光デバイスおよび光制御方法
【課題】 特定の波長のみに可変の光減衰を付与することが可能でかつ半固定動作が可能な光デバイスと、光制御方法を実現する。
【解決手段】 ２種類以上の媒質からなる２次元または３次元の周期構造体のフォトンのバンド構造における反対称モードを外部光の斜め入射により励振することで、反対称モードの存在する波長の光に、透過損失または反射損失を生じさせることと、直交する偏波のうちの少なくとも一方に対する実効的な光波のバンドギャップを生じさせることとのうちの、少なくともいずれかをなす。また、入射角をステッピングモータを用いて可変とすることで透過損失を可変とする。
【解決手段】 ２種類以上の媒質からなる２次元または３次元の周期構造体のフォトンのバンド構造における反対称モードを外部光の斜め入射により励振することで、反対称モードの存在する波長の光に、透過損失または反射損失を生じさせることと、直交する偏波のうちの少なくとも一方に対する実効的な光波のバンドギャップを生じさせることとのうちの、少なくともいずれかをなす。また、入射角をステッピングモータを用いて可変とすることで透過損失を可変とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主として光通信分野で用いられる光デバイスに関し、特に、光減衰器および光利得等価器として機能する光デバイスならびに光制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信分野等において、特定の波長で光減衰を与えることができる光デバイスが必要とされる場合がある。例えば、エルビウムドープ光ファイバアンプ（EDFA）の利得等価が挙げられる。
【０００３】
このような用途では、非特許文献１に記載のように、長周期ファイバブラッググレーティングやファブリ・ペローエタロンフィルタ、平面光導波路などのフィルタデバイスとの組み合わせで実現されてきた（以下、従来技術１とする）。
【０００４】
また、伝送経路が複雑な場合はフィルタデバイスの減衰特性が可変である必要があり、可変利得等価器が用いられる。例えば、非特許文献２記載の光ファイバグレーティングを形成された導波路とクラッドとなる液晶を組み合わせ、液晶によるクラッドへの印加電界の制御により実現されている（以下、従来技術２とする）。
【０００５】
尚、可変利得等価器に要求される減衰特性は常時変動する性質ではなく、ひとたび減衰特性が選択された後はしばらくの間、同じ減衰特性を保持する使用状態が多いため、減衰特性を変更するとき以外は、外部からのエネルギー供給無しに減衰特性が保持される半固定動作が望ましい。
【０００６】
一方、非特許文献３にあるように、構造により一様物質とは異なる物性を得ようとする試みも活発である。特に、近年フォトニック結晶と呼ばれる２種類以上の物質からなる光の波長程度の周期を持つ２次元または３次元の周期構造体が注目を集めている。
【０００７】
フォトニック結晶の元となるフォトニックバンドの概念は非特許文献４により発表され、非特許文献５にてフォトンの局在など重要な性質が提示されたことにより注目を集めた。実際に作製され、フォトニックバンドギャップが確認されたフォトニック結晶は、Yablonotiteと呼ばれる構造体（特許文献１参照）が最初であり、以後、ウッドパイル構造（非特許文献６参照）、ＯＰＡＬ（微小球配列構造、非特許文献７参照）、エアホール（非特許文献８参照）、段差上多層膜（自己クローニング型、特許文献２および非特許文献９参照）などの種々の構造が実現されてきた。
【０００８】
フォトニック結晶特有の現象には多々あるが、フォトニックバンドギャップは最もよく知られている。そして、フォトニックバンド中でもフォトニックバンド構造の制御により従来の結晶では実現できない現象（スーパープリズム現象、非特許文献１０参照）や、スーパーコリメータ現象（非特許文献１１参照）、スーパーレンズ現象（非特許文献１２参照）が見つかり、フォトニックバンドギャップよりもバンド構造を制御することに注目が集まった。フォトニックバンド構造の制御は、フォトニックバンド工学という分野を作り出している（非特許文献１３参照）。そこで、本件中では、フォトニック結晶の定義として「フォトニックバンドギャップを有する周期構造体」ではなく、「２種類以上の物質からなる光の波長程度の周期を持つ２次元または３次元の周期構造体」を用いる。
【０００９】
フォトニック結晶は、結晶中の原子の周期性の影響で電子のバンド構造が変化するように、フォトンが屈折率（または誘電率）の周期性を感じることでフォトニックバンドの折り返しが生じ、さらに、屈折率や周期を選択することでフォトニックバンド構造を制御できる。フォトニック結晶には様々な興味深い特徴があるが、フォトニック結晶と原子あるいは分子の周期配列による結晶との比較については、非特許文献１４にまとめられている。また、バンド構造の起源などの詳しい説明が、非特許文献１５でなされている。
【００１０】
次に、フォトニック結晶中の光の伝搬についてこれまで知られている形態について説明する。
【００１１】
フォトニック結晶の伝搬域における分散曲線が折り返す波長近傍では群速度が遅くなるが、この現象はフォトンが多重反射しながら伝搬することに相当するため、フォトンと媒質との相互作用が大きくなる（非特許文献１６参照）。また、フォトニックバンド端では定在波状態になり、フォトニックバンドギャップ内の波長の光は反射する。
【００１２】
【特許文献１】アメリカ合衆国特許第５１７２２６７号
【特許文献２】日本国特許第３３２５８２５号
【特許文献３】日本国特許第３２８８９７６号
【特許文献４】日本国特許第２５３９５６３号
【非特許文献１】須藤昭一 編，「エルビウム添加光ファイバ増幅器」，p113，オプトロニクス社，1999
【非特許文献２】Yeralan et.al.,”Switchable Bragg grating devices for telecommunications applications”,Optical Engineering,August2002,Vol.41
【非特許文献３】山本 良一 編，多層薄膜と材料開発，株式会社シーエムシー出版，1986
【非特許文献４】Ohtaka,PHYSICAL REVIEW B,VOL19,NO10,pp5057-5067,15 MAY 1979
【非特許文献５】Physical Review Letters,May 1987,vol58,pp2059-2062
【非特許文献６】S.Noda et.al.,New realization method for three-dimensional photonic crystal in optical wavelength region.Jpn.J.Appl.Phys.,vol.35,pp.L909-L912(1996)
【非特許文献７】H.Miguez,et.al.,Photonic crystal properties of packed submicrometric SiO2 spheres,Appl.Phys.Lett.,71,pp.1148-1150 (1997)
【非特許文献８】T.Baba and T.Matsunami,Electron.Lett.,31,1776(1995)
【非特許文献９】S.Kawakami,”Fabrication of submicromatre 3D periodic structures composed of Si/SiO2”,ELECTRONICS LETTERS,3rd July 1997,vol33,No.14
【非特許文献１０】H.Kosaka et al.,Phys.Pev.B58,R10096(1998)
【非特許文献１１】H. Kosaka, T. Kawashima, A. Tomita, M. Notomi, T. Tamamura, T. sato, and S. Kawakami,”Self-collimating phenomena in photonic crystals,”Appl. Phys. Lett., vol. 74, no.9, pp. 1212-1214, 1 March 1999
【非特許文献１２】H.Kosaka,T.Kawashima,A.Tomita,M.Notomi,T.Tamamura,T.Sato,and S.Kawakami,Appl.Phys.Lett.74(1999)1212
【非特許文献１３】川上彰二郎 監修，「フォトニック結晶技術とその応用」，ｐｐ.２２１-２２８，株式会社シーエムシー出版，２００２
【非特許文献１４】John.D.Joannopoulos,Robert D.Meade and Joshua N.Winn,Photonic Crystals,Appendixes A,PRINCETON UNIVERSITY PRESS,1995
【非特許文献１５】大高一雄，「周期場中の光の特徴，周期場中での光と物質の相互作用」，日本光学会（応用物理学会）主催 第27回冬期講習会 フォトニック結晶と極微細周期構造の光学 予稿集，２００１
【非特許文献１６】川上彰二郎 監修，「フォトニック結晶技術とその応用」，pp.222-223，株式会社シーエムシー出版，2002
【非特許文献１７】大見忠弘 監修，「新しい半導体製造プロセスと材料」，３章４章，株式会社シーエムシー，2000年５月
【非特許文献１８】吉野勝美，武田寛之 著，「フォトニック結晶の基礎と応用」，pp90-93，株式会社コロナ社，2004
【非特許文献１９】川上彰二郎 監修，フォトニック結晶技術とその応用 第３章，株式会社シーエムシー出版，2002
【非特許文献２０】川嶋貴之，大寺康夫，佐藤尚，川上彰二郎，「２次元フォトニック結晶偏光分離素子の作製とその高性能化」，電子情報通信学会光エレクトロニクス研究会，OPE99-109，1999年12月
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
従来技術１に記載される種々の光減衰器は、特定波長のみに可変の光減衰を付与することが困難である。従来技術２は、特定波長のみに可変の光減衰を付与することが可能であるものの、半固定動作が不可能であるため、常時電界印加または加熱する必要があり、運用に伴うリスクが大きい。
【００１４】
さらに、前述した文献は、フォトニックス結晶に入射光を照射した場合における現象について何等開示していないし、入射光を照射した場合の特性を利用したデバイス等について示唆されていない。
【００１５】
本発明者等は、フォトニックス結晶に対して斜めに光を入射した場合に特定の波長のみに光損失、光減衰等が生じるという新規な現象を発見し、当該現象を利用したデバイスを提案すると共に、当該新規な現象の制御方法を提案するものである。
【００１６】
本発明者等はまた、当該提案によれば、上述の従来技術１、２による問題点を解決し得ること見出した。
【００１７】
それ故、本発明の目的は、フォトニックス結晶に入射光を照射した場合、特定の波長において光損失、光減衰等が生じることを利用した光デバイスを提供することである。
【００１８】
本発明の他の目的は、特定波長を減衰させるフォトニックス結晶を用いて光を制御する方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明によれば、２種類以上の媒質から成り、屈折率が周期的な構造を持ち、フォトンのバンド構造を有する周期構造体を有し、前記周期構造体は、当該周期が、３次元の直交座標ｘ，ｙ，ｚにおいて、ｘ，ｚ方向の二方向もしくはｘ，ｙ，ｚ方向の三方向に存在していると共に、前記ｚ方向に延びる軸を含む対称面に対して電磁界分布が反対称であるモードを呈することが可能であり、前記周期構造体への非エバネッセントな入射光は、前記ｚ方向に対して０°よりも大きい入射角で入射される光デバイスにおいて、例えば、以下の態様（１）〜（１０）が得られる。
【００２０】
（１）前記周期構造体は、前記入射光のうちの前記電磁界分布が反対称である前記モードの存在する波長の光に、透過損失または反射損失を与える。
（２）前記周期構造体は、前記入射光のうちの前記電磁界分布が反対称である前記モードの存在する波長の光に、直交する偏波のうちの少なくとも一方に対する実効的なフォトンのバンドギャップを生じさせる。
（３）前記周期構造体は、前記ｚ方向に延びる軸を含む対称面に対して電磁界分布が反対称であるモードと、直交する偏波のうちの少なくとも一方の対称モードとが存在するものである。
（４）前記周期構造体は、前記ｚ方向に対して０°よりも大きい入射角で入射される前記入射光のうちの前記電磁界分布が反対称である前記モードの存在する波長の光を光軸外へ放射させる。
（５）前記入射光のうちの前記電磁界分布が反対称である前記モードの存在する波長の光に対する透過損失を変化させるべく、前記周期構造体への前記入射光の入射角を相対的に変化させる手段をさらに有している。
（６）前記周期構造体の光の入射側に配置された、偏光分離素子および偏光回転子をさらに有し、前記周期構造体には、互いに実質的に同一の偏光状態を持つ２つのビームが入射される。
（７）光デバイスの入射ポートから出射ポートに向かう方向に並んだ複数の前記周期構造体を有している。
（８）前記複数の周期構造体は、前記ｘ方向または前記ｙ方向の周期が相互に異なる。
（９）前記複数の周期構造体は、前記ｚ方向の周期が相互に同一である。
（１０）前記複数の周期構造体に対する光の入射角が各個独立に制御可能であり、かつ、各前記周期構造体に対する入射角がｘ方向，ｙ方向，ｚ方向を軸に独立に制御可能である。
【００２１】
本発明によればまた、フォトニック結晶体を用い、前記フォトニック結晶体のフォトンのバンド構造における反対称モードを、該フォトニック結晶体への非エバネッセントな入射光を斜めに入射することによって励振することにより、下記Ａおよび／または下記Ｂ：（Ａ）入射光のうちの反対称モードの存在する波長の光に、透過損失または反射損失を生じさせる、（Ｂ）入射光のうちの反対称モードの存在する波長の光に、直交する偏波のうちの少なくとも一方に対する実効的な光波のバンドギャップを生じさせる、をなすことを特徴とする光制御方法が得られる。
【００２２】
本発明によればさらに、予め定められたフォトンのバンド構造を有するフォトニック結晶体と、所定の入射光とを使用して、前記入射光の前記フォトニック結晶体に対する相対的な角度を変化させることにより、前記入射光の透過損失または反射損失を変化させることを特徴とする光制御方法が得られる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、特定波長のみに可変の光減衰を付与することが可能であり、かつ、ほぼ任意の減衰特性が得られ、かつ、各波長の減衰幅（ダイナミックレンジ）が大きい上に半固定動作が可能であるため常時電界印加または加熱する必要がなく、運用に伴うリスクおよびコストが小さい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明による光デバイスは、予め定められたフォトンのバンド構造を有するフォトニック結晶体を有し、このフォトニック結晶体に所定の非エバッセントな入射光を入射する際に、入射光のフォトニック結晶体に対する相対的な角度を変化させることにより、入射光の透過損失または反射損失等を任意に変化させることが可能である。
【００２５】
以下、この光デバイスと、本発明による光制御方法とについて、幾つかの実施例を挙げて詳細に説明する。
【実施例１】
【００２６】
以下、本発明による光デバイスとしての光減衰器の実施例１を、図１〜図１５を参照して説明する。
【００２７】
図１（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ、本発明による光減衰器の構成と動作を示す模式図である。
【００２８】
図１（ａ）を参照して、本光減衰器は、光ファイバ１０１と、１／４波長板１０２と、１／２波長板１０３と、レンズ１０４と、２次元フォトニック結晶１０５と、２次元フォトニック結晶１０６と、レンズ１０７と、光ファイバ１０８とからなり、２次元フォトニック結晶１０５および１０６は、ビームの入射角が可変である。尚、１／４波長板１０２および１／２波長板１０３の組み合わせを用いて、直線偏波を得ることができる。
【００２９】
図１（ｂ）〜（ｄ）に示す光減衰器も、図１（ａ）に示した光減衰器と同様に、光ファイバ１０１と、１／４波長板１０２と、１／２波長板１０３と、レンズ１０４と、２次元フォトニック結晶１０５と、２次元フォトニック結晶１０６と、レンズ１０７と、光ファイバ１０８とを有しているが、２次元フォトニック結晶１０５および１０６のうちの少なくとも一方の配置が、後述の図２におけるｘ方向を中心軸とした角度付けがなされている。
【００３０】
図２は、２次元フォトニック結晶１０５、１０６の模式図である。
【００３１】
図２の構造は、特許文献３で開示される自己クローニング型フォトニック結晶と呼ばれる構造であり、自己クローニング法と呼ばれる工法で最初に作製されたことからこの呼称がある。自己クローニング法とは、凹凸や三角波形状、サインカーブ形状などに加工された基板上に、最適化された条件下で多層膜堆積を行うことにより基板形状を保存したまま多次元周期構造を形成する技術である。そして、薄膜である自己クローニング型フォトニック結晶は大面積化に特に適する。自己クローニング型フォトニック結晶はｚ方向の多層構造体であって、そのユニットセルに含まれる高屈折率媒質層（低屈折率媒質層でも構わない）がｘ方向にほぼＶ字形であることが特徴である。
【００３２】
図３は、２次元フォトニック結晶１０５、１０６に用いる基板の側面図である。
【００３３】
２次元フォトニック結晶１０５、１０６に用いる基板の材質は溶融石英であり、基板４０１上にはＥＢ露光によるリソグラフィー工程とドライエッチングで０．５μｍピッチの矩形の凹凸（以下、基板パターンとする）が形成されている。
【００３４】
さらに、図４に記載されるように基板４０１上に適切な条件下でｒｆバイアススパッタリング法によりＳｉＯ２膜４０２を堆積させることで三角波形状の整形層を形成し、その上に図５に記載されるようにａ−Ｓｉ：Ｈ膜とＳｉＯ２膜とが基板上に形成された三角波形状の形を保持したまま交互に都合１４周期成膜されており、２次元屈折率周期構造体をなす。また、フォトニック結晶部の上には、五酸化ニオブ（以下、Ｎｂ２Ｏ５とする）とＳｉＯ２による反射防止膜が同じく自己クローニング法で積層される。
【００３５】
実施例１におけるフォトニック結晶のユニットセルは、図６に示されるように、Ｚ軸と直交する方向の周期が５００ｎｍ、Ｚ方向の水素化アモルファスシリコン（以下ａ−Ｓｉ：Ｈ）膜の厚さが２３３ｎｍ、ＳｉＯ２膜の厚さが３５０ｎｍでＺ方向の周期が１４周期ある。また、頂角は１００度である。図６記載のユニットセルは、自己クローニング型フォトニック結晶の最も基本的な構成で、２つの屈折率の異なる物質からなり、外形が長方形でＺ軸に対して対称で高屈折率部の形状が逆Ｖ字形状になっていることから、本件中では以下、２次元２物質対称Ｖ型長方形ユニットセルと呼称する。
【００３６】
次に、材料の物性について説明する。ＳｉＯ２は、屈折率が１．４６である。一方、ａ−Ｓｉ：Ｈは、Ｅｇ＝１．７ｅＶかつ屈折率が３．４である。溶融石英も、ＳｉＯ２からなり屈折率は１．４６である。ａ−Ｓｉ：Ｈは、アモルファスシリコンのダングリングボンドと水素原子を結合させて終端させたものである。基板は溶融石英を用いる。
【００３７】
実施例１では、フォトニック結晶における高屈折率材料としてａ−Ｓｉ：Ｈを用いたが、屈折率ｎ＝２程度またはそれ以上の材料であれば利用できる。ただし、材料の屈折率比が大きいほど少ない周期数でフォトニックバンド構造の影響を得られる。
【００３８】
次に、作製方法について説明する。図２の構成は自己クローニング法に従い、ｒｆバイアススパッタリング（スパッタエッチングも効果を伴うｒｆスパッタリング）により作製する。ａ−Ｓｉ：Ｈ膜を積層する場合のターゲットはシリコンであり、堆積ガスはアルゴンと水素の混合ガスで、ガス圧力は０．３Ｐａから１．０Ｐａとする。ＳｉＯ２膜を積層する場合のターゲットは石英であり、堆積ガスはアルゴンと酸素の混合ガスで、ガス圧力は０．３Ｐａから１．０Ｐａとする。印加するバイアスはその最適値に他の成膜条件との依存性や装置依存性があるものの、数十Ｖの程度である。薄膜プロセスにおける基板加熱温度は通常では材料の融点の０．３倍以上が望ましいとされるが、実施例１では基板加熱温度を５７０Ｋとする。
【００３９】
次に、成膜方法について補足する。自己クローニング型フォトニック結晶作製方法として前記ｒｆバイアススパッタリング法、ＥＣＲスパッタリング法が知られているが、条件設定によってはピラミッド型に整形された基板上にバイアスを加えないｒｆマグネトロンスパッタリングとスパッタリングやイオンガンまたはＲＩＥなどのエッチングの組み合わせによっても自己クローニング型フォトニック結晶を形成することが可能である。
【００４０】
基板上への凹凸の形成方法について補足する。電子ビーム（以下、ＥＢ）によるリソグラフィーとエッチングを組み合わせた工程、光またはＸ線露光によるリソグラフィーとエッチングを組み合わせた工程、またはナノインプリント等が利用できる。また、石英のよう紫外領域まで透明材料の基板への適用はできないものの、紫外線領域で不透明な材料の基板または透明基板上に積層された十分な厚さの紫外線領域で不透明材質の膜を用いれば、干渉露光とエッチングを組み合わせた工程でも基板上への凹凸を形成できる。実施例１では凸凹の形状精度に優れエッチングが容易であることから、溶融石英基板に対してＥＢによるリソグラフィーとエッチングを組み合わせた工程を採用する。リソグラフィーとエッチングに関しては、非特許文献１７に記載されている。
【００４１】
次に、三角波形状の整形層の形成について補足する。三角波形状の形成は、図３のような矩形の基板パターンの上に適切な条件下でｒｆバイアススパッタリングで膜を堆積させることで形成するか、図３のような矩形の基板パターンの上に適切な条件下でｒｆスパッタリングで膜を堆積した後に、スパッタエッチングで整形することで形成する。
【００４２】
図６記載の２次元２物質Ｖ型長方形ユニットセルは最も自己クローニング法で作製しやすい形状であり、Ｚ方向の積層周期が１００周期を越える場合にも対応できる。逆にＺ方向の積層周期が１０周期程度であれば図７のような形状のユニットセルによるフォトニック結晶も実現できる。
【００４３】
次に、周期構造について説明する。実施例１は自己クローニング型と呼ばれる構造を採用しているが、実施例１を特徴づけるフォトニックバンド構造に由来する透過損失の変化は他の構造を採用するフォトニック結晶でも実現可能である。
【００４４】
他の重要な項目は、大面積のフォトニック結晶を容易に製造できることであり、これらを満たす周期構造として、自己クローニング型が最適である。
【００４５】
ここで、各材料の屈折率とユニットセルの形状から、図８と図９に示すバンド構造を有する。
【００４６】
尚、偶対称モードは電界強度分布が図１０に示すように中心軸対称のモードで、反対称モードは図１１に示すように中心軸に対して反対称になるモードをいう（非特許文献１８参照）。
【００４７】
解析には、有限差分時間領域法（ＦＤＴＤ法）を用いた計算プログラムを用いた。尚、フォトニック結晶の解析手法に関しては、非特許文献１９に詳述されている。また、バンド構造の計算は周期数無限大の条件下で行う。
【００４８】
ここで、実際に作製される自己クローニング型フォトニック結晶と図６のユニットセルは、実際に作製される自己クローニング型フォトニック結晶は頂点が僅かに曲線形状になるなど完全には一致しないが、実際に作製される自己クローニング型フォトニック結晶のなす近似形状のユニットセルを用いたバンド構造の計算結果と偶対称モードに由来する光学特性はほぼ完全に一致する。また、実際にはＺ方向は１４周期であるが、その条件下でも偶対称モードのバンド構造に由来する光学特性は計算結果とほぼ一致することが確かめられている。
【００４９】
以下、実施例１の２次元フォトニック結晶の測定データと比較データを示し、実施例１の効果を説明する。
【００５０】
まず、方向について定義する。図１２に示すように自己クローニング型２次元フォトニック結晶の膜に形成された溝と平行な方向をｘ方向、自己クローニング型２次元フォトニック結晶の膜に形成された溝と垂直な方向をｙ方向とする。
【００５１】
図１３に、図１における２次元フォトニック結晶１０６を取り除き、２次元フォトニック結晶１０５をｙ軸回りを０度で固定し、ｘ軸周りで０度（垂直入射）２度、５度、１０度回転させた場合のＴＭ偏波に対する透過損失波長特性を示す。図１３を参照すると、垂直入射時は損失が無く、２度、５度では損失が増加していることがわかる。
【００５２】
図１４に、図１における２次元フォトニック結晶１０６を取り除き、２次元フォトニック結晶１０５のみを用いた場合におけるｘ軸回りを１０度で固定し、ｙ軸周りで０度（垂直入射）２度、５度と回転させた場合のＴＭ偏波に対する透過損失波長特性を示す。図１４によれば、ｘ軸回りの回転と組み合わせればｙ軸回りの回転の影響も表れ、かつ減衰量の調整に用いることができることがわかる。
【００５３】
図１５に、図１における２次元フォトニック結晶１０６を取り除き２次元フォトニック結晶１０５をｘ軸回りで２度、５度、１０度で回転させ、ｙ軸周りを２度で固定させた場合のＴＭ偏波に対する透過損失波長特性を示す。
【００５４】
尚、２次元フォトニック結晶１０６をｚ軸周りで回転させることにより、１４８０ｎｍから１５６０ｎｍの全域に同量のＴＭ偏波に対する透過損失を与えられる。これは、２次元フォトニック結晶１０６が偏光子としての機能をも有することに由来する。
【００５５】
以上のように、２次元フォトニック結晶に対して斜め入射することで、図１６に示されるような反対称モードの存在する特定波長帯域のみに大きな減衰幅を持つ可変光減衰器が実現できることがわかる。
【００５６】
また、透過損失の発生状況を調べるため積分球による測定を行ったところ、図１７に示すようにＴＭ偏波に対する透過損失増加分に見合う量の反射光の増加と、散乱光及び回折光に類似した伝搬方向の異常なビームの発生が認められた。以降、この散乱光及び回折光に類似した伝搬方向の異常なビームをまとめて、光軸外への放射と呼ぶ。
【００５７】
前述の入射角依存性について、バンド構造から説明する。図１８は、ｘ軸回りで１０度斜め入射した場合のバンド図であり、垂直入射時の反対称モード波長の存在波長域にバンドギャップが存在することがわかる。しかし、バンド構造は周期数無限で定義されるので１４周期ではバンドギャップは開ききらず、入射光の一部成分は群速度の低下に伴い散乱して、結果として前述の特性になると考えられている。
【００５８】
図１９に、図１における２次元フォトニック結晶１０５を取り除き２次元フォトニック結晶１０６をｘ軸回りで５度、１０度、１５度で回転させ、ｙ軸周りを５度で固定させた場合のＴＭ偏波に対する透過損失波長特性を示す。２次元フォトニック結晶１０６は２次元フォトニック結晶１０５と同一の基板上にａ−Ｓｉ：Ｈを２２０ｎｍ、ＳｉＯ２を３３０ｎｍの厚さで交互に１４周期積層してある。図１９からフォトニック結晶の厚さ方向の構成によって反対称モード波長を変えることができることがわかる。
【００５９】
さらに、同一入射角において、図２０に示すようにフォトニック結晶の周期数によって透過損失が変化する。図２０は、Ｘ方向の周期が２３０ｎｍで屈折率約２．４の材料と屈折率約１．５の材料からなる２次元フォトニック結晶における同一基板上に連続して積層した１２周期と５５周期での入射角５度におけるＴＭ偏波に対する透過率である。
【００６０】
図２０からも明らかなように、周期数を増やすことによって、反対称モードが存在する波長の透過損失を増大させることができる。
【００６１】
次に、複数枚のフォトニック結晶を用いた光減衰器の原理について説明する。数ｎｍの波長範囲の減衰を受け持つフォトニック結晶を複数種直列に配置し、各々独立に入射角を調整することで広い波長範囲に亘って、減衰曲線をほぼ自由に調整できる。例えば、図２１に示すようにエルビウムドープ光ファイバアンプのゲインカーブを補正する減衰曲線も得られる。
【００６２】
図２２および図２３に、図１記載の光減衰器の代表的な特性を示す。図２２は、２次元フォトニック結晶１０５をｙ軸回り５度、ｘ軸回り１５度回転させ、２次元フォトニック結晶１０６をｙ軸回り２度、ｘ軸回り１０度回転させた場合の透過損失波長依存性２２０１と２次元フォトニック結晶１０５をｙ軸回り５度、ｘ軸回り０度回転させ、２次元フォトニック結晶１０６をｙ軸回り２度、ｘ軸回り０度回転させた場合のＴＭ偏波に対する透過損失波長依存性２２０２である。後者の場合はほぼ損失なくフラットで、前者の場合は各々の２次元フォトニック結晶の透過損失の足しあわせの特性が得られている。
【００６３】
図２３は、２次元フォトニック結晶１０５をｙ軸回り５度、ｘ軸回り５度回転させ、２次元フォトニック結晶１０６をｙ軸回り２度、ｘ軸回り１０度回転させた場合の透過損失波長依存性２３０１と、２次元フォトニック結晶１０５をｙ軸回り５度、ｘ軸回り１０度回転させ、２次元フォトニック結晶１０６をｙ軸回り２度、ｘ軸回り５度回転させた場合のＴＭ偏波に対する透過損失波長依存性２３０２である。いずれも各々の２次元フォトニック結晶の透過損失の足しあわせの特性が得られている。
【実施例２】
【００６４】
本発明の実施例２を、図２４を用いて説明する。
【００６５】
図２４は、シングルモード光ファイバ２４０１およびレンズ２４０２からなるファイバコリメータと、シングルモード光ファイバ２４１２およびレンズ２４１１からなるファイバコリメータとによる光結合系と、２次元フォトニック結晶２４０６および２４０７ならびに偏波状態制御手段とからなる可変光減衰器の模式図である。フォトニック結晶２４０６および２４０７は、実施例１のフォトニック結晶１０５および１０６と同じである。
【００６６】
実施例２の特徴は、入射偏波状態に減衰特性が依存しない可変光減衰器であることである。
【００６７】
図２４の構成の動作について説明する。シングルモード光ファイバ２４０１からランダムな偏波状態の光が射出した後にレンズ２４０２で平行ビームに変換される。次いで、ウォークオフ結晶偏光分離素子２４０３で直交する２つの偏光のビームに分離され、ｃ軸の向きが互いに４５度異なる１／２波長板２４０４、１／２波長板２４０５で２つのビームの偏波状態が２次元フォトニック結晶２４０６および２次元フォトニック結晶２４０７に対するＴＭ偏波に変換される。次いで、２次元フォトニック結晶２４０６および２次元フォトニック結晶２４０７で各々の特性に応じた減衰量が与えられた後に、ｃ軸の向きが互いに４５度異なる１／２波長板２４０８および１／２波長板２４０９で２つのビームの持つ偏波状態が直交する偏波状態に変換され、ウォークオフ結晶偏光分離素子２４１０で偏波合成されてレンズ２４１１を経てシングルモード光ファイバ２４１２に入射し出力される。このような「偏光分離→偏波変換（２つの同一偏波状態を有するビーム）→偏光依存性を有する何らかの過程→偏波変換（２つの互いに直交する偏波状態を有するビーム）→偏光合成」という過程は、特許文献４において、偏光無依存デバイスを実現する手段として開示されている。
【００６８】
実際の光通信で可変光減衰器を必要とする構成では、経路にはランダムな偏波状態で光が伝搬するため、実施例２のように偏光無依存化が必要であり、実施例２の構成は、簡素でありながらＰＤＬ（損失の偏光依存性）を容易に０．１ｄＢ以下に抑制できる。
【実施例３】
【００６９】
本発明の実施例３を、図２５を用いて説明する。
【００７０】
図２５は、シングルモード光ファイバ２５０１とレンズ２５０２とからなるファイバコリメータと、シングルモード光ファイバ２５０８とレンズ２５０７とからなるファイバコリメータと、３次元フォトニック結晶２５０３〜２５０６とを有する可変光減衰器である。
【００７１】
実施例３の特徴は、図２６に示すような自己クローニング型３次元フォトニック結晶を用いることで、入射偏波状態に減衰特性が依存しない可変光減衰器であることである。また、３次元フォトニック結晶の場合は回転軸を、図２７のようにフォトニック結晶の凹凸に対して４５度にする。
【００７２】
２次元フォトニック結晶の場合は偏波依存性が大きいが、３次元フォトニック結晶の場合は正方格子型であれば偏波依存性がほぼキャンセルされる。実施例３は実施例２に比べより簡素な構成であり、低価格化に適する。
【実施例４】
【００７３】
本発明の実施例４を、図２８（ａ）および（ｂ）を用いて説明する。
【００７４】
図２８（ａ）および（ｂ）は、光入射および出射ポートをなすファイバコリメータ２８０１および２０８２と、２次元フォトニック結晶２８１３〜２８１７と、各２次元フォトニック結晶対する回転機構であるステッピングモータ２８１８〜２８２２と、ルチルウォークオフ結晶偏光分離素子２８０４および２８１０と、水晶１／２波長板２８０５、２８０６、２８０８、および２８０９と、２次元フォトニック結晶偏光分離素子２８０７と、ＰＭＤ補償板２８０３および２８１１と、光スペクトラムアナライザ２８１２とからなる可変光減衰器の構成例を示す側面図および平面図である。
【００７５】
実施例４では、「偏波分散付与→偏光分離→偏波変換（２つの同一偏波状態を有するビーム）→２次元フォトニック結晶の回転機構による特定波長の可変減衰機構→反射（一部透過）→偏波分散補償→２次元フォトニック結晶の回転機構による特定波長の可変減衰機構→偏波変換（２つの互いに直交する偏波状態を有するビーム）→偏光合成→偏波分散補償」の過程を行っている。
【００７６】
また、前記一部透過成分は、別経路で、「偏波変換（２つの互いに直交する偏波状態を有するビーム）→偏光合成→偏波分散補償」の過程を経て、光スペクトラムアナライザ２８１２に入射する。
【００７７】
実施例４の特徴は、反射機構によりフォトニック結晶による光減衰機構を２度透過させることで、同一のフォトニック結晶を用いる場合はより小さい入射角で必要とする光減衰量を得られることにある。また、前記反射機構として２次元フォトニック結晶偏光分離素子２８０７を用いており、入射光の偏波方向と２次元フォトニック結晶偏光子の軸方向の間になす角度を選択することにより透過率と反射率を選択できる。
【００７８】
さらに、引き回しスペースが必要になるファイバコリメータ２８０１およびファイバコリメータ２８０２を一方に配置することにより省スペース化の効果もある。
【００７９】
また、２次元フォトニック結晶２８１３〜２８１７はそれぞれ、ｘ方向の周期が異なり、かつ膜の厚さが共通の５種類の２次元フォトニック結晶であり、それぞれが約８ｎｍから１２ｎｍの範囲の減衰を受け持ち、光通信のＣバンド帯（１５２５ｎｍ〜１５６５ｎｍ）全体をカバーする。膜厚構成が共通でｘ方向の周期が異なる場合に反対称モード波長がシフトすることは非特許文献２０に開示されており、同時に４種類のフォトニック結晶を同時に積層することにより、ｚ方向の周期、各層の屈折率およびユニットセルの頂点の角度は共通になるため、４種類のフォトニック結晶の反対称モード波長の間隔を一定範囲内に納めることが容易になり、４種類のフォトニック結晶を別々に作製する場合に比べ低コストになる。
【００８０】
また、１５３５ｎｍ近傍に反対称モードを有するフォトニック結晶のみ２枚使用される。１５３５ｎｍは、エルビウムドーム光ファイバアンプのゲインのピークがある。
【００８１】
２次元フォトニック結晶２８１３はｘ方向の周期が５１６ｎｍ、２次元フォトニック結晶２８１４はｘ方向の周期が５１８ｎｍ、２次元フォトニック結晶２８１５はｘ方向の周期が５２０ｎｍ、２次元フォトニック結晶２８１６はｘ方向の周期が５２２ｎｍ、２次元フォトニック結晶２８１７はｘ方向の周期が５２４ｎｍで、周期構造をなすＳｉＯ２層の厚さは３３０ｎｍでａ−Ｓｉ：Ｈ層は２１０ｎｍである。
【００８２】
また、フォトニック結晶偏光分離素子２８０７は、フォトニック結晶２８１３と同じものが使用できる。ただし、入射光ビームは垂直入射するため反対称モードによる光減衰は生じない。
【００８３】
また、図２８には記載されていないが、筐体とステッピングモータ２８１８〜２８２２に対する制御基板、筐体等が加えられる。
【実施例５】
【００８４】
本発明の実施例５を、図２９を用いて説明する。
【００８５】
図２９は、フォトニック結晶に対する回転機構と筐体２９０２を含む可変光減衰器の構成例を示す図である。基本的な構成は実施例２と同様であり、タップカプラ２９０９と、光スペクトラムアナライザ２９１１とが加えられている。また、２次元フォトニック結晶およびステッピングモータは、図２８記載の可変光減衰器と同じものが用いられている。
【００８６】
次に、２次元フォトニック結晶に対する入射角を可変にする機構について説明する。
【００８７】
２次元フォトニック結晶２８１２〜２８１６をステッピングモータ２８１７〜２８２１に連結し回転させる。ステッピングモータの回転角は制御基板を介したコンピュータにより調整する。減衰量の調整は、光スペクトラムアナライザ２９１１の検出結果からコンピュータ２９１３内に予め各フォトニック結晶の回転角（またはステッピングモータの回転量）をコンピュータ２９１３の記録域に記録したデータテーブルを選択し、コンピュータ２９１３から制御基板２９１２に命令を送信して行う。
【００８８】
実施例５では、ステッピングモータ２８１７〜２８２１を用いたが、これは、移動量が大きいことと、半固定動作が可能であるため、移動時以外電力を消費しない点で優れているからである。本発明のフォトニック結晶の反対称モードを利用した光減衰器は、入射角度精度の要求精度が小さく、また、入射角度以外の例えばフォトニック結晶の位置ずれによる損失がほぼ発生しないため、低精度のステッピングモータで十分である。また、ロータリーエンコーダで回転角検出することが必要であるものの、サーボモータをも使用できる。
【実施例６】
【００８９】
本発明の実施例６を、図３０〜３２を用いて説明する。
【００９０】
図３０は、２次元フォトニック結晶１０５に対してｙ軸周りに１０度斜めから入射した場合のバンド図であり、図９においてＴＥ偏波の反対称モードのバンドが存在した波長にＴＥ偏波のバンドが存在する。
【００９１】
ここで、波長１．４５μｍ近傍のＴＥ偏波のバンドは図９におけるＴＥ偏波の反対称モードに由来し、かつ波長１．３μｍ以上に存在するＴＭ偏波のモードは図８におけるＴＭ偏波の偶対称モードに由来する。
【００９２】
前記の図３０における波長１．４５μｍ近傍のＴＥ偏波のバンドは、外部平面波で励振することが可能である。また、波長１．３μｍから波長１．６μｍの範囲では波長１．４５μｍを除いてＴＥ偏波に対するバンドギャップが存在するため、ＴＥ偏波は、波長１．３μｍから波長１．６μｍの範囲では、波長１．４５μｍを除いてほぼ全て反射する。その実例を図３１に示す。
【００９３】
図３１は、２次元フォトニック結晶１０５に対してｙ軸周りに１０度斜めからＴＥ偏波を入射した場合の透過率，反射率，その他の軸外への放射（散乱回折を含む）の測定データである。反対称モードの存在する波長が１５２０ｎｍ近傍とバンド図とずれているが、これは、ａ−Ｓｉ：Ｈ膜の屈折率がバンド図の計算に用いた値からずれているためである。図３１によれば、１５２０ｎｍ近傍のみ透過率が上昇し、反射率が減少し、かつ軸外への放射が生じている。また、前記の軸外への放射は入射角が大きくなるに従い増加する。
【００９４】
尚、ｙ軸周りに斜めからＴＭ偏波を入射した場合には、バンド構造からも推察できるように、透過損失に変化はほぼ生じない。
【００９５】
図３２は、ファイバコリメータ３２０１および３２０２による光結合系と、２次元フォトニック結晶３２０３〜３２０６とからなる可変光減衰器の模式図である。特に、図３２（ａ）は各２次元フォトニック結晶に対する入射角が１０度、図３２（ｂ）は各２次元フォトニック結晶に対する入射角が１５度の場合を示す。
【００９６】
図３２記載の可変光減衰器の特徴は、フォトニック結晶のバンドギャップによる反射光を利用する点にある。
【００９７】
図３２の構成の動作について説明する。ファイバコリメータ３２０１から出射したコリメートビームは、２次元フォトニック結晶３２０３〜３２０６に対して垂直入射時にはＴＥ偏波なる偏波状態である。
【００９８】
まず、２次元フォトニック結晶３２０３に入射した光は、反対称モードの存在する波長で一部が透過、散乱等で失われるが、それ以外は反射する。次いで、同様に２次元フォトニック結晶３２０４〜３２０６で反射してファイバコリメータ３２０２に至る。ここで、２次元フォトニック結晶３２０３〜３２０６に対する入射角が全て同じであれば、その入射角を変更した場合でも光はファイバコリメータ３２０２に至るため、可変光減衰器としての動作が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００９９】
以上幾つかの実施例によって本発明を説明してきたが、本発明は、その請求の範囲内において種々に変形可能であることは、当業者にとっては明らかなことである。
【図面の簡単な説明】
【０１００】
【図１】（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施例１による光減衰器の構成と動作を示す模式図である。
【図２】２次元フォトニック結晶の模式図である。
【図３】２次元フォトニック結晶１０５に用いる基板の側面図である。
【図４】図３記載の基板に整形層を成膜した構成図である。
【図５】図４に多層膜を成膜した構成図である。
【図６】ユニットセルの側面図である。
【図７】代替え可能なユニットセルの側面図である。
【図８】対称モードのバンド図である。
【図９】反対称モードのバンド図である。
【図１０】対称モード模式図である。
【図１１】反対称モード模式図である。
【図１２】軸の定義を示す図である。
【図１３】透過損失波長特性を示す図である。
【図１４】透過損失波長特性を示す図である。
【図１５】透過損失波長特性を示す図である。
【図１６】透過損失波長特性の入射角依存性の模式図である。
【図１７】透過率、反射率、散乱率の波長特性を示す図である。
【図１８】ｘ軸回りで１０度斜め入射した場合のバンド図である。
【図１９】２次元フォトニック結晶１０６の特性を示す図である。
【図２０】透過損失の層数依存性を示す図である。
【図２１】減衰特性の１例を示す模式図である。
【図２２】光減衰器の代表的な特性を示す図である。
【図２３】光減衰器の代表的な特性を示す図である。
【図２４】本発明の実施例２の構成を示す図である。
【図２５】本発明の実施例３の構成を示す図である。
【図２６】自己クローニング型３次元フォトニック結晶の斜視図である。
【図２７】３次元ＰｈＣの回転方向を示す正面図である。
【図２８】（ａ）および（ｂ）は、本発明の実施例４の構成を示す側面図および平面図である。
【図２９】本発明の実施例５の構成を示す図である。
【図３０】２次元フォトニック結晶に対してｙ軸周りに１０度斜めから入射した場合のバンド図である。
【図３１】２次元フォトニック結晶に対してｙ軸周りに１０度斜めからＴＥ偏波を入射した場合の透過率，反射率，その他の軸外への放射（散乱回折を含む）の測定データ図である。
【図３２】ファイバコリメータによる光結合系と、２次元フォトニック結晶とからなる可変光減衰器の模式図である。
【符号の説明】
【０１０１】
１０１ 光ファイバ
１０２ １／４波長板
１０３ １／２波長板
１０４ レンズ
１０５、１０６ ２次元フォトニック結晶
１０７ レンズ
１０８ 光ファイバ
４０１ 基板
４０２、５０２、５０４ ＳｉＯ２膜
５０１、５０３、５０５ ａ−Ｓｉ：Ｈ膜
２４０１ シングルモード光ファイバ
２４０２ レンズ
２４０３、２４１０ ウォークオフ結晶偏光分離素子
２４０４、２４０５、２４０８、２４０９ １／２波長板
２４０６、２４０７ ２次元フォトニック結晶
２４１１ レンズ
２４１２、２５０１ シングルモード光ファイバ
２５０２ レンズ
２５０３〜２５０６ ３次元フォトニック結晶
２５０７ レンズ
２５０８ シングルモード光ファイバ
２８０１、２８０２ ファイバコリメータ
２８０３、２８１１ ＰＭＤ補償板
２８０４、２８１０ ルチルウォークオフ結晶偏光分離素子
２８０５、２８０６、２８０８、２８０９ １／２波長板
２８０７ ２次元フォトニック結晶偏光分離素子
２８１２、２９１１ 光スペクトラムアナライザ
２８１３〜２８１７ ２次元フォトニック結晶
２８１８〜２８２２ ステッピングモータ
２９０１ ファイバコリメータ
２９０２ 筐体
２９０３、２９０８ ウォークオフ結晶偏光分離素子
２９０４〜２９０７ １／２波長板
２９０９ タップカプラ
２９１０ ファイバコリメータ
２９１２ 制御基板
２９１３ コンピュータ
３２０１、３２０２ ファイバコリメータ
３２０３〜３２０６ ２次元フォトニック結晶
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主として光通信分野で用いられる光デバイスに関し、特に、光減衰器および光利得等価器として機能する光デバイスならびに光制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信分野等において、特定の波長で光減衰を与えることができる光デバイスが必要とされる場合がある。例えば、エルビウムドープ光ファイバアンプ（EDFA）の利得等価が挙げられる。
【０００３】
このような用途では、非特許文献１に記載のように、長周期ファイバブラッググレーティングやファブリ・ペローエタロンフィルタ、平面光導波路などのフィルタデバイスとの組み合わせで実現されてきた（以下、従来技術１とする）。
【０００４】
また、伝送経路が複雑な場合はフィルタデバイスの減衰特性が可変である必要があり、可変利得等価器が用いられる。例えば、非特許文献２記載の光ファイバグレーティングを形成された導波路とクラッドとなる液晶を組み合わせ、液晶によるクラッドへの印加電界の制御により実現されている（以下、従来技術２とする）。
【０００５】
尚、可変利得等価器に要求される減衰特性は常時変動する性質ではなく、ひとたび減衰特性が選択された後はしばらくの間、同じ減衰特性を保持する使用状態が多いため、減衰特性を変更するとき以外は、外部からのエネルギー供給無しに減衰特性が保持される半固定動作が望ましい。
【０００６】
一方、非特許文献３にあるように、構造により一様物質とは異なる物性を得ようとする試みも活発である。特に、近年フォトニック結晶と呼ばれる２種類以上の物質からなる光の波長程度の周期を持つ２次元または３次元の周期構造体が注目を集めている。
【０００７】
フォトニック結晶の元となるフォトニックバンドの概念は非特許文献４により発表され、非特許文献５にてフォトンの局在など重要な性質が提示されたことにより注目を集めた。実際に作製され、フォトニックバンドギャップが確認されたフォトニック結晶は、Yablonotiteと呼ばれる構造体（特許文献１参照）が最初であり、以後、ウッドパイル構造（非特許文献６参照）、ＯＰＡＬ（微小球配列構造、非特許文献７参照）、エアホール（非特許文献８参照）、段差上多層膜（自己クローニング型、特許文献２および非特許文献９参照）などの種々の構造が実現されてきた。
【０００８】
フォトニック結晶特有の現象には多々あるが、フォトニックバンドギャップは最もよく知られている。そして、フォトニックバンド中でもフォトニックバンド構造の制御により従来の結晶では実現できない現象（スーパープリズム現象、非特許文献１０参照）や、スーパーコリメータ現象（非特許文献１１参照）、スーパーレンズ現象（非特許文献１２参照）が見つかり、フォトニックバンドギャップよりもバンド構造を制御することに注目が集まった。フォトニックバンド構造の制御は、フォトニックバンド工学という分野を作り出している（非特許文献１３参照）。そこで、本件中では、フォトニック結晶の定義として「フォトニックバンドギャップを有する周期構造体」ではなく、「２種類以上の物質からなる光の波長程度の周期を持つ２次元または３次元の周期構造体」を用いる。
【０００９】
フォトニック結晶は、結晶中の原子の周期性の影響で電子のバンド構造が変化するように、フォトンが屈折率（または誘電率）の周期性を感じることでフォトニックバンドの折り返しが生じ、さらに、屈折率や周期を選択することでフォトニックバンド構造を制御できる。フォトニック結晶には様々な興味深い特徴があるが、フォトニック結晶と原子あるいは分子の周期配列による結晶との比較については、非特許文献１４にまとめられている。また、バンド構造の起源などの詳しい説明が、非特許文献１５でなされている。
【００１０】
次に、フォトニック結晶中の光の伝搬についてこれまで知られている形態について説明する。
【００１１】
フォトニック結晶の伝搬域における分散曲線が折り返す波長近傍では群速度が遅くなるが、この現象はフォトンが多重反射しながら伝搬することに相当するため、フォトンと媒質との相互作用が大きくなる（非特許文献１６参照）。また、フォトニックバンド端では定在波状態になり、フォトニックバンドギャップ内の波長の光は反射する。
【００１２】
【特許文献１】アメリカ合衆国特許第５１７２２６７号
【特許文献２】日本国特許第３３２５８２５号
【特許文献３】日本国特許第３２８８９７６号
【特許文献４】日本国特許第２５３９５６３号
【非特許文献１】須藤昭一 編，「エルビウム添加光ファイバ増幅器」，p113，オプトロニクス社，1999
【非特許文献２】Yeralan et.al.,”Switchable Bragg grating devices for telecommunications applications”,Optical Engineering,August2002,Vol.41
【非特許文献３】山本 良一 編，多層薄膜と材料開発，株式会社シーエムシー出版，1986
【非特許文献４】Ohtaka,PHYSICAL REVIEW B,VOL19,NO10,pp5057-5067,15 MAY 1979
【非特許文献５】Physical Review Letters,May 1987,vol58,pp2059-2062
【非特許文献６】S.Noda et.al.,New realization method for three-dimensional photonic crystal in optical wavelength region.Jpn.J.Appl.Phys.,vol.35,pp.L909-L912(1996)
【非特許文献７】H.Miguez,et.al.,Photonic crystal properties of packed submicrometric SiO2 spheres,Appl.Phys.Lett.,71,pp.1148-1150 (1997)
【非特許文献８】T.Baba and T.Matsunami,Electron.Lett.,31,1776(1995)
【非特許文献９】S.Kawakami,”Fabrication of submicromatre 3D periodic structures composed of Si/SiO2”,ELECTRONICS LETTERS,3rd July 1997,vol33,No.14
【非特許文献１０】H.Kosaka et al.,Phys.Pev.B58,R10096(1998)
【非特許文献１１】H. Kosaka, T. Kawashima, A. Tomita, M. Notomi, T. Tamamura, T. sato, and S. Kawakami,”Self-collimating phenomena in photonic crystals,”Appl. Phys. Lett., vol. 74, no.9, pp. 1212-1214, 1 March 1999
【非特許文献１２】H.Kosaka,T.Kawashima,A.Tomita,M.Notomi,T.Tamamura,T.Sato,and S.Kawakami,Appl.Phys.Lett.74(1999)1212
【非特許文献１３】川上彰二郎 監修，「フォトニック結晶技術とその応用」，ｐｐ.２２１-２２８，株式会社シーエムシー出版，２００２
【非特許文献１４】John.D.Joannopoulos,Robert D.Meade and Joshua N.Winn,Photonic Crystals,Appendixes A,PRINCETON UNIVERSITY PRESS,1995
【非特許文献１５】大高一雄，「周期場中の光の特徴，周期場中での光と物質の相互作用」，日本光学会（応用物理学会）主催 第27回冬期講習会 フォトニック結晶と極微細周期構造の光学 予稿集，２００１
【非特許文献１６】川上彰二郎 監修，「フォトニック結晶技術とその応用」，pp.222-223，株式会社シーエムシー出版，2002
【非特許文献１７】大見忠弘 監修，「新しい半導体製造プロセスと材料」，３章４章，株式会社シーエムシー，2000年５月
【非特許文献１８】吉野勝美，武田寛之 著，「フォトニック結晶の基礎と応用」，pp90-93，株式会社コロナ社，2004
【非特許文献１９】川上彰二郎 監修，フォトニック結晶技術とその応用 第３章，株式会社シーエムシー出版，2002
【非特許文献２０】川嶋貴之，大寺康夫，佐藤尚，川上彰二郎，「２次元フォトニック結晶偏光分離素子の作製とその高性能化」，電子情報通信学会光エレクトロニクス研究会，OPE99-109，1999年12月
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
従来技術１に記載される種々の光減衰器は、特定波長のみに可変の光減衰を付与することが困難である。従来技術２は、特定波長のみに可変の光減衰を付与することが可能であるものの、半固定動作が不可能であるため、常時電界印加または加熱する必要があり、運用に伴うリスクが大きい。
【００１４】
さらに、前述した文献は、フォトニックス結晶に入射光を照射した場合における現象について何等開示していないし、入射光を照射した場合の特性を利用したデバイス等について示唆されていない。
【００１５】
本発明者等は、フォトニックス結晶に対して斜めに光を入射した場合に特定の波長のみに光損失、光減衰等が生じるという新規な現象を発見し、当該現象を利用したデバイスを提案すると共に、当該新規な現象の制御方法を提案するものである。
【００１６】
本発明者等はまた、当該提案によれば、上述の従来技術１、２による問題点を解決し得ること見出した。
【００１７】
それ故、本発明の目的は、フォトニックス結晶に入射光を照射した場合、特定の波長において光損失、光減衰等が生じることを利用した光デバイスを提供することである。
【００１８】
本発明の他の目的は、特定波長を減衰させるフォトニックス結晶を用いて光を制御する方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明によれば、２種類以上の媒質から成り、屈折率が周期的な構造を持ち、フォトンのバンド構造を有する周期構造体を有し、前記周期構造体は、当該周期が、３次元の直交座標ｘ，ｙ，ｚにおいて、ｘ，ｚ方向の二方向もしくはｘ，ｙ，ｚ方向の三方向に存在していると共に、前記ｚ方向に延びる軸を含む対称面に対して電磁界分布が反対称であるモードを呈することが可能であり、前記周期構造体への非エバネッセントな入射光は、前記ｚ方向に対して０°よりも大きい入射角で入射される光デバイスにおいて、例えば、以下の態様（１）〜（１０）が得られる。
【００２０】
（１）前記周期構造体は、前記入射光のうちの前記電磁界分布が反対称である前記モードの存在する波長の光に、透過損失または反射損失を与える。
（２）前記周期構造体は、前記入射光のうちの前記電磁界分布が反対称である前記モードの存在する波長の光に、直交する偏波のうちの少なくとも一方に対する実効的なフォトンのバンドギャップを生じさせる。
（３）前記周期構造体は、前記ｚ方向に延びる軸を含む対称面に対して電磁界分布が反対称であるモードと、直交する偏波のうちの少なくとも一方の対称モードとが存在するものである。
（４）前記周期構造体は、前記ｚ方向に対して０°よりも大きい入射角で入射される前記入射光のうちの前記電磁界分布が反対称である前記モードの存在する波長の光を光軸外へ放射させる。
（５）前記入射光のうちの前記電磁界分布が反対称である前記モードの存在する波長の光に対する透過損失を変化させるべく、前記周期構造体への前記入射光の入射角を相対的に変化させる手段をさらに有している。
（６）前記周期構造体の光の入射側に配置された、偏光分離素子および偏光回転子をさらに有し、前記周期構造体には、互いに実質的に同一の偏光状態を持つ２つのビームが入射される。
（７）光デバイスの入射ポートから出射ポートに向かう方向に並んだ複数の前記周期構造体を有している。
（８）前記複数の周期構造体は、前記ｘ方向または前記ｙ方向の周期が相互に異なる。
（９）前記複数の周期構造体は、前記ｚ方向の周期が相互に同一である。
（１０）前記複数の周期構造体に対する光の入射角が各個独立に制御可能であり、かつ、各前記周期構造体に対する入射角がｘ方向，ｙ方向，ｚ方向を軸に独立に制御可能である。
【００２１】
本発明によればまた、フォトニック結晶体を用い、前記フォトニック結晶体のフォトンのバンド構造における反対称モードを、該フォトニック結晶体への非エバネッセントな入射光を斜めに入射することによって励振することにより、下記Ａおよび／または下記Ｂ：（Ａ）入射光のうちの反対称モードの存在する波長の光に、透過損失または反射損失を生じさせる、（Ｂ）入射光のうちの反対称モードの存在する波長の光に、直交する偏波のうちの少なくとも一方に対する実効的な光波のバンドギャップを生じさせる、をなすことを特徴とする光制御方法が得られる。
【００２２】
本発明によればさらに、予め定められたフォトンのバンド構造を有するフォトニック結晶体と、所定の入射光とを使用して、前記入射光の前記フォトニック結晶体に対する相対的な角度を変化させることにより、前記入射光の透過損失または反射損失を変化させることを特徴とする光制御方法が得られる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、特定波長のみに可変の光減衰を付与することが可能であり、かつ、ほぼ任意の減衰特性が得られ、かつ、各波長の減衰幅（ダイナミックレンジ）が大きい上に半固定動作が可能であるため常時電界印加または加熱する必要がなく、運用に伴うリスクおよびコストが小さい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明による光デバイスは、予め定められたフォトンのバンド構造を有するフォトニック結晶体を有し、このフォトニック結晶体に所定の非エバッセントな入射光を入射する際に、入射光のフォトニック結晶体に対する相対的な角度を変化させることにより、入射光の透過損失または反射損失等を任意に変化させることが可能である。
【００２５】
以下、この光デバイスと、本発明による光制御方法とについて、幾つかの実施例を挙げて詳細に説明する。
【実施例１】
【００２６】
以下、本発明による光デバイスとしての光減衰器の実施例１を、図１〜図１５を参照して説明する。
【００２７】
図１（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ、本発明による光減衰器の構成と動作を示す模式図である。
【００２８】
図１（ａ）を参照して、本光減衰器は、光ファイバ１０１と、１／４波長板１０２と、１／２波長板１０３と、レンズ１０４と、２次元フォトニック結晶１０５と、２次元フォトニック結晶１０６と、レンズ１０７と、光ファイバ１０８とからなり、２次元フォトニック結晶１０５および１０６は、ビームの入射角が可変である。尚、１／４波長板１０２および１／２波長板１０３の組み合わせを用いて、直線偏波を得ることができる。
【００２９】
図１（ｂ）〜（ｄ）に示す光減衰器も、図１（ａ）に示した光減衰器と同様に、光ファイバ１０１と、１／４波長板１０２と、１／２波長板１０３と、レンズ１０４と、２次元フォトニック結晶１０５と、２次元フォトニック結晶１０６と、レンズ１０７と、光ファイバ１０８とを有しているが、２次元フォトニック結晶１０５および１０６のうちの少なくとも一方の配置が、後述の図２におけるｘ方向を中心軸とした角度付けがなされている。
【００３０】
図２は、２次元フォトニック結晶１０５、１０６の模式図である。
【００３１】
図２の構造は、特許文献３で開示される自己クローニング型フォトニック結晶と呼ばれる構造であり、自己クローニング法と呼ばれる工法で最初に作製されたことからこの呼称がある。自己クローニング法とは、凹凸や三角波形状、サインカーブ形状などに加工された基板上に、最適化された条件下で多層膜堆積を行うことにより基板形状を保存したまま多次元周期構造を形成する技術である。そして、薄膜である自己クローニング型フォトニック結晶は大面積化に特に適する。自己クローニング型フォトニック結晶はｚ方向の多層構造体であって、そのユニットセルに含まれる高屈折率媒質層（低屈折率媒質層でも構わない）がｘ方向にほぼＶ字形であることが特徴である。
【００３２】
図３は、２次元フォトニック結晶１０５、１０６に用いる基板の側面図である。
【００３３】
２次元フォトニック結晶１０５、１０６に用いる基板の材質は溶融石英であり、基板４０１上にはＥＢ露光によるリソグラフィー工程とドライエッチングで０．５μｍピッチの矩形の凹凸（以下、基板パターンとする）が形成されている。
【００３４】
さらに、図４に記載されるように基板４０１上に適切な条件下でｒｆバイアススパッタリング法によりＳｉＯ２膜４０２を堆積させることで三角波形状の整形層を形成し、その上に図５に記載されるようにａ−Ｓｉ：Ｈ膜とＳｉＯ２膜とが基板上に形成された三角波形状の形を保持したまま交互に都合１４周期成膜されており、２次元屈折率周期構造体をなす。また、フォトニック結晶部の上には、五酸化ニオブ（以下、Ｎｂ２Ｏ５とする）とＳｉＯ２による反射防止膜が同じく自己クローニング法で積層される。
【００３５】
実施例１におけるフォトニック結晶のユニットセルは、図６に示されるように、Ｚ軸と直交する方向の周期が５００ｎｍ、Ｚ方向の水素化アモルファスシリコン（以下ａ−Ｓｉ：Ｈ）膜の厚さが２３３ｎｍ、ＳｉＯ２膜の厚さが３５０ｎｍでＺ方向の周期が１４周期ある。また、頂角は１００度である。図６記載のユニットセルは、自己クローニング型フォトニック結晶の最も基本的な構成で、２つの屈折率の異なる物質からなり、外形が長方形でＺ軸に対して対称で高屈折率部の形状が逆Ｖ字形状になっていることから、本件中では以下、２次元２物質対称Ｖ型長方形ユニットセルと呼称する。
【００３６】
次に、材料の物性について説明する。ＳｉＯ２は、屈折率が１．４６である。一方、ａ−Ｓｉ：Ｈは、Ｅｇ＝１．７ｅＶかつ屈折率が３．４である。溶融石英も、ＳｉＯ２からなり屈折率は１．４６である。ａ−Ｓｉ：Ｈは、アモルファスシリコンのダングリングボンドと水素原子を結合させて終端させたものである。基板は溶融石英を用いる。
【００３７】
実施例１では、フォトニック結晶における高屈折率材料としてａ−Ｓｉ：Ｈを用いたが、屈折率ｎ＝２程度またはそれ以上の材料であれば利用できる。ただし、材料の屈折率比が大きいほど少ない周期数でフォトニックバンド構造の影響を得られる。
【００３８】
次に、作製方法について説明する。図２の構成は自己クローニング法に従い、ｒｆバイアススパッタリング（スパッタエッチングも効果を伴うｒｆスパッタリング）により作製する。ａ−Ｓｉ：Ｈ膜を積層する場合のターゲットはシリコンであり、堆積ガスはアルゴンと水素の混合ガスで、ガス圧力は０．３Ｐａから１．０Ｐａとする。ＳｉＯ２膜を積層する場合のターゲットは石英であり、堆積ガスはアルゴンと酸素の混合ガスで、ガス圧力は０．３Ｐａから１．０Ｐａとする。印加するバイアスはその最適値に他の成膜条件との依存性や装置依存性があるものの、数十Ｖの程度である。薄膜プロセスにおける基板加熱温度は通常では材料の融点の０．３倍以上が望ましいとされるが、実施例１では基板加熱温度を５７０Ｋとする。
【００３９】
次に、成膜方法について補足する。自己クローニング型フォトニック結晶作製方法として前記ｒｆバイアススパッタリング法、ＥＣＲスパッタリング法が知られているが、条件設定によってはピラミッド型に整形された基板上にバイアスを加えないｒｆマグネトロンスパッタリングとスパッタリングやイオンガンまたはＲＩＥなどのエッチングの組み合わせによっても自己クローニング型フォトニック結晶を形成することが可能である。
【００４０】
基板上への凹凸の形成方法について補足する。電子ビーム（以下、ＥＢ）によるリソグラフィーとエッチングを組み合わせた工程、光またはＸ線露光によるリソグラフィーとエッチングを組み合わせた工程、またはナノインプリント等が利用できる。また、石英のよう紫外領域まで透明材料の基板への適用はできないものの、紫外線領域で不透明な材料の基板または透明基板上に積層された十分な厚さの紫外線領域で不透明材質の膜を用いれば、干渉露光とエッチングを組み合わせた工程でも基板上への凹凸を形成できる。実施例１では凸凹の形状精度に優れエッチングが容易であることから、溶融石英基板に対してＥＢによるリソグラフィーとエッチングを組み合わせた工程を採用する。リソグラフィーとエッチングに関しては、非特許文献１７に記載されている。
【００４１】
次に、三角波形状の整形層の形成について補足する。三角波形状の形成は、図３のような矩形の基板パターンの上に適切な条件下でｒｆバイアススパッタリングで膜を堆積させることで形成するか、図３のような矩形の基板パターンの上に適切な条件下でｒｆスパッタリングで膜を堆積した後に、スパッタエッチングで整形することで形成する。
【００４２】
図６記載の２次元２物質Ｖ型長方形ユニットセルは最も自己クローニング法で作製しやすい形状であり、Ｚ方向の積層周期が１００周期を越える場合にも対応できる。逆にＺ方向の積層周期が１０周期程度であれば図７のような形状のユニットセルによるフォトニック結晶も実現できる。
【００４３】
次に、周期構造について説明する。実施例１は自己クローニング型と呼ばれる構造を採用しているが、実施例１を特徴づけるフォトニックバンド構造に由来する透過損失の変化は他の構造を採用するフォトニック結晶でも実現可能である。
【００４４】
他の重要な項目は、大面積のフォトニック結晶を容易に製造できることであり、これらを満たす周期構造として、自己クローニング型が最適である。
【００４５】
ここで、各材料の屈折率とユニットセルの形状から、図８と図９に示すバンド構造を有する。
【００４６】
尚、偶対称モードは電界強度分布が図１０に示すように中心軸対称のモードで、反対称モードは図１１に示すように中心軸に対して反対称になるモードをいう（非特許文献１８参照）。
【００４７】
解析には、有限差分時間領域法（ＦＤＴＤ法）を用いた計算プログラムを用いた。尚、フォトニック結晶の解析手法に関しては、非特許文献１９に詳述されている。また、バンド構造の計算は周期数無限大の条件下で行う。
【００４８】
ここで、実際に作製される自己クローニング型フォトニック結晶と図６のユニットセルは、実際に作製される自己クローニング型フォトニック結晶は頂点が僅かに曲線形状になるなど完全には一致しないが、実際に作製される自己クローニング型フォトニック結晶のなす近似形状のユニットセルを用いたバンド構造の計算結果と偶対称モードに由来する光学特性はほぼ完全に一致する。また、実際にはＺ方向は１４周期であるが、その条件下でも偶対称モードのバンド構造に由来する光学特性は計算結果とほぼ一致することが確かめられている。
【００４９】
以下、実施例１の２次元フォトニック結晶の測定データと比較データを示し、実施例１の効果を説明する。
【００５０】
まず、方向について定義する。図１２に示すように自己クローニング型２次元フォトニック結晶の膜に形成された溝と平行な方向をｘ方向、自己クローニング型２次元フォトニック結晶の膜に形成された溝と垂直な方向をｙ方向とする。
【００５１】
図１３に、図１における２次元フォトニック結晶１０６を取り除き、２次元フォトニック結晶１０５をｙ軸回りを０度で固定し、ｘ軸周りで０度（垂直入射）２度、５度、１０度回転させた場合のＴＭ偏波に対する透過損失波長特性を示す。図１３を参照すると、垂直入射時は損失が無く、２度、５度では損失が増加していることがわかる。
【００５２】
図１４に、図１における２次元フォトニック結晶１０６を取り除き、２次元フォトニック結晶１０５のみを用いた場合におけるｘ軸回りを１０度で固定し、ｙ軸周りで０度（垂直入射）２度、５度と回転させた場合のＴＭ偏波に対する透過損失波長特性を示す。図１４によれば、ｘ軸回りの回転と組み合わせればｙ軸回りの回転の影響も表れ、かつ減衰量の調整に用いることができることがわかる。
【００５３】
図１５に、図１における２次元フォトニック結晶１０６を取り除き２次元フォトニック結晶１０５をｘ軸回りで２度、５度、１０度で回転させ、ｙ軸周りを２度で固定させた場合のＴＭ偏波に対する透過損失波長特性を示す。
【００５４】
尚、２次元フォトニック結晶１０６をｚ軸周りで回転させることにより、１４８０ｎｍから１５６０ｎｍの全域に同量のＴＭ偏波に対する透過損失を与えられる。これは、２次元フォトニック結晶１０６が偏光子としての機能をも有することに由来する。
【００５５】
以上のように、２次元フォトニック結晶に対して斜め入射することで、図１６に示されるような反対称モードの存在する特定波長帯域のみに大きな減衰幅を持つ可変光減衰器が実現できることがわかる。
【００５６】
また、透過損失の発生状況を調べるため積分球による測定を行ったところ、図１７に示すようにＴＭ偏波に対する透過損失増加分に見合う量の反射光の増加と、散乱光及び回折光に類似した伝搬方向の異常なビームの発生が認められた。以降、この散乱光及び回折光に類似した伝搬方向の異常なビームをまとめて、光軸外への放射と呼ぶ。
【００５７】
前述の入射角依存性について、バンド構造から説明する。図１８は、ｘ軸回りで１０度斜め入射した場合のバンド図であり、垂直入射時の反対称モード波長の存在波長域にバンドギャップが存在することがわかる。しかし、バンド構造は周期数無限で定義されるので１４周期ではバンドギャップは開ききらず、入射光の一部成分は群速度の低下に伴い散乱して、結果として前述の特性になると考えられている。
【００５８】
図１９に、図１における２次元フォトニック結晶１０５を取り除き２次元フォトニック結晶１０６をｘ軸回りで５度、１０度、１５度で回転させ、ｙ軸周りを５度で固定させた場合のＴＭ偏波に対する透過損失波長特性を示す。２次元フォトニック結晶１０６は２次元フォトニック結晶１０５と同一の基板上にａ−Ｓｉ：Ｈを２２０ｎｍ、ＳｉＯ２を３３０ｎｍの厚さで交互に１４周期積層してある。図１９からフォトニック結晶の厚さ方向の構成によって反対称モード波長を変えることができることがわかる。
【００５９】
さらに、同一入射角において、図２０に示すようにフォトニック結晶の周期数によって透過損失が変化する。図２０は、Ｘ方向の周期が２３０ｎｍで屈折率約２．４の材料と屈折率約１．５の材料からなる２次元フォトニック結晶における同一基板上に連続して積層した１２周期と５５周期での入射角５度におけるＴＭ偏波に対する透過率である。
【００６０】
図２０からも明らかなように、周期数を増やすことによって、反対称モードが存在する波長の透過損失を増大させることができる。
【００６１】
次に、複数枚のフォトニック結晶を用いた光減衰器の原理について説明する。数ｎｍの波長範囲の減衰を受け持つフォトニック結晶を複数種直列に配置し、各々独立に入射角を調整することで広い波長範囲に亘って、減衰曲線をほぼ自由に調整できる。例えば、図２１に示すようにエルビウムドープ光ファイバアンプのゲインカーブを補正する減衰曲線も得られる。
【００６２】
図２２および図２３に、図１記載の光減衰器の代表的な特性を示す。図２２は、２次元フォトニック結晶１０５をｙ軸回り５度、ｘ軸回り１５度回転させ、２次元フォトニック結晶１０６をｙ軸回り２度、ｘ軸回り１０度回転させた場合の透過損失波長依存性２２０１と２次元フォトニック結晶１０５をｙ軸回り５度、ｘ軸回り０度回転させ、２次元フォトニック結晶１０６をｙ軸回り２度、ｘ軸回り０度回転させた場合のＴＭ偏波に対する透過損失波長依存性２２０２である。後者の場合はほぼ損失なくフラットで、前者の場合は各々の２次元フォトニック結晶の透過損失の足しあわせの特性が得られている。
【００６３】
図２３は、２次元フォトニック結晶１０５をｙ軸回り５度、ｘ軸回り５度回転させ、２次元フォトニック結晶１０６をｙ軸回り２度、ｘ軸回り１０度回転させた場合の透過損失波長依存性２３０１と、２次元フォトニック結晶１０５をｙ軸回り５度、ｘ軸回り１０度回転させ、２次元フォトニック結晶１０６をｙ軸回り２度、ｘ軸回り５度回転させた場合のＴＭ偏波に対する透過損失波長依存性２３０２である。いずれも各々の２次元フォトニック結晶の透過損失の足しあわせの特性が得られている。
【実施例２】
【００６４】
本発明の実施例２を、図２４を用いて説明する。
【００６５】
図２４は、シングルモード光ファイバ２４０１およびレンズ２４０２からなるファイバコリメータと、シングルモード光ファイバ２４１２およびレンズ２４１１からなるファイバコリメータとによる光結合系と、２次元フォトニック結晶２４０６および２４０７ならびに偏波状態制御手段とからなる可変光減衰器の模式図である。フォトニック結晶２４０６および２４０７は、実施例１のフォトニック結晶１０５および１０６と同じである。
【００６６】
実施例２の特徴は、入射偏波状態に減衰特性が依存しない可変光減衰器であることである。
【００６７】
図２４の構成の動作について説明する。シングルモード光ファイバ２４０１からランダムな偏波状態の光が射出した後にレンズ２４０２で平行ビームに変換される。次いで、ウォークオフ結晶偏光分離素子２４０３で直交する２つの偏光のビームに分離され、ｃ軸の向きが互いに４５度異なる１／２波長板２４０４、１／２波長板２４０５で２つのビームの偏波状態が２次元フォトニック結晶２４０６および２次元フォトニック結晶２４０７に対するＴＭ偏波に変換される。次いで、２次元フォトニック結晶２４０６および２次元フォトニック結晶２４０７で各々の特性に応じた減衰量が与えられた後に、ｃ軸の向きが互いに４５度異なる１／２波長板２４０８および１／２波長板２４０９で２つのビームの持つ偏波状態が直交する偏波状態に変換され、ウォークオフ結晶偏光分離素子２４１０で偏波合成されてレンズ２４１１を経てシングルモード光ファイバ２４１２に入射し出力される。このような「偏光分離→偏波変換（２つの同一偏波状態を有するビーム）→偏光依存性を有する何らかの過程→偏波変換（２つの互いに直交する偏波状態を有するビーム）→偏光合成」という過程は、特許文献４において、偏光無依存デバイスを実現する手段として開示されている。
【００６８】
実際の光通信で可変光減衰器を必要とする構成では、経路にはランダムな偏波状態で光が伝搬するため、実施例２のように偏光無依存化が必要であり、実施例２の構成は、簡素でありながらＰＤＬ（損失の偏光依存性）を容易に０．１ｄＢ以下に抑制できる。
【実施例３】
【００６９】
本発明の実施例３を、図２５を用いて説明する。
【００７０】
図２５は、シングルモード光ファイバ２５０１とレンズ２５０２とからなるファイバコリメータと、シングルモード光ファイバ２５０８とレンズ２５０７とからなるファイバコリメータと、３次元フォトニック結晶２５０３〜２５０６とを有する可変光減衰器である。
【００７１】
実施例３の特徴は、図２６に示すような自己クローニング型３次元フォトニック結晶を用いることで、入射偏波状態に減衰特性が依存しない可変光減衰器であることである。また、３次元フォトニック結晶の場合は回転軸を、図２７のようにフォトニック結晶の凹凸に対して４５度にする。
【００７２】
２次元フォトニック結晶の場合は偏波依存性が大きいが、３次元フォトニック結晶の場合は正方格子型であれば偏波依存性がほぼキャンセルされる。実施例３は実施例２に比べより簡素な構成であり、低価格化に適する。
【実施例４】
【００７３】
本発明の実施例４を、図２８（ａ）および（ｂ）を用いて説明する。
【００７４】
図２８（ａ）および（ｂ）は、光入射および出射ポートをなすファイバコリメータ２８０１および２０８２と、２次元フォトニック結晶２８１３〜２８１７と、各２次元フォトニック結晶対する回転機構であるステッピングモータ２８１８〜２８２２と、ルチルウォークオフ結晶偏光分離素子２８０４および２８１０と、水晶１／２波長板２８０５、２８０６、２８０８、および２８０９と、２次元フォトニック結晶偏光分離素子２８０７と、ＰＭＤ補償板２８０３および２８１１と、光スペクトラムアナライザ２８１２とからなる可変光減衰器の構成例を示す側面図および平面図である。
【００７５】
実施例４では、「偏波分散付与→偏光分離→偏波変換（２つの同一偏波状態を有するビーム）→２次元フォトニック結晶の回転機構による特定波長の可変減衰機構→反射（一部透過）→偏波分散補償→２次元フォトニック結晶の回転機構による特定波長の可変減衰機構→偏波変換（２つの互いに直交する偏波状態を有するビーム）→偏光合成→偏波分散補償」の過程を行っている。
【００７６】
また、前記一部透過成分は、別経路で、「偏波変換（２つの互いに直交する偏波状態を有するビーム）→偏光合成→偏波分散補償」の過程を経て、光スペクトラムアナライザ２８１２に入射する。
【００７７】
実施例４の特徴は、反射機構によりフォトニック結晶による光減衰機構を２度透過させることで、同一のフォトニック結晶を用いる場合はより小さい入射角で必要とする光減衰量を得られることにある。また、前記反射機構として２次元フォトニック結晶偏光分離素子２８０７を用いており、入射光の偏波方向と２次元フォトニック結晶偏光子の軸方向の間になす角度を選択することにより透過率と反射率を選択できる。
【００７８】
さらに、引き回しスペースが必要になるファイバコリメータ２８０１およびファイバコリメータ２８０２を一方に配置することにより省スペース化の効果もある。
【００７９】
また、２次元フォトニック結晶２８１３〜２８１７はそれぞれ、ｘ方向の周期が異なり、かつ膜の厚さが共通の５種類の２次元フォトニック結晶であり、それぞれが約８ｎｍから１２ｎｍの範囲の減衰を受け持ち、光通信のＣバンド帯（１５２５ｎｍ〜１５６５ｎｍ）全体をカバーする。膜厚構成が共通でｘ方向の周期が異なる場合に反対称モード波長がシフトすることは非特許文献２０に開示されており、同時に４種類のフォトニック結晶を同時に積層することにより、ｚ方向の周期、各層の屈折率およびユニットセルの頂点の角度は共通になるため、４種類のフォトニック結晶の反対称モード波長の間隔を一定範囲内に納めることが容易になり、４種類のフォトニック結晶を別々に作製する場合に比べ低コストになる。
【００８０】
また、１５３５ｎｍ近傍に反対称モードを有するフォトニック結晶のみ２枚使用される。１５３５ｎｍは、エルビウムドーム光ファイバアンプのゲインのピークがある。
【００８１】
２次元フォトニック結晶２８１３はｘ方向の周期が５１６ｎｍ、２次元フォトニック結晶２８１４はｘ方向の周期が５１８ｎｍ、２次元フォトニック結晶２８１５はｘ方向の周期が５２０ｎｍ、２次元フォトニック結晶２８１６はｘ方向の周期が５２２ｎｍ、２次元フォトニック結晶２８１７はｘ方向の周期が５２４ｎｍで、周期構造をなすＳｉＯ２層の厚さは３３０ｎｍでａ−Ｓｉ：Ｈ層は２１０ｎｍである。
【００８２】
また、フォトニック結晶偏光分離素子２８０７は、フォトニック結晶２８１３と同じものが使用できる。ただし、入射光ビームは垂直入射するため反対称モードによる光減衰は生じない。
【００８３】
また、図２８には記載されていないが、筐体とステッピングモータ２８１８〜２８２２に対する制御基板、筐体等が加えられる。
【実施例５】
【００８４】
本発明の実施例５を、図２９を用いて説明する。
【００８５】
図２９は、フォトニック結晶に対する回転機構と筐体２９０２を含む可変光減衰器の構成例を示す図である。基本的な構成は実施例２と同様であり、タップカプラ２９０９と、光スペクトラムアナライザ２９１１とが加えられている。また、２次元フォトニック結晶およびステッピングモータは、図２８記載の可変光減衰器と同じものが用いられている。
【００８６】
次に、２次元フォトニック結晶に対する入射角を可変にする機構について説明する。
【００８７】
２次元フォトニック結晶２８１２〜２８１６をステッピングモータ２８１７〜２８２１に連結し回転させる。ステッピングモータの回転角は制御基板を介したコンピュータにより調整する。減衰量の調整は、光スペクトラムアナライザ２９１１の検出結果からコンピュータ２９１３内に予め各フォトニック結晶の回転角（またはステッピングモータの回転量）をコンピュータ２９１３の記録域に記録したデータテーブルを選択し、コンピュータ２９１３から制御基板２９１２に命令を送信して行う。
【００８８】
実施例５では、ステッピングモータ２８１７〜２８２１を用いたが、これは、移動量が大きいことと、半固定動作が可能であるため、移動時以外電力を消費しない点で優れているからである。本発明のフォトニック結晶の反対称モードを利用した光減衰器は、入射角度精度の要求精度が小さく、また、入射角度以外の例えばフォトニック結晶の位置ずれによる損失がほぼ発生しないため、低精度のステッピングモータで十分である。また、ロータリーエンコーダで回転角検出することが必要であるものの、サーボモータをも使用できる。
【実施例６】
【００８９】
本発明の実施例６を、図３０〜３２を用いて説明する。
【００９０】
図３０は、２次元フォトニック結晶１０５に対してｙ軸周りに１０度斜めから入射した場合のバンド図であり、図９においてＴＥ偏波の反対称モードのバンドが存在した波長にＴＥ偏波のバンドが存在する。
【００９１】
ここで、波長１．４５μｍ近傍のＴＥ偏波のバンドは図９におけるＴＥ偏波の反対称モードに由来し、かつ波長１．３μｍ以上に存在するＴＭ偏波のモードは図８におけるＴＭ偏波の偶対称モードに由来する。
【００９２】
前記の図３０における波長１．４５μｍ近傍のＴＥ偏波のバンドは、外部平面波で励振することが可能である。また、波長１．３μｍから波長１．６μｍの範囲では波長１．４５μｍを除いてＴＥ偏波に対するバンドギャップが存在するため、ＴＥ偏波は、波長１．３μｍから波長１．６μｍの範囲では、波長１．４５μｍを除いてほぼ全て反射する。その実例を図３１に示す。
【００９３】
図３１は、２次元フォトニック結晶１０５に対してｙ軸周りに１０度斜めからＴＥ偏波を入射した場合の透過率，反射率，その他の軸外への放射（散乱回折を含む）の測定データである。反対称モードの存在する波長が１５２０ｎｍ近傍とバンド図とずれているが、これは、ａ−Ｓｉ：Ｈ膜の屈折率がバンド図の計算に用いた値からずれているためである。図３１によれば、１５２０ｎｍ近傍のみ透過率が上昇し、反射率が減少し、かつ軸外への放射が生じている。また、前記の軸外への放射は入射角が大きくなるに従い増加する。
【００９４】
尚、ｙ軸周りに斜めからＴＭ偏波を入射した場合には、バンド構造からも推察できるように、透過損失に変化はほぼ生じない。
【００９５】
図３２は、ファイバコリメータ３２０１および３２０２による光結合系と、２次元フォトニック結晶３２０３〜３２０６とからなる可変光減衰器の模式図である。特に、図３２（ａ）は各２次元フォトニック結晶に対する入射角が１０度、図３２（ｂ）は各２次元フォトニック結晶に対する入射角が１５度の場合を示す。
【００９６】
図３２記載の可変光減衰器の特徴は、フォトニック結晶のバンドギャップによる反射光を利用する点にある。
【００９７】
図３２の構成の動作について説明する。ファイバコリメータ３２０１から出射したコリメートビームは、２次元フォトニック結晶３２０３〜３２０６に対して垂直入射時にはＴＥ偏波なる偏波状態である。
【００９８】
まず、２次元フォトニック結晶３２０３に入射した光は、反対称モードの存在する波長で一部が透過、散乱等で失われるが、それ以外は反射する。次いで、同様に２次元フォトニック結晶３２０４〜３２０６で反射してファイバコリメータ３２０２に至る。ここで、２次元フォトニック結晶３２０３〜３２０６に対する入射角が全て同じであれば、その入射角を変更した場合でも光はファイバコリメータ３２０２に至るため、可変光減衰器としての動作が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００９９】
以上幾つかの実施例によって本発明を説明してきたが、本発明は、その請求の範囲内において種々に変形可能であることは、当業者にとっては明らかなことである。
【図面の簡単な説明】
【０１００】
【図１】（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施例１による光減衰器の構成と動作を示す模式図である。
【図２】２次元フォトニック結晶の模式図である。
【図３】２次元フォトニック結晶１０５に用いる基板の側面図である。
【図４】図３記載の基板に整形層を成膜した構成図である。
【図５】図４に多層膜を成膜した構成図である。
【図６】ユニットセルの側面図である。
【図７】代替え可能なユニットセルの側面図である。
【図８】対称モードのバンド図である。
【図９】反対称モードのバンド図である。
【図１０】対称モード模式図である。
【図１１】反対称モード模式図である。
【図１２】軸の定義を示す図である。
【図１３】透過損失波長特性を示す図である。
【図１４】透過損失波長特性を示す図である。
【図１５】透過損失波長特性を示す図である。
【図１６】透過損失波長特性の入射角依存性の模式図である。
【図１７】透過率、反射率、散乱率の波長特性を示す図である。
【図１８】ｘ軸回りで１０度斜め入射した場合のバンド図である。
【図１９】２次元フォトニック結晶１０６の特性を示す図である。
【図２０】透過損失の層数依存性を示す図である。
【図２１】減衰特性の１例を示す模式図である。
【図２２】光減衰器の代表的な特性を示す図である。
【図２３】光減衰器の代表的な特性を示す図である。
【図２４】本発明の実施例２の構成を示す図である。
【図２５】本発明の実施例３の構成を示す図である。
【図２６】自己クローニング型３次元フォトニック結晶の斜視図である。
【図２７】３次元ＰｈＣの回転方向を示す正面図である。
【図２８】（ａ）および（ｂ）は、本発明の実施例４の構成を示す側面図および平面図である。
【図２９】本発明の実施例５の構成を示す図である。
【図３０】２次元フォトニック結晶に対してｙ軸周りに１０度斜めから入射した場合のバンド図である。
【図３１】２次元フォトニック結晶に対してｙ軸周りに１０度斜めからＴＥ偏波を入射した場合の透過率，反射率，その他の軸外への放射（散乱回折を含む）の測定データ図である。
【図３２】ファイバコリメータによる光結合系と、２次元フォトニック結晶とからなる可変光減衰器の模式図である。
【符号の説明】
【０１０１】
１０１ 光ファイバ
１０２ １／４波長板
１０３ １／２波長板
１０４ レンズ
１０５、１０６ ２次元フォトニック結晶
１０７ レンズ
１０８ 光ファイバ
４０１ 基板
４０２、５０２、５０４ ＳｉＯ２膜
５０１、５０３、５０５ ａ−Ｓｉ：Ｈ膜
２４０１ シングルモード光ファイバ
２４０２ レンズ
２４０３、２４１０ ウォークオフ結晶偏光分離素子
２４０４、２４０５、２４０８、２４０９ １／２波長板
２４０６、２４０７ ２次元フォトニック結晶
２４１１ レンズ
２４１２、２５０１ シングルモード光ファイバ
２５０２ レンズ
２５０３〜２５０６ ３次元フォトニック結晶
２５０７ レンズ
２５０８ シングルモード光ファイバ
２８０１、２８０２ ファイバコリメータ
２８０３、２８１１ ＰＭＤ補償板
２８０４、２８１０ ルチルウォークオフ結晶偏光分離素子
２８０５、２８０６、２８０８、２８０９ １／２波長板
２８０７ ２次元フォトニック結晶偏光分離素子
２８１２、２９１１ 光スペクトラムアナライザ
２８１３〜２８１７ ２次元フォトニック結晶
２８１８〜２８２２ ステッピングモータ
２９０１ ファイバコリメータ
２９０２ 筐体
２９０３、２９０８ ウォークオフ結晶偏光分離素子
２９０４〜２９０７ １／２波長板
２９０９ タップカプラ
２９１０ ファイバコリメータ
２９１２ 制御基板
２９１３ コンピュータ
３２０１、３２０２ ファイバコリメータ
３２０３〜３２０６ ２次元フォトニック結晶
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２種類以上の媒質から成り、屈折率が周期的な構造を持ち、フォトンのバンド構造を有する周期構造体を有し、
前記周期構造体は、当該周期が、３次元の直交座標ｘ，ｙ，ｚにおいて、ｘ，ｚ方向の二方向もしくはｘ，ｙ，ｚ方向の三方向に存在していると共に、前記ｚ方向に延びる軸を含む対称面に対して電磁界分布が反対称であるモードを呈することが可能であり、
前記周期構造体への非エバネッセントな入射光は、前記ｚ方向に対して０°よりも大きい入射角で入射され、
前記周期構造体は、前記入射光のうちの前記電磁界分布が反対称である前記モードの存在する波長の光に、透過損失または反射損失を与えることを特徴とする光デバイス。
【請求項２】
２種類以上の媒質から成り、屈折率が周期的な構造を持ち、フォトンのバンド構造を有する周期構造体を有し、
前記周期構造体は、当該周期が、３次元の直交座標ｘ，ｙ，ｚにおいて、ｘ，ｚ方向の二方向もしくはｘ，ｙ，ｚ方向の三方向に存在していると共に、前記ｚ方向に延びる軸を含む対称面に対して電磁界分布が反対称であるモードを呈することが可能であり、
前記周期構造体への非エバネッセントな入射光は、前記ｚ方向に対して０°よりも大きい入射角で入射され、
前記周期構造体は、前記入射光のうちの前記電磁界分布が反対称である前記モードの存在する波長の光に、直交する偏波のうちの少なくとも一方に対する実効的なフォトンのバンドギャップを生じさせることを特徴とする光デバイス。
【請求項３】
前記周期構造体は、前記ｚ方向に延びる軸を含む対称面に対して電磁界分布が反対称であるモードと、直交する偏波のうちの少なくとも一方の対称モードとが存在するものである請求項１または２に記載の光デバイス。
【請求項４】
前記周期構造体は、前記ｚ方向に対して０°よりも大きい入射角で入射される前記入射光のうちの前記電磁界分布が反対称である前記モードの存在する波長の光を光軸外へ放射させる請求項１乃至３のいずれか１つに記載の光デバイス。
【請求項５】
前記入射光のうちの前記電磁界分布が反対称である前記モードの存在する波長の光に対する透過損失を変化させるべく、前記周期構造体への前記入射光の入射角を相対的に変化させる手段をさらに有する請求項１、３、または４に記載の光デバイス。
【請求項６】
前記周期構造体の光の入射側に配置された、偏光分離素子および偏光回転子をさらに有し、
前記周期構造体には、互いに実質的に同一の偏光状態を持つ２つのビームが入射される請求項１乃至５のいずれか１つに記載の光デバイス。
【請求項７】
光デバイスの入射ポートから出射ポートに向かう方向に並んだ複数の前記周期構造体を有する請求項１乃至６のいずれか１つに記載の光デバイス。
【請求項８】
前記複数の周期構造体は、前記ｘ方向または前記ｙ方向の周期が相互に異なる請求項７に記載の光デバイス。
【請求項９】
前記複数の周期構造体は、前記ｚ方向の周期が相互に同一である請求項７または８に記載の光デバイス。
【請求項１０】
前記複数の周期構造体に対する光の入射角が各個独立に制御可能であり、かつ、
各前記周期構造体に対する入射角がｘ方向，ｙ方向，ｚ方向を軸に独立に制御可能である請求項７乃至請求項９のいずれか１つに記載の光デバイス。
【請求項１１】
フォトニック結晶体を用い、
前記フォトニック結晶体のフォトンのバンド構造における反対称モードを、該フォトニック結晶体への非エバネッセントな入射光を斜めに入射することによって励振することにより、下記Ａおよび／または下記Ｂ：
（Ａ）入射光のうちの反対称モードの存在する波長の光に、透過損失または反射損失を生じさせる
（Ｂ）入射光のうちの反対称モードの存在する波長の光に、直交する偏波のうちの少なくとも一方に対する実効的な光波のバンドギャップを生じさせる
をなすことを特徴とする光制御方法。
【請求項１２】
予め定められたフォトンのバンド構造を有するフォトニック結晶体と、所定の入射光とを使用して、前記入射光の前記フォトニック結晶体に対する相対的な角度を変化させることにより、前記入射光の透過損失または反射損失を変化させることを特徴とする光制御方法。
【請求項１】
２種類以上の媒質から成り、屈折率が周期的な構造を持ち、フォトンのバンド構造を有する周期構造体を有し、
前記周期構造体は、当該周期が、３次元の直交座標ｘ，ｙ，ｚにおいて、ｘ，ｚ方向の二方向もしくはｘ，ｙ，ｚ方向の三方向に存在していると共に、前記ｚ方向に延びる軸を含む対称面に対して電磁界分布が反対称であるモードを呈することが可能であり、
前記周期構造体への非エバネッセントな入射光は、前記ｚ方向に対して０°よりも大きい入射角で入射され、
前記周期構造体は、前記入射光のうちの前記電磁界分布が反対称である前記モードの存在する波長の光に、透過損失または反射損失を与えることを特徴とする光デバイス。
【請求項２】
２種類以上の媒質から成り、屈折率が周期的な構造を持ち、フォトンのバンド構造を有する周期構造体を有し、
前記周期構造体は、当該周期が、３次元の直交座標ｘ，ｙ，ｚにおいて、ｘ，ｚ方向の二方向もしくはｘ，ｙ，ｚ方向の三方向に存在していると共に、前記ｚ方向に延びる軸を含む対称面に対して電磁界分布が反対称であるモードを呈することが可能であり、
前記周期構造体への非エバネッセントな入射光は、前記ｚ方向に対して０°よりも大きい入射角で入射され、
前記周期構造体は、前記入射光のうちの前記電磁界分布が反対称である前記モードの存在する波長の光に、直交する偏波のうちの少なくとも一方に対する実効的なフォトンのバンドギャップを生じさせることを特徴とする光デバイス。
【請求項３】
前記周期構造体は、前記ｚ方向に延びる軸を含む対称面に対して電磁界分布が反対称であるモードと、直交する偏波のうちの少なくとも一方の対称モードとが存在するものである請求項１または２に記載の光デバイス。
【請求項４】
前記周期構造体は、前記ｚ方向に対して０°よりも大きい入射角で入射される前記入射光のうちの前記電磁界分布が反対称である前記モードの存在する波長の光を光軸外へ放射させる請求項１乃至３のいずれか１つに記載の光デバイス。
【請求項５】
前記入射光のうちの前記電磁界分布が反対称である前記モードの存在する波長の光に対する透過損失を変化させるべく、前記周期構造体への前記入射光の入射角を相対的に変化させる手段をさらに有する請求項１、３、または４に記載の光デバイス。
【請求項６】
前記周期構造体の光の入射側に配置された、偏光分離素子および偏光回転子をさらに有し、
前記周期構造体には、互いに実質的に同一の偏光状態を持つ２つのビームが入射される請求項１乃至５のいずれか１つに記載の光デバイス。
【請求項７】
光デバイスの入射ポートから出射ポートに向かう方向に並んだ複数の前記周期構造体を有する請求項１乃至６のいずれか１つに記載の光デバイス。
【請求項８】
前記複数の周期構造体は、前記ｘ方向または前記ｙ方向の周期が相互に異なる請求項７に記載の光デバイス。
【請求項９】
前記複数の周期構造体は、前記ｚ方向の周期が相互に同一である請求項７または８に記載の光デバイス。
【請求項１０】
前記複数の周期構造体に対する光の入射角が各個独立に制御可能であり、かつ、
各前記周期構造体に対する入射角がｘ方向，ｙ方向，ｚ方向を軸に独立に制御可能である請求項７乃至請求項９のいずれか１つに記載の光デバイス。
【請求項１１】
フォトニック結晶体を用い、
前記フォトニック結晶体のフォトンのバンド構造における反対称モードを、該フォトニック結晶体への非エバネッセントな入射光を斜めに入射することによって励振することにより、下記Ａおよび／または下記Ｂ：
（Ａ）入射光のうちの反対称モードの存在する波長の光に、透過損失または反射損失を生じさせる
（Ｂ）入射光のうちの反対称モードの存在する波長の光に、直交する偏波のうちの少なくとも一方に対する実効的な光波のバンドギャップを生じさせる
をなすことを特徴とする光制御方法。
【請求項１２】
予め定められたフォトンのバンド構造を有するフォトニック結晶体と、所定の入射光とを使用して、前記入射光の前記フォトニック結晶体に対する相対的な角度を変化させることにより、前記入射光の透過損失または反射損失を変化させることを特徴とする光制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【公開番号】特開２００６−６４８７８（Ｐ２００６−６４８７８Ａ）
【公開日】平成１８年３月９日（２００６．３．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２４５８６７（Ｐ２００４−２４５８６７）
【出願日】平成１６年８月２５日（２００４．８．２５）
【出願人】（０００１３４２５７）ＮＥＣトーキン株式会社 (1,832)
【出願人】（３０２０６０６５０）株式会社フォトニックラティス (22)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年３月９日（２００６．３．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年８月２５日（２００４．８．２５）
【出願人】（０００１３４２５７）ＮＥＣトーキン株式会社 (1,832)
【出願人】（３０２０６０６５０）株式会社フォトニックラティス (22)
【Ｆターム（参考）】
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