JP2012093584A - Optical coupler, optical scanner and spectrometer - Google Patents

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久喜 藤川
Atsushi Miura
篤志 三浦
Takayuki Matsui
崇行 松井
Masatoshi Yonemura
正寿 米村
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical coupler which can be easily manufactured at low cost.SOLUTION: An optical coupler 1 includes a quartz substrate 10, and metal films 11, 12 made of Ag, which are respectively formed on both surfaces of the quartz substrate 10. The metal film 11 is formed on one surface 10a of the quartz substrate 10, and the metal film 12 is formed on a whole area of the other surface 10b of the quartz substrate 10. Multiple holes 13 penetrating the metal layer 11 are formed in the metal layer 11. A cross section of the holes 13 on a surface parallel to the main surface of the quartz substrate 10 is a circular shape. A diameter of the holes 13 is 150 nm. The holes 13 are arranged in a square lattice shape, and a gap between the adjacent holes 13 is 500 nm. In the optical coupler 1, a part of incident light 14 in the quartz substrate 10 can be emitted as branch light 15 in a direction of 111° with respect to a propagation direction of the incident light 14.

Description

本発明は、光を分岐させる光カプラに関するものであり、特に表面プラズモン共鳴を利用したものに関する。また、本発明はその光カプラを利用した光走査装置および分光装置に関する。   The present invention relates to an optical coupler for branching light, and particularly relates to an optical coupler using surface plasmon resonance. The present invention also relates to an optical scanning device and a spectroscopic device using the optical coupler.

光を分岐させる光カプラとして、従来より特許文献1、2などのようなグレーティング型の光カプラが知られている。たとえば特許文献1の光カプラは、光導波路の表面にグレーティング(回折格子)を設けた構造である。   As an optical coupler for branching light, a grating type optical coupler as in Patent Documents 1 and 2 has been known. For example, the optical coupler of Patent Document 1 has a structure in which a grating (diffraction grating) is provided on the surface of an optical waveguide.

また、機械的方法によらずに光の放射方向を変化させる光走査装置として、特許文献3〜5がある。特許文献3、4の光走査装置は、電気光学結晶からなる光導波路と回折格子を用いるものであり、光導波路に電圧を印加して屈折率を変化させ、回折格子の作用を変化させることによって、光の放射方向を変化させる装置である。また、特許文献5の光走査装置は、液晶に電圧を印加することで生じる平行縞を回折格子として利用し、平行縞の間隔を電圧によって変化させることで、光の放射方向を変化させる装置である。   Further, there are Patent Documents 3 to 5 as optical scanning devices that change the radiation direction of light without depending on a mechanical method. The optical scanning devices of Patent Documents 3 and 4 use an optical waveguide made of an electro-optic crystal and a diffraction grating. By applying a voltage to the optical waveguide and changing the refractive index, the action of the diffraction grating is changed. This is a device that changes the radiation direction of light. In addition, the optical scanning device of Patent Document 5 is a device that uses the parallel stripes generated by applying a voltage to the liquid crystal as a diffraction grating and changes the light emission direction by changing the interval between the parallel stripes depending on the voltage. is there.

また、光を波長ごとに分解する分光装置として、特許文献6、7などのような回折格子を用いたものが知られている。回折格子から放射される光の放射角度は波長依存性を有しており、これにより分光が可能である。しかし、回折格子により分光された光の放射角度の波長依存性は小さいため、特許文献6では多層構造体を用いることにより、特許文献7ではフォトニック結晶を用いることにより、光の放射角度の波長依存性を大きくし、分解能を高めている。   Further, as a spectroscopic device for decomposing light for each wavelength, one using a diffraction grating as in Patent Documents 6 and 7 is known. The radiation angle of the light emitted from the diffraction grating has a wavelength dependency, which enables spectroscopy. However, since the wavelength dependence of the radiation angle of the light separated by the diffraction grating is small, the wavelength of the radiation angle of light can be obtained by using a multilayer structure in Patent Document 6 and using a photonic crystal in Patent Document 7. The dependency is increased and the resolution is increased.

特開平11−281831JP-A-11-281831 特開2009−80449JP2009-80449 特開平7−28101JP-A-7-28101 特開平8−76153JP-A-8-76153 特開平7−261204JP 7-261204 A 特開2002−18026JP 2002-18026 A 特開2004−125603JP 2004-125603 A

しかし、グレーティング型の光カプラは作製が難しく、製造コストが高くなってしまうのが問題であった。   However, the grating type optical coupler is difficult to manufacture, and the manufacturing cost is high.

また、特許文献3〜5のような光走査装置は、光の放射方向を大きく変えるためには非常に大きな電圧を印加する必要がある。また、大きな電気光学結晶を成長させるのは困難であり、そのため大きなビーム径の光の放射角度を変化させることは難しかった。   In addition, in the optical scanning devices as in Patent Documents 3 to 5, it is necessary to apply a very large voltage in order to greatly change the light emission direction. In addition, it is difficult to grow a large electro-optic crystal, and therefore it is difficult to change the radiation angle of light having a large beam diameter.

また、特許文献6、7のような分光装置では、回折格子が大きく、装置を小型化することが難しかった。   Further, in the spectroscopic devices such as Patent Documents 6 and 7, the diffraction grating is large, and it is difficult to downsize the device.

そこで本発明の目的は、安価で容易に製造可能な光カプラを実現することである。また、他の目的は、大きなビーム径の光の放射角度を変化させることができる光走査装置を実現することである。また、他の目的は、小型の分光装置を実現することである。   Therefore, an object of the present invention is to realize an optical coupler that can be easily manufactured at low cost. Another object is to realize an optical scanning device capable of changing the radiation angle of light having a large beam diameter. Another object is to realize a compact spectroscopic device.

第1の発明は、光の分波・合波を行う光カプラにおいて、内部に光を伝搬させる誘電体からなる光導波路と、光導波路上であって、膜厚方向が光導波路内部での光の伝搬方向に対して垂直となるよう配置された金属からなる金属膜と、を有し、金属膜には、2次元的に周期的に配列された複数の貫通孔が設けられ、貫通孔の直径および間隔は、光の波長以下であり、金属は、導波させる光の波長において表面プラズモン共鳴を示す金属である、ことを特徴とする光カプラである。   According to a first aspect of the present invention, there is provided an optical coupler that performs demultiplexing / multiplexing of light, an optical waveguide made of a dielectric that propagates light therein, and an optical waveguide on the optical waveguide, the thickness direction of which is the light within the optical waveguide. A metal film made of a metal arranged so as to be perpendicular to the propagation direction of the metal, and the metal film is provided with a plurality of through holes periodically arranged in a two-dimensional manner. The diameter and interval are equal to or less than the wavelength of light, and the metal is a metal that exhibits surface plasmon resonance at the wavelength of light to be guided.

光導波路の形状は、平らな板状の誘電体基板である必要はなく、円形の棒状、ファイバー状などであってもよい。また、誘電体は、導波させる光に対して透光性を有した材料でよく、SiO2 、Al2 3 、Si3 4 、ZnO、TiO2 、ZrO2 、Si、GaAsなどの無機材料の他、アクリル樹脂、などの透光性の樹脂材料を用いることができる。さらには、LiNbO3 、LiTaO3 、KTP、KTNなどの電気光学結晶を用いてもよい。光導波路の材料として電気光学結晶を用いれば、その電気光学結晶への印加電圧を変化させて屈折率を変化させることで光の分岐方向を変化させることができ、光走査装置を実現することができる。さらには、光導波路は筐体に保持された透光性の液体であってもよい。この場合、屈折率の異なる液体に入れ替えることや、液体を液晶とし、その液晶の配向性を磁場や電場によって変えることによって光の分岐方向を変更することも可能である。 The shape of the optical waveguide does not have to be a flat plate-like dielectric substrate, and may be a circular rod shape, a fiber shape, or the like. The dielectric may be a material having translucency with respect to the light to be guided, and is an inorganic material such as SiO 2 , Al 2 O 3 , Si 3 N 4 , ZnO, TiO 2 , ZrO 2 , Si, and GaAs. In addition to the material, a light-transmitting resin material such as an acrylic resin can be used. Furthermore, an electro-optic crystal such as LiNbO 3 , LiTaO 3 , KTP, KTN may be used. If an electro-optic crystal is used as the material of the optical waveguide, the branching direction of the light can be changed by changing the refractive index by changing the voltage applied to the electro-optic crystal, thereby realizing an optical scanning device. it can. Furthermore, the optical waveguide may be a translucent liquid held in a casing. In this case, it is possible to change the light branching direction by replacing the liquid with a liquid having a different refractive index, or by changing the orientation of the liquid crystal by a magnetic field or an electric field.

金属膜の膜厚方向と、光導波路内部での光の伝搬方向との成す角度は、厳密に垂直である必要はなく、本発明の作用・効果を得られる程度に垂直近い角度であればよい。たとえば70〜110°の範囲であってもよい。   The angle formed between the thickness direction of the metal film and the light propagation direction inside the optical waveguide does not have to be strictly perpendicular, and may be an angle that is nearly perpendicular to the extent that the operation and effect of the present invention can be obtained. . For example, it may be in the range of 70 to 110 °.

光導波路と金属膜とは直接接することが光損失の低減などの理由から望ましいが、本発明の作用・効果が得られる範囲で、透光性材料などを介して離間していてもよい。   Although it is desirable that the optical waveguide and the metal film are in direct contact with each other for reasons such as a reduction in optical loss, the optical waveguide and the metal film may be separated via a translucent material or the like as long as the effects and advantages of the present invention are obtained.

金属膜の材料は、用いる光の波長に対して表面プラズモン共鳴を生じさせる材料であれば任意であり、たとえば、Al、Ag、Au、Cu、などを用いることができる。   The material of the metal film is arbitrary as long as it is a material that causes surface plasmon resonance with respect to the wavelength of light to be used. For example, Al, Ag, Au, Cu, or the like can be used.

貫通孔の直径および間隔は、金属膜表面において表面プラズモン共鳴を生じさせるために光導波路内部に伝搬させる光の波長以下であればよい。この範囲において、貫通孔の直径、間隔、形状や、複数の貫通孔の2次元的な配列の仕方、貫通孔の長さ(金属膜の厚さ)などを、表面プラズモン共鳴の共鳴周波数や、光の分岐方向に応じて設計する。貫通孔の形状としては、たとえば、円柱、角柱、円錐台、角錐台、半球状、などである。複数の貫通孔の配列は、たとえば正方格子状や三角格子状である。金属膜の厚さは、光導波路内部に伝搬させる光の波長の0.01〜1.0倍の範囲が望ましい。この範囲であれば、光カプラの分岐損失を十分に小さくすることができる。金属膜が左手系マテリアルとして動作するように設計することも可能である。   The diameter and interval of the through holes may be equal to or less than the wavelength of light propagated inside the optical waveguide in order to cause surface plasmon resonance on the metal film surface. In this range, the diameter, interval, and shape of the through holes, the two-dimensional arrangement of the plurality of through holes, the length of the through holes (the thickness of the metal film), etc., the resonance frequency of surface plasmon resonance, Design according to the light branching direction. Examples of the shape of the through hole include a cylinder, a prism, a truncated cone, a truncated pyramid, and a hemispherical shape. The arrangement of the plurality of through holes is, for example, a square lattice shape or a triangular lattice shape. The thickness of the metal film is desirably in the range of 0.01 to 1.0 times the wavelength of light propagating inside the optical waveguide. Within this range, the branching loss of the optical coupler can be made sufficiently small. It is also possible to design the metal film to operate as a left-handed material.

第2の発明は、第1の発明において、複数の貫通孔は、正方格子状に配列されていることを特徴とする光カプラである。   A second invention is an optical coupler according to the first invention, wherein the plurality of through holes are arranged in a square lattice pattern.

第3の発明は、第1の発明または第2の発明において、金属膜は、Al、Ag、Au、Cuからなることを特徴とする光カプラである。   A third invention is an optical coupler according to the first or second invention, wherein the metal film is made of Al, Ag, Au, or Cu.

第4の発明は、第1の発明から第3の発明のいずれかの光カプラと、電源装置と、を有し、光カプラの光導波路は、電気光学結晶からなり、電源装置により電気光学結晶に電圧を印加し、その電圧を制御することによって、分岐光の放射角度を制御することを特徴とする光走査装置である。   A fourth invention includes the optical coupler according to any one of the first to third inventions and a power supply device, wherein an optical waveguide of the optical coupler is made of an electro-optic crystal, and the electro-optic crystal is formed by the power supply device. The optical scanning device is characterized in that a voltage is applied to the light source and the radiation angle of the branched light is controlled by controlling the voltage.

第5の発明は、第1の発明から第3の発明のいずれかの光カプラと、光カプラの分岐光放射側に所定距離離間して位置する受光素子と、を有することを特徴とする分光装置である。   A fifth invention comprises the optical coupler according to any one of the first to third inventions, and a light receiving element positioned at a predetermined distance from the branched light emission side of the optical coupler. Device.

第1の発明によると、光導波路内に導波した光の一部を、貫通孔が形成された金属膜の光導波路側表面において表面プラズモン共鳴によって吸収し、貫通孔の側面にプラズモンを伝搬させ、孔の誘電体側とは反対側の開口から再度光を放射させることによって、光を分岐させることができる。また、逆の動作によって光を合波させることもできる。この第1の発明の光カプラは、光導波路自体に加工等を施す必要がなく、構成が非常に簡素であるため、安価で容易に作製することができる。また、第1の発明の光カプラによると、ビーム径の大きい光も容易に分岐させることができる。   According to the first invention, a part of the light guided in the optical waveguide is absorbed by surface plasmon resonance on the optical waveguide side surface of the metal film in which the through hole is formed, and the plasmon is propagated to the side surface of the through hole. The light can be branched by emitting light again from the opening opposite to the dielectric side of the hole. Also, the light can be multiplexed by the reverse operation. The optical coupler according to the first aspect of the present invention does not require any processing or the like on the optical waveguide itself and has a very simple configuration, so that it can be easily manufactured at low cost. In addition, according to the optical coupler of the first invention, light having a large beam diameter can be easily branched.

また、第2の発明のように、複数の貫通孔は正方格子状に配列することができ、本発明の光カプラの作製をより容易に行うことができる。   Further, as in the second invention, the plurality of through holes can be arranged in a square lattice shape, and the optical coupler of the present invention can be manufactured more easily.

また、第3の発明のように、金属膜の材料として、Al、Ag、Au、Cuを用いることで、効率的に表面プラズモン共鳴による光の吸収を行うことができる。   Further, as in the third aspect of the invention, by using Al, Ag, Au, or Cu as the material of the metal film, light can be efficiently absorbed by surface plasmon resonance.

また、第4の発明によれば、大きなビーム径の光の放射角度を容易に変化可能な光走査装置を実現することができる。   According to the fourth aspect of the invention, it is possible to realize an optical scanning device that can easily change the radiation angle of light having a large beam diameter.

また、第5の発明によれば、従来の回折格子型の分光装置に比べて小型な分光装置を実現することができる。   In addition, according to the fifth aspect of the present invention, a spectroscopic device that is smaller than a conventional diffraction grating type spectroscopic device can be realized.

実施例1の光カプラ1の構成について示した図。FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration of the optical coupler 1 according to the first embodiment. 孔13の配列パターンについて示した図。The figure shown about the arrangement pattern of the hole 13. FIG. 実施例2の光走査装置2の構成について示した図。FIG. 6 is a diagram illustrating a configuration of an optical scanning device 2 according to a second embodiment. 実施例3の分光装置3の構成について示した図。FIG. 5 is a diagram illustrating a configuration of a spectroscopic device 3 of Example 3. 波長と分岐光の放射角度との関係を示したグラフ。The graph which showed the relationship between a wavelength and the radiation angle of branched light.

以下、本発明の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。   Hereinafter, specific examples of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the examples.

図1は、実施例1の光カプラ1の構成について示した図である。光カプラ1は、平板な石英基板10(本発明の光導波路に相当)と、石英基板10の両面にそれぞれ形成されたAgからなる金属膜11、12と、を有している。以下、図1に示すように、x軸とy軸が、石英基板10の主面に平行な面を成すようにとり、z軸を主面に垂直な方向にとる。金属膜11は、石英基板10の一方の表面10aに形成され、金属膜12は、石英基板10の他方の表面10bの全面に形成されている。金属膜11、12の厚さはそれぞれ50nm、100nmである。一方の金属膜11には、その金属膜11を貫通する孔13が複数形成されている。孔13の石英基板10の主面に平行な面での断面は円形である。孔13の直径は、150nmである。図2は、孔13の配列パターンを示した図である。孔13は、図2に示すように、1mm角の領域に、x軸方向、およびこれに直交するy軸方向に周期的な正方格子状に配列されており、その孔13の間隔は500nmである。   FIG. 1 is a diagram illustrating the configuration of the optical coupler 1 according to the first embodiment. The optical coupler 1 includes a flat quartz substrate 10 (corresponding to the optical waveguide of the present invention) and Ag metal films 11 and 12 formed on both surfaces of the quartz substrate 10 respectively. Hereinafter, as shown in FIG. 1, the x-axis and the y-axis are parallel to the main surface of the quartz substrate 10, and the z-axis is in a direction perpendicular to the main surface. The metal film 11 is formed on one surface 10 a of the quartz substrate 10, and the metal film 12 is formed on the entire surface of the other surface 10 b of the quartz substrate 10. The thicknesses of the metal films 11 and 12 are 50 nm and 100 nm, respectively. One metal film 11 is formed with a plurality of holes 13 penetrating the metal film 11. The cross section of the hole 13 in a plane parallel to the main surface of the quartz substrate 10 is circular. The diameter of the hole 13 is 150 nm. FIG. 2 is a diagram showing an arrangement pattern of the holes 13. As shown in FIG. 2, the holes 13 are arranged in a 1 mm square region in a square lattice pattern periodically in the x-axis direction and the y-axis direction perpendicular to the x-axis direction, and the interval between the holes 13 is 500 nm. is there.

なお、金属板12は、反射により石英基板10内部に効率的に光を閉じ込めるために設けたものであり、必ずしも必要とするものではない。   The metal plate 12 is provided to efficiently confine light inside the quartz substrate 10 by reflection, and is not necessarily required.

実施例1の光カプラ1は、以下のようにして作製した。まず、石英基板10の一方の表面全面に、蒸着によってAgからなる金属膜12を形成した。次に、石英基板10上にレジストを塗布し、電子線描画装置により電子線を用いて感光させることで、正方格子状に円形のドットが配列されたパターンのレジストを形成した。そして、このレジスト上および石英基板10上に、蒸着によってAgからなる金属膜を形成し、リフトオフによって金属膜の不要部分を除去することによって、正方格子状に複数の孔13が形成された金属膜11を形成した。このように、実施例1の光カプラは、光導波路である石英基板10自体には加工を施さず、石英基板10表面への金属膜11の蒸着とリフトオフによって安価で簡易に作製することができる。なお、金属膜11の孔13は、ドライエッチングやウェットエッチングなどによって形成してもよい。   The optical coupler 1 of Example 1 was manufactured as follows. First, a metal film 12 made of Ag was formed on the entire surface of one surface of the quartz substrate 10 by vapor deposition. Next, a resist was applied on the quartz substrate 10 and was exposed using an electron beam by an electron beam drawing apparatus, thereby forming a resist having a pattern in which circular dots were arranged in a square lattice pattern. Then, a metal film made of Ag is formed on the resist and the quartz substrate 10 by vapor deposition, and unnecessary portions of the metal film are removed by lift-off, so that a plurality of holes 13 are formed in a square lattice shape. 11 was formed. As described above, the optical coupler of Example 1 can be easily manufactured at low cost by performing the deposition and lift-off of the metal film 11 on the surface of the quartz substrate 10 without processing the quartz substrate 10 itself that is an optical waveguide. . The hole 13 in the metal film 11 may be formed by dry etching or wet etching.

次に、実施例1の光カプラの動作について説明する。まず、石英基板10の側面からHe−Heレーザー光(波長633nm)を入射させ、x軸方向(すなわち、石英基板10の主面に平行な方向であって、孔13の周期的な配列方向)に伝搬させる。   Next, the operation of the optical coupler of Example 1 will be described. First, He—He laser light (wavelength 633 nm) is incident from the side surface of the quartz substrate 10, and the x-axis direction (that is, the direction parallel to the main surface of the quartz substrate 10 and the periodic arrangement direction of the holes 13). To propagate.

石英基板10内部を伝搬する入射光14の一部は、金属膜11の石英基板10側表面10aであって、孔13が配列された領域10cにおいて、表面プラズモン共鳴により入射光14と金属膜11表面の表面プラズモンとを結合させて金属膜11に吸収させる。ここで、直径が光の波長(633nm)よりも小さい150nmである孔13を、光の波長よりも小さい500nmの間隔で正方格子状に配列することで、表面プラズモン共鳴の共鳴波長を光の波長付近とし、効率的に表面プラズモンと入射光14とが結合するようにしている。   A part of the incident light 14 propagating through the quartz substrate 10 is the surface 10a on the quartz substrate 10 side of the metal film 11, and in the region 10c where the holes 13 are arranged, the incident light 14 and the metal film 11 are caused by surface plasmon resonance. The surface plasmon on the surface is combined and absorbed by the metal film 11. Here, the holes 13 whose diameter is 150 nm smaller than the wavelength of light (633 nm) are arranged in a square lattice at intervals of 500 nm smaller than the wavelength of light, so that the resonance wavelength of surface plasmon resonance is changed to the wavelength of light. In the vicinity, the surface plasmon and the incident light 14 are efficiently coupled.

表面プラズモン共鳴によって金属膜11の石英基板10側表面に生じた入射光14と表面プラズモンとの結合である表面プラズモンポラリトンは、孔13側面を石英基板10とは反対側の方向(図1、2においてz軸正方向)へと伝搬する。そして、孔13の石英基板10側とは反対側の開口において、表面プラズモンと分離して再び光(分岐光15)が放射される。このとき、分岐光15の放射角度は、zx平面内であって入射光14の伝搬方向(x軸方向)に対して111°の方向であった。このように、90°を越える方向に分岐光15が放射されるのは、正方格子状に配列された孔13が設けられた金属膜11が左手系マテリアルとして動作しているためと考えられる。   Surface plasmon polariton, which is a combination of incident light 14 and surface plasmon generated on the surface of the metal film 11 on the quartz substrate 10 side by surface plasmon resonance, is a direction in which the side surface of the hole 13 is opposite to the quartz substrate 10 (FIGS. 1 and 2). In the positive z-axis direction). Then, light (branched light 15) is emitted again after being separated from the surface plasmons at the opening of the hole 13 opposite to the quartz substrate 10 side. At this time, the radiation angle of the branched light 15 was 111 ° with respect to the propagation direction (x-axis direction) of the incident light 14 in the zx plane. The reason why the branched light 15 is emitted in the direction exceeding 90 ° is considered to be that the metal film 11 provided with the holes 13 arranged in a square lattice is operating as a left-handed material.

また、上記とは逆の動作によって光を合波することができる。すなわち、金属膜11に対して111°を成す方向からHe−Heレーザー光を金属膜11の石英基板10側とは反対側表面に照射することで、石英基板10の内部に金属膜11に平行な方向へと伝搬する光を入射させることができ、光を合波させることができる。   Moreover, light can be multiplexed by the reverse operation to the above. That is, by irradiating the surface of the metal film 11 opposite to the quartz substrate 10 side with a He—He laser beam from a direction forming 111 ° with respect to the metal film 11, the quartz film 10 is parallel to the metal film 11. Light propagating in any direction can be made incident, and light can be multiplexed.

以上のように、実施例1の光カプラ1は非常に簡素な構成でありながら、光を分岐・合波させる機能を実現することができる。また、構成が簡素であるため、安価で容易に製造することができる。また、光導波路である石英基板10自体には加工を施さないため、ビーム径の大きい光を容易に分岐させることができる。   As described above, the optical coupler 1 of Embodiment 1 has a very simple configuration, but can realize a function of branching and multiplexing light. Moreover, since the structure is simple, it can be manufactured inexpensively and easily. In addition, since the quartz substrate 10 itself, which is an optical waveguide, is not processed, light having a large beam diameter can be easily branched.

なお、実施例1の光カプラ1では、石英基板10を用いているが、その内部に光を導波させることができ、導波させる光に対して透光性を有した誘電体からなるものであれば、材料および形状などは任意である。材料は、SiO2 以外にたとえばAl2 3 、ZnO、TiO2 、ZrO2 、LiNbO3 、Si、GaAsなどの無機光学材料の他、アクリル樹脂、などの透光性の樹脂材料を用いることができる。また、形状は平板に限るものではなく、円筒状、ファイバー状などであってもよい。円筒状やファイバー状とする場合には、その円形の側面に沿って孔が設けられた金属膜を形成すればよい。 In the optical coupler 1 according to the first embodiment, the quartz substrate 10 is used. However, the optical substrate 1 is made of a dielectric that can guide light therein and has a light-transmitting property with respect to the guided light. If so, the material and shape are arbitrary. As the material, in addition to SiO 2 , for example, an inorganic optical material such as Al 2 O 3 , ZnO, TiO 2 , ZrO 2 , LiNbO 3 , Si, or GaAs, or a translucent resin material such as an acrylic resin may be used. it can. Further, the shape is not limited to a flat plate, but may be a cylindrical shape, a fiber shape, or the like. In the case of a cylindrical shape or a fiber shape, a metal film provided with holes along the circular side surface may be formed.

また、実施例1の光カプラ1では、孔13が形成された金属膜11としてAgを用いたが、導波させる光の波長に対して表面プラズモン共鳴を起こす材料であれば任意の材料を用いることができる。たとえば、Agの他に、Au、Al、Cuなどを用いることができる。   In the optical coupler 1 of Example 1, Ag is used as the metal film 11 in which the holes 13 are formed. However, any material may be used as long as it is a material that causes surface plasmon resonance with respect to the wavelength of light to be guided. be able to. For example, in addition to Ag, Au, Al, Cu, or the like can be used.

また、孔13の直径、間隔、形状、長さ(金属膜11の厚さ)、配列は、実施例1の光カプラに示したものに限るものではなく、孔13の直径および間隔が石英基板10内部に導波させる光の波長以下であり、かつ孔13が2次元的に周期的な配列であれば任意である。この範囲において孔13の直径、間隔、形状、配列の設計により、分岐光15の放射角度や、分岐損失などを任意に設計することができる。孔13の形状は、円柱以外にたとえば、角柱、円錐台、角錐台、半球状、などである。孔13の配列は、正方格子状以外にたとえば、三角格子状などである。   Further, the diameter, interval, shape, length (thickness of the metal film 11) and arrangement of the holes 13 are not limited to those shown in the optical coupler of Example 1, and the diameter and interval of the holes 13 are quartz substrates. It is arbitrary as long as it is less than the wavelength of the light guided to the inside 10 and the holes 13 are two-dimensionally periodic array. In this range, the radiation angle of the branched light 15 and the branching loss can be arbitrarily designed by designing the diameter, interval, shape, and arrangement of the holes 13. The shape of the hole 13 is, for example, a prism, a truncated cone, a truncated pyramid, a hemispherical shape, etc. in addition to a cylinder. The arrangement of the holes 13 is, for example, a triangular lattice shape in addition to the square lattice shape.

また、実施例1の光カプラ1では、石英基板10と金属膜11とが直接接しているが、透光性材料などを介して離間していてもよい。ただし、直接接している方が構成を簡素化でき、光損失も低減することができるため望ましい。   Further, in the optical coupler 1 of the first embodiment, the quartz substrate 10 and the metal film 11 are in direct contact with each other, but they may be separated via a translucent material or the like. However, direct contact is desirable because the configuration can be simplified and optical loss can be reduced.

実施例2の光走査装置2は、図3に示すように、実施例1の光カプラ1における石英基板10をLiNbO3 からなる電気光学結晶基板20に替えた光カプラ22と、電気光学結晶基板20に電圧を印加する電源装置21と、によって構成されている。 As shown in FIG. 3, the optical scanning device 2 of Example 2 includes an optical coupler 22 in which the quartz substrate 10 in the optical coupler 1 of Example 1 is replaced with an electro-optic crystal substrate 20 made of LiNbO 3, and an electro-optic crystal substrate. And a power supply device 21 that applies a voltage to the power supply 20.

電気光学結晶基板20の材料には、LiNbO3 の他、LiTaO3 、KTP、KTNなどの電気光学結晶を用いることができる。 As a material of the electro-optic crystal substrate 20, in addition to LiNbO 3 , electro-optic crystals such as LiTaO 3 , KTP, and KTN can be used.

光カプラ22は、実施例1の光カプラ1の石英基板10を電気光学結晶基板20に替えた以外は光カプラ1の構成と同一である。光カプラ22は、実施例1の光カプラ1と同様の動作によって、光を分岐させる。すなわち、電気光学結晶基板20内部に導波させた光の一部を、表面プラズモン共鳴によって金属膜11の電気光学結晶基板20側表面で吸収させ、その反対側の金属膜11表面から再度光を放射させることで、光を分岐させる。   The optical coupler 22 has the same configuration as that of the optical coupler 1 except that the quartz substrate 10 of the optical coupler 1 of the first embodiment is replaced with the electro-optic crystal substrate 20. The optical coupler 22 branches light by the same operation as the optical coupler 1 of the first embodiment. That is, a part of the light guided into the electro-optic crystal substrate 20 is absorbed by the surface of the metal film 11 on the electro-optic crystal substrate 20 side by surface plasmon resonance, and light is again emitted from the surface of the metal film 11 on the opposite side. The light is branched by radiating.

電源装置21は、電気光学結晶基板20に印加する電圧を制御することにより、電気光学結晶基板20の屈折率を制御する。屈折率の変化により、電気光学結晶基板20内部を伝搬する光の波数が変化するため、波数と孔13の直径や間隔との関係も変化する。その結果、光カプラ2によって分岐される分岐光の放射角度にも変化を生じる。   The power supply device 21 controls the refractive index of the electro-optic crystal substrate 20 by controlling the voltage applied to the electro-optic crystal substrate 20. Since the wave number of the light propagating through the electro-optic crystal substrate 20 changes due to the change in the refractive index, the relationship between the wave number and the diameter and interval of the holes 13 also changes. As a result, the radiation angle of the branched light branched by the optical coupler 2 also changes.

電源装置21によって電気光学結晶基板20に電圧を印加しない状態では、光カプラ22の分岐光の放射角度は、電気光学結晶基板20内部での光の伝搬方向(電気光学結晶基板20の主面に平行な方向)に対して92度であった。次に、電源装置21によって電気光学結晶基板20に電圧を印加し、電気光学結晶基板20の屈折率を1%変化させたところ、分岐光の放射角度は0.2°変化した。   In a state where no voltage is applied to the electro-optic crystal substrate 20 by the power supply device 21, the radiation angle of the branched light of the optical coupler 22 is the light propagation direction inside the electro-optic crystal substrate 20 (on the main surface of the electro-optic crystal substrate 20. It was 92 degrees with respect to (parallel direction). Next, when a voltage was applied to the electro-optic crystal substrate 20 by the power supply device 21 to change the refractive index of the electro-optic crystal substrate 20 by 1%, the radiation angle of the branched light changed by 0.2 °.

このように、実施例2の光走査装置2では、電源装置21による光カプラ22の電気光学結晶基板20への電圧の印加によって、電気光学結晶基板20の屈折率を制御することにより、光カプラ22の分岐光の放射角度を制御を行うことができる。また、光カプラ22は、光導波路である電気光学結晶基板20自体には加工を施していない。そのため、実施例2の光走査装置は、ビーム径の大きい光を容易に分岐させることができる。   As described above, in the optical scanning device 2 according to the second embodiment, the optical coupler 22 is controlled by controlling the refractive index of the electro-optic crystal substrate 20 by applying a voltage to the electro-optic crystal substrate 20 of the optical coupler 22 by the power supply device 21. The radiation angle of the 22 branched lights can be controlled. The optical coupler 22 is not processed on the electro-optic crystal substrate 20 itself, which is an optical waveguide. Therefore, the optical scanning device according to the second embodiment can easily branch light having a large beam diameter.

なお、実施例2では、光導波路として電気光学結晶を用いているが、光導波路の屈折率を変化させる構造であれば他の構造であってもよい。たとえば、光導波路として透光性の液体を保持した筐体を用い、屈折率の違う液体に入れ替えることや、液体を液晶としてその液晶の配向性を磁場や電場によって変えることによって、光カプラの分岐光の放射角度を変更することも可能である。   In Example 2, an electro-optic crystal is used as the optical waveguide, but other structures may be used as long as the refractive index of the optical waveguide is changed. For example, by using a housing that holds a translucent liquid as an optical waveguide and switching to a liquid with a different refractive index, or by changing the orientation of the liquid crystal by a magnetic field or an electric field using liquid as a liquid crystal, It is also possible to change the light emission angle.

実施例3の分光装置3は、図4に示すように、実施例1の光カプラ1と、光カプラによる分岐光の放射側に、スペーサ6によって光カプラ1から空気を介して5mm離間して配置されたCCD5と、によって構成されている。CCD5に替えてCMOSなど他の受光素子を用いてもよい。   As shown in FIG. 4, the spectroscopic device 3 of the third embodiment is separated from the optical coupler 1 of the first embodiment by 5 mm from the optical coupler 1 via the air by the spacer 6 on the radiation side of the branched light from the optical coupler. It is comprised by CCD5 arrange | positioned. Instead of the CCD 5, other light receiving elements such as CMOS may be used.

実施例1の光カプラ1では、石英基板10に入射させる光の波長によって、分岐される光の放射角度が異なるため、実施例3の分光装置3のように光カプラ1の分岐光の放射側にCCD5を配置する構成とすることで分光計則が可能である。   In the optical coupler 1 of the first embodiment, the radiation angle of the branched light differs depending on the wavelength of the light incident on the quartz substrate 10, so that the branched light radiation side of the optical coupler 1 as in the spectroscopic device 3 of the third embodiment. Spectrometer rules are possible by arranging the CCD 5 in the configuration.

図5は、光カプラ1に導波させる光の波長と、光カプラ1からの放射角度との関係を示したグラフである。図5のグラフのように、500〜800nmの波長において、分岐光の放射角度がほぼ線形に増加していることがわかる。また、放射角度が95〜135°と大きく変化していることがわかる。また、この図5のグラフから、光カプラ1から受光装置5までの距離5mmとした場合、CCD5上で15μm当たり波長1nm程度の分解能が得られることがわかる。   FIG. 5 is a graph showing the relationship between the wavelength of light guided to the optical coupler 1 and the radiation angle from the optical coupler 1. As shown in the graph of FIG. 5, it can be seen that the radiation angle of the branched light increases almost linearly at a wavelength of 500 to 800 nm. Moreover, it turns out that the radiation angle is changing greatly with 95-135 degrees. Further, it can be seen from the graph of FIG. 5 that when the distance from the optical coupler 1 to the light receiving device 5 is 5 mm, a resolution of about 1 nm wavelength per 15 μm can be obtained on the CCD 5.

このように、実施例3の分光装置は、従来の回折格子型の分光装置に比べて小型化が小型化が可能となっている。   As described above, the spectroscopic device of the third embodiment can be downsized as compared with the conventional diffraction grating type spectroscopic device.

本発明の光カプラは、光通信などに利用することができる。また、本発明の光走査装置は、レーザープリンタなどに利用することができる。また、本発明の分光装置は、様々な分光計則に利用可能である。   The optical coupler of the present invention can be used for optical communication and the like. The optical scanning device of the present invention can be used for a laser printer or the like. The spectroscopic device of the present invention can be used for various spectrometer rules.

1、22:光カプラ
2:光走査装置
3:分光装置
5:CCD
6:スペーサ
10:石英基板
11、12:金属膜
13:孔
20:電気光学結晶基板
21:電源装置
1, 22: Optical coupler 2: Optical scanning device 3: Spectroscopic device 5: CCD
6: Spacer 10: Quartz substrate 11, 12: Metal film 13: Hole 20: Electro-optic crystal substrate 21: Power supply device

Claims (5)

光の分波・合波を行う光カプラにおいて、
内部に光を伝搬させる誘電体からなる光導波路と、
前記光導波路上であって、膜厚方向が前記光導波路内部での前記光の伝搬方向に対して垂直となるよう配置された金属からなる金属膜と、
を有し、
前記金属膜には、2次元的に周期的に配列された複数の貫通孔が設けられ、
前記貫通孔の直径および間隔は、前記光の波長以下であり、
前記金属は、導波させる前記光の波長において表面プラズモン共鳴を示す金属である、
ことを特徴とする光カプラ。
In an optical coupler that performs demultiplexing and multiplexing of light,
An optical waveguide made of a dielectric that propagates light inside;
A metal film made of a metal on the optical waveguide and disposed such that a film thickness direction is perpendicular to a propagation direction of the light inside the optical waveguide;
Have
The metal film is provided with a plurality of through-holes periodically arranged two-dimensionally,
The diameter and interval of the through holes are not more than the wavelength of the light,
The metal is a metal that exhibits surface plasmon resonance at the wavelength of the light to be guided.
An optical coupler characterized by that.
複数の前記貫通孔は、正方格子状に配列されていることを特徴とする請求項1に記載の光カプラ。   The optical coupler according to claim 1, wherein the plurality of through holes are arranged in a square lattice pattern. 前記金属膜は、Al、Ag、Au、Cuからなることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の光カプラ。   The optical coupler according to claim 1, wherein the metal film is made of Al, Ag, Au, or Cu. 請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の光カプラと、電源装置と、を有し、
前記光カプラの前記光導波路は、電気光学結晶からなり、
前記電源装置により前記電気光学結晶に電圧を印加し、その電圧を制御することによって、前記光カプラにより分岐させる分岐光の放射角度を制御することを特徴とする光走査装置。
An optical coupler according to any one of claims 1 to 3 and a power supply device,
The optical waveguide of the optical coupler is made of an electro-optic crystal,
An optical scanning device characterized in that a voltage is applied to the electro-optic crystal by the power supply device, and the voltage is controlled to control an emission angle of branched light branched by the optical coupler.
請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の光カプラと、
前記光カプラにより分岐される分岐光の放射側に、前記光カプラから所定距離離間して位置する受光素子と、
を有することを特徴とする分光装置。
An optical coupler according to any one of claims 1 to 3,
A light receiving element positioned on the radiation side of the branched light branched by the optical coupler and spaced apart from the optical coupler by a predetermined distance;
A spectroscopic device comprising:
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