JP2020518867A - 光ファイバと連結されたナノワイヤの製造方法 - Google Patents
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Abstract
本発明は、光ファイバと連結されたナノワイヤの製造方法であって、ａ)ナノワイヤを形成する物質溶液をマイクロピペットに満たす段階と、ｂ)前記マイクロピペットを、前記光ファイバの一側端部に光ファイバの長手方向軸と前記マイクロピペットの長手方向軸とが一直線上になるように同軸整列する段階と、ｃ)前記ナノワイヤを形成する物質溶液のメニスカスを形成する段階と、ｄ)前記メニスカスが形成された状態のマイクロピペットを光ファイバと離れる方向に持ち上げながら、ナノワイヤを形成する物質溶液の溶媒を蒸発させてナノワイヤを製造する段階とを含み、選択的に、前記製造されたナノワイヤにレーザーを照射し、ナノワイヤの末端部の形状を制御する段階をさらに含む。【選択図】図２
Description
本発明は、光ファイバと連結されたナノワイヤの製造方法に関する。また、本発明は、この方法で製造されたナノワイヤを含む光センサーに関する。
光ファイバとは、中心部(コア)には、屈折率の高い材質を使用して、外側部分(クラッ
ド)は、屈折率の低い材質を使用し、中心部を通過する光が全反射が起こるようにした光
学繊維である。したがって、光ファイバは、伝送される光の損失が極めて少なく、送受信するデータの損失も低くて、外部の影響をほとんど受けないため、光通信及び光センサーなどの分野で広く利用されている。
ド)は、屈折率の低い材質を使用し、中心部を通過する光が全反射が起こるようにした光
学繊維である。したがって、光ファイバは、伝送される光の損失が極めて少なく、送受信するデータの損失も低くて、外部の影響をほとんど受けないため、光通信及び光センサーなどの分野で広く利用されている。
一方、光ファイバは、製造工程及び機能達成のために、直径が１００乃至１，０００μｍの大きさを有することが一般的である。直径の小さいものの中で標準品としてよく使用されるものは、コア径が１０μｍで、クラッド径が１２５μｍである。光ファイバ、特にコアの直径をこれよりも小さくすることは、製作工程に困難があって、容易ではない状況である。一方、ナノスケールの研究の必要性によって、光ファイバをナノスケールの研究、実験、装置などに利用するために、最近、様々な研究が進行されている。
例えば、光ファイバの末端にナノ径を有するナノワイヤを連結する方法が研究されている。光ファイバの末端にナノワイヤを連結するとき、光ファイバとナノワイヤをそれぞれ個別に製造した後、近接位置させる方法で連結する場合は、それらの連結点から大きな光損失が起こる可能性がある(Xin Guoら、Nano Lett.、2009年、9(12)、pp4515〜4519‘Direct Coupling of Plasmonic and Photonic Nanowires for Hybrid Nanophotonic Components and Circuits’)。図１は、このような光ファイバとナノワイヤをそれぞれ個別に製
造した後、連結したとき、それらの連結部から光散乱が起こり、光損失が大きいことを示す図面である。具体的に、ＺｎＯ棒の一端に光を注入した後、Ａｇ棒への光伝達を観察したとき、両棒の連結部から光が散乱されることを示す。
造した後、連結したとき、それらの連結部から光散乱が起こり、光損失が大きいことを示す図面である。具体的に、ＺｎＯ棒の一端に光を注入した後、Ａｇ棒への光伝達を観察したとき、両棒の連結部から光が散乱されることを示す。
本発明は、このような従来技術が解決できなかった、光ファイバとナノワイヤの連結部位から光散乱が起こる問題を解決するために、光ファイバの末端から、ナノワイヤを光伝送軸に整列されるように直接成長させることにより、光ファイバとナノワイヤの連結部(junction)における光損失を最小化する方法を提供することを目的とする。
また、本発明は、ナノワイヤの末端部の制御による光の受信、透過と反射を調節することを目的とする。
本発明は、光ファイバと連結されたナノワイヤの製造方法であって、本発明によるナノワイヤは、ａ)ナノワイヤを形成する物質溶液をマイクロピペットに満たし；ｂ)前記マイクロピペットを、前記光ファイバの一側端部に、光ファイバの長手方向軸と前記マイクロピペットの長手方向軸とが一直線上になるように、同軸整列して；ｃ)前記同軸整列され
た状態で、ナノワイヤを形成する物質溶液のメニスカスを形成し；ｄ)前記メニスカスが
形成された状態のマイクロピペットを光ファイバと離れる方向に持ち上げながら、ナノワイヤを形成する物質溶液の溶媒を蒸発させてナノワイヤを製造することができる。
た状態で、ナノワイヤを形成する物質溶液のメニスカスを形成し；ｄ)前記メニスカスが
形成された状態のマイクロピペットを光ファイバと離れる方向に持ち上げながら、ナノワイヤを形成する物質溶液の溶媒を蒸発させてナノワイヤを製造することができる。
好ましくは、本発明によるナノワイヤは、前記製造されたナノワイヤにレーザーを照射し、ナノワイヤの末端部の形状を制御する段階をさらに含んで製造することができる。
好ましくは、前記光ファイバは、テーパード状であり、末端の直径が０．２μｍ以下である。
好ましくは、前記光ファイバ末端の直径は、マイクロピペットの直径より小さい。
好ましくは、前記マイクロピペットを、前記光ファイバの一側端部に、光ファイバの長手方向軸と前記マイクロピペットの長手方向軸とが一直線上になるように、同軸整列する段階は、ｘ軸とｙ軸に位置した光学レンズを利用して整列する。
好ましくは、前記光ファイバと連結されたナノワイヤは、光カップリング効率が８４％以上である。
また、本発明は、光ファイバ；及び本発明によって製造された光ファイバと連結されたナノワイヤを含む光センサーに関する。
好ましくは、前記光センサーは、前記光ファイバからナノワイヤ方向に光を受信する。
好ましくは、前記光センサーは、前記ナノワイヤから光ファイバ方向に光を受信する。
好ましくは、前記光センサーは、前記光ファイバからナノワイヤ方向に光を送信し、逆方向に光を受信する。
本発明によって製造された光ファイバと連結されたナノワイヤは、光ファイバとの連結部の光損失がないか、最小限に存在する。
本発明によって製造された光ファイバと連結されたナノワイヤは、ナノワイヤの末端部の制御を通じて、光ファイバからナノワイヤ方向への光の送受信だけではなく、ナノワイヤから光ファイバ方向への光の送受信にも最適化されている。
本発明で使用されるすべての技術用語は、特に定義しない以上、下記の定義を有し、本発明の関連分野で通常の当業者が一般に理解するような意味に合致される。また、本明細書には、好ましい方法や試料が記載されるが、これと類似または同等のものも本発明の範疇に含まれる。
本発明で使用される用語‘メニスカス(meniscus)’は、界面張力によって管中の液面がなす曲面を意味する。液体の性質によって、液面が凹面または凸面になる。
本発明は、光ファイバと連結されたナノワイヤの製造方法であって、具体的には、ａ)
ナノワイヤを形成する物質溶液をマイクロピペットに満たす段階と、ｂ)前記マイクロピ
ペットを、前記光ファイバの一側端部に、光ファイバの長手方向軸と前記マイクロピペットの長手方向軸とが一直線上になるように、同軸整列する段階と、ｃ)前記同軸整列され
た状態で、ナノワイヤを形成する物質溶液のメニスカスを形成する段階と、ｄ)前記メニ
スカスが形成された状態のマイクロピペットを光ファイバと離れる方向に持ち上げながら、ナノワイヤを形成する物質溶液の溶媒を蒸発させてナノワイヤを製造する段階と、を含む。以下、各段階について具体的に検討する。
ナノワイヤを形成する物質溶液をマイクロピペットに満たす段階と、ｂ)前記マイクロピ
ペットを、前記光ファイバの一側端部に、光ファイバの長手方向軸と前記マイクロピペットの長手方向軸とが一直線上になるように、同軸整列する段階と、ｃ)前記同軸整列され
た状態で、ナノワイヤを形成する物質溶液のメニスカスを形成する段階と、ｄ)前記メニ
スカスが形成された状態のマイクロピペットを光ファイバと離れる方向に持ち上げながら、ナノワイヤを形成する物質溶液の溶媒を蒸発させてナノワイヤを製造する段階と、を含む。以下、各段階について具体的に検討する。
まず、ナノワイヤを形成する物質溶液をマイクロピペットに満たす段階(段階ａ)である。
ナノワイヤを形成する物質溶液は、メニスカスを形成できるあらゆる物質を含み、ほとんどの有機物を含む。具体的には、ポリスチレン、ポリメタクリル酸メチル、ポリカーボネートを使用することができて、ＣＹＴＯＰ(amorphous fluoropolymer)などのペルフル
オロ化合物(PFCs; Perfluorinated compounds)も使用できる。また、有機導電性高分子(
π-共役ポリマー)も使用することができ、これは、化学的ドーピングを通じて電気的、光学的特性を自由に調節できる特性がある。ナノワイヤを形成する物質溶液の溶媒は、蒸発性のよい物質を使用することができ、例えば、キシレン、クロロベンゼン、トルエンなどからなる群から選択された１種以上を使用することができる。
オロ化合物(PFCs; Perfluorinated compounds)も使用できる。また、有機導電性高分子(
π-共役ポリマー)も使用することができ、これは、化学的ドーピングを通じて電気的、光学的特性を自由に調節できる特性がある。ナノワイヤを形成する物質溶液の溶媒は、蒸発性のよい物質を使用することができ、例えば、キシレン、クロロベンゼン、トルエンなどからなる群から選択された１種以上を使用することができる。
マイクロピペットは、ピペットプラーを使用して、所望の直径に製造することができて、または市販のマイクロピペットを利用することもできる。マイクロピペットの直径は、光ファイバの末端部の直径より大きいものが好ましく、例えば、０．２μｍ以上である。したがって、ナノワイヤが光ファイバを包み込む形で製造されることによって、光損失を最小限に抑えることができる。すなわち、本発明に使用可能なマイクロピペットは、光ファイバの末端部の直径より大きいながらメニスカスを形成することができれば、マイクロピペットの種類、形態などに制限なく使用可能である。
次に、前記マイクロピペットを、前記光ファイバの一側端部に、光ファイバの長手方向軸と前記マイクロピペットの長手方向軸とが一直線上になるように、同軸整列する段階(
段階ｂ)である。
段階ｂ)である。
本発明で使用される光ファイバは、ナノワイヤと接する部分がテーパード(tapered)さ
れた形状、即ち、狭まる形状を有する光ファイバを使用することが好ましい。一般に使用されるコア/クラッドを有する光ファイバの直径は、１００μｍ以上であるため、ナノワ
イヤと効率的に接するようにするために、光ファイバの一側端部をテーパリングして、直径を０．２μｍ以下、好ましくは、０．１μｍ以下に鋭くすることが好ましい。
れた形状、即ち、狭まる形状を有する光ファイバを使用することが好ましい。一般に使用されるコア/クラッドを有する光ファイバの直径は、１００μｍ以上であるため、ナノワ
イヤと効率的に接するようにするために、光ファイバの一側端部をテーパリングして、直径を０．２μｍ以下、好ましくは、０．１μｍ以下に鋭くすることが好ましい。
図２は、マイクロピペットを、光ファイバのテーパードされた末端に、光ファイバの長手方向軸と前記マイクロピペットの長手方向軸とが一直線上になるように、同軸整列することを示す。前記テーパードされた光ファイバの長手方向軸とマイクロピペットの長手方向軸とを同軸に整列するためには、二つの光学レンズを用いて、それぞれｘ軸とｙ軸に整列することが好ましい。一つの光学レンズだけを利用する場合は、他の方向から発生する誤差により、同軸に合わせて整列することが難しく、マイクロピペットを用いて成長させるナノワイヤも、同軸に整列されて成長できなくなって、結局、テーパードされた光ファイバとナノワイヤとの光伝達損失が大きくなる。同軸整列のためには、ｘ軸とｙ軸の光学レンズを互いに垂直になるように位置させることが好ましい。同軸整列されたマイクロピペットを用いて、テーパードされた光ファイバの端部に合わせてナノワイヤを同軸に成長させることにより、光損失を最小限に抑えることができる。
次に、前記同軸整列された状態で、ナノワイヤを形成する物質溶液のメニスカスを形成する段階(段階ｃ)である。ナノワイヤを形成する物質溶液のメニスカスを形成するように、ナノワイヤを形成する物質溶液が満たされたマイクロピペットを、光ファイバの一側端部と離隔させる。
次に、前記メニスカスの形成された状態のマイクロピペットを光ファイバと離れる方向に持ち上げ、ナノワイヤを形成する物質溶液の溶媒を蒸発させてナノワイヤを製造する段階(段階ｄ)である。具体的に、マイクロピペットを、ナノワイヤを形成する物質溶液のメニスカスが誘導できるくらいに、マイクロピペットと形成されるナノワイヤ間の間隔を維持しながら、光ファイバと離れる方向にマイクロピペットを持ち上げる場合、内部の液体が速やかに蒸発しつつ、溶解されている物質が凝固されて柱状をなすようになる。マイクロピペットは、光ファイバの長手方向軸、即ち、光学レンズを用いて、ｘ軸及びｙ軸と直角をなす方向(ｚ軸)に持ち上げられることが好ましい。ここで、光学レンズは、それぞれｘ軸とｙ軸に配列される。持ち上げる速度(引出速度)は、ナノワイヤを形成する物質溶液の種類及び濃度によって調節することができる。
さらに、本発明による光ファイバと連結されたナノワイヤの製造方法は、前記製造されたナノワイヤにレーザーを照射して、ナノワイヤの末端部の形状を制御する段階(段階ｅ)をさらに含むことができる。この場合は、ａ)ナノワイヤを形成する物質溶液をマイクロ
ピペットに満たす段階と、ｂ)前記マイクロピペットを、前記光ファイバの一側端部に、
光ファイバの長手方向軸と前記マイクロピペットの長手方向軸とが一直線上になるように、同軸整列する段階と、ｃ)前記同軸整列された状態で、ナノワイヤを形成する物質溶液
のメニスカスを形成する段階と、ｄ)前記メニスカスが形成された状態のマイクロピペッ
トを光ファイバと離れる方向に持ち上げながら、ナノワイヤを形成する物質溶液の溶媒を蒸発させてナノワイヤを製造する段階と、ｅ)前記製造されたナノワイヤにレーザーを照
射し、ナノワイヤの末端部の形状を制御する段階と、によって光ファイバと連結されたナノワイヤを製造することができる。
ピペットに満たす段階と、ｂ)前記マイクロピペットを、前記光ファイバの一側端部に、
光ファイバの長手方向軸と前記マイクロピペットの長手方向軸とが一直線上になるように、同軸整列する段階と、ｃ)前記同軸整列された状態で、ナノワイヤを形成する物質溶液
のメニスカスを形成する段階と、ｄ)前記メニスカスが形成された状態のマイクロピペッ
トを光ファイバと離れる方向に持ち上げながら、ナノワイヤを形成する物質溶液の溶媒を蒸発させてナノワイヤを製造する段階と、ｅ)前記製造されたナノワイヤにレーザーを照
射し、ナノワイヤの末端部の形状を制御する段階と、によって光ファイバと連結されたナノワイヤを製造することができる。
ナノワイヤの末端部の形状によって、光の反射及び透過の程度を決定することができる。したがって、光受信及び光検出などの再現性及び信頼度を高めるために、これを制御することが好ましい。特に、ナノワイヤの末端部の形状制御は、外部でナノワイヤ末端部を通じて光を受信するとき、受信される光の強度と指向性を決定するため、非常に重要である。図３は、本発明によって、レーザーで制御するナノワイヤの末端部の形状の例を示す。
また、図４の(ａ)及び(ｂ)は、本発明によってナノワイヤ末端部の形状を制御したナノワイヤを示し、図４の(ｃ)は、図４の(ａ)及び(ｂ)の光受信を比較するグラフである。図４の(ｂ)のナノワイヤは、図４の(ａ)のナノワイヤに比べて、切断面を鋭く製造したこと
が特徴である。これに対し、ナノワイヤと連結されていない光ファイバの他の一端で同一な光を導波した場合の、反射されて戻ってくる光の強度を測定し、図４の(ｃ)に示した。先端を鋭くした図４の(ｂ)のナノワイヤは、図４の(ａ)のナノワイヤに比べて、１／４水準の低い光だけが反射されて戻ってくることが分かり、図４(ｂ)の写真のように、ナノワイヤの端部から透過されて出ることを観察することができる。即ち、ナノワイヤの末端部の形状を制御して、光の反射及び透過を決定することができる。
が特徴である。これに対し、ナノワイヤと連結されていない光ファイバの他の一端で同一な光を導波した場合の、反射されて戻ってくる光の強度を測定し、図４の(ｃ)に示した。先端を鋭くした図４の(ｂ)のナノワイヤは、図４の(ａ)のナノワイヤに比べて、１／４水準の低い光だけが反射されて戻ってくることが分かり、図４(ｂ)の写真のように、ナノワイヤの端部から透過されて出ることを観察することができる。即ち、ナノワイヤの末端部の形状を制御して、光の反射及び透過を決定することができる。
図５は、ナノワイヤの製造工程を全体的に示す図である。
また、本発明は、光ファイバと、本発明によって製造された光ファイバと連結されたナノワイヤと、を含む光センサーに関する。
本発明による前記光センサーは、前記光ファイバからナノワイヤ方向に光を送信するか、前記ナノワイヤから光ファイバ方向に光を受信することができる。または、光ファイバからナノワイヤ方向に光を送信した後、これを再び受信する形であってもよい。
本発明によって製造された前記光ファイバと連結されたナノワイヤは、光カップリング効率が８４％以上である。カップリング効率は、ナノワイヤ末端における光学電力と、ナノワイヤを含まない光ファイバの末端における光学電力間の比率で定義される。
図６の(ａ)は、３５０ｎｍのナノワイヤ直径を有する導波管プローブのＦＥ−ＳＥＭイメージ(サイズバー、５μｍ)を示し、挿入された図は、テーパード光ファイバと同軸整列されたナノワイヤの連結部のＦＥ−ＳＥＭイメージ(サイズバー、１μｍ)を示す。図６の(ｂ)は、光ファイバと連結されたナノワイヤの光学顕微鏡写真(ＯＭ)を示し、図６の(ｃ)は、光ファイバと連結されたナノワイヤのフォトルミネセンス(PL)顕微鏡を示す。図６から分かるように、ナノワイヤとテーパード光ファイバとの間のスーパースムーズジャンクションによって、連結部(ジャンクション)から光散乱がほとんど起こらず(黄色点線円)、連結部において高いカップリング効率性を示す(サイズバー、２０μｍ)。これは、一般に、テーパード光ファイバの末端部にナノワイヤが付着される場合、一定量の散乱現象が発生するのと比較される。
図７は、入力レーザー電力の関数であって、カップリング効率を示し、カップリング効率(ダイヤモンド表示)は、本発明によるナノワイヤ末端(四角表示)における光学電力と、ナノワイヤを含まない光ファイバ(先端部分がテーパードされた光ファイバ)の末端(点表
示)における光学電力間の比率で定義される。本発明によって製造された、光ファイバと
連結されたナノワイヤの光カップリングは、本発明でテストされた入力レーザーの全体電力に対して８４％以上のカップリング効率を有するように(図７、ダイヤモンド表示)、有意に改善された。ここで、カップリング効率は、本発明によるナノワイヤ末端における光電力(図７、四角表示)と、ナノワイヤを含まない光ファイバの末端における光電力(図７
、点表示)間の比率で定められる。高いカップリング効率は、ナノワイヤ末端において、
入力レーザー光出力を約１ｎＷ乃至３ｎＷ、好ましくは、最大約１ｎＷまで有意に減少させることができ、これは、ナノワイヤのフォトルミネセンス(PL)を検出するに十分である。
示)における光学電力間の比率で定義される。本発明によって製造された、光ファイバと
連結されたナノワイヤの光カップリングは、本発明でテストされた入力レーザーの全体電力に対して８４％以上のカップリング効率を有するように(図７、ダイヤモンド表示)、有意に改善された。ここで、カップリング効率は、本発明によるナノワイヤ末端における光電力(図７、四角表示)と、ナノワイヤを含まない光ファイバの末端における光電力(図７
、点表示)間の比率で定められる。高いカップリング効率は、ナノワイヤ末端において、
入力レーザー光出力を約１ｎＷ乃至３ｎＷ、好ましくは、最大約１ｎＷまで有意に減少させることができ、これは、ナノワイヤのフォトルミネセンス(PL)を検出するに十分である。
Claims (10)
- 光ファイバと連結されたナノワイヤの製造方法であって、
ａ)ナノワイヤを形成する物質溶液をマイクロピペットに満たす段階と、
ｂ)前記マイクロピペットを、前記光ファイバの一側端部に、光ファイバの長手方向軸
と前記マイクロピペットの長手方向軸とが一直線上になるように、同軸整列する段階と、
ｃ)前記同軸整列された状態で、ナノワイヤを形成する物質溶液のメニスカスを形成す
る段階と、
ｄ)前記メニスカスが形成された状態のマイクロピペットを光ファイバと離れる方向に
持ち上げながら、ナノワイヤを形成する物質溶液の溶媒を蒸発させてナノワイヤを製造する段階と、
を含む、光ファイバと連結されたナノワイヤの製造方法。 - 前記製造方法は、前記ｄ)段階の後、前記製造されたナノワイヤにレーザーを照射し、
ナノワイヤの末端部の形状を制御する段階をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の光ファイバと連結されたナノワイヤの製造方法。 - 前記光ファイバは、テーパード状であり、光ファイバ末端の直径が０．２μｍ以下であることを特徴とする、請求項１に記載の光ファイバと連結されたナノワイヤの製造方法。
- 前記光ファイバ末端の直径は、マイクロピペットの直径より小さいことを特徴とする、請求項１に記載の光ファイバと連結されたナノワイヤの製造方法。
- 前記マイクロピペットを、前記光ファイバの一側端部に、光ファイバの長手方向軸と前記マイクロピペットの長手方向軸とが一直線上になるように、同軸整列する段階は、ｘ軸とｙ軸に位置した光学レンズを利用することを特徴とする、請求項１に記載の光ファイバと連結されたナノワイヤの製造方法。
- 前記光ファイバと連結されたナノワイヤは、光カップリング効率が８４％以上であることを特徴とする、請求項１に記載の光ファイバと連結されたナノワイヤの製造方法。
- 光ファイバと、
第１項乃至第６項のいずれかに記載の方法によって製造された前記光ファイバと連結されたナノワイヤと、を含む光センサー。 - 前記光センサーは、前記光ファイバからナノワイヤ方向に光を受信することを特徴とする、請求項７に記載の光センサー。
- 前記光センサーは、前記ナノワイヤから光ファイバ方向に光を受信することを特徴とする、請求項７に記載の光センサー。
- 前記光センサーは、前記光ファイバからナノワイヤ方向に光を送信し、逆方向に光を受信することを特徴とする、請求項７に記載の光センサー。
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