図面 (/)

技術 光共振器及び光共振器アレイ

出願人 沖電気工業株式会社
発明者 岡山秀彰
出願日 2006年9月8日 (13年6ヶ月経過) 出願番号 2006-244795
公開日 2008年3月21日 (11年11ヶ月経過) 公開番号 2008-065186
状態 未査定
技術分野 回折格子、偏光要素、ホログラム光学素子 回折格子、ホログラム光学素子
主要キーワード 化学物質センサ 光強度比率 屈折率変調型回折格子 周回光 引っかき傷 リング型共振器 バックグラウンド強度 伝播定数
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2008年3月21日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (5)

課題

出射光波長選択性を実用上十分な程度に保ちつつ、簡単な構造で周回型共振器空間光を結合する。

解決手段

基板16の第1主面16aに設けられていて、第1主面へ入射する入射光BINを回折して周回型共振器14に結合させ、かつ、周回型共振器を周回して波長選択された周回光BRが結合され、この結合された光を回折させ、さらにこの回折された光を、波長選択された出射光BOUTとして取り出す回折格子12と、回折格子との間で相互に光結合可能に、第1主面の上側に配置された周回型共振器とを備える。

概要

背景

リング型共振器等の周回型共振器を、波長選択性が高いフィルタとして用いる技術が提案されている(例えば、特許文献1〜4参照)。

特許文献1に開示された第1の技術では、光ファイバの端部を斜めに切断して端面を形成している。そして、光ファイバを伝播する光がこの端面で全反射する際に生じるエバネッセント光をリング型共振器に結合している。また、同文献に開示された第2の技術では、プリズムを利用して空間光をリング型共振器に結合している。

特許文献2に開示された技術では、光ファイバの一部分において、クラッドを除去したり、光ファイバの径を細めたりすることにより、当該一部分から漏れ出すエバネッセント光をリング型共振器に結合している。

特許文献3に開示された技術では、リング型共振器の一部に回折格子を設け、この回折格子を利用してリング型共振器に光を結合している。

特許文献4に開示された技術では、光導波路に設けた回折格子を利用してリング型共振器に光を結合している。
米国特許第6798947号明細書
米国特許第6865317号明細書
米国特許出願公開第2005/0135453号明細書
米国特許出願公開第2005/0147355号明細書

概要

出射光の波長選択性を実用上十分な程度に保ちつつ、簡単な構造で周回型共振器に空間光を結合する。基板16の第1主面16aに設けられていて、第1主面へ入射する入射光BINを回折して周回型共振器14に結合させ、かつ、周回型共振器を周回して波長選択された周回光BRが結合され、この結合された光を回折させ、さらにこの回折された光を、波長選択された出射光BOUTとして取り出す回折格子12と、回折格子との間で相互に光結合可能に、第1主面の上側に配置された周回型共振器とを備える。

目的

この発明は、上述した問題点に鑑みなされたものである。従って、この発明の第1の目的は、出射光の波長選択性を実用上十分な程度に保ちつつ、簡単な構造で周回型共振器に空間光を結合することができる光共振器を提供することにある。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

この技術が所属する分野

ライセンス契約や譲渡などの可能性がある特許掲載中! 開放特許随時追加・更新中 詳しくはこちら

請求項1

基板の第1主面に設けられていて、該第1主面へ入射する入射光回折して周回型共振器に結合させ、かつ、該周回型共振器を周回して波長選択された周回光が結合され、この結合された光を回折させ、さらにこの回折された光を、波長選択された出射光として取り出す回折格子と、前記回折格子との間で相互に光結合可能に、前記第1主面の上側に配置された当該周回型共振器とを備えることを特徴とする光共振器

請求項2

前記周回光の伝播定数をβとし、前記回折格子により回折された前記入射光の中で、前記周回光となるべき1次回折光波数をkとし、並びに前記入射光の伝播方向と、前記回折格子及び前記周回型共振器の間の光結合部における前記周回光の伝播方向とのなす角をΘとした場合に、前記回折格子が、下記(1)式で与えられるΛを格子定数として含んでいることを特徴とする請求項1に記載の光共振器。Λ=2π/(β−kcosΘ)・・・(1)

請求項3

前記回折格子は、その格子定数が、前記1次回折光を前記第1主面に対して平行に伝播させるように設定されており、該回折格子と前記周回型共振器とは、互いに光結合する関係で配置されており、該周回型共振器と前記回折格子との間に前記光結合部が形成されていることを特徴とする請求項2に記載の光共振器。

請求項4

前記基板が、前記第1主面に平行に対向する第2主面を備えていて、該第2主面は、前記入射光が前記回折格子に向けて入射し、及び、該回折格子からの前記出射光が出射する面であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の光共振器。

請求項5

前記第1主面は、前記入射光及び前記出射光の双方が、該第1主面に対して垂直に入出射する面であることを特徴とする請求項4に記載の光共振器。

請求項6

前記回折格子の格子定数を、前記周回光の波長と等しい大きさに設定してあることを特徴とする請求項5に記載の光共振器。

請求項7

前記周回型共振器が円柱状であることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の光共振器。

請求項8

前記周回型共振器が球状であることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の光共振器。

請求項9

前記周回型共振器の表面に、該周回型共振器の基材屈折率よりも屈折率が高い材料で作られた導波層を備えていることを特徴とする請求項7又は8に記載の光共振器。

請求項10

前記導波層の膜厚が、前記周回光の波長の1/2の厚みに設定されていることを特徴とする請求項9に記載の光共振器。

請求項11

前記第1主面及び前記第2主面に無反射コーティング膜が形成されていることを特徴とする請求項4〜10のいずれか一項に記載の光共振器。

請求項12

請求項1〜11のいずれか一項に記載の光共振器を、共通基板の第1主面側に複数個配置したことを特徴とする光共振器アレイ

技術分野

0001

この発明は、入射光特定波長の成分を共振させて出射光として取り出す光共振器と、この光共振器を備えた光共振器アレイとに関する。

背景技術

0002

リング型共振器等の周回型共振器を、波長選択性が高いフィルタとして用いる技術が提案されている(例えば、特許文献1〜4参照)。

0003

特許文献1に開示された第1の技術では、光ファイバの端部を斜めに切断して端面を形成している。そして、光ファイバを伝播する光がこの端面で全反射する際に生じるエバネッセント光をリング型共振器に結合している。また、同文献に開示された第2の技術では、プリズムを利用して空間光をリング型共振器に結合している。

0004

特許文献2に開示された技術では、光ファイバの一部分において、クラッドを除去したり、光ファイバの径を細めたりすることにより、当該一部分から漏れ出すエバネッセント光をリング型共振器に結合している。

0005

特許文献3に開示された技術では、リング型共振器の一部に回折格子を設け、この回折格子を利用してリング型共振器に光を結合している。

0006

特許文献4に開示された技術では、光導波路に設けた回折格子を利用してリング型共振器に光を結合している。
米国特許第6798947号明細書
米国特許第6865317号明細書
米国特許出願公開第2005/0135453号明細書
米国特許出願公開第2005/0147355号明細書

発明が解決しようとする課題

0007

しかし、特許文献1に開示された第1の技術、及び、特許文献2に開示された技術では、リング型共振器に結合できる光は、光ファイバ中を伝播するもののみであった。つまり、空間光をリング型共振器に結合することはできなかった。

0008

また、特許文献1に開示された第2の技術は、空間光をリング型共振器に結合できるものの、リング型共振器に対するプリズムの角度を厳密に位置決めする必要があった。また、この技術では、リング型共振器に比べて大きなサイズのプリズムを準備する必要があった。

0009

特許文献3に開示された技術では、リング型共振器に対する光の結合率が大きくなりすぎる欠点があった。その結果、リング型共振器中で十分に共振がなされず、波長選択性が不十分な光がリング型共振器から出射されてしまうという問題があった。また、この技術では、リング型共振器の曲面上に回折格子を形成しなければならず、製造が難しいという問題があった。

0010

特許文献4に開示された技術では、リング型共振器に対する光の結合率が大きくなりすぎるという、特許文献3の技術と同様の問題があった。また、この技術では、空間光をリング型共振器に結合することができないという、特許文献1の第1の技術と同様の問題があった。

0011

この発明は、上述した問題点に鑑みなされたものである。従って、この発明の第1の目的は、出射光の波長選択性を実用上十分な程度に保ちつつ、簡単な構造で周回型共振器に空間光を結合することができる光共振器を提供することにある。

0012

また、この発明の第2の目的は、この光共振器を備えた光共振器アレイを提供することにある。

課題を解決するための手段

0013

上述の第1の目的の達成を図るために、この発明の光共振器は、回折格子と、周回型共振器とを備える。

0014

回折格子は、基板の第1主面に設けられていて、第1主面へ入射する入射光を回折して周回型共振器に結合させ、かつ、周回型共振器を周回して波長選択された周回光が結合され、この結合された光を回折させ、さらにこの回折された光を、波長選択された出射光として取り出す。

0015

周回型共振器は、回折格子との間で相互に光結合可能に、第1主面の上側に配置されている。

0016

このように構成することにより、空間光としての入射光は、第1主面に設けられた回折格子で回折される。周回型共振器は、回折格子と光結合可能に配置されているので、回折格子で回折された光は、周回型共振器に結合される。周回型共振器に結合された光は、共振され、周回型共振器を周回光として周回するうちに、光強度が増加するとともに波長選択される。そして、再び回折格子で回折されて出射光として取り出される。

0017

上述の光共振器において、周回光の伝播定数をβとし、回折格子により回折された入射光の中で、周回光となるべき1次回折光波数をkとし、並びに入射光の伝播方向と、回折格子及び周回型共振器の間の光結合部における周回光の伝播方向とのなす角をΘとする。

0018

この場合に、回折格子が、下記(1)式で与えられるΛを格子定数として含んでいることが好ましい。

0019

Λ=2π/(β−kcosΘ)・・・(1)
このように構成することにより、回折格子は、周回型共振器の位相整合条件を満たす1次回折光を発生することができる。その結果、この1次回折光を周回型共振器に確実に結合することができる。

0020

この場合に、回折格子は、その格子定数が、1次回折光を第1主面に対して平行に伝播させるように設定されており、回折格子と周回型共振器とは、互いに光結合する関係で配置されており、周回型共振器と回折格子との間に光結合部が形成されていることが好ましい。

0021

このように構成することにより、第1主面に対して平行に伝播する1次回折光を、周回型共振器と回折格子との光結合部において周回型共振器に結合することができる。

0022

上述の光共振器において、基板が、第1主面に平行に対向する第2主面を備えていて、第2主面は、入射光が回折格子に向けて入射し、及び、回折格子からの出射光が出射する面であることが好ましい。

0023

このように構成することにより、周回型共振器に対して、基板の第2主面側から光の入出射を行うことができる。

0024

この場合において、第1主面は、入射光及び出射光の双方が、第1主面に対して垂直に入出射する面であってもよい。

0025

また、この場合において、回折格子の格子定数を、周回光の波長と等しい大きさに設定してあることが好ましい。

0026

回折格子の格子定数をこのように設定することにより、入射光が第1主面に対して垂直に入射した場合に、この入射光の1次回折光を、第1主面に平行に伝播させることができる。その結果、この1次回折光を周回型共振器に確実に結合することができる。

0027

上述の光共振器において、周回型共振器が円柱状であってもよい。また、周回型共振器が球状であってもよい。

0028

上述の光共振器において、周回型共振器の表面に、周回型共振器の基材屈折率よりも屈折率が高い材料で作られた導波層が形成されていてもよい。

0029

このように構成することにより、周回型共振器に結合された光を導波層中に効率よく閉じ込めることができる。

0030

この場合において、導波層の膜厚が、周回光の波長の1/2の厚みに設定されていることが好ましい。

0031

このように構成することにより、導波層を無反射コーティング膜として機能させることができる。その結果、周回型共振器で発生する迷光を低減することができ、出射光の消光特性が向上する。

0032

上述の光共振器において、第1主面及び第2主面に無反射コーティング膜が形成されていることが好ましい。

0033

このように構成することにより、光共振器で発生する迷光を低減することができ、出射光の消光特性が向上する。

0034

上述した第2の目的の達成を図るために、この発明の光共振器アレイは、上述の光共振器を、共通基板の第1主面側に複数個配置している。

発明の効果

0035

この発明の光共振器は、上述のように構成されているので、出射光の波長選択性を実用上十分な程度に保ちつつ、簡単な構造で周回型共振器に空間光を結合することができる。

0036

また、この発明によれば、上述の光共振器を用いた光共振器アレイが得られる。

発明を実施するための最良の形態

0037

以下、図を参照して、この発明の実施の形態について説明する。なお、各図は、各構成要素の形状、大きさ及び配置関係について、この発明が理解できる程度に概略的に示したものにすぎない。また、以下、この発明の好適な構成例について説明するが、各構成要素の材質及び数値的条件などは、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は、以下の実施の形態に何ら限定されない。また、各図において、共通する構成要素には同符号を付し、その説明を省略することもある。

0038

(実施の形態1:光共振器)
図1図3を参照して実施の形態1の光共振器について説明する。図1は、光共振器の構造を概略的に示す斜視図である。

0039

光共振器10は、回折格子12と、周回型共振器としてのリング型共振器14とを備えている。光共振器10は、入射される複数の波長λ1〜λn(nは2以上の整数)の光を含む空間光(入射光BIN)を、波長選択した上で、単一波長λSの空間光(出射光BOUT)として出射させる機能を有する。

0040

以下、入射光BINを構成する光の波長λ1〜λnの中で、リング型共振器14で波長選択される波長、及び、波長選択されて出射される出射光BOUTの波長を、特に「特定波長λS」(ただしSは、1≦S≦nを満たす整数)と称する。

0041

回折格子12は、基板16の第1主面16aに形成されたレリーフ型回折格子である。回折格子12の格子溝は、円柱状のリング型共振器14の中心軸14cと平行に形成されている。回折格子12は、入射された入射光BINを、入射光BINの波長に応じて異なる回折角で回折する。回折格子12は、特定波長λSの入射光BINの1次回折光B1stを、第1主面16aに平行に伝播させる大きさの格子定数Λを有している。なお、格子定数Λについては後述する。

0042

回折格子12は、第1主面16aへ入射する入射光BINを回折させ、この回折光をリング型共振器14に結合させる機能を有する。また、この回折格子12は、リング型共振器14を周回しかつ波長選択された周回光BRを結合させ、この結合した周回光BRを回折させ、この回折光を波長選択された出射光BOUTとして取り出す機能を有する。

0043

リング型共振器14は、互いに平行に延在する円形の両端面14a,14aと、両端面14a及び14aの間を囲む周面14bとを有する中実の円柱状の形態を有している。リング型共振器14は、円柱の中心軸14cが、格子長手方向、すなわち格子の配列方向と直交する方向に延在して、基板16の第1主面16aの上側に設けられている。

0044

より詳細には、リング型共振器14は、周面14bが回折格子12に対向するように、第1主面16aに近接して配置されている。リング型共振器14と回折格子12との最近接部には、リング型共振器14と回折格子12との間で相互に光結合可能に、光結合部15が形成されている。

0045

さらに詳細に説明すると、リング型共振器14の周面14bと、当該周面14bに最も近接して対向する第1主面16aとの間には、間隙としての光結合部15が形成されている。この光結合部15(間隙)の幅は、リング型共振器14の中心軸14c方向に沿って、回折格子12とリング型共振器14とが相互に光結合可能な一定の大きさに設定されている。また、リング型共振器14は、その中心軸14cが回折格子12の格子溝の延在方向に対して平行に、第1主面16aの上側に配置されている。

0046

リング型共振器14は、基材14dと、導波層14eとから構成されている。そして、リング型共振器14の周囲の空間は、一様な屈折率nMを有する媒質Mで満たされている。

0047

基材14dは、リング型共振器14を構成する円柱状の心材である。基材14dは、好ましくは、例えば光学ガラスを材料として形成されている。ここで、基材14dの屈折率をnsとする。

0048

導波層14eは、基材14dの周面の全面を被覆する膜体である。導波層14eは、好ましくは、例えばSiを材料として形成されている。導波層14eは、屈折率をnwとし、膜厚をdとし、及び中心軸14cに垂直に切断したときの円形断面の円周の長さをL(以下、「共振器長L」とも称する。)とする。導波層14eは、回折格子12から結合された光を閉じ込め、波長選択された周回光BRとして周回させる機能を有する。

0049

ここで、導波層14eの屈折率nwは、基材14dの屈折率ns、及びリング型共振器14の周囲に存在する媒質Mの屈折率nMとの間で、nw>nsかつnw>nMとの関係が成り立つように設計されている。導波層14eの屈折率nwをこのように設計することにより、周回光BRを導波層14eに閉じ込めることができる。

0050

また、導波層14中での周回光BRの波長をλGとした場合、導波層14eの膜厚dは、波長λGとの間で、d=λG/2との関係が成り立つように設定されている。このように、膜厚dを周回光BGの波長の1/2の厚みに設定することにより、導波層14eを無反射コーティング膜として機能させることができる。なお、周回光BRの波長λGと、入射光BIN及び出射光BOUTの特定波長λSとの間には、従来周知のようにλG=λS/nwとの関係が成り立つ。

0051

また、共振器長Lは、周回光BRの波長λGとの間で、L=mλG(mは1以上の整数)との関係が成り立つように設計されている。共振器長Lをこのように設計することにより、リング型共振器14は、波長λGの周回光BGを共振することができる。つまり、リング型共振器14に結合される入射光BINの中で、特定波長λSの光が波長選択され、出射光BOUTとして取り出される。

0052

基板16は、第1主面16aと、当該第1主面16aに平行に対向する第2主面16bとを備えた平行平板である。基板16は、入射光BIN及び出射光BOUTの伝播を妨げないような透明な材料から形成されている。基板16は、好ましくは、例えば光学ガラスを材料として形成されている。

0053

また、基板16において、第1及び第2主面16a及び16bのそれぞれには、無反射コーティング膜16c及び16dが形成されている。無反射コーティング膜16c及び16dは、好ましくは、例えばMgF2を材料として形成されている。

0054

無反射コーティング膜16c及び16dの膜厚は、無反射コーティング膜16c及び16d中における出射光BOUTの波長の1/4の厚みに設定されている。

0055

より詳細には、無反射コーティング膜16cの屈折率をn16cとしたときに、無反射コーティング膜16cの膜厚は、λS/(4n16c)に設定されている。同様に、無反射コーティング膜16dの屈折率をn16dとしたときに、無反射コーティング膜16dの膜厚は、λS/(4n16d)に設定されている。なお、ここで、屈折率n16c及びn16dは、基板16の屈折率をn16とすると、n16c=n16d=(n16nM)0.5に設定されている。

0056

第2主面16bは、入射光BINが入射し、かつ、出射光BOUTが出射する入出射面として機能する。ここで、入射光BINは、第2主面16b(従って第1主面16a)に対して垂直に入射する。また、出射光BOUTも、第2主面16b(従って第1主面16a)に対して垂直に出射する。

0057

次に、この実施の形態における回折格子12の格子定数Λについて詳細に説明する。

0058

回折格子12の格子定数Λは、下記(1)式に従って決定されている。

0059

Λ=2π/(β−kcosΘ)・・・(1)
なお、(1)式において、βは、周回光BRの伝播定数であり、β=(nw2π)/λSで与えられる。

0060

kは、回折格子12により回折された入射光BINの中で、周回光BRとなるべき1次回折光B1stの波数であり、k=2π/λSで与えられる。

0061

Θは、図1に示すように、入射光BINの伝播方向と、光結合部15における周回光BRの伝播方向とのなす角である。

0062

(1)式は、1次回折光B1stをリング型共振器14に結合するための位相整合条件を表している。よって、(1)式に従い回折格子12の格子定数Λを決定することにより、1次回折光B1stをリング型共振器14に結合することができる。

0063

図1に示すように、この実施の形態では、入射光BINの伝播方向と、光結合部15における周回光BRの伝播方向とのなす角Θは90°に設定されている。つまり、回折格子12は、1次回折光B1stを第1主面16aに対して平行に伝播させるような格子定数Λを有している必要がある。よって、この実施の形態では、回折格子12の格子定数Λを、(1)式にΘ=90°を代入して、Λ=λS/nw=λGに設定している。

0064

つまり、この実施の形態のように、入射光BIN及び出射光BOUTが、第1主面16aに対して垂直に入出射する場合、回折格子12の格子定数Λは、周回光BGの波長λGと等しく設定されている。

0065

次に、図1を参照して、光共振器10の動作について説明する。

0066

入射光BINは、基板16の第2主面16b側から第1主面16aへと垂直に入射される。そして入射光BINは、第1主面16aに作り付けられた回折格子12により回折される。

0067

回折格子12の格子定数Λは、上述の(1)式に従って決定されているので、特定波長λSの入射光BINは、回折格子12により回折され、第1主面16aに対して平行に伝播する1次回折光B1stが発生する。

0068

1次回折光B1stは、リング型共振器14の位相整合条件を満たしているので、光結合部15においてリング型共振器14に結合される。

0069

リング型共振器14に結合された1次回折光B1stは、周回光BRとしてリング型共振器14、正確には導波層14eを周回する。周回光BRは、共振により、周回の過程で波長λGへと波長選択される。また、リング型共振器14には1次回折光B1stが次々と結合されていくので、周回光BRの光強度は、周回とともに増加していく。

0070

リング型共振器14を周回する周回光BRの光強度が十分に大きくなると、周回光BRは、光結合部15を介してリング型共振器14から回折格子12へと結合される。

0071

リング型共振器14に結合された周回光BRは、回折格子12により回折され、入射光BINとは逆の経路を辿って、波長λSに波長選択された出射光BOUTとして、第2主面16bから垂直に出射される。

0072

次に、図2を参照して、光共振器10のシミュレーション結果について説明する。

0073

図2は、光共振器10の波長選択性の説明に供する図である。図2縦軸は、出射光BOUTと入射光BINの光強度比率(BOUT/BIN)を示し、及び横軸は、出射光BOUTの波長λS(μm)を示す。

0074

シミュレーションは、2次元FDTD(Finite Difference Time Domain)法により実行した。また、シミュレーションに当っては、各部の寸法及び条件を、以下に列記するように設定した。
(1)リング型共振器14の基材14d、及び基板16の屈折率を、プラスチックや光学ガラスの屈折率に相当する1.7に設定した。
(2)導波層14eの屈折率を、Siの屈折率に相当する3.4とした。
(3)リング型共振器14は、屈折率が1.3の媒質M中に配置されていると仮定した。なお、屈折率が1.3の媒質Mとは、例えば水に相当する。
(4)回折格子12の格子溝の深さを20nmに設定した。
(5)回折格子12の格子定数Λを、(1)式より360nmに設定した。
(6)導波層14eの厚みを140nmに設定した。
(7)リング型共振器14の円形断面の直径を2.5μmに設定した。
(8)基板16の厚み(第1主面16aと第2主面16bとの距離)を無限大に設定した。
(9)入射光BINの波長は、0.921μmから0.0015μm刻みで0.9264μmまで変化させた。ここで、入射光BINの光強度は、波長によらず一定とした。

0075

以上のような条件でシミュレーションを行った結果、光共振器10は、0.9237μmの波長ピーク値を有し、かつ半値幅が1.4nmである出射光BOUTを出射することが明らかになった。光共振器10が示す波長選択性(半値幅1.4nm)は、従来型のリング型共振器とほぼ同等である。

0076

また、上述の条件から求められる回折格子12とリング型共振器14との間の光結合効率は約3%である。しかし、光共振器10は、共振波長(0.9237μm)において、入射光BINの約55%に相当する光強度の出射光BOUTを出射している。

0077

次に、光共振器10の奏する効果について説明する。

0078

<効果1>
光共振器10は、回折格子12が形成された第1主面16aにリング型共振器14を配置するという簡単な構造であるにもかかわらず、従来技術と同等の波長選択性を維持しつつ、入射光BIN及び出射光BOUTを空間光とすることができる。

0079

<効果2>
導波層14eの厚みdをλG/2に設定し、並びに無反射コーティング膜16c及び16dの厚みを、それぞれλS/(4n16c)及びλS/(4n16d)に設定した。これにより、光共振器10で発生する、波長λSに近い波長を有する反射光(迷光)を低減することができる。その結果、出射光BOUTの消光特性(図2ピーク強度に対するバックグラウンド強度比率)を向上させることができる。

0080

次に、光共振器10の設計条件及び変形例について説明する。

0081

<設計条件1>
この実施の形態では、入射光BINを基板16の第2主面16b側から第1主面16aへと入射させた場合について説明した。しかし、入射光BINは、第1主面16a側から入射させてもよい。

0082

<設計条件2>
この実施の形態では、1次回折光B1stをリング型共振器14に結合する場合について説明した。しかし、リング型共振器14に結合される光は、1次回折光B1stには限定されない。リング型共振器14との間で位相整合条件が成り立てば、2次以上の高次回折光をリング型共振器14に結合してもよい。

0083

<設計条件3>
この実施の形態では、第1主面16aに対して平行に伝播する1次回折光B1stをリング型共振器14に結合する場合について説明した。しかし、リング型共振器14に結合される光は、第1主面16aに対して平行に伝播する必要はない。ただし、この場合、リング型共振器14に結合される光は、リング型共振器14の周面14b上における任意の点での接線に沿った方向に伝播し、かつリング型共振器14との間で位相整合条件を満たす必要がある。

0084

<設計条件4>
この実施の形態では、入射光BIN及び出射光BOUTを基板16の第1主面16aに対して垂直に入出射する場合について説明した。しかし、入射光BIN及び出射光BOUTは、第1主面16aに対して斜めに入出射させることも可能である。

0085

斜め入射において、基板16の第1主面16aに平行に伝播する1次回折光B1stをリング型共振器14に結合させる場合には、回折格子12の格子定数Λを調整する必要がある。つまり、上述の(1)式において、Θを、所望の入射角(≠90°)に設定して、格子定数Λを決定する必要がある。

0086

<設計条件5>
この実施の形態では、回折格子12の格子定数が一定値Λをとる場合について説明した。しかし、回折格子12の格子定数は、少なくともΛを含んでいれば、一定値である必要はない。発明者のシミュレーションによる評価では、格子定数が、Λの周りで約±10%乱れたとしても光共振器10は、実用上十分な波長選択性を示すことが明らかとなっている。

0087

また、回折格子12の格子定数は、Λを含むことを条件としてランダムであってもよい。つまり、回折格子12として、すりガラス状のものや、引っかき傷状のものを用いてもよい。

0088

この場合には、回折格子12の波長選択性が劣るために、リング型共振器14には、様々な波長の入射光が結合される。そして、リング型共振器14からは、上述した共振条件(L=mλG)を満たす、様々な波長の出射光が波長選択されて出射される。

0089

しかし、発明者らのシミュレーションによれば、Λをランダムにした場合には、共振条件を満たす波長であっても、出射光として出射されないものが存在することが明らかとなった。つまり、この場合、上述のm(1以上の整数)に抜けが存在することが明らかとなった。

0090

よって、この場合に、波長選択された出射光を得るためには、入射光として、上述した出射されない波長以外の波長の光を用いることが必要である。

0091

<設計条件6>
また、リング型共振器14の共振の強さ(Q値)を上げるためには、リング型共振器14に対する1次回折光B1stの結合効率は小さい方がよい。この結合効率を小さくするため手法としては、以下の二つの手法が考えられる。
(手法1):光結合部15の間隙の幅を広げる。
(手法2):回折格子12の回折効率を低下させる。

0092

(手法1)に関して言えば、光結合部15の間隙の幅を広くすればよい。実用上許容できる大きさの結合効率を得ることができる間隙の幅は、最大で数百nmである。なお、共振の強さ(Q値)が小さくともよい場合は、間隙の幅は0nm、つまり回折格子12とリング型共振器が接触していてもよい。

0093

(手法2)に関して言えば、回折格子12がレリーフ型回折格子の場合には、格子溝の深さを浅くすればよい。また、回折格子が屈折率変調型回折格子の場合には、周期的に並んだ高屈折率領域低屈折率領域との屈折率差を小さくすればよい。

0094

<設計条件7>
この実施の形態では、リング型共振器14に導波層14eを設けた場合について説明した。しかし、リング型共振器14の屈折率が、リング型共振器14が配置されている媒質Mの屈折率よりも十分に大きい場合には、導波層14eを設ける必要はない。

0095

この場合には、周回光BRをいわゆるWhispering Gallery Mode現象(以下、「WGM現象」と称する。)により、リング型共振器14の表面付近に閉じ込めて伝播させることができる。その結果、導波層14eを設けた場合と同等の作用を奏するリング型共振器14が得られる。

0096

<設計条件8>
この実施の形態では、基板16の第1及び第2主面16a及び16bに無反射コーティング膜16c及び16dを設けた場合について説明した。しかし、基板16による反射光(迷光)が許容できるのであれば、無反射コーティング膜16c及び16dは設ける必要がない。

0097

<設計条件9>
この実施の形態では、周回型共振器として、円柱状のリング型共振器14を用いた場合について説明した。しかし、周回型共振器は、リング型共振器14には限定されない。例えば、3枚以上の反射鏡を用い、光路リング状になるように構成された周回型共振器を用いてもよい。

0098

<変形例1>
図3を参照して、この実施の形態の光共振器10の変形例について説明する。図3は、変形例に係る光共振器の構造を概略的に示す斜視図である。

0099

図3に示した光共振器20は、周回型共振器として球状のリング型共振器22を用いている点が、光共振器10と異なっている。したがって、以下の説明では、主に、この相違点について説明する。

0100

光結合部15でリング型共振器22に結合された周回光BRは、回折により伝播方向が拡散する。つまり、図3に模式的に示したように、リング型共振器22において、光結合部15から互いに異なる方向に伝播する周回光、例えばBR1とBR2とが存在する。そして、これらの周回光BR1及びBR2は、リング型共振器22の大円に沿って進行し、再び光結合部15で収束するように伝播する。

0101

つまり、球状のリング型共振器22では、周回光BRは、一点(光結合部15)で収束するように伝播するので、周回光BRの拡散による光強度の減少を抑えることができる。その結果、光共振器20の波長選択性や、共振の強さ(Q値)を、光共振器10に比べて良好なものにすることができる。

0102

(実施の形態2:光共振器アレイ)
図4を参照して、実施の形態2の光共振器アレイについて説明する。図4(A)は、光共振器アレイ30の構造を概略的に示す斜視図である。図4(B)は、光共振器アレイの要部拡大平面図である。

0103

光共振器アレイ30は、共通基板32と、光共振器20,20,・・・とを備えている。

0104

図4(A)に示すように、光共振器アレイ30は、共通基板32に、<変形例1>で説明した光共振器20が2次元的に配列された構造を有する。

0105

共通基板32は、第1主面32aと、第1主面32aに平行に対向する第2主面32bとを備えた平行平板である。共通基板32は、上層33aと下層33bとが積層された構造を有する。

0106

上層33aは第1主面32a側に配置され、及び下層33bは第2主面32b側に配置される。上層33aと下層33bの境界面34には、全面にわたってレリーフ型の回折格子12が形成されている。上層33aは、好ましくは、例えば感光性樹脂を材料として形成されている。下層33bは、好ましくは、例えば光学ガラスを材料として形成されている。

0107

上層33aには、球状のリング型共振器22を固定するために、平面形状が正方形の開口38,38,・・・が形成されている。これらの開口38,38,・・・は、互いに同形である。また、これらの開口38,38,・・・は、4行5列の2次元マトリックス状に配置されている。

0108

個々の開口38は上層33aを厚み方向に貫通して形成されている。従って、開口38の底部からは、境界面34に形成された回折格子12が露出する。なお、図4(B)に示すように、回折格子12の格子溝は、個々の開口38の対角線方向に沿って延在している。また開口38が形成する正方形の1辺は、リング型共振器22の直径よりも長い長さに設定されている。

0109

リング型共振器22,22,・・・は、共通基板32の第1主面32a側に配置されている。より詳細には、リング型共振器22,22,・・・は、開口38,38,・・・のそれぞれに1個ずつ配置されている。リング型共振器22は、開口38から露出する回折格子12の上空に、光結合部となるべき間隔だけ離間して、それぞれ配置されている。

0110

リング型共振器22の表面と、開口38の側面との間には、所定の間隔が設けられており、両者は直接接触しない。これは、両者22及び38が接触すると、接触部において、リング型共振器22を周回する周回光BRが散乱されるおそれがあるためである。

0111

次に、光共振器アレイ30の応用例について説明する。

0112

光共振器アレイ30は、例えば、化学物質センサや、光通信用波長フィルタとして応用することができる。

0113

化学物質のセンサとして応用する場合には、リング型共振器22,22,・・・の表面のそれぞれを、異なる化学物質と結合する官能基化学修飾しておく。

0114

リング型共振器22に検出対象である化学物質が結合すると、リング型共振器22の導波層14eの等価屈折率が変化する。従って、リング型共振器22の共振条件が変化する。その結果、リング型共振器22から出射される出射光の強度が変化する。この出射光の強度変化受光器で検出することにより、特定の化学物質の有無を知ることができる。

0115

より具体的には、センサとして応用する場合には、共通基板32の第2主面16b側に光源カメラとを配置する態様が考えられる。すなわち、光源から一様な強度の入射光を光共振器アレイ30に向けて照射し、光共振器アレイ30から出射される出射光をカメラで撮影する。そして、写真に現れた出射光の濃淡パターンより、化学物質の有無を確認する。

0116

各々異なる官能基で化学修飾されたリング型共振器22,22・・・を数百〜数千まで増やすことにより、このセンサは、一度に数百〜数千の化学物質の有無や濃度を知ることができる。

0117

また、波長フィルタとして応用する場合には、個々のリング型共振器22,22,・・・に対して、入射光を入射させる光ファイバアレイを設ける態様が考えられる。

0118

そして、光ファイバアレイから、リング型共振器22,22,・・・のそれぞれに入射光を入射させ、波長選択された出射光を再び光ファイバアレイに結合させる。

0119

次に、光共振器アレイ30の奏する効果について説明する。

0120

<効果1>
光共振器アレイ30では、単純な構造を有する光共振器20を複数個集積しているので、化学物質センサや波長フィルタなどの装置への応用に当り、装置を小型化することができる。また、装置のコストを低減することができる。

0121

次に、光共振器アレイ30の設計条件について説明する。

0122

<設計条件1>
この実施の形態では、共通基板32として、材料が異なる上層33aと下層33bとを積層した場合について説明した。しかし、共通基板32は、単一の材料から形成されていてもよい。この場合には、押しつけスタンプキャスティング等の方法で、底面に回折格子12を有する凹部(開口38に対応)を形成する。そして、この凹部にリング型共振器22を配置すればよい。

0123

<設計条件2>
この実施の形態では、リング型共振器22と共通基板32とを積極的には固定しない場合について説明した。しかし、リング型共振器22を共通基板32に固定してもよい。例えば、リング型共振器22又は共通基板32を磁性材料で形成し、磁界により両者を固定してもよい。また、リング型共振器22の周囲を樹脂により埋め込んでもよい。また、周回光BRの伝搬阻害しない範囲で、開口38の側面とリング型共振器22の周面とを溶着してもよい。

0124

<設計条件3>
この実施の形態では、平面形状が正方形状の開口38を用いた場合について説明した。しかし、開口38の平面形状は、正方形状には限定されない。リング型共振器22を周回する周回光BRの伝播を妨げなければ、任意の平面形状とすることができる。例えば、三角形状や楕円形状とすることができる。

0125

<設計条件4>
この実施の形態では、周回型共振器として、球状のリング型共振器22を用いた場合について説明した。しかし、周回型共振器として、(実施の形態1)で説明した円柱状のリング型共振器14を用いてもよい。

図面の簡単な説明

0126

光共振器の構造を概略的に示す斜視図である。
光共振器の波長選択性の説明に供する図である。
変形例に係る光偏光器の構造を概略的に示す斜視図である。
(A)は、光共振器アレイの構造を概略的に示す斜視図である。(B)は、光共振器アレイの要部拡大平面図である。

符号の説明

0127

10,20光共振器
12回折格子
14,22リング型共振器
14a 端面
14b 周面
14c中心軸
14d基材
14e導波層
15光結合部
16基板
16a,32a 第1主面
16b,32b 第2主面
16c,16d無反射コーティング膜
30光共振器アレイ
32共通基板
33a上層
33b下層
38 開口

ページトップへ

この技術を出願した法人

この技術を発明した人物

ページトップへ

関連する挑戦したい社会課題

関連する公募課題

該当するデータがありません

ページトップへ

おススメ サービス

おススメ astavisionコンテンツ

新着 最近 公開された関連が強い技術

この 技術と関連性が強い人物

関連性が強い人物一覧

この 技術と関連する社会課題

関連する挑戦したい社会課題一覧

この 技術と関連する公募課題

該当するデータがありません

astavision 新着記事

サイト情報について

本サービスは、国が公開している情報(公開特許公報、特許整理標準化データ等)を元に構成されています。出典元のデータには一部間違いやノイズがあり、情報の正確さについては保証致しかねます。また一時的に、各データの収録範囲や更新周期によって、一部の情報が正しく表示されないことがございます。当サイトの情報を元にした諸問題、不利益等について当方は何ら責任を負いかねることを予めご承知おきのほど宜しくお願い申し上げます。

主たる情報の出典

特許情報…特許整理標準化データ(XML編)、公開特許公報、特許公報、審決公報、Patent Map Guidance System データ