JP2005227360A - Optical coupler - Google Patents
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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。 The present invention relates to an optical coupler for inputting / outputting light to / from a micro optical element, and more particularly to an optical coupler using an optical waveguide element.
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。 Industrial use of optical phenomena caused by the total internal reflection of light on the inner surface of micro optical elements, such as optical resonance of circular optical resonators and optical plasmon resonance of metal thin films, along with recent advances in microfabrication technology Is being considered. In a micro-optical element based on the principle of total internal reflection, the light extraction efficiency from the inside of the micro-optical element to the outside of the micro-optical element is remarkably low, and the light from the outside of the micro-optical element to the inside of the micro-optical element is reduced. The disadvantage is that the injection efficiency is also significantly lower.
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。 As a method for overcoming this drawback, for example, the tip of the optical fiber is cut obliquely, and light is input to the micro-optical element through the optical fiber whose cut surface is polished, whereby the optical coupling efficiency (extraction efficiency) is obtained. (Non-Patent Document 1) describes a technique for significantly increasing the injection efficiency. In this method, light can be propagated while confined in the glass from the light source to the vicinity of the micro optical element by the waveguide function of the optical fiber. Has the advantage of high. Furthermore, it can be said that the feature that the size of the coupling portion of the optical fiber with the micro optical element is about the same as that of the micro optical element to be coupled is indispensable for reducing the device size.
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。 However, in the above method, the tip of the optical fiber needs to be processed at a predetermined angle with respect to the optical axis of the optical fiber and the surface of the cut surface is sufficiently smooth. With the current standard processing technique, There is a problem that it is difficult to control the angle of the tip of the optical fiber. In addition, it is difficult to stably hold the tip of the optical fiber in the micro optical element, that is, it is difficult to control the incident / exit angle of the signal light to the micro optical element, and the optical coupling efficiency to the micro optical element is not stable. was there.
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。 Accordingly, an object of the present invention is to provide an optical coupler capable of stabilizing the optical coupling efficiency to the micro optical element by facilitating the control of the incident / exit angle of the signal light to the micro optical element.
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。 To achieve the above object, the invention of claim 1 comprises a core for propagating signal light, an optical waveguide element comprising a clad covering the core, and a micro optical element for circulating the signal light. An optical coupler, wherein a groove is formed in a part of the optical waveguide element at an angle at which the signal light is totally reflected at the tip of the core, and the micro optical element is installed in the groove. It is a coupler.
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。 In the invention of claim 2, the distance between the micro optical element and the tip of the core is from 0 times the wavelength of the signal light to 1 / (2π (max (n1, n2) ^ 2-n0 ^ 2) ^ ( The optical coupler according to claim 1, which is in the range of -0.5)) times.
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。 Here, n0 is the refractive index in the groove, n1 is the refractive index of the core, and n2 is the refractive index of the micro optical element.
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。 The invention according to claim 3 is the optical coupler according to claim 1 or 2, wherein the crossing angle θ between the core and the groove is in the range of 0 ° <θ ≦ (90 ° −θc).
ここで、θcは上記コアの全反射補角である。 Here, θc is the total reflection complement angle of the core.
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。 An invention according to claim 4 is an optical coupler comprising a core for propagating signal light, an optical waveguide element comprising a clad covering the core, and a micro optical element for circulating or reciprocating the signal light. A cut surface is formed in the optical waveguide element so as to traverse the core at an angle at which the signal light is totally reflected at the tip of the core, and the micro optical element is brought into close contact with the tip of the core of the cut surface It is an optical coupler characterized by installing.
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。 The invention according to claim 5 is the optical coupler according to claim 4, wherein the crossing angle θ between the core and the cut surface is in the range of 0 ° <θ ≦ (90 ° −θc).
ここで、θcは上記コアの全反射補角である。 Here, θc is the total reflection complement angle of the core.
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。 According to the present invention, it is possible to stabilize the optical coupling efficiency to the micro optical element by facilitating the control of the incident / exit angle of the signal light to the micro optical element.
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。 A preferred embodiment of the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings.
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。 FIG. 1 is a top view of an optical coupler according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a side sectional view of the optical coupler according to the embodiment of FIG. FIG. 3 is a perspective view of the optical waveguide device according to the embodiment of FIG.
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。
As shown in FIGS. 1 and 2, the optical coupler is configured to circulate or reciprocate signal light with a core (optical waveguide) 10 for propagating signal light, and an
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。
In the optical coupler of the present embodiment, the
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。
Here, the crossing angle θ between the
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。
The optical waveguide element (cladding) 11 and the
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。 1) A clad and a core are formed by introducing a dopant such as Ti, Ge, P, B, Er, and Al for controlling the refractive index into quartz glass.
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。 2) A clad and a core are formed by irradiating quartz glass with laser light.
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。 3) In a polymer such as polyimide, polyethylene, polystyrene, polyvinyl alcohol, silicone, or an optical resin, the clad and the core are formed by changing the composition.
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。 4) A clad and a core are formed by introducing protons into an electro-optic crystal such as LiNiO 3 or LiTaO 3 .
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。 5) In a mixed crystal of compound semiconductors such as GaAlAsInP and GaAlN, the refractive index is controlled by changing the composition, and the clad and the core are formed.
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)。
In the present embodiment, a
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。
The
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。
As shown in FIG. 2, the micro
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。
Here, as a method for fixing the micro
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。
The micro
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。
The distance between the micro
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。
Here, the attenuation lengths L1 and L2 of the evanescent wave are “L1 = λ / (2π · √ ((n1 · cos θ) ^ 2−n0 ^ 2))”, “L2 = λ / (2π · √ ((n2 Cos θ2) ^ 2-n0 ^ 2)) ”. λ is the wavelength of the signal light, n0 is the refractive index of the medium filled in the
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。
As shown in FIGS. 1 and 2, an
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。
According to the present embodiment, the incident / exit angle control of the signal light with respect to the micro
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。
In addition, the optical coupler according to the present embodiment can be easily connected to the
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。
As shown in FIGS. 5 and 6, the shape of the
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。
Further, as shown in FIGS. 9 to 11, the
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。
Further, as shown in FIG. 12, the shape of the micro
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。
Further, the optical coupler of this embodiment can be used as an optical coupling / branching circuit having a wavelength filter function. For example, as shown in FIG. 13, an
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
10 core (optical waveguide)
12
Claims (5)
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。 The distance between the micro optical element and the tip of the core is 0 to 1 / (2π (max (n1, n2) ^ 2-n0 ^ 2) ^ (− 0.5)) times the wavelength of the signal light. The optical coupler according to claim 1, which is in the range of
Here, n0 is the refractive index in the groove, n1 is the refractive index of the core, and n2 is the refractive index of the micro optical element.
ここで、θcは上記コアの全反射補角である。 3. The optical coupler according to claim 1, wherein an intersection angle θ between the core and the groove is in a range of 0 ° <θ ≦ (90 ° −θc).
Here, θc is the total reflection complement angle of the core.
ここで、θcは上記コアの全反射補角である。
The optical coupler according to claim 4, wherein an intersection angle θ between the core and the cut surface is in a range of 0 ° <θ ≦ (90 ° −θc).
Here, θc is the total reflection complement angle of the core.
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP5235136B2 (en) * | 2006-07-13 | 2013-07-10 | 新日鉄住金化学株式会社 | Flexible optical waveguide and laminate for opto-electric composite wiring board |
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2004
- 2004-02-10 JP JP2004033681A patent/JP2005227360A/en active Pending
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