(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長λの入射光をＴＥ波とＴＭ波とに分離する第１の光学部材と、前記第１の光学部材に前記入射光を入力する光入力手段とを備える光デバイスであって、
前記第１の光学部材は屈折率が周期的に変化する構造を有するフォトニック結晶で構成され、
前記波長λにおける前記フォトニック結晶の固有の方向の第１の逆格子ベクトルα1と第２の逆格子ベクトルα2とがなす角度が９０°以下であり、
前記第１の逆格子ベクトルα1の方向において前記ＴＥ波の波数が前記ＴＭ波の波数よりも大きく、
前記第２の逆格子ベクトルα2の方向において前記ＴＥ波の波数が前記ＴＭ波の波数よりも小きく、
前記光入力手段は、前記第１の逆格子ベクトルα1と前記第２の逆格子ベクトルα2とを含む面Ｐ12に平行な方向に前記入射光を入力することを特徴とする光デバイス。
【請求項２】
前記第１の光学部材は、屈折率が異なる複数の物質が、２次元方向に一定の周期で配置された構造を有する請求項１に記載の光デバイス。
【請求項３】
前記第１の光学部材は、第１の物質と、前記第１の物質の内部に配置された複数の粒子とを含み、
前記粒子は、前記第１の物質とは屈折率が異なる第２の物質からなり、
前記粒子は、一定の周期で前記第１の物質の内部に配置されている請求項１に記載の光デバイス。
【請求項４】
前記第１の光学部材は、第１の物質と、前記第１の物質の内部に配置された複数の柱状部とを含み、
前記複数の柱状部は前記第１の物質とは屈折率が異なる第２の物質からなり、
前記柱状部のそれぞれの中心軸は、お互いに平行で且つ前記入射光の入射方向と垂直であり、
前記複数の柱状部は、一定の周期で配置されている請求項１に記載の光デバイス。
【請求項５】
前記第１の光学部材は、前記入射光の入射方向に交互に積層された複数の第１の層と複数の第２の層とを備え、
前記第１の層は第１の物質からなり、前記第２の層は、前記第１の物質とは屈折率が異なる第２の物質からなる請求項１に記載の光デバイス。
【請求項６】
前記第１の光学部材から出力される出射光を受光する光出力手段をさらに備え、
前記光入力手段が光ファイバＦ（０）を備え、
前記光出力手段が、光ファイバＦ（１）およびＦ（２）を備え、
前記光ファイバＦ（０）ならびに前記光ファイバＦ（１）およびＦ（２）は、前記面Ｐ12と平行に配置されており、
前記光ファイバＦ（１）の端部に前記第１の光学部材から出力される前記ＴＥ波が入射し、前記光ファイバＦ（２）の端部に前記第１の光学部材から出力される前記ＴＭ波が入射する請求項１に記載の光デバイス。
【請求項７】
第２の光学部材をさらに備え、
前記第１の光学部材と前記第２の光学部材とは、前記光入力手段によって入力された光がこの順序で透過するように配置されており、
前記第２の光学部材は屈折率が周期的に変化する構造を有し、
前記波長λにおける前記第２の光学部材の第１の逆格子ベクトルβ1と第２の逆格子ベクトルβ2とがなす角度が９０°以下であり、
前記第１の逆格子ベクトルβ1の方向において前記ＴＥ波の波数が前記ＴＭ波の波数よりも大きく、
前記第２の逆格子ベクトルβ2の方向において前記ＴＥ波の波数が前記ＴＭ波の波数よりも小さく、
前記第１の逆格子ベクトルα1と前記第２の逆格子ベクトルα2と前記入射光の光軸とを含む面と、前記第１の逆格子ベクトルβ1と前記第２の逆格子ベクトルβ2と前記光軸とを含む面とが、前記光軸を中心として４５°の角度をなす請求項１〜５のいずれかに記載の光デバイス。
【請求項８】
前記第２の光学部材が、前記第１の光学部材と同じ構造を有する請求項７に記載の光デバイス。
【請求項９】
前記第２の光学部材から出力される出射光を受光する光出力手段をさらに備え、
前記出射光が、第１および第２のＴＭ波と第１および第２のＴＥ波とを含み、  前記光入力手段が光ファイバＦ（０）を備え、
前記光出力手段が、光ファイバＦ（１）、Ｆ（２）、Ｆ（３）およびＦ（４）を備え、
前記光ファイバＦ（０）ならびに前記光ファイバＦ（１）、Ｆ（２）、Ｆ（３）およびＦ（４）が前記面Ｐ12に平行に配置されており、
前記光ファイバＦ（１）の端部に前記第１のＴＭ波が入射し、前記光ファイバＦ（２）の端部に前記第２のＴＭ波が入射し、前記光ファイバＦ（３）の端部に前記第１のＴＥ波が入射し、前記光ファイバＦ（４）の端部に前記第２のＴＥ波が入射する請求項７に記載の光デバイス。
【請求項１０】
第２〜第ｎ（ｎは３以上の自然数）の光学部材をさらに備え、
第ｋ（ｋは２以上ｎ以下の自然数）の光学部材は、前記光入力手段によって入力され第（ｋ−１）の光学部材から出力された光を受光するように配置されており、
前記第２〜第ｎの光学部材は、屈折率が周期的に変化する構造を有し、
前記波長λにおける前記第ｋの光学部材の第１の逆格子ベクトルｋ1と第２の逆格子ベクトルｋ2とがなす角度が９０°以下であり、
前記第１の逆格子ベクトルｋ1の方向において前記ＴＥ波の波数が前記ＴＭ波の波数よりも大きく、
前記逆格子ベクトルｋ2の方向において前記ＴＥ波の波数が前記ＴＭ波の波数よりも小さい請求項１〜５のいずれかに記載の光デバイス。
【請求項１１】
前記第２〜第ｎの光学部材が、前記第１の光学部材と同じ構造を有する請求項１０に記載の光デバイス。
【請求項１２】
前記第１の逆格子ベクトルｋ1と前記第２の逆格子ベクトルｋ2と前記入射光の光軸とを含む面を面ｋ12とし、第（ｋ−１）番目の光学部材の第１の逆格子ベクトル（ｋ−１）1と第（ｋ−１）番目の光学部材の第２の逆格子ベクトル（ｋ−１）2と前記光軸とを含む面を面（ｋ−１）12としたときに、前記面ｋ12と前記面（ｋ−１）12とが、前記光軸を中心として４５°の角度をなす請求項１０に記載の光デバイス。
【請求項１３】
前記第ｎの光学部材から出力される出射光を受光する２n個の出射側の光ファイバをさらに備え、
前記出射光が、第１〜第２n-1のＴＥ波と第１〜第２n-1のＴＭ波とを含み、
前記光入力手段が光ファイバＦ（０）を備え、
前記光ファイバＦ（０）と２n個の前記出射側の光ファイバとが、前記面Ｐ12に平行に配置されており、
前記第１〜第２n-1のＴＥ波と、前記第１〜第２n-1のＴＭ波とは、それぞれ、異なる前記出射側の光ファイバの端部に入射する請求項１２に記載の光デバイス。
【請求項１４】
ファラデー結晶と、出力側の光ファイバＦ（１）と、前記ファラデー結晶の回転角を飽和させる磁界を印加するための手段とをさらに備え、  前記ｎが３であって、第２および第３の光学部材を備え、
前記第１の光学部材と、前記ファラデー結晶と、前記第２の光学部材と、前記第３の光学部材と、前記光ファイバＦ（１）とは、前記光入力手段によって入力された光がこの順序で透過するように配置されており、
前記第１の逆格子ベクトルα1と前記第２の光学部材の第１の逆格子ベクトルとがなす角度が４５°であり、
前記第２の光学部材の第１の逆格子ベクトルと前記第３の光学部材の第１の逆格子ベクトルとがなす角度が９０°である請求項１０に記載の光デバイス。
【請求項１５】
ファラデー結晶と、旋光性結晶と、第２の光学部材と、出力側の光ファイバＦ（１）と、前記ファラデー結晶の回転角を飽和させる磁界を印加するための手段とをさらに備え、
前記第１の光学部材と、前記ファラデー結晶と、前記旋光性結晶と、前記第２の光学部材と、前記光ファイバＦ（１）とは、前記光入力手段から入力された光がこの順序で透過するように配置されており、
前記第２の光学部材は屈折率が周期的に変化する構造を有し、
前記波長λにおける前記第２の光学部材の第１の逆格子ベクトルβ1と第２の逆格子ベクトルβ2とがなす角度が９０°以下であり、
前記第１の逆格子ベクトルβ1の方向において前記ＴＥ波の波数が前記ＴＭ波の波数よりも大きく、
前記第２の逆格子ベクトルβ2の方向において前記ＴＥ波の波数が前記ＴＭ波の波数よりも小さく、
前記第１の逆格子ベクトルα1と前記第１の逆格子ベクトルβ1とが平行である請求項１〜５のいずれかに記載の光デバイス。
【請求項１６】
位相子と光出力手段とをさらに備え、
前記第１の光学部材と前記位相子と前記光出力手段とは、前記光入力手段によって入力された光がこの順序で透過するように配置されており、
前記光入力手段は、波長がλである波長λ（１）から一定の間隔で波長が増大する複数の波長λ（ｐ）（ｐは自然数）の光を、前記面Ｐ12と平行な方向に入力し、
前記位相子は、奇数番目の波長の光と偶数番目の波長の光との間で偏光状態に差を与える位相子である請求項１〜５のいずれかに記載の光デバイス。
【請求項１７】
前記位相子は屈折率が周期的に変化する構造を有し、
前記奇数番目の波長における前記位相子の第１の逆格子ベクトルの波数と第２の逆格子ベクトルの波数との差をｘとし、前記偶数番目の波長における前記位相子の第１の逆格子ベクトルの波数と第２の逆格子ベクトルの波数との差をｙとしたときに、ｘとｙとの差が一定値であり、
前記位相子の第１の逆格子ベクトルと第２の逆格子ベクトルとを含む面と前記面Ｐ12とがなす角度が４５°である請求項１６に記載の光デバイス。
【請求項１８】
前記第１の光学部材と同じ分散面を有する第２の光学部材と、合波手段とをさらに備え、
前記第１の光学部材と、前記位相子と、前記第２の光学部材と、前記合波手段と、前記光出力手段とは、前記光入力手段によって入力された光がこの順序で透過するように配置されており、
前記位相子は、前記奇数番目の波長の光と前記偶数番目の波長の光とが互いに直交する直線偏光となるように位相変化を与える位相子であり、
前記第２の光学部材の第１および第２の逆格子ベクトルは、それぞれ、前記第１および第２の逆格子ベクトルα1およびα2と平行であり、
前記合波手段は、前記奇数番目の波長の光または前記偶数番目の波長の光のいずれかのＴＥ波とＴＭ波とを合波するための手段であり、
前記光入力手段が光ファイバＦ（０）を備え、
前記光出力手段は、前記奇数番目の波長の光が入力される光ファイバＦ（１）と、前記偶数番目の波長の光が入力される光ファイバＦ（２）とを備え、
前記光ファイバＦ（０）と前記光ファイバＦ（１）と前記光ファイバＦ（２）とが前記面Ｐ12に平行に配置されている請求項１６に記載の光デバイス。
【請求項１９】
前記第１の光学部材と同じ分散面を有する第２の光学部材と、合波手段とをさらに備え、
前記第１の光学部材と、前記位相子と、前記第２の光学部材と、前記合波手段と、前記光出力手段とは、前記光入力手段によって入力された光がこの順序で透過するように配置されており、
前記位相子は、前記奇数番目の波長の光と前記偶数番目の波長の光とが互いに直交する直線偏光となるように位相変化を与える位相子であり、
前記第２の光学部材の第１の逆格子ベクトルと前記第１の逆格子ベクトルα1とがなす角度は、前記第１の逆格子ベクトルα1と前記第２の逆格子ベクトルα2とがなす角度に等しく、
前記合波手段は、前記奇数番目の波長の光または前記偶数番目の波長の光のいずれかのＴＥ波とＴＭ波とを合波するための手段であり、
前記光入力手段が光ファイバＦ（０）を備え、
前記光出力手段は、前記奇数番目の波長の光が入力される光ファイバＦ（１）と、前記偶数番目の波長の光が入力される光ファイバＦ（２）とを備え、
前記光ファイバＦ（０）と前記光ファイバＦ（１）と前記光ファイバＦ（２）とが前記面Ｐ12に平行に配置されている請求項１６に記載の光デバイス。
【請求項２０】
前記第１の光学部材から出力される出射光を受光する光出力手段をさらに備え、
前記光入力手段が光ファイバを備え、
前記光出力手段が、前記第１の光学部材から出力される前記ＴＥ波または前記ＴＭ波のいずれかを受光する光ファイバを備える請求項１〜５のいずれかに記載の光デバイス。
【請求項２１】
ファラデー結晶と、前記第１の光学部材と同じ分散面を有する第２の光学部材と、光出力手段と、前記ファラデー結晶の回転角を飽和させる磁界を印加する手段とをさらに備え、
前記第１の光学部材と、前記ファラデー結晶と、前記第２の光学部材と、前記光出力手段とが、前記光入力手段によって入力された光がこの順序で透過するように配置されており、
前記第１の逆格子ベクトルα1と前記第２の逆格子ベクトルα2と前記入射光の光軸とを含む面と、前記第２の光学部材の第１の逆格子ベクトルβ1と第２の逆格子ベクトルβ2と前記光軸とを含む面とが、前記光軸を中心として４５°の角度をなし、
前記第１の逆格子ベクトルα1と前記第１の逆格子ベクトルβ1とがなす角度が、前記第１の逆格子ベクトルα1と前記第２の逆格子ベクトルα2とがなす角度に等しく、
前記光出力手段は、前記第２の光学部材から出力されるＴＥ波またはＴＭ波のいずれかのみを受光する光ファイバを備える請求項１〜５のいずれかに記載の光デバイス。
【請求項２２】
ファラデー結晶と、前記第１の光学部材と同じ分散面を有する第２の光学部材と、光出力手段と、前記ファラデー結晶の回転角を飽和させる磁界を印加する手段とをさらに備え、
前記第１の光学部材と、前記ファラデー結晶と、前記第２の光学部材と、前記光出力手段とが、前記光入力手段によって入力された光がこの順序で透過するように配置されており、
前記第１の逆格子ベクトルα1と前記第２の逆格子ベクトルα2と前記入射光の光軸とを含む面と、前記第２の光学部材の第１の逆格子ベクトルβ1と第２の逆格子ベクトルβ2と前記光軸とを含む面とが、前記光軸を中心として４５°の角度をなし、
前記第１の逆格子ベクトルα1と前記第１の逆格子ベクトルβ1とが平行であり、
前記光出力手段は、前記第２の光学部材から出力されるＴＥ波またはＴＭ波のいずれかのみを受光する光ファイバを備える請求項１〜５のいずれかに記載の光デバイス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光デバイスに関し、特にたとえば、ＷＤＭ光通信（ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  ｄｉｖｉｓｉｏｎ  ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ）に使用される光インターリーバや偏波依存型光アイソレータといった光デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ルチル等の天然の複屈折材料を利用した従来の光分波器９００の一例を、図２１に示す。光分波器９００は、入射側光ファイバ９０１、入射側レンズ９０２、ルチルなどの複屈折材料９０３、第１の出射側レンズ９０４、第１の出射側光ファイバ９０５、第２の出射側レンズ９０６、第２の出射側光ファイバ９０７を備える。入射側光ファイバ９０１から入射側レンズ９０２を介して複屈折材料９０３へ結合された入射光は、常光（ＴＥ波）９０９と異常光（ＴＭ波）９０８とに分離する。そして、複屈折材料９０３の長さに応じた幅だけ分離された常光９０９と異常光９０８とは、それぞれ、出射側レンズを介して第１および第２の出射側光ファイバ９０５および９０７に結合される。
【０００３】
ところで、ルチルなどの天然の複屈折材料は、図２２に示すような偏波分散面（屈折率楕円体）を有する。このため、複屈折材料９０３に入射した光は、運動量保存の法則に従って常光の分散面と異常光の分散面に垂直な方向に伝播する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ルチルなどの天然の複屈折材料は常光の分散面と異常光の分散面との相違が小さく、従って常光と異常光との分離角度も小さい。このため、複屈折材料の長さを大きくする必要があり、分波器も大きくなってしまう。
【０００５】
一方、屈折率が周期的に変化するフォトニック結晶（Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｃｒｙｓｔａｌ）を用いた光デバイスも報告されている（特開２０００−１８０７８９号公報、特開２０００−２４１７６２号公報、特開２０００−２４１７６３号公報、特開２０００−２８４２２５号公報参照）。なお、この明細書において「フォトニック結晶」とは、光の波長程度の周期性を持つ人工的な多次元周期構造を意味する。
【０００６】
フォトニック結晶を偏光子として使用する従来の光アイソレータは、ＴＥ波またはＴＭ波のいずれかを入射面で反射するフォトニックバンド構造を有するフォトニック結晶を使用している。そのため、フォトニック結晶の反射光（戻光）が光源側に結合されないように、フォトニック結晶を光軸から傾けている。このような光アイソレータにおいて、光源側からの入射光を反射するためには、反射光を光源側と結合させない別の光学系、または、光学的設計を必要とし、構造が複雑となる。
【０００７】
上記の状況に鑑み、本発明は、入射光の分波が可能な小型の光デバイスを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の光デバイス（ＣＬ１）は、波長λの入射光をＴＥ波とＴＭ波とに分離する第１の光学部材と、前記第１の光学部材に前記入射光を入力する光入力手段とを備える光デバイスであって、前記第１の光学部材は屈折率が周期的に変化する構造を有し、前記波長λにおける前記第１の光学部材の第１の逆格子ベクトルα1と第２の逆格子ベクトルα2とがなす角度が９０°以下であり、前記第１の逆格子ベクトルα1の方向において前記ＴＥ波の波数が前記ＴＭ波の波数よりも大きく、前記第２の逆格子ベクトルα2の方向において前記ＴＥ波の波数が前記ＴＭ波の波数よりも小さく、前記光入力手段は、前記第１の逆格子ベクトルα1と前記第２の逆格子ベクトルα2とを含む面Ｐ12に平行な方向に前記入射光を入力することを特徴とする。この光デバイスでは、分波部におけるＴＥ波とＴＭ波のそれぞれの分散面の相違が大きくなり、ＴＥ波とＴＭ波との分離角度を大きくできる。その結果、回折の影響が無視できる伝播距離でＴＥ波とＴＭ波とを十分に分離することが可能となり、レンズなどの光学部品の低減とデバイスの小型化とが可能となる。
【０００９】
また、本発明の他の光デバイス（ＣＬ１６）は、上記光デバイス（ＣＬ１）に加えて位相子と光出力手段とをさらに備え、前記第１の光学部材と前記位相子と前記光出力手段とは、前記光入力手段によって入力された光がこの順序で透過するように配置されており、前記光入力手段は、波長がλである波長λ（１）から一定の間隔で波長が増大する複数の波長λ（ｐ）（ｐは自然数）の光を、前記面Ｐ12と平行な方向に入力し、前記位相子は、奇数番目の波長の光と偶数番目の波長の光との間で偏光状態に差を与える位相子である。この光デバイスでは、奇数番目の波長と偶数番目の波長との間で偏光状態に一定の差を与える位相子と第１の光学部材とを一体化している。そのため、２種類の偏光状態と２種類の波長（奇数番の波長と偶数番の波長）とを組合せて各種機能デバイスに適用できる。この光デバイスは、特に、波長間隔が一定の複数の波長の光を扱うＷＤＭ光通信などに好適である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態の説明において、同一の部分については同一の符号を付して重複する説明を省略する。
【００１１】
（実施形態１）
実施形態１では、本発明の光デバイスとして分波器の一例について説明する。実施形態１の光デバイス１０の構成を図１に模式的に示す。なお、図面のハッチングは省略する。
【００１２】
光デバイス１０は、入射側の光ファイバ１（Ｆ（０））と、出射側の光ファイバ２および３（Ｆ（１）およびＦ（２））と、分波部４と、ガイド５とを備える。ガイド５は、光ファイバ１〜３と分波部４との相対的な位置を固定する。光ファイバ１〜３は、それぞれ、光が伝播するコア部と、コア部の周囲に配置されたクラッド部とを備える。
【００１３】
分波部４（以下の実施形態では第１の分波部４という場合がある）は、入射した波長λの光をＴＥ波（常光）とＴＭ波（異常光）とに分離する光学部材（第１の光学部材）である。分波部４は、互いに平行な入射面と出射面とを有する第１の物質８（基材）と、第１の物質８中に配置された複数の柱状部９とを含む。柱状部９は、第１の物質とは屈折率が異なる第２の物質からなる。柱状部９の中心軸は、お互いに平行で、且つ、入射光の入射方向と垂直である。すなわち、柱状部９のそれぞれは、その中心軸が第１の物質８の入射面に平行になるように配置されている。複数の柱状部９は、一定の周期で配置されており、そのため、分波部４は、屈折率が周期的に変化する。柱状部９が配置される周期は、たとえば、光源波長が１．３μｍの場合には、０．２μｍ〜１．０μｍ程度である。分波部４の複数の逆格子ベクトルの方向のうち、波長λにおける第１の逆格子ベクトルα1の方向（Ｋ）１１と第２の逆格子ベクトルα2の方向（Ｍ）１２とがなす角度は９０°以下（好ましくは、４５°以上９０°以下）である。また、第１の逆格子ベクトルα1の方向（Ｋ）１１において、ＴＥ波の波数がＴＭ波の波数よりも大きい。また、第２の逆格子ベクトルα2の方向（Ｍ）１２において、ＴＥ波の波数がＴＭ波の波数よりも小さい。
【００１４】
分波部４のフォトニックバンドの一例として、Ｋ方向とＭ方向とに逆格子ベクトルを有するフォトニックバンドの例を、図２に示す。図２の横軸のブリルアンゾーン内の波数ベクトルは、分波部４中の光の伝搬方向に対応している。また、縦軸の規格化周波数は光源の波長に対応している。図２の例では、周波数ｆについて、ＴＭモードはＡ点（Ｋ方向）とＡ’点（Ｍ方向）の波数となり、ＴＥモードはＢ点（Ｋ方向）とＢ’点（Ｍ方向）の波数となる。図２に示すように、Ｍ方向ではＴＥ波の波数がＴＭ波の波数よりも大きい。また、Ｋ方向ではＴＥ波の波数がＴＭ波の波数よりも小さい。従って、周波数ｆでのＴＥ波とＴＭ波の分散面は、図３に示すように６回対称で、Ｋ方向とＭ方向とではＴＥ波の波数とＴＭ波の波数の大きさが逆転する。その結果、あらゆる方向において分散面に垂直な方向（群速度方向）がＴＥ波とＴＭ波とで大きく異なり、大きな分離角が得られる。ＴＥ波とＴＭ波との分離の一例を図３に示す。
【００１５】
図３に示すように、分波部４では、境界条件である境界面上における電界成分の運動量保存の法則によって分波部４内でのＴＥ波の波数ベクトルとＴＭ波の波数ベクトルとが決まる。分波部４に入射したＴＥ波とＴＭ波とは、それぞれの波数ベクトル終点での分散面の垂線（グラジエント方向）が伝播方向（群速度方向）となる。ＴＥ波とＴＭ波の伝播方向は、それぞれの分散面で決まるため、図３の例では分離角度は９０°程度となる。ルチルなどの天然の複屈折材料では、得られる分離角度はせいぜい１５°程度であり、その効果は明らかである。また、分波部４におけるＴＥ波とＴＭ波の分離角度は、Ｍ方向におけるＴＥ波の波数とＴＭ波の波数との差、およびＫ方向におけるＴＥ波の波数とＴＭ波の波数との差が大きいほど大きくなる。そして、それらの波数の差は、分波部４を構成する第１および第２の物質の屈折率の差や形状で決まるため、任意に変えることができる。
【００１６】
このように、ＴＥ波の分散面とＴＭ波の分散面との相違を大きくし、分離角度を巨大にすると、分波部の長さを小さくできるので、回折の影響が小さい伝播距離でＴＥ波とＴＭ波とを大きく分離することが可能となる。その結果、デバイスを小型化できるとともに、レンズなどの部品を低減することが可能となる。たとえば、入射側の光ファイバ１を分波部４の入射面に接するように配置し、出射側の光ファイバ２および３を、分波部４の出射面の接するように配置されている光デバイス１０の場合について考える。この場合、外径１５０μｍの隣あう２つのシングルモードファイバのそれぞれにＴＥ波とＴＭ波とを入射させるとすると、分離角度を１７０°にすれば、分波部４の長さを約６．５μｍまで短くできる。
【００１７】
また、図３からわかるように、ＴＥ波とＴＭ波の分離方向は、入射光の方向によっても変化する。そのため、分波部４の光伝播方向の長さと光ファイバ１から分波部４へ入射する光の方向とを調整することによって、ＴＥ波とＴＭ波とを、それぞれ、任意の位置の光ファイバ２と光ファイバ３とに結合させることも可能である。
【００１８】
光ファイバ１は、分波部４に少なくとも波長λの入射光を入力する光入力手段として機能する。光ファイバ１は、分波部４に対して、第１の逆格子ベクトルα1の方向（Ｋ）１１と第２の逆格子ベクトルα2の方向（Ｍ）１２とを含む面（以下、面Ｐ12という場合がある）と平行な方向に光を入力する。また、光ファイバ２および３は、分波部４から出力される光を受光して外部に出力する光出力手段として機能する。分波部４によって分離されたＴＭ波６とＴＥ波７とは、それぞれ、光ファイバ２の端部と光ファイバ３の端部とに入射する。出射側の光ファイバは、面Ｐ12に平行に配置される（以下の実施形態においても同様である）。一般的には、入射側の光ファイバと出射側の光ファイバとは、お互いに平行に配置される（以下の実施形態においても同様である）。
【００１９】
以下、分波部４について説明する。分波部４の第１の物質８には、たとえばＳｉ、ＳｉＯ2、ＧａＡｓ、ポリマーなどを用いることができる。分波部４の柱状部９は、第１の物質８とは屈折率が異なる第２の物質からなり、たとえば、Ｓｉ、ＳｉＯ2、ＧａＡｓ、ポリマーなどを用いることができる。第１の物質８または第２の物質のいずれかは、空気であってもよい。分波部４は、基材となる第１の物質８に、互いに平行な柱状の穴を周期的に形成したり、その柱状の穴を第１の物質８とは屈折率が異なる物質で充填することによって形成できる。また、第１の物質８にレーザビームを照射して第１の物質８の一部の屈折率を変化させる方法を用いてもよい。また、柱状の物体を積層する方法を用いてもよい。
【００２０】
なお、分波部４は、以下の（ｉ）〜（iii）の３つの条件を満たすものであれば、どのような構造であってもよい（以下の実施形態で説明する分波部についても同様である）。（ｉ）使用波長における第１の逆格子ベクトルα1と第２の逆格子ベクトルα2とがなす角度が９０°以下（好ましくは、４５゜以上９０゜以下）である。（ii）第１の逆格子ベクトルα1の方向（Ｋ方向）においてＴＥ波の波数がＴＭ波の波数よりも大きい。（iii）第２の逆格子ベクトルα2の方向（Ｍ方向）においてＴＥ波の波数がＴＭ波の波数よりも小さい。従って、分波部４は図１に示された構造に限定されない。たとえば、柱状部９は、図４（ａ）、（ｂ）および（ｃ）に示すような配置で平行に配置されてもよい。図４（Ａ）は、隣接する正方格子の格子点に柱状部９が配置されている場合を示す。図４（Ｂ）は、隣接する正三角形の格子点に柱状部９が配置されている場合を示す。図４（Ｃ）は、隣接する六角形の格子点に柱状部９が配置されている場合を示す。これらの配置はそれぞれ逆格子ベクトルの方向が異なる。
【００２１】
上述の分波部４は、屈折率が特定の断面で２次元の方向に周期的に変化している。このほか、分波部４は、屈折率が３次元的に周期的に変化する構造であってもよい。具体的には、第１の物質と、第１の物質の内部に一定の周期で配置された粒子（第１の物質とは屈折率が異なる第２の物質からなる）とを備える分波部を用いることができる。たとえば、球状の物体（たとえば、ＳｉＯ2の粒子やポリマーの粒子）を３次元的に積み上げて面心立方や体心立方などの構造や最密充填構造を形成すると、この構造には２個以上の逆格子ベクトルが存在する。このうち、適当な２個の逆格子ベクトルを選択して、使用波長において、第１の逆格子ベクトル方向におけるＴＥ波の波数がＴＭ波の波数よりも大きくなるように、且つ、第２の逆格子ベクトル方向におけるＴＥ波の波数がＴＭ波の波数よりも小さくなるようにすればよい。分波部を構成する物質の屈折率の差や構造を変化させることによって、分波部４と同様のメカニズムでＴＥ波とＴＭ波とを分離することができる。また、分波部４は、入射光の入射方向に交互に積層された第１の層と第２の層とによって形成されてもよい。この場合、第１の層は、第１の物質からなり、第２の層は、第１の物質とは異なる第２の物質からなる。この分波部は、スパッタリング法などによって形成できる。
【００２２】
（実施形態２）
実施形態２では、本発明の光デバイスとして、分波器の一例について説明する。実施形態２の光デバイス５０の構成を図５（Ａ）に模式的に示す。また、各光学部品を出射したときの光の偏光の状態を図５（Ｂ）に示す。
【００２３】
光デバイス５０は、入射側の光ファイバ１と、出射側の光ファイバ５１〜５４と、第１の分波部４（第１の光学部材）と、第２の分波部５６（第２の光学部材）と、ガイド５７とを備える。光ファイバ１、第１の分波部４、第２の分波部５６、および光ファイバ５１〜５４は、ガイド５７によってそれぞれの相対的な位置が固定されている。第１の分波部４、第２の分波部５６および光ファイバ５１〜５４は、光ファイバ１によって入力された光がこの順序で透過するように配置されている。
【００２４】
第１の分波部４および第２の分波部５６は、それぞれ、実施形態１の分波部４と同様の構造を有する光学部材である。すなわち、これらの光学部材は、互いに平行な入射面と出射面とを有する第１の物質８と、第１の物質８内に配置された柱状部９とを備える。柱状部９は、第１の物質８とは屈折率が異なる第２の物質からなる。柱状部９の中心軸は、お互いに平行で且つ第１の物質８の入射面に平行である。柱状部９は、２次元方向に対して一定の周期で分布している。
【００２５】
第２の分波部５６は、第１の分波部４に対して、光軸を中心として４５°ずれるように配置されている。すなわち、第１の分波部４の第１の逆格子ベクトルα1と第２の逆格子ベクトルα2と光軸とを含む面と、第２の分波部５６の第１の逆格子ベクトルβ1と第２の逆格子ベクトルβ2と光軸とを含む面とが、光軸を中心として４５°の角度をなす。なお、この明細書において「光軸」とは、入射光の光軸を意味する。
【００２６】
光ファイバ１からの入射光は、第１の分波部４に対して、第１の逆格子ベクトルα1と第２の逆格子ベクトルα2とを含む面と平行な方向に入射する。第１の分波部４および第２の分波部５６を通過した光は、ＴＭ波（１）、ＴＭ波（２）、ＴＥ波（１）およびＴＥ波（２）に分離される。ＴＭ波（１）、ＴＭ波（２）、ＴＥ波（１）およびＴＥ波（２）は、それぞれ、出射側の光ファイバ５１〜５４（Ｆ（１）〜Ｆ（４））の端部に入射する。
【００２７】
第１の分波部４と第２の分波部５６のフォトニックバンドは、実施形態１で説明したフォトニックバンドと同様に、第１の逆格子ベクトル方向においてＴＥ波の波数がＴＭ波の波数よりも大きく、第２の逆格子ベクトル方向においてＴＥ波の波数がＴＭ波の波数よりも小さい。このため、どちらの分波部も、ＴＭ波の分散面とＴＥ波の分散面とが大きく異なり、ＴＭ波とＴＥ波の分離角を大きくできる。
【００２８】
光デバイス５０では、第１の分波部４と第２の分波部５６とが、光軸を中心として４５°ずらして配置されている。そのため、第１の分波部４において分離されたＴＭ波とＴＥ波のそれぞれの伝播方向を含む面と、第２の分波部５６において分離されたＴＭ波とＴＥ波のそれぞれの伝播方向を含む面とは、４５°ずれている。すなわち、図５（Ｂ）に示すように、光ファイバ１から入射される無偏波光（ＴＭ波６およびＴＥ波７）は、第１の分波部４において、第１の分波部４の第１の逆格子ベクトルα1と第２の逆格子ベクトルα2とを含む面Ｐ12上でＴＭ波とＴＥ波とに分離される。そして、そのＴＭ波とＴＥ波とは、第２の分波部５６において、それぞれ、ＴＭ波（１）とＴＭ波（２）、およびＴＥ波（１）とＴＥ波（２）とに分離される。このとき、ＴＭ波６の偏波面と、ＴＭ波（１）およびＴＭ波（２）の偏波面とは４５°ずれている。また、ＴＥ波７の偏波面と、ＴＥ波（１）およびＴＥ波（２）の偏波面とは４５°ずれている。従って、ＴＭ波（１）、ＴＭ波（２）、ＴＥ波（１）およびＴＥ波（２）の出射位置に対応させた光ファイバ５１〜５４は、第１の分波部４の第１の逆格子ベクトルα1と第２の逆格子ベクトルα2とを含む面Ｐ12に対して垂直方向にジグザグの配置になる。
【００２９】
（実施形態３）
実施形態３では、本発明の光デバイスとして、分波器の一例について説明する。実施形態３の光デバイス６０の構成を図６（Ａ）に模式的に示す。また、各光学部品を出射した光の偏光状態を図６（Ｂ）に示す。
【００３０】
光デバイス６０は、２n分波器である。光デバイス６０は、入射側の光ファイバ１と、出射側の光ファイバ６１（１）〜６１（２n-1）および６２（１）〜６２（２n-1）と、ｎ個の分波部６３（１）〜６３（ｎ）と、ガイド６４とを備える。光ファイバ１と、光ファイバ６１および６２と、分波部６３とは、ガイド６４によって相対的な位置が固定されている。
【００３１】
ｎ個の分波部６３（１）〜６３（ｎ）は、それぞれ、実施形態１の分波部４と同様の構造を有する光学部材である。すなわち、これらの光学部材は、互いに平行な入射面と出射面とを有する第１の物質８と、第１の物質８の内部に配置された柱状部９とを備える。柱状部９は、第１の物質８とは屈折率が異なる第２の物質からなる。各分波部の柱状部９の中心軸は、互いに平行で、且つ、第１の物質８の入射面に平行である。柱状部９は、２次元方向に対して一定の周期で分布している。
【００３２】
第ｋ番目（ｋは２以上ｎ以下の自然数）の分波部６３（ｋ）は、光ファイバ１から入力され分波部６３（ｋ−１）から出力された光を受光するように配置されている。分波部６３（ｋ）は、分波部６３（ｋ−１）に対して光軸を中心として４５°ずれるように配置されている。具体的には、分波部６３（ｋ）の柱状部の中心軸と、分波部６３（ｋ−１）の柱状部の中心軸とは、４５゜ずれている。換言すれば、分波部６３（ｋ）の第１の逆格子ベクトルｋ1と第２の逆格子ベクトルｋ2と光軸とを含む面を面ｋ12とし、分波部６３（ｋ−１）の第１の逆格子ベクトル（ｋ−１）1と第２の逆格子ベクトル（ｋ−１）2と光軸とを含む面を面（ｋ−１）12としたときに、面ｋ12と面（ｋ−１）12とが光軸を中心として４５°の角度をなす。
【００３３】
光ファイバ１は、分波部６３（１）の第１の逆格子ベクトルと第２の逆格子ベクトルとを含む面に平行な方向に入射光を入力する。分波部６３（１）〜分波部６３（ｎ）を通過した光は、ＴＭ波６５（１）〜６５（２n-1）と、ＴＥ波６６（１）〜６６（２n-1）とに分離される。これらの２n個の光は、それぞれ、異なる光ファイバ、すなわち光ファイバ６１（１）〜６１（２n-1）および光ファイバ６２（１）〜６２（２n-1）に入射する。
【００３４】
分波部６３（１）〜６３（ｎ）のそれぞれのフォトニックバンドは、実施形態１の分波部４のフォトニックバンドと同様である。すなわち、第１の逆格子ベクトルの方向においてＴＥ波の波数がＴＭ波の波数よりも大きく、第２の逆格子ベクトルの方向においてＴＥ波の波数がＴＭ波の波数よりも小さい。そして、いずれの分波部においても、ＴＭ波の分散面とＴＥ波の分散面とが大きく異なるため、ＴＭ波とＴＥ波の分離角を大きくできる。
【００３５】
分波部６３（ｋ−１）と分波部６３（ｋ）とは、光軸を中心として４５°ずらして配置されている。このため、分波部６３（ｋ−１）において分離されたＴＭ波とＴＥ波のそれぞれの伝播方向を含む面と、分波部６３（ｋ）において分離されたＴＭ波とＴＥ波のそれぞれの伝播方向を含む面とは、４５°ずれている。光ファイバ１から入射された無偏波光は、分波部６３（ｋ−１）において、分波部６３（ｋ−１）の第１の逆格子ベクトルと第２の逆格子ベクトルとを含む面で、ＴＭ波（ｋ−１の１）〜（ｋ−１の２k-2）とＴＥ波（ｋ−１の１）〜（ｋ−１の２k-2）とに分離される。これらの光は、分波部６３（ｋ）において、さらに、ＴＭ波（ｋの１）〜（ｋの２k-1）とＴＥ波（ｋの１）〜（ｋの２k-1）とに分離される。このとき、ＴＭ波（ｋ−１の１）〜（ｋ−１の２k-2）の偏波面と、ＴＭ波（ｋの１）〜（ｋの２k-1）の偏波面とは４５°ずれている。また、ＴＥ波（ｋ−１の１）〜（ｋ−１の２k-2）の偏波面と、ＴＥ波（ｋの１）〜（ｋの２k-1）の偏波面とは４５°ずれている。
【００３６】
光ファイバ６１（１）〜６１（２n-1）は、分波部６３（ｎ）から出射される２n-1個のＴＭ波に対応するように配置されている。また、光ファイバ６２（１）〜６２（２n-1）は、分波部６３（ｎ）から出射される２n-1個のＴＥ波に対応するように配置されている。その結果、光ファイバ６１（１）〜６１（２n-1）および光ファイバ６２（１）〜６２（２n-1）は、分波部６３（１）の第１の逆格子ベクトルと第２の逆格子ベクトルとを含む面に対して、垂直方向にジグザグの配置になる。
【００３７】
実施形態２および３では、複数の分波部を連結させた光デバイスについて説明した。しかしながら、分波部の構造はこれに限られない。たとえば、複数の分波部が一体となった構造でもよい（以下の実施形態においても同様である）。この場合には、まず、屈折率の異なる２種類の物質をスパッタリングなどによって交互に積層して第１の分波部を形成する。その後、光の伝播方向を中心軸として第１の分波部を４５°回転させ、続けて屈折率の異なる２種類の物質を交互に積層して第２の分波部を形成する。このような工程を何回か繰り返すことによって複数の分波部が一体となった光学部材を形成できる。
【００３８】
また、実施形態１〜実施形態３の光デバイスでは、少なくとも１つの光ファイバを位置決めする溝（たとえば断面がＶ字状の溝やＵ字状の溝）が付いた基板を用いて光ファイバの位置決めをしてもよい（以下の実施形態においても同様である）。この溝付き基板を、光ファイバに隣接する分波部の前後に一体化することによって、光軸を調整することなく光ファイバと分波部とを結合することができる。また、この溝付き基板上に、屈折率が異なる少なくとも２種類の物質が一定の周期で分布する構造を形成することによって、分波部と溝付き基板とを一体化することもできる。
【００３９】
（実施形態４）
実施形態４では、本発明の光デバイスとして、無偏波型光アイソレータの一例を説明する。実施形態４の光デバイス７０の構成と進行光の光路とを図７（Ａ）に示す。また、進行光が各光学部品を出射したときの偏波の状態を図７（Ｂ）に示す。また、戻光の光路を図８（Ａ）に示し、戻光が各光学部品を出射したときの偏波の状態を図８（Ｂ）に示す。
【００４０】
光デバイス７０は、入射側の光ファイバ１と、入射側のレンズ７２と、第１の分波部４と、ファラデー結晶７４と、第２の分波部７５と、第３の分波部７６と、出射側のレンズ７７と、出射側の光ファイバ７８とを備える。これらの光学部品は、光ファイバ１から入力された光が、レンズ７２、第１の分波部４、ファラデー結晶７４、第２の分波部７５、第３の分波部７６、レンズ７７および光ファイバ７８の順で透過するように、光軸７１に沿って一列に配置されている。光デバイス７０は、さらに、ファラデー結晶７４の回転角を飽和させる磁界７９を印加する磁界印加手段８５を備える。
【００４１】
ファラデー結晶７４には、たとえばガーネットや鉛ガラスを用いることができる。磁界印加手段８５には、円筒状の磁石または電磁石を用いることができる。なお、以下の実施形態の図面では、磁界印加手段の図示を省略している場合があるが、磁界印加手段８５と同様のものを用いることができる。
【００４２】
第１の分波部４、第２の分波部７５、および第３の分波部７６は、それぞれ、実施形態１の分波部４と同様の構造を有する光学部材である。第１の分波部４と第２の分波部７５とは、光軸７１を中心として４５°ずらして配置されている。すなわち、第１の分波部４の第１の逆格子ベクトルと、第２の分波部７５の第１の逆格子ベクトルとは４５゜の角度をなす。また、第２の分波部７５と第３の分波部７６とは、光軸を中心として９０°ずらして配置されている。すなわち、第２の分波部７５の第１の逆格子ベクトルと第３の分波部７６の第１の逆格子ベクトルとは９０゜の角度をなす。
【００４３】
次に、光デバイス７０の機能について図を参照しながら説明する。図７（Ａ）および（Ｂ）に示すように、光ファイバ１から入射された無偏波光は、第１の分波部４でＴＥ波８０とＴＭ波８１とに分離される。第１の分波部４から出射されたＴＥ波８０およびＴＭ波８１は、ファラデー結晶７４で４５°回転される。次に、第２の分波部７５において、ＴＭ波８１のみが光軸７１上に変移し、第３の分波部７６においてＴＥ波８０が光軸７１上に変移する。その結果、ＴＥ波８０とＴＭ波８１の両方が光ファイバ７８に結合される。
【００４４】
一方、戻光については図８（Ａ）および（Ｂ）に示すように、光ファイバ７８から出射される無偏波光は、第３の分波部７６においてＴＥ波８３のみが光軸７１から変移する。第２の分波部７５においては、ＴＭ波８４が光軸７１から変移する。次に、ファラデー結晶７４によってＴＥ波８３とＴＭ波８４とは、それぞれ４５°回転される。次に、第１の分波部４において、ＴＥ波８３およびＴＭ波８４は、光軸７１から離れる方向へ変移する。その結果、戻光のＴＥ波８３およびＴＭ波８４は、入射側の光ファイバ１に結合されない。従って、光デバイス７０では、光は一方向にのみ進行する。
【００４５】
（実施形態５）
実施形態５では、本発明の光デバイスとして、無偏波型光アイソレータの一例について説明する。実施形態５の光デバイス９０の構成と進行光の光路とを図９（Ａ）に示す。また、進行光が各光学部品を出射したときの偏波の状態を図９（Ｂ）に示す。また、戻光の光路を図１０（Ａ）に示し、戻光が各光学部品を出射したときの偏波の状態を図１０（Ｂ）に示す。
【００４６】
光デバイス９０は、入射側の光ファイバ１と、入射側のレンズ７２と、第１の分波部４と、ファラデー結晶７４と、旋光性結晶９１と、第２の分波部９２と、出射側のレンズ７７と、出射側の光ファイバ７８とを備える。これらの光学部品は、光ファイバ１から入力された光が、レンズ７２、第１の分波部４、ファラデー結晶７４、旋光性結晶９１、第２の分波部９２、レンズ７７および光ファイバ７８の順序で透過するように、光軸７１に沿って一列に配置されている。さらに、光デバイス９０は、ファラデー結晶７４の回転角を飽和させる磁界７９を印加する磁界印加手段（図示せず）を備える。
【００４７】
第１の分波部４および第２の分波部９２は、実施形態１の分波部４と同様の構造を有する光学部材である。旋光性結晶９１には、たとえば水晶を用いることができる。
【００４８】
第１の分波部４と第２の分波部９２とは、光軸７１に対して光学的に同じ方向に配置される。具体的には、第１の分波部４の第１の逆格子ベクトルと、第２の分波部９２の第１の逆格子ベクトルとは平行である。
【００４９】
以下に、光デバイス９０の機能について図面を参照しながら説明する。図９（Ａ）および９（Ｂ）に示すように、光ファイバ１から入射された無偏波光は、第１の分波部４においてＴＥ波９３とＴＭ波９４とに分離される。次に、ＴＥ波９３とＴＭ波９４とは、それぞれ、ファラデー結晶７４において４５°回転される。次に、ＴＥ波９３とＴＭ波９４とは、それぞれ、旋光性結晶９１において、さらに４５°回転される。次に、第２の分波部９２において、ＴＥ波９３とＴＭ波９４は共に光軸７１上に変移する。このようにして、ＴＥ波９３とＴＭ波９４の両方が出射側の光ファイバ７８に結合される。
【００５０】
一方、図１０（Ａ）および１０（Ｂ）に示すように、光ファイバ７８から出射される無偏波光は、第２の分波部９２においてＴＥ波９５とＴＭ波９６とに分離される。第２の分波部９２において、ＴＥ波９５とＴＭ波９６とは光軸７１に対して異なる方向に変移する。次に、ＴＥ波９５とＴＭ波９６とは、旋光性結晶９１において−４５°回転される。次に、ＴＥ波９５とＴＭ波９６とは、ファラデー結晶７４において、４５°回転され、これらの偏光状態は、第２の分波部９２を出射したときと同じになる。次に、ＴＥ波９５とＴＭ波９６とは、それぞれ、第１の分波部４において光軸７１からさらに離れる方向へ変移する。その結果、ＴＥ波９５およびＴＭ波９６は光ファイバ１に結合されない。従って、光デバイス９０において、光は一方向にのみ進行する。
【００５１】
（実施形態６）
実施形態６では、本発明の光デバイスとして、分波器の一例を説明する。実施形態６の光デバイス１１０の構成を図１１（Ａ）に模式的に示す。また、各光学部品を出射したときの光の偏波の状態を図１１（Ｂ）に示す。
【００５２】
光デバイス１１０は、入射側の光ファイバ１と、第１の分波部４と、位相子１１２（第２の光学部材）と、出射側の光ファイバ１１３および１１４と、ガイド１１５とを備える。ガイド１１５は、各光学部品の相対的な位置を固定する。第１の分波部４と、位相子１１２と、出射側の光ファイバとは、光ファイバ１から入力された光が、この順序で透過するように配置されている。
【００５３】
第１の分波部４および位相子１１２は、それぞれ、実施形態１の分波部４と同じ構造を有する光学部材である。すなわち、第１の分波部４は、互いに平行な入射面と出射面とを有する第１の物質８と、第１の物質８の内部に配置された柱状部９とを備える。柱状部９は、第１の物質８とは屈折率が異なる第２の物質からなる。柱状部９の中心軸は、互いに平行であり、且つ、第１の物質８の入射面に平行である。柱状部９は、一定の周期で配置されている。また、位相子１１２は、互いに平行な入射面と出射面とを有する第３の物質８ａと、第３の物質８ａの内部に配置された柱状部９ａとを備える。柱状部９ａは、第３の物質８ａとは屈折率が異なる第４の物質からなる。柱状部９ａの中心軸は、互いに平行であり、且つ、第３の物質８ａの入射面に平行である。柱状部９ａは、一定の周期で配置されている。柱状部９の中心軸の方向と柱状部９ａの中心軸の方向とは、４５°の角度をなす。
【００５４】
光ファイバ１は、第１の分波部４の第１の逆格子ベクトルα1の方向（Ｋ）１１と、第２の逆格子ベクトルα2の方向（Ｍ）１２とを含む面に平行な方向に入射光を入力する。光ファイバ１は、波長がλである波長λ（１）から一定の間隔で波長が増大するｐ個の波長λ（ｐ）（ｐは、２以上の自然数）の入射光を第１の分波部４に入力する。すなわち、入射光は、λ、λ＋Ｃ、λ＋２Ｃ、・・・、λ＋ｐＣという波長の光である（Ｃ：定数）。以下、奇数番目の波長をλ（２ｑ−１）と表記し、偶数番目の波長をλ（２ｑ）と表記する場合がある。
【００５５】
第１の分波部４には、奇数番目の波長λ（２ｑ−１）のＴＥ波（２ｑ−１）およびＴＭ波（２ｑ−１）と、偶数番目の波長λ（２ｑ）のＴＥ波（２ｑ）およびＴＭ波（２ｑ）とが入力される。
【００５６】
光ファイバ１１３は、位相子１１２から出力されるＴＭ波（２ｑ−１）およびＴＭ波（２ｑ）を受光する。光ファイバ１１４は、位相子１１２から出力されるＴＥ波（２ｑ−１）およびＴＥ波（２ｑ）を受光する。光ファイバ１１３および１１４は、光出力手段として機能する。
【００５７】
第１の分波部４のフォトニックバンドの一例は、図２に示した通りである。また、この光学部材に入射した光の伝播方向は、図３に示した通りである。
【００５８】
一方、Ｋ方向およびＭ方向に逆格子ベクトルを有する位相子１１２のフォトニックバンドの一例を図１２に示す。図１２の例では、波長λ（２ｑ）に対応する周波数ｆ2qの光について、光軸を中心として柱状部９ａの中心軸の方向から−４５°回転した方向ではＡ点（Ｋ方向）とＡ’点（Ｍ方向）で示されるように波数が等しくなる。同様に、光軸を中心として柱状部９ａの中心軸の方向から＋４５°回転した方向ではＢ点（Ｋ方向）とＢ’点（Ｍ方向）で示されるように波数が等しくなる。そして、いずれの方向についても−４５°の方向の波数が大きい。
【００５９】
波長λ（２ｑ）に対応する周波数ｆ2qにおけるＴＥ波の分散面とＴＭ波の分散面とは、それぞれ、図１３に示すように中心対称となる。同様に、波長λ（２ｑ−１）に対応する周波数ｆ2q-1におけるＴＥ波およびＴＭ波の分散面を図１３に示す。そして、図１３に示すような入射光がある場合、境界条件である境界面上での電界成分の運動量保存の法則によって、位相子１１２内部での＋４５°方向と−４５°方向の波数ベクトルが決まる。また、同一波長における＋４５°方向と−４５°方向の位相差（波数差Δｋ×伝播距離ｄ）によって、その波長での偏光状態が決まる。第１の分波部４から入射された直線偏光は、上記位相差が２ｍπ（ｍ：整数）の場合は同一方向の直線偏光になり、（２ｍ−１）πの場合は９０°傾いた直線偏光となる。従って、ＷＤＭなどのように波長間隔が一定の複数波長を用いる場合において、奇数番目の波長の位相差と偶数番目の波長の位相差との差がｍπのときには、奇数番目の波長の直線偏光と偶数番目の波長の直線偏光とが直交する。
【００６０】
奇数番目の波長λ（２ｑ−１）における位相子１１２の第１の逆格子ベクトル方向の波数と第２の逆格子ベクトル方向の波数との差をｘとする。また、偶数番目の波長λ（２ｑ）における位相子１１２の第１の逆格子ベクトル方向の波数と第２の逆格子ベクトル方向の波数との差をｙとする。このとき、ｘとｙとの差は一定値である。また、第１の分波部４の第１の逆格子ベクトルと第２の逆格子ベクトルとを含む面と、位相子１１２の第１の逆格子ベクトルと第２の逆格子ベクトルとを含む面とは、４５゜の角度をなす。
【００６１】
光デバイス１１０では、第１の分波部４と位相子１１２とを組合せることによって、ＷＤＭなどで用いられる複数の波長λ（１）〜λ（ｐ）の光を、偏光状態が異なる光に分離するともに、波長毎に偏光状態を操作することができる。
【００６２】
なお、位相子１１２は、実施形態１で説明した分波部４と同様の方法で作製できる。
【００６３】
（実施形態７）
実施形態７では、本発明の光デバイスとして、ＷＤＭ用の光インターリーバの一例について説明する。
【００６４】
実施形態７の光デバイス１４０を図１４（Ａ）に示す。また、各光学部品出射時の偏光の状態を図１４（Ｂ）に示す。
【００６５】
光デバイス１４０は、入射側の光ファイバ１と、入射側のレンズ１４１と、第１の分波部４と、位相子１４２と、第２の分波部１４３と、合波部１４４と、出射側のレンズ１４５と、出射側の光ファイバ１４６および１４７とを備える。レンズ１４１、第１の分波部４、位相子１４２、第２の分波部１４３、合波部１４４、レンズ１４５および出射側の光ファイバは、光ファイバ１から入力された光がこの順序で透過するように配置されている。
【００６６】
第１の分波部４および第２の分波部１４３は、実施形態１で説明した分波部４と同様の構造を有する光学部品である。第２の分波部１４３の光学的な配置は、第１の分波部４と同じである。すなわち、第２の分波部１４３の第１の逆格子ベクトルおよび第２の逆格子ベクトルは、それぞれ、第１の分波部４の第１の逆格子ベクトルおよび第２の逆格子ベクトルと平行である。
【００６７】
位相子１４２は、実施形態６で説明した位相子１１２と同等の光学特性を有し、奇数番目の波長λ（２ｑ−１）の位相差と、偶数番目の波長λ（２ｑ）の位相差との差をｍπとする厚さを有する。すなわち、位相子１４２は、入射した光に対して、奇数番目の波長の光と偶数番目の波長の光とが互いに直交する直線偏光となるように位相変化を与える位相子である。
【００６８】
奇数番目の波長λ（２ｑ−１）のＴＥ波とＴＭ波とは、第２の分波部１４３において合波される。合波部１４４は、偶数番目の波長λ（２ｑ）のＴＥ波とＴＭ波とを合波する。光ファイバ１４６には、合波部１４４で合波された偶数番目の波長λ（２ｑ）の光が入力される。また、光ファイバ１４７には、第２の分波部１４３で合波された奇数番目の波長λ（２ｑ−１）の光が入力される。光ファイバ１、１４６および１４７とは、第１の分波部４の第１の逆格子ベクトルα1と第２の逆格子ベクトルα2とを含む面Ｐ12に平行に配置されている。
【００６９】
光デバイス１４０の機能について、図１４（Ａ）および（Ｂ）を参照しながら以下に説明する。光ファイバ１から入力された無偏波光は、第１の分波部４において、ＴＭ波とＴＥ波とに分離される。このとき、波長λ（２ｑ）のＴＭ波（２ｑ）と波長λ（２ｑ−１）のＴＭ波（２ｑ−１）とは、いずれも図１４（Ａ）の上側に変移する。また、波長λ（２ｑ）のＴＥ波（２ｑ）と波長λ（２ｑ−１）のＴＥ波（２ｑ−１）とは、いずれも図１４（Ａ）の下側に変移する。
【００７０】
次に、位相子１４２は、ＴＥ波およびＴＭ波のそれぞれに対して、波長λ（２ｑ）の光と波長λ（２ｑ−１）の光との間に、ｍπの位相差を与える。その結果、ＴＥ波とＴＭ波のそれぞれについて、波長λ（２ｑ）の光と波長λ（２ｑ−１）の光との間の相対的な偏光方向を９０°変化させる。
【００７１】
次に、第２の分波部１４３において、偏光方向が９０°異なるＴＥ波（２ｑ）とＴＥ波（２ｑ−１）とは、それぞれ、図１４（Ａ）の下側と上側とに分離する。同様に、第２の分波部１４３において、偏光方向が９０°異なるＴＭ波（２ｑ）とＴＭ波（２ｑ−１）とは、それぞれ、図１４（Ａ）の上側と下側とに分離する。
【００７２】
ここで、ＴＥ波（２ｑ−１）の出射位置とＴＭ波（２ｑ−１）の出射位置とを一致させるために、第１の分波部４と第２の分波部１４３のそれぞれの光軸方向の厚さを調整し、それぞれにおける分離距離が等しくなるようにする。第２の分波部１４３で結合された波長λ（２ｑ−１）のＴＥ波とＴＭ波とは、そのまま光ファイバ１４７に結合される。第２の分波部１４３で結合されない波長λ（２ｑ）のＴＥ波とＴＭ波とは、合波部１４４で合波され、光ファイバ１４６に結合される。合波部１４４は、ミラー１４４ａと合波器１４４ｂとを備える。このようにして、波長間隔が一定のスペクトルを有する光信号は、偶数番目の波長の光信号と奇数番目の波長の光信号とに分離される。
【００７３】
なお、第１および第２の分波部４および１４２におけるＴＥ波およびＴＭ波の分離方向は、各分波部の逆格子ベクトルで決まる。このため、各波の分離方向について、および、合波部１４４で合波する波については、分波部の構成および配置の方向で変更することができる。波の分離方向と合波部１４４で合波する波とを変更した光デバイス１５０を図１５（Ａ）に示す。また、光デバイス１５０の各光学部品を出射した光の偏光状態を図１５（Ｂ）に示す。
【００７４】
光デバイス１５０の第２の分波部１５１は、配置を変更したことを除いて第２の分波部１４３と同じである。光デバイス１５０では、第１の分波部４の第１の逆格子ベクトルα1と第２の分波部１５１の第１の逆格子ベクトルとがなす角度が、第１の分波部４の第１の逆格子ベクトルα1と第２の逆格子ベクトルα2とがなす角度に等しい。
【００７５】
光デバイス１５０では、図１５（Ａ）に示すように、第２の分波部１５１における光の移動方向が、図１４（Ａ）の移動方向とは反対となる。その結果、波長λ（２ｑ）のＴＥ波（２ｑ）とＴＭ波（２ｑ）とは第２の分波部１５１で合波されて光軸上の光ファイバ１４６に入力される。一方、第２の分波部１５１で合波されない波長λ（２ｑ−１）のＴＥ波（２ｑ−１）とＴＭ波（２ｑ−１）とは、合波部１４４で合波されて光ファイバ１４７に入力される。
【００７６】
（実施形態８）
実施形態８では、本発明の光デバイスとして、偏光子の一例を説明する。実施形態８の光デバイス１６０の構成を図１６に模式的に示す。
【００７７】
光デバイス１６０は、入射側の光ファイバ１と、分波部４と、出射側の光ファイバ１６１と、ガイド１６２とを備える。光ファイバ１と分波部４と光ファイバ１６１とは、ガイド１６２によって相対的な位置が固定されている。分波部４は、実施形態１で説明した分波部４と同様の構造を有する光学部材である。
【００７８】
分波部４は、光ファイバ１から入力されたＴＥ波とＴＭ波とを分離する。光出力手段である光ファイバ１６１には、分波部４で分離されたＴＥ波とＴＭ波のいずれかが入力される。図１６では、ＴＥ波が入力される場合を示している。光ファイバ１６１に入力されないＴＭ波は、図１６に示すように前方の方向に分離される。なお、ＴＭ波を後方に分離してもよい。
【００７９】
（実施形態９）
実施形態９では、本発明の光デバイスとして、偏波依存型光アイソレータの一例について説明する。実施形態９の光デバイス１７０の構成および進行光の光路を図１７（Ａ）に模式的に示す。また、各光学部品を出射した進行光の偏光の状態を図１７（Ｂ）に示す。また、戻光の光路を図１８（Ａ）に示し、戻光の偏光の状態を図１８（Ｂ）に示す。
【００８０】
光デバイス１７０は、入射側の光ファイバ１と、入射側のレンズ１７１と、第１の分波部４と、ファラデー結晶１７２と、第２の分波部１７３と、出射側のレンズ１７４と、出射側の光ファイバ１７５とを備える。さらに光デバイス１７０は、ファラデー結晶１７２の回転角を飽和させる磁界Ｈ１７６を印加するための手段（図示せず）を備える。レンズ１７１、第１の分波部４、ファラデー結晶１７２、第２の分波部１７３、レンズ１７４および光ファイバ１７５は、光ファイバ１から入力された光がこの順序で透過するように配置されている。
【００８１】
第１の分波部４および第２の分波部１７３は、実施形態１で説明した分波部４と同じ構造を有する光学部材である。この２つの分波部は、相対的に、光軸１７９を中心として光学的に４５°ずらして配置されている。すなわち、第１の分波部４の第１の逆格子ベクトルと第２の逆格子ベクトルと光軸１７９とを含む面と、第２の分波部１７３の第１の逆格子ベクトルと第２の逆格子ベクトルと光軸１７９とを含む面とが、光軸１７９を中心として４５゜の角度をなす。また、これらの２つの分波部は、第１の分波部４の第１の逆格子ベクトルと第２の分波部１７３の第１の逆格子ベクトルとがなす角度が、第１の分波部４の第１の逆格子ベクトルα1と第２の逆格子ベクトルα2とがなす角度に等しくなるように配置されている。
【００８２】
光デバイス１７０の機能について、図面を参照しながら説明する。光ファイバ１から入力された進行光（無偏波光）は、図１７（Ａ）および（Ｂ）に示すように、第１の分波部４において、ＴＭ波１７７とＴＥ波１７８とに分離される。次に、ＴＭ波１７７とＴＥ波１７８とは、ファラデー結晶１７２において、４５°回転される。ＴＭ波１７７とＴＥ波１７８とは分離したまま第２の分波部１７３から出射される。ＴＥ波１７８は、それが出射する位置に配置された光ファイバ１７５に入力される。ＴＭ波１７７は、光ファイバには入力されない。
【００８３】
一方、光ファイバ１７５から入力される戻光は、図１８（Ａ）および（Ｂ）に示すように、第２の分波部１７３でＴＭ波１８１とＴＥ波１８２とに分離される。ＴＭ波１８１およびＴＥ波１８２は、ファラデー結晶１７２において、それぞれ、４５°回転される。次に、ＴＭ波１８１とＴＥ波１８２とは、第１の分波部４において、光軸１７９からさらに離れる方向へ変移する。その結果、ＴＭ波１８１とＴＥ波１８２とは光ファイバ１に結合されない。従って、光デバイス１７０では、光は一方向にのみ進行する。
【００８４】
なお、実施形態９では、光出力手段である光ファイバ１７５にＴＥ波が入力する場合を示したが、光ファイバ１７５にＴＭ波を入力してもよい。
【００８５】
（実施形態１０）
実施形態１０では、本発明の光デバイスとして、偏波依存型光アイソレータの一例について説明する。実施形態１０の光デバイス１９０の構成および進行光の光路を図１９（Ａ）に模式的に示す。また、各光学部品を出射した進行光の偏波の状態を図１９（Ｂ）に示す。また、戻光の光路を図２０（Ａ）に示し、戻光の偏波の状態を図２０（Ｂ）に示す。
【００８６】
光デバイス１９０は、入射側の光ファイバ１と、入射側のレンズ１７１と、第１の分波部４と、ファラデー結晶１７２と、第２の分波部１９１と、出射側のレンズ１９２と、出射側の光ファイバ１９３とを備える。さらに光デバイス１９０は、ファラデー結晶１７２の回転角を飽和させる磁界Ｈ１７６を印加するための手段（図示せず）を備える。光デバイス１９０は、光デバイス１７０と比較して、第２の分波部、出射側のレンズ、および出射側の光ファイバの配置のみが異なるため、重複する説明は省略する。
【００８７】
第１の分波部４と第２の分波部１９１とは、光軸１９９を中心として光学的に４５°ずれるように配置されている。すなわち、第１の分波部４の第１の逆格子ベクトルと第２の逆格子ベクトルと光軸１９９とを含む面と、第２の分波部１９１の第１の逆格子ベクトルと第２の逆格子ベクトルと光軸１９９とを含む面とが、４５゜の角度をなす。また、これら２つの分波部は、第１の分波部４の第１の逆格子ベクトルと第２の分波部１９１の第１の逆格子ベクトルとが平行になるように配置される。
【００８８】
光デバイス１９０の機能について、図面を参照しながら説明する。光ファイバ１から入力された進行光（無偏波光）は、図１９（Ａ）および（Ｂ）に示すように、第１の分波部４で、ＴＭ波１９４とＴＥ波１９５とに分離される。このＴＭ波１９４とＴＥ波１９５とは、ファラデー結晶１７２で４５°回転される。次に、ＴＭ波１９４とＴＥ波１９５とは、分離したまま第２の分波部１９１から出射される。ＴＥ波１９５は、それが出射する位置に配置された光ファイバ１９３に入力される。ＴＭ波１９４は、光ファイバに入力されない。
【００８９】
一方、光ファイバ１９３から入力された戻光（無偏波光）は、図２０（Ａ）および（Ｂ）に示すように、第２の分波部１９１でＴＭ波２０１とＴＥ波２０２とに分離される。このＴＭ波２０１とＴＥ波２０２とは、ファラデー結晶１７２において４５°回転される。次に、ＴＭ波２０１とＴＥ波２０２とは、光軸１９９から離れたままの状態で第１の分波部４を通過する。その結果、ＴＭ波２０１とＴＥ波２０２とは、光ファイバ１に結合されない。従って、光デバイス１９０では、光は一方向にのみ進行する。
【００９０】
なお、光デバイス１９０では、ＴＭ波を光ファイバ１９３に入力してもよい。その場合は、ＴＭ波が出射される位置に光ファイバ１９３を配置し、ＴＥ波を受光しないようにすればよい。
【００９１】
また、各光学部品の入射面での反射光の影響を避けるために、前記各光学部品の入射面を傾け、光軸に対して垂直にならないようにすることも可能である。
【００９２】
また、上記分波部は、光軸上で隣接する部品の端面上に積層してもよい。この場合には、隣接する部品の端面にくぼみや溝を形成することによって分波部を作製してもよい。
【００９３】
以上、本発明の実施の形態について例を挙げて説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定されず本発明の技術的思想に基づき他の実施形態に適用することができる。
【００９４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の光デバイスは、ＴＥ波とＴＭ波の分離角度を１８０°程度にすることが可能な分波部を用いている。そのため、回折の影響が無視できるほどの伝播距離で、ＴＥ波とＴＭ波とを十分に分離でき、光デバイスを小型化できる。また、波長間隔が一定の複数の波長の光を用いた場合に、隣り合う波長のＴＥ波の波数差とＴＭ波の波数差とをほぼ等しくできるため、分離された隣り合う波長のＴＥ波とＴＭ波との位相差を揃えることができる。そのため、本発明の光デバイスは、各種の機能デバイス応用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の光デバイスについて一例の構成と機能とを模式的に示す図である。
【図２】  本発明の光デバイスに用いられる分波部について一例のフォトニックバンドを示す図である。
【図３】  本発明の光デバイスに用いられる分波部について一例の分散面と光の伝播方向とを示す図である。
【図４】  本発明の光デバイスに用いられる分波部について（Ａ）一例の構成、（Ｂ）他の一例の構成、（Ｃ）その他の一例の構成を模式的に示す図である。
【図５】  本発明の光デバイスについて（Ａ）他の一例の構成と（Ｂ）光の偏光状態とを模式的に示す図である。
【図６】  本発明の光デバイスについて（Ａ）その他の一例の構成と（Ｂ）光の偏光状態とを模式的に示す図である。
【図７】  本発明の光デバイスについて（Ａ）その他の一例の構成と（Ｂ）進行光の偏光状態とを模式的に示す図である。
【図８】  図７に示した光デバイスについて（Ａ）戻光の光路と（Ｂ）戻光の偏光状態とを模式的に示す図である。
【図９】  本発明の光デバイスについて（Ａ）その他の一例の構成と（Ｂ）進行光の偏光状態とを模式的に示す図である。
【図１０】  図９に示した光デバイスについて（Ａ）戻光の光路と（Ｂ）戻光の偏光状態とを模式的に示す図である。
【図１１】  本発明の光デバイスについて（Ａ）その他の一例の構成と（Ｂ）光の偏光状態とを模式的に示す図である。
【図１２】  本発明の光デバイスに用いられる位相子について一例のフォトニックバンドを示す図である。
【図１３】  本発明の光デバイスに用いられる位相子について一例の分散面と光の伝播方向とを示す図である。
【図１４】  本発明の光デバイスについて（Ａ）その他の一例の構成と（Ｂ）光の偏光状態とを模式的に示す図である。
【図１５】  本発明の光デバイスについて（Ａ）その他の一例の構成と（Ｂ）光の偏光状態とを模式的に示す図である。
【図１６】  本発明の光デバイスについてその他の一例の構成と機能とを模式的に示す図である。
【図１７】  本発明の光デバイスについて（Ａ）その他の一例の構成と（Ｂ）進行光の偏光状態とを模式的に示す図である。
【図１８】  図１７に示した光デバイスについて（Ａ）戻光の光路と（Ｂ）戻光の偏光状態とを模式的に示す図である。
【図１９】  本発明の光デバイスについて（Ａ）その他の一例の構成と（Ｂ）進行光の偏光状態とを模式的に示す図である。
【図２０】  図１９に示した光デバイスについて（Ａ）戻光の光路と（Ｂ）戻光の偏光状態とを模式的に示す図である。
【図２１】  従来の光デバイスについて一例の構成と機能とを模式的に示す図である。
【図２２】  従来の光デバイスに用いられる複屈折材料の一例について分散面と光の伝播方向とを示す図である。
【符号の説明】
１  光ファイバ（入射側）
２、３、５１〜５４、６１、６２、７８、１１３、１１４、１４６、１４７、１６１、１７５、１９３  光ファイバ（出射側）
４  分波部（第１の分波部：第１の光学部材）
５、５７、６４、１１５、１６２  ガイド
６、６５、８１、８４、９４、９６、１７７、１８１、１９４、２０１  ＴＭ波
７、６６、８０、８３、９３、９５、１７８、１８２、１９５、２０２  ＴＥ波
８、８ａ  第１の物質
９、９ａ  柱状部
１０、５０、６０、９０、１１０、１４０、１５０、１６０、１７０、１９０
光デバイス
１１  第１の逆格子ベクトルの方向
１２  第２の逆格子ベクトルの方向
５６、７５、９２、１４３、１５１、１７３、１９１  第２の分波部（第２の光学部材）
７１、１７９、１９９  光軸
７２、７７、１４１、１４５、１７１、１７４、１９２  レンズ
７４、１７２  ファラデー結晶
７６  第３の分波部（第３の光学部材）
７９、１７６  磁界
８５  磁界印加手段
９１  旋光性結晶
１１２、１４２  位相子
１４４  合波部（合波手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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