JP2001516469A - ファイバを集積したフォトニック結晶およびそのシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 １つまたはそれ以上のフォトニック結晶１１、２２、４０、５８、５９が、じかに光ファイバ１３、２３、４２、５６の内部における光路長に置かれる。フォトニック結晶によって処理された光は、レンズ４８によってファイバから伝搬されるか、または光伝導装置５１、６０を用いて測定される。フォトニック結晶は、誘電性柱状体１６が配置された形をとって溝状の切込み１２に置かれ、そして１つまたはそれ以上の欠所１７を持つか、またはホール２０が、じかに光ファイバに取り付けられるようにして結晶が形成される。柱状体１６の間にある中間空所を、非線形光学材料で充填し、そして結晶を、自ら変化し、電極間にわたる電場または変化する光学放射に曝すことによって、光ファイバの内部において同調されるフォトニック結晶を製造することができる。フォトニック結晶および非線形光学素子、並びに感光性装置として多面にわたる利用が可能なことに基づいて、本技術によってファイバ内で溝状の切込みを使用した光学測定システムを実現することが可能になる。

Description

【発明の詳細な説明】 ファイバを集積したフォトニック結晶およびそのシステム 産業上の分野 本発明は、光ファイバの内部および表面においてじかに形成され、そして光フ ァイバの光路長の中にじかに置かれたフォトニック結晶を含む光学的処理システ ムに関する。 従来の技術 フォトニック結晶を、波長に依存するフィルタ、ビームスプリッタ、ミラー成 分、そして直角の導波管として使用することはよく知られている。ここにその例 を挙げる：Ａ．Ｍｅｋｉｓ他の、「フォトニック結晶を用いた導波管におけるシ ャープベンドの高透過性（Ｈｉｇｈ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｔｈｒｏｕｇ ｈ Ｓｈａｒｐ Ｂｅｎｄｓ ｉｎ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｗａ ｖｅｇｕｉｄｅｓ）」，Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖ ｏｌ．７７，Ｎｏ．１８，１９９６年１０月２８日，ｐｐ．３７８７−３７９０ 、およびＨ．Ｗ．Ｐ．Ｋｏｏｐｓの、「高密度集積オプティクスに使用可能な３ 次元加法リソグラフィーによるフォトニック結晶（ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｃｒｙｓ ｔａｌｓ Ｂｕｉｌｄ ｂｙ ３−Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ Ａｄｄｉｔｉｖｅ Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ Ｅｎａｂｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｏｐｔｉｃ ｓ ｏｆ Ｈｉｇｈ Ｄｅｎｓｉｔｙ）」，Ｐｈｏｔｏｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ Ｆｉｂｅｒ ａｎｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｅｖｉｃｅｓ；Ｍａｔｅｒｉａｌｓ， Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，ａｎｄ ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓＩ Ｉ，（Ｆ．Ｔ．Ｓ．Ｙｕ，Ｓ．Ｙｅｎ，編集）Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ Ｓｏｃ ｉｅｔｙ Ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｉｃ ａｎｄ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｖｏｌ．２８４ ９，１９６６年８月，ｐｐ．２４８−２５６。フォトニック結晶は、数多くの波 長を含む範囲のなかで、それぞれに２つの主要なディメンジョンがあって、マイ クロ加工技術を用いて製造されるので、フォトニック結晶を使用した光学的処理 システムは、サイズが小型になり、そのために非常に高いビット密度と高いデー タ処理レートを付与することが可能になる。 すでにＫｏｏｐｓが明記（前記の文献）しているように、主要な欠点は、導波 管とフォトニック結晶の間で光を結合させることに無理がある問題であった。 発明の説明 本発明の目的は、導波管とフォトニック結晶の間において光をじかに結合させ ること、最小の損失をもって光学信号を操作できる光学信号処理装置の提供、付 随する装置を最小にして実施される光学信号処理、そして超小形で実施できる集 積式の光学信号処理システムを包含する。 本発明によればフォトニック結晶は、光ファイバの内部にある光路長の中にじ かに置かれ、そのためにファイバによって形成される光導波管とフォトニック結 晶によって形成される光学信号処理装置の間で光がじかに結合される。発明の１ つの態様によれば、光ファイバの外側の縁から、ファイバの重要な部分を通って ファイバコアの中まで、そしてこれを越えるまでスリットまたは溝状の切込みを 入れ、そしてその空間に光学結晶を挿入する方法があり、その結果、結晶は、光 ファイバ内を伝搬してくる光を、光路内でじかに見出すことができる。 最初に発明を実施する場合には、フォトニック結晶を、誘電性の柱状体から形 成することを優先するが、例えば、３次元加法リソグラフィーを用いて、定めら れた幾何学的モデルの中に形成すると、これが結果的にフォトニック結晶装置の 定格出力、波長およびバンド幅を定めることになる。発明の他の態様によれば、 フォトニック結晶が、光ファイバの中にじかに置かれ、期待される効果と波長が 依存するフォトニック結晶モデルには、実際にシリンダ状のコラム形をしたホー ルが、じかに光ファイバの内部に達するまで、しかも外側の縁から、ファイバの 重要な部分を通ってファイバコアの中に至るまで、そしてこれを越えるまで入っ た穿孔によって加工される。 本発明によると、光ファイバの中にある溝状の切込みの中に形成されている誘 電性柱状体の間の中間空所には、非線形の光学材料が含有されており、その誘電 率が電気的または光学的に制御できるために、波長に関して制御可能なフォトニ ック結晶が得られるが、例えば、選択的に作動されるスイッチとして使用できる 。 そのほかに本発明によれば、光ファイバの中で、フォトニック結晶を、別のフ ォトニック結晶と併用するか、または他の光学装置と共に使用することによって 、ミクロ系光学システムをじかにファイバ内に形成させることができる。さらに 発明によれば、光ファイバ内にじかに形成されたフォトニック結晶は、光電効果 的な素子を、例えば、光伝導層を併置して光学的処理システムからの電気出力信 号をファイバを通して伝えることができる。ファイバ上に設置したレンズは、フ ァイバを集積したフォトニック結晶から出入する光の伝搬を目的として使用する ことができる。 本発明の他の目的、とくに発明の特徴と長所は、以下に挙げるように本発明を 実行するための実施例の説明および添付の図面を用いて明らかにされるだろう。 図面の簡単な説明 図１は、Ｄプロファイルを持つ光ファイバの中に溝状の切込みを設けた狭帯域 フィルタの斜視図である。フォトニック結晶は、３次元加法リソグラフィーを使 用して形成された誘電性柱状体を包含する。 図２は、実質的なシリンダ状のホールをじかに光ファイバに加工することによ ってフォトニック結晶を形成させた狭帯域フィルタの斜視図である。 図３は、電気的に変化することができる１つのフォトニック結晶を内部に備え た丸型の光ファイバを端部から見た図である。 図４は、図３に記載した丸型の光ファイバおよびフォトニック結晶を側面から 見た図である。 図５は、ファイバの周囲に１つのレンズを付けた光ファイバの中にあるフォト ニック結晶を上面から見た図である。 図６は、ファイバの周囲に光電効果層を置いた光ファイバの中にあるフォトニ ック結晶を上面から見た図である。 図７は、いくつかのフォトニック結晶およびその他の素子、例えば、１つの光 電効果層および屈折率が均等な１つのフィルムをその内部に形成する光ファイバ の斜視図である。 発明を実施する方法 図１： ファイバコア１４がある光ファイバ１３に、溝状の切込み１２を設けてフォト ニック結晶１１を形成する。フォトニック結晶１１は、いくつかの誘電性柱状体 １６を含み、この場合は欠所が１つある直角マトリックスとして配置されている が、ここで図の中央部１７には誘電性柱状体の１つが欠けている。図のように配 列されたフォトニック結晶１１には、狭帯域フィルタが含まれる。一般的にみて 誘電性柱状体１６の間の中間空所は、強度を高くする要望に応じてアモルファス または微結晶性のポリマーでバッキングされるが、本発明においては、強度を要 望する場合でも、バッキングなしで実用化することもできる。溝状の切込み１２ は、ファイバ１３の長さ方向に数マイクロメートルにわたって伸びている。切込 みを入れたファイバは、リソグラフィー、乾式もしくは湿式のエッチング技術の 使用またはレーザ切除もしくはイオン切除によって製造することができる。図１ の光ファイバ１３においてはＤプロファイルを持つファイバが重要であり、この とき光は、単一モードコア１４を通して直線の表面付近を伝搬するが、ここで本 来のＤプロファイル型ファイバは、材料の除去を容易にして溝状の切込みが適切 に形成できるようにすることができる。 図２： 他の方法で本発明を実施するときに、光ファイバ１３の中でじかにフォトニッ ク結晶１１を形成させるが、これは定められた幾何学的なモデルであり、実質的 にシリンダ状のホール２０のいくつかを、光ファイバ材料の中に穿孔して入れる ことによって行う。図２に示されるフォトニック結晶１１は、狭帯域フィルタで あり（図１の狭帯域フィルタに類似する）、このとき欠所を置いてマトリックス の中央部１７にホールが存在しないようにする。このように本発明によれば、フ ォトニック結晶を、じかに光ファイバの中に位置付けして、発明に関して実施さ れる方法に関しては重要な意味を含まないようにしている。 図３および図４： フォトニック結晶２２は、丸型の光ファイバ２３の中に置かれている。フォト ニック結晶２２は、溝状の切込み２７（図１に同じ）に置かれ、このとき誘電性 柱状体２９の間にある中間空所２８の一部または全部が、非線形の光学材料によ って充填されている。フォトニック結晶２２が形成される前面の、溝状の切込み ２７の底部に導電層３２が設けられ、この層は、実質的にフォトニック結晶２２ が挿入されている全領域にわたって伸びている。非線形光学材料を充填した後に 、さらに他の導電層３３を設ける。これらの層３２および３３の外側の端に接触 点３４を設け、この点にワイヤボンディング技術によって製作された電気接続ワ イヤ３５を付けることができる。導電層３２、３３の間の電場が変化することに よ って、光学的性質、とくにフォトニック結晶２２の種々の部分の屈折率が変わり 、そのために装置の定格出力または臨界波長が変化するが、これは、１９９５年 １１月１０日のドイツ特許出願１９５ ４２ ０５８．６に開示されるとおりで ある。さらに図３および図４から見られるように、本発明は、フォトニック結晶 をじかに光ファイバに入れて、丸型の光ファイバ、並びにＤプロファイルを有す る光ファイバを用いて実用に供するものである。 電極と可変電圧を用いて非線形光学材料を調節する代わりに、非線形光学材料 に外部の光源から光を入射させることによってもできるが、これは発明者が以前 に時を同じくして行った提案に見られるようにレンズを使用するか、または光学 材料を、コアに平行に、そして光ファイバのコアの外側に置いて照明することに よって実施することができ、これは光ポンプレーザの場合のようによく知られた 方法によって行われる。 図５： コア４３を有する光ファイバ４２の中に、溝状の切込み４１を設けてフォトニ ック結晶４０を形成させる。フォトニック結晶４０には種々の屈折率を持ったコ ラム４５が含まれ、このコラムには、誘電性柱状体（図１の１６）またはホール （図２の２０）が包含されて図では中空の円として表示されている。欠所は、図 ５において斜線を引いた円４６の形として表される。図５のモデルは、特別な機 能を示しているものではなく、単に一般的なフォトニック結晶を表わしている。 しかし、このようなモデルが呈示されると、降下関数（または、光学的構成素子 に可逆性があるために増加関数とも呼ばれる）が使用されて、光がある定められ た周波数ｉをもって直角の方向をなすように制御され、光ファイバ４２の側面に じかに置かれているレンズ４８を通して放出され、しかもドライラッカー法が使 用されているが、この方法は、１９９５年８月３０日のドイツ特許出願１９５ ３１ ８６０．９に開示されるか、または１９９７年３月２９日のドイツ特許出 願１９７ １３ ３７４．６、または１９９７年１２月１８日出願の米国特許出 願第０８／８８３，０６６号に記載されている。レンズ４８を通してフォトニッ ク結晶４０から選択的に放出された光（または、結晶に入射する光）は、別の光 ファイバの側面にある同じようなレンズを通して、他の光ファイバに導かれるか 、または光ファイバの端部または類似の箇所に焦点を結ぶ。フォトニック結晶に よって処理される光の利用法については、本願が重要とする問題ではなく、本発 明に重要な問題としては、光ファイバにじかに置くフォトニック結晶の位置付け が関係する。 図６： そのほかにフォトニック結晶を処理して得られた光を利用する方法として、光 ファイバ４２の縁に設けられた光伝導層５０が含まれるが、これは電気的に接触 点５１と接続し、その上にワイヤボンド技術によって製作された電気接続ワイヤ を設けることができる。このようにして光伝導層５０から電気信号が発せられて 、フォトニック結晶４０から引き出される波長に強度を与えることになり、これ は１９９６年３月２４日のドイツ特許出願１９６ ２１ １７５．１に開示され たとおりである。 図７： Ｄプロファイル５５６およびその中にコア５７を含む光ファイバにおいて、い くつかのフォトニック結晶５８、５９、並びに１つの光伝導層６０が、光ファイ バ５６の内部にある光路にじかに備え付けられている。この場合、光伝導層６０ は、ファイバに残留する光の強さを測定するために使用される。図７において、 層６０に対する電気的接続は、発明の概要を、よりよく明らかにするために省略 してある。より重要なことは、追加した層またはフォトニック柱状体材料からな る層５１を、例えば、適度にドーピングした適切なポリマー、特殊な減衰機能ま たは減少機能、とくに屈折率が適合する材料を使用することにより、ファイバと 結晶の接合点で生じる反射現象を減少させることにある。このような層は、結晶 の背後（層６０が図示されている箇所）または結晶の間にも置くとができる。本 発明においては、フォトニック結晶は、個々にまたは他のフォトニック結晶もし くは光学素子もしくはオプトエレクトロニクス素子または層と組み合わせて、光 ファイバの内部にじかに置かれ、発明は、非常に複雑な方法であるが、このよう な２つまたはそれ以上のファイバからなる光学装置を提供することによって組み 立てられ、ファイバ間で光を結合させ、そして特定の場合には、光を分離したま ま次の処理を行い、その後で結合させることができる。ほかの方法で表現すると 、本発明は、ファイバ光学の内部にフォトニック結晶を使用して、非常に複雑な 形状をした超小形光学システムを形成する方法を提供するものである。 前記した特許出願は、すべて引用によって本明細書の記載に援用する。 本発明は、実施例を参考として用いて、説明し、記述したものであるが、それ ぞれに対応する技術知識が明らかにされており、本発明の精神および範囲から逸 脱することなしに、種々の変更、除去、追加を行うことができることを理解され たい。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】平成１１年３月１１日（１９９９．３．１１） 【補正内容】 （１）「請求の範囲」を別紙の通り訂正する。 （２）明細書第９頁第１７行目乃至第２５行目（翻訳文第８頁第１３行目乃至第 １７行目）の 「前記した・・・・・・・理解されたい。」を削除する。 請求の範囲 １．１つの溝状の切り込みがあり、その中にフォトニック結晶（１１，２２） が作られている光ファイバ。 ２．フオトニック結晶（１１，２２）が複数の誘電性柱状体（１６）を内包し ている請求項１記載の光ファイバ。 ３．支えるために誘電性柱状体（１６）の間の空間が保護のためにアキルファ ス性のポリマー材料で充填されている請求項２記載の光ファイバ。 ４．誘電性柱状体（２９）の間にある中間空所（２８）が、非線形の光学材料 を含有する請求項２記載の光ファイバ。 ５．さらに一対の電極（３２、３３）を誘電性柱状体（２９）の相対する端部 付近に設置して、非線形光学材料に電場をかけることによってフォトニック結晶 （２２）の定格出力を変化させるような請求項４記載の光ファイバ。 ６．フォトニック結晶（２２）の定格出力が、光を非線形光学材料に選択的に 照射することによって変化する請求項４記載の光ファイバ。 ７．ファイバ材料の定義されたパターンに複数のホール（２０）が作られてい ることによって１つのフォトニック結晶（１１）が作られる領域をもつ光ファイ バ。 ８．フォトニック結晶（４０）の一部を通って入りこむ光の大きさを計るため の１つのフォト抵抗層（５０）をもつ請求項１から請求項７の何れか１項記載の 光ファイバ。 ９．光伝導層（５０）が光ファイバ（４２）の面に置かれ、この面とフォトニ ック結晶（４０）の一部の間を通過する光の強さを測定するための請求項８記載 の光ファイバ。 １０．光伝導層が、じかに光ファイバの内部の光路に置かれた請求項８記載の 光ファイバ。 １１．光ファイバ（５６）の第１のフォトニック結晶（５８）の隣に置かれて いる第２のフォトニック結晶（５９）をもつ請求項１または請求項７の何れか１ 項記載の光ファイバ。 １２．フォトニック結晶が、１つ以上のその他のフォトニック結晶、非線型の 光学装置およびフォト抵抗とともに、光ファイバ内において一定の光定格出力、 例えば、分極、振幅および／またはパルス・シーケンスを測定する装置を構成し 、ファイバの溝状の切りこみでの光の一定の特性データを計るための光学測定装 置を形成する請求項１記載の光ファイバ。 １３．光ファイバの表面（４２）と、フォトニック結晶の構成部品（４０）と の間に入りこむ光を収束させるために１つのレンズ（４８）をもつ請求項１また は請求項７の何れか１項記載の光ファイバ。 １４．結晶と光通路にあるファイバの間のインターフェースのところに、フォ トニック結晶の材料で作った層がある請求項１記載の光ファイバ。 １５．Ｄプロファイルをもつ請求項１または請求項７の何れか１項記載の光フ ァイバ。 １６．丸いプロファイルをもつ請求項１または請求項７の何れか１項記載の光 ファイバ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０２Ｆ 1/377 Ｇ０２Ｂ 6/12 Ｚ Ｎ (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，ＬＳ，Ｍ Ｗ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ， ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，Ｅ Ｓ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＧＷ，ＨＵ，ＩＤ ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ， ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，Ｍ Ｇ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ， ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，Ｖ Ｎ，ＹＵ，ＺＷ (72)発明者 クープス，ハンス，ダブリュ．，ピー. ドイツ．デー―64372 オーバー―ラムシ ュタット，エルンスト―ルードウィッヒ― シュトラッセ 16

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．光ファイバ（１３、２３、４２、５６）の内部にある光路長にじかに形成 されたフォトニック結晶。 ２．フォトニック結晶（１１、２２）が、いくつもの誘電性柱状体（１６）を 含有し、これが光ファイバ（１３）の溝状切込み（１２）の中に形成されている 請求項１記載のフォトニック結晶。 ３．誘電性柱状体（１６）の間にある中間空所が、保護のためにアモルファス 性のポリマー材料で充填されている請求項２記載のフォトニック結晶。 ４．誘電性柱状体（２９）の間にある中間空所（２８）が、非線形の光学材料 を含有する請求項２記載のフォトニック結晶。 ５．さらに一対の電極（３２、３３）を、誘電性柱状体（２９）の相対する端 部付近に設置して、非線形光学材料に電場をかけることによってフォトニック結 晶（２２）の定格出力を変化させるような請求項４記載のフォトニック結晶。 ６．フォトニック結晶（２２）の定格出力が、光を非線形光学材料に選択的に 照射することによって変化する請求項４記載のフォトニック結晶。 ７．ホール（２０）を所望するモデルに取り付け、その中に光ファイバ（１３ ）の光路を封じ込むことによってフォトニック結晶（１１）が形成される請求項 １記載のフォトニック結晶。 ８．フォトニック結晶（４０）の１部を通過する光の強さを測定するために、 光伝導層（５０）を含有する請求項１記載のフォトニック結晶。 ９．光伝導層（５０）が光ファイバ（４２）の面に置かれ、この面とフォトニ ック結晶（４０）の１部の間を通過する光の強さを測定するための請求項８記載 のフォトニック結晶。 １０．光伝導層が、じかに光ファイバの内部の光路に置かれた請求項８記載の フォトニック結晶。 １１．第２番目のフォトニック結晶（５９）を含み、これが光ファイバ（５６ ）の内部において第１番目のフォトニック結晶（５８）に隣接して形成されてい る請求項１記載のフォトニック結晶。 １２．光学測定装置に、さらに少なくとも１つのフォトニック結晶、非線形光 学装置および光伝導体を挿入して、光ファイバ内において一定の光定格出力、例 えば、分極、振幅および／またはパルス・シーケンスを測定する装置を構成し、 そして測定装置が、光ファイバの溝状切込み内に形成されているような請求項１ 記載のフォトニック結晶。 １３．光ファイバ（４２）の表面とフォトニック結晶（４０）の１部の間を通 過する光を集束するレンズ（４８）を含有する請求項１記載のフォトニック結晶 。 １４．フォトニック柱状体材料からなる層を、結晶と光路長内のファイバとの 接合点に有する請求項１記載のフォトニック結晶。 １５．光ファイバが、Ｄプロファイル５を有するファイバ（１３）である請求 項１記載のフォトニック結晶。 １６．光ファイバが、丸型のプロファイルを有するファイバ（２３）である請 求項１記載のフォトニック結晶。