JP2001141930A - 光導波路素子、三次元光導波路回路および光学システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 任意形状の微細な光伝送路を構成することが
できる光導波路素子、並びに、このような光導波路を具
えた三次元光導波路回路および光学システムを提供す
る。 【解決手段】 光導波路は、直径１００μｍ以下の均質
な透明微小ガラス球体好ましくは直線状あるいは曲線状
などに配列する。若しくは、直径１００μｍ以下の均質
な透明ガラス円柱体を、その端面方向から見て、好まし
くは直線状あるいは曲線状などに配列する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光導波路素子、三
次元光導波路回路および光学システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】光集積回路や、薄膜光導波路を使用した
レーザージャイロスコープのように、平面上（単一基板
上）で光導波路を交差させた素子は実現化されていな
い。これは、光の直進性のために、光導波路を平面上で
交差させることができなかったからである。

【０００３】最近、光通信の多重化技術の発展、モノリ
シックな光集積素子の必要性の増大などから、光伝送路
の立体交差技術の開発が種々試みられている。しかしな
がら、実際の回路作製技術では、光伝送路の立体交差を
基板上で実現した例はない。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、以上のよう
な事情を背景としてなされたものであって、その目的
は、任意形状の微細な光伝送路を構成することのできる
光導波路素子を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の光導波路素子
は、直径１００μｍ以下の均質な透明ガラス球体を複数
配列してなることを特徴とする。

【０００６】また、本発明の光導波路素子は、直径１０
０μｍ以下の均質な透明ガラス円柱体を、その軸中心と
垂直な方向に複数配列してなることを特徴とする。

【０００７】本発明によれば、光導波路素子を微小な透
明ガラス球体又は微小な透明ガラス円柱体から構成して
いるため、任意形状の微細な光伝送路を形成することが
できる。そして、本発明の好ましい態様である直線状又
は曲線状の光導波路素子によれば、直線状の光伝送路の
みならず、任意の曲率で曲線状に屈曲してなる光伝送路
を構成することができる。

【０００８】また、本発明におけるその他の好ましい態
様によれば、直線状又は曲線状に配列してなる透明ガラ
ス球体又は透明ガラス円柱体を一単位とし、この単位を
積層してなる光導波路素子を構成する。したがって、上
述のように直線状又は曲線状に配列してなる平面的な光
伝送路が多数積層されてなる多重光伝送路を構成するこ
とができる。

【０００９】さらに、上述したような本発明の光導波路
素子と薄膜光導波路素子とを組み合わせることにより、
立体交差の３次元光導波路を形成することができる。ま
た、上述した光導波路素子と外部光学系とを組み合わせ
ることによって、任意形状の微細な光伝送路を有する光
学システムを提供することができる。

【００１０】なお、特開昭５９−２６７０２号公報にお
いては、光学ガラスなどからなる球形レンズを管状の可
撓性鏡内胴内に連続的に収容して画像を伝送する技術が
開示されている。しかしながら、本発明は光伝送に関す
るものであり、画像伝送に関する上記技術とは異なる。
すなわち、画像伝送に関する上記技術においては、ガラ
ス球の収差を考慮する必要がある。そして、反転画像や
画像変形を生じないようにして画像を伝送するために
は、ガラス球の直径を少なくとも約１ｍｍにする必要が
ある。また、ガラス球を曲線状に配列した場合は、画像
焦点が伝送方向におけるガラス球内に収束しなくなるた
め、画像の伝送が不可能となる。

【００１１】これに対して本発明の光伝送においては、
以下の「発明の実施の形態」で説明するように、ガラス
球体又はガラス円柱体の直径が１００μｍ以下でないと
その伝送メカニズムから光伝送を行うことができなくな
る。そして、このメカニズムの相違に起因して、直線状
のみならず曲線状の光伝送をも可能にすることができる
ものである。換言すれば、特開昭５９−２６７０２号に
記載の技術と本発明の技術とは、幾何光学的に共通する
だけで、その伝送原理は全く異なるものである。

【００１２】さらに、特開平３−１７５４０２号公報に
おいては、平面基板上に、この基板を構成する材料より
も屈折率の高い透過部材で形成されてなる微小孔部を設
け、この微小孔部中に画像を伝送させる技術が開示され
ている。この場合においても上記同様の議論が成立する
ため、本発明の光伝送に関する技術とは全く異なるもの
である。上記公報の実施例を参酌しても、略半球面を介
して単一の微小孔部中を透過させるのみである。

【００１３】また、特開昭６２−８１６０７号公報にお
いても一見類似していると目される技術が開示されてい
る。この技術は、コア部分をクラッド部分よりも屈折率
の高い透明物質で形成し、コア部分中を光が伝送するよ
うにしたものである。したがって、均質なガラス球体又
は均質なガラス円柱体を用い、この球体又は円柱体の直
径方向全体を利用して光伝送するようにした本発明とは
全く異なるものである。

【００１４】さらに、特開平１０―２３５２０２号公報
に開示されている一見類似した技術においても、この技
術においては、単に単一の円柱状の構造体中の長さ方向
に光を伝送させるのみであるので、本発明の技術とは全
く異なるものである。

【００１５】

【発明の実施の形態】＜微小ガラス球体の配列中の光伝
播理論＞以下、本発明を発明の実施の形態に基づいて詳
細に説明する。最初に、本発明の光導波路素子の好まし
い態様に基づいて、所定形状に配列された複数のガラス
球体及びガラス円柱体中の光伝播理論について説明す
る。なお、以下の説明においては、ガラス球体の表面ま
たはその内部で、光の散乱や吸収が生じないものとす
る。

【００１６】（ａ）直線状配列 図１は、透明な微小ガラス球体を直線状に配列してなる
本発明の光導波路における光伝播の様子を示す説明図で
ある。図１において、１１〜１５は微小ガラス球体、Ｌ
１は微小ガラス球体１１〜１５の配列軸、Ａは、配列軸
Ｌ１上に配置した光源（点光源）である。この光源Ａ
は、微小ガラス球体１１からその球半径と等しい距離だ
け離間している。微小ガラス球体１１〜１５として、球
径が揃って、真球性のよいものを用いると、光源Ａから
出た光は、微小ガラス球体１１のレンズ作用で微小ガラ
ス球体１２の中心に像を結ぶ。このとき、微小ガラス球
体１１からの光は、微小ガラス球体１２の球面で屈折し
ないで真っすぐに伝播する。したがって、微小ガラス球
体１２からの光は、さらに、微小ガラス球体１３のレン
ズ作用で、微小ガラス球体１４の中心に像を結ぶ。

【００１７】このようにして、奇数番目の微小ガラス球
体（１１、１３、１５）のレンズ作用によって、偶数番
目の微小ガラス球体（１２、１４）の中心に像を結ぶ場
合において、減衰のない光伝播を行わせるためには、光
源Ａを出た光が微小ガラス球体１１の球面で屈折し、配
列軸Ｌ１に対して平行になって球体内を伝播することが
条件となる。この条件は、図２に示すように、光がＡ−
Ｐ−Ｄと伝播することであり、そのためには、光源Ａか
らの光の立体角をφ、微小ガラス球体１１への光の入射
角をθi 、微小ガラス球体１１の球面における屈折角を
θ0 、微小ガラス球体１１の屈折率をｎとするとき、次
式（１）が成立する必要がある。

【００１８】

【数１】 式（１） ｎ＝ｓｉｎθi ／ｓｉｎθ0 ＝ｓｉｎ（θ0 ＋φ）／ｓｉｎθ0

【００１９】光源Ａの位置から微小ガラス球体１１の接
線を引き、その接点をＱとすると、ΔＡＱＣは直角三角
形となり、ＡＣ: ＣＱ＝２: １であるから、∠ＣＡＱ＝
３０゜、∠ＱＣＡ＝６０゜となるので、φ＜３０、θ0
＜６０である必要がある。また、ｎｓｉｎθ0 ＝ｓｉｎ
θi ≦１より、ｓｉｎθ0 ≦１／ｎとなる。よって、屈
折角θ0 が決まれば、上記式（１）より光源Ａからの光
の立体角φが決まる。

【００２０】光源Ａから微小ガラス球体１１に入射する
光は立体角φのものだけで、それがこの球配列中を伝播
していく可能性を有している。ところが、光源Ａと微小
ガラス球体１１との離間距離が微小ガラス球体１１の球
半径ａより大きい場合には、微小ガラス球体１１のレン
ズ作用によって結ばれる像は、微小ガラス球体１２の中
心よりも微小ガラス球体１１に近いところに形成される
ことになる。したがって、微小ガラス球体１２を通過し
た光は広く拡大して、微小ガラス球体１３を通過する光
量は減少する。このように微小ガラス球体の配列を通過
する毎に、光量は減少していく。

【００２１】逆に、光源Ａと微小ガラス球体１１との離
間距離が微小ガラス球体１１の球半径ａより小さい場合
には、微小ガラス球体１１のレンズ作用によって結ばれ
る像は、微小ガラス球体１２の中心よりも微小ガラス球
体１１から離れたところに形成され、微小ガラス球体１
１から微小ガラス球体１２に光が伝播する過程で伝播す
る光量が減少する。よって、このときも微小ガラス球体
配列を伝播する毎に伝播光量は減少する。

【００２２】光源Ａの位置ずれや、微小ガラス球体の配
列軸Ｌ１からのずれに伴う放出光のゆれは、伝播光量の
減衰をもたらすので、この減衰を小さくするためには、
微小ガラス球体に入射する光源Ａの立体角φは小さい方
がよい。そのためには屈折率ｎは大きいほうがよい。ま
た、ガラス球体の直径が１００μｍ以下であることが必
要である。

【００２３】なお、ガラス球体の直径に下限については
特に限定されないが、実際に伝送刷る光のスポット系の
大きさを考慮し、良好な光伝送を行うためには１μｍ以
上であることが好ましい。

【００２４】同様の観点から、前記微小ガラス球体の各
々における真球度は２％以下であることが好ましい。こ
こに、「真球度」とは、１つの球体の最大径と最小径と
の差を当該球体の平均径で割った値をいう。

【００２５】図３は、図１に示したものと同様の配列の
光導波路において、配列軸Ｌ１に対して３０°の平行光
線が、微小ガラス球体１１に入射する場合における光伝
播の様子を示す説明図である。この伝播光路では、微小
ガラス球体１１に平行光線が入射して、微小ガラス球体
１１と微小ガラス球体１２の間の位置に焦点ｆ１を結
ぶ。この焦点ｆ１からの光は、微小ガラス球体１２を通
過すると再び平行光線となる。この平行光線は、微小ガ
ラス球体１１に入射した光と同じように、配列軸Ｌ１に
対して３０°の角度で微小ガラス球体１３に入射して、
微小ガラス球体１３と微小ガラス球体１４の間の位置に
焦点ｆ２を結び、この焦点ｆ２からの光は、微小ガラス
球体１４を通過すると再び平行光線となる。

【００２６】したがって、これ以降は、順次奇数番目の
微小ガラス球体に平行光線が入射し、当該奇数番目の微
小ガラス球体とこれに続く偶数番目の微小ガラス球体の
間の位置に焦点を結び、当該偶数番目の微小ガラス球体
を通過して平行光線になる。この繰り返しによって、微
小ガラス球体の配列内を減衰することなしに伝播してい
く。

【００２７】この光伝播の条件は、図４に示すように、
光がＡ−Ｂ−Ｃ−Ｄと伝播することであり、この条件
は、図２に示す配列における光伝播の成立条件と同じで
あり、上記式（１）が成立する必要がある。したがっ
て、ｓｉｎθ0 ≦１／ｎの成立条件も満足する必要があ
る。したがって、この場合においても、上記同様の理由
から屈折率ｎは大きいほど好ましく、ガラス球体の直径
についても上記の条件を満足することが必要である。

【００２８】平行光線の入射角度が３０゜からずれた場
合には、焦点位置がずれるため、２番目の微小ガラス球
体１２を通過した光が平行光線とならなくなる。また、
微小ガラス球体間の距離が変化した場合にも同じ議論が
成立する。このような場合には、伝播光量はしだいに減
少していく。

【００２９】図３に示したような微小ガラス球体の直線
状配列においては、奇数番目の微小ガラス球体（１１、
１３）に平行光線が入射され（入射角度＝３０°）、焦
点（ｆ１、ｆ２）を結び、当該焦点からの光が偶数番目
の微小ガラス球体（１２、１４）を通過して平行光線に
なる。したがって、焦点位置や平行光線の光路上に鏡面
を配置（平行光線に対しては垂直方向に配置）すると光
は逆行する。この現象を利用して、光の共振器を構成す
ることができる。

【００３０】（ｂ）曲線状配列 図５は、微小ガラス球体を円周上に配列してなる本発明
の光導波路における光伝播の様子を示す説明図である。
図５において、２１〜２５は微小ガラス球体、Ｌ２は微
小ガラス球体２１〜２５の配列曲線（Ｏ’を中心とする
半径Ｒの円周の一部）、Ａ’は光源（点光源）である。
この光源Ａ’は、配列曲線Ｌ２上の、微小ガラス球体２
１の先端２１１からδ／２（δは、中心Ｏ’から見た微
小ガラス球体の立体角である。）離間した位置に配置さ
れている。

【００３１】図６に示すように、光源Ａ’から微小ガラ
ス球体２１への入射光のうち、配列曲線Ｌ２より外側の
球面から球体内部へ入射される光が、当該球面で屈折し
て、この微小ガラス球体２１内を水平方向（配列曲線Ｌ
２の接線方向）に伝播するためには、微小ガラス球体２
１への入射角をθi’、微小ガラス球体２１の球面にお
ける屈折角をθ0’、点光源Ａ’の立体角をφ’、微小
ガラス球体の屈折率をｎとするとき、次式（２）が成立
する必要がある。

【００３２】

【数２】 式（２） ｎ＝ｓｉｎθi’／ｓｉｎθ0’ ＝ｓｉｎ｛θ0’＋（δ／２）＋φ’｝／ｓｉｎθ0 ’

【００３３】このとき、θ0’＋（δ／２）＋φ’＜９
０°でなければならない。また、光源Ａ’からの光が微
小ガラス球体２１に入射し、続いて微小ガラス球体２２
に伝播していくためには、θ0’＞θ0 であることが必
要となる。ここに、θ0 は、微小ガラス球体が直線状に
配列された場合の球面における屈折角である。

【００３４】他方、光源Ａ’から微小ガラス球体２１へ
の入射光のうち、配列曲線Ｌ２より内側の球面から球体
内部へ入射される光が、当該球面で屈折して、この微小
ガラス球体２１内を水平方向（配列曲線Ｌ２の接線方
向）に伝播するためには、微小ガラス球体２１への入射
角をθi''、微小ガラス球体２１の球面における屈折角
をθ0 "、点光源Ａ’の立体角をφ''、微小ガラス球体
の屈折率をｎとするとき、次式（３）が成立する必要が
ある。

【００３５】

【数３】 式（３） ｎ＝ｓｉｎθi''／ｓｉｎθ0'' ＝ｓｉｎ｛θ0''−（δ／２）＋φ''｝／ｓｉｎθ0''

【００３６】ここで、球面での入射角θi''、屈折角θ
0''については、配列曲線Ｌ２より外側の球面から球体
内部へ入射される光とは逆に、θ0 ＞θ0''の関係が成
立する。さらに、光源Ａ’からの光が微小ガラス球体２
１に入射して、続いて微小ガラス球体２２以降に伝播し
ていくためには、θ0''−（δ／２）＋φ''＞θ0''が成
立する必要があるので、φ''−δ／２＞０でなければな
らない。

【００３７】この場合においても、ガラス球体を直線状
に配列した場合と同様に、屈折率ｎは大きいほど好まし
く、ガラス球体の直径についてもガラス球体を直線状に
配列した場合と同様の直径を有することが必要であり、
真球度についても直線状に配列した場合と同様の値を有
することが好ましい。なお、上記においては、微小ガラ
ス球体を連続的及び規則的に配列した場合について示し
ているが、これら微小ガラス球体は不規則に配列するこ
ともできる。

【００３８】（ｃ）直線状配列側面から光照射される場
合 図７は、図３に示した微小ガラス球体の直線状配列に、
同じ大きさの別の微小ガラス球体３５を重ねた状態を示
している。ここに、配列軸Ｌ３に対して垂直な方向から
光を照射すると、この光は、Ａ成分とＢ成分とが微小ガ
ラス球体３５の中心Ｐを中心に左右に分かれて、微小ガ
ラス球体３２と微小ガラス球体３１を経て、それぞれ図
示する方向に伝播する。しかし、この光は微小ガラス球
体（３１，３２，３３，３４）の配列中を伝播しない。

【００３９】もし、別の微小ガラス球体を、微小ガラス
球体３５と微小ガラス球体３１との配列軸ＰＱ、または
微小ガラス球体３５と微小ガラス球体３２との配列軸Ｐ
Ｒ上に配列し、図４に示した光導波路における光伝播の
成立条件（上記式（１））を具備すると、図３に示した
配列のように、配列軸ＰＱ、または配列軸ＰＲに沿って
伝播していく。したがって、このような配列は光の分配
または収束回路として機能させることができる。

【００４０】微小ガラス球体の配列に対する側面からの
入射光の光伝播を考える。 （１）入射角度３０〜９０°の光が微小ガラス球体に入
射される場合には、当該微小ガラス球体中での光散乱が
ない限りにおいて、配列を構成する微小ガラス球体を透
過するだけで配列方向への光伝播はない。 （２）図３に示したように、入射角度３０°の平行光線
が微小ガラス球体に入射する場合には、微小ガラス球体
の配列を伝播することがわかったが、これは、先頭の微
小ガラス球体に対して当該平行光線が入射する場合であ
って、微小ガラス球体の配列の途中の微小ガラス球体に
入射する場合には、配列軸からはずれていく。図７にお
いて、微小ガラス球体３２に入射されるＡ成分の光がこ
の場合に相当し、このＡ成分は、配列軸ＰＲからはずれ
ていくことが判る。 （３）入射角度が３０°以下の場合には、配列中を伝播
できるが、図３の光伝播の条件からはずれているので、
伝播光量が急速に減衰していく。

【００４１】図８は、３つの微小ガラス球体（４１、４
２、４３）を三角形状に配置し、その中央に別の微小ガ
ラス球体４４を配置して三角錐状に配列したものであ
る。このとき、頂点の微小ガラス球体４４に垂直に光を
照射すると、光は三角形状に配置された３つの微小ガラ
ス球体（４１、４２、４３）の方向に分かれて伝播す
る。

【００４２】図９は、図８の光導波路の平面図、図１０
は、図９に示すｃ−ｃ’面の断面図である。頂点に位置
する微小ガラス球体４４を透過した光の３分の１は、微
小ガラス球体４１に伝播する。ここでＡ−Ｂ−Ｃ−Ｄの
光路では、微小ガラス球体４１と微小ガラス球体４４の
配列軸Ａ−Ｄに対する平行光線の入射角が３０°よりも
大きいが、伝播方向はこの配列軸Ａ−Ｄと３０°の角度
の方向となる。

【００４３】図８の光伝播から明らかなように、平面状
に配列した微小ガラス球体（４１、４２、４３）の配列
面に対して垂直な方向から光を照射した場合には、その
光は、微小ガラス球体内で光が散乱されない限り配列面
内には伝播しない。たとえ、別の一個の微小ガラス球体
４５をその配列面に置いた場合でも、光は配列面から外
れていく。

【００４４】屈折率ｎの選択によって、図１の微小ガラ
ス球体１１が行う役割を２個または３個以上の微小ガラ
ス球体で置きかえることができる。すなわち、光源から
の光を球配列によるレンズ効果で焦点を結ばせ、そこに
別の微小ガラス球体が配置できる場合である。

【００４５】（ｄ）積層配列 微小ガラス球体を基板上に配列するとともに、別の微小
ガラス球体をその配列上に重ねて配列する。そしてこの
配列された微小ガラス球体上にさらに別の微小ガラス球
体を配列する。この操作を連続して行うことにより、直
線状又は曲線状に配列された光導波路素子が複数積層さ
れてなる光導波路素子を得ることができる。この光導波
路においては、各層中での光伝播は、直線状配列又は曲
線状配列の場合と同様に行われる。また、層間を伝播す
る光は、最終的には層を横断してしまい、層中への伝播
には加われない。

【００４６】以上、微小ガラス球体内の光伝播理論につ
いて説明してきたが、このような光伝播理論は、複数の
微細ガラス円柱体を、それぞれの端面方向から見て、直
線状、曲線状、結晶状または無定形状に配列（並列）し
た場合であっても成立する。例えば、図１１に示すよう
に、複数の微細ガラス円柱体（５１，５２，５３，５
４，５５，５６）を、それぞれの端面方向から見て、直
線状に配列してなる光導波路において、平行光線が配列
軸Ｌ’に対して３０°の角度で、微細ガラス円柱体５１
の周面に入射される場合には、光伝播の様子は、図３に
示す微小ガラス球体の場合と同様に行われる。

【００４７】具体的には、図１２に示すように、平行光
線（円柱体の軸方向に広がりのない光線）が微細ガラス
円柱体５１の周面に入射して、微細ガラス円柱体５１と
微細ガラス円柱体５２の間の位置に焦点ｆ１を結ぶ。こ
の焦点ｆ１からの光は、微細ガラス円柱体５２を通過す
ると再び平行光線となる。この平行光線は、微細ガラス
円柱体５１に入射した光と同じように、配列軸Ｌ’に対
して３０°の角度で微細ガラス円柱体５３の周面に入射
して、微細ガラス円柱体５３と微細ガラス円柱体５４の
間の位置に焦点ｆ２を結び、この焦点ｆ２からの光は、
微細ガラス円柱体５４を通過すると再び平行光線とな
る。したがって、これ以降は、順次奇数番目の微細ガラ
ス円柱体の周面に平行光線が入射し、奇数番目の微細ガ
ラス円柱体とこれに続く偶数番目の微細ガラス円柱体の
間の位置に焦点を結び、当該偶数番目の微細ガラス円柱
体を通過して平行光線になる。この繰り返しによって、
微細ガラス円柱体の配列内を減衰することなしに伝播し
ていく。

【００４８】この場合においても、上記ガラス球体の場
合と同じ理由から、ガラス円柱体の屈折率は大きい方が
好ましく、その直径についてもガラス球体の場合と同じ
値を有することが必要である。さらに、ガラス円柱体の
真円度についても上記と同じ２％以下であることが好ま
しい。ここに、「真円度」とは、１つの円柱体の端面の
最大径と最小径との差を当該端面の平均径で割った値を
いう。

【００４９】微小ガラス球体を配列する方法としては、
図１３に示すようなマイクロピペット６１の基端部に吸
引ポンプを接続して、その先端部６１Ａで微小ガラス球
体６２を吸引保持し、当該微小ガラス球体６２をマニピ
ュレータなどを用いて基板上の所定の位置まで運び、吸
引を解除することにより当該微小ガラス球体６２を前記
所定の位置に静置させる。このような操作を繰り返して
行うことにより、微小ガラス球体を所望の形態に配列さ
せることができる。

【００５０】以上のように、本発明の光導波路によれ
ば、端部を構成する微小ガラス球体に入射される光が、
当該微小ガラス球体を含めた奇数番目の微小ガラス球体
のレンズ作用によって偶数番目の微小ガラス球体の中心
に像を結ぶことを繰り返すことにより、当該微小ガラス
球体の配列に沿って伝播される。そして、曲線状等に配
列してなる本発明の光導波路によって形成される光伝送
路によって、単一の基板面上において伝播光を立体交差
させることができる。

【００５１】また、微小ガラス球体を配列してなる本発
明の光導波路素子は、その断面が小さく、その長さをき
わめて短くすることができるので、高密度に集積された
回路間における光学的連結であっても容易かつ確実に達
成することができる。

【００５２】さらに、微小ガラス球体を曲線状に配列さ
せただけの簡単な構成で、光導波路を立体交差させるこ
とができるので、三次元の光導波路回路をモノリシック
に作製することができる。

【００５３】なお、上記と同様の作用効果は、複数の微
細ガラス円柱体を、それぞれの端面方向から見て、直線
状及び曲線状などに配列（並列）してなる光導波路素子
によっても発揮される。

【００５４】＜三次元光導波路回路＞図１４は、本発明
の三次元光導波路回路の一例を示す説明用断面図であ
る。この三次元光導波路回路は、平坦なガラス基板６７
と、この基板６７上に形成された薄膜光導波路６６と、
この薄膜光導波路６６と立体交差するように設けられた
光導波路６５（本発明の光導波路）と、この光導波路６
５に光学的に接続された光ファイバー６８および光ファ
イバー６９とを具えてなる。

【００５５】薄膜光導波路６６は、矩形状の断面を有す
るコア６６Ａと、このコア６６Ａを覆うよう形成された
クラッド６６Ｂとからなる。光導波路６５は、複数の微
小ガラス球体がアーチ状に配列されてなる光導波路であ
り、これにより、薄膜光導波路６６との立体交差を達成
している。光ファイバー６８は、光導波路６５に光を入
射する光ファイバーであり、コア６８Ａおよびクラッド
６８Ｂとからなる。光ファイバー６９は、光導波路６５
からの光を取り出す光ファイバーであり、コア６９Ａお
よびクラッド６９Ｂとからなる。

【００５６】この三次元光導波路回路においては、光源
（図示せず）から光ファイバー６８に入射された光がコ
ア６８Ａ内を伝播して、光導波路６５の先頭の微小ガラ
ス球体６５ａに入射する。微小ガラス球体６５ａへ入射
された光は、配列曲線Ｌ４に沿って光導波路６５内を伝
播していき、光ファイバー６９のコア６９Ａに受光され
る。一方、薄膜光導波路６６においても、他の光源（図
示せず）から入射された光が伝播される。従って、ガラ
ス基板６７上において、光伝播が立体交差する状態とな
る。

【００５７】図１５は、本発明の三次元光導波路回路の
他の例を示す説明用断面図である。この三次元光導波路
回路は、平坦なガラス基板７６と、この基板７６上に形
成された薄膜光導波路７１と、この薄膜光導波路７１と
立体交差するように設けられた光導波路連結体７２と、
この光導波路連結体７２に光学的に接続された光ファイ
バー７７および光ファイバー７８とを備えてなる。

【００５８】薄膜光導波路７１は、矩形状の断面を有す
るコア（７１１Ａ〜７１４Ａ）と、これらを覆うよう形
成されたクラッド７１Ｂとからなる。光導波路連結体７
２は、複数の微小ガラス球体が配列されてなる光導波路
７２１（本発明の光導波路）と、光ファイバー７２２
と、複数の微小ガラス球体が配列されてなる光導波路７
２３（本発明の光導波路）とが連結されて構成され、こ
れにより、当該光導波路連結体７２は、薄膜光導波路７
１との立体交差を達成している。光ファイバー７７は、
光導波路７２１に光を入射する光ファイバーであり、コ
ア７７Ａおよびクラッド７７Ｂとからなる。光ファイバ
ー７８は、光導波路７２３からの光を取り出す光ファイ
バーであり、コア７８Ａおよびクラッド７８Ｂとからな
る。

【００５９】この三次元光導波路回路においては、光源
（図示せず）から光ファイバー７７に入射された光がコ
ア７７Ａ内を伝播して、光導波路７２１の先頭の微小ガ
ラス球体７２１ａに入射する。微小ガラス球体７２１ａ
へ入射された光は、配列曲線Ｌ５に沿って光導波路連結
体７２（光導波路７２１・光ファイバー７２２・光導波
路７２３）内を伝播していき、光ファイバー７８のコア
７８Ａに受光される。一方、薄膜光導波路７１において
も、他の光源（図示せず）から入射された光が伝播され
る。従って、ガラス基板７６上において、光伝播が立体
交差する状態となる。

【００６０】以上のような三次元光導波路回路によれ
ば、単一の基板上において、簡単な構成で伝播光を立体
交差させることができる。従って、図１６に示すよう
な、レーザージャイロスコープの光導波路コイルにおい
て、リング状の光導波路部８１と、直線状の光導波路部
８２とが交差する位置８０Ａ〜８０Ｃで、当該リング状
の光導波路部８１と、当該直線状の光導波路部８２との
両者を立体交差させることができる。

【００６１】＜光学システム＞図１７は、本発明の光学
システムの構成の一例を示す説明図である。この光学シ
ステムは、３本の微細ガラス円柱体（８５，８６，８
７）を並列してなる光学素子（本発明の光導波路）と、
これら微細ガラス円柱体（８５，８６，８７）の周囲に
配置された全反射用三角柱プリズム（８５Ａ，８６Ａ，
８７Ａ）とにより構成されている。

【００６２】この光学システムにおいては、例えば頂点
に位置する微細ガラス円柱体８７に平行光線Ａ’が入射
された場合には、この平行光線Ａ’は、図７の配列の光
伝播理論に基づいて、微細ガラス円柱体８５に伝播す
る。そして、平行光線Ａ’の伝播方向に配置されたプリ
ズム８５Ａにより反射されて反対方向に伝播する平行光
線Ｂ’となり、再び微細ガラス円柱体８５に入射する。
続いて、この平行光線Ｂ’は、微細ガラス円柱体８６に
伝播して、平行光線Ｂ’の伝播方向に配置されたプリズ
ム８６Ａにより反射されて反対方向に伝播する平行光線
Ｃ’となり、再び微細ガラス円柱体８６に入射する。

【００６３】この平行光線Ｃ’は微細ガラス円柱体８７
に伝播し、平行光線Ｃ’の伝播方向に配置されたプリズ
ム８７Ａにより反射されて反対方向に伝播し、前記平行
光線Ａ’と重畳されて、微細ガラス円柱体８７に入射す
る。その結果、光ループが形成される。このような光ル
ープは、微小ガラス球体を用いた場合にも形成すること
ができる。

【００６４】また、このような光ループは、４個の微小
ガラス球体を図８のように配置し、角頂点に頂点の各面
が直角に交差するプリズムを配置した場合にも、三角錐
光ループを形成することができる。また、この三角錐を
微小ガラス球体を偶数段重ねて作製すると、光は三角錐
の頂点から入射して領に沿って伝播するので、この偶数
段三角錐を光が巡回する光ループを作ることができる。

【００６５】本発明の光学システムは、上記の光導波路
からなる光学素子を備えていることにより、三次元の光
導波路回路をモノリシックな構成にすることができるの
で、回路素子の安定性、信頼性が高く、各々の回路素子
の接続に伴う光伝播損失が小さいものとすることができ
る。従って、例えば光集積回路、レーザージャイロスコ
ープ、ＬＳＩ素子端子間の光接続回路、光通信の波長多
重化回路、光共振器などとして特に有用である。

【００６６】

【実施例】以下、本発明についての実験例について説明
する。 ＜実験例１＞実験に使用した測定系の配置図を図１８に
示す。この測定系は、光源９０からの光を、レンズ９１
を介して光ファイバー９２の先端９２Ａに入射し、光フ
ァイバー９２の後端９２Ｂから光導波路９３（本発明の
光導波路）の先端部を構成する微小ガラス球体に入射
し、光導波路９３内を伝播させ、その後端部を構成する
微小ガラス球体から出射させ、この光を光ファイバープ
ローブ９４で検出し、光増幅器（ホトマルチプライヤ
ー）９５を経由して、オシロスコープ９６で出力を読み
とる構成である。

【００６７】ここに、光源９０は、波長６７０ｎｍの半
導体レーザ素子を使用した。光ファイバー９２および光
ファイバープローブ９４は、微小ガラス球体への光入
射、検出のために、加熱延伸法によって、クラッド径を
約５μｍまで細く加工し、破断面を平滑にするため、フ
ッ化水素酸処理したものを使用した。光導波路９３は、
平坦なガラス板９７Ａ上にＰＭＭＡ（ポリメチルメタク
リレート）よりなるコート層９７Ｂをスピンコートで５
μｍの膜厚にコーティングしたものを基板９７として使
用し、この基板９７面に沿って、直径１００μｍの微小
ガラス球体２から５個を直線状に配列した。

【００６８】上記の測定系において、光ファイバー９２
の後端９２Ｂを、微小ガラス球体の配列軸上であって、
先端部を構成する微小ガラス球体から５０μｍ離間した
位置に配置して、微小ガラス球体に光を照射したとこ
ろ、光ファイバープローブ９４により直線状に配列され
た微小ガラス球体を伝播した光が検出された。

【００６９】＜実験例２＞実験例１における基板を曲面
状に加工し、この基板面に沿って微小ガラス球体を曲線
状に配列してなる光導波路としたことの他は、実験例１
と同様にして測定系を構成した。この測定系において、
光ファイバーの後端を、微小ガラス球体の配列曲線上の
位置であって、先頭に配置された微小ガラス球体から、
配列曲線の中心から見た立体角（δ／２）となる位置に
配置して、微小ガラス球体に光を照射したところ、光フ
ァイバープローブにより曲線状に配列された微小ガラス
球体を伝播した光が検出された。

【００７０】以上の結果から、微小ガラス球体を連続的
に配列されてなる光導波路に沿って、光伝播を行うこと
ができることが確認された。また、入射位置を変化させ
た場合あるいはプローブ位置を変化させた場合には、検
出される光強度が大きく変化することから、上述の光伝
播理論が機能していることが確認された。

【００７１】

【発明の効果】本発明の光導波路素子によれば、任意形
状の微細な光伝送路を構成することができる。また、本
発明の光導波路素子によって形成される曲線状等の光伝
送路によれば、単一の基板面上において伝播光を立体交
差させることができる。本発明の光導波路素子によれ
ば、高密度に集積された回路素子間であっても、光学的
な連結を容易かつ確実に達成することができる。本発明
の光導波路によれば、立体交差部分を含むモノリシック
な三次元光導波路回路を構成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 透明な微小ガラス球体を直線状に配列してな
る本発明の光導波路における光伝播の様子を示す説明図
である。

【図２】 図１に示す光導波路の先頭の微小ガラス球体
における光伝播の様子を示す拡大図である。

【図３】 図１に示したものと同様の配列の光導波路に
おいて、配列軸に対して３０°の平行光線が、先頭の微
小ガラス球体に入射する場合における光伝播の様子を示
す説明図である。

【図４】 図３に示す光導波路の先頭の微小ガラス球体
における光伝播の様子を示す拡大図である。

【図５】 微小ガラス球体を円周上に配列してなる本発
明の光導波路における光伝播の様子を示す説明図であ
る。

【図６】 図５に示す光導波路の先頭の微小ガラス球体
における光伝播の様子を示す拡大図である。

【図７】 図３に示した微小ガラス球体の直線状配列
に、同じ大きさの別の微小ガラス球体を重ねてなる光導
波路における光伝播の様子を示す説明図である。

【図８】 ３つの微小ガラス球体を三角形状に配置し、
その中央に別の微小ガラス球体を配置して三角錐状に配
列してなる光導波路における光伝播の様子を示す説明図
である。

【図９】 図９に示す光導波路の平面図である。

【図１０】 図９に示す光導波路のｃ−ｃ’面の断面図
である。

【図１１】 微細ガラス円柱体を直線状に配列してなる
光導波路の一例を示す説明図である。

【図１２】 図１１に示す光導波路における光伝播の様
子を示す説明図である。

【図１３】 微小ガラス球体を配列する方法を示す説明
図である。

【図１４】 本発明の三次元光導波路回路の一例を示す
説明用断面図である。

【図１５】 本発明の三次元光導波路回路の他の例を示
す説明用断面図である。

【図１６】 レーザージャイロスコープの光導波路コイ
ルを示す平面図である。

【図１７】 本発明の光学システムの構成の一例を示す
説明図である。

【図１８】 実験に使用した測定系の配置図である。

【符号の説明】

１１〜１５ 微小ガラス球体 ２１〜２５ 微小ガラス球体 ３１〜３５ 微小ガラス球体 ４１〜４５ 微小ガラス球体 ５１〜５６ 微細ガラス円柱体 ６１ マイクロピペット ６１Ａ 先端部 ６２ 微小ガラス球体 ６５ 光導波路 ６６ 薄膜光導波路 ６６Ａ コア ６６Ｂ クラッド ６７ 基板 ６８、６９ 光ファイバー ６８Ａ、６９Ａ コア ６８Ｂ、６９Ｂ クラッド ７１ 薄膜光導波路 ７１１Ａ〜７１４Ａ コア ７１Ｂ クラッド ７２ 光導波路連結体 ７２１ 光導波路 ７２１ａ 微小ガラス球体 ７２２ 光ファイバー ７２３ 光導波路 ７６ 基板 ７７、７８ 光ファイバー ７７Ａ、７８Ａ コア ７７Ｂ、７８Ｂ クラッド ８０Ａ〜８０Ｃ 交差する位置 ８１ リング状の光導波路部 ８２ 直線状の光導波路部 ８５〜８７ 微細ガラス円柱体 ８５Ａ，８６Ａ，８７Ａ プリズム ９０ 光源 ９１ レンズ ９２ 光ファイバー ９２Ａ 先端 ９２Ｂ 後端 ９３ 光導波路 ９４ ファイバープローブ ９５ 光増幅器 ９６ オシロスコープ ９７ 基板 ９７Ａ ガラス板 ９７Ｂ コート層

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 直径１００μｍ以下の均質な透明ガラス
   球体を複数配列してなることを特徴とする、光導波路素
   子。
2. 【請求項２】 前記透明ガラス球体の直径が１００〜１
   μｍであることを特徴とする、請求項１に記載の光導波
   路素子。
3. 【請求項３】 前記複数の透明ガラス球体は直線状に配
   列してなることを特徴とする、請求項１又は２に記載の
   光導波路素子。
4. 【請求項４】 前記直線状に配列してなる前記複数の透
   明ガラス球体を一単位とし、この単位を前記配列方向と
   垂直な方向に積層してなることを特徴とする、請求項３
   に記載の光導波路素子。
5. 【請求項５】 前記複数の透明ガラス球体は曲線状に配
   列してなることを特徴とする、請求項１又は２に記載の
   光導波路素子。
6. 【請求項６】 前記曲線状に配列してなる前記複数の透
   明ガラス球体を一単位とし、この単位を前記配列方向と
   垂直な方向に積層してなることを特徴とする、請求項５
   に記載の光導波路素子。
7. 【請求項７】 直径１００μｍ以下の均質な透明ガラス
   円柱体を、その軸中心と垂直な方向に複数配列してなる
   ことを特徴とする、光導波路素子。
8. 【請求項８】 前記透明ガラス球体の直径が１００〜１
   μｍであることを特徴とする、請求項７に記載の光導波
   路素子。
9. 【請求項９】 前記複数の透明ガラス円柱体は、それら
   の端面方向からみた場合において直線状に配列してなる
   ことを特徴とする、請求項７又は８に記載の光導波路素
   子。
10. 【請求項１０】 前記直線状に配列してなる前記複数の
    透明ガラス円柱体を一単位とし、この単位を前記配列方
    向と垂直な方向に積層したことを特徴とする、請求項９
    に記載の光導波路素子。
11. 【請求項１１】 前記複数の透明ガラス円柱体は曲線状
    に配列してなることを特徴とする、請求項７又は８に記
    載の光導波路素子。
12. 【請求項１２】 前記曲線状に配列してなる前記複数の
    透明ガラス円柱体を一単位とし、この単位を前記配列方
    向と垂直な方向に積層したことを特徴とする、請求項１
    １に記載の光導波路素子。
13. 【請求項１３】 請求項１〜１２のいずれか一に記載の
    光導波路素子と、薄膜光導波路素子とを具えるととも
    に、これらが立体的に交差していることを特徴とする、
    ３次元光導波路回路。
14. 【請求項１４】 請求項１〜１２のいずれか一に記載の
    光導波路素子と、外部光学系とを具えることを特徴とす
    る、光学システム。