JP3443124B2 - ファイバを集積したフォトニック結晶およびそのシステム - Google Patents

ファイバを集積したフォトニック結晶およびそのシステム

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    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F2202/00—Materials and properties
    • G02F2202/32—Photonic crystals

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の分野 本発明は、光ファイバの内部および表面においてじか
に形成され、そして光ファイバの光路長の中にじかに置
かれたフォトニック結晶を含む光学的処理システムに関
する。
従来の技術 フォトニック結晶を、波長に依存するフィルタ、ビー
ムスプリッタ、ミラー成分、そして直角の導波管として
使用することはよく知られている。ここにその例を挙げ
る:A.Mekis他の、「フォトニック結晶を用いた導波管に
おけるシャープベンドの高透過性（High Transmission
Through Sharp Bends in Photonic Crystal Wa
veguides）」,Physical Review Letters,Vol.77,No.1
8,1996年10月28日,pp.3787−3790、およびH.W.P.Koops
の、「高密度集積オプティクスに使用可能な３次元加法
リソグラフィーによるフォトニック結晶（Photonic Cr
ystals Build by ３−Dimensional Additive Lith
ography Enable Integrated Optics of High Den
sity）」,Photorefractive Fiber and Crystal Dev
ices;Materials,Optical Properties,and Applicatio
nsII,（F.T.S.Yu,S.Yen,編集）Proceedings Society
Photographic and Instrumentation Engineering,Vo
l.2849,1966年８月,pp.248−256。フォトニック結晶
は、数多くの波長を含む範囲のなかで、それぞれに２つ
の主要なディメンジョンがあって、マイクロ加工技術を
用いて製造されるので、フォトニック結晶を使用した光
学的処理システムは、サイズが小型になり、そのために
非常に高いビット密度と高いデータ処理レートを付与す
ることが可能になる。
すでにKoopsが明記（前記の文献）しているように、
主要な欠点は、導波管とフォトニック結晶の間で光を結
合させることに無理がある問題であった。
発明の説明 本発明の目的は、導波管とフォトニック結晶の間にお
いて光をじかに結合させること、最小の損失をもって光
学信号を操作できる光学信号処理装置の提供、付随する
装置を最小にして実施される光学信号処理、そして超小
形で実施できる集積式の光学信号処理システムを包含す
る。
本発明によればフォトニック結晶は、光ファイバの内
部にある光路長の中にじかに置かれ、そのためにファイ
バによって形成される光導波管とフォトニック結晶によ
って形成される光学信号処理装置の間で光がじかに結合
される。発明の１つの態様によれば、光ファイバの外側
の縁から、ファイバの重要な部分を通ってファイバコア
の中まで、そしてこれを越えるまでスリットまたは溝状
の切込みを入れ、そしてその空間に光学結晶を挿入する
方法があり、その結果、結晶は、光ファイバ内を伝搬し
てくる光を、光路内でじかに見出すことができる。
最初に発明を実施する場合には、フォトニック結晶
を、誘電性の柱状体から形成することを優先するが、例
えば、３次元加法リソグラフィーを用いて、定められた
幾何学的モデルの中に形成すると、これが結果的にフォ
トニック結晶装置の定格出力、波長およびバンド幅を定
めることになる。発明の他の態様によれば、フォトニッ
ク結晶が、光ファイバの中にじかに置かれ、期待される
効果と波長が依存するフォトニック結晶モデルには、実
際にシリンダ状のコラム形をしたホールが、じかに光フ
ァイバの内部に達するまで、しかも外側の縁から、ファ
イバの重要な部分を通ってファイバコアの中に至るま
で、そしてこれを越えるまで入った穿孔によって加工さ
れる。
本発明によると、光ファイバの中にある溝状の切込み
の中に形成されている誘電性柱状体の間の中間空所に
は、非線形の光学材料が含有されており、その誘電率が
電気的または光学的に制御できるために、波長に関して
制御可能なフォトニック結晶が得られるが、例えば、選
択的に作動されるスイッチとして使用できる。
そのほかに本発明によれば、光ファイバの中で、フォ
トニック結晶を、別のフォトニック結晶と併用するか、
または他の光学装置と共に使用することによって、ミク
ロ系光学システムをじかにファイバ内に形成させること
ができる。さらに発明によれば、光ファイバ内にじかに
形成されたフォトニック結晶は、光電効果的な素子を、
例えば、光伝導層を併置して光学的処理システムからの
電気出力信号をファイバを通して伝えることができる。
ファイバ上に設置したレンズは、ファイバを集積したフ
ォトニック結晶から出入する光の伝搬を目的として使用
することができる。
本発明の他の目的、とくに発明の特徴と長所は、以下
に挙げるように本発明を実行するための実施例の説明お
よび添付の図面を用いて明らかにされるだろう。
図面の簡単な説明 図１は、Ｄプロファイルを持つ光ファイバの中に溝状
の切込みを設けた狭帯域フィルタの斜視図である。フォ
トニック結晶は、３次元加法リソグラフィーを使用して
形成された誘電性柱状体を包含する。
図２は、実質的なシリンダ状のホールをじかに光ファ
イバに加工することによってフォトニック結晶を形成さ
せた狭帯域フィルタの斜視図である。
図３は、電気的に変化することができる１つのフォト
ニック結晶を内部に備えた丸型の光ファイバを端部から
見た図である。
図４は、図３に記載した丸型の光ファイバおよびフォ
トニック結晶を側面から見た図である。
図５は、ファイバの周囲に１つのレンズを付けた光フ
ァイバの中にあるフォトニック結晶を上面から見た図で
ある。
図６は、ファイバの周囲に光電効果層を置いた光ファ
イバの中にあるフォトニック結晶を上面から見た図であ
る。
図７は、いくつかのフォトニック結晶およびその他の
素子、例えば、１つの光電効果層および屈折率が均等な
１つのフィルムをその内部に形成する光ファイバの斜視
図である。
発明を実施する方法 図1: ファイバコア14がある光ファイバ13に、溝状の切込み
12を設けてフォトニック結晶11を形成する。フォトニッ
ク結晶11は、いくつかの誘電性柱状体16を含み、この場
合は欠所が１つある直角マトリックスとして配置されて
いるが、ここで図の中央部17には誘電性柱状体の１つが
欠けている。図のように配列されたフォトニック結晶11
には、狭帯域フィルタが含まれる。一般的にみて誘電性
柱状体16の間の中間空所は、強度を高くする要望に応じ
てアモルファスまたは微結晶性のポリマーでバッキング
されるが、本発明においては、強度を要望する場合で
も、バッキングなしで実用化することもできる。溝状の
切込み12は、ファイバ13の長さ方向に数マイクロメート
ルにわたって伸びている。切込みを入れたファイバは、
リソグラフィー、乾式もしくは湿式のエッチング技術の
使用またはレーザ切除もしくはイオン切除によって製造
することができる。図１の光ファイバ13においてはＤプ
ロファイルを持つファイバが重要であり、このとき光
は、単一モードコア14を通して直線の表面付近を伝搬す
るが、ここで本来のＤプロファイル型ファイバは、材料
の除去を容易にして溝状の切込みが適切に形成できるよ
うにすることができる。
図2: 他の方法で本発明を実施するときに、光ファイバ13の
中でじかにフォトニック結晶11を形成させるが、これは
定められた幾何学的なモデルであり、実質的にシリンダ
状のホール20のいくつかを、光ファイバ材料の中に穿孔
して入れることによって行う。図２に示されるフォトニ
ック結晶11は、狭帯域フィルタであり（図１の狭帯域フ
ィルタに類似する）、このとき欠所を置いてマトリック
スの中央部17にホールが存在しないようにする。このよ
うに本発明によれば、フォトニック結晶を、じかに光フ
ァイバの中に位置付けして、発明に関して実施される方
法に関しては重要な意味を含まないようにしている。
図３および図4: フォトニック結晶22は、丸型の光ファイバ23の中に置
かれている。フォトニック結晶22は、溝状の切込み27
（図１に同じ）に置かれ、このとき誘電性柱状体29の間
にある中間空所28の一部または全部が、非線形の光学材
料によって充填されている。フォトニック結晶22が形成
される前面の、溝状の切込み27の底部に導電層32が設け
られ、この層は、実質的にフォトニック結晶22が挿入さ
れている全領域にわたって伸びている。非線形光学材料
を充填した後に、さらに他の導電層33を設ける。これら
の層32および33の外側の端に接触点34を設け、この点に
ワイヤボンディング技術によって製作された電気接続ワ
イヤ35を付けることができる。導電層32、33の間の電場
が変化することによって、光学的性質、とくにフォトニ
ック結晶22の種々の部分の屈折率が変わり、そのために
装置の定格出力または臨界波長が変化するが、これは、
1995年11月10日のドイツ特許出願195 42 058.6に開示
されるとおりである。さらに図３および図４から見られ
るように、本発明は、フォトニック結晶をじかに光ファ
イバに入れて、丸型の光ファイバ、並びにＤプロファイ
ルを有する光ファイバを用いて実用に供するものであ
る。
電極と可変電圧を用いて非線形光学材料を調節する代
わりに、非線形光学材料に外部の光源から光を入射させ
ることによってもできるが、これは発明者が以前に時を
同じくして行った提案に見られるようにレンズを使用す
るか、または光学材料を、コアに平行に、そして光ファ
イバのコアの外側に置いて照明することによって実施す
ることができ、これは光ポンプレーザの場合のようによ
く知られた方法によって行われる。
図5: コア43を有する光ファイバ42の中に、溝状の切込み41
を設けてフォトニック結晶40を形成させる。フォトニッ
ク結晶40には種々の屈折率を持ったコラム45が含まれ、
このコラムには、誘電性柱状体（図１の16）またはホー
ル（図２の20）が包含されて図では中空の円として表示
されている。欠所は、図５において斜線を引いた円46の
形として表される。図５のモデルは、特別な機能を示し
ているものではなく、単に一般的なフォトニック結晶を
表わしている。しかし、このようなモデルが呈示される
と、降下関数（または、光学的構成素子に可逆性がある
ために増加関数とも呼ばれる）が使用されて、光がある
定められた周波数ｉをもって直角の方向をなすように制
御され、光ファイバ42の側面にじかに置かれているレン
ズ48を通して放出され、しかもドライラッカー法が使用
されているが、この方法は、1995年８月30日のドイツ特
許出願195 31 860.9に開示されるか、または1997年３
月29日のドイツ特許出願197 13 374.6、または1997年
12月18日出願の米国特許出願第08/883,066号に記載され
ている。レンズ48を通してフォトニック結晶40から選択
的に放出された光（または、結晶に入射する光）は、別
の光ファイバの側面にある同じようなレンズを通して、
他の光ファイバに導かれるか、または光ファイバの端部
または類似の箇所に焦点を結ぶ。フォトニック結晶によ
って処理される光の利用法については、本願が重要とす
る問題ではなく、本発明に重要な問題としては、光ファ
イバにじかに置くフォトニック結晶の位置付けが関係す
る。
図6: そのほかにフォトニック結晶を処理して得られた光を
利用する方法として、光ファイバ42の縁に設けられた光
伝導層50が含まれるが、これは電気的に接触点51と接続
し、その上にワイヤボンド技術によって製作された電気
接続ワイヤを設けることができる。このようにして光伝
導層50から電気信号が発せられて、フォトニック結晶40
から引き出される波長に強度を与えることになり、これ
は1996年３月24日のドイツ特許出願196 21 175.1に開
示されたとおりである。
図7: Ｄプロファイル556およびその中にコア57を含む光フ
ァイバにおいて、いくつかのフォトニック結晶58、59、
並びに１つの光伝導層60が、光ファイバ56の内部にある
光路にじかに備え付けられている。この場合、光伝導層
60は、ファイバに残留する光の強さを測定するために使
用される。図７において、層60に対する電気的接続は、
発明の概要を、よりよく明らかにするために省略してあ
る。より重要なことは、追加した層またはフォトニック
柱状体材料からなる層61を、例えば、適度にドーピング
した適切なポリマー、特殊な減衰機能または減少機能、
とくに屈折率が適合する材料を使用することにより、フ
ァイバと結晶の接合点で生じる反射現象を減少させるこ
とにある。このような層は、結晶の背後（層60が図示さ
れている箇所）または結晶の間にも置くとができる。本
発明においては、フォトニック結晶は、個々にまたは他
のフォトニック結晶もしくは光学素子もしくはオプトエ
レクトロニクス素子または層と組み合わせて、光ファイ
バの内部にじかに置かれ、発明は、非常に複雑な方法で
あるが、このような２つまたはそれ以上のファイバから
なる光学装置を提供することによって組み立てられ、フ
ァイバ間で光を結合させ、そして特定の場合には、光を
分離したまま次の処理を行い、その後で結合させること
ができる。ほかの方法で表現すると、本発明は、ファイ
バ光学の内部にフォトニック結晶を使用して、非常に複
雑な形状をした超小形光学システムを形成する方法を提
供するものである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ Ｇ０２Ｆ 1/377 Ｇ０２Ｂ 6/12 Ｚ Ｎ (72)発明者 クープス，ハンス，ダブリュ．，ピー. ドイツ．デー―64372 オーバー―ラム シュタット，エルンスト―ルードウィッ ヒ―シュトラッセ 16 (56)参考文献 特開 昭62−133423（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−97304（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−94841（ＪＰ，Ａ) 特表 平８−505707（ＪＰ，Ａ) ＫＮＩＧＨＴ，Ｊ．Ｃ．，ｅｔ ａ ｌ．，Ａｌｌ−ｓｉｌｉｃａ ｓｉｎｇ ｌｅ−ｍｏｄｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉ ｂｅｒ Ｗｉｔｈ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ ｃｌａｄｄｉｎｇ， ＯＰＴＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ，米国, ＯＳＡ，1996年10月 １日，Ｖｏｌ. 21，Ｎｏ．19，ｐｐ．1547−1549 ＫＯＯＰＳ，Ｈ．Ｗ．Ｐ．，Ｐｈｏｔ ｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌｓ ｂｕｉｌ ｔ ｂｙ ｔｈｒｅｅ−ｄｉｍｅｎｓｉ ｏｎａｌ ａｄｄｉｔｉｖｅ ｌｉｔｈ ｏｇｒａｐｈｙ ｅｎａｂｌｅ ｉｎｔ ｅｇｒａｔｅｄ ｏｐｔｉｃｓ ｏｆ ｈｉｇｈ ｄ，ＰＲＯＣＥＥＤＩＮＧＳ ＯＦ ＴＨＥ ＳＰＩＥ，1996年 ８ 月 ５日，Ｖｏｌ．2849，ｐｐ．251− 255 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G02B 6/00 - 6/54

Claims (16)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】１つの溝状の切り込みがあり、その中にフ
    ォトニック結晶（11,22）が作られている光ファイバ。
  2. 【請求項２】フォトニック結晶（11,22）が複数の誘電
    性柱状体（16）を内包している請求項１記載の光ファイ
    バ。
  3. 【請求項３】支えるために誘電性柱状体（16）の間の空
    間が保護のためにアモルファス性のポリマー材料で充填
    されている請求項２記載の光ファイバ。
  4. 【請求項４】誘電性柱状体（29）の間にある中間空所
    （28）が、非線形の光学材料を含有する請求項２記載の
    光ファイバ。
  5. 【請求項５】さらに一対の電極（32、33）を誘電性柱状
    体（29）の相対する端部付近に設置して、非線形光学材
    料に電場をかけることによってフォトニック結晶（22）
    の定格出力を変化させるような請求項４記載の光ファイ
    バ。
  6. 【請求項６】フォトニック結晶（22）の定格出力が、光
    を非線形光学材料に選択的に照射することによって変化
    する請求項４記載の光ファイバ。
  7. 【請求項７】ファイバ材料の定義されたパターンに複数
    のホール（20）が作られていることによって１つのフォ
    トニック結晶（11）が作られる領域をもつ光ファイバで
    あって、前記複数のホールが、前記光ファイバのコアに
    直交する方向に設けられている光ファイバ。
  8. 【請求項８】フォトニック結晶（40）の一部を通って入
    りこむ光の大きさを計るための１つのフォト抵抗層（5
    0）をもつ請求項１から請求項７の何れか１項記載の光
    ファイバ。
  9. 【請求項９】光伝導層（50）が光ファイバ（42）の面に
    置かれ、この面とフォトニック結晶（40）の一部の間を
    通過する光の強さを測定するための請求項８記載の光フ
    ァイバ。
  10. 【請求項１０】光伝導層が、じかに光ファイバの内部の
    光路に置かれた請求項８記載の光ファイバ。
  11. 【請求項１１】光ファイバ（56）の第１のフォトニック
    結晶（58）の隣に置かれている第２のフォトニック結晶
    （59）をもつ請求項１または請求項７の何れか１項記載
    の光ファイバ。
  12. 【請求項１２】フォトニック結晶が、１つ以上のその他
    のフォトニック結晶、非線型の光学装置およびフォト抵
    抗とともに、光ファイバ内において一定の光定格出力、
    例えば、分極、振幅および／またはパルス・シーケンス
    を測定する装置を構成し、ファイバの溝状の切り込みで
    の光の一定の特性データを計るための光学測定装置を形
    成する請求項１記載の光ファイバ。
  13. 【請求項１３】光ファイバの表面（42）と、フォトニッ
    ク結晶の構成部品（40）との間に入りこむ光を収束させ
    るために１つのレンズ（48）をもつ請求項１または請求
    項７の何れか１項記載の光ファイバ。
  14. 【請求項１４】結晶と光通路にあるファイバの間のイン
    ターフェースのところに、フォトニック結晶の材料で作
    った層がある請求項１記載の光ファイバ。
  15. 【請求項１５】Ｄプロファイルをもつ請求項１または請
    求項７の何れか１項記載の光ファイバ。
  16. 【請求項１６】丸いプロファイルをもつ請求項１または
    請求項７の何れか１項記載の光ファイバ。
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