JP2005227360A - 光カプラー - Google Patents

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

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。

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１の実施の形態に係る光導波路素子の斜視図である。 コアの変形例を示す光カプラーの上面図である。 光導波路素子の溝の変形例を示す光カプラーの上面図である。 図５の実施の形態に係る光カプラーの側面断面図である。 光導波路素子の溝の変形例を示す光カプラーの上面図である。 図７の実施の形態に係る光カプラーの側面断面図である。 他の実施の形態に係る光カプラーの上面図である。 図９の実施の形態に係る光カプラーの側面断面図である。 図９の実施の形態に係る光導波路素子の斜視図である。 微小光学素子の変形例を示す光カプラーの側面断面図である。 他の実施の形態に係る光カプラーの上面図である。

符号の説明

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

Claims (5)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
   

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