(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レンズ効果を得る対象とする角振動数（または波長）における波数分散面の断面が楕円であり、且つ、群速度の方向が楕円の内側に向かっている媒質を備え、
前記媒質は、波長多重光が入射される平面からなる第１の表面と、前記波長多重光が波長毎に分離して出射される平面からなる第２の表面とを有し、
前記媒質は、該媒質の中で前記波長多重光を集光させる第１の焦点と、該媒質の外で前記波長多重光の波長毎に異なる第２の焦点とを形成し、
前記波長多重光の前記波長毎に異なる前記第２の焦点の位置に、波長毎の受光部が配列されていることを特徴とする波長分波器。
【請求項２】
前記第１の表面と前記第２の表面とが互いに平行な平面であることを特徴とする請求項１記載の波長分波器。
【請求項３】
前記媒質は、誘電率が周期的に変化したフォトニック結晶であり、
前記フォトニック結晶の波数分散曲線と、前記フォトニック結晶の周りで実体が存在する周辺媒質の波数分散曲線とが交差する角振動数（または波長）の近傍の範囲において動作することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の波長分波器。
【請求項４】
前記フォトニック結晶の前記波数分散曲線と、前記フォトニック結晶の周りで実体が存在する周辺媒質の前記波数分散曲線とが交差する前記角振動数（または波長）から±１５％以内の範囲における波長多重光を前記焦点に集光することを特徴とする請求項３記載の波長分波器。
【請求項５】
前記楕円の、波数分散面の断面の短軸と長軸の比が角振動数（または波長）に依存して変化することを特徴とする請求項３または請求項４に記載の波長分波器。
【請求項６】
前記フォトニック結晶の誘電率分布を構成する格子の構造が三角格子または正方格子または面心立方格子または体心立方格子、及びスラブ構造を含むそれらの疑似構造であることを特徴とする請求項３乃至請求項５の何れか１項に記載の波長分波器。
【請求項７】
前記格子が一方向に圧縮または伸張された、請求項６に記載の波長分波器。
【請求項８】
レンズ効果を得る対象とする角振動数（または波長）における波数分散面の断面が楕円であり、且つ、群速度の方向が楕円の内側に向かっている媒質を備え、
前記媒質は、波長多重光が入射される平面からなる第１の表面と、該第１の表面に平行で、前記波長多重光が波長毎に分離して出射される平面からなる第２の表面とを有し、
前記媒質は、該媒質の中で前記波長多重光を集光させる第１の焦点と、該媒質の外で前記波長多重光の波長毎に異なる第２の焦点とを形成し、
前記媒質の前記第１の表面に、レンズ効果を得る対象とする前記角振動数（または前記波長）帯に属する前記波長多重光を照射する出射部をさらに有し、
前記波長多重光の波長毎に異なる前記第２の焦点の位置に、波長毎の受光部が配列されていることを特徴とする波長分波器。
【請求項９】
前記媒質と前記受光部との間にプリズムが配置されていることを特徴とする請求項８記載の波長分波器。
【請求項１０】
前記受光部が受光用導波路の入射端部の端面であり、前記端面が、該受光用導波路の光導波部分よりも幅が広い幅広部分を有することを特徴とする請求項８記載の波長分波器。
【請求項１１】
前記幅広部分の、前記受光用導波路に沿った方向の長さが、前記受光用導波路の前記光導波部分の幅以下であることを特徴とする請求項１０記載の波長分波器。
【請求項１２】
前記受光用導波路の前記入射端部の端面が前記受光用導波路の長手方向に垂直な平面から傾いていることを特徴とする請求項１０または請求項１１記載の波長分波器。
【請求項１３】
隣り合う受光用導波路の前記入射端部が連続した共有終端部構造であることを特徴とする請求項１０乃至請求項１２の何れか１項に記載の波長分波器。
【請求項１４】
前記出射部が前記波長多重光を照射する光導波路の出射端部の端面であり、該光導波路の、外部光学系と光結合を行う側の端と、前記受光用導波路の外部光学系と光結合を行う側の端とが、共に前記各導波路の光導波部分よりも幅が広い幅広部分を有することを特徴とする請求項１０記載の波長分波器。
【請求項１５】
前記各幅広部分の、前記各導波路に沿った方向の長さが前記各導波路の前記光導波部分の幅以下であることを特徴とする請求項１４記載の波長分波器。
【請求項１６】
前記各導波路の終端部の端面が前記各導波路の長手方向に垂直な平面から傾いていることを特徴とする請求項１４または請求項１５に記載の波長分波器。
【請求項１７】
隣り合う前記受光用導波路の前記入射端部が連続した共有終端部構造であることを特徴とする請求項１４乃至請求項１６の何れか１項に記載の波長分波器。
【請求項１８】
請求項１〜１７のいずれか１項に記載の波長分波器を備え、前記媒質により形成される前記第２の焦点の位置を能動的に変化させることによって波長選択を行うように構成されていることを特徴とする可変波長選択フィルター。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は分波器の構造に関し、特に波長分波器に用いるレンズと波長分波器の構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバーのような光導波路で信号を大量に伝送するための波長多重光通信方式においては、一本の光導波路の中に波長の異なる信号光を多重化して伝送する。受信側では信号光を処理するとき、先ず、波長多重化された信号光を波長毎に分けるが、そのための装置を波長分波器と呼ぶことがある。波長分波器の光の出入りを逆にして、複数の波長の信号光を多重化する用途に用いれば、波長合波器になる。従って、ここで波長分波器と言うとき、波長合波器も含むものとする。
【０００３】
波長分波器として現在有力視されているものにアレイ導波路格子（Arrayed Waveguide Grating（ＡＷＧ））を用いた波長分波器がある。ＡＷＧ波長分波器はＳｉ基板上に所望のチャンネル数、言い換えれば多重化する光の波長の数だけ、あるいはそれ以上の数のシリカ系光導波路を互いに接近させて形成した導波路格子である。ＡＷＧの内の１つの導波路に波長多重光を導波させると、隣接する導波路に伝搬光のエネルギーが徐々に移行していく。このとき、完全に光のエネルギーが隣の導波路に移行するのに要する伝搬距離（結合長）が光の波長に依存するため、ＡＷＧの各導波路の長さに変化をつけることによって波長分波を行うことができる。
【０００４】
しかしながら、このＡＷＧ波長分波器は大きさを数センチメートル角以下にはできないという欠点を持っている。その理由は、ＡＷＧは通常、シリカ系の導波路を用いるが、導波路の曲げ半径を１ｃｍ程度以下にできないことにある。波長毎の結合長に応じて導波路の長さに変化を付けるにはＡＷＧの導波路を途中で曲げた構造にする必要があるが、曲げの最小半径が１ｃｍ程度以上に制限されるため、デバイスサイズを小さくできない。１９９２年発行の電子情報通信学会春季大会予稿第４分冊の第２７２頁には高橋らによって作製されたＡＷＧ波長分波器が開示されている。高橋らは、４１本の導波路からなるＡＷＧを用い、１．５μｍ波長帯において、周波数間隔１０ＧＨｚ、チャンネル数１１の合分波器を作製した。基板サイズは４ｃｍ×６ｃｍである。
【０００５】
デバイスサイズを小さくできないという問題を解決する新たな波長合分波器として、フォトニック結晶を用いた波長合分波器が小坂等によって提案された。特開平１１−２７１５４１号公報に「波長分波回路」として開示されている。フォトニック結晶は誘電率が周期的に変化した人工光学結晶である。ある種のフォトニック結晶は、僅かの波長変化で屈折角が大きく変化する波長帯域を有する。小坂等はフォトニック結晶のこの性質を利用した。即ち、波長が異なる光が多重化された信号光をフォトニック結晶に入射することによって、波長の異なる光をそれぞれ異なった方向に屈折させ、別々の導波路で受光することによって波長分波器を構成している。
【０００６】
小坂等は、長さ１ｍｍのフォトニック結晶を用いれば、１．５μｍ帯で２０ｎｍの波長帯域をフォトニック結晶の出射側端面で距離５００μｍにわたって分布、即ちスペクトル分解させることができ、出射側端面に１２５μｍピッチの光ファイバーを配列した場合で５波、２５μｍピッチの光導波路を配列する場合で２５波の波長分波器を実現できるとしている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述の小坂等によるフォトニック結晶を用いた波長分波器は、ある種のフォトニック結晶の特定条件において生じる性質、即ち、波長の異なる光の屈折角が大きく異なる性質のみを利用している。図１２は小坂らの波長分波器の動作原理を説明する模式図である。導波路６８から出射された光ビーム６９はフォトニック結晶６７に入射する。異なる波長毎に屈折される方向が異なるので、透過光７０と透過光７１のように光ビームは分かれるが、同時に個々に分離された光ビームはフォトニック結晶中を伝搬するにつれてビーム径（または幅）が大きくなっていく。そのため、進行方向としては分離されたはずの光ビームが隣同士で互いに重なり合うことになる。このような状態でフォトニック結晶出射側端面において導波路を用いて光ビームを受光しようとすると、目的の波長の光だけでなく、隣接する波長の光も一部受光することになり、いわゆるクロストークが大きくなってしまうという課題があった。
【０００８】
本発明の目的はフォトニック結晶を通過する光ビームの広がりの問題を解決することによって波長分解能の高い波長分波器を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明による波長分波器には、レンズ効果を得る対象とする角振動数（または波長）における波数分散面の断面が楕円であり、且つ、群速度の方向が楕円の内側に向かっている媒質であり、更にその媒質の表面が平面であるレンズで、そのレンズの中に焦点を有することを特徴とするレンズを有する。
【００１０】
またそのレンズは、有限の厚みで、２つの表面が互いに平行な平面で、レンズの中の焦点と更にレンズの外に焦点を有することを特徴とする。
【００１１】
このようなレンズは、誘電率が周期的に変化したフォトニック結晶であり、そのフォトニック結晶の波数分散曲線と、そのフォトニック結晶と実体が存在する周辺媒質の波数分散曲線との２つの波数分散曲線の交差する角振動数（または波長）の近傍の範囲において動作するレンズであってもよい。
【００１２】
その場合、角振動数（または波長）の近傍の範囲が、前記２つの波数分散曲線の交差する角振動数（または波長）から±１５％以内であることによって、ぼけの少ないレンズを構成できる。
【００１３】
そして、そのレンズが、楕円の波数分散面断面の短軸と長軸の比が角振動数（または波長）に依存して変化することを特徴とするレンズとすることにより、小型で且つ、波長により焦点位置の依存性の大きいレンズ、即ち色収差の大きいレンズが得られる。
【００１４】
このレンズを有する波長分波器であって、そのレンズの表面に波長多重光を照射する光導波路を有し、前記波長多重光の波長毎の焦点位置に受光用導波路の端が配列されていることを特徴とする波長分波器を基本構成とすることにより、小型で、波長選択性の高い波長分波器が得られる。
【００１５】
また、波長分波器のレンズと受光用導波路の端との間にプリズムを配置することにより、更に波長選択性の高い波長分波器が得られる。
【００１６】
更に、波長分波器の多重光を照射する光導波路の外部光学系と結合する側の端と、受光用導波路の外部と光結合を行う端が、導波路よりも幅が広い構成にすることにより、波長分波器の入出力部の結合損失が低減できる。
【００１７】
このとき、導波路よりも幅の広い終端部の長さが導波路の幅以下であるとき、結合損失が最も小さくできる。
【００１８】
更に、導波路の終端部の端面が導波路の長手方向に垂直な平面から傾いていることを特徴とする波長分波器にすることにより、入出力用導波路に外部から斜めに結合する場合も低損失を得ることができる。
【００１９】
また、隣り合う導波路の終端部が連続した共有終端部構造であることを特徴とする波長分波器にすることにより、配列した導波路の密度が高くなっても、導波路終端部の幅を導波路幅よりも大きくすることができ、導波路密度が低い場合と同様に、外部と高い効率で結合することができる。
【００２０】
波長分波器の応用として、小型で高波長選択性を有する可変波長選択フィルターを構成できる。即ち、レンズ効果を得る対象とする角振動数（または波長）における波数分散面の断面が楕円であり、且つ、群速度の方向が楕円の内側に向かっている媒質であり、有限の厚みであり、更に２つの表面が互いに平行な平面であり、レンズの中の焦点と更にレンズの外に焦点を有するレンズであり、そのレンズを有する可変波長選択フィルターであって、前記レンズの表面に波長多重光を照射する光導波路を有し、前記波長多重光の波長毎の焦点位置に受光用導波路の端が配列されており、前記レンズの焦点位置を能動的に変化させることによって波長選択を行うことを特徴とする可変波長選択フィルターが提供される。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明の上記および他の目的、特徴および利点を明確にすべく、添付した図面を参照しながら、本発明の実施の形態を以下に詳述する。
【００２２】
本発明の波長分波器では、色収差の大きいレンズ、即ち、焦点位置の波長依存性の大きいレンズを用いるので、先ず、このレンズについて説明する。
【００２３】
今、図２のように、媒質１の表面４から距離aの位置にある実体A（→）２の実像A'３がフォトニック結晶内の表面から距離bの位置に結像し、実像A'３が実体A２と同じ大きさ、同じ向きである場合を考える。媒質１の表面４は平面である。実体A２から発される光の波数の大きさをk（=|k|、k は実体A２が存在する媒質内での波数ベクトル）、媒質１の表面での入射角と屈折角をそれぞれθ1、−θ2とすると、媒質１の波数分散面の断面（角振動数ωが一定）がとるべき形状は（１）式で表される。
【００２４】
【数１】
0004557119.tif 000002
【００２５】
ただし、p = b/a（即ち、楕円の長軸と短軸の比）であり、q は任意の定数である。一般には、波数k とp とq は角振動数（または、波長）の関数である。図３は（１）式で表される波数分散面の形状を図示したものである。図３から判るように、（１）式は、波数分散面の角振動数一定断面５の形状が楕円（特殊な場合として円を含む）であることを示している。その楕円の１つの軸は媒質１の表面と平行であり、その媒質１の表面と平行な方向の楕円の軸の長さは入射する光の波数（波数ベクトルの大きさ）の２倍に等しい。従って、円の断面の場合は、その半径と入射する光の波数は同じになる。媒質中で光が伝搬する方向は波数分散面の接線に垂直な方向として得られる。例えば、波数分散面断面５上の１つの点（状態）に向かう波数ベクトル８の光が進む方向、即ち群速度の進行方向は矢印１１で示される。楕円の波数分散面断面５の接線に垂直な方向と向きは、矢印１１の他に、矢印１１と逆の向きが考えられるが、図３の矢印１１のように群速度が波数分散面断面５の楕円の内側に向かっているときのみ、媒質１はレンズ効果を示す。媒質１の波数分散面の断面（角振動数ωが一定）５の形状が（１）式で表される楕円であり、その波数分散面断面５上の状態の群速度が波数分散面５の楕円の内側に向かっていれば、波数kを有する光に関して、媒質１の外の実体は媒質１の中に同じ大きさ、同じ向きの実像A'３を結像するのである。
【００２６】
次に、図３の媒質１を有限の厚みにした場合について考える。図４は媒質１が有限の厚みになった光学素子１２の光学的性質を説明する模式図である。光学素子１２の表面１３と表面１４は互いに平行な平面である。図３の媒質１のレンズ効果は媒質１の表面で生じるので、図４に示したように光学素子１２が有限の厚さであれば、実体A１５の実像A'１６を第１焦点１９に結像後、光学素子１２の裏面で再度レンズ効果を生じ、光学素子１２の外に第２の実像A"１７を第２焦点２０に結像する。実像A"１７も実体A１５と同じ大きさ、同じ向きである。ただし、光学素子１２の厚みは表面４から第１焦点１９までの距離より大きくなければならない。
【００２７】
さて、この第２焦点２０に実像A"１７が結像される現象を利用して波長分波器を構成することができる。実体A１５の位置に導波路の出射口を配置して、その導波路からの出射光が光学素子１２にあたるようにしておく。光学素子１２の表面１３と表面１４は平行である。この導波路から出射された光は一旦広がるが、光学素子１２の中の第１焦点１９で一度集光された後にまた広がり、そして再び第２焦点２０の位置で集光されてビームウエストを形成する。このときのビームウエスト径は実体A１５の位置に置いた導波路の出射光のビームウエスト径と同じになる。従って、第２焦点２０の位置に、実体A１５の位置に置いた受光用導波路と同程度の径（または幅）を有する導波路を配置すれば、第２焦点位置に集光された光ビームを損失無く受光することが可能となる。
【００２８】
波長分波器を構成するには、第２焦点位置が波長毎に異なった位置になければならない。次に、それが実現される仕組みを説明する。
スラブ１２の厚みをt、実体A１５から実像A"１７までの距離をs とすると、
【００２９】
【数２】
0004557119.tif 000003
【００３０】
が成り立つ。（２）式と（３）式は、実像A"７の位置がp の値に応じて変化し、その位置の変化、即ちs の変化の割合は、p が小さいほど、また、光学素子１２の厚みt が大きいほど大きくなることを示している。従って、光学素子１２のp の値が波長に依存して大きく変化すれば、波長毎に第２焦点位置は異なる。p の値は波長に依存して変化するから、光学素子１２は結局、波長、即ち色による収差の大きいレンズであると言うことができる。色収差の大きいレンズである光学素子１２の、波長毎に異なったそれぞれの第２焦点位置に受光用導波路を配置することによって波長分波器を構成できる。この場合、光ビームが波長毎に集光された状態により導波路で受光できるため、光ビームの広がりに起因する波長分解能の低下は起こらない。
【００３１】
図１は、上述の動作原理を適用した波長分波器の構成を示す模式図である。光学素子２１は色収差の大きいレンズである。光学素子２１の表面２２から離れた位置に導波路２４の出射端を配置し、導波路２４の出射光２８が光学素子２１の表面に当たるようにする。導波路２４からの出射光２８が波長多重光であるとき、光学素子２２を透過後、焦点２９と焦点３２のように波長毎に異なった位置に焦点が結ばれるので、それぞれの波長光の焦点位置に受光用の導波路を導波路２５、２６、２７のように配置する。出射光２８の光線軸は光学素子２１の表面２２の法線方向から傾けると、透過光３０、３１の光線軸も傾くので、受光用の導波路２５、２６、２７が重ならないように配置することができる。
【００３２】
波長の異なる光に対する第２焦点の間隔が大きければ、それだけ多くの受光用導波路を並べられるので、波長分波器の波長分解能が向上する。図５は、プリズムを用いて第２焦点の間隔を広げる方法である。即ち、色収差の大きいレンズである光学素子３３を透過した分波光をプリズム４３に通すと、分波光のビームの向きが変わると同時に、分波された光ビーム毎の第２焦点の間隔も広がり、受光用として並べる導波路３９、４０、４１、４２の間隔が広くなる。従って、受光用導波路の間隔に余裕がある分、多重化する光の波長間隔を狭くすることが可能になる。プリズム４３は光学素子３３の表面３５に張り付けた形で一体形成してもよい。
【００３３】
先の（１）式で表される楕円形（または円形）の分散面断面形状は、フォトニック結晶を用いて実現することができる。図６は、三角格子フォトニック結晶の断面図である。フォトニック結晶４７は、シリコン４５にピッチaで直径D=0.9aの円孔４６を三角格子状に形成した構造である。フォトニック結晶４７の、TEモードの波数分散曲線を代表的な対称点の方向について図７に示した。図７に実線で示した分散曲線４８がフォトニック結晶４７の波数分散曲線である。フォトニック結晶の分散曲線はフォトニックバンドとも呼ばれる。TEモードでは電界の方向は、図６のフォトニック結晶４７の断面と垂直（即ち、紙面と垂直）方向である。図７の縦軸は正規化した角振動数 ωａ／（２πｃ） である。ただし、ωは角振動数、ａは三角格子フォトニック結晶４７の格子ピッチ、ｃ は真空中の光速度である。角振動数ωと波長λ の間には ω＝２πｃ／λ の関係があるので、角振動数ωと波長 λは反比例する。
【００３４】
今、実像と、レンズ作用をする光学素子が空気中にある場合を考える。図７のフォトニックバンド図には空気の光の波数分散曲線（破線）４９も同時に示してある。もし、実像とレンズ作用をするスラブが空気とは異なる媒質中にあるなら、空気の替わりにその媒質の波数分散曲線を用いる。図７において、（ωａ／２πｃ） が０．３５５辺りの帯域、即ち、一点鎖線５０の近傍ではフォトニック結晶４７の波数分散曲線４８と空気の波数分散曲線４９が交差している。この交差している角振動数帯域におけるフォトニック結晶４７の波数分散面の断面形状は円（楕円の特殊な場合）に近く、しかもその半径は空気中の波数と等しくなる。従って、その波数分散面断面形状は式（１）をほぼ満足する。また、光の群速度ｖ はｖ＝ｄω／ｄｋで与えられるが、一点鎖線５０の位置の角振動数におけるフォトニック結晶４７の分散曲線の傾きは負（ただし、図７のフォトニックバンド図のΓ点を原点とする）なので、群速度の向きはΓ点に近づく向きである。
従って、群速度の向きは、楕円形の波数分散面断面の内側を向くことになり、レンズ効果を生じるための条件を全て満たすことがわかる。
【００３５】
このように、フォトニック結晶と実像が置かれている周辺媒質の波数分散曲線と、フォトニック結晶自身の波数分散曲線との２つが交差する角振動数（または波数）の近傍において、フォトニック結晶の波数分散曲線が負の傾き（ただし、Γ点を原点とする）を有するとき、そのフォトニック結晶は、その角振動数近傍でレンズ効果を示す。
【００３６】
一点鎖線５０の位置から角振動数が変化すると、フォトニック結晶４７の波数分散面断面である楕円の半径と、（フォトニック結晶４７と実像が置かれている）空気の波数分散面の断面である円の半径は異なってくる。その結果としてフォトニック結晶４７のレンズ効果による像はぼけ始めるが、一点鎖線５０の位置、即ち、フォトニック結晶と周辺媒質の波数分散曲線の交差する角振動数（波長）から±１５％（波長の場合も±１５％）以内であれば、像のぼけは小さい。一方、波数分散面の半径が異なると、近似的に（１）式の変数p が変化するのと同じ効果を生むことが証明される。変数p の変化は焦点位置の変化を意味するので、結果として、角振動数（または波長）が変化すると焦点位置が変化することになる。即ち、フォトニック結晶４７は色収差の大きいレンズとして働き、波長分波器に用いることができることがわかる。
【００３７】
フォトニック結晶４７と周辺媒質の波数分散曲線の交差する角振動数（または波長）においては、フォトニック結晶４７の波数分散曲面の角振動数一定における断面形状はほぼ円に近く、p〜１である。しかし、デバイスの設計によってはp〜１以外の値、例えば、p〜２やp〜０．５などの値を用いたい場合もある。その場合には、フォトニック結晶の波数分散面の断面形状を円から、短軸と長軸の比の大きい楕円に歪ませればよい。その方法として、フォトニック結晶を一方向に伸張、または圧縮する方法がある。図８は、図６の三角格子フォトニック結晶をΓ−Ｍ方向に１．５倍に伸張したフォトニック結晶である。こうすることで、フォトニック結晶５１の波数分散面の角振動数（または波長）一定の断面形状はΓ−Ｍ方向に約１／１．５に縮小された楕円となり、変数p の値は約１／１．５となる。
【００３８】
本発明の実施の形態は三角格子フォトニック結晶について述べたが、格子の構造が三角格子だけでなく、正方格子または面心立方格子または体心立方格子またはその他の格子、及びスラブ構造を含むそれらの疑似構造である格子のフォトニック結晶についても適用できる。また、フォトニック結晶は、２次元だけでなく３次元の結晶であってもよく、どのような対称性の格子でもよい。２次元の近似的な構造であるスラブ型フォトニック結晶でも良いことは言うまでもない。
【００３９】
また、波長分波器に用いる色収差の大きいレンズとしてはフォトニック結晶に限定されないことに留意すべきである。
更に、色収差の大きいレンズの焦点位置を能動的に変化させることにより、受光側の導波路に入射する光の波長が変化することになるので、このとき、波長分波器は可変波長選択フィルターとして動作することは明らかである。フォトニック結晶を用いた色収差の大きいレンズの場合、焦点位置を能動的に変化させる方法として、フォトニック結晶を加熱したり、圧力をかけて機械的に圧縮、伸張するなどしてフォトニック結晶の格子定数を変化させる方法や、フォトニック結晶を構成する物質の屈折率を電気的、磁気的、光学的に変化させる方法などがある。
【００４０】
【実施例】
図９はＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板上に形成した波長分波器の実施例である。ＳＯＩウエハはＳｉ基板の上にＳｉＯ2とＳｉの薄膜を順次積層した構造で、最上層のＳｉ膜をコア層、また上の空気層と下のＳｉＯ2をクラッド層とするスラブ（板）型導波路として用いることができる。Ｓｉ層に三角格子状に孔を形成したフォトニック結晶５６のレンズにＳｉのプリズム６２が接合して形成されている。フォトニック結晶レンズ５６の大きさは５００μｍ×３００μｍである。フォトニック結晶５６の結晶構造は格子ピッチ０．７μｍ 、孔径０．６３μｍ である。フォトニック結晶５６から１０μｍ 離れた位置に、フォトニック結晶の端面の法線方向と３０°を成す角で幅０．６μｍ のＳｉチャネル導波路５７を配置する。また、フォトニック結晶５６の波長毎の焦点位置に幅０．６μｍ 受光用Ｓｉチャネル導波路６０のアレイを配置する。フォトニック結晶５６とプリズム６２とチャネル導波路５７と受光用チャネル導波路６０のアレイ以外のところはエッチングによってＳｉは除去されているが、ＣＶＤによるＳｉＮｘの堆積と平坦化工程によってＳｉ層と、ＣＶＤで堆積したＳｉＮｘ層は同じ厚みになっている。ＳｉまたはＳｉＮｘ層の上に更にＳｉＯ2層を堆積してもよい。ＳｉＮｘはＳｉＯ2や空気よりも屈折率が大きいため、ＳｉＯ2／ＳｉＮｘ／空気（またはＳｉＯ2）構造はＳｉＮｘをコア層とする板型導波路として働く。従って、チャネル導波路５７から出射された光５５やフォトニック結晶レンズ５６を通過した光ビーム６２はＳｉ層の厚み方向に広がることなく、ＳｉＮｘ 層の閉じこめられて伝搬し、フォトニック結晶５６や受光用導波路６０に導入される。この波長分波器では、波長λ=１．５μｍ 帯で５０ＧＨｚピッチで５０チャンネル確保できる。また、波長分波器全体の大きさは０．７ｍｍ×１ｍｍ程度である。フォトニック結晶５６の大きさを１ｍｍ×０．６ｍｍにすると、同じ帯域で５００チャンネル確保でき、波長分波器全体としての大きさは、２ｍｍ×１．２ｍｍと、面積比で従来の波長分波器の１／１００程度になる。
【００４１】
尚、ＳｉＮｘの替わりにＳｉＯＮ膜を使ってもよい。ＳｉＯＮ膜も屈折率がＳｉＯ2や空気よりも大きいので、導波路のコアとして機能するからである。
図９の波長分波器に用いたチャネル導波路５７の入射端５８は光結合効率の高い構造に工夫されている。図１０は入射端５８を拡大したものである。チャネル導波路６４の幅ｘよりも大きい幅ｙを有し、長さｚ がチャネル導波路６４の幅ｘ以下の終端構造６３が、チャネル導波路６４に付加されている。チャネル導波路６４は通常、導波する光の波長程度に幅が狭く、その終端面の平坦性を確保するのは困難であるが、終端構造６３を取り付けることによって、終端面の平坦部の幅が広がり、加工精度低下による角の丸まりの影響を受けにくくなる。
【００４２】
図１１はチャネル導波路の終端面を斜めにする場合である。終端面が斜めの場合、入射光の光軸はチャネル導波路６６の長手方向からある角度を持ってそれる。このとき、チャネル導波路の終端面の角で光が散乱されやすくなるが、チャネル導波路６６に終端構造６５が付加されていることにより、終端面の角は入射光から遠ざかり、光結合における散乱損失が減少する。
【００４３】
複数のチャネル導波路の終端同士が接近している場合は、図９の共通終端構造５９のように、終端構造を共通にしてもよい。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、波数分散面の角振動数（または波長）一定の断面が楕円で、且つ、群速度の方向が楕円の内側に向かい、更に表面が平面であるという媒質であるとの基本構成により、波数分散面の断面に対応する角振動数（または波長）に対して、その媒質中に焦点（第１焦点）を形成するレンズが提供される。
【００４５】
また、上記媒質を有限の厚みにし、その両面を互いに平行な平面にするとの基本構成により、その有限媒質の内部の焦点（第１焦点）だけでなく、その有限媒質の外部にもう一つの焦点（第２焦点）を有するレンズが提供される。
【００４６】
また、フォトニック結晶で、そのフォトニック結晶の波数分散曲線と、フォトニック結晶と実体が存在する周辺媒質の波数分散曲線の交差する角振動数（または波長）の近傍において、上記の第１焦点と第２焦点を有するレンズが提供される。
【００４７】
また、上記有限媒質レンズの楕円の波数分散面断面短軸と長軸の比が角振動数（または波長）に依存して変化する構成により、色収差の大きいレンズが提供される。
【００４８】
また、フォトニック結晶で、そのフォトニック結晶の波数分散曲線と、フォトニック結晶と実体が存在する周辺媒質の波数分散曲線の交差する角振動数（または波長）の近傍において、色収差の大きいレンズが提供される。
【００４９】
また、上記色収差の大きいレンズに波長多重化された光の導波路出射光を照射し、波長毎の焦点に受光用の導波路を配置するとの構成により、小型の高性能の波長分波器が提供される。
【００５０】
また、上記波長分波器の光色収差レンズにプリズムを付加する構成にすることにより、波長分波器の波長分解能を向上できる。
【００５１】
また、上記波長分波器に用いる導波路の終端に導波路よりも幅の広い終端構造を付加するとの構成により、導波路への光結合構造を向上できる。
【００５２】
以上の効果により、従来のＡＷＧを用いた波長分波器、及び、フォトニック結晶の屈折率の大きな波長依存性のみを用いた波長分波器よりも小型で高性能な波長分波器が提供される。
【００５３】
また、用いる光色収差レンズの焦点位置を能動的に変化させる構成により、可変波長選択フィルターが提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の、波長分波器の構成を示す模式図である。
【図２】本発明の実施形態のレンズ効果を説明する模式図である。
【図３】本発明の実施形態のレンズ効果示す波数分散面断面を説明する模式図である。
【図４】本発明の実施形態のレンズ効果を説明する模式図である。
【図５】本発明に実施形態のプリズム付き波長分波器を説明する模式図である。
【図６】本発明の実施形態の、フォトニック結晶の構造を説明する断面図である。
【図７】本発明の実施形態の、フォトニック結晶のフォトニックバンド図である。
【図８】本発明の実施形態の、フォトニック結晶の構造を説明する断面図である。
【図９】本発明の実施例の構成を示す模式図である。
【図１０】本発明の実施例で用いる導波路の終端構造を説明する模式図である。
【図１１】本発明の実施例で用いる導波路の終端構造を説明する模式図である。
【図１２】本発明に関わる従来技術の問題点を説明する模式図である。
【符号の説明】
１    媒質
２，１５    実体
３，１６，１７    実像
４，１３，１４，２２、３５    表面
５    波数分散面の角振動数一定の断面
８    波数ベクトル
１０    矢印
１２，２１，３３    光学素子
１９    第１焦点
２０    第２焦点
２５，２６，２７，３９，４０，４１，４２，６８    導波路
２８    出射光
２９，３２    焦点
３０，３１，７０，７１    透過光
４３，６２    プリズム
４５    シリコン
４６    円孔
４７，５６，６７    フォトニック結晶
４８，４９    波数分散曲線
５０    一点鎖線
５７，６０，６４，６６    チャネル導波路
５８    入射端
５９    共通終端構造
６３，６５    終端構造
６２，６９    光ビーム
【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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