JP2005227360A - 光カプラー - Google Patents
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Abstract
【課題】 微小光学素子への信号光の入出射角制御を容易とすることにより、微小光学素子への光結合効率を安定させる。
【解決手段】 信号光を伝搬するためのコア10と、コア10を覆うクラッドからなる光導波路素子11と、信号光を周回させるための光学素子12とからなる光カプラーであって、光導波路素子11の一部に信号光がコア10の先端10aにおいて全反射する角度で溝13を形成し、溝13に微小光学素子12を設置する。
【選択図】 図2
【解決手段】 信号光を伝搬するためのコア10と、コア10を覆うクラッドからなる光導波路素子11と、信号光を周回させるための光学素子12とからなる光カプラーであって、光導波路素子11の一部に信号光がコア10の先端10aにおいて全反射する角度で溝13を形成し、溝13に微小光学素子12を設置する。
【選択図】 図2
Description
本発明は、微小光学素子に光を入出力するための光カプラーであって、特に、光導波路素子を用いた光カプラーに関する。
近年の微細加工技術の進歩に伴い、周回型光共振器の光学共鳴や、金属薄膜の表面プラズモンの光学共鳴など、微小光学素子の内側表面で光が全反射することによって生じる光学現象の工業利用が検討されている。内部全反射を動作原理とする微小光学素子においては、微小光学素子の内部から微小光学素子の外部への光の取出効率が著しく低く、微小光学素子の外部から微小光学素子の内部への光の注入効率も同様に著しく低いという欠点が知られている。
この欠点を克服する方法としては、例えば、光ファイバーの先端を斜めに切断して、その切断面を研磨した光ファイバーを介して、光を微小光学素子に入力することによって、光結合の効率(取出効率及び注入効率)を大幅に高める技術が非特許文献1に記載されている。この方法においては、光ファイバーの導波機能によって、光源から微小光学素子の近傍までガラス中に閉じ込めたままで光を伝搬させることが可能であるため、光学部品の使用点数が少なく、光ファイバーとの親和性が高いという利点を有する。さらに、光ファイバーにおける微小光学素子との結合部のサイズが、結合対象である微小光学素子と同程度であるという特徴は、デバイスサイズを小さくする上で必要不可欠なものであるといえる。
「ピグテイル付き高Q微小球共振器;光ウイスパーギャラリーモード用簡易光ファイバカプラ」(Pigtailing the high-Q microsphere cavity:a simple fibercoupler for optical whispering-gallery modes),Opt.Lett.,1999,p.723-725
しかしながら、上記の方法では、光ファイバーの先端を、光ファイバーの光軸に対して所定角度で、且つ切断面の表面が十分平滑になるように加工する必要があり、現在の標準的な加工技術では、光ファイバーの先端の角度制御が困難であるという問題点があった。また、光ファイバーの先端を微小光学素子に安定して保持すること、つまり微小光学素子への信号光の入出射角を制御することが難しく、微小光学素子への光結合効率が安定しないという問題点があった。
そこで、本発明の目的は、微小光学素子への信号光の入出射角制御を容易とすることにより、微小光学素子への光結合効率を安定させることができる光カプラーを提供することにある。
上記目的を達成するために、請求項1の発明は、信号光を伝搬するためのコアと、該コアを覆うクラッドからなる光導波路素子と、上記信号光を周回させるための微小光学素子とからなる光カプラーであって、上記光導波路素子の一部に上記信号光が上記コアの先端において全反射する角度で溝を形成し、該溝に上記微小光学素子を設置したことを特徴とする光カプラーである。
請求項2の発明は、上記微小光学素子と上記コアの先端との距離が、上記信号光の波長の0倍から1/(2π(max(n1,n2)^2−n0^2)^(−0.5))倍の範囲である請求項1記載の光カプラーである。
ここで、n0は上記溝内の屈折率、n1は上記コアの屈折率、n2は上記微小光学素子の屈折率である。
請求項3の発明は、上記コアと上記溝との交差角θが、0°<θ≦(90°−θc)の範囲である請求項1又は2記載の光カプラーである。
ここで、θcは上記コアの全反射補角である。
請求項4の発明は、信号光を伝搬するためのコアと、該コアを覆うクラッドからなる光導波路素子と、上記信号光を周回又は往復させるための微小光学素子とからなる光カプラーであって、上記コアを横断するように上記光導波路素子に切断面を、上記信号光が上記コアの先端において全反射する角度で形成し、該切断面の上記コアの先端に密着させて上記微小光学素子を設置したことを特徴とする光カプラーである。
請求項5の発明は、上記コアと上記切断面との交差角θが、0°<θ≦(90°−θc)の範囲である請求項4記載の光カプラーである。
ここで、θcは上記コアの全反射補角である。
本発明によれば、微小光学素子への信号光の入出射角制御を容易とすることにより、微小光学素子への光結合効率を安定させることができるという優れた効果を奏する。
以下、本発明の好適な一実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。
図1は、本発明の一実施の形態に係る光カプラーの上面図である。図2は、図1の実施の形態に係る光カプラーの側面断面図である。図3は、図1の実施の形態に係る光導波路素子の斜視図である。
図1及び図2に示すように、光カプラーは、信号光を伝搬するためのコア(光導波路)10と、コア10を覆うクラッドからなる光導波路素子11と、信号光を周回又は往復させるための微小光学素子12とを備えている。光導波路素子11は、コア10を保護すると共に、信号光をコア10に閉じ込める。
本実施の形態の光カプラーにおいては、微小光学素子12との光結合の手段として光導波路素子11を用いる。図3に示すように、光導波路素子11の内部には、コア10が形成されている。光導波路素子11の一部には、溝13が形成されており、その側壁13aにコア10の先端10aが臨んでいる。この溝13は、信号光がコア10と溝13との境界面において全反射するように、コア10の光軸Aと角度θ傾けて形成されている。溝13の内部には、空気や樹脂等の透明性を有する媒質(図示せず)が充填されている。
ここで、コア10と光導波路素子11の溝13との交差角θは、0°<θ≦(90°−θc)の範囲で、結合対象となる微小光学素子12の光学特性に基づいて決定される。θc(=Arcsin(n0/n1))は、コア10の全反射補角(臨界角)、n0は、溝13内に充填された媒質の屈折率、n1は、コア10の屈折率(等価屈折率ではない)をそれぞれ表す。
光導波路素子(クラッド)11及びコア10は、以下に示す、1)〜5)のいずれかの方法により形成される。
1)石英ガラスに、屈折率制御のためのTi、Ge、P、B、Er、Al等のドーパントを導入してクラッドとコアを形成する。
2)石英ガラスにレーザー光を照射することによって、クラッドとコアを形成する。
3)ポリイミド、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリビニルアルコール、シリコーン等のポリマーや光学樹脂において、組成を変えることによって、クラッドとコアを形成する。
4)LiNiO3、LiTaO3等の電気光学結晶に、プロトンを導入することによって、クラッドとコアを形成する。
5)GaAlAsInP、GaAlN等の化合物半導体の混晶において、組成を変えることによって屈折率を制御し、クラッドとコアを形成する。
本実施の形態においては、石英ガラスを基板として、Tiドープした石英ガラスを材料とするコア10を、フォトリソグラフィー技術とドライエッチング技術を用いて形成した後、コア10の周囲に純粋石英ガラスからなる上部クラッド層11a(図2参照)を堆積することにより形成した。コア10の屈折率n1及び断面形状は、任意である。本実施の形態においては、後述する光ファイバー14との接続損失を小さくするために、コア10とクラッド(光導波路素子)11との比屈折率差を0.3%、コア10の断面形状を縦横約10μmの正方形状とした。なお、コア10は、コア10における溝13側を拡径させたテーパ状であっても良い(図4参照)。
光導波路素子11の溝13は、フォトリソグラフィー技術とドライエッチング技術を用いて形成した。溝13の深さD(図2参照)は、「(上部クラッド層11aの厚さ)+(コア10の厚さ)/2+(コア10のスポットサイズ(信号光のスポットサイズ))」以上の値に設定する。ここで、微小光学素子12の最小径は、スポットサイズの二倍とする。溝13の幅W1、W2(図1参照)は、任意である。本実施の形態においては、幅W1を100μm、幅W2を1mmとした。
図2に示すように、光導波路素子11の溝13には、微小光学素子12が配置される。微小光学素子12は、上記の光導波路素子(クラッド)11及びコア10の材料と同様のものからなる。又は、微小光学素子12は、金属表面の表面プラズモンを観測できるような厚さに形成したAu、Ag等の薄膜であっても良い。本実施の形態の微小光学素子12は、石英ガラスからなるガラス球である。
ここで、微小光学素子12を、光導波路素子11の溝13に固定する方法としては、微小光学素子12の一部にAuを蒸着して、それを溝13の底面に設けた金属膜とはんだ固定しても良く、溝13の底面からコア10の高さ未満まで樹脂を充填して固定しても良い。
微小光学素子12は、光導波路素子11の溝13の底面によって保持されており、コア10の光軸Aから溝13の底面までの深さは、微小光学素子12の最下部から光結合部12aまでの高さと一致するように設定されている。つまり、コア10の光軸Aの高さと、微小光学素子12の光結合部12aの高さとが一致するように設定する。
微小光学素子12とコア10の先端10aとの距離は、コア10から微小光学素子12に向かうエバネッセント波の減衰長をL1とし、微小光学素子12からコア10に向かうエバネッセント波の減衰長をL2としたとき、減衰長L1、L2のうち大きい方をL0として、この減衰長L0の三倍より小さくなるようにする。これは、微小光学素子12に信号光の入出力を行うためには、信号光がコア10又は微小光学素子12の一方から他方に向けて信号光が到達する必要があるためである。
ここで、エバネッセント波の減衰長L1、L2は、「L1=λ/(2π・√((n1・cosθ)^2−n0^2))」、「L2=λ/(2π・√((n2・cosθ2)^2−n0^2))」でそれぞれ与えられる。λは、信号光の波長、n0は、光導波路素子11の溝13内に充填された媒質の屈折率、n1は、コア10の屈折率、n2は、微小光学素子12の光結合部12aの表面における屈折率、θは、コア10と溝13との交差角、θ2は、微小光学素子12の光結合部12aの内部における信号光の入射角である。即ち、微小光学素子12とコア10の先端10aとの距離が、信号光の波長λの0倍から1/(2π(max(n1,n2)^2−n0^2)^(−0.5))倍の範囲にあれば良い。
図1及び図2に示すように、光導波路素子11の端部には、コア10に臨んで、信号光を入出射するための光ファイバー14が、樹脂を用いて接着される。この光ファイバー14によりコア10に信号光を入射すると、コア10の先端10a(光導波路素子11の溝13との境界面)において、信号光(入射光)が全反射して、光ファイバー14には信号光(出射光)が出射される。信号光(入射光)が全反射した際には、コア10の先端10aにおいてエバネッセント波が生じて、このエバネッセント波が微小光学素子12の内部に入力される。これにより、微小光学素子12の内部において、微小光学素子12の共鳴波長とエバネッセント波の波長が一致したときに光学共鳴が生じる。
本実施の形態によれば、微小光学素子12への信号光の入出射角制御を光導波路素子11の溝13とコア10との交差角で制御している。光導波路素子11の溝13は、フォトリソグラフィー技術及びドライエッチング技術を用いて、高い精度で形成することができる。これらフォトリソグラフィー技術及びドライエッチング技術は、半導体等の製造に用いられる標準的な製造技術である。また、本実施の形態によれば、微小光学素子12を光導波路素子11の溝13に設置している。これにより、微小光学素子12を溝13の底面で保持して、微小光学素子12の光結合部12aを所定高さに安定して保持することができる。このようにすることで、本実施の形態の光カプラーは、微小光学素子12への信号光の入出射角制御を容易とすることにより、微小光学素子12への光結合効率を安定させることができる。
また、本実施の形態の光カプラーは、光ファイバー14と通常の方法で接続することが容易であり、コア10と微小光学素子12との結合部のサイズが、コア10を斜めに切断した際の断面積と同程度(微小光学素子12と同程度)であり、デバイスサイズが小さくて済むという特長を有する。
なお、図5及び図6に示すように、光導波路素子11の溝13の形状は、断面V字状の溝としてもよい。この場合、溝13の溝面13bが、コア10に対して、傾斜角θ傾けて形成される。この傾斜角θは、0°<θ≦(90°−θc)の範囲で、微小光学素子12の光学特性に基づいて決定される。この溝13の長さW3は、特に限定するものではなく、光導波路素子11の全幅に渡って形成しても良く、また、図7及び図8に示すように、溝幅W4より短くても良い。溝13をV字状とした場合、溝13の溝面13aが微小光学素子12に接するため、微小光学素子12を設置したときの安定性が向上する。
また、図9から図11に示すように、光導波路素子11を、コア10を横断するように切断して、面11bを形成しても良い。この場合、面11bは光学研磨によって平坦化され、面11bには、コア10の先端10aが露出する。この実施の形態においても、コア10と光導波路素子11の面11bとの交差角θは、0°<θ≦(90°−θc)の範囲で、微小光学素子12の光学特性に基づいて決定される。微小光学素子12としては、Au等を少なくともコア10の先端10aに堆積させたものを使用する。つまり、微小光学素子12を、コアの先端10aに密着させて配置する。この実施の形態においては、光ファイバー14から信号光(入射光)を入射すると、微小光学素子12の表面で信号光(入射光)が全反射して、微小光学素子(金属膜)12の表面にエバネッセント波が生じる。表面プラズモンの共鳴波長とエバネッセント波の波長が一致したときに表面プラズモンが共鳴励起される。なお、光導波路素子11が結晶体からなる場合には、切断しなくても、コア10を横断するようにへき開面に沿ってへき開することで面11bを形成するようにしても良い。
また、図12に示すように、微小光学素子12の形状は、ガラス円盤(円柱体)であっても良い。この微小光学素子12の内部の屈折率分布は、径方向に一様な場合と同心円状に変化する場合がある。
また、本実施の形態の光カプラーは、波長フィルター機能を有する光合分岐回路として使用することができる。例えば、図13に示すように、光導波路素子21の内部に、入力用のコア22と出力用のコア23とを形成する。この実施の形態においては、入力用のコア22及び出力用のコア23は、二つずつ形成されている。入力用の各コア22には、入力ポートとなる光ファイバー24及び挿入ポートとなる光ファイバー25がそれぞれ接続される。出力用の各コア23には、分岐ポートとなる光ファイバー26及び通過ポートとなる光ファイバー27がそれぞれ接続される。このような光カプラーにおいては、入力ポート(光ファイバー)24から入射された信号光のうち、溝28に設置された微小光学素子29の共鳴波長に等しい波長を持った信号光だけが分岐ポート(光ファイバー)26に出力され、微小光学素子29の共鳴波長と異なる波長を持った信号光は通過ポート(光ファイバー)27に出力される。挿入ポート(光ファイバー)25は、微小光学素子29の共鳴波長と等しい波長を持った信号光を通過ポート(光ファイバー)27に出力(追加)し、微小光学素子29の共鳴波長と異なる波長を持った信号光を分岐ポート(光ファイバー)26に出力(追加)するために使用される。
10 コア(光導波路)
10a 先端
11 光導波路素子(クラッド)
12 微小光学素子
13 溝
14 光ファイバー
10a 先端
11 光導波路素子(クラッド)
12 微小光学素子
13 溝
14 光ファイバー
Claims (5)
- 信号光を伝搬するためのコアと、該コアを覆うクラッドからなる光導波路素子と、上記信号光を周回させるための微小光学素子とからなる光カプラーであって、上記光導波路素子の一部に上記信号光が上記コアの先端において全反射する角度で溝を形成し、該溝に上記微小光学素子を設置したことを特徴とする光カプラー。
- 上記微小光学素子と上記コアの先端との距離が、上記信号光の波長の0倍から1/(2π(max(n1,n2)^2−n0^2)^(−0.5))倍の範囲である請求項1記載の光カプラー。
ここで、n0は上記溝内の屈折率、n1は上記コアの屈折率、n2は上記微小光学素子の屈折率である。 - 上記コアと上記溝との交差角θが、0°<θ≦(90°−θc)の範囲である請求項1又は2記載の光カプラー。
ここで、θcは上記コアの全反射補角である。 - 信号光を伝搬するためのコアと、該コアを覆うクラッドからなる光導波路素子と、上記信号光を周回又は往復させるための微小光学素子とからなる光カプラーであって、上記コアを横断するように上記光導波路素子に切断面を、上記信号光が上記コアの先端において全反射する角度で形成し、該切断面の上記コアの先端に密着させて上記微小光学素子を設置したことを特徴とする光カプラー。
- 上記コアと上記切断面との交差角θが、0°<θ≦(90°−θc)の範囲である請求項4記載の光カプラー。
ここで、θcは上記コアの全反射補角である。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2004033681A JP2005227360A (ja) | 2004-02-10 | 2004-02-10 | 光カプラー |
Applications Claiming Priority (1)
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JP2004033681A JP2005227360A (ja) | 2004-02-10 | 2004-02-10 | 光カプラー |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP5235136B2 (ja) * | 2006-07-13 | 2013-07-10 | 新日鉄住金化学株式会社 | 可とう性光導波路及び光−電気複合配線板用積層板 |
-
2004
- 2004-02-10 JP JP2004033681A patent/JP2005227360A/ja active Pending
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP5235136B2 (ja) * | 2006-07-13 | 2013-07-10 | 新日鉄住金化学株式会社 | 可とう性光導波路及び光−電気複合配線板用積層板 |
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