(57)【要約】  【課題】フォトニック結晶を用いた小型で高性能の光学デバイス、およびフォトニック結晶に入射した光線の大きな偏向角を得るためのフォトニック結晶への前記光線の入射角を決定する方法を提供する。  【解決手段】この光学デバイスは、ある周波数において方向依存性が強い分散面形状を持つように設計されたフォトニック結晶と、このフォトニック結晶に、前記周波数によって決まる波長の光線を、分散面形状において方向依存性が大きく変化する領域から運動量保存則に基づいて決まる入射角で入射させるための光入力手段とを具備する。この場合において、フォトニック結晶に外部からエネルギーが付与されると、フォトニック結晶の分散面形状が変化してフォトニック結晶に入射した光線が通常の光学材料の数十〜数百倍の大きな偏向角で偏向する。【選択図】      図７
2005049705.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ある周波数において方向依存性が強い分散面形状を持つように設計されたフォトニック結晶と、前記周波数によって決まる波長の光線を、前記分散面形状において方向依存性が大きく変化する領域から運動量保存則に基づいて決まる入射角で前記フォトニック結晶に入射させるための光入力手段とを具備することを特徴とするフォトニック結晶を用いた光学デバイス。
【請求項２】
上記光学デバイスは光学スイッチであって、前記光学スイッチは、上記フォトニック結晶と、上記光入力手段と、フォトニック結晶にエネルギーを印加してフォトニック結晶に入射した上記光線を偏向させ、フォトニック結晶の上記光線の入射面以外の他面から透過光線を提供するための偏向制御手段とを具備してなることを特徴とする請求項１に記載のフォトニック結晶を用いた光学デバイス。
【請求項３】
上記光学デバイスは光学式センサであって、前記光学式センサは、上記フォトニック結晶と、上記光入力手段と、フォトニック結晶の上記光線が入射する面以外の他面に設けられ、フォトニック結晶から提供される透過光線を検出するための少なくとも一つの検出器とを具備し、上記フォトニック結晶周囲の外的変化によってフォトニック結晶に受動的にエネルギーが付加される時、フォトニック結晶に入射した光線の偏向角の変化、または偏向角の変化による光強度の変化を前記検出器により検出して前記外的変化を感知することを特徴とする請求項１に記載のフォトニック結晶を用いた光学デバイス。
【請求項４】
上記フォトニック結晶は、屈折率１の複数の空気孔が屈折率２．５のＰＬＺＴ（チタン酸ジルコン酸ランタン鉛）内に、隣接する前記空気孔間のピッチを"ａ"とし、上記光線の波長を"λ"とした場合における規格化周波数"λ／ａ"が０．５３７となるように、３角形パターンに配列させてなる２次元周期構造を有し、上記フォトニック結晶にエネルギーとして電界を印加して屈折率を変化させ、前記２次元周期構造の"Γ−Ｍ"で示される方位を入射端面として、前記"Γ−Ｍ"で示される方位に垂直な"Γ−Ｋ"で示される方位に対して２２度の入射角で上記光線をフォトニック結晶に入射させることを特徴とする請求項１もしくは２に記載のフォトニック結晶を用いた光学デバイス。
【請求項５】
上記ピッチａが０．８０μｍであり、上記空気孔の直径が０．５６μｍであることを特徴とする請求項４に記載のフォトニック結晶を用いた光学デバイス。
【請求項６】
上記フォトニック結晶に入射した光線が出射する側は円弧状に形成されてなることを特徴とする請求項１乃至５に記載のフォトニック結晶を用いた光学デバイス。
【請求項７】
フォトニック結晶に光線を入射させる際の入射角の決定方法であって、前記方法は以下のステップを含むことを特徴とする：
フォトニック結晶を準備するステップ；
前記フォトニック結晶の第１の屈折率における第１周波数分散曲線を作成するステップ；
前記フォトニック結晶の第２の屈折率における第２周波数分散曲線を作成するステップ；
前記第１周波数分散曲線と前記第２周波数分散曲線との間において、波数ベクトルの大きさが変化する周波数を選択するステップ；
前記周波数における等周波数分散面を作図するステップ；
前記等周波数分散面において方向依存性が最も大きく変化する領域から運動量保存則に基づいて前記入射角を決定するステップ。
【請求項８】
上記フォトニック結晶は、屈折率１の複数の空気孔が屈折率２．５のＰＬＺＴ（チタン酸ジルコン酸ランタン鉛）内に３角形パターンに配列させてなる２次元周期構造を有し、隣接する空気孔間のピッチを"ａ"とし、上記光線の波長を"λ"とした場合において、規格化周波数"λ／ａ"が０．５３７となるように上記周波数を選択することを特徴とする請求項７に記載のフォトニック結晶に光線を入射させる際の入射角の決定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フォトニック結晶を用いた超小型、低消費電力、高感度の光学デバイス、およびフォトニック結晶に入射した光線を大きな角度で偏向させるためのフォトニック結晶への光線の入射角の決定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
フォトニック結晶とは、誘電率の異なる２種類もしくはそれ以上の材料を光の波長程度の間隔で周期的に配列させてなる多次元周期構造であり、光の制御性を飛躍的に高めることができるという期待から次世代の光技術として精力的に研究開発が進められている。
【０００３】
このフォトニック結晶を用いた光学デバイスとしては、光学スイッチが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この光学スイッチは、図２０に示すように、フォトニック結晶１００に入射した光線（＝入射光線）がフォトニック結晶を透過するＯＮ状態（透過）と入射光線の透過を阻止するＯＦＦ状態（反射）とを切り替えるためのものである。
【０００４】
すなわち、２本の光ファイバ１１０ａ，１１０ｂから提供される光線は、コリメータレンズ１２０ａ，１２０ｂおよび偏光子１３０ａ，１３０ｂを介してフォトニック結晶１００に入射する。この光スイッチは、円偏光子１４０を介してフォトニック結晶１００へ制御光１５０を照射する手段を備えており、制御光１５０の照射によってフォトニック結晶１００のフォトニックバンド構造を変化させ、上記したＯＮ／ＯＦＦ状態を切り替える仕組みになっている。ＯＮ状態においてフォトニック結晶１００を通過した透過光は、偏光子１６０ａ，１６０ｂを介して出力される。
【特許文献１】特開平１０−９０６３４号公報（要約）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このような光スイッチは、フォトニック結晶を入射光が透過するＯＮ状態と入射光がフォトニック結晶によって反射されるＯＦＦ状態とを切り替えることを目的としたものであるので、出力として透過光の有無を提供するにすぎず、光スイッチの利用分野を狭めてしまう。
【０００６】
一方、入射光線が大きな角度で偏向するようにフォトニック結晶を利用できれば、超小型、低消費電力の光学スイッチ、可変光減衰器（ＶＯＡ：バリアブルオプティカルアッテネータ）等の広範な用途への使用を実現できる可能性がある。また、大きな角度で偏向できるが故に、フォトニック結晶周囲の環境（外的因子）変化によってフォトニック結晶に受動的にエネルギーが付加される時、フォトニック結晶に入射した光線の偏向角の変化を高い分解能で検出できるので、環境変化の検出精度の向上も期待される。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
したがって、本発明の目的とするところは、フォトニック結晶に特定の波長の光線を特定の入射角で入射させることを必須条件とし、この条件の下でフォトニック結晶に外部からエネルギーが付与された時、フォトニック結晶に入射した光線が大きな角度（通常の光学材料の数十〜数百倍の偏向角）で偏向する現象を利用した超小型、低消費電力、高感度の光デバイスを提供することにある。
【０００８】
すなわち、本発明のフォトニック結晶を用いた光学デバイスは、ある周波数において方向依存性が強い分散面形状を持つように設計されたフォトニック結晶と、前記周波数によって決まる波長の光線を、前記フォトニック結晶に、前記分散面形状において方向依存性が大きく変化する領域から運動量保存則に基づいて決まる入射角で入射させるための光入力手段とを具備することを特徴とする。
【０００９】
このように、本発明の基本思想は、方向依存性の強い分散面形状を持つ周波数によって決まる波長の光線を、その分散面形状において方向依存性が大きく変化する領域から運動量保存則に基づいて決まる入射角でフォトニック結晶に入射させる場合において、フォトニック結晶に外部からエネルギーが付与される時、フォトニック結晶の分散面形状が変化してフォトニック結晶に入射した前記光線が大きく偏向する現象を利用することにある。
【００１０】
本発明の光学デバイスの好ましい実施形態として、光学スイッチを挙げることができる。この光学スイッチは、フォトニック結晶と、上記光入力手段（例えば、光入射用導波路や光入力端子）と、フォトニック結晶にエネルギーを印加してフォトニック結晶に入射した上記光線を偏向させ、フォトニック結晶の上記光線の入射面以外の他面から透過光線を提供するための偏向制御手段とを具備してなることを特徴とする。
【００１１】
本発明の光学デバイスの別の好ましい実施形態として、光学式センサを挙げることができる。この光学式センサは、フォトニック結晶と、上記光入力手段（例えば、光入射用導波路や光入力端子）と、フォトニック結晶の上記光線が入射する面以外の他面に設けられ、フォトニック結晶から提供される透過光線を検出するための少なくとも一つの検出器とを具備し、フォトニック結晶周囲の外的変化によってフォトニック結晶に受動的にエネルギーが付加される時、フォトニック結晶に入射した光線の偏向角の変化、または偏向角の変化による光強度の変化を前記検出器により検出して前記外的変化を感知することを特徴とする。
【００１２】
また、フォトニック結晶は、屈折率１の複数の空気孔が屈折率２．５のＰＬＺＴ（チタン酸ジルコン酸ランタン鉛）内に、隣接する空気孔間のピッチを"ａ"とし、上記光線の波長を"λ"とした場合における規格化周波数"λ／ａ"が０．５３７となるように、３角形パターンに配列させてなる２次元周期構造を有し、上記フォトニック結晶にエネルギーとして電界を印加して屈折率を変化させ、２次元周期構造の"Γ−Ｍ"で示される方位を入射端面として、"Γ−Ｍ"で示される方位に垂直な"Γ−Ｋ"で示される方位に対して２２度の入射角で光線をフォトニック結晶に入射させることが好ましい。特に、ピッチ"ａ"が０．８０μｍであり、上記空気孔の直径が０．５６μｍであることが好ましい。
【００１３】
また、上記フォトニック結晶に入射した光線が出射する側は円弧状に形成されてなることが好ましい。
【００１４】
本発明のさらなる目的は、フォトニック結晶に入射した光線を通常の光学材料の数十〜数百倍にもおよぶ大きな偏向角で偏向させるためのフォトニック結晶への光線の入射角の決定方法を提供する。
【００１５】
すなわち、本発明の入射角の決定方法は以下のステップを含むことを特徴とする：
フォトニック結晶を準備するステップ；
前記フォトニック結晶の第１の屈折率における第１周波数分散曲線を作成するステップ；
前記フォトニック結晶の第２の屈折率における第２周波数分散曲線を作成するステップ；
前記第１周波数分散曲線と前記第２周波数分散曲線との間において、波数ベクトルの大きさが変化する周波数を選択するステップ；
前記周波数における等周波数分散面を作図するステップ；
前記等周波数分散面において方向依存性が最も大きく変化する領域から運動量保存則に基づいて前記入射角を決定するステップ。
【００１６】
上記方法において、フォトニック結晶は、屈折率１の複数の空気孔が屈折率２．５のＰＬＺＴ（チタン酸ジルコン酸ランタン鉛）内に３角形パターンに配列させてなる２次元周期構造を有し、隣接する前記空気孔間のピッチを"ａ"とし、上記光線の波長を"λ"とした場合において、規格化周波数"λ／ａ"が０．５３７となるように上記周波数を選択することが特に好ましい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、特定の波長の光線を、特定の入射角でフォトニック結晶に入射させることにより、通常のガラスやポリマー等の光学材料に比して数十〜数百倍の大きい偏向角が得られるので、光学デバイスを顕著に小型化することができる。
【００１８】
本発明の光学デバイスが光学スイッチである場合は、偏向制御手段が、エネルギーを積極的にフォトニック結晶に印加して入射した光線（＝入射光線）を大きな角度で偏向させることができるので、小型であるにもかかわらず、１つの入射光に対して複数の光路を設定でき、光信号のクロストークを防止して高い伝送効率を確保することができる。
【００１９】
また、本発明の光学デバイスが光学式センサである場合は、環境（外的因子）のわずかな変化によってフォトニック結晶内における偏向角が大きく変化するので、外的因子の変化を高感度に検知することができる。
【００２０】
また、光学スイッチの偏向制御手段として、フォトニック結晶にキャリアを注入して屈折率を変化させるものや、フォトニック結晶に光を照射して屈折率を変化させるものを採用する場合は、機械的な外力をフォトニック結晶に負荷する場合に比して、光学スイッチを長期にわたって安定して作動させることができる。
【００２１】
本発明のさらなる目的および長所は、添付の図面を参照しながら、以下の発明を実施するための最良の形態からより明確に理解されるだろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明の光学デバイスを以下の好ましい実施形態に基づいて詳細に説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されない。
（第１実施形態）
本発明の光学デバイスの第１実施形態として、光学スイッチについて詳細に説明する。この光学スイッチは、図１に示すように、フォトニック結晶１と、光ファイバ２１から提供される光線をフォトニック結晶１の一側へ所定の入射角で入射させるレンズつきファイバーや導波路のような光入力端子２０と、フォトニック結晶１にエネルギーを印加してフォトニック結晶に入射した光線を偏向させ、フォトニック結晶の前記光線の入射面以外の他面（出射面）から透過光線を提供するための偏向制御手段４０と、フォトニック結晶１の出射面から光ファイバ３１ａ，３１ｂ，３１ｃに透過光線を提供するロッドレンズのような３つの光出力端子３０ａ，３０ｂ，３０ｃとを具備してなる。
【００２３】
フォトニック結晶１は、誘電率の異なる少なくとも２種類の材料を光の波長程度の間隔で周期的に配列させてなる多次元周期構造である。換言すれば、フォトニック結晶１は、屈折率の異なる少なくとも２種類の物質からなり、フォトニック結晶への入射光の波長の２分の１程度の周期となるようにこれらの物質を配列させ、そのフォトニックバンド構造によって入射光の偏向角が決まる人工の周期構造もしくは準周期構造である。尚、本発明の光学デバイスに使用されるフォトニック結晶１は、ある周波数において方向依存性が強い分散面形状を持つように設計される。
【００２４】
フォトニック結晶に固有の光学特性として、フォトニック結晶に入射される光線の波長がほんの１％変化すると、フォトニック結晶に入射した光線の屈折角が約５０度も大きくなることが知られている。この現象は、１９９９年に発見され、スーパープリズム効果と呼ばれ、入射光線の波長の微小変化がもたらすフォトニック分散面形状の大きな変化によってもたらされる。
【００２５】
しかしながら、スーパープリズム効果が起こるとはいっても、この効果は波長が変化した時の現象であるので、スーパープリズム効果時の入射角で外部からフォトニック結晶にエネルギーを印加して屈折率を変化させれば必ず大きな偏向が得られるというわけではない。屈折率を変化させて大きな偏向を実現するには、フォトニック結晶の配列（材料の屈折率、ピッチ）を考慮して、フォトニック結晶に入射する光線の最適な入射角を設定する必要がある。
【００２６】
そこで、本発明においては、フォトニック結晶に、方向依存性の強い分散面形状を持つ周波数によって決まる波長の光線を、その分散面形状において方向依存性が大きく変化する領域から運動量保存則に基づいて決まる入射角で入射させることを必須要件としており、その結果、このような条件の下でフォトニック結晶に外部からエネルギーが付与されると、フォトニック結晶の分散面形状が変化してフォトニック結晶に入射した光線が大きく偏向する現象を光学デバイスに利用している。尚、本明細書において、"大きく"偏向するとは、例えば、ガラスやポリマー等の従来の光学材料に比して数十〜数百倍の偏向角（屈折角）である場合をいう。
【００２７】
フォトニック結晶に入射した光線の大きな偏向角を得るため、本発明によれば、フォトニック結晶に入射される光線の最適な入射角を以下の手法により求めることができる。
【００２８】
例えば、図２に示すように、屈折率１の空気孔１１を屈折率２．５のＰＬＺＴ（チタン酸ジルコン酸ランタン鉛）のような高屈折材料１２内に三角形格子状に配列させてなる２次元周期構造を有するフォトニック結晶について考える。図２中の、"Γ(ガンマ)"、"Ｍ(エム)"、"Ｋ(ケイ)"は、それぞれ、結晶中を光がどの方向に進むかという方位を示しており、結晶光学や半導体光学の分野では通常使用されている表記である。例えば、"Γ−Ｍ"は、ガンマからエムに向かう方向を、"Γ−Ｋ"は、ガンマからケイに向かう方向をそれぞれ意味する。
【００２９】
次に、このような構造を有するフォトニック結晶に関して、図３に示されるように、フォトニック結晶の第１屈折率（ｎ１）における第１周波数分散曲線（実線）を作成するとともに、フォトニック結晶の第２屈折率（ｎ２）における第２周波数分散曲線（点線）を作成する。例えば、第１屈折率（ｎ１）が２．５であるとすると、第２屈折率（ｎ２）はその１％変化に相当する２．４７５とする。
【００３０】
一方、第１周波数分散曲線（ｎ１）と第２周波数分散曲線（ｎ２）との間において、波数ベクトルの大きさ（ｋ長）が大きく変化する周波数を選択する。すなわち、第１周波数分散曲線と第２周波数分散曲線との間の波数（横軸）方向における距離が大きくなる周波数を選択する。図３においては、縦軸である規格化周波数（λ／ａ：λは光線の波長、ａは隣接する空気孔１１間のピッチ）が０．５３７（ωａ／２πｃ）の時に分散曲線間の距離が大きくなる。上記のようにして選択された周波数において、等周波数分散面を計算すると図４が得られる。
【００３１】
このようにして得られた等周波数分散面において、方向依存性が最も大きく変化する領域から運動量保存則に基づいて入射角を決定する。すなわち、図４に示されるように、結晶の分散曲線に、フォトニック結晶の入射側の媒質である空気の分散曲線"D"を重ねて描く。図４において、"●"が第１屈折率（ｎ１）における等周波数分散面を示し、"○"が第２屈折率（ｎ２）における等周波数分散面を示している。尚、図４のような等周波数分散面において、"R1"によって示されるような領域は方向依存性の大きい領域であり、"R2"で示されるような領域が方向依存性の小さい領域である。図中、"Bｚ"はブリルアンゾーンである。
【００３２】
次に、図５に示すように、入射面（界面）を決定する。本方法では、入射面を"Γ−Ｍ"の方向とするので、それに直交する方向は"Γ−K"となる。尚、"Γ−Ｍ"は図５の分散曲線の星型形状の頂点を通過する。このように、入射面（界面）を予め"Γ−K"や"Γ−M"に設定する場合は、光学デバイスを作成しやすいという長所がある。
【００３３】
次に、図６に示すように、この入射面"Γ−Ｍ"に垂直な、すなわち"Γ−K "に平行な直線（作図線）"L"を仮想的に描き、その作図線"L"と第１周波数分散曲線（ｎ１）との交点（S１）、その作図線"L"とおよび第２周波数分散曲線（ｎ２）との交点（S2）をそれぞれ求め、それぞれの交点における法線（A、B）同士がなす角度"θ１"が大きくなる作図線"L"の位置を決定する。
【００３４】
次に、図７に示すように、作成した作図線"L"と空気の分散曲線"Ｄ"との交点"P"を求め、入射角が"Γ−K "に対して定義され、入射光線を出射光線と反対側に描くことを考慮して、交点"Ｐ"と横方向運動量が同じの入射側の位置"Ｐ’"を見出し、この点"P’"と中心"Γ"とを結んだ直線と"Γ−K "との間の角度"θ２"を求めれば、これがフォトニック結晶に光線を入射させた時に大きな偏向角が得られる入射角となる。
【００３５】
上記の手法においては、入射界面を予め決定しているが、以下に述べるように、任意の入射界面を設定して入射角を求めることができる。
【００３６】
すなわち、図８に示すように、入射角と偏向角の関係を考慮して、第１周波数分散曲線（ｎ１）上のある点における法線Aと、第２周波数分散曲線（ｎ２）上のある点における法線Bとがなす角度（θ１）が大きくなる第１および第２周波数分散曲線上のポイント（S1、S2）を探す。次に、図９に示すように、これらのポイント（S1、S2）を結ぶ直線をひいて、これを作図線"L"とし、この作図線"L"に対して垂直で、且つ中心"Γ"を通過するような入射面（界面）"H"を決定する（図１０）。
【００３７】
次に、図１１に示すように、作図線"L"と空気の分散曲線"Ｄ"との交点"P"を求め、入射角が入射面（界面）"Ｈ"の法線"Ｖ"に対して定義され、入射光線を出射光線と反対側に描くことを考慮して、交点"Ｐ"と横方向運動量が同じの入射側の位置"Ｐ’"を見出し、この点"P’"と中心"Γ"とを結ぶ線が入射光線となるので、この直線と法線"Ｖ"との角度"θ２"を求めれば、これがフォトニック結晶に光線を入射させた時に大きな偏向角が得られる入射角となる。このように、任意の入射界面を設定して入射角を求める場合は、光学デバイスの作成が難しくはなるものの、より大きな偏向角を提供できる可能性がある。
【００３８】
上記した方法で求めた入射角で光線を入射させることを特徴とする本願発明の具体的な光学デバイスの一例について紹介する。図１２に示すように、設計したフォトニック結晶は、０．５６μｍの直径ｄを有し、屈折率が１である複数の空気孔１１が、屈折率２．５のＰＬＺＴ１２（チタン酸ジルコン酸ランタン鉛）内に、隣接する空気孔１１間のピッチ"ａ"を０．８０μｍとし、光線の波長を"λ"とした場合における規格化周波数"λ／ａ"が０．５３７となるように、３角形パターンに配列させてなる２次元周期構造を有する。
【００３９】
このフォトニック結晶にエネルギーとして電界を印加して屈折率を変化させ、２次元周期構造の"Γ−Ｍ"で示される方位を入射端面として、これに垂直な"Γ−Ｋ"で示される方位に対して２２度の入射角で光線をフォトニック結晶に入射させる構成となっている。これにより、図１２に示すように、屈折率の１％の変化によって、フォトニック結晶に入射した光線を４３°の偏向角で偏向させることができる。
【００４０】
これにより、光スイッチ等の光学デバイスを大幅に小型化することができ、より低電圧で高電界の印加が可能になる。また、光通信で用いられる１．５μｍ帯の波長において、超小型、低消費電力の光スイッチ、ＶＯＡ（バリアブルオプティカルアッテネータ：可変光減衰器）等として動作させることができる。
【００４１】
尚、基本構成は、図１に示したような構成であるが、フォトニック結晶１の入射端面と出射端面は必ずしも平行である必要はない。例えば、図１３に示すように、フォトニック結晶１出射端面を円弧状としてもよい。このようにすると、フォトニック結晶１から出射された光の偏向角をさらに大きくすることができる。また、空気層からの入射角は２２度であるが、フォトニック結晶と同様の材料（例えば、ＰＬＺＴ）で入射光用導波路６０を設けた場合、その入射角は９度である。
【００４２】
本発明の光学デバイスに使用可能なフォトニック結晶は、ある周波数において方向依存性が強い分散面形状を持つように設計されていればよく、その構造は特に限定されないが、例えば、以下のようなフォトニック結晶を使用することができる。
【００４３】
図１４（ａ）に示すように、このフォトニック結晶１は、第１材料でなる円柱体１ｄを所定周期で配列させた２次元周期構造体でなる。この場合、隣接する円柱体１ｄの間の空間には、第１材料とは誘電率が異なる第２材料が充填される。第２材料を空気としても良い。
【００４４】
また、図１４（ｂ）に示すようなフォトニック結晶１を用いても良い。このフォトニック結晶は、第２材料が固体材料であり、第１材料が空気であることを除いて実質的に図１４（ａ）と同じ構造である。すなわち、図１４（ｂ）のフォトニック結晶は、第２材料でなる直方体と、この直方体中に所定周期で設けた複数の円柱状空隙１ｅとで構成される。
【００４５】
あるいは、図１４（ｃ）に示すフォトニック結晶１を使用してもよい。このフォトニック結晶は、第１材料でなる微細な球体１ｃを所定の周期で３次元に配列させることにより得られる３次元周期構造である。この構造は、人工オパール構造とも呼ばれている。この場合、隣接する球体１ｃ間には、第１材料とは誘電率が異なる第２材料が充填される。第２材料を空気としても良い。
【００４６】
また、図１４（ｄ）に示すようなフォトニック結晶１を用いても良い。このフォトニック結晶１は、第２材料が固体材料であり、第１材料が空気であることを除いて実質的に図１４（ｃ）と同じ構造である。すなわち、図１４（ｄ）のフォトニック結晶は、第２材料でなる立方体と、この立方体中に所定周期で設けた複数の球状空隙１ｈとで構成される。この構造は、反転オパール構造とも呼ばている。
【００４７】
さらに、図１４（ｅ）に示すようなフォトニック結晶１を使用してもよい。このフォトニック結晶は、六角形凹部（図示せず）が所定間隔で周期的に形成されているハニカム表面を有する基板（例えば、シリコン基板）１３と、このハニカム表面に積層される所定数の薄膜とでなる人工積層構造である。薄膜の各々は、第１材料（例えば、アモルファスＳｉ）からなる下層１ａと、第２材料（例えば、ＳｉＯ2）からなる上層１ｂとでなる。このように、基板１３のハニカム表面には六角形凹部の２次元周期構造が設けられ、さらに基板１３の高さ方向には下層１ａと上層１ｂの互い違い配列による周期構造が設けられるので、これらは、全体として２次元周期構造を形成する。
【００４８】
フォトニック結晶１に使用される電気光学材料としては、電界強度に比例して屈折率が変化するポッケルス効果や、電界強度の２乗に比例して屈折率が変化する光カー効果（三次非線形光学効果）などの非線形光学効果を有する材料を使用することができる。例えば、ポッケルス係数が１×１０-12〜１０００×１０-12ｍ／Ｖの材料を用いことが望ましく、そのような電気光学材料としては、ＫＨ2ＰＯ4、ＫＤＳ2ＰＯ4、ＮＨ4Ｈ2ＰＯ4、ＲｂＨ2ＰＯ4、ＣｓＤ2ＡｓＯ4（ＤＣＤＡ）、ＢａＴｉＯ3、Ｂａ1-xＳｒxＴｉＯ3、ＫＮｂＯ3、ＬｉＮｂＯ3、ＫＴｉＯＰＯ4（ＫＴＰ）、ＫＴｉＯＡｓＯ4（ＫＴＡ）、ＰｂxＬａ1-x（ＴｉyＺｒ1-y）Ｏ3（ＰＬＺＴ）、ＢａＳＴ、ＳｒxＢａ1-xＮｂ2Ｏ6（ＳＢＮ）等がある。
【００４９】
尚、本発明の光学デバイスに使用可能なフォトニック結晶は、上記したもの以外に、従来周知のフォトニック結晶や新規な構造を有するフォトニック結晶を含む。
【００５０】
本発明の光学スイッチに使用される偏向制御手段４０は、フォトニック結晶１へのエネルギーの印加によって材料間の屈折率の比を変化させ、フォトニック結晶内で入射した光線を偏向させ、フォトニック結晶の出射面から透過光線を提供する。例えば、フォトニック結晶を構成する材料の少なくとも一方が電気光学材料でなる場合、偏向制御手段４０は、エネルギーとしてフォトニック結晶１に電界（光による電界を含む）を印加することが好ましい。
【００５１】
図１に示す偏向制御手段４０は、フォトニック結晶１の対向する両側に配置された一対の平板電極４２と、電極間に電圧を供給する電源（図示せず）と、電圧コントローラ（図示せず）とを含む。この偏向制御手段４０によれば、電極４２間に電圧を印加することでフォトニック結晶１に電界が印加される。印加された電界は、フォトニック結晶１を構成している２つの物質の屈折率の比を変化させ、結果としてフォトニック結晶のフォトニックバンド構造を変化させる。本実施形態の偏向制御手段は４０、上記屈折率比を０．１〜１％程度の大きさで変化させることができる。このように、フォトニック結晶に印加される電界の強さを電気的に制御する場合は、高速応答性を有する小型の光学スイッチを提供することができる。また、フォトニック結晶１に機械的な応力を負荷しないので、装置の信頼性を長期わたって維持しやすいという長所もある。
【００５２】
フォトニック結晶１が光屈折性材料を含む場合における本発明の偏向制御手段４０の一例を図１５に示す。この偏向制御手段４０は、フォトニック結晶１に光を照射するための光照射手段を具備する。フォトニック結晶１のフォトニックバンド構造は、フォトニック結晶に照射される光量に応じて変化するので、この照射光量を調節すれば、フォトニック結晶１に入射した光線の偏向角を制御することができる。要するに、２次元配列フォトニック結晶の側面より光を照射し、光カー効果を利用して、屈折率を変化させるのである。
【００５３】
この場合、フォトニック結晶の群速度異常効果により、非線形光学効果が増強され、より低パワーの光の照射で屈折率を変化させることができ、より低消費電力で超高速の光スイッチが可能である。あるいは、２次元配列のフォトニック結晶でも、上下方向の媒質（空気、サファイア、Ｓｉなどの基板）の屈折率にも影響を受けるので、ＭＥＭＳ技術等でＳｉカンチレバー等を２００ｎｍ以下の距離に近づけることで有効屈折率を変化させても良い。
【００５４】
光の照射は、上方もしくは側方からフォトニック結晶１に照射されれば良い。図１５においては、フォトニック結晶に隣接して設けた導波管４３を介して光（Ｃ）がフォトニック結晶１に照射される。図１５中、番号６０は、光線を本発明の上記方法で求めた入射角でフォトニック結晶１の入射面に入射させるための入射用導波路のような光入力手段である。この実施形態によれば、ｎｓ〜ｐｓオーダーのスイッチング速度を提供できると共に、全光パケット交換型ネットワークにも対応可能である。尚、ＶＯＡ（バリアブルオプティカルアッテネータ：可変光減衰器）として使用する場合は、図１５の出力用導波路７０は一つでもよい。
【００５５】
本実施形態では、フォトニックバンドギャップを利用しているわけではないので、フォトニックバンドギャップができない屈折率の低い（屈折率１．５程度）有機材料を用いても、通常の光学材料と比べて大きな偏向角を得ることが可能である。
【００５６】
また、フォトニック結晶がＳｉ、ＧａＡｓのような半導体材料を含む場合における本発明の偏向制御手段４０の一例を図１６に示す。この偏向制御手段４０は、図１６に示すように、フォトニック結晶１に電子などのキャリア注入手段としての電気回路４５を具備する。この場合、フォトニック結晶のフォトニックバンド構造は、フォトニック結晶へのキャリア注入量に応じて変化する。したがって、電気回路４５を流れる電流の量、すなわち、フォトニック結晶１へのキャリア注入量を調節すれば、フォトニック結晶に入射した光線の偏向角を制御することができる。図１６中、番号６０は、光線を本発明の上記方法で求めた入射角でフォトニック結晶１の入射面に入射させるための入射用導波路のような光入力手段である。尚、ＶＯＡ（バリアブルオプティカルアッテネータ：可変光減衰器）として使用する場合は、図１６の出力用導波路７０は一つでもよい。
【００５７】
本実施例においては、ＳｉやＧｅのような集積回路によく用いられる元素をフォトニック結晶の構成材料として使用するので、フォトニック結晶を用いた光学デバイスを製造するにあたって既存の半導体製造ラインを利用できるとともに、集積化も容易になるという長所がある。
【００５８】
最後に、本実施形態の光学スイッチの動作について簡単に説明する。この光学スイッチは、フォトニック結晶１のフォトニックバンド構造を制御することにより単一の光入力信号が入射したフォトニック結晶内の複数光路の一つから選択的に光出力信号を提供するものである。すなわち、図１７（ａ）の場合は、外部からフォトニック結晶にエネルギーを印加しないので、矢印で示されるように、入射光線はフォトニック結晶内で偏向されることなく、透過光線が出力端子３０ａを介して対応する光ファイバ３１ａに出力される。したがって、残りの出力端子３０ｂ，３０ｃから透過光線は出力されない。
【００５９】
図１７（ｂ）の場合は、外部からエネルギーを印加してフォトニック結晶の屈折率を第１段階（例えば、０．７％の変化で４３度より小さい角度）に変化させたので、矢印で示されるように、透過光は出力端子３０ｂを介して対応する光ファイバ３１ｂに出力される。したがって、残りの出力端子３０ａ，３０ｃから透過光線は出力されない。
【００６０】
さらに、図１７（ｃ）の場合は、外部からエネルギーを印加してフォトニック結晶の屈折率を第１段階よりも大きい第２段階（例えば、１％の変化で偏向角が４３度）に変化させたので、矢印で示されるように、透過光は出力端子３０ｃを介して対応する光ファイバ３１ｃに出力される。したがって、残りの出力端子３０ａ，３０ｂから透過光線は出力されない。本実施形態の変更例として、光学出力端子の数は、２つ、もしくは３つ以上であってもよい。
【００６１】
上記した種々の偏向制御手段４０の各々において、フォトニック結晶１は、図１８に示すように、上記光線が入射する入射位置と透過光線が提供される出射位置との間の直線距離が実質的に同じである少なくとも２つの光学経路を提供する形状であることが好ましい。光学経路の長さを一定とすることで、位相のずれを防止することができる。図１８においては、２本の矢印で示される光路が一定の長さを有するように、フォトニック結晶１のコーナー部が除去されている。また、偏向制御手段４０としては、フォトニック結晶に隣接して設けた導波管４３を介して光（Ｃ）がフォトニック結晶１に照射される。
【００６２】
このように、本発明の光学スイッチにおいては、フォトニック結晶１に入射する光線の入射方向に対して異なる偏向角度をなす複数の光路を切り替えることが可能になる。また、従来の光学スイッチに比べ、比較的大きな偏向角を実現しながら、光スイッチの大幅な小型化を図ることができる。さらに、光信号のクロストークを防止して、高い伝送効率を確保できるという効果もある。
（第２実施形態）
第１実施形態においては、フォトニック結晶１に電気エネルギーや光エネルギーを積極的に印加してフォトニック結晶の屈折率を変化させ、結果的にフォトニック結晶に入射した光線を大きな偏向角で偏向させて機能する光学スイッチについて説明した。本実施形態では、フォトニック結晶がその周囲の環境（外的因子）変化、例えば、外部から熱的変化や圧力変化を受動的に受けた場合に、フォトニック結晶に入射した光線が大きく偏向することを利用して、外的因子の変化を高感度で検知できる光学式センサについて説明する。
【００６３】
すなわち、本実施形態の光学式センサは、図１９に示すように、第１実施形態において詳述したフォトニック結晶１と、光ファイバ２１から提供される光線がフォトニック結晶に入射する側（入射端面側）に設けられ、それを介して光線が本発明の方法により決定された入射角でフォトニック結晶に供給される光入力手段２０（例えば、光入力端子や入射用導波路）と、フォトニック結晶の入射端面以外の他面（出射端面）に設けられ、フォトニック結晶から提供される透過光線を検出するための少なくとも一つの検出器（９０ａ、９０ｂ、９０ｃ）とを具備し、フォトニック結晶周囲の外的変化によってフォトニック結晶に受動的にエネルギーが付加される時、フォトニック結晶に入射した光線の偏向角の変化を前記検出器により検出して前記外的変化を感知することを特徴とする。図１９中、番号８０は、フォトニック結晶を保持するための支持体である。
【００６４】
フォトニック結晶に入射する光線の波長が固定されていれば、応力、熱などがフォトニック結晶に付与されると、フォトニック結晶のピッチａが変化し、結果的に偏向角が変化する、この偏向角の変化をモニターすることで応力、熱の変化を感度良くセンシングすることができる。したがって、２次元周期配列を有するフォトニック結晶を用いて、図１９に示すようなセンサを構成した場合、熱膨張によるフォトニック結晶のわずかな格子定数（ピッチ）変化を光強度の変化として捉えることが可能となり、熱センサとして機能させることが可能になる。また、圧力、応力によるフォトニック結晶の格子定数変化を光強度の変化として検出する場合は、圧力センサとして機能させることもできる。入射角の決定方法を含むその他の構成は第１実施形態と実質的に同じであるので省略する。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の第１実施形態に基づく光学スイッチを示す概略断面図である。
【図２】同光学スイッチに使用されるフォトニック結晶の微細構造を示す図である。
【図３】フォトニック結晶の周波数分散曲線を示すグラフである。
【図４】フォトニック結晶の等周波数分散面を示す図である。
【図５】等周波数分散面上における入射面の設定を示す図である。
【図６】等周波数分散面上における作図線の位置決定を説明する図である。
【図７】作図線と空気の分散曲線との交点から入射角を求める方法を示す図である。
【図８】等周波数分散面上に作図線を描く方法を示す図である。
【図９】作図線を有する等周波数分散面を示す図である。
【図１０】作図線に直交する入射面が設定された等周波数分散面を示す図である。
【図１１】作図線と空気の分散曲線との交点から入射角を求める方法を示す図である。
【図１２】本発明の方法で求めた入射角で光線をフォトニック結晶に入射させた場合の具体的な偏向角を示す図である。
【図１３】円弧状の出射端面を有する本発明の光学デバイスを示す概略図である。
【図１４】（ａ）〜（ｅ）は、本発明の光学デバイスに使用可能な種々のフォトニック結晶を示す斜視図である。
【図１５】光照射手段を偏向制御手段として用いた本発明の光学スイッチを示す概略斜視図である。
【図１６】キャリア注入手段を偏向制御手段として用いた本発明の光学スイッチを示す概略斜視図である。
【図１７】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第１実施形態に基づく光学スイッチの動作説明図である。
【図１８】図１７の光学スイッチの変更例を示す概略斜視図である。
【図１９】本発明の第２実施形態に基づく光学式センサを示す概略断面図である。
【図２０】フォトニック結晶を用いた従来の光学スイッチの概略斜視図である。
【符号の説明】
【００６６】
１                    フォトニック結晶
２０                  光入力端子
２１                  光ファイバ
３１ａ，３１ｂ，３１ｃ  光ファイバ
３０ａ，３０ｂ，３０ｃ  光出力端子
４０                  偏向制御手段
４２                  平板電極
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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