JP2018185492A - 光部品およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】光ファイバーと基材とを簡便に接続すること。【解決手段】光部品は、2つの光ファイバー10、11と、基材12と、自己形成光導波路13と、によって構成されている。自己形成光導波路13は、光硬化性樹脂の硬化物からなる光導波路のコアである。自己形成光導波路13は、光ファイバー10のコア10Aの端面から、そのコア10Aの軸方向に直線状に延び、基材12に到達する第1傾斜部13Aと、その到達点で第1傾斜部13Aに連続し、基材12表面に接して表面に沿って直線状に延伸する延伸部13Bと、光ファイバー11のコア11Aの端面から、そのコア11Aの軸方向に直線状に延び、基材12に到達してその到達点で延伸部13Bに連続する第2傾斜部13Cと、によって構成されている。自己形成光導波路13の屈折率(硬化後の光硬化性樹脂の屈折率)は、基材12の屈折率よりも高い。【選択図】図1
Description
本発明は、光ファイバーと基材とが接続された光部品に関する。また、その製造方法に関する。
光硬化性樹脂を利用して光導波路を形成する自己形成光導波路の技術が、本出願人などによって多数開発されている。非特許文献1には、ミラーを用いて鏡面反射させることにより、屈曲した自己形成光導波路を作製することが記載されている。また、特許文献1、2には、光軸をずらして対向させた2つの光ファイバーから光を照射することで、自律的に曲がりながら自己形成光導波路を成長させることが記載されている。
また、光導波路デバイスの応用として、特定のガスや化学物質などを検知するセンサがある。このようなセンサの構造は、非特許文献2のように、光ファイバーの伝搬光が検知物質と相互作用(吸収変化)するように、光ファイバーのコアからクラッドにしみ出させ、その後再び光ファイバーに結合させる構造、つまりエバネッセント光を積極的に利用する構造を採用している。たとえば、非特許文献2のように、光ファイバー間に検知セルを挿入したり、光ファイバーの一部を細径化したり、光ファイバーの一部をエッチングや研磨で除去したり、回折格子を光ファイバーに作製する必要がある。
M. Kagami, IEICE Trans. Electron., vol.E-90C, no.5, 2007
Helen Waechter et al., "Chemical Sensing Using Fiber Cavity Ring-Down Spectroscopy," Sensors 2010, 10(3), 1716-1742
しかし、非特許文献2では、光を取り出す構造の作製には、従来微細加工が必要であった。そのため一般に高コストであり、より簡便な作製方法が望まれていた。
また、光制御や光増幅、あるいはレーザーどなどの機能性を有する光デバイスを実現する場合、光導波路の一部に光学活性を有する導波路や材料を挿入させて構成する必要がある。しかし、光学活性材料は導波路加工が困難な場合があり、このような光デバイスを作製することは困難であった。
そこで本発明の目的は、光ファイバーから光を取り出して、再び光ファイバーと結合させることが可能な構造を簡便に実現することである。
本発明は、第1光ファイバーのコアの端部と、基材とが接続された光部品であって、第1光ファイバーは、基材の上方にその端部が位置し、軸方向が基材の表面に対して傾斜しており、第1光ファイバーのコア端面からその軸方向に延伸し、基材に到達する第1傾斜部と、第1傾斜部に連続し、基材表面に接しその表面に沿って延伸する延伸部と、を有し、硬化した光硬化性樹脂からなる自己形成光導波路を備え、自己形成光導波路の屈折率は、基材の屈折率よりも高い、ことを特徴とする光部品である。
本発明の光部品において、第1光ファイバーに対向する第2光ファイバーをさらに備え、第2光ファイバーは、基材の上方にその端部が位置し、軸方向が基材の表面に対して傾斜しており、第1光ファイバーの端部と第2光ファイバーの端部とが、第1光ファイバーと第2光ファイバーの光軸が一致するように対向しており、自己形成光導波路は、第2光ファイバーのコア端面からその軸方向に延伸し、基材に到達し、延伸部に連続する第2傾斜部を有するようにしてもよい。
また、本発明の光部品において、延伸部の端部にミラーを有する構造としてもよい。
基材の表面は任意の形状でよく、平面であっても曲面であってもよい。表面の少なくとも一部は曲面とし、自己形成光導波路の延伸部が曲面に沿って延伸する構造とすれば、自己形成光導波路からの光の取り出しがより容易となる。
また、基材の形状も任意の形状でよい。基材の形状を円柱状または円筒状とし、延伸部が円柱または円筒の側面に沿ってらせん状に形成された構造とすれば、自己形成光導波路からの光の取り出しがより容易となる。
基材は任意の材料からなるものでよい。基材として光と相互作用する光学活性材料を用いれば、各種機能の光部品を実現することができる。たとえば光利得材料を用いれば、光増幅器を実現することができ、電気光学材料を用いれば、電界センサーを実現することができる。
他の本発明は、第1光ファイバーのコアの端部と、基材とが接続された光部品の製造方法であって、第1光ファイバーを、基材の上方にその端部が位置し、軸方向が基材の表面に対して傾斜するように配置し、第1光ファイバーの端部と、基材との間に、硬化後の屈折率が基材の屈折率よりも高い光硬化性樹脂を配置し、第1光ファイバーの端部から光を照射して光硬化性樹脂を硬化させて、第1光ファイバーのコア端面からその軸方向に延伸して、基材に到達する自己形成光導波路の第1傾斜部を成長させ、さらに基材に到達後、基材表面に沿って延伸する延伸部を成長させる、ことを特徴とする光部品の製造方法である。
本発明の光部品の製造方法において、第2光ファイバーを、基材の上方にその端部が位置し、軸方向が基材の表面に対して傾斜するように配置し、さらに第1光ファイバーの端部と第2光ファイバーの端部とが、第1光ファイバーと第2光ファイバーの光軸が一致するように対向して配置し、光硬化性樹脂は、第2光ファイバーの端部と、基材との間にも配置し、第2光ファイバーの端部から光を照射して光硬化性樹脂を硬化させて、第2光ファイバーのコア端面からその軸方向に延伸して、基材に到達する自己形成光導波路の第2傾斜部を成長させ、さらに基材に到達後、基材表面に沿って延伸させて延伸部と接続させてもよい。
また、本発明の光部品の製造方法において、基材の表面上であって延伸部の延伸方向上の位置に、ミラーを配置し、光硬化性樹脂は、第1光ファイバーの端部と、ミラーとの間に配置し、延伸部は、ミラーに到達するまで延伸させるようにしてもよい。
本発明によれば、光ファイバーと基材とを容易に接続することができる。また、自己形成光導波路からの光の取り出しが容易となり、基材との光の相互作用が容易な構造を実現することができる。
以下、本発明の具体的な実施例について説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。
図1は、実施例1の光部品を斜め上から見た図である。また、図2は、光軸方向での光部品の断面図である。図1のように、実施例1の光部品は、2つの光ファイバー10、11と、基材12と、自己形成光導波路13と、によって構成されている。実施例1の光部品は、光ファイバー10、11に伝送させている信号光を増幅する増幅器である。
(光ファイバー10、11について)
図1のように、2つの光ファイバー10、11は、その端部が基材12表面の上方に位置している。また、光ファイバー10、11の軸方向は、基材12の表面に対して角度θを成して傾斜している。また、光ファイバー10、11の光軸が一致するように、平面視において光ファイバー10、11の端部が対向するように配置されている。
図1のように、2つの光ファイバー10、11は、その端部が基材12表面の上方に位置している。また、光ファイバー10、11の軸方向は、基材12の表面に対して角度θを成して傾斜している。また、光ファイバー10、11の光軸が一致するように、平面視において光ファイバー10、11の端部が対向するように配置されている。
光ファイバー10、11は任意の材料、構造のものを用いてよい。材料は、たとえば、石英や、フッ化物ガラス、プラスチックである。また、光ファイバー10、11の構造は、シングルモードファイバーでもよいし、マルチモードファイバーであってもよく、フォトニック結晶ファイバーであってもよい。
基材12表面から光ファイバー10、11のコア10A、B端面中央までの高さhは任意であり、光ファイバー10、11でそれぞれ高さhが異なっていてもよいが、自己形成光導波路13を安定的に再現性よく作製するために、1500μm以下とするのがよい。より望ましくは500μm以下、さらに望ましくは250μm以下である。また、高さhの下限は、光ファイバー10、11が基材12に接触しない範囲であればよい。
(基材12について)
基材12は、光利得材料からなる平板状であり、自己形成光導波路13のクラッドを兼ねている。この基材12は光増幅媒体として機能する。また、基材12は積層でもよく、その場合は少なくとも1層が、光利得材料であればよい。
基材12は、光利得材料からなる平板状であり、自己形成光導波路13のクラッドを兼ねている。この基材12は光増幅媒体として機能する。また、基材12は積層でもよく、その場合は少なくとも1層が、光利得材料であればよい。
光利得材料は、たとえば、石英などのガラス材料に希土類を添加した材料や、YAG(イットリウム・アルミニウム・ガーネット)などの固体レーザー媒質に希土類を添加した材料を用いることができる。添加する希土類は、たとえばEr(エルビウム)、Yb(イッテルビウム)、Tm(ツリウム)、Pr(プラセオジウム)などである。
(自己形成光導波路13について)
自己形成光導波路13は、光硬化性樹脂の硬化物からなる光導波路のコアである。図1のように、自己形成光導波路13は、光ファイバー10のコア10Aの端面から、そのコア10Aの軸方向に直線状に延び、基材12に到達する第1傾斜部13Aと、その到達点で第1傾斜部13Aに連続し、基材12表面に接して表面に沿って直線状に延伸する延伸部13Bと、光ファイバー11のコア11Aの端面から、そのコア11Aの軸方向に直線状に延び、基材12に到達してその到達点で延伸部13Bに連続する第2傾斜部13Cと、によって構成されている。
自己形成光導波路13は、光硬化性樹脂の硬化物からなる光導波路のコアである。図1のように、自己形成光導波路13は、光ファイバー10のコア10Aの端面から、そのコア10Aの軸方向に直線状に延び、基材12に到達する第1傾斜部13Aと、その到達点で第1傾斜部13Aに連続し、基材12表面に接して表面に沿って直線状に延伸する延伸部13Bと、光ファイバー11のコア11Aの端面から、そのコア11Aの軸方向に直線状に延び、基材12に到達してその到達点で延伸部13Bに連続する第2傾斜部13Cと、によって構成されている。
自己形成光導波路13の屈折率(硬化後の光硬化性樹脂の屈折率)は、基材12の屈折率よりも高い。ここで基材12の屈折率は、基材12が多層である場合には、自己形成光導波路13と接する層の屈折率である。このように屈折率を設定することで、後述の製造方法で説明するように、自己形成光導波路13を第1傾斜部13Aと延伸部13Bの接続部分、および延伸部13Bと第2傾斜部13Cの接続部分で屈曲形状とすることができる。硬化前の光硬化性樹脂の屈折率は、基材12の屈折率より高くても低くてもどちらでもよく、さらには等しくてもよい。
自己形成光導波路13と基材12との屈折率差は、0より大きければ任意であるが、延伸部13Bを安定的に再現性よく作製するために、0.017以上であることが望ましい。より望ましくは0.02以上、さらに望ましくは0.025以上である。また、屈折率差は0.05以下であることが望ましい。延伸部13Bが基材12表面に沿わずに離れてしまったり、延伸部13Bの長さが十分に確保できなくなるためである。より望ましくは0.04以下、さらに望ましくは0.03以下である。
自己形成光導波路13の第1傾斜部13Aは、その軸方向は光ファイバー10の軸方向と同一であり、基材12表面に対して角度θを成している。また、光ファイバー10の端面に露出するコア10Aと連続的に接している。そのため、自己形成光導波路13の第1傾斜部13Aの端面はコア10Aの端面と一致しており、傾斜部30の端面の荒れによって光損失することが抑制されている。同様に、自己形成光導波路13の第2傾斜部13Cは、その軸方向は光ファイバー11の軸方向と同一であり、基材12表面に対して角度θを成している。また、光ファイバー11の端面に露出するコア11Aと連続的に接している。そのため、自己形成光導波路13の第2傾斜部13Cの端面はコア11Aの端面と一致しており、第2傾斜部13Cの端面の荒れによって光損失することが抑制されている。
第1傾斜部13A、第2傾斜部13Cの直径は、光ファイバー10、11のコア10A、11Aの直径や自己形成光導波路13の材料などにもよるが、2〜3μmである。また、第1傾斜部13A、第2傾斜部13Cの長さは、第1傾斜部13Aおよび第2傾斜部13Cの傾斜角度(基材12表面に対する第1傾斜部13Aの軸方向の角度θ)と、基材12表面から光ファイバー10、11のコア10A、11A端面までの高さhによって決まり、たとえば300〜5000μmである。
光ファイバー10、11および自己形成光導波路13の第1傾斜部13A、第2傾斜部13Cの傾斜角度θは、0°より大きければ任意の値でよいが、傾斜角度θが大きいと自己形成光導波路13の延伸部13Bが短すぎる、あるいは形成されない場合がある。そのため、角度θは、45°以下であることが望ましい。より望ましくは20°以下、さらに望ましくは10°以下である。なお、第1傾斜部13Aと第2傾斜部13Cとで傾斜角度θが異なっていてもよい。
自己形成光導波路13の延伸部13Bは、基材12表面に到達した自己形成光導波路13の第1傾斜部13Aおよび第2傾斜部13Cが屈曲して基材12表面に沿って延伸した部分である。第1傾斜部13Aからの延伸方向と第2傾斜部13Cからの延伸方向は、なるべく一致していることが望ましいが、10°程度の角度のずれであれば、十分に光結合させることができる。より望ましくは5°以下、さらに望ましくは3°以下の角度のずれである。
(実施例1の光部品の動作)
実施例1の光部品は、光増幅器として動作する。実施例1の光部品では、信号光を光ファイバー10のコア10Aから自己形成光導波路13を介して光ファイバー11のコア11Aへと伝搬させる。また、励起光を基材12に照射して、基材12中に励起光を伝搬させる。基材12中の希土類は励起光を吸収し、反転分布が形成される。ここで、自己形成光導波路13の延伸部13Bは、基材12と接しており、自己形成光導波路13を伝搬する信号光は基材12側にしみ出す。このしみ出した信号光は、基材12中の反転分布を形成した希土類イオンと相互作用する。その結果、信号光は増幅される。
実施例1の光部品は、光増幅器として動作する。実施例1の光部品では、信号光を光ファイバー10のコア10Aから自己形成光導波路13を介して光ファイバー11のコア11Aへと伝搬させる。また、励起光を基材12に照射して、基材12中に励起光を伝搬させる。基材12中の希土類は励起光を吸収し、反転分布が形成される。ここで、自己形成光導波路13の延伸部13Bは、基材12と接しており、自己形成光導波路13を伝搬する信号光は基材12側にしみ出す。このしみ出した信号光は、基材12中の反転分布を形成した希土類イオンと相互作用する。その結果、信号光は増幅される。
なお、励起光は、信号光と合波して光ファイバー10、11を伝搬させてもよい。励起光が基材12にしみ出して基材12に反転分布を形成することができるので、基材12に励起光を照射する場合と同様に信号光を増幅させることができる。
また、実施例1の光部品を共振器内に設け、実施例1の光部品を光が何度も往復するように構成することで、レーザー装置を構成することも可能である。
次に、実施例1の光部品の形成方法について、図3を参照に説明する。
まず、基材12の上方に、光ファイバー10、11の端部が位置するように配置する。また、光ファイバー10、11の軸方向が、基材12表面に対して傾斜するように配置する。また、光ファイバー10、11の光軸が一致するように、平面視で光ファイバー10、11の端部が対向するように配置する。光ファイバー10、11の端部がこのような姿勢となるように、図示しない治具を用いて固定する。そして、光ファイバー10の端部と光ファイバー11の端部との間に、液状の硬化前の光硬化性樹脂15を塗布する(図3(a)参照)。光硬化性樹脂15は、硬化後の屈折率が基材12の屈折率よりも高いものを用いる。
次に、レーザー装置からのレーザー光を光ファイバー10、11に入射して伝搬させ、光ファイバー10、11の端部から光ファイバー10、11の外部へと放射させる。レーザー光は、光ファイバー10、11に伝送させる信号光と同一波長とする。
光ファイバー10、11の端部から放射された光によって光硬化性樹脂15は硬化し、屈折率が上昇する。すると、屈折率の上昇によって光が集光される。また、硬化前後の屈折率差によって光は閉じ込められる。これを繰り返すことで、光硬化性樹脂15は、光ファイバー10、11のコア10A、10B端面から、光ファイバー10、11の軸方向に直線的に硬化していく。つまり自己形成光導波路13が成長していく。自己形成光導波路13は、基材12に到達するまで直線状に成長していくので、基材12表面に対して傾斜している。この傾斜部分がそれぞれ、自己形成光導波路13の第1傾斜部13A、第2傾斜部13Cとなる(図3(b)参照)。
自己形成光導波路13が成長して基材12に到達すると、その後は自己形成光導波路13は基材12表面に沿って成長する。これは、硬化後の光硬化性樹脂15の屈折率が、基材12の屈折率よりも高い値に設定されているため、基材12による光の反射により基材12表面に沿う方向に伝搬する光の強度が、光硬化性樹脂15の硬化に十分な強度となるためである。光ファイバー10側から基材12表面に沿って成長する自己形成光導波路13と、光ファイバー11側から基材12表面に沿って成長する自己形成光導波路13は、やがて重なり結合する。このようにして、自己形成光導波路13のうち、基材12表面に沿って延伸した部分である延伸部13Bが形成される(図3(c)参照)。
なお、実施例1では、光硬化性樹脂を硬化させるレーザー光の波長として、光ファイバー10、11に伝送させる信号光と同一波長の光を用いているが、異なる波長であってもよく、自己形成光導波路13を形成しやすいレーザー光の波長でよい。光ファイバー10側からの自己形成光導波路13の成長と、光ファイバー11側からの自己形成光導波路13の成長は同時に行う必要はなく、交互に成長させてもよい。
また、光ファイバー10側からの延伸部13Bと、光ファイバー11側からの延伸部の光軸が多少ずれていたとしても、延伸部13Bの光軸は自己整合的に傾斜していき、最終的には光軸を一致させて両者の延伸部を重なり合わせることができる。そのため、光ファイバー10、11の光軸について高度な位置合わせをする必要がない。
光ファイバー10側から延びる延伸部13Bと、光ファイバー11側から延びる延伸部13Bのそれぞれの長さは、互いに重なり合って結合するように十分な長さにする必要がある。その長さは以下のようにして制御することができる。第1に、光ファイバー10、11の軸方向が基材12表面に対して成す角度θである。角度θが大きいほど延伸部13Bが短くなり、角度θが小さいほど延伸部13Bが長くなる。第2に、光硬化性樹脂15の屈折率である。基材12の屈折率をn0、硬化前の光硬化性樹脂15の屈折率をn1、硬化後の光硬化性樹脂15の屈折率をn2として、n1<n0<n2とすれば、延伸部13Bは短くなる傾向にあり、角度θは小さくする必要がある。n0<n1<n2とすれば、延伸部13Bは長くなる傾向にあり、角度θは大きくすることができる。ただし、n0<n1<n2の場合、延伸部13Bが長くなると、延伸部13Bが基材12の上方に離れてしまったり、延伸部13Bと基材12との密着性が悪化してしまう場合がある点に留意する。また、n1<n0<n2の場合は、基材12に沿って密着性よく形成することができる。
その後、未硬化の光硬化性樹脂15を除去し、クラッド材となる光硬化性樹脂に置換し、そのクラッド材の光硬化性樹脂を硬化後、熱処理や光照射で全体を硬化する。もしくは、屈折率の異なる2種類以上の光硬化性樹脂15A、Bを混合して用い、一方の種類の光硬化性樹脂15Aを硬化させ、他方の種類の光硬化性樹脂15Bは硬化させない波長の光を用いて自己形成光導波路13を形成した後、他方の光硬化性樹脂15Bを硬化させる波長の光を照射してクラッドを形成する方法を用いてもよい。この場合、光硬化性樹脂を置換することなくクラッドを形成することができ、特に細い自己形成光導波路13の形成に好適である。以上によって実施例1の光部品を作製する。
以上、実施例1では、基材12表面に向かって傾斜して成長する自己形成光導波路13を基材12表面で自律的に屈曲させてその表面に沿って成長させることができる。そのため、光ファイバー10、11と基材12とが自己形成光導波路13を介して接続された構造を簡便に実現することができる。また、自己形成光導波路13から容易に光を取り出すことができ、光利得材料からなる基材12との相互作用によって容易に光増幅が可能となっている。また、基材12と自己形成光導波路13の延伸部13Bは接合しているため形状安定性が高く、光損失の低い導波路となっている。
次に、実施例1に関する実験結果について図4〜7を参照にして説明する。
基材12上方に光ファイバー10を配置し、基材12に対して斜め方向から光を照射して、基材12表面に沿って自己形成光導波路13が形成される条件を検討した。光ファイバー10はシングルモードファイバーを用い、基材12にはBK−7(屈折率n0=1.526)を用いた。また、波長457.5nmのレーザー光を用いた。レーザー光の出力、照射時間は、形成される自己形成光導波路13が等長に延びるように調整した。
また、4種類の異なる光硬化性樹脂を混合し、その混合比率を変えることで、屈折率の異なる材料A〜Fの6種類の材料を調製した。また、材料A〜Fの屈折率は、硬化前の屈折率をn1、硬化後の屈折率をn2として、条件(I)n1<n2<n0、条件(II)n1<n0<n2、条件(III)n0<n1<n2を満たすように作製した。具体的には、材料Fは条件(I)、材料C〜Eは条件(II)、材料A、Bは条件(III)を満たすように作製した。図4の表は、各材料A〜Fについて、レーザー光の波長(457.5nm)における、硬化前後の屈折率、および屈折率の条件分類を示している。
以上の6種類の材料をそれぞれ用い、基材12の上方に配置した光ファイバー10からレーザー光を基板に向けて照射し、自己形成光導波路13を形成した。光ファイバー10の角度は、基材12に対して、2°、4°、10°とした。
形成された自己形成光導波路13を顕微鏡により観察した。図5〜7は、撮影した自己形成光導波路13の写真である。図5は、光ファイバー10の基材12に対する傾斜角度θを10°とした場合、図6は、傾斜角度θを4°とした場合、図7は、傾斜角度θを2°とした場合である。なお、装置の都合により、基材12の真上からの観察となるため、自己形成光導波路13が屈曲しているかどうかを観察するために、自己形成光導波路13の形成後に光ファイバー10を水平方向にずらし、その状態で観察した。
観察の結果、屈折率の条件(I)〜(III)によって、自己形成光導波路13の形状には有意な差があることがわかった。
条件(I)n1<n2<n0を満たす場合には、光ファイバー10から基材12に到達するまでは直線状に自己形成光導波路13が成長するが、基材12に到達後はそこで自己形成光導波路13の成長が止まり、屈曲成長しなかった。これは、基材12の屈折率が硬化前後によらず光硬化性樹脂の屈折率よりも高いため、基材12に到達したレーザー光が基材12を透過してしまい、基材12の表面に平行な方向に光が向かわないためと考えられる。
条件(II)n1<n0<n2を満たす場合には、光ファイバー10から基材12に到達するまで直線状に自己形成光導波路13が成長し、基材12に到達後は屈曲成長し、基材12の表面に沿って直線状に自己形成光導波路13が成長した。これは、硬化後の光硬化性樹脂の屈折率が基材12の屈折率よりも高いため、基材12に到達したレーザー光は、基材12による反射と、樹脂硬化による閉じ込めによって基材12表面に平行な方向に伝搬し、屈曲しながら成長するためと考えられる。また、基材12に到達後は、自己形成光導波路13の線幅は次第に細くなっていき、ある長さで成長は停止した。これは、レーザー光が次第に基材12側へと漏れていくためであると考えられる。また、光ファイバー10の角度が大きくなるほど、自己形成光導波路13の基板表面に沿って成長する部分の長さが短くなることがわかった。
条件(III)n0<n1<n2を満たす場合には、光ファイバー10から基材12に到達するまで直線状に自己形成光導波路13が成長し、基材12に到達後は屈曲成長し、基材12の表面に沿って平行に直線状に自己形成光導波路13が成長した。このように屈曲成長する理由は、条件(II)の場合と同様であると考えられ、硬化後の光硬化性樹脂の屈折率が基材12の屈折率よりも高いためであると考えられる。ただし、基材12に到達した自己形成光導波路13は、しばらくの間は基材12表面に沿って延伸するが、次第に基材12から浮き上がるようにして成長していった。これは、レーザー光が基材12によって反射される作用が自己形成光導波路13の形成中に働くためであると考えられる。
以上の結果から、屈折率が条件(II)、(III)を満たすのであれば、自己形成光導波路13を基材12表面に沿って自律的に屈曲成長させることが可能であることがわかった。
図8は、実施例2の光部品である。実施例2の光部品は、図8のように、光ファイバー20〜23と、基材24と、自己形成光導波路25、26と、を有している。
基材24は、実施例1の基材12と同様に光利得材料からなり、光増幅媒体として機能する。基材24は基板27上に配置されており、上面が円筒状に湾曲したかまぼこ状の形状である。また、光ファイバー20〜23は、その端部が基板27上であって基材24の側面近傍に配置されている。また、光ファイバー20の端部と光ファイバー21の端部が、基材24を挟んで対向し、光ファイバー22の端部と光ファイバー23の端部が基材24を挟んで対向するように配置されている。また、その対向方向は、基材24上面の湾曲する方向と平面視において一致する方向である。
自己形成光導波路25、26は、光硬化性樹脂の硬化物からなる光導波路のコアである。自己形成光導波路25は、図8のように、光ファイバー20のコア端部からその軸方向に沿って基板27表面に平行に直線状に延び、基材24の湾曲した上面に到達する第1傾斜部25Aを有している。また、第1傾斜部25Aに連続し、基材24の湾曲した上面に沿って延伸する延伸部25Bを有している。さらに、光ファイバー21のコア端部からその軸方向に沿って基板27表面に平行に直線状に延び、基材24の湾曲した上面に到達して延伸部25Bに連続する第2傾斜部25Cを有している。第1傾斜部25A、第2傾斜部25Cは、その基材24上面に対して傾斜している。
自己形成光導波路26も自己形成光導波路25と同様の構造であり、光ファイバー22のコア端部から基板27表面に平行に直線状に延び、基材24の湾曲した上面に到達する第1傾斜部26Aと、第1傾斜部26Aに連続し、基材24の湾曲した上面に沿って延伸する延伸部26Bと、光ファイバー23のコア端部から基板27表面に平行に直線状に延び、基材24の湾曲した上面に到達して前記延伸部26Bに連続する第2傾斜部26Cを有している。
自己形成光導波路25、26の屈折率(硬化後の光硬化性樹脂の屈折率)は、基材24の屈折率よりも高い。ここで基材24の屈折率は、基材24が多層である場合には、自己形成光導波路25、26と接する層の屈折率である。このように屈折率を設定することで、自己形成光導波路25、26の延伸部25B、26Bを基材24上面に沿って形成することができる。硬化前の光硬化性樹脂の屈折率は、基材12の屈折率より高くても低くてもどちらでもよく、さらには等しくてもよいが、実施例1で述べたように、硬化前の屈折率によって延伸部25B、26Bの長さを制御することができる。
実施例2の光部品は、実施例1の光部品と同様に動作し、光増幅器として動作する。つまり、励起光を基材24に照射して、基材24中に励起光を伝搬させると、基材24中の希土類は励起光を吸収し、反転分布が形成される。ここで、自己形成光導波路25、26の延伸部25B、26Bは、基材24と接しており、自己形成光導波路25、26を伝搬する信号光は基材24側にしみ出す。このしみ出した信号光は、基材24中の反転分布を形成した希土類イオンと相互作用し、信号光は増幅される。
以上、実施例2の光部品では、実施例1の光部品と同様に、光ファイバー20、21と基材24とが自己形成光導波路25を介して、光ファイバー22、23と基材24とが自己形成光導波路26を介して接続された構造を簡便に実現することができる。また、基材24の上面が曲面となっており、その曲面に沿って自己形成光導波路25、26の延伸部25B、26Bが形成されているため、自己形成光導波路25、26からより容易に光を取り出すことができ、光利得材料からなる基材24との相互作用によって容易に光増幅が可能となっている。また、自己形成光導波路25、26の延伸部25B、26Bは、基材24と接合しているため形状安定性が高く、光損失の低い導波路となっている。
図9は、実施例3の光部品である。実施例3の光部品は、図9のように、光ファイバー30、31と、円柱状の基材32と、その基材32の円柱側面にらせん状に巻き付いた自己形成光導波路34と、を有している。
基材32は、実施例1の基材12と同様の光利得材料からなり、光増幅媒体として機能する。自己形成光導波路34は、光硬化性樹脂の硬化物からなる光導波路のコアである。自己形成光導波路34は、図9のように、基材32近傍に位置する光ファイバー30のコア端部からその軸方向に沿って直線状に延伸し、基材32の円柱側面に到達する第1傾斜部34Aを有している。また、第1傾斜部34Aに連続し、基材32の円柱側面に接し、その側面に沿ってらせん状に延伸する延伸部34Bを有している。さらに、基材32近傍に位置する光ファイバー31のコア端部からからその軸方向に沿って直線状に延伸し、基材32の円柱側面に到達して延伸部34Bに連続する第2傾斜部34Cを有している。第1傾斜部34A、第2傾斜部34Cは、その到達点における基材32の円柱側面に対して傾斜している。
自己形成光導波路34の屈折率(硬化後の光硬化性樹脂の屈折率)は、基材32の屈折率よりも高い。このように屈折率を設定することで、自己形成光導波路34の延伸部34Bを基材32の円柱側面に沿って形成することができる。硬化前の光硬化性樹脂の屈折率は、基材12の屈折率より高くても低くてもどちらでもよく、さらには等しくてもよいが、実施例1で述べたように、硬化前の屈折率によって延伸部34Bの長さを制御することができる。
実施例3の光部品は、実施例1、2の光部品と同様に、光増幅器として動作する。実施例3の光部品では、一方の光ファイバー30から他方の光ファイバー31へと信号光を伝搬させる。また、一方で、基材32の上面あるいは底面から、円柱の軸方向に励起光を照射して、基材32中に円柱の軸方向に励起光を伝搬させる。これにより、基材32中の希土類を励起して反転分布を形成する。ここで、自己形成光導波路34の延伸部34Bは、基材32と接しており、信号光は基材32側にしみ出す。このしみ出した信号光は、基材32中の反転分布を形成した希土類イオンと相互作用する。その結果、信号光は増幅される。
以上、実施例3の光部品では、実施例1の光部品と同様に、光ファイバー30、31と基材32とが自己形成光導波路34を介して接続された構造を簡便に実現することができる。また、自己形成光導波路34から容易に光を取り出すことができ、光利得材料からなる基材32との相互作用によって容易に光増幅が可能となっている。特に、円柱状の基材32の側面に、その側面に沿ってらせん状に自己形成光導波路34を形成することができ、基材32との接触距離を長くすることができるので、効率的に光を増幅することができる。また、自己形成光導波路34は基材32と接合しているため形状安定性が高く、光損失の低い導波路となっている。
(各種変形例)
なお、実施例1〜3では、基材として光利得材料を用いて光増幅器を構成していたが、任意の材料を用いることができ、無機材料でも有機材料でもよい。
なお、実施例1〜3では、基材として光利得材料を用いて光増幅器を構成していたが、任意の材料を用いることができ、無機材料でも有機材料でもよい。
たとえば、基材として光学活性材料を用いることで様々な機能の光部品を作製することができる。ここで光学活性材料は、光となんらかの相互作用をする材料である。実施例1〜3は、光学活性材料として光利得材料を用いた例である。他にもたとえば、基材として所定の化学物質に晒された場合に屈折率や吸収係数などが変化する材料を用いれば、ガスセンサー、イオンセンサーなどの化学センサーを構成することができる。また、電気光学効果を有するLiNbO3 や電気光学ポリマー薄膜などを用いれば、電界センサを構成することができる。また、発光材料を用いることで、自己形成光導波路の延伸部に沿ってライン状に発光する発光装置を実現することもできる。
また、自己形成光導波路と接合する基材の面を、実施例1では平面、実施例2、3では曲面としていたが、光ファイバーと接続する基材の表面形状は任意の形状でよく、基材自体の形状も任意でよい。特に、表面の少なくとも一部を曲面として、その曲面に沿って自己形成光導波路を形成すれば、自己形成光導波路から光を取り出すことがより容易となり、基材との相互作用がより容易となる。たとえば、湾曲させたフレキシブルフィルムの表面と自己形成光導波路が接合するようにもできる。また、円筒の表面(外周面)や内面(内周面)に、その内面に沿って円周状、らせん状の自己形成光導波路を接合するようにもできる。また、有機色素を含む材料などの加工が難しい材料や、結晶性の材料などの大面積基板の製造が難しい材料からなる基材にも、容易に光ファイバーを接続することができる。
また、実施例1では2つの光ファイバー10、11を用い、自己形成光導波路13を介して接続して一方の光ファイバー10から他方の光ファイバー11に光を伝搬させる構成としているが、光ファイバー10のみの1つとして、光ファイバー11、および自己形成光導波路13の第2傾斜部13Cを省き、自己形成光導波路13の延伸部13Bの端部にミラー14を設け、延伸部13Bの端部で反射させて光ファイバー10に信号光を戻す構成としてもよい(図10参照)。このような構造は、基材12上であって延伸部13Bの延伸方向上の位置にミラー14をあらかじめ設けた状態で、硬化前の光硬化性樹脂を光ファイバー10とミラー14との間に配置し、その後光ファイバー10から光を照射して光硬化性樹脂を硬化させ、ミラー14に到達するまで延伸部13Bを成長させることで作製することができる。実施例2、3についても、同様に光ファイバーを片側のみとして、端部で反射させて光ファイバーに信号光を戻す構成とすることができる。
実施例1〜3では、光ファイバー間を自己形成光導波路のみで接続しているが、自己形成光導波路の延伸部に光ファイバーや光導波路を挿入してもよい。たとえば、一方の光ファイバー側から延びる延伸部と他方の光ファイバー側から延びる延伸部とを、基材上の光ファイバーや光導波路を介して接続する構成としてもよい。
本発明の光部品は、光増幅器や発光装置の他、化学センサ、電界センサなどの各種センサに応用することができる。
10、11、20〜23、30、31:光ファイバー
12、24、32:基材
13、25、26、34:自己形成光導波路
13A、25A、26A、34A:第1傾斜部
13B、25B、26B、34B:延伸部
13C、25C、26C、34C:第2傾斜部
15:光硬化性樹脂
12、24、32:基材
13、25、26、34:自己形成光導波路
13A、25A、26A、34A:第1傾斜部
13B、25B、26B、34B:延伸部
13C、25C、26C、34C:第2傾斜部
15:光硬化性樹脂
Claims (16)
- 第1光ファイバーのコアの端部と、基材とが接続された光部品であって、
前記第1光ファイバーは、前記基材の上方にその端部が位置し、軸方向が前記基材の表面に対して傾斜しており、
前記第1光ファイバーのコア端面からその軸方向に延伸し、前記基材に到達する第1傾斜部と、前記第1傾斜部に連続し、前記基材表面に接しその表面に沿って延伸する延伸部と、を有し、硬化した光硬化性樹脂からなる自己形成光導波路を備え、
前記自己形成光導波路の屈折率は、前記基材の屈折率よりも高い、
ことを特徴とする光部品。 - 前記第1光ファイバーに対向する第2光ファイバーをさらに備え、
前記第2光ファイバーは、前記基材の上方にその端部が位置し、軸方向が前記基材の表面に対して傾斜しており、前記第1光ファイバーの端部と前記第2光ファイバーの端部とが、前記第1光ファイバーと前記第2光ファイバーの光軸が一致するように対向しており、
前記自己形成光導波路は、前記第2光ファイバーのコア端面からその軸方向に延伸し、前記基材に到達し、前記延伸部に連続する第2傾斜部を有する、
ことを特徴とする請求項1に記載の光部品。 - 前記延伸部の端部にミラーを有する、ことを特徴とする請求項1に記載の光部品。
- 前記基材の表面の少なくとも一部は曲面であり、前記自己形成光導波路の前記延伸部は、前記曲面に沿って延伸する、ことを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の光部品。
- 前記基材は円柱状または円筒状であり、前記延伸部は、円柱または円筒の側面に沿ってらせん状に形成されている、ことを特徴とする請求項4に記載の光部品。
- 前記基材は、光学活性材料からなる、ことを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載の光部品。
- 前記基材は、光利得材料からなる、ことを特徴とする請求項6に記載の光部品。
- 前記基材は、電気光学材料からなる、ことを特徴とする請求項6に記載の光部品。
- 第1光ファイバーのコアの端部と、基材とが接続された光部品の製造方法であって、
前記第1光ファイバーを、前記基材の上方にその端部が位置し、軸方向が前記基材の表面に対して傾斜するように配置し、
前記第1光ファイバーの端部と、前記基材との間に、硬化後の屈折率が前記基材の屈折率よりも高い光硬化性樹脂を配置し、
前記第1光ファイバーの端部から光を照射して前記光硬化性樹脂を硬化させて、前記第1光ファイバーのコア端面からその軸方向に延伸して、前記基材に到達する自己形成光導波路の第1傾斜部を成長させ、さらに前記基材に到達後、前記基材表面に沿って延伸する延伸部を成長させる、
ことを特徴とする光部品の製造方法。 - 前記第2光ファイバーを、前記基材の上方にその端部が位置し、軸方向が前記基材の表面に対して傾斜するように配置し、さらに前記第1光ファイバーの端部と前記第2光ファイバーの端部とが、前記第1光ファイバーと前記第2光ファイバーの光軸が一致するように対向して配置し、
前記光硬化性樹脂は、前記第2光ファイバーの端部と、前記基材との間にも配置し、
前記第2光ファイバーの端部から光を照射して前記光硬化性樹脂を硬化させて、前記第2光ファイバーのコア端面からその軸方向に延伸して、前記基材に到達する自己形成光導波路の第2傾斜部を成長させ、さらに前記基材に到達後、前記基材表面に沿って延伸させて前記延伸部と接続させる、
ことを特徴とする請求項9に記載の光部品の製造方法。 - 前記基材の表面上であって前記延伸部の延伸方向上の位置に、ミラーを配置し、
前記光硬化性樹脂は、前記第1光ファイバーの端部と、前記ミラーとの間に配置し、
前記延伸部は、前記ミラーに到達するまで延伸させる、
ことを特徴とする請求項9に記載の光部品の製造方法。 - 前記基材の表面の少なくとも一部は曲面であり、前記自己形成光導波路の前記延伸部は、前記曲面に沿って延伸させる、ことを特徴とする請求項9ないし請求項11のいずれか1項に記載の光部品の製造方法。
- 前記基材は円柱状または円筒状であり、前記延伸部は、円柱または円筒の側面に沿ってらせん状に延伸させる、ことを特徴とする請求項12に記載の光部品の製造方法。
- 前記基材は、光学活性材料からなる、ことを特徴とする請求項9ないし請求項13のいずれか1項に記載の光部品の製造方法。
- 前記基材は、光利得材料からなる、ことを特徴とする請求項14に記載の光部品の製造方法。
- 前記基材は、電気光学材料からなる、ことを特徴とする請求項14に記載の光部品の製造方法。
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