JP3752538B2 - Optical coupling device - Google Patents

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JP3752538B2
JP3752538B2 JP2002295072A JP2002295072A JP3752538B2 JP 3752538 B2 JP3752538 B2 JP 3752538B2 JP 2002295072 A JP2002295072 A JP 2002295072A JP 2002295072 A JP2002295072 A JP 2002295072A JP 3752538 B2 JP3752538 B2 JP 3752538B2
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    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B1/00Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements
    • G02B1/002Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements made of materials engineered to provide properties not available in nature, e.g. metamaterials
    • G02B1/007Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements made of materials engineered to provide properties not available in nature, e.g. metamaterials made of negative effective refractive index materials

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば、移動体からの光空間伝搬信号を受信する際の受信装置に使われる光結合装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
遠方の移動体との間で空間光通信を行なう場合、空間を伝搬した光を望遠鏡などを介して光検出器や光ファイバ、あるいは先導波路などに結合する。この場合、波面の歪や装置の振動などが、受信光の集光面において焦点の散在や焦点位置のふらつきなどの原因となり、効率的な光結合に弊害を生じる。
【0003】
このため、図12に示すような、回転鏡などを組み込んだ装置を使用し、その回転角を制御して焦点の散在範囲を抑制し、光結合の効率化、安定化を図っている。図12の装置は、受信光を計測する機能、計測した光から取得したデータを基に制御信号を生成し、この制御信号を基に鏡や光電効果素子などを制御して、光ファイバや先導波路に正しく導く構成となっている。このため、装置が複雑化、大型化し、また、光の計測から回転鏡の稼動部の制御に要する時間遅延が発生し、応答できる速さの限界はキロヘルツ(ミリ秒)のオーダーである。
【0004】
また、集光系を工夫して、上記の制御部等をもたない構造にしたものとしては、特許文献1がある。特許文献1には、オフィスや家庭などの室内空間において、光信号による空間伝送により、照明等の機器制御や端末間のデータ通信を行う光空間伝送システムに使用する光リモコン受信器に関し、その目的とするところは、光ノイズの光リモコン受信器への入射を制限するフィルタを効率よく設置することにより、光ノイズの影響の低減化を図るとともに、受信可能距離も十分確保する光リモコン受信器が開示されている。これは、送信器より送信された光信号を、広範囲において受信可能とするための広角受光レンズと、広角受光レンズにより集光された光信号を受信する受光素子、信号増幅回路で構成される受光モジュールと照明光等による光ノイズを遮断するためのフィルタからなる光リモコン受信器において、照明光等の光ノイズの入射光路に、光ノイズを減衰させる光量調整フィルタを挿入したことを特徴とする光リモコン受信器である。
【0005】
また、特許文献2には、広角な画角に対しても測距精度を低下せずにコンパクト化した多点方式の測距装置を提供する測距装置が開示されている。これは、基線長方向に投光系と受光系とを配置し、該投光系から被測距体側に向けて複数のスポット光を発光部を該基線長方向に沿って投光し、該被測距体側で反射したスポット光を位置検出型の該受光系で受光し、被測距体との間の距離を測距する多点方式の測距装置において、該受光系は、受光レンズと、該受光レンズを通過した光を受光する受光部を有する受光素子と、発光部のスポット光を該受光部に向けて反射させる反射部材とを有することを特徴とする測距装置である。
【0006】
また、特許文献3には、広角度範囲において、被測定物体との距離を正確に測定するとともに小型、軽量化された反射測定装置が開示されている。まず、反射測定装置の受光レンズはレンズ外周部からレンズ中心部に向けてそれぞれ異なる焦点距離を有する円環状の短焦点部、中焦点部、長焦点部が繰り返し循環して刃状に配置された循環焦点フレネルレンズである。短焦点部、中焦点部、長焦点部はこの順番で焦点距離が長くなっている。短焦点部は受光レンズ対する入射光線の入射角度が0・のときに受光素子の中心部に受光レンズからの屈折光線を集光し、中焦点部は入射角度が4・のときに受光素子の中心部に屈折光線を集光し、長焦点部は入射角度が8・のときに受光素子の中心部に屈折光線を集光する。これにより、入射角度に対する受光素子の受光光量特性が平坦化する、とういうものである。
【0007】
また、特許文献4には、入射側光線のスポットサイズと出射側光線のスポットサイズを桁違いに変換することを可能とした光結合素子および光結合方法が開示されている。これは、スポットサイズが異なる光導波路素子どうしを結合する光結合素子に、前記光導波路素子の利用する光の波長と同程度の間隔で周期的な屈折率の変調構造を有する光結合用フォトニック結晶を用いることにより、その出射端でのスポットサイズを入射端でのスポットサイズと異なるサイズに変換するものである。この開示においては、フォトニック結晶中に設けられたフォトニック結晶導波路を光が伝搬するものであり、この点において本発明とは異なっている。
【0008】
また、非特許文献1には、フォトニック結晶を用いたスーパーコリメーターが記載されている。このスーパーコリメーターでは、光は、フォトニック結晶に入射する時点で集光されており、フォトニック結晶中を集光されたまま進行するが、フォトニック結晶から出射する際に散光してしまうという点で、本発明とは異なっている。
【0009】
しかし、これらの集光系を工夫して回転鏡などの稼動部をもたない構造にしたものでは、集光系に入射する光を光電変換素子に効率的に集めることはできず、その光を部分的に利用しているにすぎない。
【0010】
このようなフォトニック結晶については、その製造方法は既に知られており、例えば、非特許文献2に記載された高分子微粒子の自己組織化による3次元フォトニック結晶の作製方法や、3次元レーザーマイクロファブリケーションによる紫外線硬化樹脂を用いたフォトニック結晶の作製方法、あるいは、非特許文献3に記載された自己クローニング法などによって作製することができる。
【0011】
【特許文献1】
特開平7−298374号公報
【特許文献2】
特開平8−14886号公報
【特許文献3】
特開平9−21874号公報
【特許文献4】
特開2001−4869号公報
【非特許文献1】
小坂、“スーパープリズムにはじまるフォトニック結晶光学”、O plus E、12月、1560〜1569頁、1999年
【非特許文献2】
三澤、“3次元有機フォトニック結晶の新しい形成法”、O plus E、12月、1549〜1553頁、1999年
【非特許文献3】
佐藤、“誘電体フォトニック結晶の作成と応用デバイス”、O plus E、12月、1554〜1559頁、1999年
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
上記の様に、従来の光空間伝搬信号を光電変換素子に導くための光結合装置では、制御部をもつものと持たないものがあるが、制御部を持つものでは、その応答速度が低く、速い変化には対応できなかった。また、制御系を持たず、集光系を工夫したものでは、受光した光の利用効率が低かった。
【0013】
この発明は上記に鑑み提案されたもので、光空間伝搬信号を光電変換素子に導く際に、集光系を工夫することによって、受光した光の利用効率を高くとることのできる光結合装置を提供することを目的とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、第1の発明は、光の進行方向からみてフォトニック結晶を用いた集光素子の手前に集光系が設けられ、前記フォトニック結晶へのフォトニック結晶を用いた集光素子で光結合装置を構成するものであり、光の入射面の一部の領域については、その領域の相対する部分から入射した光の軌跡が、その集光素子の内部で交差する第1の交差点を有し、また、その出射した後に再び交差する第2の交差点を有する軌跡である領域であり、上記のフォトニック結晶で構成された上記の領域を有する集光素子と、上記の第2の交差点近傍に設けられた光検出器あるいは光導波路とを有し、上記の集光系に光を照射して上記の光検出器あるいは光導波路に集光することを特徴としている。
【0015】
また、第2の発明は、入射した光が種々の方向に出射する事がないようにするために、上記した第1の発明の特徴に加えて、そのフォトニック結晶は、その波数空間のブリルアンゾーンにおいて、負の屈折率を示す単一の閉じた等周波数面を有することを特徴としている。
【0016】
また、第3の発明は、2次元の周期構造をもったフォトニック結晶を作成することが最も容易であることから、上記した第1あるいは第2の発明の特徴に加えて、その集光素子は、2次元の周期構造をもったフォトニック結晶で構成したものであることを特徴としている。
【0017】
また、第4の発明は、2つの2次元の周期構造をもったフォトニック結晶をその周期構造がお互いに直角になるように重ねて配置することにより、点状に集光できることから、上記した第1あるいは第2の発明の特徴に加えて、第1と第2の集光素子を用い、それらの集光素子は、2次元の周期構造をもったフォトニック結晶で構成したものであり、それぞれのフォトニック結晶の周期構造の投影図が互いに直角に交わることを特徴としている。
【0018】
また、第5の発明は、あらかじめ凸レンズや凹面鏡で集光することにより、より高い集光特性となることから、上記した第1、第2,第3あるいは第4の発明の特徴に加えて、上記の集光系のみの集光点位置の光源と集光系との距離依存性を、上記の集光素子のみの集光点位置の光源とフォトニック結晶との距離依存性で、相殺したことを特徴としている。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下にこの発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図1は、遠方の光源Aからの光信号を、光ファイバーに導入するための構成の模式図である。遠方の光源からの光信号は、図には記載されていないが、通常は望遠鏡を通してフォトニック結晶に入射される。ここでフォトニック結晶を用いるのは、その光学的特性を利用するためである。フォトニック結晶に入射した光は、負の屈折率に相当する方向に屈折され、フォトニック結晶中を伝搬し、出射する場合も負の屈折率に相当する方向に伝搬する。この効果によって、図1のA点の光源から出た光は、B点に集光する。この集光作用は、光の波長に依存しており、フォトニック結晶の周期性から決まるものであるため、波長選択性がある。このため、特定の波長の光のみが集光し、ノイズとなる他の波長の光を選別することができる。また、光源Aの位置が変化しても、集光点Bの位置は、あまり変化しない。この変化は、レンズを用いて集光した場合よりも小さくすることができる。
【0020】
簡単な構造のフォトニック結晶の例として、空気中にシリコンの正方角柱を正方状に並べた二次元格子構造を有するフォトニック結晶について以下に説明する。その単位胞のサイズの断面を図2(a)に示す。ここで、dは格子定数であり、角柱の断面はa×aの大きさを有する。通常の結晶と同様に、一般に、フォトニック結晶においても、結晶の周期性から、図2(b)に示す三つの対称点Γ、XおよびMを結ぶ太い実線で囲んだ有限の領域の特性で、無限大の大きさの結晶の分散特性を代表させることができる。
【0021】
図3(a)は、角柱の高さ方向に振動する電界に対するフォトニック結晶の分散特性を示す図である。ここで、光の波長をλとし、dとaの値は、それぞれ0.85λおよび0.37λと仮定している。等周波数面または等波数面を検討するため、図3(a)中に破線で描いたd/λ=0.85に着目する。波数面は、図3(b)に示すように、Γ点を中心とした半径=0.1の円のようになる。半径=0.85の大きな円は空気の波数面を示す。この場合、フォトニック結晶は均一な媒質とみなすことができ、また、分散曲線の破線との交点における傾きが負であることから、その屈折率は負と考えることができる。
【0022】
このようなフォトニック結晶の屈折現象については、計算機シミュレーションにより、電磁界の伝搬解析を行って明らかにした。このシミュレーションでは、結晶と空気との境界の垂直方向から反時計回りに3度傾いた平面波でフォトニック結晶が照射される場合を仮定する。その結果の例を図4に示す。図4は、FDTD法(FiniteDifference Time Domain;有限差分時間領域法)により計算された電界のスナップショットである。平面波の幅を限定して計算するため、平面波の端の周辺に不要な波が発生するが、負の屈折現象は十分に観測できる。
【0023】
図5に示すように、負の屈折率現象を引き起こすフォトニック結晶の板の前に点光源Aを置いた場合、結晶に入射する全ての光は点Bを通り、点Cで再び集まる。ここで、空気と結晶との境界は直線で与えられ互いに平行である場合を仮定している。また、点A、BおよびCを結ぶ直線が結晶の境界と垂直と仮定している。このため、光源に向かって凸となるように結晶の境界が緩やかな曲線を描いた場合、そのそれぞれの点の垂線が結晶の後ろで収束するという幾何学的形状から、結晶の前面において波面の歪で広がった焦点の照射範囲と比べて、結晶の後ろではその範囲が小さくなる。この効果から、このデバイスは、結晶の後ろに置かれた受光装置における視野拡張器(FOVE)として作用することがわかる。
【0024】
次に、上記の曲面形状をもつフォトニック結晶について説明する。この例として、中心を同じくし、半径がr1およびr2の曲線の境界を有する厚みの一定なフォトニック結晶によるFOVEの模式図を図6に示す。この結晶は、その詳細な構造と光学特性を図2と3に示したものである。この例では、三つの点光源をそれぞれy座標の−h、0、hの位置に置き、フォトニック結晶をx=Lに置くものとする。この構成において、各光源から出射する光の伝搬角度を、それぞれ、−3度〜3度とした場合の計算機シミュレーションの結果を説明する。このシミュレーションでは、h=1と規格化し、L=6.7、r1=20およびr2=18.7と与えて光線追跡を行った。図7にそれぞれの光線の伝搬角度を示す。フォトニック結晶に入射あるいはそれから出射するときの光の伝搬角度は大きく変化するが、フォトニック結晶を透過した後の光線の伝搬角度は、フォトニック結晶に入射する角度に比べて小さくなっているが僅かである。そのシミュレーション結果を図8に示す。この図で右側の図は実際のスケール比であるが、左側の図は光線の詳細を示すため、y軸方向の間隔を拡張して表示している。図中の小さな丸は光線と結晶境界との交点を表す。図8から分かる様に、図6に示す形状をもった結晶による完全な焦点は得られないが、結晶を通過した全ての光線は、図8でWと示したx=27.0の位置において、y=−0.31〜0.31の範囲を通る。W点での光量の値は、フォトニック結晶上に光の入射した領域のおよそ9.6%であり、充分に集光されることが分かる。
【0025】
上記の集光される部分に、光検出器を設けることにより光の検出感度を改善できるのがわかる。また、この部分に光ファイバの光導入部を設けることにより、空間を伝搬してきた光信号を効率的に光ファイバーに取り込むことができる。
【0026】
このフォトニック結晶によれば、図9のように入射角が変わっても、図1の集光点の近傍に集光させることができる。
【0027】
図3に示した特性をもつフォトニック結晶は、例えば、上記の3次元レーザーマイクロファブリケーションによる紫外線効果樹脂を用いたフォトニック結晶の作製方法で用意したものである。この場合の集光形状は、直線状である。
【0028】
上記の直線状の集光形状を点状とすることは、図10のように、2つのフォトニック結晶を90度ずらして重ね合わせて用いることにより実現できる。
【0029】
また、光源がフォトニック結晶から遠ざかる場合は、図1の集光点もフォトニック結晶から遠ざかる特性がある。この特性は凸レンズや凹面鏡と逆の特性であるので、図11のように、凸レンズや凹面鏡と組み合わせると、光源とフォトニック結晶との距離がかわってもその集光点の位置が変化しない構成とすることができる。
【0030】
【発明の効果】
この発明は上記した構成からなるので、以下に説明するような効果を奏することができる。
【0031】
第1の発明では、フォトニック結晶を用いた集光素子で光結合装置を構成したので、光源が、集光素子に対して横に動いても、集光点の変動を抑制できる。
【0032】
第2の発明では、その波数空間のブリルアンゾーンにおいて、負の屈折率を示す単一の閉じた等周波数面を有するフォトニック結晶を用いたので、光の散逸を抑制できる。
【0033】
また、第3の発明では、2次元の周期構造をもったフォトニック結晶を用いるので、製造が容易である。
【0034】
また、第4の発明では、2つの2次元の周期構造をもったフォトニック結晶をその周期構造がお互いに直角になるように重ねて配置するので、集光形状が点状になり、光ファイバー等に入力しやすくなる。
【0035】
また、第5の発明では、凸レンズや凹面鏡と組み合わせて、光の進行方向からみて、縦方向の集光点の移動を抑制することができるようになり、集光点の移動を抑制するための制御を簡略化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の原理を示す模式図である。
【図2】(a)は、本発明で用いるフォトニック結晶の構造を示す図で、(b)は、対称点を示す図である。
【図3】(a)はフォトニック結晶の分散特性を示す図で、(b)は、等波数面を示す図である。
【図4】電磁界の伝搬解析を結果の例を示す図である。
【図5】フォトニック結晶に入射する光の軌跡を示す図である。
【図6】結晶の境界が緩やかな曲線を描いたフォトニック結晶に入射する光の軌跡を示す図である。
【図7】フォトニック結晶に入射する光線の伝搬角度を示す図である。
【図8】フォトニック結晶に入射し出射する光の軌跡シミュレーション結果を示す図である。
【図9】入射角が変わった場合の集光点を示す模式図である。
【図10】2つのフォトニック結晶を用いた光結合装置を示す模式図である。
【図11】凸レンズと組み合わせたフォトニック結晶を用いた光結合装置を示す模式図である。
【図12】従来の、移動体からの光空間伝搬信号の受信装置の構成を示す模式図である。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to, for example, an optical coupling device used in a receiving device when receiving an optical space propagation signal from a moving body.
[0002]
[Prior art]
When performing spatial optical communication with a distant moving body, light propagating in space is coupled to a photodetector, an optical fiber, a leading waveguide, or the like via a telescope. In this case, distortion of the wavefront, vibration of the device, and the like cause the focal point to be scattered and the focal point fluctuate on the condensing surface of the received light, which adversely affects efficient optical coupling.
[0003]
For this reason, an apparatus incorporating a rotating mirror or the like as shown in FIG. 12 is used, and the rotation angle is controlled to suppress the scattered range of the focal point, thereby improving the efficiency and stabilization of optical coupling. The apparatus of FIG. 12 generates a control signal based on the function of measuring received light and data acquired from the measured light, and controls a mirror, a photoelectric effect element, and the like based on the control signal, and controls an optical fiber and a lead. It is the structure which guides correctly to a waveguide. For this reason, the apparatus becomes complicated and large, and a time delay required for controlling the moving part of the rotary mirror from the measurement of light occurs, and the limit of the response speed is on the order of kilohertz (milliseconds).
[0004]
Moreover, there exists patent document 1 as what made the structure which does not have said control part etc. by devising a condensing system. Patent Document 1 relates to an optical remote control receiver used in an optical space transmission system that performs device control such as lighting and data communication between terminals by spatial transmission using an optical signal in an indoor space such as an office or home. This is because an optical remote control receiver that can reduce the effects of optical noise by efficiently installing a filter that limits the incidence of optical noise to the optical remote control receiver and that also ensures a sufficient receivable distance. It is disclosed. This is a light receiving device composed of a wide-angle light-receiving lens that can receive an optical signal transmitted from a transmitter in a wide range, a light-receiving element that receives the optical signal condensed by the wide-angle light-receiving lens, and a signal amplification circuit. In an optical remote control receiver comprising a module and a filter for blocking optical noise due to illumination light, etc., a light quantity adjusting filter for attenuating the optical noise is inserted in the incident optical path of the optical noise such as illumination light Remote control receiver.
[0005]
Patent Document 2 discloses a distance measuring device that provides a compact multi-point distance measuring device without reducing distance measuring accuracy even for a wide angle of view. The light emitting system and the light receiving system are arranged in the base length direction, and a plurality of spot lights are projected from the light projecting system toward the distance measuring object side along the base length direction. In a multi-point distance measuring device that receives spot light reflected on the distance measuring object side by the position detection type light receiving system and measures the distance to the distance measuring object, the light receiving system includes a light receiving lens. And a light receiving element having a light receiving portion that receives light that has passed through the light receiving lens, and a reflecting member that reflects the spot light of the light emitting portion toward the light receiving portion.
[0006]
Patent Document 3 discloses a reflection measuring device that accurately measures the distance to the object to be measured in a wide angle range and is small and lightweight. First, the light receiving lens of the reflection measuring apparatus is arranged in a blade shape by repeatedly circulating an annular short focal portion, intermediate focal portion, and long focal portion having different focal lengths from the lens outer peripheral portion toward the lens central portion. It is a circular focus Fresnel lens. The short focal portion, the middle focal portion, and the long focal portion have longer focal lengths in this order. The short focal point collects the refracted light from the light receiving lens at the center of the light receiving element when the incident angle of the incident light with respect to the light receiving lens is 0 ·, and the middle focal point of the light receiving element when the incident angle is 4 ·. The refracted light beam is condensed at the center, and the long focal point condenses the refracted light beam at the center of the light receiving element when the incident angle is 8 ·. Thereby, the received light quantity characteristic of the light receiving element with respect to the incident angle is flattened.
[0007]
Patent Document 4 discloses an optical coupling element and an optical coupling method capable of converting the spot size of the incident side light beam and the spot size of the output side light beam by orders of magnitude. This is because an optical coupling element that couples optical waveguide elements having different spot sizes has a modulation structure with a periodic refractive index at intervals similar to the wavelength of light used by the optical waveguide element. By using crystals, the spot size at the exit end is converted to a size different from the spot size at the entrance end. In this disclosure, light propagates through a photonic crystal waveguide provided in the photonic crystal, which is different from the present invention in this respect.
[0008]
Non-Patent Document 1 describes a super collimator using a photonic crystal. In this super collimator, light is collected at the point of incidence on the photonic crystal and travels while being collected in the photonic crystal, but is scattered when emitted from the photonic crystal. This is different from the present invention.
[0009]
However, if these condensing systems are devised to have a structure that does not have a moving part such as a rotating mirror, the light incident on the condensing system cannot be efficiently collected in the photoelectric conversion element, and the light Is only partially used.
[0010]
The manufacturing method of such a photonic crystal is already known. For example, a method for producing a three-dimensional photonic crystal by self-organization of polymer fine particles described in Non-Patent Document 2 or a three-dimensional laser It can be produced by a photonic crystal production method using an ultraviolet curable resin by microfabrication or a self-cloning method described in Non-Patent Document 3.
[0011]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 7-298374 [Patent Document 2]
JP-A-8-14886 [Patent Document 3]
Japanese Patent Laid-Open No. 9-21874 [Patent Document 4]
JP 2001-4869 A [Non-Patent Document 1]
Kosaka, “Photonic crystal optics starting with Super Prism”, O plus E, December, 1560-1569, 1999 [Non-Patent Document 2]
Misawa, “New formation method of three-dimensional organic photonic crystal”, O plus E, December, pp. 1549-1553, 1999 [Non-patent Document 3]
Sato, “Preparation of Dielectric Photonic Crystals and Applied Devices”, O plus E, December, 1554-1559, 1999 [0012]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, conventional optical coupling devices for guiding a spatial light propagation signal to a photoelectric conversion element include those having a control unit and those having a control unit, but those having a control unit have a low response speed, I couldn't cope with fast changes. In addition, in the case where the condensing system is devised without the control system, the utilization efficiency of the received light is low.
[0013]
The present invention has been proposed in view of the above. An optical coupling device capable of increasing the efficiency of use of received light by devising a condensing system when guiding an optical space propagation signal to a photoelectric conversion element. The purpose is to provide.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, according to a first aspect of the present invention, a light condensing system is provided in front of a light condensing element using a photonic crystal as viewed from the traveling direction of light, and the photonic crystal is used for the photonic crystal. The light condensing element constitutes the optical coupling device, and for a part of the light incident surface, the trajectory of the light incident from the opposite part of the region intersects inside the light condensing element. having a first intersection, also its a region is a trajectory having a second intersection which intersects again after exiting, condensing element having the region configured by the photonic crystal, said And a light detector or an optical waveguide provided in the vicinity of the second intersection, and the light is applied to the light condensing system to collect the light on the light detector or the optical waveguide.
[0015]
In addition to the features of the first invention described above, the photonic crystal has a Brillouin in the wave number space in order to prevent incident light from being emitted in various directions. The zone is characterized by having a single closed iso-frequency surface exhibiting a negative refractive index.
[0016]
In addition to the characteristics of the first or second invention described above, the third invention is the easiest to produce a photonic crystal having a two-dimensional periodic structure. Is characterized by comprising a photonic crystal having a two-dimensional periodic structure.
[0017]
In addition, the fourth aspect of the present invention is described above because two photonic crystals having a two-dimensional periodic structure can be condensed in a dot shape by arranging the periodic structures so that the periodic structures are perpendicular to each other. In addition to the features of the first or second invention, the first and second light condensing elements are used, and the light condensing elements are composed of a photonic crystal having a two-dimensional periodic structure. Projections of the periodic structures of the photonic crystals intersect each other at right angles.
[0018]
In addition to the features of the first, second, third, or fourth invention described above, the fifth invention has higher light collection characteristics by condensing with a convex lens or concave mirror in advance. The distance dependency between the light source and the light condensing system at the condensing point position of only the light condensing system is offset by the distance dependency between the light source and the photonic crystal at the light condensing point position of only the light condensing element. It is characterized by that.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic diagram of a configuration for introducing an optical signal from a distant light source A into an optical fiber. Although not shown in the figure, the optical signal from a distant light source is normally incident on the photonic crystal through a telescope. The reason why the photonic crystal is used here is to use its optical characteristics. Light incident on the photonic crystal is refracted in the direction corresponding to the negative refractive index, propagates through the photonic crystal, and also propagates in the direction corresponding to the negative refractive index when emitted. Due to this effect, the light emitted from the light source at point A in FIG. This light condensing action depends on the wavelength of light and is determined by the periodicity of the photonic crystal, and therefore has wavelength selectivity. For this reason, only light of a specific wavelength can be collected, and light of other wavelengths that become noise can be selected. Moreover, even if the position of the light source A changes, the position of the condensing point B does not change so much. This change can be made smaller than when the light is collected using a lens.
[0020]
As an example of a photonic crystal having a simple structure, a photonic crystal having a two-dimensional lattice structure in which silicon square prisms are arranged in a square shape in the air will be described below. A cross section of the size of the unit cell is shown in FIG. Here, d is a lattice constant, and the cross section of the prism has a size of a × a. Similar to a normal crystal, in general, a photonic crystal has a characteristic of a finite region surrounded by a thick solid line connecting three symmetry points Γ, X, and M shown in FIG. The dispersion characteristics of crystals of infinite size can be represented.
[0021]
FIG. 3A is a diagram showing dispersion characteristics of the photonic crystal with respect to an electric field that vibrates in the height direction of the prism. Here, it is assumed that the wavelength of light is λ, and the values of d and a are 0.85λ and 0.37λ, respectively. In order to examine an equal frequency surface or an equal wave number surface, attention is paid to d / λ = 0.85 drawn by a broken line in FIG. As shown in FIG. 3B, the wave number surface is a circle having a radius of 0.1 centered on the Γ point. A large circle with a radius = 0.85 indicates the wavefront of air. In this case, the photonic crystal can be regarded as a uniform medium, and since the inclination at the intersection with the broken line of the dispersion curve is negative, the refractive index can be considered negative.
[0022]
The refraction phenomenon of such a photonic crystal has been clarified by performing an electromagnetic field propagation analysis by computer simulation. In this simulation, it is assumed that the photonic crystal is irradiated with a plane wave inclined by 3 degrees counterclockwise from the vertical direction of the boundary between the crystal and air. An example of the result is shown in FIG. FIG. 4 is a snapshot of the electric field calculated by the FDTD method (FiniteDifference Time Domain). Since the calculation is performed by limiting the width of the plane wave, an unnecessary wave is generated around the edge of the plane wave, but the negative refraction phenomenon can be sufficiently observed.
[0023]
As shown in FIG. 5, when the point light source A is placed in front of the photonic crystal plate causing the negative refractive index phenomenon, all the light incident on the crystal passes through the point B and gathers again at the point C. Here, it is assumed that the boundary between the air and the crystal is given by a straight line and is parallel to each other. It is also assumed that the straight line connecting points A, B and C is perpendicular to the crystal boundary. For this reason, when the crystal boundary is drawn so as to be convex toward the light source, the perpendicular of each point converges behind the crystal. Compared with the irradiation range of the focal point spread by strain, the range is smaller behind the crystal. This effect shows that this device acts as a field expander (FOVE) in a light receiver placed behind the crystal.
[0024]
Next, the photonic crystal having the curved surface shape will be described. As an example of this, FIG. 6 shows a schematic diagram of FOVE using a photonic crystal of constant thickness having the same center and a boundary between curves with radii r1 and r2. This crystal has the detailed structure and optical characteristics shown in FIGS. In this example, it is assumed that three point light sources are respectively placed at the positions of -h, 0, and h in the y coordinate, and the photonic crystal is placed at x = L. In this configuration, the result of the computer simulation when the propagation angle of the light emitted from each light source is set to −3 degrees to 3 degrees will be described. In this simulation, ray tracing was performed by standardizing h = 1 and giving L = 6.7, r1 = 20, and r2 = 18.7. FIG. 7 shows the propagation angle of each ray. Although the propagation angle of light when entering or exiting the photonic crystal changes greatly, the propagation angle of the light beam after passing through the photonic crystal is smaller than the angle entering the photonic crystal. There are few. The simulation result is shown in FIG. In this figure, the right figure shows the actual scale ratio, but the left figure shows the details of the light rays, so that the interval in the y-axis direction is expanded and displayed. The small circles in the figure represent the intersections between the rays and the crystal boundaries. As can be seen from FIG. 8, a complete focus cannot be obtained by the crystal having the shape shown in FIG. 6, but all the rays that have passed through the crystal are in the position of x = 27.0 indicated by W in FIG. Y = −0.31 to 0.31. The value of the amount of light at the point W is about 9.6% of the area where light is incident on the photonic crystal, and it can be seen that the light is sufficiently condensed.
[0025]
It can be seen that the light detection sensitivity can be improved by providing a light detector at the above-mentioned condensed portion. Further, by providing the optical fiber light introducing portion in this portion, the optical signal propagated through the space can be efficiently taken into the optical fiber.
[0026]
According to this photonic crystal, even if the incident angle changes as shown in FIG. 9, it can be condensed near the condensing point in FIG.
[0027]
The photonic crystal having the characteristics shown in FIG. 3 is prepared by, for example, a method for producing a photonic crystal using an ultraviolet effect resin by the above-described three-dimensional laser microfabrication. The condensing shape in this case is linear.
[0028]
Making the above-mentioned linear condensing shape into a dot shape can be realized by using two photonic crystals that are shifted by 90 degrees and used as shown in FIG.
[0029]
Further, when the light source moves away from the photonic crystal, the condensing point in FIG. 1 also has a characteristic of moving away from the photonic crystal. Since this characteristic is opposite to that of a convex lens or concave mirror, as shown in FIG. 11, when combined with a convex lens or concave mirror, the position of the condensing point does not change even if the distance between the light source and the photonic crystal changes. can do.
[0030]
【The invention's effect】
Since this invention consists of an above-described structure, there can exist an effect which is demonstrated below.
[0031]
In the first invention, since the optical coupling device is configured by the condensing element using the photonic crystal, the fluctuation of the condensing point can be suppressed even if the light source moves laterally with respect to the condensing element.
[0032]
In the second invention, in the Brillouin zone of the wave number space, since the photonic crystal having a single closed iso-frequency surface exhibiting a negative refractive index is used, the light dissipation can be suppressed.
[0033]
In the third invention, since a photonic crystal having a two-dimensional periodic structure is used, manufacturing is easy.
[0034]
In the fourth invention, two photonic crystals having a two-dimensional periodic structure are arranged so that the periodic structures are perpendicular to each other. Easy to type in.
[0035]
In the fifth invention, in combination with a convex lens or a concave mirror, it is possible to suppress the movement of the condensing point in the vertical direction as seen from the traveling direction of the light, and to suppress the movement of the condensing point. Control can be simplified.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing the principle of the present invention.
2A is a diagram showing the structure of a photonic crystal used in the present invention, and FIG. 2B is a diagram showing a symmetry point.
FIG. 3A is a diagram showing dispersion characteristics of a photonic crystal, and FIG. 3B is a diagram showing a constant wave number surface.
FIG. 4 is a diagram illustrating an example of a result of electromagnetic field propagation analysis;
FIG. 5 is a diagram showing a locus of light incident on a photonic crystal.
FIG. 6 is a diagram showing a trajectory of light incident on a photonic crystal having a gentle curve at the boundary of the crystal.
FIG. 7 is a diagram showing a propagation angle of light rays incident on a photonic crystal.
FIG. 8 is a diagram showing a trajectory simulation result of light entering and exiting a photonic crystal.
FIG. 9 is a schematic diagram showing a condensing point when an incident angle is changed.
FIG. 10 is a schematic diagram showing an optical coupling device using two photonic crystals.
FIG. 11 is a schematic diagram showing an optical coupling device using a photonic crystal combined with a convex lens.
FIG. 12 is a schematic diagram showing a configuration of a conventional receiving device for a spatial light propagation signal from a moving body.

Claims (4)

光の進行方向からみてフォトニック結晶を用いた集光素子の手前に集光系が設けられ、
前記フォトニック結晶への光の入射面の一部の領域については、その領域の相対する部分から入射した光の軌跡が、その集光素子の内部で交差する第1の交差点を有し、また、その出射した後に再び交差する第2の交差点を有する軌跡である領域であり、上記のフォトニック結晶で構成された上記の領域を有する集光素子と、上記の第2の交差点近傍に設けられた光検出器あるいは光導波路とを有し、
上記の集光系の集光点位置についての光源と集光系との距離依存性は、上記のフォトニック結晶を用いた集光素子の集光点位置についての光源と集光系との距離依存性と相殺するように設定したものであり、
上記の集光系に光を照射して上記の光検出器あるいは光導波路に集光することを特徴とする光結合装置。
A condensing system is provided in front of the condensing element using the photonic crystal as seen from the traveling direction of light,
For a partial region of the light incident surface on the photonic crystal, the locus of light incident from the opposite portion of the region has a first intersection where the light converging element intersects, and A region that is a locus having a second intersection that intersects again after the emission, and is provided in the vicinity of the light-collecting element having the above-described region composed of the photonic crystal and the second intersection. An optical detector or an optical waveguide,
The distance dependency between the light source and the condensing system for the condensing point position of the condensing system is the distance between the light source and the condensing system for the condensing point position of the condensing element using the photonic crystal. Set to offset the dependency,
An optical coupling device, wherein the light condensing system is irradiated with light and condensed on the photodetector or the optical waveguide.
そのフォトニック結晶は、その波数空間のブリルアンゾーンにおいて、負の屈折率を示す単一の閉じた等周波数面を有することを特徴とする請求項1に記載の光結合装置。  2. The optical coupling device according to claim 1, wherein the photonic crystal has a single closed iso-frequency surface exhibiting a negative refractive index in the Brillouin zone of the wave number space. その集光素子は、2次元の周期構造をもったフォトニック結晶で構成したものであることを特徴とする請求項1あるいは2に記載の光結合装置。  3. The optical coupling device according to claim 1, wherein the condensing element is composed of a photonic crystal having a two-dimensional periodic structure. 2次元の周期構造をもったフォトニック結晶で構成した第1と第2の集光素子を用いたものであり、そのそれぞれのフォトニック結晶の周期構造の投影図が互いに直角に交わることを特徴とする請求項1あるいは2に記載の光結合装置。  The first and second light condensing elements composed of photonic crystals having a two-dimensional periodic structure are used, and the projections of the periodic structures of the respective photonic crystals intersect each other at right angles. The optical coupling device according to claim 1 or 2.
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US7529030B2 (en) 2004-09-06 2009-05-05 Olympus Corporation Optical apparatus with optical element made of a medium exhibiting negative refraction
JP2006145985A (en) * 2004-11-22 2006-06-08 Olympus Corp Optical device
JP4947980B2 (en) * 2005-01-07 2012-06-06 オリンパス株式会社 Optical system
US8223444B2 (en) 2005-01-07 2012-07-17 Olympus Corporation Medium exhibiting negative refraction, optical element, and optical system
JP4975257B2 (en) * 2005-02-07 2012-07-11 オリンパス株式会社 Optical system
JP2007094079A (en) * 2005-09-29 2007-04-12 Olympus Corp Optical device and scanning microscope
JP4982145B2 (en) * 2005-10-11 2012-07-25 パナソニック株式会社 Optical transmission device and light receiving module
US7554741B2 (en) 2005-10-11 2009-06-30 Panasonic Corporation Optical transmission device and light-receiving module
JP2007256929A (en) * 2006-02-23 2007-10-04 Olympus Corp Lens system
JP4916187B2 (en) * 2006-02-24 2012-04-11 オリンパス株式会社 Lens system
US9693826B2 (en) * 2008-02-28 2017-07-04 Biolitec Unternehmensbeteiligungs Ii Ag Endoluminal laser ablation device and method for treating veins
JP5713971B2 (en) * 2012-08-22 2015-05-07 株式会社東芝 Solid-state imaging device

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