DE60222198T2

DE60222198T2 - Lichtstrahl-Ablenkvorrichtung mit photonischem Kristall, diese verwendender optischer Schalter und Verfahren zur Lichtumlenkung

Info

Publication number: DE60222198T2
Application number: DE60222198T
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Kadoma-shi Fukshima; Ken'ichiro Kadoma-shi Tanaka; Yasufumi Kadoma-shi Masaki; Hitomichi Kadoma-shi Takano; Katsumi Kishiwada-shi Yoshino
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2001-03-22
Filing date: 2002-03-22
Publication date: 2008-01-03
Anticipated expiration: 2022-03-23
Also published as: CA2377286C; CA2377286A1; US20020135863A1; TW574588B; KR20020075273A; KR100448473B1; US6822784B2; EP1243966A3; CN1248039C; EP1243966B1; CN1376941A; EP1243966A2; DE60222198D1

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lichtstrahl-Ablenkvorrichtung oder –Deflexions-Vorrichtung mit einem photonischen Kristall, einen optischen Schalter, der diese Vorrichtung verwendet, und ein Verfahren zur Umlenkung eines Lichtstrahls mit geregeltem Winkel durch Verwendung des photonischen Kristalls.
STAND DER TECHNIK
Ein photonischer Kristall besteht aus einer mehrdimensionalen periodischen Anordnung, die durch periodisches Anordnen von mindestens zwei Materialien, die unterschiedliche Dielektrizitätskonstanten aufweisen, in einem Abstand, der im Wesentlichen einer Wellenlänge eines Lichts entspricht, erreicht wird. In der Erwartung, daß ein photonischer Kristall die Lenkung von Licht deutlich verbessern würde, wird dieses Material für optische Bauelemente der nächsten Generation tatkräftig weiterentwickelt.
In der frühen Veröffentlichung des japanischen Patents [kokai] Nr. 10-90634 ist zum Beispiel ein optischer Schalter mit einem photonischen Kristall 1', der eine zweidimensionale periodische Anordnung aufweist, offenbart. Wie in 17 gezeigt ist, dient dieser optische Schalter zum Umschalten zwischen der EIN-Stellung (Transmission), in der ein Lichtstrahl, der auf den photonischen Kristall auftrifft (= einfallender Lichtstrahl) durch den photonischen Kristall gelassen wird, und der AUS-Stellung (Reflexion), in welcher der einfallende Lichtstrahl vom photonischen Kristall reflektiert wird, um die Transmission des einfallenden Lichtstrahls zu verhindern.
Das heißt, Lichtstrahlen, die von einem Paar Lichtleitfasern 12a, 12b bereitgestellt werden, treffen durch die Sammellinsen 14a, 14b und die Polarisatoren 15a, 15b auf den photonischen Kristall 1' auf. Der optische Schalter weist ein Mittel zum Bestrahlen des photonischen Kristalls 1' durch einen zirkularen Polarisator 22 mit einem Steuerlicht 21. Die Ausstrahlung des Steuerlichts 21 verursacht eine Veränderung einer photonischen Bandlücken-Anordnung (PGB) des photonischen Kristalls 1', so daß es möglich wird, zwischen den EIN- und AUS-Stellungen hin und her zu schalten. In der EIN-Stellung wird der durchgelassene Lichtstrahl, der durch den photonischen Kristall 1' geht, durch ein Paar von Polarisatoren 16a, 16b ausgegeben.
Da der Zweck des oben erwähnten optischen Schalters jedoch das Hin- und Herschalten zwischen der EIN-Stellung zum Transmittieren bzw. zum Durchlassen des einfallenden Lichtstrahls durch den photonischen Kristall und der AUS-Stellung zum Reflektieren des einfallenden Lichtstrahls am photonischen Kristall ist, stellt dieser optische Schalter ausschließlich das Vorhandensein oder das Nichtvorhandensein des transmittierten bzw. durchgelassenen Lichtstrahls am Ausgang bereit. Dies ergibt einen zu begrenzten Anwendungsbereich des optischen Schalters.
Wird es jedoch möglich, eine Richtung des durchgelassenen Lichtstrahls, der vom photonischen Kristall bereitgestellt wird, durch das Umlenken des Lichtstrahls, der auf den photonischen Kristall auftrifft, zu steuern, so wird erwartet, daß ein neuer optischer Schalter bereitgestellt ist, der den photonischen Kristall verwendet, und der einen optischen Eingangsanschluß zum Empfangen des Lichtstrahls, der auf den photonischen Kristall auftrifft, und mehrere optische Ausgangsanschlüsse, die jeweils imstande sind, den vom photonischen Kristall durchgelassenen Lichtstrahl bereitzustellen, aufweist. Da es mit einem derartigen neuen optischen Schalter möglich ist, den durchgelassenen Lichtstrahl an einem gewünschten der optischen Ausgangsanschlüsse bereitzustellen, indem die Umlenkung des einfallenden Lichtstrahls gesteuert wird, gibt es zahlreiche verschiedene Anwendungen für diese Art von optischem Schalter.
Aus der US 6,064,506 und der Druckschrift von Hans W. P. Koops „Photonic crystals built by three-dimensional additive lithography enable integrated optics of high density", SPIE, Band 2849, Seiten 248 bis 256, ist ein optischer Mehrwege-Schalter mit elektrisch schaltbaren photonischen Kristallen bekannt, bei dem ein photonischer Kristall aus einer Durchlassungsrichtung in eine Reflexionsrichtung umgeschaltet werden kann, wodurch sich unterschiedliche Wege des einfallenden Lichts ergeben.
Die JP2001-13439 offenbart einen Lichtstrahlumlenkungsmechanismus bei dem ein Mehrwellenlängenlaser ein einfallendes Licht auf einen photonischen Kristall wirft, wobei die Umlenkungsstellung des ausgehenden Strahls durch Verändern der Wellenlänge des Lasers verändert wird.
Bei A. Figotin et al. „Tunable Photonic Crystals", Mat. Res. Soc. Symp. Proc., Band 603, Seiten 195 bis 200, sind photonische Kristalle offenbart, die zum Beispiel durch Anlegen eines externen Steuerfelds zwischen einem lichtdurchlässigen und einem lichtundurchlässigen Zustand hin und her geschaltet werden können. Des Weiteren ist in diesem Dokument erwähnt, daß ein photonischer Kristall in einen Zustand extremer Anisotropie der elektromagnetischen (EM-)Eigenschaften gezwungen werden kann, wobei sich die EM-Wellen in diesem Zustand nur innerhalb eines schmalen Winkels entlang einer oder einiger Richtungen fortpflanzen können.
Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine kompakte Lichtstrahl-Ablenkvorrichtung mit einem photonischem Kristall bereitzustellen, welche imstande ist, einen Lichtstrahl, der auf einer Seite des photonischen Kristalls auftrifft, um einen geregelten Winkel abzulenken, so daß ein durchgelassener Lichtstrahl, der eine gewünschte Richtung aufweist, an der anderen Seite des photonischen Kristalls ausgegeben wird.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Lichtstrahl-Ablenkvorrichtung nach Anspruch 1 und ein Verfahren zur Umlenkung eines Lichtstrahls nach Anspruch 17. Die Ansprüche 2 bis 16 entsprechen besonderen vorteilhaften Ausführungsformen der Vorrichtung nach Anspruch 1.
Vorzugsweise umfaßt der photonische Kristall mindestens zwei Materialien, die unterschiedliche Brechungsindizes aufweisen, und der Ablenkregler regelt ein Brechungsindex-Verhältnis zwischen den beiden Materialien, indem er die Energie an den photonischen Kristall anlegt.
Ist mindestens eines der Materialien des photonischen Kristalls ein elektrooptisches Material, so legt der Ablenkregler vorzugsweise ein elektrisches Feld als Energie an den photonischen Kristall an. In diesem Fall wird keine äußere mechanische Kraft als Energie auf den photonischen Kristall ausgeübt. Folglich kann die Lichtstrahl-Ablenkvorrichtung mit einem hohen Maß an Zuverlässigkeit über eine längere Zeitspanne hinweg stabil arbeiten. Da der Ablenkregler die elektrische Feldstärke, die an den photonischen Kristall angelegt wird, um den Ablenkwinkel des einfallenden Lichtstrahls zu ändern, elektrisch reguliert, ist es darüber hinaus möglich, eine Lichtstrahl-Ablenkvorrichtung, die ein rasches Ansprechvermögen aufweist, bereitzustellen.
Ferner ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, unter Verwendung der oben beschriebenen Lichtstrahl-Ablenkvorrichtung einen neuen optischen Schalter bereitzustellen, der die Vorteile der Vermeidung von Kreuzkopplung optischer Signale und der Sicherstellung einer hohen Übertragungsleistung bietet.
Das heißt, dieser optische Schalter umfaßt die Lichtstrahl-Ablenkvorrichtung der vorliegenden Erfindung, einen optischen Eingangsanschluß, der an der Einfallsseite des photonischen Kristalls bereitgestellt ist, und durch den der photonische Kristall den Lichtstrahl (= einfallender Lichtstrahl) empfängt; und eine Mehrzahl optischer Ausgangsanschlüsse, die an der Seite, welche nicht die Einfallsseite des photonischen Krtstalls ist, bereitgestellt sind, und an denen der durchgelassene Lichtstrahl auswählend ausgegeben wird.
Insbesondere umfaßt der neue optische Schalter der vorliegenden Erfindung die oben beschriebene Lichtstrahl-Ablenkvorrichtung, einen optischen Eingangsanschluß, der an der Einfallsseite des photonischen Kristalls bereitgestellt ist, und durch den der photonische Kristall den einfallenden Lichtstrahl empfängt; und mindestens zwei optische Ausgangsanschlüsse. Die optischen Ausgangsanschlüsse umfassen einen ersten optischen Ausgangsanschluß, der an einer Seite, welche nicht die Einfallsseite des photonischen Kristalls ist, bereitgestellt ist, um einen ersten durchgelassenen Lichtstrahl, der durch den photonischen Kristall geht, auszugeben, und einen zweiten optischen Ausgangsanschluß, der an einer Seite, welche nicht die Einfallsseite des photonischen Kristalls ist, bereitgestellt ist, um einen zweiten durchgelassenen Lichtstrahl, der in Bezug auf den einfallenden Lichtstrahl einen gewünschten Winkel bildet, und der eine andere Richtung als der erste durchgelassene Lichtstrahl aufweist, auszugeben.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Ablenkung eines Lichtstrahls, der auf einer Seite des photonischen Kristalls aufrifft, in einem geregelten Winkel zum Ausgeben eines durchgelassenen Lichtstrahls, der eine gewünschte Richtung von der anderen Seite des photonischen Kristalls aufweist, bereitzustellen.
Diese und noch weitere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind aus bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die unten ausführlich erläutert sind, unter Bezugnahme auf die beigelegten Zeichnungen ersichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1A und 1B sind schematische Querschnitt- beziehungsweise perspektivische Darstellungen einer Lichtstrahl-Ablenkvorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2A bis 2E sind perspektivische Darstellungen, welche die Strukturen photonischer Kristalle, die in der Lichtstrahl-Ablenkvorrichtung der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, darstellen;
3A und 3B sind perspektivische Darstellungen, welche optische Wege im photonischen Kristall von 2C darstellen;
4A und 4B sind perspektivische Darstellungen, welche optische Wege im photonischen Kristall von 2E darstellen;
5 ist eine schematische perspektivische Darstellung der Lichtstrahl-Ablenkvorrichtung, die Ultraschallwellen verwendet, gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
6A und 6B sind schematische perspektivische Darstellungen, welche den Betrieb der Lichtstrahl-Ablenkvorrichtung mit einer Einheit zur Ausübung äußerer Kräfte der vorliegenden Erfindung zeigt;
7 ist eine schematische Querschnittdarstellung der Lichtstrahl-Ablenkvorrichtung, die piezoelektrisches Material gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet;
8 ist eine schematische Querschnittdarstellung, welche eine Abänderung der Lichtstrahl-Ablenkvorrichtung von 7 veranschaulicht;
9 ist eine schematische perspektivische Darstellung der Lichtstrahl-Ablenkvorrichtung, die Elektromagnete verwendet, gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
10 ist eine schematische Querschnittdarstellung der Lichtstrahl-Ablenkvorrichtung, die eine Heizvorrichtung gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet;
11 ist eine schematische Querschnittdarstellung der Lichtstrahl-Ablenkvorrichtung, die eine Einheit zur Ausübung äußerer Kräfte gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet;
12 ist eine schematische perspektivische Darstellung der Lichtstrahl-Ablenkvorrichtung, die eine Trägerinjektionseinheit gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet;
13 ist eine schematische perspektivische Darstellung der Lichtstrahl-Ablenkvorrichtung, die eine Lichtbestrahlungseinheit gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet;
14 ist eine schematische perspektivische Darstellung einer bevorzugten Struktur des photonischen Kristalls für die Lichtstrahl-Ablenkvorrichtung der vorliegenden Erfindung;
15A bis 15C sind Querschnittdarstellungen, welche den Betrieb eines optischen Schalters, der die Lichtstrahl-Ablenkvorrichtung der vorliegenden Erfindung verwendet, zeigen;
16 ist eine Draufsicht eines optischen Schalters der Matrixart, der die Lichtstrahl-Ablenkvorrichtung der vorliegenden Erfindung verwendet; und
17 ist eine schematische perspektivische Darstellung, die einen herkömmlichen optischen Schalter, der einen photonischen Kristall verwendet, darstellt.
BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Lichtstrahl-Ablenkvorrichtungen und optische Schalter, welche die der vorliegenden Erfindung verwenden, sind nach den folgenden bevorzugten Ausführungsformen ausführlich erläutert.
Wie in 1A und 1B gezeigt ist, umfaßt die Lichtstrahl-Ablenkvorrichtung der vorliegenden Erfindung zum Beispiel einen photonischen Kristall 1, der derart gestaltet ist, daß er eine photonische Bandlückenwellenlänge, die sich von einer Wellenlänge eines Lichtstrahl, der auf den photonischen Kristall auftreffen soll, unterscheidet, aufweist, und einen Ablenkregler 4 zum Anlegen einer Energiemenge an den photonischen Kristall, um einen Lichtstrahl 5, der auf einer Einfallsseite des photonischen Kristalls auftrifft, umzulenken, und um den durchgelassenen Lichtstrahl, der einen gewünschten Winkel in Bezug auf den Lichtstrahl aufweist, an einer Seite, welche nicht die Einfallsseite des photonischen Kristalls ist, bereitzustellen.
Der photonische Kristall 1, der in der vorliegenden Erfindung verwendet ist, besteht aus einer mehrdimensionalen periodischen Anordnung, die durch periodisches Anordnen von mindestens zwei Materialien, die unterschiedliche Dielektrizitätskonstanten aufweisen, in einem Abstand, der im Wesentlichen gleich einer Wellenlänge von Licht ist, erlangt wird. Alternativ besteht der photonische Kristall 1 aus einer künstlichen periodischen oder quasiperiodischen Anordnung, die aus mindestens zwei Materialien, die unterschiedliche Brechungsindizes aufweisen und die periodisch in einem Abstand, der im Wesentlichen gleich einer Hälfte der Wellenlänge eines Lichtstrahls, der auf den photonischen Kristall auftreffen soll, angeordnet sind, gebildet ist. Der derart gebildete photonische Kristall weist eine photonische Bandlückenstruktur auf, durch die ein Winkel eines durchgelassenen Lichtstrahls, der durch den photonischen Kristall geht, in Bezug auf den Lichtstrahl, der auf den photonischen Kristall auftrifft, festgelegt wird.
In der Lichtstrahl-Ablenkvorrichtung der vorliegenden Erfindung kann zum Beispiel ein photonischer Kristall 1, der in 2A gezeigt ist, verwendet werden, der eine zweidimensionale periodische Anordnung, die durch periodisches Anordnen zylindrischer Körper 1d eines ersten Materials in einem erforderlichen Abstand erlangt wird, aufweist. In diesem Fall sind Räume zwischen benachbarten zylindrischen Körpern 1d mit einem zweiten Material, das eine Dielektrizitätskonstante, die sich von der des ersten Materials unterscheidet, aufweist, ausgefüllt. Als zweites Material kann Luft verwendet sein. Ersatzweise kann ein photonischer Kristall 1, der in 2B gezeigt ist, verwendet sein, der im Wesentlichen dieselbe Struktur wie der Kristall von 2A aufweist, abgesehen davon, daß das erste beziehungsweise das zweite Material aus Luft beziehungsweise aus einem Vollmaterial besteht. Das heißt, der photonische Kristall 1 von 2B ist aus einem Quader des zweiten Materials und zylindrischen Lufträumen 1e, die periodisch im erforderlichen Abstand im Quader gebildet sind, gebildet.
Zusätzlich dazu kann ein photonischer Kristall 1, der in 2C gezeigt ist, verwendet werden, der eine dreidimensionale periodische Anordnung, die durch periodisches Anordnen kleiner kugelförmiger Körper 1c eines ersten Materials in einem erforderlichen Abstand erlangt wird, aufweist. Diese Anordnung wird auch als künstliche OPAL-Struktur bezeichnet. In diesem Fall sind Räume zwischen benachbarten kugelförmigen Körpern 1c mit einem zweiten Material, das eine Dielektrizitätskonstante, die sich von der des ersten Materials unterscheidet, aufweist, ausgefüllt. Als zweites Material kann Luft verwendet sein. Ersatzweise kann ein photonischer Kristall 1, der in 2D gezeigt ist, verwendet sein, der im Wesentlichen dieselbe Struktur wie der Kristall von 2C aufweist, abgesehen davon, daß das erste beziehungsweise das zweite Material aus Luft beziehungsweise aus einem Vollmaterial besteht. Das heißt, der photonische Kristall 1 von 2D ist aus einem Würfel des zweiten Materials und kugelförmigen Lufträumen 1h, die periodisch im erforderlichen Abstand im Würfel gebildet sind, gebildet. Diese Anordnung wird auch als inverse OPAL-Struktur bezeichnet.
Zusätzlich dazu kann ein photonischer Kristall 1, der in 2E gezeigt ist, verwendet werden, der eine künstliche Schichtanordnung, die ein Trägermaterial 10 (zum Beispiel Silizium), das eine wabenförmige Fläche, in der periodisch sechseckige Aushöhlungen (nicht abgebildet in einem erforderlichen Abstand gebildet sind, aufweist, und eine erforderliche Anzahl dünner Schichten, die auf die wabenförmige Anordnung geschichtet sind, umfaßt. Jede der dünnen Schichten besteht aus einer unteren Schicht 1a eines ersten Materials (zum Beispiel amorphes Si) und einer oberen Schicht 1b eines zweiten Materials (zum Beispiel SiO₂). Da eine zweidimensionale periodische Anordnung der sechseckigen Aushöhlungen in der wabenförmigen Fläche des Trägermaterials 10 gebildet ist, und eine periodische Anordnung der alternativen Anordnung der unteren und oberen Schichten 1a, 1b in einer Höhenrichtung des Trägermaterials gebildet ist, stellen diese folglich insgesamt eine dreidimensionale periodische Anordnung bereit.
Der photonische Kristall 1 für die Lichtstrahl-Ablenkvorrichtung der vorliegenden Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen photonischen Kristalle beschränkt. Auch herkömmliche photonische Kristalle, die eine andere Struktur aufweisen, oder photonische Kristalle, die neue Strukturen aufweisen, können für die Lichtstrahl-Ablenkvorrichtung der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
In der vorliegenden Erfindung ist der photonische Kristall 1 für die Lichtstrahl-Ablenkvorrichtung derart gestaltet, daß sich eine Wellenlänge eines Lichtstrahls (= einfallender Lichtstrahl 5), der auf den photonischen Kristall auftreffen soll, von einer photonischen Bandlückenwellenlänge des photonischen Kristalls unterscheidet. Wird die Wellenlänge des einfallenden Lichtstrahls im Voraus festgelegt, werden die Struktur und die Materialien des photonischen Kristalls daher derart gestaltet, daß sich die Wellenlänge der photonischen Bandlücke von der Wellenlänge des einfallenden Lichtstrahls unterscheidet. Werden hingegen die Struktur und die Materialien des photonischen Kristalls im Voraus festgelegt, wird ein Lichtstrahl, der eine Wellenlänge, die sich von der photonischen Bandlückenwellenlänge des photonischen Kristalls unterscheidet, als einfallender Lichtstrahl verwendet. Sogar wenn ein Lichtstrahl, der die photonische Bandlückenwellenlänge aufweist, auf eine Fläche (= Einfallsfläche) des photonischen Kristalls auftrifft, ist es nicht möglich, an der anderen Fläche des photonischen Kristalls einen durchgelassenen Lichtstrahl zu erhalten. Mit anderen Worten reflektiert der einfallende Lichtstrahl, der die Wellenlänge, die im Wesentlichen gleich der photonischen Bandlückenwellenlänge ist, an der Einfallsfläche, kann jedoch nicht durch den photonischen Kristall gehen. Daher ist es nur dann, wenn der Lichtstrahl, der eine Wellenlänge, die sich von der photonischen Bandlückenwellenlänge unterscheidet, auf den photonischen Kristall auftrifft, möglich, den durchgelassenen Lichtstrahl aus dem photonischen Kristall auszugeben.
Übrigens ist es als dem photonischen Kristall eigene optische Eigenschaft gut bekannt, daß sich der Ablenkwinkel des Lichtstrahls, der auf den photonischen Kristall auftrifft, in hohem Maße um ungefähr 50 Grad vergrößert, wenn sich die Wellenlänge eines Lichtstrahls, der auf den photonischen Kristall auftreffen soll, um nur 1% verändert. Diese Erscheinung wurde im Jahr 1999 entdeckt und als Superprisma-Effekt bezeichnet. Diese Erscheinung ergibt sich aus einer deutlichen Änderung der Form einer photonischen Verteilungsfläche, hervorgerufen durch eine geringfügige Änderung der Wellenlänge des einfallenden Lichtstrahls. Ändert sich die Wellenlänge eines einfallenden Lichtstrahls um 1%, geht der einfallende Lichtstrahl durch eine andere photonische Verteilungsfläche, so daß ein großer Ablenkwinkel des einfallenden Lichtstrahls erzielt wird. Wird der photonische Kristall jedoch für optische Vorrichtungen wie zum Beispiel einen optischen Schalter verwendet, ist es erforderlich, einen Ausgangslichtstrahl (= durchgelassener Lichtstrahl) bereitzustellen, indem der einfallende Lichtstrahl, der eine bestimmte Wellenlänge aufweist, um einen gewünschten Winkel abgelenkt wird. Die vorliegende Erfindung löst diese Anforderung durch Verwendung des Ablenkreglers 4, der in der Folge ausführlich erläutert ist.
Wie oben beschrieben ist die vorliegende Erfindung unter der Voraussetzung gestaltet, daß der einfallende Lichtstrahl durch den photonischen Kristall gehen kann, ohne von diesem reflektiert zu werden, wenn ein einfallender Lichtstrahl, der eine Wellenlänge, die sich von der photonischen Bandlückenwellenlänge auf dem photonischen Kristall unterscheidet, aufweist, bereitgestellt wird. Unter dieser Vorbedingung ist die vorliegende Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß sie den einfallenden Lichtstrahl, der auf einer Seite des photonischen Kristalls auftrifft, ablenkt, indem sie eine Energiemenge an den photonischen Kristall anlegt, um einen durchgelassenen Lichtstrahl, der einen gewünschten Winkel in Bezug auf den Lichtstrahl bildet, an der anderen Seite des photonischen Kristalls bereitzustellen.
Bevorzugte Ausführungsformen des Ablenkreglers der vorliegenden Erfindung sind in der Folge ausführlich erläutert.
Der Ablenkregler 4 kann eine photonische Bandstruktur des photonischen Kristalls 1 durch Anlegen der Energiemenge an den photonischen Kristall zum Ändern eines optischen Weges (oder eines Ablenkwinkels) des Lichtstrahls, der auf den photonischen Kristall auftrifft, verändern. Wird auf einer Seite des photonischen Kristalls 1 bei nicht betriebenem Ablenkregler 4 ein einfallender Lichtstrahl, der eine bestimmte Wellenlänge aufweist, bereitgestellt, so pflanzt sich der einfallende Lichtstrahl 5 entlang des optischen Weges A, der durch die Vollinie in 3A und 4A dargestellt ist, fort, so daß der durchgelassene Lichtstrahl an einer ersten Stelle auf der anderen Seite des photonischen Kristalls ausgegeben wird. In diesem Fall pflanzt sich der einfallende Lichtstrahl 5 nicht entlang des optischen Weges B, der durch die punktierte Linie dargestellt ist, fort. Wird dann der Ablenkregler 4 eingeschaltet, um die photonische Bandlückenstruktur des photonischen Kristalls 1 zu verändern, so pflanzt sich der einfallende Lichtstrahl 5 entlang des optischen Weges B, der durch die Vollinie in 3B und 4B dargestellt ist, fort, so daß der durchgelassene Lichtstrahl an einer zweiten Stelle auf der anderen Seite des photonischen Kristalls 1 ausgegeben wird. In diesem Fall pflanzt sich der einfallende Lichtstrahl 5 nicht entlang des optischen Weges A, der durch die punktierte Linie dargestellt ist, fort.
Anders ausgedrückt wandert der Lichtstrahl in einer Richtung des Potentialgefälles der photonischen Verteilungsfläche, wenn eine Wellenlänge des Lichtstrahls, der durch den photonischen Kristall 1 geht, eine bestimmte Wellenlänge aufweist. Wenn daher eine Periode der periodischen Anordnung des photonischen Kristalls oder ein Brechungsindex-Verhältnis zwischen den Materialien, die den photonischen Kristall 1 bilden, durch den Ablenkregler 4 verändert wird, wird die photonische Verteilungsfläche derart verändert, daß der Lichtstrahl, der durch den photonischen Kristall geht, abgelenkt werden kann.
Umfaßt der photonische Kristall 1 mindestens zwei Materialien, die unterschiedliche Brechungsindizes aufweisen, so regelt der Ablenkregler 4 vorzugsweise das Brechungsindex-Verhältnis zwischen diesen Materialien, indem er die Energie an den photonischen Kristall 1 anlegt, um den durchgelassenen Lichtstrahl, der einen gewünschten Winkel in Bezug auf den einfallenden Lichtstrahl aufweist, aus dem photonischen Kristall bereitzustellen. Ist darüber hinaus mindestens eines der Materialien ein elektrooptisches Material, so legt der Ablenkregler 4 vorzugsweise ein elektrisches Feld (einschließlich des elektrischen Felds, das durch Licht entsteht) als Energie an den photonischen Kristall 1 an.
Wie in 1A und 1B gezeigt ist, weist der Ablenkregler 4 ein Paar Planarelektroden 50, die an gegenüberliegenden Seiten des photonischen Kristalls 1 angeordnet sind, eine Energiequelle (nicht abgebildet) zur Zuführung einer Spannung zwischen den Elektroden, und einen Spannungsregler (nicht abgebildet) auf. In 1A bezeichnet die Ziffer 41 ein Trägerelement zum Tragen der Elektroden 50 und des photonischen Kristalls 1. Es ist bevorzugt, daß das Trägerelement 41 und die Elektroden 50 aus einem Material hergestellt sind, das für den einfallenden Lichtstrahl 5 optisch durchlässig ist.
Als elektrooptisches Material für den photonischen Kristall kann ein Material verwendet sein, das einen nichtlinearen optischen Effekt wie zum Beispiel eine Pockels-Effekt, der bewirkt, daß sich der Brechungsindex im Verhältnis zur elektrischen Feldstärke ändert, oder einen optischen Kerr-Effekt (nichtlinearen optischen Effekt dritter Ordnung), der bewirkt, daß sich der Brechungsindex im Verhältnis zum Quadrat der elektrischen Feldstärke ändert, aufweist. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist vorzugsweise ein Material, das einen Pockels-Koeffizienten von 1 × 10^–12 ~ 1000 × 10^–12 m/V aufweist, verwendet. Das elektrooptische Material umfaßt zum Beispiel KH₂PO₄, KDS₂PO₄, NH₄H₂PO₄, RbH₂PO₄, CsD₂AsO₄ (DCDA), BaTiO₃, Ba_1-xSr_xTiO₃, LiNbO₃, KNbO₃, KTiOPO₄ (KTP), KTiOAsO₄ (KTA), Pb_xLa_1-x(Ti_yZr_1-y)O₃ (PLZT) und so weiter.
Wird zwischen den Elektroden 50 eine erforderliche Spannung angelegt, so wird gemäß dem oben beschriebenen Ablenkregler 4 ein elektrisches Feld an den photonischen Kristall 1 angelegt. Das angelegte elektrische Feld ändert das Brechungsindex-Verhältnis zwischen den Materialien, die den photonischen Kristall bilden, derart, daß sich dadurch eine Änderung der photonischen Bandlückenstruktur des photonischen Kristalls ergibt. Der Ablenkregler 4 der vorliegenden Ausführungsform kann das Verhältnis der Brechungsindizes in einer Größenordnung von 0,1 bis ungefähr 1% verändern.
Wie oben beschrieben, kann der Ablenkregler 4 der vorliegenden Erfindung das elektrische Feld regeln, das an den photonischen Kristall 1 angelegt werden soll, um das Brechungsindex-Verhältnis des photonischen Kristalls zu verändern. Diese Änderung des Brechungsindex-Verhältnisses führt zu einer Änderung der photonischen Verteilungsfläche, so daß die Regulierung des Ablenkwinkels des einfallenden Lichtstrahls 5 möglich wird. Da der Ablenkwinkel reguliert wird, indem die Spannung, die zwischen den Elektroden 50 angelegt ist, geregelt wird, ist es demgemäß möglich, eine höhere Reaktionsgeschwindigkeit der Lichtstrahl-Ablenkvorrichtung zu erreichen. Da der Ablenkregler 4 der vorliegenden Ausführungsform keine äußere mechanische Kraft auf den photonischen Kristall 1 ausübt, besteht des Weiteren der Vorteil, daß die Zuverlässigkeit des Betriebs der Lichtstrahl-Ablenkvorrichtung ohne weiteres über eine längere Zeitspanne hinweg erhalten bleibt.
Als weitere bevorzugte Ausführungsform des Ablenkreglers 4 der vorliegenden Erfindung überträgt der Ablenkregler vorzugsweise Ultraschallwellen als Energie auf den photonischen Kristall, wenn mindestens eines der Materialien, die den photonischen Kristall 1 bilden, ein akusto-optisches Material ist.
Wie in 5 gezeigt ist, weist dieser Ablenkregler 4 zum Übertragen der Ultraschallwellen auf den photonischen Kristall 1 eine Ultraschallwellenerzeugungseinheit 52 auf. Die Ultraschallwellenerzeugungseinheit 52 weist zum Beispiel einen Umformer, der einen Ultraschallschwinger (zum Beispiel ein piezoelektrisches Element) verwendet, und eine Energiequelle (nicht abgebildet) zur Versorgung des Umformers mit elektrischer Energie auf. Das akusto-optische Material kann je nach der Wellenlänge des Lichtstrahls, der auf den photonischen Kristall auftreffen soll, ausgewählt sein aus Materialien wie zum Beispiel HgS, Tl₃AsS₄, Ge, Te, ZnTe, Pb₅Ge₃O₁₁ und so weiter. Der Ablenkregler 4 der vorliegenden Ausführungsform kann das Verhältnis der Brechungsindizes des photonischen Kristalls in einer Größenordnung von 0,1 bis ungefähr 1% verändern.
Gemäß dem oben beschriebenen Ablenkregler 4 wird durch die auf den photonischen Kristall 1 übertragenen Ultraschallwellen eine periodische Änderung des Brechungsindexes desselben hervorgerufen, so daß Licht durch Brillouin-Streuung von Photonen durch Phononen gebrochen wird. Das heißt, das Brechungsindex-Verhältnis des photonischen Kristalls wird durch die Anwendung der Ultraschallwellen verändert, wodurch sich die photonische Bandstruktur ändert. Da der Ablenkwinkel des Lichtstrahls, der auf den photonischen Kristall 1 auftrifft, durch Regulierung einer Frequenz der Ultraschallwellen geregelt wird, ist es möglich, die Lichtstrahl-Ablenkvorrichtung bereitzustellen, die ein Ansprechvermögen bis zu einer relativ hohen Frequenz aufweist. Da der Ablenkregler 4 der vorliegenden Ausführungsform keine äußere mechanische Kraft auf den photonischen Kristall 1 ausübt, besteht des Weiteren der Vorteil, daß die Zuverlässigkeit des Betriebs der Lichtstrahl-Ablenkvorrichtung ohne weiteres über eine längere Zeitspanne hinweg erhalten bleibt.
Als weitere bevorzugte Ausführungsform des Ablenkreglers 4 der vorliegenden Erfindung kann der Ablenkregler eine Einheit zur Ausübung äußerer Kräfte, durch die eine äußere Kraft als Energie auf den photonischen Kristall 1 ausgeübt wird, um die Abmessung des photonischen Kristalls zu verändern, aufweisen. Die Einheit zur Ausübung äußerer Kräfte weist zum Beispiel ein piezoelektrisches Material auf, das anliegend an den photonischen Kristall angeordnet ist. Da in diesem Fall die Abmessungen des photonischen Kristalls 1 direkt und gleichmäßig durch Verwendung des piezoelektrischen Materials verändert werden können, ist es möglich, die Zuverlässigkeit des Betriebs der Lichtstrahl-Ablenkvorrichtung zu verbessern.
Wenn, wie in 6A gezeigt ist, der Ablenkregler 4 dieser Ausführungsform zum Beispiel nicht betrieben wird, so weist der photonische Kristall 1 die Abmessungen H1, H2 auf. Zu diesem Zeitpunkt pflanzt sich ein Lichtstrahl 5, der auf einer Seite des photonischen Kristalls auftrifft, entlang eines optischen Weges A im photonischen Kristall 1 fort, so daß ein durchgelassener Lichtstrahl an einer ersten Stelle an der anderen Seite des photonischen Kristalls austritt. Wenn, wie in 6B gezeigt ist, der Ablenkregler 4 dieser Ausführungsform betrieben wird, so ändern sich die Abmessungen H1, H2 des photonischen Kristalls 1 zu H1' (> H1) beziehungsweise H2' (> H2). Diese Veränderungen der Abmessungen des photonischen Kristalls 1 bewirkten eine Änderung der photonischen Bandstruktur, wodurch eine Änderung des Brechungsindex-Verhältnisses der Materialien, die den photonischen Kristall bilden, verursacht wird. Daher pflanzt sich ein Lichtstrahl 5, der auf einer Seite des photonischen Kristalls auftrifft, entlang eines optischen Weges B im photonischen Kristall 1 fort, so daß der durchgelassene Lichtstrahl an einer zweiten Stelle an der anderen Seite des photonischen Kristalls austritt.
Wie in 7 gezeigt ist, weist der Ablenkregler 4 der vorliegenden Ausführungsform zum Beispiel ein piezoelektrisches Material 42, das auf einer Seite des photonischen Kristalls bereitgestellt ist, ein Paar von Elektroden 43a, 43b, die an gegenüberliegenden Flächen des piezoelektrischen Materials angeordnet sind, eine Energiequelle (nicht abgebildet) zum Anlegen einer Spannung zwischen den Elektroden, und einen Spannungsregler (nicht abgebildet) auf. Die Elektrode 43a ist zwischen dem piezoelektrischen Material 42 und dem photonischen Kristall 1 angeordnet. In 7 bezeichnet die Ziffer 41 ein Trägerelement, welches das piezoelektrische Material und den photonischen Kristall aufnimmt. Es ist bevorzugt, daß das piezoelektrische Material 42, die Elektroden 43a, 43b und das Trägerelement 41 aus einem Material hergestellt sind, das für den einfallenden Lichtstrahl 5 optisch durchlässig ist.
Als piezoelektrisches Material kann zum Beispiel PZT-Keramikwerkstoff wie Pb(Zr_0,52, Ti_0,48)O₃ verwendet sein. Vorzugsweise weist der PZT-Keramikwerkstoff eine piezoelektrische Konstante von –400 × 10^–12 bis 1000 × 10^–12 m/v auf. Wird zum Beispiel eine PZT-Keramikwerkstoffplatte, die eine Dicke von 10 mm aufweist, als piezoelektrisches Material verwendet, und wird eine Spannung zwischen den Elektroden 43a, 43b angelegt, um ein elektrisches Feld von 1000 V/mm am piezoelektrischen Material zu erzeugen, ändert sich das Dickenmaß des piezoelektrischen Materials 42 um ungefähr 5 μm. Betragt eine Dicke des photonischen Kristalls 1 5 mm, so ändert sich in diesem Fall das Dickenmaß (H) des photonischen Kristalls um ungefähr 0,1%. Dies reicht aus, um die Periode des photonischen Kristalls zu verändern.
Im Ablenkregler 4, der oben beschrieben ist, können die Abmessungen des photonischen Kristalls 1 (= eine Periode des photonischen Kristalls 1) durch Expansion und Kontraktion des piezoelektrischen Materials 42 in Dickenrichtung verändert werden. Ein Ausmaß der Expansion und Kontraktion des piezoelektrischen Materials kann durch den Spannungsregler reguliert werden. Das heißt, wenn ein Lichtstrahl 5, der eine erforderliche Wellenlänge aufweist, unter der Bedingung, daß die Spannung zwischen den Elektroden 43a, 43b nicht angelegt ist, auf den photonischen Kristall 1 auftrifft, geht der Lichtstrahl entlang eines ersten optischen Weges, der durch den ausgezogenen Pfeil A in 7 dargestellt ist, durch den photonischen Kristall. Wird die Spannung zwischen den Elektroden (43a, 43b) hingegen angelegt, übt das piezoelektrische Material eine Druckspannung auf den photonischen Kristall 1 aus, wie durch die Pfeile C in 7 gezeigt ist, um die photonische Bandstruktur zu verändern. Als Folge davon wird der Lichtstrahl 5, der auf den photonischen Kristall 1 auftrifft, umgelenkt, so daß er entlang eines zweiten optischen Weges, der durch den punktierten Pfeil B in 7 gezeigt ist, durch den photonischen Kristall durchgeht.
Anders ausgedrückt wandert der Lichtstrahl, der auf den photonischen Kristall auftrifft, wenn er die angegebene Wellenlänge aufweist, entlang einer Richtung des Potentialgefälles einer Energieverteilungsfläche, die eine energiegleiche Fläche von Bändern im Wellenzahlraum des photonischen Kristalls ist, durch den photonischen Kristall. Das heißt, das Licht, das sich durch den photonischen Kristall ausbreitet, wandert entlang der Energieverteilungsfläche. In der vorliegenden Ausführungsform wird die Periode des photonischen Kristalls durch Änderungen der Abmessung des photonischen Kristalls verändert, so daß sich die Energieverteilungsfläche verändert (= ausdehnt und zusammenzieht), um den Lichtstrahl 5, der auf den photonischen Kristall auftrifft, umzulenken.
Folglich kann der Lichtstrahl 5, der auf den photonischen Kristall 1 auftrifft, gemäß dem Ablenkregler 4 der vorliegenden Ausführungsform gelenkt werden, indem die Größe der Maßänderung des photonischen Kristalls reguliert wird. Wird das piezoelektrische Material 42 aktiviert, kann darüber hinaus die Periode des photonischen Kristalls mit hoher Geschwindigkeit verändert werden. Dies stellt die Lichtstrahl-Ablenkvorrichtung, die ein rasches Ansprechvermögen aufweist, bereit. Da für den Ablenkregler herkömmliche piezoelektrische Elemente verfügbar sind, besteht des Weiteren der Vorteil eines verbesserten Kosten/Nutzen-Verhältnisses der Lichtstrahl-Ablenkvorrichtung.
Eine Modifikation des oben erwähnten Ablenkreglers der vorliegenden Erfindung, der das piezoelektrische Material verwendet, wird nachfolgend erläutert.
Der Ablenkregler 4 dieser Modifikation weist ein Trägermaterial 47 aus einem piezoelektrischen Material, das eine obere Fläche, auf welcher der photonische Kristall 1 angeordnet ist, und ein Paar Elektroden 48a, 48b, die an gegenüberliegenden Seiten des Trägermaterials angeordnet sind, wie in 8 gezeigt ist, auf. In diesem Fall werden Änderungen der Abmessung des photonischen Kristalls 1 dadurch bereitgestellt, daß Expansion und Kontraktion in der Dickenrichtung des piezoelektrischen Trägermaterials 47 hervorgerufen werden. Im Vergleich zu einem Fall, in dem das piezoelektrische Element getrennt vom Trägermaterial 47 zum Tragen des photonischen Kristalls 1 bereitgestellt ist, weist der Ablenkregler 4 dieser Ausführungsform einen vereinfachten Aufbau auf und zeigt ein hervorragendes Kosten/Nutzen-Verhältnis. Vorzugsweise sind das Trägermaterial 47 und die Elektroden 48a, 48b aus einem Material hergestellt, das für den einfallenden Lichtstrahl 5 optisch durchlässig ist.
Wird zum Beispiel ein PZT-Keramikwerkstoffträgermaterial 47, das eine quadratische Form (5 mm × 5 mm) aufweist, verwendet, und wird ein elektrisches Feld von 2000 V/mm durch die Elektroden 48a, 48b an das PZT-Keramikwerkstoffträgermaterial 47 angelegt, ändert sich das Dickenmaß des PZT-Keramikwerkstoffträgermaterials 47 um ungefähr 5 μm. In diesem Fall ändert sich die Abmessung des photonischen Kristalls um ungefähr 0,1%. Dies reicht aus, um die Periode des photonischen Kristalls zu ändern. Der Ablenkregler 4 dieser Abänderung kann auf ähnliche Weise betrieben werden, wie der Ablenkregler von 7.
Als weitere bevorzugte Ausführungsform der Einheit zur Ausübung äußerer Kräfte der vorliegenden Erfindung weist die Einheit zur Ausübung äußerer Kräfte ein Paar von Elektromagneten, die an gegenüberliegenden Seiten des photonischen Kristalls angeordnet sind, auf. In diesem Fall kann durch eine Anziehungskraft, die zwischen den Elektromagneten erzeugt wird, eine Spannung auf den photonischen Kristall ausgeübt werden.
Wie in 9 gezeigt ist, weist der Ablenkregler 4 der vorliegenden Ausführungsform zum Beispiel ein Paar von Elektromagneten 46a, 46b, die an den gegenüberliegenden Seiten des photonischen Kristalls 1 angeordnet sind, eine Energiequelle (nicht abgebildet) um Spulen für die Elektromagneten elektrischen Strom zuzuführen, und einen Stromregler (nicht abgebildet) auf. In diesem Fall werden Änderungen der Abmessung des photonischen Kristalls durch die Anziehungskraft, die durch Erregen der Elektromagneten erzeugt wird, hervorgerufen. Folglich kann der Ablenkwinkel des Lichtstrahls 5, der auf den photonischen Kristall auftrifft, reguliert werden, indem die Stärke der Anziehungskraft geregelt wird.
Da sich ein Abstand zwischen den Elektromagneten 46a, 46b durch Erregen der Elektromagneten beim Ablenkregler 4, der oben beschrieben ist, verringert, erfährt der photonische Kristall eine Druckspannung. Diese Druckspannung bewirkt Änderungen der Abmessung des photonischen Kristalls 1, so daß sich die Periode des photonischen Kristalls ändert. Das heißt, wenn ein Lichtstrahl 5, der eine erforderliche Wellenlänge aufweist, unter der Bedingung, daß die Elektromagneten 46a, 46b nicht erregt sind, auf den photonischen Kristall 1 auftrifft, geht der Lichtstrahl entlang eines ersten optischen Weges, der durch den ausgezogenen Pfeil A in 9 dargestellt ist, durch den photonischen Kristall. Werden die Elektromagneten 46a, 46b hingegen erregt, üben die Elektromagneten die Druckspannung auf den photonischen Kristall 1 aus. Dadurch wird der Lichtstrahl 5, der auf den photonischen Kristall auftrifft, umgelenkt, so daß er entlang eines zweiten optischen Weges, der durch den punktierten Pfeil B in 9 dargestellt ist, durch den photonischen Kristall geht.
Folglich werden Änderungen der Abmessung des photonischen Kristalls bei der vorliegenden Ausführungsform dadurch geregelt, daß eine Menge des elektrischen Stroms, der den Elektromagneten zugeführt wird, reguliert wird, um einen gewünschten Ablenkwinkel des Lichtstrahls, der auf den photonischen Kristall auftrifft, zu erreichen. Somit ist es möglich, eine kompakte Lichtstrahl-Ablenkvorrichtung bereitzustellen, die ein rasches Ansprechvermögen aufweist.
Als weitere bevorzugte Ausführungsform des Ablenkreglers der vorliegenden Erfindung weist der Ablenkregler vorzugsweise eine Heizvorrichtung zum Erwärmen des photonischen Kristalls und einen Heizregler zum Regulieren einer Temperatur des photonischen Kristalls zur Erzeugung einer Temperaturspannung im photonischen Kristall auf.
Wie in 10 gezeigt ist, weist der Ablenkregler 4 zum Beispiel ein Paar von Heizvorrichtungen 49, die an gegenüberliegenden Seiten des photonischen Kristalls 1 angeordnet sind, eine Energiequelle (nicht abgebildet), um diesen Heizvorrichtungen elektrischen Strom zuzuführen, und einen Stromregler (nicht abgebildet) auf. Vorzugsweise sind die Heizvorrichtungen 49 aus einem Material hergestellt, das für den einfallenden Lichtstrahl 5 optisch durchlässig ist.
Bei dieser Ausführungsform weisen zwei Materialien, die den photonischen Kristall 1 bilden, vorzugsweise relativ hohe Wärmeausdehnungskoeffizienten auf. Die beiden Materialien können zum Beispiel Polyethylen (Wärmeausdehnungskoeffizient: 100 × 10^–6 ~ 200 × 10^–6/K) und ein Acryl (Wärmeausdehnungskoeffizient: ungefähr 80 × 10^–6/K) sein. In diesem Fall wird eine Wärmeausdehnung des photonischen Kristalls hervorgerufen, indem die Heizvorrichtungen 49 zugeschaltet werden, um Änderungen der Abmessung des photonischen Kristalls zu bewirken. Folglich kann der Ablenkwinkel des einfallenden Lichtstrahls 5 im photonischen Kristall 1 reguliert werden, indem eine Menge des elektrischen Stroms, der den Heizvorrichtungen 49 zugeführt wird, geregelt wird. Somit kann bei der vorliegenden Ausführungsform die Abmessung des photonischen Kristalls direkt durch die Wärmeausdehnung des photonischen Kristalls selbst verändert werden, anstatt eine mechanische Kraft von außen auf den photonischen Kristall auszuüben.
Ist zum Beispiel erforderlich, die Abmessung des photonischen Kristalls um 0,1% bis ungefähr 1% zu ändern, um den Lichtstrahl, der auf den photonischen Kristall auftrifft, abzulenken, wird die Temperatur des photonischen Kristalls durch Verwendung der Heizvorrichtungen 49 vorzugsweise um 12,5 bis 125 K verändert. Folglich kann eine erfolgende Wärmeausdehnung des photonischen Kristalls dessen photonische Bandstruktur ausreichend verändern.
Ersatzweise kann der Ablenkregler ein Element zur Ausübung äußerer Kräfte aus einem Material, das einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, das so angeordnet ist, daß es den photonischen Kristall berührt, eine Heizvorrichtung zum Erwärmen des Elements zur Ausübung äußerer Kräfte, eine Energiequelle, um der Heizvorrichtung elektrischen Strom zuzuführen, und einen Stromregler aufweisen. In diesem Fall vergrößert sich das Volumen des Elements zur Ausübung äußerer Kräfte durch die Wärmeausdehnung des erwärmten Elements zur Ausübung äußerer Kräfte, so daß Änderungen der Abmessung des photonischen Kristalls bewirkt werden. Folglich kann der Ablenkwinkel des Lichtstrahls, der auf den photonischen Kristall auftrifft, reguliert werden, indem die Heiztemperatur für das Element zur Ausübung äußerer Kräfte geregelt wird.
Als weitere bevorzugte Ausführungsform des Ablenkreglers 4 der vorliegenden Erfindung kann eine Einheit zur Ausübung äußerer Kräfte, die in 11 gezeigt ist, verwendet werden. Das heißt, diese Einheit zur Ausübung äußerer Kräfte weist eine Druckplatte 44, die derart angeordnet ist, daß sie am photonischen Kristall 1 anliegt, Antriebsmittel 45 zum Bewegen der Druckplatte gegen den photonischen Kristall, um eine Druckspannung auf den photonischen Kristall auszuüben, und ein Trägerelement 41, das den photonischen Kristall 1, die Druckplatte 44 und die Antriebsmittel 45 aufnimmt, auf. In diesem Fall werden Änderungen der Abmessung des photonischen Kristalls 1 durch die Bewegung der Druckplatte 44 gegen den photonischen Kristall bewirkt. Als Antriebsmittel 45 können herkömmliche Druckerzeugungsmittel wie zum Beispiel Kolben, die durch Luftdruck, Flüssigkeitsdruck oder Öldruck gesteuert werden, verwendet werden. Vorzugsweise sind die Druckplatte 44, das Antriebselement 45 und das Trägerelement 41 aus einem Material hergestellt, das für den einfallenden Lichtstrahl 5 optisch durchlässig ist.
Trifft im Ablenkregler 4, der oben beschrieben ist, ein Lichtstrahl 5, der eine erforderliche Wellenlänge aufweist, unter der Bedingung, daß das Antriebsmittel 45 nicht eingeschaltet ist, auf den photonischen Kristall 1 auf, geht der Lichtstrahl entlang eines ersten optischen Weges, der durch den ausgezogenen Pfeil A in 11 dargestellt ist, durch den photonischen Kristall. Ist das Antriebsmittel 45 hingegen eingeschaltet, übt die Druckplatte 44 eine Druckspannung auf den photonischen Kristall 1 aus, wie durch die Pfeile C in 11 gezeigt ist, um dessen photonische Bandstruktur zu verändern. Als Folge davon wird der Lichtstrahl 5, der auf den photonischen Kristall auftrifft, umgelenkt, so daß er entlang eines zweiten optischen Weges, der durch den punktierten Pfeil B in 11 gezeigt ist, durch den photonischen Kristall geht. Folglich kann der Ablenkwinkel des Lichtstrahls, der auf den photonischen Kristall auftrifft, reguliert werden, indem eine Verfahrweggröße der Druckplatte 44 oder eine Größe des Drucks, der durch die Druckplatte 44 auf den photonischen Kristall 1 ausgeübt wird, geregelt wird.
Als weitere bevorzugte Ausführungsform des Ablenkreglers der vorliegenden Erfindung bringt der Ablenkregler vorzugsweise Träger in den photonischen Kristall ein, um einen Brechungsindex des photonischen Kristalls zu verändern, wenn der photonische Kristall ein Halbleitermaterial wie zum Beispiel Si und GaAs enthält.
Wie in 12 gezeigt ist, weist dieser Ablenkregler 4 zum Beispiel einen Stromkreis 60 zum Einbringen von Trägern wie zum Beispiel Elektronen in den photonischen Kristall 1 auf. In diesem Fall ändert sich die photonische Bandstruktur des photonischen Kristalls als Reaktion auf die in den photonischen Kristall eingebrachte Menge an Trägern. Folglich kann der Ablenkwinkel des Lichtstrahls 5, der auf den photonischen Kristall auftrifft, reguliert werden, indem die Menge an elektrischem Strom, der durch den Stromkreis 60 fließt, das heißt die Menge an Trägern, die in den photonischen Kristall 1 eingebracht wird, geregelt wird.
Da bei dieser Ausführungsform übliche Elemente für integrierte Schaltkreise wie zum Beispiel Si oder Ge als die Materialien, die den photonischen Kristall bilden, verwendet werden, besteht der Vorteil, daß vorhandene Halbleiterfertigungsstraßen verwendet werden können, um die Lichtstrahl-Ablenkvorrichtung mit dem photonischen Kristall herzustellen, und auch der Einbau wird einfacher. Darüber hinaus wird es möglich, die Lichtstrahl-Ablenkvorrichtung, die eine Schaltgeschwindigkeit in der Größenordnung von Nano- oder Pikosekunden aufweist, bereitzustellen.
Als weitere bevorzugte Ausführungsform des Ablenkreglers der vorliegenden Erfindung bestrahlt der Ablenkregler vorzugsweise den photonischen Kristall mit Licht, um einen Brechungsindex des photonischen Kristalls zu verändern, wenn der photonische Kristall ein lichtbrechendes Material umfaßt.
Wie in 13 gezeigt ist, weist dieser Ablenkregler 4 zum Beispiel eine Bestrahlungseinheit (nicht abgebildet) zum Bestrahlen des photonischen Kristalls 1 mit Licht auf. In diesem Fall ändert sich die photonische Bandstruktur des photonischen Kristalls als Reaktion auf eine Menge des Lichts, mit dem der photonische Kristall bestrahlt wird. Folglich kann der Ablenkwinkel des Lichtstrahls 5, der auf den photonischen Kristall auftrifft, reguliert werden, indem die ausgestrahlte Lichtmenge geregelt wird. Der photonische Kristall 1 kann von oben oder von der Seite mit dem Licht bestrahlt werden. Ersatzweise kann der photonische Kristall durch einen Wellenleiter 62, der angrenzend an den photonischen Kristall angeordnet ist, mit Licht bestrahlt werden, wie durch den Pfeil C in 13 gezeigt ist.
Bei der vorliegenden Ausführungsform besteht der Vorteil, daß die Lichtstrahl-Ablenkvorrichtung, die eine Schaltgeschwindigkeit in der Größenordnung von Nano- oder Pikosekunden aufweist, verwirklicht werden kann. Darüber hinaus ist die Lichtstrahl-Ablenkvorrichtung, die den Ablenkregler 4 dieser Ausführungsform aufweist, für das rein optische Paketvermittlungsnetz (= All-optical Packet Switching Network) verwendbar.
Wie in 14 gezeigt ist, ist bei jedem der Ablenkregler, die oben beschrieben sind, der photonische Kristall 1 vorzugsweise derart geformt, daß er mindestens zwei optische Wege (A, B) darin bereitstellt, die im Wesentlichen denselben Längenabstand zwischen einer Einfallsstelle, an welcher der Lichtstrahl 5 auftrifft, und einer Austrittsstelle, an welcher der durchgelassene Lichtstrahl ausgegeben wird, aufweisen. Da jeder der optischen Wege (A, B) eine gleichbleibende Länge aufweist, ist es möglich die Phasenverschiebung zu verhindern. In 14 ist ein Eckabschnitt des rechtwinkligen photonischen Kristalls 1 entfernt, so daß zwei optische Wege, die durch die Pfeile (A, B) dargestellt sind, eine gleichbleibende Länge aufweisen. Als Ablenkregler 4 kann die Bestrahlungseinheit (nicht abgebildet) den photonischen Kristall 1 durch den Wellenleiter 62 mit Licht bestrahlen, wie durch den Pfeil C in 14 dargestellt ist.
Insbesondere wird die Lichtstrahl-Ablenkvorrichtung der vorliegenden Erfindung vorzugsweise für einen optischen Schalter verwendet. Das heißt, dieser optische Schalter umfaßt die Lichtstrahl-Ablenkvorrichtung der vorliegenden Erfindung, einen optischen Eingangsanschluß, der an einer Einfallsseite des photonischen Kristalls der Lichtstrahl-Ablenkvorrichtung bereitgestellt ist, und durch den der photonische Kristall den Lichtstrahl empfängt, und eine Mehrzahl optischer Ausgangsanschlüsse, die an einer Seite, welche nicht die Einfallsseite des photonischen Kristalls ist, bereitgestellt sind, und an denen der durchgelassene Lichtstrahl auswählend ausgegeben wird.
Eine Ausführungsform des optischen Schalters der vorliegenden Erfindung ist in 15 gezeigt. An einer Eingangsseite des optischen Schalters ist ein einzelner optischer Eingangsanschluß 2, zum Beispiel eine Stablinse, angeordnet, die ermöglicht, daß ein Lichtstrahl, der aus einer Lichtleitfaser 12 bereitgestellt wird, auf einer Seite des photonischen Kristalls auftrifft, und an einer Ausgangsseite des optischen Schalters sind drei optische Ausgangsanschlüsse 3a, 3b, 3c, zum Beispiel Stablinsen, angeordnet, wobei jede dieser drei Stablinsen einer entsprechenden Lichtleitfaser 13a, 13b, 13c einen durchgelassenen Lichtstrahl an der anderen Seite des photonischen Kristalls bereitstellt. Der Ablenkregler 4 ist an der Ober- und Unterseite des photonischen Kristalls 1 angeordnet.
Dieser optische Schalter kann aus einem einfallenden Lichtstrahl drei verschiedene Ausgänge bereitstellen, indem er die photonische Bandstruktur des photonischen Kristalls 1 regelt. Das heißt, im Fall von 15A wird der durchgelassene Lichtstrahl am Ausgangsanschluß 3a an die Lichtleitfaser 13a ausgegeben, wie durch den Pfeil gezeigt ist. Somit wird kein durchgelassener Lichtstrahl an den übrigen Ausgangsanschlüssen 3b, 3c ausgegeben. Desgleichen wird im Fall von 15B der durchgelassene Lichtstrahl am Ausgangsanschluß 3c an die entsprechende Lichtleitfaser 13c ausgegeben, wie durch den Pfeil gezeigt ist. Somit wird kein durchgelassener Lichtstrahl an den übrigen Ausgangsanschlüssen 3a, 3b ausgegeben. Außerdem wird im Fall von 15C der durchgelassene Lichtstrahl am Ausgangsanschluß 3b an die entsprechende Lichtleitfaser 13b ausgegeben, wie durch den Pfeil gezeigt ist. Somit wird kein durchgelassener Lichtstrahl an den übrigen Ausgangsanschlüssen 3a, 3c ausgegeben. Folglich weist dieser optische Schalter die Fähigkeit auf, aus einem Eingangssignal drei unterschiedliche Ausgangssignale auswählend bereitzustellen. Als eine Abänderung dieser Ausführungsform kann die Anzahl optischer Ausgangsanschlüsse auch zwei oder mehr als drei sein.
Im optischen Schalter der vorliegenden Erfindung wird es möglich, zwischen mehreren optischen Wegen im photonischen Kristall hin und her zu schalten, wobei jeder dieser Wege einen anderen Ablenkwinkel in Bezug auf den einfallenden Lichtstrahl bildet. Im Vergleich zu einem herkömmlichen optischen Schalter, der Wellenleiter verwendet, ist es möglich, eine Verkleinerung des optischen Schalters zu erzielen, und zugleich einen relativ großen Ablenkwinkel bereitzustellen. Darüber hinaus bestehen die Vorteile der Vermeidung von Kreuzkopplung optischer Signale und der Sicherstellung einer hohen Übertragungsleistung.
Eine weitere Ausführungsform des optischen Schalters der vorliegenden Erfindung ist in 16 gezeigt. Der optische Schalter von 15 verwendet einen einzigen photonischen Kristall und stellt aus einem Eingangssignal auswählend mehrere unterschiedliche Ausgangssignale bereit. Der optische Schalter dieser Ausführungsform verwendet hingegen eine Matrixanordnung der photonischen Kristalle, und ist imstande, aus mehreren Eingangssignalen auswählend mehrere unterschiedliche Ausgangssignale bereitzustellen.
Das bedeutet, dieser optische Schalter weist, wie in 16 gezeigt ist, eine Matrixanordnung einer Mehrzahl von Lichtstrahl-Ablenkvorrichtungen der vorliegenden Erfindung, optische Eingangsanschlüsse, die an einer Seite der Matrixanordnung bereitgestellt sind, um mehrere Lichtstrahlen von außen aufzunehmen; und optische Ausgangsanschlüsse, die an der anderen Seite der Matrixanordnung bereitgestellt sind, auf. Diese photonischen Kristalle 1 sind in einem einzigen Trägermaterial 10' gebildet. In 16 ist die Anzahl der photonischen Kristalle 1, die in der Matrixanordnung verwendet sind, 16 (= 4 × 4), und an den entsprechenden Seiten der Matrixanordnung sind 4 Eingangsanschlüsse und 4 Ausgangsanschlüsse bereitgestellt. Die Anzahl der photonischen Kristalle 1, die Anzahl der Eingangsanschlüsse und/oder die Anzahl der Ausgangsanschlüsse kann entsprechend festgelegt werden.
Da der Lichtstrahl, der bei diesem optischen Schalter auf den photonischen Kristall jeder der Lichtstrahl-Ablenkvorrichtungen in der Matrixanordnung auftrifft, durch den Ablenkregler der vorliegenden Erfindung gesteuert wird, ist es möglich, gleichzeitig verschiedene optische Ausgangssignale bereitzustellen, indem zwischen einer größeren Anzahl optischer Wege in der Matrixanordnung hin und her geschaltet wird. Des Weiteren ist es im Vergleich zu herkömmlichen optischen Schaltern, die Antriebsmittel zum Betrieb mehrere Ablenkspiegel verwenden, möglich, die Zuverlässigkeit der Schaltvorgänge zu verbessern. Da eine Menge photonischer Kristalle 1 auf einem einzigen Trägermaterial 10' gebildet werden kann, ist es darüber hinaus möglich, eine deutliche Verkleinerung des optischen Schalters zu erreichen.
Wie aus den oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen hervorgeht, ist es möglich, eine kompakte Lichtstrahl-Ablenkvorrichtung bereitzustellen, welche imstande ist, einen transmittierten Lichtstrahl, der einen relativ großen Winkel in Bezug auf den einfallenden Lichtstrahl bildet, auszugeben, da der Ablenkregler der vorliegenden Erfindung die photonische Bandstruktur verändern kann, um einen Lichtstrahl (= einfallender Lichtstrahl), der auf den photonischen Kristall auftrifft, umzulenken. Da durch Verwendung verschiedener Ablenkwinkel einem einfallenden Lichtstrahl eine Mehrzahl optischer Wege gegenübergestellt sind, ist es des Weiteren möglich, mit dem photonischen Kristall einen neuen optischen Schalter, der imstande ist, Kreuzkopplung optischer Signale zu vermeiden und eine hohe Übertragungsleistung sicherzustellen, bereitzustellen.

Claims

Lichtstrahl-Ablenkvorrichtung, die umfaßt: Mittel zum Bereitstellen eines Lichtstrahls, der eine vorbestimmte Wellenlänge aufweist, und der auf einer Einfallsseite eines photonischen Kristalls (1) auftreffen soll; und den photonischen Kristall (1), der so ausgebildet ist, daß er eine photonische Bandlückenwellenlänge aufweist, die sich von dieser Wellenlänge unterscheidet; und einen Ablenkregler (4) zum Anlegen einer Energiemenge an den photonischen Kristall (1), um eine Ausbreitung des Lichtstrahls im photonischen Kristall zwischen einem ersten optischen Weg innerhalb des photonischen Kristalls (1), durch den der transmittierte Lichtstrahl an einer ersten Stelle an einer Seite des photonischen Kristalls, die nicht die Einfallsseite ist, ausgegeben wird, und einem zweiten optischen Weg innerhalb des photonischen Kristalls (1), durch den der transmittierte Lichtstrahl an einer zweiten Stelle an einer Seite des photonischen Kristalls (1), die nicht die Einfallsseite ist, ausgegeben wird, zu schalten, wobei die zweite Stelle eine andere ist als die erste Stelle, und wobei der erste und der zweite optische Pfad, die sich geradlinig durch den photonischen Kristall (1) ausbreiten, jeweils einen gewünschten Winkel in Bezug auf den einfallenden Lichtstrahl bilden, wobei sich diese gewünschten Winkel voneinander unterscheiden.
Lichtstrahl-Ablenkvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der photonische Kristall mindestens zwei Materialien, die unterschiedliche Brechungsindizes aufweisen, umfaßt, und wobei der Ablenkregler ein Brechungsindex-Verhältnis zwischen den beiden Materialien regelt, indem er die Energie an den photonischen Kristall anlegt.
Lichtstrahl-Ablenkvorrichtung nach Anspruch 2, wobei mindestens eines der Materialien ein elektrooptisches Material ist, und wobei der Ablenkregler ein elektrisches Feld als Energie an den photonischen Kristall anlegt.
Lichtstrahl-Ablenkvorrichtung nach Anspruch 2, wobei mindestens eines der Materialien ein akusto-optisches Material ist, und wobei der Ablenkregler Ultraschallwellen als Energie an den photonischen Kristall anlegt.
Lichtstrahl-Ablenkvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der photonische Kristall ein Halbleitermaterial umfaßt, und wobei der Ablenkregler Träger in den photonischen Kristall einbringt, um einen Brechungsindex des photonischen Kristalls zu verändern.
Lichtstrahl-Ablenkvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der photonische Kristall ein lichtbrechendes Material umfaßt, und wobei der Ablenkregler den photonischen Kristall mit Licht bestrahlt, um einen Brechungsindex des photonischen Kristalls zu verändern.
Lichtstrahl-Ablenkvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Ablenkregler die Energie an den photonischen Kristall anlegt, um Änderungen der Abmessung des photonischen Kristalls hervorzurufen.
Lichtstrahl-Ablenkvorrichtung nach Anspruch 7, wobei der Ablenkregler ein Mittel zur Ausübung äußerer Kräfte aufweist, um eine äußere Kraft als Energie auf den photonischen Kristall auszuüben.
Lichtstrahl-Ablenkvorrichtung nach Anspruch 8, wobei das Mittel zur Ausübung äußerer Kräfte ein piezoelektrisches Material (42, 47) umfaßt, das angrenzend an den photonischen Kristall angeordnet ist.
Lichtstrahl-Ablenkvorrichtung nach Anspruch 8, wobei das Mittel zur Ausübung äußerer Kräfte ein Paar Elektromagneten (46a, 46b) aufweist, die an gegenüberliegenden Seiten des photonischen Kristalls angeordnet sind, und wobei durch eine Anziehungskraft, die zwischen den Elektromagneten erzeugt wird, eine Spannung auf den photonischen Kristall ausgeübt wird.
Lichtstrahl-Ablenkvorrichtung nach Anspruch 8, wobei das Mittel zur Ausübung äußerer Kräfte ein Material, das einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizient aufweist und so angeordnet ist, daß es den photonischen Kristall berührt, und eine Heizvorrichtung zum Erwärmen des Materials aufweist, und wobei die äußere Kraft durch die Wärmeausdehnung des Materials, das durch die Heizvorrichtung erwärmt wird, auf den photonischen Kristall ausgeübt wird.
Lichtstrahl-Ablenkvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Ablenkregler eine Heizvorrichtung (49) zum Erwärmen des photonischen Kristalls und einen Heizregler zum Regulieren einer Temperatur des photonischen Kristalls aufweist, um eine Temperaturspannung im photonischen Kristall zu erzeugen.
Lichtstrahl-Ablenkvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der photonische Kristall derart geformt ist, daß er mindestens zwei optische Wege darin bereitstellt, die im Wesentlichen denselben Längenabstand zwischen einer Einfallsstelle, an welcher der Lichtstrahl auftrifft, und einer Austrittsstelle, an welcher der transmittierte Lichtstrahl ausgegeben wird, aufweisen.
Optischer Schalter, der die Lichtstrahl-Ablenkvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13 verwendet, der umfaßt: einen optischen Eingangsanschluß (2), der an der Einfallsseite des photonischen Kristalls der Lichtstrahl-Ablenkvorrichtung angeordnet ist, und durch den der photonische Kristall den Lichtstrahl empfängt; und mehrere optische Ausgangsanschlüsse (3a, 3b, 3c), die an einer Seite des photonischen Kristalls, die nicht der Einfallsseite entspricht, angeordnet sind, und an denen der transmittierte Lichtstrahl selektiv ausgegeben wird.
Optischer Schalter, der die Lichtstrahl-Ablenkvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13 verwendet, der umfaßt: einen optischen Eingangsanschluß (2), der an der Einfallsseite des photonischen Kristalls angeordnet ist, und durch den der photonische Kristall den Lichtstrahl empfängt; und mindestens zwei optische Ausgangsanschlüsse (3a, 3b, 3c), die einen ersten optischen Ausgangsanschluß (3a), der an einer Seite, welche nicht die Einfallsseite des photonischen Kristalls ist, bereitgestellt ist, um einen ersten transmittierten Lichtstrahl, der durch den photonischen Kristall geht, auszugeben, und einen zweiten optischen Ausgangsanschluß (3b, 3c) umfassen, der an einer Seite, welche nicht die Einfallsseite des photonischen Kristalls ist, bereitgestellt ist, um einen zweiten transmittierten Lichtstrahl, der in Bezug auf den einfallenden Lichtstrahl einen gewünschten Winkel bildet, und der eine andere Richtung als der erste transmittierte Lichtstrahl aufweist, auszugeben.
Optischer Schalter, der umfaßt: eine Matrixanordnung mehrerer Lichtstrahl-Ablenkvorrichtungen jeweils gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13; optische Eingangsanschlüsse, die an einer Seite der Matrixanordnung bereitgestellt sind, um mehrere Lichtstrahlen von außen zu empfangen; und optische Ausgangsanschlüsse, die an der anderen Seite der Matrixanordnung bereitgestellt sind.
Verfahren zur Umlenkung eines Lichtstrahls durch einen photonischen Kristall, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt: Bereitstellen eines Lichtstrahls, der eine vorbestimmte Wellenlänge aufweist, der auf einer Einfallsseite eines photonischen Kristalls (1) auftreffen soll; Bereitstellen des photonischen Kristalls (1), der so ausgebildet ist, daß er eine photonische Bandlückenwellenlänge aufweist, die sich von dieser Wellenlänge unterscheidet; und Anlegen einer Energiemenge an den photonischen Kristall (1), um eine Ausbreitung des Lichtstrahls im photonischen Kristall zwischen einem ersten optischen Weg innerhalb des photonischen Kristalls (1), durch den der transmittierte Lichtstrahl an einer ersten Stelle an einer Seite des photonischen Kristalls, die nicht die Einfallsseite ist, ausgegeben wird, und einem zweiten optischen Weg innerhalb des photonischen Kristalls (1), durch den der transmittierte Lichtstrahl an einer zweiten Stelle an einer Seite des photonischen Kristalls, die nicht die Einfallsseite ist, ausgegeben wird, zu schalten, wobei die zweite Stelle eine andere ist als die erste Stelle, und wobei der erste und der zweite optische Pfad, die sich geradlinig durch den photonischen Kristall (1) ausbreiten, jeweils einen gewünschten Winkel in Bezug auf den einfallenden Lichtstrahl bilden, wobei sich diese gewünschten Winkel voneinander unterscheiden.