JP2005309295A - 光増幅素子、光増幅装置および光増幅システム - Google Patents
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Abstract
【課題】 誘導ラマン効果を用いた光増幅器で、小型で低消費電力の光増幅器を提供する。
【解決手段】 光ファイバー１１の端面にラマン活性部１８と粗面金属部２１を設け、粗面金属部２１に励起光を照射して表面プラズモンを発生させることにより、コア１２内を伝播してきた信号光１５を照射する粗面金属部２１とラマン活性部１８の界面において、誘導ラマン効果を利用して信号光１５を増幅信号光１６に増幅する。
【選択図】 図１
【解決手段】 光ファイバー１１の端面にラマン活性部１８と粗面金属部２１を設け、粗面金属部２１に励起光を照射して表面プラズモンを発生させることにより、コア１２内を伝播してきた信号光１５を照射する粗面金属部２１とラマン活性部１８の界面において、誘導ラマン効果を利用して信号光１５を増幅信号光１６に増幅する。
【選択図】 図１
Description
本発明は、光増幅素子、光増幅装置および光増幅システムに関し、特に小型で消費電力の少ない光増幅光増幅素子、光増幅装置および光増幅システムに関する。
誘導ラマン散乱を利用した光増幅装置は、例えば、特許文献１あるいは非特許文献１に開示されている。これらの従来のラマン光増幅装置では、図３９に示すように、石英光ファイバー中に信号光と励起光を合波器により混合入力され、光ファイバー中を励起光が伝搬する間に誘導ラマン効果が発現し、信号光が増幅される。図４０に示すように、増幅された信号光は分波器またはフィルターにより励起光と分離される。
また、光ファイバーを用いない集中型の光増幅に関連する技術としては、非特許文献２に、銀微粒子を含む誘電体層に波長６３５ナノメーターの励起光を照射したときに波長４０５ナノメーターの光強度が増加したこと、および長波長の光入力パワーを増加させると、短波長の光出力強度および長波長の光出力強度が増加すると報告されている。
また、光ファイバーを用いない集中型の光増幅に関連する技術としては、非特許文献２に、銀微粒子を含む誘電体層に波長６３５ナノメーターの励起光を照射したときに波長４０５ナノメーターの光強度が増加したこと、および長波長の光入力パワーを増加させると、短波長の光出力強度および長波長の光出力強度が増加すると報告されている。
一般にラマン増幅装置は誘導ラマン効果を用いて信号光を増幅するものである。特許文献１または非特許文献１に開示されている従来の光ファイバーによる誘導ラマン効果を利用した光増幅装置では、ラマン増幅の効率が低いため数キロメートルという非常に長い光ファイバーが必要となり、増幅装置が大型になる。また誘導ラマン効果が発現するためには、ある閾値以上の励起光強度が必要である。このため、十分な増幅利得を得るためには、大出力の励起光源が必要で消費電力も大きいという問題が生じていた。さらに励起光と信号光を光ファイバー中に混在させるため、励起光を信号光に合波・分離するための合分波器やフィルターが必要となり、このため挿入損失が生じて信号光の強度が減少するという問題が生じていた。
一方光ファイバーを用いない光増幅技術として、非特許文献２に開示された技術は、光トランジスタでも光増幅素子でもなく光可変減衰器でありラマン増幅とは全く異なるものである。すなわち非特許文献２が示しているように、ラマン増幅では入力励起光波長より長波長の信号光が増幅され、信号光の増加とともに励起光の出力強度は減少することから、非特許文献２はラマン増幅現象を表わしてはいない。
一方光ファイバーを用いない光増幅技術として、非特許文献２に開示された技術は、光トランジスタでも光増幅素子でもなく光可変減衰器でありラマン増幅とは全く異なるものである。すなわち非特許文献２が示しているように、ラマン増幅では入力励起光波長より長波長の信号光が増幅され、信号光の増加とともに励起光の出力強度は減少することから、非特許文献２はラマン増幅現象を表わしてはいない。
本発明の目的の一つは、高い効率でのラマン増幅により小型で低消費電力の光増幅素子および光増幅装置を提供することにある。また本発明の他の目的は、励起光を信号光と同一導波路中に混合しない構造により低損失の光増幅装置および光増幅装置を提供することにある。
前記目的のために、本願発明者が誘導ラマン効果による光の増幅について種々検討した結果、素子内で表面プラズモンを励起させると、この表面プラズモンの強い電界で誘導ラマン効果が強まり、信号光の増幅を著しく増大できることを見出した。本願発明の光増幅素子は、この表面プラズモンを介した光増幅現象に基づくものである。
本発明の第１の光増幅素子は、負の誘電率を有する金属部とラマン活性部とを隣接し設けた構造を有することを特徴とする。
前記金属部と前記ラマン活性部の界面が粗面を有すると、前記金属部に励起光を照射したときに効率よくプラズモンを励起できる。
前記界面の粗面を形成する凹凸構造が周期性を有してもよい。前記粗面がフラクタル構造の形状配列を含むことは望ましい。
前記金属部が粗面を有しても、前記金属部に励起光を照射したときに効率よくプラズモンを励起できる。
前記金属部の粗面が少なくとも１個以上の直径１００ｎｍ以下の微小形状を有し、かつ微小形状が２個以上の場合、それぞれの微小形状配列の最近接間隔が０．５ｎｍから５０ｎｍの範囲であることは望ましい。
前記金属部粗面が、周期的に形成された、同心円をなす畝もしくは溝を有する、または周期的に形成されたフラクタル構造を含むことは望ましい。
本発明の第２の光増幅素子は、本願発明の負の誘電率を有する金属部とラマン活性部とを有する光増幅素子であって、当該金属部に励起光を照射することにより信号光を増幅することを特徴とする。前記励起光を前記金属部に照射したときに発生する表面プラズモンが、前記ラマン活性部における誘導ラマン効果による入射光の増幅を増大させる。
前記励起光の少なくとも一部の光成分を、前記金属部への入射位置において、該金属部に表面プラズモンを発生させる角度で入射させることによって、該金属部に表面プラズモンが発生する。
前記金属部と前記ラマン活性部とが隣接し、前記励起光と前記信号光とが、前記金属部と前記ラマン活性部との界面で反射することが望ましい。
前記金属部が粗面を有し、前記粗面を形成する凹凸構造が、前記励起光または前記信号光の進行方向に周期性を有して配列していると、効率よくプラズモンを励起でき、前記ラマン活性部における誘導ラマン効果を一層増大できるので、さらに望ましい。
本発明の第１の光増幅装置は、前記第1あるいは第2の光増幅素子と、少なくとも一つの光漏洩部位を有する光導波路とを具備し、かつ当該漏洩部位の内の少なくとも一つに当該光増幅素子が設けられていることを特徴とする。
前記光増幅素子を設けた光漏洩部位は光導波路の端面に設けても側面に設けてもよい。
前記光導波路としては、光ファイバーも平面型光導波も利用できる。
前記光漏洩部と前記ラマン活性部との界面が粗面を有していることが望ましい。
本願発明の第２の光増幅装置は、前記第１あるいは第２の光増幅素子と、屈折手段とを有することを特徴とする。前記屈折手段を介して一定のプラズモン吸収入射角で前記励起光を前記金属部に照射することで、効率よくプラズモンを励起でき、前記ラマン活性部における誘導ラマン効果を一層増大できる。
前記金属部と前記ラマン活性部の界面が粗面を有すると、前記金属部に励起光を照射したときに効率よくプラズモンを励起できる。
前記界面の粗面を形成する凹凸構造が周期性を有してもよい。前記粗面がフラクタル構造の形状配列を含むことは望ましい。
前記金属部が粗面を有しても、前記金属部に励起光を照射したときに効率よくプラズモンを励起できる。
前記金属部の粗面が少なくとも１個以上の直径１００ｎｍ以下の微小形状を有し、かつ微小形状が２個以上の場合、それぞれの微小形状配列の最近接間隔が０．５ｎｍから５０ｎｍの範囲であることは望ましい。
前記金属部粗面が、周期的に形成された、同心円をなす畝もしくは溝を有する、または周期的に形成されたフラクタル構造を含むことは望ましい。
本発明の第２の光増幅素子は、本願発明の負の誘電率を有する金属部とラマン活性部とを有する光増幅素子であって、当該金属部に励起光を照射することにより信号光を増幅することを特徴とする。前記励起光を前記金属部に照射したときに発生する表面プラズモンが、前記ラマン活性部における誘導ラマン効果による入射光の増幅を増大させる。
前記励起光の少なくとも一部の光成分を、前記金属部への入射位置において、該金属部に表面プラズモンを発生させる角度で入射させることによって、該金属部に表面プラズモンが発生する。
前記金属部と前記ラマン活性部とが隣接し、前記励起光と前記信号光とが、前記金属部と前記ラマン活性部との界面で反射することが望ましい。
前記金属部が粗面を有し、前記粗面を形成する凹凸構造が、前記励起光または前記信号光の進行方向に周期性を有して配列していると、効率よくプラズモンを励起でき、前記ラマン活性部における誘導ラマン効果を一層増大できるので、さらに望ましい。
本発明の第１の光増幅装置は、前記第1あるいは第2の光増幅素子と、少なくとも一つの光漏洩部位を有する光導波路とを具備し、かつ当該漏洩部位の内の少なくとも一つに当該光増幅素子が設けられていることを特徴とする。
前記光増幅素子を設けた光漏洩部位は光導波路の端面に設けても側面に設けてもよい。
前記光導波路としては、光ファイバーも平面型光導波も利用できる。
前記光漏洩部と前記ラマン活性部との界面が粗面を有していることが望ましい。
本願発明の第２の光増幅装置は、前記第１あるいは第２の光増幅素子と、屈折手段とを有することを特徴とする。前記屈折手段を介して一定のプラズモン吸収入射角で前記励起光を前記金属部に照射することで、効率よくプラズモンを励起でき、前記ラマン活性部における誘導ラマン効果を一層増大できる。
［作用］
表面プラズモンは光の電場により誘起される金属内の自由電子の電荷密度波であって金属表面を伝播する。金、銀、銅、アルミニウム、クロムなどの負の誘電率を有する金属、より具体的には誘電率の実数部が負であって、実数部の絶対値が虚数部より大きい金属材料は、表面プラズモンを励起し易い特徴を有している。
このような負の誘電率を有する金属を主たる構成材料とする金属部と、ラマン活性を有する材料からなるラマン活性部とを隣接させた構造で素子（以下、本光増幅素子という）を形成する。ここで、「金属部とラマン活性部とが隣接する」とは、まったく他の膜や空気が介在しない状態だけでなく、自然酸化膜、ラマン活性部あるいは金属部を構成する材料の変質膜、空気層等がわずかに介在してラマン活性部と金属部とが近接離間している状態も含む。近接離間している場合であっても、後述する表面プラズモンによる電界がラマン活性部に及びラマン活性部における入射光の増幅作用を増大させることができる範囲であれば、「金属部とラマン活性部とが隣接する」技術範囲に含まれる。
本光増幅素子の金属部に励起光を照射し、ラマン活性部に増幅対象の信号光を入射させる。励起光は、ラマン活性部を通してラマン活性部との界面側から照射しても、界面とが逆の側から照射してもよい。励起光の少なくとも一部の光成分が表面プラズモンの発生条件を満たす角度で該金属部に入射すると、金属部に表面プラズモンが発生する。
表面プラズモンの作り出す電場は金属との界面に接しているラマン活性材料に作用して誘導ラマン効果を助長する。誘導ラマン散乱の強度、すなわち信号光の強度は、電界強度の３乗に比例して増加する。励起光によって金属部の一部でも表面プラズモンが発生すると、このプラズモンによって強い電界がラマン活性部に及び、その電界強度が閾値を越えていれば十分に大きな光増幅を得ることができる。
金属部が粗面を有していると、該金属部とラマン活性部界面に局所的に強い電界が発生するので、誘導ラマン効果をさらに強めることができる。金属表面が周期構造を有していると表面プラズモン共鳴が生じ易く、電界強度がさらに増強され、誘導ラマン効果をさらに強めることができる。粗面の形状としては、ランダム形状、周期形状、フラクタル形状など種々の形状が利用できる。フラクタル形状とは、自己相似性を有する幾何学形状である。粗面の形状は、表面プラズモンを励起しさらに共鳴を生じさせる比較的大きな構造とラマン散乱源となる微小構造からなることが望ましい。励起波長と同程度の周期長を有する凹凸構造では、表面プラズモンの共鳴を誘起し、電界強度の集中による効率の高いラマン増幅作用が得られる。
本願発明者は、前記周期構造がフラクタル構造を含むときに、表面プラズモン共鳴が特に生じ易くなることを実験的に確認した。フラクタル構造に関する確かな理論的検証はできていないが、自己相似性を有する幾何学形状であることが、広い範囲で励起された表面プラズモンを微小領域に効率よく集中させ、効率の高いラマン増幅作用が発現したと発明者は考える。フラクタル形状の具体的形態は、フラクタル科学入門、日本実業出版社、１９９０年、口絵,p18〜p22に開示されているような樹枝状、マンデルブロ集合、ジュリア集合、シルビンスキーギャスケット、メンジャースポンジなど種々の形状を用いることができる。
フラクタル構造全体の大きさは波長よりも大きいが、自己相似形状の微小部分は下記の微小サイズを有することが好ましい。ラマン散乱源となる粗面部の大きさは例えば少なくとも１個以上の直径１００ナノメートル以下の微小形状配列を有し、２個以上の場合は、それぞれの微小形状配列の最近接間隔が０．５ナノメートルから５０ナノメートル、好ましくは１ナノメートルから１０ナノメートルの範囲である。
表面プラズモンと信号光の相互作用によるラマン増幅の発生は、金属部が粗面である場合だけに限定されるものではない。金属部とラマン活性部の界面が平滑である場合には、励起光を金属部側から入射させ、信号光をラマン活性部側から入射させる。信号光を平滑な界面に適切な入射角で入射すると共に、励起光に対しても金属部に対して適切な入射角で入射させることによって、界面近傍に表面プラズモンを励起し信号光を増幅させることができる。光増幅素子をこのような構成にすることより、信号光と励起光とを合流あるいは分離するための光カプラを必要としないため、光挿入損失の低い光増幅作用が得られる。
ラマン活性部に用いるラマン活性材料は、ラマン散乱スペクトルが観察されるものであれば何でも良いが、分極率の大きい材料が好ましい。また結晶性の高い材料であれば強いラマン強度が得られ高い光増幅効率が得られる。一方非晶質材料はラマン散乱スペクトルの波長が広く、増幅信号の帯域が広くとれる特徴を有している。
金属部は、単元素金属のみでなく各種元素の添加もしくは合金で形成することも可能である。銀を好適に利用できるのは励起光の波長が赤外領域から可視領域の場合であり、金を好適に利用できるのは励起光の波長が赤外領域から５００nm程度の場合であり、アルミニウムを好適に利用できるのは励起光の波長領域が可視領域から紫外領域である。また、銀や金にイットリウム、ネオジウム、タングステン、パラジウム、ビスマス、アンチモン、モリブデンなどの元素を添加すると金属部の粗さを制御できる。例えばネオジウムは銀の表面を平滑にする作用がある。これは銀の拡散を抑制し結晶粒を微細にするためと考えられる。
表面プラズモンは光の電場により誘起される金属内の自由電子の電荷密度波であって金属表面を伝播する。金、銀、銅、アルミニウム、クロムなどの負の誘電率を有する金属、より具体的には誘電率の実数部が負であって、実数部の絶対値が虚数部より大きい金属材料は、表面プラズモンを励起し易い特徴を有している。
このような負の誘電率を有する金属を主たる構成材料とする金属部と、ラマン活性を有する材料からなるラマン活性部とを隣接させた構造で素子（以下、本光増幅素子という）を形成する。ここで、「金属部とラマン活性部とが隣接する」とは、まったく他の膜や空気が介在しない状態だけでなく、自然酸化膜、ラマン活性部あるいは金属部を構成する材料の変質膜、空気層等がわずかに介在してラマン活性部と金属部とが近接離間している状態も含む。近接離間している場合であっても、後述する表面プラズモンによる電界がラマン活性部に及びラマン活性部における入射光の増幅作用を増大させることができる範囲であれば、「金属部とラマン活性部とが隣接する」技術範囲に含まれる。
本光増幅素子の金属部に励起光を照射し、ラマン活性部に増幅対象の信号光を入射させる。励起光は、ラマン活性部を通してラマン活性部との界面側から照射しても、界面とが逆の側から照射してもよい。励起光の少なくとも一部の光成分が表面プラズモンの発生条件を満たす角度で該金属部に入射すると、金属部に表面プラズモンが発生する。
表面プラズモンの作り出す電場は金属との界面に接しているラマン活性材料に作用して誘導ラマン効果を助長する。誘導ラマン散乱の強度、すなわち信号光の強度は、電界強度の３乗に比例して増加する。励起光によって金属部の一部でも表面プラズモンが発生すると、このプラズモンによって強い電界がラマン活性部に及び、その電界強度が閾値を越えていれば十分に大きな光増幅を得ることができる。
金属部が粗面を有していると、該金属部とラマン活性部界面に局所的に強い電界が発生するので、誘導ラマン効果をさらに強めることができる。金属表面が周期構造を有していると表面プラズモン共鳴が生じ易く、電界強度がさらに増強され、誘導ラマン効果をさらに強めることができる。粗面の形状としては、ランダム形状、周期形状、フラクタル形状など種々の形状が利用できる。フラクタル形状とは、自己相似性を有する幾何学形状である。粗面の形状は、表面プラズモンを励起しさらに共鳴を生じさせる比較的大きな構造とラマン散乱源となる微小構造からなることが望ましい。励起波長と同程度の周期長を有する凹凸構造では、表面プラズモンの共鳴を誘起し、電界強度の集中による効率の高いラマン増幅作用が得られる。
本願発明者は、前記周期構造がフラクタル構造を含むときに、表面プラズモン共鳴が特に生じ易くなることを実験的に確認した。フラクタル構造に関する確かな理論的検証はできていないが、自己相似性を有する幾何学形状であることが、広い範囲で励起された表面プラズモンを微小領域に効率よく集中させ、効率の高いラマン増幅作用が発現したと発明者は考える。フラクタル形状の具体的形態は、フラクタル科学入門、日本実業出版社、１９９０年、口絵,p18〜p22に開示されているような樹枝状、マンデルブロ集合、ジュリア集合、シルビンスキーギャスケット、メンジャースポンジなど種々の形状を用いることができる。
フラクタル構造全体の大きさは波長よりも大きいが、自己相似形状の微小部分は下記の微小サイズを有することが好ましい。ラマン散乱源となる粗面部の大きさは例えば少なくとも１個以上の直径１００ナノメートル以下の微小形状配列を有し、２個以上の場合は、それぞれの微小形状配列の最近接間隔が０．５ナノメートルから５０ナノメートル、好ましくは１ナノメートルから１０ナノメートルの範囲である。
表面プラズモンと信号光の相互作用によるラマン増幅の発生は、金属部が粗面である場合だけに限定されるものではない。金属部とラマン活性部の界面が平滑である場合には、励起光を金属部側から入射させ、信号光をラマン活性部側から入射させる。信号光を平滑な界面に適切な入射角で入射すると共に、励起光に対しても金属部に対して適切な入射角で入射させることによって、界面近傍に表面プラズモンを励起し信号光を増幅させることができる。光増幅素子をこのような構成にすることより、信号光と励起光とを合流あるいは分離するための光カプラを必要としないため、光挿入損失の低い光増幅作用が得られる。
ラマン活性部に用いるラマン活性材料は、ラマン散乱スペクトルが観察されるものであれば何でも良いが、分極率の大きい材料が好ましい。また結晶性の高い材料であれば強いラマン強度が得られ高い光増幅効率が得られる。一方非晶質材料はラマン散乱スペクトルの波長が広く、増幅信号の帯域が広くとれる特徴を有している。
金属部は、単元素金属のみでなく各種元素の添加もしくは合金で形成することも可能である。銀を好適に利用できるのは励起光の波長が赤外領域から可視領域の場合であり、金を好適に利用できるのは励起光の波長が赤外領域から５００nm程度の場合であり、アルミニウムを好適に利用できるのは励起光の波長領域が可視領域から紫外領域である。また、銀や金にイットリウム、ネオジウム、タングステン、パラジウム、ビスマス、アンチモン、モリブデンなどの元素を添加すると金属部の粗さを制御できる。例えばネオジウムは銀の表面を平滑にする作用がある。これは銀の拡散を抑制し結晶粒を微細にするためと考えられる。
本発明の表面プラズモンを介した集中型のラマン光増幅器は、増幅効率が改良されることにより、従来の光ファイバーを用いた分布型のラマン光増幅器よりも小型で低消費電力の光増幅器を提供することができる。また、信号光と励起光を混合しない構成であることにより低損失の光増幅器を提供することができる。
次に、本発明の光増幅器の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
［実施例１］
［構造］
図１に本発明の光増幅器１００の第１の実施形態の断面構造を示す。
図１を参照すると、光ファイバー１１の端面１９は粗面に加工されており、該粗面加工端面１９にラマン活性部１８と金属部１７が形成されている。励起光１４と信号光１５は、粗面加工端面１９とラマン活性部１８を通して金属部１７に照射される。粗面加工端面１９は、図２に示すようなランダムな粗さを有するランダム粗面端面３２、または図３に示すような周期的な粗さを有する周期的粗面端面５２から構成されている。金属部１７およびラマン活性部１８は、粗面加工端面１９の形状にほぼ沿って形成されるため、それらの表面および界面もまたランダムまたは周期的な粗さを有する。ラマン活性部１８の材料は、後述する。
ここで表す粗さとは深さ３４が１ナノメートルから光の波長程度（例えば紫外光の２００ナノメートルから赤外光の１０マイクロメータ程度）である。また、周期的粗面端面３０の場合は周期３３も深さ３４と同じ程度の範囲（１ナノメートルから光の波長程度）である。
励起光１４が金属部１７に照射されると、金属部表面に表面プラズモンが励起され、ラマン活性部１８との界面で信号光１５が増幅され増幅信号光１６が得られる。ここで周期的粗面端面５２においては、周期構造によって表面プラズモンが共鳴することにより、信号光１５の増幅の程度はさらに大きくなる。
周期的粗面端面の形状は図３のような同心円状の他に、図４のような点列状、図５のような正方格子状、図６のようなスリット状、図８の様な多面体格子状、図９、図１０のような樹枝状を代表とするフラクタル構造など種々の構造が含まれる。周期的構造のＢ−Ｂ’間の断面は、図７に示すような凹凸状の溝になっており、その周期３３および深さ３４は励起光１４の波長程度が最も好ましい。
また増幅の程度は金属部１７の材料の持つ誘電率の実数部及び虚数部の大きさによって異なり、銀の場合が最も強く、次に金、銅またはアルミニウム、またはクロムの順に効果がある。白金、ロジウム、リチウム、ナトリウム、カリウム、インジウム、パラジウムなども効率は悪いが有効である。また該金属の合金も有効である。
［構造］
図１に本発明の光増幅器１００の第１の実施形態の断面構造を示す。
図１を参照すると、光ファイバー１１の端面１９は粗面に加工されており、該粗面加工端面１９にラマン活性部１８と金属部１７が形成されている。励起光１４と信号光１５は、粗面加工端面１９とラマン活性部１８を通して金属部１７に照射される。粗面加工端面１９は、図２に示すようなランダムな粗さを有するランダム粗面端面３２、または図３に示すような周期的な粗さを有する周期的粗面端面５２から構成されている。金属部１７およびラマン活性部１８は、粗面加工端面１９の形状にほぼ沿って形成されるため、それらの表面および界面もまたランダムまたは周期的な粗さを有する。ラマン活性部１８の材料は、後述する。
ここで表す粗さとは深さ３４が１ナノメートルから光の波長程度（例えば紫外光の２００ナノメートルから赤外光の１０マイクロメータ程度）である。また、周期的粗面端面３０の場合は周期３３も深さ３４と同じ程度の範囲（１ナノメートルから光の波長程度）である。
励起光１４が金属部１７に照射されると、金属部表面に表面プラズモンが励起され、ラマン活性部１８との界面で信号光１５が増幅され増幅信号光１６が得られる。ここで周期的粗面端面５２においては、周期構造によって表面プラズモンが共鳴することにより、信号光１５の増幅の程度はさらに大きくなる。
周期的粗面端面の形状は図３のような同心円状の他に、図４のような点列状、図５のような正方格子状、図６のようなスリット状、図８の様な多面体格子状、図９、図１０のような樹枝状を代表とするフラクタル構造など種々の構造が含まれる。周期的構造のＢ−Ｂ’間の断面は、図７に示すような凹凸状の溝になっており、その周期３３および深さ３４は励起光１４の波長程度が最も好ましい。
また増幅の程度は金属部１７の材料の持つ誘電率の実数部及び虚数部の大きさによって異なり、銀の場合が最も強く、次に金、銅またはアルミニウム、またはクロムの順に効果がある。白金、ロジウム、リチウム、ナトリウム、カリウム、インジウム、パラジウムなども効率は悪いが有効である。また該金属の合金も有効である。
励起光１４の波長は、要求される信号光１５の波長よりも短い波長であってその波長の差（ラマンシフト）はラマン活性部１８の材料によって異なる。すなわちラマン活性部１８は、石英ガラス、珪素、ゲルマニウム、カーボン、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸ジルコン酸ランタン鉛、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、またはＧａＡｓ等の半導体、誘電体、強誘電体、高分子材料を含む有機固体などを用いることができ、信号光の波長や増幅波長帯域によって選択できる。
［製法］
次に、図１を参照して第１の実施の形態の製造方法を説明する。光ファイバー１１の端面を研磨により断面を形成しラマン活性部１８を形成した後、金属部１７を形成する。ラマン活性部や金属部の形成は、スパッタリング法、蒸着法、化学蒸着法、めっき法、塗布法など種々の成膜法が用いられる。ランダム粗面端面３２を形成する場合は、光ファイバー１１の端面研磨を行うときに研磨砥粒の細かさを変えることにより任意の粗さを有する面を形成する。周期的粗面端面５２を形成する場合は、通常のリソグラフィー工程を用いる。すなわち、所望のパターンで作製した露光マスクを介して平滑に研磨された光ファイバー端面に塗布したフォトレジスト膜を光学露光し、その後エッチングにより種々の周期的パターンを形成する。最後に余分のレジストを除去することにより、所望のパターンが形成される。
次に、図１を参照して第１の実施の形態の製造方法を説明する。光ファイバー１１の端面を研磨により断面を形成しラマン活性部１８を形成した後、金属部１７を形成する。ラマン活性部や金属部の形成は、スパッタリング法、蒸着法、化学蒸着法、めっき法、塗布法など種々の成膜法が用いられる。ランダム粗面端面３２を形成する場合は、光ファイバー１１の端面研磨を行うときに研磨砥粒の細かさを変えることにより任意の粗さを有する面を形成する。周期的粗面端面５２を形成する場合は、通常のリソグラフィー工程を用いる。すなわち、所望のパターンで作製した露光マスクを介して平滑に研磨された光ファイバー端面に塗布したフォトレジスト膜を光学露光し、その後エッチングにより種々の周期的パターンを形成する。最後に余分のレジストを除去することにより、所望のパターンが形成される。
［実施例２］
本発明の第２の実施形態の光増幅器１１０の断面構造を図１１に示す。
図１１を参照すると、光ファイバー１１の端面にラマン活性部１８と粗面金属部２１が設けられている。該粗面金属部２１は光ファイバー１１に接する側は平滑面２２であり、外部を向いた側は粗面２３となっている点である。信号光１５は該金属部の平滑面２２に照射され、励起光１４は光ファイバー外部から粗面金属部２１の粗面２３に照射される。第１の実施形態と異なる点は、粗面金属部２１が片面が平滑面、他方の面が粗面であることと、励起方向にある。
粗面金属部２１の粗面２３は、図２に示すようなランダムな粗さ、または例えば図３、図４、図５、図６、図８、図９または図１０に示すような周期的な粗さを有する形状から構成されている。
励起光１４が粗面金属部２１の粗面２３に照射されると、表面プラズモンが励起され、平滑面２２とラマン活性部１８の界面で信号光１５が増幅され、粗面金属部２１の平滑面２２で反射して信号光と逆方向に進行する増幅信号光１６が得られる。
ここで粗面金属部２１は、ランダムな粗面を有するよりも、周期性を有する金属粗面を用いることにより増幅の程度はさらに大きくなる。粗面金属部２１の平滑面２２は、増幅光の反射損失や表面プラズモンの伝播損失を抑えるため、できるだけ平滑なことが好ましいが、研磨工程のコストから、日本工業規格Ｂ０６０１で定義されている、中心線平均粗さ（Ｒａ）で０．０１nmから１nm程度が好ましい。
この第２の実施形態の光増幅器は、信号光と励起光を混合しない構成であるため、信号光と励起光に対してともに低損失であるという特徴を有す。
本発明の第２の実施形態の光増幅器１１０の断面構造を図１１に示す。
図１１を参照すると、光ファイバー１１の端面にラマン活性部１８と粗面金属部２１が設けられている。該粗面金属部２１は光ファイバー１１に接する側は平滑面２２であり、外部を向いた側は粗面２３となっている点である。信号光１５は該金属部の平滑面２２に照射され、励起光１４は光ファイバー外部から粗面金属部２１の粗面２３に照射される。第１の実施形態と異なる点は、粗面金属部２１が片面が平滑面、他方の面が粗面であることと、励起方向にある。
粗面金属部２１の粗面２３は、図２に示すようなランダムな粗さ、または例えば図３、図４、図５、図６、図８、図９または図１０に示すような周期的な粗さを有する形状から構成されている。
励起光１４が粗面金属部２１の粗面２３に照射されると、表面プラズモンが励起され、平滑面２２とラマン活性部１８の界面で信号光１５が増幅され、粗面金属部２１の平滑面２２で反射して信号光と逆方向に進行する増幅信号光１６が得られる。
ここで粗面金属部２１は、ランダムな粗面を有するよりも、周期性を有する金属粗面を用いることにより増幅の程度はさらに大きくなる。粗面金属部２１の平滑面２２は、増幅光の反射損失や表面プラズモンの伝播損失を抑えるため、できるだけ平滑なことが好ましいが、研磨工程のコストから、日本工業規格Ｂ０６０１で定義されている、中心線平均粗さ（Ｒａ）で０．０１nmから１nm程度が好ましい。
この第２の実施形態の光増幅器は、信号光と励起光を混合しない構成であるため、信号光と励起光に対してともに低損失であるという特徴を有す。
［実施例３］
本発明の第３の実施形態の光増幅器１４０の断面構造を図１２に示す。
図１２を参照すると、光増幅器１４０は、光ファイバー１１の端面にラマン活性部１８と粗面金属部２１が設けられている。該粗面金属部２１の粗面２３側が光ファイバー端面に面しており、粗面２３に対向する面は平滑面２２である。この面に接してプリズム３１が設けられている。このプリズム３１を介して光ファイバー外部から励起光１４が入射角４２で照射される。
最適な入射角４２を選択すると、励起光は粗面金属部２１で効率よく表面プラズモンに変換され、ラマン活性部１８と粗面金属部２１の界面において誘導ラマン効果が生じ、励起光１４が混合することなく信号光１５をより大きな増幅率で増幅信号光１６を得ることができる。
粗面金属部２１の粗面２３は、図１３に示すようにスリット状の周期的粗面である。表面プラズモンの進行方向５３は、励起光１４の照射方向に平行であり、スリットの配列方向もこれに平行であることが好ましい。該周期構造により表面プラズモンの共鳴が生じてより強い増幅作用により信号光１５を増幅信号光１６に変換することができる。
本発明の第３の実施形態の光増幅器１４０の断面構造を図１２に示す。
図１２を参照すると、光増幅器１４０は、光ファイバー１１の端面にラマン活性部１８と粗面金属部２１が設けられている。該粗面金属部２１の粗面２３側が光ファイバー端面に面しており、粗面２３に対向する面は平滑面２２である。この面に接してプリズム３１が設けられている。このプリズム３１を介して光ファイバー外部から励起光１４が入射角４２で照射される。
最適な入射角４２を選択すると、励起光は粗面金属部２１で効率よく表面プラズモンに変換され、ラマン活性部１８と粗面金属部２１の界面において誘導ラマン効果が生じ、励起光１４が混合することなく信号光１５をより大きな増幅率で増幅信号光１６を得ることができる。
粗面金属部２１の粗面２３は、図１３に示すようにスリット状の周期的粗面である。表面プラズモンの進行方向５３は、励起光１４の照射方向に平行であり、スリットの配列方向もこれに平行であることが好ましい。該周期構造により表面プラズモンの共鳴が生じてより強い増幅作用により信号光１５を増幅信号光１６に変換することができる。
［実施例４］
本発明の第４の実施形態の光増幅器１５０の断面構造を図１４（Ａ）に、またこれに類似した実施形態の光増幅器１６０の断面構造を図１４（Ｂ）に示す。
図１４（Ａ）を参照すると、光増幅器１５０は、光ファイバー１１の端面にラマン活性部１８と周期的粗面金属部５１が設けられている。該粗面金属部５１の粗面２３が光ファイバー端面に面しており、粗面２３に対向する面は平滑面２２である。この面に接してアキシコンレンズ４１が設けられている。アキシコンレンズ４１を介して光ファイバー外部から励起光６１が入射角４２で照射される。
図１５（Ａ）に表面プラズモンの進行方向５３を示すように、最適な入射角４２で励起光６１を照射することにより、励起光６１は光ファイバー端面の中心部に向かう表面プラズモンへ効率よく変換される。変換された表面プラズモンは、ラマン活性部１８と周期的粗面金属部５１の界面において強く誘導ラマン効果を励起する。これにより入力信号光１５はより大きな増幅率で増幅を受け、増幅信号光１６となって出力する。
この構成の光増幅器も、第２の実施形態と同じく、励起光６１と信号光１５を合流、分離する必要が無いため、合流分離素子による挿入損失の少ない増幅信号光１６を得ることができる。
本実施形態では周期的粗面金属部５１の粗面２３は、図１５（Ａ）に示すように励起光の照射方向に直角な円周を有する同心円状の周期構造を呈している。該周期構造により表面プラズモンの共鳴が生じてより強い増幅作用により信号光１５を増幅信号光１６に変換することができる。アキシコンレンズ４１の円錐形状の頂点が、図１５における同心円形状構造を有する周期的粗面金属部５１の中心部に近いほど効率よく表面プラズモンに変換できる。
本発明の第４の実施形態の光増幅器１５０の断面構造を図１４（Ａ）に、またこれに類似した実施形態の光増幅器１６０の断面構造を図１４（Ｂ）に示す。
図１４（Ａ）を参照すると、光増幅器１５０は、光ファイバー１１の端面にラマン活性部１８と周期的粗面金属部５１が設けられている。該粗面金属部５１の粗面２３が光ファイバー端面に面しており、粗面２３に対向する面は平滑面２２である。この面に接してアキシコンレンズ４１が設けられている。アキシコンレンズ４１を介して光ファイバー外部から励起光６１が入射角４２で照射される。
図１５（Ａ）に表面プラズモンの進行方向５３を示すように、最適な入射角４２で励起光６１を照射することにより、励起光６１は光ファイバー端面の中心部に向かう表面プラズモンへ効率よく変換される。変換された表面プラズモンは、ラマン活性部１８と周期的粗面金属部５１の界面において強く誘導ラマン効果を励起する。これにより入力信号光１５はより大きな増幅率で増幅を受け、増幅信号光１６となって出力する。
この構成の光増幅器も、第２の実施形態と同じく、励起光６１と信号光１５を合流、分離する必要が無いため、合流分離素子による挿入損失の少ない増幅信号光１６を得ることができる。
本実施形態では周期的粗面金属部５１の粗面２３は、図１５（Ａ）に示すように励起光の照射方向に直角な円周を有する同心円状の周期構造を呈している。該周期構造により表面プラズモンの共鳴が生じてより強い増幅作用により信号光１５を増幅信号光１６に変換することができる。アキシコンレンズ４１の円錐形状の頂点が、図１５における同心円形状構造を有する周期的粗面金属部５１の中心部に近いほど効率よく表面プラズモンに変換できる。
上記の実施形態は、図１４（Ｂ）のように変形してもよい。
図１４（Ｂ）を参照すると、光増幅器１６０は、光ファイバー１１の端面にラマン活性部１８と中心に単一の突起状の粗面を有する金属壁５５が設けられている。その他の構成は、図１４（Ａ）の光増幅器１５０と同一である。
最適な入射角４２で励起光６１を照射することにより、図１５（Ｂ）に示すように、励起光６１は光ファイバー端面の中心部に集中する表面プラズモンへ効率よく変換される。この収束する表面プラズモンは、ラマン活性部１８と中心部の突起状粗面２８の界面においてより強く誘導ラマン効果を励起し、これにより入射信号光１５はより大きな増幅率で増幅され、高出力の増幅信号光１６となって出力する。
図１４（Ｂ）を参照すると、光増幅器１６０は、光ファイバー１１の端面にラマン活性部１８と中心に単一の突起状の粗面を有する金属壁５５が設けられている。その他の構成は、図１４（Ａ）の光増幅器１５０と同一である。
最適な入射角４２で励起光６１を照射することにより、図１５（Ｂ）に示すように、励起光６１は光ファイバー端面の中心部に集中する表面プラズモンへ効率よく変換される。この収束する表面プラズモンは、ラマン活性部１８と中心部の突起状粗面２８の界面においてより強く誘導ラマン効果を励起し、これにより入射信号光１５はより大きな増幅率で増幅され、高出力の増幅信号光１６となって出力する。
［実施例５］
本発明の第５の実施形態の光増幅器１７０の断面構造を図１６に示す。
図１６を参照すると、光増幅器１７０は、光ファイバー１１の平滑な端面に設けた周期的粗面金属部５１の粗面２３の間にラマン活性部１８が形成されている。
光ファイバー側からラマン活性部１８に入射する励起光１４によって該ラマン活性部１８と周期的粗面金属部５１の界面に生じた誘導ラマン効果により信号光１５が増幅される。
本実施形態の光増幅器では、周期的粗面金属部５１が周期的に配列した金属壁５５を有している。周期的粗面金属部５１に励起される表面プラズモンがこの周期的な金属壁５５で反射するために表面プラズモンの共鳴がより強くなり誘導ラマン効果もより増強される。
本発明の第５の実施形態の光増幅器１７０の断面構造を図１６に示す。
図１６を参照すると、光増幅器１７０は、光ファイバー１１の平滑な端面に設けた周期的粗面金属部５１の粗面２３の間にラマン活性部１８が形成されている。
光ファイバー側からラマン活性部１８に入射する励起光１４によって該ラマン活性部１８と周期的粗面金属部５１の界面に生じた誘導ラマン効果により信号光１５が増幅される。
本実施形態の光増幅器では、周期的粗面金属部５１が周期的に配列した金属壁５５を有している。周期的粗面金属部５１に励起される表面プラズモンがこの周期的な金属壁５５で反射するために表面プラズモンの共鳴がより強くなり誘導ラマン効果もより増強される。
［実施例６］
本発明の第６の実施形態の光増幅器１８０の断面構造を図１７に示す。
図１７を参照すると、光増幅器１８０は、光ファイバー１１のコア１２とクラッド１３の界面にラマン活性部１８と金属部１７が形成されている。
信号光１５は、金属部１７を反射しながらラマン活性部１８と金属部１７界面において誘導ラマン効果により増幅を重ね、強い増幅信号光１６として出射される。金属部１７は、光散乱損失や表面プラズモンの伝播損失を抑えるため、できるだけ平滑なことが好ましいが、研磨工程のコストから、日本工業規格Ｂ０６０１で定義されている、中心線平均粗さ（Ｒａ）で0.01nmから1nm程度が好ましい。本実施形態では励起光１４は種々の入射角４２で金属部１７に照射されるが、そのうちの表面プラズモンに最も変換されやすい角度の励起光が光増幅に関与する。
本発明の第６の実施形態の光増幅器１８０の断面構造を図１７に示す。
図１７を参照すると、光増幅器１８０は、光ファイバー１１のコア１２とクラッド１３の界面にラマン活性部１８と金属部１７が形成されている。
信号光１５は、金属部１７を反射しながらラマン活性部１８と金属部１７界面において誘導ラマン効果により増幅を重ね、強い増幅信号光１６として出射される。金属部１７は、光散乱損失や表面プラズモンの伝播損失を抑えるため、できるだけ平滑なことが好ましいが、研磨工程のコストから、日本工業規格Ｂ０６０１で定義されている、中心線平均粗さ（Ｒａ）で0.01nmから1nm程度が好ましい。本実施形態では励起光１４は種々の入射角４２で金属部１７に照射されるが、そのうちの表面プラズモンに最も変換されやすい角度の励起光が光増幅に関与する。
［実施例７］
本発明の第７の実施形態の光増幅器２００の断面構造を図１８に示す。
図１８を参照すると、光増幅器２００は、光ファイバー１１のクラッドの一部がラマン活性部１８で構成され、該ラマン活性部の外側に周期的粗面金属部５１が形成されている。
コア１２内を伝播してきた信号光１５は、ラマン活性部１８と周期的粗面金属部５１の粗面２３との界面において、同一コア１２内を伝播してきた励起光１４による表面プラズモンを介した誘導ラマン効果により増幅を受け、強い増幅信号光１６として出射される。
本光増幅器２００は前記光増幅器１８０よりもラマン活性部１８の厚さを厚く取ることができ、より大きな誘導ラマン効果による光増幅が可能である。さらに周期的粗面金属部５１の粗面２３における表面プラズモンの共鳴状態の発生によりさらに大きな誘導ラマン効果による光増幅が可能である。
図１９に示すように、信号光１５および励起光１４が周期的粗面金属部５１に照射されると表面プラズモンが励起され、表面プラズモンの進行方向５３と周期的粗面の周期配列方向が平行をなすとき、表面プラズモンの共鳴により大きな誘導ラマン効果による光増幅が可能である。
また周期的粗面金属部５１は、図１９に示すような単純な簾状のみならず多面体格子状、点列状、樹枝状など種々の構造が含まれる。周期的粗面金属部５１の断面は前述図７に示したような凹凸状の溝になっており、その周期３３および深さ３４は励起光１４の波長程度が最も好ましい。
また増幅の程度は周期的粗面金属部５１の材料によって異なり光増幅器１００で用いた金属部１７と同様の金属材料を選ぶことが望ましい。
励起光１４の要求される波長は、信号光１５の波長よりも短い波長であって、その波長の差（ラマンシフト）はラマン活性部１８の材料によって異なり、光増幅器１００で用いたラマン活性部１８と同様の材料を選ぶことができる。
本発明の第７の実施形態の光増幅器２００の断面構造を図１８に示す。
図１８を参照すると、光増幅器２００は、光ファイバー１１のクラッドの一部がラマン活性部１８で構成され、該ラマン活性部の外側に周期的粗面金属部５１が形成されている。
コア１２内を伝播してきた信号光１５は、ラマン活性部１８と周期的粗面金属部５１の粗面２３との界面において、同一コア１２内を伝播してきた励起光１４による表面プラズモンを介した誘導ラマン効果により増幅を受け、強い増幅信号光１６として出射される。
本光増幅器２００は前記光増幅器１８０よりもラマン活性部１８の厚さを厚く取ることができ、より大きな誘導ラマン効果による光増幅が可能である。さらに周期的粗面金属部５１の粗面２３における表面プラズモンの共鳴状態の発生によりさらに大きな誘導ラマン効果による光増幅が可能である。
図１９に示すように、信号光１５および励起光１４が周期的粗面金属部５１に照射されると表面プラズモンが励起され、表面プラズモンの進行方向５３と周期的粗面の周期配列方向が平行をなすとき、表面プラズモンの共鳴により大きな誘導ラマン効果による光増幅が可能である。
また周期的粗面金属部５１は、図１９に示すような単純な簾状のみならず多面体格子状、点列状、樹枝状など種々の構造が含まれる。周期的粗面金属部５１の断面は前述図７に示したような凹凸状の溝になっており、その周期３３および深さ３４は励起光１４の波長程度が最も好ましい。
また増幅の程度は周期的粗面金属部５１の材料によって異なり光増幅器１００で用いた金属部１７と同様の金属材料を選ぶことが望ましい。
励起光１４の要求される波長は、信号光１５の波長よりも短い波長であって、その波長の差（ラマンシフト）はラマン活性部１８の材料によって異なり、光増幅器１００で用いたラマン活性部１８と同様の材料を選ぶことができる。
［実施例８］
本発明の第８の実施形態の光増幅器２１０の断面構造を図２０に示す。
図２０を参照すると、光増幅器２１０は、光ファイバー１１のコア１２とクラッド１３の界面にラマン活性部１８と金属部１７が形成されている。クラッドの外側面には粗クラッド部５６を設けてある。
励起光６１は、粗クラッド部５６を通して入射角４２で外部から金属部１７に照射され、表面プラズモンに変換される。光ファイバー１１のコア１２内を伝播してきた信号光１５は、ラマン活性部１８と金属部１７の界面において、表面プラズモンを介した誘導ラマン効果によって増幅され、強い増幅信号光１６となって出射する。
粗クラッド部５６は、励起光６１が垂直に入射できるよう入射角４２の角度で斜面が形成されている。入射角４２をθとし、θとクラッド１３の屈折率ｎ、金属部１７の誘電率をε1、ラマン活性部１８の誘電率をε2とすると、θは下記の式で表される。
θ = sin−1 (1/n×(ε1ε2／(ε1+ε2))1/2)・・・・・（１）
実効的にはθは５度から８５度の間の値をとる。
金属部１７は、光散乱損失や表面プラズモンの伝播損失を抑えるため、できるだけ平滑なことが好ましいが、研磨工程のコストから、日本工業規格Ｂ０６０１で定義されている、中心線平均粗さ（Ｒａ）で0.01nmから1nm程度が好ましい。本実施形態では、励起光６１は制御された一定の入射角４２で入射できるため最も効率よく表面プラズモンに変換できる角度を選択できる。
本発明の第８の実施形態の光増幅器２１０の断面構造を図２０に示す。
図２０を参照すると、光増幅器２１０は、光ファイバー１１のコア１２とクラッド１３の界面にラマン活性部１８と金属部１７が形成されている。クラッドの外側面には粗クラッド部５６を設けてある。
励起光６１は、粗クラッド部５６を通して入射角４２で外部から金属部１７に照射され、表面プラズモンに変換される。光ファイバー１１のコア１２内を伝播してきた信号光１５は、ラマン活性部１８と金属部１７の界面において、表面プラズモンを介した誘導ラマン効果によって増幅され、強い増幅信号光１６となって出射する。
粗クラッド部５６は、励起光６１が垂直に入射できるよう入射角４２の角度で斜面が形成されている。入射角４２をθとし、θとクラッド１３の屈折率ｎ、金属部１７の誘電率をε1、ラマン活性部１８の誘電率をε2とすると、θは下記の式で表される。
θ = sin−1 (1/n×(ε1ε2／(ε1+ε2))1/2)・・・・・（１）
実効的にはθは５度から８５度の間の値をとる。
金属部１７は、光散乱損失や表面プラズモンの伝播損失を抑えるため、できるだけ平滑なことが好ましいが、研磨工程のコストから、日本工業規格Ｂ０６０１で定義されている、中心線平均粗さ（Ｒａ）で0.01nmから1nm程度が好ましい。本実施形態では、励起光６１は制御された一定の入射角４２で入射できるため最も効率よく表面プラズモンに変換できる角度を選択できる。
［実施例９］
本発明の第９の実施形態の光増幅器２５０の断面構造を図２１に示す。
図２１を参照すると、導波路型光増幅器２５０は、基板７５の上に形成された金属膜７２に挟まれた誘電体導波路膜７３中を励起光６１と信号光１５を導波させる導波路構成を取っている。誘電体導波路膜７３の途中にラマン活性膜７１で被覆された周期的粗面金属膜７４が形成されている。
励起光６１と信号光１５が周期的粗面金属膜７４に入射すると、ラマン活性膜７１と周期的粗面金属膜７４の界面に表面プラズモンが励起され、強い誘導ラマン効果により信号光１５が増幅される。金属膜７２はラマン活性膜７１で増幅した信号光の外部への散乱を防ぎ誘電体導波路膜７３中に閉じこめる役割をする。
またラマン活性膜７１の位置以外の部分で誘電体導波路膜７３を覆っている金属膜７２は、励起光６１成分のうち金属膜面に対して特定の角度で反射する励起光成分を表面プラズモンに変換する。変換されて金属膜７２表面を伝播した表面プラズモンは、ラマン活性膜７１に達すると信号光１５を増幅し、周期的粗面金属膜７４での光増幅に加えてさらにラマン増幅を増強することに寄与する。特定の角度とは、第６の実施形態で説明した（１）式を満足する角度を示している。（１）式のｎは、ここでは誘電体導波路膜７３の屈折率を与える。
本発明の第９の実施形態の光増幅器２５０の断面構造を図２１に示す。
図２１を参照すると、導波路型光増幅器２５０は、基板７５の上に形成された金属膜７２に挟まれた誘電体導波路膜７３中を励起光６１と信号光１５を導波させる導波路構成を取っている。誘電体導波路膜７３の途中にラマン活性膜７１で被覆された周期的粗面金属膜７４が形成されている。
励起光６１と信号光１５が周期的粗面金属膜７４に入射すると、ラマン活性膜７１と周期的粗面金属膜７４の界面に表面プラズモンが励起され、強い誘導ラマン効果により信号光１５が増幅される。金属膜７２はラマン活性膜７１で増幅した信号光の外部への散乱を防ぎ誘電体導波路膜７３中に閉じこめる役割をする。
またラマン活性膜７１の位置以外の部分で誘電体導波路膜７３を覆っている金属膜７２は、励起光６１成分のうち金属膜面に対して特定の角度で反射する励起光成分を表面プラズモンに変換する。変換されて金属膜７２表面を伝播した表面プラズモンは、ラマン活性膜７１に達すると信号光１５を増幅し、周期的粗面金属膜７４での光増幅に加えてさらにラマン増幅を増強することに寄与する。特定の角度とは、第６の実施形態で説明した（１）式を満足する角度を示している。（１）式のｎは、ここでは誘電体導波路膜７３の屈折率を与える。
［実施例１０］
本発明の第１０の実施形態の光増幅器２６０の断面構造を図２２に示す。
図２２を参照すると、導波路型光増幅器２６０は、基板７５の上に誘電体導波路膜７３が形成され、導波路の途中にラマン活性膜７１に覆われた周期的粗面金属膜７４が形成されている。この部分は、金属膜７２で挟まれている。
周期的粗面金属膜７４に励起光６１と信号光１５が照射されると、ラマン活性膜７１と周期的粗面金属膜７４の界面に表面プラズモンが励起され、強い誘導ラマン効果により信号光１５が増幅される。金属膜７２はラマン活性膜７１で増幅した信号光の外部への散乱を防ぎ誘電体導波路膜７３中に閉じこめる役割をする。
ここで誘電体導波路膜７３の屈折率は基板７５の屈折率よりも大きく励起光６１と信号光１５を全反射で閉じこめることができる。例えば、基板７５にＳｉＯ2を用い、誘電体導波路膜７３にGeO2を添加したＳｉO2を用いる。また光を閉じこめて導波させる方法は、野田進著、「固体物理」、２００２年３７巻５号３３５頁から３４３頁に開示されているようなフォトニック結晶構造を使用することもできる。金属膜７２、周期的粗面金属膜７４、およびラマン活性膜７１の材料は第１の実施形態の光増幅器１００の製造方法の説明で開示した材料と同様である。
本発明の第１０の実施形態の光増幅器２６０の断面構造を図２２に示す。
図２２を参照すると、導波路型光増幅器２６０は、基板７５の上に誘電体導波路膜７３が形成され、導波路の途中にラマン活性膜７１に覆われた周期的粗面金属膜７４が形成されている。この部分は、金属膜７２で挟まれている。
周期的粗面金属膜７４に励起光６１と信号光１５が照射されると、ラマン活性膜７１と周期的粗面金属膜７４の界面に表面プラズモンが励起され、強い誘導ラマン効果により信号光１５が増幅される。金属膜７２はラマン活性膜７１で増幅した信号光の外部への散乱を防ぎ誘電体導波路膜７３中に閉じこめる役割をする。
ここで誘電体導波路膜７３の屈折率は基板７５の屈折率よりも大きく励起光６１と信号光１５を全反射で閉じこめることができる。例えば、基板７５にＳｉＯ2を用い、誘電体導波路膜７３にGeO2を添加したＳｉO2を用いる。また光を閉じこめて導波させる方法は、野田進著、「固体物理」、２００２年３７巻５号３３５頁から３４３頁に開示されているようなフォトニック結晶構造を使用することもできる。金属膜７２、周期的粗面金属膜７４、およびラマン活性膜７１の材料は第１の実施形態の光増幅器１００の製造方法の説明で開示した材料と同様である。
［実施例１１］
本発明の第１１の実施形態の光増幅器２７０の断面構造を図２３に示す。
図２３を参照すると、導波路型光増幅器２７０は、基板７５の上に誘電体導波路膜７３が形成され、導波路の途中にラマン活性膜７１が被覆された周期的粗面金属膜７４が形成されている。この部分は、基板との界面に金属膜７２を有している。励起光６１は上部クラッドから入射する。
該誘電体導波路膜７３の途中に形成され、ラマン活性膜７１が被覆された周期的粗面金属膜７４に外部から励起光６１を照射すると、ラマン活性膜７１と周期的粗面金属膜７４の界面に表面プラズモンが励起され強い誘導ラマン効果により信号光１５が増幅される。金属膜７２は励起光６１および増幅信号光１６を反射し損失を減少させる役割をする。
本発明の第１１の実施形態の光増幅器２７０の断面構造を図２３に示す。
図２３を参照すると、導波路型光増幅器２７０は、基板７５の上に誘電体導波路膜７３が形成され、導波路の途中にラマン活性膜７１が被覆された周期的粗面金属膜７４が形成されている。この部分は、基板との界面に金属膜７２を有している。励起光６１は上部クラッドから入射する。
該誘電体導波路膜７３の途中に形成され、ラマン活性膜７１が被覆された周期的粗面金属膜７４に外部から励起光６１を照射すると、ラマン活性膜７１と周期的粗面金属膜７４の界面に表面プラズモンが励起され強い誘導ラマン効果により信号光１５が増幅される。金属膜７２は励起光６１および増幅信号光１６を反射し損失を減少させる役割をする。
［実施例１２］
本発明の第１２の実施形態の光増幅器２８０の断面構造を図２４に示す。
図２４を参照すると、導波路型光増幅器２８０は、基板７５の上に誘電体導波路膜７３が形成され、導波路の途中にラマン活性膜７１が被覆された周期的粗面金属膜７４が形成されている。この部分は、金属膜７２で挟まれている。励起光６１は、基板７５側から入射する。
誘電体導波路膜７３の途中に形成された金属膜７２で挟まれラマン活性膜７１が被覆された周期的粗面金属膜７４に、基板側から入射角４２で励起光６１を照射すると、ラマン活性膜７１と周期的粗面金属膜７４の界面に効率よく表面プラズモンが励起され、強い誘導ラマン効果により信号光１５が増幅される。励起光は、基板に入射角４２に相当する斜面角度を有する入射光溝７６を通して入射する。金属膜７２はラマン活性膜７１で増幅した信号光の外部への散乱を防ぎ誘電体導波路膜７３中に閉じこめる役割をする。
本発明の第１２の実施形態の光増幅器２８０の断面構造を図２４に示す。
図２４を参照すると、導波路型光増幅器２８０は、基板７５の上に誘電体導波路膜７３が形成され、導波路の途中にラマン活性膜７１が被覆された周期的粗面金属膜７４が形成されている。この部分は、金属膜７２で挟まれている。励起光６１は、基板７５側から入射する。
誘電体導波路膜７３の途中に形成された金属膜７２で挟まれラマン活性膜７１が被覆された周期的粗面金属膜７４に、基板側から入射角４２で励起光６１を照射すると、ラマン活性膜７１と周期的粗面金属膜７４の界面に効率よく表面プラズモンが励起され、強い誘導ラマン効果により信号光１５が増幅される。励起光は、基板に入射角４２に相当する斜面角度を有する入射光溝７６を通して入射する。金属膜７２はラマン活性膜７１で増幅した信号光の外部への散乱を防ぎ誘電体導波路膜７３中に閉じこめる役割をする。
［実施例１３］
本発明の第１３の実施形態の光増幅器２９０の断面構造を図２５に示す。
図２５を参照すると、導波路型光増幅器２９０は、基板７５の上に誘電体導波路膜７３が形成され、導波路の途中にラマン活性膜７１が被覆された周期的粗面金属膜７４が形成されている。この部分は、金属膜７２で挟まれており、さらに粗誘電体部５６を設けている。励起光６１は、基板７５側と粗誘電体部５７の両方から入射する。
周期的粗面金属膜７４に、基板側の外から入射角４２で励起光６１を照射すると同時に、別の粗誘電体部５７を通して入射角４２で励起光を金属膜７２に照射する。これにより、ラマン活性膜７１と周期的粗面金属膜７４の界面に効率よく表面プラズモンが励起され、強い誘導ラマン効果により信号光１５が増幅される。
励起光は、基板７５に入射角４２に相当する斜面角度を有する入射光溝７６を通して入射する。また粗誘電体部５７の斜面角度は、入射角４２と同一である。金属膜７２はラマン活性膜７１で増幅した信号光の外部への散乱を防ぎ、誘電体導波路膜７３中に閉じこめる役割をする。粗誘電体部５６の材料は励起光の波長帯域で透明である誘電体でれば何でも良いが、例として石英や光学ガラス等を用いることができる。
本発明の第１３の実施形態の光増幅器２９０の断面構造を図２５に示す。
図２５を参照すると、導波路型光増幅器２９０は、基板７５の上に誘電体導波路膜７３が形成され、導波路の途中にラマン活性膜７１が被覆された周期的粗面金属膜７４が形成されている。この部分は、金属膜７２で挟まれており、さらに粗誘電体部５６を設けている。励起光６１は、基板７５側と粗誘電体部５７の両方から入射する。
周期的粗面金属膜７４に、基板側の外から入射角４２で励起光６１を照射すると同時に、別の粗誘電体部５７を通して入射角４２で励起光を金属膜７２に照射する。これにより、ラマン活性膜７１と周期的粗面金属膜７４の界面に効率よく表面プラズモンが励起され、強い誘導ラマン効果により信号光１５が増幅される。
励起光は、基板７５に入射角４２に相当する斜面角度を有する入射光溝７６を通して入射する。また粗誘電体部５７の斜面角度は、入射角４２と同一である。金属膜７２はラマン活性膜７１で増幅した信号光の外部への散乱を防ぎ、誘電体導波路膜７３中に閉じこめる役割をする。粗誘電体部５６の材料は励起光の波長帯域で透明である誘電体でれば何でも良いが、例として石英や光学ガラス等を用いることができる。
［実施例１４］
本発明の第１４の実施形態の光増幅器３１０の断面構造を図２６に示す。
図２６を参照すると、導波路型光増幅器３１０は、基板７５の上に誘電体導波路膜８６と、誘電体導波路膜７３と、誘電体導波路膜８８とが形成された３層導波路構成を取っている。誘電体導波路膜７３は上下の誘電体導波路膜８６、８８との界面を金属膜７２によって挟まれた構造を成している。また、誘電体導波路膜７３の途中にラマン活性膜７１が被覆された周期的粗面金属膜７４が形成されている。誘電体導波路膜７３は信号光を導波し、誘電体導波路膜８６は、励起光６１を、また誘電体導波路膜８８は、励起光８５をそれぞれ導波する。
励起光６１と励起光８５はそれぞれ金属膜７２および金属膜８７に表面プラズモンを励起する。伝播した表面プラズモンが、誘電体導波路膜７３の途中に形成された金属膜７２および金属膜８７で挟まれラマン活性膜７１が被覆された周期的粗面金属膜７４に達すると、ラマン活性膜７１と周期的粗面金属膜７４の界面に効率よく表面プラズモンが共鳴する。この結果、強い誘導ラマン効果が生じ信号光１５が増幅される。
励起光６１と別の励起光８５の波長が同じ光を選べば、信号光１５の増幅率は２倍になるが、異なる波長の光を選べば異なる帯域の多波長信号光の増幅が可能になる。
本発明の第１４の実施形態の光増幅器３１０の断面構造を図２６に示す。
図２６を参照すると、導波路型光増幅器３１０は、基板７５の上に誘電体導波路膜８６と、誘電体導波路膜７３と、誘電体導波路膜８８とが形成された３層導波路構成を取っている。誘電体導波路膜７３は上下の誘電体導波路膜８６、８８との界面を金属膜７２によって挟まれた構造を成している。また、誘電体導波路膜７３の途中にラマン活性膜７１が被覆された周期的粗面金属膜７４が形成されている。誘電体導波路膜７３は信号光を導波し、誘電体導波路膜８６は、励起光６１を、また誘電体導波路膜８８は、励起光８５をそれぞれ導波する。
励起光６１と励起光８５はそれぞれ金属膜７２および金属膜８７に表面プラズモンを励起する。伝播した表面プラズモンが、誘電体導波路膜７３の途中に形成された金属膜７２および金属膜８７で挟まれラマン活性膜７１が被覆された周期的粗面金属膜７４に達すると、ラマン活性膜７１と周期的粗面金属膜７４の界面に効率よく表面プラズモンが共鳴する。この結果、強い誘導ラマン効果が生じ信号光１５が増幅される。
励起光６１と別の励起光８５の波長が同じ光を選べば、信号光１５の増幅率は２倍になるが、異なる波長の光を選べば異なる帯域の多波長信号光の増幅が可能になる。
［実施例１５］
本発明の第１５の実施形態の光増幅器３２０の断面構造を図２７に示す。
図２７を参照すると、導波路型光増幅器３２０は、基板７５の上に形成された誘電体導波路膜８６と、その上に金属膜７２を隔ててラマン活性膜７１が被覆され、さらにその上に別の誘電体導波路膜７３を有する。金属膜７２と誘電体導波路膜８６及びラマン活性膜７１との界面は平滑である。
誘電体導波路膜７３に信号光１５を導波させ、誘電体導波路膜８６に励起光６１を導波させる。
励起光６１は誘電体導波路膜８６を導波中に金属膜７２に表面プラズモンを励起させる。伝播した表面プラズモンが、ラマン活性膜７１との界面で誘導ラマン効果を生じさせ信号光１５が増幅される。信号光１５は、導波時に常に励起光６１によって増幅されるため、周期的粗面金属膜による強い誘導ラマン効果がなくても信号光１５の減衰を防ぐことが出来る。また信号光１５と励起光６１は混合されないため、合波と分波による信号品質の悪化を防止することができる。
本発明の第１５の実施形態の光増幅器３２０の断面構造を図２７に示す。
図２７を参照すると、導波路型光増幅器３２０は、基板７５の上に形成された誘電体導波路膜８６と、その上に金属膜７２を隔ててラマン活性膜７１が被覆され、さらにその上に別の誘電体導波路膜７３を有する。金属膜７２と誘電体導波路膜８６及びラマン活性膜７１との界面は平滑である。
誘電体導波路膜７３に信号光１５を導波させ、誘電体導波路膜８６に励起光６１を導波させる。
励起光６１は誘電体導波路膜８６を導波中に金属膜７２に表面プラズモンを励起させる。伝播した表面プラズモンが、ラマン活性膜７１との界面で誘導ラマン効果を生じさせ信号光１５が増幅される。信号光１５は、導波時に常に励起光６１によって増幅されるため、周期的粗面金属膜による強い誘導ラマン効果がなくても信号光１５の減衰を防ぐことが出来る。また信号光１５と励起光６１は混合されないため、合波と分波による信号品質の悪化を防止することができる。
［実施例１６］
本発明の第１６の実施形態の光増幅器３７０の断面構造を図２８に示す。
図２８を参照すると、プリズム型光増幅器３７０は、反射面を接合した２つの反射プリズム１０５と、プリズム１０６と、プリズムの接合面に金属層７２とラマン活性層７１を有す。プリズム１０５の光入出面に信号用光ファイバー９２の端面が接続され、プリズム１０６の光入出面に励起用光ファイバー９１の端面が接続されている。
励起用光ファイバー９１を伝播する励起光６１が金属層７２に入射角４２にて照射すると、金属層７２に表面プラズモンが励起される。励起された表面プラズモンは該金属層７２とラマン活性層７１の界面に強い誘導ラマン効果を起こす。この誘導ラマン効果によって、信号用光ファイバー９２からプリズム１０５に入射する信号光１５がラマン活性層７１を通じて金属層７２で反射するときに光増幅され増幅信号光１６として出力する。
本発明の第１６の実施形態の光増幅器３７０の断面構造を図２８に示す。
図２８を参照すると、プリズム型光増幅器３７０は、反射面を接合した２つの反射プリズム１０５と、プリズム１０６と、プリズムの接合面に金属層７２とラマン活性層７１を有す。プリズム１０５の光入出面に信号用光ファイバー９２の端面が接続され、プリズム１０６の光入出面に励起用光ファイバー９１の端面が接続されている。
励起用光ファイバー９１を伝播する励起光６１が金属層７２に入射角４２にて照射すると、金属層７２に表面プラズモンが励起される。励起された表面プラズモンは該金属層７２とラマン活性層７１の界面に強い誘導ラマン効果を起こす。この誘導ラマン効果によって、信号用光ファイバー９２からプリズム１０５に入射する信号光１５がラマン活性層７１を通じて金属層７２で反射するときに光増幅され増幅信号光１６として出力する。
［実施例１７］
本発明の第１７の実施形態の光増幅器３８０の平面構造を図２９に示す。
図２９を参照すると、平面導波路型光増幅器３８０は、図２８のプリズム型光増幅器のプリズム部を平面導波路で置き換えた構成である。
基板７５上に形成された励起用平面導波路９３を伝播する励起光６１が金属層７２で入射角４２にて照射されると金属層７２に表面プラズモンが励起される。表面プラズモンによって、金属層７２とラマン活性層７１の界面に誘導ラマン効果が発生し、信号用平面導波路９４を伝播する信号光１５がラマン活性層７１を通じて金属層７２で反射するときに光増幅され増幅信号光１６として得られる。
本発明の第１７の実施形態の光増幅器３８０の平面構造を図２９に示す。
図２９を参照すると、平面導波路型光増幅器３８０は、図２８のプリズム型光増幅器のプリズム部を平面導波路で置き換えた構成である。
基板７５上に形成された励起用平面導波路９３を伝播する励起光６１が金属層７２で入射角４２にて照射されると金属層７２に表面プラズモンが励起される。表面プラズモンによって、金属層７２とラマン活性層７１の界面に誘導ラマン効果が発生し、信号用平面導波路９４を伝播する信号光１５がラマン活性層７１を通じて金属層７２で反射するときに光増幅され増幅信号光１６として得られる。
本発明の導波路型光増幅器２５０、２６０、２７０．２８０、２９０、および３１０で用いる周期的粗面金属膜の構造の例としては、図３０に示す形状がある。図３０（ａ）は点列状、（ｂ）はスリット状、（ｃ）は格子状、および（ｄ）は樹枝状を示す。
また本発明の光増幅器１１０、１４０の粗面金属部２１、および光増幅器１５０、１７０、の周期的粗面金属部５１、および導波路型光増幅器２５０、２６０、２７０、２８０、２９０、３１０の周期的粗面金属膜７４における断面構造は、前述の実施形態で示したような矩形以外に、図３１に示す鋸歯状、または図３２に示す針状、または図３３に示す樹枝状構造がある。これらの構造は、先端に電界集中が起こりやすく、より強い光増幅作用が可能である。
［実施例１８］
次に、図１１に示した実施の形態の製造方法を説明する。
図３４に示すように、光ファイバー１１の端面を研磨して研磨面６２を形成し、該研磨面にスパッタリング法によりラマン活性材料としてシリコンを被覆しラマン活性部１８を形成する。次に該ラマン活性部１８の上に金属材料として銀を被覆して金属部６３をスパッタリングにより形成する。さらに該金属部６３を通常のフォトリソグラフィー法により加工し粗面金属部２１を形成する。すなわち、所望のパターンで作製した露光マスクを介して金属部６３に塗布したフォトレジスト膜を光学露光し、その後エッチングにより種々の周期的パターンを形成する。最後に余分のレジストを除去することにより、所望のパターンが形成し光増幅器１１０を作製する。
次に、図１１に示した実施の形態の製造方法を説明する。
図３４に示すように、光ファイバー１１の端面を研磨して研磨面６２を形成し、該研磨面にスパッタリング法によりラマン活性材料としてシリコンを被覆しラマン活性部１８を形成する。次に該ラマン活性部１８の上に金属材料として銀を被覆して金属部６３をスパッタリングにより形成する。さらに該金属部６３を通常のフォトリソグラフィー法により加工し粗面金属部２１を形成する。すなわち、所望のパターンで作製した露光マスクを介して金属部６３に塗布したフォトレジスト膜を光学露光し、その後エッチングにより種々の周期的パターンを形成する。最後に余分のレジストを除去することにより、所望のパターンが形成し光増幅器１１０を作製する。
［実施例１９］
次に、図１７に示した実施の形態の製造方法を説明する。
図３５に示すように、光ファイバー１１の側面のクラッド１３の一部をエッチングで除去し、コア１２を露出させる。次に露出したコア部にスパッタリング法によりラマン活性材料としてシリコンを被覆してラマン活性部１８を形成し、続いて金属材料として銀をスパッタリングにより被覆して金属部１７を形成する。最後にクラッド材と同じ材料または樹脂などの補強剤を被覆して光増幅器１８０を作製する。
次に、図１７に示した実施の形態の製造方法を説明する。
図３５に示すように、光ファイバー１１の側面のクラッド１３の一部をエッチングで除去し、コア１２を露出させる。次に露出したコア部にスパッタリング法によりラマン活性材料としてシリコンを被覆してラマン活性部１８を形成し、続いて金属材料として銀をスパッタリングにより被覆して金属部１７を形成する。最後にクラッド材と同じ材料または樹脂などの補強剤を被覆して光増幅器１８０を作製する。
［実施例２０］
次に、図２１の実施の形態の製造方法を説明する。
図３６に示すように、基板７５として選ばれたシリコン基板上に金属膜７２として銀をスパッタリングで作製し、次にフォトリソグラフィー法により周期的粗面金属膜７４を形成する。その上にスパッタリング法によりチタン酸ジルコン酸鉛をラマン活性膜７１として被覆する。次にフォトリソグラフィー法により周期的粗面金属膜の上にラマン活性膜が被覆された図３６（ｄ）に示す構造を形成する。さらにその上に誘電体導波路膜としてＳｉＯ2をスパッタリングで形成し、最後に金属膜７２として銀をスパッタリング法により被覆して平面導波路型光増幅器２５０を作製する。
次に、図２１の実施の形態の製造方法を説明する。
図３６に示すように、基板７５として選ばれたシリコン基板上に金属膜７２として銀をスパッタリングで作製し、次にフォトリソグラフィー法により周期的粗面金属膜７４を形成する。その上にスパッタリング法によりチタン酸ジルコン酸鉛をラマン活性膜７１として被覆する。次にフォトリソグラフィー法により周期的粗面金属膜の上にラマン活性膜が被覆された図３６（ｄ）に示す構造を形成する。さらにその上に誘電体導波路膜としてＳｉＯ2をスパッタリングで形成し、最後に金属膜７２として銀をスパッタリング法により被覆して平面導波路型光増幅器２５０を作製する。
［実施例２１］
次に、図２８の実施の形態の製造方法を説明する。
図３７に示すように、２つの石英製の台形プリズム１０５を用意し片方には金属膜７２として銀、またその上にラマン活性層７１としてチタン酸ジルコン酸ランタン鉛薄膜をスパッタリングで被覆する。さらに端面を平滑に研磨した信号光ファイバー９２と４５および励起用光ファイバー９１と４６を用意し、屈折率を合わせた接着剤で接着して、光ファイバー光増幅器３７０を作製する。
次に、図２８の実施の形態の製造方法を説明する。
図３７に示すように、２つの石英製の台形プリズム１０５を用意し片方には金属膜７２として銀、またその上にラマン活性層７１としてチタン酸ジルコン酸ランタン鉛薄膜をスパッタリングで被覆する。さらに端面を平滑に研磨した信号光ファイバー９２と４５および励起用光ファイバー９１と４６を用意し、屈折率を合わせた接着剤で接着して、光ファイバー光増幅器３７０を作製する。
［実施例２２］
次に、図２９の実施の形態の製造方法を説明する。
図３８に示すように、石英からなる基板７５の上に二酸化チタンからなる薄膜を成膜した後、フォトリソグラフィー法で信号用平面導波路９４および励起用平面導波路９３を形成する。次にラマン活性膜７１としてカーボンをスパッタリング法で被覆した後、フォトリソグラフィー法でラマン活性層７１を形成し、次に金属層７２として銀をスパッタリング法で被覆した後フォトリソグラフィー法で形成することにより平面導波路型光増幅器３８０を作製する。
次に、図２９の実施の形態の製造方法を説明する。
図３８に示すように、石英からなる基板７５の上に二酸化チタンからなる薄膜を成膜した後、フォトリソグラフィー法で信号用平面導波路９４および励起用平面導波路９３を形成する。次にラマン活性膜７１としてカーボンをスパッタリング法で被覆した後、フォトリソグラフィー法でラマン活性層７１を形成し、次に金属層７２として銀をスパッタリング法で被覆した後フォトリソグラフィー法で形成することにより平面導波路型光増幅器３８０を作製する。
なお、本発明は上記各実施例に限定されず、本発明の技術思想の範囲内において、各実施例は適宜変更され得ることは明らかである。
本発明の活用例として、光通信用、コンピューターの電子回路搭載ボード間の光配線、集積化電子回路間の光配線、集積化電子回路内の光配線、または全光集積回路に使用される光増幅器が挙げられる。
１１ 光ファイバー
１２ コア
１３ クラッド
１４ 励起光
１５ 信号光
１６ 増幅信号光
１７ 金属部
１８ ラマン活性部
１９ 粗面加工端面
２１ 粗面金属部
２２ 平滑面
２３ 粗面
３１ プリズム
３２ ランダム粗面端面
３３ 周期
３４ 深さ
４１ アキシコンレンズ
４２ 入射角
５１ 周期的粗面金属部
５２ 周期的粗面端面
５５ 金属壁
５６ 粗クラッド部
５７ 粗誘電体部
６１ 励起光
７１ ラマン活性膜
７２ 金属膜
７３ 誘電体導波路膜
７４ 周期的粗面金属膜
７５ 基板
７６ 入射光溝
８５ 励起光
８６ 誘電体導波路膜
８７ 金属膜
８８ 誘電体導波路膜
９１ 励起用光ファイバー
９２ 信号用光ファイバー
９３ 励起用平面導波路
９４ 信号用平面導波路
１００ 光増幅器
１１０ 光増幅器
１４０ 光増幅器
１５０ 光増幅器
１７０ 光増幅器
１８０ 光増幅器
２００ 光増幅器
２１０ 光増幅器
２５０ 平面導波路型光増幅器
３７０ プリズム型光増幅器
３８０ 平面導波路型光増幅器
１２ コア
１３ クラッド
１４ 励起光
１５ 信号光
１６ 増幅信号光
１７ 金属部
１８ ラマン活性部
１９ 粗面加工端面
２１ 粗面金属部
２２ 平滑面
２３ 粗面
３１ プリズム
３２ ランダム粗面端面
３３ 周期
３４ 深さ
４１ アキシコンレンズ
４２ 入射角
５１ 周期的粗面金属部
５２ 周期的粗面端面
５５ 金属壁
５６ 粗クラッド部
５７ 粗誘電体部
６１ 励起光
７１ ラマン活性膜
７２ 金属膜
７３ 誘電体導波路膜
７４ 周期的粗面金属膜
７５ 基板
７６ 入射光溝
８５ 励起光
８６ 誘電体導波路膜
８７ 金属膜
８８ 誘電体導波路膜
９１ 励起用光ファイバー
９２ 信号用光ファイバー
９３ 励起用平面導波路
９４ 信号用平面導波路
１００ 光増幅器
１１０ 光増幅器
１４０ 光増幅器
１５０ 光増幅器
１７０ 光増幅器
１８０ 光増幅器
２００ 光増幅器
２１０ 光増幅器
２５０ 平面導波路型光増幅器
３７０ プリズム型光増幅器
３８０ 平面導波路型光増幅器
Claims (39)
- 負の誘電率を有する金属部とラマン活性部とを隣接し設けた構造を有することを特徴とする光増幅素子。
- 前記金属部と前記ラマン活性部の界面が、粗面を有することを特徴とする請求項１記載の光増幅素子。
- 前記粗面を形成する凹凸構造が周期性を有することを特徴とする請求項２記載の光増幅素子。
- 前記粗面がフラクタル構造の形状配列を含むことを特徴とする請求項２記載の光増幅素子。
- 前記金属部が、粗面を有することを特徴とする請求項１記載の光増幅素子。
- 前記金属部粗面が直径１００ｎｍ以下の微小形状配列を有し、かつそれぞれの微小形状配列の最近接間隔が０．５ｎｍから５０ｎｍの範囲であることを特徴とする請求項５記載の光増幅素子。
- 前記金属部粗面が、周期的に形成された、同心円をなす畝または溝を有することを特徴とする請求項５記載の光増幅素子。
- 前記金属部粗面が、周期的に形成されたフラクタル構造を含むことを特徴とする請求項５記載の光増幅素子。
- 前記金属部粗面を形成する凹凸構造が、頂角９０度以下の凸部を含むことを特徴とする請求項５記載の光増幅素子。
- 前記金属部粗面を形成する凹凸構造が、周期性を有して六角配列をなすことを特徴とする前記請求項５記載の光増幅素子。
- 前記金属部が銀、金、銅、白金、アルミニウム、クロム、ロジウム、リチウム、ナトリウム、カリウム、インジウム、パラジウム、またはこれらの金属から選ばれる２種以上からなる合金の内、一つ以上からなることを特徴とする請求項１記載の光増幅素子。
- 前記金属部が銀、金、白金、またはアルミニウムとこれらの表面に形成された酸化物、硫化物またはこれらの混合物とからなることを特徴とする請求項１記載の光増幅素子。
- 前記金属部が銀、金、または白金とこれらの表面に形成されたニッケル、コバルト、銅、亜鉛、鉛、タリウム、水銀またはこれらの混合物とからなることを特徴とする請求項１記載の光増幅素子。
- 前記金属部が少なくとも１種類以上の拡散抑制元素を含む銀、金、銅、アルミニウム、またはそれらの合金からなることを特徴とする請求項１記載の光増幅素子。
- 前記拡散抑制元素がイットリウム、ネオジウム、タングステン、パラジウム、ビスマス、アンチモン、モリブデンまたはこれらの合金であることを特徴とする請求項１４記載の光増幅素子。
- 前記ラマン活性部が単結晶シリコン、非晶質シリコン、グラファイト、非晶質炭素、ダイアモンド、ダイアモンド状炭素、フラーレン、カーボンナノチューブ、ゲルマニウム、石英ガラス、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化ベリリウム、酸化マグネシウム、酸化インジウムスズ、フッ化カルシウム、フッ化ナトリウム、フッ化鉛、フッ化バリウム、フッ化マグネシウム、フッ化ランタン、フッ化リチウム、炭酸カルシウム、炭化ケイ素、タンタル酸カリウム、タングステン酸カルシウム、三硫化ヒ素ガラス、ゲルマニウム化マグネシウム、ゲルマニウム・セレン・テルルガラス、シリコン化マグネシウム、セレン、セレン化亜鉛、セレン化カドミウム、セレン化ヒ素、スピネル、臭化タリウム、臭化セシウム、臭化カリウム、臭化ヨウ化タリウム、ヨウ化カリウム、ヨウ化セリウム、硫化亜鉛、硫化カドミウム、リン化インジウム、またはガリウムヒ素を含む薄膜であることを特徴とする請求項１記載の光増幅素子。
- 前記ラマン活性部が透明強誘電体を含む薄膜であることを特徴とする請求項１記載の光増幅素子。
- 前記透明強誘電体がニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸ジルコン酸ランタン鉛、チタン酸ストロンチウム、またはチタン酸バリウムを含む薄膜であることを特徴とする請求項１７記載の光増幅素子。
- 前記ラマン活性部が孤立電子対を有する有機化合物薄膜であることを特徴とする請求項１記載の光増幅素子。
- 前記孤立電子対を有する有機化合物薄膜が、窒素、酸素、または硫黄を含む官能基を有することを特徴とする請求項１９記載の光増幅素子。
- 前記ラマン活性部がπ電子を有する有機化合物薄膜であることを特徴とする請求項１記載の光増幅素子。
- 負の誘電率を有する金属部とラマン活性部とを有する光増幅素子であって、当該金属部に励起光を照射することにより信号光を増幅することを特徴とする光増幅素子。
- 前記励起光を前記金属部に照射することによって発生する表面プラズモンにより、前記ラマン活性部における誘導ラマン効果が強め、信号光を増幅することを特徴とする請求項２２記載の光増幅素子。
- 前記励起光が前記金属部に照射するとき、当該励起光の少なくとも一部の光成分を、当該金属部への入射位置において、該金属部に表面プラズモンを発生させる角度で入射させることを特徴とする請求項２２記載の光増幅素子。
- 前記金属部が平滑であって、かつ前記励起光と該金属部の面に立てた法線とのなす角度である前記励起光の前記金属部に入射する角度が、該金属部に表面プラズモンを発生させる角度であることを特徴とする請求項２２記載の光増幅素子。
- 前記金属部と前記ラマン活性部とが隣接し、前記励起光と前記信号光とが、前記金属部と前記ラマン活性部との界面で反射することを特徴とする請求項２２記載の光増幅素子。
- 前記ラマン活性部を通して前記金属部の一方の側に信号光を入射させ、信号光とは反対の側から当該金属部に励起光を照射することにより、信号光を増幅することを特徴とする請求項２２記載の光増幅素子。
- 前記金属部が粗面を有し、前記粗面を形成する凹凸構造が、前記励起光または前記信号光の進行方向に周期性を有して配列していることを特徴とする請求項２２記載の光増幅素子。
- 前記金属部が粗面を有し、前記粗面が、前記励起光または前記信号光の進行方向に対して直角にかつ周期的に形成された畝または溝構造を有することを特徴とする前記請求項２２記載の光増幅素子。
- 請求項１または２２記載の光増幅素子と、少なくとも一つの光漏洩部位を有する光導波路とを具備し、かつ当該漏洩部位の内の少なくとも一つに当該光増幅素子が設けられていることを特徴とする光増幅装置。
- 前記光増幅素子を設けた光漏洩部位が光導波路端面もしくは側面に設けられた前記請求項３０記載の光増幅装置。
- 前記光導波路が光ファイバーもしくは平面型光導波である前記請求項３０記載の光増幅装置。
- 前記光漏洩部と前記ラマン活性部との界面が粗面を有する前記請求項３０記載の光増幅装置。
- 前記光導波路部が平滑な金属膜を有し、かつ前記金属部が粗面を有する前記請求項３０記載の光増幅装置。
- 請求項１記載の光増幅素子と、屈折手段とを有することを特徴とする光増幅装置。
- 請求項２２記載の光増幅素子と、屈折手段とを有する光増幅装置であって、当該屈折手段を介してプラズモン吸収入射角で前記励起光を前記金属部に照射することを特徴とする光増幅装置。
- 前記屈折手段がプリズムまたはアキシコンレンズであることを特徴とする光増幅装置。
- 請求項１または２２記載の光増幅素子と、励起光源とを有することを特徴とする光増幅システム。
- 請求項３０、３５、または３６記載の光増幅装置と、励起光源とを有することを特徴とする光増幅システム。
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