(57)【要約】【課題】作製困難な３次元構造の光学素子でしか実現できなかった光学特性を、簡単な２次元構造の構成で実現する。【解決手段】入力面２２から入射した光６の入射角度８および入射方向に対して、出射位置９が１対１で対応する、入力面２２に平行な出力面２３を有する第１光変換素子１と、出力面２３に近接して配置され、第１光変換素子１の出力面２３に垂直な方向に均質であり、出力面２３上の出射位置９に対応する入射位置９における光学特性が、入射角度８および入射方向に応じた光学特性に一致している光学素子２と、光学素子２から出射された光が入射するように光学素子２に近接して配置され、光の入射位置２１に対して１対１で対応する出射角度２０および出射方向で出力する第２光変換素子３とを、光の入射側から順に備えている。【選択図】図１
2009139669.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力面から入射した光の入射方向に対して、出射位置が１対１で対応する、前記入力面に平行な出力面を有する第１光変換素子と、
前記出力面に近接して配置され、前記第１光変換素子の前記出力面に垂直な方向に均質であり、前記出射位置に対応する入射位置における光学特性が、前記入射方向に応じた光学特性に一致している光学素子と、
前記光学素子から出射された光が入射するように前記光学素子に近接して配置され、光の入射位置に対して１対１で対応する出射方向で出力する第２光変換素子とを、光の入射側から順に備えた光デバイス。
【請求項２】
所定の位置から前記光学素子に入射した光の入射位置と出射位置との関係は、それらの入射位置と出射位置とを結ぶ直線の方向が、前記出力面に垂直な方向と平行な関係である、請求項１に記載の光デバイス。
【請求項３】
前記第１光変換素子および前記第２光変換素子は、中心軸上で最大で前記中心軸からの距離に従って放物線状に低下する屈折率分布を有する屈折率分布型レンズである、請求項２に記載の光デバイス。
【請求項４】
前記光学素子の屈折率を、前記中心軸からの距離に従って低下する屈折率とすることにより、前記第１光変換素子に所定の入射角範囲で入射する入力光に対して拡散する光を前記第２光変換素子から出力させる、請求項３に記載の光デバイス。
【請求項５】
前記光学素子の屈折率を、前記中心軸からの距離に従って増大する屈折率とすることにより、前記第１光変換素子に所定の入射角範囲で入射する入力光に対して平行光または集光光を前記第２光変換素子から出力させる、請求項３に記載の光デバイス。
【請求項６】
前記光学素子は、前記中心軸に垂直な２次元方向に複数の光学物体を配列した構造を有している、請求項３に記載の光デバイス。
【請求項７】
前記各光学物体の屈折率は異なっている、請求項６に記載の光デバイス。
【請求項８】
前記各光学物体の屈折率は、電気的な制御によって変更可能であり、
前記各光学物体の屈折率、前記各光学物体の前記中心軸からの距離、および前記中心軸周りの回転角の関係を制御することにより前記第２光変換素子からの出力を制御する、請求項７に記載の光デバイス。
【請求項９】
前記各光学物体の屈折率と前記中心軸からの距離との関係を、前記中心軸周りの回転角度に応じて異ならせた、請求項７に記載の光デバイス。
【請求項１０】
前記中心軸周りの回転角度について、前記各光学物体の屈折率と前記中心軸からの距離との関係が、負の相関となる回転角度範囲と、正の相関となる回転角度範囲とがある、請求項９に記載の光デバイス。
【請求項１１】
入力面から入射した光の入射方向に対して、出射位置が１対１で対応する前記入力面に平行な出力面を有し、前記入力面から入射した光の、前記入力面に垂直な方向を基準とする入射角度に対して、前記出射面上の出射位置における出射角度を小さくする第１光変換素子と、
前記出力面に近接して配置され、前記第１光変換素子の前記入力面に垂直な方向に周期構造を有するフォトニック結晶とを備えた光デバイス。
【請求項１２】
前記フォトニック結晶の前記周期構造の周期は、前記第１光変換素子から入射した所定の光の実質上半波長の整数倍に等しい、請求項１１に記載の光デバイス。
【請求項１３】
前記フォトニック結晶から出射された、前記所定の光の波長以外の波長を有する光が入射するように前記フォトニック結晶に近接して配置され、光の入射位置に対して１対１で対応する出射方向で出力する第２光変換素子を備えた、請求項１２に記載の光デバイス。
【請求項１４】
前記第１光変換素子および前記第２光変換素子は、中心軸上で最大で前記中心軸からの距離に従って放物線状に低下する屈折率分布を有する屈折率分布型レンズである、請求項１３に記載の光デバイス。
【請求項１５】
前記第１光変換素子は、０．２５＋０．５×ｉピッチ（ｉは、０以上の整数）の光路長を有する屈折率分布型レンズであり、
前記第２光変換素子は、０．２５＋０．５×ｊピッチ（ｊは、０以上の整数）の光路長を有する屈折率分布型レンズである、請求項３または１４に記載の光デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高分散特性を有する光デバイスに関する。例えば、３次元構造のフォトニック結晶などによって実現される高分散特性を有する受光デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
スーパーコリメーターやフォトニックバンドギャップを実現するためには、自然に存在する材料では実現できない光学特性が必要とされるため、従来の光学部品ではこれらを実現できなかった。
【０００３】
しかし、高分散特性を有する、人工的に作製したフォトニック結晶などの結晶構造を用いることにより、スーパーコリメーターやフォトニックバンドギャップを実現することがわかってきた。
【０００４】
そこで、最近では、フォトニック結晶などの人工的な結晶構造の作製技術が開発されている。
【０００５】
３次元構造のフォトニック結晶の作製技術として、例えば、１本のレーザー光を複数に分けた光束を互いに角度を持って感光性樹脂層中に照射し、レーザーの３次元干渉により感光性樹脂中にフォトニック結晶構造に対応する像を形成するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
また、２次元の周期パターンを形成した基板上へ２種類以上の屈折率の異なる材料を交互に周期的に積層した後、その周期方向に対して垂直に２次元の垂直周期構造を加工するものも提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００７】
また、傾斜した光ファイバー端面に微粒子の積層により周期構造を形成するものも提案されている（例えば、特許文献３参照）。
【特許文献１】特開２０００−３２９９２０号公報（例えば、第１図）
【特許文献２】特開２００１−７４９５４号公報（例えば、第１６図）
【特許文献３】特開２００４−２６４８７２号公報（例えば、第３図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、従来の３次元構造のフォトニック結晶の作製方法を用いてスーパーコリメーターやフォトニックバンドギャップを実現する場合には、プロセスが複雑で高コストとなっていた。
【０００９】
すなわち、特許文献１の従来の作製方法は、３次元的に干渉させる必要があるため光学系が複雑である。
【００１０】
また、特許文献２の作製方法は、２次元構造にさらに１次元追加する３次元プロセスなのでプロセスが複雑である。
【００１１】
また、特許文献３の作製方法は、自然に結晶成長させるのでプロセスは簡単であるが、作製可能な構造が最密充填構造に限られるため、所望の光学特性を持つフォトニック液晶を作製することができない。
【００１２】
このように、スーパーコリメーターやフォトニックバンドギャップを実現できる３次元構造のフォトニック結晶などの結晶構造の作製は、現在の汎用的な２次元構造の積層プロセスでは実現できない場合もあり、また実現できたとしてもプロセスが複雑で高コストとなっていた。
【００１３】
本発明は、上述した従来の課題を考慮して、簡単な構造で、スーパーコリメート機能を実現可能な高分散特性を有する光デバイスを提供することを目的とする。
【００１４】
また、別の本発明は、上述した従来の課題を考慮して、簡単な構造で、フォトニックバンドギャップ効果を得られる高分散特性を有する光デバイスを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上述した課題を解決するために、第１の本発明は、
入力面から入射した光の入射方向に対して、出射位置が１対１で対応する、前記入力面に平行な出力面を有する第１光変換素子と、
前記出力面に近接して配置され、前記第１光変換素子の前記出力面に垂直な方向に均質であり、前記出射位置に対応する入射位置における光学特性が、前記入射方向に応じた光学特性に一致している光学素子と、
前記光学素子から出射された光が入射するように前記光学素子に近接して配置され、光の入射位置に対して１対１で対応する出射方向で出力する第２光変換素子とを、光の入射側から順に備えた光デバイスである。
【００１６】
また、第２の本発明は、
所定の位置から前記光学素子に入射した光の入射位置と出射位置との関係は、それらの入射位置と出射位置とを結ぶ直線の方向が、前記出力面に垂直な方向と平行な関係である、第１の本発明の光デバイスである。
【００１７】
また、第３の本発明は、
前記第１光変換素子および前記第２光変換素子は、中心軸上で最大で前記中心軸からの距離に従って放物線状に低下する屈折率分布を有する屈折率分布型レンズである、第２の本発明の光デバイスである。
【００１８】
また、第４の本発明は、
前記光学素子の屈折率を、前記中心軸からの距離に従って低下する屈折率とすることにより、前記第１光変換素子に所定の入射角範囲で入射する入力光に対して拡散する光を前記第２光変換素子から出力させる、第３の本発明の光デバイスである。
【００１９】
また、第５の本発明は、
前記光学素子の屈折率を、前記中心軸からの距離に従って増大する屈折率とすることにより、前記第１光変換素子に所定の入射角範囲で入射する入力光に対して平行光または集光光を前記第２光変換素子から出力させる、第３の本発明の光デバイスである。
【００２０】
また、第６の本発明は、
前記光学素子は、前記中心軸に垂直な２次元方向に複数の光学物体を配列した構造を有している、第３の本発明の光デバイスである。
【００２１】
また、第７の本発明は、
前記各光学物体の屈折率は異なっている、第６の本発明の光デバイスである。
【００２２】
また、第８の本発明は、
前記各光学物体の屈折率は、電気的な制御によって変更可能であり、
前記各光学物体の屈折率、前記各光学物体の前記中心軸からの距離、および前記中心軸周りの回転角の関係を制御することにより前記第２光変換素子からの出力を制御する、第７の本発明の光デバイスである。
【００２３】
また、第９の本発明は、
前記各光学物体の屈折率と前記中心軸からの距離との関係を、前記中心軸周りの回転角度に応じて異ならせた、第７の本発明の光デバイスである。
【００２４】
また、第１０の本発明は、
前記中心軸周りの回転角度について、前記各光学物体の屈折率と前記中心軸からの距離との関係が、負の相関となる回転角度範囲と、正の相関となる回転角度範囲とがある、第９の本発明の光デバイスである。
【００２５】
また、第１１の本発明は、
入力面から入射した光の入射方向に対して、出射位置が１対１で対応する前記入力面に平行な出力面を有し、前記入力面から入射した光の、前記入力面に垂直な方向を基準とする入射角度に対して、前記出射面上の出射位置における出射角度を小さくする第１光変換素子と、
前記出力面に近接して配置され、前記第１光変換素子の前記入力面に垂直な方向に周期構造を有するフォトニック結晶とを備えた光デバイスである。
【００２６】
また、第１２の本発明は、
前記フォトニック結晶の前記周期構造の周期は、前記第１光変換素子から入射した所定の光の実質上半波長の整数倍に等しい、第１１の本発明の光デバイスである。
【００２７】
また、第１３の本発明は、
前記フォトニック結晶から出射された、前記所定の光の波長以外の波長を有する光が入射するように前記フォトニック結晶に近接して配置され、光の入射位置に対して１対１で対応する出射方向で出力する第２光変換素子を備えた、第１２の本発明の光デバイスである。
【００２８】
また、第１４の本発明は、
前記第１光変換素子および前記第２光変換素子は、中心軸上で最大で前記中心軸からの距離に従って放物線状に低下する屈折率分布を有する屈折率分布型レンズである、第１３の本発明の光デバイスである。
【００２９】
また、第１５の本発明は、
前記第１光変換素子は、０．２５＋０．５×ｉピッチ（ｉは、０以上の整数）の光路長を有する屈折率分布型レンズであり、
前記第２光変換素子は、０．２５＋０．５×ｊピッチ（ｊは、０以上の整数）の光路長を有する屈折率分布型レンズである、第３または第１４の本発明の光デバイスである。
【発明の効果】
【００３０】
本発明により、簡単な構造で、スーパーコリメート機能を実現可能な高分散特性を有する光デバイスを提供できる。
【００３１】
また、別の本発明により、簡単な構造で、フォトニックバンドギャップ効果を得られる高分散特性を有する光デバイスを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
【００３３】
（実施の形態１）
図１に、本発明の実施の形態１の光デバイスの側断面模式図を示す。
【００３４】
本実施の形態１の光デバイスは、図１に示すように、光の入射側から順に、入力側０．２５ピッチ屈折率分布型（ＧＲＩＮ）レンズ１、２次元配列光学素子２、および出力側０．７５ピッチＧＲＩＮレンズ３で構成されている。
【００３５】
なお、入力側０．２５ピッチ屈折率分布型（ＧＲＩＮ）レンズ１、２次元配列光学素子２、および出力側０．７５ピッチＧＲＩＮレンズ３が、それぞれ本発明の、第１光変換素子、光学素子、および第２光変換素子の一例にあたる。
【００３６】
入力側０．２５ピッチＧＲＩＮレンズ１は、中心軸５で最大で、中心軸５からの距離に従って放物線状に低下する屈折率分布を有し、０．２５ピッチの光路長を有するＧＲＩＮレンズである。
【００３７】
２次元配列光学素子２は、薄い膜状であり、入力側０．２５ピッチＧＲＩＮレンズ１の出力面２３に近接して配置されている。そして、２次元配列光学素子２は、中心軸５方向（膜厚方向）に均質であり、中心軸５に垂直な２次元方向に第ｉ材料４（ｉ＝１、２、３、・・・、ｍ：ｍは整数）が配列された構成をしている。
【００３８】
なお、２次元配列光学素子２を構成している複数の第ｉ材料４が、本発明の複数の光学物体の一例にあたる。
【００３９】
入力側０．２５ピッチＧＲＩＮレンズ１には、図１を記載している紙面上に沿って進行する向きの光が入射するものとした場合、入力側０．２５ピッチＧＲＩＮレンズ１に入射角θｉ８（ｉ＝１，２，３・・・，ｍ：整数）で入射した光は、入射角θｉ８と１対１対応する、出力面２３上の出射位置から出射する。したがって、２次元配列光学素子２へは、入射角θｉ８に１対１対応する、出力面２３上の出射位置に対応した材料入射位置ｒｉ９に入射する。そして、材料入射位置ｒｉ９に配列された第ｉ材料４の光学特性（屈折率）が、所望の３次元分散特性（周波数ωｉ、入射角θｉでの屈折率がｎｉ）に等しくなるように各第ｉ材料４が配列されている。
【００４０】
上記では、説明をわかり易くするために、入力側０．２５ピッチＧＲＩＮレンズ１には、図１を記載している紙面上に沿って進行する向きの光が入射するものとして説明したが、それ以外の方向（紙面の左前方や、紙面の左後方など）からも入力面２２に入射光６が入射する。これらの入射光６は、それぞれ入射方向と１対１対応する、出力面２３上の出射位置から出射する。すなわち、入力面２２への入射方向に１対１対応する、出力面２３上の出射位置に対応した２次元配列光学素子２の材料入射位置ｒｉ９に入射する。材料入射位置ｒｉ９に配列された第ｉ材料４の光学特性（屈折率）が、所望の３次元分散特性（周波数ωｉ、入力面２２への入射方向での屈折率がｎｉ）に等しくなるように各第ｉ材料４が、中心軸５から垂直な２次元方向に配列されている。
【００４１】
なお、本明細書における「所望の３次元分散特性」とは、例えば、図２（ｃ）や図４（ｃ）に示すような入射方向に関連する分散面を有する特性などである。これらの分散面の詳細については後述する。
【００４２】
そして、中心軸５で最大で、中心軸５からの距離に従って放物線状に低下する屈折率分布を有し、０．７５ピッチの光路長を有する出力側０．７５ピッチＧＲＩＮレンズ３が、その中心軸が入力側０．２５ピッチ屈折率分布型（ＧＲＩＮ）レンズ１の中心軸５に一致するように２次元配列光学素子２に近接して配置されている。
【００４３】
なお、入力側０．２５ピッチＧＲＩＮレンズ１と２次元配列光学素子２、２次元配列光学素子２と出力側０．７５ピッチＧＲＩＮレンズ３は、それぞれ接していてもよいし、離れて配置されていてもよい。
【００４４】
なお、本明細書における入射角とは、光デバイスの中心軸５に平行な入射位置を通る直線と、入射光の光線経路とで形成される平面上における、前記中心軸５に平行な直線と入射光の光線経路とがなす角度を言う。同様に、本明細書における出射角とは、光デバイスの中心軸５に平行な出射位置を通る直線と、出射光の光線経路とで形成される平面上における、前記中心軸５に平行な直線と出射光の光線経路とがなす角度を言う。したがって、図１に示した入射角θｉ８および出射角θｏ２０が、本明細書で言う入射角および出射角である。
【００４５】
図１では、本実施の形態１の光デバイスに入射する光の経路を、異なる入射角θｉ８で入射する光ごとに、実線、点線、破線、長破線で模式的に示している。なお、２次元配列光学素子２を通過した後は、位相速度と群速度とが異なるため、出力側０．７５ピッチＧＲＩＮレンズ３内では波数の軌跡を示し、出力側０．７５ピッチＧＲＩＮレンズ３の出力面２５から出射された出射光７については、直感的な光線（群速度）で示している。光の経路をこのように示している理由については、後述する。
【００４６】
次に、図１〜図５を用いて、２次元構造を使用して光学的な３次元特性が得られるメカニズムを説明する。
【００４７】
図２（ａ）は、２次元配列光学素子２の各第ｉ材料４の分散特性を示し、図２（ｂ）は、２次元配列光学素子２の各第ｉ材料４の分散面を示している。図２（ｃ）は、２次元配列光学素子２の各第ｉ材料４の数ｍを大きくした場合の分散面を示している。
【００４８】
図３は、入射光６として、平行光を図１に示した本実施の形態１の光デバイスに入射させたときの光の経路を模式的に示している。図３（ａ）は、入射光６が入射角θｉ＝０°で入射した場合の模式図を、図３（ｂ）は、入射光６が入射角θｉ＞０°で入射した場合の模式図を、それぞれ示している。
【００４９】
まず、図３（ａ）および（ｂ）に示すように、入射側０．２５ピッチＧＲＩＮレンズ１の入力面２２上に入射角θｉで入射する入射光６は、入力面２２上の入射位置に関わらず出力面２３上の同じ出射位置に集光する。
【００５０】
出力面２３上で集光した入射側０．２５ピッチＧＲＩＮレンズ１からの出射光は、出力面２３に近接して配置された２次元配列光学素子２を構成する中心軸５方向に均質な屈折率ｎｉの第ｉ材料４と相互作用した後、出力側０．７５ピッチＧＲＩＮレンズ３の入力面２４上の入射位置に入射し、出力面２５から出射角θｏで出射する。
【００５１】
ただし、２次元配列光学素子２の光路長は０．２５ピッチＧＲＩＮレンズ１の焦点範囲以下にし、近似的に、中心軸５を基準とした２次元配列光学素子２への入射位置が、２次元配列光学素子２の出射位置と等しくなるように設計する。すなわち、２次元配列光学素子２への入射位置と出射位置とを結ぶ直線が中心軸５に平行と見なせるようにし、２次元配列光学素子２への入射角度が、２次元配列光学素子２からの出射角度と等しくなるように設計する。具体的には、本実施の形態１の光デバイスの光路長Ｌに対して、２次元配列光学素子２の膜厚ｔが非常に薄くなるように設計することにより、これらの条件を満たすことができる。
【００５２】
図２（ａ）では、２次元配列光学素子２を構成する各第ｉ材料４の分散特性を、図１において各第ｉ材料４に入射する光の経路を示した線の形状に合わせて示している。すなわち、図１において、実線、点線、破線、長破線で示したそれぞれの光が入射している各第ｉ材料４の分散特性を、図２（ａ）では、実線、点線、破線、長破線でそれぞれ示している。
【００５３】
２次元配列光学素子２を構成する第ｉ材料４の屈折率（分散関係の傾きの逆数）を、図２（ａ）に示すように中心軸５からの距離に従って小さくすると、周波数ω１における分散面は、図２（ｂ）のように中心軸５方向（伝搬方向ｋｚ）から中心軸５に垂直な方向（ｋｘ）に向かって（入射角θｉが大きくなるに従って）波数がステップ状に小さくなる。
【００５４】
そして、屈折率が異なる第ｉ材料４で構成された２次元配列光学素子２の、中心軸５に垂直な２次元方向の屈折率の変化が滑らかになるように第ｉ材料４の数ｍを大きくすると、図２（ｃ）のように分散面２６が滑らかになるので、入射側０．２５ピッチＧＲＩＮレンズ１の入射角θｉ８（入射方向）と、入射側０．２５ピッチＧＲＩＮレンズ１の出射位置ｒｉ９に位置する２次元配列光学素子２を構成する第ｉ材料４の屈折率ｎｉとの関係を、所望の入射角θ（入射方向）と屈折率ｎ（θ）の関係に等しくすれば、所望の３次元構造の分散特性（入射角度（入射方向）と屈折関係）と等価な分散特性を２次元構造で得ることができる。
【００５５】
このように、角度情報を位置情報に変換するビーム変換部（入射側０．２５ピッチＧＲＩＮレンズ１および出力側０．７５ピッチＧＲＩＮレンズ３）と所望の３次元の角度特性（分散関係）を有する材料（第ｉ材料４）を光軸に垂直な２次元方向に配置することで、２次元構造を使用して光学的な３次元特性を実現することができる。
【００５６】
なお、出力側０．７５ピッチＧＲＩＮレンズ３のピッチも０．２５にすれば、入射光θｉ８に対して中心軸５に対称な向きの出射光が得られるので、入射角θｉ８に対して屈折率−ｎｉと等価となり、所望材料の負屈折特性を示す。
【００５７】
図４（ａ）は、各第ｉ材料４を中心軸からの距離に従って屈折率が大きくなるように配列した場合の２次元配列光学素子２の分散特性を示している。図４（ｂ）は、各第ｉ材料４を図４（ａ）の分散特性となるように配列した場合の２次元配列光学素子２の分散面を示している。図４（ｃ）は、各第ｉ材料４を中心軸からの距離に従って屈折率が大きくなるような配列で各第ｉ材料４の数ｍを大きくした場合の、フラットになる分散面および負曲率半径の分散面の例を示している。
【００５８】
２次元配列光学素子２を構成する第ｉ材料４の屈折率（分散関係の傾きの逆数）を、図２（ａ）に示す関係とは逆に、図４（ａ）のように、中心軸５からの距離に従って大きくすると、周波数ω１における分散面は、図４（ｂ）のように中心軸５方向（伝搬方向ｋｚ）から中心軸５に垂直な方向（ｋｘ）に向かって（入射角θｉが大きくなるに従って）波数がステップ状に大きくなる。
【００５９】
そして、屈折率が異なる第ｉ材料４で構成された２次元配列光学素子２の、中心軸５に垂直な２次元方向の屈折率の変化が滑らかになるように第ｉ材料４の数ｍを大きくすると、図４（ｃ）に示すように、２次元配列光学素子２の分散面を、ｋｚ方向にフラットな平行光分散面２７、あるいは、曲率半径が負の弧を描く集光分散面２８にできる。
【００６０】
分散面が図２（ｃ）のように、曲率半径が正の場合は自然材料のように光は拡散するが、図４（ｃ）のように、フラット（平行光分散面２７）の場合は入射状態に依らず平行光（スーパーコリメーター）になったり、あるいは、曲率半径が負（集光分散面２８）の場合は集光光になる。
【００６１】
さらに、図５を用いて、本実施の形態１の構成の光デバイスにより、高分散特性を得られるメカニズムについて詳細に説明する。
【００６２】
図５（ａ）は、本実施の形態１の光デバイスで拡散光を出力させる場合の分散面について説明する図である。図５（ｂ）および（ｃ）は、それぞれ、本実施の形態１の光デバイスで平行光および集光光を出力させる場合の図を示しており、いずれの図も、本実施の形態１の光デバイスを構成しているＧＲＩＮレンズおよび２次元配列光学素子の分散面を示している。
【００６３】
図５（ａ）に示すＧＲＩＮレンズの分散面とは、図１に示した入力側０．２５ピッチＧＲＩＮレンズ１および出力側０．７５ピッチＧＲＩＮレンズ３の分散面であり、同心円状の点線で示しており、中心軸から離れるに従って半径が小さくなる。また、ＧＲＩＮレンズの分散面の外側の実線で示した曲線が、２次元配列光学素子の分散面を示している。
【００６４】
まず、伝搬光の空間的な振動状態（波数ｋ）を拡散光について説明する。
【００６５】
図５（ａ）では、入射角の異なる３種類の入射光を、点線、破線および長破線で示している。
【００６６】
これらの入射角の異なる入射光は、異なる伝搬定数（ｋｚ軸の余弦）で伝搬する。図５（ａ）では、長破線の入射光の伝搬定数を太点線（ｋｚ軸上）で示している。そして、長破線で示した入射光の場合は、その光線軌跡は、図５（ａ）に示す一点鎖線上をＧＲＩＮレンズ内を通過するピッチに応じて移動する。
【００６７】
このとき、伝搬定数ｋｚは一定（ｚ方向の運動量保存則）であるが、ｋｘのみ変動し、１ピッチで元に戻る。ここで、０．２５ピッチ（ｋｘ＝０）のところに２次元配列光学素子を配置した場合、入出力側の境界面ではｘ方向の運動量保存則によりｋｘ＝０が保存されるので、２次元配列光学素子はｋｚ方向に一定の位相差を付加する役目をするだけとなり、その後の０．７５ピッチのＧＲＩＮレンズでの波数ｋの変化は、２次元配列光学素子が無い場合と同様に変化する。したがって、０．７５ピッチのＧＲＩＮレンズの出射端での波数ｋは、０．２５ピッチのＧＲＩＮレンズの入射端での波数ｋと同じになる。
【００６８】
２次元配列光学素子の無いＧＲＩＮレンズのみの構成の場合は、分散面が全て同心円であり、位相速度と群速度が同じなので、波数ｋの軌跡と光線の軌跡は同じである。
【００６９】
これに対し、同心円と異なる分散面を有する２次元配列光学素子が加わった場合には、位相速度の変化は同じであるが、入射角度でｚ方向に付加される位相変化が異なる。すなわち、この場合、波数ｋの軌跡は２次元配列光学素子の有無に依らず同じであるが、光線（群速度）の軌跡は異なる。
【００７０】
したがって、図１に示した本実施の形態１の光デバイスの出力側０．７５ピッチＧＲＩＮレンズ３内では、波数ｋの軌跡と光線（群速度）の軌跡が異なる。そのため、図１においては、出力側０．７５ピッチＧＲＩＮレンズ３内は波数ｋの軌跡を描き、出力側０．７５ピッチＧＲＩＮレンズ３の出力面２５から出射された出射光７は、直感的な光線（群速度）を描いている。
【００７１】
伝搬定数ｋｘは１ピッチで元に戻るので、入力側０．２５ピッチＧＲＩＮレンズ１の入力面２２と出力側０．７５ピッチＧＲＩＮレンズ３の出力面２５における位相変化は、実質的に２次元配列光学素子２の寄与のみとなる。したがって、出力側０．７５ピッチＧＲＩＮレンズ３の出力面２５での状態は、入射角度θｉ８に対応する２次元配列光学素子２の材料入射位置ｒｉ９に配列されている、屈折率ｎｉを有する第ｉ材料４と等価となる。
【００７２】
したがって、図１に示した本実施の形態１の光デバイスにおいて、図５（ａ）に示すような分散面を持つ２次元配列光学素子２を用いると、図２（ｃ）のような分散面２６を形成でき、拡散光を出射させることができる。
【００７３】
同様に、図５（ｂ）に示すような分散面を持つ２次元配列光学素子２を用いると、図４（ｃ）の平行光分散面２７を形成でき、入射角度に関わらず平行光を出射させることができる。
【００７４】
同様に、図５（ｃ）に示すような分散面を持つ２次元配列光学素子２を用いると、図４（ｃ）の集光分散面２８を形成でき、光デバイスを出射した後に集光する集光光を出射させることができる。
【００７５】
２次元配列光学素子２として、平行光分散面２７に近似する分散面を有する２次元配列光学素子を用いた本実施の形態１の光デバイスの模式的な光の経路を図６（ａ）に示し、集光分散面２８に近似する分散面を有する２次元配列光学素子を用いた本実施の形態１の光デバイスの模式的な光の経路を図６（ｂ）に示す。
【００７６】
図６（ａ）および（ｂ）では、図１と同様に、出力側０．７５ピッチＧＲＩＮレンズ３内は波数ｋの軌跡を描き、出力側０．７５ピッチＧＲＩＮレンズ３の出力面２５から出射された出射光７は、直感的な光線（群速度）を描いている。上述したように、２次元配列光学素子２の分散面が異なっても波数ｋは変化しないので、図６（ａ）および（ｂ）における出力側０．７５ピッチＧＲＩＮレンズ３内の波数ｋの軌跡は、図１に示した光デバイスの出力側０．７５ピッチＧＲＩＮレンズ３内の波数ｋの軌跡と同様の軌跡である。
【００７７】
図６（ａ）の場合、２次元配列光学素子２が平行光分散面２７に近似する分散面を有するので、入力側０．２５ピッチＧＲＩＮレンズ１の入力面２２上の中心軸５の位置に入射した入射光６は、それらの入射角度に関わらず、出射光７として中心軸５に沿った光線が出射される。同様に、入力面２２上の別の位置に入射した光も、それらの入射角度に関わらず、出力面２５の別の位置から、中心軸５と平行に出射される。したがって、入力面２２上にさまざまな角度で入射する入射光６は、出力面２５から中心軸５に平行な平行光となって出射される。
【００７８】
従来のように複雑な３次元構造のフォトニック結晶を作製しなくても、本実施の形態１の光デバイスのような２次元構造の作製でスーパーコリメーターを実現できる。
【００７９】
図６（ｂ）の場合、２次元配列光学素子２が集光分散面２８に近似する分散面を有するので、入力側０．２５ピッチＧＲＩＮレンズ１の入力面２２上の中心軸５の位置に入射した入射光６は、それらの入射角度に対し、それぞれ入射角度とは異なった出射角度で出射光７として中心軸５の位置から出射される。図６（ｂ）では、入力面２２上の中心軸５の位置に異なる入射角度で入射する光の軌跡を示しているが、入力面２２に平行光を入射させた場合には、入力面２２上の入射位置によって出力面２５から出射される光の出射角度が異なり、出力面２５から出射した後に光デバイスの外部で集光するような出射光７となる。
【００８０】
また、図６（ｂ）では２次元配列光学素子２が集光分散面２８に近似する分散面を有しているので、図５（ｃ）に示したように、入射光６が入射する入射角に対して逆の向き、すなわち負の屈折率となる向きに出射光７が出射される。
【００８１】
以上は、わかり易く説明するために、２次元配列光学素子２の屈折率変化を同心円状、すなわち、１次元状にして説明したが、中心軸５の回転方向にも屈折率変化をもたせるようにしてもよい。
【００８２】
図７（ａ）に、中心軸５の回転方向にも屈折率変化をもたせた２次元配列光学素子２の断面構成図を示す。図７（ｂ）は、図７（ａ）のような屈折率変化をもつ２次元配列光学素子２の分散特性を示している。
【００８３】
図７（ａ）の２次元配列光学素子２は、同じ模様で示した部分でも、拡散光部分１１、平行光部分１２、および集光光部分１３のそれぞれで屈折率が異なるようにしている。このように、２次元配列光学素子２に、中心軸回転方向（入射角方位βｉ１０）にも屈折率変化をもたせると、入射角方位βｉで異なる分散面を実現でき、拡散光部分１１や集光光部分１３や平行光部分１２などを組み合わせたハイブリッドな光学特性も実現できる。
【００８４】
すなわち、拡散光部分１１の分散面が図７（ｂ）の拡散分散面２９となるように、平行光部分１２の分散面が平行光分散面３０となるように、集光光部分１３の分散面が集光分散面３１となるように、２次元配列光学素子２の第ｉ材料４を配列させることにより、材料入射位置ｒｉ９によって、曲率半径が正（拡散分散面）や負（集光分散面）やフラット（平行光分散面）などの異なった光学特性を持たせることができる。
【００８５】
なお、図７（ａ）の入射角方位βｉ１０が拡散光部分１１となる角度範囲が、本発明の、各光学物体の屈折率と中心軸からの距離との関係が負の相関となる回転角度範囲の一例にあたり、入射角方位βｉ１０が平行光部分１２および集光光部分１３となる角度範囲が、本発明の、各光学物体の屈折率と中心軸からの距離との関係が正の相関となる回転角度範囲の一例にあたる。
【００８６】
このようなハイブリッドな光学特性を持つ本実施の形態１の光デバイスを用いると、ビーム形状を任意に制御できる。例えば、ｘ方向に「平行光部分」、ｙ方向に「集光光部分」となるように直交配置させれば、ｘ方向は平行光でｙ方向には集光するライン状のビーム形状を実現できる。
【００８７】
なお、本実施の形態１では、入力側０．２５ピッチＧＲＩＮレンズ１の光路長を０．２５ピッチとしたが、０．２５＋０．５×ｉピッチ（ｉは、０以上の整数）の光路長としても同様の効果が得られる。同様に、出力側０．７５ピッチＧＲＩＮレンズ３の光路長を０．７５ピッチとしたが、０．２５＋０．５×ｊピッチ（ｊは、０以上の整数）の光路長としてもよい。
【００８８】
また、本実施の形態１では、２次元配列光学素子２の第ｉ材料４の屈折率が正の場合について説明したが、屈折率は負でも良い。
【００８９】
なお、本実施の形態１の２次元配列光学素子２を構成している第ｉ材料４として、ｉ種類の屈折率を有する物質であれば、何を用いてもよい。
【００９０】
各第ｉ材料４におけるｉ種類の屈折率の変化のさせ方として、例えば、２，２−ビ（３，４−ジカルボキシフェニル）ヘキサフルオロプロパン二無水物とピロメリット酸二無水物との重合生成物、および２，２'−ビス（トリフルオロメチル）−４，４'−ジアミノビフェニルを混合し、この混合物中のフッ素の含有量を変化させることにより、ｉ種類の屈折率を実現できる。
【００９１】
また、化合物半導体の組成比を変化させても、ｉ種類の屈折率を実現できる。
【００９２】
また、第ｉ材料４として、液晶などの電気的に屈折率が変化する物質を用い、電気的に屈折率を変化させるように制御して、１つの光デバイスで光学特性を変化させるようにしてもよい。
【００９３】
（実施の形態２）
図８に、本発明の実施の形態２の光デバイスの側断面模式図を示す。なお、図１と同じ構成部分には、同じ符号を用いている。
【００９４】
本実施の形態２の光デバイスは、図８に示すように、光の入射側から順に、入力側０．２５ピッチ屈折率分布型（ＧＲＩＮ）レンズ１、１次元フォトニック結晶１４、および出力側０．７５ピッチＧＲＩＮレンズ３で構成されている。
【００９５】
なお、入力側０．２５ピッチ屈折率分布型（ＧＲＩＮ）レンズ１および出力側０．７５ピッチＧＲＩＮレンズ３が、それぞれ本発明の、第１光変換素子および第２光変換素子の一例にあたる。また、１次元フォトニック結晶１４が、本発明の、第１光変換素子の入力面に垂直な方向に周期構造を有するフォトニック結晶の一例にあたる。
【００９６】
入力側０．２５ピッチＧＲＩＮレンズ１は、中心軸５で最大で、中心軸５からの距離に従って放物線状に低下する屈折率分布を有し、０．２５ピッチの光路長を有するＧＲＩＮレンズである。
【００９７】
また、中心軸５で最大で、中心軸５からの距離に従って放物線状に低下する屈折率分布を有し、０．７５ピッチの光路長を有する出力側０．７５ピッチＧＲＩＮレンズ３が、その中心軸が入力側０．２５ピッチ屈折率分布型（ＧＲＩＮ）レンズ１の中心軸５に一致するように１次元フォトニック結晶１４に近接して配置されている。
【００９８】
これらの、入力側０．２５ピッチＧＲＩＮレンズ１および出力側０．７５ピッチＧＲＩＮレンズ３の構成は、図１に示した実施の形態１の光デバイスの各ＧＲＩＮレンズと同様の構成である。
【００９９】
また、１次元フォトニック結晶１４の厚さは、その光路長が、フォトニックバンドギャップを得るための光の半波長の実質上整数倍となる厚さである。ここで、「実質上」半波長の整数倍とは、厳密に半波長の整数倍の厚さに限らず、フォトニックバンドギャップの効果が得られる範囲まで含んだ、社会通念上半波長の整数倍と同視し得る厚さを言う。
【０１００】
すなわち、本実施の形態２の光デバイスの構成は、図１に示した実施の形態１の光デバイスの２次元配列光学素子２を構成する中心軸５方向に均質な材料を、全て中心軸５方向に１次元の屈折率周期を有する１次元フォトニック結晶１４に置換した構成である。
【０１０１】
なお、入力側０．２５ピッチＧＲＩＮレンズ１と１次元フォトニック結晶１４、１次元フォトニック結晶１４と出力側０．７５ピッチＧＲＩＮレンズ３は、それぞれ接していてもよいし、離れて配置されていてもよい。
【０１０２】
図９（ａ）は、１次元フォトニック結晶１４の分散特性を、図９（ｂ）は、１次元フォトニック結晶１４の周波数ω１における分散面を、それぞれ示している。
【０１０３】
図９（ａ）に示すように、１次元フォトニック結晶１４の分散特性３２が、光源周波数ω１でフォトニックバンドギャップ１５を有する場合、周波数ω１の分散面は、図９（ｂ）のように、分散曲線が存在しない。すなわち、入射角度に依らずブラグ反射されるのでフルバンドギャップが実現できる。ただし、正確には入力側０．２５ピッチＧＲＩＮレンズ１の受光角度に制限があるので、入力側０．２５ピッチＧＲＩＮレンズ１の受光角度範囲においてバンドギャップが得られる。
【０１０４】
１次元フォトニック結晶１４単体でフォトニックバンドギャップの効果を得るためには、１次元フォトニック結晶１４の入力面に垂直に、すなわち限られた狭い角度範囲で光を入射させなければならない。本実施の形態２の光デバイスは、入力側０．２５ピッチＧＲＩＮレンズ１によって入力面２２に対して広い角度範囲で入射してきた入射光６を１次元フォトニック結晶１４の入射面に垂直に入射するように入射光６の方向を制御するので、広い角度範囲から入射した光に対してフォトニックバンドギャップの効果を得ることができる。また、出力側０．７５ピッチＧＲＩＮレンズ３によって、１次元フォトニック結晶１４から出射される光の方向を、本実施の形態２の光デバイスの出射方向に変換して出射する。
【０１０５】
すなわち、本実施の形態２の光デバイスの構成にすることにより、１次元フォトニック結晶１４を用いて、２次元または３次元のフォトニック結晶でしか得られない、フルバンドギャップなどの光学特性を実現できる。
【０１０６】
このように、バンドギャップのように所望の特性が入射角で変化しない場合は、１次元構成で３次元の特性を実現することができる。
【０１０７】
本実施の形態２の光デバイスを利用して、例えば、ある特定の周波数の光のみを遮断するような光フィルタを実現できる。
【０１０８】
なお、所望の分散特性がフルバンドギャップでなく、入射角度でバンドギャップや屈折率変化させたい場合は、１次元フォトニック結晶１４の代わりに、中心軸５に垂直な２次元方向に周期の異なるフォトニック結晶を使用すればよい。
【０１０９】
なお、本実施の形態２では、入力側０．２５ピッチＧＲＩＮレンズ１の光路長を０．２５ピッチとしたが、０．２５＋０．５×ｉピッチ（ｉは、０以上の整数）の光路長としても同様の効果が得られる。同様に、出力側０．７５ピッチＧＲＩＮレンズ３の光路長を０．７５ピッチとしたが、０．２５＋０．５×ｊピッチ（ｊは、０以上の整数）の光路長としてもよい。
【０１１０】
以上に説明したように、本発明の光デバイスは、作製困難な３次元構造において、より低い次元の構造で等価的に３次元構造の分散特性を得ることができる。
【０１１１】
つまり、本発明により、次元の一つ低い構造を使用して所望の次元、例えば、所望の構造が３次元構造の場合は２次元構造を使用して光学的に３次元構造と等価な特性を有する光デバイスを作製できる。
【産業上の利用可能性】
【０１１２】
本発明に係る光デバイスは、簡単な構造で、スーパーコリメート機能を実現可能な高分散特性を有し、３次元構造のフォトニック結晶などによって実現される高分散特性を有する受光デバイス等として有用である。
【０１１３】
また、別の発明に係る光デバイスは、簡単な構造で、フォトニックバンドギャップ効果を得られる高分散特性を有し、３次元構造のフォトニック結晶などによって実現される高分散特性を有する受光デバイス等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１１４】
【図１】本発明の実施の形態１の光デバイスの側断面模式図
【図２】（ａ）本発明の実施の形態１の光デバイスの２次元配列光学素子の各第ｉ材料の分散特性を示す図、（ｂ）本発明の実施の形態１の光デバイスの２次元配列光学素子の各第ｉ材料の分散面を示す図、（ｃ）本発明の実施の形態１の光デバイスの２次元配列光学素子の各第ｉ材料の数ｍを大きくした場合の分散面を示す図
【図３】（ａ）本発明の実施の形態１の光デバイスに、入射角＝０°で入射光を入射した場合の光線軌跡を示す模式図、（ｂ）本発明の実施の形態１の光デバイスに、入射角＞０°で入射光を入射した場合の光線軌跡を示す模式図
【図４】（ａ）本発明の実施の形態１の光デバイスの各第ｉ材料を中心軸からの距離に従って屈折率が大きくなるように配列した場合の２次元配列光学素子の分散特性を示す図、（ｂ）本発明の実施の形態１の光デバイスの各第ｉ材料を（ａ）の分散特性となるように配列した場合の２次元配列光学素子の分散面を示す図、（ｃ）本発明の実施の形態１の光デバイスの各第ｉ材料を中心軸からの距離に従って屈折率が大きくなるような配列で各第ｉ材料４の数ｍを大きくした場合の、フラットになる分散面および負曲率半径の分散面の例を示す図
【図５（ａ）】本発明の実施の形態１の光デバイスで拡散光を出力させる場合の分散面について説明する図
【図５（ｂ）】本発明の実施の形態１の光デバイスで平行光を出力させる場合の分散面について説明する図
【図５（ｃ）】本発明の実施の形態１の光デバイスで集光光を出力させる場合の分散面について説明する図
【図６（ａ）】本発明の実施の形態１の光デバイスの２次元配列光学素子として、平行光分散面に近似する分散面を有する２次元配列光学素子を用いた場合の光線軌跡を示す模式図
【図６（ｂ）】本発明の実施の形態１の光デバイスの２次元配列光学素子として、集光分散面に近似する分散面を有する２次元配列光学素子を用いた場合の光線軌跡を示す模式図
【図７】（ａ）本発明の実施の形態１の光デバイスの、中心軸の回転方向にも屈折率変化をもたせた２次元配列光学素子の断面構成図、（ｂ）本発明の実施の形態１の光デバイスの、中心軸の回転方向にも屈折率変化をもたせた２次元配列光学素子の分散特性を示す図
【図８】本発明の実施の形態２の光デバイスの側断面模式図
【図９】（ａ）本発明の実施の形態２の光デバイスの１次元フォトニック結晶の分散特性を示す図、（ｂ）本発明の実施の形態２の光デバイスの１次元フォトニック結晶の周波数ω１における分散面を示す図
【符号の説明】
【０１１５】
１  入力側０．２５ピッチＧＲＩＮレンズ
２  ２次元配列光学素子
３  出力側０．７５ピッチＧＲＩＮレンズ
４  第ｉ材料
５  中心軸
６  入射光
７  出射光
８  入射角θｉ
９  材料入射位置ｒｉ
１０  入射方位角βｉ
１１  拡散光部分
１２  平行光部分
１３  集光光部分
１４  １次元フォトニック結晶
１５  フォトニックバンドギャップ
２０  出射角θｏ
２１  材料出射位置ｒｏ
２２  入力面
２３  出力面
２４  入力面
２５  出力面
２６  分散面
２７  平行光分散面
２８  集光分散面
２９  拡散分散面
３０  平行光分散面
３１  集光分散面
３２  フォトニック結晶の分散特性
【図２】
2009139669.tif 000003
【図４】
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【図５（ａ）】
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【図５（ｂ）】
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【図５（ｃ）】
2009139669.tif 000007
【図７】
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【図９】
2009139669.tif 000009
【図１】
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【図３】
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【図６（ａ）】
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【図６（ｂ）】
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【図８】
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