(57)【要約】１方向に屈折率周期性を有し、前記屈折率周期方向と略平行である端面の１つを入射端面とし、前記入射端面に対向する端面を出射端面とするフォトニック結晶と、前記フォトニック結晶中にブリルアンゾーン境界上のバンドによる伝搬光を生じさせるように入射光を前記入射端面から入射する入射部と、前記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手段および／または前記入射端面から前記出射端面までの距離である伝搬光路長を変化させる手段とを備えている。
2004109383.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１方向に屈折率周期性を有し、前記屈折率周期方向と略平行である端面の１つを入射端面とし、前記入射端面に対向する端面を出射端面とするフォトニック結晶と、
前記フォトニック結晶中にブリルアンゾーン境界上のバンドによる伝搬光を生じさせるように入射光を前記入射端面から入射する入射部と、
前記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手段および／または前記入射端面から前記出射端面までの距離である伝搬光路長を変化させる手段とを備えた光路変換素子。
【請求項２】
前記入射光の真空中における波長をλ０とし、前記入射端面と接触している媒質の屈折率をｎとし、前記フォトニック結晶の周期をａとした場合に、前記入射部は、前記入射光を前記入射端面に対して、以下の式を満たす入射角θで入射する請求項１に記載の光路変換素子。
０．４５＜ｎ・ｓｉｎθ・（ａ／λ０）＜０．５５
【請求項３】
前記入射部は、前記入射端面に近接もしくは接触して配置された回折格子または位相格子を備えている請求項２に記載の光路変換素子。
【請求項４】
前記フォトニックバンド構造を変化させる手段は、前記フォトニック結晶にエネルギーを供給することで、前記フォトニック結晶を構成する材料のうち少なくとも１つの屈折率を変化させ、前記フォトニック結晶の前記フォトニックバンド構造を変化させる請求項１に記載の光路変換素子。
【請求項５】
前記フォトニック結晶を構成する材料のうち少なくとも１つは電気光学効果を有する材料であり、
前記フォトニックバンド構造を変化させる手段は、前記フォトニック結晶に電界を印加する電界印加部である請求項４に記載の光路変換素子。
【請求項６】
前記フォトニック結晶を構成する材料のうち少なくとも１つは半導体材料であり、
前記フォトニックバンド構造を変化させる手段は、前記フォトニック結晶に電流を注入する電流注入部である請求項４に記載の光路変換素子。
【請求項７】
前記フォトニック結晶を構成する材料のうち少なくとも１つは音響光学材料であり、
前記フォトニックバンド構造を変化させる手段は、前記フォトニック結晶に超音波を印加する超音波印加部である請求項４に記載の光路変換素子。
【請求項８】
前記フォトニック結晶を構成する材料のうち少なくとも１つの１部または全部は非線形光学材料であり、
前記フォトニックバンド構造を変化させる手段は、前記フォトニック結晶に光を照射する光源である請求項４に記載の光路変換素子。
【請求項９】
前記フォトニックバンド構造を変化させる手段は、前記フォトニック結晶に外力を印加することで前記フォトニック結晶の周期を変化させて、前記フォトニックバンド構造を変化させる周期変化手段である請求項１に記載の光路変換素子。
【請求項１０】
前記周期変化手段は、前記フォトニック結晶の前記屈折率周期方向に垂直な端面の少なくともどちらか一方に接続された外力印加部と、
前記外力印加部および前記フォトニック結晶における、前記フォトニック結晶の前記屈折率周期方向の長さを固定する支持筐体とを備え、
前記外力印加部の体積が変化することで、前記フォトニック結晶に外力を印加する請求項９に記載の光路変換素子。
【請求項１１】
前記外力印加部は圧電素子である請求項１０に記載の光路変換素子。
【請求項１２】
前記周期変化手段は、前記フォトニック結晶を挟んで前記フォトニック結晶の前記屈折率周期方向に対向配置された一対の電磁石を備え、
前記電磁石同士の引力を用いて前記フォトニック結晶に外力を印加する請求項９に記載の光路変換素子。
【請求項１３】
前記周期変化手段は、前記フォトニック結晶を挟んで前記フォトニック結晶の前記屈折率周期方向に対向配置された電磁石および磁性体を備え、
前記電磁石と前記磁性体との引力を用いて前記フォトニック結晶に外力を印加する請求項９に記載の光路変換素子。
【請求項１４】
前記周期変化手段は、前記フォトニック結晶に接続された基板と、前記基板を加熱あるいは冷却できる温度可変装置とを備え、
前記温度可変装置によって加熱あるいは冷却された前記基板の膨張あるいは収縮を用いて、前記フォトニック結晶に外力を印加する請求項９に記載の光路変換素子。
【請求項１５】
前記伝搬光路長を変化させる手段は、前記入射端面および前記出射端面の少なくともどちらか一方に接続された外力印加部と、
前記外力印加部および前記フォトニック結晶における、前記フォトニック結晶の前記伝搬光路長方向の長さを固定する支持筐体とを備え、
前記外力印加部の体積が変化することで、前記フォトニック結晶に外力を印加する請求項１に記載の光路変換素子。
【請求項１６】
前記外力印加部は圧電素子である請求項１５に記載の光路変換素子。
【請求項１７】
前記伝搬光路長を変化させる手段は、前記フォトニック結晶を挟んで前記フォトニック結晶の前記伝搬光路長方向に対向配置された一対の電磁石を備え、
前記電磁石同士の引力を用いて前記フォトニック結晶に外力を印加する請求項１に記載の光路変換素子。
【請求項１８】
前記伝搬光路長を変化させる手段は、前記フォトニック結晶を挟んで前記フォトニック結晶の前記伝搬光路長方向に対向配置された電磁石および磁性体を備え、
前記電磁石と前記磁性体との引力を用いて前記フォトニック結晶に外力を印加する請求項１に記載の光路変換素子。
【請求項１９】
前記伝搬光路長を変化させる手段は、前記フォトニック結晶に接続された基板と、前記基板を加熱あるいは冷却できる温度可変装置とを備え、
前記温度可変装置によって加熱あるいは冷却された前記基板の膨張あるいは収縮を用いて、前記フォトニック結晶に外力を印加する請求項１に記載の光路変換素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は、光通信システム、光交換システムあるいは光インタコネクションなどに用いられる光路変換素子に関し、特にフォトニック結晶を用いた光路変換素子に関するものである。
【背景技術】  光通信、光交換システムあるいは光インタコネクションなどの分野においては、信号光を所望の経路に伝搬させるために、光路を切り換える機能を有する光学素子が必要とされる。光路を切り換えるもっとも基本的な手段は反射鏡等により、光の方向を機械的に変えることである。最近、この基本的な原理に基づき、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ：Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）を用いて反射鏡の角度を変更することで、光路の切り換えを行う光路変換素子が開発されている。機械的に反射鏡の角度を変更するので、大きな角度の光路の切り換えが容易である反面、可動部を有することから、振動や衝撃により安定性には問題がある。
可動部がない光路変換素子として、例えば異なる屈折率をもつ媒体の界面での光の屈折角が両媒体の屈折率に依存することを利用する方法が考えられている。例えば、プリズムを有する構造とし、このプリズムの屈折率を何らかの方法により変化させることができれば、プリズムから出射される光の方向を変化させることができる。プリズムの代わりに例えば回折格子を用いてもよい。
しかし各種の物理的手段（例えば、媒体への電界印加、音波印加および光照射等）により、媒体の屈折率を変化させても、多くは１％にも満たない程度の変化である。したがって、屈折率変化により光路を変換しても、光路の角度変化が小さいため、光路を変換させた光のビーム広がり角を十分小さくし、かつ変換光の伝搬距離を長くする必要がある。そのため、小型化等が不可能であるという問題があった。
また、近年、フォトニック結晶の特異な性質を利用した光路変換素子が提案されている。フォトニック結晶は、屈折率の異なる誘電体を、光の波長程度の周期で周期的に並べた構造を有するものである。このフォトニック結晶は、「フォトニックバンドギャップによる光の閉じ込め」、「特異なバンド構造による非常に大きな波長分散」および「伝搬光の群速度異常」等の特徴的な性質を有していることはよく知られており、このような特性を利用した数多くの光学素子が提案あるいは研究されている（例えば、特開２００２−２６７８４５号公報）。
フォトニック結晶を利用した光路変換素子（光線偏向装置）が、例えば特開２００２−３５０９０８号公報に開示されている。この光路変換素子は、伝搬光の波長が、フォトニックバンドギャップ波長とは異なるように設計されており、外部エネルギーによってフォトニックバンド構造を変化させることで、フォトニック結晶内での光の進行方向を変化させる。フォトニック結晶内を伝搬する伝搬光はフォトニックバンド構造によるフォトニック分散面のポテンシャル勾配の方向に伝搬していく。そこで、この従来の光路変換素子は、フォトニックバンド構造を外部エネルギーによって変化させることにより、伝搬光の進行方向を変化させている。
しかし、このフォトニック結晶を利用した従来の光路変換素子では光の進行方向に対して垂直な方向における光の閉じ込めが不十分である。そのため、光路を変換されたのちフォトニック結晶からの出射される光の量が少ない。つまり、回収効率が極めて低い等の問題があった。また、光路の角度変化がとくに大きいわけではない。そのため、数１００ミクロン以上の大きさのフォトニック結晶が必要となる。したがって、小型化および集積化の障害となるという問題を有している。
【発明の開示】
本発明は上記問題点を解決するためになされたもので、フォトニック結晶を用いて、小型化が可能な光路変換素子を提供することを目的とする。
本発明の光路変換素子は、１方向に屈折率周期性を有し、前記屈折率周期方向と略平行である端面の１つを入射端面とし、前記入射端面に対向する端面を出射端面とするフォトニック結晶と、前記フォトニック結晶中にブリルアンゾーン境界上のバンドによる伝搬光を生じさせるように入射光を前記入射端面から入射する入射部と、前記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手段および／または前記入射端面から前記出射端面までの距離である伝搬光路長を変化させる手段とを備えている。
【図面の簡単な説明】  図１は、一方向に屈折率周期性を有するフォトニック結晶の光の伝搬を示す断面図である。
図２は、図１に示したフォトニック結晶の入射光も含むバンド図である。
図３は、図２のバンド図をブリルアンゾーン中央についてＺ方向に限定して示したバンド図である。
図４は、入射端面に対して斜めに入射光を入射させた場合のフォトニック結晶中の光の伝搬を示す断面図である。
図５は、図４に示したフォトニック結晶の入射光も含むバンド図である。
図６は、フォトニック結晶の入射端面に対して斜めに入射光を入射させた場合に、伝搬光がＺ軸方向に伝搬する場合を示す断面図である。
図７は、図６に示したフォトニック結晶の入射光も含むバンド図である。
図８は、図７のバンド図をブリルアンゾーン境界上についてＺ方向に限定して示したバンド図である。
図９Ａは、第１バンドの伝搬形状を模式的に示した断面図である。
図９Ｂは、図９ＡをＹ方向より見たときの電場の振幅を示す図である。
図９Ｃは、第２バンドの伝搬形状を模式的に示した断面図である。
図９Ｄは、図９ＣをＹ方向より見たときの電場の振幅を示す図である。
図１０は、図９Ａおよび図９Ｃに示した第１バンドおよび第２バンドが重ね合あわされた伝搬光の伝搬形状を模式的に示した断面図である。
図１１は、フォトニック結晶においてブリルアンゾーン境界上における伝搬を実現する回折格子を用いる方法を示す断面図である。
図１２は、ブリルアンゾーン境界上における伝搬を実現する位相格子を用いる方法を示す断面図である。
図１３は、フォトニック結晶中にブリルアンゾーン境界上のバンドである第１バンドおよび第２バンドの伝搬光が伝搬している伝搬形状を示す断面図である。
図１４Ａは、図１３に示すフォトニック結晶において出射端面の位置が、伝搬光の山または谷の位置である場合の出射光を示す断面図である。
図１４Ｂは、図１３に示す出射端面の位置が、伝搬光の谷と山の中間位置である場合の出射光を示す断面図である。
図１４Ｃは、図１３に示す出射端面の位置が、伝搬光の山と谷の中間位置である場合の出射光を示す断面図である。
図１５は、実施の形態１に係る光路変換素子の構成を示す平面図である。
図１６は、実施の形態１に係る他の光路変換素子の構成を示す平面図である。
図１７は、フォトニック結晶の周期を直接変化させる方法を説明するための模式図である。
図１８Ａは、実施の形態２に係る第１の光路変換素子の構成を示す平面図である。
図１８Ｂは、実施の形態２に係る第１の光路変換素子の光路変換部の構成を示す斜視図である。
図１８Ｃは、実施の形態２に係る第１の光路変換素子の構成を模式的に説明するための断面図である。
図１９は、実施の形態２に係る第２の光路変換素子の構成を示す平面図である。
図２０Ａは、実施の形態２に係る第３の光路変換素子の構成を模式的に説明するための断面図である。
図２０Ｂは、実施の形態２に係る第４の光路変換素子の構成を模式的に説明するための断面図である。
図２１Ａは、実施の形態３に係る光路変換素子の構成を模式的に説明するための断面図である。
図２１Ｂは、実施の形態３に係る他の光路変換素子の構成を模式的に説明するための側面図である。
図２２は、フォトニック結晶の伝搬光路長を変化させる方法を説明するための模式図である。
図２３Ａは、実施の形態４に係る光路変換素子の構成を模式的に説明するための断面図である。
図２３Ｂは、実施の形態４に係る他の光路変換素子の構成を模式的に説明するための断面図である。
図２３Ｃは、実施の形態４に係るさらに他の光路変換素子の構成を模式的に説明するための断面図である。
図２４は、フォトニック結晶のＴＥ偏光に対するバンド図である。
図２５は、計算例１におけるシミュレーション結果である電場の強度分布図である。
図２６は、計算例１の第１参考例におけるシミュレーション結果である電場の強度分布図である。
図２７は、計算例１の第２参考例におけるシミュレーション結果である電場の強度分布図である。
図２８は、フォトニック結晶のＴＥ偏光に対するバンド図である。
図２９は、計算例２におけるシミュレーション結果である電場の強度分布図である。
図３０は、計算例３で用いるフォトニック結晶の構成を示す断面図である。
図３１は、計算例３におけるシミュレーション結果である電場の強度分布図である。
図３２は、計算例４におけるシミュレーション結果である電場の強度分布図である。
図３３は、計算例５におけるシミュレーション結果である電場の強度分布図である。
図３４Ａは、計算例６におけるシミュレーション結果である電場の強度分布図である。
図３４Ｂは、計算例７におけるシミュレーション結果である電場の強度分布図である。
【発明を実施するための最良の形態】  本発明の光路変換素子は、１次元フォトニック結晶中にブリルアンゾーン境界上のバンドによる伝搬光を生じさせるように入射光を入射端面から入射する入射部と、前記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手段および／または前記入射端面から前記出射端面までの距離である伝搬光路長を変化させる手段とを備えているので、出射光の光路を十分大きな角度で変換させることができる。したがって、光路変換素子を小型化および集積化することができる。
また、好ましくは、前記入射光の真空中における波長をλ０とし、前記入射端面と接触している媒体の屈折率をｎとし、前記フォトニック結晶の周期をａとした場合に、前記入射部は、前記入射光を前記入射端面に対して、以下の式を満たす入射角θで入射する。
０．４５＜ｎ・ｓｉｎθ・（ａ／λ０）＜０．５５
それにより、ブリルアンゾーン境界上のフォトニックバンドを利用することができ、ブリルアンゾーン境界上の第１バンド光と高次伝搬バンド光を混在させてフォトニック結晶内を伝搬させることができる。
なお、入射角θは、入射端面の法線と入射光とのなす角度である。また、周期とは、フォトニック結晶において周期的に積層されている基本構成要素の厚さ（積層方向の長さ）である。例えば、２種類の媒質が交互に積層されたフォトニック結晶であれば、それらの媒質の一層あたりの厚さの和である。また、入射端面と接触している媒質とは、入射端面の周囲にある媒質のことである。
また、好ましくは、前記入射部は、前記入射端面に近接もしくは接触して配置された回折格子または位相格子を備えている。それにより、ブリルアンゾーン境界上のフォトニックバンドを利用することができ、ブリルアンゾーン境界上の第１バンド光と高次伝搬バンド光を混在させてフォトニック結晶内を伝搬させることができる。
また、好ましくは、前記フォトニックバンド構造を変化させる手段は、前記フォトニック結晶にエネルギーを供給することで、前記フォトニック結晶を構成する材料のうち少なくとも１つの屈折率を変化させ、前記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。それにより、容易に、光路変換を行うことができる光路変換素子を提供できる。
また、好ましくは、前記フォトニック結晶を構成する材料のうち少なくとも１つは電気光学効果を有する材料であり、前記フォトニックバンド構造を変化させる手段は、前記フォトニック結晶に電界を印加する電界印加部とする。そのため、フォトニック結晶を構成する材料のうち少なくとも１つの屈折率を可逆的に変化させることができる。したがって、可逆的に光路変換ができる光路変換素子を提供できる。
また、好ましくは、前記フォトニック結晶を構成する材料のうち少なくとも１つは半導体材料であり、前記フォトニックバンド構造を変化させる手段は、前記フォトニック結晶に電流を注入する電流注入部とする。そのため、フォトニック結晶を構成する材料のうち少なくとも１つの屈折率を可逆的に変化させることができる。したがって、可逆的に光路変換ができる光路変換素子を提供できる。
また、好ましくは、前記フォトニック結晶を構成する材料のうち少なくとも１つは音響光学材料であり、前記フォトニックバンド構造を変化させる手段は、前記フォトニック結晶に超音波を印加する超音波印加部とする。そのため、フォトニック結晶を構成する材料のうち少なくとも１つの屈折率を可逆的に変化させることができる。したがって、可逆的に光路変換ができる光路変換素子を提供できる。
また、好ましくは、前記フォトニック結晶を構成する材料のうち少なくとも１つの１部または全部は非線形光学材料であり、前記フォトニックバンド構造を変化させる手段は、前記フォトニック結晶に光を照射する光源とする。そのため、フォトニック結晶を構成する材料のうち少なくとも１つの１部または全部の屈折率を可逆的に変化させることができる。したがって、可逆的に光路変換ができる光路変換素子を提供できる。
また、好ましくは、前記フォトニックバンド構造を変化させる手段は、前記フォトニック結晶に外力を印加することで前記フォトニック結晶の周期を変化させて、前記フォトニックバンド構造を変化させる周期変化手段である。それにより、フォトニック結晶の周期を変化させることで、光路を変換することができるので、簡単な仕組みで動作する光路変換素子を提供できる。
また、好ましくは、前記周期変化手段は、前記フォトニック結晶の前記屈折率周期方向に垂直な端面の少なくともどちらか一方に接続された外力印加部と、前記外力印加部および前記フォトニック結晶における、前記フォトニック結晶の前記屈折率周期方向の長さを固定する支持筐体とを備え、前記外力印加部の体積が変化することで、前記フォトニック結晶に外力を印加する。そのため、フォトニック結晶の周期の変化を容易に変化させることができる。それにより、光路変換を容易に行うことができる光路変換素子を提供できる。
また、好ましくは、前記外力印加部は圧電素子である。そのため、フォトニック結晶の周期の変化を制御しやすい。それにより、光路変換の制御を容易に行うことができる光路変換素子を提供できる。
また、好ましくは、前記周期変化手段は、前記フォトニック結晶を挟んで前記フォトニック結晶の前記屈折率周期方向に対向配置された一対の電磁石を備え、前記電磁石同士の引力を用いて前記フォトニック結晶に外力を印加する。そのため、フォトニック結晶の周期の変化を容易に制御しやすい。それにより、光路変換の制御を容易に行うことができる光路変換素子を提供できる。
また、好ましくは、前記周期変化手段は、前記フォトニック結晶を挟んで前記フォトニック結晶の前記屈折率周期方向に対向配置された電磁石および磁性体を備え、前記電磁石と前記磁性体との引力を用いて前記フォトニック結晶に外力を印加する。そのため、フォトニック結晶の周期の変化を容易に制御しやすい。それにより、光路変換の制御を容易に行うことができる光路変換素子を提供できる。
また、好ましくは、前記周期変化手段は、前記フォトニック結晶に接続された基板と、前記基板を加熱あるいは冷却できる温度可変装置とを備え、前記温度可変装置によって加熱あるいは冷却された前記基板の膨張あるいは収縮を用いて、前記フォトニック結晶に外力を印加する。そのため、フォトニック結晶の周期の変化を容易に制御しやすい。それにより、光路変換の制御を容易に行うことができる光路変換素子を提供できる。
また、好ましくは、前記伝搬光路長を変化させる手段は、前記入射端面および前記出射端面の少なくともどちらか一方に接続された外力印加部と、前記外力印加部および前記フォトニック結晶における、前記フォトニック結晶の前記伝搬光路長方向の長さを固定する支持筐体とを備え、前記外力印加部の体積が変化することで、前記フォトニック結晶に外力を印加する。そのため、フォトニック結晶の伝搬光路長の変化を容易に変化させることができる。それにより、光路変換を容易に行うことができる光路変換素子を提供できる。
また、好ましくは、前記外力印加部は圧電素子である。そのため、フォトニック結晶の伝搬光路長の変化を制御しやすい。それにより、光路変換の制御を容易に行うことができる光路変換素子を提供できる。
また、好ましくは、前記伝搬光路長を変化させる手段は、前記フォトニック結晶を挟んで前記フォトニック結晶の前記伝搬光路長方向に対向配置された一対の電磁石を備え、前記電磁石同士の引力を用いて前記フォトニック結晶に外力を印加する。そのため、フォトニック結晶の伝播光路長の変化を容易に制御しやすい。それにより、光路変換の制御を容易に行うことができる光路変換素子を提供できる。
また、好ましくは、前記伝搬光路長を変化させる手段は、前記フォトニック結晶を挟んで前記フォトニック結晶の前記伝搬光路長方向に対向配置された電磁石および磁性体を備え、前記電磁石と前記磁性体との引力を用いて前記フォトニック結晶に外力を印加する。そのため、フォトニック結晶の伝搬光路長の変化を容易に制御しやすい。それにより、光路変換の制御を容易に行うことができる光路変換素子を提供できる。
また、好ましくは、前記伝搬光路長を変化させる手段は、前記フォトニック結晶に接続された基板と、前記基板を加熱あるいは冷却できる温度可変装置とを備え、前記温度可変装置によって加熱あるいは冷却された前記基板の膨張あるいは収縮を用いて、前記フォトニック結晶に外力を印加する。そのため、フォトニック結晶の周期の変化を容易に制御しやすい。それにより、光路変換の制御を容易に行うことができる光路変換素子を提供できる。
以下、本発明の実施の形態について図を用いて具体的に説明する。なお、各図において同一の機能を有する部材には同一符号を付し、説明を省略する。
フォトニック結晶の周期方向（屈折率周期方向）に平行な端面より、適当な周波数の平面波を垂直入射させると、周期構造のない方向に沿ってブリルアンゾーン中央におけるフォトニックバンド構造に由来した伝搬が生じ、最低次のバンドによる第１バンド伝搬光と最低次ではない高次の伝搬バンドによる高次伝搬バンド光がそれぞれフォトニック結晶内を伝搬する。
高次伝搬バンド光は、「非常に大きな波長分散」や「群速度異常」といったフォトニックバンド構造に由来した特徴的な特性を有しており、これらを利用してさまざまな光学素子に応用することができる。これに対して、第１バンド光は上述のような特性を有しておらず、通常の均質媒体における伝搬とほぼ同様の振る舞いをする。
しかし、高次伝搬バンド光がフォトニック結晶内を伝搬する場合には必ず第１バンド光も伝搬するため、高次伝搬バンド光を利用する場合には第１バンド光は単なる損失でしかなく、入射光エネルギーの利用効率を低下させてしまうのみならず、迷光として素子のＳ／Ｎ比を低下させる原因ともなる。
しかし、本発明者らの研究によると、ブリルアンゾーン境界上のフォトニックバンドを利用することによって、第１バンド光も高次伝搬バンド光と同様の特徴的な特性を持つということが明らかになった。
これらブリルアンゾーン境界上の第１バンド光と高次伝搬バンド光が混在してフォトニック結晶内を伝搬することにより、伝搬光の電場形状が山と谷を交互に繰り返す特徴的な伝搬形状を示す。このとき伝搬形状のどの位置に出射側端面がくるかによって、その出射端面から出射される出射光の方向が大きく異なる。本実施の形態に係る光路変換素子は、上述の現象を利用したものである。
図１は、一方向に屈折率周期性を有するフォトニック結晶１の光の伝搬を示す断面図である。図１において、光の伝搬方向をＺ軸方向とし、光の伝搬方向に対して垂直な方向をＹ軸方向とする。フォトニック結晶１は、Ｙ軸方向にのみ屈折率周期性を有する１次元フォトニック結晶である。物質５ａおよび物質５ｂとが、交互にＹ軸方向に積層されて、多層構造５を形成している。物質５ａの厚さはｔＡであり、屈折率はｎＡとする。また、物質５ｂの厚さはｔＢであり、屈折率はｎＢとする。フォトニック結晶１の周期ａは、（ｔＡ＋ｔＢ）である。
フォトニック結晶１が光導波路を構成している。フォトニック結晶１の入射端面１ａおよび出射端面１ｂは、フォトニック結晶１の周期方向と平行である端面であり、入射端面１ａおよび出射端面１ｂは対向している。フォトニック結晶１の入射端面１ａから、真空中の波長がλ０の平面波を入射光２として入射させると、伝搬光４としてフォトニック結晶１内を伝搬する。この伝搬光４がフォトニック結晶１内の物質５ａおよび物質５ｂの多層膜内でどのように伝搬するかは、フォトニックバンドを計算し図示することにより知ることができる。バンド計算の方法は、例えば“Ｐｈｏｔｏｎｉｃ  Ｃｒｙｓｔａｌｓ”，Ｐｒｉｎｃｅｔｏｎ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  Ｐｒｅｓｓ（１９９５）あるいは、Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｂ  ４４巻、１６号、ｐ．８５６５、１９９１年、などに詳しく述べられている。
以下、フォトニック結晶１の入射端面１ａより平面波である入射光２を入射させたときの、フォトニック結晶１内における伝搬光４の伝搬について図２を加えて考える。図２は、図１に示したフォトニック結晶１の入射光２も含むバンド図である。図２において、右側がフォトニック結晶１中のバンド図であり、左側がフォトニック結晶１の外側（入射光２が入射してくる個所）である均質媒体（空気）のバンド図である。
このときのフォトニック結晶１の条件は、まず物質５ａの屈折率ｎＡが２．１０１１であり、厚さｔＡが周期ａを用いて表すと、ｔＡ＝０．３ａである。また、物質５ｂの屈折率ｎＢが１．４５７８であり、厚さｔＢが周期ａを用いて表すと、ｔＢ＝０．７ａである。図２は、このような物質５ａおよび物質５ｂを交互に重ねた周期ａの多層構造体であるフォトニック結晶１の、Ｙ軸およびＺ軸方向におけるバンド計算の結果を示している。なお、フォトニック結晶１は、物質５ａおよび物質５ｂの各層面がＸＺ平面において無限に広がっており、Ｙ方向に無限に積層されているとする。なお、図２は、ＴＥ偏光の第１および第２バンドについて第１ブリルアンゾーンの範囲内で示したものである。図２の右側に示しているフォトニック結晶１中のバンド図は、規格化周波数ωａ／２πｃが同じ値となる点を結んだ等高線状で表され、この等高線状の線のことを以下では等高線という。各線の添字は規格化周波数ωａ／２πｃの値を表している。なお、規格化周波数ωａ／２πｃは、入射光２の角振動数ω、フォトニック結晶１の周期ａおよび真空中での光速ｃを用いて表している。また、規格化周波数は、入光２の真空中の波長λ０を用いて、ａ／λ０と表すこともできる。以下では簡単に規格化周波数ａ／λ０と記述する。
図２において、ブリルアンゾーンのＹ軸方向の範囲は±π／ａであるが（ブリルアンゾーンのＹ軸方向の幅は２π／ａ）、Ｚ軸方向には周期性がないのでブリルアンゾーンの境界が存在せず、どこまでも等高線が広がっている。なお、ＴＥ偏光とは電場の向きがＸ軸方向である偏光である。また、磁場の向きがＸ軸方向の偏光であるＴＭ偏光（磁場の向きがＸ軸方向）のバンド図は、ＴＥ偏光のバンド図に類似しているが幾分異なった形状となる。
矢印４０１はフォトニック結晶１中の伝搬光４の第１バンドのエネルギー進行方向をあらわしている。また、矢印４０２はフォトニック結晶１中の伝搬光４の第２バンドのエネルギー進行方向を表している。
また、図２の左側に示しているフォトニック結晶１の外側である均質媒体（空気）のバンド図は、半径ｒが下記式で表される球（ＹＺ平面においては円）となる。なお、ｎは、入射端面１ａと接触している媒体（フォトニック結晶１の外側である均質媒体）の屈折率である。
ｒ＝ｎ・（ａ／λ０）・（２π／ａ）
なお、上式の右辺の（２π／ａ）は、フォトニック結晶のバンド図（図２）に対応させるための係数である。また、矢印２００は入射光２の波数ベクトルである。
図３は、図２のバンド図をブリルアンゾーン中央についてＺ方向に限定して示したバンド図である。縦軸は規格化周波数ωａ／２πｃ（＝ａ／λ０）、横軸は波数ベクトルｋｚの大きさをそれぞれ示している。なお、図３では第３バンドも図示している。図３よりわかるように、第１バンドと高次バンド（第２および第３バンド）では、その特性に大きな差がある。つまり、第１バンドの規格化周波数ａ／λ０（縦軸）と波数ベクトルｋｚ（横軸）はほぼ比例するため、実効屈折率もλ０の変化に対してほとんど不変である。しかし、高次バンドでは実効屈折率がλ０により大きく変化し、ｋｚが０に近づいてもａ／λ０の値はほぼ一定値である。つまり、実効屈折率が１未満になることもある。
また、図３に示すバンド曲線をｋｚで微分した値（すなわち接線の傾き）が伝搬光の群速度となることはよく知られている。図３の場合、高次バンドでは、ｋｚの値が小さくなるにつれてバンド曲線の接線の傾きは急速に小さくなり、ｋｚ＝０のとき０となる。これが、フォトニック結晶に特有の群速度異常である。フォトニック結晶における群速度異常は極めて大きく、かつ通常の均質物質の分散とは逆（入射光の波長が長くなるにつれて群速度が遅くなる）である。したがって、高次バンド光を利用することができる光導波路は、光遅延素子や光通信における分散補償素子などの光制御素子に用いることができる。
真空中での波長がλ０の入射光２がフォトニック結晶１の端面１ａに垂直に入射し、この光に対する伝搬ベクトルが複数存在する場合、フォトニック結晶１内では最低次のバンド（第１バンド）による波数ベクトルｋｚ１の伝搬光と、それ以上の高次バンドによる波数ベクトルｋｚｉ（ｉ＝２，３，４・・・）の伝搬光とが存在する。なお、入射光２に対するバンドが最低次のバンドのみであれば、第１バンドの伝搬光のみがフォトニック結晶１内を伝搬することになる。フォトニック結晶１内におけるこれらの伝搬光の波長は、第１バンドの伝搬光の波長はλｚ１＝２π／ｋｚ１であり、高次バンドの伝搬光の波長はλｚ２＝２π／ｋｚ２として表される。フォトニック結晶１内において、各伝搬光４の進行方向は図２に示された等高線の法線方向（矢印４０１および矢印４０２の向き）となるため、いずれのバンドによる伝搬光４もＺ軸方向に伝搬していく。
次に、図１に示したフォトニック結晶１の端面１ａに対して、斜めに入射光２ａを入射した場合について説明する。図４は、入射端面に対して斜めに入射光を入射させた場合のフォトニック結晶中の光の伝搬を示す断面図である。図４に示すように、入射光２ａをフォトニック結晶１の入射端面１ａに入射角θａで入射させると、フォトニック結晶１中を、伝搬光４ａおよび伝搬光４ｂが伝搬する。なお、入射角は、入射端面１ａの法線と入射光２ａとのなす角度である。
図５を加えて、図４の伝搬光４ａおよび４ｂについて説明する。図５は、図４に示したフォトニック結晶の入射光も含むバンド図である。図５において、右側がフォトニック結晶１中のバンド図であり、左側がフォトニック結晶１の外側（入射光２ａが入射してくる個所）である均質媒体（空気）のバンド図である。なお、入射光２ａの真空中の波長はλ０である。図５の左側に示しているフォトニック結晶１の外側である均質媒体（空気）のバンド図は、半径ｒが下記式で表される球であり、その半径ｒは下記式で表される。
ｒ＝ｎ・（ａ／λ０）・（２π／ａ）
また、矢印２０１は入射光２ａの波数ベクトルである。
図５より、入射光２ａがフォトニック結晶１内で結合する伝搬光４ａおよび４ｂのエネルギー進行方向は、点４０５および４０６における等高線の法線方向である。それより、第１バンドの伝搬光４ａおよび第２バンドの伝搬光４ｂのエネルギー進行方向はそれぞれ、矢印４０３および４０４で表されている。つまり、第１バンドの伝搬光４ａと第２バンドの伝搬光４ｂは、それぞれ異なる方向に伝搬している。
ここで、入射角θが下記の（１）式の条件を満たす場合には、入射光２ａはブリルアンゾーン境界上の第１および第２バンドと結合して伝搬する。
ｎ・ｓｉｎθ・（ａ／λ０）＝０．５      （１）
ブリルアンゾーン境界上ではバンドの対称性により、波動エネルギーの進行方向はＺ軸に一致する。図６はフォトニック結晶の入射端面に対して斜めに入射光を入射させた場合に、伝搬光がＺ軸方向に伝搬する場合を示す断面図である。また、図７は、図６に示したフォトニック結晶の入射光も含むバンド図である。
図６に示した入射光２ｂは、図４に示した入射光２ａと入射角が異なる。図６において、入射光２ｂの入射角θは、（１）式を満たしている。図７により、入射光２ｂの波数ベクトルである矢印２０２を作図して、第１バンドおよび第２バンドの伝搬光４ａおよび４ｂのエネルギー進行方向をそれぞれ求める。それにより、第１バンドおよび第２バンドの伝搬光４ａおよび４ｂのエネルギー進行方向である矢印４０７および４０８が求まる（図７参照）。矢印４０７および４０８よりわかるように、伝搬光４ａおよび４ｂは、Ｚ軸方向に進行する（図６参照）。ブリルアンゾーンのＹ方向の周期性を考慮すると、伝搬光４ａおよび４ｂがＺ軸方向へ伝搬するためには、下記の（２）式を満たす入射角θで入射光２ｂが入射端面１ａに入射してもよい。
ｎ・ｓｉｎθ・（ａ／λ０）＝１．０，１．５，２．０・・・      （２）
しかし、値が増えるにつれてｎおよびθを大きい値とする必要があるため実現が難しくなる。したがって、上記（１）式の条件が最も実用的である。
ただし、実際の光学系では（１）式の条件からずれが生じる場合もある。このずれは±１０％程度であれば、本実施の形態の目的は達成される。すなわち、下記の（３）式を満たす範囲であればよい。
０．４５＜ｎ・ｓｉｎθ・（ａ／λ０）＜０．５５      （３）
図８は、図７のバンド図をブリルアンゾーン境界上についてＺ方向に限定して示したバンド図である。縦軸は規格化周波数ωａ／２πｃ（＝ａ／λ０）、横軸は波数ベクトルｋｚの大きさをそれぞれ示している。なお、図８では第３バンドも図示している。
図８に示されるように、ブリルアンゾーン境界上では第１バンドを含むすべてのバンドが図３に示す高次バンド（第２および第３バンド）と同様の変化を示しており、ブリルアンゾーン境界上のバンドを利用することで第１バンド光も高次バンド光と同様の特性を持つようになることがわかる。また、各バンドによる伝搬光の波長が異なることも明らかである。
図７および図８に示すように、第１バンドと第２バンドの両方の伝搬光が存在する周波数域において、（１）式の条件を満たす入射角θで入射光２ａをフォトニック結晶１の入射端面１ａに入射させた場合（図６参照）、第１バンド光と第２バンド光とのそれぞれの波動がＺ軸に沿った方向へ伝搬していく。ここで、フォトニック結晶１を構成する媒体（物質５ａおよび物質５ｂ）において、物質５ａの屈折率が、物質５ｂの屈折率より高いとする。この場合、第１バンドの伝搬光４ａは高い屈折率を有する物質５ａの層を電場の腹、低い屈折率を有する物質５ｂの層を電場の節としてＺ軸方向へ伝搬する。また、第２バンドの伝搬光４ｂは低い屈折率を有する物質５ｂの層を腹、高い屈折率を有する物質５ａの層を節としてＺ軸方向へ伝搬する。
これら第１バンドおよび第２バンドの伝搬光４ａおよび４ｂの形状について説明する。図９Ａは、第１バンドの伝搬光の形状を模式的に示し、た断面図であり、図９Ｂは、図９ＡをＹ方向より見たときの電場の振幅を示す図である。また、図９Ｃは、第２バンドの伝搬光の形状を模式的に示した断面図であり、図９Ｄは、図９ＣをＹ方向より見たときの電場の振幅を示す図である。図９Ａおよび図９Ｃ中において、伝搬光の山９０１（電場振幅がプラス側の極大となる位置）および谷９０２（マイナス側の極大となる位置）がそれぞれ図示されている。
図８に示されているように、フォトニック結晶１内における第１バンドと第２バンドの波数ベクトルｋｚ１とｋｚ２の大きさは異なり、図９Ａおよび図９Ｂで示された山９０１と谷９０２との間隔に比べて、図９Ｃおよび図９Ｄで示された山９０１と谷９０２との間隔は長い。すなわち、図９Ａおよび図９Ｂで示した第１バンドの伝搬光４ａの波長は、図９Ｃおよび図９Ｄで示した第２バンドの伝搬光４ｂの波長よりも短い。図１０は、図９Ａおよび図９Ｃに示した第１バンドおよび第２バンドの伝搬光が重ね合わされた伝搬形状を模式的に示した断面図である。つまり、図１０は、フォトニック結晶１に、第１バンドおよび第２バンドの両方が存在する周波数域の光を、（１）式の条件を満たす入射角θで入射させた場合の伝搬光の形状を示している。図１０は、図９Ａおよび図９Ｃを重ねて電場のピークを線で繋いだものである。図１０において、実線９１１でつないだ個所は伝搬光の山であり、破線９１２でつないだ個所は伝搬光の谷である。また、波面の向きが山（実線９１１）と谷（破線９１２）を交互に繰り返す、特徴的な電場パターンを示すことになる（後述の計算例１および図２５参照）。
上述のバンド計算よりフォトニック結晶１内における第１バンドの伝搬光４ａおよび第２バンドの伝搬光４ｂのそれぞれの波長は、λｚ１＝２π／ｋｚ１およびλｚ２＝２π／ｋｚ２と求めることができ、第１バンドの伝搬光４ａと第２バンドの伝搬光４ｂの重なりによって生じる、電場パターンの山と谷の周期Λは、以下の（４）式により求めることができる。
Λ＝（λｚ１・λｚ２）／（λｚ２−λｚ１）      （４）
上述した、フォトニック結晶１中で伝搬光に「ブリルアンゾーン境界上における伝搬」を行わせる方法を以下に説明する。
第１の方法として、１次元フォトニック結晶の端面に、斜めに入射光を入射する方法がある。具体的には、図６に示すように、入射光２ｂをフォトニック結晶１の入射端面１ａに対して傾斜させ（１）式（または（２）式）、近似的には（３）式の条件を満たす入射角θで入射させる。
また、第２の方法として、１次元フォトニック結晶の端面に、回折格子を用いて入射光を斜めに入射させる方法がある。図１１は、フォトニック結晶においてブリルアンゾーン境界上における伝搬を実現する回折格子を用いる方法を示す断面図である。具体的には、図１１に示すように、回折格子７をフォトニック結晶１の入射端面１ａの直前に配置する。回折格子７に、フォトニック結晶１の入射端面１ａに対して垂直な入射光２ｃを入射し、入射光２ｃの向きを回折格子７により変化させる。回折格子７から出射される入射光２ｂが、（１）式（または（２）式）、近似的には（３）式の条件を満たす入射角θで入射端面１ａに入射するようにする。
また、第３の方法として、１次元フォトニック結晶の端面に、位相格子を用いて±１次回折光を入射させる方法がある。図１２は、フォトニック結晶においてブリルアンゾーン境界上における伝搬を実現する位相格子を用いる方法を示す断面図である。具体的には、図１２に示すように、位相格子８をフォトニック結晶１の入射端面１ａの前面に近接あるいは接触して配置する。この位相格子８は、異なる屈折率を有する物質８ａと物質８ｂとが、交互に積層されて構成されている１次元フォトニック結晶であって、その周期方向は、フォトニック結晶１の周期方向と等しい。位相格子８は、入射光の波面を±１次回折光に分割する。位相格子８に、フォトニック結晶１の入射端面１ａに対して垂直な入射光２ｄを入射すると、交差する二つの平面波２ｅ（±１次光）が生じる。これら±１次光の干渉により節と腹のある電場パターンが形成される。そこで、腹および節の部分に高屈折率層である物質５ａがくるようにフォトニック結晶１と位相格子８とを設置すると、第１バンドによる伝搬光のみが発生する（後述の計算例１の第１参考例および図２６参照）。また、腹および節の部分に低屈折率層である物質５ｂがくるようにフォトニック結晶１と位相格子８とを設置すると、第２バンドによる伝搬光のみが発生する（後述の計算例１の第２参考例および図２７参照）。
ここで、腹および節の部分に高屈折率層である５ａと低屈折率層である５ｂの両方がかかるようにフォトニック結晶１と位相格子８との配置を調整して設置すると、第１バンドと第２バンドの両方による伝搬光が発生する。ここで、位相格子８の周期はフォトニック結晶１の周期の２倍の２ａである。
ところで、ブリルアンゾーン境界上のバンドを利用してＺ軸方向へ伝搬した第１バンドの伝搬光と第２バンドの伝搬光がフォトニック結晶１の出射端面１ｂから出射される出射光の方向は、特異な電場パターンによる見かけの波面により決定する。
図１３は、フォトニック結晶中にブリルアンゾーン境界上のバンドである第１バンドおよび第２バンドの伝搬光が伝搬している伝搬形状を示す断面図である。図１３に示すように、各バンドの伝搬光の山９０１および谷９０２により、実線９１１で示した各バンド伝搬光により生じた伝搬光の山と、破線９１２で示した各バンド伝搬光により生じた伝搬光の谷とが存在している。図１３には、伝搬光の山の位置９２１と、谷の位置９２２と、谷と山の中間位置９２３と、山と谷の中間位置９２４とが図示されている。出射端面の位置が、山の位置９２１または谷の位置９２２の場合と、谷と山の中間位置９２３の場合と、山と谷の中間位置９２４の場合とでは、出射光の状態がそれぞれ異なる。
各出射端面の位置による各出射光の状態について、図１４Ａ、図１４Ｂおよび図１４Ｃを用いて説明する。図１４Ａは図１３に示すフォトニック結晶において出射端面の位置が、伝搬光の山または谷の位置である場合の出射光を示す断面図であり、図１４Ｂは図１３に示す出射端面の位置が、伝搬光の谷と山の中間位置である場合の出射光を示す断面図であり、図１４Ｃは図１３に示す出射端面の位置が、伝搬光の山と谷の中間位置である場合の出射光を示す断面図である。
図１４Ａ、図１４Ｂおよび図１４Ｃにおいて、フォトニック結晶１中で伝搬光に「ブリルアンゾーン境界上における伝搬」を行わせる方法は、上記第１の方法によるものであるが、第２または第３の方法を用いてもよい。
図１４Ａに示すように、フォトニック結晶１の出射端面１ｂの位置を、図１３に示す伝搬光の山の位置９２１となるようにした場合について説明する。高屈折率層（物質５ａ）および低屈折率層（物質５ｂ）を伝搬してきた第１バンドの伝搬光および第２バンドの伝搬光が出射端面１ｂで回折し、それぞれ０次光９および１次回折光１０の２つの異なる向きの出射光が出射端面１ｂより放射される。回折方向は１次元フォトニック結晶１の物質５ａと物質５ｂの周期ａによって決定されるため、第１のバンドの伝搬光および第２のバンドの伝搬光はともに回折方向が等しくなる。そのため、２つの方向に出射光が現れる（後述の計算例３および図３１参照）。なお、出射端面１ｂを伝搬光の谷の位置９２２となる位置にした場合も同様に、２つの方向に出射光が現れる。
また、図１４Ｂに示すように、フォトニック結晶１の出射端面１ｂの位置を、伝搬光の谷と山の中間位置９２３にした場合について説明する。図１４Ｂでは、第１バンドの伝搬光および第２バンドの伝搬光が出射端面１ｂで回折して出射される。第１バンドの伝搬光および第２バンドの伝搬光それぞれの１次回折光はお互いに半波長ずれるために打ち消しあい、０次光１０同士が強め合う状態になって出射される。（後述の計算例４および図３２参照）。
また、図１４Ｃに示すように、フォトニック結晶１の出射端面１ｂの位置を、伝搬光の山と谷の中間位置９２４にした場合について説明する。第１バンドの伝搬光および第２バンドの伝搬光が出射端面１ｂで回折して出射される。図１４Ｃでは、第１バンドの伝搬光および第２バンドの伝搬光それぞれの０次光は半波長ずれるため互いに打ち消しあい、１次回折光９同士が強め合う状態になって出射される。（後述の計算例５および図３３参照）。
このように、出射端面１ｂの位置に応じて、出射光の放射方向は大きく異なることになる。すなわち、例えば、図１４Ｂに示した状態と図１４Ｃに示した状態とを切り換えることができれば、光路変換素子が実現できる。図１４Ａに示した状態と図１４Ｃに示した状態とを切り換える方法としては、次の２つが考えられる。
まず、フォトニック結晶１のフォトニックバンド構造を変化させる方法が考えられる。フォトニックバンド構造の変化は、「周期構造体であるフォトニック結晶を構成する媒質の屈折率を変化させる」または「周期構造体であるフォトニック結晶の周期を直接変化させる」ことによって引き起こすことができる。フォトニックバンド構造が変化すると、フォトニック結晶１内を伝搬する第１バンドの伝搬光および第２バンドの伝搬光のそれぞれの伝搬周期に変化が生じる。その結果、これら２つの波動の重なりによって生じる特徴的な伝搬形状の山と谷の周期Λが変化し、出射端面１ｂにおける伝搬光の電場パターンが変化する。この変化を制御することにより、実質的に例えば図１４Ｂと図１４Ｃの状態とを選択的に切り換えることができる。したがってフォトニック結晶１の出射端面１ｂにおける出射光の放射方向を切り換えることができ、光路変換素子に利用することができる。
次に、フォトニック結晶１中の伝搬光路長（入射端面１ａから出射端面１ｂまでの距離）を変化させる外部制御手段が考えられる。フォトニックバンド構造を変化させず、入射光２ｂが伝搬するフォトニック結晶１内の伝搬光路長を変化させることができれば、図１４Ｂの状態および図１４Ｃの状態を選択的に形成することができる。つまり、フォトニック結晶１中の光の伝搬方向（Ｚ軸方向）の寸法を変化させることで、図１４Ｂの状態および図１４Ｃの状態を形成することができる。フォトニック結晶１は光路に沿った方向には周期性を有さないので、光路の方向に外力を加えてフォトニック結晶の寸法を変化させてもフォトニックバンド構造自体は変化しない。なお、圧縮による屈折率変化は無視できる。
上記方法を用いた、本実施の形態の光路変換素子について、図を用いてさらに具体的に説明する。
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１に係る光路変換素子について説明する。図１５は、実施の形態１に係る光路変換素子の構成を示す平面図である。
図１５に示しているように、実施の形態１の光路変換素子１５０において、基板１５上にフォトニック結晶１１が形成されている。フォトニック結晶１１は、基板１５の表面に平行な方向に周期構造を有する１次元フォトニック結晶である。フォトニック結晶１１を構成する媒質のうち少なくとも１つは、電気光学効果を有する材料からなることとする。電気光学効果を有する材料とは、電界を印加することで屈折率が変化する材料である。外部エネルギーである電界をフォトニック結晶１１に印加するため、フォトニック結晶１１の両面（周期方向に垂直な面）に電圧印加部である平行電極１２が設置されている。基板１５上には、平行電極１２と電気的に接している配線用パッド１３が設置されている。配線パッド１３を介して、平行電極１２間には直流電圧を印加することができる。平行電極１２間に直流電圧を印加することにより、フォトニック結晶１１の内の電気光学効果を有する材料の屈折率を変化させることができる。
フォトニック結晶１１の入射端面１１ａ側には、入射部である位相格子８が設置されている。位相格子８の入射端側には入射側レンズ１４ａおよび入射側光ファイバ１６ａが設置されている。フォトニック結晶１１の出射端面１１ｂ側には、第１出射側集光レンズ１４ｂおよび第１出射側光ファイバ１６ｂと、第２出射側集光レンズ１４ｃおよび第２出射側光ファイバ１６ｃとがそれぞれ出射光の方向に対応して設置されている。なお、位相格子８、入射側レンズ１４ａ、入射側光ファイバ１６ａ、第１出射側集光レンズ１４ｂ、第１出射側光ファイバ１６ｂ、第２出射側集光レンズ１４ｃおよび第２出射側光ファイバ１６ｃは、基板１５上に設置されている。
このようなフォトニック結晶１１を作製するには、例えば特開２００２−１６９０２２号公報に開示されているように、基板１５を直接加工して、周期的多層構造体を作製すればよい。具体的には、例えば、厚さ１ｍｍのＳｉ基板（基板１５）にフォトリソグラフィ技術により、ストライプ状パターンをパターニングし、エッチング用マスクを形成する。次にこのマスクを介して反応性イオンエッチングを行う。この方法により、Ｓｉ基板に、側壁がＳｉ基板表面に対してほぼ垂直な深溝を形成することができる。この溝の深さと幅の比は例えば１０程度とする。この溝の外周のＳｉ基板をエッチングして、溝間の壁部分のみが凸部とすることで、Ｓｉと空気の周期的多層構造体を得ることができる。この空気層（溝）部分に電気光学効果をもつ流動性有機分子材料を注入し、加熱硬化することにより、フォトニック結晶１１を得ることができる。
なお、入射側レンズ１４ａ、第１出射側集光レンズ１４ｂ、第２出射側集光レンズ１４ｃおよび位相格子８も予めそれぞれに対応するマスクをＳｉ基板（基板１５）上に形成し、周期的多層構造体の形成と同時にＳｉ基板をエッチングし、凸部を形成することによって作製できる。また、基板１５に入射側光ファイバ１６ａ、第１出射側光ファイバ１６ｂおよび第２出射側光ファイバ１６ｃ用のガイド溝（図示せず）を形成しておけば、それらを所定位置に固定することができる。
本実施の形態１の光路変換素子１５０の動作について説明する。入射側光ファイバ１６ａ中を伝搬してきた入射光２ｄは入射側レンズ１４ａを介して、位相格子８に入射する。位相格子８から出射された入射光２ｅがフォトニック結晶１１に入射される。フォトニック結晶１１には、平行電極１２および配線パッド１３を介して、適当な電圧が印加され、その電圧によりフォトニックバンド構造を変化させることができる。つまり、その電圧を制御することにより、出射端面１ｂから出射される出射光を、０次光９または１次回折光１０のどちらかに選択的に切り換えることができる。出射光が０次光９である場合は、第１出射側集光レンズ１４ｂにより０次光９は集光され、第１出射側光ファイバ１６ｂに結合する。また、出射光が１次回折光１０である場合は、第２出射側集光レンズ１４ｃにより１次回折光１０は集光され、第２出射側光ファイバ１６ｃに結合する。
フォトニック結晶１１中を伝搬する伝搬光は、上述したように、ブリルアンゾーン境界上における伝搬を実現し、第１バンドおよび第２バンドがＺ軸方向に沿って進行するようにする。印加電圧を適当な値に制御することで、図１４Ｂに示すように出射端面１ｂが伝搬光の谷と山の中間位置、または図１４Ｃに示すように出射端面１ｂが伝搬光の山と谷の中間位置となるようにする。このようにすることで、実施の形態１の光路変換素子１５０は、選択的に光路を変換することができる。また、例えば、第１および第２出射側光ファイバ１６ｂおよび１６ｃの代わりに、受光素子を設置し、入射光を選択的に電気信号に変換することもできる。
また、フォトニック結晶１１を構成する媒質のうち少なくとも１つを半導体材料とし、残りを導電性を有する材料としてもよい。配線パッド１３から電流注入部である平行電極１２に電流を流し、フォトニック結晶１１に平行電極１２から電流を流すことにより、キャリアをフォトニック結晶１１に注入することができ、それによってフォトニック結晶１１を構成する媒質の屈折率を変化させて、フォトニックバンド構造を変化させることができる。
またフォトニック結晶１１を構成する媒質のうち少なくとも１つを音響光学材料としてもよい。なお、音響光学材料とは超音波等の音波により屈折率が変化する材料である。この場合には、フォトニック結晶１１に外部エネルギーとして超音波を印加することによって屈折率を変化させることができる。つまり、図１５において、平行電極１２の代わりに、フォトニック結晶１１に超音波を印加するための圧電素子等の超音波印加部を設置し、配線パッド１３よりこれに電圧を印加するようにしてやればよい。圧電素子としては、例えば、ＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ０．５２Ｔｉ０．４８）Ｏ３）のような圧電セラミックスを用いればよい。それにより、フォトニック結晶１１のフォトニックバンド構造を変化させることができる。
また、フォトニック結晶１１を構成する媒質のうち少なくとも１つの１部または全部を非線形光学物質としてもよい。その場合には、フォトニック結晶１１に外部エネルギーとして制御光を照射することによって屈折率を変化させることができる。なお、制御光を照射する個所のみ非線形光学物質とすればよいので、フォトニック結晶１１を構成する媒質のうち少なくとも１つの１部または全部を非線形光学物質とすればよい。
図１６は、実施の形態１に係る他の光路変換素子の構成を示す平面図である。図１６の光路変換素子１５１は、図１５に示した光路変換素子１５０から平行電極１２および配線パッド１３を取り除き、代わりに制御用光ファイバ１６ｄおよび制御用レンズ１４ｄを備えた構成である。また、フォトニック結晶１１を構成する媒質のうち少なくとも１つの１部または全部を非線形光学物質とする。フォトニック結晶１１は、Ｓｉ基板（基板１５）をエッチングして溝を形成し、溝の中に３次の非線形光学効果が大きい高分子材料を部分的に、あるいは溝全体に注入することで容易に作製することができる。制御用光ファイバ１６ｄからの制御光２ｆが、制御用レンズ１４ｄを介して、フォトニック結晶１１のうち非線形光学効果が大きい材料に照射されるように、制御用光ファイバ１６ｄおよび制御用レンズ１４ｄが基板１５上に設置されている。このように構成された光路変換素子１５１において、制御光２ｆの強度を調整することで、フォトニック結晶１１のフォトニックバンド構造を変化させ、選択的に、出射光の光路を変換することができる。なお、フォトニック結晶１１に制御光２ｆを照射する方向は図示以外の方向からであってもよい。
また上述の方法以外にも、フォトニック結晶１１を構成する媒質の屈折率を変化させる外部エネルギーとしては、例えば、磁場の印加、加熱等がある。フォトニック結晶１１の構成材料に応じて、フォトニックバンド構造を変化させる外部エネルギーを選択し、その外部エネルギーによりフォトニック結晶１１のフォトニックバンド構造を変化させることで、フォトニック結晶１１の出射光の光路の変換を行えばよい。
１次元フォトニック結晶を構成する媒質の屈折率変化が０．０１〜１％程度であれば、フォトニック結晶１１に必要な長さは、伝搬ベクトルｋｚの変化が小さな領域であっても、数１０μｍ程度、伝搬ベクトルｋｚの変化が大きな領域であれば数μｍ程度ですむ。したがって、実施の形態１の光路変換素子１５０または１５１は、小型化および集積化が可能である（後述の計算例６、７および図３３参照）。
なお、実施の形態１では、フォトニック結晶１１中でブリルアンゾーン境界上のバンドによる伝搬光を生じさせるために、位相格子８を用いたが、他に回折格子を用いたり、光を斜め入射させたりすることで、ブリルアンゾーン境界上のバンドによる伝搬光を生じさせてもよい。
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２に係る光路変換素子について説明する。実施の形態２に係る光路変換素子は、外力によりフォトニック結晶の周期構造の周期を直接変化させることで、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。
図１７は、フォトニック結晶の周期を直接変化させる方法を説明するための模式図である。図１７において、１次元フォトニック結晶２１は、物質２５ａと物質２５ｂが一定周期で交互に積層されて構成されている。フォトニック結晶２１の、周期方向の寸法（各層（物質２５ａと物質２５ａ）の厚さ）を変化させる場合には、直接的には積層方向に力学的な外力２６を印加してやればよい。具体的には、フォトニック結晶２１の周期方向に垂直な面同士から、フォトニック結晶２１に向かって外力２６を印加すればよい。外力２６を印加することにより、フォトニック結晶２１の周期方向の厚さＤが減少する。それにより、フォトニック結晶２１中を伝搬する第１バンドおよび高次バンドの伝搬光の波数ベクトルｋｚが変化する。そのため、上述した、第１バンドの伝搬光と第２バンドの伝搬光との重なりによって生じる伝搬光の電場パターンの山と谷の周期Λも変化するので、出射端面における伝搬光の電場パターンも変化する。したがって、フォトニック結晶２１を伝搬して出射される光の方向を選択的に制御することができる。
以下に、具体的な構成を示し、実施の形態２に係る光路変換素子について説明する。図１８Ａは、実施の形態２に係る第１の光路変換素子の構成を示す平面図である。また、図１８Ｂは、実施の形態２に係る第１の光路変換素子の光路変換部の構成を示す斜視図である。また、図１８Ｃは、実施の形態２に係る第１の光路変換素子の構成を模式的に説明するための断面図である。図１８Ｃにおいては、基板３５は省略している。
図１８Ａに示しているように、実施の形態２の光路変換素子１５３は、基板３５上に光路変換部３０、入射側レンズ３４ａ、入射側光ファイバ３６ａ、第１出射側集光レンズ３４ｂ、第１出射側光ファイバ３６ｂ、第２出射側集光レンズ３４ｃおよび第２出射側光ファイバ３６ｃが設置された構成である。
図１８Ｂに示すように、光路変換部３０は、周期構造を有する１次元フォトニック結晶３１と、フォトニック結晶３１の各層と平行となるようにフォトニック結晶３１に貼り付けられた圧電素子３３と、フォトニック結晶３１の入射端面３１ａと出射端面３１ｂとが露出し、それ以外の面を覆う支持筐体３２とを備えている。支持筐体３２は剛性をもち、かつ熱膨張が小さいことが望ましく、例えばインバー合金等を用いることが好ましい。支持筐体３２の内面は、フォトニック結晶３１の周期方向には伸縮しない。つまり、圧電素子３３およびフォトニック結晶３１の周期方向の長さは、支持筐体３２により固定されている。
光路変換部３０は、フォトニック結晶３１の積層膜の周期方向が基板３５の表面に平行になるように、基板３５上に固定設置されている。フォトニック結晶３１の入射端面３１ａ側には、入射部である入射側レンズ３４ａおよび入射側光ファイバ３６ａが設置されている。フォトニッ結晶３１の出射端面３１ｂ側には、第１出射側集光レンズ３４ｂおよび第１出射側光ファイバ３６ｂと、第２出射側集光レンズ３４ｃおよび第２出射側光ファイバ３６ｃとがそれぞれ出射光の方向に対応して設置されている。
本実施の形態２の光路変換素子１５３の動作について説明する。入射側光ファイバ３６ａ中を伝搬してきた入射光２ｂは入射側レンズ３４ａを介して、フォトニック結晶３１に入射される。圧電素子３３は、電圧供給部（図示せず）から電圧を供給される。圧電素子３３は電圧を供給されると、その体積が増加し、フォトニック結晶３１の周期方向の長さは増加する。する。フォトニック結晶３１の、圧電素子３３と接している面の反対面は、支持筐体３２に接していて固定されている。それにより、圧電素子３３およびフォトニック結晶３１の周期方向の長さが固定されているため、圧電素子３３の周期方向の長さが増加すれば、フォトニック結晶３１のその周期方向の長さが減少する。つまり、圧電素子３３は、電圧を印加されることでフォトニック結晶３１に外力３７を印加する（図１８Ｃ参照）。したがって、圧電素子３３に供給する電圧を制御することにより、フォトニック結晶３１のフォトニックバンド構造を変化させることができる。すなわち、圧電素子３３に供給する電圧により、フォトニック結晶３１の出射端面３１ｂから出射される出射光を、０次光９または１次回折光１０のどちらかに選択的に切り換えることができる。出射光が０次光９である場合は、第１出射側集光レンズ３４ｂにより０次光９は集光され、第１出射側光ファイバ３６ｂに結合する。また、出射光が１次回折光１０である場合は、第２出射側集光レンズ３４ｃにより１次回折光１０は集光され、第２出射側光ファイバ３６ｃに結合する。
例えば、圧電素子３３に電圧が供給されていない場合、０次光９である出射光が得られるように各部材を配置しておき、圧電素子３３に電圧が供給されると出射光の方向が変化して１次回折光１０である出射光が得られるような構造とすればよい。
具体的に説明すると、まず、フォトニック結晶３１中を伝搬する伝搬光は、上述したように、ブリルアンゾーン境界上における伝搬を実現し、図６に示したように第１バンドおよび第２バンドがＺ軸方向に沿って進行するようにしておく。また、その状態で、図１４Ｂに示すように出射端面１ｂ（３１ｂ）が伝搬光の谷と山の中間位置または図１４Ｃに示すように出射端面１ｂ（３１ｂ）で伝搬光の山と谷の中間位置となるようにする。さらに、圧電素子３３に供給する電圧を適当な値に制御することで、前述の状態とは異なる、図１４Ｃに示すように出射端面１ｂ（３１ｂ）で伝搬光の山と谷の中間位置または図１４Ｂに示すように出射端面１ｂ（３１ｂ）が伝搬光の谷と山の中間位置となるようにする。このようにすることで、実施の形態２の光路変換素子１５３は、選択的に光路を変換することができる。また、例えば、第１および第２出射側光ファイバ３６ｂおよび３６ｃの代わりに、受光素子を設置し、入射光を選択的に電気信号に変換することもできる。
また、図１８Ａで示した光路変換素子１５３は、フォトニック結晶３１の入射端面３１ａに対して入射光２ｂが斜めに入射する構造としたが、例えば、入射側レンズ３４ａと入射端面１ａとの間に位相格子を設置することで垂直に入射させることもできる。図１９は、実施の形態２に係る第２の光路変換素子の構成を示す平面図である。図１９に示す光路変換素子１５４は、図１８Ａに示す光路変換素子１５３において、入射側レンズ３４ａと入射端面３１ａとの間に位相格子３８が設置されている。入射光２ｄが入射端面３１ａに対して垂直に入射される。入射光２ｄは、位相格子３８により、入射光２ｅに変換され、フォトニック結晶３１内において、ブリルアンゾーン境界上における伝搬が可能となる。すなわち、光路変換が可能である。同様に、回折格子を用いて、フォトニック結晶３１中において、ブリルアンゾーン境界上のバンドによる伝搬光を生じさせてもよい。
以下に、上述以外の構成の本実施の形態２に係る光路変換素子について説明する。図２０Ａは、実施の形態２に係る第３の光路変換素子の構成を模式的に説明するための断面図である。図２０Ａに示されているように、光路変換素子１５３ａは、フォトニック結晶３１が、剛性のある２枚の平板状部材３９で挟まれている。平板状部材３９は、フォトニック結晶３１の周期方向に垂直な面にそれぞれ接して設置される。平板状部材３９のフォトニック結晶３１と接している面と対向する面には、外部から厚みを制御できる伸縮部材４０が接して設置されている。伸縮部材４０の外側には、支持筐体３２が設置されている。支持筐体３２の内面は、フォトニック結晶３１の周期方向には伸縮しない。伸縮部材４０としては、例えば水圧、空気圧および油圧等によるピストン等を用いればよい。伸縮部材４０の厚みを増加させることで、フォトニック結晶３１には外力３７ａが印加され、周期方向の長さが減少する。つまり、伸縮部材４０の厚みを制御することで、フォトニック結晶３１の周期方向の長さを制御することができる。それにより、フォトニック結晶３１のフォトニックバンド構造を変化させて、フォトニック結晶３１の出射光の向きを制御することができる。なお、伸縮部材４０として、前述の圧電素子を用いてもよい。また、伸縮部材４０を２つ用いたが、フォトニック結晶３１に外力を印加できれば１つであってもかまわない。
また、電磁石を用いて外力をフォトニック結晶３１に印加するような光路変換素子１５３ｂを構成してもよい。図２０Ｂは、実施の形態２に係る第４の光路変換素子の構成を模式的に説明するための断面図である。図２０Ｂに示すように、フォトニック結晶３１が、剛性のある２枚の平板状部材３９で挟まれている。平板状部材３９は、フォトニック結晶３１の周期方向に垂直な面にそれぞれ接して設置される。それぞれの平板状部材３９のフォトニック結晶３１と接している面と対向する面には、電磁石４１が接して設置されている。これらの電磁石４１間に電流を流し、互いに引力が発生するようにすることで、フォトニック結晶３１に外力３７ａを印加することができる。なお、電磁石４１は片側だけに設置し、反対側には鉄等の磁性体を設置してもよい。
以上により、フォトニック結晶３１に外力を加えることで、フォトニック結晶３１の周期を変化させて、フォトニック結晶３１からの出射光の光路を変換させる、実施の形態２に係る光路変換素子１５３、１５３ａおよび１５３ｂを実現できる。この光路変換素子１５３、１５３ａおよび１５３ｂは、小型化および集積化が可能である。
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３に係る光路変換素子について図面を用いて説明する。実施の形態３の光路変換素子は、フォトニック結晶の周期を熱により変化させることで、フォトニックバンド構造を変化させ、出射光の光路変換を行う。図２１Ａは、実施の形態３に係る光路変換素子の構成を模式的に説明するための断面図である。図２１Ａに示すように、実施の形態３に係る光路変換素子１６０は、高熱膨張率を有する材料である基板４５の下に、冷却装置または加熱装置等である温度可変装置４３が設置され、基板４５上には１次元フォトニック結晶３１が設置された構成である。フォトニック結晶３１の周期は、基板４５の表面に対して垂直方向である。フォトニック結晶３１の入射端面３１ａ側には、入射側レンズ３４ａおよび入射側光ファイバ３６ａが設置され、出射端面３１ｂ側には、第１出射側集光レンズ３４ｂおよび第１出射側光ファイバ３６ｂと、第２出射側集光レンズ３４ｃおよび第２出射側光ファイバ３６ｃとが設置されている。入射側光ファイバ３６ａを伝搬してきた入射光２ｂは、入射側レンズ３４ａを介して入射端面３１ａに入射する。
温度可変装置４３により、基板４５の温度を変化させることで、基板４５は、熱膨張によって寸法の伸縮変化を起こす。フォトニック結晶３１は基板４５上に形成されているので、その影響を受けフォトニック結晶３１が変形し周期方向に伸縮する。そのため、フォトニックバンド構造が変化する。なお、温度可変装置４３としてはヒータあるいはペルチエ素子等を用いることができる。なお、基板４５の設置位置は、図示した位置に限られるわけではなく、フォトニック結晶３１が基板４５の伸縮により、周期方向に伸縮するような位置であれば、これ以外の位置であってもよい。
本実施の形態３の光路変換素子１６０の動作について説明する。入射側光ファイバ３６ａ中を伝搬してきた入射光２ｂは入射側レンズ３４ａを介して、フォトニック結晶３１に入射される。フォトニック結晶３１中では、ブリルアンとゾーン境界上のバンドによる伝搬光が伝搬している。温度可変装置４３により基板４５を伸縮させることで、フォトニック結晶３１の周期方向の長さが制御され、フォトニックバンド構造が変化させられる。それにより、図１４Ｂまたは図１４Ｃの状態が選択的に形成される。つまり、フォトニック結晶３１の出射端面３１ｂから出射される出射光を、０次光９または１次回折光１０のどちらかに選択的に切り換えることができる。出射光が０次光９である場合は、第１出射側集光レンズ３４ｂにより０次光９は集光され、第１出射側光ファイバ３６ｂに結合する。また、出射光が１次回折光１０である場合は、第２出射側集光レンズ３４ｃにより１次回折光１０は集光され、第２出射側光ファイバ３６ｃに結合する。
また、フォトニック結晶３１を構成している媒質のうち少なくとも１つの媒質を高熱膨張率を有する材料としてもよい。図２１Ｂは、実施の形態３に係る他の光路変換素子の構成を模式的に説明するための側面図である。フォトニック結晶３１を構成している媒質のうち少なくとも１つの媒質を高熱膨張率を有する材料とする。図２１Ｂに示すように、フォトニック結晶３１は基板４５上に設置され、フォトニック結晶３１に近接または接するように温度可変装置４３が設置されている。温度可変装置４３によって、フォトニック結晶３１を加熱または冷却することで、フォトニック結晶３１は周期方向に伸縮する。それにより、フォトニックバンド構造が変化する。
図２１Ａおよび図２１Ｂで示した実施の形態３の光路変換素子１６０および１６０ａは、機械的な外力をフォトニック結晶３１に加えることなく、熱により、フォトニック結晶３１の周期方向における寸法を直接的に変化させることができる。それにより、実施の形態２の光路変換素子と同様に、フォトニック結晶３１にブリルアンゾーン境界上のバンドによる伝搬光を伝搬させておき、フォトニックバンドを変化させることで、図１４Ｂおよび図１４Ｃの状態を選択的に形成できる。それにより、出射光の光路を変化させることができ、小型化および集積化が可能な光路変換素子を実現できる。
（実施の形態４）
本発明の実施の形態４に係る光路変換素子について図を用いて説明する。図２２は、フォトニック結晶の伝搬光路長を変化させる方法を説明するための模式図である。図２２において、１次元フォトニック結晶５１は、物質５０ａと物質５０ｂが一定周期で交互に積層されて構成されている。フォトニック結晶５１の、伝搬光路長Ｌの長さを変化させる場合には、伝搬光の伝搬方向に外力４６を印加すればよい。それにより、フォトニック結晶５１を、図１４Ｂの状態および図１４Ｃの状態に選択的に変形することができる。それにより、出射光の光路を選択的に変換することができる。
図２３Ａは、実施の形態４に係る光路変換素子の構成を模式的に説明するための断面図である。図２３Ａに示しているように、実施の形態４の光路変換素子１７０は、光路変換部５０、入射側レンズ３４ａ、入射側光ファイバ３６ａ、第１出射側集光レンズ３４ｂ、第１出射側光ファイバ３６ｂ、第２出射側集光レンズ３４ｃおよび第２出射側光ファイバ３６ｃを備えている。
光路変換部５０は、周期構造を有する１次元フォトニック結晶５１と、フォトニック結晶５１の出射端面５１ｂの一部に貼り付けられた圧電素子５３と、支持筐体５２とを備えている。支持筐体５２は、圧電素子３３のフォトニック結晶５１と接する面と対向する面に接続され、かつ、入射端面５１ａの一部とも接続されている。支持筐体５２の内部は、フォトニック結晶５１を構成する各層と平行な方向である、フォトニック結晶５１中の伝搬光の伝搬方向（伝搬光路長方向）には伸縮しない。つまり、フォトニック結晶５１と圧電素子５３との伝搬光路長方向の長さは固定されている。ここで、圧電素子５３に電圧を供給すると圧電素子５３の体積が増加する。それにより、フォトニック結晶５１にその伝搬光路長方向に外力４６が印加される。それにより、フォトニック結晶５１の伝搬光路長Ｌが短くなる。このように、実施の形態４に係る光路変換素子１７０は、フォトニック結晶５１の伝搬光路長を変化させることができる。つまり、図１４Ｂまたは図１４の状態を選択的に形成することができる。
なお、圧電素子５３が出射端面５１ｂの一部に設置されることとしたが、これは出射光が出射される個所を確保するためである。
本実施の形態４の光路変換素子１７０の動作について説明する。入射側光ファイバ３６ａ中を伝搬してきた入射光２ｂは入射側レンズ３４ａを介して、フォトニック結晶３１に入射される。フォトニック結晶３１中では、ブリルアンとゾーン境界上のバンドによる伝搬光が伝搬している。圧電素子５３に供給する電圧を制御することで、フォトニック結晶５１の伝搬光路長が制御される。それにより、図１４Ｂまたは図１４Ｃの状態が選択的に形成される。つまり、フォトニック結晶５１の出射端面５１ｂから出射される出射光を、０次光９または１次回折光１０のどちらかに選択的に切り換えることができる。出射光が０次光９である場合は、第１出射側集光レンズ３４ｂにより０次光９は集光され、第１出射側光ファイバ３６ｂに結合する。また、出射光が１次回折光１０である場合は、第２出射側集光レンズ３４ｃにより１次回折光１０は集光され、第２出射側光ファイバ３６ｃに結合する。
図２３Ｂは、実施の形態４に係る他の光路変換素子の構成を模式的に説明するための断面図である。図２３Ｂに示されているように、光路変換素子１７０ａにおいて、フォトニック結晶５１の出射端面５１ｂの一部に、剛性のある平板状部材５９が設置され、さらに平板状部材５９に接して、外部からその厚みを制御できる伸縮部材６０が設置されている。伸縮部材６０の外側には、支持筐体５２が設置されている。支持筐体５２の内面は、フォトニック結晶５１の伝搬光路長方向には伸縮しない。伸縮部材６０としては、例えば水圧、空気圧および油圧等によるピストン等を用いればよい。伸縮部材６０の厚みを制御することにより、フォトニック結晶５１の伝搬光路長方向に外力４６ａを印加することができる。したがって、フォトニック結晶５１の伝搬光路長Ｌを伸縮させることができる。それにより、フォトニック結晶５１の出射端面５１ｂから出射される出射光の向きを制御することができる。なお、伸縮部材６０として、前述した圧電素子を用いてもよい。なお、平板状部材５９が出射端面５１ｂの一部に設置されることとしたが、これは出射光が出射される個所を確保するためである。
また、電磁石を用いて外力をフォトニック結晶５１に印加するような光路変換素子１７０ｂを構成してもよい。図２３Ｃは、実施の形態４に係るさらに他の光路変換素子の構成を模式的に説明するための断面図である。図２３Ｃに示すように、フォトニック結晶５１が、剛性のある２枚の平板状部材５９で挟まれている。平板状部材５９は、フォトニック結晶５１の入射端面５１ａおよび出射端面５１ｂにそれぞれ接して設置される。それぞれの平板状部材５９のフォトニック結晶５１と接している面と対向する面には、電磁石６１が接して設置されている。これらの電磁石６１に電流を流し、互いに引力が発生するようにすることで、フォトニック結晶５１に外力４６ｂを印加することができる。なお、電磁石６１は入射端面５１ａおよび出射端面５１ｂのどちらか片側だけに設置し、反対側には鉄等の磁性体を設置してもよい。
以上により、フォトニック結晶５１に外力を加えることで、フォトニック結晶５１の伝搬光路長を変化させて、フォトニック結晶５１からの出射光の光路を変換させる、実施の形態４に係る光路変換素子１７０、１７０ａおよび１７０ｂを実現できる。この光路変換素子１７０、１７０ａおよび１７０ｂは、小型化および集積化が可能である。
図２１Ａに示している、実施の形態３に係る光路変換素子１６０のような構成であっても、フォトニック結晶３１の伝搬光路長方向に外力が印加され、その長さを制御するような構成とすることができる。このような光路変換素子は、実施の形態４の光路変換素子と同様に、伝搬光路長を制御して、出射光の光路変換を行う光路変換素子として用いることもできる。
なお、実施の形態２〜実施の形態４の光路変換素子においては、フォトニック結晶の入射端面に斜めに光を入射しているが、回折格子または位相格子を用いることで、入射端面に対して垂直に入射することもできる。
以下に、上述した光路変換素子について、電磁波シミュレーション（有限要素法による）を行った結果を示す。なお、以下の計算例では、長さはすべてフォトニック結晶の周期ａを基準として規格化している。計算はいずれも有限な領域で行った。
（計算例１）
１次元フォトニック結晶の端面に（１）式を満足する入射角θで平面波を入射させた場合の計算例１について説明する。計算例１においては図６を参照して説明する。フォトニック結晶１の構造条件と、入射光２ｂの条件は以下のとおりである。
（１）フォトニック結晶１の構造条件
フォトニック結晶１は、物質５ａと物質５ｂとを周期的に交互に重ね、１２周期積層したものである。
（物質５ａ）  厚さｔＡ＝０．５ａ    屈折率ｎＡ＝１．４５７８
（物質５ｂ）  厚さｔＢ＝０．５ａ    屈折率ｎＢ＝１．００
フォトニック結晶１の周囲は、屈折率ｎ＝１．０の空気層とした。
このフォトニック結晶１のＴＥ偏光に対するバンド図を図２４に示す。なお、図２４において矢印５１０は入射光２ｂの波数ベクトルを示し、矢印５１１は第１バンドにおける伝搬光４ａのエネルギー進行方向を示し、矢印５１２は第２バンドにおける伝搬光４ｂのエネルギー進行方向を示している。
（２）入射光２ｂの条件
（真空中の波長）  λ０＝０．９０９１ａ（ａ／λ０＝１．１０）
（偏光）  ＴＥ偏光（電場の向きがＸ軸方向）
（入射角）  θ＝２７．０４°
以上の入射光２ｂの条件は（１）式の条件を満足している。
図２５は、計算例１におけるシミュレーション結果である電場の強度分布図である。図２４のバンド図からも判断できるように、計算例１の条件では第１バンドと第２バンドによるブリルアンゾーン境界上における伝搬が生じている。そのため、これら２つの波動が重なり、電場形状が山と谷を繰り返す特徴的な伝搬形状が出現している。
また、計算例１の第１参考例として、入射光２ｂが、入射角θ＝±２７．０４°の２方向からフォトニック結晶１に入射した場合も計算した。他の条件は、上記と同様とし、２つの光を入射して交叉させ、干渉波の腹の位置が高屈折率層（物質５ａ）の位置と一致させた。計算は有限な領域で行ない、入射端面における入射光２ｂの入射部分の幅は約１３周期とした。
図２６は、計算例１の第１参考例におけるシミュレーション結果である電場の強度分布図である。フォトニック結晶１において、高屈折率層（物質５ａ）に電場が局在した第１バンドによる伝搬光のみが発生していることが図２６よりわかる。
また、計算例１の第２参考例として、入射光２ｂが、入射角θ＝±２７．０４°の２方向からフォトニック結晶１に入射した場合であって、２つの光を入射して交叉させ、干渉波の腹の位置が低屈折率層（物質５ｂ）の位置と一致させた場合を計算した。他の条件は、第１の参考例と同じ条件とした。図２７は、計算例１の第２参考例におけるシミュレーション結果である電場の強度分布図である。フォトニック結晶１において、低屈折率層（物質５ｂ）に電場が局在した第２バンドによる伝搬光のみが発生していることが図２７よりわかる。
（計算例２）
１次元フォトニック結晶の端面に、位相格子を介して平面波を入射させた場合の計算例２について説明する。計算例２においては図１２を参照して説明する。フォトニック結晶１の入射端面１ａ側に位相格子８設置して、平面波である入射光２ｄを位相格子８に対して垂直入射させた場合の計算例である。
（１）フォトニック結晶１の構造条件
フォトニック結晶１は、物質５ａと物質５ｂとを周期的に交互に重ねたものである。
（物質５ａ）  厚さｔＡ＝０．３０ａ    屈折率ｎＡ＝２．１０１１
（物質５ｂ）  厚さｔＢ＝０．７０ａ    屈折率ｎＢ＝１．４５７８
このフォトニック結晶１のＴＥ偏光に対するバンド図を図２８に示す。なお、図２８において矢印６１０は入射光の波数ベクトルを示し、矢印６１１は第１バンドにおける伝搬光のエネルギー進行方向を示し、矢印６１２は第２バンドにおける伝搬光のエネルギー進行方向を示している。
（２）入射光（平面波２ｄ）の条件
（真空中の波長）  λ０＝１．３２１ａ（ａ／λ０＝０．７５７１）
（偏光）  ＴＥ偏光（電場の向きがＸ軸方向）
（３）位相格子８の構造
位相格子８は、物質８ａおよび物質８ｂを交互に周期的に積層した構造である。位相格子８の形状は、±１次回折光が強くなるように最適化した。
（物質８ａ）  Ｙ軸方向厚さｔＣ＝０．７３５８ａ  屈折率ｎＣ＝１．４５
（物質８ｂ）  Ｙ軸方向厚さｔＤ＝１．２６４２ａ  屈折率ｎＤ＝１．００
位相格子８の周期（ｔＣ＋ｔＤ）  ２ａ
位相格子８のＺ軸方向厚さｔＺ  １．５０９４ａ
位相格子８と空気層の間隔ｔＥ（層８ｃ（図２９参照）の幅）  ０．９４３４ａ
位相格子８と空気層との間の屈折率  １．４５７８
以上、位相格子８の形状は、±１次回折光が強くなるように最適化した。
（４）位相格子８の配置
位相格子８は、フォトニック結晶１の入射端面１ａに接するように設置した。また、位相格子８の各層（物質８ａおよび物質８ｂ）の中心がフォトニック結晶１の高屈折率層（物質５ａ）の中心から０．２ａだけＹ方向にずれた位置に配置されている。入射光２ｄは、屈折率１．００（空気）の自由空間から層８ｃを介して、位相格子８に入射する。
図２９は、計算例２におけるシミュレーション結果である電場の強度分布図である。計算例２において、位相格子８の設置により入射光２ｄが位相変調された光波の腹の部分に、高屈折率層（物質５ａ）および低屈折率層（物質５ｂ）の両方がくるような配置である。これにより、第１バンドによる伝搬光と第２バンドによる伝搬光が発生し、これら２つの波動が重なり、電場形状が山と谷を繰り返す特徴的な伝搬形状が出現していることが図２９よりわかる。
（計算例３）
導波層部分である１次元フォトニック結晶の上下両面に、閉じ込め層部分である１次元フォトニック結晶が設置された１次元フォトニック結晶に（１）式を満足する入射角θで平面波を入射させた場合の計算例３について説明する。なお、計算方法は、時間領域有限差分法を用いた。
まず、計算例３で用いるフォトニック結晶の構造について説明する。図３０は、計算例３で用いるフォトニック結晶の構成を示す断面図である。図３０に示すように、計算例３のフォトニック結晶１００は、導波層部分であるフォトニック結晶１の周期方向に垂直な２つの面に閉じ込め層部分であるフォトニック結晶１０１がそれぞれ設置された構成である。これらの周期方向は同一方向である。このように、導波層部分であるフォトニック結晶１を挟むように、閉じ込め層部分であるフォトニック結晶１０１を設けたので、フォトニック結晶１の周期方向に垂直な方向から、光が漏れることはない。また、フォトニック結晶１およびフォトニック結晶１０１は周期方向が同じであるため、容易に作製することができる。各フォトニック結晶１０１の構造条件と、入射光２ｇの条件は以下のとおりである。
（１）導波層部分であるフォトニック結晶１の構造条件
フォトニック結晶１は、物質５ａと物質５ｂとを周期的に交互に重ね、１５周期積層したものである（図３０参照）。
（物質５ａ）  厚さｔＡ＝０．３ａ    屈折率ｎＡ＝２．１０１１
（物質５ｂ）  厚さｔＢ＝０．７ａ    屈折率ｎＢ＝１．４５７８
（２）閉じ込め層部分であるフォトニック結晶１０１の構造条件
各フォトニック結晶１０１は、物質１０１ａと物質１０１ｂとを周期的に交互に重ね、１０周期積層したものである。なお、物質１０１ａおよび物質１０１ｂの厚さはｔＧおよび厚さｔＨであり、屈折率はｎＧおよび屈折率ｎＨである。
（物質１０１ａ）  厚さｔＧ＝０．１５ａ    屈折率ｎＧ＝２．１０１１
（物質１０１ｂ）  厚さｔＨ＝０．３５ａ    屈折率ｎＨ＝１．４５７８
このフォトニック結晶１のバンド図は図２８に示すものと同一である。なお、上側（Ｙ軸の＋方向）のフォトニック結晶１０１の外側の媒質は屈折率１．００であり、下側（Ｙ軸の−方向）のフォトニック結晶１０１の外側の媒質は屈折率１．４５７８とする。
（３）入射光２ｇの条件
（真空中の波長）  λ０＝１．４ａ（ａ／λ０＝０．７１４２）
（偏光）  ＴＥ偏光（電場の向きがＸ軸方向）
（入射角）  θ＝４４．４３°
以上の入射光２ｇの条件は（１）式の条件を満足している。
このようなフォトニック結晶１中の電場形状は、山と谷を繰り返す特徴的な伝搬形状である。ここで、出射端面１ｂがこの電場の谷部分の位置となるように、フォトニック結晶のＺ方向の長さ（伝搬光路長）を１．１７３３ａとしてシミュレーションを行った。図３１は、計算例３におけるシミュレーション結果である電場の強度分布図である。出射光は０次光９方向と１次回折光１０方向の２方向へ出現している。
（計算例４）
計算例３のフォトニック結晶において、伝搬光の電場形状の谷と山部分の中間に出射端面が設置されるような、伝搬光路長を有するフォトニック結晶とした場合の計算例４について説明する。
計算例４のフォトニック結晶１００および入射光２ｇの構成は、計算例３のフォトニック結晶と同一であるが、伝搬光路長が異なる。つまり、出射端面１ｂが、伝搬光の電場形状の谷と山部分の中間位置となるような伝搬光路長とする。具体的には、フォトニック結晶１００の伝搬光路長は、９．０６６６ａとしてシミュレーションを行った。図３２は、計算例４におけるシミュレーション結果である電場の強度分布図である。出射光は１次回折方向の伝搬がなく、０次光９方向のみが出現していることが図３２よりわかる。
（計算例５）
計算例３のフォトニック結晶において、伝搬光の電場形状の山と谷部分の中間位置に出射端面が設置されるような、伝搬光路長を有するフォトニック結晶とした場合の計算例５について説明する。
計算例５のフォトニック結晶１００および入射光２ｇの構成は、計算例３のフォトニック結晶と同一であるが、伝搬光路長が異なる。つまり、出射端面１ｂが、伝搬光の電場形状の山と谷部分の中間位置となるような伝搬光路長とする。具体的には、フォトニック結晶１００の伝搬光路長は、１．０６６６ａとしてシミュレーションを行った。図３３は、計算例５におけるシミュレーション結果である電場の強度分布図である。出射光は０次光方向の伝搬がなく、１次回折光１０方向のみ出現していることが図３３よりわかる。
（計算例６）
図６を参照して、フォトニック結晶１の入射端面１ａに平面波を入射させた場合について計算した。
（１）フォトニック結晶１の構造条件
フォトニック結晶１は、物質５ａと物質５ｂとを周期的に交互に重ね１５周期積層したものである。
（物質５ａ）  厚さｔＡ＝０．３０ａ    屈折率ｎＡ＝２．１０１１
（物質５ｂ）  厚さｔＢ＝０．７０ａ    屈折率ｎＢ＝１．４５７８
このフォトニック結晶１のバンド図は図２８と同一である。なお、フォトニック結晶１の上側（Ｙ軸の＋方向）の媒質は屈折率１．００であり、下側（Ｙ軸の−方向）の媒質は屈折率１．４５７８とする。
（２）入射光２ｂの条件
（真空中の波長）  λ０＝１．４２８６ａ（ａ／λ０＝０．７）
（偏光）  ＴＥ偏光（電場の向きがＸ軸方向）
（入射角）  θ＝４５．５８°
以上の入射光２ｂの条件は（１）式の条件を満足している。
このフォトニック結晶１中においては、電場形状が山と谷を繰り返す特徴的な伝搬形状が出現している。また、このときの、周期Λ（＝（λｚ１・λｚ２）／（λｚ２−λｚ１））の値から、出射光が１次回折光９方向へ出射されるフォトニック結晶１の伝搬光路長を求めた。この伝搬光路長が約５０μｍであるので、フォトニック結晶１の伝搬光路長を５０μｍとして計算を行った。図３４Ａは、計算例６におけるシミュレーション結果である電場の強度分布図である。図３４Ａより、出射光が１次回折光１０方向へ伝搬しているのが確認できる。
（計算例７）
計算例６のフォトニック結晶１の高屈折率層（物質５ａ）の屈折率が１％増加した場合の計算例７を説明する。
（１）フォトニック結晶１の構造
フォトニック結晶１は、物質５ａと物質５ｂとを周期的に交互に重ね１５周期積層したものである。
（物質５ａ）  厚さｔＡ＝０．３０ａ    屈折率ｎＡ＝２．１２２１１１
（物質５ｂ）  厚さｔＢ＝０．７０ａ    屈折率ｎＢ＝１．４５７８
なお、フォトニック結晶１の上側（Ｙ軸の＋方向）の媒質は屈折率１．００であり、下側（Ｙ軸の−方向）の媒質は屈折率１．４５７８とする。
（２）入射光２ｂの条件
（真空中の波長）  λ０＝１．４２８６ａ（ａ／λ０＝０．７）
（偏光）  ＴＥ偏光（電場の向きがＸ軸方向）
（入射角）  θ＝４５．５８°
以上の入射光の条件は（１）式の条件を満足している。
以上の条件は、屈折率ｎＡの値が計算例６の条件と異なるだけで、あとは計算例６の条件と同一である。
図３４Ｂは、計算例７におけるシミュレーション結果である電場の強度分布図である。図３４Ｂより、出射光が０次光９方向へ伝搬しているのが確認できる。
計算例６および計算例７のように、規格化周波数ａ／λ０＝０．７とすると、屈折率変化による伝搬ベクトルｋｚの変化が小さいため、フォトニック結晶１の長さを５０μｍ程度とすると、フォトニック結晶１を構成している少なくとも１つの媒質の屈折率変化が大きいことが必要になる。具体的には、１％の屈折率変化が必要である（計算例６および計算例７参照）。しかし、ａ／λ０の値がこれより小さい値であれば、屈折率変化による伝搬ベクトルｋｚの変化が大きくなるため、小さな屈折率変化であっても必要なフォトニック結晶１の長さは数μｍ程度で済むことになる。
以上説明したように、本実施の形態の光路変換素子によれば、ブリルアンゾーン境界上の第１バンドおよび高次バンド（第２バンド）を利用してフォトニック結晶内を伝搬させた光を、フォトニック結晶のフォトニックバンド構造あるいは伝搬光路長を変化させることで、出射光の方向を変換する。つまり、フォトニック結晶内における、第１あるいは第２バンド光の波動の重なりによって生じる特徴的な伝搬形状の周期を変化させることで、出射光の方向を変換する。あるいは、伝搬方向におけるフォトニック結晶の長さ（伝搬光路長）を変化させ、出射端面における伝搬光の伝搬形状を変化させることで出射光の方向を変換する。したがって、スイッチング機能を有する光路変換素子を実現できる。
この、本実施の形態に係る光路変換素子は、小型化および集積化することができる。また、伝搬光の損失が低い。
【産業上の利用可能性】  本発明の光路変換素子は、光通信、光交換システムあるいは光インタコネクションなどの分野に用いる光集積回路等の部品として用いることができる。
【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１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１９】
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【図２２】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【国際調査報告】
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