CN1282001C - 光学装置 - Google Patents

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CN1282001C CNB021060150A CN02106015A CN1282001C CN 1282001 C CN1282001 C CN 1282001C CN B021060150 A CNB021060150 A CN B021060150A CN 02106015 A CN02106015 A CN 02106015A CN 1282001 C CN1282001 C CN 1282001C
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    • G02B6/1225—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths comprising photonic band-gap structures or photonic lattices

Abstract

本发明旨在提供一种可凭借其结构简单、元件数少的光学系统实现小型化的光学装置，这种光学装置不采用复杂的光学系统，无需形成高精度的Y形波导以及多层膜滤光器。为此，在所述光学装置中设置光子晶体，一种具有由多个不同折射率的物质周期排列而成的二维或三维晶格结构，其一组基本格矢构成的二维晶格结构不含大于三次的旋转对称轴。

Description

光学装置
技术领域
本发明涉及用于光通信的光学装置。具体涉及光分支器、滤光器、WDM用光收发模块、光引导器、弯曲波导、光偏向器等光学装置。
背景技术
图17示出了采用作为传统的光学装置的Y分支波导的光分支器。经由输入端光纤181，光入射至光波导结构的Y分支器184，传输至Y状的纤芯186中的光分别进入输出端光纤182与183。Y分支器184由衬底185及位于其上的Y状纤芯186构成。
传统的光学装置中，为了使输入端光纤181及输出端光纤182、183和光波导结构的Y分支器184之间的光接合，必须使光轴高度准确地对准并使其模的形状匹配，这样就存在一个要求装配技术熟练的问题。再者，Y分支器184的分离角度最强也就4°左右，如果Y分支器184太短，便不能充分地使光分开，由此又出现了不能小型化的问题。
又，图18用来说明传统的WDM收发模块。WDM收发模块由光波导与多层膜滤光器构成。
在衬底191上设有：光波导197、1.3μm的光电二极管193、1.55μm的激光二极管194、1.55μm的光电二极管195以及光纤192。
光波导197中设有：金属包层197d、第一纤芯197a、第二纤芯197b、第三纤芯197c以及1.3/1.55μm WDM多层介质膜滤光器198。在金属包层197d上形成：由第一纤芯197a、第二纤芯197b与第三纤芯197c构成的Y形纤芯，以及用以将它们分割的1.3/1.55μm WDM多层介质膜滤光器198。
在衬底191上设置1.3μm的光电二极管193，以与第一纤芯197a耦合。并且，在形成于衬底191的V形槽196上固定地设置光纤192，以与第二纤芯197b耦合。再有，在衬底191上设置1.55μm的激光二极管194和1.55μm的光电二极管195，以与第三纤芯197c耦合。
来自光纤192的1.3/1.55μm WDM信号光入射至第二纤芯197b时，经多层膜滤波器198将信号光分离，波长1.3μm的光传入第一纤芯197a，波长1.55μm的光传入第三纤芯197c。在第一纤芯197a中传输的光为1.3μm的光电二极管193接收。同样地，在第三纤芯197c中传输的光为1.55μm的光电二极管195接收。并且，从1.55μm的激光二极管194反射的光，经第三纤芯197c传输后由多层膜过滤器198引导进入第二纤芯197b，继而送入光纤192。箭头199a指示波长1.3μm光的传输方向，箭头199b指示波长1.55μm光的传输方向。
如此，通过使用WDM收发模块，可以实现波长1.55μm光的双向传输以及波长1.3μm光的单向传输。
但是，传统的WDM收发模块中，必须设置用以跟设有Y形纤芯的光波导197进行波长分离的多层膜滤光器198，这样就增加了部件的数量，存在难以实现低成本制造的问题。
为了解决上述问题，采用光子晶体制作分支器及滤光器等光学装置，是近年来引人注目的发展。例如，利用二维三角晶格的光子晶体制作的波长分波光路，已在特开平11-271541号公报上公开。
还有，在本说明书中，“光子晶体”意指人造的其周期与光波长相当的多维周期结构体。
图19示出了采用特开平11-271541号公报上公开的光子晶体的波长分波光路的结构。通过周期性地排列具有不同折射率的材料，可以产生一般光学晶体所没有的强偏向的波长分散特性，从而实现波长偏向控制。波长分波光路的具体结构如图19(a)所示：衬底200被位于其上下的第一包层201与第二包层202夹在中间，原子介质204被埋设在衬底200上的背景介质203内，它们成二维三角状布置。如图19(b)所示，光信号的入射面208相对光信号的入射方向207有一定的倾角，光信号由出射面209输出。原子介质204的相邻间隔按光信号的波长进行设计，衬底200的厚度使光信号被充分限制在衬底200内，还设计确定了光的行进方向，使光不能大量地从衬底200的面上泄漏。
被构造为上述二维三角晶格的光子晶体，具有格矢与倒格矢相一致的结构。具有这种结构的光子晶体中，即使让光在格矢方向入射，也不能获得强偏向的波长分散特性。为了获得强偏向分散特性，必须让射向光子晶体的光的入射面不与格矢垂直，或者让光倾斜于与格矢方向垂直的入射面入射。在图19(b)中，入射面208相对光信号的入射方向207倾斜一定的角度，就是这个原因。
现就基本格矢(a1、a2)与基本倒格矢(b1、b2)之间的关系作一说明。图20示出了晶格与布里渊区的关系。图20(a)表示正方晶格，图20(b)表示三角晶格。并且，图20中上部表示晶格空间，下部表示逆晶格空间。图中，211为形成晶格的原子介质，212为布里渊区。两种晶格均具有高对称性的结构(例如基本格矢之间等于及小于90°的内角，具有45°、60°、90°的结构)。如图20(a)及图20(b)所示，在正方晶格与三角晶格中，布里渊区的重要对称点分别为(X、M)与(M、K)两点。具有这种结构的场合，向基本格矢(a1、a2)方向入射的光，由于跟布里渊区的重要对称点方向一致，并不显示偏向特性。
另一方面，如图20(c)所示，对于对称性较低的斜交晶格的情况，例如在格矢(a1、a2)之间的内角θ为大于60°小于90°的场合，布里渊区的重要对称点则成为三点(H1、H2、H3)。在这种场合，由于基本格矢(a1、a2)方向的入射光跟布里渊区的重要对称点不相一致，显示出偏向分散。因此，让光垂直于相对基本格矢(a1、a2)垂直的入射面入射时，就会出现强的偏向分散特性。
再有，在特开平11-271541号公报中，在三角晶格以外还记载了正方晶格等其他的晶格排列，但由于在其他晶格排列时因布里渊区与格矢的关系，光学系统也变得复杂，在正方晶格这样的高对称性晶格以外就不能获得跟三角晶格相同的光学系统中的可利用的偏向分散特性。
发明内容
(本发明要解决的课题)
如上所述，采用具有高对称性结构的光子晶体，在图17所示的分支器184以及图18所示的构成WDM收发模块的多层膜滤光器198形成时，必须满足的条件是：使得光子晶体的入射面不垂直于基本格矢(a1、a2)，或者让光相对于垂直基本格矢(a1、a2)的入射面倾斜入射。
为了以这种高对称性结构的光子晶体形成光学装置，在光子晶体制造时的加工精度方面，必须有更高的光学系统入射角度精度，难度很大。
鉴于上述问题的存在，本发明旨在提供结构简单、能以较少的元件构成光学系统的、可以小型化的光学装置，这种光学装置不需要复杂的光学系统、高精度的Y形波导及多层膜滤光器。
(解决课题的手段)
为了实现上述目的，本发明的一种光学装置，其特征在于：设有这样的光子晶体，它具有将具有互相不同的折射率的多种物质周期性地排列的二维或三维晶格结构，且由一组基本格矢构成的二维晶格结构不含大于三次的旋转对称轴。由此，可以实现具有强偏向分散性的光学装置。
并且，也可以设置让光沿上述光子晶体的基本格矢方向入射的入射部分。
并且，上述光子晶体也可以具有相对上述基本格矢方向垂直的入射面，上述入射部分也可以将入射光设为垂直于上述入射面入射。
并且，上述光子晶体，在多个基本格矢内至少可以有一组不同的90°以下的两个基本格矢之间的角度在大于60°小于90°的角度值上。
并且，本发明的另一种光学装置采用这样的光子晶体：它包含第一物质和多种柱状物质，这些柱状物质具有跟上述第一物质相异的折射率，设置于所述第一物质内的多个柱状物质的轴线互相平行，构成具有规定周期性的二维晶格排列，且其一组基本格矢构成的二维晶格结构不含大于三次的旋转对称轴。由此，因采用低对称性的光子晶体，可以制成具有强偏向分散特性的光学装置。
并且，本发明的另一种光学装置采用这样的光子晶体：它包含第一物质和多种柱状物质，这些柱状物质具有跟上述第一物质相异的折射率，设置在所述第一物质内的多个柱状物质的轴线互相平行，构成具有规定周期性的二维晶格排列，且两个基本格矢之间的90°以下的角度值为大于60°小于90°。由此，因多个柱状物质之间可以设置不存在干涉的、具有周期性的排列，可以制成具有强偏向分散特性的光学装置。
并且，最好的情况是：所述光子晶体为片状，设有其折射率低于所述光子晶体第一物质的第一包层与第二包层，所述第一包层与所述第二包层分别贴接在所述片状的光子晶体在膜厚方向的两侧。由此，可以实现无泄漏地在光子晶体中传送光信号的光学装置。
并且，最好设有让光沿所述光子晶体的基本格矢方向入射的入射部分。由此，可以使规定波长的光有较大的角度偏向，可以容易地制成光学装置。
并且，所述光子晶体具有相对基本格矢方向垂直的入射面，所述入射部分也可设置成让光相对所述入射面垂直地入射。
并且，最好将所述光子晶体的二维晶格的晶格常数设为所用光源波长的0.4～0.6倍。由此，可以获得高的偏向分散特性。
并且，所述柱状物质也可以为圆柱形，其半径可以为晶格常数的0.2～0.5倍。
并且，所述第一物质的折射率可以为1.4～1.6，所述柱状物质的折射率可以为0.9～1.1。
并且，第一物质的折射率与柱状物质的折射率之差可以为1.0以上。
并且，第一物质可以采用树脂材料，柱状物质可以为空气。
并且，最好设有：让光沿所述光子晶体的基本格矢方向入射的输入端光波导，以及接收来自所述光子晶体输出的第一输出端光波导与第二输出端光波导。这样，就形成了滤光器。由此，可以容易地、低成本地、小型化地制造这样的滤光器，它可从多种光中分离出所需波长的光。
并且，最好设有：让光沿所述光子晶体的基本格矢方向入射的输入端光纤，接收来自所述光子晶体的输出光的第一输出端光纤与第二输出端光纤，以及分别确定所述输入端光纤、所述第一输出端光纤与第二输出端光纤位置的沟槽。由此，即使采用光纤，也可实现可以简单地进行光轴对准与模匹配的滤光器。
并且，所述第一输出端光纤光轴可以与所述输入端光纤的光轴基本一致，所述第二输出端光纤的光轴与所述输入端光纤的光轴也可以不同。
并且，所述第二输出端光纤的光轴与所述入射侧光纤的光轴之间的距离，也可以跟所述光子晶体在基本格矢方向的长度成比例。
并且，可以设置带有所述沟槽的衬底，且所述衬底可以跟所述光子晶体构成一体。
并且，所述沟槽可以设置在所述第一包层或所述第二包层上。
并且，最好设有：使第一种波长的光与第二种波长的光被传送的光纤，接收所述第一种波长光的第一光接收部分，发送所述第一种波长光的光发送部分，接收所述第二种波长光的第二光接收部分，以及将所述光纤、所述第一光接收部分、所述光发送部分与所述第二光接收部分固定在平面上的衬底。所述光纤设置在所述光子晶体的一端，所述光纤的光轴设为跟所述光子晶体基本格矢方向平行；所述第一光接收部分及光发送部分设置在所述光子晶体另一端，跟所述光纤的光轴位于同一直线；所述第二光接收部分也设置在所述光子晶体的另一端。由此，便形成了WDM收发模块。这样，就可容易地、低成本地且小型化地制成WDM模块。
并且，也可以设有：使第一种波长的光与第二种波长的光被传送的光纤，接收所述第一种波长光的第一光接收部分，发送所述第二种波长光的光发送部分，接收所述第二种波长光的第二光接收部分，以及将所述光纤、所述第一光接收部分、所述光发送部分与所述第二光接收部分固定在平面上的衬底。所述光纤设置在所述光子晶体的一端，所述光纤的光轴设为跟所述光子晶体基本格矢方向平行；所述第一光接收部分设置在所述光子晶体另一端，跟所述光纤的光轴位于同一直线；所述第二光接收部分与所述光发送部分也可以设置在所述光子晶体的另一端。
并且，最好将所述光子晶体的二维晶格的晶格常数设为所述第二种波长的0.4～0.6倍。由此，可以获得高的偏向分散特性。
并且，所述柱状物质也可以为圆柱形，其半径可以为晶格常数的0.2～0.5倍。
并且，所述第一物质的折射率可以为1.4～1.6，所述柱状物质的折射率可以为0.9～1.1。
并且，第一物质的折射率与柱状物质的折射率之差可以为1.0以上。
并且，第一物质可以采用树脂材料，柱状物质可以为空气。
并且，本发明的另一种光学装置设有复合光子晶体，它由两种光子晶体接合而成，接合时使它们的基本格矢在同一方向上；这两种光子晶体是这样的晶体：它们均包含第一物质和多种柱状物质，其所述柱状物质具有跟上述第一物质相异的折射率，布置在所述第一物质内的多个柱状物质的轴线分别构成平行的、具有规定周期性的二维晶格排列，且90°以下的两个基本格矢之间的角度为大于60°至小于90°。由此，可以形成大分支角度的光分支器，因而可以制成低成本的小型光分支器。
并且，最好的情况是：上述复合光子晶体为片状，设有其折射率低于所述复合光子晶体的所述两种光子晶体的第一物质的第一包层与第二包层，所述第一包层与所述第二包层分别贴接在所述复合光子晶体在膜厚方向的两侧。由此，可以实现无光泄漏地在光子晶体中传送光信号的光学装置。
并且，所述两种光子晶体的基本格矢中不在同一方向的基本格矢，可以对于所述两种光子晶体的接合面成线对称。
并且，最好将所述两种光子晶体的二维晶格的晶格常数均设为其使用光源波长的0.4～0.6倍。由此，可获得高的偏向分散特性。
并且，所述柱状物质也可以为圆柱形，其半径可以为晶格常数的0.2～0.5倍。
并且，所述第一物质的折射率可以为1.4～1.6，所述柱状物质的折射率可以为0.9～1.1。
并且，第一物质的折射率与柱状物质的折射率之差可为1.0以上。
并且，第一物质可以采用树脂材料，柱状物质可以为空气。
并且，可以设有：位于所述复合光子晶体接合部的、使光沿所述两种光子晶体基本格矢方向入射的输入端光波导，接收来自所述复合光子晶体中一个光子晶体输出光的第一输出端光波导，以及接收来自所述复合光子晶体中另一光子晶体输出光的第二输出端光波导；所述输入端光波导可以设置于所述复合光子晶体的一端，所述第一输出端光波导与所述第二输出端光波导可以设置在所述复合光子晶体的另一端。
并且，最好设有：位于所述复合光子晶体的接合部的、使光沿所述两种光子晶体基本格矢方向入射的输入端光纤，接收来自所述复合光子晶体中的一个光子晶体输出光的第一输出端光纤，接收来自所述复合光子晶体中另一光子晶体输出光的第二输出端光纤，以及分别确定所述输入端光纤、所述第一输出端光纤与第二输出端光纤位置的沟槽；所述输入端光纤设置在所述复合光子晶体的一端，所述第一输出端光纤与所述第二输出端光纤最好设置在所述复合光子晶体的另一端。由此，即使采用光纤，也可实现可以简单地进行光轴对准与模匹配的光分支器。
并且，设有带所述沟槽的衬底，所述衬底可以跟所述复合光子晶体合为一体。
并且，在所述第一包层或所述第二包层也可以设置所述沟槽。
并且，最好将所述复合光子晶体多个并列而成的并列复合光子晶体在纵向多级地设置。如此，可以制成这样的分支器，它不仅可以将光分为两支，还可进一步分为多支。
并且，本发明的另一种光学装置包含第一物质与多种柱状物质；设置在第一物质内的所述多种柱状物质具有跟所述第一物质相异的折射率；所述多种柱状物质的轴线互相平行，构成具有规定周期性的二维晶格排列，且其以90°角度以下形成的两个基本格矢之间的角度为大于60°小于90°的多个光子晶体、输入端光波导与输出端光波导、所述多个光子晶体、所述输入端光波导以及所述输出端光波导均设于衬底上；所述多个光子晶体在基本格矢方向纵向地相互接合，各光子晶体相互间被设置成使得经邻接的光子晶体偏向的出射光在基本格矢方向传送；位于两端的各光子晶体，与输入端光波导与输出端光波导相连接。由此，可以容易地制成使入射光行进方向改变而出射的偏光器。
所述多个光子晶体的二维晶格的晶格常数均设为其使用光源波长的0.4～0.6倍。由此，可以获得高的偏向分散特性。
并且，所述柱状物质可以为圆柱形，其半径可以为晶格常数的0.2～0.5倍。
并且，所述第一物质的折射率可以为1.4～1.6，所述柱状物质的折射率可以为0.9～1.1。
并且，所述第一物质的折射率与所述柱状物质的折射率之差可以为1.0以上。
并且，所述第一物质可以采用树脂材料，所述柱状物质可以为空气。
并且，可以依据使所述多个光子晶体中光的传输距离相等的目的，确定所述多个光子晶体的尺寸、形状与位置。
并且，所述入射侧光波导的入射光与所述输出侧光波导的出射光所构成的角度，可以为所述多个光子晶体中每个晶体产生的光偏向角度之总和。
并且，本发明的另一种光学装置中设有以如下方式形成的光子晶体：置备具有其轴线相互平行的、以规定周期布置的柱状突起物的模具，将所述模具对着衬底上形成的第一物质片层在所述第一物质的膜厚方向压制，之后将所述模具脱离所述片层，如此就设置了柱形孔，从而形成光子晶体。通过如上工序，可以容易地形成光子晶体。
并且，本发明的另一种光学装置中设有以如下方式形成的光子晶体：在衬底上形成的板状的第一物质上，在形成具有规定周期性的掩膜后，通过对所述掩膜露出部分的刻蚀来设置柱状孔，从而形成光子晶体。通过如上工序，可以容易地形成光子晶体。
并且，本发明的另一种光学装置中设有以如下方式形成的光子晶体：在衬底上形成的板状的第一物质上，形成具有规定周期性的掩膜后，用离子束照射，在上述掩膜的露出部分形成孔痕(トツラク)，再用碱性溶液浸渍以将所述孔痕刻蚀掉，如此便设置了柱状孔，从而形成光子晶体。通过如上工序，可以容易地形成光子晶体。
并且，所述第一物质可以这样形成：将具有流动性的材料涂敷在所述衬底上，进而经均匀扩散来调整所述材料的膜厚，然后使所述材料固化。
并且，最好将具有不同于所述第一物质折射率的物质充填在所述第一物质上所设的所述柱状孔中。这样，可以容易地改变光子晶体的特性。
并且，本发明的另一种光学装置中设有以如下方式形成的光子晶体：在衬底上形成具有规定周期性的突起部分，在所述突起部分之间涂敷流动性材料，在所述衬底上扩散所述材料以调整膜厚，待所述材料固化后，将所述突起部分除去，如此便设置了柱状孔，再充填其折射率跟所述材料相异的物质，从而形成光子晶体。通过如上工序，可以容易地形成光子晶体。
并且，本发明的另一种光学装置中设有以如下方式形成的光子晶体：将水平面设置在跟淀积方向垂直的方向上，在跟所述水平面倾斜的淀积面上，平行地以一维或二维的结构在衬底上形成具有规定周期的图形，在所述衬底上将两种以上的具有不同折射率的材料交互地淀积，于是形成具有二维周期性结构的光子晶体。通过如上工序，可以容易地形成光子晶体。
并且，所述淀积面相对所述水平面的倾角最好为5～25°。由此，可以容易地形成低对称性的光子晶体。
并且，本发明的另一种光学装置中设有以如下方式形成的光子晶体：在衬底上形成具有一维或二维结构的规定周期的图形，以使二维晶格的两个基本格矢之间的90°以下角度为大于60°小于90°的角度值，用两种以上的具有不同折射率的材料在所述衬底上淀积，形成具有二维或三维周期淀积结构的光子晶体。通过如上工序，可以容易地形成低对称性的光子晶体。
并且，所述具有规定周期的图形的周期最好为所用光源波长的0.4～0.6倍。由此，可以形成具有大的偏向分散特性的光子晶体。
附图说明
图1是表示本发明实施例1的光分支器结构的平面图。
图2是表示本发明实施例1的光分支器结构的透视图。
图3给出了本发明实施例1的光分支器的测定结果。
图4是表示本发明实施例2的光分支器的结构的平面图。
图5是表示本发明实施例3的光束引导器的结构的侧视图。
图6是表示本发明实施例4的滤光器的结构的平面图。
图7是表示本发明实施例4的滤光器的结构的透视图。
图8给出了本发明实施例4的滤光器的测定结果，图8(a)为选择光的输出图，图8(b)为非选择光的输出图。
图9是表示本发明实施例5的WDM收发模块的结构的平面图。
图10是表示本发明实施例6的WDM收发模块的结构的平面图。
图11是表示本发明实施例7的光偏向器的结构的平面图。
图12是表示本发明实施例8的光子晶体的制造工序的侧视图，图12(a)为第一工序，图12(b)为第二工序，图12(c)为第三工序。
图13是表示本发明实施例9的光子晶体的制造工序的侧视图，图13(a)为第一工序，图13(b)为第二工序，图13(c)为第三工序。
图14是表示本发明实施例10的光子晶体的制造工序的侧视图，图14(a)为第一工序，图14(b)为第二工序，图14(c)为第三工序。
图15是表示本发明实施例11的光子晶体的结构的示图，图15(a)为衬底的透视图，图15(b)为衬底的侧视图。
图16是表示本发明实施例12的光子晶体的结构的示图，图16(a)为衬底的透视图，图16(b)为衬底的侧视图。
图17是表示传统的光分支器的结构的平面图。
图18是表示传统的WDM收发模块的结构的平面图。
图19是表示传统的波长分波光路的结构图，图19(a)为透视图，图19(b)为平面图。
图20是表示晶格与布里渊区关系的示图，图20(a)为正方晶格，图20(b)为三角晶格，图20(c)为斜交晶格。
(符号说明)
1、31、181：输入端光纤
2、2a、2b、3、3a、3b、32、33、182、183：输出端光纤
4、4a、4b、4c、14：复合光子晶体
5、5a、5b、5c、5d、5e、5f、5g、6、6a、6b、6c、6d：光子晶体
7、7a、7b、7c：接合面
8a、8b：偏向方向
9、82：第一物质
10：柱状物质
11、25、41、52、62、83、91、100、185、191：衬底
12、24、42、53、63、196：V形槽
13、43：板形波导包层
15、29、35、36、75：行进方向
21、51、61、192：光纤
21a、197d：包层
21b：纤芯
26、197：光波导
26a：波导衬底
26b：纤芯
27：上盖
34：光轴
54：激光二极管
55：光电二极管
56：光电二极管
57、58、67、68、199a、199b：箭头
64、66、193、195：光电二极管
65、194：激光二极管
71：输入端波导纤芯
72：输出端波导纤芯
73：偏向光路
74、207：入射方向
76：中心点
81：模具
84：孔洞
85：掩膜
86：离子束
87：孔痕
88：强碱液
92、101：周期结构加工面
93、103：高折射率材料
94、104：低折射率材料
102：凹部
184：Y分支器
186：Y形纤芯
197a：第一纤芯
197b：第二纤芯
197c：第三纤芯
198：WDM介质多层膜滤光器
200：衬底
201：第一包层
202：第二包层
203：背景介质
204、211：原子介质
208：入射面
209：出射面
212：布里渊区
具体实施方式
(实施例1)
现借助图1就本发明实施例1的光学装置进行说明。实施例1的光学装置为光分支器。输入端光纤1连接在复合光子晶体4的一例，复合光子晶体4的另一侧跟输出端光纤2与3连接。复合光子晶体4，由两种光子晶体5、6通过接合面7接合而成。
光子晶体5、6具有二维结构，它们由在第一物质9上周期性布置的圆柱形柱状物质10构成。各柱状物质10的轴线均互相平行。例如，第一物质9可以采用如下物质：SiO2、丙烯酸类树脂(PMMA、UV丙烯酸酯树脂)、环氧树脂、聚酰亚胺类、硅树脂、碳酸酯类的聚碳酸酯等树脂等，而以空气作为柱状物质10。柱状物质10的晶格常数a(柱状物质之间的距离)，最好为传送光波长的0.4～0.6倍。如采用该范围的值，就会有显著的偏向分散特性。柱状物质10的半径r，最好设为晶格常数a的0.2～0.5倍。如此，只要简单地在SiO2衬底上开孔就可以制成光子晶体。
光子晶体5为具对称性的低斜交晶格。光子晶体5的基本格矢a1与输入端光纤1的光轴平行，表达柱状物质10的配置的基本格矢(a1、a2)之间的夹角θ1，最好为60°以上90°以下。
并且，光子晶体6的基本格矢a1也跟输入端光纤1的光轴平行，其晶格结构与光子晶体5的晶格相对于接合面7对称。因此，其基本格矢(a1、a2)之间的夹角θ1为90°以上120°以下。
输入端光纤1的光轴，设于包含接合面7的位置，输出端光纤2与3被各自设置在光子晶体5与6的规定位置上，以与输出光耦合。
而且，复合光子晶体4与输入端光纤1的接合面，跟光子晶体5、6的基本格矢a1相垂直。
光由输入端光纤1入射至复合光子晶体4时，其输出被各一半地输入光子晶体5、6。当规定波长的光在如光子晶体5、6那样的斜交晶格的基本格矢方向上入射时，该光就会发生偏向。再有，通过使第一物质9与柱状物质10的种类、晶格常数a、柱状物质10的半径r、基本格矢(a1、a2)之间的夹角θ1等数值发生改变，可以控制偏向角度及偏向光的波长。
例如，已经确认：如果让入射光在其基本格矢(a1、a2)之间的夹角θ1为60°以上90°以下的、低对称性晶格结构的光子晶体的基本格矢a1方向入射，就可使入射光偏向。
在实施例1中，以使来自入射端光纤1的入射光，在光子晶体5上以偏向方向8a所示的方向发生偏向为条件。光子晶体6具有相对接合面7与光子晶体5对称的晶格结构，因此入射光的偏向方向8b就相对接合面与偏向方向8a对称。如果上述偏向行进的光在复合光子晶体4的输出端的到达部位跟输出端光纤2、3相耦合，被分开的光就可被导入输出端光纤2、3。
而且，通过改变输入端光纤1的光轴相对接合面7的位置，使其向光子晶体5、6的某一方偏移，向光子晶体5、6的分支输出便会发生改变，从而可以对向输出端光纤2、3的光输出实施控制。例如，如让光轴向光子晶体5偏移，输出端光纤2就会比输出端光纤3获得更多的光输出。
实施例1中的光学装置，具体而言，可以采用图2所示的板形波导结构。在有三个V形槽12的衬底11上，淀积片状复合光子晶体4和板形波导包层13，输入端光纤1、输出端光纤2与3被固定在V形槽12上。通过设置V形槽12，可以使光纤容易对准光轴。
衬底11兼具包层的功能，衬底11与板形波导包层13将光子晶体4夹在中间，这样就封闭了作为柱状物质10的空气孔，并可防止光从柱状物质10泄漏。再有，衬底11与板形波导包层13的折射率，至少要低于第一物质9，而与柱状物质10的折射率相比可以相同或偏低，偏低的要好些。如此，除了将光封在内部以外，在垂直于充当包层的衬底11的方向上，形成多层膜，这样就可利用布喇格反射将光封闭在器件内部。
图3给出的测定结果，显示了用图2所示的光学装置使光形成分支的效果。图3中，表示光的输出，来自左侧输入端光纤的直行光在复合光子晶体中被分开，然后在右侧的各输出端光纤中又恢复直行。而且，在第一物质9的折射率为1.5、柱状物质10即空孔的折射率为1.0、光子晶体5的基本格矢(a1、a2)之间的夹角θ1为80°的场合，分支光之间的夹角为12°。
再有，第一物质9的折射率可以为1.4～1.6。柱状物质10的折射率可以为0.9～1.1。并且，第一物质9与柱状物质10的相对折射率差可以为1.0以上。例如，可以采用Si、GaAs或Ti2O5等高折射率材料作为第一物质9，以SiO2等低折射率材料作为柱状物质10。
而且，并非一定要用衬底11与板形波导包层13将光子晶体5夹在中间，可以采用其上下两侧或只是一侧为空气的结构。
并且，为了满足板形波导结构的单模条件，就必须按照第一物质9的折射率，对板形波导包层13与衬底11的折射率和复合光子晶体4的膜厚进行调整。例如，当板形波导包层13或衬底11的折射率跟第一物质9的差为10％以下时，复合光子晶体4的膜厚可以为数μm至10μm，但是如折射率差在10％以上，膜厚就为数μm以下。膜厚为数μm以下的场合，因与光纤的耦合性变差，故不适用。
如上所述，根据实施例1，可以容易地用光子晶体制成光学装置。并且，由于让光在基本格矢a1方向入射，往往可以容易地形成有相对基本格矢a1方向垂直的入射面的光子晶体。并且，可以简单地进行高精度的光轴对准与模匹配。而且，可以制成具有大分离角的光分支器，尺寸小但可充分地将光分开。
(实施例2)
现参照图4，说明本发明实施例2的光学装置。实施例2的光学装置通过多级使用实施例1的复合光子晶体，将光的分支数增加至四支。
图4示出了本发明实施例2光学装置的结构。如图所示，复合光子晶体14由复合光子晶体4a、4b、4c构成。输入端光纤1连接在复合光子晶体4a的端面，复合光子晶体4a的另一端面的一半跟复合光子晶体4b接合，其余下的一半跟复合光子晶体4c接合。输出端光纤3a、3b、2a、2b，分别连接在复合光子晶体4b的另一端和复合光子晶体4c的另一端的规定位置上。
复合光子晶体4a、4b、4c，具有跟图1所示的复合光子晶体4相同的结构。也就是，复合光子晶体4a由其晶格结构相对接合面7a对称的两种光子晶体5a、6a构成，输入端光纤1的光轴设于包含复合光子晶体4a的接合面7a的位置上，使来自输入端光纤1的光分开。
复合光子晶体4b由其晶格结构相对接合面7b对称的两种光子晶体5b、6b构成，其配置使来自复合光子晶体4a的一支光在接合面7b附近入射，该支光分开并被导向输出端光纤3a、3b。
复合光子晶体4c由其晶格结构相对接合面7c对称的两种光子晶体5c、6c构成，其配置使来自复合光子晶体4a的另一支光在接合面7c附近入射，该支光分开并被导向输出端光纤2a、2b。
输出端光纤3a、3b、2a与2b，设置在复合光子晶体4b、4c的分支光的出射位置，将被分支的光向前方传送。也就是，由输入端光纤1入射的光被分开为如光的行进方向15所示的四个分支。
再有，复合光子晶体14通过采用上下夹有包层的光子晶体的板形波导结构来消除光的泄漏。并且，可以再以同样的方式增加复合光子晶体，进一步制成多重光分支器。
如上所述，依据实施例2的光学装置，可以容易地制成四分支器。
(实施例3)
现对照图5，就本发明实施例3的光学装置进行说明。实施例3的光学装置为光束引导器。
图5所示的是实施例3的光学装置的侧视图。在带V形槽24的衬底25上设有：由包层21a与纤芯21b构成的光纤21，其晶格结构与实施例1的光子晶体6相同的板状光子晶体6d，以及具有将纤芯26b嵌入波导衬底26a之结构的光波导26。并且，在光纤21、光子晶体6d与光波导26的上部，设有兼具光波导26包层之功能的上盖27，以面贴合的方式将光纤21的包层21a与光波导26的纤芯26b固定。
光子晶体6d的两个端面，跟光纤21与光波导26接合，光纤21被固定在V形槽24中。光纤21与光波导26各自的纤芯21b与26b的光轴是偏置的。
光子晶体6d，具有跟实施例1的光子晶体6相同的晶体结构，即在第一物质9上周期性地配置柱状物质10而形成的二维结构。所有柱状物质10的轴线均互相平行地设置。例如，第一物质9可以采用如下物质：SiO2、丙烯酸类树脂(PMMA、UV丙烯酸酯树脂)、环氧树脂、聚酰亚胺类、硅树脂、碳酸酯类的聚碳酸酯等树脂等，柱状物质10为空气。最好，柱状物质10的晶格常数a(柱状物质之间的距离)为传送光波长的0.4～0.6倍，柱状物质10的半径r为晶格常数a的0.2～0.5倍。又，光子晶体6d的晶格结构为低对称性的斜交晶格，基本格矢a1与光纤21的纤芯21b的光轴平行，表达柱状物质10的配置的基本格矢(a1、a2)之间的夹角θ2设为90°以上120°以下的值。并且，光子晶体6d与光纤21的接合面跟基本格矢a1相垂直。
来自光纤21并入射至光子晶体6d的、与基本格矢a1平行的规定波长的光，按光的行进方向29所示的规定角度偏向。偏向光的波长及偏向角度，随光子晶体6d的晶体结构而改变，因此可调整晶体结构来设定所需特性。
在经光子晶体6d偏向的光出射的位置，预先设置光波导26的纤芯26b。如此，来自光纤21的入射光，就可入射至与纤芯21b不在同一光轴的光波导26的纤芯26b。
如上所述，按照实施例3的光学装置，可以容易地制成光束引导器，由于其折射率也较大，有可能实现小型化。例如，单模光纤的场合，要产生约60μm的光轴偏移，如采用6°偏向的光子晶体，用约570μm长的光束引导部分就可能实现耦合。
(实施例4)
以下，参照图6说明本发明实施例4的光学装置。实施例4的光学装置为滤光器。
如图6所示，输入端光纤31与光子晶体5d在端面上接合；在光子晶体5d的另一端，设有输出端光纤32与33。输入端光纤31与输出端光纤33处于同一光轴34，但输出端光纤32的光轴与该光轴相偏离。
光子晶体5d，具有跟实施例1的光子晶体5相同的晶格结构。也就是，在第一物质9上周期形配置圆柱形柱状物质10的二维结构。所有柱状物质10的轴线均相互平行。例如，第一物质9可以采用如下物质：SiO2、丙烯酸类树脂(PMMA、UV丙烯酸酯树脂等)、环氧树脂、聚酰亚胺类、硅树脂、碳酸酯类的聚碳酸酯等树脂等，柱状物质10为空气。柱状物质10的晶格常数a(柱状物质之间的距离)最好为传送光波长的0.4～0.6倍，柱状物质10的半径r最好为晶格常数a的0.2～0.5倍。又，光子晶体5d的晶格构造为低对称性的斜交晶格，基本格矢a1与输入端光纤31的光轴平行，表达柱状物质10配置的基本格矢(a1、a2)之间的夹角θ1设为60°以上90°以下的值。
在从光纤31入射至光子晶体5d的、与基本格矢a1平行的光中，偏向光的波长与偏向角度，随光子晶体5d的晶体结构而改变，因此可以通过调整晶体结构来形成具有所需特性的光子晶体。光子晶体5d具有使波长为fk的光(选择光)偏向，而使其余波长的光(非选择光)直行的结构。
当来自输入端光纤31的含波长fk光的多种光入射至光子晶体5d时，波长fk光就按行进方向36偏向，导入输出端光纤32。另外，波长fk以外的光按行进方向35直行，被导入输出端光纤33。采用这种结构，可以制成将所需波长fk的光取出的滤光器。另外，输出端光纤32被设置于选择光经偏向后从光子晶体5d出射的位置。
并且，输出端光纤32的光轴位置，按光子晶体5d横宽的比例偏离输出端光纤33的光轴进行设置。也就是，如果加大光子晶体5d的尺寸，输出端光纤32与33之间的距离也可加大。
实施例4的光学装置，具体也可以采用图7所示的板形波导结构。在带三个V形槽42的衬底41上淀积板状光子晶体5d与板形波导包层43，在V形槽42中固定设置输入端光纤31以及输出端光纤32与33。通过设置V形槽42，可以使定位容易。
衬底41兼具包层的作用，衬底41与板形波导包层43将光子晶体5d夹在中间，这样就封闭了作为柱状物质10的空气孔，并可防止光从柱状物质10处泄漏。再有，衬底41与板形波导包层43的折射率，至少要低于第一物质，而与柱状物质的折射率相比可以相同或偏低，偏低的要好些。如此，除了将光封在内部以外，在垂直于充当包层的衬底41的方向上，形成多层膜，这样就可利用布喇格反射将光封闭在器件内部。
对图7所示的光学装置的实测结果如图8所示。由图8(a)所示可知选择光入射时的光输出情况：来自左侧输入端光纤的直行的选择光，在光子晶体中被偏向6°，在到达右侧的输出端光纤后再继续直行。再由图8(b)所示可知非选择光入射时的光输出情况：非选择光在左侧输入端光纤、光子晶体以及输出端光纤中均保持直行。而且，第一物质9的折射率为折射率为1.5，柱状物质10为空孔，其折射率为1.0，光子晶体5d的基本格矢(a1、a2)之间的夹角θ1为80°。
再有，第一物质9的折射率可以为1.4～1.6。柱状物质10的折射率可以为0.9～1.1。并且，第一物质9与柱状物质10的相对折射率差可以为1.0以上。例如，可以采用Si、GaAs或Ti2O5等高折射率材料作为第一物质9，以SiO2等低折射率材料作为柱状物质10。
而且，并非一定要用衬底41与板形波导包层43将光子晶体5夹在中间，也可以采用其上下两侧或只是任意一侧为空气的结构。
并且，为了满足板形波导结构的单模条件，就必须按照第一物质9的折射率，对板形波导包层43与衬底41的折射率和光子晶体5d的膜厚进行调整。例如，当板形波导包层43或衬底41的折射率跟第一物质9的差为10％以下时，光子晶体5d的膜厚可以为数μm至10μm，但是如折射率差在10％以上时，膜厚就为数μm以下。膜厚为数μm以下的场合，因与光纤的耦合性变差，故不适用。
如上所述，根据实施例4，可以容易地用光子晶体制成光学装置。
(实施例5)
以下，参照图9对本发明实施例5的光学装置进行说明。如图9所示，在带V形槽53的衬底52上设有：固定于V形槽53的WDM(1.3μm、1.55μm)的二波长传输光纤51、板状光子晶体5e、1.55μm激光二极管54、1.55μm光电二极管55以及1.3μm光电二极管56。
光子晶体5e具有跟实施例1的光子晶体5相同的晶格结构。也就是，在第一物质上周期性配置圆柱形柱状物质的二维结构。所有柱状物质的轴线均相互平行。例如，第一物质可以采用如下物质：SiO2、丙烯酸类树脂(PMMA、UV丙烯酸酯树脂等)、环氧树脂、聚酰亚胺类、硅树脂、碳酸酯类的聚碳酸酯等树脂等，柱状物质为空气。柱状物质的晶格常数a(柱状物质之间的距离)最好为传送光波长的0.4～0.6倍，柱状物质的半径r最好为晶格常数a的0.2～0.5倍。又，光子晶体5e的晶格构造为低对称性的斜交晶格，基本格矢a1与输入端光纤51的光轴平行，表达柱状物质配置的基本格矢(a1、a2)之间的夹角θ1为60°以上90°以下的值。并且，光子晶体5e的晶体结构经过调整后，从光子晶体5e的基本格矢a1方向入射(与光的入射位置无关)的波长为1.3μm的光有较大偏向，而波长为1.55μm的光不发生偏向保持直行。
在光子晶体5e上设置其折射率低于第一物质的板形波导包层(未作图示)。1.55μm的激光二极管54和1.55μm的光电二极管55均位于输入端光纤51的光轴上，它们被设置在光子晶体5e的相对光纤51而言的对侧。又，1.3μm的光电二极管56被偏离光纤51的光轴设置，其偏离距离跟使光在光子晶体5e中偏向的光子晶体5e的横向长度成比例。
当来自光纤51的1.3/1.55μm WDM信号光入射至光子晶体5e时，波长1.3μm的光偏向，为1.3μm的光电二极管56所接收。波长1.55μm的光保持直行，为1.55μm的光电二极管55所接收。并且，1.55μm的激光二极管54出射的信号光，在光子晶体5e中保持直行，被传送至光纤51。再有，箭头58表示波长1.3μm的光的传送方向，箭头57表示波长1.55μm的光的传送方向。
如此，通过实施例5的光学装置，可以用波长1.55μm的光进行双向通信，也可以用波长1.3μm的光只作接收通信。
如上所述，依据实施例5的光学装置，可以只用较少的元件就简单地制成WDM收发模块，而无需Y形波导和波长分离用的多层膜滤光器。
(实施例6)
以下参照图10，就本发明实施例6的光学装置进行说明。如图10所示，在带V形槽63的衬底62上设有：固定于V形槽63的WDM(1.3μm、1.55μm)二波长传输光纤61、板状光子晶体5f、1.55μm光电二极管64、1.3μm激光二极管65及1.3μm光电二极管66。
光子晶体5f具有跟实施例5的光子晶体5e相同的晶格结构，也就是，具有在第一物质上周期性地配置圆柱形柱状物质的二维结构。所以柱状物质的轴线均相互平行。例如，第一物质可采用：SiO2、丙烯酸类树脂(PMMA、UV丙稀酸酯树脂等)、环氧树脂、聚酰亚胺树脂、碳酸酯类的聚碳酸酯等树脂，柱状物质可为空气。柱状物质的晶格常数a(柱状物质之间的距离)最好为传输光波长的0.4～0.6倍，柱状物质的半径r最好为晶格常数a的0.2～0.5倍。并且，光子晶体5f的晶格结构为低对称性斜交晶格，基本格矢a1与光纤61的光轴平行，表达柱状物质配置的基本格矢(a1、a2)之间的夹角θ1取60°以上90°以下的值。并且，在对光子晶体5f的晶体结构作了调整后，光子晶体5f具有这样的特性：当光从基本格矢a1的方向入射时(与入射位置无关)，只有波长为1.3μm的光有大的偏向，而波长为1.55μm的光不发生偏向保持直行。
光子晶体5f上，设有其折射率低于第一物质的板形波导包层(未作图示)。1.55μm的光电二极管64位于输入端光纤61的光轴上，设置在光子晶体5f上光纤61的相对侧。并且，1.3μm的激光二极管65和1.3μm的光电二极管66，设在偏离光纤61光轴的偏向光的出射位置上，在光子晶体5f中光的偏向距离跟光子晶体5f的横向长度成比例，偏离光纤61的位置即由此确定。
1.3/1.55μm WDM信号光从光纤61入射至光子晶体5f后，波长1.3μm的光被偏向，由1.3μm光电二极管66接收。并且，从1.3μm激光二极管65发射的信号光，经光子晶体5f偏向后传送至光纤61。波长1.55μm的光向前直行，由1.55μm光电二极管接收。再有，箭头68表示波长1.3μm光的传送方向，箭头67表示波长1.55μm光的传送方向。
如此，采用实施例6的光学装置，可进行波长1.3μm的光的双向通信，但只进行接收波长1.55μm的光的通信。
如上所述，依据实施例6的光学装置，可以用较少的元件制成结构简单的WDM收发模块，而不需要Y形波导及用于波长分离的多层膜滤光器。
再有，在实施例5、6中，波长1.55μm的光向前直行，波长1.3μm的光产生偏向；但是通过改变光子晶体的晶格结构，也可以让波长1.3μm的光向前直行，波长1.55μm的光产生偏向。
(实施例7)
以下参照图11，对本发明实施例7的光学装置进行说明。图11示出了实施例7的光学装置的结构，它由如下部分构成：输入端光波导纤芯71，相对输入端光波导纤芯71倾斜90°的输出端波导纤芯72，以及将输入端光波导纤芯71与输出端波导纤芯72耦合的偏向光路73。
如图11所示，偏向光路73是以中心点76为中心的圆周的一部分，其两个端面之间的倾角为90°。偏向光路73由15个光子晶体5g接合而成。光子晶体5g，具有跟实施例1的光子晶体5相同的晶格结构，即在第一物质上周期性地配置圆柱形柱状物质的二维结构。所有柱状物质的轴线均相互平行。例如，第一物质可用SiO2与树脂，柱状物质可为空气。柱状物质的晶格常数a(柱状物质之间的距离)最好为传输光波长的0.4～0.6倍，柱状物质的半径r最好为晶格常数a的0.2～0.5倍。并且，光子晶体5g的晶格结构为低对称性斜交晶格，基本格矢a1与光的入射方向平行，表达柱状物质配置的基本格矢(a1、a2)之间的夹角θ1取60°以上90°以下的值。并且，在将光子晶体的长度调整后，光子晶体5g具有使从基本格矢a1的方向入射的光偏向6°(与光的入射位置无关)的特性。
具有这种性质的光子晶体5g，被按θdef＝6°分割为总共15个部分，接合构成以中心点76为圆心的偏向光路73。各光子晶体5g均有以中心点76为圆心的偏向角θdef＝6°，将15个6°加在一起，总的偏向角度就是90°。
如行进方向75所示，从输入端光波导纤芯71沿入射方向74入射至光子晶体5g的光发生6°的偏向，然后入射至下一光子晶体5g。再偏向6°后，又入射至下一光子晶体5g。如此反复进行，最后入射至输出端的光波导纤芯72。也就是，偏向光路73出射光的行进方向就是出射方向77，入射光被偏向了90°。
如此，利用光子晶体中使光偏向的作用，可以制成使光发生所需角度偏向的光学装置。
再有，这种光学装置的上下分别夹有衬底与包层(未作图示)。作为第一物质的树脂材料可采用：丙烯酸类树脂(PMMA、UV丙稀酸酯树脂等)、环氧树脂、聚酰亚胺树脂、碳酸酯类的聚碳酸酯等。
再有，第一物质的折射率可为1.4～1.6，柱状物质的折射率可为0.9～1.1。并且，第一物质与柱状物质的相对折射率差可以为1.0以上。例如，可以采用Si、GaAs与Ti2O5等高折射率材料作为第一物质，柱状物质可以采用SiO2等低折射率的材料。
如上所述，按照实施例7的光学装置，可容易地制成光偏向器。
再有，从实施例1至实施例7的光学装置，均采用低对称性的二维结构光子晶体，但是不难理解，采用低对称性三维结构的光子晶体也可同样具有使光在基本格矢方向入射后大角度偏向分散的特性。因此，在实施例1至实施例7的光学装置中，即使具有采用低对称性的三维结构的光子晶体，也可获得跟上述光学装置相同的效果。
并且，上述说明中，以低对称性的晶格结构作为基本格矢(a1、a2)之间的夹角θ1取60°以上90°以下的值的晶格结构。但是，即使在这种结构以外，即使在由一组基本格矢构成的二维晶格结构不含大于三次的旋转对称轴的晶格结构的场合，也属于低对称性晶格结构，这种晶格结构的光子晶体可以用于上述光学装置。
(实施例8)
以下，参照图12就本发明实施例8的光学装置的光子晶体的制造方法进行说明。实施例8中的光子晶体具有二维结构，即在第一物质82上周期性地形成柱状物质的结构。如图12(a)所示，用溅射等方法在衬底83上淀积薄膜、形成所需厚度的第一物质82。除了溅射方法以外，还可采用涂敷后再旋涂的方法或经溶剂溶解的树脂进行浇铸的方法，在衬底83上形成所需厚度的第一物质82。具体而言，将具流动性的树脂材料涂敷在衬底83上，通过使之扩散来调整膜厚，待该材料固化后便可以形成所需膜厚的第一物质82。
另外要准备模具81，其上在要周期性地配置柱状物质的部位设置了突起物。接着，如图12(b)所示，用模具81压制第一物质82。这之后，如图12(c)所示，在第一物质82上所要求的位置上就形成了孔洞84。而且，孔洞84内可以就这样以空气作为柱状物质，也可以向里面充填其折射率不同于第一物质82的材料。
如上所述，依据实施例8的光学装置，可以容易地制作具有所需周期结构的光子晶体。
而且，也可以这样来形成光子晶体：在衬底83上形成第一物质时，先在要形成柱状物质的部位形成突起物，然后用旋涂或浇铸的方法在调整膜厚的同时形成第一物质，然后再除去原来形成的突起物。
(实施例9)
以下，参照图13就本发明实施例9的光学装置的光子晶体的制造方法进行说明。如图13(a)所示，采用以溅射等工艺淀积薄膜、涂敷树脂后再旋涂或用经溶剂溶解的树脂进行浇铸等方法，在衬底83上形成第一物质82；在第一物质82上要周期性配置柱状物质的部位设置阳极氧化铝等的掩膜85。接着，如图13(b)所示，用离子束86等对第一物质82进行刻蚀。如此，如图13(c)所示，在第一物质82上所要求的位置上形成了孔洞84。孔洞84内可以就这样以空气作为柱状物质，也可以向里面充填其折射率不同于第一物质82的材料。
如上所述，依据实施例9的光学装置，可以容易地制作具有所需周期结构的光子晶体。
(实施例10)
以下，参照图14就本发明实施例10的光学装置的光子晶体的制造方法进行说明。如图14(a)所示，采用以溅射等工艺淀积薄膜、涂敷树脂后再旋涂或用经溶剂溶解的树脂进行浇铸等方法，在衬底83上形成第一物质82；在第一物质82上要周期性配置柱状物质的部位设置阳极氧化铝等的掩膜85。如图14(b)所示，用Ar离子等的离子束86等进行照射。通过离子束86的照射，可在未设掩膜85的部分形成孔痕87。孔痕87中，第一物质82的分子键已经断开。接着，如图14(c)所示，除去掩膜85后，将第一物质82连同衬底83浸渍在NaOH等强碱液88中。这时，第一物质82不发生变化，但分子键已断开的孔痕87则受到腐蚀，在第一物质82上所要求的位置上形成了孔洞84。孔洞84内可以就这样以空气作为柱状物质，也可以向里面充填其折射率不同于第一物质的材料。
如上所述，依据实施例10的光学装置，可以容易地制作具有所需周期结构的光子晶体。
再有，在实施例8至实施例10的光子晶体的制造中，在衬底83上形成第一物质82；但是并非一定要有衬底83，也可以不用衬底83来形成第一物质82，再在所要位置上形成孔洞84，从而制成光子晶体。
(实施例11)
以下，参照图15就本发明实施例11的光学装置的光子晶体的制造方法进行说明。
在如图15(a)所示的带有周期结构加工面92的衬底91上，交替地淀积高折射率材料93与低折射率材料94，由此形成周期性淀积结构。
图15(b)示出了光子晶体的剖面图，位于衬底91上的晶格面(淀积面)相对与淀积方向垂直的水平面以角度θa倾侧。周期结构加工面92相对所述晶格面平行，它凹凸地形成一维结构的周期图案，其周期为所用光源波长的04～0.6倍。将衬底91的晶格面的倾角θa设为5～25°来形成周期淀积结构后，两个基本格矢之间的90°以下夹角成为60°以上90°以下值的光子晶体就形成了。同样地，在晶格面上形成二维结构的周期图案的衬底上交替淀积高折射率材料与低折射率材料，从而形成三维周期淀积结构，可获得两个基本格矢之间的90°以下夹角成为60°以上90°以下值的光子晶体。
如上所述，依据实施例11的光学装置，可以容易地制作具有所需的二维或三维周期结构的光子晶体。
(实施例12)
以下，参照图16就本发明实施例12的光学装置的光子晶体的制造方法进行说明。
在图16(a)所示的衬底100上形成周期结构加工面101，以凹部102形成周期图案。周期图案具有其周期为所用光源波长的0.4～0.6倍的二维结构，两个基本格矢(a1、a2)之间的90°以下夹角θ1为60°以上90°以下值的光子晶体就形成了。在该周期结构加工面101上，首先淀积高折射率材料103。在有凹部102的部位中形成高折射率材料103，在没有凹部102的部位则在周期结构加工面101上形成高折射率材料103，因此高折射率材料103就这样凹凸地形成。进而，再在其上形成低折射率材料104，于是低折射率材料104也这样凹凸地形成。接着，就这样交替地淀积高折射率材料103与低折射率材料104，形成具有图16(b)所示剖面结构的、三维周期淀积结构。还有，衬底100的上表面也能够带有倾角。
如上所述，依据实施例12的光学装置，可以容易地制作具有所要的三维周期结构的光子晶体。
(本发明的效果)
根据本发明的光学装置，制作了这样的光子晶体：它具有多个不同折射率的物质周期排列的二维或三维晶格结构，且以一组基本格矢构成的二维晶格结构不含大于三次的旋转对称轴。由此，可以容易地、低成本地、小型化地制造光学装置。

Claims (48)

1.一种光学装置，其特征在于：设有这样的光子晶体，它具有将具有互相不同的折射率的多种材料周期性地排列的二维或三维晶格结构，且由一组基本格矢构成的二维晶格结构不含大于三次的旋转对称轴。
2.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于：设有使光从所述光子晶体的一个基本格矢方向入射的入射部分。
3.如权利要求2所述的光学装置，其特征在于：
所述光子晶体有与一个基本格矢方向垂直的入射面；且
所述入射部分，按照使光相对所述入射面垂直入射之目的加以设置。
4.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于：所述光子晶体的多个基本格矢内，至少有一组不同的两个基本格矢之间其90°以下夹角的角度取大于60°小于90°的值。
5.一种光学装置，其特征在于设有这样的光子晶体：它包含第一物质与多个柱状物质，具有不同于所述第一物质的折射率的所述多个柱状物质被设置在所述第一物质的内部，所述多个柱状物质的轴线相互平行地排列成具有规定周期性的二维晶格，且其一组基本格矢构成的二维晶格结构不含大于三次的旋转对称轴。
6.一种光学装置，其特征在于设有这样的光子晶体：它包含第一物质与多个柱状物质，具有不同于所述第一物质的折射率的所述多个柱状物质被设置在所述第一物质的内部，所述多个柱状物质的轴线相互平行地排列成具有规定周期性的二维晶格，且两个基本格矢之间的90°以下夹角的角度取大于60°小于90°的值。
7.如权利要求6所述的光学装置，其特征在于：
所述光子晶体为板状；
设有其折射率低于所述光子晶体的第一物质的第一包层与第二包层；且
所述第一包层与所述第二包层分别设置在所述板状的光子晶体的膜厚方向的两侧，与该两侧的表面接合。
8.如权利要求7所述的光学装置，其特征在于：设有使光从所述光子晶体的一个基本格矢方向入射的入射部分。
9.如权利要求8所述的光学装置，其特征在于：
所述光子晶体设有一个与基本格矢方向垂直的入射面；且
所述入射部分，按照使光相对所述入射面垂直入射之目的加以设置。
10.如权利要求7所述的光学装置，其特征在于：所述光子晶体的二维晶格的晶格常数为所用光源波长的0.4～0.6倍。
11.如权利要求7所述的光学装置，其特征在于：所述柱状物质为圆柱形，其半径为晶格常数的0.2～0.5倍。
12.如权利要求7所述的光学装置，其特征在于：所述第一物质的折射率为1.4～1.6，所述柱状物质的折射率为0.9～1.1。
13.如权利要求7所述的光学装置，其特征在于：所述第一物质的折射率与所述柱状物质的折射率之差为1.0以上。
14.如权利要求7所述的光学装置，其特征在于：
所述第一物质为树脂材料；且
所述柱状物质为空气。
15.如权利要求7所述的光学装置，其特征在于设有：
使光从所述光子晶体的基本格矢方向入射的输入端光波导；以及
接收来自所述光子晶体的输出光的第一输出端光波导与第二输出端光波导。
16.如权利要求7所述的光学装置，其特征在于设有：
使光从所述光子晶体的基本格矢方向入射的输入端光纤；
接收来自所述光子晶体的输出光的第一输出端光纤与第二输出端光纤；以及
分别确定所述输入端光纤、所述第一输出端光纤及第二输出端光纤位置的沟槽。
17.如权利要求16所述的光学装置，其特征在于：
所述第一输出端光纤与所述输入端光纤的光轴大体一致；且
所述第二输出端光纤的光轴与所述输入端光纤的光轴不同。
18.如权利要求16所述的光学装置，其特征在于：所述第二输出端光纤的光轴与所述输入端光纤的光轴之间的距离，跟在所述输入端光纤的光轴方向上的所述光子晶体的长度成比例。
19.如权利要求16所述的光学装置，其特征在于：
设有带所述沟槽的衬底；且
所述衬底与所述光子晶体成为一体。
20.如权利要求16所述的光学装置，其特征在于：所述沟槽设置在所述第一包层或所述第二包层上。
21.如权利要求7所述的光学装置，其特征在于设有：
使第一种波长的光与第二种波长的光得以传送的光纤，
接收所述第一种波长的光的第一光接收部分，
发送所述第一种波长的光的光发送部分，接收所述第二种波长的光的第二光接收部分，以及
用以在平面上固定所述光纤、所述第一光接收部分、所述光发送部分与所述第二光接收部分的衬底；
所述光纤设于所述光子晶体的一端，所述光纤的光轴平行于所述光子晶体的基本格矢方向；
所述第一光接收部分与所述光发送部分，设于所述光子晶体的另一端，跟所述光纤的光轴在同一直线上；且
所述第二光接收部分设于所述第一光接收部分所在的光子晶体的同一端。
22.如权利要求7所述的光学装置，其特征在于设有：
用以传送第一种波长的光与第二种波长的光的光纤，
接收所述第一种波长的光的第一光接收部分，
发送所述第二种波长的光的光发送部分，
接收所述第二种波长的光的第二光接收部分，以及
用以在平面上固定所述光纤、所述第一光接收部分、所述光发送部分与所述第二光接收部分的衬底；
所述光纤设于所述光子晶体的一端，所述光纤的光轴平行于所述光子晶体的基本格矢方向；
所述第一光接收部分，设于所述光子晶体的另一端，跟所述光纤的光轴在同一直线上；且
所述第二光接收部分与所述光发送部分，设于所述第一光接收部分所在的光子晶体的同一端。
23.如权利要求21或22所述的光学装置，其特征在于：所述光子晶体的二维晶格的晶格常数为所述第二种波长的0.4～0.6倍。
24.如权利要求21或22所述的光学装置，其特征在于：所述柱状物质为圆柱形，其半径为晶格常数的0.2～0.5倍。
25.如权利要求21或22所述的光学装置，其特征在于：所述第一物质的折射率为1.4～1.6，所述柱状物质的折射率为0.9～1.1。
26.如权利要求21或22所述的光学装置，其特征在于：所述第一物质的折射率与所述柱状物质的折射率之差为1.0以上。
27.如权利要求21或22所述的光学装置，其特征在于：
所述第一物质为树脂材料；而
所述柱状物质为空气。
28.一种光分支器，其特征在于：设有由两种光子晶体接合而成的复合光子晶体，该两种光子晶体各自的基本格矢中的一个位于同一方向上，另一方位于不同方向；所述两种光子晶体均包含第一物质与多个柱状物质，具有不同于所述第一物质的折射率的所述多个柱状物质被设置在所述第一物质的内部，所述多个柱状物质的轴线相互平行地排列成具有规定周期性的二维晶格，且两个基本格矢之间的90°以下夹角的角度取大于60°小于90°的值。
29.如权利要求28所述的光分支器，其特征在于：
所述复合光子晶体为板状；
设有其折射率低于所述复合光子晶体的所述两种光子晶体的第一物质的折射率的第一包层与第二包层；且
所述第一包层与所述第二包层分别设置在所述复合光子晶体膜厚方向的两侧，与该两侧的表面接合。
30.如权利要求29所述的光分支器，其特征在于：所述两种光子晶体的基本格矢中不在同一方向上的基本格矢，相对所述两种光子晶体的接合面成线对称。
31.如权利要求30所述的光分支器，其特征在于：所述两种光子晶体的二维晶格的晶格常数为所用光源波长的0.4～0.6倍。
32.如权利要求30所述的光分支器，其特征在于：所述柱状物质为圆柱形，其半径为晶格常数的0.2～0.5倍。
33.如权利要求30所述的光分支器，其特征在于：所述第一物质的折射率为1.4～1.6，所述柱状物质的折射率为0.9～1.1。
34.如权利要求30所述的光分支器，其特征在于：所述第一物质的折射率与所述柱状物质的折射率之差为1.0以上。
35.如权利要求30所述的光分支器，其特征在于：
所述第一物质为树脂材料；而
所述柱状物质为空气。
36.如权利要求30所述的光分支器，其特征在于：
设有位于所述复合光子晶体的接合部分的、使光从所述两种光子晶体的同一方向上的基本格矢方向入射的输入端光波导，
接收来自所述复合光子晶体中一个光子晶体的输出光的第一输出端光波导，以及
接收来自所述复合光子晶体中另一个光子晶体的输出光的第二输出端光波导；
所述输入端光波导设置于所述复合光子晶体的一端；而
所述第一输出端光波导与所述第二输出端光波导设置于所述复合光子晶体的另一端。
37.如权利要求30所述的光分支器，其特征在于：
设有位于所述复合光子晶体的接合部分的、使光从所述两种光子晶体的同一方向上的基本格矢方向入射的输入端光纤，
接收来自所述复合光子晶体中一个光子晶体的输出光的第一输出端光纤，
接收来自所述复合光子晶体中另一个光子晶体的输出光的第二输出端光纤，以及
分别确定所述输入端光纤、所述第一输出端光纤及所述第二输出端光纤的位置的沟槽；
所述输入端光纤设置于所述复合光子晶体的一端；而
所述第一输出端光纤与所述第二输出端设置于所述复合光子晶体的另一端。
38.如权利要求37所述的光分支器，其特征在于：
设有带所述沟槽的衬底；且
所述衬底与所述复合光子晶体成为一体。
39.如权利要求37所述的光分支器，其特征在于：所述沟槽设置在所述第一包层或所述第二包层上。
40.如权利要求29所述的光分支器，其特征在于：将由多个所述复合光子晶体并列而成的并列复合光子晶体，多级地纵列布置。
41.一种光偏向器，其中包括：
第一物质与多个柱状物质；
多个这样的光子晶体，其所述多个柱状物质设置在第一物质的内部，它们具有不同于第一物质的折射率，所述多个柱状物质的轴线相互平行地排列成具有规定周期性的二维晶格，且两个基本格矢之间的90°以下夹角的角度取大于60°小于90°的值；
输入端光波导与输出端光波导；以及
设有所述多个光子晶体、所述输入端光波导与所述输出端光波导的衬底；
其特征在于：
所述多个光子晶体，分别依次序排列而设置、相邻的各所述光子晶体相互接合，
在所述排列而设置的所述多个光子晶体之中，在位于两端的各所述光子晶体上，分别接合所述输入端光波导及所述输出端光波导，
从所述输入端光波导入射到所述多个光子晶体的光，依次在各所述光子晶体中传播，并被导入到所述输出端光波导，
入射到各所述光子晶体的光，沿其基本格矢方向入射，并在各所述光子晶体内偏向后出射，沿着下一光子晶体的基本格矢方向，入射到所述下一光子晶体中。
42.如权利要求41所述的光偏向器，其特征在于：所述多个光子晶体的二维晶格的晶格常数为所用光源波长的0.4～0.6倍。
43.如权利要求41所述的光偏向器，其特征在于：所述柱状物质为圆柱形，其半径为晶格常数的0.2～0.5倍。
44.如权利要求41所述的光偏向器，其特征在于：所述第一物质的折射率为1.4～1.6，所述柱状物质的折射率为0.9～1.1。
45.如权利要求41所述的光偏向器，其特征在于：所述第一物质的折射率与所述柱状物质的折射率之差为1.0以上。
46.如权利要求41所述的光偏向器，其特征在于：
所述第一物质为树脂材料；而
所述柱状物质为空气。
47.如权利要求41所述的光偏向器，其特征在于：按照使所述多个光子晶体中光的传送距离相等之要求，确定所述多个光子晶体的尺寸、形状与位置。
48.如权利要求41所述的光偏向器，其特征在于：来自所述输入端光波导的入射光与来自所述输出端光波导的出射光之间所成的角度，等于所述多个光子晶体中各晶体偏向角度之总和。
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