JP3860782B2 - 光デバイス - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フォトニック結晶を用いた光デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の光デバイスであるＭＭＩ（Ｍｕｌｔｉ−Ｍｏｄｅ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）型非対称Ｙ分岐を利用した光分岐器について図２１を用いて説明する。光分岐器は、入力側光導波路１２０と、ＭＭＩ装置１２１と、出力側光導波路１２２から構成されている。出力側光導波路１２２は、光が導かれる第１出力部１２３と第２出力部１２４とに分岐されている。この光分岐器は、ＭＭＩ装置１２１の出射端における出力側光導波路１２２の第１出力部１２３と第２出力部１２４との間隔ｇと、ＭＭＩ装置１２１の入射端の幅の変化量Δをパラメーターとして分岐特性を制御することができる。
【０００３】
入力側光導波路１２０により伝送されたシングルモード光は、ＭＭＩ装置１２１によって、０次のモード（シングルモード）と２次のモード（マルチモード）に分解される。さらに、０次のモードと２次のモードの伝搬速度の差を調整し、０次のモードと２次のモードの波形の真中の腹の部分同士が相殺し合うように、ＭＭＩ装置１２１の長さｈを最適化してある。それにより、ＭＭＩ装置１２１の出射端では２次のモードの腹の部分だけが残り、それらの間隔は数μｍであるが、出力側光導波路１２２によって、実用的な分離距離(＞１００μｍ)まで分離される。ここで、ＭＭＩ装置１２１が対称形である場合、すなわち変化量Δ＝０の場合は、この光分岐器の分岐比＝１の等分岐である。また、ＭＭＩ装置１２１を非対称形（変化量Δ＞０）にすると、ＭＭＩ装置１２１が減少した側、すなわち、第２出力部１２４側に分布する光量が減るので、第１出力部１２３中を伝搬する光量が増え、第２出力部１２４中を伝搬する光量はその分減少する。このように変化量Δを制御することにより分岐比を制御することができる。図２２に、変化量Δに対する透過ロスおよび分岐比の関係を示す。なお、分岐比は、第１出力部１２３の出力／第２出力部１２４の出力とする。図２２からわかるように、変化量Δを０〜５μｍの範囲で変化させることで、分岐比は１〜３の範囲となり、そのときの透過ロスは、０．２ｄＢ付近である。
【０００４】
次に、従来の光結合器について図２３を用いて説明する。Ｙ分岐導波路を利用した従来の光結合器は、第１入力側光ファイバー１３１と、第２入力側光ファイバー１３２と、基板１３３上にＹ形状のコア１３４を形成された結合部１３７および出力側光ファイバー１３６で構成されている。
【０００５】
第１入力側光ファイバー１３１と第２入力側光ファイバー１３２にそれぞれ同位相の入射光を入射した場合は、第１入力側光ファイバー１３１と第２入力側光ファイバー１３２から結合部１３７へ結合された２個の入射光は、それぞれコア１３４の形状に沿って０次モードに結合し、出力側光ファイバー１３６から出射される。このとき、出射される光のパワーは、第１入力側光ファイバー１３１と第２入力側光ファイバー１３２から入射されたそれぞれの入射光が加算されたパワーであり、結合器として正しく機能する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の光分岐器の分岐比は、上述したように、ＭＭＩ装置１２１の形状で決定されるため、光分岐器を作成した後、つまり、デバイス化後においては、必要に応じて分岐比を動的に変えることはできない。
【０００７】
また、分岐比もせいぜい３までしか変化させることができない。さらに、ＭＭＩ装置１２１の出力端での数μｍ程度の分離距離を、出力側光導波路１２２で実用的な分離距離まで広げるにはセンチメートルのオーダーの長さが必要であり、出力側光導波路１２２での損失の増大やデバイス化時の大型化は避けられない。
【０００８】
一方、光結合器においても、光分岐器と同様に動的に結合比を変えることができない。また、分岐角度と同様に、結合角度はせいぜい２°程度なので、結合器長を短くできず、大型化してしまう。
【０００９】
また、従来の光結合器の第１入力側光ファイバー１３１あるいは第２入力側光ファイバー１３２のどちらか一方のみに光を入射させた場合には、入射光の０次モードが、Ｙ字型の付け根１３５において０次モードと１次モードを励振し、出力側において１次モードは放射されるため、出力側光ファイバー１３６から、入射光の０次モードの半分のパワーしか出射されないという問題もある。
【００１０】
さらに、従来の光分岐器や光結合器は、光導波路を用いて構成するので、光ファイバーと前記光導波路間で高度な光軸合わせとモード形状のマッチングが必要となり、アセンブリに熟練を要するという問題もある。
【００１１】
本発明は、かかる問題に鑑みてなされたものであって、デバイス化後も動的に分岐比または結合比を変えることができる光分岐器または光結合器等の、小型化が可能で容易に作成することができる光デバイスを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の光デバイスの第１の構成は、屈折率が異なる複数の物質が周期的に配置されることで、周期的屈折率分布を有する第１フォトニック結晶と、屈折率が異なる複数の物質が周期的に配置され、前記第１フォトニック結晶とは異なる周期的屈折率分布を有する第２フォトニック結晶とが接合された複合フォトニック結晶と、前記複合フォトニック結晶の入射端に配置された入力側光導波路と、前記第１フォトニック結晶の出射端に配置された第１出力側光導波路と、前記第２フォトニック結晶の出射端に配置された第２出力側光導波路と、前記入力側光導波路から前記第１フォトニック結晶および前記第２フォトニック結晶へそれぞれ出力される光信号の分岐比が所定の比率となる制御、または、前記入力側光導波路から前記第１フォトニック結晶のみへ光信号を出力する制御、または、前記入力側光導波路から前記２フォトニック結晶のみへ光信号を出力する制御のいずれかを行う外部駆動部とを備え、前記分岐比は、前記入力側光導波路と前記第１フォトニック結晶とが重なる面積と、前記入力側光導波路と前記第２フォトニック結晶とが重なる面積との比により決定されることを特徴とする。それにより、作成に高精度が要求される光導波路を用いる必要がなく、動的に分岐比を変えることができる光デバイスが実現できる。さらに、低損失の伝送が可能である。また、分岐角度が大きい光分岐器が実現できる。そのため、光分岐器を小型化することができる。
【００１４】
また、本発明の光デバイスの第２の構成は、屈折率が異なる複数の物質が周期的に配置されることで、周期的屈折率分布を有する第１フォトニック結晶と、屈折率が異なる複数の物質が周期的に配置され、前記第１フォトニック結晶とは異なる周期的屈折率分布を有する第２フォトニック結晶とが接合された複合フォトニック結晶と、前記第１フォトニック結晶の入射端に配置された第１入力側光導波路と、前記第２フォトニック結晶の入射端に配置された第２入力側光導波路と、前記複合フォトニック結晶の出射端に配置された出力側光導波路と、前記第１フォトニック結晶および前記第２フォトニック結晶から前記出力側光導波路へそれぞれ出力される光信号の結合比が所定の比率となる制御、または、前記第１フォトニック結晶からのみ前記出力側光導波路へ光信号を出力する制御、または、前記２フォトニック結晶からのみ前記出力側光導波路へ光信号を出力する制御のいずれかを行う外部駆動部とを備え、前記結合比は、前記出力側光導波路と前記第１フォトニック結晶とが重なる面積と、前記出力側光導波路と前記第２フォトニック結晶とが重なる面積との比により決定されることを特徴とする。それにより、作成に高精度が要求される光導波路を用いる必要がなく、動的に結合比を変えることができる光デバイスが実現できる。さらに、低損失の伝送が可能である。また、結合角度が大きい光結合器が実現できる。そのため、光結合器を小型化することができる。
【００１５】
また、前記本発明の光デバイスの第１の構成においては、前記外部駆動部は、前記入力側光導波路または前記複合フォトニック結晶のいずれかを移動させるのが好ましい。また、前記本発明の光デバイスの第２の構成においては、前記外部駆動部は、前記出力側光導波路または前記複合フォトニック結晶のいずれかを移動させるのが好ましい。それにより、分岐比または結合比を動的に変化させることができるという効果を有する。
【００１７】
また、前記本発明の光デバイスの第１の構成においては、前記第１出力側光導波路および前記第２出力側光導波路中を伝搬する光量をモニターするモニター部と、前記モニター部からの出力に基づき、前記分岐比が前記所定の比率となるように前記外部駆動部を制御する演算制御部とを備えているのが好ましい。それにより、フィードバック制御を用いて、高精度な制御ができ、所望とする分岐比を維持することができる。
【００１８】
また、前記本発明の光デバイスの第２の構成においては、前記出力側光導波路中を伝搬する光量をモニターするモニター部と、前記モニター部からの出力に基づき、前記結合比が前記所定の比率となるように前記外部駆動部を制御する演算制御部とを備えているのが好ましい。それにより、フィードバック制御を用いて、高精度な制御ができ、所望とする結合比を維持することができる。
【００１９】
また、前記第１フォトニック結晶および前記第２フォトニック結晶は、それぞれ共に、複数の異なる屈折率を有する物質が周期的に配列されている２次元または３次元格子構造を有し、かつ、基本格子ベクトルで構成される一組の２次元格子構造が３回よりも大きい数の回転対称軸を持たない格子構造であって、前記第１フォトニック結晶の第１基本格子ベクトルと前記第２フォトニック結晶の第１基本格子ベクトルの方向は平行であって、かつ前記第１フォトニック結晶と前記第２フォトニック結晶とが接合された接合面に平行であり、前記第１フォトニック結晶の第２基本格子ベクトルと前記第２フォトニック結晶の第２基本格子ベクトルの方向は前記接合面に対して対称であることとしてもよい。
【００２０】
また、前記第１フォトニック結晶および前記第２フォトニック結晶は、それぞれ共に、屈折率の異なる第１物質と柱状物質とを備え、複数の前記柱状物質の軸が平行となるように前記柱状物質が周期的に第１物質中に配列されている２次元格子構造を有し、前記第１フォトニック結晶および前記第２フォトニック結晶の各基本格子ベクトル間の角度は共に、９０°以下の方の角度が６０°よりも大きく９０°よりも小さい角度であって、前記第１フォトニック結晶の第１基本格子ベクトルと前記第２フォトニック結晶の第１基本格子ベクトルの方向は平行であって、かつ前記第１フォトニック結晶と前記第２フォトニック結晶とが接合された接合面に平行であり、前記第１フォトニック結晶の第２基本格子ベクトルと前記第２フォトニック結晶の第２基本格子ベクトルの方向は前記接合面に対して対称であることとしてもよい。
【００４６】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１に係る光デバイスについて、図１を用いて説明する。実施の形態１における光デバイスは、分岐比可変光分岐器である。図１に示すように、実施の形態１における光デバイスは、入力側光ファイバー１０が複合フォトニック結晶６の片端に設置され、複合フォトニック結晶６の他端には、第１出力側光ファイバー１１および第２出力側光ファイバー１２が設置されている。また、複合フォトニック結晶６には駆動部９が備えられ、入力側光ファイバー１０の光軸１４に対して、垂直方向に複合フォトニック結晶６を駆動させることができる。
【００４７】
複合フォトニック結晶６は、第１フォトニック結晶７と第２フォトニック結晶８とが、接合面１３で接合されて構成されている。
【００４８】
フォトニック結晶とは、光の波長程度の屈折率の周期性を持つ人工的な多次元周期構造体である。この周期性を変化させることで、所望とする光学特性を有するフォトニック結晶を作成することができる。
【００４９】
第１フォトニック結晶７および第２フォトニック結晶８は、２次元構造のフォトニック結晶であって、第１物質１に円柱状の柱状物質２が周期的に配置された構造である。それぞれの柱状物質１０の中心軸は、すべて平行に配置されている。第１フォトニック結晶７と第２フォトニック結晶８における第１物質１と柱状物質２は同じ材料である。第１フォトニック結晶７と第２フォトニック結晶の格子構造は、接合面１３に対して鏡面対称となっている。
【００５０】
第１フォトニック結晶７の基本格子ベクトル（ａ1,ａ2）と第２フォトニック結晶８の基本格子ベクトル（ａ1′,ａ2′）を用いて、第１フォトニック結晶７および第２フォトニック結晶８の具体的な格子構造の一例について説明する。第１フォトニック結晶７と第２フォトニック結晶８の基本格子ベクトルａ1、ａ1′は、複合フォトニック結晶６の接合面１３と平行であり、第１フォトニック結晶７の第２基本格子ベクトルａ2と第２フォトニック結晶８の第２基本格子ベクトルａ2′とは、接合面１３に対して対称である。
【００５１】
第１フォトニック結晶７と第２フォトニック結晶８は、どちらも対称性の悪い斜交格子構造であって、接合面１３で対称であるので、基本格子ベクトルａ1と基本格子ベクトルａ2とのなす角度と基本格子ベクトルａ1′と基本格子ベクトルａ2′とのなす角度は等しく、その角度の９０°よりも小さい方の角度（１８０−θa）°、（１８０−θa′）°が６０°よりも大きく９０°よりも小さい。
【００５２】
柱状物質２間の距離である格子定数ａが入射光波長の０.４〜０.６の大きさで、前記第１と第２フォトニック結晶７、８を構成する柱状物質２の半径ｒが入射光波長の０.０８〜０.３である。この入射光とは、フォトニック結晶中で偏向させようとする所定の光のことである。なお、２次元フォトニック結晶の構成としては、例えば、ポリマーやガラス等の第１物質１に空孔を設ければよい。それにより、柱状物質２が空気である２次元フォトニック結晶が構成される。他の構成としては、例えば、ＳｉやＧａＡｓやＴｉ2Ｏ5等の、屈折率が３程度の第１物質１に、ポリマーやガラス等の、屈折率が１．５程度の柱状物質２を分布させてもよい。ポリマー材料としては、アクリル系（ＰＭＭＡ、ＵＶアクリルレートポリマー等）、エポキシ系、ポリイミド系、シリコーン系、カーボネート系（ポリカーボネート）等が挙げられる。
【００５３】
また、フォトニック結晶の特性の決定には、第１物質１および柱状物質２の屈折率が重要なので、上述した材料以外の、固体（例えば、酸化物など誘電体全般）でも液体（例えば、水やエチレングリコール等）でも気体（例えば、空気や不活性ガス等）でも、上述した屈折率の条件を満足する材料を用いれば、所望とするフォトニック結晶を作成することができる。
【００５４】
なお、複合フォトニック結晶６に基板やクラッド層を設けてもよく、その屈折率は、第１物質１に比べて低く、柱状物質２に比べて同一または低いこととすればよい。
【００５５】
入力側光ファイバー１０の光軸１４は、第１フォトニック結晶７および第２フォトニック結晶８の基本格子ベクトルａ1、ａ1′の方向と同一で、接合面１３付近に設置される。第１出力側光ファイバー１１は、第１フォトニック結晶７の端面に設置され、第２出力側光ファイバー１２は、第２フォトニック結晶８の端面に設置されている。
【００５６】
ところで、対称性の悪い格子構造のフォトニック結晶に、基本格子ベクトル方向に入射させた前述の所定の光は、フォトニック結晶中で偏向するということがわかっている（信学技報 TECHNICAL REPORT OF IEICE.OPE 2001-107 (2001-12)「スラブ導波路型低屈折率変調フォトニック結晶を応用した光機能デバイス」参照）。対称性の悪い格子構造とは、２次元結晶格子の場合は、上述した第１フォトニック結晶７および第２フォトニック結晶８のように、その基本格子ベクトル同士の角度の９０°よりも小さい方の角度が６０°よりも小さく、９０°よりも大きいようなフォトニック結晶である。このようなフォトニック結晶は、強い波長分散特性を有し、入射光は、波長にもよるが１０°程度偏向することが知られている。
【００５７】
なお、基本格子ベクトルで構成される一組の２次元格子構造が３回よりも大きい数の回転対称軸を持たない格子構造のフォトニック結晶であれば、２次元格子構造でも３次元格子構造でも、偏向分散特性を有するので、同様に用いて光デバイスを形成することができる。
【００５８】
第１フォトニック結晶７に、所定の波長で、基本格子ベクトルａ1方向の所定の光を入射した場合には、その光は、進行方向１７で示す方向に偏向し、同様に、第２フォトニック結晶に入射した所定の波長の光は、進行方向１８で示す方向に偏向する。第１フォトニック結晶７と第２フォトニック結晶８は、それぞれ、上記所望とする特性を得るように、フォトニック結晶の構造を調整して作成されている。
【００５９】
複合フォトニック結晶６は、第１フォトニック結晶７と第２フォトニック結晶８とを接合面１３で接合したものであるので、接合面１３に入力側光ファイバー１０によって、所定の波長の光を入射すると、第１フォトニック結晶７側と第２フォトニック結晶８側に、それぞれ、半分ずつ入射されることになり、入射光１６は進行方向１７、１８とに分離して、複合フォトニック結晶６中を伝搬し、端面より出射される。このように、光分岐器が形成され、フォトニック結晶で１０°程度偏向するので、分岐角度は、２０°程度となる。すなわち、長さが、数百μｍ程度であっても、従来の分岐器で従来の１０倍以上の分離距離となる。したがって、従来の分岐器に比べて、さらに小型化が可能である。
【００６０】
第１出力側光ファイバー１１は、第１フォトニック結晶７中を伝搬してきた光が出射される箇所に配置され、同様に、第２出力側光ファイバー１２は、第２フォトニック結晶８中を伝搬してきた光が出射される箇所に配置されている。
【００６１】
また、入力側光ファイバー１０の光軸１４が接合面１３に含まれている場合には、等分岐であったが、図１に示しているように、光軸１４と接合面１３がずれている場合には、そのずれ度合いに応じて、光の分岐比が異なる。すなわち、光軸１４が接合面１３よりも第２フォトニック結晶８側にある場合には、第１出力側光ファイバー１１に比べて、第２出力側光ファイバー１２の方が出力が高くなる。
【００６２】
実施の形態１における光デバイスは、複合フォトニック結晶６を接合面１３に対して垂直方向に駆動させる外部駆動部９を備えている。外部駆動部９で、複合フォトニック結晶６を駆動させて、光軸１４を接合面１３からずらすことで、光の分岐比を制御できる。分岐比は、第１フォトニック結晶７側と第２フォトニック結晶８側に入射する入射光の部分比で決まる。したがって、複合フォトニック結晶６の移動量にあたる光軸１４と接合面１３間の距離ｄは、入力側光ファイバ１０のコア半径ｒf（例えば、約４μｍ）以上である必要はないので、外部駆動部９は、コア半径ｒfだけ駆動領域があればよく、この範囲で駆動可能なものであればよい。外部駆動部９は、例えば、ＭＥＭＳや圧電素子やモーター系（ステップモーターや超音波モーター等）等を用いて構成すればよい。
【００６３】
このように、外部駆動部９により、複合フォトニック結晶６の接合面１３と入射側ファイバーの光軸１４の相対位置を制御することで、第１フォトニック結晶７側に入射する成分と第２フォトニック結晶８に入射する光の成分の割合を制御することができる。したがって、入射光を、２０°程度の分岐角で分岐させることができる上に、分岐比を動的に変えることができる。
【００６４】
図２に、実施の形態１における光デバイスのシミュレーション結果を示す。光軸１４が、第２出力側光ファイバー１２側にずれている場合である。図２（ａ）は、複合フォトニック結晶６の移動量ｄと入力側光ファイバ１０のコア半径ｒfの関係が、ｄ／ｒf＝０．５の場合である。左側の入力側光ファイバーから直進してきた光が、複合フォトニック結晶中で分岐して、右側の上下にある各出力側光ファイバーで再び直進していることがわかる。また、上方の、第２出力側光ファイバーの方が高出力であることがわかる。一方、図２（ｂ）は、ｄ／ｒf＝１．０の場合である。左側の入力側光ファイバーから直進してきた光が、複合フォトニック結晶中で上方に偏向し、右側の第２出力側光ファイバーで再び直進していることがわかる。下方の第１出力側光ファイバーには、光が伝搬していないことがわかる。
【００６５】
さらに、従来の分岐比可変光分岐器の分岐比がせいぜい３程度であるのに対し、実施の形態１における分岐比可変光分岐器は、実施の形態１における分岐比可変光分岐器は、従来と同程度の透過ロスを維持しながら、３以上の分岐比を可能とする。
【００６６】
また、第１フォトニック結晶７と第２フォトニック結晶８とは格子構造は異なっているが、接合面に対して対称であるため、例えば、第１フォトニック結晶７を反転させることで第２フォトニック結晶８と同一の格子構造になる。したがって、一種類のフォトニック結晶を作成することで、第１フォトニック結晶７と第２フォトニック結晶８が作成されるため、作成の手間が省ける。また、分岐比が異なる任意のシステムにも対応可能であり、同じシステムでも必要に応じて分岐比をダイナミック変化できるので、従来のＭＭＩを使用した分岐比可変分岐器では非常に困難であった動的な分岐比可変光分岐器を簡単な構成で実現することができる。
【００６７】
なお、２次元構造のフォトニック結晶について述べたが、３次元構造のフォトニック結晶を用いてもよい。
【００６８】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２に係る光デバイスについて、図３を用いて説明する。実施の形態２における光デバイスは、実施の形態１における光デバイスに、複合フォトニック結晶６を移動させる外部駆動部９の代りに、入力側光ファイバー１０を光軸１４に対して垂直方向に移動させる外部駆動部４１を備えている。
【００６９】
実施の形態２における光デバイスは、外部駆動部４１で、入力側光ファイバー１を移動させることで、光軸１４と接合面１３とにずれを生じさせ、光の分岐比を制御する。分岐比は、第１フォトニック結晶７側と第２フォトニック結晶８側に入射する入射光の部分比で決まる。実施の形態１と同様に、複合フォトニック結晶６の接合面１３と光軸１４の距離ｄは、コア半径ｒfだけあればよく、外部駆動部４１は、例えば、ＭＥＭＳや圧電素子やモーター系（ステップモーターや超音波モーター等）等を用いて構成すればよい。
【００７０】
図４に、実施の形態１における光デバイスと実施の形態２における光デバイスとの分岐比と透過ロスの関係を示す。破線が、実施の形態１における光デバイスであり、一点鎖線が実施の形態２における光デバイスを示していて、入力側光ファイバー１の半径ｒfで規格化された、入力側光ファイバー１の光軸１４と複合フォトニック結晶６の接合面１３との距離ｄであるｄ／ｒfの変化に対する透過ロスの関係を示している。また、実線は、ｄ／ｒfに対する分岐比を示している。
【００７１】
図４よりわかるように、透過ロスは、実施の形態１における光デバイスは、ｄ／ｒfによらず、−０．４[ｄＢ]以上の良好な特性を示すのに対して、実施の形態２における光デバイスは、ｄ／ｒfが０．３よりも大きくなったところで、急激に透過ロスが増している。
【００７２】
これは、実施の形態１においては、複合フォトニック結晶６が駆動するため、入力側光ファイバー１０と、各第１、第２出力側光ファイバー１１、１２との位置関係は変化しないが、実施の形態２においては、入力側光ファイバー１０が駆動するため、入力側光ファイバー１０と、各第１、第２出力側光ファイバー１１、１２との位置関係が変化することが原因である。すなわち、複合フォトニック結晶６の出力側の端面での出射位置は、入力側光ファイバー１の移動に応じて移動するため、実施の形態２における光デバイスは、複合フォトニック結晶６と第１、第２出力側光ファイバー１１、１２間での結合が上手くいっていないためである。これを改善するためには、入力側光ファイバー１と同時に第１の出力側光ファイバー１１と第２の出力側光ファイバー１２も駆動させればよく、このようにすれば、透過ロスが増加することはない。
【００７３】
なお、従来のＭＭＩを使用した分岐比可変分岐器の分岐比である３程度であれば、実施の形態２における光デバイスであっても、透過ロスは十分低く、実施の形態１における光デバイスと同等の透過ロスである。
【００７４】
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３に係る光デバイスについて、図５を用いて説明する。実施の形態３における光デバイスは、実施の形態１における光デバイスに、第１モニター部３１、第２モニター部３２および演算制御部３３を加えて、出力側の光量をモニターすることで、フィードバックを用いて、分岐制御の精度を高めるものである。
【００７５】
第１出力側光ファイバー１１中を伝搬する光の光量をモニターする第１モニター部３１が、第１出力側光ファイバー１１に設置され、第２出力側光ファイバー１２中を伝搬する光の光量をモニターする第２モニター部３２が、第２出力側光ファイバー１２に設置されている。また、第１モニター部３１および第２モニター部３２は、それぞれ、モニターした第１、第２出力側光ファイバー１１、１２中を伝搬する光の光量を信号化して演算制御部３３に送る。
【００７６】
演算制御部３３は、外部駆動部９を制御するものであって、光の分岐比が所望の値となるように、外部駆動部９に複合フォトニック結晶６の駆動量を指示する。演算制御部３３の指示に従って、外部駆動部９は、複合フォトニック結晶６を駆動させて、光軸１４と接合面１３間の距離ｄを適当な値となるようにする。第１、第２モニター部３１、３２からのそれぞれの第１、第２出力側光ファイバー１１、１２の光量を指示する信号に基づいて、光量が所望とする分岐比となるように、演算制御部３３は、外部駆動部９を制御する。
【００７７】
例えば、外部環境の変化等により分岐比が変化し、所望とする分岐比とは異なってしまうことがあり得る。しかし、分岐された光の光量は、第１モニター部３１および第２モニター部３２でモニターされ、演算制御部３３にその信号が送られているため、その変化量を演算制御部３３は演算して、所望とする分岐比に光が分岐されるように、外部駆動部９に移動量の補正をする指示を送り、所望とする分岐比となるように、光軸１４と接合面１３間の距離ｄを調整する。このような、フィードバック制御によって、所望とする分岐比が維持されるため、分岐比の精度が向上され、外部環境変化に依らず分岐比を一定に維持することができる。
【００７８】
以上のように、実施の形態３の光デバイスによれば、容易に光分岐器が構成される上、その分岐比は可変であって、フィードバック制御によって高精度の分岐制御がなされている。
【００７９】
なお、第１モニター部３１と第２モニター部３２は、分岐されたそれぞれの光量の関係が分かればいいので、第１出力側光ファイバー１１と第２出力側光ファイバー１２中を伝搬する光を直接モニターする必要はなく、第１出力側光ファイバー１１と第１モニター３１との間、または、第２出力側光ファイバー１２と第２モニター３２との間に他の光システムが介在していても良い。
【００８０】
（実施の形態４）
本発明の実施の形態４に係る光デバイスについて、図６を用いて説明する。実施の形態４における光デバイスは、実施の形態１における光デバイスと同一の構成であるが、光スイッチとして用いている。
【００８１】
図４に示している、規格化移動量ｄ／ｒfと分岐比および透過ロスの関係から、ｄ／ｒf＞１の場合には、分岐比は２０以上が得られていることがわかる。ここで、消光比は１０×ｌｏｇ（分岐比）で表わすことができるので、このときの消光比は、１０×ｌｏｇ２０＝１３[ｄＢ]以上であることがわかる。消光比が１３[ｄＢ]以上であれば、一方の出力側光ファイバーからのみ光が出力され、片方の出力光ファイバーからは光が出力されていないとみなされる。ｄ／ｒf＞１、つまり光軸１４と接合面１３間の距離ｄを入力側光ファイバ１０のコア半径ｒfよりも大きくすることで、いずれか一方の出力側光ファイバーのみ光が伝搬させることが可能である。図６に示すように、光軸１４が接合面１３からずれる方向によって、光が伝搬する出力側光ファイバーを選択することができるので、この光デバイスをスイッチとして用いることができる。
【００８２】
具体的には、図６（ａ）に示すように、光軸１４が接合面１３に対して、第２出力側光ファイバー１２側に、ｄ／ｒf＞１となるだけずれていれば、入射光１６は進行方向１９に偏向され、第２出力側光ファイバー１２にのみ入射される。逆に、図６（ｂ）に示すように、光軸１４が接合面１３に対して、第１出力側光ファイバー１１側に、ｄ／ｒf＞１となるだけずれていれば、入射光１６は進行方向２０に偏向され、第１出力側光ファイバー１１にのみ入射される。
【００８３】
なお、ｄ／ｒfは、大きければ大きいほど良好なスイッチ機能（大きな消光比）を示すので、スイッチのみの機能を利用するのであれば、複合フォトニック結晶６の駆動量が小さい場合であっても光ファイバーのコア径ｒfがそれに応じて小さければ、十分な消光比が得られる。
【００８４】
なお、光スイッチでは、複合フォトニック結晶６の駆動回数および駆動量が、光分岐器に比べて多くなるので、入力側光ファイバー１０、第１の出力側光ファイバー１１および第２の出力側光ファイバー１２の各光ファイバーと複合フォトニック結晶６との接触部分には、わずかな間隙を設けたほうが駆動によるトラブルが少なくてよい。
【００８５】
（実施の形態５）
本発明の実施の形態５に係る光デバイスについて、図７を用いて説明する。実施の形態５における光デバイスは、所望とする波長の光の一部を分離するものであって、いわゆるＤｒｏｐ装置である。
【００８６】
実施の形態５における光デバイスは、図７に示すように、入力側光ファイバー１０ａが、複合フォトニック結晶６ａの片端に設置され、複合フォトニック結晶６ａの他端には、第１出力側光ファイバー１１ａ、第２出力側光ファイバー１２ａおよび第３出力側光ファイバー１５が設置されている。
【００８７】
複合フォトニック結晶６ａは、第１フォトニック結晶７ａと第２フォトニック結晶８ａとが、境界線１３ａで接合されて構成されている。第１フォトニック結晶７ａおよび第２フォトニック結晶８ａは、２次元構造のフォトニック結晶であって、第１物質１ａ、１ｂに円柱状の柱状物質２ａ、２ｂが周期的に配置された構造である。それぞれの柱状物質１０ａ、１０ｂの中心軸は、すべて平行に配置されている。第１フォトニック結晶７ａの第１物質１ａと第２フォトニック結晶８ａの第１物質１ｂとは同一材料であり、柱状物質２ａと柱状物質２ｂとは同一材料である。
【００８８】
第１フォトニック結晶７ａの基本格子ベクトル（ａ1a,ａ2a）と第２フォトニック結晶８ａの基本格子ベクトル（ａ1a′,ａ2a′）を用いて、第１フォトニック結晶７ａおよび第２フォトニック結晶８ａの具体的な格子構造の一例について説明する。第１フォトニック結晶７ａと第２フォトニック結晶８ａの基本格子ベクトルａ1a、ａ1a′の方向は、入力側光ファイバー１０の接合面１３ａと平行であり、第１フォトニック結晶７ａの第２基本格子ベクトルａ2aの方向と第２フォトニック結晶８ａの第２基本格子ベクトルａ2a′の方向とは、接合面１３ａに対して対称である。
【００８９】
すなわち、第１フォトニック結晶７ａの基本格子ベクトル（ａ1a,ａ2a）の角度θbと、第２フォトニック結晶８ａの基本格子ベクトル（ｂ1′,ｂ2′）の角度θb′とは等しく、θb、θb′はともに、６０°よりも大きく９０°よりも小さい角度である。
【００９０】
接合面１３ａ上には、柱状物質１ａ、１ｂが共に存在している。図７では、接合面１３ａにおいて、柱状物質１ａ、１ｂ同士が重なっている部分も示しているが、共に同じ材料で形成されているため、重なっている部分では一体となっていて、その箇所は、円柱ではない。
【００９１】
円柱状の柱状物質１ａの半径はｒaで、柱状物質１ｂの半径はｒbである。また、柱状物質１ｂ同士の距離はｂであって、柱状物質１ｃ同士の距離はｃである。実施の形態１では、ｒa＝ｒbで、ｂ＝ｃであったが、実施の形態５ではｒa＞ｒbであり、ｂ＞ｃである。このように、第１フォトニック結晶７ａと第２フォトニック結晶８ａの格子構造が異なるようにして、それぞれ、偏向させる光の波長が異なるものであることとし、波長がｆ1、ｆ2のは、第１、第２フォトニック結晶７ａ、８ａでそれぞれ偏向するように格子構造を形成する。なお、格子定数ｂおよびｃは、波長ｆ1およびｆ2の０.４〜０.６の大きさであり、ｒaおよびｒbは、ｆ1およびｆ2の０.０８〜０.３である。
【００９２】
例えば、波長がｆ1の光は、第１フォトニック結晶７ａ中を伝搬することで６°偏向し、波長がｆ2の光は、第２フォトニック結晶８ａ中を伝搬することで、６°偏向するように、格子構造を形成してある。
【００９３】
入力側光ファイバー１０ａの光軸１４ａは、第１フォトニック結晶７ａおよび第２フォトニック結晶８ａの基本格子ベクトルａ1a、ａ1a′の方向と同一で、接合面１３ａに含まれている。第１出力側光ファイバー１１ａは、第１フォトニック結晶７ａの端面に設置され、第２出力側光ファイバー１２ａは、第２フォトニック結晶８ａの端面に設置されている。第３出力側光ファイバー１５は、光軸１４ａを中心軸として複合フォトニック結晶６ａの端面に設置されている。
【００９４】
波長ｆ1の光の進行方向２１と、波長ｆ2の光の進行方向２２について説明する。入力側光ファイバー１０ａから波長がｆ1、ｆ2の２種類の光が複合フォトニック結晶に入射されると、進行方向２１に示すように波長ｆ1の光の内、接合面１３ａよりも第１フォトニック結晶７ａよりに入射された光は、偏向されて、第１の出力側光ファイバー１１ａに結合する。また、波長ｆ1の光の内、接合面１３ａよりも第２フォトニック結晶８ａよりに入射された光は、そのまま直進して、第３の出力側光ファイバー７１に結合する。
【００９５】
一方、進行方向２２に示すように波長ｆ2の光の内、接合面１３ａよりも第２フォトニック結晶８ａよりに入射された光は、偏向されて、第２の出力側光ファイバー１２ａに結合する。また、波長ｆ2の光の内、接合面１３ａよりも第１フォトニック結晶７ａよりに入射された光は、そのまま直進して、第３出力側光ファイバー１５に結合する。
【００９６】
なお、第１出力側光ファイバー１１ａ、第２出力側光ファイバー１２ａの設置位置は、複合フォトニック結晶６で偏向された光が結合するように決定する。
【００９７】
なお、接合面１３ａ上には、第１フォトニック結晶７ａの柱状物質２ａのみが存在することとしてもよいし、第２フォトニック結晶８ａの柱状物質２ｂのみが存在することとしてもよい。
【００９８】
以上のように、実施の形態５の光デバイスによれば、異なる２つの波長ｆ1、ｆ2の光の合成光から波長ｆ1の光の一部と、波長ｆ2の光の一部とを分離することができる。また、この光デバイスは、小型化することが可能である。
【００９９】
（実施の形態６）
本発明の実施の形態６に係る光デバイスについて、図８を用いて説明する。実施の形態６における光デバイスは、結合比可変光結合器である。図８に示すように、実施の形態６における光デバイスは、第１入力側光ファイバー４１および第２入力側光ファイバー４２が、複合フォトニック結晶４６の片端に設置され、複合フォトニック結晶４６の他端には、出力側光ファイバー４０が設置されている。また、複合フォトニック結晶４６には外部駆動部４９が備えられ、出力側光ファイバー４０の光軸４４に対して、垂直方向に複合フォトニック結晶４６を駆動させることができる。
【０１００】
複合フォトニック結晶４６は、第１フォトニック結晶４７と第２フォトニック結晶４８とが接合面５３で接合され、それぞれの格子構造は、接合面５３に対して鏡面対称である。
【０１０１】
第１フォトニック結晶４７と第２フォトニック結晶４８は、実施の形態１の第１および第２フォトニック結晶と同様に、対称性の悪い斜交格子構造を有している。複合フォトニック結晶４６は、実施の形態１で用いた複合フォトニック結晶と同様の構造であるが、入射端と出射端を逆にした構造である。すなわち、複合フォトニック結晶４６の入射端側から基本格子ベクトルｃ1、ｃ1′方向に、所定の波長の光を入射させると、複合フォトニック結晶４６中を光が、その接合面５３に近づく方向（進路５７、５８）に偏向するような構造である。
【０１０２】
第１フォトニック結晶４７と第２フォトニック結晶の具体的な構造について説明する。第１フォトニック結晶４７の基本格子ベクトルｃ1と基本格子ベクトルｃ2とのなす角度および第２フォトニック結晶４８の基本格子ベクトルｃ1′と基本格子ベクトルｃ2′のなす角度は等しく、その角度のうち９０°よりも小さい方の角度θc、θc′が６０°よりも大きく９０°よりも小さい。
【０１０３】
第１物質中にその中心軸が平行に配列されている円柱状の柱状物質２間の距離である格子定数ａが偏向する入射光波長の０.４〜０.６の大きさで、第１と第２フォトニック結晶４７、４８を構成する柱状物質２の半径ｒが偏向する入射光波長の０.０８〜０.３である。なお、２次元フォトニック結晶の構成としては、例えば、ポリマーやガラス等の第１物質１に空孔を設ければよい。それにより、柱状物質２が空気である２次元フォトニック結晶が構成される。他の構成としては、例えば、ＳｉやＧａＡｓやＴｉ2Ｏ5等の、屈折率が３程度の第１物質１に、ポリマーやガラス等の、屈折率が１．５程度の柱状物質２を分布させてもよい。ポリマー材料としては、アクリル系（ＰＭＭＡ、ＵＶアクリルレートポリマー等）、エポキシ系、ポリイミド系、シリコーン系、カーボネート系（ポリカーボネート）等が挙げられる。
【０１０４】
また、フォトニック結晶の特性の決定には、第１物質１および柱状物質２の屈折率が重要なので、上述した材料以外の、固体（例えば、酸化物など誘電体全般）でも液体（例えば、水やエチレングリコール等）でも気体（例えば、空気や不活性ガス等）でも、上述した屈折率の条件を満足する材料を用いれば、所望とするフォトニック結晶を作成することができる。
【０１０５】
なお、複合フォトニック結晶４６に基板やクラッド層を設けてもよく、その屈折率は、第１物質１に比べて低く、柱状物質２に比べて同一または低いこととすればよい。
【０１０６】
出力側光ファイバー４０の光軸５４は、第１フォトニック結晶４７および第２フォトニック結晶４８の基本格子ベクトルｃ1、ｃ1′の方向と同一で、接合面５３付近に設置される。第１入力側光ファイバー４１は、第１フォトニック結晶４７の端面に設置され、第２入力側光ファイバー４２は、第２フォトニック結晶４８の端面に設置されている。出力側光ファイバー４０の光軸５４に対して対称となる位置に、第２入力側光ファイバー４２と第１入力側光ファイバー４１が設置されている。第１入力側光ファイバー４１および第２入力側光ファイバー４２から複合フォトニック結晶４６に入射される光は、第１フォトニック結晶４７および第２フォトニック結晶４８の基本格子ベクトルｃ1、ｃ1′方向に入射される。
【０１０７】
第１入力側光ファイバー４１から入射される光は、第１フォトニック結晶４７中で偏向する所定の光であり、第２入力側光ファイバー４２から入射される光は、第２フォトニック結晶４８中で偏向する所定の光である。
【０１０８】
光軸５４が接合面５３上に含まれる状態で、第１入力側光ファイバー４１および第２入力側光ファイバー４２から、第１フォトニック結晶４７および第２フォトニック結晶４８に光が入射すると、それらの光は進行方向５７および進行方向５８で示す方向に偏向して進行する。２つの光は接合面５３に近づいていき、接合面５３上で結合される。それぞれの光の結合比は、１：１であり、等比率で結合される。結合光は複合フォトニック結晶４６から出力側光ファイバー４０に入射される。このときの進行方向５７、５８とのなす角度が結合角であって２０°程度であり、従来の結合器に比べて１０倍以上の結合角が得られるため、光結合器の長さを小さくすることが可能である。
【０１０９】
実施の形態６の光デバイスは、複合フォトニック結晶５６を接合面５３に対して垂直方向に駆動させる外部駆動部４９を備えている。外部駆動部４９によって複合フォトニック結晶５６を垂直方向に駆動して、光軸５４が接合面５３からずラスことにより、そのずれ度合いに応じて結合比が異なる。具体的には、接合面５３との距離が離れている側の入力側光ファイバーからの光の比率が高くなる。図８では、接合面５３と第１入力側光ファイバー４１の距離の方が、接合面５３と第２入力側光ファイバー４２との距離よりも大きい。したがって、第１入力側光ファイバー４１からの光の比率が高い結合比で結合した結合光が出力側光ファイバー４０から出力される。外部駆動部４９により、このずれ量を制御することで、所望とする結合比を実現できる。
【０１１０】
複合フォトニック結晶４６の移動量にあたる光軸５４と接合面５３間の距離ｄ1は、出力側光ファイバー４０のコア半径ｒf1（例えば、約４μｍ）以上の場合には、出力側光ファイバー４０に結合光が入射されなくなるので、外部駆動部４９は、コア半径ｒf1だけ駆動領域があればよく、この範囲で駆動可能なものであればよい。外部駆動部４９は、例えば、ＭＥＭＳや圧電素子やモーター系（ステップモーターや超音波モーター等）等を用いて構成すればよい。
【０１１１】
このように、実施の形態６の光デバイスによれば、外部駆動部４９により、複合フォトニック結晶４６の接合面５３と出力側光ファイバー４０の光軸５４の相対位置を制御することで、第１フォトニック結晶４７側を伝搬する成分と第２フォトニック結晶４８側を伝搬する光成分の結合割合を制御することができる。それにより、入射光を２０°程度の結合角で結合させることができる上に、結合比を動的に変えることができる光デバイスが実現できる。また、導波路ではなくフォトニック結晶を用いて構成しているので、容易に製造することもできる。
【０１１２】
（実施の形態７）
本発明の実施の形態７に係る光デバイスについて、図９を用いて説明する。実施の形態７における光デバイスは、実施の形態６における光デバイスに、複合フォトニック結晶４６を移動させる外部駆動部４９の代りに、出力側光ファイバー４０を光軸５４に対して垂直方向に移動させる外部駆動部５０を備えている。
【０１１３】
実施の形態７における光デバイスは、外部駆動部５０を用いて出力側光ファイバー４０を移動させることで、光軸５４と接合面５３とにずれを生じさせ、光の結合比を制御する。結合比は、光軸５４と接合面５３間の距離ｄ1によって決定される。また、距離ｄ1はコア半径ｒf1だけあればよく、外部駆動部５０は、例えば、ＭＥＭＳや圧電素子やモーター系（ステップモーターや超音波モーター等）等を用いて構成すればよい。
【０１１４】
このようにすることで、実施の形態６の光デバイスと同様に、結合比を動的に変えることができる光デバイスが実現できる。
【０１１５】
（実施の形態８）
本発明の実施の形態８に係る光デバイスについて、図１０を用いて説明する。実施の形態８における光デバイスは、実施の形態６における光デバイスに、モニター部６１ａおよび演算制御部６３を加えて、出力側の光量をモニターすることで、フィードバックを用いて、結合制御の精度を高めるものである。
【０１１６】
出力側光ファイバー４０中を伝搬する光の光量をモニターするモニター部６１ａが出力側光ファイバー４０に設置されている。また、モニター部６１ａは、モニターした出力側光ファイバー４０中を伝搬する光の光量を信号化して演算制御部６３に送る。
【０１１７】
演算制御部６３は、外部駆動部４９を制御するものであって、出力側光ファイバー４０を伝搬する光の結合比が所望の値となるように、外部駆動部４９に複合フォトニック結晶４６の駆動量を指示する。演算制御部６３の指示に従って、外部駆動部４９は、複合フォトニック結晶４６を駆動させて、光軸５４と接合面５３間の距離ｄ1を適当な値にする。モニター部６１ａからの出力側光ファイバー４０中のの光量を指示する信号に基づいて、現在の結合比を求め、所望とする結合比となるように、演算制御部６３は、外部駆動部４９を制御する。
【０１１８】
外部環境の変化等により結合比が変化し、所望とする結合比とは異なってしまうことがあり得る。しかし、結合光の光量は、モニター部６１ａでモニターされ、演算制御部３３にその信号が送られているため、その変化量を演算制御部３３は演算して、所望とする結合比に結合されるように、外部駆動部４９に複合フォトニック結晶４６の移動量の補正をする指示を送り、光軸５４と接合面５３間の距離ｄ1を調整する。このように、実施の形態８の光デバイスは、フィードバック制御によって、所望とする結合比が維持されるため、結合比の精度が向上され、外部環境変化に依らず結合比を一定に維持することができる。それにより、高精度の結合制御がなされ得る。
【０１１９】
なお、モニター部６１ａでは、結合光の光量が分かればいいので、出力側光ファイバー４０中を伝搬する光を直接モニターする必要はなく出力側光ファイバー４０とモニター６１との間に他の光システムが介在していても良い。
【０１２０】
（実施の形態９）
本発明の実施の形態９に係る光デバイスについて、図１１を用いて説明する。実施の形態９における光デバイスは、実施の形態６における光デバイスと同一の構成であるが、光スイッチとして用いている。
【０１２１】
実施の形態９における光デバイスの規格化移動量ｄ1／ｒf1＞１、つまり光軸５４と接合面５３間の距離ｄ1を出力側光ファイバ４０のコア半径ｒf1よりも大きくすることで、いずれか一方の入力側光ファイバーから入射された光のみを出力側光ファイバー４０に伝搬させることが可能である。
【０１２２】
図１１に示すように、実施の形態９の光デバイスは、光軸５４が接合面５３からずれる方向によって、第１入力側光ファイバーもしくは第２入力側光ファイバーからの光の内のどちらかを選択して出力側光ファイバー４０から出力する光スイッチとして用いることができる。
【０１２３】
具体的には、図１１（ａ）に示すように、接合面５３が光軸５４に対して第２入力側光ファイバー４２側に、ｄ1／ｒf1＞１となるだけずれていれば、第１入力側光ファイバー４１からの入射光のみが、出力側光ファイバー４０に入射されることになる。第２入力側光ファイバー４２からの入射光は、第２フォトニック結晶４８で偏向するが、複合フォトニック結晶４６の出射端に到達する前に、接合面５３に到達するため、出力側光ファイバー４０には入射されない。
【０１２４】
逆に、図１１（ｂ）に示すように、接合面５３が光軸５４に対して第１入力側光ファイバー４１側に、ｄ1／ｒf1＞１となるだけずれていれば、出力側光ファイバー４０には、第２入力側光ファイバー４２からの入射光のみが、入射されることになる。
【０１２５】
また、Ｙ分岐導波路を用いた光結合器のどちらか一方だけの入力側光ファイバーから光を入射した場合には、出力側光ファイバーには、入射光の半分のパワーの光しか伝搬しない。しかし、実施の形態９の光スイッチでは、第１入力側光ファイバー４１または第２入力側光ファイバー４２のどちらか一方だけの入射光を出力側光ファイバー４０に伝搬させるにもかかわらず、減衰することなく入射光の全パワーの光が伝搬される。
【０１２６】
なお、ｄ1／ｒf1は、大きければ大きいほど良好なスイッチ機能（大きな消光比）を示す。スイッチのみの機能を利用するのであれば、複合フォトニック結晶４６の駆動量が小さい場合であれば、光ファイバーのコア径ｒf1をそれに応じて小さくすることで、十分な消光比が得られる。
【０１２７】
また、入力側光ファイバーのどちらか一方を取り除き、入射光を１個にしてｄ1／ｒf1＞１とすることで、最大透過率１００％の減衰器とすることもできる。
【０１２８】
なお、光スイッチでは、複合フォトニック結晶４６の駆動回数および駆動量が、光結合器として用いるよりも多くなるので、第１入力側光ファイバー４１、第２の入力側光ファイバー４２および出力側光ファイバー５０の各光ファイバーと複合フォトニック結晶４６との接触部分には、わずかな間隙を設けたほうが駆動によるトラブルが少なくてよい。
【０１２９】
以上、実施の形態６〜９に示した光結合器は、実施の形態１〜４に示した光分岐器の入出力側を逆にした構成ではあるが、分岐器の場合には、入射光のパワーが損失なく分岐するのに対して、結合器の場合には、光軸５４と接合面５３での相対的ずれ量により、結合光のパワーに損失が生じる。つまり、光結合器と光分岐器との入出力特性は可逆というわけではない。したがって、光デバイスに分岐器および結合器の両方の機能を持たせるためには、光の入出力方向を検知して、その検知結果に基づいて、光の進行方向に応じて所望の機能を発揮できるように複合フォトニック結晶６、４６の接合面１３、５３と光軸１４、５４の相対位置を外部駆動部４９で動的に制御する必要がある。
【０１３０】
（実施の形態１０）
本発明の実施の形態１０に係る光デバイスについて、図１２を用いて説明する。実施の形態１０における光デバイスは、所望とする波長の光を他の光に合成するものであって、いわゆるゲイン可変光Ａｄｄ装置である。
【０１３１】
図１２に示すように、実施の形態１０における光デバイスは、第１入力側光ファイバー４１ａおよび第２入力側光ファイバー４２ａが、フォトニック結晶４７ａの片端に設置され、フォトニック結晶４７ａの他端には、出力側光ファイバー４０ａが設置されている。第１入力側光ファイバー４１ａの光軸は、出力側光ファイバー４０ａの光軸５４ａと等しいように設置されていて、第１入力側光ファイバー４１ａの光軸は光軸５４ａと平行である。
【０１３２】
また、第２入力側光ファイバー４２ａには外部駆動部６０ａが備えられ、光軸５４ａに対して垂直方向に第１入力側光ファイバー４１ａを駆動させることができる。
【０１３３】
実施の形態１０のフォトニック結晶４７ａは、実施の形態６のフォトニック結晶４７と同様に、対称性の悪い斜交格子構造を有している。フォトニック結晶４７ａの基本格子ベクトルｄ1方向に、光を入射させると、フォトニック結晶４７中を光が偏向するような構造である。
【０１３４】
フォトニック結晶４７ａの具体的な構造について説明する。フォトニック結晶４７ａの基本格子ベクトルｄ1と基本格子ベクトルｄ2とのなす角度のうち９０°よりも小さい方の角度θdが６０°よりも大きく９０°よりも小さい。
【０１３５】
第１物質中にその中心軸が平行に配列されている円柱状の柱状物質２間の距離である格子定数ａが偏向する入射光波長の０.４〜０.６の大きさで、フォトニック結晶４７ａを構成する柱状物質２の半径ｒが偏向する入射光波長の０.０８〜０.３である。なお、２次元フォトニック結晶の構成としては、例えば、ポリマーやガラス等の第１物質１に空孔を設ければよい。それにより、柱状物質２が空気である２次元フォトニック結晶が構成される。他の構成としては、例えば、ＳｉやＧａＡｓやＴｉ2Ｏ5等の、屈折率が３程度の第１物質１に、ポリマーやガラス等の、屈折率が１．５程度の柱状物質２を分布させてもよい。ポリマー材料としては、アクリル系（ＰＭＭＡ、ＵＶアクリルレートポリマー等）、エポキシ系、ポリイミド系、シリコーン系、カーボネート系（ポリカーボネート）等が挙げられる。
【０１３６】
また、フォトニック結晶の特性の決定には、第１物質１および柱状物質２の屈折率が重要なので、上述した材料以外の、固体（例えば、酸化物など誘電体全般）でも液体（例えば、水やエチレングリコール等）でも気体（例えば、空気や不活性ガス等）でも、上述した屈折率の条件を満足する材料を用いれば、所望とするフォトニック結晶を作成することができる。
【０１３７】
なお、フォトニック結晶４６ａに基板やクラッド層を設けてもよく、その屈折率は、第１物質１に比べて低く、柱状物質２に比べて同一または低いこととすればよい。また、このフォトニック結晶４６ａの基本格子ベクトルｄ1方向に入射された場合に、偏向する光の波長をｆdとする。
【０１３８】
第１入力側光ファイバー４１ａ中には波長ｆdの光が伝搬し、フォトニック結晶５６ａに入射される。また、第２入力側光ファイバー４２ａ中には、波長がｆd以外の波長の光が複数伝搬していて、フォトニック結晶５６ａに入射される。
【０１３９】
第１入力側光ファイバー４１ａおよび第２入力側光ファイバー４２ａの光軸はどちらも基本格子ベクトルｄ1と同一の方向である。したがって、フォトニック結晶５６ａには、基本格子ベクトルｄ1と同一の方向に光が入射される。
【０１４０】
第１入力側光ファイバー４１ａから入射された波長ｆdの光は、フォトニック結晶中４７ａで進行方向５８ａに偏向して光軸５４ａに近づいていく。第２入力側光ファイバー４２ａから入射された光は、光軸５４ａに沿って進行方向５７ａで直進する。第１入力側光ファイバー４１ａと第２入力側光ファイバー４２ａとの距離は、フォトニック結晶４７ａの光軸５４ａ方向の長さとフォトニック結晶４７ａ中で偏向する光の偏向角の正接との積とすることで、偏向した波長ｆdの光と光軸５４ａに沿って直進している光とが、１：１の割合でフォトニック結晶４７ａの出射端で結合して出力側光ファイバー４０ａに出射される。また、このときの第２入力側光ファイバー４２ａの光軸である基準光軸６２と第２入力側光ファイバー４２ａの実際の光軸６１との距離をｄ2とすると、第１入力側光ファイバー４１ａと第２入力側光ファイバー４２ａを伝搬している光が、１：１の割合で結合する条件はｄ2＝０の場合である。
【０１４１】
さらに、外部駆動部６０ａによって、第２入力側光ファイバー４２ａを基準光軸６２に対して垂直方向に移動させて、基準光軸６２と光軸６１とをずらす。それにより、波長ｆdの光のフォトニック結晶４７ａからの出射位置が、出力側光ファイバー４０ａの光軸５４ａからずれる。それにより、偏向した波長ｆdの光の、それ以外の光との結合量が減少する。つまり、第２入力側光ファイバー４２ａを移動させて、基準光軸６２と光軸６１とをずらすことで、波長ｆdの光の受光比が変化し、波長ｆd以外の光にＡｄｄする波長ｆdの光のゲインを動的に変えることができる。
【０１４２】
図１３に入射光と出射光のスペクトルを示す。図１３（ａ）は第２入力側光ファイバー４２ａを伝搬している入射光のスペクトルを示していて、波長ｆdの光のみである。図１３（ｂ）は第１入力側光ファイバー４１ａを伝搬している入射光のスペクトルを示していて、波長ｆd以外の光である。図１３（ｃ）および（ｄ）は出力側光ファイバー４０ａを伝搬する出射光のスペクトルを示している。図１３（ｃ）と図１３（ｄ）では、波長ｆdの光をＡｄｄする量が異なっている。第２入力側光ファイバー４２ａの移動量を外部駆動部６０ａで制御することで、Ａｄｄする光のゲインを制御できる。
【０１４３】
また、第２入力側光ファイバー４２ａの移動量に当たる基準光軸６２と光軸６１の距離ｄ2は、出力側光ファイバー４０ａのコア半径ｒfd（約４μｍ）程度まで変化できれば良いので、外部駆動部６０ａとしてはＭＥＭＳや圧電素子やモーター系（ステップモーターや超音波モーターなど）などを利用すればよい。
【０１４４】
（実施の形態１１）
本発明の実施の形態１１に係る光デバイスについて、図１４を用いて説明する。実施の形態１１における光デバイスは、実施の形態１０における光デバイスに、第２入力側光ファイバー４２ａを移動させる外部駆動部６０ａの代りに、第１入力側光ファイバー４１ａを光軸５４ａに対して垂直方向に移動させる外部駆動部６０ｂを備えている。
【０１４５】
また、第２入力側光ファイバー４２ａの光軸６１と出力側光ファイバー４０ａの光軸５４ａの距離は、フォトニック結晶４７ａの光軸５４ａ方向の長さとフォトニック結晶４７ａ中で偏向する光の偏向角の正接との積である。
【０１４６】
第２入力側光ファイバー４２ａから波長ｆdの光が、第１入力側光ファイバー４１ａから波長ｆdの光以外の複数の光が、フォトニック結晶５６ａに入射し、波長ｆdの光は、進行方向５８ａに偏向し、波長ｆd以外の光は進行方向５７ａに直進する。第１入力側光ファイバー４１ａの光軸６４が、光軸５４ａと同一であった場合には、フォトニック結晶４７ａの出射端で波長ｆdの光と波長ｆdの光以外の複数の光が全て結合されて出力側光ファイバー４０ａに出射される。
【０１４７】
しかし、外部駆動部６０ｂを用いて、第１入力側光ファイバー４１ａを移動させて、光軸６４と光軸５４ａとにずれを生じさせると、第２入力側光ファイバーから入射される波長ｆdの光以外の複数の光のフォトニック結晶４７ａからの出射位置が光軸５４ａからずれる。それにより、波長ｆdの光以外の複数の光は、全て出力側光ファイバー４０ａに伝搬しない。つまり、第１入力側光ファイバー４１ａを移動させることで、波長ｆdとそれ以外の光の受光比が変化する。そのため、Ａｄｄする光のゲインを動的に変えることができる。
【０１４８】
図１５に入射光と出射光のスペクトルを示す。図１５（ａ）は第２入力側光ファイバー４２ａを伝搬している入射光のスペクトルを示していて、波長ｆdの光のみである。図１５（ｂ）は第１入力側光ファイバー４１ａを伝搬している入射光のスペクトルを示していて、波長ｆd以外の光である。図１５（ｃ）および（ｄ）は出力側光ファイバー４０ａを伝搬する出射光のスペクトルを示している。図１５（ｃ）と図１５（ｄ）では、波長ｆd以外の光をＡｄｄする量が異なっている。図１５（ｃ）は、光軸６４と光軸５４ａが同一の位置にある場合で、この時は、全ての光が結合されれている。図１５（ｄ）は、光軸６４と光軸５４ａとがずれている場合であって、同図より波長ｆd以外の光がＡｄｄされる量が減少していることが分かる。
【０１４９】
したがって、第１入力側光ファイバー４１ａの移動量を外部駆動部６０ｂで制御することで、Ａｄｄする波長ｆd以外の光のゲインを制御できる。
【０１５０】
なお、第１入力側光ファイバー４１ａの移動量に当たる光軸５４ａと光軸６４の距離ｄ3は、出力側光ファイバー４０ａのコア半径ｒfd（約４μｍ）程度まで変化できれば良いので、外部駆動部６０ｂとしてはＭＥＭＳや圧電素子やモーター系（ステップモーターや超音波モーターなど）などを利用すればよい。
【０１５１】
（実施の形態１２）
本発明の実施の形態１２に係る光デバイスについて、図１６を用いて説明する。実施の形態１２における光デバイスは、実施の形態１０における光デバイスに、モニター部３１ａおよび演算制御部３３ａを加えて、出力側の光量をモニターすることで、フィードバックを用いてゲインを調整し、制御の精度を高めるものである。
【０１５２】
出力側光ファイバー４０ａ中を伝搬する光の光量をモニターするモニター部３１ａが、出力側光ファイバー４０ａに設置されている。また、モニター部３１ａは、モニターした出力側光ファイバー４０ａ中を伝搬する光の光量を信号化して演算制御部３３ａに送る。
【０１５３】
演算制御部３３ａは、外部駆動部６０ａを制御するものであって、Ａｄｄされる光のゲインが所望の値となるように、外部駆動部６０ａに第２入力側光ファイバー４２ａの移動量を指示する。演算制御部３３ａの指示に従って、外部駆動部６０ａは、第２入力側光ファイバー４２ａを移動させて、基準光軸６２と第２入力側光ファイバー４２ａの光軸６１間の距離ｄ2を適当な値にする。モニター部３１ａからの出力側光ファイバー４０ａの光量を指示する信号に基づいて、Ａｄｄする光が所望のゲインとなるように、演算制御部３３ａは、外部駆動部６０ａを制御する。
【０１５４】
なお、モニター部３３ａは、出力側光ファイバー４０ａ中を伝搬する光を直接モニターする必要はなく、出力側光ファイバー４０ａとモニター３３ａとの間に他の光システムが介在していても良い。
【０１５５】
以上のように、出力側光ファイバー４０ａの出射光の光量をモニターして外部駆動部６０ａへフィードバックすることで、Ａｄｄする入射光のゲインを調整し、出射光での波長ｆdの光の割合を自由に調整することができる。また、同じシステムでも必要に応じてＡｄｄする光のゲインをダイナミック変化できるので、従来のＭＭＩなどで設計した合波比可変合波器では非常に困難であった動的なＡｄｄ回路を簡単な構成で実現することができる。
【０１５６】
以上説明した実施の形態１〜１２において、光ファイバーの代りに光導波路を用いて構成してもよい。また、光結合器においては、出力側光ファイバーを一本として説明しているが、複数であっても構わない。
【０１５７】
以上説明した実施の形態１〜１２における光デバイスに用いるフォトニック結晶は、スラブ形状とすればよく、その厚さ方向の屈折率分布を変化させることで、厚さの中心部分への光の閉込め効果が高くなる。なお、以下の説明は、フォトニック結晶で説明しているが、複合フォトニック結晶は、フォトニック結晶で構成されているので、複合フォトニック結晶でも同様の効果がある。
【０１５８】
図１７にフォトニック結晶の側断面図を示している。フォトニック結晶の用い方は、図１７（ａ）に示しているように、基板を用いず、第１物質８３と空気である柱状物質８２で構成されているフォトニック結晶８０のみの場合、図１７（ｂ）に示しているように、基板８１上にフォトニック結晶８０が形成され、空気である柱状物質８２を基板８１の厚さ方向の途中まで形成している場合、図１７（ｃ）に示しているように、基板８１上にフォトニック結晶８０が形成されている場合等がある。
【０１５９】
フォトニック結晶と、フォトニック結晶を上下から挟んでいる物質との屈折率差が大きくなると、光の閉込め効果が高くなる。例えば、図１７（ａ）に示す場合は、フォトニック結晶は、空気で上下から挟まれていることになり、空気の屈折率は低いので、この場合の閉込め効果は高い。また、図１７（ｂ）、図１７（ｃ）に示す場合は、フォトニック結晶は、上からは空気で下からは基板で挟まれ、さらに図１７（ｂ）の基板は、空気である箇所が存在する基板である。基板に屈折率の低い空気の箇所がある図１７（ｂ）の場合の方が図１７（ｃ）の場合に比べて閉込め効果が高い。
【０１６０】
また、フォトニック結晶８０の厚さ方向の屈折率分布によって、光の閉込め効果を高めたり、フォトニック結晶中を伝搬する光の、フォトニック結晶の厚さ方向の分布を制御することができる。
【０１６１】
例えば、フォトニック結晶８０の厚さ方向の屈折率分布を、図１８（ａ）に示すフォトニック結晶の屈折率分布のように、フォトニック結晶の厚さ方向の中点近傍に屈折率の極大点を有し、極大点から離れるにしたがって対称に屈折率が小さくなるようにする。こうすることで、屈折率分布が均一の場合に比べ、フォトニック結晶８０の厚さ方向への光の閉込め効果が高くなる。また、屈折率の極大点に光は集中して伝搬するため、極大点の位置によって光の集中する位置を制御できる。
【０１６２】
また、図１７（ｂ）、図１７（ｃ）のように下側に基板を有する場合は、フォトニック結晶の屈折率分布が均一であれば、その上下の屈折率が異なるため、フォトニック結晶の中点に光が集中しない。例えば、図１８（ｂ）に示す屈折率分布のように、厚さ方向の中点近傍に屈折率の極大点を有し、前記極大点から基板方向に離れるに従って非対称に屈折率が小さくなり、基板８１側の屈折率の低下率が大きくなるような屈折率分布であれば、中点に光を集中させ、さらに光の閉込め効果が高くなる。
【０１６３】
以上のように、フォトニック結晶の屈折率分布を調整することで、フォトニック結晶中を伝搬する光を、所望とする分布にできる。
【０１６４】
なお、基板８１の方が空気よりも屈折率が高いので、極大点の位置は、厚さ方向の中点ではなく、基板８１の反対側にずれている方が、フォトニック結晶の中点に伝搬光が集中するため望ましい。
【０１６５】
なお、フォトニック結晶の厚さ方向の屈折率分布を形成するには、第１物質８３にイオンを注入して第１物質８３の屈折率を変えて所望とする屈折率分布を形成する方法や、屈折率の異なる物質を所望とする屈折率分布に従って積層して多層膜で第１物質８３を形成する方法がある。また、柱状物質８２が空気でない場合も同様であるが、その場合は、柱状物質８２の屈折率分布も、第１物質８３と同様に調整すればよい。
【０１６６】
また、実施の形態１〜１２におけるフォトニック結晶のモジュール化について説明する。この場合は、図１９（ａ）に示すように、まず、第１基板である基板１００上にスラブ型フォトニック結晶１０１を形成する。フォトニック結晶１０１を形成するためには、基板１００は必要であったが、モジュール化においては、基板として光ファイバーの位置決め用の複数のＶ溝１０２が一体形成されているＶ溝付基板１０３を用いるとよい。そこで、図１９（ｂ）に示すように、フォトニック結晶１０１を第２基板であるＶ溝付基板１０３に接合した後基板１００を除去し、一体化されたＶ溝付基板１０３とフォトニック結晶１０１とを気密容器１０４に収容し、図１９（ｃ）に示すように、気体や液体などの充填物質１０５を充填する。それにより、基板１０３で光ファイバーの位置合わせをすることができる。また、フォトニック結晶１０１と基板との接触箇所が少ないので、フォトニック結晶１０１は、充填物質１０５で大部分が囲まれることとなり、例えば空気のように、屈折率の低い充填物質１０５を用いることで、厚さ方向の屈折率差を大きくすることが可能である。そのため、厚さ方向の光の閉じ込めを強くすることができる。
【０１６７】
また、Ｖ溝付基板１０３の代りに、図２０に示すように、コの字型基板１１０を用いてもよく、図１９で示した手順と同様にモジュール化する。コの字型基板１１０の両端部にある凸部分１１１のみでフォトニック結晶１０１が支持されているため、フォトニック結晶１０１中の光の伝搬には影響のない箇所で支持されている。それにより、フォトニック結晶１０１の、光の伝搬に影響のある箇所は、充填物質１０５と接触することとなる。充填物質１０５には、コの字型基板１１０よりも屈折率が低い材料を用いることができるので、フォトニック結晶１０１の厚さ方向の屈折率差を大きくすることが可能であり、厚さ方向の光の閉じ込めを強くすることができる。
【０１６８】
【発明の効果】
本発明の光デバイスによれば、従来の１０倍以上の分岐角度あるいは結合角度を有する。また、外部制御により動的に分岐比あるいは結合比を変えることができる光デバイスを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態１に係る光デバイスの構成を示す平面図
【図２】 本発明の実施の形態１に係る光デバイスの測定結果を示す図
【図３】 本発明の実施の形態２に係る光デバイスの構成を示す平面図
【図４】 本発明の実施の形態１および２に係る光デバイスの分岐比と透過ロスの関係を示す図
【図５】 本発明の実施の形態３に係る光デバイスの構成を示す平面図
【図６】 本発明の実施の形態４に係る光デバイスを説明するための平面図
【図７】 本発明の実施の形態５に係る光デバイスの構成を示す平面図
【図８】 本発明の実施の形態６に係る光デバイスの構成を示す平面図
【図９】 本発明の実施の形態７に係る光デバイスの構成を示す平面図
【図１０】 本発明の実施の形態８に係る光デバイスの構成を示す平面図
【図１１】 本発明の実施の形態９に係る光デバイスの構成を示す平面図
【図１２】 本発明の実施の形態１０に係る光デバイスの構成を示す平面図
【図１３】 本発明の実施の形態１０に係る光デバイスの入射光と出射光のスペクトル図
【図１４】 本発明の実施の形態１１に係る光デバイスの構成を示す平面図
【図１５】 本発明の実施の形態１１に係る光デバイスの入射光と出射光のスペクトル図
【図１６】 本発明の実施の形態１２に係る光デバイスの構成を示す平面図
【図１７】 本発明の実施の形態に係る光デバイスのフォトニック結晶と基板の構成を示す側断面図
【図１８】 本発明の実施の形態に係る光デバイスのフォトニック結晶の屈折率分布図
【図１９】 本発明の実施の形態に係る光デバイスのフォトニック結晶のモジュール化の構成図
【図２０】 本発明の実施の形態に係る光デバイスのフォトニック結晶のモジュール化の他の構成図
【図２１】 従来の光分岐器の構成を示す平面図
【図２２】 従来の光分岐器における分岐比と透過ロスの関係を示す図
【図２３】 従来の光結合器の構成を示す平面図
【符号の説明】
とにＹ形状のコア１３４を形成された結合部１３７および出力側光ファイバー
１、１ａ、１ｂ、８３ 第１物質
２、２ａ、２ｂ、８２ 柱状物質
６、６ａ、４６ 複合フォトニック結晶
７、７ａ、４７ 第１フォトニック結晶
８、８ａ、４８ 第２フォトニック結晶
９、３０、４９、５０、６０ａ、６０ｂ 外部駆動部
１０、１０ａ 入力側光ファイバー
１１、１１ａ 第１出力側光ファイバー
１２、１２ａ 第２出力側光ファイバー
１５ 第３出力側光ファイバー
１３、１３ａ、５３ 接合面
１４、１４ａ、５４、５４ａ、６１、６４ 光軸
１６ 入射光
１７、１８、１９、２０、２１、２２、５７、５７ａ、５８、５８ａ 進行方向
３１ 第１モニター部
３２ 第２モニター部
３３、３３ａ、６３ 演算制御部
２１、２２ 進路
４０、４０ａ、１３６ 出力側光ファイバー
４１、４１ａ、１３１ 第１入力側光ファイバー
４２、４２ａ、１３２ 第２入力側光ファイバー
４７ａ フォトニック結晶
３１ａ、６１ａ モニター部
６２ 基準光軸
８０、１０１ フォトニック結晶
８１、１００、１３３ 基板
１０２ Ｖ溝
１０３ Ｖ溝付基板
１０４ 気密容器
１０５ 充填物質
１１０ コの字型基板
１１１ 凸部分
１２０ 入力側光導波路
１２１ ＭＭＩ装置
１２２ 出力側光導波路
１２３ 第１出力部
１２４ 第２出力部
１３４ コア
１３５ Ｙ字型の付け根
１３７ 結合部
【発明の属する技術分野】
本発明は、フォトニック結晶を用いた光デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の光デバイスであるＭＭＩ（Ｍｕｌｔｉ−Ｍｏｄｅ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）型非対称Ｙ分岐を利用した光分岐器について図２１を用いて説明する。光分岐器は、入力側光導波路１２０と、ＭＭＩ装置１２１と、出力側光導波路１２２から構成されている。出力側光導波路１２２は、光が導かれる第１出力部１２３と第２出力部１２４とに分岐されている。この光分岐器は、ＭＭＩ装置１２１の出射端における出力側光導波路１２２の第１出力部１２３と第２出力部１２４との間隔ｇと、ＭＭＩ装置１２１の入射端の幅の変化量Δをパラメーターとして分岐特性を制御することができる。
【０００３】
入力側光導波路１２０により伝送されたシングルモード光は、ＭＭＩ装置１２１によって、０次のモード（シングルモード）と２次のモード（マルチモード）に分解される。さらに、０次のモードと２次のモードの伝搬速度の差を調整し、０次のモードと２次のモードの波形の真中の腹の部分同士が相殺し合うように、ＭＭＩ装置１２１の長さｈを最適化してある。それにより、ＭＭＩ装置１２１の出射端では２次のモードの腹の部分だけが残り、それらの間隔は数μｍであるが、出力側光導波路１２２によって、実用的な分離距離(＞１００μｍ)まで分離される。ここで、ＭＭＩ装置１２１が対称形である場合、すなわち変化量Δ＝０の場合は、この光分岐器の分岐比＝１の等分岐である。また、ＭＭＩ装置１２１を非対称形（変化量Δ＞０）にすると、ＭＭＩ装置１２１が減少した側、すなわち、第２出力部１２４側に分布する光量が減るので、第１出力部１２３中を伝搬する光量が増え、第２出力部１２４中を伝搬する光量はその分減少する。このように変化量Δを制御することにより分岐比を制御することができる。図２２に、変化量Δに対する透過ロスおよび分岐比の関係を示す。なお、分岐比は、第１出力部１２３の出力／第２出力部１２４の出力とする。図２２からわかるように、変化量Δを０〜５μｍの範囲で変化させることで、分岐比は１〜３の範囲となり、そのときの透過ロスは、０．２ｄＢ付近である。
【０００４】
次に、従来の光結合器について図２３を用いて説明する。Ｙ分岐導波路を利用した従来の光結合器は、第１入力側光ファイバー１３１と、第２入力側光ファイバー１３２と、基板１３３上にＹ形状のコア１３４を形成された結合部１３７および出力側光ファイバー１３６で構成されている。
【０００５】
第１入力側光ファイバー１３１と第２入力側光ファイバー１３２にそれぞれ同位相の入射光を入射した場合は、第１入力側光ファイバー１３１と第２入力側光ファイバー１３２から結合部１３７へ結合された２個の入射光は、それぞれコア１３４の形状に沿って０次モードに結合し、出力側光ファイバー１３６から出射される。このとき、出射される光のパワーは、第１入力側光ファイバー１３１と第２入力側光ファイバー１３２から入射されたそれぞれの入射光が加算されたパワーであり、結合器として正しく機能する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の光分岐器の分岐比は、上述したように、ＭＭＩ装置１２１の形状で決定されるため、光分岐器を作成した後、つまり、デバイス化後においては、必要に応じて分岐比を動的に変えることはできない。
【０００７】
また、分岐比もせいぜい３までしか変化させることができない。さらに、ＭＭＩ装置１２１の出力端での数μｍ程度の分離距離を、出力側光導波路１２２で実用的な分離距離まで広げるにはセンチメートルのオーダーの長さが必要であり、出力側光導波路１２２での損失の増大やデバイス化時の大型化は避けられない。
【０００８】
一方、光結合器においても、光分岐器と同様に動的に結合比を変えることができない。また、分岐角度と同様に、結合角度はせいぜい２°程度なので、結合器長を短くできず、大型化してしまう。
【０００９】
また、従来の光結合器の第１入力側光ファイバー１３１あるいは第２入力側光ファイバー１３２のどちらか一方のみに光を入射させた場合には、入射光の０次モードが、Ｙ字型の付け根１３５において０次モードと１次モードを励振し、出力側において１次モードは放射されるため、出力側光ファイバー１３６から、入射光の０次モードの半分のパワーしか出射されないという問題もある。
【００１０】
さらに、従来の光分岐器や光結合器は、光導波路を用いて構成するので、光ファイバーと前記光導波路間で高度な光軸合わせとモード形状のマッチングが必要となり、アセンブリに熟練を要するという問題もある。
【００１１】
本発明は、かかる問題に鑑みてなされたものであって、デバイス化後も動的に分岐比または結合比を変えることができる光分岐器または光結合器等の、小型化が可能で容易に作成することができる光デバイスを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の光デバイスの第１の構成は、屈折率が異なる複数の物質が周期的に配置されることで、周期的屈折率分布を有する第１フォトニック結晶と、屈折率が異なる複数の物質が周期的に配置され、前記第１フォトニック結晶とは異なる周期的屈折率分布を有する第２フォトニック結晶とが接合された複合フォトニック結晶と、前記複合フォトニック結晶の入射端に配置された入力側光導波路と、前記第１フォトニック結晶の出射端に配置された第１出力側光導波路と、前記第２フォトニック結晶の出射端に配置された第２出力側光導波路と、前記入力側光導波路から前記第１フォトニック結晶および前記第２フォトニック結晶へそれぞれ出力される光信号の分岐比が所定の比率となる制御、または、前記入力側光導波路から前記第１フォトニック結晶のみへ光信号を出力する制御、または、前記入力側光導波路から前記２フォトニック結晶のみへ光信号を出力する制御のいずれかを行う外部駆動部とを備え、前記分岐比は、前記入力側光導波路と前記第１フォトニック結晶とが重なる面積と、前記入力側光導波路と前記第２フォトニック結晶とが重なる面積との比により決定されることを特徴とする。それにより、作成に高精度が要求される光導波路を用いる必要がなく、動的に分岐比を変えることができる光デバイスが実現できる。さらに、低損失の伝送が可能である。また、分岐角度が大きい光分岐器が実現できる。そのため、光分岐器を小型化することができる。
【００１４】
また、本発明の光デバイスの第２の構成は、屈折率が異なる複数の物質が周期的に配置されることで、周期的屈折率分布を有する第１フォトニック結晶と、屈折率が異なる複数の物質が周期的に配置され、前記第１フォトニック結晶とは異なる周期的屈折率分布を有する第２フォトニック結晶とが接合された複合フォトニック結晶と、前記第１フォトニック結晶の入射端に配置された第１入力側光導波路と、前記第２フォトニック結晶の入射端に配置された第２入力側光導波路と、前記複合フォトニック結晶の出射端に配置された出力側光導波路と、前記第１フォトニック結晶および前記第２フォトニック結晶から前記出力側光導波路へそれぞれ出力される光信号の結合比が所定の比率となる制御、または、前記第１フォトニック結晶からのみ前記出力側光導波路へ光信号を出力する制御、または、前記２フォトニック結晶からのみ前記出力側光導波路へ光信号を出力する制御のいずれかを行う外部駆動部とを備え、前記結合比は、前記出力側光導波路と前記第１フォトニック結晶とが重なる面積と、前記出力側光導波路と前記第２フォトニック結晶とが重なる面積との比により決定されることを特徴とする。それにより、作成に高精度が要求される光導波路を用いる必要がなく、動的に結合比を変えることができる光デバイスが実現できる。さらに、低損失の伝送が可能である。また、結合角度が大きい光結合器が実現できる。そのため、光結合器を小型化することができる。
【００１５】
また、前記本発明の光デバイスの第１の構成においては、前記外部駆動部は、前記入力側光導波路または前記複合フォトニック結晶のいずれかを移動させるのが好ましい。また、前記本発明の光デバイスの第２の構成においては、前記外部駆動部は、前記出力側光導波路または前記複合フォトニック結晶のいずれかを移動させるのが好ましい。それにより、分岐比または結合比を動的に変化させることができるという効果を有する。
【００１７】
また、前記本発明の光デバイスの第１の構成においては、前記第１出力側光導波路および前記第２出力側光導波路中を伝搬する光量をモニターするモニター部と、前記モニター部からの出力に基づき、前記分岐比が前記所定の比率となるように前記外部駆動部を制御する演算制御部とを備えているのが好ましい。それにより、フィードバック制御を用いて、高精度な制御ができ、所望とする分岐比を維持することができる。
【００１８】
また、前記本発明の光デバイスの第２の構成においては、前記出力側光導波路中を伝搬する光量をモニターするモニター部と、前記モニター部からの出力に基づき、前記結合比が前記所定の比率となるように前記外部駆動部を制御する演算制御部とを備えているのが好ましい。それにより、フィードバック制御を用いて、高精度な制御ができ、所望とする結合比を維持することができる。
【００１９】
また、前記第１フォトニック結晶および前記第２フォトニック結晶は、それぞれ共に、複数の異なる屈折率を有する物質が周期的に配列されている２次元または３次元格子構造を有し、かつ、基本格子ベクトルで構成される一組の２次元格子構造が３回よりも大きい数の回転対称軸を持たない格子構造であって、前記第１フォトニック結晶の第１基本格子ベクトルと前記第２フォトニック結晶の第１基本格子ベクトルの方向は平行であって、かつ前記第１フォトニック結晶と前記第２フォトニック結晶とが接合された接合面に平行であり、前記第１フォトニック結晶の第２基本格子ベクトルと前記第２フォトニック結晶の第２基本格子ベクトルの方向は前記接合面に対して対称であることとしてもよい。
【００２０】
また、前記第１フォトニック結晶および前記第２フォトニック結晶は、それぞれ共に、屈折率の異なる第１物質と柱状物質とを備え、複数の前記柱状物質の軸が平行となるように前記柱状物質が周期的に第１物質中に配列されている２次元格子構造を有し、前記第１フォトニック結晶および前記第２フォトニック結晶の各基本格子ベクトル間の角度は共に、９０°以下の方の角度が６０°よりも大きく９０°よりも小さい角度であって、前記第１フォトニック結晶の第１基本格子ベクトルと前記第２フォトニック結晶の第１基本格子ベクトルの方向は平行であって、かつ前記第１フォトニック結晶と前記第２フォトニック結晶とが接合された接合面に平行であり、前記第１フォトニック結晶の第２基本格子ベクトルと前記第２フォトニック結晶の第２基本格子ベクトルの方向は前記接合面に対して対称であることとしてもよい。
【００４６】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１に係る光デバイスについて、図１を用いて説明する。実施の形態１における光デバイスは、分岐比可変光分岐器である。図１に示すように、実施の形態１における光デバイスは、入力側光ファイバー１０が複合フォトニック結晶６の片端に設置され、複合フォトニック結晶６の他端には、第１出力側光ファイバー１１および第２出力側光ファイバー１２が設置されている。また、複合フォトニック結晶６には駆動部９が備えられ、入力側光ファイバー１０の光軸１４に対して、垂直方向に複合フォトニック結晶６を駆動させることができる。
【００４７】
複合フォトニック結晶６は、第１フォトニック結晶７と第２フォトニック結晶８とが、接合面１３で接合されて構成されている。
【００４８】
フォトニック結晶とは、光の波長程度の屈折率の周期性を持つ人工的な多次元周期構造体である。この周期性を変化させることで、所望とする光学特性を有するフォトニック結晶を作成することができる。
【００４９】
第１フォトニック結晶７および第２フォトニック結晶８は、２次元構造のフォトニック結晶であって、第１物質１に円柱状の柱状物質２が周期的に配置された構造である。それぞれの柱状物質１０の中心軸は、すべて平行に配置されている。第１フォトニック結晶７と第２フォトニック結晶８における第１物質１と柱状物質２は同じ材料である。第１フォトニック結晶７と第２フォトニック結晶の格子構造は、接合面１３に対して鏡面対称となっている。
【００５０】
第１フォトニック結晶７の基本格子ベクトル（ａ1,ａ2）と第２フォトニック結晶８の基本格子ベクトル（ａ1′,ａ2′）を用いて、第１フォトニック結晶７および第２フォトニック結晶８の具体的な格子構造の一例について説明する。第１フォトニック結晶７と第２フォトニック結晶８の基本格子ベクトルａ1、ａ1′は、複合フォトニック結晶６の接合面１３と平行であり、第１フォトニック結晶７の第２基本格子ベクトルａ2と第２フォトニック結晶８の第２基本格子ベクトルａ2′とは、接合面１３に対して対称である。
【００５１】
第１フォトニック結晶７と第２フォトニック結晶８は、どちらも対称性の悪い斜交格子構造であって、接合面１３で対称であるので、基本格子ベクトルａ1と基本格子ベクトルａ2とのなす角度と基本格子ベクトルａ1′と基本格子ベクトルａ2′とのなす角度は等しく、その角度の９０°よりも小さい方の角度（１８０−θa）°、（１８０−θa′）°が６０°よりも大きく９０°よりも小さい。
【００５２】
柱状物質２間の距離である格子定数ａが入射光波長の０.４〜０.６の大きさで、前記第１と第２フォトニック結晶７、８を構成する柱状物質２の半径ｒが入射光波長の０.０８〜０.３である。この入射光とは、フォトニック結晶中で偏向させようとする所定の光のことである。なお、２次元フォトニック結晶の構成としては、例えば、ポリマーやガラス等の第１物質１に空孔を設ければよい。それにより、柱状物質２が空気である２次元フォトニック結晶が構成される。他の構成としては、例えば、ＳｉやＧａＡｓやＴｉ2Ｏ5等の、屈折率が３程度の第１物質１に、ポリマーやガラス等の、屈折率が１．５程度の柱状物質２を分布させてもよい。ポリマー材料としては、アクリル系（ＰＭＭＡ、ＵＶアクリルレートポリマー等）、エポキシ系、ポリイミド系、シリコーン系、カーボネート系（ポリカーボネート）等が挙げられる。
【００５３】
また、フォトニック結晶の特性の決定には、第１物質１および柱状物質２の屈折率が重要なので、上述した材料以外の、固体（例えば、酸化物など誘電体全般）でも液体（例えば、水やエチレングリコール等）でも気体（例えば、空気や不活性ガス等）でも、上述した屈折率の条件を満足する材料を用いれば、所望とするフォトニック結晶を作成することができる。
【００５４】
なお、複合フォトニック結晶６に基板やクラッド層を設けてもよく、その屈折率は、第１物質１に比べて低く、柱状物質２に比べて同一または低いこととすればよい。
【００５５】
入力側光ファイバー１０の光軸１４は、第１フォトニック結晶７および第２フォトニック結晶８の基本格子ベクトルａ1、ａ1′の方向と同一で、接合面１３付近に設置される。第１出力側光ファイバー１１は、第１フォトニック結晶７の端面に設置され、第２出力側光ファイバー１２は、第２フォトニック結晶８の端面に設置されている。
【００５６】
ところで、対称性の悪い格子構造のフォトニック結晶に、基本格子ベクトル方向に入射させた前述の所定の光は、フォトニック結晶中で偏向するということがわかっている（信学技報 TECHNICAL REPORT OF IEICE.OPE 2001-107 (2001-12)「スラブ導波路型低屈折率変調フォトニック結晶を応用した光機能デバイス」参照）。対称性の悪い格子構造とは、２次元結晶格子の場合は、上述した第１フォトニック結晶７および第２フォトニック結晶８のように、その基本格子ベクトル同士の角度の９０°よりも小さい方の角度が６０°よりも小さく、９０°よりも大きいようなフォトニック結晶である。このようなフォトニック結晶は、強い波長分散特性を有し、入射光は、波長にもよるが１０°程度偏向することが知られている。
【００５７】
なお、基本格子ベクトルで構成される一組の２次元格子構造が３回よりも大きい数の回転対称軸を持たない格子構造のフォトニック結晶であれば、２次元格子構造でも３次元格子構造でも、偏向分散特性を有するので、同様に用いて光デバイスを形成することができる。
【００５８】
第１フォトニック結晶７に、所定の波長で、基本格子ベクトルａ1方向の所定の光を入射した場合には、その光は、進行方向１７で示す方向に偏向し、同様に、第２フォトニック結晶に入射した所定の波長の光は、進行方向１８で示す方向に偏向する。第１フォトニック結晶７と第２フォトニック結晶８は、それぞれ、上記所望とする特性を得るように、フォトニック結晶の構造を調整して作成されている。
【００５９】
複合フォトニック結晶６は、第１フォトニック結晶７と第２フォトニック結晶８とを接合面１３で接合したものであるので、接合面１３に入力側光ファイバー１０によって、所定の波長の光を入射すると、第１フォトニック結晶７側と第２フォトニック結晶８側に、それぞれ、半分ずつ入射されることになり、入射光１６は進行方向１７、１８とに分離して、複合フォトニック結晶６中を伝搬し、端面より出射される。このように、光分岐器が形成され、フォトニック結晶で１０°程度偏向するので、分岐角度は、２０°程度となる。すなわち、長さが、数百μｍ程度であっても、従来の分岐器で従来の１０倍以上の分離距離となる。したがって、従来の分岐器に比べて、さらに小型化が可能である。
【００６０】
第１出力側光ファイバー１１は、第１フォトニック結晶７中を伝搬してきた光が出射される箇所に配置され、同様に、第２出力側光ファイバー１２は、第２フォトニック結晶８中を伝搬してきた光が出射される箇所に配置されている。
【００６１】
また、入力側光ファイバー１０の光軸１４が接合面１３に含まれている場合には、等分岐であったが、図１に示しているように、光軸１４と接合面１３がずれている場合には、そのずれ度合いに応じて、光の分岐比が異なる。すなわち、光軸１４が接合面１３よりも第２フォトニック結晶８側にある場合には、第１出力側光ファイバー１１に比べて、第２出力側光ファイバー１２の方が出力が高くなる。
【００６２】
実施の形態１における光デバイスは、複合フォトニック結晶６を接合面１３に対して垂直方向に駆動させる外部駆動部９を備えている。外部駆動部９で、複合フォトニック結晶６を駆動させて、光軸１４を接合面１３からずらすことで、光の分岐比を制御できる。分岐比は、第１フォトニック結晶７側と第２フォトニック結晶８側に入射する入射光の部分比で決まる。したがって、複合フォトニック結晶６の移動量にあたる光軸１４と接合面１３間の距離ｄは、入力側光ファイバ１０のコア半径ｒf（例えば、約４μｍ）以上である必要はないので、外部駆動部９は、コア半径ｒfだけ駆動領域があればよく、この範囲で駆動可能なものであればよい。外部駆動部９は、例えば、ＭＥＭＳや圧電素子やモーター系（ステップモーターや超音波モーター等）等を用いて構成すればよい。
【００６３】
このように、外部駆動部９により、複合フォトニック結晶６の接合面１３と入射側ファイバーの光軸１４の相対位置を制御することで、第１フォトニック結晶７側に入射する成分と第２フォトニック結晶８に入射する光の成分の割合を制御することができる。したがって、入射光を、２０°程度の分岐角で分岐させることができる上に、分岐比を動的に変えることができる。
【００６４】
図２に、実施の形態１における光デバイスのシミュレーション結果を示す。光軸１４が、第２出力側光ファイバー１２側にずれている場合である。図２（ａ）は、複合フォトニック結晶６の移動量ｄと入力側光ファイバ１０のコア半径ｒfの関係が、ｄ／ｒf＝０．５の場合である。左側の入力側光ファイバーから直進してきた光が、複合フォトニック結晶中で分岐して、右側の上下にある各出力側光ファイバーで再び直進していることがわかる。また、上方の、第２出力側光ファイバーの方が高出力であることがわかる。一方、図２（ｂ）は、ｄ／ｒf＝１．０の場合である。左側の入力側光ファイバーから直進してきた光が、複合フォトニック結晶中で上方に偏向し、右側の第２出力側光ファイバーで再び直進していることがわかる。下方の第１出力側光ファイバーには、光が伝搬していないことがわかる。
【００６５】
さらに、従来の分岐比可変光分岐器の分岐比がせいぜい３程度であるのに対し、実施の形態１における分岐比可変光分岐器は、実施の形態１における分岐比可変光分岐器は、従来と同程度の透過ロスを維持しながら、３以上の分岐比を可能とする。
【００６６】
また、第１フォトニック結晶７と第２フォトニック結晶８とは格子構造は異なっているが、接合面に対して対称であるため、例えば、第１フォトニック結晶７を反転させることで第２フォトニック結晶８と同一の格子構造になる。したがって、一種類のフォトニック結晶を作成することで、第１フォトニック結晶７と第２フォトニック結晶８が作成されるため、作成の手間が省ける。また、分岐比が異なる任意のシステムにも対応可能であり、同じシステムでも必要に応じて分岐比をダイナミック変化できるので、従来のＭＭＩを使用した分岐比可変分岐器では非常に困難であった動的な分岐比可変光分岐器を簡単な構成で実現することができる。
【００６７】
なお、２次元構造のフォトニック結晶について述べたが、３次元構造のフォトニック結晶を用いてもよい。
【００６８】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２に係る光デバイスについて、図３を用いて説明する。実施の形態２における光デバイスは、実施の形態１における光デバイスに、複合フォトニック結晶６を移動させる外部駆動部９の代りに、入力側光ファイバー１０を光軸１４に対して垂直方向に移動させる外部駆動部４１を備えている。
【００６９】
実施の形態２における光デバイスは、外部駆動部４１で、入力側光ファイバー１を移動させることで、光軸１４と接合面１３とにずれを生じさせ、光の分岐比を制御する。分岐比は、第１フォトニック結晶７側と第２フォトニック結晶８側に入射する入射光の部分比で決まる。実施の形態１と同様に、複合フォトニック結晶６の接合面１３と光軸１４の距離ｄは、コア半径ｒfだけあればよく、外部駆動部４１は、例えば、ＭＥＭＳや圧電素子やモーター系（ステップモーターや超音波モーター等）等を用いて構成すればよい。
【００７０】
図４に、実施の形態１における光デバイスと実施の形態２における光デバイスとの分岐比と透過ロスの関係を示す。破線が、実施の形態１における光デバイスであり、一点鎖線が実施の形態２における光デバイスを示していて、入力側光ファイバー１の半径ｒfで規格化された、入力側光ファイバー１の光軸１４と複合フォトニック結晶６の接合面１３との距離ｄであるｄ／ｒfの変化に対する透過ロスの関係を示している。また、実線は、ｄ／ｒfに対する分岐比を示している。
【００７１】
図４よりわかるように、透過ロスは、実施の形態１における光デバイスは、ｄ／ｒfによらず、−０．４[ｄＢ]以上の良好な特性を示すのに対して、実施の形態２における光デバイスは、ｄ／ｒfが０．３よりも大きくなったところで、急激に透過ロスが増している。
【００７２】
これは、実施の形態１においては、複合フォトニック結晶６が駆動するため、入力側光ファイバー１０と、各第１、第２出力側光ファイバー１１、１２との位置関係は変化しないが、実施の形態２においては、入力側光ファイバー１０が駆動するため、入力側光ファイバー１０と、各第１、第２出力側光ファイバー１１、１２との位置関係が変化することが原因である。すなわち、複合フォトニック結晶６の出力側の端面での出射位置は、入力側光ファイバー１の移動に応じて移動するため、実施の形態２における光デバイスは、複合フォトニック結晶６と第１、第２出力側光ファイバー１１、１２間での結合が上手くいっていないためである。これを改善するためには、入力側光ファイバー１と同時に第１の出力側光ファイバー１１と第２の出力側光ファイバー１２も駆動させればよく、このようにすれば、透過ロスが増加することはない。
【００７３】
なお、従来のＭＭＩを使用した分岐比可変分岐器の分岐比である３程度であれば、実施の形態２における光デバイスであっても、透過ロスは十分低く、実施の形態１における光デバイスと同等の透過ロスである。
【００７４】
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３に係る光デバイスについて、図５を用いて説明する。実施の形態３における光デバイスは、実施の形態１における光デバイスに、第１モニター部３１、第２モニター部３２および演算制御部３３を加えて、出力側の光量をモニターすることで、フィードバックを用いて、分岐制御の精度を高めるものである。
【００７５】
第１出力側光ファイバー１１中を伝搬する光の光量をモニターする第１モニター部３１が、第１出力側光ファイバー１１に設置され、第２出力側光ファイバー１２中を伝搬する光の光量をモニターする第２モニター部３２が、第２出力側光ファイバー１２に設置されている。また、第１モニター部３１および第２モニター部３２は、それぞれ、モニターした第１、第２出力側光ファイバー１１、１２中を伝搬する光の光量を信号化して演算制御部３３に送る。
【００７６】
演算制御部３３は、外部駆動部９を制御するものであって、光の分岐比が所望の値となるように、外部駆動部９に複合フォトニック結晶６の駆動量を指示する。演算制御部３３の指示に従って、外部駆動部９は、複合フォトニック結晶６を駆動させて、光軸１４と接合面１３間の距離ｄを適当な値となるようにする。第１、第２モニター部３１、３２からのそれぞれの第１、第２出力側光ファイバー１１、１２の光量を指示する信号に基づいて、光量が所望とする分岐比となるように、演算制御部３３は、外部駆動部９を制御する。
【００７７】
例えば、外部環境の変化等により分岐比が変化し、所望とする分岐比とは異なってしまうことがあり得る。しかし、分岐された光の光量は、第１モニター部３１および第２モニター部３２でモニターされ、演算制御部３３にその信号が送られているため、その変化量を演算制御部３３は演算して、所望とする分岐比に光が分岐されるように、外部駆動部９に移動量の補正をする指示を送り、所望とする分岐比となるように、光軸１４と接合面１３間の距離ｄを調整する。このような、フィードバック制御によって、所望とする分岐比が維持されるため、分岐比の精度が向上され、外部環境変化に依らず分岐比を一定に維持することができる。
【００７８】
以上のように、実施の形態３の光デバイスによれば、容易に光分岐器が構成される上、その分岐比は可変であって、フィードバック制御によって高精度の分岐制御がなされている。
【００７９】
なお、第１モニター部３１と第２モニター部３２は、分岐されたそれぞれの光量の関係が分かればいいので、第１出力側光ファイバー１１と第２出力側光ファイバー１２中を伝搬する光を直接モニターする必要はなく、第１出力側光ファイバー１１と第１モニター３１との間、または、第２出力側光ファイバー１２と第２モニター３２との間に他の光システムが介在していても良い。
【００８０】
（実施の形態４）
本発明の実施の形態４に係る光デバイスについて、図６を用いて説明する。実施の形態４における光デバイスは、実施の形態１における光デバイスと同一の構成であるが、光スイッチとして用いている。
【００８１】
図４に示している、規格化移動量ｄ／ｒfと分岐比および透過ロスの関係から、ｄ／ｒf＞１の場合には、分岐比は２０以上が得られていることがわかる。ここで、消光比は１０×ｌｏｇ（分岐比）で表わすことができるので、このときの消光比は、１０×ｌｏｇ２０＝１３[ｄＢ]以上であることがわかる。消光比が１３[ｄＢ]以上であれば、一方の出力側光ファイバーからのみ光が出力され、片方の出力光ファイバーからは光が出力されていないとみなされる。ｄ／ｒf＞１、つまり光軸１４と接合面１３間の距離ｄを入力側光ファイバ１０のコア半径ｒfよりも大きくすることで、いずれか一方の出力側光ファイバーのみ光が伝搬させることが可能である。図６に示すように、光軸１４が接合面１３からずれる方向によって、光が伝搬する出力側光ファイバーを選択することができるので、この光デバイスをスイッチとして用いることができる。
【００８２】
具体的には、図６（ａ）に示すように、光軸１４が接合面１３に対して、第２出力側光ファイバー１２側に、ｄ／ｒf＞１となるだけずれていれば、入射光１６は進行方向１９に偏向され、第２出力側光ファイバー１２にのみ入射される。逆に、図６（ｂ）に示すように、光軸１４が接合面１３に対して、第１出力側光ファイバー１１側に、ｄ／ｒf＞１となるだけずれていれば、入射光１６は進行方向２０に偏向され、第１出力側光ファイバー１１にのみ入射される。
【００８３】
なお、ｄ／ｒfは、大きければ大きいほど良好なスイッチ機能（大きな消光比）を示すので、スイッチのみの機能を利用するのであれば、複合フォトニック結晶６の駆動量が小さい場合であっても光ファイバーのコア径ｒfがそれに応じて小さければ、十分な消光比が得られる。
【００８４】
なお、光スイッチでは、複合フォトニック結晶６の駆動回数および駆動量が、光分岐器に比べて多くなるので、入力側光ファイバー１０、第１の出力側光ファイバー１１および第２の出力側光ファイバー１２の各光ファイバーと複合フォトニック結晶６との接触部分には、わずかな間隙を設けたほうが駆動によるトラブルが少なくてよい。
【００８５】
（実施の形態５）
本発明の実施の形態５に係る光デバイスについて、図７を用いて説明する。実施の形態５における光デバイスは、所望とする波長の光の一部を分離するものであって、いわゆるＤｒｏｐ装置である。
【００８６】
実施の形態５における光デバイスは、図７に示すように、入力側光ファイバー１０ａが、複合フォトニック結晶６ａの片端に設置され、複合フォトニック結晶６ａの他端には、第１出力側光ファイバー１１ａ、第２出力側光ファイバー１２ａおよび第３出力側光ファイバー１５が設置されている。
【００８７】
複合フォトニック結晶６ａは、第１フォトニック結晶７ａと第２フォトニック結晶８ａとが、境界線１３ａで接合されて構成されている。第１フォトニック結晶７ａおよび第２フォトニック結晶８ａは、２次元構造のフォトニック結晶であって、第１物質１ａ、１ｂに円柱状の柱状物質２ａ、２ｂが周期的に配置された構造である。それぞれの柱状物質１０ａ、１０ｂの中心軸は、すべて平行に配置されている。第１フォトニック結晶７ａの第１物質１ａと第２フォトニック結晶８ａの第１物質１ｂとは同一材料であり、柱状物質２ａと柱状物質２ｂとは同一材料である。
【００８８】
第１フォトニック結晶７ａの基本格子ベクトル（ａ1a,ａ2a）と第２フォトニック結晶８ａの基本格子ベクトル（ａ1a′,ａ2a′）を用いて、第１フォトニック結晶７ａおよび第２フォトニック結晶８ａの具体的な格子構造の一例について説明する。第１フォトニック結晶７ａと第２フォトニック結晶８ａの基本格子ベクトルａ1a、ａ1a′の方向は、入力側光ファイバー１０の接合面１３ａと平行であり、第１フォトニック結晶７ａの第２基本格子ベクトルａ2aの方向と第２フォトニック結晶８ａの第２基本格子ベクトルａ2a′の方向とは、接合面１３ａに対して対称である。
【００８９】
すなわち、第１フォトニック結晶７ａの基本格子ベクトル（ａ1a,ａ2a）の角度θbと、第２フォトニック結晶８ａの基本格子ベクトル（ｂ1′,ｂ2′）の角度θb′とは等しく、θb、θb′はともに、６０°よりも大きく９０°よりも小さい角度である。
【００９０】
接合面１３ａ上には、柱状物質１ａ、１ｂが共に存在している。図７では、接合面１３ａにおいて、柱状物質１ａ、１ｂ同士が重なっている部分も示しているが、共に同じ材料で形成されているため、重なっている部分では一体となっていて、その箇所は、円柱ではない。
【００９１】
円柱状の柱状物質１ａの半径はｒaで、柱状物質１ｂの半径はｒbである。また、柱状物質１ｂ同士の距離はｂであって、柱状物質１ｃ同士の距離はｃである。実施の形態１では、ｒa＝ｒbで、ｂ＝ｃであったが、実施の形態５ではｒa＞ｒbであり、ｂ＞ｃである。このように、第１フォトニック結晶７ａと第２フォトニック結晶８ａの格子構造が異なるようにして、それぞれ、偏向させる光の波長が異なるものであることとし、波長がｆ1、ｆ2のは、第１、第２フォトニック結晶７ａ、８ａでそれぞれ偏向するように格子構造を形成する。なお、格子定数ｂおよびｃは、波長ｆ1およびｆ2の０.４〜０.６の大きさであり、ｒaおよびｒbは、ｆ1およびｆ2の０.０８〜０.３である。
【００９２】
例えば、波長がｆ1の光は、第１フォトニック結晶７ａ中を伝搬することで６°偏向し、波長がｆ2の光は、第２フォトニック結晶８ａ中を伝搬することで、６°偏向するように、格子構造を形成してある。
【００９３】
入力側光ファイバー１０ａの光軸１４ａは、第１フォトニック結晶７ａおよび第２フォトニック結晶８ａの基本格子ベクトルａ1a、ａ1a′の方向と同一で、接合面１３ａに含まれている。第１出力側光ファイバー１１ａは、第１フォトニック結晶７ａの端面に設置され、第２出力側光ファイバー１２ａは、第２フォトニック結晶８ａの端面に設置されている。第３出力側光ファイバー１５は、光軸１４ａを中心軸として複合フォトニック結晶６ａの端面に設置されている。
【００９４】
波長ｆ1の光の進行方向２１と、波長ｆ2の光の進行方向２２について説明する。入力側光ファイバー１０ａから波長がｆ1、ｆ2の２種類の光が複合フォトニック結晶に入射されると、進行方向２１に示すように波長ｆ1の光の内、接合面１３ａよりも第１フォトニック結晶７ａよりに入射された光は、偏向されて、第１の出力側光ファイバー１１ａに結合する。また、波長ｆ1の光の内、接合面１３ａよりも第２フォトニック結晶８ａよりに入射された光は、そのまま直進して、第３の出力側光ファイバー７１に結合する。
【００９５】
一方、進行方向２２に示すように波長ｆ2の光の内、接合面１３ａよりも第２フォトニック結晶８ａよりに入射された光は、偏向されて、第２の出力側光ファイバー１２ａに結合する。また、波長ｆ2の光の内、接合面１３ａよりも第１フォトニック結晶７ａよりに入射された光は、そのまま直進して、第３出力側光ファイバー１５に結合する。
【００９６】
なお、第１出力側光ファイバー１１ａ、第２出力側光ファイバー１２ａの設置位置は、複合フォトニック結晶６で偏向された光が結合するように決定する。
【００９７】
なお、接合面１３ａ上には、第１フォトニック結晶７ａの柱状物質２ａのみが存在することとしてもよいし、第２フォトニック結晶８ａの柱状物質２ｂのみが存在することとしてもよい。
【００９８】
以上のように、実施の形態５の光デバイスによれば、異なる２つの波長ｆ1、ｆ2の光の合成光から波長ｆ1の光の一部と、波長ｆ2の光の一部とを分離することができる。また、この光デバイスは、小型化することが可能である。
【００９９】
（実施の形態６）
本発明の実施の形態６に係る光デバイスについて、図８を用いて説明する。実施の形態６における光デバイスは、結合比可変光結合器である。図８に示すように、実施の形態６における光デバイスは、第１入力側光ファイバー４１および第２入力側光ファイバー４２が、複合フォトニック結晶４６の片端に設置され、複合フォトニック結晶４６の他端には、出力側光ファイバー４０が設置されている。また、複合フォトニック結晶４６には外部駆動部４９が備えられ、出力側光ファイバー４０の光軸４４に対して、垂直方向に複合フォトニック結晶４６を駆動させることができる。
【０１００】
複合フォトニック結晶４６は、第１フォトニック結晶４７と第２フォトニック結晶４８とが接合面５３で接合され、それぞれの格子構造は、接合面５３に対して鏡面対称である。
【０１０１】
第１フォトニック結晶４７と第２フォトニック結晶４８は、実施の形態１の第１および第２フォトニック結晶と同様に、対称性の悪い斜交格子構造を有している。複合フォトニック結晶４６は、実施の形態１で用いた複合フォトニック結晶と同様の構造であるが、入射端と出射端を逆にした構造である。すなわち、複合フォトニック結晶４６の入射端側から基本格子ベクトルｃ1、ｃ1′方向に、所定の波長の光を入射させると、複合フォトニック結晶４６中を光が、その接合面５３に近づく方向（進路５７、５８）に偏向するような構造である。
【０１０２】
第１フォトニック結晶４７と第２フォトニック結晶の具体的な構造について説明する。第１フォトニック結晶４７の基本格子ベクトルｃ1と基本格子ベクトルｃ2とのなす角度および第２フォトニック結晶４８の基本格子ベクトルｃ1′と基本格子ベクトルｃ2′のなす角度は等しく、その角度のうち９０°よりも小さい方の角度θc、θc′が６０°よりも大きく９０°よりも小さい。
【０１０３】
第１物質中にその中心軸が平行に配列されている円柱状の柱状物質２間の距離である格子定数ａが偏向する入射光波長の０.４〜０.６の大きさで、第１と第２フォトニック結晶４７、４８を構成する柱状物質２の半径ｒが偏向する入射光波長の０.０８〜０.３である。なお、２次元フォトニック結晶の構成としては、例えば、ポリマーやガラス等の第１物質１に空孔を設ければよい。それにより、柱状物質２が空気である２次元フォトニック結晶が構成される。他の構成としては、例えば、ＳｉやＧａＡｓやＴｉ2Ｏ5等の、屈折率が３程度の第１物質１に、ポリマーやガラス等の、屈折率が１．５程度の柱状物質２を分布させてもよい。ポリマー材料としては、アクリル系（ＰＭＭＡ、ＵＶアクリルレートポリマー等）、エポキシ系、ポリイミド系、シリコーン系、カーボネート系（ポリカーボネート）等が挙げられる。
【０１０４】
また、フォトニック結晶の特性の決定には、第１物質１および柱状物質２の屈折率が重要なので、上述した材料以外の、固体（例えば、酸化物など誘電体全般）でも液体（例えば、水やエチレングリコール等）でも気体（例えば、空気や不活性ガス等）でも、上述した屈折率の条件を満足する材料を用いれば、所望とするフォトニック結晶を作成することができる。
【０１０５】
なお、複合フォトニック結晶４６に基板やクラッド層を設けてもよく、その屈折率は、第１物質１に比べて低く、柱状物質２に比べて同一または低いこととすればよい。
【０１０６】
出力側光ファイバー４０の光軸５４は、第１フォトニック結晶４７および第２フォトニック結晶４８の基本格子ベクトルｃ1、ｃ1′の方向と同一で、接合面５３付近に設置される。第１入力側光ファイバー４１は、第１フォトニック結晶４７の端面に設置され、第２入力側光ファイバー４２は、第２フォトニック結晶４８の端面に設置されている。出力側光ファイバー４０の光軸５４に対して対称となる位置に、第２入力側光ファイバー４２と第１入力側光ファイバー４１が設置されている。第１入力側光ファイバー４１および第２入力側光ファイバー４２から複合フォトニック結晶４６に入射される光は、第１フォトニック結晶４７および第２フォトニック結晶４８の基本格子ベクトルｃ1、ｃ1′方向に入射される。
【０１０７】
第１入力側光ファイバー４１から入射される光は、第１フォトニック結晶４７中で偏向する所定の光であり、第２入力側光ファイバー４２から入射される光は、第２フォトニック結晶４８中で偏向する所定の光である。
【０１０８】
光軸５４が接合面５３上に含まれる状態で、第１入力側光ファイバー４１および第２入力側光ファイバー４２から、第１フォトニック結晶４７および第２フォトニック結晶４８に光が入射すると、それらの光は進行方向５７および進行方向５８で示す方向に偏向して進行する。２つの光は接合面５３に近づいていき、接合面５３上で結合される。それぞれの光の結合比は、１：１であり、等比率で結合される。結合光は複合フォトニック結晶４６から出力側光ファイバー４０に入射される。このときの進行方向５７、５８とのなす角度が結合角であって２０°程度であり、従来の結合器に比べて１０倍以上の結合角が得られるため、光結合器の長さを小さくすることが可能である。
【０１０９】
実施の形態６の光デバイスは、複合フォトニック結晶５６を接合面５３に対して垂直方向に駆動させる外部駆動部４９を備えている。外部駆動部４９によって複合フォトニック結晶５６を垂直方向に駆動して、光軸５４が接合面５３からずラスことにより、そのずれ度合いに応じて結合比が異なる。具体的には、接合面５３との距離が離れている側の入力側光ファイバーからの光の比率が高くなる。図８では、接合面５３と第１入力側光ファイバー４１の距離の方が、接合面５３と第２入力側光ファイバー４２との距離よりも大きい。したがって、第１入力側光ファイバー４１からの光の比率が高い結合比で結合した結合光が出力側光ファイバー４０から出力される。外部駆動部４９により、このずれ量を制御することで、所望とする結合比を実現できる。
【０１１０】
複合フォトニック結晶４６の移動量にあたる光軸５４と接合面５３間の距離ｄ1は、出力側光ファイバー４０のコア半径ｒf1（例えば、約４μｍ）以上の場合には、出力側光ファイバー４０に結合光が入射されなくなるので、外部駆動部４９は、コア半径ｒf1だけ駆動領域があればよく、この範囲で駆動可能なものであればよい。外部駆動部４９は、例えば、ＭＥＭＳや圧電素子やモーター系（ステップモーターや超音波モーター等）等を用いて構成すればよい。
【０１１１】
このように、実施の形態６の光デバイスによれば、外部駆動部４９により、複合フォトニック結晶４６の接合面５３と出力側光ファイバー４０の光軸５４の相対位置を制御することで、第１フォトニック結晶４７側を伝搬する成分と第２フォトニック結晶４８側を伝搬する光成分の結合割合を制御することができる。それにより、入射光を２０°程度の結合角で結合させることができる上に、結合比を動的に変えることができる光デバイスが実現できる。また、導波路ではなくフォトニック結晶を用いて構成しているので、容易に製造することもできる。
【０１１２】
（実施の形態７）
本発明の実施の形態７に係る光デバイスについて、図９を用いて説明する。実施の形態７における光デバイスは、実施の形態６における光デバイスに、複合フォトニック結晶４６を移動させる外部駆動部４９の代りに、出力側光ファイバー４０を光軸５４に対して垂直方向に移動させる外部駆動部５０を備えている。
【０１１３】
実施の形態７における光デバイスは、外部駆動部５０を用いて出力側光ファイバー４０を移動させることで、光軸５４と接合面５３とにずれを生じさせ、光の結合比を制御する。結合比は、光軸５４と接合面５３間の距離ｄ1によって決定される。また、距離ｄ1はコア半径ｒf1だけあればよく、外部駆動部５０は、例えば、ＭＥＭＳや圧電素子やモーター系（ステップモーターや超音波モーター等）等を用いて構成すればよい。
【０１１４】
このようにすることで、実施の形態６の光デバイスと同様に、結合比を動的に変えることができる光デバイスが実現できる。
【０１１５】
（実施の形態８）
本発明の実施の形態８に係る光デバイスについて、図１０を用いて説明する。実施の形態８における光デバイスは、実施の形態６における光デバイスに、モニター部６１ａおよび演算制御部６３を加えて、出力側の光量をモニターすることで、フィードバックを用いて、結合制御の精度を高めるものである。
【０１１６】
出力側光ファイバー４０中を伝搬する光の光量をモニターするモニター部６１ａが出力側光ファイバー４０に設置されている。また、モニター部６１ａは、モニターした出力側光ファイバー４０中を伝搬する光の光量を信号化して演算制御部６３に送る。
【０１１７】
演算制御部６３は、外部駆動部４９を制御するものであって、出力側光ファイバー４０を伝搬する光の結合比が所望の値となるように、外部駆動部４９に複合フォトニック結晶４６の駆動量を指示する。演算制御部６３の指示に従って、外部駆動部４９は、複合フォトニック結晶４６を駆動させて、光軸５４と接合面５３間の距離ｄ1を適当な値にする。モニター部６１ａからの出力側光ファイバー４０中のの光量を指示する信号に基づいて、現在の結合比を求め、所望とする結合比となるように、演算制御部６３は、外部駆動部４９を制御する。
【０１１８】
外部環境の変化等により結合比が変化し、所望とする結合比とは異なってしまうことがあり得る。しかし、結合光の光量は、モニター部６１ａでモニターされ、演算制御部３３にその信号が送られているため、その変化量を演算制御部３３は演算して、所望とする結合比に結合されるように、外部駆動部４９に複合フォトニック結晶４６の移動量の補正をする指示を送り、光軸５４と接合面５３間の距離ｄ1を調整する。このように、実施の形態８の光デバイスは、フィードバック制御によって、所望とする結合比が維持されるため、結合比の精度が向上され、外部環境変化に依らず結合比を一定に維持することができる。それにより、高精度の結合制御がなされ得る。
【０１１９】
なお、モニター部６１ａでは、結合光の光量が分かればいいので、出力側光ファイバー４０中を伝搬する光を直接モニターする必要はなく出力側光ファイバー４０とモニター６１との間に他の光システムが介在していても良い。
【０１２０】
（実施の形態９）
本発明の実施の形態９に係る光デバイスについて、図１１を用いて説明する。実施の形態９における光デバイスは、実施の形態６における光デバイスと同一の構成であるが、光スイッチとして用いている。
【０１２１】
実施の形態９における光デバイスの規格化移動量ｄ1／ｒf1＞１、つまり光軸５４と接合面５３間の距離ｄ1を出力側光ファイバ４０のコア半径ｒf1よりも大きくすることで、いずれか一方の入力側光ファイバーから入射された光のみを出力側光ファイバー４０に伝搬させることが可能である。
【０１２２】
図１１に示すように、実施の形態９の光デバイスは、光軸５４が接合面５３からずれる方向によって、第１入力側光ファイバーもしくは第２入力側光ファイバーからの光の内のどちらかを選択して出力側光ファイバー４０から出力する光スイッチとして用いることができる。
【０１２３】
具体的には、図１１（ａ）に示すように、接合面５３が光軸５４に対して第２入力側光ファイバー４２側に、ｄ1／ｒf1＞１となるだけずれていれば、第１入力側光ファイバー４１からの入射光のみが、出力側光ファイバー４０に入射されることになる。第２入力側光ファイバー４２からの入射光は、第２フォトニック結晶４８で偏向するが、複合フォトニック結晶４６の出射端に到達する前に、接合面５３に到達するため、出力側光ファイバー４０には入射されない。
【０１２４】
逆に、図１１（ｂ）に示すように、接合面５３が光軸５４に対して第１入力側光ファイバー４１側に、ｄ1／ｒf1＞１となるだけずれていれば、出力側光ファイバー４０には、第２入力側光ファイバー４２からの入射光のみが、入射されることになる。
【０１２５】
また、Ｙ分岐導波路を用いた光結合器のどちらか一方だけの入力側光ファイバーから光を入射した場合には、出力側光ファイバーには、入射光の半分のパワーの光しか伝搬しない。しかし、実施の形態９の光スイッチでは、第１入力側光ファイバー４１または第２入力側光ファイバー４２のどちらか一方だけの入射光を出力側光ファイバー４０に伝搬させるにもかかわらず、減衰することなく入射光の全パワーの光が伝搬される。
【０１２６】
なお、ｄ1／ｒf1は、大きければ大きいほど良好なスイッチ機能（大きな消光比）を示す。スイッチのみの機能を利用するのであれば、複合フォトニック結晶４６の駆動量が小さい場合であれば、光ファイバーのコア径ｒf1をそれに応じて小さくすることで、十分な消光比が得られる。
【０１２７】
また、入力側光ファイバーのどちらか一方を取り除き、入射光を１個にしてｄ1／ｒf1＞１とすることで、最大透過率１００％の減衰器とすることもできる。
【０１２８】
なお、光スイッチでは、複合フォトニック結晶４６の駆動回数および駆動量が、光結合器として用いるよりも多くなるので、第１入力側光ファイバー４１、第２の入力側光ファイバー４２および出力側光ファイバー５０の各光ファイバーと複合フォトニック結晶４６との接触部分には、わずかな間隙を設けたほうが駆動によるトラブルが少なくてよい。
【０１２９】
以上、実施の形態６〜９に示した光結合器は、実施の形態１〜４に示した光分岐器の入出力側を逆にした構成ではあるが、分岐器の場合には、入射光のパワーが損失なく分岐するのに対して、結合器の場合には、光軸５４と接合面５３での相対的ずれ量により、結合光のパワーに損失が生じる。つまり、光結合器と光分岐器との入出力特性は可逆というわけではない。したがって、光デバイスに分岐器および結合器の両方の機能を持たせるためには、光の入出力方向を検知して、その検知結果に基づいて、光の進行方向に応じて所望の機能を発揮できるように複合フォトニック結晶６、４６の接合面１３、５３と光軸１４、５４の相対位置を外部駆動部４９で動的に制御する必要がある。
【０１３０】
（実施の形態１０）
本発明の実施の形態１０に係る光デバイスについて、図１２を用いて説明する。実施の形態１０における光デバイスは、所望とする波長の光を他の光に合成するものであって、いわゆるゲイン可変光Ａｄｄ装置である。
【０１３１】
図１２に示すように、実施の形態１０における光デバイスは、第１入力側光ファイバー４１ａおよび第２入力側光ファイバー４２ａが、フォトニック結晶４７ａの片端に設置され、フォトニック結晶４７ａの他端には、出力側光ファイバー４０ａが設置されている。第１入力側光ファイバー４１ａの光軸は、出力側光ファイバー４０ａの光軸５４ａと等しいように設置されていて、第１入力側光ファイバー４１ａの光軸は光軸５４ａと平行である。
【０１３２】
また、第２入力側光ファイバー４２ａには外部駆動部６０ａが備えられ、光軸５４ａに対して垂直方向に第１入力側光ファイバー４１ａを駆動させることができる。
【０１３３】
実施の形態１０のフォトニック結晶４７ａは、実施の形態６のフォトニック結晶４７と同様に、対称性の悪い斜交格子構造を有している。フォトニック結晶４７ａの基本格子ベクトルｄ1方向に、光を入射させると、フォトニック結晶４７中を光が偏向するような構造である。
【０１３４】
フォトニック結晶４７ａの具体的な構造について説明する。フォトニック結晶４７ａの基本格子ベクトルｄ1と基本格子ベクトルｄ2とのなす角度のうち９０°よりも小さい方の角度θdが６０°よりも大きく９０°よりも小さい。
【０１３５】
第１物質中にその中心軸が平行に配列されている円柱状の柱状物質２間の距離である格子定数ａが偏向する入射光波長の０.４〜０.６の大きさで、フォトニック結晶４７ａを構成する柱状物質２の半径ｒが偏向する入射光波長の０.０８〜０.３である。なお、２次元フォトニック結晶の構成としては、例えば、ポリマーやガラス等の第１物質１に空孔を設ければよい。それにより、柱状物質２が空気である２次元フォトニック結晶が構成される。他の構成としては、例えば、ＳｉやＧａＡｓやＴｉ2Ｏ5等の、屈折率が３程度の第１物質１に、ポリマーやガラス等の、屈折率が１．５程度の柱状物質２を分布させてもよい。ポリマー材料としては、アクリル系（ＰＭＭＡ、ＵＶアクリルレートポリマー等）、エポキシ系、ポリイミド系、シリコーン系、カーボネート系（ポリカーボネート）等が挙げられる。
【０１３６】
また、フォトニック結晶の特性の決定には、第１物質１および柱状物質２の屈折率が重要なので、上述した材料以外の、固体（例えば、酸化物など誘電体全般）でも液体（例えば、水やエチレングリコール等）でも気体（例えば、空気や不活性ガス等）でも、上述した屈折率の条件を満足する材料を用いれば、所望とするフォトニック結晶を作成することができる。
【０１３７】
なお、フォトニック結晶４６ａに基板やクラッド層を設けてもよく、その屈折率は、第１物質１に比べて低く、柱状物質２に比べて同一または低いこととすればよい。また、このフォトニック結晶４６ａの基本格子ベクトルｄ1方向に入射された場合に、偏向する光の波長をｆdとする。
【０１３８】
第１入力側光ファイバー４１ａ中には波長ｆdの光が伝搬し、フォトニック結晶５６ａに入射される。また、第２入力側光ファイバー４２ａ中には、波長がｆd以外の波長の光が複数伝搬していて、フォトニック結晶５６ａに入射される。
【０１３９】
第１入力側光ファイバー４１ａおよび第２入力側光ファイバー４２ａの光軸はどちらも基本格子ベクトルｄ1と同一の方向である。したがって、フォトニック結晶５６ａには、基本格子ベクトルｄ1と同一の方向に光が入射される。
【０１４０】
第１入力側光ファイバー４１ａから入射された波長ｆdの光は、フォトニック結晶中４７ａで進行方向５８ａに偏向して光軸５４ａに近づいていく。第２入力側光ファイバー４２ａから入射された光は、光軸５４ａに沿って進行方向５７ａで直進する。第１入力側光ファイバー４１ａと第２入力側光ファイバー４２ａとの距離は、フォトニック結晶４７ａの光軸５４ａ方向の長さとフォトニック結晶４７ａ中で偏向する光の偏向角の正接との積とすることで、偏向した波長ｆdの光と光軸５４ａに沿って直進している光とが、１：１の割合でフォトニック結晶４７ａの出射端で結合して出力側光ファイバー４０ａに出射される。また、このときの第２入力側光ファイバー４２ａの光軸である基準光軸６２と第２入力側光ファイバー４２ａの実際の光軸６１との距離をｄ2とすると、第１入力側光ファイバー４１ａと第２入力側光ファイバー４２ａを伝搬している光が、１：１の割合で結合する条件はｄ2＝０の場合である。
【０１４１】
さらに、外部駆動部６０ａによって、第２入力側光ファイバー４２ａを基準光軸６２に対して垂直方向に移動させて、基準光軸６２と光軸６１とをずらす。それにより、波長ｆdの光のフォトニック結晶４７ａからの出射位置が、出力側光ファイバー４０ａの光軸５４ａからずれる。それにより、偏向した波長ｆdの光の、それ以外の光との結合量が減少する。つまり、第２入力側光ファイバー４２ａを移動させて、基準光軸６２と光軸６１とをずらすことで、波長ｆdの光の受光比が変化し、波長ｆd以外の光にＡｄｄする波長ｆdの光のゲインを動的に変えることができる。
【０１４２】
図１３に入射光と出射光のスペクトルを示す。図１３（ａ）は第２入力側光ファイバー４２ａを伝搬している入射光のスペクトルを示していて、波長ｆdの光のみである。図１３（ｂ）は第１入力側光ファイバー４１ａを伝搬している入射光のスペクトルを示していて、波長ｆd以外の光である。図１３（ｃ）および（ｄ）は出力側光ファイバー４０ａを伝搬する出射光のスペクトルを示している。図１３（ｃ）と図１３（ｄ）では、波長ｆdの光をＡｄｄする量が異なっている。第２入力側光ファイバー４２ａの移動量を外部駆動部６０ａで制御することで、Ａｄｄする光のゲインを制御できる。
【０１４３】
また、第２入力側光ファイバー４２ａの移動量に当たる基準光軸６２と光軸６１の距離ｄ2は、出力側光ファイバー４０ａのコア半径ｒfd（約４μｍ）程度まで変化できれば良いので、外部駆動部６０ａとしてはＭＥＭＳや圧電素子やモーター系（ステップモーターや超音波モーターなど）などを利用すればよい。
【０１４４】
（実施の形態１１）
本発明の実施の形態１１に係る光デバイスについて、図１４を用いて説明する。実施の形態１１における光デバイスは、実施の形態１０における光デバイスに、第２入力側光ファイバー４２ａを移動させる外部駆動部６０ａの代りに、第１入力側光ファイバー４１ａを光軸５４ａに対して垂直方向に移動させる外部駆動部６０ｂを備えている。
【０１４５】
また、第２入力側光ファイバー４２ａの光軸６１と出力側光ファイバー４０ａの光軸５４ａの距離は、フォトニック結晶４７ａの光軸５４ａ方向の長さとフォトニック結晶４７ａ中で偏向する光の偏向角の正接との積である。
【０１４６】
第２入力側光ファイバー４２ａから波長ｆdの光が、第１入力側光ファイバー４１ａから波長ｆdの光以外の複数の光が、フォトニック結晶５６ａに入射し、波長ｆdの光は、進行方向５８ａに偏向し、波長ｆd以外の光は進行方向５７ａに直進する。第１入力側光ファイバー４１ａの光軸６４が、光軸５４ａと同一であった場合には、フォトニック結晶４７ａの出射端で波長ｆdの光と波長ｆdの光以外の複数の光が全て結合されて出力側光ファイバー４０ａに出射される。
【０１４７】
しかし、外部駆動部６０ｂを用いて、第１入力側光ファイバー４１ａを移動させて、光軸６４と光軸５４ａとにずれを生じさせると、第２入力側光ファイバーから入射される波長ｆdの光以外の複数の光のフォトニック結晶４７ａからの出射位置が光軸５４ａからずれる。それにより、波長ｆdの光以外の複数の光は、全て出力側光ファイバー４０ａに伝搬しない。つまり、第１入力側光ファイバー４１ａを移動させることで、波長ｆdとそれ以外の光の受光比が変化する。そのため、Ａｄｄする光のゲインを動的に変えることができる。
【０１４８】
図１５に入射光と出射光のスペクトルを示す。図１５（ａ）は第２入力側光ファイバー４２ａを伝搬している入射光のスペクトルを示していて、波長ｆdの光のみである。図１５（ｂ）は第１入力側光ファイバー４１ａを伝搬している入射光のスペクトルを示していて、波長ｆd以外の光である。図１５（ｃ）および（ｄ）は出力側光ファイバー４０ａを伝搬する出射光のスペクトルを示している。図１５（ｃ）と図１５（ｄ）では、波長ｆd以外の光をＡｄｄする量が異なっている。図１５（ｃ）は、光軸６４と光軸５４ａが同一の位置にある場合で、この時は、全ての光が結合されれている。図１５（ｄ）は、光軸６４と光軸５４ａとがずれている場合であって、同図より波長ｆd以外の光がＡｄｄされる量が減少していることが分かる。
【０１４９】
したがって、第１入力側光ファイバー４１ａの移動量を外部駆動部６０ｂで制御することで、Ａｄｄする波長ｆd以外の光のゲインを制御できる。
【０１５０】
なお、第１入力側光ファイバー４１ａの移動量に当たる光軸５４ａと光軸６４の距離ｄ3は、出力側光ファイバー４０ａのコア半径ｒfd（約４μｍ）程度まで変化できれば良いので、外部駆動部６０ｂとしてはＭＥＭＳや圧電素子やモーター系（ステップモーターや超音波モーターなど）などを利用すればよい。
【０１５１】
（実施の形態１２）
本発明の実施の形態１２に係る光デバイスについて、図１６を用いて説明する。実施の形態１２における光デバイスは、実施の形態１０における光デバイスに、モニター部３１ａおよび演算制御部３３ａを加えて、出力側の光量をモニターすることで、フィードバックを用いてゲインを調整し、制御の精度を高めるものである。
【０１５２】
出力側光ファイバー４０ａ中を伝搬する光の光量をモニターするモニター部３１ａが、出力側光ファイバー４０ａに設置されている。また、モニター部３１ａは、モニターした出力側光ファイバー４０ａ中を伝搬する光の光量を信号化して演算制御部３３ａに送る。
【０１５３】
演算制御部３３ａは、外部駆動部６０ａを制御するものであって、Ａｄｄされる光のゲインが所望の値となるように、外部駆動部６０ａに第２入力側光ファイバー４２ａの移動量を指示する。演算制御部３３ａの指示に従って、外部駆動部６０ａは、第２入力側光ファイバー４２ａを移動させて、基準光軸６２と第２入力側光ファイバー４２ａの光軸６１間の距離ｄ2を適当な値にする。モニター部３１ａからの出力側光ファイバー４０ａの光量を指示する信号に基づいて、Ａｄｄする光が所望のゲインとなるように、演算制御部３３ａは、外部駆動部６０ａを制御する。
【０１５４】
なお、モニター部３３ａは、出力側光ファイバー４０ａ中を伝搬する光を直接モニターする必要はなく、出力側光ファイバー４０ａとモニター３３ａとの間に他の光システムが介在していても良い。
【０１５５】
以上のように、出力側光ファイバー４０ａの出射光の光量をモニターして外部駆動部６０ａへフィードバックすることで、Ａｄｄする入射光のゲインを調整し、出射光での波長ｆdの光の割合を自由に調整することができる。また、同じシステムでも必要に応じてＡｄｄする光のゲインをダイナミック変化できるので、従来のＭＭＩなどで設計した合波比可変合波器では非常に困難であった動的なＡｄｄ回路を簡単な構成で実現することができる。
【０１５６】
以上説明した実施の形態１〜１２において、光ファイバーの代りに光導波路を用いて構成してもよい。また、光結合器においては、出力側光ファイバーを一本として説明しているが、複数であっても構わない。
【０１５７】
以上説明した実施の形態１〜１２における光デバイスに用いるフォトニック結晶は、スラブ形状とすればよく、その厚さ方向の屈折率分布を変化させることで、厚さの中心部分への光の閉込め効果が高くなる。なお、以下の説明は、フォトニック結晶で説明しているが、複合フォトニック結晶は、フォトニック結晶で構成されているので、複合フォトニック結晶でも同様の効果がある。
【０１５８】
図１７にフォトニック結晶の側断面図を示している。フォトニック結晶の用い方は、図１７（ａ）に示しているように、基板を用いず、第１物質８３と空気である柱状物質８２で構成されているフォトニック結晶８０のみの場合、図１７（ｂ）に示しているように、基板８１上にフォトニック結晶８０が形成され、空気である柱状物質８２を基板８１の厚さ方向の途中まで形成している場合、図１７（ｃ）に示しているように、基板８１上にフォトニック結晶８０が形成されている場合等がある。
【０１５９】
フォトニック結晶と、フォトニック結晶を上下から挟んでいる物質との屈折率差が大きくなると、光の閉込め効果が高くなる。例えば、図１７（ａ）に示す場合は、フォトニック結晶は、空気で上下から挟まれていることになり、空気の屈折率は低いので、この場合の閉込め効果は高い。また、図１７（ｂ）、図１７（ｃ）に示す場合は、フォトニック結晶は、上からは空気で下からは基板で挟まれ、さらに図１７（ｂ）の基板は、空気である箇所が存在する基板である。基板に屈折率の低い空気の箇所がある図１７（ｂ）の場合の方が図１７（ｃ）の場合に比べて閉込め効果が高い。
【０１６０】
また、フォトニック結晶８０の厚さ方向の屈折率分布によって、光の閉込め効果を高めたり、フォトニック結晶中を伝搬する光の、フォトニック結晶の厚さ方向の分布を制御することができる。
【０１６１】
例えば、フォトニック結晶８０の厚さ方向の屈折率分布を、図１８（ａ）に示すフォトニック結晶の屈折率分布のように、フォトニック結晶の厚さ方向の中点近傍に屈折率の極大点を有し、極大点から離れるにしたがって対称に屈折率が小さくなるようにする。こうすることで、屈折率分布が均一の場合に比べ、フォトニック結晶８０の厚さ方向への光の閉込め効果が高くなる。また、屈折率の極大点に光は集中して伝搬するため、極大点の位置によって光の集中する位置を制御できる。
【０１６２】
また、図１７（ｂ）、図１７（ｃ）のように下側に基板を有する場合は、フォトニック結晶の屈折率分布が均一であれば、その上下の屈折率が異なるため、フォトニック結晶の中点に光が集中しない。例えば、図１８（ｂ）に示す屈折率分布のように、厚さ方向の中点近傍に屈折率の極大点を有し、前記極大点から基板方向に離れるに従って非対称に屈折率が小さくなり、基板８１側の屈折率の低下率が大きくなるような屈折率分布であれば、中点に光を集中させ、さらに光の閉込め効果が高くなる。
【０１６３】
以上のように、フォトニック結晶の屈折率分布を調整することで、フォトニック結晶中を伝搬する光を、所望とする分布にできる。
【０１６４】
なお、基板８１の方が空気よりも屈折率が高いので、極大点の位置は、厚さ方向の中点ではなく、基板８１の反対側にずれている方が、フォトニック結晶の中点に伝搬光が集中するため望ましい。
【０１６５】
なお、フォトニック結晶の厚さ方向の屈折率分布を形成するには、第１物質８３にイオンを注入して第１物質８３の屈折率を変えて所望とする屈折率分布を形成する方法や、屈折率の異なる物質を所望とする屈折率分布に従って積層して多層膜で第１物質８３を形成する方法がある。また、柱状物質８２が空気でない場合も同様であるが、その場合は、柱状物質８２の屈折率分布も、第１物質８３と同様に調整すればよい。
【０１６６】
また、実施の形態１〜１２におけるフォトニック結晶のモジュール化について説明する。この場合は、図１９（ａ）に示すように、まず、第１基板である基板１００上にスラブ型フォトニック結晶１０１を形成する。フォトニック結晶１０１を形成するためには、基板１００は必要であったが、モジュール化においては、基板として光ファイバーの位置決め用の複数のＶ溝１０２が一体形成されているＶ溝付基板１０３を用いるとよい。そこで、図１９（ｂ）に示すように、フォトニック結晶１０１を第２基板であるＶ溝付基板１０３に接合した後基板１００を除去し、一体化されたＶ溝付基板１０３とフォトニック結晶１０１とを気密容器１０４に収容し、図１９（ｃ）に示すように、気体や液体などの充填物質１０５を充填する。それにより、基板１０３で光ファイバーの位置合わせをすることができる。また、フォトニック結晶１０１と基板との接触箇所が少ないので、フォトニック結晶１０１は、充填物質１０５で大部分が囲まれることとなり、例えば空気のように、屈折率の低い充填物質１０５を用いることで、厚さ方向の屈折率差を大きくすることが可能である。そのため、厚さ方向の光の閉じ込めを強くすることができる。
【０１６７】
また、Ｖ溝付基板１０３の代りに、図２０に示すように、コの字型基板１１０を用いてもよく、図１９で示した手順と同様にモジュール化する。コの字型基板１１０の両端部にある凸部分１１１のみでフォトニック結晶１０１が支持されているため、フォトニック結晶１０１中の光の伝搬には影響のない箇所で支持されている。それにより、フォトニック結晶１０１の、光の伝搬に影響のある箇所は、充填物質１０５と接触することとなる。充填物質１０５には、コの字型基板１１０よりも屈折率が低い材料を用いることができるので、フォトニック結晶１０１の厚さ方向の屈折率差を大きくすることが可能であり、厚さ方向の光の閉じ込めを強くすることができる。
【０１６８】
【発明の効果】
本発明の光デバイスによれば、従来の１０倍以上の分岐角度あるいは結合角度を有する。また、外部制御により動的に分岐比あるいは結合比を変えることができる光デバイスを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態１に係る光デバイスの構成を示す平面図
【図２】 本発明の実施の形態１に係る光デバイスの測定結果を示す図
【図３】 本発明の実施の形態２に係る光デバイスの構成を示す平面図
【図４】 本発明の実施の形態１および２に係る光デバイスの分岐比と透過ロスの関係を示す図
【図５】 本発明の実施の形態３に係る光デバイスの構成を示す平面図
【図６】 本発明の実施の形態４に係る光デバイスを説明するための平面図
【図７】 本発明の実施の形態５に係る光デバイスの構成を示す平面図
【図８】 本発明の実施の形態６に係る光デバイスの構成を示す平面図
【図９】 本発明の実施の形態７に係る光デバイスの構成を示す平面図
【図１０】 本発明の実施の形態８に係る光デバイスの構成を示す平面図
【図１１】 本発明の実施の形態９に係る光デバイスの構成を示す平面図
【図１２】 本発明の実施の形態１０に係る光デバイスの構成を示す平面図
【図１３】 本発明の実施の形態１０に係る光デバイスの入射光と出射光のスペクトル図
【図１４】 本発明の実施の形態１１に係る光デバイスの構成を示す平面図
【図１５】 本発明の実施の形態１１に係る光デバイスの入射光と出射光のスペクトル図
【図１６】 本発明の実施の形態１２に係る光デバイスの構成を示す平面図
【図１７】 本発明の実施の形態に係る光デバイスのフォトニック結晶と基板の構成を示す側断面図
【図１８】 本発明の実施の形態に係る光デバイスのフォトニック結晶の屈折率分布図
【図１９】 本発明の実施の形態に係る光デバイスのフォトニック結晶のモジュール化の構成図
【図２０】 本発明の実施の形態に係る光デバイスのフォトニック結晶のモジュール化の他の構成図
【図２１】 従来の光分岐器の構成を示す平面図
【図２２】 従来の光分岐器における分岐比と透過ロスの関係を示す図
【図２３】 従来の光結合器の構成を示す平面図
【符号の説明】
とにＹ形状のコア１３４を形成された結合部１３７および出力側光ファイバー
１、１ａ、１ｂ、８３ 第１物質
２、２ａ、２ｂ、８２ 柱状物質
６、６ａ、４６ 複合フォトニック結晶
７、７ａ、４７ 第１フォトニック結晶
８、８ａ、４８ 第２フォトニック結晶
９、３０、４９、５０、６０ａ、６０ｂ 外部駆動部
１０、１０ａ 入力側光ファイバー
１１、１１ａ 第１出力側光ファイバー
１２、１２ａ 第２出力側光ファイバー
１５ 第３出力側光ファイバー
１３、１３ａ、５３ 接合面
１４、１４ａ、５４、５４ａ、６１、６４ 光軸
１６ 入射光
１７、１８、１９、２０、２１、２２、５７、５７ａ、５８、５８ａ 進行方向
３１ 第１モニター部
３２ 第２モニター部
３３、３３ａ、６３ 演算制御部
２１、２２ 進路
４０、４０ａ、１３６ 出力側光ファイバー
４１、４１ａ、１３１ 第１入力側光ファイバー
４２、４２ａ、１３２ 第２入力側光ファイバー
４７ａ フォトニック結晶
３１ａ、６１ａ モニター部
６２ 基準光軸
８０、１０１ フォトニック結晶
８１、１００、１３３ 基板
１０２ Ｖ溝
１０３ Ｖ溝付基板
１０４ 気密容器
１０５ 充填物質
１１０ コの字型基板
１１１ 凸部分
１２０ 入力側光導波路
１２１ ＭＭＩ装置
１２２ 出力側光導波路
１２３ 第１出力部
１２４ 第２出力部
１３４ コア
１３５ Ｙ字型の付け根
１３７ 結合部
Claims (8)
- 屈折率が異なる複数の物質が周期的に配置されることで、周期的屈折率分布を有する第１フォトニック結晶と、屈折率が異なる複数の物質が周期的に配置され、前記第１フォトニック結晶とは異なる周期的屈折率分布を有する第２フォトニック結晶とが接合された複合フォトニック結晶と、
前記複合フォトニック結晶の入射端に配置された入力側光導波路と、
前記第１フォトニック結晶の出射端に配置された第１出力側光導波路と、
前記第２フォトニック結晶の出射端に配置された第２出力側光導波路と、
前記入力側光導波路から前記第１フォトニック結晶および前記第２フォトニック結晶へそれぞれ出力される光信号の分岐比が所定の比率となる制御、または、前記入力側光導波路から前記第１フォトニック結晶のみへ光信号を出力する制御、または、前記入力側光導波路から前記２フォトニック結晶のみへ光信号を出力する制御のいずれかを行う外部駆動部とを備え、
前記分岐比は、前記入力側光導波路と前記第１フォトニック結晶とが重なる面積と、前記入力側光導波路と前記第２フォトニック結晶とが重なる面積との比により決定されることを特徴とする光デバイス。 - 屈折率が異なる複数の物質が周期的に配置されることで、周期的屈折率分布を有する第１フォトニック結晶と、屈折率が異なる複数の物質が周期的に配置され、前記第１フォトニック結晶とは異なる周期的屈折率分布を有する第２フォトニック結晶とが接合された複合フォトニック結晶と、
前記第１フォトニック結晶の入射端に配置された第１入力側光導波路と、
前記第２フォトニック結晶の入射端に配置された第２入力側光導波路と、
前記複合フォトニック結晶の出射端に配置された出力側光導波路と、
前記第１フォトニック結晶および前記第２フォトニック結晶から前記出力側光導波路へそれぞれ出力される光信号の結合比が所定の比率となる制御、または、前記第１フォトニック結晶からのみ前記出力側光導波路へ光信号を出力する制御、または、前記２フォトニック結晶からのみ前記出力側光導波路へ光信号を出力する制御のいずれかを行う外部駆動部とを備え、
前記結合比は、前記出力側光導波路と前記第１フォトニック結晶とが重なる面積と、前記出力側光導波路と前記第２フォトニック結晶とが重なる面積との比により決定されることを特徴とする光デバイス。 - 前記外部駆動部は、前記入力側光導波路または前記複合フォトニック結晶のいずれかを移動させることを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。
- 前記外部駆動部は、前記出力側光導波路または前記複合フォトニック結晶のいずれかを移動させることを特徴とする請求項２に記載の光デバイス。
- 前記第１出力側光導波路および前記第２出力側光導波路中を伝搬する光量をモニターするモニター部と、
前記モニター部からの出力に基づき、前記分岐比が前記所定の比率となるように前記外部駆動部を制御する演算制御部とを備えたことを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。 - 前記出力側光導波路中を伝搬する光量をモニターするモニター部と、
前記モニター部からの出力に基づき、前記結合比が前記所定の比率となるように前記外部駆動部を制御する演算制御部とを備えたことを特徴とする請求項２に記載の光デバイス。 - 前記第１フォトニック結晶および前記第２フォトニック結晶は、それぞれ共に、複数の異なる屈折率を有する物質が周期的に配列されている２次元または３次元格子構造を有し、かつ、基本格子ベクトルで構成される一組の２次元格子構造が３回よりも大きい数の回転対称軸を持たない格子構造であって、
前記第１フォトニック結晶の第１基本格子ベクトルと前記第２フォトニック結晶の第１基本格子ベクトルの方向は平行であって、かつ前記第１フォトニック結晶と前記第２フォトニック結晶とが接合された接合面に平行であり、
前記第１フォトニック結晶の第２基本格子ベクトルと前記第２フォトニック結晶の第２基本格子ベクトルの方向は前記接合面に対して対称であることを特徴とする請求項１または２に記載の光デバイス。 - 前記第１フォトニック結晶および前記第２フォトニック結晶は、それぞれ共に、屈折率の異なる第１物質と柱状物質とを備え、複数の前記柱状物質の軸が平行となるように前記柱状物質が周期的に第１物質中に配列されている２次元格子構造を有し、
前記第１フォトニック結晶および前記第２フォトニック結晶の各基本格子ベクトル間の角度は共に、９０°以下の方の角度が６０°よりも大きく９０°よりも小さい角度であって、
前記第１フォトニック結晶の第１基本格子ベクトルと前記第２フォトニック結晶の第１基本格子ベクトルの方向は平行であって、かつ前記第１フォトニック結晶と前記第２フォトニック結晶とが接合された接合面に平行であり、
前記第１フォトニック結晶の第２基本格子ベクトルと前記第２フォトニック結晶の第２基本格子ベクトルの方向は前記接合面に対して対称であることを特徴とする請求項１または２に記載の光デバイス。
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