JP3950763B2 - Optical device - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信等の光を信号伝達の手段に用いるに好適なマイクロ光デバイスに関する。本発明のマイクロ光デバイスを有する光デバイスと組み合わせて使用することにより光能動的な光ファイバーを実現することができる。
【０００２】
【従来の技術】
従来の光通信システムは、半導体レーザ等の光能動素子と光能動素子間を結ぶ光ファイバーから構成されている。光ファイバーにはいろいろなものがあるが、最も広く用いられているのが石英ガラスファイバーである。石英ガラスファイバーは、石英（ＳｉＯ2）からなるクラッド部と、酸化ゲルマニウム（ＧｅＯ2）を微量にふくむ石英からなるコア部からなる。コア部はクラッド部よりもわずかに高い屈折率を有し、光はコア部を反射を繰り返しながら導波する。
【０００３】
光ファイバーは光受動素子であり、それ自身光機能性をもたない。したがって、光通信システムを構成するには、半導体レーザあるいは光電変換素子等の光能動デバイスと光ファイバーを光学的に結合する必要がある。光能動デバイスと光ファイバーを光学的に結合する方法には、いろいろなものがある。例えば、「光ファイバー通信」（池田正宏著、コロナ社、東京、１９９７年）５２ページに説明されているように、光能動デバイスと光ファイバーを低損失で光学的に結合する方法としては、
（ａ）光学レンズを用いて光能動デバイスと光ファイバーを光学的に結合する方法、
（ｂ）光ファイバーの末端部をテーパー状に加工して末端部に光学レンズの機能を持たせ、光能動デバイスと光ファイバーを光学的に結合する方法、
などがある。
【０００４】
このような方法で光能動デバイスと光ファイバーを結合するには、光能動デバイスと光ファイバーとの間で光学的なアライメントをとる必要がある。しかし、このような光学的アライメントは必ずしも容易ではない。このため、従来の光通信システムは、結合性に問題があった。また、通常の光能動デバイスは、光ファイバーと比較して大きいので、従来の光通信システムを小型化することは困難であった。従来の光通信システムが、その高速性・大容量性にもかかわらず、幹線系でしか用いられていないことは、これらの問題点に起因する。
【０００５】
そこで、近年光ファイバーそのものに光機能性をもたせようとする試みがなされている。光ファイバー自体が光能動性を持てば、光ファイバーと光能動デバイスを結合する必要がないので、従来の光通信システムの問題点は解決する。
【０００６】
従来の技術は、光ファイバーのコア部の光学的性質を化学的、光学的、物理的、あるいは機械的に修飾して光ファイバーに光機能性を持たせようとしてきた。光ファイバーの光学的性質を化学的に修飾した例として、エルビウムドープ光ファイバー増幅器がある。この光増幅器は、エルビウムイオンを石英ガラスファイバーのコア部にドープすることにより光ファイバーに光増幅機能を付与したものである。この増幅器の光ファイバーコア部にエルビウムイオンを励起する光を入力すると、エルビウムイオンが励起される。ここで、波長が１．５５μｍの信号光を入力すると、励起エルビウムイオンが信号光により誘導放出を起し、信号光が増幅される。
【０００７】
光ファイバーの光学的性質を光学的に修飾した例としては、ファイバー型誘導ラマン増幅器がある。この増幅器に、信号光と信号光よりも波長がラマンシフト量だけ短い励起光を入力すると、誘導ラマン散乱現象により信号光が増幅される。
【０００８】
エルビウムドープ光ファイバー増幅器および誘導ラマン散乱増幅器については、光エレクトロニクス辞典（光エレクトロニクス辞典、東京、１９９３年）第７７〜９２ページに詳細な説明がある。
【０００９】
光ファイバーの光学的性質を物理的に修飾した例として、熱光学効果および音響光学効果を利用して光ファイバー中に回折格子を形成した研究がある。熱光学効果とは、材料を熱した場合に材料の屈折率が変化する現象である。オプティカルエンジニアリング（Optical Engineering）第４０巻７号１１５６〜１１５７ページには、熱光学効果を利用して光ファイバー中に回折格子を形成した例が記載されている。この研究では、回折格子形状のヒータを光ファイバー表面に設置し、ヒータを加熱して熱光学効果による屈折率変化を誘起することにより、回折格子を光ファイバー中に形成している。
【００１０】
音響光学効果とは、材料に弾性波を伝播させた場合に、材料中に弾性波形状の周期的な屈折率変化が形成される現象である。オプティカルエンジニアリング（Optical Engineering）第４０巻８号１５１３〜１５１５ページには、音響光学効果を利用して光ファイバー中に回折格子を形成した例が記載されている。この研究では、光ファイバーの末端部に取り付けた圧電素子を動作させ、光ファイバー中に音響光学効果による屈折率変化を誘起し、回折格子を光ファイバー中に形成している。
【００１１】
光ファイバの光学的性質を機械的に修飾した例としては、特表２００１−５１６４６９号公報の提案がある。同公報は、光ファイバーのコア部およびクラッド部を直接、構造的に加工してフォトニック結晶とし、光フィルターあるいは光センサーの機能を有する光ファイバーの構成方法を提案している。
【００１２】
フォトニック結晶とは、光に対して透明な材料（たとえばSiO2）の中に周期的な屈折率変化を誘起して得られるマイクロ光デバイスであり、例えば材料に空孔を周期的に形成することにより作成できる。フォトニック結晶は光が進入できない波長領域（フォトニックバンドギャップ）を有し、フォトニックバンドギャップ中の光を強く反射する性質を有する。フォトニック結晶に関する総説は、応用物理学会誌第６８巻１３３５頁〜１３４５頁に記載されている。
【００１３】
フォトニック結晶を利用したマイクロ光デバイスは、フォトニック結晶がフォトニックバンドギャップ中の波長の光を強く反射することを利用した光デバイスである。フォトニック結晶を利用したマイクロ光デバイスは、透明な基板中に空孔が周期的に形成されているフォトニック結晶領域とそうでない領域を形成したものであり、フォトニック結晶領域でない部分を光が導波する。フォトニック結晶領域の形状を変えることにより、いろいろな形状の光導波路および光機能を有するマイクロ光デバイスが実現できる。
【００１４】
フォトニック結晶を利用すれば、急峻曲がり光導波路、光フィルター、超小型波長分波器、超小型レーザ等、従来にないマイクロ光デバイスが実現されると考えられている。たとえば、ＷＯ９４／１６３４５には、急峻曲がり光導波路としての機能を有するフォトニック結晶を利用したマイクロ光デバイスの提案がなされている。特開平１１−２７１５４１号公報にはフォトニック結晶構造を有する超小型光分波回路、特開平１１−３３０６１９号公報にはフォトニック結晶構造を有する超小型レーザの提案がなされている。また、特開２００２−００６２７８号公報には、光回路および光スイッチの機能を有するフォトニック結晶を利用したマイクロ光デバイスを構成する方法が示されている。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の技術は、光ファイバーのコア部の光学的性質を化学的、光学的、物理的、あるいは機械的に修飾して光ファイバーに光機能性を持たせようと試みてきた。
【００１６】
しかし、従来の技術には、光ファイバーに持たせることができる機能が限定されるという問題点があった。従来技術が光ファイバーに持たせることができる機能は、光増幅機能、光回折機能、光フィルター機能、および光センサー機能である。従来技術は、光通信システムの基本となる受発光機能を光ファイバーに持たせることができない。
【００１７】
例えば、従来のエルビウムドープファイバー光増幅器およびファイバー型誘導ラマン増幅器を動作させるためには、ファイバーを励起するためのレーザ光源とこれらの光増幅器を光学的に結合する必要がある。
【００１８】
光ファイバーを加工してフォトニック結晶を利用したマイクロ光デバイスを形成し、光ファイバーに機能を持たせようとする特表２００１−５１６４６９号公報の提案は注目に値する。フォトニック結晶を利用したマイクロ光デバイスには受発光機能を有するものがあるので、そのようなマイクロ光デバイスを有する光デバイスの内部に形成すれば、受発光機能をもつ光ファイバーを作成できるように考えられるからである。
【００１９】
しかし、同公報の提案する方法では、受発光機能を有する光ファイバーを作成することはできない。受発光機能を有するフォトニック結晶を利用したマイクロ光デバイスを作成するには、受発光機能を有する材料を用いる必要があるが、この公報の提案は受発光機能を有さない光ファイバーを加工してフォトニック結晶を利用したマイクロ光デバイスをファイバー中に作成するにすぎないからである。受発光機能を有する材料で光ファイバーを形成すればこの問題は解決するが、受発光機能を有する材料は光の吸収係数が大きいので、この場合、光ファイバーとして作用しない。従って、この提案の方法では、受発光機能を有する光ファイバーを実現することはできない。
【００２０】
このように従来の技術では、光通信システムの基本となる受発光機能を光ファイバーに持たせることができず、従来の光通信システムの問題を解決できない。
【００２１】
本発明の目的は、光フィルター、光スイッチ、光分岐、光増幅、発光、および受光機能等の各種の能動機能を持つ、フォトニック結晶を利用したマイクロ光デバイスを有する光デバイスを提供してファイバー一体型光通信システムの実現を支援することにある。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的は、光ファイバーとは独立したフォトニック結晶を利用したマイクロ光デバイスを有する光デバイスを、これと一体的に構成すべき光ファイバーの外径とほぼ同じ大きさで作成することにより達成される。本発明の光デバイスは光ファイバーの端部あるいは途中に挿入する形で光ファイバーと結合されてファイバー一体型光通信システムを実現できる。前記マイクロ光デバイスと光ファイバーのコア部が光学的に結合する助けとするため、必要なら、この間に光学レンズを挿入するのが有効である。
【００２３】
本発明の目的は、また、光ファイバーとは独立したフォトニック結晶を利用したマイクロ光デバイスを有する光デバイスを光ファイバーのクラッド部あるいは表面に配置し、前記光デバイスがレーザとして作用し、前記デバイスと光ファイバーのコア部が光学的に結合されることにより実現される。
【００２４】
【発明の実施の形態】
フォトニック結晶を利用したマイクロ光デバイスを有する光デバイスを、光ファイバーと一体的に結合させることにより、レーザ、受光素子、光増幅器、光スイッチを始めとする光能動性の機能を有する光ファイバー、あるいは光フィルター、光合分波回路、光分岐回路、光導波路等の光受動性の機能を有する光ファイバーを実現することができる。
【００２５】
本発明の光デバイスにおけるフォトニック結晶を利用したマイクロ光デバイスのサイズは、光デバイスの機能にもよるが、光波長の５〜１０倍程度の大きさで構成できる。例えば、石英ガラスを用いたマイクロ光デバイスのサイズは、光通信に用いられる光の波長が約１．６μｍであり石英ガラスの屈折率が約２であるので、４０〜８０μｍ程度である。このように、フォトニック結晶を利用したマイクロ光デバイスは、光ファイバーの径のサイズ（例えば、１２５μｍ）と比較して十分に小さい。従って、本発明によるフォトニック結晶を利用したマイクロ光デバイスを有する光デバイスも十分に小さいものとでき、光ファイバーとほぼ同一径の大きさで作成して、光通信用光ファイバーの端部に実装することができ、あるいは、光ファイバーの周辺部に実装することができる。
【００２６】
以下，本発明を具体的な実施形態に基いて説明するが、本発明は、以下の実施形態に限定されない。図中、特に断らない限り、同一の機能をもつものには同じ参照符号を付けてある。また、フォトニック結晶を利用したマイクロ光デバイスを有する光デバイスは、光デバイス全体を言うときは光デバイスと表現し、これに使用されているマイクロ光デバイス自体を表現するときには、マイクロ光デバイスまたはフォトニック結晶を利用したマイクロ光デバイスということにする。
【００２７】
（第１の実施形態）
本発明の最も単純な実施形態について述べる。第１の実施形態では、直線型の光導波路として機能する光デバイスを光ファイバーの途中に挿入した光ファイバーの例を示す。
【００２８】
図１は、第１の実施形態の水平面での断面を示す図、図２は、図１のＡ−Ａの位置で矢印方向に見た断面を示す図である。１はフォトニック結晶を利用したマイクロ光デバイス、２は光学レンズ、３は石英光ファイバーのクラッド部、４０１および４０２は石英光ファイバーのコア部、５は、例えば、ＳｉＯ2あるいはポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）からなるカバー、６はマイクロ光デバイス１のフォトニック光導波路、７は光路、８はマイクロ光デバイス１を光ファイバーの中心部に配置するためのステージであり、上面にマイクロ光デバイス１が貼り付けられる。光路７が示すように、マイクロ光デバイス１のフォトニック光導波路６と石英光ファイバーのコア部４０１および４０２は光学レンズ２により光学的に結合されている。この構成により、光デバイス２００により光ファイバー２０１と２０２とを結合することができ、光導波路として機能する光ファイバーが実現できたことになる。なお、図１では、マイクロ光デバイス１の光導波路６は空間ではないが、分かりやすくするため白抜きとした。これは以下の実施例においても同じである。
【００２９】
図３（Ａ）−（Ｃ）は第１の実施形態の光デバイス２００を作成する手順の一例を示す図である。この例では、図３（Ａ）に示すように、カバー５を水平位置で２等分に分割した下部カバー５1に光学レンズ２の取り付け位置を規定するための凹部２1および２2、マイクロ光デバイス１を張り付けたステージ８の取り付け位置を規定するための凹部８1を形成する。凹部８1の中心部にはステージ８の上面の高さを微調整するためのねじの挿入孔８2を形成する。図示は省略したが、上部カバー５2にも光学レンズ２の取り付け位置を規定するための凹部２1および２2に対応する位置に同様の凹部を形成する。
【００３０】
図３（Ｂ）に示すように、それぞれの凹部に光学レンズ２およびステージ８を置いた後、図３（Ｃ）に示すように、上部カバー５2をかぶせる。ステージ８の上面にはマイクロ光デバイス１が貼り付けられている。また、ステージ８にはねじの挿入孔８2に対応する位置にねじ孔８3が設けられる。挿入孔８2およびねじ孔８3を通して調整ねじ８4を挿入する。
【００３１】
図３（Ｃ）に示す状態に組み立てられた後に一方の光学レンズ２の側から光を入射させて、他方の光学レンズ２から光が検出できるように、調整ねじ８4を調整する。ここで、ステージ８の構造の具体例は開示しないが、簡単な操作で微調整のできる構造であれば、何でも良い。
【００３２】
マイクロ光デバイス１の上面斜視図を図４（Ａ）に、そのＢ−Ｂ位置で矢印方向に見た断面を図４（Ｂ）に、それぞれ、示す。９は石英ガラス基板であり、フォトニック光導波路６となる領域以外にはほぼ円形の空孔１０が周期的に形成されている。１１は空孔１０が周期的に形成されている領域である。領域１１における空孔１０の周期は、λ／２ｎとなっている。ここで、ｎは石英ガラス基板９の屈折率（約１．４６）、λはマイクロ光デバイス１に入射する光の波長である。また、石英ガラス基板９に形成した空孔１０は貫通しないで、下部にλ／２ｎ以下の厚みを残すものとした。これは、ステージ８にマイクロ光デバイス１が接着剤で貼り付けられるときに、接着剤が空孔１０内に侵入しないようにする意味で有利である。マイクロ光デバイス１の機能としては、空孔１０が貫通するかしないかは関係ない。
【００３３】
第1の実施形態ではλの値を１．５５μｍとした。領域１１はフォトニック結晶領域として作用し、波長がλの光を反射する。６は、空孔１０が形成されていない石英ガラス基板９の領域であり、その幅はλ／ｎである。領域６の幅はλ／ｎであるので、波長がλより長い光は領域６に進入できず、波長がλの光を導波する。このように、マイクロ光デバイス１は光導波路の機能と光フィルターの機能をあわせもっている。
【００３４】
マイクロ光デバイス１のサイズは、空孔１０が１５周期程度ならんだ正方状のフォトニック結晶領域の大きさとほぼ等しい。空孔１０の周期は約０．５３μｍであるので、マイクロ光デバイス１のサイズは約８×８μｍである。一方、石英ガラスファイバーの径は約１２５μｍであるので、図１に示すように、マイクロ光デバイス１を光ファイバーの中心部に設置した光デバイス２００を光ファイバーと一体化できる。
【００３５】
図１および図２に示すように、波長がλの光を石英光ファイバー２０１のコア部４０１中を矢印方向に導波させると、導波光は４０１の端から放射され光学レンズ２により絞りこまれてマイクロ光デバイス１の領域６の一端から入射される。領域６に入射された光は６中を導波してマイクロ光デバイス１の領域６の他端から放射され、光学レンズ２により石英光ファイバー２０２のコア部４０２に導かれる。
【００３６】
一方、波長がλよりも長い光をコア部４０１から入射した場合、光はマイクロ光デバイス１の領域６に進入できず、コア部４０２に出力されない。
【００３７】
ここでは、石英光ファイバーに本発明の光デバイス２００を適用したが、プラスチック光ファイバーを用いても第1の実施形態と同じ機能を有する光ファイバーを構成できる。プラスチック光ファイバーは、石英光ファイバーよりも大きな径を有するので、プラスチック光ファイバーを用いた場合にも、マイクロ光デバイス１を光ファイバーの中心部に設置して、光デバイス２００を光ファイバーと一体化できる。
【００３８】
また、近年研究が進み、例えば、特願２００１−５９０３３に紹介されているフォトニック光ファイバーを用いても、第1の実施形態と同じ機能を有する光ファイバーを構成できる。フォトニック光ファイバーとは、コア部がフォトニック光導波路となっている光ファイバーのことである。
【００３９】
図５はマイクロ光デバイス１を用いて第1の実施形態と同じ機能を有する光ファイバーを構成した例を示す断面図である。１は図４に示したフォトニック結晶を利用したマイクロ光デバイス、６はそのフォトニック光導波路領域、１２はフォトニック光ファイバーのクラッド部、１３０および１３１はフォトニック光ファイバーのコア部であり、中空となっている。フォトニック光ファイバーのコア部１３０と１３１の直径は導波光の波長λの１／２である。フォトニック光ファイバーのコア部１３０および１３１の直径とフォトニック光導波路領域６の幅は、ほぼ同じであるので、フォトニック光導波路領域６の両側にフォトニック光ファイバーのコア部１３０および１３１を直接接触させて光学的に結合することができる。
【００４０】
この構成ではマイクロ光デバイス１の光導波路領域６を、一方のフォトニック光ファイバー２０１のコア部１３０と一致するように貼り付け、カバー５をクラッド部１２の外周と一致するように配置して貼り付けた後、他方のフォトニック光ファイバー２０２を同様に貼り付ければよいから、ステージ８のような構造物は不要である。マイクロ光デバイス１のフォトニック光導波路６は接触させることにより、コア部１３０および１３１と光学的に結合されている。
【００４１】
図６はフォトニック光ファイバー２０１と従来型の光ファイバー２０２とを組み合わせることによって第1の実施形態に類似の光ファイバーを構成した例を示す断面図である。ここでは、マイクロ光デバイス１の左側にフォトニック光ファイバー２０１を備え、右側に従来型の石英ガラスファイバー２０２の光ファイバー２０２を備える例を示す。１２、３はそれぞれのクラッド部、１３２、４０３はそれぞれのコア部である。マイクロ光デバイス１のフォトニック光導波路６はフォトニックファイバーのコア部１３２と接触することにより、光学的に結合されている。またフォトニック光導波路６と石英ガラスファイバーのコア部４０３は光学レンズ２により光学的に結合されている。この例では、図示は省略したが、マイクロ光デバイス１は、片端がフリーとなるので、ステージ８のような構造物で支持されるのが良い。この場合、図３で説明したような構造を採りうる。
【００４２】
以上のように、本発明の光デバイスは、石英光ファイバー、プラスチック光ファイバー、あるいはフォトニック光ファイバーのいずれとでも組み合わせて使用できる。そこで、必要がない限り、以下の実施形態では石英光ファイバーと組み合わせて使用するものとして説明する。
【００４３】
（第２の実施形態）
Ｌ字型の導波路として機能するフォトニック結晶を利用したマイクロ光デバイスを有する光デバイスをファイバーの途中に配置した構成例について述べる。
【００４４】
図７に第２の実施形態の水平面での断面を示す。これは、第１の実施形態の図１に対応する図である。２は光学レンズ、３は石英ガラスファイバー２０１，２０２のクラッド部、５はカバー、７は光路、１４はＬ字型の導波路を有するフォトニック結晶を利用したマイクロ光デバイス、１５はマイクロ光デバイス１４中に形成されているＬ字型フォトニック光導波路、４０４および４０５は石英ガラスファイバー２０１，２０２のコア部である。Ｌ字型フォトニック光導波路１５とコア部４０４および４０５は、光学レンズ２により光学的に結合されている。第２の実施形態は、Ｌ字型の導波路を有するフォトニック結晶を利用したマイクロ光デバイスを有する光デバイス２００を用いて構成されている点が第１の実施形態とは異なり、他の点は第１の実施形態と同じである。図７でも、マイクロ光デバイス１４の光導波路１５を白抜きで示した。
【００４５】
第２の実施形態の断面構造は、第１の実施形態の断面構造と類似した断面構造と類似であるので断面図は省略した。
【００４６】
マイクロ光デバイス１４の上面斜視図を図８（Ａ）に、そのＣ−Ｃ位置で矢印方向に見た断面を図８（Ｂ）に、それぞれ、示す。９は石英ガラス基板、１０は空孔、１１は、石英ガラス基板９に空孔１０が周期的に設けられている領域であり、波長がλの光を反射するフォトニック結晶領域となっている。フォトニック結晶領域１１における空孔１０の周期はλ／ｎである。ここで、λは光の波長、ｎは石英ガラス基板９の屈折率（約１．４６）である。１５は石英ガラス基板９に空孔１０が設けられていない領域である。ここに波長λの光を入射した場合、この領域１５はフォトニック光導波路として作用し、光をＬ字型に導波する。フォトニック光導波路１５の幅はλ／ｎであるので波長がλより長い光はフォトニック光導波路１５に進入できない。したがって、この領域１５は光フィルターとしても作用する。第２の実施形態では、波長λの値を１．５５μｍとした。この例でも、空孔１０は石英ガラス基板９を貫通しないものとした。
【００４７】
図７に示すように、波長がλの光を石英ガラスファイバー２０１のコア部４０４中に矢印の方向に導波させると、光はコア部４０４の端部から放射され、光学レンズ２により絞りこまれてフォトニック光導波路として作用する領域１５中に入射される。領域１５の一端に入射された光は、フォトニック光導波路１５中を導波して、領域１５の他端から出力され、光学レンズ２により石英ガラスファイバー２０２のコア部４０５中に導かれる。
【００４８】
波長がλよりも長い光をコア部４０４に入射した場合、光はフォトニック光導波路１５に進入できず、光はコア部４０５に出力されない。
【００４９】
なお、従来型の光ファイバー、例えば、石英ガラスファイバーのみで第２の実施形態のような光ファイバー形状を実現することはできない。これは、従来型の光ファイバーでは、光の閉じ込めが弱いため、急峻な曲がり導波を行うとファイバーの屈曲部で光の放射損失が大きくなってしまうからである。第２の実施形態は、光ファイバーの急峻曲げ形状を実現でき、光ファイバーにより複雑な光回路を構成する場合に適している。
【００５０】
（第３の実施形態）
光分岐回路として機能するフォトニック結晶を利用したマイクロ光デバイスを有する光デバイスをファイバーの途中に配置した構成例について述べる。
【００５１】
図９に第３の実施形態の水平面での断面を示す。これは、第１の実施形態の図１に対応する図である。２は光学レンズ、３は石英ガラスファイバー２０１−２０３のクラッド部、４０６、４０７、および４０８は石英ガラスファイバー２０１−２０３のコア部、５はカバー、７は光路、１６はＴ字型の光分岐導波路として機能するフォトニック結晶を利用したマイクロ光デバイスである。マイクロ光デバイス１６中に形成されているＴ字型の光分岐導波路の一端には光学レンズ２を介してコア部４０６が結合され、Ｔ字型の光分岐導波路の他の二端には光学レンズ２を介してコア部４０７および４０８が結合される。第３の実施形態は、Ｔ字型の導波路を有するフォトニック結晶を利用したマイクロ光デバイスを用いて光デバイス２００が構成されている点が第１、第２の実施形態とは異なり、他の点は第１、第２の実施形態と同じである。図８でも、マイクロ光デバイス１６の導波路を白抜きで示す。
【００５２】
第３の実施形態の断面構造図は省略した。第３の実施形態は、第１の実施形態の断面構造と類似した断面構造を有する。
【００５３】
マイクロ光デバイス１６の上面斜視図を図１０（Ａ）に、そのＤ−Ｄ位置で矢印方向に見た断面を図１０（Ｂ）に、それぞれ、示す。９は石英ガラス基板、１０は空孔、１１は、石英ガラス基板９に空孔１０が周期的に設けられている領域であり、波長λの光を反射するフォトニック結晶領域となっている。フォトニック結晶領域１１における空孔１０の周期はλ／ｎである。ここで、λは光の波長、ｎは石英ガラス基板９の屈折率（約１．４６）である。１７、１８および１９は、石英ガラス基板９に空孔１０が設けられていない領域である。ここに波長λの光を入射した場合、これらの領域１７、１８および１９はフォトニック光導波路として作用する。領域１７、１８および１９の結合点に存在する空孔２０により、領域１７に入射した光が散乱され領域１８および１９に導波される。すなわちフォトニック光導波路１７、１８および１９は相互に光学的に結合され、一端に入射される光がＴ字型に分岐される。フォトニック光導波路１７の幅はλ／ｎであるので波長がλより長い光はフォトニック光導波路１７に進入できない。したがって、この領域１７は光フィルターとしても作用する。第３の実施形態では、波長λの値を１．５５μｍとした。この例でも、空孔１０は石英ガラス基板９を貫通しないものとした。Ｄ−Ｄ位置での断面図で見ると空孔２０のみであるが、フォトニック結晶領域１１における空孔１０は、図４（Ｂ）に示すように、多数存在するからである。
【００５４】
フォトニック光導波路１７に光学レンズ２を介してコア部４０６が結合され、フォトニック光導波路１８に光学レンズ２を介してコア部４０７が、フォトニック光導波路１９に光学レンズ２を介してコア部４０８が結合される。
【００５５】
図９に示すように、波長が１．５５μｍの光をコア部４０６中を矢印方向に導波させると、光はコア部４０６の端部より出射され、光学レンズ２により絞りこまれてフォトニック光導波路１７に入射される。入射された光はフォトニック光導波路１７を導波し、空孔２０により散乱されてフォトニック光導波路１８および１９に導かれ、フォトニック光導波路１８を導波した光は光学レンズ２によりコア部４０７へ、フォトニック光導波路１９を導波した光は光学レンズ２によりコア部４０８へ、それぞれ、出力される。同様に、コア部４０７に光を入力した場合、光はコア部４０６および４０８へ出力され、コア部４０８に光を入力した場合、光はコア部４０６と４０７へ出力される。この際、コア部４０６と４０７へ出力される光の強度は、原理上、コア部４０７に入力される光の１／２となる。
【００５６】
波長がλよりも長い光をコア部４０６に入射した場合、光はフォトニック光導波路１７に進入できず、光はコア部４０７および４０８のいずれにも出力されない。コア部４０７あるいは４０８に光を入射した場合も同様である。
【００５７】
（第４の実施形態）
光分岐回路として機能するフォトニック結晶を利用したマイクロ光デバイスを有する光デバイスをファイバーの途中に配置した構成例について述べる。
【００５８】
図１１に第４の実施形態の水平面での断面を示す。これは、第１の実施形態の図１に対応する図である。２は光学レンズ、３は石英ガラスファイバー２０１−２０４のクラッド部、４０９、４１０、４１１および４１２は石英ガラスファイバー２０１−２０４のコア部、５はカバー、７は光路、２１は十字型の光分岐導波路として機能するフォトニック結晶を利用したマイクロ光デバイスである。マイクロ光デバイス２１中に形成されている十字型の光分岐導波路の一端には光学レンズ２を介してコア部４０９が結合され、十字型の光分岐導波路の他の３端には光学レンズ２を介してコア部４１０，４１１および４１２が結合される。第４の実施形態は、十字型の導波路を有するフォトニック結晶を利用したマイクロ光デバイスを有する光デバイス２００を用いて構成されている点が第３の実施形態とは異なり、他の点は第３の実施形態と同じである。図１１でも、マイクロ光デバイス２１の光導波路を白抜きで示す。
【００５９】
第４の実施形態の断面構造図は省略した。第４の実施形態は、第１の実施形態の断面構造と類似した断面構造を有する。
【００６０】
マイクロ光デバイス２１の上面斜視図を図１２（Ａ）に、そのＥ−Ｅ位置で矢印方向に見た断面を図１２（Ｂ）に、それぞれ、示す。９は石英ガラス基板、１０は空孔、１１は、石英ガラス基板９に空孔１０が周期的に設けられている領域であり、波長λの光を反射するフォトニック結晶領域となっている。フォトニック結晶領域１１における空孔１０の周期はλ／ｎである。ここで、λは光の波長、ｎは石英ガラス基板９の屈折率（約１．４６）である。２２，２３，２４および２５は、石英ガラス基板９に空孔１０が設けられていない領域である。ここに波長λの光を入射した場合、これらの領域２２，２３，２４および２５はフォトニック光導波路として作用する。領域２２，２３，２４および２５の結合点に存在する空孔２６により、領域２２に入射した光が散乱され領域２３，２４および２５に導波される。すなわちフォトニック光導波路２２，２３，２４および２５は相互に光学的に結合され、一端に入射される光が十字型に分岐される。
【００６１】
フォトニック光導波路２２の幅はλ／ｎであるので波長がλより長い光はフォトニック光導波路２２に進入できない。したがって、この領域２２は光フィルターとしても作用する。第４の実施形態では、波長λの値を１．５５μｍとした。この例でも、空孔２６は石英ガラス基板９を貫通しないものとした。Ｅ−Ｅ位置での断面図で見ると空孔２６のみであるが、フォトニック結晶領域１１における空孔１０は、図４（Ｂ）に示すように、多数存在するからである。
【００６２】
フォトニック光導波路２２に光学レンズ２を介してコア部４０９が結合され、フォトニック光導波路２３に光学レンズ２を介してコア部４１０が、フォトニック光導波路２４に光学レンズ２を介してコア部４１１が、フォトニック光導波路２５に光学レンズ２を介してコア部４１２が結合される。
【００６３】
図１１に示すように、波長が１．５５μｍの光をコア部４０９中を矢印方向に導波させると、光はコア部４０９の端部より出射され、光学レンズ２により絞りこまれてフォトニック光導波路２２に入射される。入射された光はフォトニック光導波路２２を導波し、空孔２６により散乱されてフォトニック光導波路２３，２４および２５に導かれ、フォトニック光導波路２３を導波した光は光学レンズ２によりコア部４１０へ、フォトニック光導波路２４を導波した光は光学レンズ２によりコア部４１１へ、フォトニック光導波路２５を導波した光は光学レンズ２によりコア部４１２へ、それぞれ、出力される。同様に、コア部４１０に光を入力した場合、光はコア部４０９，４１１および４４１２へ出力される。他のコア部４１１，４１２に光を入力した場合も同様に他の３つのコア部へ出力される。この際、出力される光の強度は、原理上、入力される光の１／３となる。
【００６４】
波長がλよりも長い光をコア部４０９から入射した場合、光はフォトニック光導波路２２に進入できず、光はコア部４１０−４１２のいずれにも出力されない。他のコア部に光を入射した場合も同様である。
【００６５】
第１から４の実施形態では、各種の形状の光導波路として機能するフォトニック結晶を利用したマイクロ光デバイスを有する光デバイスを光ファイバーのと中に挿入する構成としたが、他の光導波路あるいは光分岐回路として機能するフォトニック結晶を利用したマイクロ光デバイスを有する光デバイスを用いて光ファイバーを構成することも可能である。
【００６６】
（第５の実施形態）
光スイッチとして機能するフォトニック結晶を利用したマイクロ光デバイスを有する光デバイスをファイバーの途中に配置した構成例について述べる。
【００６７】
図１３は、第５の実施形態の水平面での断面を示す図、図１４は、図１３のＦ−Ｆの位置で矢印方向に見た断面を示す図である。第５の実施形態は、第１の実施形態に類似の構造である。２７は光スイッチとして機能するフォトニック結晶を利用したマイクロ光デバイス、２８はマイクロ光デバイス２７の上面に設置されている上部電極、２９はマイクロ光デバイス２８の下面に設置されている下部電極、３０および３１は外部電極であり、電気配線３２を介して、上部電極２８および下部電極２９にそれぞれ接続されている。３３および３４は外部電極３０および３１に必要な電気信号を伝達する手段、４１３および４１４は石英光ファイバーのコア部である。他の構造は第１の実施形態と同じである。
【００６８】
第５の実施形態は、マイクロ光デバイス２７が外部電極３０および３１を介して導入される電気信号によって、光スイッチとして機能させられる点に於いて第１の実施形態と異なる。
【００６９】
マイクロ光デバイス２７の上面斜視図を図１５（Ａ）に、そのＧ−Ｇ位置で矢印方向に見た断面を図１５（Ｂ）に、それぞれ、示す。９０１はニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3）基板であり、第１の実施形態では石英ガラス基板９であったのに代えられる。１０は空孔、１１は空孔１０が周期的に形成されている領域、３５および３６は空孔１０が形成されていない領域、２８は上部電極、２９は下部電極である。上部電極２８はニオブ酸リチウム基板９０１の空孔１０が形成されていない領域３５および３６とほぼ同じ幅でマイクロ光デバイス２７の上面に設けられ、下部電極２９はニオブ酸リチウム基板９０１の下面の全面に形成されている。第５の実施形態では、マイクロ光デバイス２７はステージ８で支持されているが、下部電極２９がマイクロ光デバイス２７の下面の全面に形成されているので、空孔１０が貫通するものとしても良い。
【００７０】
第５の実施形態では、図１５（Ｂ）に示す断面を参照してもわかるように、第１の実施形態で光導波路６とされていた領域の中央部に空孔１０が形成されている。図１６は、これを分かりやすくするために、マイクロ光デバイス２７の上部電極２８を除去して、空孔１０が周期的に形成されている状況を示すマイクロ光デバイス２７の上面斜視図である。ただし、上部電極２８の配置される領域を一点鎖線で示す。上部電極２８で覆われている領域の内、波線の領域３７は、領域１１と同じように、空孔１０が周期的に形成されている。
【００７１】
空孔１０が周期的に形成されている領域１１および３７における空孔１０の周期はλ／２ｎである。λはマイクロ光デバイス２７に入射される光の波長、ｎはニオブ酸リチウム９０１の屈折率（約２．２９）である。第５の実施形態では、波長λの値を１．５５μｍとした。ニオブ酸リチウム９０１はこの波長域で透明であるので、空孔１０が周期的に形成されている領域１１および３７は、波長がλの光を反射するフォトニック結晶領域として作用する。
【００７２】
空孔１０が形成されていない領域３５および３６の幅はλ／ｎであり、これらは波長λの光を導波するフォトニック光導波路となっている。光導波路３５と石英光ファイバーのコア部４１３、光導波路３６と石英光ファイバーのコア部４１４は光学レンズ２を介して光学的に結合されている。ニオブ酸リチウム９０１は電気光学効果を示すので、上部電極２８と下部電極２９の間に所定の電圧を印加した場合には、電気光学効果により上部電極２８で覆われた領域３７の屈折率が変化する。
【００７３】
図１３に示すように、波長λの光を石英光ファイバーのコア部４１３中を矢印の方向に導波させると、光は光学レンズ２により光導波路３５中に絞りこまれ３５中を導波する。上部電極２８で覆われた領域３７は波長λの光をブラッグ反射するので、上部電極２８および下部電極２９の間に所定の電圧を印加しない場合は、導波光は光導波路３６に出力されない。したがって、導波光は石英光ファイバーのコア部４１４に出力されない。
【００７４】
一方、外部電極３０および３１に必要な電気信号を伝達する手段３３および３４および電気配線３２を介して、上部電極２８および下部電極２９の間に所定の電圧を印加すると、上部電極２８で覆われた領域３７のニオブ酸リチウム９０１の屈折率が電気光学効果により変化してｎ’に変化する。その結果、領域３７のニオブ酸リチウム９０１中での導波光の波長はλ／ｎ’となる。この領域３７に配列された空孔１０の周期は、λ／２ｎであるので、この場合には導波光は周期的に配列された空孔１０によりブラッグ反射されなくなる。これは、電気光学効果によりフォトニック結晶の光の禁制帯（フォトニックバンドギャップ）が変化することに起因する。フォトニック結晶の光の禁制帯（フォトニックバンドギャップ）の変化により光の導波が変化することは、本願の発明者らの提案にかかわるWO ０２／３３４７８ Ａ１に詳細に記載されている。したがって、上部電極２８および下部電極２９の間に所定の電圧を印加した状態で波長λの光を石英光ファイバーのコア部４１３から領域３５に入射すると、光は領域３７の部分を導波して領域３６に出力され、光学レンズ２により石英光ファイバーのコア部４１４へ導かれる。
【００７５】
このように、マイクロ光デバイス２７は光スイッチとして機能し、上部電極２８および下部電極２９の間に印加する電圧を変化させることにより石英光ファイバーのコア部４１３と４１４の光学的結合状態を変化させることができる。
【００７６】
第５の実施形態では、上部電極２８および下部電極２９の間に印加する信号電圧を伝達する手段３３および３４は光ファイバーの表面にファイバーに並行して配置されているので、光ファイバーの末端部から、マイクロ光デバイス２７の動作を制御することができる。
【００７７】
（第６の実施形態）
光増幅器として機能するフォトニック結晶を利用したマイクロ光デバイスを有する光デバイスをファイバーの途中に配置した構成例について述べる。
【００７８】
図１７は、第６の実施形態の水平面での断面を示す図、図１８は、図１７のＨ−Ｈの位置で矢印方向に見た断面を示す図である。第６の実施形態は、フォトニック結晶を利用したマイクロ光デバイス３８が光増幅器として機能する点だけが第５の実施形態と異なる。３９および４０は上部電極および下部電極であり、光増幅器として機能するフォトニック結晶を利用したマイクロ光デバイス３８の両面に設けられる。４１３および４１４は石英光ファイバーのコア部である。他の部分の構造および機能は、第５の実施形態と同じであるので、説明を省略する。
【００７９】
マイクロ光デバイス３８の上面斜視図を図１９（Ａ）に、そのＨ−Ｈ位置で矢印方向に見た断面を図１９（Ｂ）に、それぞれ、示す。９は、第１の実施例と同様、石英ガラス基板である。１０は空孔、１１は空孔１０が周期的に形成されている領域、４１は空孔１０が形成されていない領域、３９は上部電極、４０は下部電極である。上部電極３９は石英ガラス基板９の空孔１０が形成されていない領域４１よりやや広い幅でマイクロ光デバイス３８の上面に設けられ、下部電極４０は石英ガラス基板９の下面の全面に形成されている。第６の実施形態では、図１９（Ｂ）に示す断面を参照して分かるように、第１の実施形態で光導波路６とされていた領域の部分で、上部電極３９とほぼ同じ長さで、且つ、光導波路６とされていた領域とほぼ同じ幅に亘って、電気的に励起されて波長がλの光を放出する材料４３が埋め込まれている。材料４３は上部電極３９および下部電極４０と電気的に接触している。材料４３としては、たとえばＩｎＧａＡｓＰを用いることができる。この場合、上部電極３９をｐ型ＩｎＰとして陽極、下部電極４０をｎ型ＩｎＰとして陰極とすれば良い。
【００８０】
図２０は、これを分かりやすくするために、マイクロ光デバイス３８の上部電極３９を除去して、電気的に励起されて波長がλの光を放出する材料４３が埋め込まれている状況を示すマイクロ光デバイス３８の上面斜視図である。ただし、上部電極３９が設けられる領域を一点鎖線で示す。領域４１は、光学レンズ２により光ファイバーのコア部４１３および４１４と光学的に結合されている。図１９（Ｂ）に示すように、材料４３を石英ガラス基板９の中に埋め込むには、半導体の製造技術として知られる積層技術が有用である。
【００８１】
空孔１０が周期的に形成されている領域１１における空孔の周期はλ／２ｎである。λはマイクロ光デバイス３８に入射される光の波長、ｎは石英ガラス基板９の屈折率（約１．４６）である。第６の実施形態では、波長λの値を１．５５μｍとした。石英ガラス基板９はこの波長域で透明であるので、空孔１０が周期的に形成されている領域１１は波長λの光を反射するフォトニック結晶領域として作用する。
【００８２】
図１７に示すように、光ファイバーのコア部４１３中に波長がλの光を矢印方向に導波させると、光は光学レンズ２により光導波路４１へと絞り込まれ４１中を導波する。第５の実施形態と同様、上部電極３９および下部電極４０に電圧が印加されていない状態では、導波光は増幅されずに光導波路４１に出力され、そのまま石英光ファイバーのコア部４１４に出力される。一方、上部電極３９および下部電極４０に電圧を印加することにより、上部電極３９で覆われた領域４３中に反転分布が形成され、４３中で波長λの光が誘導放出され、誘導放出光は導波光の信号を強化するように作用する。誘導放出光と導波光は光学レンズ２により光ファイバーのコア部４１４へと導かれる。
【００８３】
第６の実施形態でも、第５の実施形態と同様、上部電極３９８および下部電極４０の間に印加する信号電圧を伝達する手段３３および３４を光ファイバーの表面にファイバーに並行して配置すれば、光ファイバーの末端部から、マイクロ光デバイス３８の動作を制御することができる。
【００８４】
（第７の実施形態）
レーザとして動作するフォトニック結晶を利用したマイクロ光デバイスを有する光デバイスをファイバーの表面に配置した構成例について述べる。レーザの構造としては、例えば特開平１１−３３０６１９号公報が提案しているフォトニック結晶を利用したマイクロ光デバイスを用いることができる。
【００８５】
図２１（Ａ）は、第７の実施形態のファイバー軸方向の垂直面での断面を、（Ｂ）は、Ｊ−Ｊ位置で矢印方向に見た断面を、それぞれ、示す。図を見やすくするために、レーザとして機能するフォトニック結晶を利用したマイクロ光デバイス４５関連以外の構成については断面を示すハッチングを省略した。３は石英ガラスファイバーのクラッド部、７は光路、４４は透明な外被、４１５は１０％程度のエルビウムイオンがドープされている石英ガラスファイバーのコア部、４５はレーザとして機能するフォトニック結晶を利用したマイクロ光デバイスである。
【００８６】
レーザ４５は、石英ガラスファイバーが完成した後、このクラッド部３の表面に、出力光が石英ガラスファイバー軸方向になるように貼り付ける形で配置される。レーザ４５が貼り付けられた後、透明な外被、例えば、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）よりなる外被４４により、レーザ４５が露出しないように、光ファイバーの表面を覆う。レーザ４５は、図２１（Ｂ）に示すように、同心円状に適当数、例えば、８個ほぼ均等な間隔で配置する。
【００８７】
レーザ４５の構造の例は後述するが、石英ガラスファイバーのコア部４１５にドープされているエルビウムイオンを励起する光（波長０．９８μｍの光）を出力する。透明な外被４４をポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）（屈折率１．４）を用いて形成すると、石英ガラスファイバーのクラッド部３（屈折率１．５）よりも低い屈折率を有するので、光路７に示すように、レーザ４５が放出する光は外被４４からクラッド部３へ導かれる。クラッド部３はコア部４１５よりも低い屈折率を有するので、クラッド部３に導かれた光は、さらにコア部４１５中に導かれる。ここで、クラッド部３とコア部４１５とは屈折率が大きく違わないので、クラッド部３からコア部４１５への光の入射では、光路７の屈折は表示しなかった。
【００８８】
図２１（Ｂ）に示すように、レーザ４５を励起するための電気信号を供給する線を４６，４７で示した。この構造は、第５、第６の実施形態で信号線を光ファイバーに並行に配置したのと同様であり、光ファイバーの末端部において線４６、４７を信号回路に接続して電気信号を供給することにより、レーザ４５を動作させることが可能である。
【００８９】
レーザ４５の上面斜視図を図２２（Ａ）に、そのＫ−Ｋ位置で矢印方向に見た断面を図２２（Ｂ）に、それぞれ、示す。レーザ４５は、特開平１１−３３０６１９号公報に記載されているマイクロ光デバイスに類似のフォトニック結晶を利用したマイクロ光デバイスを有する光デバイスである。９はガラス基板、１０は空孔、４８は上部電極、４９は下部電極、５０は空孔１０が周期的に形成されていないガラス基板９の領域である。下部電極４９はガラス基板９の下面全体に形成されている。図２３は、上部電極４８を除いた場合のレーザ４５の上面斜視図を示したものである。ただし、上部電極４８の配置される領域を一点鎖線で示す。５１は、空孔１０が形成されていないガラス基板９の領域、５２は電気的に励起されて波長が０．９８μｍの光を放出する材料である。５２の材料としては、例えばＧａＩｎＡｓＰを用いることができる。電気的に励起されて光を放出する材料５２はガラス基板９の内部に埋め込まれており、上部電極４８および下部電極４９と電気的に接触している。即ち、両電極４８、４９の間に電圧を印加することにより、光を放出する材料５２を電気的に励起することができる。空孔１０が形成されていない５０および５１の領域を除くガラス基板９の部分には空孔１０が６方格子状に周期的に形成されており、０．９８μｍの光を反射するフォトニック結晶を持つマイクロ光デバイスとして作用する。このため、領域５０は波長が０．９８μｍの光を導波するフォトニック光導波路、領域５１は同波長の光を閉じ込める光共振器として作用する。
【００９０】
上部電極４８および下部電極４９は、それぞれ、図２１（Ｂ）示す電気信号を供給する線４６および４７と電気的に接続されており、４６と４７の間に電圧を印加すると、光を放出する材料５２が電気的に励起され、波長が０．９８μｍの光が放出される。領域５１は、波長が０．９８μｍの光を閉じ込める光共振器として作用するので、５２はレーザ発振し、発生したレーザ光は光導波路５０により外部に導かれる。
【００９１】
第７の実施形態では、光導波路５０の方向をファイバー軸方向と一致させるようにレーザ４５を配置することにより、光導波路５０から放出されるレーザ光が、図２１（Ａ）に光路7として例示したようにファイバー中を導波する。
【００９２】
波長が０．９８ｍｍの光で励起されたエルビウムイオンは、自然放出を経て励起状態4Ｉ13/2で安定し、エルビウムの励起状態4Ｉ13/2は波長が１．５５μｍの光で誘導放出を起すことが知られている。従って、図２１（Ａ）に示すように、レーザ４５を動作させた状態で、波長が１．５５μｍの信号光を石英ガラスファイバーのコア部４１５中を導波させると、信号光は励起エルビウムの誘導放出により増幅される。このように、第７の実施形態は、エルビウムドープファイバー型光増幅器として機能する。
【００９３】
なお、他の希土類イオンを石英ガラスファイバーのコア部４１５にドープし、同希土類イオンを励起する光を放出するレーザとして機能するフォトニック結晶を利用したマイクロ光デバイス４５を用いて第７の実施形態と類似のファイバー型光増幅器として作用する光ファイバーを構成することもできる。
【００９４】
第７の実施形態では、石英ガラスファイバーのクラッド部３の外面にフォトニック結晶を利用したマイクロ光デバイスを有する光デバイス４５を配置したが、これをクラッド部３の内部に配置することも可能である。
【００９５】
図２４（Ａ）は、第７の実施形態の変形例のファイバー軸方向の垂直面での断面を、（Ｂ）は、Ｌ−Ｌ位置で矢印方向に見た断面を、それぞれ、示す。ここでも、図２１と同様ハッチングは省略した。５４は外被であり、石英ガラスファイバーのクラッド部３よりも低い屈折率を有する材料、例えば、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）（屈折率１．４）を用いて形成する。この変形例では、クラッド部３を半導体の製造技術で採用されているエッチングによりくり抜いた後、フォトニック結晶を利用したマイクロ光デバイス４５を挿入する。その後、レーザ４５を励起するための電気信号を供給する線４６，４７をクラッド部３の外面に沿わせた後、外被５４で覆う。この例でも、外被５４は石英ガラスファイバーのクラッド部３よりも低い屈折率を有し、クラッド部３はコア部４１５よりも低い屈折率を有するので、レーザ４５が放出する光はコア部４１５に導かれる。マイクロ光デバイス４５の光導波路５０の方向をファイバー軸方向と一致させるように配置することにより、光導波路５０から放出されるレーザ光が、図２４（Ａ）に光路7として例示したようにファイバー中を導波し、エルビウムドープファイバー型光増幅器として作用する。
【００９６】
なお、第７の実施形態は、エルビウムイオンがドープされているプラスチック光ファイバーを用いても、実現できることは言うまでもない。
【００９７】
第７の実施形態によれば、励起光源と光ファイバーが一体化したファイバー型光増幅器となっているので、励起用光源を別途必要とする従来のファイバー型光増幅器と比較して、よりコンパクトであり、海底ケーブル等の長距離光通信システムの光中継器に適している。
【００９８】
（第８の実施形態）
レーザとして動作するフォトニック結晶を利用したマイクロ光デバイスを有する光デバイスを光ファイバーの表面に配置した他の構成例について述べる。
【００９９】
図２５は、第８の実施形態のファイバー軸方向の垂直面での断面を示す。ここでも、図２１と同様ハッチングは省略した。第８の実施形態はマイクロ光デバイス５５が波長１．４５μｍのレーザ光を放出すること、マイクロ光デバイス５５による光路７の進行方向と信号光の進行方向が逆であること、を除けば図２１に示す第７の実施形態と同じである。したがって、断面図は省略した。マイクロ光デバイスを有する光デバイス５５は、図２２、図２３で説明したレーザ４５と類似の構造の光デバイスであるが、光を放出する材料５２が、放出する光の波長に対応して、ＧａxＩｎ1-xＡｓyＰ1-yとされている。ここで、ｘおよびｙの値は材料５２が波長１．４５μｍの光を発するように設定される。レーザ５５が放出する光の波長１．４５μｍを信号光の波長１．５５μｍと比較して０．１μｍ小さいものとしたのは、波長が１．５５μｍ付近での石英ガラスファイバー中でのラマンシフト量は約０．１μｍであるからである。
【０１００】
光エレクトロニクス辞典（光エレクトロニクス辞典編集委員会、産業調査会、東京、１９９３）８６ページに記載されているように、石英ガラスファイバーに信号光と、信号光よりもラマンシフト量だけ波長が短い光を入力すると、誘導ラマン散乱効果により信号光が増幅される。誘導ラマン散乱効果は、光が材料中の光学フォノンと相互作用することに起因し、ラマンシフト量だけ波長がずれた光が出力される現象である。この光出力は、ストークス線とよばれ、ストークス線に対応した信号光があればストークス線のエネルギーは信号光の増幅に使われるので、この第７の実施形態の他の変形例によりファイバー型ラマン増幅器が実現できる。なお、この誘導ラマン散乱効果は、信号光とレーザ光とが逆の進行方向である場合に限られるわけではないが、逆の進行方向とした方が、より安定した効果が得られる。
【０１０１】
なお、第８の実施形態でも、第７の本実施形態と同様、フォトニック結晶を利用したマイクロ光デバイスを有する光デバイス５５をクラッド部３の内部に配置した構成とすること、プラスチック光ファイバーを用いることも可能である。
【０１０２】
第８の実施形態は、第７の本実施形態と同様、励起光源とファイバーが一体化したファイバー型ラマン増幅器として作用するので、従来のファイバー型光増幅器と比較してコンパクトであるという利点を有し、海底ケーブル等の長距離光通信システムの光中継器に適している。
【０１０３】
（第９の実施形態）
レーザあるいは受光素子して機能するフォトニック結晶を利用したマイクロ光デバイスを有する光デバイスを光ファイバーの末端部に配置する例について述べる。
【０１０４】
図２６は、第９の実施形態の水平面での断面を示す図、図２７は、図２６のＭ−Ｍの位置で矢印方向に見た断面を示す図である。２は光学レンズ、３は石英ガラスファイバーのクラッド部、５はカバー、７は光路、８はステージ、５６はレーザあるいは受光素子として機能するフォトニック結晶を利用したマイクロ光デバイス、５７はマイクロ光デバイス５６上面に設置された上部電極、４１７は石英ガラスファイバーのコア部である。マイクロ光デバイス５６は光学レンズ２によりコア部４１７と光学的に結合されている。８はマイクロ光デバイス５６を支持するステージ、５８はマイクロ光デバイス５６の下部電極、５９および６０は外部電極、６１は電気配線である。マイクロ光デバイス５６の上部電極５７と下部電極５８は外部電極５９と６０と電気配線６１により、それぞれ、電気的に接続されている。
【０１０５】
図３を参照して第１の実施形態におけるマイクロ光デバイス１および光学レンズ２の取り付け方の概要を説明したのと同様に、第９の実施形態でもマイクロ光デバイス５６および光学レンズ２をカバー５内に保持することができる。ただし、第９の実施形態では、外部電極６０が図３における調整ねじ８4の操作に邪魔にならないように工夫された構造とすることが必要である。また、組み立て後の高さ合わせが必要な場合、図３の例のように貫通光を利用することができないから、光学レンズ２の右側から光を照射して、マイクロ光デバイス５６の側面の所定の位置に焦点を結ぶことを確認するなどの工夫が必要である。このためには、カバー５が、例えば、ＳｉＯ2あるいはポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）等とされて透明であるのが良い。
【０１０６】
図２８にマイクロ光デバイス５６の上面斜視図を、図２９に上部電極５７を取り除いた状態での上面斜視図を、それぞれ、示す。第９の実施形態におけるマイクロ光デバイス５６は、図２２、図２３を参照して説明した第７の実施形態におけるマイクロ光デバイス４５と類似の構造である。したがって、断面図は省略した。９は石英ガラス基板、１０は空孔、５７は上部電極、５８は下部電極、６２は空孔１０が形成されていない石英ガラス基板９の領域である。図２９では、上部電極５７の配置される領域を一点鎖線で示す。下部電極５８は基板９の全面に形成されている。上部電極５７で覆われた領域の石英ガラス基板９の中央部には電気的に励起されて光を放出する材料または光を受けて電圧を発生する光電変換材料６４が設けられ、その周辺の領域６３は空孔１０が周期的に形成されていない領域とされている。光を放出する材料または光電変換材料６４は上部電極５７および下部電極５８と電気的に接属されたものとされている。電気的に励起されて光を放出する材料としてはＧａＩｎＡｓＰ、光電変換材料としてはＧｅを用いることができる。この場合、光電変換材料６４の受発光波長を１．５５μｍとすることができる。
【０１０７】
石英ガラス基板９の領域６２および６３、材料６４の領域を除く領域はフォトニック結晶として作用する。材料６４が電気的に励起されて発光する材料である場合、これらの領域は材料６４が発する波長の光を反射し、領域６２はこの波長の光を導波するフォトニック光導波路、領域６４はこの波長を閉じ込める光共振器として機能する。両電極５７，５８の間に電圧を印加し、材料６４を電気的に励起すると、その内部に反転分布が形成される。材料６４は光共振器として機能する領域６３の内部に配置されているので、材料６４は誘導放出により発光し、発生したレーザ光は領域６２に導かれ、光学レンズ２により光学的に結合されている石英ガラスファイバーのコア部４１７中に出力される。
【０１０８】
一方、材料６４が光電変換材料である場合、マイクロ光デバイス５６は受光素子として機能する。石英ガラスファイバーのコア部４１７中に信号光を導波させると、導波光はコア部４１７より出力され光学レンズ２により領域６２中に入力される。領域６２に入力された光は６２中を導波して領域６３に到達し、材料６４により電気信号に変換される。電気信号は、両電極５７，５８に間に出力される。
【０１０９】
このように、第９の実施形態によれば、材料６４が電気的に励起されて発光する材料である場合、マイクロ光デバイス５６はレーザとして動作し、材料６４が光電変換材料である場合、マイクロ光デバイス５６は受光素子として機能する。
【０１１０】
第９の実施形態は、光ファイバー端部にレーザあるいは受光機能を有するマイクロ光デバイスを実装するものであるから、一端にレーザ機能を有するマイクロ光デバイスを実装し、他端に受光機能を有するマイクロ光デバイスを実装するものとすれば、他の光能動デバイスとの結合なしで、光通信を行うことができる。このような光通信機能を有するファイバーは、従来の光通信システムと比較して顕著に小さい。
【０１１１】
（第１０の実施形態）
第９の実施形態の適用例として、例えば、既に建物内などに敷設されているファイバーを外部の電子回路と接続し、光通信を行う方法について述べる。
【０１１２】
図３０は第１０の実施形態のマイクロ光デバイス５６を有する光デバイスを含む端部構造と既設の光ファイバーとの結合関係を説明する断面構造図である。図３０に示す構造は、図２７と対比して明らかなように、カバー５の周辺に外部電極５９および６０に必要な電気信号を伝達する手段３３および３４を設けるとともに、これに電気信号を与え、あるいは、これから電気信号を取り出すための信号線７２を設けるとともに、これらの端部構造全体を取り囲む形のフランジ付きのホルダ６６が付加された点を除けば、第９の実施形態と同じである。信号線７２の他端には信号の授受のための電子回路（図示せず）が備えられる。
【０１１３】
第１０の実施形態のマイクロ光デバイス５６を有する光デバイスを含む端部構造は、ホルダ６６の開口部１００に既設のファイバー１０１の端部を挿入される。既設のファイバー１０１が挿入された状態を図３１に示す。その結果、図２７に示す第９の実施形態の構造が実現でき、光通信を行うことができる。この例では、既設のファイバー１０１の端部は、当然のことながら、清浄できれいに仕上がった端面とされていることが必要である。そのため、端面の条件が悪いときは、端部を切断して、新しい端面を出す等の工夫が必要である。
【０１１４】
図３２は第１０の実施形態の変形例としてマイクロ光デバイス５６を有する光デバイスを含む端部構造をファイバー１０１の端部に予め実装しておく例を示す断面図である。図２７および図３１と、図３２とを対比して分かるように、この例では、電子回路に接続された信号線７２と、外部電極５９および６０に必要な電気信号を伝達する手段３３および３４とを備えたフランジ付のホルダ６６を用意する。一方、図２７に示す第９の実施形態の構造の端部に、フランジ１０２付のガイドを設ける。そして、ファイバーと電子回路を接続するときは、ホルダ６６の開口部に、第９の実施形態の構造の端部をフランジ１０２がホルダ６６のフランジと接触するまで押し込むことにより、図３１と同様にホルダ６６とマイクロ光デバイス５６を含むファイバーの端部構造とを結合させた状態が実現できる。
【０１１５】
第１０の実施形態およびこの変形例において、マイクロ光デバイス５６がレーザとして動作するフォトニック結晶を利用したマイクロ光デバイスである場合、信号線７２に接続された電子回路をレーザ駆動用の電子回路とすれば、マイクロ光デバイス５６を有する光デバイスをレーザ動作させて光信号を送信することができる。同様に、マイクロ光デバイス５６を有する光デバイスが受光素子として動作するフォトニック結晶を利用したマイクロ光デバイスを有する光デバイスである場合、信号線７２に接続された電子回路を受光素子駆動用の電子回路とすれば、マイクロ光デバイス５６を有する光デバイスにより光信号を受信して光通信を行うことができる。
【０１１６】
（第１１の実施形態）
レーザして動作する部分および受光素子として動作する部分とを独立に備えるフォトニック結晶を利用したマイクロ光デバイスを有する光デバイスを光ファイバーの末端部に配置した構成例を示す。
【０１１７】
図３３（Ａ）は、第１１の実施形態の水平面での断面を、（Ｂ）は図３３（Ａ）のＮ−Ｎの位置で矢印方向に見た断面を示す図である。７３はレーザとして動作する部分および受光素子として動作する部分を独立に備えるフォトニック結晶を利用したマイクロ光デバイス、７４および７５はマイクロ光デバイス７３の上部電極である。２は光学ガラス、３は石英光ファイバーのクラッド部、４１８は石英光ファイバーのコア部である。第１１の実施形態は、フォトニック結晶を利用したマイクロ光デバイスを有する光デバイスがレーザおよび受光素子の両方の機能が独立して設けられている点が第９の実施形態とは異なる。他の部分は、第９の実施形態と同じである。第９の実施形態と同じ部分の符号の説明は省略する。したがって、レーザとして動作する部分および受光素子として動作する部分に対応して上部電極７４および７５が独立に設けられる。７６は下部電極であり、上部電極７４および７５に共通に設けられる。７８は電気的に励起されて発光する材料、７９は光電変換材料、８０、８１および８２は外部電極、８４は電気配線である。電気的に励起されて発光する材料７８の材料としてはＩｎＧａＡｓＰを用いることができ、光電変換材料７９の材料としてはＧｅを用いることができる。この場合、発光する材料７８の発光波長および光電変換材料７９の受光波長を１．５５μｍとすることができる。なお下部電極７６を、上部電極７４および７５に対応して独立に設けるものとしても良い。これは、他の実施形態においても同様である。
【０１１８】
電気的に励起されて発光する材料７８および光電変換材料７９はマイクロ光デバイス７３の内部に埋め込まれ、下部電極７６、上部電極７４および７５と電気的に接触している。それぞれの電極は電気配線８４により上部電極７４、７５および下部電極７６と電気的に接続されている。
【０１１９】
マイクロ光デバイス７３の上面斜視図を図３４（Ａ）に、そのＯ−Ｏ位置で矢印方向に見た断面を図３４（Ｂ）に、それぞれ、示す。９は石英ガラス基板、１０は空孔、８５は空孔１０が形成されていない石英ガラス基板９の領域である。図３５は、これを分かりやすくするために、マイクロ光デバイス７３の上部電極７４，７５を除去して、電気的に励起されて発光する材料７８および光電変換材料７９とその周辺の空孔１０の形成の状況を示すマイクロ光デバイス７３の上面斜視図である。ただし、上部電極７４，７５の配置される領域を一点鎖線で示す。
【０１２０】
レーザとして動作する部分および受光素子として動作する部分を独立に備えるフォトニック結晶を利用したマイクロ光デバイス７３は、先に第７の実施形態で説明したマイクロ光デバイス４５と類似の構造をもつ電気的に励起されて発光する材料７８および光電変換材料７９の周りの構造を光導波路として機能するＹ字型のフォトニック光導波路８５により結合したものである。
【０１２１】
上部電極７４と下部電極７６の間に電圧を印加すると、材料７８は電気的に励起されて発光する。材料７８は空孔１０を設けない領域８６の内部に配置されているので、８６はレーザ共振器として作用し、発生したレーザ光は光導波路８５から光学ガラス２を介して石英光ファイバーのコア部４１８へ出力される。
【０１２２】
一方、コア部４１８より光学ガラス２を介して光導波路８５に同じ波長の光を入射すると、光は８５を導波して空孔１０を設けない領域８７に到達し、光電変換材料７９により電気信号に変換され、上部電極７５と下部電極７６の間に電圧を発生する。このとき、同じように光導波路８５に入射された光は、領域８６にも到達するが、材料７８は電気的に励起されて発光する材料であり、上部電極７４と下部電極７６の間に電圧が発生することはない。このように、マイクロ光デバイスを有する光デバイス７３はレーザおよび受光素子として、独立して動作する部分を有する。
【０１２３】
第１１の実施形態では、第１０の実施形態で説明したのと同様の方法により、外部の電気回路と接続できる。レーザを駆動する、図示しない電子回路からの信号線を外部電極８０および８２に接続し、マイクロ光デバイス７３に電気信号を送ればレーザ動作する。他方、受光素子からの信号を受信する、図示しない電子回路を外部電極８４および８２に接続すれば、マイクロ光デバイス７３は、石英光ファイバーのコア部４１８を介して伝送されるレーザ光を入力とする受光素子として動作する。
【０１２４】
第１１の実施形態は発光および受光機能を有する光デバイス７３を備えるから、光ファイバー自体が光通信システムとなっている。例えば、本実施形態の光デバイス７３を光ファイバーの両末端に実装すれば、光双方向通信機能を有する光通信システムが簡単に実現できる。
【０１２５】
この光通信システムは、従来の光通信システムのように光能動デバイスと光ファイバーの結合が不要であり、結合性にすぐれている。また、この光通信システムは従来の光通信システムと比較して顕著に小さい。
【０１２６】
（第１２の実施形態）
レーザして動作する部分および受光素子として動作する部分とを独立に備えるフォトニック結晶を利用したマイクロ光デバイスを２つ有する光デバイスを光ファイバーの末端部に配置した構成例を示す。
【０１２７】
図３６は、第１２の実施形態の光デバイス９０の上面斜視図である。２は光学レンズ、３は石英ガラスファイバーのクラッド部、５はカバー、７は光路、９０はフォトニック結晶を利用したマイクロ光デバイスを有する光デバイス、９１、９２、９３および９４はマイクロ光デバイス９０の表面上に設置された上部電極、４１９は石英光ファイバーのコア部である、光デバイス９０は、レーザおよび受光素子としての機能を有する２つのマイクロ光デバイス９６，９７を備える。図３７に示すように、マイクロ光デバイス９０の下面には共通の下部電極８９が設置さる。それぞれのマイクロ光デバイスは、図３５を参照して説明したように、空孔１０が設けられた領域と、空孔１０が設けられない領域とがあり、光導波路９８、９９が形成される。それぞれのマイクロ光デバイスは、それぞれ異なる波長で動作する。また、それぞれのマイクロ光デバイスは、それぞれをコア部４１９と結合するためのプリズムの機能を有するマイクロ光デバイス９５を介して、光学レンズ２によりコア部４１９と光学的に結合されている。
【０１２８】
レーザおよび受光素子としての機能を有するそれぞれのマイクロ光デバイス９６，９７は第１１の実施形態で説明したマイクロ光デバイス７３と同じ構造である。ただし、第１２の実施形態は、２つのマイクロ光デバイス９６，９７のそれぞれが、異なる波長で動作するように、それぞれのマイクロ光デバイス９６，９７の電気的に励起されて発光する材料および光電変換材料および空孔１０の間隔が異なるものとされる。励起されて発光する材料には、例えばＧａＩｎＡｓＰを用いることができる。ＧａＩｎＡｓＰの発光波長はその組成により異なるので、マイクロ光デバイス９６，９７とで、その組成の異なるＧａＩｎＡｓＰを用いれば、励起されてλ１の光を発し、あるいは、励起されて波長がλ２の光を発するものとすることができる。光電変換材料には、例えばＧｅを用いることができる。Ｇｅは石英光ファイバーによる光通信の波長の近傍では、幅広い波長に対して応答するから、ＧａＩｎＡｓＰによる励起光の波長λ１の光および波長λ２の光のいずれに対しても光電変換することができる。
【０１２９】
図３７に、プリズムの機能を有するマイクロ光デバイス９５とレーザおよび受光素子としての機能を有するそれぞれのマイクロ光デバイス９６，９７との配置関係を説明する図を示す。
【０１３０】
プリズムの機能を有するマイクロ光デバイス９５は、例えば、特開平１１−２７１５４１号公報に開示されているように、フォトニック結晶が波長分波回路として作用することに着目して構成されたものであり、波長λ１の光と波長λ２の光を分離・結合する波長分波回路として機能する。石英光ファイバーのコア部４１９より波長λ１の光、あるいは、波長λ２の光が光デバイス９５に入射されると、それらの光は分離され、それぞれ光デバイス９９あるいは光デバイス９８へ分離して導かれる。プリズムの機能を有するマイクロ光デバイス９５とレーザおよび受光素子としての機能を有するそれぞれのマイクロ光デバイス９６，９７の光導波路９８、９９とを、図３７に示すように、波長λ１の光と波長λ２の光の光路７に対応した位置に配置する。その結果、マイクロ光デバイス９６，９７のそれぞれの発生するレーザ光は光路７に示すパスを通ってプリズムの機能を有するマイクロ光デバイス９５から石英光ファイバーのコア部４１９へ出力され、逆にコア部４１９からデバイス９５に入射される光は光路７に示すパスを通って光導波路９８、９９に導波される。
【０１３１】
レーザとして動作する光デバイスは、第１１の実施形態と同様、励起されて発光する材料を挟みつけている形の上部電極９１と下部電極８９との間および上部電極９３と下部電極８９との間に電圧を印加すれば良い。受光素子として動作する光デバイスも、第１１の実施形態と同様、光電変換材料を挟みつけている形の上部電極９２と下部電極８９との間および上部電極９４と下部電極８９との間から信号電圧を取り出せば良い。
【０１３２】
このように、第１２の実施形態によれば、異なる複数の波長を同時に送受信できる光ファイバー通信システムが実現できる。現在でも、光ファイバーによる通信システムは光波長多重通信システムとなっているから、第１２の実施形態による光デバイスを光ファイバーの波長多重に対応させれば、極めて小型の光双方向光多重通信システムが実現できる。
【０１３３】
（光通信システムへの展開の実施形態）
上述のフォトニック結晶を利用したマイクロ光デバイスを有する光デバイスと光ファイバーとを結合して光通信システムへ展開したいくつかの具体例を述べる。
【０１３４】
図３８は、第９，１０，１１および１２の実施形態で説明したような光デバイス１０９を石英ガラスファイバー光ファイバー１０８の両末端に光学的に結合して得られる光通信システムを模式的に示す図である。なお、この場合、光ファイバー１０８の一端に光デバイス１０９を設けた構造のものが準備されているときは、それぞれの光ファイバー１０８の他端は光学的に結合される必要があるが、その場合には、例えば、融着法により容易に結合できる。融着法は、結合する光ファイバコア相互の位置合わせをおこなった後、気体放電等に方法により接着部を加熱・溶融することにより光ファイバーを結合する方法である。融着法に関する説明は、光ファイバー通信」（池田正宏著、コロナ社、東京、１９９７年）４２〜４３ページに記載されている。
【０１３５】
図３９は、図３８で説明したシステムを３端子に展開した例を示す図である。各端には光デバイス１０９が設けられるが、両端に光デバイス１０９が設けられ光ファイバー１０８はＴ字分岐の光デバイス１１０で分岐された後、Ｌ字型の折り曲げの光デバイス１１１で他の光ファイバー１０８に結合された後残りの末端に光デバイス１０９が設けられる。このような場合、Ｔ字分岐の光デバイス１１０には第３の実施形態で説明した光デバイスが採用でき、Ｌ字型の折り曲げの光デバイス１１１には第２の実施形態で説明した光デバイスが採用できる。
【０１３６】
図４０は、図３９で説明した３端子システムの分岐されたファイバー１０８の一部を第７の実施形態の増幅機能を持たせる光デバイスを挿入した光ファイバー１１２としたシステムの例を示す図である。この例では、分岐されたファイバー１０８の末端に設けられた光デバイス１０９から、光ファイバー１１２の光デバイスに必要な電気を供給する手段１１３をファイバー１０８に並行して設けたものとした。
【０１３７】
また、図４０では光分岐機能、光増幅機能、および光通信機能を有する光デバイスによる光ファイバーの通信システムを構成したが、第５の実施形態で説明した光スイッチとして機能する光デバイスがシステムに組み込まれても良いことは自明である。
【０１３８】
図４１−図４３は、図３８−図４０で説明したシステムを電子回路を含むシステムに展開して光通信を行うシステムの、より具体的なシステム構成として示す図である。ここで、１１４、１１８は、図３８−図４０に示す光ファイバー１０８に対応する光ファイバーであるが、Ｔ字分岐の光デバイス１１０、Ｌ字型の折り曲げの光デバイス１１１は表示を省略した。１１９は電気回路基板であり、その上に各端末が持つべき機能に対応する機能を実現するための電子回路１１７、１１８および１２１が実装されている。電気回路基板１１９と光ファイバー１１４および１１８との間は結合手段１１５で結合されていて、結合手段１１５は、例えば、図３０を参照して説明した第１０の実施例のホルダ６６付の光デバイスとされる。結合手段１１５には各電子回路１１７、１１８および１２１の信号を光デバイスに伝送して光デバイスを駆動する増幅回路、あるいは光デバイスで受講された信号を受信するための増幅回路１１６が接続される。
【０１３９】
結合手段１１５の光デバイスの機能およびこれに接続すべき電子回路１１７、１１８および１２１、さまざまな光通信システムが実現できる。しかも、本発明によれば、ファイバー自体に組み可能な増幅機能を持つ光デバイスを組み込んだファイバーを利用すれば、容易に遠距離の伝送が可能な光通信システムが実現できる。
【０１４０】
このように、本発明によれば、光通信機能を有する光ファイバーを提供し、ファイバー一体型光通信システムを実現することができる。
【０１４１】
本発明の光ファイバーを用いた光通信システムは、ローカルエリアネットワーク等、利便性が要求される装置間ネットワークに用いることができ、しかも、光波長多重通信機能を有する光ファイバーも実現できるので、光波長多重通信によるローカルエリアネットワークを実現することも可能である。その結果、光波長多重通信によるローカルエリアネットワークでは、従来幹線系の光通信システムでしか実現できなかった高速光通信（４０Ｇｂｉｔ／秒）が可能となり、従来は不可能であった分散処理、大容量ダウンロードビジネス等が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態の水平面での断面を示す図。
【図２】図１のＡ−Ａの位置で矢印方向に見た断面を示す図。
【図３】（Ａ）−（Ｃ）は第１の実施形態の光デバイス２００を作成する手順の一例を示す図。
【図４】（Ａ）は図３に示すマイクロ光デバイス１の上面斜視図を示す図。（Ｂ）はＢ−Ｂ位置で矢印方向に見た断面示す図。
【図５】マイクロ光デバイス１を用いて第1の実施形態と同じ機能を有する光ファイバーを構成した例を示す断面図。
【図６】フォトニック光ファイバー２０１と従来型の光ファイバー２０２とを組み合わせることによって第1の実施形態に類似の光ファイバーを構成した例を示す断面図。
【図７】第２の実施形態の水平面での断面を示す図。
【図８】（Ａ）は第２の実施形態のマイクロ光デバイス１４の上面斜視図を示す図、（Ｂ）はＣ−Ｃ位置で矢印方向に見た断面を示す図。
【図９】第３の実施形態の水平面での断面を示す図。
【図１０】（Ａ）は第３の実施形態のマイクロ光デバイス１６の上面斜視図を示す図、（Ｂ）はＤ−Ｄ位置で矢印方向に見た断面を示す図。
【図１１】第４の実施形態の水平面での断面を示す図。
【図１２】（Ａ）は第４の実施形態のマイクロ光デバイス２１の上面斜視図を示す図。（Ｂ）はＥ−Ｅ位置で矢印方向に見た断面を示す図。
【図１３】第５の実施形態の水平面での断面を示す図。
【図１４】図１３のＦ−Ｆの位置で矢印方向に見た断面を示す図。
【図１５】（Ａ）は第５の実施形態のマイクロ光デバイス２７の上面斜視図を示す図、（Ｂ）はＧ−Ｇ位置で矢印方向に見た断面を示す図。
【図１６】第５の実施形態のマイクロ光デバイス２７の上部電極２８を除去した上面斜視図を示す図。
【図１７】第６の実施形態の水平面での断面を示す図。
【図１８】図１７のＨ−Ｈの位置で矢印方向に見た断面を示す図。
【図１９】（Ａ）は第６の実施形態のマイクロ光デバイス３８の上面斜視図を示す図、（Ｂ）はＨ−Ｈ位置で矢印方向に見た断面を示す図。
【図２０】第６の実施形態のマイクロ光デバイス２７の上部電極３９を除去した上面斜視図を示す図。
【図２１】（Ａ）は第７の実施形態のファイバー軸方向の垂直面での断面を示す、（Ｂ）は、Ｊ−Ｊ位置で矢印方向に見た断面を示す図。
【図２２】（Ａ）は第７の実施形態のレーザ４５の上面斜視図を示す図、（Ｂ）はＫ−Ｋ位置で矢印方向に見た断面を示す図。
【図２３】第７の実施形態のレーザ４５の上部電極４８を除去した上面斜視図を示す図。
【図２４】（Ａ）は第７の実施形態の変形例のファイバー軸方向の垂直面での断面を示す図、（Ｂ）はＬ−Ｌ位置で矢印方向に見た断面を示す図。
【図２５】第８の実施形態のファイバー軸方向の垂直面での断面を示す図。
【図２６】第９の実施形態の水平面での断面を示す図。
【図２７】図２６のＭ−Ｍの位置で矢印方向に見た断面を示す図。
【図２８】第９の実施形態のマイクロ光デバイス５６の上面斜視図を示す図。
【図２９】第９の実施形態のマイクロ光デバイス５６の上部電極５７を取り除いた状態での上面斜視図を示す図。
【図３０】第１０の実施形態のマイクロ光デバイス５６を有する光デバイスを含む端部構造と既設の光ファイバーとの結合関係を説明する断面構造図。
【図３１】第１０の実施形態のマイクロ光デバイス５６を有する光デバイスを含む端部構造と既設の光ファイバーとの結合状態を説明する断面構造図。
【図３２】第１０の実施形態の変形例としてマイクロ光デバイス５６を有する光デバイスを含む端部構造をファイバー１０１の端部に予め実装しておく例を示す断面図。
【図３３】（Ａ）は第１１の実施形態の水平面での断面を示す図、（Ｂ）はＮ−Ｎの位置で矢印方向に見た断面を示す図。
【図３４】（Ａ）は第１１の実施形態のマイクロ光デバイス７３の上面斜視図を示す図、（Ｂ）はＯ−Ｏ位置で矢印方向に見た断面を示す図。
【図３５】第１１の実施形態のマイクロ光デバイス７３の上部電極７４，７５を取り除いた状態での上面斜視図を示す図。
【図３６】第１２の実施形態の光デバイス９０の上面斜視図を示す図。
【図３７】プリズムの機能を有するマイクロ光デバイス９５とレーザおよび受光素子としての機能を有するそれぞれのマイクロ光デバイス９６，９７との配置関係を説明する図。
【図３８】第９，１０，１１および１２の実施形態で説明したような光デバイス１０９を石英ガラスファイバー光ファイバー１０８の両末端に光学的に結合して得られる光通信システムを模式的に示す図。
【図３９】図３９は、図３８で説明したシステムを３端子に展開した例を示す図。
【図４０】図３９で説明した３端子システムの分岐されたファイバー１０８の一部を第７の実施形態の増幅機能を持たせる光デバイスを挿入した光ファイバー１１２としたシステムの例を示す図。
【図４１】図３８で説明したシステムを電子回路を含むシステムに展開して光通信を行うシステムのより具体的なシステム構成を示す図。
【図４２】図３９で説明したシステムを電子回路を含むシステムに展開して光通信を行うシステムのより具体的なシステム構成を示す図。
【図４３】図４０で説明したシステムを電子回路を含むシステムに展開して光通信を行うシステムのより具体的なシステム構成を示す図。
【符号の説明】
１：フォトニック結晶を利用したマイクロ光デバイス、２：光学レンズ、３：石英光ファイバーのクラッド部、５：カバー、６：フォトニック光導波路、７：光路、８：ステージ、９：石英ガラス基板、１０：空孔、１１：１０が周期的に形成されている９の領域、１２：フォトニック光ファイバーのクラッド部、１４：フォトニック結晶を利用したマイクロ光デバイス、１５：フォトニック光導波路、１６：フォトニック結晶を利用したマイクロ光デバイス、１７：フォトニック光導波路、１８：フォトニック光導波路、１９：フォトニック光導波路、２０：空孔、２１：フォトニック結晶を利用したマイクロ光デバイス、２２：フォトニック光導波路、２３：フォトニック光導波路、２４：フォトニック光導波路、２５：フォトニック光導波路、２６：空孔、２７：フォトニック結晶を利用したマイクロ光デバイス、２８：電極、２９：電極、３０：電極、３１：電極、３２：電気ケーブル、３３：電源を供給する手段、３４：電源を供給する手段、３５：フォトニック光導波路、３６：フォトニック光導波路、３７：電極が配置されている９０１の部分、３８：フォトニック結晶を利用したマイクロ光デバイス、３９：電極、４０：電極、４１：フォトニック光導波路、４２：電極が配置されている９の部分、４３：電気的に励起されて発光する材料、４４：外被、４５：フォトニック結晶を利用したマイクロ光デバイス、４６：電源を供給する手段、４７：電源を供給する手段、４８：電極、４９：電極、５０：フォトニック光導波路、５１：光共振器として作用する９の部分、５２電気的に励起されて発光する材料、５４：外被、５５：フォトニック結晶を利用したマイクロ光デバイス、５６：フォトニック結晶を利用したマイクロ光デバイス、５７：電極、５８：電極、５９：電極、６０：電極、６１：電気ケーブル、６２：フォトニック光導波路、６３：光共振器として作用する９の部分、６４：電気的に励起されて発光する材料あるいは光電変換機能を有する材料、６５：電極が配置されている９の部分、６６：結合用ガイド、７２：電気ケーブル、７３：フォトニック結晶を利用したマイクロ光デバイス、７４：電極、７５：電極、７６：電極、７８：光電変換機能を有する材料、７９：電気的に励起されて発光する材料、８０：電極、８１：電極、８２：電極、８４：電気ケーブル、８５：フォトニック光導波路、８６：光共振器として作用する９の部分、８７：光共振器として作用する９の部分、９０：フォトニック結晶を利用したマイクロ光デバイス、９１：電極、９２：電極、９３：電極、９４：電極、９５：フォトニック結晶を利用したマイクロデバイス、９６：フォトニック結晶を利用したマイクロ光デバイス、９７：フォトニック結晶を利用したマイクロ光デバイス、９８：フォトニック光導波路、９９：フォトニック光導波路、１００：電極が配置されている９の部分、１０８：石英光ファイバー、１０９：本発明の光ファイバー、１１０：本発明の光ファイバー、１１１：本発明の光ファイバー、１１２：本発明の光ファイバー、１１３：電源を供給する手段、１１４：本発明の光ファイバー、１１５：本発明の光ファイバーと外部電気回路を結合する手段、１１６：本発明の光ファイバーを駆動する電子回路、１１７：電子回路、１１８：電子回路、１１９：電気回路基板、１２１：電子回路、１３０：フォトニック光ファイバーのコア部、１３１，１３２：フォトニック光ファイバーのコア部、２００：光デバイス、２０１−２０４：光ファイバー、４０１：石英光ファイバーのコア部、４０２：石英光ファイバーのコア部、４０３：石英光ファイバーのコア部、４０４：石英光ファイバーのコア部、４０５：石英光ファイバーのコア部、４０６：石英光ファイバーのコア部、４０７：石英光ファイバーのコア部、４０８：石英光ファイバーのコア部、４０９：石英光ファイバーのコア部、４１０：石英光ファイバーのコア部、４１１：石英光ファイバーのコア部、４１２：石英光ファイバーのコア部、４１３：石英光ファイバーのコア部、４１４：石英光ファイバーのコア部、４１５：エルビウムイオンがドープされている石英光ファイバーのコア部、４１６：石英光ファイバーのコア部、４１７：石英光ファイバーのコア部、４１８：石英光ファイバーのコア部、４１９：石英光ファイバーのコア部、９０１：ニオブ酸リチウム基板。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a micro optical device suitable for using light for optical communication or the like as a means for signal transmission. When used in combination with an optical device having the micro optical device of the present invention, an optically active optical fiber can be realized.
[0002]
[Prior art]
A conventional optical communication system includes an optical active element such as a semiconductor laser and an optical fiber connecting the optical active element. There are various types of optical fibers, but the most widely used is quartz glass fiber. Quartz glass fiber is quartz (SiO 2 ) And a germanium oxide (GeO) 2 ) Comprising a core portion made of quartz. The core portion has a slightly higher refractive index than the cladding portion, and light is guided through the core portion while being repeatedly reflected.
[0003]
An optical fiber is an optical passive element and does not have optical functionality itself. Therefore, to configure an optical communication system, it is necessary to optically couple an optical active device such as a semiconductor laser or a photoelectric conversion element with an optical fiber. There are various methods for optically coupling an optically active device and an optical fiber. For example, as described in “Optical Fiber Communication” (Masahiro Ikeda, Corona, Tokyo, 1997),
(A) a method of optically coupling an optically active device and an optical fiber using an optical lens;
(B) A method of optically coupling the optical active device and the optical fiber by processing the end portion of the optical fiber into a tapered shape so that the end portion has the function of an optical lens,
and so on.
[0004]
In order to couple the optical active device and the optical fiber by such a method, it is necessary to optically align the optical active device and the optical fiber. However, such optical alignment is not always easy. For this reason, the conventional optical communication system has a problem in connectivity. Further, since a normal optical active device is larger than an optical fiber, it is difficult to reduce the size of a conventional optical communication system. The fact that the conventional optical communication system is used only in the trunk line system despite its high speed and large capacity is due to these problems.
[0005]
In recent years, attempts have been made to provide optical functionality to the optical fiber itself. If the optical fiber itself is optically active, there is no need to couple the optical fiber and the optical active device, so the problem of the conventional optical communication system is solved.
[0006]
In the prior art, optical properties of an optical fiber have been modified by chemically, optically, physically, or mechanically modifying the optical properties of the core of the optical fiber. An example of chemically modifying the optical properties of an optical fiber is an erbium-doped optical fiber amplifier. In this optical amplifier, an optical amplification function is imparted to an optical fiber by doping erbium ions into the core of a silica glass fiber. When light for exciting erbium ions is input to the optical fiber core of the amplifier, the erbium ions are excited. Here, when signal light having a wavelength of 1.55 μm is input, excited erbium ions cause stimulated emission by the signal light, and the signal light is amplified.
[0007]
An example of an optical modification of the optical properties of an optical fiber is a fiber-type inductive Raman amplifier. When the pump light having a wavelength shorter than the signal light by the amount of Raman shift is input to the amplifier, the signal light is amplified by the stimulated Raman scattering phenomenon.
[0008]
The erbium-doped optical fiber amplifier and the stimulated Raman scattering amplifier are described in detail in pages 77 to 92 of the Optoelectronic Dictionary (Photoelectronics Dictionary, Tokyo, 1993).
[0009]
As an example of physically modifying the optical properties of an optical fiber, there is a study in which a diffraction grating is formed in an optical fiber using a thermo-optic effect and an acousto-optic effect. The thermo-optic effect is a phenomenon in which the refractive index of a material changes when the material is heated. Optical Engineering, Vol. 40, No. 7, pages 1156 to 1157 describes an example in which a diffraction grating is formed in an optical fiber by utilizing a thermo-optic effect. In this research, a diffraction grating is formed in an optical fiber by installing a diffraction grating heater on the surface of the optical fiber and inducing a refractive index change due to a thermo-optic effect by heating the heater.
[0010]
The acousto-optic effect is a phenomenon in which an elastic wave-shaped periodic refractive index change is formed in a material when an elastic wave is propagated through the material. Optical Engineering, Vol. 40, No. 8, pages 1513 to 1515, describes an example in which a diffraction grating is formed in an optical fiber by using an acoustooptic effect. In this research, a piezoelectric element attached to the end of an optical fiber is operated to induce a refractive index change in the optical fiber due to the acoustooptic effect, and a diffraction grating is formed in the optical fiber.
[0011]
As an example in which the optical properties of the optical fiber are mechanically modified, there is a proposal of JP-T-2001-516469. This publication proposes a method of constructing an optical fiber having a function of an optical filter or an optical sensor by directly and structurally processing the core and cladding of the optical fiber to form a photonic crystal.
[0012]
Photonic crystals are materials that are transparent to light (for example, SiO 2 ) Is a micro optical device obtained by inducing a periodic refractive index change, and can be created by, for example, periodically forming holes in a material. The photonic crystal has a wavelength region (photonic band gap) where light cannot enter, and has a property of strongly reflecting light in the photonic band gap. A review on photonic crystals is described in Journal of Applied Physics, Vol. 68, pages 1335 to 1345.
[0013]
A micro optical device using a photonic crystal is an optical device that utilizes the fact that a photonic crystal strongly reflects light having a wavelength in the photonic band gap. A micro optical device using a photonic crystal is formed by forming a photonic crystal region in which vacancies are periodically formed in a transparent substrate and a region in which the vacancy is not formed. Waveguide. By changing the shape of the photonic crystal region, various shapes of optical waveguides and micro optical devices having optical functions can be realized.
[0014]
If a photonic crystal is used, it is considered that micro optical devices such as a steeply bent optical waveguide, an optical filter, an ultra-small wavelength demultiplexer, and an ultra-small laser can be realized. For example, WO94 / 16345 proposes a micro optical device using a photonic crystal having a function as a steeply bent optical waveguide. Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-271541 proposes an ultra-small optical demultiplexing circuit having a photonic crystal structure, and Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-330619 proposes an ultra-small laser having a photonic crystal structure. Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-006278 discloses a method of forming a micro optical device using a photonic crystal having functions of an optical circuit and an optical switch.
[0015]
[Problems to be solved by the invention]
Conventional techniques have attempted to modify the optical properties of the core of the optical fiber chemically, optically, physically, or mechanically so that the optical fiber has optical functionality.
[0016]
However, the conventional technique has a problem that the functions that can be provided to the optical fiber are limited. The functions that the prior art can have in an optical fiber are an optical amplification function, an optical diffraction function, an optical filter function, and an optical sensor function. The prior art cannot provide an optical fiber with a light emitting / receiving function which is the basis of an optical communication system.
[0017]
For example, in order to operate a conventional erbium-doped fiber optical amplifier and a fiber type stimulated Raman amplifier, it is necessary to optically couple these optical amplifiers with a laser light source for exciting the fiber.
[0018]
The proposal of Japanese Patent Application Publication No. 2001-516469, which is intended to form a micro optical device using a photonic crystal by processing an optical fiber and to provide a function to the optical fiber, is notable. Some micro-optical devices that use photonic crystals have a light-receiving / emitting function, so if they are formed inside an optical device that has such a micro-optical device, an optical fiber that has a light-receiving / emitting function can be created. Because it is.
[0019]
However, the method proposed in this publication cannot create an optical fiber having a light emitting / receiving function. In order to create a micro optical device using a photonic crystal having a light emitting / receiving function, it is necessary to use a material having a light emitting / receiving function. This is because a micro optical device using a photonic crystal is merely formed in a fiber. This problem can be solved if the optical fiber is formed of a material having a light receiving / emitting function, but the material having the light receiving / emitting function has a large light absorption coefficient, and in this case, it does not act as an optical fiber. Therefore, this proposed method cannot realize an optical fiber having a light emitting / receiving function.
[0020]
As described above, the conventional technology cannot provide the optical fiber with the light emitting / receiving function that is the basis of the optical communication system, and cannot solve the problems of the conventional optical communication system.
[0021]
An object of the present invention is to provide an optical device having a micro-optical device using a photonic crystal and having various active functions such as an optical filter, an optical switch, optical branching, optical amplification, light emission, and light receiving function. It is to support the realization of an integrated optical communication system.
[0022]
[Means for Solving the Problems]
The object of the present invention can be achieved by producing an optical device having a micro optical device using a photonic crystal independent of an optical fiber and having the same size as the outer diameter of the optical fiber to be integrally formed therewith. The The optical device of the present invention can be combined with an optical fiber so as to be inserted at the end or in the middle of the optical fiber to realize a fiber integrated optical communication system. In order to help optically couple the micro optical device and the core of the optical fiber, it is effective to insert an optical lens between them if necessary.
[0023]
Another object of the present invention is to dispose an optical device having a micro optical device using a photonic crystal independent of an optical fiber on the cladding or surface of the optical fiber, the optical device acting as a laser, and the device and the optical fiber. This is realized by optically coupling the core portions of the two.
[0024]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
An optical device having a micro-optical device using a photonic crystal is integrally coupled with an optical fiber to thereby combine an optical fiber having an optical active function such as a laser, a light receiving element, an optical amplifier, and an optical switch, or an optical filter. In addition, an optical fiber having an optical passive function such as an optical multiplexing / demultiplexing circuit, an optical branching circuit, and an optical waveguide can be realized.
[0025]
Although the size of the micro optical device using the photonic crystal in the optical device of the present invention depends on the function of the optical device, it can be configured to have a size of about 5 to 10 times the optical wavelength. For example, the size of a micro optical device using quartz glass is about 40 to 80 μm because the wavelength of light used for optical communication is about 1.6 μm and the refractive index of quartz glass is about 2. As described above, the micro optical device using the photonic crystal is sufficiently smaller than the size of the diameter of the optical fiber (for example, 125 μm). Therefore, an optical device having a micro-optical device using the photonic crystal according to the present invention can be made sufficiently small, and can be produced with a size substantially the same as that of an optical fiber and mounted on the end of an optical fiber for optical communication. Or can be mounted on the periphery of the optical fiber.
[0026]
Hereinafter, although the present invention will be described based on specific embodiments, the present invention is not limited to the following embodiments. In the figure, the same reference numerals are assigned to components having the same functions unless otherwise specified. An optical device having a micro-optical device using a photonic crystal is expressed as an optical device when referring to the entire optical device, and a micro-optical device or photo when expressing the micro-optical device itself used in the optical device. This is a micro optical device using a nick crystal.
[0027]
(First embodiment)
The simplest embodiment of the present invention will be described. In the first embodiment, an example of an optical fiber in which an optical device functioning as a linear optical waveguide is inserted in the middle of the optical fiber is shown.
[0028]
FIG. 1 is a diagram showing a cross section of the first embodiment in a horizontal plane, and FIG. 2 is a diagram showing a cross section seen in the direction of the arrow at the position AA in FIG. 1 is a micro optical device using a photonic crystal, 2 is an optical lens, 3 is a cladding portion of a quartz optical fiber, 401 and 402 are core portions of a quartz optical fiber, and 5 is, for example, SiO 2 Alternatively, a cover made of polymethyl methacrylate (PMMA), 6 is a photonic optical waveguide of the micro
[0029]
FIGS. 3A to 3C are diagrams illustrating an example of a procedure for creating the
[0030]
As shown in FIG. 3 (B), after placing the
[0031]
After being assembled in the state shown in FIG. 3C, the
[0032]
FIG. 4A shows a top perspective view of the micro
[0033]
In the first embodiment, the value of λ is 1.55 μm. The
[0034]
The size of the micro
[0035]
As shown in FIGS. 1 and 2, when light having a wavelength of λ is guided in the
[0036]
On the other hand, when light having a wavelength longer than λ is incident from the
[0037]
Here, the
[0038]
In recent years, research has progressed and, for example, even if a photonic optical fiber introduced in Japanese Patent Application No. 2001-59033 is used, an optical fiber having the same function as that of the first embodiment can be configured. A photonic optical fiber is an optical fiber whose core part is a photonic optical waveguide.
[0039]
FIG. 5 is a cross-sectional view showing an example in which an optical fiber having the same function as that of the first embodiment is configured using the micro
[0040]
In this configuration, the
[0041]
FIG. 6 is a cross-sectional view showing an example in which an optical fiber similar to the first embodiment is configured by combining a photonic
[0042]
As described above, the optical device of the present invention can be used in combination with any of a quartz optical fiber, a plastic optical fiber, and a photonic optical fiber. Therefore, unless necessary, the following embodiment will be described as being used in combination with a quartz optical fiber.
[0043]
(Second Embodiment)
A configuration example in which an optical device having a micro optical device using a photonic crystal functioning as an L-shaped waveguide is arranged in the middle of the fiber will be described.
[0044]
FIG. 7 shows a cross section of the second embodiment on a horizontal plane. This is a diagram corresponding to FIG. 1 of the first embodiment. 2 is an optical lens, 3 is a cladding portion of
[0045]
Since the sectional structure of the second embodiment is similar to the sectional structure similar to the sectional structure of the first embodiment, the sectional view is omitted.
[0046]
FIG. 8A shows a top perspective view of the micro
[0047]
As shown in FIG. 7, when light having a wavelength of λ is guided in the direction of the arrow into the
[0048]
When light having a wavelength longer than λ is incident on the
[0049]
Note that the optical fiber shape as in the second embodiment cannot be realized by using only a conventional optical fiber, for example, a quartz glass fiber. This is because light confinement is weak in the conventional optical fiber, and light radiation loss becomes large at the bent portion of the fiber when steep bent waveguide is performed. The second embodiment can realize a steep bent shape of the optical fiber, and is suitable for a case where a complicated optical circuit is configured by the optical fiber.
[0050]
(Third embodiment)
A configuration example in which an optical device having a micro optical device using a photonic crystal functioning as an optical branch circuit is arranged in the middle of the fiber will be described.
[0051]
FIG. 9 shows a cross section of the third embodiment on a horizontal plane. This is a diagram corresponding to FIG. 1 of the first embodiment. 2 is an optical lens, 3 is a cladding portion of quartz glass fiber 201-203, 406, 407, and 408 are core portions of quartz glass fiber 201-203, 5 is a cover, 7 is an optical path, and 16 is a T-shaped optical branch. It is a micro optical device using a photonic crystal that functions as a waveguide. A
[0052]
The cross-sectional structure diagram of the third embodiment is omitted. The third embodiment has a cross-sectional structure similar to that of the first embodiment.
[0053]
FIG. 10A shows a top perspective view of the micro
[0054]
The
[0055]
As shown in FIG. 9, when light having a wavelength of 1.55 μm is guided through the
[0056]
When light having a wavelength longer than λ is incident on the
[0057]
(Fourth embodiment)
A configuration example in which an optical device having a micro optical device using a photonic crystal functioning as an optical branch circuit is arranged in the middle of the fiber will be described.
[0058]
FIG. 11 shows a cross section of the fourth embodiment in the horizontal plane. This is a diagram corresponding to FIG. 1 of the first embodiment. 2 is an optical lens, 3 is a clad portion of quartz glass fiber 201-204, 409, 410, 411 and 412 are core portions of quartz glass fiber 201-204, 5 is a cover, 7 is an optical path, and 21 is a cross-shaped optical branch. It is a micro optical device using a photonic crystal that functions as a waveguide. A
[0059]
The cross-sectional structure diagram of the fourth embodiment is omitted. The fourth embodiment has a cross-sectional structure similar to that of the first embodiment.
[0060]
FIG. 12A shows a top perspective view of the micro
[0061]
Since the width of the photonic
[0062]
A
[0063]
As shown in FIG. 11, when light having a wavelength of 1.55 μm is guided through the
[0064]
When light having a wavelength longer than λ is incident from the
[0065]
In the first to fourth embodiments, an optical device having a micro optical device using a photonic crystal that functions as an optical waveguide of various shapes is inserted into an optical fiber. It is also possible to configure an optical fiber using an optical device having a micro optical device using a photonic crystal functioning as a branch circuit.
[0066]
(Fifth embodiment)
A configuration example in which an optical device having a micro optical device using a photonic crystal functioning as an optical switch is arranged in the middle of the fiber will be described.
[0067]
FIG. 13 is a diagram showing a cross section of the fifth embodiment in the horizontal plane, and FIG. 14 is a diagram showing a cross section seen in the direction of the arrow at the position FF in FIG. The fifth embodiment has a structure similar to that of the first embodiment. 27 is a micro optical device using a photonic crystal functioning as an optical switch, 28 is an upper electrode installed on the upper surface of the micro
[0068]
The fifth embodiment is different from the first embodiment in that the micro
[0069]
FIG. 15A shows a top perspective view of the micro
[0070]
In the fifth embodiment, as can be seen by referring to the cross section shown in FIG. 15B, the
[0071]
The period of the
[0072]
The widths of the
[0073]
As shown in FIG. 13, when light having a wavelength λ is guided through the
[0074]
On the other hand, when a predetermined voltage is applied between the
[0075]
Thus, the micro
[0076]
In the fifth embodiment, since the
[0077]
(Sixth embodiment)
A configuration example in which an optical device having a micro optical device using a photonic crystal functioning as an optical amplifier is arranged in the middle of the fiber will be described.
[0078]
FIG. 17 is a diagram showing a cross section of the sixth embodiment on a horizontal plane, and FIG. 18 is a diagram showing a cross section seen in the arrow direction at the position HH in FIG. The sixth embodiment differs from the fifth embodiment only in that the micro
[0079]
A top perspective view of the micro
[0080]
In order to make this easy to understand, FIG. 20 shows a situation in which the
[0081]
The period of the holes in the
[0082]
As shown in FIG. 17, when light having a wavelength of λ is guided in the direction of the arrow in the
[0083]
Also in the sixth embodiment, as in the fifth embodiment, if the means 33 and 34 for transmitting the signal voltage applied between the upper electrode 398 and the
[0084]
(Seventh embodiment)
A configuration example in which an optical device having a micro optical device using a photonic crystal operating as a laser is arranged on the surface of a fiber will be described. As the structure of the laser, for example, a micro optical device using a photonic crystal proposed in Japanese Patent Laid-Open No. 11-330619 can be used.
[0085]
FIG. 21A shows a cross section of the seventh embodiment on a vertical plane in the fiber axis direction, and FIG. 21B shows a cross section seen in the arrow direction at the JJ position. In order to make the drawing easier to see, the cross-section hatching is omitted for the configuration other than the micro
[0086]
After the quartz glass fiber is completed, the
[0087]
Although an example of the structure of the
[0088]
As shown in FIG. 21B,
[0089]
FIG. 22A shows a top perspective view of the
[0090]
The
[0091]
In the seventh embodiment, laser light emitted from the
[0092]
Erbium ions excited by light having a wavelength of 0.98 mm are excited through spontaneous emission. Four I 13/2 Erbium excited state Four I 13/2 Is known to cause stimulated emission with light having a wavelength of 1.55 μm. Therefore, as shown in FIG. 21A, when signal light having a wavelength of 1.55 μm is guided through the core portion 415 of the silica glass fiber in a state where the
[0093]
The seventh embodiment using a micro
[0094]
In the seventh embodiment, the
[0095]
FIG. 24A shows a cross section taken along the vertical plane in the fiber axis direction of the modification of the seventh embodiment, and FIG. 24B shows a cross section seen in the arrow direction at the LL position. Again, hatching was omitted as in FIG.
[0096]
Needless to say, the seventh embodiment can also be realized by using a plastic optical fiber doped with erbium ions.
[0097]
According to the seventh embodiment, since the excitation light source and the optical fiber are integrated into a fiber type optical amplifier, it is more compact than a conventional fiber type optical amplifier that requires a separate excitation light source. Suitable for optical repeaters of long-distance optical communication systems such as submarine cables.
[0098]
(Eighth embodiment)
Another configuration example in which an optical device having a micro optical device using a photonic crystal operating as a laser is arranged on the surface of an optical fiber will be described.
[0099]
FIG. 25 shows a cross section of the eighth embodiment on a vertical plane in the fiber axis direction. Again, hatching was omitted as in FIG. In the eighth embodiment, except that the micro
[0100]
As described on page 86 of the Optoelectronics Dictionary (Optical Electronics Dictionary Editorial Committee, Industry Research Committee, Tokyo, 1993), signal light and light with a wavelength shorter than the signal light by the amount of Raman shift are applied to the quartz glass fiber. When input, the signal light is amplified by the stimulated Raman scattering effect. The stimulated Raman scattering effect is a phenomenon in which light having a wavelength shifted by the amount of Raman shift is output due to light interacting with optical phonons in the material. This optical output is called a Stokes line, and if there is signal light corresponding to the Stokes line, the energy of the Stokes line is used to amplify the signal light. Therefore, according to another modification of the seventh embodiment, fiber type Raman is used. An amplifier can be realized. The stimulated Raman scattering effect is not limited to the case where the signal light and the laser light are in the opposite traveling directions, but a more stable effect is obtained when the opposite traveling directions are used.
[0101]
In the eighth embodiment, as in the seventh embodiment, an
[0102]
As in the seventh embodiment, the eighth embodiment functions as a fiber type Raman amplifier in which a pumping light source and a fiber are integrated. Therefore, the eighth embodiment has an advantage that it is more compact than a conventional fiber type optical amplifier. However, it is suitable for an optical repeater of a long distance optical communication system such as a submarine cable.
[0103]
(Ninth embodiment)
An example in which an optical device having a micro optical device using a photonic crystal that functions as a laser or a light receiving element is disposed at the end of an optical fiber will be described.
[0104]
FIG. 26 is a diagram showing a cross section of the ninth embodiment on a horizontal plane, and FIG. 27 is a diagram showing a cross section seen in the direction of the arrow at the position MM in FIG. 2 is an optical lens, 3 is a cladding portion of quartz glass fiber, 5 is a cover, 7 is an optical path, 8 is a stage, 56 is a micro optical device using a photonic crystal functioning as a laser or a light receiving element, and 57 is a micro optical device. An upper electrode 417 installed on the
[0105]
Similarly to the description of the outline of how to attach the micro
[0106]
FIG. 28 is a top perspective view of the micro
[0107]
The regions excluding the regions 62 and 63 of the
[0108]
On the other hand, when the material 64 is a photoelectric conversion material, the micro
[0109]
Thus, according to the ninth embodiment, when the material 64 is a material that is electrically excited to emit light, the micro
[0110]
In the ninth embodiment, a micro optical device having a laser or a light receiving function is mounted at the end of an optical fiber. Therefore, a micro light device having a laser function is mounted at one end and a micro light having a light receiving function at the other end. If the device is mounted, optical communication can be performed without coupling with other optical active devices. The fiber having such an optical communication function is significantly smaller than the conventional optical communication system.
[0111]
(Tenth embodiment)
As an application example of the ninth embodiment, for example, a method of performing optical communication by connecting a fiber already laid in a building or the like to an external electronic circuit will be described.
[0112]
FIG. 30 is a cross-sectional structure diagram illustrating a coupling relationship between an end structure including an optical device having the micro
[0113]
In the end structure including the optical device having the micro
[0114]
FIG. 32 is a cross-sectional view showing an example in which an end structure including an optical device having a micro
[0115]
In the tenth embodiment and this modification, when the micro
[0116]
(Eleventh embodiment)
The structural example which has arrange | positioned the optical device which has the micro optical device using the photonic crystal provided with the part which operate | moves as a laser and the part which operate | moves as a light receiving element independently in the terminal part of an optical fiber is shown.
[0117]
FIG. 33A shows a cross section of the eleventh embodiment on a horizontal plane, and FIG. 33B shows a cross section seen in the direction of the arrow at the position NN in FIG.
[0118]
The electrically
[0119]
A top perspective view of the micro
[0120]
A micro
[0121]
When a voltage is applied between the
[0122]
On the other hand, when light having the same wavelength is incident on the optical waveguide 85 from the core portion 418 through the
[0123]
In the eleventh embodiment, an external electric circuit can be connected by the same method as described in the tenth embodiment. When a signal line from an electronic circuit (not shown) for driving the laser is connected to the
[0124]
Since the eleventh embodiment includes the
[0125]
This optical communication system does not require coupling between an optical active device and an optical fiber as in the conventional optical communication system, and has excellent connectivity. Also, this optical communication system is significantly smaller than conventional optical communication systems.
[0126]
(Twelfth embodiment)
An example of a configuration is shown in which an optical device having two micro optical devices using a photonic crystal having a portion that operates as a laser and a portion that operates as a light receiving element is arranged at the end of an optical fiber.
[0127]
FIG. 36 is a top perspective view of the
[0128]
Each of the micro
[0129]
FIG. 37 is a diagram illustrating the positional relationship between the micro
[0130]
The micro
[0131]
As in the eleventh embodiment, the optical device that operates as a laser is between the upper electrode 91 and the lower electrode 89 and between the
[0132]
Thus, according to the twelfth embodiment, an optical fiber communication system capable of simultaneously transmitting and receiving a plurality of different wavelengths can be realized. Even now, an optical fiber communication system is an optical wavelength division multiplexing communication system, and if the optical device according to the twelfth embodiment is compatible with optical fiber wavelength multiplexing, an extremely small optical bidirectional optical multiplexing communication system can be realized. it can.
[0133]
(Embodiment for deployment to optical communication system)
Several specific examples will be described in which an optical device having a micro optical device using the above-described photonic crystal and an optical fiber are combined and deployed in an optical communication system.
[0134]
FIG. 38 is a diagram schematically showing an optical communication system obtained by optically coupling the
[0135]
FIG. 39 is a diagram illustrating an example in which the system described in FIG. 38 is expanded to three terminals. An
[0136]
FIG. 40 is a diagram illustrating an example of a system in which a part of the
[0137]
In FIG. 40, an optical fiber communication system using optical devices having an optical branching function, an optical amplification function, and an optical communication function is configured. However, the optical device functioning as the optical switch described in the fifth embodiment is incorporated in the system. It is obvious that it may be done.
[0138]
FIGS. 41 to 43 are diagrams showing more specific system configurations of systems that perform optical communication by expanding the system described in FIGS. 38 to 40 to a system including an electronic circuit. Here, 114 and 118 are optical fibers corresponding to the
[0139]
The function of the optical device of the coupling means 115 and the
[0140]
As described above, according to the present invention, an optical fiber having an optical communication function can be provided, and a fiber-integrated optical communication system can be realized.
[0141]
The optical communication system using the optical fiber of the present invention can be used for an inter-device network that requires convenience, such as a local area network, and an optical fiber having an optical wavelength multiplexing communication function can also be realized. It is also possible to realize a local area network by communication. As a result, high-speed optical communication (40 Gbit / second), which could only be realized with a conventional trunk optical communication system, is possible in a local area network using optical wavelength division multiplex communication. Download business is possible.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a cross section of a first embodiment in a horizontal plane.
FIG. 2 is a diagram showing a cross section viewed in the direction of the arrow at the position AA in FIG. 1;
FIGS. 3A to 3C are diagrams illustrating an example of a procedure for creating the
4A is a top perspective view of the micro
FIG. 5 is a cross-sectional view showing an example in which an optical fiber having the same function as that of the first embodiment is configured using the micro
6 is a cross-sectional view showing an example in which an optical fiber similar to the first embodiment is configured by combining a photonic
FIG. 7 is a diagram showing a cross section of the second embodiment on a horizontal plane.
8A is a diagram illustrating a top perspective view of the micro
FIG. 9 is a view showing a cross section of a third embodiment on a horizontal plane.
10A is a diagram illustrating a top perspective view of a micro
FIG. 11 is a diagram showing a cross section of a fourth embodiment on a horizontal plane.
FIG. 12A is a top perspective view of a micro
FIG. 13 is a diagram showing a cross section of a fifth embodiment on a horizontal plane.
14 is a view showing a cross section viewed in the direction of the arrow at the position FF in FIG. 13;
15A is a top perspective view of a
FIG. 16 is a top perspective view in which an upper electrode is removed from a micro
FIG. 17 is a view showing a cross section of a sixth embodiment on a horizontal plane.
18 is a view showing a cross section viewed in the direction of the arrow at the position HH in FIG. 17;
19A is a diagram illustrating a top perspective view of a micro
FIG. 20 is a top perspective view in which the
FIG. 21A shows a cross section of the seventh embodiment on a vertical plane in the fiber axis direction, and FIG. 21B shows a cross section seen in the direction of the arrow at the JJ position.
22A is a top perspective view of a
FIG. 23 is a top perspective view in which an
24A is a view showing a cross section of a modification of the seventh embodiment on a vertical plane in the fiber axis direction, and FIG. 24B is a view showing a cross section seen in the arrow direction at the LL position.
FIG. 25 is a view showing a cross section in a vertical plane in the fiber axis direction of the eighth embodiment.
FIG. 26 is a diagram showing a cross section of a ninth embodiment on a horizontal plane.
27 is a view showing a cross section viewed in the direction of the arrow at the position M-M in FIG. 26;
FIG. 28 is a top perspective view of a micro
29 is a top perspective view of the micro
30 is a cross-sectional structure diagram illustrating a coupling relationship between an end structure including an optical device having a micro
31 is a cross-sectional structure diagram illustrating a coupling state between an end structure including an optical device having a micro
32 is a cross-sectional view illustrating an example in which an end structure including an optical device having a micro
33A is a diagram showing a cross section of the eleventh embodiment in a horizontal plane, and FIG. 33B is a diagram showing a cross section seen in the direction of the arrow at the position NN.
34A is a diagram showing a top perspective view of the micro
FIG. 35 is a top perspective view of the micro
36 is a top perspective view of an
FIG. 37 is a view for explaining the positional relationship between the micro
38 schematically shows an optical communication system obtained by optically coupling the
FIG. 39 is a diagram showing an example in which the system described in FIG. 38 is expanded to three terminals.
40 is a diagram showing an example of a system in which a part of the
41 is a diagram showing a more specific system configuration of a system that performs optical communication by expanding the system described in FIG. 38 to a system including an electronic circuit.
42 is a diagram showing a more specific system configuration of a system that performs optical communication by developing the system described in FIG. 39 into a system including an electronic circuit.
FIG. 43 is a diagram showing a more specific system configuration of a system that performs optical communication by developing the system described in FIG. 40 into a system including an electronic circuit.
[Explanation of symbols]
1: micro optical device using photonic crystal, 2: optical lens, 3: cladding portion of quartz optical fiber, 5: cover, 6: photonic optical waveguide, 7: optical path, 8: stage, 9: quartz glass substrate, 10: Holes, 9 regions where 11:10 are periodically formed, 12: Clad portion of photonic optical fiber, 14: Micro optical device using photonic crystal, 15: Photonic optical waveguide, 16: Micro optical device using photonic crystal, 17: Photonic optical waveguide, 18: Photonic optical waveguide, 19: Photonic optical waveguide, 20: Hole, 21: Micro optical device using photonic crystal, 22: Photonic optical waveguide, 23: photonic optical waveguide, 24: photonic optical waveguide, 25: photonic light Waveguide, 26: hole, 27: micro-optical device using photonic crystal, 28: electrode, 29: electrode, 30: electrode, 31: electrode, 32: electric cable, 33: means for supplying power, 34: Means for supplying power; 35: photonic optical waveguide; 36: photonic optical waveguide; 37: a portion of 901 where the electrodes are arranged; 38: a micro optical device using a photonic crystal; 39: electrodes; Electrode, 41: Photonic optical waveguide, 42: Nine portion in which the electrode is disposed, 43: Material that is electrically excited to emit light, 44: Outer coating, 45: Micro optical device using photonic crystal, 46: means for supplying power, 47: means for supplying power, 48: electrode, 49: electrode, 50: photonic optical waveguide, 51: 9 acting as an optical resonator , 52, a material that emits light by being electrically excited, 54: jacket, 55: micro optical device using photonic crystal, 56: micro optical device using photonic crystal, 57: electrode, 58: electrode, 59: Electrode, 60: Electrode, 61: Electric cable, 62: Photonic optical waveguide, 63: Nine parts that act as an optical resonator, 64: A material that emits light by being electrically excited, or a material having a photoelectric conversion function 65: Nine portions where electrodes are arranged 66: Guide for coupling, 72: Electric cable, 73: Micro optical device using photonic crystal, 74: Electrode, 75: Electrode, 76: Electrode, 78: 79: Material having photoelectric conversion function, 79: Material that is electrically excited to emit light, 80: Electrode, 81: Electrode, 82: Electrode, 84: Electric cable, 85: Photonic 86: Nine parts acting as an optical resonator, 87: Nine parts acting as an optical resonator, 90: Micro optical device using photonic crystal, 91: Electrode, 92: Electrode, 93: Electrode, 94: Electrode, 95: Micro device using photonic crystal, 96: Micro optical device using photonic crystal, 97: Micro optical device using photonic crystal, 98: Photonic optical waveguide, 99: Photonic optical waveguide, 100: 9 portions where electrodes are arranged, 108: Quartz optical fiber, 109: Optical fiber of the present invention, 110: Optical fiber of the present invention, 111: Optical fiber of the present invention, 112: Optical fiber of the present invention, 113: Means for supplying power 114: Optical fiber of the present invention 115: Optical fiber of the present invention 116: Electronic circuit for driving the optical fiber of the present invention, 117: Electronic circuit, 118: Electronic circuit, 119: Electric circuit board, 121: Electronic circuit, 130: Core part of photonic optical fiber 131, 132: Photonic optical fiber core part, 200: Optical device, 201-204: Optical fiber, 401: Quartz optical fiber core part, 402: Quartz optical fiber core part, 403: Quartz optical fiber core part, 404: Quartz 405: quartz optical fiber core part, 406: quartz optical fiber core part, 407: quartz optical fiber core part, 408: quartz optical fiber core part, 409: quartz optical fiber core part, 410: quartz optical fiber core part Core part, 411: quartz optical fiber core 412: Quartz optical fiber core part, 413: Quartz optical fiber core part, 414: Quartz optical fiber core part, 415: Quartz optical fiber core part doped with erbium ions, 416: Quartz optical fiber core part, 417 : Quartz optical fiber core part, 418: Quartz optical fiber core part, 419: Quartz optical fiber core part, 901: Lithium niobate substrate.
Claims (1)
前記クラッド部（３）の表面にはそのレーザの出力光が前記ファイバの光軸方向になるように、レーザとして動作するフォトニック結晶（４５）を前記ファイバに同心円状に貼り付けられ、
それぞれの前記レーザにはそのレーザを励起するための電気信号を供給する線（４６、４７）が設けられ、
前記レーザ（４５）が露出しないように、前記ファイバの表面が外被（４４）で覆われていることを特徴とする光デバイス。 In an optical device including a fiber having a core (415) doped with erbium ions and extending in the longitudinal direction in a cylindrical shape, and a cladding (3) provided so as to wrap around the outer periphery of the core,
A photonic crystal (45) operating as a laser is concentrically attached to the fiber so that the output light of the laser is in the optical axis direction of the fiber on the surface of the clad part (3),
Each of the lasers is provided with lines (46, 47) for supplying an electrical signal for exciting the laser,
An optical device characterized in that the surface of the fiber is covered with a jacket (44) so that the laser (45) is not exposed.
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