出力されることとなるので、波長可変の光ファイバ結合を行うことができる。ここで、ホトニック結晶について説明しておく。
【０００６】
半導体単結晶は、特定の原子が周期的且つ規則的に配列してなる物質である。その電子伝搬特性は、半導体結晶中の原子間隔によって決定される。すなわち、半導体はエネルギーバンドギャップを有しており、このエネルギーバンドギャップは、電子の波動性及び原子の周期ポテンシャルに起因して決定される。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の光ファイバ結合装置は、２つの光ファイバそれぞれの端部が固定される固定部と、上記端部間を伝搬する光の光路内に配置されたホトニック結晶と、ホトニック結晶に外力を印加する外力印加手段とを備えることを特徴とする。
【０００８】
ホトニック結晶内においては、光の波動性の拘束条件によって光伝搬特性が制限されている。すなわち、ホトニック結晶中における光の伝搬は、半導体中の電子の伝搬と同様に制限を受ける。ホトニック結晶中においては、光に対する禁止帯、所謂ホトニックバンドギャップが存在し、このバンドギャップの存在によって、特定の波長帯域の光は結晶内を伝搬できなくなる。
【０００９】
従来、様々なホトニック結晶が提案されている。例えば、サブミクロンサイズの粒子を光の波長程度の周期で配列してなるものがある。マイクロ波帯であれば、粒子としてのポリマー球を空間中に配列するものが知られている。
【００１０】
この他、ポリマー球を金属内で固化させた後で化学的にポリマー球を溶解することにより周期的微小空間を金属中に形成するもの、金属中に等間隔で穴を穿設するもの、固体材料中にレーザを用いて屈折率が周囲と異なる領域を形成するもの、光重合性ポリマーをリソグラフィ技術を用いて溝状に加工したもの等がある。
【００１１】
説明において、ホトニック結晶に入力される光を入力光、ホトニック結晶内を通過することによってホトニック結晶から出力される光を出力光とする。
【００１２】
十分に波長を変化させるためには、ホトニック結晶は可塑性であることが好ましく、このようなホトニック結晶はゲル状の物質内に微小球や気泡を含有させてなる。
【００１３】
また、本発明の波長可変器は、１つの光ファイバの端部が固定される固定部と、この端部から出射された光の光路上に配置され且つ光が反射によって上記端部へと戻されるように配置された反射鏡と、上記端部と反射鏡との間の光路内に配置され、ゲル状の物質内に微小球または気泡を含有させてなるホトニック結晶と、ホトニック結晶に外力を印加する外力印加手段とを備えることを特徴とする。
【００１４】
この場合、１つの光ファイバから出射された光は反射鏡で反射されるが、この光路内にはホトニック結晶が配置されているので、ホトニック結晶から出力される光の波長帯域は外力印加手段による外力に応じて変化することができる。
【００１５】
また、上述のような光学装置は加速度センサに利用することができる。すなわち、本発明の加速度センサは、移動体に設けられる加速度センサにおいて、光ファイバの端部が固定される固定部と、上記端部から出射された光の光路内に配置され、ゲル状の物質内に微小球または気泡を含有させてなるホトニック結晶と、ホトニック結晶から出射された光を検出する光検出器とを備えることを特徴とする。
【００１６】
移動体が加速度運動を行うと、ホトニック結晶は少なくとも自重によって変形し、そのホトニックバンドギャップが変化する。所定の質量を有する質量体を当該ホトニック結晶に当接させている場合には、加速度に応じて質量体がホトニック結晶を付勢する。
【００１７】
ホトニック結晶から出力される光の強度及び波長は加速度に応じて変化するので、光検出器でこれを検出した場合には、検出値は加速度を示すこととなる。また、一定の検出値が光検出器で検出されるよう、ホトニック結晶に外力を与える場合には、ホトニック結晶に与えた外力の制御量が加速度を示すこととなる。
【００１８】
また、本発明に係る圧力センサは、光ファイバの端部が固定される固定部と、上記端部から出射された光の光路内に配置され、ゲル状の物質内に微小球または気泡を含有させてなるホトニック結晶と、ホトニック結晶から出射された光を検出する光検出器と、ホトニック結晶を押圧可能な位置に配置された押圧部とを備えることを特徴とする。
【００１９】
押圧部を押すと、この圧力に応じてホトニック結晶が変形するので、上記加速度センサの場合と同様に、光検出器で検出された検出値が、又は、ホトニック結晶に与えた外力の制御量が圧力を示すこととなる。
【００２０】
ホトニック結晶の変形量を安定化するためには、ホトニック結晶の温度は一定であることが好ましい。このような場合、本発明の光学装置においては、光ファイバの端部が固定される固定部と、上記端部から出射された光の光路内に配置され、ゲル状の物質内に微小球または気泡を含有させてなるホトニック結晶と、ホトニック結晶を加熱するヒータと、ホトニック結晶の温度を測定する温度センサとを備え、温度センサによって測定された温度に応じてヒータへの供給電力を制御することを特徴とする。
【００２１】
温度センサで計測された温度が一定となるように、ヒータへの供給電力を制御すれば、ホトニック結晶の温度を一定とすることができるので、高精度の波長選択を行うことができる。
【００２２】
また、本発明の光学装置は、光ファイバの端部が固定される固定部と、上記端部から出射された光の光路内に配置され、ゲル状の物質内に微小球または気泡を含有させてなるホトニック結晶と、ホトニック結晶に外力を印加する外力印加手段と、入力光に応じて外力印加手段を駆動するための電気信号を出力する光検出器とを備え、入力光は、光ファイバを介して光検出器に導入されることを特徴とする。
【００２３】
この場合、光ファイバを介して光検出器に入力光が入力されることにより、光検出器が外力印加手段を駆動するための電気信号を出力するので、外力印加手段が駆動して、ホトニック結晶が変形する。これとは別の信号光として光ファイバを介してホトニック結晶に入力されている光は、ホトニック結晶の変形によって波長選択され、当該ホトニック結晶から出力されることとなる。
【００２４】
また、本発明の光学装置は、光ファイバの端部が固定される固定部と、上記端部から出射された光の光路内に配置され、ゲル状の物質内に微小球または気泡を含有させてなるホトニック結晶とを備え、ホトニック結晶はホトニックバンドギャップの異なる少なくとも２つのホトニック結晶を隣接させてなることを特徴とする。
【００２５】
この場合、異なるホトニックバンドギャップを有する２つのホトニック結晶は、波長選択性が異なるので、これらを組み合わせることにより、より高精度な波長選択を行うことができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、実施の形態に係る光学装置について説明する。同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
【００２７】
図１は、実施の形態に係る光ファイバ結合装置としての光学装置の説明図である。この光ファイバ結合装置は、入力光の波長帯域から、所望の波長帯域を選択して出力光として出力する装置である。なお、光ファイバは、コア及びクラッドからなる。土台１の上にはホトニック結晶２が置かれており、ホトニック結晶２は、これに圧力を加え、また、これに印加される圧力を減少させる圧電素子（外力印加手段）３によって付勢される。
【００２８】
ホトニック結晶２は、外力の印加によって精度良く変形し、変形に応じてホトニックバンドギャップが変化する物質である。圧電素子３によってホトニック結晶２を変形させると、そのホトニックバンドギャップが変化する。圧電素子３は、駆動電源４によって制御され、駆動電源４は上記外力の大きさ及びその印加時間を制御する。
【００２９】
入力光は、光を伝搬させる第１光ファイバ５を通過してホトニック結晶２に入力される。入力光中の特定波長成分はホトニック結晶２を通過することができず、所定の波長帯域がホトニックバンドギャップ（光学的応答特性）に応じて選択され、出力光としてホトニック結晶２から出力される。出力光は、光を伝搬させる第２光ファイバ６に入力され、第２光ファイバ６を介して装置外部へ出力される。すなわち、外力の印加によって、第１及び第２光ファイバ５，６間の光学的結合特性が変化する。
【００３０】
なお、光ファイバ５，６の端部は、それぞれ土台１上に設けられたＶ溝台１Ｖ，１Ｖ上に固定されており、土台１と共にハウジングを構成するカバー部材Ｃの内側に位置する。
【００３１】
本光学装置は、ホトニック結晶２に外力を印加することによりホトニック結晶２のホトニックバンドギャップを変化させる光学装置であるが、ホトニック結晶２は可塑性である。なお、ホトニック結晶２は、弾性を有していても良い。また、圧電素子３はＰＺＴからなる。
【００３２】
ホトニック結晶２は可塑性であるため、これに外力を与えてホトニック結晶２を変形させると、ホトニックバンドギャップが大きく変化し、ホトニック結晶２からの出力光の波長が十分に変化することとなる。このような光学装置においては、ホトニック結晶２自体の容積を小さくした場合においても、有効に波長選択を行うことができるので、装置全体を小型化することも可能である。また、ホトニック結晶２の大きさは波長の１０倍以上であれば、その効果があるので、ホトニック結晶２は１０μｍ角以上の大きさであることが好ましい。
【００３３】
以上、説明したように、上記光ファイバ結合装置は、２つの光ファイバ５，６それぞれの端部が固定される固定部１Ｖ，１Ｖと、上記端部間を伝搬する光の光路内に配置されたホトニック結晶２と、ホトニック結晶２に外力を印加する外力印加手段３とを備えることを特徴とする。
【００３４】
一方の光ファイバ５内に光を伝搬させつつ外力印加手段３によってホトニック結晶２に外力を印加すると、ホトニック結晶２のホトニックバンドギャップが変化し、このホトニックバンドギャップに応じた波長の光が他方の光ファイバ５から出力されることとなるので、波長可変の光ファイバ結合を行うことができる。
【００３５】
なお、ホトニック結晶２は、容器Ｖ内に収容されている。
【００３６】
図２はホトニック結晶２の斜視図である。
【００３７】
このホトニック結晶２は、ゲル状の物質２Ｇ内にシリカ又はチタン酸バリウムの微小球（光学的な微結晶）２Ｂを複数含有してなる。このホトニック結晶２は容易に変形させることができる。微小球２Ｂは、物質２Ｇ内に光の波長程度の周期で規則的に均一に配列されている。微小球２Ｂの間隔は、選択しようとする光の波長の半分から四分の一であり、この波長に対して微小球２Ｂは透明である。ホトニック結晶２に波長帯域Δλ（λ1を含む）の光を入射すると、ホトニックバンドギャップに応じて、特定の波長帯域λ1の成分のみがホトニック結晶２を透過する。
【００３８】
ゲルは外力によって容易に変形するため、ホトニック結晶２のホトニックバンドギャップが容易に変化する。この変化によって、ホトニック結晶２を通過する上記波長帯域λ1が変化する。なお、微小球２Ｂと物質２Ｇとは屈折率が異なり、また、双方とも選択する光の波長に対して透明である。
【００３９】
例えば、ゾルの材料として、紫外線硬化樹脂を混ぜたものを用い、ゲル化は、これに紫外線を照射することにより行うことができる。代表的な紫外線硬化樹脂は、アクリルアミドに架橋剤及び光重合開始剤を混ぜたものであり、従来から多くのものが知られている。
【００４０】
この微小球２Ｂの周期構造数は５０程度でよいため、ホトニック結晶２は最大でも１００μｍ角の素子で十分に機能する。したがって、このホトニック結晶２を用いれば、装置の小型化を達成することができる。
【００４１】
図３は、多層膜構造のホトニック結晶、すなわちダイクロイックミラーによる出力光の透過率（任意定数）の波長（ｎｍ）依存性を示すグラフである。図３（ａ）は、ダイクロイックミラーに外力を加えない場合のグラフ、図３（ｂ）は１％の格子歪みがミラー垂直方向に生じるように圧力を加えた場合のグラフ、図３（ｃ）は１％の格子歪みがミラー垂直方向に生じるように圧力を加えた場合のグラフである。なお、格子歪みがミラー面に沿って生じるように圧力を加えることもできる。
【００４２】
このグラフによれば、反射光スペクトルの強度ピークを与える波長λCENTERは、外力のない場合１．５μｍ程度である。また、波長λCENTERは、１％の圧縮歪みを与えた場合には１４７０ｎｍ程度（短波長側）にシフトし、１％の展延歪みを与えた場合には１５３０ｎｍ（長波長側）にシフトしている。
【００４３】
このグラフは、図１に示したホトニック結晶２のものではないが、その光学特性の変化の傾向は、これらのグラフと同様であり、外力、すなわち歪みによって出力光の波長帯域が変化する。
【００４４】
図４は、別の実施形態に係る波長可変器としての光学装置の説明図である。
【００４５】
本波長可変器は、１つの光ファイバ５の端部が固定される固定部１Ｖと、この端部から出射された光の光路上に配置され且つ光が反射によって上記端部へと戻されるように配置された反射鏡７と、上記端部と反射鏡７との間の光路内に配置されたホトニック結晶２と、ホトニック結晶２に外力を印加する外力印加手段３とを備える。
【００４６】
この場合、１つの光ファイバ５から出射された光は反射鏡７で反射されるが、この光路内にはホトニック結晶２が配置されているので、ホトニック結晶２から出力される光の波長帯域は圧電素子３による外力に応じて変化することができる。
【００４７】
図５は、別の実施形態に係る圧力センサとしての光学装置の説明図である。図４に示したものとの違いは、反射鏡７がホトニック結晶２を押圧するようにされている点である。押圧部７’はカバー部材Ｃに対してスライド可能に保持されており、押圧部７’のカバー部材Ｃ内側の先端部に反射鏡７が取り付けられている。
【００４８】
この圧力センサは、光ファイバ５の端部が固定される固定部１Ｖと、上記端部から出射された光の光路内に配置されたホトニック結晶２と、ホトニック結晶２から出射された光を検出する光検出器（図示せず）と、ホトニック結晶を押圧可能な位置に配置された押圧部７’とを備える。
【００４９】
押圧部７’を押すと、この圧力に応じてホトニック結晶２が変形するので、図示しない光検出器でこれを検出した場合には、検出値は圧力を示すこととなる。また、一定の検出値が光検出器で検出されるよう、ホトニック結晶２に外力を与える場合には、ホトニック結晶２に与えた外力の制御量が圧力を示すこととなる。
【００５０】
図６は、別の実施形態に係る光ファイバ結合装置としての光学装置の説明図である。
【００５１】
また、本発明の光学装置は、光ファイバ５の端部が固定される固定部１Ｖと、上記端部から出射された光の光路内に配置された可塑性のホトニック結晶２とを備え、ホトニック結晶２はホトニックバンドギャップの異なる少なくとも２つのホトニック結晶２，２，２を隣接させてなる。
【００５２】
この場合、異なるホトニックバンドギャップを有する２以上のホトニック結晶２は、波長選択性が異なるので、これらを組み合わせることにより、より高精度な波長選択を行うことができる。ホトニック結晶には、独立に外力を加えることもできるが、同時に外力を加えても良い。なお、容器Ｖは各ホトニック結晶２間に間仕切りを備えている。
【００５３】
図７は、更に別の実施形態に係る光ファイバ結合装置としての光学装置の説明図である。
【００５４】
本例では、光ファイバ５，６の端部が固定される固定部１Ｖ，１Ｖと、前記端部から出射された光の光路内に配置されたホトニック結晶２と、ホトニック結晶２から出射された光（駆動光）を、光分岐素子ＢＳで分岐させて検出する光検出器（ホトダイオード）ＰＤと、ホトニック結晶２を押圧可能な位置に配置された押圧部とを備えている。
【００５５】
本例では、光ファイバ５，６の端部が固定される固定部１Ｖ，１Ｖと、前記端部から出射された光の光路内に配置されたホトニック結晶２と、ホトニック結晶２に外力を印加する圧電素子３と、入力光に応じて圧電素子３を駆動するための電気信号を出力する光検出器（ホトダイオード）ＰＤとを備え、入力光（駆動光）は、光ファイバ５を介して光検出器ＰＤに導入される。なお、駆動光は、光分岐素子ＢＳで分岐されて光検出器ＰＤで検出される。
【００５６】
この場合、光ファイバ５から入力された入力光は、光分岐素子ＢＳを介して光検出器ＰＤに入力される。光検出器ＰＤが圧電素子３を駆動するための電気信号を出力するので、圧電素子３が駆動して、ホトニック結晶２が変形する。これとは別の信号光として光ファイバ５を介してホトニック結晶２に入力されている光は、ホトニック結晶２の変形によって波長選択され、当該ホトニック結晶から出力されることとなる。
【００５７】
なお、上述の各光学装置は、加速度センサに利用することができる。すなわち、本加速度センサは、移動体に設けられる加速度センサにおいて、光ファイバの５，６端部が固定される固定部１Ｖと、上記端部から出射された光の光路内に配置されたホトニック結晶２と、ホトニック結晶２から出射された光を検出する光検出器とを備える。
【００５８】
移動体が加速度運動を行うと、ホトニック結晶２は少なくとも自重によって変形し、そのホトニックバンドギャップが変化する。所定の質量を有する質量体を当該ホトニック結晶２に当接させている場合には、加速度に応じて質量体がホトニック結晶を付勢する。
【００５９】
ホトニック結晶２から出力される光の強度及び波長は加速度に応じて変化するので、光検出器でこれを検出した場合には、検出値は加速度を示すこととなる。また、一定の検出値が光検出器で検出されるよう、ホトニック結晶２に外力を与える場合には、ホトニック結晶２に与えた外力の制御量が加速度を示すこととなる。
【００６０】
ホトニック結晶２の変形量を安定化するためには、ホトニック結晶２の温度は一定であることが好ましい。このような場合、上述の各光学装置が、光ファイバ５の端部が固定される固定部１Ｖと、上記端部から出射された光の光路内に配置された可塑性のホトニック結晶２と、ホトニック結晶２を加熱する図示しないヒータと、ホトニック結晶２の温度を測定する図示しない温度センサとを備え、この図示しない温度センサによって測定された温度に応じてヒータへの供給電力を制御することをが好ましい。
【００６１】
温度センサで計測された温度が一定となるように、ヒータへの供給電力を制御すれば、ホトニック結晶の温度を一定とすることができるので、高精度の波長選択を行うことができる。
【００６２】
【発明の効果】
本発明の光ファイバ結合装置は出力光の波長を可変することができ、このような光学装置によって、波長可変器、圧力センサ及び加速度センサが提供される。
【００６３】
なお、ファブリペロー干渉計や多層膜鏡（ダイクロイックミラー）も、０次元或いは１次元のホトニック結晶である。ホトニック結晶２は、このような用途にも応用できる。また、上述のような柔らかいホトニック結晶２は、今後、その微小球２Ｂや気泡の大きさや配列の安定性、その制御性を向上させるための機械的精度、ゲルの長期安定性、温度安定性、光ファイバや他の光学部品との接続方法、ゲル封入容器、毎回同様の外力を印加できる外力印加機構等について研究が進められるものと期待される。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態に係る光ファイバ結合装置としての光学装置の説明図である。
【図２】ホトニック結晶２の斜視図である。
【図３】多層膜構造のホトニック結晶、すなわちダイクロイックミラーによる出力光の透過率（任意定数）の波長（ｎｍ）依存性を示すグラフである。
【図４】別の実施形態に係る波長可変器としての光学装置の説明図である。
【図５】別の実施形態に係る圧力センサとしての光学装置の説明図である。
【図６】別の実施形態に係る光ファイバ結合装置としての光学装置の説明図である。
【図７】更に別の実施形態に係る光ファイバ結合装置としての光学装置の説明図である。
【符号の説明】
１Ｖ…固定部、１Ｖ…Ｖ溝台、２…ホトニック結晶、２Ｂ…微小球、２Ｇ…物質、３…圧電素子、４…駆動電源、５…光ファイバ、６…光ファイバ、７’…押圧部、７…反射鏡、ＢＳ…光分岐素子、Ｃ…カバー部材、ＰＤ…ホトダイオード、ＰＤ…光検出器、Ｖ…容器。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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