(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定波長帯域内の入力光に対して、所定の波長分散を発生させる光波形整形装置であって、
ホトニックバンド構造と、波長毎に屈折率が異なる波長分散特性とを有し、かつ、外力を印加することにより変形し、その変形に応じて前記波長分散特性が変化する可塑性のホトニック結晶からなる分散媒質と、
前記ホトニック結晶の前記波長分散特性を保持または変化させる波長分散制御手段とを備え、
前記波長分散制御手段は、前記ホトニック結晶への前記外力の印加を行う外力印加手段を含むことを特徴とする光波形整形装置。
【請求項２】
前記ホトニック結晶は、前記ホトニックバンド構造におけるホトニックバンドギャップの波長が、前記入力光の波長近傍となるように形成されていることを特徴とする請求項１記載の光波形整形装置。
【請求項３】
前記入力光が前記ホトニック結晶中を複数回通過して出力されるように構成されていることを特徴とする請求項１または２記載の光波形整形装置。
【請求項４】
前記分散媒質である前記ホトニック結晶に加えて、
前記ホトニック結晶中を通過する往復光路が形成されるように配置された一対の反射手段と、
前記往復光路上に設置され、前記往復光路から入力された光に対して、再び前記往復光路に出力するか、または、装置外部への出力光路に出力するかを切換可能に構成された光出力手段と
をさらに備えることを特徴とする請求項３記載の光波形整形装置。
【請求項５】
前記ホトニック結晶として、それぞれ前記入力光が通過するとともに、前記入力光の波長に対して一方の波長分散特性を正、他方の波長分散特性を負とすることが可能な２個のホトニック結晶を用いることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の光波形整形装置。
【請求項６】
前記分散媒質である前記ホトニック結晶に加えて、
前記ホトニック結晶中を前記入力光が通過して出力された光を入力する光学装置と、
前記光学装置から出力された光を入力して、前記ホトニック結晶とは逆の波長分散を発生させる波長分散素子と
をさらに備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載の光波形整形装置。
【請求項７】
前記ホトニック結晶を収容する容器をさらに備え、前記外力印加手段は、前記容器内に収容された前記ホトニック結晶に対して一定方向に圧力を前記外力として印加することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項記載の光波形整形装置。
【請求項８】
前記容器の外壁の少なくとも一部分が透明とされている、または、この部分に透明の窓が設けられていることを特徴とする請求項７記載の光波形整形装置。
【請求項９】
前記外力印加手段は、内径が変化するように変形可能な中空部材であり、前記ホトニック結晶は、前記中空部材内に配置されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項記載の光波形整形装置。
【請求項１０】
前記外力印加手段は、電気的な入力に応じて変形する圧電素子であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項記載の光波形整形装置。
【請求項１１】
前記容器は、半導体基板を加工することによって形成されているとともに、前記外力印加手段は、前記半導体基板上に形成された、電気的な入力に応じて変形する圧電素子であることを特徴とする請求項７記載の光波形整形装置。
【請求項１２】
前記外力印加手段は、手動入力に応じて前記ホトニック結晶を押圧する押圧機構であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項記載の光波形整形装置。
【請求項１３】
前記ホトニック結晶の前記ホトニックバンド構造に応じて変化する、前記ホトニック結晶からの出力光に関する物理量を測定し、その測定値に基づいて前記波長分散制御手段による前記波長分散特性の保持または変化を制御するフィードバック手段をさらに備えることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一項記載の光波形整形装置。
【請求項１４】
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さらに備え、前記温度センサによって測定された温度に基づいて前記ヒータによる加熱を制御することを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一項記載の光波形整形装置。
【請求項１５】
前記ホトニック結晶は、ゲル状の物質内にシリカまたはチタン酸バリウムの微小球を複数含有してなることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか一項記載の光波形整形装置。
【請求項１６】
前記ホトニック結晶は、ゲル状の物質内に形成された微小空間を複数含有してなることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか一項記載の光波形整形装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ホトニック結晶を用いた光波形整形装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体単結晶は、特定の原子が周期的かつ規則的に配列してなる物質である。このような半導体単結晶中での電子伝搬特性は、結晶を構成している原子の種類とその配列の原子間隔とによって決定される。すなわち、半導体単結晶中での電子伝搬特性は、電子の波動性と、構成原子による周期ポテンシャルとに起因して発生するエネルギーバンドギャップを有するバンド構造を示す。
【０００３】
これに対して、ホトニック結晶は、電子に対する上記のバンド構造と同様に、光に対するバンド構造を有するものとしてヤブラノビッチ（Yablonovich）氏等によって提案された３次元構造体である。ホトニック結晶では、光の波動性と、光に対するポテンシャル差となる屈折率差を有する物質を光の波長程度の周期で配列してなる周期構造とによって、光に対するバンド構造を生成する。
【０００４】
ホトニック結晶中においては、その３次元構造による光の波動性の束縛条件によって光伝搬特性が制限される。すなわち、ホトニック結晶中では、光に対するエネルギーバンドギャップであるホトニックバンドギャップが存在し、特定の波長帯域の光が結晶内を伝搬できないなど、入射光の波長とその伝搬方向とによって結晶構造特有の性質を示す。ファブリペロー干渉計や多層膜鏡なども、０次元あるいは１次元のホトニック結晶である。
【０００５】
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。また、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。
【０００６】
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や、金属中に等間隔で穴を開けるもの、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などがある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
これらの加工によって形成されたホトニック結晶は、ホトニックバンドギャップを生成するために高い精度で作成されている。そして、いったん結晶構造が決定されると、ホトニック結晶は、その構造に応じて一意的に決定されるホトニックバンド構造を有することとなる。
【０００８】
一方、このようなホトニック結晶は、異なる波長における透過特性や反射特性がバンド構造によって異なるため、そのホトニックバンド構造に対応した波長分散特性を有する。この波長分散特性は、光波形整形装置などに応用することが可能であると考えられる。しかしながら、このような光波形整形装置においては、ホトニック結晶のホトニックバンド構造を充分に変化させることができないため、その波長分散特性を可変とすることができない。
【０００９】
本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、波長分散特性を充分に変化させることが可能な光波形整形装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、本発明による光波形整形装置は、所定波長帯域内の入力光に対して、所定の波長分散を発生させる光波形整形装置であって、ホトニックバンド構造と、波長毎に屈折率が異なる波長分散特性とを有し、かつ、外力を印加することにより変形し、その変形に応じて波長分散特性が変化する可塑性のホトニック結晶からなる分散媒質と、ホトニック結晶の波長分散特性を保持または変化させる波長分散制御手段とを備え、波長分散制御手段は、ホトニック結晶への外力の印加を行う外力印加手段を含むことを特徴とする。
【００１１】
上記した光波形整形装置においては、入力光に対して波長分散を発生させる分散媒質として、可塑性のホトニック結晶を用いている。このとき、波長分散制御手段を介して外力を加えてホトニック結晶を変形させると、ホトニックバンド構造（ホトニックバンドギャップ）が大きく変化し、ホトニック結晶での波長分散特性（群速度または群速度分散特性）を充分に変化させることが可能となる。
【００１３】
また、このような光波形整形装置においては、ホトニック結晶自体の容積を小さくした場合においても、有効に光波形の整形を行うことができるので、装置全体を小型化することもできる。
【００１４】
また、ホトニック結晶は、ホトニックバンド構造におけるホトニックバンドギャップの波長が、入力光の波長近傍となるように形成されていることを特徴とする。このような波長構成とすることによって、入力光に対して充分な波長分散を発生させて、光波形の整形を効率的に行うことができる。
【００１５】
また、入力光がホトニック結晶中を複数回通過して出力されるように構成されていることを特徴とする。このような構成によれば、入力光に発生される波長分散を大きくすることができる。
【００１６】
このように光を複数回通過させる構成としては、例えば、分散媒質であるホトニック結晶に加えて、ホトニック結晶中を通過する往復光路が形成されるように配置された一対の反射手段と、往復光路上に設置され、往復光路から入力された光に対して、再び往復光路に出力するか、または、装置外部への出力光路に出力するかを切換可能に構成された光出力手段とをさらに備えることが好ましい。光出力手段としては、例えば、ポッケルスセルなどの切換可能な偏光素子と偏光ビームスプリッタとを組合せる構成などがある。
【００１７】
また、ホトニック結晶として、それぞれ入力光が通過するとともに、入力光の波長に対して一方の波長分散特性を正、他方の波長分散特性を負とすることが可能な２個のホトニック結晶を用いることを特徴とする。このように、逆符号の波長分散特性を有するホトニック結晶を組合せることによって、様々な光波形の整形が可能となる。
【００１８】
さらに、分散媒質であるホトニック結晶に加えて、ホトニック結晶中を入力光が通過して出力された光を入力する光学装置と、光学装置から出力された光を入力して、ホトニック結晶とは逆の波長分散を発生させる波長分散素子とをさらに備えることを特徴とする。光学装置の後段に設置される波長分散素子については、前段の分散媒質と同様にホトニック結晶を用いても良い。
【００１９】
波長分散制御手段の構成については、波長分散制御手段は、ホトニック結晶への外力の印加を行う外力印加手段を含むことを特徴とする。外力印加手段としては、様々なものがある。
【００２０】
例えば、ホトニック結晶を収容する容器をさらに備え、外力印加手段は、容器内に収容されたホトニック結晶に対して一定方向に圧力を外力として印加することを特徴とした構成がある。この場合、容器の外壁によってホトニック結晶を保持し、所望の外力以外の力による変形を抑制するとともに、その変形方向を制限することができる。
【００２１】
このとき、容器の外壁の少なくとも一部分が透明とされている、または、この部分に透明の窓が設けられていることが好ましい。この場合、入力光は、入力光に対して透明な外壁または窓の部分を介してホトニック結晶内に導入されるが、ホトニック結晶は容器の外壁によって保持されるので、部品点数を減らすことができる。
【００２２】
また、容器は、半導体基板を加工することによって形成されているとともに、外力印加手段は、半導体基板上に形成された、電気的な入力に応じて変形する圧電素子であることが好ましい。この場合、半導体基板に形成された凹部などの容器内にホトニック結晶が配置され、この半導体基板上に圧電素子が形成されるので、半導体微細加工技術を用いてこれらを形成することができ、装置全体を小型化することができる。
【００２３】
また、外力印加手段は、内径が変化するように変形可能な中空部材であり、ホトニック結晶は、中空部材内に配置されていることを特徴とした構成がある。中空部材は内径が変化するように変形するので、この変形に応じてホトニック結晶は中空部材の長手方向に伸縮するように変形する。入力光はホトニック結晶の長手方向の一端から入力され、出力光は他端から出力される。したがって、この場合、径方向の光の広がりを抑制することができ、出力光の単位面積当たりの強度低下を抑制することができる。
【００２４】
また、外力印加手段は、電気的な入力に応じて変形する圧電素子であることを特徴とする構成がある。この場合、電気的な入力で圧電素子が変形することにより、ホトニック結晶に外力を印加するので、特定の計測値等に基づいて電気的な入力を行うシステムを構成することができる。
【００２５】
また、外力印加手段は、手動入力に応じてホトニック結晶を押圧する押圧機構であることを特徴とする構成がある。この場合、計測系において、手動による外力の調整が可能となる。
【００２６】
さらに、ホトニック結晶のホトニックバンド構造に応じて変化する、ホトニック結晶からの出力光に関する物理量を測定し、その測定値に基づいて波長分散制御手段による波長分散特性の保持または変化を制御するフィードバック手段をさらに備えることを特徴とする。所望の波長分散特性にする場合には、これに対応するホトニックバンド構造に応じて変化する物理量を測定して、フィードバック手段によって波長分散制御手段の動作を制御することができる。例えば、波長分散制御手段が外力印加手段を含む場合には、外力印加手段による外力の印加が制御される。
【００２７】
また、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さらに備え、温度センサによって測定された温度に基づいてヒータによる加熱を制御することを特徴とする。この場合、ホトニック結晶の温度を温度センサによって測定しつつ加熱を行うので、ホトニック結晶の温度を所望の値、好ましくはほぼ一定な値とすることができ、ホトニックバンド構造及び波長分散特性の温度による変化を抑制することができる。
【００２８】
また、光波形整形装置に用いられるホトニック結晶としては、ゲル状の物質内にシリカまたはチタン酸バリウムの微小球を複数含有してなることを特徴とするものがある。また、ホトニック結晶は、ゲル状の物質内に形成された微小空間を複数含有してなることとしても良い。これらの場合、ホトニック結晶を容易に変形させることが可能な可塑性のホトニック結晶とすることができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、図面とともに本発明による光波形整形装置の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
【００３１】
図１は、本発明による光波形整形装置の一実施形態を概略的に示す構成図である。この光波形整形装置は、所定波長帯域内の波長を有する入力光に対して所望の波長分散を与えて、その光波形を整形する光波形整形装置である。光波形整形装置では、所定波長帯域内で波長毎に屈折率が異なる波長分散特性を有する分散媒質によって、光波形が整形される。
【００３２】
図１に示す光波形整形装置は、土台１と、土台１上に設置された分散媒質であるホトニック結晶２と、ホトニック結晶２に外力を印加する（外力を増加または減少させる）外力印加手段である加圧／減圧装置３とを有して構成されている。また、ホトニック結晶２の入力側には第１光学素子５が、出力側には第２光学素子６がそれぞれ設置されている。これら入力側及び出力側の光学素子５、６は、それぞれ必要に応じて設置されるものであり、両者とも設置されない構成であっても良い。
【００３３】
ホトニック結晶２は、その結晶構造に応じて、ホトニックバンド構造、及びそれに対応する波長分散特性を有する。また、このホトニック結晶２は可塑性であり、後述するように、外力の印加によって精度良く変形し、変形に応じてその波長分散特性が変化するものである。すなわち、加圧／減圧装置３での外力の印加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構造及び対応する波長分散特性が変化する。
【００３４】
加圧／減圧装置３は、外力制御手段である外圧制御装置４によって制御され、外圧制御装置４は上記外力の大きさ及びその印加時間を精度良く制御する。本実施形態においては、この加圧／減圧装置（外力印加手段）３及び外圧制御装置４によって、ホトニック結晶２の波長分散特性を保持または変化させる波長分散制御手段が構成されている。
【００３５】
光波形を整形する対象となる所定波長帯域内の入力光は、第１光学素子５を介してホトニック結晶２に入射される。このとき、ホトニック結晶２中を伝搬される入力光に対して、ホトニック結晶２の波長分散特性に応じた波長分散が発生する。所望の波長分散が与えられて光波形が整形された光は、ホトニック結晶２から出射され、第２光学素子６を介して光波形整形装置の外部へと出力光として出力される。
【００３６】
上記した光波形整形装置に用いられる可塑性のホトニック結晶２について説明する。図２は、ホトニック結晶２の一例を示す斜視図である。
【００３７】
このホトニック結晶２は、ゲル状の物質２Ｇ内にシリカまた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は可塑性であり、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。
【００３８】
微小球２Ｂの間隔は、光波形を整形する対象となる入力光の波長帯域に応じて、例えば波長の半分から１／４程度に設定される。この結晶構造により、ホトニック結晶２内においてホトニックバンド構造が生成される。また、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の結晶構造、したがってそのホトニックバンド構造が容易に変化する。この変化によって、ホトニック結晶２を通過する光に対する波長分散特性も同様に変化する。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か、適当な透過率を有するものである。
【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、これに紫外線を照射してゲル化することによって、上記したゲル状の物質２Ｇが得られる。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。また、この微小球２Ｂの周期構造数は５０程度で良いため、ホトニック結晶２は最大でも１００μｍ角程度の素子で充分に機能する。
【００４０】
また、ホトニック結晶２の他の例としては、図２に示した構成のホトニック結晶２において、ゲル状の物質２Ｇ内に配列される微小球２Ｂを微小空間に置き換えたものを用いても良い。具体的な微小空間としては、ゲル状の物質２Ｇ内に複数の気泡を配列する構成などが可能である。このようなホトニック結晶２も、同様に外力によって容易に変形させることができる。
【００４１】
上記した光波形整形装置においては、入力光に対して波長分散を発生させる分散媒質として、可塑性のホトニック結晶２を用いている。このとき、外力印加手段３及び外圧制御装置４からなる波長分散制御手段を介して外力を加えてホトニック結晶２を変形させると、ホトニックバンド構造（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での波長分散特性（群速度または群速度分散特性）を充分に変化させることが可能となる。
【００４２】
すなわち、外力を印加してホトニックバンド構造を変化させることが可能なホトニック結晶２を用いることによって、入力側及び出力側の光学素子５、６間の波長分散特性が充分に変化する光波形整形装置が得られる。
【００４３】
このような可塑性のホトニック結晶は、後述するように、通常のガラスなどに比較して大きな波長分散特性や、結晶の可塑性に起因する波長領域の変化（チューニング）性などの特性を有するため、従来の光波形整形装置に用いられてきたプリズム、回折格子、ガラスブロックなどの波長分散素子に比較して、多くの利点を有している。
【００４４】
例えば、このような光波形整形装置においては、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、上述したように有効に光波形の整形を行うことができる。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。なお、ホトニック結晶２は弾性を有していても良い。
【００４５】
また、プリズムなどの従来の波長分散素子では、入力光の素子への入射方向や角度に波長分散が大きく影響される。例えば、回折格子では、単位長さ当りの格子数及び格子の切り込み角度などが決まると、その波長分散特性が一意的に決まるため、任意の方向から光を入射させたり、光を何度も入射させるなどの構成とすることが難しい。これに対して、ホトニック結晶２を用いた場合には、様々な構成が可能となる。
【００４６】
また、可塑性のないホトニック結晶を用いた場合、結晶の温度を変えたり、結晶に大強度光を照射して非線型光学効果を発生させることによって、そのホトニックバンド構造を変化させることが可能である。しかしながら、温度によってバンド構造を制御する場合には、その応答が遅いという問題がある。また、光照射によって制御する場合には、大強度の励起光が必要となり、また、結晶の光学的な劣化を生じるという問題がある。また、いずれの制御方法でも、得られる可変範囲は狭いものとなる。
【００４７】
これに対して、外力を印加してホトニックバンド構造を変化させる可塑性のホトニック結晶によれば、充分な可変範囲で容易に、ホトニックバンド構造及び波長分散特性を変化させることが可能となる。
【００４８】
ホトニック結晶２において生成されるホトニックバンド構造及び波長分散特性について、その例を示しつつ具体的に説明する。
【００４９】
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おける光の透過率（任意定数）の波長（ｎｍ）依存性を示すグラフである。入力光は白色光である。このグラフでは、ホトニック結晶中に生成されているホトニックバンドギャップに対応して、波長帯域４００ｎｍ近傍の光の透過率が周囲の波長帯域よりも低下する透過特性が得られている。なお、このグラフは、上述した構成のホトニック結晶２によるものではないが、微小球２Ｂが完全に等間隔に配列された場合には、特定の方向に関しては、その光学特性は図３に示したものと同様となる。
【００５０】
このようなホトニックバンド構造を有するホトニック結晶は、そのバンド構造に応じた特徴的な波長分散特性を示す（例えば、文献「Arnout Imhof et al., Phys.Rev.Lett. vol.83, p.2942 (1999)」参照）。すなわち、ホトニック結晶は、異なる波長における透過特性や反射特性がバンド構造によって異なるため、異なる波長におけるホトニック結晶中での光の屈折率、すなわち光の伝搬速度（位相速度、群速度）が異なる波長分散特性を有する。
【００５１】
図４（ａ）〜（ｃ）は、ホトニック結晶における波長分散特性の一例を示すグラフである（上記文献参照）。これらのグラフにおいては、それぞれの横軸は周波数（１０15ｒａｄ／ｓ）によって示されており、これは入力光の波長に対応する。また、これらのグラフは、溶液中に形成された固定されていないホトニック結晶を用いて得られたものである。
【００５２】
図４（ａ）は、ホトニック結晶の透過率の波長依存性を示すグラフである。このグラフでは、図３のグラフの場合と同様に、所定の波長近傍（周波数２．４×１０15ｒａｄ／ｓ近傍）で透過率が低下するホトニックバンド構造が得られている。
【００５３】
これに対して、このホトニックバンド構造に対応するホトニック結晶の波長分散特性が、図４（ｂ）及び（ｃ）に示されている。図４（ｂ）は、入力光がホトニック結晶中を通過したときに得られる遅延時間Δｔ（ｐｓ、群遅延に対応）を、また、図４（ｃ）は、群速度分散パラメータβ2（ｐｓ2／ｍ、群速度分散に対応）をそれぞれ示している。ここで、これら２つのグラフにおいては、グラフ中の各点は実測値を示し、実線は理論的に解析した計算値を示している。
【００５４】
これらの図４（ｂ）及び（ｃ）のグラフに示すように、ホトニック結晶は、そのホトニックバンド構造に応じた波長分散特性を示す。したがって、このような波長分散特性を有するホトニック結晶を、光波形整形装置の分散媒質として利用することにより、入力光に対して光波形の整形を行うことが可能となる。特に、ホトニック結晶における波長分散の値は、通常のガラスなどと比較して２〜３桁程度大きく、高い効率での波長分散の付与、及びそれによる光波形の整形が可能である。また、分散媒質であるホトニック結晶の容積を小さくしても充分な波長分散が得られるので、装置の小型化も可能である。
【００５５】
具体的には、ホトニック結晶は、図４（ｂ）及び（ｃ）のグラフに示すように、そのホトニックバンドギャップ近傍で大きい波長分散を示す。このため、光波形整形装置に用いるホトニック結晶としては、ホトニックバンド構造におけるホトニックバンドギャップの波長が、入力光の波長近傍となるように形成されたものを用いることが好ましい。このような波長構成とすることによって、入力光に対して充分な波長分散を発生させて、光波形の整形を効率的に行うことができる。
【００５６】
次に、ホトニック結晶におけるホトニックバンド構造及び波長分散特性の可変性について説明する。
【００５７】
図５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おける光の反射率（任意定数）の波長（ｎｍ）依存性を示すグラフである。図５（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５（ｂ）は、１％の格子歪みがミラー垂直方向に生じるように圧縮方向に圧力（外力）を加えた場合のグラフ、また、図５（ｃ）は、１％の格子歪みがミラー垂直方向に生じるように展延方向に圧力を加えた場合のグラフである。
【００５８】
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。また、図５（ａ）のグラフは、図３または図４（ａ）に示した透過率のグラフに対応している。また、このグラフは上述した構成のホトニック結晶２によるものではないが、その光学特性の変化の傾向は同様である。
【００５９】
これらのグラフによれば、外力が加わっていないときの反射強度ピークは、波長λｃ＝１５００ｎｍ程度である（図５（ａ））。これに対して、１％の圧縮歪みを加えた場合には、この波長λｃは１４８０ｎｍ程度（図５（ｂ））と短波長側にシフトし、一方、１％の展延歪みを加えた場合には、波長λｃは１５２０ｎｍ程度（図５（ｃ））と長波長側にシフトしている。
【００６０】
すなわち、ホトニック結晶に外力によるわずかな格子歪みを導入すると、結晶内での結晶構造の変化に起因してホトニックバンド構造が変化し、得られる透過特性及び反射特性が入力光の波長に対して変化する。また、図４（ａ）〜（ｃ）に関して上述したように、ホトニック結晶での波長分散特性は、ホトニックバンドギャップ近傍で大きい波長分散を示し、ホトニックバンド構造、特にホトニックバンドギャップの位置に大きく依存している。
【００６１】
以上より、可塑性のホトニック結晶に対して、波長分散制御手段によって外力を印加して格子歪みを導入することによって、その波長分散特性が波長に対して可変となる。したがって、図１に示した構成の光波形整形装置によれば、波長分散特性を充分に変化させることが可能な光波形整形装置が実現される。
【００６２】
以下、上記した実施形態の光波形整形装置の好適な実施例について説明する。
【００６３】
図６は、光波形整形装置の第１実施例を示す構成図である。本実施例においては、外力印加手段３として、押え板３０及び圧電素子（ピエゾ素子）３１を用いている。また、これに対応して、外圧制御装置４として、電圧可変電源４１を用いている。これにより、本実施例では、押え板３０、圧電素子３１、及び電源４１によって波長分散制御手段が構成されている。
【００６４】
図６に示す構成においては、ホトニック結晶２の上部に押え板３０が配置されており、この押え板３０は土台１とともにホトニック結晶２を挟持している。また、圧電素子３１は、その上面が土台１に対して固定された位置に配置されており、その下面が押え板３０に固定されている。
【００６５】
ここで、圧電素子３１に対して電源４１から電圧が印加されると、圧電素子３１は電源４１から印加される電圧及びその変化に応じて、土台１の表面に対して垂直な方向に移動する。このとき、圧電素子３１に固定されている押え板３０と土台１との間の距離が変化するので、ホトニック結晶２が光路に沿って延びるように変形して、そのホトニックバンド構造及び波長分散特性が変化する。また、本実施例においては、ホトニック結晶２の光入力面及び光出力面には、それぞれ窓材１０が貼り付けられている。
【００６６】
以上の構成において、入力側の窓材１０を介してホトニック結晶２中に入力光が入射されると、入射された光はホトニック結晶２中を伝搬して、外力印加手段３から印加されている外力に応じて決まる波長分散特性によって発生した波長分散が与えられる。そして、所望の波長分散が与えられて光波形が整形された光は、出力側の窓材１０を介して出力光として出力される。
【００６７】
例えば、図６に模式的に示すように、入力光として時間幅の短い（例えばフェムト秒の）光パルスを入力することを考える。このような入力光パルスは、一定の波長帯域内に広がった波長成分を含んでいる。このような光パルスがホトニック結晶２中を伝搬すると、ホトニック結晶２の波長分散特性により、各波長成分毎に伝搬時間が異なってくる。
【００６８】
すなわち、波長分散が正であれば、長波長成分（例えば赤色の光線）が早く短波長成分（例えば青色の光線）が遅く伝搬し、出力光として長波長成分を先頭として時間的に広がった光パルスが得られる。逆に、波長分散が負であれば、短波長成分が早く長波長成分が遅く伝搬し、出力光として短波長成分を先頭として時間的に広がった光パルスが得られる。
【００６９】
ここで、ホトニック結晶２においては、図４（ａ）〜（ｃ）に示したように、ホトニックバンドギャップに対して短波長側及び長波長側の２つのバンド端で、波長分散が逆となる。したがって、ホトニックバンド構造でのホトニックバンドギャップの波長を、入力光の波長近傍となるようにホトニック結晶２等を構成しておくとともに、外力印加手段３によってホトニックバンド構造を調整すれば、上記したような光波形の整形を効率的に行うことができる。
【００７０】
また、本実施例の外力印加手段３では、電気的な入力で圧電素子３１が変形することにより、ホトニック結晶２に外力を印加するので、特定の計測値等に基づいて電気的な入力を行うシステムを構成することができる。
【００７１】
また、ホトニック結晶２に対して窓材１０を設けているので、ホトニック結晶２の光入力面及び光出力面が保護される。窓材１０としては、光学フィルタなどの光学素子を用いても良い。また、光入力面または光出力面の一方のみに窓材１０を設けても良い。
【００７２】
図７は、光波形整形装置の第２実施例を示す構成図である。本実施例においては、外力印加手段３等の構成については、図６の実施例と同様である。また、ホトニック結晶２の光入力面側及び光出力面側には、それぞれ所定距離をおいて凹面鏡１１が設置されている。
【００７３】
以上の構成において、ホトニック結晶２中に所定の入力光路から入力光が入射されると、入射された光は一対の凹面鏡１１で反射されることによってホトニック結晶２中を複数回通過した後、所定の出力光路に出力光として出力される。
【００７４】
このような構成によれば、ホトニック結晶２中での光の伝搬距離が１回の通過毎に長くなるので、入力光に対して与えられる波長分散を大きくすることができる。また、所望の波長分散を得るために必要なホトニック結晶２が小さくてすむので、装置を小型化することができる。
【００７５】
なお、図７においては、ホトニック結晶２中を複数回通過する光の光路を、説明のために模式的に示している。実際には、それぞれの光路及びホトニック結晶２の結晶方位を考慮して、正確に波長分散特性を示す方向で光の通過を繰り返す必要がある。また、ホトニック結晶の両側に設置される反射手段としては、凹面鏡１１に限らず、平面鏡などを用いても良い。
【００７６】
図８は、光波形整形装置の第３実施例を示す構成図である。本実施例においては、外力印加手段３、及び窓材１０の設置等の構成については、図６の実施例と同様である。また、入力光が入射される分散媒質である前段のホトニック結晶２ａに加えて、ホトニック結晶２ａ中を入力光が通過して出力された光が入力される光学装置７１と、光学装置７１から出力された光が入力される後段の波長分散素子（分散媒質）であるホトニック結晶２ｂとがさらに設置されている。なお、後段のホトニック結晶２ｂについても、外力印加手段３等の構成は、前段のホトニック結晶２ａと同様である。
【００７７】
以上の構成では、入力光に対して、前段のホトニック結晶２ａによって所望の波長分散が与えられる。その後、ホトニック結晶２ａからの光に対して光学装置７１において所定の変換が行われ、さらに後段のホトニック結晶２ｂによって所望の波長分散が与えられて、最終的な出力光として出力される。
【００７８】
より具体的には、例えば、入力光の波長に対する一方のホトニック結晶２ａの波長分散特性を正（負）とし、他方のホトニック結晶２ｂの波長分散特性を逆符号の負（正）とする構成が可能である。
【００７９】
このとき、図８に模式的に示すように、時間幅の短い入力光パルスは、ホトニック結晶２ａによってチャープされた後に、光学装置７１によって変換される。そして、さらに後段のホトニック結晶２ｂで逆の波長分散が与えられることによって再びその時間幅が短くされて、所望の変換がされた出力光パルスとして出力される。
【００８０】
このように、ホトニック結晶に加えて光学装置及び後段の波長分散素子を設置する構成、あるいは、逆符号の波長分散特性を有するホトニック結晶を組合せる構成を用いることによって、様々な光波形の整形が可能となる。光学装置７１としては、光増幅器や、光波形整形素子、偏光素子など様々なものを適用することが可能である。例えば、光学装置７１として光増幅器を適用した場合には、入力光をいったん時間的に広げた後に光増幅し、再度光圧縮を行うチャープ・パルス増幅装置の構成とすることができる。
【００８１】
なお、２個のホトニック結晶２ａ、２ｂでの逆符号の波長分散特性については、例えば、異なる結晶構造のホトニック結晶を用いる構成や、同一の結晶構造のホトニック結晶を用い、ホトニックバンドギャップの両側のバンド端となるようにそれぞれに印加される外力を制御する構成などが可能である。また、光を１個のホトニック結晶中を２回通過させる構成とし、それぞれの通過時でホトニック結晶に印加する外力を変えて異なる波長分散を与えることもできる。
【００８２】
また、これら２個のホトニック結晶２ａ、２ｂに設定される波長分散特性は逆符号に限らず、目的に応じて様々に設定してよい。また、後段に追加される波長分散素子については、ホトニック結晶（分散媒質）２ｂに限らず、プリズムや回折格子などの他の波長分散素子を用いても良い。
【００８３】
図９は、光波形整形装置の第４実施例を示す構成図である。本実施例においては、外力印加手段３等の構成については、図６の実施例と同様である。また、入力光に波長分散を与える分散媒質であるホトニック結晶２に加えて、ホトニック結晶２中を通過する往復光路が形成されるように配置された一対の反射手段である反射鏡１２と、この往復光路上に設置されて、光出力手段を構成しているポッケルスセル（偏光素子）７２及び偏光ビームスプリッタ７３とがさらに設置されている。
【００８４】
本実施例の光波形整形装置は、図７の実施例と同様に、光がホトニック結晶２中を複数回通過することによって大きい波長分散が得られる構成となっている。特に、一対の反射鏡１２に加えて、ポッケルスセル７２及び偏光ビームスプリッタ７３からなる光出力手段を設置することによって、光の複数回の通過を同一の往復光路上で実現するとともに、その通過回数を可変としている。
【００８５】
すなわち、所定の直線偏光を有する入力光が入力光路から偏光ビームスプリッタ７３を介して往復光路上に入力されると、その入力光が最初に通過するときにポッケルスセル７２を動作させて光の偏光面が回転される。偏光面が回転された光は、２つの反射鏡１２間の往復光路を繰り返し往復して、ホトニック結晶２中を複数回通過する。そして、所定のタイミングでポッケルスセル７２を再び動作させて光の偏光面を回転し、偏光ビームスプリッタ７３を介して出力光路に出力光を取り出す。
【００８６】
このように、往復光路から入力された光に対して、再び往復光路に出力（透過）するか、または、装置外部への出力光路に出力（反射）するかを切換可能な光出力手段を設けることによって、入力光を所望の回数だけホトニック結晶２中を通過させた後、出力光を取り出すことが可能となる。この構成では、光のホトニック結晶２の通過回数を変えることができるので、入力光に与える波長分散量が可変となる。なお、光出力手段については、上記したポッケルスセル７２及び偏光ビームスプリッタ７３からなる構成に限らず、様々なものを用いて良い。
【００８７】
上述した図６〜図９の実施例では、いずれも外力印加手段３として圧電素子３１を用いているが、この外力印加手段３としては、圧電素子３１に限らず、様々なものを用いて良い。
【００８８】
図１０は、光波形整形装置の第５実施例を示す構成図である。本実施例は、図１に示した外力印加手段３を、手動入力に応じてホトニック結晶２を押圧する押圧機構３としたものであり、外圧制御装置４が手動入力によっている点を除いて、他の構成は図１のものと同一である。この場合、この押圧機構３が波長分散制御手段となる。
【００８９】
押圧機構３は、土台１に対して固定された位置に配置された支持板３２ａと、支持板３２ａに設けられたネジ孔に螺合したネジ部３２ｂと、ネジ部３２ｂの一端に固定されたネジ回しヘッド３２ｃとからなるネジ送り機構を備えている。また、ネジ部３２ｂの他端には、押え板３０が当接している。
【００９０】
この構成において、ヘッド３２ｃを所定方向に回転させると、ネジ部３２ｂが押え板３０の方向に移動する。押え板３０の下面は、ホトニック結晶２に接着剤によって固定されているので、ヘッド３２ｃの回転に伴ってホトニック結晶２には外力が印加され、ホトニック結晶２が光路に沿って延びるように変形する。ホトニック結晶２は可塑性であるが、圧縮性及び展延性を有して変形することもできる。
【００９１】
このような光波形整形装置は、実験計測系において、手動による外力の微調整が可能となるので、本装置をホトニック結晶の波長分散特性に関する基礎研究などに適用することができる。
【００９２】
図１１は、光波形整形装置の第６実施例を示す構成図である。本実施例の光波形整形装置は、ホトニック結晶を収容する容器８をさらに備えており、外力印加手段３は、容器８内に収容されたホトニック結晶２に対して一定方向に、外力としての圧力を印加する。この場合、容器８の外壁によってホトニック結晶２を保持し、所望の外力以外の力による変形を抑制するとともに、その変形方向を制限することができる。なお、図１１においては、外力印加手段３として圧電素子３１を用いた場合について示している。
【００９３】
ここで、容器８の外壁の少なくとも一部分、すなわち、入力光の光路を含む部分は透明とされている。あるいは、この部分に透明な窓を設けても良い。この透明な外壁または窓を介してホトニック結晶２中に入力光が入射される。出力光の光路を含む外壁部分も同様に透明とすることができる。ホトニック結晶２は、容器８の外壁によって保持されるので、装置に必要な部品点数を減らすことができる。
【００９４】
なお、上述及び以下の実施例において、ホトニック結晶２の外力印加手段３としてチューブ型の圧電素子を用いても良い。図１２は、チューブ型の圧電素子を用いた光波形整形装置の第７実施例の主要部を示す斜視図である。外力印加手段３としての圧電素子３１はチューブ型の中空部材とされており、これを容器８として、その内部にホトニック結晶２が配置されている。すなわち、本実施例での外力印加手段３は、内径が変化するように変形可能な圧電素子（中空部材）３１である。
【００９５】
この圧電素子３１は、内径が変化するように変形するので、この変形に応じてホトニック結晶２は中空の圧電素子３１の長手方向に伸縮するように変形する。また、入力光はホトニック結晶２の長手方向の一端から入力され、出力光は他端から出力される。したがって、このような構成では、径方向の光の広がりを抑制することができ、出力光の単位面積当たりの強度低下を抑制することができる。
【００９６】
図１３は、光波形整形装置の第８実施例を示す構成図である。本実施例の光波形整形装置では、ホトニック結晶２の光入力面及び光出力面にそれぞれ窓材１０を設けるとともに、ホトニック結晶２のホトニックバンド構造（ホトニックバンドギャップ）に応じて変化する物理量を測定し、その測定値に基づいて波長分散制御手段による波長分散特性の保持または変化を制御するフィードバック手段を構成する光学特性測定機器９０を設置している。
【００９７】
本実施例では、この光学特性測定機器９０及び電源４１によってフィードバック手段が構成されている。また、波長分散制御手段が外力印加手段３を含んでいることに対応して、このフィードバック手段は、外力印加手段３によってホトニック結晶２に印加される外力の大きさを制御する。
【００９８】
ホトニック結晶２における波長分散特性を所望の波長分散特性とする場合には、これに対応するホトニックバンド構造に応じて変化する物理量、好ましくは出力光強度または出力光スペクトルを測定する。そして、出力光の強度または特定波長の強度などが一定となるように、光学特性測定機器９０及び電源４１からなるフィードバック手段を介して、外力印加手段３を制御する。
【００９９】
より具体的には、ホトニック結晶２によって光波形が整形された光は、出力光として、その強度またはスペクトルなどが光学特性測定機器９０によって測定される。そして、この測定データが特定の条件を満たすように、ホトニック結晶２の構造制御装置としての圧電素子３１が電源４１を介してフィードバック制御される。
【０１００】
このフィードバック制御により、ホトニック結晶２による出力光の応答特性の安定化、高精度化を達成することができる。
【０１０１】
ホトニック結晶２は、半導体微細加工技術（マイクロエレクトロメカニック：ＭＥＭＳ技術）を用いて製造することもできる。例えば、上述の容器を半導体基板を加工することによって形成し、圧電素子３１をその半導体基板（図示せず）上に形成する。この場合、半導体基板に形成された容器、特に凹部内にホトニック結晶２が配置され、この半導体基板上に圧電素子３１が形成されるので、半導体微細加工技術を用いてこれらを形成することができ、装置全体を小型化することができる。もちろん、半導体基板内に圧電素子３１の駆動回路、電源、波長フィルタ付きホトダイオード等をさらに形成することもできる。
【０１０２】
なお、上述した半導体微細加工技術は、例えば、走査型トンネル顕微鏡の探針などを作製する際にも用いられている。この探針は、圧電素子が設けられたものであるが、数ｎｍのオーダーで圧電素子の伸縮を制御することができる。
【０１０３】
図１４は、光波形整形装置の第９実施例を示す構成図である。本実施例の光波形整形装置は、図１３の実施例と比較して、ヒータ９１、温度センサ９２、及びヒータ電源９３を設けた点が異なり、他の構成は図１３に示したものと同一である。
【０１０４】
この光波形整形装置においては、ホトニック結晶２を加熱するヒータ９１を土台１上に設けている。また、ホトニック結晶２の温度を測定する温度センサ９２を土台１上に設けている。これらは、いずれもホトニック結晶２の近傍に配置されている。また、ヒータ電源９３は、温度センサ９２によって測定された温度に基づいてヒータ９１への供給電力を制御する。
【０１０５】
本実施例においては、ホトニック結晶２の温度を温度センサ９２によって測定しつつ、これを加熱しているので、ホトニック結晶２の温度を所望の値、好ましくは一定値にすることができる。これにより、ホトニックバンド構造、例えばホトニックバンドギャップの位置と、それに伴う波長分散特性の温度による変化を抑制することができる。なお、ヒータ９１や温度センサ９２もＭＥＭＳ技術を用いてモノシリックに作製することが可能である。
【０１０６】
本発明による光波形整形装置は、上述した実施形態及び実施例に限られるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、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次元あるいは１次元のホトニック結晶であり、可塑性のホトニック結晶２としては、このようなものも適用することができる。
【０１０７】
また、上記した本願発明に関する例では、外力印加手段を含む波長分散制御手段を介して外力を加えてホトニック結晶２を変形させる構成としているが、参考例としては、波長分散制御手段が外場印加手段を有する構成としても良い。このとき、外場印加手段を含む波長分散制御手段を介して外場を加えることによって、同様にホトニックバンド構造及び波長分散特性を変化させることが可能である。このような外場としては、例えば、ホトニック結晶での屈折率や周期構造の位置などを変化させる電場、磁場、力、温度場などの場がある。
【０１０８】
また、上述のような柔らかい（可塑性の）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、さらなる研究が進められるものと期待される。
【０１０９】
【発明の効果】
本発明による光波形整形装置は、以上詳細に説明したように、次のような効果を得る。すなわち、分散媒質として可塑性のホトニック結晶を用いるとともに、外力印加手段などによって構成される波長分散制御手段を備える光波形整形装置によれば、波長分散特性を充分に変化させることが可能な光波形整形装置が実現される。
【図面の簡単な説明】
【図１】光波形整形装置の一実施形態を概略的に示す構成図である。
【図２】ホトニック結晶の一例を示す斜視図である。
【図３】ホトニック結晶における光の透過率の波長依存性を示すグラフである。
【図４】ホトニック結晶の波長分散特性を示すグラフである。
【図５】ホトニック結晶における光の反射率の波長依存性の外力による変化を示すグラフである。
【図６】光波形整形装置の第１実施例を示す構成図である。
【図７】光波形整形装置の第２実施例を示す構成図である。
【図８】光波形整形装置の第３実施例を示す構成図である。
【図９】光波形整形装置の第４実施例を示す構成図である。
【図１０】光波形整形装置の第５実施例を示す構成図である。
【図１１】光波形整形装置の第６実施例を示す構成図である。
【図１２】光波形整形装置の第７実施例の主要部を示す斜視図である。
【図１３】光波形整形装置の第８実施例を示す構成図である。
【図１４】光波形整形装置の第９実施例を示す構成図である。
【符号の説明】
１…土台、１０…窓材、１１…凹面鏡、１２…反射鏡、２、２ａ、２ｂ…可塑性のホトニック結晶、
３…外力印加手段（加圧／減圧装置、押圧機構）、３０…押え板、３１…圧電素子、３２ａ…支持板、３２ｂ…ネジ部、３２ｃ…ネジ回しヘッド、４…外圧制御装置、４１…電圧可変電源、
５…第１光学素子、６…第２光学素子、７１…光学装置、７２…ポッケルスセル、７３…偏光ビームスプリッタ、８…容器、９０…光学特性測定機器、９１…ヒータ、９２…温度センサ、９３…ヒータ電源。
【図１】
0004514984.tif 000002
【図２】
0004514984.tif 000003
【図３】
0004514984.tif 000004
【図４】
0004514984.tif 000005
【図５】
0004514984.tif 000006
【図６】
0004514984.tif 000007
【図７】
0004514984.tif 000008
【図８】
0004514984.tif 000009
【図９】
0004514984.tif 000010
【図１０】
0004514984.tif 000011
【図１１】
0004514984.tif 000012
【図１２】
0004514984.tif 000013
【図１３】
0004514984.tif 000014
【図１４】
0004514984.tif 000015