JP4980090B2 - 受光デバイス、光空間伝送装置、および受信装置 - Google Patents

Description

本発明は、光空間伝送で使用される受光デバイス、光空間伝送装置および受信装置に関する。例えば、フォトニック結晶を利用して集光する受光デバイス、光空間伝送装置および受信装置に関する。

光空間伝送において送信部と受信部の光軸が合っているのが理想的であるが、現実的には、固定送信部と固定受信部のアライメント不良による静的軸ズレや、送信部と受信部の少なくとも一方が移動体である場合の動的軸ズレが存在する。

軸ズレが発生すると受光レベルの低下によりＳＮ劣化、誤り率の増加による伝送レート低下、送信パワーの増加などの問題が生じる。

さらに、高速応答する受光素子になるほど受光面積が小さくなるので、軸ズレの影響が顕著となる。なお、ここで記載した軸ズレは、位置ズレと角度ズレの両者を含んでいる。

光空間伝送の場合、自由空間伝搬中にビーム径はある程度広がっているので位置ズレよりも角度ズレが特に問題である。しかし、面積の小さな受光素子に集光するための従来のレンズなどは、分散面が制御不可能な曲面であるために入射角の変動により集光位置が敏感に変化するので利得の劣化をもたらす。

ところで、最近、フォトニック結晶の結晶格子の設計によって分散面を自由に制御するフォトニックバンドエンジニアリングの研究が盛んであり、結合光学系への応用もある。

例えば、入射光を集光する集光部と、所定の波長領域において入射状態（角度・位置）に依らず一定方向に伝搬させる平坦な分散面を有するフォトニック結晶と、受光素子とで構成される結合光学系もある（例えば、特許文献１参照）。

図１０は、結合光学系として特許文献１で開示されている固体撮像素子の単位画素の断面図を示している。図１０（ａ）は、入射光が垂直に入射する場合の様子を、図１０（ｂ）は、入射光が斜めに入射する場合の様子をそれぞれ示している。

固体撮像素子２００の上方から入射光が入る。シリコン基板１０１上に受光素子１０２（シリコンｐ−ｉ−ｎ構造）が形成されており、その上方の開口部以外には、スミア防止のためＡｌ遮光層１０３が設けられている。フォトニック結晶１０７が遮光層１０３を埋め込むように形成されており、その上には、アクリル層１０４、カラーフィルタ層１０５、マイクロレンズ１０６が形成されている。マイクロレンズ１０６の焦点距離は、受光素子１０２の受光面になるように調整されている。

図１１に、青色フォトニック結晶１０７の具体的な構造を示す。図１１において、光は左から様々な角度で入射され、右側が出射側（受光面側）となっている。フォトニック結晶１０７は、Ｘ方向およびＺ方向に屈折率周期構造をもった二次元フォトニック結晶であり、Ｙ方向には屈折率は一様である。屈折率１．４５のＳｉＯ_２の中に、半径０．１１３μｍの球状のＳｉ_３Ｎ_４（屈折率２．０）が、０．２５μｍの間隔で正方格子状に三次元配置されており、光の進行方向にはＳｉ_３Ｎ_４が９層形成されている。

このような構造を有する青色フォトニック結晶１０７の分散面は、図１２のようになる。つまり、ほぼ青色である波長５００ｎｍの光に対しては、ほぼ正方の分散面を有する。このような分散面をもつフォトニック結晶１０７に対して、青色光が入射すると、入射角に無関係に分散面に垂直な方向に、光は進行する。固体撮像素子２００においては、青色に対する分散面に垂直な方向に受光素子１０２が形成されているので、フォトニック結晶１０７に入射された青色光はフォトニック結晶１０７内で平行な導波光となり、すべて受光素子１０２に向かうようになる。

図１０（ａ）において、入射光１０９はマイクロレンズ１０６で集光され、カラーフィルタ層１０５およびアクリル層１０４を通過するにしたがい、スポット径が小さくなる。ところがフォトニック結晶１０７に入ると全ての光の進行が受光素子１０２の受光面の垂直方向に曲げられるため、全ての入射光は遮光層１０３の開口部を通過して、受光素子１０２に到達する。

一方、図１０（ｂ）において、斜め入射光１１０は、上記同様、マイクロレンズ１０６で集光されスポット径が小さくなり、フォトニック結晶１０７の界面に達すると、光の進行方向を受光素子１０２の受光面の垂直方向に向けられる。このため、斜めから入射する入射光１１０についても、その大部分を受光素子１０２に集光させることができる。
特開２００５−２０３６７６号公報

しかしながら、特許文献１に示すような従来の結合光学系は、マイクロレンズ１０６といった光学レンズを用いて集光させるために、光学レンズが有する収差の影響を受けてしまう。例えば、そのために光の入射角によって感度が変わってしまう。

本発明は、上述した従来の課題を解決するもので、光学レンズを用いることなく、できるだけ入射角度に関係なく入射光を精度よく受光できる受光デバイス、光空間伝送装置および受信装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、第１の本発明は、
受光素子と、
出力面が前記受光素子の受光面に近接するか接し、入力面上の任意点と前記任意点に入力された光が前記受光素子の前記受光面上で受光される受光点とを結ぶ第１の線分上の任意点の分散面が平坦であり、かつ前記分散面の垂線が前記第１の線分に平行である集光体と、を備え、
前記集光体は、それぞれが前記入力面の一部および前記出力面の一部を含んでいるブロックに分割されており、
前記各ブロックの前記入力面上の任意点とその任意点に入力された光が前記受光素子の前記受光面上で受光される受光点とを結ぶ第２の線分が、そのブロックの外形と交差する交点は、前記入力面上の点と前記出力面上の点の２点であり、
前記各ブロックは、前記各ブロックの前記一部の入力面の中点と前記一部の出力面の中点とを結ぶ前記各ブロックの第３の線分が、互いに非平行で、前記集光体の前記入力面から前記受光素子方向に集中するように配置されている、受光デバイスである。

また、第２の本発明は、
各前記分散面の垂線は、前記受光素子の光軸に対して対称になっている、第１の本発明の受光デバイスである。

また、第３の本発明は、
前記集光体は、前記第１の線分の方向の変化に伴って結晶格子が変化するフォトニック結晶で構成されている、第１の本発明の受光デバイスである。

また、第４の本発明は、
前記フォトニック結晶は、正ｎ角格子（ｎは３以上の自然数）で構成されており、前記結晶格子の第１の格子ベクトルは、前記第１の線分の前記受光点に向かう側の方向を向いている、第３の本発明の受光デバイスである。

また、第５の本発明は、
前記フォトニック結晶が構成する前記正ｎ角格子は、前記第１の線分の方向で決まる正ｎ角格子であり、ブリルアンゾーンの特定の方向の最大波数と最小波数の比がｓｉｎ（π／ｎ）である、第４の本発明の受光デバイスである。

また、第６の本発明は、
前記フォトニック結晶は、３よりも低い対称性を有する結晶格子で構成されており、
前記結晶格子の第１の格子ベクトルは、いずれも前記受光素子の光軸と平行で、前記受光素子に向いており、
前記結晶格子の他の格子ベクトルは、前記第１の線分の方向によって変化する格子ベクトルであり、前記第１の格子ベクトルとでなす内角が９０°以上である、第３の本発明の受光デバイスである。

また、第７の本発明は、
前記フォトニック結晶は、所定波長の０．４〜０．６倍の格子定数と、格子点上の所定波長の０．０８〜０．３倍の半径の円とで構成されている、第６の本発明の受光デバイスである。

また、第８の本発明は、
前記フォトニック結晶の結晶格子の各格子ベクトルは、前記受光素子の光軸に対して対称である、第３乃至第７のいずれかの本発明の受光デバイスである。

また、第９の本発明は、
前記分散面の各垂線は、所定波長において前記第１の線分の方向に平行であり、
前記分散面は、波長によって変化する、第１の本発明の受光デバイスである。

また、第１０の本発明は、
前記集光体は、前記所定波長のみを前記受光素子に集光させる、第９の本発明の受光デバイスである。

また、第１１の本発明は、
第１の本発明の受光デバイスを有する受光ユニットを備えた光空間伝送装置である。

また、第１２の本発明は、
第１の本発明の受光デバイスと、
光伝送路と、
前記光伝送路と前記受光デバイスの前記受光部との相対位置を変化させる機構部と、を備えた受信装置である。

また、第１３の本発明は、
前記機構部は、前記受光部を中心に前記光伝送路の出力方向が相対的に回転する機構を有する、第１２の本発明の受信装置である。

また、第１４の本発明は、
前記機構部は、前記受光部の光軸を中心に前記光伝送路の出力方向が相対的に回転する機構を有する、第１２の本発明の受信装置である。

本発明により、光学レンズを用いることなく、できるだけ入射角度に関係なく入射光を精度よく受光できる受光デバイス、光空間伝送装置および受信装置を提供できる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１の受光デバイスの構成概要図を示している。

図２は、本実施の形態１の受光デバイスの集光器の、分散面と伝搬方向を説明する概要図を示している。図２（ａ）は逆格子空間を、図２（ｂ）は実空間をそれぞれ示している。

図３は、本実施の形態１の受光デバイスの光軸上の分散面の概要図を示している。図３（ａ）は、フォトニック結晶のブリルアンゾーン内の分散曲線を、図３（ｂ）は、逆格子空間でのブリルアンゾーンの形状をそれぞれ示している。

また、図４は、本実施の形態１の受光デバイスの軸ズレ位置での分散面の概要図を示している。図４（ａ）は、フォトニック結晶のブリルアンゾーン内の分散曲線を、図４（ｂ）は、逆格子空間でのブリルアンゾーンの形状をそれぞれ示している。

なお、各図において、同じ構成部分には、同じ符号を用いている。

まず、図１〜図４を用いて、本実施の形態１の受光デバイスの構成について説明する。

本実施の形態１の受光デバイスは、図１に示すように、光源（図示せず）から自由空間１で隔てられて配置されており、受光素子３と、受光素子３の入射面の近傍に配置された集光器８で構成されている。

集光器８には、平行な入射光１６が境界面１５から入射する。そして、集光器８は、第１基本格子ベクトル４が、入射位置で変化する入射位置５を起点とする受光素子３方向に平行で、異なる屈折率が周期的に正方格子６状に配置されたフォトニック結晶７の集合体を具備している。

なお、受光素子３の入射面が、本発明の受光面の一例にあたり、集光器８が、本発明の集光体の一例にあたる。また、集光器８の境界面１５が、本発明の入力面の一例にあたり、入射位置５が、本発明の入力面上の任意点の一例にあたる。また、第１基本格子ベクトル４が、本発明の第１の格子ベクトルの一例にあたる。また、正方格子６状に配置されたフォトニック結晶７が、本発明の正ｎ角格子で構成されているフォトニック結晶の一例にあたる。

また、集光器８は、集光器８の出力面から出射される光が受光素子３の入射面に入射するように配置されていればよく、集光器８の出力面と受光素子３の入射面が接していてもよいし、近接して配置されていてもよい。

そして、入射位置５を起点とする受光素子３方向に平行に第１基本格子ベクトル４方向が変化する正方格子のフォトニック結晶７の、所定の波長領域における分散面のブリルアンゾーン（ＢＺ）９のＸ方向１０の波数ＡとＭ方向１１の波数Ｂの比がほぼｓｉｎ（π／４）であり、第１基本格子ベクトル４が、受光素子３の光軸に対して対称になるように配置されている。ただし、本実施の形態１の受光デバイスは光軸対称なので、図１は受光デバイスの光軸２を含む断面図である。

なお、平坦な分散面の垂線がその入射位置５を起点とした受光素子３方向に平行となっている、各入射位置５ごとに分割された図１の点線で区切った各ブロックが、本発明の、それぞれが入力面の一部および出力面の一部を含んでいるブロックの一例にあたる。

これらのブロックは、各ブロックの境界面１５上のある点、例えば中点と受光素子３の入射面近傍に配置されている出力面上の中点とを結ぶ各ブロックの線分が、互いに非平行で、集光器８の境界面１５から受光素子３方向に集中するように配置する。したがって、各ブロックの入力面上の任意の点と、その点に入射した光が集光器８の出力面から出力され受光素子３に入射する受光点とを結ぶ線分は、集光器８の入力面上の点と出力面上の点の２点でのみ、そのブロックの外形と交差することになる。

なお、図１では、作図のし易さから集光器８を、分散面の垂線が同一方向に向いた平坦な分散面ごとのブロックに分割した例を示したが、これらのブロックの分割間隔を０にして、連続的に平坦な分散面の垂線方向が変化するようにフォトニック結晶７の構造が変化する構成にするとなお良い。

また、入射方向の分散面が平坦で垂線が入射位置５を起点とした受光素子３方向に平行であれば、入射光１６が入射する境界面１５は、図１のように曲面であっても平面であっても良く、任意形状でよい。

次に、図２〜図４を使用して、正方格子のフォトニック結晶７の第１基本格子ベクトル４が、入射位置５を起点とした受光素子３方向に平行に変化する、集光器８内での光伝搬のメカニズムについて、２次元モデルで説明する。

まず、受光素子３の光軸２上に入射する光線について説明する。

一般に、正方格子のフォトニック結晶のＢＺ内の分散曲線は図３（ａ）に示すとおりになり、所定波長（周波数）ω１でのＸ方向とＭ方向の波数はそれぞれＡとＢとなる。逆格子空間でのＢＺの形状は図３（ｂ）のように正方形となり、前記Ｘ方向とＭ方向はそれぞれその正方形のＢＺの線分の中点と対角点となる。したがって、ＡとＢの比をｓｉｎ（π／４）となるようにフォトニック結晶７を設計すると、正方格子のフォトニック結晶７の分散面１２は、近接する逆格子点を中心とした波数を半径とした球を漸近面とする曲面であるので、近似的に太実線で示すＭ方向が丸くＸ方向が平坦な正方形となる。

光軸２上に軸ズレ入射した光線の境界面１５の接線方向（光軸２に垂直な方向）は、運動量が保存されるため集光器８内の光軸２に垂直な波数成分は変化しない。したがって、集光器８内の伝搬光１３の方向は、円形の空気の分散面１４上の入射光１６の点を通る光軸２に平行な線と、正方格子のフォトニック結晶７の正方形の分散面１２との交点での分散面１２の傾き（分散面１２の垂線）方向となる。すなわち、入射角度が変化して空気の分散面１４上で位置が変化しても、集光器８内の分散面１２の垂線方向は光軸２方向で一定なので、光軸２上に入射する任意角度の入射光は必ず光軸２方向に伝搬し、受光素子３に結合される。

次に、光軸２から離れた位置に入射する光線について説明する。

図２（ａ）、（ｂ）において、ｒ_１は光軸２に対するｒ方向の位置を示しており、光軸２の右側はｒ_１＞０の場合を、光軸２の左側はｒ_１＜０の場合をそれぞれ示している。

光軸２からｒ＝ｒ_１離れた入射位置の、正方格子のフォトニック結晶７の第１基本格子ベクトル４（ａ_１（ｒ_１））の方向は、図２（ｂ）のようにｒ＝ｒ_１の入射位置を起点とした受光素子３方向となる。この場合の正方格子のフォトニック結晶７のＢＺ内の分散曲線は図４（ａ）に示すとおり、入射位置が光軸２上の場合の図３（ａ）と同じであるが、正方形のＢＺが図４（ｂ）のように境界面１５の接線方向に対して傾斜するので、正方形の分散面１２も同様に境界面１５の接線方向に対して傾く。

空気の分散面１４と傾いた正方格子の分散面１２の関係から、光軸２から離れた位置に入射する光線は、入射角に依らず、傾いた正方格子の平坦な分散面１２の垂直方向、すなわち、入射位置５を起点とした受光素子３方向へ伝搬する。

なお、受光デバイスは光軸対称の構成であるので、３次元の場合のメカニズムも上記２次元モデルの場合と同様である。

このように、フォトニック結晶７に特有な平坦な分散面１２の垂線方向を、入射位置を起点とした受光素子３方向に配向するように分布させた集光器８を使用することで、集光器８への入射角に依らず、入射光を全て受光素子３方向に伝搬し、結合させることができる。

なお、以上は正方格子の場合であるが、三角格子のような３以上の高対称性を有する場合も同様にバンド端近傍の分散特性を利用することで平坦な分散面の垂線が第１基本格子ベクトル方向に配向するので、その集光器内の３以上の高対称性を有するフォトニック結晶の第１基本格子ベクトルが入射位置を起点とした受光素子方向になるように分布させることで、入射位置に依らず入射光を受光素子に結合させることができる。つまり、正ｎ角格子（ｎは３以上の自然数、代表例としてｎ＝３、４、６）で構成されたフォトニック結晶を、その第１基本格子ベクトルが入射位置を起点とした受光素子方向になるように分布させることで、入射位置に依らず入射光を受光素子に結合させることができる。

（実施の形態２）
図５は、本発明の実施の形態２の受光デバイスの構成概要図を示している。

図６は、本実施の形態２の受光デバイスの集光器の、分散面と伝搬方向を説明する概要図を示している。図６（ａ）は逆格子空間を、図６（ｂ）は実空間をそれぞれ示している。

また、図７は、本実施の形態２の受光デバイスの軸ズレ位置での分散面の概要図を示している。

なお、各図において、同じ構成部分には、同じ符号を用いている。

まず、図５〜図７を用いて、本実施の形態２の受光デバイスの構成について説明する。

本実施の形態２の受光デバイスは、実施の形態１の受光デバイスとは、集光器内のフォトニック結晶の配置が異なっている。

本実施の形態２の受光デバイスは、図５に示すように、光源（図示せず）から自由空間１で隔てられて配置されており、受光素子３と、受光素子３の入射面の近傍に配置された集光器２８で構成されている。

集光器２８は、第１基本格子ベクトル２４が、受光素子３の光軸２に平行であり、第２基本格子ベクトル１７と第１基本格子ベクトル２４との受光素子３方向の内角１８が、入射位置が光軸２上の場合には９０°で、入射位置が光軸２から離れる場合には９０°よりも大きく１２０°よりも小さく、入射位置５で変化する異なる屈折率が周期的に配置されている、３よりも低い対称性を有するフォトニック結晶２７の集合体を具備している。

なお、第１基本格子ベクトル２４が、本発明の第１の格子ベクトルの一例にあたり、第２基本格子ベクトルが、本発明の他の格子ベクトルの一例にあたる。

そして、所定波長の０．４〜０．６倍の格子定数と格子点上の所定波長の０．０８〜０．３倍の半径の円で、入射位置５を起点とした受光素子３方向で方向が決まる第２基本格子ベクトル１７が、光軸２に対して対称配置されている。ただし、本実施の形態２の受光デバイスは光軸対称なので、図５は受光デバイスの光軸２を含む断面図である。

次に、本実施の形態２の受光デバイスの集光器２８内の光線の伝搬方向について、図６および図７の２次元モデルを使用して説明する。

まず、受光素子３の光軸２上に入射する光線について説明する。

集光器２８内の光軸２上のフォトニック結晶２７の第１基本格子ベクトル２４が光軸２に平行な正方格子となるため、この場合の伝搬方向とメカニズムは実施の形態１と同じである。

次に、光線の入射位置が、光軸からｒ＝ｒ_１離れている場合について説明する。

図６（ａ）、（ｂ）において、ｒ_１は光軸２に対するｒ方向の位置を示しており、光軸２の右側はｒ_１＞０の場合を、光軸２の左側はｒ_１＜０の場合をそれぞれ示している。

フォトニック結晶２７の、第１基本格子ベクトル２４と第２基本格子ベクトル１７の受光素子３方向の内角が９０°よりも大きく１２０°よりも小さい場合、ＢＺ９の特定の方向は３個（Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３）となり、所定波長の０.４〜０.６倍の格子定数と格子点上の所定波長の０.０８〜０.３倍の半径の円であれば、１．０から３．０程度の一般的な固体で作製したフォトニック結晶の分散曲線は所定波長においてバンド端近傍にある。そして、所定波長における分散面２２は、図７に示すように近接する逆格子点を中心とした波数を半径とした球を漸近面とする曲面であるので、近似的にＨ２とＨ３方向が双曲あるいは湾曲で、Ｈ１方向がほぼ平坦な太実線のようになる。

このように、第１基本格子ベクトル２４と第２基本格子ベクトル１７の内角が９０°や６０°などの３よりも小さい対称性を有する場合は、バンド端近傍では、平坦な分散面２２の垂線方向は、９０°よりも大きな内角方向、すなわち受光素子３方向に向く。このバンド端近傍に特有の平坦な分散面２２の垂線方向は、第１基本格子ベクトル２４と第２基本格子ベクトル１７の内角で決まるため、入射位置５を起点とした受光素子３方向で内角１８を変化させることで入射位置に依らず常に平坦な分散面２２の垂線方向を受光素子３方向に向けることができる。ただし、以上は、円形状の材料を使用してフォトニック結晶２７を構成したが、大きさが近ければ若干の修正で同様の効果を出せるので、屈折率周期を形成する材料の形状は任意でよい。

このように、フォトニック結晶２７に特有な平坦な分散面２２の垂線方向を入射位置５を起点とした受光素子３方向に配向するように分布させた集光器２８を使用することで、集光器２８への入射角に依らず、入射光を全て受光素子３方向に伝搬し、結合させることができる。

なお、本実施の形態２の受光デバイスは光軸対称の構成であるので、３次元の場合のメカニズムも上記２次元モデルの場合と同様である。

なお、所定波長において、その垂線が入射位置を起点とした受光素子方向に平行な、平坦な分散面を、所定以外の波長においては、入射方向の波数におけるその分散面の接線の垂線方向がその入射位置を起点とした受光素子方向以外に向くようにフォトニック結晶を設計することによって、その集光器にフィルタ機能を付加することができる。また、波長毎に集光位置を変え、それらの各集光位置に各波長の受光素子を配置することで、分波機能を付加することができる。

以上に説明したように、本発明の受光デバイスは、その垂線が入射点を起点とした受光素子方向に平行に配置される平坦な分散面を有する集光体を使用しているので、入射光を入射角度に関係なく受光素子方向に伝搬・集光させることができる。

したがって、本発明の受光デバイスは、空間光伝送において軸ズレ光に対して光軸調整を不要とする高速伝送において有用である。

例えば、本発明の受光デバイスを光空間伝送装置の受光ユニットに用いることにより、デジタルデータを高速に安定して伝送させることができる。

（実施の形態３）
図８および図９は、本発明の実施の形態３の受信装置の構成概要図を示している。

いずれの受信装置も、図１に示した実施の形態１の受光デバイス、または、図５に示した実施の形態２の受光デバイスを利用している。すなわち、図８および図９に示す受光素子５３は、図１および図５に示す受光素子３であり、集光器５２は、集光器８または集光器２８である。また、図８および図９に示す入力面５４は、図１に示す境界面１５のことである。なお、図８および図９において、同じ構成部分には同じ符号を用いている。

集光器５２には、入力面５４に入射した光が、受光素子５３に集光されるように、３次元状のフォトニック結晶の集合体で構成されている。したがって、集光器５２は、入力面５４を底面とする円錐に近似した形状をしている。

図８に示す受信装置の受光デバイスは、例えば、受光素子５３の部分が回転する車軸の先端に取り付けられている。つまり、受光素子５３の光軸５５が車軸に一致するように取り付けられている。

そして、集光器５２の入力面５４から間隙５６を介した位置に、その出力端面がくるように入力用光伝送路５０が配置されている。

図８に示す受信装置は、受光素子５３を中心にして光の入力用光伝送路５０の出力方向が回転するように、受光素子５３に対して相対的に入力用光伝送路５０を回転移動させる機構部（図示せず）を備えている。すなわち、縦回転６０で示すように、入力用光伝送路（回転前）５０は、その機構部によって入力用光伝送路（回転後）５１の位置に移動し、入力面５４に入射していた入射光（回転前）５７は、別の位置から入射する入射光（回転後）５８となる。

受光デバイスも光軸５５を中心に自転５９に示すように回転するため、車軸の振動などにより、入力用光伝送路５０から出力された光は、受光デバイスの入力面５４において動的な軸ずれ状態が発生する。図８に示す本実施の形態３の受信装置は、図１または図５に示した本発明の受光デバイスを利用しているので、入力光の角度に依らず受光素子５３へ集光させることができ、このような軸ずれ状態が発生しても光損失が変化することなく安定した受光を実現できる。

図９は、入力用光伝送路５０の出力方向が、受光素子５３の光軸５５を中心に回転する、本実施の形態３の他の構成の受信装置を示している。

図９は、受光デバイスの入力面５４側から見た図を示している。つまり、図１に示した受光デバイスを紙面に向かって上から見た図であり、図９は、受光デバイスの上面側に投影した図を示している。この場合、入力用光伝送路５０からの出力光は、図９の紙面の斜め手前側から、または真横から受光デバイスの入力面５４に入射する。

図９に示す受信装置では、受光素子５３の光軸５５を中心にして光軸５５とのなす角度を一定に保ちながら光の入力用光伝送路５０の出力方向が回転するように、受光素子５３に対して相対的に入力用光伝送路５０を回転移動させる機構部（図示せず）を備えている。すなわち、横回転６１で示すように、入力用光伝送路（回転前）５０は、その機構部によって、入力用光伝送路（回転後）５１の位置に移動する。

一方、受光デバイスは、図９に示す回転中心６２、すなわち受光素子５３を中心にして移動する機構部を備えている。図９の場合、紙面向こう側の回転中心６２を中心にして、紙面手前側の入力面５４が上下方向、左右方向などに振れるように移動する。

入力用光伝送路５０の回転移動、および受光デバイスの移動により、入力用光伝送路５０から出力された光は、受光デバイスの入力面５４において動的な軸ずれ状態が発生する。図９に示す本実施の形態３の受信装置の場合も、図１または図５に示した本発明の受光デバイスを利用しているので、入力光の角度に依らず受光素子５３へ集光させることができ、このような軸ずれ状態が発生しても光損失が変化することなく安定した受光を実現できる。

このように、本実施の形態３の受信装置は、入力光の角度に依らず受光素子５３へ集光させることができるので、本実施の形態３の受信装置を用いることにより、入力用光伝送路と受光デバイスの相対位置が動的に変化する場合、例えば、機械の回転部やロボットの関節部などに光伝送を応用した場合でも光損失が変化することなく安定した受光を実現できる。

なお、図８および図９の受信装置において、受光素子５３として示した受光部分は光伝送路であっても良い。また、入力用光伝送路５０の出力面と集光器５２の入力面５４の間隙５６は、真空としたり、気体や液体などを充填して使用する。

なお、本発明を別角度から見れば、以下のとおりである。

別の第１の本発明は、
受光素子と、
分散面が平坦であるブロックに分割されており、各前記分散面の垂線が前記受光素子に向かっていることにより、異なる角度をもって入射する各光を前記受光素子に集光させる集光体とを備えた受光デバイスである。

また、別の第２の本発明は、
各前記分散面の垂線は、前記受光素子の光軸に対して対称になっている、別の第１の本発明の受光デバイスである。

また、別の第３の本発明は、
前記集光体は、前記各光が入射する各入射点を起点として前記受光素子に向かって結晶格子が変化するフォトニック結晶で構成されている、別の第１の本発明の受光デバイスである。

また、別の第４の本発明は、
前記フォトニック結晶は、正ｎ角格子（ｎは３以上の自然数）で構成されており、
各前記結晶格子の第１の格子ベクトルは、それぞれ、各前記入射点を起点として前記受光素子に向かう方向を向いている、別の第３の本発明の受光デバイスである。

また、別の第５の本発明は、
前記フォトニック結晶が構成する前記正ｎ角格子は、各前記入射点を起点として前記受光素子に向かう方向で決まる正ｎ角格子であり、ブリルアンゾーンの特定の方向の最大波数と最小波数の比がｓｉｎ（π／ｎ）である、別の第４の本発明の受光デバイスである。

また、別の第６の本発明は、
前記フォトニック結晶は、３よりも低い対称性を有する結晶格子で構成されており、
前記結晶格子の第１の格子ベクトルは、いずれも前記光軸と平行で前記受光素子に向いており、
前記結晶格子の他の格子ベクトルは、各前記入射点を起点として前記受光素子に向かう方向によって変化する格子ベクトルであり、前記第１の格子ベクトルとでなす内角が９０°以上である、別の第３の本発明の受光デバイスである。

また、別の第７の本発明は、
前記フォトニック結晶は、所定波長の０．４〜０．６倍の格子定数と、格子点上の所定波長の０．０８〜０．３倍の半径の円とで構成されている、別の第６の本発明の受光デバイスである。

また、別の第８の本発明は、
前記フォトニック結晶の結晶格子の各格子ベクトルは、前記光軸に対して対称である、別の第３乃至第７の本発明の受光デバイスである。

また、別の第９の本発明は、
前記分散面の各垂線は、所定波長において前記受光素子に向かっており、
前記分散面は、波長によって変化する、別の第１の本発明の受光デバイスである。

また、別の第１０の本発明は、
前記集光体は、前記所定波長のみを前記受光素子に集光させる、別の第９の本発明の受光デバイスである。

また、別の第１１の本発明は、
別の第１の本発明の受光デバイスを有する受光ユニットを備えた光空間伝送装置である。

本発明に係る受光デバイス、光空間伝送装置および受信装置は、光学レンズを用いることなく、できるだけ入射角度に関係なく入射光を精度よく受光できる効果を有し、光空間伝送で使用される受光デバイス、光空間伝送装置および受信装置等に有用である。

本発明の実施の形態１の受光デバイスの構成概要図 （ａ）本発明の実施の形態１の受光デバイスの集光器の、逆格子空間における分散面と伝搬方向の関係を説明する概要図、（ｂ）本発明の実施の形態１の受光デバイスの集光器の、実空間における分散面と伝搬方向の関係を説明する概要図 （ａ）本発明の実施の形態１の受光デバイスの集光器の、光軸上の分散面の、フォトニック結晶のブリルアンゾーン内の分散曲線を示す図、（ｂ）本発明の実施の形態１の受光デバイスの集光器の、逆格子空間における光軸上の分散面のブリルアンゾーンの形状を示す図 （ａ）本発明の実施の形態１の受光デバイスの集光器の、軸ズレ位置での分散面の、フォトニック結晶のブリルアンゾーン内の分散曲線を示す図、（ｂ）本発明の実施の形態１の受光デバイスの集光器の、逆格子空間における軸ズレ位置での分散面のブリルアンゾーンの形状を示す図 本発明の実施の形態２の受光デバイスの構成概要図 （ａ）本発明の実施の形態２の受光デバイスの集光器の、逆格子空間における分散面と伝搬方向の関係を説明する概要図、（ｂ）本発明の実施の形態２の受光デバイスの集光器の、実空間における分散面と伝搬方向の関係を説明する概要図 本発明の実施の形態２の受光デバイスの集光器の、軸ズレ位置における分散面の構成概要図 本発明の実施の形態３の受信装置の構成概要図 本発明の実施の形態３の、他の構成の受信装置の構成概要図 （ａ）従来の固体撮像素子に入射光が垂直に入射する場合の様子を示す断面図、（ｂ）従来の固体撮像素子に入射光が斜めに入射する場合の様子を示す断面図 従来の固体撮像素子に使用されるフォトニック結晶の構造図 従来の固体撮像素子に使用されるフォトニック結晶の光学機能を示す図

符号の説明

１ 自由空間
２ 受光素子の光軸
３ 受光素子
４、２４ 第１基本格子ベクトル
５ 入射位置
６ 正方格子
７、２７ フォトニック結晶
８、２８ 集光器
９ ブリルアンゾーン（ＢＺ）
１０ 正方格子のＢＺの特定の方向Ｘ
１１ 正方格子のＢＺの特定の方向Ｍ
１２ 集光器の分散面
１３、２３ 集光器内の伝搬光
１４ 空気の分散面
１５ 境界面
１６ 入射光
１７ 第２基本格子ベクトル
１８ 内角
２２ 集光器の分散面（斜方格子）
５０ 入力用光伝送路（回転前）
５１ 入力用光伝送路（回転後）
５２ 集光器
５３ 受光素子
５４ 入力面
５５ 光軸
５６ 間隙
５７ 入射光（回転前）
５８ 入射光（回転後）
５９ 自転
６０ 縦回転
６１ 横回転
６２ 回転中心

Claims (14)

1. 受光素子と、
   出力面が前記受光素子の受光面に近接するか接し、入力面上の任意点と前記任意点に入力された光が前記受光素子の前記受光面上で受光される受光点とを結ぶ第１の線分上の任意点の分散面が平坦であり、かつ前記分散面の垂線が前記第１の線分に平行である集光体と、を備え、
   前記集光体は、それぞれが前記入力面の一部および前記出力面の一部を含んでいるブロックに分割されており、
   前記各ブロックの前記入力面上の任意点とその任意点に入力された光が前記受光素子の前記受光面上で受光される受光点とを結ぶ第２の線分が、そのブロックの外形と交差する交点は、前記入力面上の点と前記出力面上の点の２点であり、
   前記各ブロックは、前記各ブロックの前記一部の入力面の中点と前記一部の出力面の中点とを結ぶ前記各ブロックの第３の線分が、互いに非平行で、前記集光体の前記入力面から前記受光素子方向に集中するように配置されている、受光デバイス。
2. 各前記分散面の垂線は、前記受光素子の光軸に対して対称になっている、請求項１に記載の受光デバイス。
3. 前記集光体は、前記第１の線分の方向の変化に伴って結晶格子が変化するフォトニック結晶で構成されている、請求項１に記載の受光デバイス。
4. 前記フォトニック結晶は、正ｎ角格子（ｎは３以上の自然数）で構成されており、前記結晶格子の第１の格子ベクトルは、前記第１の線分の前記受光点に向かう側の方向を向いている、請求項３に記載の受光デバイス。
5. 前記フォトニック結晶が構成する前記正ｎ角格子は、前記第１の線分の方向で決まる正ｎ角格子であり、ブリルアンゾーンの特定の方向の最大波数と最小波数の比がｓｉｎ（π／ｎ）である、請求項４に記載の受光デバイス。
6. 前記フォトニック結晶は、３よりも低い対称性を有する結晶格子で構成されており、
   前記結晶格子の第１の格子ベクトルは、いずれも前記受光素子の光軸と平行で、前記受光素子に向いており、
   前記結晶格子の他の格子ベクトルは、前記第１の線分の方向によって変化する格子ベクトルであり、前記第１の格子ベクトルとでなす内角が９０°以上である、請求項３に記載の受光デバイス。
7. 前記フォトニック結晶は、所定波長の０．４〜０．６倍の格子定数と、格子点上の所定波長の０．０８〜０．３倍の半径の円とで構成されている、請求項６に記載の受光デバイス。
8. 前記フォトニック結晶の結晶格子の各格子ベクトルは、前記受光素子の光軸に対して対称である、請求項３乃至７のいずれかに記載の受光デバイス。
9. 前記分散面の各垂線は、所定波長において前記第１の線分の方向に平行であり、
   前記分散面は、波長によって変化する、請求項１に記載の受光デバイス。
10. 前記集光体は、前記所定波長のみを前記受光素子に集光させる、請求項９に記載の受光デバイス。
11. 請求項１に記載の受光デバイスを有する受光ユニットを備えた光空間伝送装置。
12. 請求項１に記載の受光デバイスと、
    光伝送路と、
    前記光伝送路と前記受光デバイスの前記受光部との相対位置を変化させる機構部と、を備えた受信装置。
13. 前記機構部は、前記受光部を中心に前記光伝送路の出力方向が相対的に回転する機構を有する、請求項１２に記載の受信装置。
14. 前記機構部は、前記受光部の光軸を中心に前記光伝送路の出力方向が相対的に回転する機構を有する、請求項１２に記載の受信装置。

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