JP2010230594A - 光学プローブ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化、低侵襲性、高速応答のＥＯ／ＭＯプローブの利点を保ちつつ、作成プロセスの簡略化とプローブとしての電界／磁界感度の高感度化とを実現したＥＯ／ＭＯプローブ及びその製造方法を提供する。
【解決手段】コア部１１、１２と、その周囲に設けられたクラッド１６１、１６２とを備えた光ファイバ１４、１５を用いた光学プローブであって、コア部１１にＥＯ／ＭＯ結晶が配置された光ファイバ１４を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、小型で高空間分解能、低侵襲、高周波帯域まで感度を持つ電気光学結晶、磁気光学結晶を用いた光学プローブに関し、特に、高感度で微小な光学プローブ及びその製造方法に関する。

非特許文献１にあるようなレーザ光を利用した電磁界プローブは古くから知られている。その基本原理は、ファイバ端に接着された電気光学（electro-optic：ＥＯ）結晶や磁気光学（magneto-optic：ＭＯ）結晶が、電界／磁界によって屈折率変化を起こして、結晶を通る光の偏光状態を変化させる電気／磁気光学効果を利用して、ＥＯ／ＭＯ結晶部の電界／磁界を計測するというものである。

上記のレーザ光を利用した電磁界プローブを用いる場合には、検光子によって偏光状態の変化を光の強度変化に変えて、さらにフォトディテクタで電気信号へ変換することによって、ＥＯ／ＭＯ結晶部の電界／磁界を検出する。

この方法は、従来の電磁界プローブに比べ、小型なＥＯ／ＭＯ結晶を使うことによりセンサ部分を小型化することができる。また、センサ部分やケーブルに金属をしないので低侵襲性である。さらに、ＥＯ／ＭＯ結晶の持つ電界／磁界に対する応答性がＧＨｚ以上の高周波帯域まであるという優れた性質が知られている。

ＥＯ／ＭＯプローブの応用を広げるためには、電界／磁界感度を上げなければならない。
一般に、２次高調波発生やパラメトリック発振、光増幅作用、ＥＯ／ＭＯ効果などの光学機能を高めるためには、光と光機能素子とが相互作用する領域を増やす方法と、単位面積当たりの光強度を高め、光と光機能素子との強い相互作用を得る方法とが知られている。

ファイバの屈折率差、又はフォトニック結晶バンドを利用し、光を光機能素子のある狭い領域に閉じ込めることにより、素子と光との相互作用を高める方法として、特許文献１、２、３や非特許文献２のようにコア部が中空になっているファイバの中空部、又はフォトニック結晶ファイバ（photonic crystal fiber：ＰＣＦ）の複数ある空孔の一部に、光機能素子や金属等を導入して、様々な光機能を持たせたファイバが研究、考案されている。これらの光機能を持たせたファイバは、光技術における新しい素子として期待されている。

一方、ＥＯ／ＭＯプローブの生産性を向上させる方法として、非特許文献３、４に開示されるような新たな粉末材料のコーティング技術がある、例えば、常温衝撃固化現象を利用したエアロゾルデポジション（Aerosol Deposition：ＡＤ）法を用いて、ファイバ端に微細なＥＯ／ＭＯ結晶膜を成膜させ、ファイバと同径サイズの超小型化したＥＯ／ＭＯプローブが報告されている。この方法により、簡単なプロセスでＰＺＴ（Lead zirconate titanate）やＢｉ置換型ＹＩＧ（Yttrium Iron Garnet）等、ＥＯ／ＭＯ効果の大きな材料を直接ファイバ端に形成できる。

このように、ＥＯ／ＭＯプローブはこれまでの金属を用いた電磁界プローブよりも低侵襲性、高速応答性、小型化による高空間分解能等の優れた性能を持ち、基板実装が高密度化し、伝送信号が高速化している現在の電子機器内部の電磁界分布計測等への利用が期待されている。

特開２００６−２４３０１０号公報 特開２００４−１０１８９１号公報 特開２００４−６７４３８号公報

S. Wakana, T. Ohara, M. Abe, E. Yamazaki, M. Kishi and M. Tsuchiya , "Fiber-Edge Electrooptic／Magnetooptic Probe for Spectral-Domain Analysis of Electromagnetic Field," IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. 48, no. 12, pp.2611-2616 B. R. Jackson, J. A. Sazio and J. V. Badding, "Single-Crystal Semiconductor Wires Integrated into Microstructured Optical Fibers," Adv. Mater. 2008, 20, 1135 M. Iwanami, M. Nakada, H. Tsuda, K. Ohashi and J. Akedo, "Ultra small electro-optic field probe fabricated by aerosol deposition," IEICE Electron. Express, vol.4, No.2, pp.26-32 M. Iwanami, M. Nakada, H. Tsuda, K. Ohashi and J. Akedo, "Ultra small magneto-optic field probe fabricated by aerosol deposition," IEICE Electron. Express, vol.4, No.17 pp.542-548

ＥＯ／ＭＯプローブの典型的な例として、図１２に示すような光ファイバ１１１の端にＥＯ／ＭＯ結晶を直接貼り付けたタイプがある。光ファイバ１１１のコア部１１２に閉じ込められて伝播している光は、ＥＯ／ＭＯ結晶部１１４に入射した後、ＥＯ／ＭＯ結晶部１１４の中を伝播領域１１５のように広がりながら結晶端面まで進み、高反射率の膜１１３で反射後も伝播領域１１６のように広がりながら進んでいき、ＥＯ／ＭＯ結晶部１１４で変調を受けた光が再び光ファイバ１１１のコア部１１２に入射して検出部へ向かう。再びコア部１１２に入っていく部分は、広がった領域１１６のうちコア部１１２の直径内の領域を通る光のみなので、その領域以外の光は検出器まで戻っていかずに、プローブの外に失われてしまう。そのことによって、電気信号変換時に信号成分となる光の量が少なくなり、結果として信号のＳ／Ｎ（Signal/Noise）が悪くなってしまう。また、この方法でＥＯ／ＭＯプローブとして性能の良いものを作るためには、ＥＯ／ＭＯ結晶と、光ファイバ１１１との接着に高い技術が要求され、一つ一つ手作業での調整が必要であった。

ＥＯ／ＭＯプローブの電界／磁界感度を上げるために、光とＥＯ／ＭＯ結晶との相互作用領域を増やす、つまりプローブのＥＯ／ＭＯ結晶の長さを伸ばす方法があるが、結晶の長さが長くなると、上記の光が広がる現象が顕著になり、感度向上の効果が十分表れない。ファイバの空孔部分に光機能素子を導入する方法は、光の広がりを防ぐとともに、相互作用を強める効果があるが、導入方法として中空部に液体を流し込む方法、光増幅作用を持つ元素をドープした材料を中空部に差し込む方法と、導入するものが限られていた。

作成プロセスが簡略なＥＯ／ＭＯプローブの作成方法として、ＡＤ法を用いて、図１３に示すように光ファイバ１２１の端部にＥＯ／ＭＯ薄膜１２３を形成した光ファイバ型のＥＯ／ＭＯプローブが開発されている。しかしファイバ端に直接ＡＤ法によりＥＯ／ＭＯ薄膜１２３を成膜する方法では、感度向上をねらって膜厚増加を試みても、膜厚が一定とならないため感度向上は認められなかった。

本発明はかかる問題に鑑みてなされたものであり、小型化、低侵襲性、高速応答のＥＯ／ＭＯプローブの利点を保ちつつ、作成プロセスの簡略化とプローブとしての電界／磁界感度の高感度化とを実現したＥＯ／ＭＯプローブ及びその製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、第１の態様として、コア部と、その周囲に設けられたクラッドとを備えた光ファイバを用いた光学プローブであって、光ファイバは、コア部に光学結晶が配置された光機能部を有することを特徴とする光学プローブを提供するものである。

また、上記目的を達成するため、本発明は、第２の態様として、コア部と、その周囲に設けられたクラッドとを備えた光ファイバを用いた光学プローブの製造方法であって、光ファイバに、コア部に光学結晶が配置された光機能部を形成することを特徴とする光学プローブの製造方法を提供するものである。

本発明によれば、小型化、低侵襲性、高速応答のＥＯ／ＭＯプローブの利点を保ちつつ、作成プロセスの簡略化とプローブとしての電界／磁界感度の高感度化とを実現したＥＯ／ＭＯプローブ及びその製造方法を提供できる。

本発明を好適に実施した第１の実施形態に係る反射型のＥＯ／ＭＯプローブの構成を示す図である。 第１の実施形態に係る反射型のＥＯ／ＭＯプローブの製造工程を示す図である。 第１の実施形態に係る透過型のＥＯ／ＭＯプローブの製造工程を示す図である。 第１の実施形態に係る透過型のＥＯ／ＭＯプローブの構成を示す図である。 エアロゾルデポジション装置の構成を示す図である。 中空ファイバの光ファイバとの接合側の端に溝を設けることにより、ＡＤ法を用いて微細結晶を中空ファイバの空孔部に導入する際にエアロゾルの流入が促進される状態を示す図である。 反射型のＥＯ／ＭＯプローブを用いた電磁界計測システムの構成を示す図である。 本発明を好適に実施した第２の実施形態に係る反射型のＥＯ／ＭＯプローブの構成を示す図である。 ＥＯ／ＭＯ結晶がコア部に導入された光ファイバの製造方法を示す図である。 ＥＯ／ＭＯ結晶がコア部に導入された光ファイバを用いて反射型及び透過型のＥＯ／ＭＯプローブを製造する工程を示す図である。 第２の実施形態に係る透過型のＥＯ／ＭＯプローブの構成を示す図である。 光ファイバ端にＥＯ／ＭＯ結晶を直接貼り付けたＥＯ／ＭＯプローブの構成を示す図である。 光ファイバ端部にＥＯ／ＭＯ薄膜を形成した光ファイバ型のＥＯ／ＭＯプローブの構成を示す図である。

〔第１の実施形態〕
本発明を好適に実施した第１の実施形態について説明する。図１に、本実施形態に係るＥＯ／ＭＯプローブの構造を示す。ＥＯ／ＭＯ結晶がコア部１１に導入された光ファイバ１４が、光ファイバ１５の先端に取り付けられ、その先端部は誘電体多層膜等の高反射率の光反射膜１３で覆われた構造となっている。ＥＯ／ＭＯ結晶がコア部１１に導入された光ファイバ１４は、ＥＯ／ＭＯプローブの電界／磁界センサ部分となる。

光ファイバのクラッド部分１６１、１６２は、コア部１２やＥＯ／ＭＯ結晶が導入されたコア部１１よりも屈折率が低く、全反射によりコア部１１、１２から光が漏れ出すのを防ぐ。また、光はファイバ１４、１５のコア部１１、１２のφ１０μｍ程度の領域に閉じ込められるので、光とＥＯ／ＭＯ結晶との相互作用が大きくなり、強い電気光学効果、磁気光学効果を得ることによって、ＥＯ／ＭＯプローブとしての感度が向上する。

また、光ファイバ組み込み型の構造により、ＥＯ／ＭＯプローブとして光ファイバと同径のサイズを保つことができ、光ファイバを用いたＥＯ／ＭＯプローブとして最小のサイズを達成することができる。

本実施形態に係るＥＯ／ＭＯプローブの製造方法を図２に示す。
まず、光を導波する光ファイバ１５を用意し、その端に中空ファイバ５２を融着接合する（図２（ａ））。次に、中空ファイバ５２を、接合面から微細電気光学、磁気光学結晶を導入する長さに応じて切断する（図２（ｂ））。以上により、先端部が空孔を有している光ファイバが接合された構造ができあがる。中空ファイバ５２の空孔部に、ＡＤ法によって、ノズル５３から微細なＥＯ／ＭＯ結晶を吹き付けることにより微細なＥＯ／ＭＯ結晶を導入して、ＥＯ／ＭＯ結晶がコア部１１に導入された光ファイバ１４とし、ヒータ５４を用いてアニールやポーリングによる結晶性を良くするための研磨の後処理を行う（図２（ｃ））。そして、端に光反射膜１３を形成することによってＥＯ／ＭＯ結晶がコア部１１に導入された光ファイバ１４をセンサ部を備えた反射型のＥＯ／ＭＯプローブが完成する（図２（ｄ））。光反射膜１３は、光反射率が概ね１００％とする。
なお、図３に示すように、光反射膜１３の代わりにもう一端にファイバ１６を繋げることにより、図４の構造を持った透過型のＥＯ／ＭＯプローブとすることも可能である。透過型のＥＯ／ＭＯプローブは、ＥＯ／ＭＯ結晶がコア部１１に導入された光ファイバ１４が、光ファイバ１５の先端に取り付けられ、光ファイバ１４の先端部には別の光ファイバ１６が接続された構造である。ＥＯ／ＭＯ結晶がコア部１１に導入された光ファイバ１４は、ＥＯ／ＭＯプローブの電界／磁界センサ部分となる、

空孔部へのＥＯ／ＭＯ結晶の導入方法として、ＡＤ法を用いることによって、直径１０μｍの空孔に数１００ｎｍの微細結晶を導入することができる。

ＡＤ装置は図５に示すような構成となっており、原料微粒子と配管７１１から送り込んだガスとを、撹拌・混合器７２によってガラス瓶７３内で混合し撹拌することで原料微粒子をエアロゾル化し、真空ポンプ７７で減圧された成膜チャンバ７４内に配管７１２を介してエアロゾルを送り、ノズル７６から対象物７５に吹き付けて、緻密な成膜体を得ることができる。なお、空孔内にＥＯ／ＭＯ結晶を隙間無く導入するためには、原料微粒子として粒径１μｍ以下のＥＯ／ＭＯ結晶を用いることが好ましい。

図６に示すように、中空ファイバ５２の光ファイバ１５との接合側の端に溝８２を設けることにより、ＡＤ法を用いて微細結晶を中空ファイバの空孔部に導入する際にエアロゾルの流れ８３ができ、中空ファイバ５２の空孔部分にエアロゾル化した微細結晶が入っていきやすくなる。

導入する結晶としては、ＥＯ結晶ならばＥＯ効果（ポッケルス効果）の大きいＰＺＴ、ＰＺＬＴ（lead lanthanum zirconate titanate）、ＤＡＳＴ（N,N-diethylaminosulfur trifluoride）、ＢＳＯ（Bismuth Silicon Oxide）、ＬＴＯ（Lanthanum Titanate Oxide）結晶が有効である。ＭＯ結晶ならば、ＭＯ効果（ファラデー効果）が大きなＹＩＧやＢｉ置換型ＹＩＧなどのガーネット結晶が有効である。

以上の工程により、センサ部分が完成される。図７に、このセンサを用いた電磁界計測システムの概念図を示す。レーザ光源９１から照射された光は、光ファイバ１５を通してセンサ部（光ファイバ１４）に到達する。観測対象物９５によって作られる電界／磁界により、センサ部分の屈折率が変化し、そこを通る光の偏光状態が変化する。センサ部９４の先端の光反射膜１３で、光は反射し光ファイバ１５を再び通り、信号処理部９２で偏光状態の変化を光の強度変化に変え、その変化をフォトディテクタで電気信号として取り出すことにより、センサ部分の電界／磁界を検出できる。透過型のＥＯ／ＭＯプローブの場合は、入射側とは反対側の光ファイバを信号処理部９２に繋げることにより、反射型の場合と同様に電界／磁界を検出できる。

このように、光を狭い領域に閉じ込めることにより、高感度な電磁界センシングを実現したＥＯ／ＭＯプローブを実現できる。

〔第２の実施形態〕
本発明を好適に実施した第２の実施形態について説明する。図８に、本実施形態に係るＥＯ／ＭＯプローブの構成を示す。
上記第１の実施形態と同様に、コア部２１に電気／磁気光学結晶を導入した構造であるが、コア部２１の周りに空孔２５が付加された構造である。ＥＯ／ＭＯ結晶がコア部２１に導入された光ファイバ２４が、光ファイバ２７の先端に取り付けられ、その先端部は誘電体多層膜等の高反射率の光反射膜２３で覆われた構造となっている。ＥＯ／ＭＯ結晶がコア部２１に導入された光ファイバ２４は、ＥＯ／ＭＯプローブの電界／磁界センサ部分となる。光ファイバのクラッド部分２６１、２６２は、コア部２２やＥＯ／ＭＯ結晶が導入されたコア部２１よりも屈折率が低く、全反射によりコア部２１、２２から光が漏れ出すのを防ぐ。
このような構造とすることにより、コア部２１とその周りの実質的な屈折率差がより大きくなり、光の閉じ込め効果を強められる。

図９は、コア部材となる微細ＥＯ／ＭＯ結晶１０１を予めキャピラリ１０２に導入しておいて、ジャケット管の中に充填することによって形成したプリフォームと、作成したプリフォームを加熱して延伸する線引きを行って作成した、ＥＯ／ＭＯ結晶がコア部に導入された光ファイバ１０３とを示す。
本実施形態のＥＯ／ＭＯプローブの場合、微細ＥＯ／ＭＯ結晶１０１を導入したキャピラリ１０２をコア部に配置し、その周りに中空のパイプで空孔部を有するクラッド部分を導入しプリフォームを作成することができる。

線引きの際の加熱、延伸する工程には結晶状態を良くするアニーリング（焼き鈍し）の効果もある。また、延伸時に強い電界／磁界をかけることによりポーリング（高分子中に混合されている分子配列を揃える処理）も同時に行うことができる。

作成した光機能が付加された（ＥＯ／ＭＯ結晶がコア部２１に導入された）光ファイバ２４を切断し、図１０（ａ）に示すように片端に光を導波する光ファイバ２７と融着接続する。そして、図１０（ｂ）に示すように、光機能が付加された光ファイバ２４を切断し、図１０（ｃ）に示すように光反射膜２３を貼り付けることにより図８示す反射型のＥＯ／ＭＯプローブを作成可能である。
なお、図１０（ｄ）に示すように、もう一端に別の光ファイバ２６を貼り付けることにより図１１に示す透過型のＥＯ／ＭＯプローブを作成することもできる。

なお、図９に示した手法は、第１の実施形態に係るＥＯ／ＭＯプローブを製造する際に適用することも可能である。逆に、第１の実施形態において説明した手法で本実施形態に係るＥＯ／ＭＯプローブを製造することも可能である。

本実施形態に係るＥＯ／ＭＯプローブは、第１の実施形態と同様の効果に加え、光閉じ込め効果がより強く得られる。

なお、上記各実施形態は本発明の好適な実施の一例であり、本発明はこれらに限定されることなく様々な変形が可能である。

本発明は、実装電気設計支援ツールや回路故障診断ツールとしての電界／磁界プローブとして活用可能である。すなわち、ＬＳＩやＬＳＩパッケージ周辺でプローブを用いて電界／磁界計測を行い、電気設計にフィードバックするための情報を獲得したり、回路の動作検証を行うことができる。

１１、１２、２１、２２ コア部
１３、２３ 光反射膜
１４、１５、１６、２４、２６、２７、１０３ 光ファイバ
２５ 空孔
５２ 中空ファイバ
５３、７６ ノズル
５４ ヒータ
７２ 撹拌・混合器
７３ ガラス瓶
７４ 成膜チャンバ
７５ 対象物
７７ 真空ポンプ
８２ 溝
８３ エアロゾルの流れ
９１ レーザ光源
９２ 信号処理部
９５ 観測対象物
１０１ 微細ＥＯ／ＭＯ結晶
１０２ キャピラリ
１６１、１６２、２６１、２６２ クラッド
７１１、７１２ 配管

Claims (21)

1. コア部と、その周囲に設けられたクラッドとを備えた光ファイバを用いた光学プローブであって、
   前記光ファイバは、前記コア部に光学結晶が配置された光機能部を有することを特徴とする光学プローブ。
2. 前記光機能部を構成する光機能ファイバが、光を導波する光ファイバと接合されて構成されたことを特徴とする請求項１記載の光学プローブ。
3. 前記光機能ファイバの前記光ファイバとの接合端と反対側の端部には、光反射膜が形成されていることを特徴とする請求項２記載の光学プローブ。
4. 前記光機能部ファイバの両端に、別々の前記光ファイバがそれぞれ接合されたことを特徴とする請求項２記載の光学プローブ。
5. 前記光機能ファイバは、前記コア部の周囲のクラッドに、該コア部と略平行な空孔を少なくとも一つ備えることを特徴とする請求項２から４のいずれか１項記載の光学プローブ。
6. 前記光学結晶は、前記クラッドよりも屈折率が高いことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項記載の光学プローブ。
7. 前記光学結晶は、粒径１μｍ以下であることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項記載の光学プローブ。
8. 前記光学結晶は、磁気光学結晶であることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項記載の光学プローブ。
9. 前記光学結晶は、電気光学結晶であることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項記載の光学プローブ。
10. コア部と、その周囲に設けられたクラッドとを備えた光ファイバを用いた光学プローブの製造方法であって、
    前記光ファイバに、前記コア部に光学結晶が配置された光機能部を形成することを特徴とする光学プローブの製造方法。
11. 前記光機能部を構成する光機能ファイバと、光を導波する光ファイバとを接合することを特徴とする請求項１０記載の光学プローブの製造方法。
12. 前記光機能ファイバの前記光ファイバとの接合端と反対側の端部に、光反射膜を形成することを特徴とする請求項１１記載の光学プローブの製造方法。
13. 光ファイバの端にコアが空洞の中空ファイバを接合し、
    前記中空ファイバを切断し、
    前記中空ファイバの切断部分から前記空洞内に前記光学結晶を導入した後に、切断面を研磨して前記光機能ファイバとすることを特徴とする請求項１２記載の光学プローブの製造方法。
14. 前記中空ファイバの前記光ファイバとの接合端面に前記クラッドを半径方向に貫く溝を少なくとも１本形成しておくことを特徴とする請求項１３記載の光学プローブの製造方法。
15. 前記光機能部ファイバの両端に、別々の前記光ファイバをそれぞれ接合することを特徴とする請求項１１記載の光学プローブの製造方法。
16. 光ファイバの端にコアが空洞の中空ファイバを接合し、
    前記中空ファイバを切断し、
    前記中空ファイバの切断部分から前記空洞内に前記光学結晶を導入した後に、切断面を研磨して前記光機能ファイバとし、
    前記研磨した切断面に別の光ファイバを接合することを特徴とする請求項１５記載の光学プローブの製造方法。
17. 前記前記中空ファイバの前記光ファイバとの接合端面に前記クラッドを半径方向に貫く溝を少なくとも１本形成しておくことを特徴とする請求項１６記載の光学プローブの製造方法。
18. 前記光学結晶を導入したキャピラリが充填されたジャケット管を加熱・延伸して前記光学結晶をコア部に備えた前記光機能ファイバを形成することを特徴とする請求項１１記載の光学プローブの製造方法。
19. 前記光ファイバの端に前記光機能ファイバを接合し、
    前記光機能ファイバを切断して切断面を研磨し、
    研磨した前記切断面に光反射膜を形成することを特徴とする請求項１８記載の光学プローブの製造方法。
20. 前記光ファイバの端に前記光機能ファイバを接合し、
    前記光機能ファイバを切断して切断面を研磨し、
    研磨した前記切断面に別の光ファイバを接合することを特徴とする請求項１８記載の光学プローブの製造方法。
21. 前記光機能ファイバの前記コア部の周囲のクラッドに、該コア部と略平行な空孔を少なくとも一つ設けることを特徴とする請求項１１から２０のいずれか１項記載の光学プローブの製造方法。

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