JP2004133040A

JP2004133040A - 光結合装置

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Publication number: JP2004133040A
Application number: JP2002295072A
Authority: JP
Inventors: Yoshihisa Takayama; 高山　佳久; Klaus Wellner; クラウス　ヴェルナー
Original assignee: Communications Research Laboratory
Current assignee: Communications Research Laboratory
Priority date: 2002-10-08
Filing date: 2002-10-08
Publication date: 2004-04-30
Anticipated expiration: 2022-10-08
Also published as: JP3752538B2

Abstract

【課題】光空間伝搬信号を光電変換素子に導く際に、集光系を工夫することによって、受光した光の利用効率を高くとることのできる光結合装置を提供する。
【解決手段】光の入射面の一部の領域については、その領域の相対する部分から入射した光の軌跡が、その集光素子の内部で交差する第１の交差点を有し、また、その出射した後に再び交差する第２の交差点を有する軌跡である領域であり、上記の領域を有する集光素子と、上記の第２の交差点近傍に設けられた光検出器あるいは光導波路とを有する。また、入射した光が種々の方向に出射する事がないようにするために、そのフォトニック結晶は、その波数空間のブリルアンゾーンにおいて、負の屈折率を示す単一の閉じた等周波数面を有するものとする。また、予め凸レンズや凹面鏡で集光することにより、縦方向の光源位置の変化でも集光点位置が変化しないようにする。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば、移動体からの光空間伝搬信号を受信する際の受信装置に使われる光結合装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
遠方の移動体との間で空間光通信を行なう場合、空間を伝搬した光を望遠鏡などを介して光検出器や光ファイバ、あるいは先導波路などに結合する。この場合、波面の歪や装置の振動などが、受信光の集光面において焦点の散在や焦点位置のふらつきなどの原因となり、効率的な光結合に弊害を生じる。
【０００３】
このため、図１２に示すような、回転鏡などを組み込んだ装置を使用し、その回転角を制御して焦点の散在範囲を抑制し、光結合の効率化、安定化を図っている。図１２の装置は、受信光を計測する機能、計測した光から取得したデータを基に制御信号を生成し、この制御信号を基に鏡や光電効果素子などを制御して、光ファイバや先導波路に正しく導く構成となっている。このため、装置が複雑化、大型化し、また、光の計測から回転鏡の稼動部の制御に要する時間遅延が発生し、応答できる速さの限界はキロヘルツ（ミリ秒）のオーダーである。
【０００４】
また、集光系を工夫して、上記の制御部等をもたない構造にしたものとしては、特許文献１がある。特許文献１には、オフィスや家庭などの室内空間において、光信号による空間伝送により、照明等の機器制御や端末間のデータ通信を行う光空間伝送システムに使用する光リモコン受信器に関し、その目的とするところは、光ノイズの光リモコン受信器への入射を制限するフィルタを効率よく設置することにより、光ノイズの影響の低減化を図るとともに、受信可能距離も十分確保する光リモコン受信器が開示されている。これは、送信器より送信された光信号を、広範囲において受信可能とするための広角受光レンズと、広角受光レンズにより集光された光信号を受信する受光素子、信号増幅回路で構成される受光モジュールと照明光等による光ノイズを遮断するためのフィルタからなる光リモコン受信器において、照明光等の光ノイズの入射光路に、光ノイズを減衰させる光量調整フィルタを挿入したことを特徴とする光リモコン受信器である。
【０００５】
また、特許文献２には、広角な画角に対しても測距精度を低下せずにコンパクト化した多点方式の測距装置を提供する測距装置が開示されている。これは、基線長方向に投光系と受光系とを配置し、該投光系から被測距体側に向けて複数のスポット光を発光部を該基線長方向に沿って投光し、該被測距体側で反射したスポット光を位置検出型の該受光系で受光し、被測距体との間の距離を測距する多点方式の測距装置において、該受光系は、受光レンズと、該受光レンズを通過した光を受光する受光部を有する受光素子と、発光部のスポット光を該受光部に向けて反射させる反射部材とを有することを特徴とする測距装置である。
【０００６】
また、特許文献３には、広角度範囲において、被測定物体との距離を正確に測定するとともに小型、軽量化された反射測定装置が開示されている。まず、反射測定装置の受光レンズはレンズ外周部からレンズ中心部に向けてそれぞれ異なる焦点距離を有する円環状の短焦点部、中焦点部、長焦点部が繰り返し循環して刃状に配置された循環焦点フレネルレンズである。短焦点部、中焦点部、長焦点部はこの順番で焦点距離が長くなっている。短焦点部は受光レンズ対する入射光線の入射角度が０・のときに受光素子の中心部に受光レンズからの屈折光線を集光し、中焦点部は入射角度が４・のときに受光素子の中心部に屈折光線を集光し、長焦点部は入射角度が８・のときに受光素子の中心部に屈折光線を集光する。これにより、入射角度に対する受光素子の受光光量特性が平坦化する、とういうものである。
【０００７】
また、特許文献４には、入射側光線のスポットサイズと出射側光線のスポットサイズを桁違いに変換することを可能とした光結合素子および光結合方法が開示されている。これは、スポットサイズが異なる光導波路素子どうしを結合する光結合素子に、前記光導波路素子の利用する光の波長と同程度の間隔で周期的な屈折率の変調構造を有する光結合用フォトニック結晶を用いることにより、その出射端でのスポットサイズを入射端でのスポットサイズと異なるサイズに変換するものである。この開示においては、フォトニック結晶中に設けられたフォトニック結晶導波路を光が伝搬するものであり、この点において本発明とは異なっている。
【０００８】
また、非特許文献１には、フォトニック結晶を用いたスーパーコリメーターが記載されている。このスーパーコリメーターでは、光は、フォトニック結晶に入射する時点で集光されており、フォトニック結晶中を集光されたまま進行するが、フォトニック結晶から出射する際に散光してしまうという点で、本発明とは異なっている。
【０００９】
しかし、これらの集光系を工夫して回転鏡などの稼動部をもたない構造にしたものでは、集光系に入射する光を光電変換素子に効率的に集めることはできず、その光を部分的に利用しているにすぎない。
【００１０】
このようなフォトニック結晶については、その製造方法は既に知られており、例えば、非特許文献２に記載された高分子微粒子の自己組織化による３次元フォトニック結晶の作製方法や、３次元レーザーマイクロファブリケーションによる紫外線硬化樹脂を用いたフォトニック結晶の作製方法、あるいは、非特許文献３に記載された自己クローニング法などによって作製することができる。
【００１１】
【特許文献１】
特開平７−２９８３７４号公報
【特許文献２】
特開平８−１４８８６号公報
【特許文献３】
特開平９−２１８７４号公報
【特許文献４】
特開２００１−４８６９号公報
【非特許文献１】
小坂、“スーパープリズムにはじまるフォトニック結晶光学”、Ｏ　ｐｌｕｓ　Ｅ、１２月、１５６０〜１５６９頁、１９９９年
【非特許文献２】
三澤、“３次元有機フォトニック結晶の新しい形成法”、Ｏ　ｐｌｕｓ　Ｅ、１２月、１５４９〜１５５３頁、１９９９年
【非特許文献３】
佐藤、“誘電体フォトニック結晶の作成と応用デバイス”、Ｏ　ｐｌｕｓ　Ｅ、１２月、１５５４〜１５５９頁、１９９９年
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
上記の様に、従来の光空間伝搬信号を光電変換素子に導くための光結合装置では、制御部をもつものと持たないものがあるが、制御部を持つものでは、その応答速度が低く、速い変化には対応できなかった。また、制御系を持たず、集光系を工夫したものでは、受光した光の利用効率が低かった。
【００１３】
この発明は上記に鑑み提案されたもので、光空間伝搬信号を光電変換素子に導く際に、集光系を工夫することによって、受光した光の利用効率を高くとることのできる光結合装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、第１の発明は、フォトニック結晶を用いた集光素子で光結合装置を構成するものであり、光の入射面の一部の領域については、その領域の相対する部分から入射した光の軌跡が、その集光素子の内部で交差する第１の交差点を有し、また、その出射した後に再び交差する第２の交差点を有する軌跡である領域であり、フォトニック結晶で構成された上記の領域を有する集光素子と、上記の第２の交差点近傍に設けられた光検出器あるいは光導波路とを有し、上記の領域に光を照射して上記の光検出器あるいは光導波路に集光することを特徴としている。
【００１５】
また、第２の発明は、入射した光が種々の方向に出射する事がないようにするために、上記した第１の発明の特徴に加えて、そのフォトニック結晶は、その波数空間のブリルアンゾーンにおいて、負の屈折率を示す単一の閉じた等周波数面を有することを特徴としている。
【００１６】
また、第３の発明は、２次元の周期構造をもったフォトニック結晶を作成することが最も容易であることから、上記した第１あるいは第２の発明の特徴に加えて、その集光素子は、２次元の周期構造をもったフォトニック結晶で構成したものであることを特徴としている。
【００１７】
また、第４の発明は、２つの２次元の周期構造をもったフォトニック結晶をその周期構造がお互いに直角になるように重ねて配置することにより、点状に集光できることから、上記した第１あるいは第２の発明の特徴に加えて、第１と第２の集光素子を用い、それらの集光素子は、２次元の周期構造をもったフォトニック結晶で構成したものであり、それぞれのフォトニック結晶の周期構造の投影図が互いに直角に交わることを特徴としている。
【００１８】
また、第５の発明は、あらかじめ凸レンズや凹面鏡で集光することにより、より高い集光特性となることから、上記した第１、第２，第３あるいは第４の発明の特徴に加えて、光の進行方向からみて上記の集光素子の手前に集光系が設けられたことを特徴としている。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下にこの発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、遠方の光源Ａからの光信号を、光ファイバーに導入するための構成の模式図である。遠方の光源からの光信号は、図には記載されていないが、通常は望遠鏡を通してフォトニック結晶に入射される。ここでフォトニック結晶を用いるのは、その光学的特性を利用するためである。フォトニック結晶に入射した光は、負の屈折率に相当する方向に屈折され、フォトニック結晶中を伝搬し、出射する場合も負の屈折率に相当する方向に伝搬する。この効果によって、図１のＡ点の光源から出た光は、Ｂ点に集光する。この集光作用は、光の波長に依存しており、フォトニック結晶の周期性から決まるものであるため、波長選択性がある。このため、特定の波長の光のみが集光し、ノイズとなる他の波長の光を選別することができる。また、光源Ａの位置が変化しても、集光点Ｂの位置は、あまり変化しない。この変化は、レンズを用いて集光した場合よりも小さくすることができる。
【００２０】
簡単な構造のフォトニック結晶の例として、空気中にシリコンの正方角柱を正方状に並べた二次元格子構造を有するフォトニック結晶について以下に説明する。その単位胞のサイズの断面を図２（ａ）に示す。ここで、ｄは格子定数であり、角柱の断面はａ×ａの大きさを有する。通常の結晶と同様に、一般に、フォトニック結晶においても、結晶の周期性から、図２（ｂ）に示す三つの対称点Γ、ＸおよびＭを結ぶ太い実線で囲んだ有限の領域の特性で、無限大の大きさの結晶の分散特性を代表させることができる。
【００２１】
図３（ａ）は、角柱の高さ方向に振動する電界に対するフォトニック結晶の分散特性を示す図である。ここで、光の波長をλとし、ｄとａの値は、それぞれ０．８５λおよび０．３７λと仮定している。等周波数面または等波数面を検討するため、図３（ａ）中に破線で描いたｄ／λ＝０．８５に着目する。波数面は、図３（ｂ）に示すように、Γ点を中心とした半径＝０．１の円のようになる。半径＝０．８５の大きな円は空気の波数面を示す。この場合、フォトニック結晶は均一な媒質とみなすことができ、また、分散曲線の破線との交点における傾きが負であることから、その屈折率は負と考えることができる。
【００２２】
このようなフォトニック結晶の屈折現象については、計算機シミュレーションにより、電磁界の伝搬解析を行って明らかにした。このシミュレーションでは、結晶と空気との境界の垂直方向から反時計回りに３度傾いた平面波でフォトニック結晶が照射される場合を仮定する。その結果の例を図４に示す。図４は、ＦＤＴＤ法（ＦｉｎｉｔｅＤｉｆｆｅｒｅｎｃｅ　Ｔｉｍｅ　Ｄｏｍａｉｎ；有限差分時間領域法）により計算された電界のスナップショットである。平面波の幅を限定して計算するため、平面波の端の周辺に不要な波が発生するが、負の屈折現象は十分に観測できる。
【００２３】
図５に示すように、負の屈折率現象を引き起こすフォトニック結晶の板の前に点光源Ａを置いた場合、結晶に入射する全ての光は点Ｂを通り、点Ｃで再び集まる。ここで、空気と結晶との境界は直線で与えられ互いに平行である場合を仮定している。また、点Ａ、ＢおよびＣを結ぶ直線が結晶の境界と垂直と仮定している。このため、光源に向かって凸となるように結晶の境界が緩やかな曲線を描いた場合、そのそれぞれの点の垂線が結晶の後ろで収束するという幾何学的形状から、結晶の前面において波面の歪で広がった焦点の照射範囲と比べて、結晶の後ろではその範囲が小さくなる。この効果から、このデバイスは、結晶の後ろに置かれた受光装置における視野拡張器（ＦＯＶＥ）として作用することがわかる。
【００２４】
次に、上記の曲面形状をもつフォトニック結晶について説明する。この例として、中心を同じくし、半径がｒ１およびｒ２の曲線の境界を有する厚みの一定なフォトニック結晶によるＦＯＶＥの模式図を図６に示す。この結晶は、その詳細な構造と光学特性を図２と３に示したものである。この例では、三つの点光源をそれぞれｙ座標の−ｈ、０、ｈの位置に置き、フォトニック結晶をｘ＝Ｌに置くものとする。この構成において、各光源から出射する光の伝搬角度を、それぞれ、−３度〜３度とした場合の計算機シミュレーションの結果を説明する。このシミュレーションでは、ｈ＝１と規格化し、Ｌ＝６．７、ｒ１＝２０およびｒ２＝１８．７と与えて光線追跡を行った。図７にそれぞれの光線の伝搬角度を示す。フォトニック結晶に入射あるいはそれから出射するときの光の伝搬角度は大きく変化するが、フォトニック結晶を透過した後の光線の伝搬角度は、フォトニック結晶に入射する角度に比べて小さくなっているが僅かである。そのシミュレーション結果を図８に示す。この図で右側の図は実際のスケール比であるが、左側の図は光線の詳細を示すため、ｙ軸方向の間隔を拡張して表示している。図中の小さな丸は光線と結晶境界との交点を表す。図８から分かる様に、図６に示す形状をもった結晶による完全な焦点は得られないが、結晶を通過した全ての光線は、図８でＷと示したｘ＝２７．０の位置において、ｙ＝−０．３１〜０．３１の範囲を通る。Ｗ点での光量の値は、フォトニック結晶上に光の入射した領域のおよそ９．６％であり、充分に集光されることが分かる。
【００２５】
上記の集光される部分に、光検出器を設けることにより光の検出感度を改善できるのがわかる。また、この部分に光ファイバの光導入部を設けることにより、空間を伝搬してきた光信号を効率的に光ファイバーに取り込むことができる。
【００２６】
このフォトニック結晶によれば、図９のように入射角が変わっても、図１の集光点の近傍に集光させることができる。
【００２７】
図３に示した特性をもつフォトニック結晶は、例えば、上記の３次元レーザーマイクロファブリケーションによる紫外線効果樹脂を用いたフォトニック結晶の作製方法で用意したものである。この場合の集光形状は、直線状である。
【００２８】
上記の直線状の集光形状を点状とすることは、図１０のように、２つのフォトニック結晶を９０度ずらして重ね合わせて用いることにより実現できる。
【００２９】
また、光源がフォトニック結晶から遠ざかる場合は、図１の集光点もフォトニック結晶から遠ざかる特性がある。この特性は凸レンズや凹面鏡と逆の特性であるので、図１１のように、凸レンズや凹面鏡と組み合わせると、光源とフォトニック結晶との距離がかわってもその集光点の位置が変化しない構成とすることができる。
【００３０】
【発明の効果】
この発明は上記した構成からなるので、以下に説明するような効果を奏することができる。
【００３１】
第１の発明では、フォトニック結晶を用いた集光素子で光結合装置を構成したので、光源が、集光素子に対して横に動いても、集光点の変動を抑制できる。
【００３２】
第２の発明では、その波数空間のブリルアンゾーンにおいて、負の屈折率を示す単一の閉じた等周波数面を有するフォトニック結晶を用いたので、光の散逸を抑制できる。
【００３３】
また、第３の発明では、２次元の周期構造をもったフォトニック結晶を用いるので、製造が容易である。
【００３４】
また、第４の発明では、２つの２次元の周期構造をもったフォトニック結晶をその周期構造がお互いに直角になるように重ねて配置するので、集光形状が点状になり、光ファイバー等に入力しやすくなる。
【００３５】
また、第５の発明では、凸レンズや凹面鏡と組み合わせて、光の進行方向からみて、縦方向の集光点の移動を抑制することができるようになり、集光点の移動を抑制するための制御を簡略化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理を示す模式図である。
【図２】（ａ）は、本発明で用いるフォトニック結晶の構造を示す図で、（ｂ）は、対称点を示す図である。
【図３】（ａ）はフォトニック結晶の分散特性を示す図で、（ｂ）は、等波数面を示す図である。
【図４】電磁界の伝搬解析を結果の例を示す図である。
【図５】フォトニック結晶に入射する光の軌跡を示す図である。
【図６】結晶の境界が緩やかな曲線を描いたフォトニック結晶に入射する光の軌跡を示す図である。
【図７】フォトニック結晶に入射する光線の伝搬角度を示す図である。
【図８】フォトニック結晶に入射し出射する光の軌跡シミュレーション結果を示す図である。
【図９】入射角が変わった場合の集光点を示す模式図である。
【図１０】２つのフォトニック結晶を用いた光結合装置を示す模式図である。
【図１１】凸レンズと組み合わせたフォトニック結晶を用いた光結合装置を示す模式図である。
【図１２】従来の、移動体からの光空間伝搬信号の受信装置の構成を示す模式図である。

Claims

光の入射面の一部の領域については、その領域の相対する部分から入射した光の軌跡が、その集光素子の内部で交差する第１の交差点を有し、また、その出射した後に再び交差する第２の交差点を有する軌跡である領域であり、フォトニック結晶で構成された上記の領域を有する集光素子と、上記の第２の交差点近傍に設けられた光検出器あるいは光導波路とを有し、上記の領域に光を照射して上記の光検出器あるいは光導波路に集光することを特徴とする光結合装置。
そのフォトニック結晶は、その波数空間のブリルアンゾーンにおいて、負の屈折率を示す単一の閉じた等周波数面を有することを特徴とする請求項１に記載の光結合装置。
その集光素子は、２次元の周期構造をもったフォトニック結晶で構成したものであることを特徴とする請求項１あるいは２に記載の光結合装置。
２次元の周期構造をもったフォトニック結晶で構成した第１と第２の集光素子を用いたものであり、そのそれぞれのフォトニック結晶の周期構造の投影図が互いに直角に交わることを特徴とする請求項１あるいは２に記載の光結合装置。
光の進行方向からみて上記の集光素子の手前に集光系が設けられたことを特徴とする請求項１、２、３、あるいは４に記載の光結合装置。