JP4910887B2 - 光共振器、波長フィルタ及び光センサ - Google Patents

Description

この発明は、光共振器、波長フィルタ及び光センサに関し、特にリング型の光共振器と、この光共振器を用いた波長フィルタ及び光センサに関する。

リング型光共振器は、入力光に対して特定の波長で共振させる光共振器であり、リング状の光導波路を有している。このリング型光共振器は、波長選択性に優れた波長フィルタを実現するための手段として、注目され盛んに研究されている。

従来、リング型の光共振器を構成する光導波路に光を入力するために、光導波路と光ファイバとを近接配置している（例えば、特許文献１又は２参照）。

特許文献１は、光ファイバの出力端を斜めに研磨することにより、光ファイバからの出力光を出力端面で全反射させ、出力端面での漏れ光（エバネッセント光）を、リング共振器にカップリングする方法を開示している。

特許文献２は、光ファイバの伝播方向に沿って、ある区間のクラッドを取り除くか、又はある区間のファイバ径を細めて形成し、これによりその区間に漏れ光を発生させて、リング共振器にカップリングする方法を開示している。

特許文献１又は２に開示された方法によれば、漏れ光を用いることでわずかな光をリング共振器に入力できるため、リング共振器の共振条件を乱すことがなく、この結果、共振強度を高く保つことができる。これによって、透過光強度の波長依存性について、半値幅が非常に狭い、すなわち波長選択性に優れた波長フィルタが実現される。

また、グレーティングを利用してリング型光共振器に光をカップリングする方法も提案されている（例えば、特許文献３又は４参照）。

特許文献３に開示された方法では、リング型光共振器を構成する光導波路自体にグレーティングを設けているため、カップリングが強すぎ、このため共振条件を乱す恐れがある。また、球状のリング型光共振器を構成する場合には、球面上にグレーティングを形成するのが困難である。

一方、特許文献４に開示された方法では、光共振器に光を導入するために用いられる入力用光導波路にグレーティングを設けている。この場合、特許文献３と同様に、カップリングが強すぎ、共振条件を乱す恐れがある。また、入力用光導波路に光を導入しなければならないため、不便である。

なお、これら特許文献１〜４に開示された従来例の他に、プリズムを利用してカップリングを行う方法もある（特許文献５参照）。

図１（Ａ）を参照して、プリズムを利用してカップリングを行うリング型共振器の従来例について説明する。図１（Ａ）に開示されたリング型光共振器１１０は、ガラスやプラスティックで形成された球状の芯部１２０と、芯部１２０の周囲に形成された、光導波部１３０を備えている。光導波部１３０は、例えば酸化チタン膜で形成される。

入射光（図中、矢印１５０で示す。）は、プリズム１４０の界面１４２で全反射する角度でプリズム１４０に入射される。

入射光１５０は、光導波部１３０を伝播する伝播光（図中、矢印１６０で示す。）と位相整合する条件を満たすように、プリズム１４０に入射される。このとき、入射光１５０は、プリズム１４０の界面１４２で全反射（図中、矢印１５２で示す。）するが、界面１４２での漏れ光により、入射光１５０のエネルギーが光導波部１３０に移行して、リング型光共振器１１０に光を励起することができる。この構成によれば、入射光１５０がプリズム１４０の界面１４２で全反射するので、余分な光が光導波部１３０に入りにくく、このため、ノイズの原因となる迷光の発生を低減することができる。

しかしながら、図１（Ａ）に示されている構成では、光導波部１３０と、プリズム１４０の界面１４２とが接触した場合など、界面に局所的に異物が存在すると、この異物が存在する部分で散乱光が発生する。この散乱光が迷光となりノイズの原因となる場合がある。

一方、図１（Ｂ）に示すように、この散乱現象を積極的に利用してカップリングを行うこともできる。リング型光共振器１１０の径が、入力光（図中、矢印１５１で示す。）の波長に近い大きさ（波長の数倍以下）の場合、入力光１５１は、リング型光共振器１１０の光導波部１３０に入射した点１３２で散乱を受ける。この散乱光成分の一部が、光導波部１３０を伝播して共振する。

また、リング型の共振器として、光導波路膜に相当する部分を貴金属で形成して、表面プラズモンを伝播させる構造が知られている（例えば、非特許文献１参照）。
米国特許第６，７９８，９４７号明細書 米国特許第６，８６５，３１７号明細書 米国特許出願公開第２００５／０１３５４５３号明細書 米国特許出願公開第２００５／０１４７３５５号明細書 特表２００３−５２８４５２号公報 Ｃ．Ｒｏｈｄｅ，Ｋ．Ｈａｓｅｇａｗａ，Ｍ．Ｄｅｕｔｓｃｈ著"Ｐｌａｓｍｏｎ−ａｓｓｉｓｔｅｄ ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｃｙ ｉｎ ｍｅｔａｌ−ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｍｉｃｒｏｓｐｈｅｒｅｓ"、Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ Ｖｏｌ．３２（２００７）ｐｐ．４１５−４１７

しかしながら、図１（Ｂ）を参照して説明した散乱現象を利用する場合、入力光１５１のうち、光導波部１３０を伝播しないものの中には、リング型光共振器１１０の光導波部１３０及び芯部１２０を突き抜けて、芯部１２０及び光導波部１３０の、入力側とは反対側の界面１３４a又は１３４ｂで反射されるものがある（図中、矢印１６４で示す）。この反射された光１６４は、入力側及び出力側の界面間で多重反射して、リング型共振器とは異なる共振器を構成する。この結果、図１（Ａ）に示した構成におけるプリズムでの散乱光に起因するノイズよりもさらに大きなノイズになる恐れがある。

また、非特許文献１に開示されている表面プラズモンを伝播させる構成では、共振器の材料に高価な貴金属を用いる必要があり、コスト的に不利である。

この発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、この発明の目的は、簡単に製造でき、かつ安価な構成であり、迷光によるノイズの発生を防止する光共振器と、この光共振器を用いた波長フィルタ及び光センサを提供することにある。

上述した目的を達成するために、この発明の光共振器は、表層が金属で構成されている芯部と、この芯部の周囲に形成された光導波部であって、光導波部内を伝播光がリング状に周回することにより共振する当該光導波部とを備えて構成されるとともに、伝播光が周回する経路中に、他の部分よりも曲率半径が小さい部分を有し、この曲率半径が小さい部分を介して、光が入出力される。

上述した光共振器の実施にあたり、光導波部が、高屈折率の材料で形成されているのが好適である。

上述した光共振器の実施にあたり、好ましくは、光導波部と芯部の間に光導波部よりも屈折率の小さい低屈折率部を有するのが良い。

また、上述した光共振器の好適実施形態によれば、芯部が、底面の形状が楕円である楕円柱状であり、及び、伝播光が、楕円柱状の芯部の側面に沿って周回するのが良い。

このとき、曲率半径が小さい部分が、経路の２つの領域に設けられていて、一方が、入力光が入力される入力部分であり、他方が、出力光が出力される出力部分である構成にしても良い。

また、曲率半径が小さい部分が、経路の１つの領域に設けられていて、当該領域が、入力光が入力され、及び、出力光が出力される入出力部分である構成にしても良い。

また、この発明の波長フィルタは、入力側光ファイバ、共振器及び出力側光ファイバを備えて構成される。入力側光ファイバを経て光が入力され、入力された光のうち、共振器において特定の波長成分の光が共振される。共振した特定の波長成分の光は、出力側光ファイバを経て出力される。共振器を、上述した光共振器とする。
そして、出力側光ファイバの入力端面に、出力側光ファイバのコアに対応する部分に開口を有する遮光マスクを設けるのが良い。

また、この発明の波長フィルタは、共振器及びサーキュレータを備えて構成される。外部から入力された光は、サーキュレータを経て共振器に送られる。入力された光のうち、共振器において特定の波長成分の光が共振され、この特定の波長成分の光がサーキュレータを経て出力される。共振器を、上述した、曲率半径が小さい部分が、経路の１つの領域に設けられている光共振器とする。

また、この発明の光センサは、入力部、共振部及び受光部を備えて構成される。入力部は、入力光を共振部へ送る。共振部は、周囲を満たす媒体中に配置されており、その表面上に媒体の条件により屈折率が変化する屈折率変化膜を備えている。そして、共振部は、屈折率変化膜の屈折率の変化に応じて波長が変化した共振器の共振条件を満たす光を受光部へ送る。受光部は、波長が変化した共振条件を満たす光を検出する。ここで、共振部が備える共振器を、上述の光共振器とする。
そして、媒体の条件を、（１）媒体中の抗体の有無、（２）媒体の組成、（３）媒体のＰＨ、及び（４）媒体の湿度からなる群より選択される１以上の条件とするのが良い。

この発明の光共振器によれば、表層が金属で構成されている芯部と、この芯部の周囲に光導波部を備えている。このため、光共振器に入力された光の中で、光導波部を伝播しない成分は、芯部の金属に吸収されるので、光導波部及び芯部を突き抜けて、芯部内で共振する恐れがなくなる。この結果、迷光によるノイズを低減できる。
また、光導波部が、伝播光が周回する経路中に、他の部分よりも曲率半径が小さい部分を有するので、曲率半径が大きい部分では、光の放射が少なく、曲率半径が小さい部分で、光の放射が多くなる。さらに、曲率半径が小さい部分を介して光を入出力するので、光の入出力効率が高まる。

光導波部と芯部の間に光導波部よりも屈折率の小さい低屈折率層を有する構成にすると、光導波部を伝播する光は、光導波部と低屈折率部の界面で反射されて、主に光導波部内を伝播する。この結果、伝播光が芯部の表面の金属で吸収されなくなるので、吸収による光の損失が減り、共振強度を高くすることが可能になる。

このため、曲率半径が小さい部分を、経路の２つの領域に設けて、一方を、入力光が入力される入力部分とし、他方を、出力光が出力される出力部分とすれば、光共振器への入力及び光共振器からの出力の効率が高まるとともに、入力部分及び出力部分以外での光の放射量、すなわち光の損失量を低減することができる。

また、曲率半径が小さい部分を、経路の１つの領域に設けて、当該領域を、入力光が入力され、及び、出力光が出力される入出力部分である構成にしても、曲率半径が小さい部分を、２箇所に設けたときと同様の効果が得られる。

また、上述した構成を有する光共振器を波長フィルタに用いれば、簡単な構成で、ノイズの少ない、波長選択性に優れた波長フィルタが得られる。

また、上述した構成を有する光共振器を光センサに用いれば、屈折率変化膜の周囲の条件により共振条件を満たす波長が変わるが、この波長選択性に優れるので、高精度の測定が可能になる。

以下、図を参照して、この発明の実施の形態について説明するが、各構成要素の形状、大きさ及び配置関係については、この発明が理解できる程度に概略的に示したものに過ぎない。また、以下、この発明の好適な構成例につき説明するが、各構成要素の材質及び数値的条件などは、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、この発明の構成の範囲を逸脱せずにこの発明の効果を達成できる多くの変更又は変形を行うことができる。

（第１参考例の光共振器）
図２を参照して、第１参考例のリング型光共振器（以下、単に光共振器と称することもある。）について説明する。図２は、第１参考例の光共振器について説明するための概略図であり、主要部の切断端面を示している。

光共振器１０は、芯部２０と、芯部２０の周囲に形成された光導波部３０とを備えている。

芯部２０は、球状であって、光導波部３０は芯部２０の表面２０ａ上に形成されている。図２は、球の中心を通る平面についての切断端面を示している。

なお、芯部２０を、底面の形状が円である円柱状として、光導波部３０が有する経路を円柱の側面上、すなわち円周面上に設けてもよい。この場合、底面に平行な面についての切断端面は、図２と同様になる。

芯部２０は、少なくともその表層が金属で構成されている。芯部２０として、例えば、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）などの金属球を使用することができる。

ここで、光共振器１０には、平面波又は集光ビームが入射され、光共振器１０に入射した点３２で発生する散乱光の中で、光導波部に導入されたものが伝播光６２となり、共振する。散乱光を発生させるためには、光共振器１０の大きさを小さくするのが良く、光共振器１０の直径を１〜１００μｍ程度にするのが好適である。特に、光共振器１０に入射される光（図中、矢印５０で示す。）の波長に対して、芯部２０の直径を数倍以下にすると効果的である。

なお、芯部２０として、ガラス、石英、プラスティックの球体を用意し、その表面を、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉなどの金属膜で覆うことにより、その表層を金属で構成しても良い。数μｍ程度の大きさの球体としては、プラスティックの中でも特にポリスチレン材料のものが良く知られている。

ここで、金属膜は、例えば従来周知の無電解めっきにより形成することができる。必要とされる金属膜の厚みは、金属の種類、芯部の径、使用される波長等に応じて定まる。芯部の直径が１〜１００μｍ程度の場合、金属膜は１００ｎｍ以上の厚みにすれば、光の透過を遮断できる。なお、例えば、金属膜としてＡｕを用いた場合、金属膜の厚みを２０ｎｍ程度にしても、光の透過を遮断できる場合があるなど、金属膜の厚みを１００ｎｍより小さくすることも可能である。

この光共振器１０では、伝播光６２が、光導波部３０内をリング状に周回することにより共振する。光導波部３０の材料としては、高屈折率の材料、例えば、ガラス、石英、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ：ｐｏｌｙｍｅｔｈｙｌ ｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）、酸化チタン（ＴｉＯ_２）、五酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）、シリコン（Ｓｉ）、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）などを用いることができる。光導波部３０は、０．１〜１μｍ程度の厚みで形成される。

光導波部３０の屈折率が、光共振器１０の周囲（外周囲）の屈折率よりも十分高ければ、伝播光６２を光導波部３０に閉じ込めることが可能になり、この場合、光導波部３０を伝播光６２が周回する際に生じる放射光（図中、矢印６３で示す。）を低減することができる。なお、光導波部３０の屈折率は、周囲の屈折率よりも少なくとも数％は高い必要がある。光導波部３０と周囲との屈折率の差は、芯部２０の径に依存し、芯部２０の径が小さい場合（例えば、１０μｍの場合）は、数１０％程度高くする必要がある。

ガラス、石英、ＰＭＭＡは、屈折率が１．５程度であるので、外周囲が、屈折率１．３３の水である場合に、光導波部３０の材料として適用できない場合がでてくる。これに対し、ＴｉＯ_２，Ｔａ_２Ｏ_５、Ｓｉ、ＳｉＣは、屈折率が２．５〜３．５と大きいので、光導波部３０の材質として好適である。

光導波部３０の作成方法としては、酸化チタンを溶液中で球体に塗布する方法が知られている（例えば、Ｍ．Ｈａｒａｇｕｃｈｉ ｅｔ ａｌ．，“Ｆａｂｉｒｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ＴｉＯ_２ ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ ｏｎ ａ ｓｉｌｉｃａ ｍｉｃｒｏｓｐｈｒｅ”，Ｓｕｒｆａｃｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ ５４８（２００４）５９−６６参照）。

この光共振器１０から放射される、共振した光の中で、所定の方向に放射された光が出力光（図中、矢印５２で示す。）として出力される。

第１参考例の光共振器によれば、表層が金属で構成されている芯部と、この芯部の周囲に光導波部を備えている。このため、光共振器に入力された光の中で、光導波部を伝播しない成分は、芯部の表層の金属に吸収されるので、光導波部及び芯部を突き抜けて、芯部や、光導波部の入力側とは反対側の界面で反射されて共振する恐れがなくなる。この結果、迷光によるノイズを低減できる。

ここで、芯部を円柱状又は球状の構成にすると、製造が容易になる。

なお、上述した光共振器は、芯部の表層が金属で構成されていて、その表面上に設けられた光導波部内を伝播光が周回する。このため、伝播光の一部は、この芯部の表層の金属に吸収され共振強度が低下する恐れがある。これを防ぐため、芯部の表層には、光吸収の少ない金属、特に、ＡｕやＡｇなどの貴金属を用いるのが好適である。

（第２参考例の光共振器）
図３を参照して、第２参考例の光共振器について説明する。図３は、第２参考例の光共振器について説明するための概略図であり、主要部の切断端面を示している。

第２参考例の光共振器１１は、光導波部３０と芯部２０の間に、光導波部３０よりも屈折率の小さい低屈折率部４０を有する点が第１参考例の光共振器と異なっていて、それ以外の構成は、第１参考例の光共振器と同様である。従って、ここでは、重複する説明を省略する。

低屈折率部４０は、芯部２０の表面上に形成されていて、光導波部３０は低屈折率部４０上に形成されている。

低屈折率部４０は、光導波部３０よりも屈折率が小さい材料で形成される。従って、光導波部３０として、屈折率が２．５〜３．５のＴｉＯ_２，Ｔａ_２Ｏ_５、Ｓｉ、ＳｉＣを用い、及び、低屈折率部４０として例えば、ガラス、プラスティックなど屈折率が１．５程度の材料を用いることができる。

ここで、低屈折率部４０は、金属による光吸収を防止するために、光導波部３０を伝播する光が芯部２０から十分離れて周回できるだけの厚みが必要で、１００〜２００ｎｍ程度の厚みで形成される。

低屈折率部４０を備えない構成の場合、芯部の表層の金属に、光吸収が小さいＡｕやＡｇなどの貴金属を用いたとしても、光吸収による損失は避けられず、共振強度を低下させ、出力強度、波長選択性能などの特性を劣化させる恐れがある。

これに対し、第２参考例の構成によれば、伝播光は光導波部３０内を、低屈折率部４０や周囲との界面で全反射を繰り返しながら周回する。この結果、伝播光が芯部２０の表層で吸収される恐れが低減されるので、貴金属でなく、より低コストの光吸収係数の大きい金属、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉであっても共振強度を高くすることが可能になる。

（第１実施形態の光共振器）
図４（Ａ）〜（Ｃ）を参照して、第１実施形態の光共振器について説明する。図４（Ａ）〜（Ｃ）は、第１実施形態の光共振器について説明するための概略図であり、それぞれ主要部の切断端面を示している。

第１実施形態の光共振器は、芯部及び光導波部の形状が第１参考例や第２参考例の光共振器と異なっていて、材質などそれ以外の構成は、第１参考例や第２参考例の光共振器と同様である。従って、重複する説明を省略する場合がある。

第１実施形態の光共振器１２は、芯部２３が、底面の形状が楕円である楕円柱状であり、光導波部３３は、楕円柱の側面上に形成される。図４（Ａ）は、光共振器の、底面に平行な面についての切断端面を示す図である。

この構成によれば、伝播光は楕円状の経路を周回する。この楕円状の経路では、楕円の長軸の両端付近の２つの領域１２ａ及び１２ｂにおいて、曲率半径が他の部分よりも小さくなる（図中、Ａで示す部分）。

曲率半径が大きい部分では、光の放射が少なく、曲率半径が小さい領域１２ａ及び１２ｂで、光の放射が多くなる。このため、曲率半径が小さい領域を出力部分とすれば、出力部分では、他の部分よりも放射強度が高くなる。また、共振器への光の入力については、光の放射の逆過程と考えることができ、曲率半径が小さい部分で、光導波部への光の入力効率が高まる。

従って、２箇所の曲率半径が小さい領域の一方（例えば１２ａ）を、入力光が入力される入力部分とし、他方（例えば１２ｂ）を、出力光が出力される出力部分とすれば、光共振器への入力及び光共振器からの出力の効率が高まるとともに、入力部分１２ａ及び出力部分１２ｂ以外での光の放射量、すなわち光の損失量を低減することができる。

ここでは、光共振器の形状が楕円柱の場合について説明したが、この例に限定されない。芯部の形状を、楕円を、その長軸を回転軸として回転させて得られる回転楕円体としても良い。この場合、回転軸を含む平面についての切断端面は、図４（Ａ）と同様になる。

ここでは、第１参考例と同様に、光共振器が低屈折率部を備えない構成を例にとって説明したが、この例に限定されない。

図４（Ｂ）に、光共振器１３が、芯部２３と光導波部３３の間に低屈折率部４３を備える例を示す。

図４（Ｂ）に示すように、伝播光が周回する経路中に、曲率半径が小さい部分を設けて、かつ、低屈折率部４３を備える構成とすれば、入出力の効率が第２参考例の光共振器よりも高まるとともに、伝播光の吸収も低減されるので、図４（Ａ）に示した光共振器よりも共振強度が高くなる。

また、経路は、曲率半径が小さい部分が２つの領域にあれば良いので、経路の形状は楕円でなくても良い。図４（Ｃ）に示すように、曲率半径が小さい部分を２つの領域１４ａ及び１４ｂに設けて、曲率半径が小さい部分のそれぞれが、曲率半径が極小となる点Ａを２箇所ずつ有する構成としても良い。

この曲率半径が小さい領域の位置と、その曲率半径を変更することで、出力光５５の方向や、ビームスポットの形状を任意に変更でき、後述する波長フィルタ等で使用する場合に、光ファイバなどの出力部に入力する際の損失を低減することができる。

（第２実施形態の光共振器）
図５を参照して、第２実施形態の光共振器について説明する。図５は、第２実施形態の光共振器について説明するための概略図であり、主要部の切断端面を示している。

第２実施形態の光共振器は、曲率半径が他の部分よりも小さい部分が、１つの領域に設けられている点が、第１実施形態の光共振器と異なっていてそれ以外は第１実施形態の光共振器と同様である。従って、重複する説明を省略する場合がある。

図５に示されるように、第２実施形態の光共振器は、曲率半径が他の部分よりも小さい部分が１箇所のみである。上述したように、曲率半径が小さい部分は、他の部分に比べて、光の入力効率及び出力効率が高いので、この部分を、入力光が入力され、かつ出力光が出力される入出力部分として用いることができる。

第２実施形態の光共振器によれば、第１実施形態の光共振器と同様に、光共振器への入力及び光共振器からの出力の効率が高まるとともに、入力部分及び出力部分以外での光の放射量、すなわち光の損失量を低減することができる。

（波長フィルタ）
図６を参照して、第１及び第２参考例と第１実施形態の光共振器を用いた波長フィルタについて説明する。図６は波長フィルタを説明するための模式図である。

この波長フィルタ１６は、入力側光ファイバ７０、共振器１３及び出力側光ファイバ８０を備えて構成されている。入力側光ファイバ７０と出力側光ファイバ８０とは、入力側光ファイバ７０の出力端面７４と、出力側光ファイバ８０の入力端面８４とが対向するように離間して配置されている。図６は、この入力側光ファイバ７０と出力側光ファイバ８０の間に、共振器１３として、図４（Ｂ）を参照して説明した第１実施形態の光共振器１３が設けられている例を示している。なお、光共振器１３はこの例に限定されず、第１実施形態の他の構成や、第１及び第２参考例の光共振器を用いても良い。

波長フィルタ１６に入力された光５０は、入力側光ファイバ７０の出力端面７４から出力されて光共振器１３に送られる。入力側光ファイバ７０から出力された光は、光共振器１３に到達すると散乱する。散乱した光の一部が、光共振器１３の光導波部３３内に導入され、伝播光となる。

ここで、入力光５０のビーム径を、光共振器１３の芯部２３の径と同一としている。すなわち、入力側光ファイバ７０のコア７２の径を、芯部２３の径と同一にしている。これは、ビームスポットの径が芯部２３の径よりも大きくなると、光共振器とカップリングしない光が多くなることによる。このカップリングしない光は、光共振器の周囲を通過して、出力光に混ざってしまい、ノイズの原因となる。このため、入力光５０のビームスポットの径は、芯部２３の径の２倍が限度と考えられる。

なお、出力側光ファイバ８０の入力端面８４に、出力側光ファイバ８０のコア８２に対応する部分に開口を有する遮光マスクを設けても良い。この遮光マスクを設けることで、光共振器とカップリングしない光である迷光が、出力側光ファイバ８０に入り込むのを防ぐことができる。

図７及び８を参照して、波長フィルタのフィルタ特性について説明する。図７及び８は、波長フィルタ特性についてのシミュレーション結果を示す特性図である。ここで、シミュレーションは、２次元時間領域差分（ＦＤＴＤ：Ｆｉｎｉｔｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ）法を用いて、伝播方向の電気ベクトルの成分が０であるＴＥ波に対して行った。図７及び８では、横軸に出力波長（単位：μｍ）をとって示し、縦軸に出力強度を取って示している。なお、出力強度については、入力光の光強度を１として、この入力強度に対して規格化した値で示している。ここで、光導波部の形状及び大きさ、並びに低屈折率部の有無により、共振条件、すなわち出力強度が最大になる波長が変わっている。

図７（Ａ）は、図２を参照して説明した第１参考例の光共振器を用いた場合のシミュレーション結果である。ここでは、芯部を半径が２μｍのニッケル球とし、光導波部を、厚みが０．３μｍの酸化チタン膜（屈折率２．５）としている。

図７（Ｂ）は、図３を参照して説明した第２参考例の光共振器を用いた場合のシミュレーション結果である。ここでは、芯部を半径が２μｍのニッケル球とし、光導波部と芯部の間に低屈折率部を有している。低屈折率部を、厚みが０．１５μｍのガラス（屈折率１．５）とし、光導波部を、厚みが０．３μｍの酸化チタン膜（屈折率２．５）としている。

図７（Ａ）と図７（Ｂ）とを比較すると、図７（Ａ）では、波長が０．６８〜０．６９μｍのときに、出力強度が最大となり、その大きさが０．０７程度であるのに対し、図７（Ｂ）では、波長が約０．８４μｍのときに、出力強度が最大となり、その大きさが０．１よりも大きくなる。このように、第２参考例の構成によれば、第１参考例の構成に比べて、出力強度が最大となる波長について、３０％程度の出力強度の増大が見られる。これは、伝播光の芯部による吸収が小さく抑えられるためである。

図８（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ図４（Ａ）及び（Ｂ）を参照して説明した第１実施形態の光共振器についてのシミュレーション結果を示す図である。

図８（Ａ）及び（Ｂ）は、芯部の断面形状が楕円形状であり、芯部上に光導波部を備えている。図８（Ａ）は、低屈折率部を備えない構成であり、図８（Ｂ）は、低屈折率部を備える構成である。

芯部の断面形状については、楕円の短軸の長さを１．６μｍとし、長軸の長さを３．２μｍとしている。また、光導波部の厚みを０．３μｍとし、図８（Ｂ）では、低屈折率部の厚みを０．１５μｍとしている。

図８（Ａ）と図８（Ｂ）を比較すると、図８（Ａ）では、波長が約１．１６μｍのときに出力強度が最大となり、その値が０．３程度であるのに対し、図８（Ｂ）では、波長が約１．３６μｍのときに出力強度が最大となり、その値が０．６以上と、図８（Ａ）に示した値の２倍以上になる。これは、伝播光の芯部による吸収が小さく抑えられるためである。

また、図７（Ａ）と図８（Ａ）を比較すると、光強度が４倍以上になり、図７（Ｂ）と図８（Ｂ）を比較すると、光強度が５倍以上になっている。

これは、光共振器がともに低屈折率部を備えない場合は、芯部の断面形状が楕円形のときは、円形の場合に比べて、出力強度が高いことを示している。同様に、光共振器がともに低屈折率部を備える場合は、芯部の断面形状が楕円形のときは、円形の場合に比べて、出力強度が高いことを示している。

断面形状が円形の場合は、出力強度が入力強度の１０％程度であるが、断面形状が楕円形の場合は、出力強度が入力強度の３０％以上となり、さらに低屈折率部を備える構成にすれば６０％以上となる。

断面形状を楕円形状にすると、出力強度は入力強度の３０％以上、すなわち−１．５ｄＢの光損失が実現できる。

ここでは、入力光が共振器に入力された点で発生する散乱を利用して、共振器の光導波部に入力光を導入する例について説明したが、この例に限定されない。

プリズムの界面と共振器が接触した場合など、界面に局所的に異物が存在すると、この異物が存在する部分で散乱光が発生するが、この散乱光の中で、芯部に入力される迷光は、芯部の表層の金属で吸収されるので、ノイズの原因となる芯部内での共振が起こらない。従って、プリズムを用いて入力する構成も可能である。このとき、図１（Ａ）を参照して説明した従来例と異なり、プリズムと光共振器が接するなど、散乱光が発生する場合であっても迷光によるノイズの影響は受けにくい。

（波長フィルタの他の構成例）
図９を参照して、波長フィルタの他の構成例として、第２実施形態の光共振器を用いた波長フィルタについて説明する。図９は波長フィルタの他の構成例を説明するための模式図である。

この波長フィルタは、共振器１５及びサーキュレータ９０を備えて構成されている。サーキュレータ９０と共振器１５の間、及びサーキュレータ９０の入力側及び出力側には光ファイバが接続されている。共振器として、図５を参照して説明した第２実施形態の光共振器１５を用いる。この光共振器１５は、入力部と出力部を共用している。

サーキュレータ９０に入力された光５０は、共振器１５に送られる。共振器１５で共振した波長成分の光は、入力された光と逆の経路を通って、サーキュレータ９０に送られる。その後、サーキュレータ９０から出力される（図中、矢印５９で示す）。

（光センサ）
図１０を参照して、この発明の光センサについて説明する。

光センサ１８は、入力部７１及び受光部８１と、入力部７１及び受光部８１間に共振部９５とを備えていて、共振部９５の周囲の媒体（液体又は気体）の条件（組成、ＰＨ、湿度等）を測定する。リング型光共振器を用いた光センサ自体は、公知であるが（例えば、Ｉ．Ｍ．Ｗｈｉｔｅ ｅｔ ａｌ．“Ｓｕｂｆｅｍｔｏｍｏｌｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｓｍａｌｌ ｍｏｌｅｃｕｌｒｅｓ ｗｉｔｈ ｍｉｃｒｏｓｐｈｒｅ ｓｅｎｓｏｒｓ”、ＯＰＴＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ Ｖｏｌ．３０（２００５）ｐｐ．３１８９−３１９１参照）、ここでは、図２〜４を参照して説明した、第１及び第２参考例並びに第１実施形態のいずれかのリング型光共振器を用いる。なお、リング型光共振器としては、入力及び出力効率を高めるため、図４（Ｂ）に示したような、楕円型の経路を有していて、光導波部と芯部の間に低屈折率部を有する光共振器を用いるのが好適である。

入力部７１は、入力側ホルダ７３と、入力側ホルダ７３に取り付けられた光ファイバ７５を備えている。

共振部９５は、入力側ホルダ７３に凹部７７を設けて、この凹部７７内に取り付けられる。このとき、共振部９５は、必要に応じて樹脂などを用いて取り付けられる。

共振部９５は、リング型の光共振器１３の表面上に屈折率変化膜９４を備えていて、その周囲が媒体で満たされている。このリング型光共振器１３の構成については、図４（Ｂ）を参照して説明した第１実施形態と同様なので、説明を省略する。

屈折率変化膜９４は、媒体の組成、ＰＨ、湿度等により屈折率が変化する膜であって、例えば、抗体や高分子材料で形成される。

入力部に入力された光は、光ファイバ７５を伝播して、共振部９５に送られる。

共振部９５からは、共振条件を満たす波長の光（図中、矢印５８で示す。）が出力され、この光５８が受光部８１に送られる。

受光部８１は、受光側ホルダ８３と、受光側ホルダ８３に取り付けられた、ＣＣＤセンサなどの受光素子８５とを備えている。共振部９５から送られた光５８は、受光部８１が備える受光素子８５で測定される。

共振部９５では、周囲の媒体の条件により屈折率変化膜９４の屈折率が変化し、それによって、リング型光共振器１３の共振条件を満たす波長が変わる。従って、ＣＣＤセンサで測定された光の波長から、媒体の組成、ＰＨ、湿度がわかる。

例えば、屈折率変化膜９４として、厚みが２０ｎｍの抗体の膜とする。また、リング型光共振器１３については、図４（Ｂ）を参照して説明したのと同様の構成で、芯部２３の断面形状については、楕円の短軸の長さを１．６μｍとし、長軸の長さを３．２μｍとしている。また、光導波部３３の厚みを０．３μｍとする。

この場合、屈折率変化膜９４を構成する抗体に対応する抗原が媒体中に存在すると、抗原が存在しない時の共振波長が例えば１．２μｍであるとき、５ｎｍ程度変化する。

図１０には、共振部９５を３つ備える例を示しているが、共振部９５の個数は３つに限定されない。屈折率変化膜９４、入力光の中心波長、センサの感度領域など条件を変えたセンサの組を測定条件の種類等に応じて複数用意して、１度の測定で媒体に対して複数のデータを取得することができる。

なお、同じ条件の共振器、入力光、センサを複数設けて、測定感度を高める構成にしても良いし、光センサを２次元的に配列して、平面分布のデータを取得する構成にしても良い。

また、１つの抗原について、１つの抗体を屈折率変化膜９４に用いて測定する場合など、共振部を１つだけ備える構成にしても良い。

リング型光共振器の従来例を示す模式図である。 第１参考例のリング型光共振器を説明するための模式図である。 第２参考例のリング型光共振器を説明するための模式図である。 第１実施形態のリング型光共振器を説明するための模式図である。 第２実施形態のリング型光共振器を説明するための模式図である。 波長フィルタを説明するための模式図である。 波長フィルタ特性を示す特性図（その１）である。 波長フィルタ特性を示す特性図（その２）である。 波長フィルタの他の構成例を説明するための模式図である。 光センサを説明するための模式図である。

符号の説明

１０、１１、１２、１３、１４、１５ 光共振器
１６、１７ 波長フィルタ
１８ 光センサ
２０、２３、２４、２５ 芯部
３０、３３、３４、３５ 光導波部
４０、４３、４４、４５ 低屈折率部
７０ 入力側光ファイバ
７１ 入力部
７２、８２ コア
７４ 出力端面
７３ 入力側ホルダ
７５ 光ファイバ
８０ 出力側光ファイバ
８１ 受光部
８３ 受光側ホルダ
８４ 入力端面
８５ 受光素子
９０ サーキュレータ
９４ 屈折率変化膜
９５ 共振部

Claims (11)

1. 表層が金属で構成されている芯部と、
   該芯部の周囲に形成された光導波部であって、前記光導波部内を伝播光がリング状に周回することにより共振する当該光導波部と
   を備え、
   前記伝播光が周回する経路中に、他の部分よりも曲率半径が小さい部分を有し、該曲率半径が小さい部分を介して、光が入出力される
   ことを特徴とする光共振器。
2. 前記光導波部が、高屈折率の材料で形成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の光共振器。
3. 前記光導波部と前記芯部の間に、前記光導波部よりも屈折率の小さい低屈折率部を有する
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光共振器。
4. 前記芯部が、底面の形状が楕円である楕円柱状であり、及び
   前記伝播光が、前記惰円柱状の芯部の側面に沿って周回する
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の光共振器。
5. 前記曲率半径が小さい部分が、前記経路の２つの領域に設けられていて、
   一方が、入力光が入力される入力部分であり、
   他方が、出力光が出力される出力部分である
   ことを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の光共振器。
6. 前記曲率半径が小さい部分が、前記経路の１つの領域に設けられていて、
   当該領域が、入力光が入力され、及び、出力光が出力される入出力部分である
   ことを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の光共振器。
7. 入力側光ファイバ、共振器及び出力側光ファイバを備えて構成される波長フィルタであって、
   前記入力側光ファイバを経て光が入力され、
   入力された前記光のうち、前記共振器において特定の波長成分の光が共振され、
   該特定の波長成分の光が前記出力側光ファイバを経て出力され、及び
   前記共振器を請求項１〜５のいずれか一項に記載の光共振器とする
   ことを特徴とする波長フィルタ。
8. 前記出力側光ファイバの入力端面に、該出力側光ファイバのコアに対応する部分に開口を有する遮光マスクを設けることを特徴とする請求項７に記載の波長フィルタ。
9. 共振器及びサーキュレータを備えて構成される波長フィルタであって、
   外部から入力された光が前記サーキュレータを経て前記共振器に送られ、
   前記入力された光のうち、前記共振器において特定の波長成分の光が共振され、
   該特定の波長成分の光が前記サーキュレータを経て出力され、及び
   前記共振器を請求項６に記載の光共振器とする
   ことを特徴とする波長フィルタ。
10. 入力部、共振部及び受光部を備えて構成され、
    前記入力部は、入力光を前記共振部へ送り、
    前記共振部は、その周囲を満たす媒体中に配置されており、共振器の表面上に、前記媒体の条件により屈折率が変化する屈折率変化膜を備えていて、該屈折率変化膜の屈折率の変化に応じて波長が変化した前記共振器の共振条件を満たす光を前記受光部へ送り、
    前記受光部は、波長が変化した前記共振条件を満たす光を検出し、及び
    前記共振部が備える前記共振器を、請求項１〜８のいずれか一項に記載の光共振器とする
    ことを特徴とする光センサ。
11. 前記媒体の条件を、（１）該媒体中の抗体の有無、（２）該媒体の組成、（３）該媒体のＰＨ、及び（４）該媒体の湿度からなる群より選択される１以上の条件とすることを特徴とする請求項１０に記載の光センサ。