JP2005309413A - 光学素子およびそれを用いた分波素子 - Google Patents

Abstract

【課題】容易に製造でき、小型であって波長分解能の高い光学素子およびそれを用いた分波素子を提供する。
【解決手段】均質媒体２に複数の平行な溝３が等間隔で設けられることで形成される１次元フォトニック結晶構造を備えていて、溝３に沿う方向に対して斜めに形成された入射端面４と、入射端面４とは略垂直である出射端面５とを備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光通信や光ディスク用ピックアップ装置等に用いられる、波長の異なる光を分離することができる光学素子に関する。

インターネットの急速な普及により、光ファイバ通信網の情報伝送容量の増大が強く求められるなか、波長多重（ＷＤＭ）方式の開発が急速に進められている。ＷＤＭ方式とは、波長の異なる複数の光を用いて、独立な情報を多重化して伝達する通信技術である。この技術においては、多重化した信号を分離するために波長選択性の良い分波素子が必要となる。

このような分波素子として、フォトニック結晶を用いることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。フォトニック結晶とは、光の波長レベルの屈折率周期性を有する人工的に作られた結晶である。屈折率周期性を有する方向によって、１次元、２次元および３次元フォトニック結晶がある。２次元および３次元フォトニック結晶は、立体的な導波路構造が実現できるため、限られた大きさであっても、複数の光学素子を組み込むことができるという効果を有する。しかし、２次元および３次元フォトニック構造は構造が複雑であるため、作製することが困難である。
特開２００２−２３６２０６号公報

本発明は、上記問題点に鑑みなされたもので、容易に製造でき、小型であって波長分解能の高い光学素子およびそれを用いた分波素子を提供することを目的とする。

上記問題を解決するために本発明の光学素子は、均質媒体に複数の平行な溝が等間隔で設けられることで形成される１次元フォトニック結晶構造を備えていて、前記溝に沿う方向に対して斜めに形成された入射端面と、前記入射端面とは略垂直である出射端面とを備えている。

また、本発明の分波素子は、上記本発明の光学素子と、前記光学素子の前記入射端面から光束を入射する光入力部と、前記光学素子の前記出射端面から、波長に応じて異なる出射角で出射される光束が入射される光出力部とを備え、前記光入力部は、前記光入力部から前記入射端面に入射する光束が、第１ブリルアンゾーンとの境界を除く、第２ブリルアンゾーン内のフォトニックバンドと結合するように、前記入射端面から前記光学素子に光束を入射する構成である。

本発明によれば、容易に製造でき、小型であって波長分解能の高い光学素子およびそれを用いた分波素子を提供することができる。

本発明の光学素子は、均質媒体に溝を形成することで形成された１次元フォトニック結晶構造を有しているので、膜を積層していく工程が不要であるため、短時間で容易に作製することができる。また、高い波長分解能を有する。

また、好ましくは、前記溝に、前記均質媒体とは異なる屈折率を有する充填物質が充填されている。それにより、伝搬特性を様々に変化させることができ、設計の幅が広がる。

また、本発明の分波素子は、第１ブリルアンゾーンとの境界を除く、第２ブリルアンゾーン内のフォトニックバンドとの結合を利用しているので、高い波長分解能を実現することができる。

また、好ましくは、前記光入力部は、前記光入力部から前記入射端面に入射する光束が、第１ブリルアンゾーンとの境界を除く、第２ブリルアンゾーン内のフォトニックバンドと結合するような入射角で前記入射端面に入射するよう、前記入射端面から前記光学素子に光束を入射する。それにより、第１ブリルアンゾーンとの境界を除く、第２ブリルアンゾーン内のフォトニックバンドとの結合を利用することができ、高い波長分解能を実現することができる。

また、好ましくは、前記光入力部は、入射光が伝搬される入力側光導波部と、前記入力側光導波部を伝搬してきた入射光を略平行な光束として前記光学素子に入射するコリメータ部とを有し、前記光出力部は、前記光学素子から出射された波長ごとに異なる出射角を有する光束である複数の出射光がそれぞれ入射される複数の出力側光導波部と、前記複数の出射光がそれぞれ前記複数の出力側光導波部に入射されるように前記複数の出射光を集光する集光部とを備えている。このような構成にすることで、異なる波長の光が複数含まれた光を波長ごとに分波することができる分波素子を形成することができる。

また、好ましくは、前記均質媒体を挟み、前記均質媒体をコアとする二つのクラッドをさらに備え、前記入力側光導波部は、前記均質媒体に設けられた入力側光導波路であり、前記コリメータ部は、前記均質媒体に設けられた入力側凹面鏡であり、前記集光部は、前記均質媒体に設けられた出力側凹面鏡であり、前記出力側光導波部は、前記均質媒体に設けられた出力側光導波路である。それにより、導波路構造の分波素子を構成することができ、光集積回路に用いることができる。

また、好ましくは、前記入力側光導波路および前記出力側光導波路は、前記均質媒体に形成された溝に前記均質媒体よりも屈折率の高い充填物質が充填されることで構成されている。それにより、入力側光導波路および前記出力側光導波路は作製されやすく、作製精度も高い。

また、好ましくは、前記入力側凹面鏡および出力側凹面鏡は、前記均質媒体に曲線状の溝が形成されることで、前記均質媒体と前記曲線状の溝との界面に形成される。それにより、入力側凹面鏡および出力側凹面鏡は作製されやすく、作製精度も高い。

また、好ましくは、前記均質媒体を挟み、前記均質媒体をコアとする二つのクラッドをさらに備え、前記光入力部および前記光出力部は、前記均質媒体に形成されている。それにより、異なる波長の光が複数含まれた光を波長ごとに分波することができる、高い分解能を有する分波素子を形成することができる。

また、好ましくは、前記クラッドには、前記均質媒体に設けられた前記複数の平行な溝と接続される複数の溝が形成されている。それにより、クラッドの有効屈折率が低くなるので、光学素子からの光の漏れが減少する。

また、好ましくは、前記溝に、前記均質媒体とは異なる屈折率を有する充填物質が充填されている。それにより、光学素子の有効屈折率が高くなるため、光学素子からの光の漏れが減少する。

また、好ましくは、前記二つのクラッドと前記均質媒体との間には、前記均質媒体に対して垂直方向である屈折率周期性を有する多層膜がそれぞれ形成されている。それにより、クラッドにバンドギャップを形成し、光の閉じ込めを完全にすることができる。そのため、光学素子からの光の漏れを防ぐことができる。

また、好ましくは、前記二つのクラッドの一方と前記均質媒体との間には、前記均質媒体に対して垂直方向である屈折率周期性を有する多層膜がそれぞれ形成されていて、前記二つのクラッドの他方は、前記光学素子には接していない。それにより、一方のクラッドにバンドギャップを形成し、光の閉じ込めを完全にすることができ、他方のクラッドを屈折率の低い空気とすることができる。したがって、光学素子からの光の漏れが減少する。

また、好ましくは、前記入射端面および前記出射端面に少なくとも接するように設置された、前記均質媒体よりも屈折率の低い導波路用均質媒体と、前記均質媒体および前記導波路用均質媒体を挟み、前記均質媒体および前記導波路用均質媒体をコアとする二つのクラッドとをさらに備え、前記光入力部および前記光出力部は、前記導波路用均質媒体に形成されている。それにより、よりも高い屈折率の材料により光学素子を構成できる。そのため、光学素子からの光の漏れが減少する。

以下、本発明の実施形態のさらに具体的な例について図を用いて説明する。

（実施の形態１）
本発明の実施の形態１に係る光学素子について説明する。図１は本発明の実施の形態１に係る光学素子の構成を示す斜視図である。図１において、光学素子１は、均質媒体２に溝３を形成することで構成されている。溝３は、一定方向に平行に均一の幅で形成されている。また、溝３同士の間隔も一定となっている。なお、図１に示すように、溝３の伸びる方向をＺ軸方向とし、溝３で形成された空気および均質媒体２が積層されている方向をＹ軸方向とし、Ｚ軸およびＹ軸に直交する方向をＸ軸方向とする。すなわち、溝３はＸＺ平面に平行で、Ｙ軸方向に積層されている。このように、光学素子１は、空気と均質媒体２とが交互に積層された構造であり、１次元フォトニック結晶構造である。この１次元フォトニック結晶構造の周期ａは、溝３のＹ軸方向の幅ｄおよび均質媒体２のＹ軸方向の幅ｅ（溝３どうしの間隔）の和である（ａ＝ｄ＋ｅ）。周期ａと幅ｄ（あるいは幅ｅ）とは以下の関係であることが好ましい。

０．２≦ｄ／ａ≦０．８（あるいは、０．２≦ｅ／ａ≦０．８）
また、周期ａは用いる光の波長と同程度もしくはそれ以下が望ましい。なお、一般的に、ｄ／ａ（あるいは、ｅ／ａ）をデューティー比という。

さらに、光学素子１は、光（光束）が入射する入射端面４と、出射端面５とを有し、入射端面４は、溝３の伸びる方向すなわちＺ軸方向に対して、斜めに形成されている。また、出射端面５は、入射端面４と直交するように形成されている。

図２は、本発明の実施の形態１に係る光学素子１の製造方法を説明するための斜視工程図である。図２（ａ）に示すように、まず、平面板状の均質媒体２を用意する。均質媒体２としては、例えば、ＳｉＯ₂やＧｅ−ＳｉＯ₂を用いればよい。次に、図２（ｂ）に示すように、この均質媒体２に、平行でありかつ等間隔となるように、溝３を形成する。溝３を形成することで同時に、溝３に対してそれぞれ斜めに傾斜していて、かつ互いに直交している入射端面４および出射端面５を有する光学素子１を、均質媒体２中に形成する。さらに、図２（ｃ）に示すように、入射端面４および出射端面５が露出するように均質媒体２の一部を除去して、図１に示す光学素子１を作製する。

溝３の形成には、フォトリソグラフィーによるパターニングと気相エッチングによる溝加工を用いればよい。具体的には、均質媒体２上にフォトレジストをスピンコートした後、露光により所望の周期のレジストパターンを形成する。露光方法としては、例えば、ｇ線、ｉ線ランプのような紫外光を用いたマスク露光、Ｈｅ−Ｃｄレーザのような紫外光レーザを用いた直接描画またはマスク露光、２光束干渉露光および電子線を用いた直接描画等がある。これらのうちから、コストとレジストパターンの周期幅と考慮して適するものを用いればよい。

次に、レジストパターン上に金属膜を成膜する。成膜方法は、例えばスパッタや真空蒸着等を用いればよく、金属膜としては、例えばクロムやニッケル等を用いればよい。なお、この後の工程でリフトオフ法を用いるのであれば、フォトレジストの損傷やパターニング精度の向上の観点から真空蒸着を用いることが望ましい。

さらに、リフトオフ法により不要な金属膜をレジストパターンと共に除去することで、金属マスクパターンを形成する。

次に、イオンエッチング装置を用いて垂直深溝加工を行い、溝３を形成する。なお、イオンエッチングにおいて、大面積を能率よく加工するには、例えば誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）や磁気中性線放電（ＮＬＤ）のような高密度プラズマによる反応性イオンエッチングを用いることが望ましい。

さらに、残存する金属マスクは腐食液等で除去する。例えば、このような方法で、均質媒体２に所望の配置および形状の溝３を形成することができる。

なお、図２（ｂ）に示す構成であっても、光学素子１は使用することができる。このような構成だと、空気中から入射光が入射し、空気中に出射光が出射されるのではなく、均質媒体２から入射光が入射し、均質媒体２に出射光が出射される。また、図２（ｂ）の構成で用いる方が製造コストを下げることができるので、実際には、このような構成で用いることが多い。

溝３は、Ｖ溝加工により形成してもよい。このときの溝３の幅ｄは上述のように０．２≦ｄ／ａ≦０．８とすればよい。なお、ここでは光学素子１は、略三角柱状であるが、それぞれ直交する入射端面４と出射端面５とを有する形状であれば他の形状であってもかまわない。このように、実施の形態１の光学素子は、均質媒体２に溝３を形成し、１次元フォトニック結晶である周期構造体を形成することで作製されるので、短時間で容易に作製することができる。１次元フォトニック結晶である周期構造体の作製方法としては、例えば、真空蒸着、スパッタおよびイオンアシスト蒸着およびＣＶＤ法等を用いて、膜を堆積して作製する方法があるが、この方法では膜の形成に時間がかかるという問題がある。

また、入射端面４および溝３がなす角度と出射端面５および溝３がなす角度とが略等しい構成としてもよい。それにより、光学素子１の構成が単純になり、容易に作製することができる。

実施の形態１の製造方法で形成された光学素子１は、空気と均質媒体２との多層周期構造を有するが、溝３に、均質媒体２とは屈折率の異なる気体や液体等の媒体（充填物質）を充填して、その媒体と均質媒体２との多層周期構造としてもよい。それにより、各層間の屈折率差を変化させることができ、異なる伝搬特性を得ることができるため、設計の幅が広がる。

次に、実施の形態１の光学素子１を用いて、波長が異なる複数の光を波長ごとに分波する方法について説明する。

図３は、本発明の実施の形態１の光学素子を用いて波長分離を行う方法を説明するための平面図である。図３に示す光学素子１ａは１次元フォトニック結晶構造を有するが、図１の光学素子１のように、Ｙ−Ｚ平面において三角形ではなく、三角形の一部である。しかし、図１の光学素子１と同様の機能を有する。図１の光学素子１において、出射端面５から出射される光のビーム径は、入射端面４から入射される光のビーム径よりも小さいため、実際には、出射端面５は入射端面４よりも小さい面積で十分である。そこで、図３に示す光学素子１ａは、図１の光学素子１の出射端面５を必要である範囲のみ形成したものである。このようにすることで、小型化されるため、実際には光学素子１ａのような形状を用いる方がよい。すなわち、光の伝搬および出射において、支障がでない形状とすればよく、Ｙ−Ｚ平面での形状が三角形に限られるわけではない。

光学素子１ａの入射端面４から光７を入射角θで入射する。なお、入射角θは、入射端面４の法線と光７とのなす角度とする。光７は、二種類の波長の異なる光７ａおよび７ｂを含む光である。光学素子１中を伝搬する際には、光７ａと光７ｂとでは伝搬方向が異なる。さらに、出射端面５から出射される際に、光７ａと光７ｂとは異なる出射角φ_aおよびφ_bで出射される。なお、出射角φ_a（φ_b）は、Ｚ軸と出射される光７ａ（７ｂ）とのなす角度とする。また、光学素子１ａにおいて、入射端面４とＺ軸とのなす角度はψ₁であり、出射端面５とＺ軸とのなす角度ψ₂は、（９０°−ψ₁）となる。

このように、波長によって出射光が異なる出射角度で出射されるため、光学素子１ａは分波素子として用いることができる。このときの条件としては、光学素子１中の伝搬においては、第１ブリルアンゾーンおよび第２ブリルアンゾーンの境界近傍以外の第２ブリルアンゾーン内のバンドを用いるようにする。このようにすることで、異なる波長の光同士の出射角の差が大きく異なる現象が生じる。つまり、大きな波長分散性を得ることができる。

図１を参照して、この現象について以下に説明する。光学素子１において、幅ｄおよび幅ｅは等しく、均質媒体２の屈折率は１．４５であり、溝３には屈折率１．００の物質が充填されているとする。図４は、このような光学素子１を構成している周期構造体におけるＴＥ偏光の第１、第２および第３バンドについての第１ブリルアンゾーンの範囲内におけるバンド図である。バンド図には、規格化周波数ωａ／２πｃが同じ値となる点を結んだ等高線状の線が示されている。なお、この等高線状の線のことを、以下では等高線という。規格化周波数ωａ／２πｃは、光の角振動数ω、構造の周期ａおよび真空中での光速ｃを用いて表される。構造の周期ａとは、図１に示す溝３の幅ｄと均質媒体２の幅ｅとの和（ｄ＋ｅ）である。ここで、規格化周波数は、入射光の真空中の波長λ₀を用いて、ａ／λ₀と表わすこともできる。以下では簡単に規格化周波数をａ／λ₀と記述する。

１つのブリルアンゾーンのＹ軸方向の範囲は、±π／ａであるが、Ｚ軸方向には周期性がないので横方向にはブリルアンゾーンの境界が存在せず、無限に広がっている。

なお、ＴＥ偏光とは、入射光の電場の向きがＸ方向である偏光を表している。

このようなバンド図は、バンド計算により求められる。バンド計算については、例えば、“Photonic Crystals”，Princeton University Press(1995)あるいは、Physical Review B 44巻、16号、p.8565、1991年、に詳しく記載されている。

また、図５は、第１ブリルアンゾーンと第２ブリルアンゾーンとを示すバンド図である。図５を用いて、図３に示した光学素子１ａにおける光の伝搬について説明する。なお、光学素子１ａにおける周期構造の条件は、上述の光学素子１の条件と同一である。

この光学素子１ａには波長がλ₁とλ₂の２つの光が入射する。以降、波長がλ₁の光のことを光λ₁、波長がλ₂の光のことを光λ₂という。図５において、光学素子１ａに入射する入射光の波数ベクトルが図示されている。入射端面４側の屈折率をｎ₁とすると、光λ₁の波数ベクトルの大きさはｎ₁・（ａ／λ₁）で、光λ₂の波数ベクトルの大きさはｎ₁・（ａ／λ₂）で表すことができる。なお、これらの単位は、１つのブリルアンゾーンの幅２π／ａである。

図５に光λ₁の波数ベクトル４０１および光λ₂の波数ベクトル４０２がそれぞれ示されている。波数ベクトル４０１および４０２の始点は、第１ブリルアンゾーンの中心を通り、かつＺ軸に対してψ₁傾いた入射端面を表す線４０３の法線４０４上にある。光λ₁および光λ₂の波数ベクトルの大きさは、それぞれｎ₁・（ａ／λ₁）およびｎ₁・（ａ／λ₂）であるので、それぞれの波数ベクトル４０１および４０２は、半径がｎ₁・（ａ／λ₁）およびｎ₁・（ａ／λ₂）の円４２１および４２２の中心を始点として、それぞれ、その円４２１および４２２上にベクトルの終点を有する。これらの光λ₁および光λ₂が入射角θで入射端面から入射されるので、このときの光λ₁の波数ベクトル４０１および光λ₂の波数ベクトル４０２は、法線４０４に対して入射角θだけ傾いた向きとなる。これらの波数ベクトル４０１および４０２の終点を通り、法線４０４に平行な線４０５をバンド図に伸ばす。なお、波数ベクトル４０１および４０２の終点を通り、法線４０４に平行な線は２本あるはずであるが、この場合は２本の線が略同一線状にあることになるので線４０５のみで表している。次に、第２ブリルアンゾーン内において、線４０５と光λ₁および光λ₂の規格化周波数を示す等高線４０７および４０８とそれぞれ交わる点を求める。線４０５と等高線４０７および４０８との交点での等高線４０７および４０８の法線方向が、光学素子１ａ内での光の伝搬方向を示している。具体的には、線４０５と等高線４０７との交点Ｐにおける法線方向（矢印４０９）が光λ₁の伝搬方向となる。同様に、線４０５と等高線４０８との交点Ｑにおける法線方向（矢印４１０）が光λ₂の伝搬方向となる。

次に、光学素子１ａから出射される光の波数ベクトルについて説明する。光学素子１ａから出射される光λ₁の波数ベクトルおよび光λ₂の波数ベクトル４１８および４１９の始点は、第２ブリルアンゾーンの中心を通り、かつＺ軸に対してψ₂傾いた出射端面を表す線４１１の法線４１２上にある。出射端面５側の屈折率をｎ₂とすると、この光λ₁の波数ベクトル４１８および光λ₂の波数ベクトル４１９の始点を中心に、半径がｎ₂・（ａ／λ₁）およびｎ₂・（ａ／λ₂）の円４１４および４１５を作成する。さらに交点Ｐを通り法線４１２に平行な線４１６と円４１４との交点と、円４１４の中心である始点とを結ぶことで、光λ₁の出射光の波数ベクトル４１８を作成できる。同様にして、交点Ｑを通り法線４１２に平行な線４１７と円４１５との交点と、円４１５の中心である始点とを結ぶことで、光λ₂の出射光の波数ベクトル４１９を作成できる。波数ベクトル４１８と波数ベクトル４１９とのなす角度差φ₁が、光λ₁と光λ₂との出射光の出射角の差である。この差が大きいほど、波長分解能が高くなり、分波素子としては高性能である。

上記説明したように、光学素子１ａ中の伝搬において、第２ブリルアンゾーンでのバンドを用いることで異なる波長の光同士の角度差φ₁が大きくなることは明らかである。なお、第１ブリルアンゾーンと第２ブリルアンゾーンとの境界上のバンドを用いた伝搬では、光学素子１ａ中をＺ軸方向に光が伝搬する。このような伝搬では、出射光同士は異なる角度で出射されるが、大きな波長分散を得ることはできない。

したがって、上述のように、光学素子１ａ中の伝搬においては、第１ブリルアンゾーンとの境界を除く第２ブリルアンゾーンでの結合バンドを利用する。さらに、入射端面４および出射端面５が垂直であることも、出射角度の差を大きくすることができる要因である。すなわち、入射端面４および出射端面５が垂直であるということは、図５において、法線４０４と法線４１２とが垂直である。このようにすることで、交点Ｐと交点Ｑとの変位量を最も大きく角度に反映することができ、角度差φ₁が大きくなる。

以下に、実施の形態１の光学素子１ａで第１ブリルアンゾーンおよび第２ブリルアンゾーンの境界を除く第２ブリルアンゾーン内における結合バンドを利用した伝搬について、電磁波シミュレーションを行った結果を示す。シミュレーションには、有限要素法を用いた。

（実施例１）
実施の形態１に係る光学素子１ａ（図３参照）の伝搬の様子をシミュレーションにより求めた実施例１を説明する。光学素子１ａは、屈折率が１．４５と１．００の物質がお互いに等しい厚さで繰り返し配置された周期構造体であり、入射端面４の角度ψ₁を４５°で、周期ａを１０００（ｎｍ）とした。入射光７の入射角θを１５°に固定し、入射光７の波長λ₀を、ａ／０．４６０からａ／０．４８５まで変化させてシミュレーションを行い、その結果から得られた各波長における出射光の出射角φを表１に示す。なお、出射角φは、Ｚ軸方向と出射光とのなす角度である。

表１に示されているように、光学素子１ａにおいて１％の波長差に対する出射光の角度変化は４．０°以上になっており、非常に大きな波長分散が得られていることがわかる。なお、通常のガラスプリズムでは１％の波長差に対する出射光の角度変化は０．１°以下である。

図６および図７は、本発明の実施例１の光学素子における光の電場強度分布図であり、表１に対応する電場の強度分布図である。表１のＮｏ．１は図６（ａ）、Ｎｏ．２は図６（ｂ）、Ｎｏ．３は図６（ｃ）、Ｎｏ．４は図７（ａ）、Ｎｏ．５は図７（ｂ）、Ｎｏ．６は図７（ｃ）に対応している。各図において、黒い個所が光の強度が強い個所である。各図よりわかるように、光学素子１ａ内において、伝搬光は減衰することなく出射端面５に到達しており、高い出射効率が得られている。また、入射光の波長の変化に応じて、出射端面５から出射されている出射光の出射角度が大きく変化していることもわかる。

（実施例２）
実施の形態１に係る光学素子１ａの伝搬の様子をシミュレーションにより求めた実施例２を説明する。光学素子１ａは、屈折率が１．４５と１．００の物質がお互いに等しい厚さで繰り返し配置された周期構造体であり、入射端面４の角度ψ₁を５０°で、周期ａを１０００（ｎｍ）とした。入射光７の入射角θを３５°に固定し、入射光７の波長λ₀を、ａ／０．４２０からａ／０．４５０まで変化させてシミュレーションを行い、その結果から得られた各波長における出射光の出射角φを表２に示す。

表２に示されているように、光学素子１ａにおいて１％の波長差に対する出射光の角度変化は３．０°以上になっており、実施例１と同様に非常に大きな波長分散が得られていることがわかる。

図８〜図１０は、本発明の実施例２の光学素子における光の電場強度分布図であり、表２に対応する電場の強度分布図である。表２のＮｏ．１は図８（ａ）、Ｎｏ．２は図８（ｂ）、Ｎｏ．３は図８（ｃ）、Ｎｏ．４は図９（ａ）、Ｎｏ．５は図９（ｂ）、Ｎｏ．６は図９（ｃ）、Ｎｏ．７は図１０に示している。各図よりわかるように、光学素子１ａ内において、伝搬光は減衰することなく出射端面５に到達しており、高い出射効率が得られている。また、入射光の波長の変化に応じて、出射端面５から出射されている出射光の出射角度が大きく変化していることもわかる。

このように、実施の形態１の光学素子１および１ａは、第１ブリルアンゾーンとの境界を除く第２ブリルアンゾーンの結合バンドを利用した伝搬を実現することで、高い波長分散性を有する。また、実施の形態１の光学素子は構成が簡単であるため、小型化が可能であり、容易に製造できる。したがって、この光学素子を用いて、分波素子を作製すれば、小型で波長分解能の高い分波素子を実現できる。

また、実施の形態１の光学素子１は、入射端面４および出射端面５が溝３に対して傾斜しているため、入射端面４および出射端面５を実効的に拡大することができる。それにより、入射光および出射光のビーム径を大きくすることができるのでビームの広がりが小さく、波長分解能を高くすることができる。

また、光学素子１を複数用いて、例えば、図１１に示すように各入射端面４を同一の平面となるように構成して用いてもよい。図１１は、本発明の実施の形態１に係る他の光学素子の構成を示す平面図である。このような構成とすることで、入射光８のビーム径を大きくすることができる。また、出射光９が各出射端面５から出射されるため、光束を広くすることが可能となり、波長分解能を高くすることができる。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２の分波素子について、図１２を用いて説明する。本発明の実施の形態２の分波素子は、実施の形態１の光学素子を用いて構成される。図１２は、本発明の実施の形態２の分波素子の構成を示す平面図である。

図１２において、分波素子１０は入力側光ファイバ１２（入力側光導波部）とコリメートレンズ１３（コリメータ部）とを含む入力部と、実施の形態１で説明した光学素子１、１ａ（図１および図３参照）と同様の構成を有する光学素子１１と、集光レンズ１４（集光部）と複数の出力側光ファイバ１５（出力側光導波部）とを含む出力部とを備えている。

入射光１６は、入力側光ファイバ１２中を伝搬し、コリメートレンズ１３を介して略平行光束として、光学素子１１に入射される。入射光１６には、波長の異なる複数の光が混ざっている。なお、図１２においては、入射光１６は２種類の光から構成されている。

コリメートレンズ１３より、入射端面１１ａに対して入射角θで入射光１６が入射するように、入力側光ファイバ１２およびコリメートレンズ１３は設置されている。この入射角θは、光学素子１１中を第２ブリルアンゾーン内のバンドによる伝搬光１７ａおよび１７ｂが生じるような値とする。このような入射角θの値は、入射光１６に含まれている光の各波長をもとに、実施の形態１で説明したバンド図を用いて求められる。

このバンド図を用いることで、光学素子１１から出射される光束である各出射光１８ａおよび１８ｂの出射角を求めることができる。そこで、出射光１８ａおよび１８ｂの出射位置に集光レンズ１４を設置しておき、各出射光１８ａおよび１８ｂがそれぞれ異なる出力側光ファイバ１５に入射して、伝搬していくようにする。

このように、実施の形態１の光学素子を用いることで、簡単な構成で、高い波長分解能を有し小型化が可能な分波素子１０を実現できる。実施の形態２では、分波する光の数を２つとしているが、さらに多くの数であっても可能であり、その場合は、出力側光ファイバ１５の数を分波する光の数に合わせればよい。なお、実施の形態２では、１つの出力側集光レンズ１４により、複数の出射光１８ａ、１８ｂをそれぞれ集光しているが、分波する光と同数の集光レンズ１４を用いて、それぞれの光を集光してもよい。また、入力側光ファイバ１２および複数の出力側光ファイバ１５は、入射光１６および出射光１８ａおよび１８ｂが伝搬するものであればよく、例えば光導波路等でもかまわない。また、コリメートレンズ１３は光をコリメート（平行光束化）する機能を有していればよい。また、集光レンズ１４は、光を集光する機能を有していればよい。コリメートレンズ１３および集光レンズ１４は、例えば凹面鏡等でもかまわない。

実施の形態２の分波素子１１と同様の分波素子を実際に作製して、その特性を測定した。その結果を以下の実施例３に示す。なお、実施例３では光学素子がクラッドを有する構成とした。

（実施例３）
図１３は、本発明の実施例３に用いた光学素子の構成を示す斜視図である。実施例３に用いた光学素子２０は均質媒体２１ａを備えており、均質媒体２１ａは複数の平行な溝（空間）２１ｂが等間隔で設けられることで形成された１次元フォトニック結晶構造を有している。また、光学素子２０は、溝２１ｂに沿う方向（Ｚ軸方向）に対して斜めに形成された入射端面２１ｃおよび入射端面２１ｃと略垂直である出射端面２１ｄを備えている。

この光学素子２０は、さらに、溝２１ｂの深さ方向（Ｘ軸方向）から均質媒体２１を挟む、クラッド２２および２３を備えている。このような構成であるため、均質媒体２１は、クラッド２２および２３に対してコアとして機能する。したがって、均質媒体２１中を伝搬する光はＸ軸方向に漏れにくい。

この光学素子２０において、均質媒体２１が備える１次元フォトニック結晶の屈折率周期は７２５ｎｍであり、コアである均質媒体２１の厚さおよび溝２１ｂの深さは５μｍとした。溝２１ｂは、クラッド２３上に形成された均質媒体２１に電子線描画によるパターニングとドライエッチングにより形成した。溝２１ｂを形成後に、ＰＥＣＶＤ（Ｐｌａｓｍａ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：プラズマ化学気相成長法）により溝２１ｂの空隙を残したままクラッド２２を均質媒体２１上に作製した。クラッド２２および２３の厚さはそれぞれ１０μｍである。また、出射端面２１ｄの幅は１．５ｍｍとした。図１４は、本発明の実施例３に用いた光学素子のＸＹ平面による断面写真を示す図である。図１４において、黒く平行に並んで写っている箇所が溝２１ｂである。図１４より、均質媒体２１に溝２１ｂを残したままクラッド２２および２３が形成されていることがわかる。

実施例３で用いた分波素子は、この光学素子２０を備えた構成である。図１５は、本発明の実施例３に用いた分波素子の構成を示す斜視図である。図１５に示すように、実施例３の分波素子３０は、光学素子２０、光入力部３１および光出力部３２を備えている。入力部３１は、偏波保持ファイバ２７（入力側光導波部）と、円筒レンズ２５ａ（コリメータ部）およびロッドレンズ２４ａ（コリメータ部）と、偏波保持ファイバ２７および円筒レンズ２５ａの間に設置されたガラスキャピラリ２６とを含んでいる。なお、ガラスキャピラリ２６は、偏波保持ファイバ２７のコアを保持するためのもので、偏波保持ファイバ２７と円筒レンズ２５ａとを接続している。

また、出力部は、ロッドレンズ２４ｂ（集光部）と、円筒レンズ２５ｂ（集光部）と、４つのシングルモードファイバ２９（出力側光導波部）を備えた４芯ファイバアレイ２８とを含んでいる。４芯ファイバアレイ２８において、４本のシングルモードファイバ２９は、それぞれのコアが等間隔となるよう配置されている。なお、実施例３で用いた４芯ファイバアレイ２８のシングルモードファイバ２９のコア間隔は、１２７μｍである。また、円筒レンズ２５ａおよび２５ｂには、日本板硝子株式会社製のセルフォック（登録商標）マイクロレンズを用いた。

この分波素子３０の動作について説明する。複数の波長を有する入射光が偏波保持ファイバ２７を伝搬して、円筒レンズ２５ａおよびロッドレンズ２４ａに入射する。円筒レンズ２５ａおよびロッドレンズ２４ａで入射光はコリメートされ、光学素子２０に入射される。なお、光学素子２０中を伝搬する光は、第１ブリルアンゾーンとの境界を除く、第２ブリルアンゾーン内のフォトニックバンドと結合するように、光学素子２０に入射光が入射される。光学素子２０からは波長ごとに異なる出射角を有する出射光が出射される。それらの出射光は、ロッドレンズ２４ｂおよび円筒レンズ２５ｂにより、４芯ファイバアレイ２８に備えられたそれぞれのシングルモードファイバ２９のコアに集光され、シングルモードファイバ２９を伝搬する。なお、分波素子３０では、４芯ファイバアレイ２８を用いているので、入射光を４つの光に分波することができる。

まず、波長が１５１０ｎｍ〜１５９０ｎｍの可視赤外光を光源として用い、この分波素子３０の角度分散性を評価した。偏波保持ファイバ２７からの出力光の偏光がＴＥ偏光となるように設定して、光源（図示せず）から光を偏波保持ファイバ２７に伝搬させる。光は、円筒レンズ２５ａおよびロッドレンズ２４ａに入射され、コリメートされるが、５×２２０μｍサイズの線状となるように、コアの厚み方向には集光されて、光学素子２０に入射される。光学素子２０に入射された光は、その波長により、光学素子２０からの出射角度が異なる。光学素子２０の出射端面側には、光出力部３２ではなく、ｆ−θレンズおよび赤外ＣＣＤカメラを備えて、出射光の出射角度の測定を行った。図１６は、出射光の角度変化と波長との関係を示したグラフである。なお、図１６は、波長が１５１５ｎｍの場合を基準としている。図１６に示しているように、波長変化に対して出射光の角度変化は線形に変化している。また、１％の波長差における出射光の角度変化は３．４°であった。この値は、実施例１によるシミュレーションで求めた値よりも少し小さいが、これは作製誤差や、コアである均質媒体２１とクラッド２２および２３との屈折率の不一致によるものであると考えられる。

次に、図１５に示す分波素子３０において、波長が１５１０ｎｍ〜１５９０ｎｍの波長域の可視赤外光を偏波保持ファイバ２７に伝搬させ、４芯ファイバアレイ２８の各シングルモードファイバ２９のコアに出射光を結合させた。なお、各シングルモードファイバ２９のコア間隔は１２７μｍとした。この分波素子３０において、各シングルモードファイバ２９からの出射光をベクトルアナライザで評価したところ、図１７に示す損失と波長との関係を示すグラフが得られた。図１７において、縦軸は損失を示し、その１目盛りは５ｄＢである。図１７に示すように、出射光はピーク間隔が１５ｎｍの透過出力を有している。図１７において、ピーク値は４つある。つまり、これらピーク値の波長を有する、４つの光に分波されていることがわかる。実施例３では、分波される出射光の波長間隔が１５ｎｍであるが、ロッドレンズ２４ｂの直径および円筒レンズ２５ｂの焦点距離をそれぞれ最適化すれば、分波される出射光の波長間隔が２０ｎｍとすることも可能である。

（実施の形態３）
本発明の実施の形態３に係る分波素子について図を用いて説明する。図１８は、本発明の実施の形態３に係る分波素子の構成を示す図である。図１８（ａ）は実施の形態３の分波素子の側面図であり、図１８（ｂ）は図１８（ａ）のＡ−Ａ矢視断面図である。図１８（ａ）および図１８（ｂ）に示すように、実施の形態３の分波素子１１０は、２つのクラッド１１９および１２０とそれらクラッド１１９および１２０に挟まれた均質媒体であるコア１１８とによって形成された光導波路中に実施の形態１の光学素子１、１ａ（図１および図３参照）と同様の構成を有する光学素子１１１が形成された構成である。さらに具体的には、コア１１８に溝加工を施すことで、実施の形態１の光学素子と同様の構成である光学素子１１１が形成され、さらに、入力チャネル導波路１１２（入力側光導波部）と入力側凹面鏡１１３（コリメータ部）とを含む入力部および出力側凹面鏡１１４（集光部）と複数の出力チャネル導波路１１５（出力側光導波部）とを含む出力部が、コア１１８中に形成されている。

図１８（ｂ）に示されているように、コア１１８には複数の溝１２１が等間隔で平行に形成され、溝１２１に対して傾斜している入射端面１２２と入射端面１２２に対して垂直な出射端面１２３とが形成されていて、実施の形態１で説明した光学素子と同様の構成である光学素子１１１が形成されている。

さらに、コア１１８に曲線状の溝１２４ａおよび１２４ｂが形成されている。この溝１２４ａおよび１２４ｂは、これら溝１２４ａおよび１２４ｂにより形成された空間とコア１１８との境界面で全反射が生じるように構成されている。それにより、溝１２４ａおよび１２４ｂによって、入力側凹面鏡１１３および出力側凹面鏡１１４が形成される。

また、コア１１８に溝を形成して、その溝にコア１１８よりも屈折率の高い媒質を充填することで、その箇所に光を閉じ込めて伝搬させることが可能となる。そこで、コア１１８に溝が形成され、その溝にコア１１８よりも屈折率の高い媒質が充填されることで、入力チャネル導波路１１２および複数の出力チャネル導波路１１５が形成されている。このような、実施の形態３の分波素子１１０は、実施の形態１で説明した光学素子と同様の構成である光学素子１１１を用いているので、高い波長分解能を有し、小型化が可能である。

入力チャネル導波路１１２を伝搬して外部より入力された入射光１１６が、入力側凹面鏡１１３により略平行光とされて、光学素子１１１に入射され、光学素子１１１中を伝搬して、波長に応じて異なる出射角で出射され、出射された波長の異なる各出射光１１７は出力側凹面鏡１１４で集光され、各波長に応じた複数の出力チャネル導波路１１５中を伝搬して、分波素子１１０から出力される。

この際に、光学素子１１１に入射する入射光１１６は、光学素子１１１中を第１ブリルアンゾーンとの境界を除く、第２ブリルアンゾーン内のバンドによる伝搬光となるような入射角で、光学素子１１１に入射するように、入力チャネル導波路１１２および入力側凹面鏡１１３が設置されている。また、出力側凹面鏡１１４および複数の出力チャネル導波路１１５は、光学素子１１１から異なる出射角で出射される、波長の異なる複数の光が所定の複数の出力チャネル導波路１１５のそれぞれに結合するような位置に設置されている。

これら入力チャネル導波路１１２、入力側凹面鏡１１３、出力側凹面鏡１１４、複数の出力チャネル導波路１１５および光学素子１１１の配置や構成等は、実施の形態１で説明したバンド図により求めればよい。

実施の形態３に係る分波素子１１０は上述のような構成であり、導波路構造であるため、光機能集積回路に用いることができる。また、コア１１８に溝１２１、１２４ａおよび１２４ｂを形成することで光学素子１１１、入力側凹面鏡１１３および出力側凹面鏡１１４を形成することができるので、容易に製造することができる。また、入力チャネル導波路１１２および出力チャネル導波路１１５についても、コア１１８に溝を形成し、その溝にコア１１８よりも屈折率の高い媒質を充填するだけで形成することができるので、容易に製造することができる。

次に、実施の形態３に係る分波素子１１０の製造方法について説明する。図１９は、本発明の実施の形態３に係る分波素子の製造方法を示す断面工程図である。具体的には、図１８（ａ）および図１８（ｂ）に示す分波素子１１０において、光学素子１１１上を通るように、Ｘ−Ｙ平面で切断した拡大断面図で、光学素子１１１付近を示している。基板１３０上にクラッド層１１９を成膜する。さらにその上にコア１１８を成膜する（図１９（ａ））。成膜手法としては化学気相体積法、物理気相体積法または火炎堆積法などが低損失で良質な膜ができることが知られているが、特に限定はされない。

次に、分波素子１１０の構成要素を作製するための金属マスク１３１をいわゆるリフトオフ法で作製する。まず、紫外線、電子線、Ｘ線などのエネルギー照射によって感光する材料（以下レジストという）をコア１１８表面にスピンコートした後、適切な露光手法により所望の構成要素のレジストパターンを作製する。次に、レジストパターン上に金属膜を成膜する。成膜手法はスパッタリング法や真空蒸着法などを用いることができ、金属膜にはクロムやタングステンシリサイド、ニッケルなどを用いることができる。特に、リフトオフ法を用いる場合には、フォトレジストの損傷やパターニング精度の向上の観点から、真空蒸着法や方向性スパッタリング法を用いることが望ましい。リフトオフ法により不要な金属膜をレジストパターンとともに除去することで、金属マスク１３１のパターンが形成される（図１９（ｂ））。なお、レジストの形成と金属成膜との順序を入れ替えて、エッチングにより金属マスク１３１のパターンを形成させる手法も当然可能である。ただし、この場合は金属として容易にエッチングされる材料を選択することが望ましい。

次に、イオンエッチング装置を用いてコア１１８の溝加工を行って、光学素子１１１を形成する。図示はされていないが、コア１１８の溝加工と合わせて入力側凹面鏡１１３、出力側凹面鏡１１４、入力チャネル導波路１１２用の溝および出力チャネル導波路１１５用の溝も作製すればよい（図１８（ｂ）参照）。イオンエッチング装置は被加工材料に適したものを選択することが好ましい。しかし、大面積を能率良く加工するには、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）や磁気中性線放電（ＮＬＤ）のような高密度プラズマによる反応性イオンエッチング法を用いることが望ましい。残存する金属マスク１３１は腐食液、ドライエッチングなどで除去すればよい（図１９（ｃ））。

最後にＣＶＤ法により、クラッド１２０を成膜する（図１９（ｄ））。なお、図示していないが、クラッド１２０を成膜する前に、入力チャネル導波路１１２および出力チャネル導波路１１５のコアとなる材料を溝に充填すればよい（図１８（ｂ）参照）。以上のように、基板１３０上に容易に分波素子１１０を作製することができる。

また、この方法以外の製造方法により、分波素子１１０を作製してもよい。他の製造方法について以下に示す。図２０は、本発明の実施の形態３に係る分波素子の他の製造方法を示す断面工程図である。具体的には、図１８に示す分波素子１１０において、光学素子１１１上を通るように、Ｘ−Ｙ平面で切断した拡大断面図で、光学素子１１１付近を示している。なお、図２０（ａ）〜図２０（ｄ）において、図１９（ａ）〜図１９（ｄ）と同一の機能を有する部材については同一の符号を付し、説明を省略する。

まず、基板１３０上にクラッド層１１９を成膜する。さらにその上にコア１１８を成膜する（図２０（ａ））。成膜手法としては化学気相体積法、物理気相体積法または火炎堆積法などが低損失で良質な膜ができることが知られているが、特に限定はされない。

次に、分波素子１１０の構成要素を作製するためのレジスト１３１ａをコア１１８の上に、所望のパターンとなるように形成する。具体的には、まず、紫外線、電子線、Ｘ線などのエネルギー照射によって感光する材料であるレジスト１３１ａをコア１１８表面にスピンコートした後、適切な露光手法により所望の構成要素のレジストパターンを作製する（図２０（ｂ））。

次に、このレジスト１３１ａをマスクとして、エッチングプロセスにより、溝加工を行い、光学素子１１１を形成する。図示はされていないが、コア１１８の溝加工と合わせて入力側凹面鏡１１３、出力側凹面鏡１１４、入力チャネル導波路１１２用の溝および出力チャネル導波路１１５用の溝も作製すればよい（図１８（ｂ）参照）。残存するレジシスト１３１ａは、例えば酸素ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ：反応性イオンエッチング）等によるエッチングや、アセトン等の有機溶剤を用いて除去すればよい（図２０（ｃ））。

最後にＣＶＤ法により、クラッド１２０を成膜する（図２０（ｄ））。なお、図示していないが、クラッド１２０を成膜する前に、入力チャネル導波路１１２および出力チャネル導波路１１５のコアとなる材料を溝に充填すればよい（図１８（ｂ）参照）。以上のように、基板１３０上に容易に分波素子１１０を作製することができる。この方法で形成した溝１２１の深さは、図１９（ａ）〜図１９（ｄ）に示した製造方法で形成した場合よりも浅い。具体的には、溝１２１の深さは１μｍ程度である。そこで、溝１２１の深さにより、図１９（ａ）〜図１９（ｄ）に示した製造方法と図２０（ａ）〜図２０（ｄ）に示した製造方法とを使い分ければよい。このように、実施の形態の分波素子は容易に製造することができる。

上記図１８（ａ）および図１８（ｂ）に示す実施の形態３の分波素子１１０は、クラッド１１９および１２０を備えることとしたが、例えば、これらの片方または両方を備えない構成としてもよく、その場合は、空気がクラッドとなる。また、入力側凹面鏡１１３、出力側凹面鏡１１４および光学素子１１１を形成する溝１２１、１２４ａおよび１２４ｂは空洞であってもよいし、コア１１８とは異なる屈折率を有する充填物質を充填してもよい。

なお、分波素子１１０において、クラッド１１９を例えば屈折率が１．４４〜１．４５であるＳｉＯ₂とし、コア１１８を屈折率が１．４６〜１．４７であるＧｅ−ＳｉＯ₂として溝１２１は空洞のままとすると、光学素子１１１は空気とＧｅ−ＳｉＯ₂とが周期的に配置された構造である。このような分波素子では、光学素子１１１の有効屈折率がクラッド１１９の屈折率よりも低下する可能性があるので、光学素子１１１を伝搬する光がクラッド１１９へと漏れやすい。そこで、例えば、コア１１８を、ＳｉＮ、Ｔａ₂Ｏ₅、ＴｉＯ₂等の比較的高い屈折率を有する材料とすることが好ましい。それにより、クラッドに比べて、光学素子１１１の実効屈折率が高くなり、光の漏れが低減される。なお、これらの材料の屈折率は、１．７〜２．２程度である。

また、コア１１８の屈折率を高くする以外に、例えば、溝１２０にコア１１８よりも高い屈折率を有する充填物質を充填することで、光学素子１１１の実効屈折率を高くしてもよい。例えば、上記したＳｉＮ、Ｔａ₂Ｏ₅、ＴｉＯ₂等の比較的高い屈折率を有する材料を充填すればよい。なお、溝１２０にこれらの材料を充填するには、図１９（ｃ）の状態で、ゾルゲル、液相、プラズマＣＶＤ等の方法を用いればよい。

なお、コア１１８の有効屈折率は場所により異なるため、場所ごとにコア１１８の厚さを最適化すればよい。

実施の形態３に示した分波素子１１０において、入力チャネル導波路１１２、入力側凹面鏡１１３、出力側凹面鏡１１４、複数の出力チャネル導波路１１５および光学素子１１１の配置を変更して、分波素子１１０の形状を変更することもできる。例えば、図２１は、本発明の実施の形態３に係る分波素子の他の構成例を示した断面図である。図２１（ａ）および図２１（ｂ）はそれぞれ別の構成例であり、それぞれ図１８（ｂ）に対応する図面である。図２１（ａ）および図２１（ｂ）における各コア１１８ａおよび１１８ｂは、図１８（ｂ）のコア１１８にあたる。図２１（ａ）および図２１（ｂ）における各入力チャネル導波路１１２ａおよび１１２ｂは、図１８（ｂ）の入力チャネル導波路１１２にあたる。同様に、図２１（ａ）および図２１（ｂ）における入力側凹面鏡１１３ａおよび１１３ｂは、図１８（ｂ）の入力側凹面鏡１１３にあたる。また、図２１（ａ）および図２１（ｂ）における出力側凹面鏡１１４ａおよび１１４ｂは、図１８（ｂ）の出力側凹面鏡１１４にあたる。また、図２１（ａ）および図２１（ｂ）における出力チャネル導波路１１５ａおよび１１５ｂは、図１８（ｂ）の出力チャネル導波路１１５にあたる。図２１（ａ）および図２１（ｂ）における光学素子１１１ａおよび１１１ｂは、図１８（ｂ）の光学素子１１１にあたる。光学素子１１１ａおよび１１１ｂ中を、第１ブリルアンゾーンおよび第２ブリルアンゾーンの境界を除く、第２ブリルアンゾーン内の結合バンドを利用する伝搬光が生じる構成であれば、各部材がどのような配置であってもかまわない。

また、クラッドがコアの側面にも形成されていてもよい。つまり、図１８（ａ）において、コア１１８は、クラッド１１９およびクラッド１２０によって、Ｘ軸方向に光が閉じ込められている構成であるが、コアのＹ軸方向およびＺ軸方向にもクラッドが形成され、光が閉じ込められる構成としてもよい。具体的には、図２２に示すような構造の分波素子１６０とすればよい。図２２は、本発明の実施の形態３に係る分波素子のさらに他の構成例を示した断面図であり、図１８（ｂ）に対応する図面である。図２２におけるコア１１８ｃは、図１８（ｂ）のコア１１８にあたる。図２２において、コア１１８ｃは、光が伝搬する個所のみに形成されており、その周りにはクラッド１２０ｃが形成されている。このような構成とすることで、損失の少ない分波素子１６０を実現することができる。図２２における入力チャネル導波路１１２ｃは、図１８（ｂ）の入力チャネル導波路１１２にあたる。同様に、図２２における入力側凹面鏡１１３ｃは、図１８（ａ）の入力側凹面鏡１１３にあたる。また、図２２における出力側凹面鏡１１４ｃは、図１８（ｂ）の出力側凹面鏡１１４にあたる。また、図２２における出力チャネル導波路１１５ｃは、図１８（ｂ）の出力チャネル導波路１１５にあたる。図２２における光学素子１１１ｃは、図１８（ｂ）の光学素子１１１にあたる。

以上の構成とすることで、入力チャネル導波路１１２ｃから入力側凹面鏡１１３ｃまで、入力側凹面鏡１１３ｃから光学素子１１１ｃまで、光学素子１１１ｃから出力側凹面鏡１１４ｃまで、出力側凹面鏡１１４ｃから出力チャネル導波路１１５ｃまではスラブ導波路が形成されていることなる。つまり、分波素子１６０は、光学素子１１１ｃ、入力側凹面鏡１１３ｃおよび出力側凹面鏡１１４ｃを内蔵したスラブ導波路と、入力チャネル導波路１１２ｃおよび出力チャネル導波路１１５ｃとで構成されている。入射光は入力チャネル導波路１１２ｃを通ってスラブ導波路に導かれ、スラブ導波路内で広がった光は入力側凹面鏡１１３ｃで略平行光束とされ（コリメートされ）、光学素子１１１ｃに入射する。光学素子１１１ｃから波長ごとに異なる角度で出射された光は、出力側凹面鏡１１４ｃにより、各出力チャネル導波路１１５ｃ上に集光され、各光ごとに出射される。

このような分波素子１６０の製造方法について説明する。まず、クラッド（図示せず）上にコア１１８ｃを形成し、そのコア１１８ｃに溝加工等を施して、光学素子１１１ｃ、入力チャネル導波路１１２ｃおよび出力チャネル導波路１１５ｃを形成する。さらに、全面にクラッド１２０ｃを積層してから、例えばエッチング等で溝１６１ａおよび１６１ｂを形成することで入力側凹面鏡１１３ｃおよび出力側凹面鏡１１４ｃを形成し、分波素子１６０を製造することができる。

上述したように、本実施の形態３の分波素子は、高い波長分解能を有し、小型化も可能である。また、容易に製造することができる。

（実施の形態４）
本発明の実施の形態４に係る分波素子について図を用いて説明する。実施の形態４に係る分波素子は、実施の形態３に係る分波素子と基本構成は同様である。本発明の実施の形態４に係る分波素子は、光学素子からの光の漏れをより低減することができる構成である。図２３は、本発明の実施の形態４に係る分波素子の構成を示す断面図である。なお、図２３において、図１９（ｄ）に示した分波素子１１０と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付し、説明を省略している。実施の形態４の分波素子１７０の側面図および断面図は、図１８（ａ）および図１８（ｂ）と等しいので図示を省略する。図２３は、具体的には、分波素子１７０のコア１１８に対して垂直であり、かつ光学素子１１１の溝１２１に沿う方向に対して垂直である面（ＸＹ面）での断面図であって、光学素子１１１付近の拡大図である。

図２３に示すように、実施の形態４に係る分波素子１７０は、クラッド１１９、１２０に溝１７１が形成されており、コア１１８に形成されている溝１２１と溝１７１とが連結して、これらが一体化された溝１７２が形成されている構成である。例えば、コア１１８の厚みを３μｍとし、溝１７２の深さを５μｍとすればよい。このような構成とすることで、クラッド１１９、１２０にも溝１７１による空洞が生じることになる。したがって、クラッド１１９、１２０の有効屈折率が低下する。そのため、例えば、クラッド１１９、１２０に屈折率が１．４４〜１．４５であるＳｉＯ₂を、コア１１８に屈折率が１．４６〜１．４７であるＧｅ−ＳｉＯ₂を用いた一般的な構成であっても、空洞である溝１２１を有するコア１１８の有効屈折率に比べて、クラッド１２０の有効屈折率が低くなる。それにより、分波素子１７０において、光学素子１１１からクラッド１２０に光が漏れることはない。

このような分波素子１７０の製造方法について説明する。例えば、クラッド１１９上にコア１１８およびクラッド１２０を順次積層する。なお、クラッド１２０は厚さを薄く形成し、クラッド１２０の一部のみを積層することとする。この状態で、コア１１８、クラッド１２０およびクラッド１１９に溝１２１、１７１を形成し、一部であるクラッド１２０の上から残りのクラッド１２０を積層する。このようにして、クラッド１１９、１２０およびコア１１８に、溝１２１および１７１からなる溝１７２を形成することができる。なお、光学素子１１１以外の光学部材は、上記製造工程に合わせて作製すればよい。

なお、分波素子１７０の製造方法は、上記製造方法に限定されるわけではない。例えば、クラッド１１９、コア１１８、クラッド１２０を積層するごとに溝１７１、１２１を形成する方法で製造してもよい。

（実施の形態５）
本発明の実施の形態５に係る分波素子について図を用いて説明する。実施の形態５に係る分波素子は、実施の形態３に係る分波素子と基本構成は同様である。実施の形態５に係る分波素子は、光学素子からの光の漏れをより低減することができる構成である。図２４は、本発明の実施の形態４に係る分波素子の構成を示す断面図である。なお、図２４の分波素子１７３において、図１９（ｄ）の分波素子１１０との相違点は、コア１２８が二種類の均質媒体であるコア１２８ａとコア１２８ｂとを備えている点である。なお、コア１２８ａは、光学素子１１１が構成される箇所に配置され、コア１２８ｂはコア１２８ａが配置される箇所以外の箇所に配置されている。それ以外は、図２４の分波素子１７３と図１９（ｄ）の分波素子１１０とは略同様の構成である。そこで、図２４において、図１９（ｄ）に示した分波素子１１０と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付し、説明を省略している。実施の形態５の分波素子１７３の側面図および断面図は、図１８（ａ）および図１８（ｂ）と等しいので図示を省略する。図２４は、具体的には、分波素子１７３のコア１２８ａ、１２８ｂに対して垂直であり、かつ光学素子１１１の溝１２１に沿う方向に対して垂直である面（ＸＹ面）での断面図であって、光学素子１１１付近の拡大図である。

分波素子１７３は、コア１２８ａ、１２８ｂの二種類の均質媒体からなるコア１２８を有する。コア１２８ａは光学素子１１１を構成する箇所に配置されている。また、コア１２８ｂは光学素子１１１以外の部分に配置されていて、少なくとも、光学素子１１１の入射端面および出射端面には接して配置されている。また、コア１２８ａの屈折率は、コア１２８ｂの屈折率に比べて高い。

光学素子１１１は、コア１２８ａと溝１２１を満たす空気とが交互に配置された構成である。そのため、均質媒体のみで構成されたコア１２８ｂよりも、光がクラッド１１９、１２０に漏れやすい。しかし、分波素子１７３は、コア１２８ａの屈折率がコア１２８ｂの屈折率に比べて高いため、コア１２８ａに溝１２１が形成された構成であっても、光学素子１１１からクラッド１１９、１２０に光が漏れにくい。また、光学素子１１１以外の光学部材である、例えば、入力チャネル導波路１１２、入力側凹面鏡１１３、出力側凹面鏡１１４および出力チャネル導波路１１５（図１８（ｂ）参照）のコア１２８ｂの屈折率が高くなりすぎることがない。そのため、好ましい伝搬特性を得ることができる。

なお、コア１２８の有効屈折率は場所により異なるため、場所ごとにコア１２８の厚さを最適化すればよい。

（実施の形態６）
本発明の実施の形態６に係る分波素子について図を用いて説明する。実施の形態６に係る分波素子は、実施の形態３に係る分波素子と基本構成は同様である。実施の形態６に係る分波素子は、光学素子からの光の漏れをより低減することができる構成である。図２５は、本発明の実施の形態６に係る分波素子の構成を示す断面図である。なお、図２５の分波素子１７４において、図１９（ｄ）の分波素子との相違点は、コア１１８とクラッド１１９、１２０との間には、多層膜１７５ａ、１７５ｂが形成されている点である。なお、多層膜１７５ａ、１７５ｂの積層方向はコア１１８に対して垂直方向である。それ以外は、図２５の分波素子１７４と図１９（ｄ）の分波素子１１０とは略同様の構成である。そこで、図２５において、図１９（ｄ）に示した分波素子１１０と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付し、説明を省略している。実施の形態６の分波素子１７４の側面図および断面図は、図１８（ａ）および図１８（ｂ）と等しいので図示を省略する。図２５は、具体的には、分波素子１７４のコア１１８に対して垂直であり、かつ光学素子１１１の溝１２１に沿う方向に対して垂直である面（ＸＹ面）での断面図であって、光学素子１１１付近の拡大図である。

多層膜１７５ａ、１７５ｂは、積層方向（Ｘ軸方向）にそれぞれ屈折率周期性を有していて、いわゆる１次元のフォトニック結晶である。このような構成である多層膜１７５ａ、１７５ｂは、その屈折率周期方向にバンドギャップを生じさせることができる。それにより、光学素子１１１からクラッド１１９、１１８に光を漏れないような構成とすることができる。

このような分波素子１７４の製造方法について説明する。例えば、クラッド１１９上に多層膜１７５ａおよびコア１１８を順次形成し、コア１１８に溝１２１を形成する。その後、さらに多層膜１７５ａおよびクラッド１２０を順次形成してもよい。また、溝１２１を形成したコア１１８に、多層膜１７５ａ、１７５ｂを貼り付けてもよい。これらの貼り付けには、例えばフッ酸を用いればよい。また、光学素子１１１以外の光学部材は、上記製造工程に合わせて作製すればよい。なお、分波素子１７４の製造方法は、上記製造方法に限定されるわけではない。

また、図２６は本発明の実施の形態６に係る他の分波素子の構成を示す断面図である。図２６に示すように、分波素子１７４ａは、一方のクラッド１１９とコア１１８との間に多層膜１７５ａが形成され、他方のクラッド１２０とコア１１８との間には多層膜が形成されていない。また、光学素子１１１と接する位置には、クラッド１１９が形成されていず、光学素子１１１の片側は空気をクラッドとする構成である。このような構成の分波素子１７４ａの光学素子１１１において、光の伝搬方向に対して垂直側は、多層膜１７５ａおよび空気と接する構成である。これらは、どちらも光学素子１１１から光が漏れにくくする材料である。したがって、分波素子１７４ａの伝搬損失は低い。

上記実施の形態４〜６の分波素子１７０、１７３、１７４および１７４ａは、第１ブリルアンゾーンとの境界を除く、第２ブリルアンゾーン内のフォトニックバンドと結合するような光が光学素子１１１に入射するような構成とすればよい。それにより、これらの分波素子１７０、１７３、１７４および１７４ａは、実施の形態３の分波素子と同様に、高解像度を有する。また、これらの分波素子１７０、１７３、１７４および１７４ａは、容易に製造することができる。

なお、説明した実施の形態１〜６の光学素子および分波素子の構成等は上述の構成等に限定されるわけではない。

本発明の光学素子およびそれを用いた分波素子は、小型であって波長分解能が高いので、光集積回路に用いることが有用である。

本発明の実施の形態１に係る光学素子の構成を示す斜視図 本発明の実施の形態１に係る光学素子の製造方法を説明するための斜視工程図 本発明の実施の形態１の光学素子を用いて波長分離を行う方法を説明するための平面図 周期構造体における第１ブリルアンゾーンの範囲内におけるバンド図 第１ブリルアンゾーンと第２ブリルアンゾーンとを示すバンド図 本発明の実施例１の光学素子における光の電場強度分布図 本発明の実施例１の光学素子における光の電場強度分布図 本発明の実施例２の光学素子における光の電場強度分布図 本発明の実施例２の光学素子における光の電場強度分布図 本発明の実施例２の光学素子における光の電場強度分布図 本発明の実施の形態１に係る他の光学素子の構成を示す平面図 本発明の実施の形態２に係る分波素子の構成を示す平面図 本発明の実施例３に用いた光学素子の構成を示す斜視図 本発明の実施例３に用いた光学素子のＸＹ平面による断面写真を示す図 本発明の実施例３に用いた分波素子の構成を示す斜視図 出射光の角度変化と波長との関係を示したグラフ 損失と波長との関係を示すグラフ 本発明の実施の形態３に係る分波素子の構成を示す図であり、図１８（ａ）は実施の形態３の分波素子の側面図であり、図１８（ｂ）は図１８（ａ）のＡ−Ａ矢視断面図 本発明の実施の形態３に係る分波素子の製造方法を示す断面工程図 本発明の実施の形態３に係る分波素子の他の製造方法を示す断面工程図 本発明の実施の形態３に係る分波素子の他の構成例を示した断面図 本発明の実施の形態３に係る分波素子のさらに他の構成例を示した断面図 本発明の実施の形態４に係る分波素子の構成を示す断面図 本発明の実施の形態５に係る分波素子の構成を示す断面図 本発明の実施の形態６に係る分波素子の構成を示す断面図 本発明の実施の形態６に係る他の分波素子の構成を示す断面図

符号の説明

１、１ａ、１１、２０、１１１、１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃ 光学素子
２、２１ａ 均質媒体
３、２１ｂ、１２１、１２４ａ、１２４ｂ、１６１ａ、１６１ｂ、１７１、１７２ 溝
４、１１ａ、２１ｃ、１２２ 入射端面
５、２１ｄ、１２３ 出射端面
８ 入射光
９ 出射光
７、７ａ、７ｂ 光
１０、３０、１１０、１６０、１７０、１７３、１７４、１７４ａ 分波素子
１２ 入力側光ファイバ
１３ コリメートレンズ
１４ 集光レンズ
１５ 出力側光ファイバ
１６、１１６ 入射光
１７ 伝搬光
１８ａ、１８ｂ、１１７ 出射光
２２、２３、１１９、１２０、１２０ｃ クラッド
２４ａ、２４ｂ ロッドレンズ
２５ａ、２５ｂ 円筒レンズ
２６ ガラスキャピラリ
２７ 偏波保持ファイバ
２８ ４芯ファイバアレイ
２９ シングルモードファイバ
１１２、１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｂ 入力チャネル導波路
１１３、１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃ 入力側凹面鏡
１１４、１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃ 出力側凹面鏡
１１５、１１５ａ、１１５ｂ、１１５ｃ 出力チャネル導波路
１１８、１１８ａ、１１８ｂ、１１８ｃ、１２８、１２８ａ、１２８ｂ コア
１３０ 基板
１３１ 金属マスク
１７５ａ、１７５ｂ 多層膜
４０１、４０２、４１８、４１９ 波数ベクトル
４０３、４０５、４１１、４１６、４１７ 線
４０４、４１２ 法線
４０７、４０８ 等高線
４０９、４１０ 矢印
４１４、４１５、４２１、４２２ 円

Claims (14)

1. 均質媒体に複数の平行な溝が等間隔で設けられることで形成される１次元フォトニック結晶構造を備えていて、
   前記溝に沿う方向に対して斜めに形成された入射端面と、
   前記入射端面とは略垂直である出射端面とを備えた光学素子。
2. 前記溝に、前記均質媒体とは異なる屈折率を有する充填物質が充填されている請求項１に記載の光学素子。
3. 請求項１に記載の光学素子と、
   前記光学素子の前記入射端面から光束を入射する光入力部と、
   前記光学素子の前記出射端面から、波長に応じて異なる出射角で出射される光束が入射される光出力部とを備え、
   前記光入力部は、前記光入力部から前記入射端面に入射する光束が、第１ブリルアンゾーンとの境界を除く、第２ブリルアンゾーン内のフォトニックバンドと結合するように、前記入射端面から前記光学素子に光束を入射する分波素子。
4. 前記光入力部は、前記光入力部から前記入射端面に入射する光束が、第１ブリルアンゾーンとの境界を除く、第２ブリルアンゾーン内のフォトニックバンドと結合するような入射角で前記入射端面に入射するよう、前記入射端面から前記光学素子に光束を入射する請求項３に記載の分波素子。
5. 前記光入力部は、入射光が伝搬される入力側光導波部と、前記入力側光導波部を伝搬してきた入射光を略平行な光束として前記光学素子に入射するコリメータ部とを有し、
   前記光出力部は、前記光学素子から出射された波長ごとに異なる出射角を有する光束である複数の出射光がそれぞれ入射される複数の出力側光導波部と、前記複数の出射光がそれぞれ前記複数の出力側光導波部に入射されるように前記複数の出射光を集光する集光部とを備えている請求項３に記載の分波素子。
6. 前記均質媒体を挟み、前記均質媒体をコアとする二つのクラッドをさらに備え、
   前記入力側光導波部は、前記均質媒体に設けられた入力側光導波路であり、
   前記コリメータ部は、前記均質媒体に設けられた入力側凹面鏡であり、
   前記集光部は、前記均質媒体に設けられた出力側凹面鏡であり、
   前記出力側光導波部は、前記均質媒体に設けられた出力側光導波路である請求項５に記載の分波素子。
7. 前記入力側光導波路および前記出力側光導波路は、前記均質媒体に形成された溝に前記均質媒体よりも屈折率の高い充填物質が充填されることで構成された請求項６に記載の分波素子。
8. 前記入力側凹面鏡および出力側凹面鏡は、前記均質媒体に曲線状の溝が形成されることで、前記均質媒体と前記曲線状の溝との界面に形成される請求項６に記載の分波素子。
9. 前記均質媒体を挟み、前記均質媒体をコアとする二つのクラッドをさらに備え、
   前記光入力部および前記光出力部は、前記均質媒体に形成されている請求項３に記載の分波素子。
10. 前記クラッドには、前記均質媒体に設けられた前記複数の平行な溝と接続される複数の溝が形成されている請求項３に記載の分波素子。
11. 前記溝に、前記均質媒体とは異なる屈折率を有する充填物質が充填されている請求項９に記載の分波素子。
12. 前記二つのクラッドと前記均質媒体との間には、前記均質媒体に対して垂直方向である屈折率周期性を有する多層膜がそれぞれ形成されている請求項９に記載の分波素子。
13. 前記二つのクラッドの一方と前記均質媒体との間には、前記均質媒体に対して垂直方向である屈折率周期性を有する多層膜がそれぞれ形成されていて、
    前記二つのクラッドの他方は、前記光学素子には接していない請求項９に記載の分波素子。
14. 前記入射端面および前記出射端面に少なくとも接するように設置された、前記均質媒体よりも屈折率の低い導波路用均質媒体と、
    前記均質媒体および前記導波路用均質媒体を挟み、前記均質媒体および前記導波路用均質媒体をコアとする二つのクラッドとをさらに備え、
    前記光入力部および前記光出力部は、前記導波路用均質媒体に形成されている請求項３に記載の分波素子。