JP7141708B2

JP7141708B2 - 光結合器及び光結合方法

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Description

本発明は、光導波路への光の結合に関する。

従来、光導波路（例えば光ファイバ、シリコン導波路（シリコンフォトニクス）など）のコアの端面に光を集光することで光導波路に光を結合する光結合器が利用されている。光導波路のコアの端面への光の集光には、レンズあるいはテーパ状の導波路などが用いられる。例えば特許文献１では、光ファイバの端面にロッドレンズが設けられている。

特開平１０－３１１２８号公報

H.Kogelnik、"Coupled Wave Theory for Thick Hologram Gratings"、Bell Labs Technical Journal 48、2909-2947、November 1969

しかしながら、上記従来技術では、レンズの焦点に集められたビームスポットの特性を光導波路のパラメータに合わせることが難しく、良好な結合効率を得ることが難しい。特に、シングルモード光ファイバへの光結合では、入射光の強度分布をファイバモードの分布に合わせる必要があり、良好な光結合効率を得ることが難しい。

また、上記従来技術では、コアの端面に入射光が集光されるため、コアの端面に光学的損傷を引き起こす場合がある。光ファイバのコア表面の単位面積あたりの光学的損傷閾値は、約２５０ｋＷ／ｃｍ²とされる。したがって、コアの直径が約１０μｍのシングルモード光ファイバに０．５Ｗを超える高強度の光を結合すると、コアの端面に光学的損傷が生じることになる。

そこで、本発明は、光結合による光導波路の光学的損傷を抑制し、光結合効率を向上させることができる光結合器を提供する。

本発明の一態様に係る光結合器は、入力光を光導波路に結合する光結合器であって、前記光導波路のコアの内部に形成された回折光学機能を有する領域を備え、前記入力光は、前記光導波路の伝搬軸に垂直な方向から前記回折光学機能を有する領域に入射する。

この構成によれば、光導波路の伝搬軸に垂直な方向から回折光学素子に入力光を入射することで、光導波路に入力光を結合することができる。したがって、コアの端面に入力光を集光する必要がないので、回折光学機能を有する領域により入力光の強度分布を光導波路のモードの分布に合わせることが可能となり、光結合効率を向上させることができる。また、コアの端面に入力光を集光する必要がないので、コアの光学的損傷を抑制することができる。また、コアの内部に回折光学素子が形成されるので、光導波路の伝搬軸に垂直な面内であれば３６０度どの方向から入力光が回折光学機能を有する領域に入射しても光結合効率のばらつきを抑えて入力光を光導波路に結合することができ、光結合器を使用する環境の自由度を高めることができる。その結果、光結合器の設置場所の制約が厳しい環境（例えば、顕微鏡の受光部など）でも光結合器を使用することができる。

例えば、前記回折光学機能を有する領域は、前記光導波路の伝搬軸に垂直な方向から入射する前記入力光に対してブラッグ条件（Ｂｒａｇｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎ）を満たしてもよい。

この構成によれば、光導波路の伝搬軸と平行な方向への回折効率を向上させることができ、光結合効率を向上させることができる。

例えば、前記光導波路の伝搬軸に垂直な方向は、前記光導波路の伝搬軸に厳密に垂直な方向から予め定められた角度範囲内の方向であり、前記予め定められた角度範囲は、結合波理論（ｃｏｕｐｌｅｄ－ｗａｖｅｔｈｅｏｒｙ）において回折効率が０．５以上となる範囲であってもよい。

この構成によれば、回折効率が０．５以上となる角度範囲内で入力光を、回折光学機能を有する領域に入射することができ、ある程度の誤差を許容しつつ、光結合効率を向上させることができる。

例えば、前記回折光学機能を有する領域は、ファイバブラッググレーティングであってもよい。

この構成によれば、回折光学素子にファイバブラッググレーティングを用いることができる。ファイバブラッググレーティングは、光ファイバセンサにおいて最も一般的に用いられており、比較的容易に光結合器を実現することができる。

例えば、前記ファイバブラッググレーティングの格子定数は前記入力光の波長と一致してもよい。

この構成によれば、ファイバブラッググレーティングの格子定数を入力光の波長と一致させることができる。したがって、回折光の進行方向を光導波路の伝搬軸に平行な方向により近付けることができ、光結合効率をさらに向上させることができる。

例えば、前記光結合器は、さらに、前記伝搬軸に垂直な方向から前記回折光学機能を有する領域に前記入力光を入射する入力部を備えてもよい。

この構成によれば、光結合器は光導波路の伝搬軸に垂直な方向から回折光学素子に入力光を入射する入力部を備えることができる。これにより、入力光を確実に回折光学素子に入射することができ、光結合効率を向上させることができる。

例えば、前記入力部は、前記伝搬軸に平行な方向に延びる線状に前記入力光を集光する集光素子を含んでもよい。

この構成によれば、伝搬軸に平行な方向に延びる線状に入力光を集光する集光素子を入力部として用いることができる。したがって、コアに形成された回折光学素子に沿って線状に入力光を集光することができる。その結果、入力光を確実に回折光学素子に入射することができ、さらに光結合効率を向上させることができる。

例えば、前記入力部は、前記入力光を前記伝搬軸に平行な方向に分散する分散素子を含み、前記伝搬軸に平行な方向において、前記ファイバブラッググレーティングの前記格子定数の分布は、分散された前記入力光の波長の分布に対応してもよい。

この構成によれば、入力光を伝搬軸に平行な方向に分散する分散素子を入力部として用いることができる。さらに、伝搬軸に平行な方向において、ファイバブラッググレーティングの格子定数の分布を、分散された入力光の波長の分布に対応させることができる。したがって、広帯域な入力光に対しても、入力光の波長とファイバブラッググレーティングの格子定数とを一致させることができ、回折光の進行方向と光ファイバの伝搬軸の方向とのずれを削減することができる。つまり、広帯域の入力光に対しても、より高い精度で回折光を光ファイバのモードに適合させることができ、光結合効率を向上させることができる。

例えば、前記光結合器は、さらに、前記入力光の波長に応じて前記ファイバブラッググレーティングの格子定数を調整する調整部を備えてもよい。

この構成によれば、入力光の波長に応じてファイバブラッググレーティングの格子定数を調整することができる。したがって、結合できる入力光の波長の範囲を広げることができ、光結合器の汎用性を向上させることができる。

例えば、前記光結合器は、さらに、前記回折光学機能を有する領域によって前記伝搬軸に平行な方向の２つの向きに回折された光の一方を逆向きに反射する反射部を備えてもよい。

この構成によれば、コアを伝搬してきた光を反射することができる。したがって、伝搬軸の両方向に回折された回折光の一方を反射して他方と合波することができ、光結合効率を向上させることができる。

例えば、前記光結合器は、さらに、前記回折光学機能を有する領域によって前記コアに結合された光の位相を補償する位相補償部を備えてもよい。

この構成によれば、コアに結合された光の位相を補償することができる。したがって、結合光の位相のずれを補償することができ、例えば入力光がパルス光である場合に光結合による波形の変化を抑制することができる。

例えば、前記光導波路は、光ファイバであってもよい。

この構成によれば、光ファイバに入力光を結合することができる。

また、本発明の一態様に係る光結合方法は、入力光を光導波路に結合する光結合方法であって、前記光導波路の伝搬軸に垂直な方向から、前記光導波路のコアの内部に形成された回折光学機能を有する領域に光を入力する入力ステップと、前記回折光学機能を有する領域に入力された光を回折することにより前記光導波路に光を結合する回折ステップと、を含む。

これによれば、上記光結合器と同様の効果を得ることができる。

本発明の一態様に係る光結合器は、光結合による光導波路の光学的損傷を抑制し、光結合効率を向上させることができる。

図１は、実施の形態１に係る光結合器の構成を示す斜視図である。図２は、格子定数ｄを有する一般的な回折格子による光の回折を表す図である。図３は、実施の形態１に係る光結合器を用いた光結合方法を示すフローチャートである。図４Ａは、光結合実験の概要を示す図である。図４Ｂは、光結合実験における入射角度と結合光の強度との関係を示すグラフである。図５は、実施の形態２に係る光結合器の構成を示す斜視図である。図６は、実施の形態３に係る光結合器の構成を示す斜視図である。図７は、実施の形態３に係る光結合器のシミュレーションモデル及びシミュレーション結果を示す図である。図８Ａは、実施の形態３に係る光結合器のシミュレーション結果におけるコア直径と光結合効率との関係を示すグラフである。図８Ｂは、実施の形態３に係る光結合器のシミュレーション結果におけるコア直径と光学的損傷閾値との関係を示すグラフである。図９は、実施の形態４に係る光結合器の構成を示す側面図である。図１０は、実施の形態５に係る光結合器の構成を示す側面図である。図１１は、実施の形態６に係る光結合器の構成を示す側面図である。

以下、実施の形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。

なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも包括的または具体的な例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、請求の範囲を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。

また、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。また、各図において、実質的に同一の構成については同一の符号を付し、重複する説明は省略又は簡略化する。

また、以下において、一致、垂直及び平行という用語を用いているが、特に限定しない限り、これらは厳密ではなく、実質的な意味で用いられる。例えば、「一致」は、完全に一致していることを意味するだけでなく、実質的に一致しているとみなせる範囲を含むことを意味する。すなわち、「一致」は、数％程度の誤差を許容する。また例えば、「垂直」は、厳密に垂直であることを意味するだけでなく、実質的に垂直とみなせる範囲を含むことを意味する。また例えば、「平行」は、厳密に平行であることを意味するだけではなく、実質的に平行とみなすことができる範囲を含むことを意味する。

（実施の形態１）
以下、実施の形態１について図面を参照しながら説明する。

［光結合器の構成］
図１は、実施の形態１に係る光結合器の構成を示す図である。図１及び以降の図において、Ｘ軸方向は、光ファイバの伝搬軸に平行な方向であり、Ｙ軸方向及びＺ軸方法は、光ファイバの伝搬軸に直交する方向である。

光ファイバ１００は、光導波路の一例であり、光信号を伝送するための媒体である。本実施の形態では、光ファイバ１００は、シングルモード光ファイバであり、コア１１０及びクラッド１２０を備える。

コア１１０は、例えば石英ガラス又はプラスチックからなり、クラッド１２０に囲われている。コア１１０の直径は、例えば約１０μｍ～１００μｍである。

クラッド１２０は、例えば石英ガラス又はプラスチックからなり、コア１１０よりも低い屈折率を有する。クラッド１２０の外径は、例えば約３０μｍ～５００μｍである。

コア１１０の内部には、回折光学機能を有する領域（以下、回折光学素子１０という）が形成されている。入力光１３０は、光ファイバ１００の伝搬軸に垂直な方向（図１ではＺ軸方向）から回折光学素子１０に入射する。そして、入力光１３０は、回折光学素子１０によって回折される。その結果、回折光１４０ａ、１４０ｂ（結合光ともいう）は、伝搬軸に平行な方向（図１ではＸ軸方向）に伝搬する。

光ファイバ１００の伝搬軸に垂直な方向は、光ファイバ１００の伝搬軸に厳密に垂直な方向から予め定められた角度範囲内の方向であってもよい。この予め定められた角度範囲は、非特許文献１に記載の結合波理論に基づいて定義することができる。

例えば、予め定められた角度範囲は、結合波理論において回折効率が予め定められた閾値効率以上となる範囲であってもよい。予め定められた閾値効率としては、例えば０．５を用いることができ、好ましくは０．６を用いることもでき、より好ましくは０．７を用いることもできる。予め定められた閾値効率として０．５以上の値が用いられれば、従来よりも高い結合効率を実現することができる。

回折光学素子１０は、光ファイバ１００の伝搬軸に垂直な方向から入射する入力光１３０に対してブラッグ条件を満たす。ブラッグ条件は、以下の式１で表される。

ここで、ｄは回折光学素子１０の格子定数を表し、θは光ファイバ１００の伝搬軸と入力光１３０とが成す角度を表し、λは入力光１３０の波長を表し、ｎは整数を表す。

つまり、本実施の形態では、θ＝９０度において式１が満たされる。なお、ブラッグ条件を満たすとは、式１が厳密に満たされることだけを意味するのではなく、式１が実質的に満たされることを意味してもよい。つまり、式１において、微小な誤差が含まれる場合も、ブラッグ条件を満たすと解釈してもよい。

本実施の形態では、回折光学素子１０は、ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）である。ＦＢＧは、例えば紫外レーザ光を光ファイバに照射して、紫外光に感光性を有するコアの内部の屈折率を伝搬軸に平行な方向に周期的に変化させることで製造される。

回折光学素子１０（ＦＢＧ）の格子定数ｄは、入力光１３０の波長λと一致する。この回折光学素子１０によって、入力光１３０の伝搬方向は、入射方向（図１のＺ軸方向）から、当該入射方向に垂直な方向（図１のＸ軸方向）に変換される。

ここで、光の伝搬方向が入射方向に垂直な方向に変換される原理について説明する。図２は、格子定数ｄを有する一般的な回折格子による光の回折を表す図である。図２に示すように、波長λの光が角度θ₁で回折格子に入射すると角度θ₂の回折光が生じる。入射光と回折光との波面の位相は等しくなるので、＋１次及び－１次の回折光では、以下の式２が成立する。

上記式２にθ₁＝０、ｄ＝λを代入することにより、θ₂＝π／２，－π／２が導出される。つまり、図１において、Ｚ軸方向（θ₁＝０）から波長λ（＝ｄ）を有する入力光１３０が格子定数ｄを有する回折光学素子１０に入射すれば、回折光１４０ａ、１４０ｂは、Ｘ軸方向の正及び負の向き（θ₂＝π／２，－π／２）に進行する。

なお、入力光１３０の入射方向はＺ軸方向に限定されない。入力光１３０は、Ｘ軸方向に垂直な方向（例えばＹ軸方向）から回折光学素子１０に入射すればよい。この場合でも、上記式２に基づいて回折光１４０ａ、１４０ｂは、Ｘ軸方向の正及び負の向きに進行する。

［光結合方法］
次に、以上のように構成された光結合器を用いた光結合方法について説明する。図３は、実施の形態１に係る光結合方法を示すフローチャートである。

まず、光ファイバ１００のコア１１０の内部に形成された回折光学素子１０に、格子定数と一致する波長を有する入力光１３０が入射される（Ｓ１１０）。入力光１３０は回折光学素子１０によって回折される（Ｓ１２０）。つまり、入力光１３０は、光ファイバ１００の伝搬軸に平行な方向に伝搬する回折光１４０ａ、１４０ｂに変換される。

［効果］
以上のように、本実施の形態に係る光結合器によれば、光ファイバ１００の伝搬軸に垂直な方向（例えばＺ軸方向）から回折光学素子１０に入力光１３０を入射することで、光ファイバ１００に入力光１３０を結合することができる。したがって、コア１１０の端面に入力光１３０を集光する必要がないので、回折光学素子１０で入力光１３０の強度分布を光ファイバ１００のモードの分布に合わせることが可能となり、光結合効率を向上させることができる。また、コア１１０の端面に入力光１３０を集光する必要がないので、コア１１０の光学的損傷を抑制することができる。また、コア１１０の内部に回折光学素子１０が形成されるので、光ファイバ１００の伝搬軸に垂直な面内であれば３６０度どの方向（例えばＹ軸方向及びＺ軸方向）から入力光１３０が回折光学素子１０に入射しても、光結合効率のばらつきを抑えて入力光１３０を光ファイバ１００に結合することができ、光結合器を使用する環境の自由度を高めることができる。その結果、光結合器の設置場所の制約が厳しい環境（例えば、顕微鏡の受光部など）でも本実施の形態に係る光結合器を使用することができる。

また、本実施の形態に係る光結合器によれば、回折光学素子１０は、光ファイバ１００の伝搬軸に垂直な方向から入射する入力光１３０に対してブラッグ条件を満たすことができる。したがって、入力光１３０の伝搬方向を光ファイバ１００の伝搬軸と平行な方向への回折効率を向上させることでき、光結合効率を向上させることができる。

また、本実施の形態に係る光結合器によれば、回折効率が０．５以上となる角度範囲内で入力光を、回折光学機能を有する領域に入射することができ、ある程度の誤差を許容しつつ、光結合効率を向上させることができる。

また、本実施の形態に係る光結合器によれば、回折光学素子１０にＦＢＧを用いることができる。ＦＢＧは、光ファイバセンサにおいて最も一般的に用いられており、コア１１０の内部に回折光学素子１０を比較的容易に形成することができる。したがって、本実施の形態に係る光結合器を比較的容易に実現することができる。

また、本実施の形態に係る光結合器によれば、ＦＢＧの格子定数を入力光の波長と一致させることができる。したがって、回折光の進行方向を光ファイバ１００の伝搬軸に平行な方向により近付けることができ、光結合効率をさらに向上させることができる。

［実験結果］
ここで、コアの内部に形成された回折光学素子を用いて伝搬軸に垂直な方向から入射した入力光を光ファイバに結合する実験について説明する。図４Ａは、光結合実験の概要を示す図である。

本実験では、図４Ａに示すように光導波路としてスラブ導波路を用いた。また、コア及びコアの内部に形成された回折光学素子として回折格子フィルムシートを用いた。回折格子フィルムシートの厚みは約１２０μｍであり、格子定数は１．０μｍであった。さらに、クラッドとしてガラス板を用いた。光源からスラブ導波路に入射した入力光の波長は約１．６μｍであった。回折格子フィルムシートの屈折率が高いので、格子定数１．０μｍより少し大きい波長１．６μｍの入力光を用いた。このようなスラブ導波路に対して複数の入射角度θで入力光を入射し、複数の入射角度の各々で結合光の強度を強度測定器で測定した。

図４Ｂは、光結合実験における入射角度と結合光の強度との関係を示すグラフである。図４Ｂから明らかなように、本実験では、入射角度θが９０度近傍のときに結合光の強度が最も高くなった。このとき、光結合効率は９０％以上であった。つまり、入力光が伝搬軸に垂直な方向から回折光学素子に入力光を入射することにより、高い光結合効率で導波路に入力光を結合することができた。

（実施の形態２）
次に、実施の形態２について説明する。本実施の形態では、光導波路の伝搬軸に平行な方向に延びる線状に入力光を集光する集光素子が光結合器に含まれる点が上記実施の形態１と主として異なる。以下に、本実施の形態に係る光結合器について、上記実施の形態１と異なる点を中心に、図面を参照しながら具体的に説明する。

［光結合器の構成］
図５は、実施の形態２に係る光結合器の構成を示す斜視図である。図５に示すように、本実施の形態に係る光結合器は、回折光学素子１０に加えて、集光素子２０を備える。

集光素子２０は、光ファイバ１００の伝搬軸に垂直な方向から回折光学素子１０に入力光１３１ａを入射する入力部の一例であり、例えばシリンドリカルレンズである。集光素子２０は、光ファイバ１００の伝搬軸に平行な方向（Ｘ軸方向）に延びる線状に入力光１３１ａを集光する。線状光１３１ｂは、光ファイバ１００の伝搬軸に垂直な方向（Ｚ軸方向）から回折光学素子１０に入射する。

［効果］
以上のように、本実施の形態に係る光結合器によれば、伝搬軸に平行な方向（Ｘ軸方向）に延びる線状に入力光１３１ａを集光する集光素子２０を備えることができる。したがって、コア１１０に形成された回折光学素子１０に沿って線状に入力光１３１ａを集光することができる（線状光１３１ｂ）。その結果、入力光１３１ａを確実に回折光学素子１０に入射することができ、さらに光結合効率を向上させることができる。

（実施の形態３）
次に、実施の形態３について説明する。本実施の形態では、コアの端面に形成された反射部が光結合器に含まれる点が上記実施の形態１と主として異なる。以下に、本実施の形態に係る光結合器について、上記実施の形態１と異なる点を中心に、図面を参照しながら具体的に説明する。

［光結合器の構成］
図６は、実施の形態３に係る光結合器の構成を示す斜視図である。図６に示すように、本実施の形態に係る光結合器は、回折光学素子１０に加えて、反射部３０を備える。

反射部３０は、コア１１０の端面に設けられ、反射部３０に向かってコア１１０を伝搬してきた回折光１４０ａを反射する。つまり、反射部３０は、回折光学素子１０によって伝搬軸に平行な方向の２つの向きに回折された光（本実施の形態では回折光１４０ａ、１４０ｂ）の一方（本実施の形態では回折光１４０ａ）を逆向きに反射する。その結果、回折光１４０ａの進行方向は反転され、回折光１４０ａは、回折光１４０ｂと合波される。

図６では、反射部３０は、Ｘ軸方向の負の向き伝搬する光をＸ軸方向の正の向きに反射する。具体的には、反射部３０は、例えばコア１１０の端面を覆う金属膜（例えばアルミニウムなど）である。

［効果］
以上のように、本実施の形態に係る光結合器によれば、コア１１０を伝搬してきた光をコア１１０の端面で反射することができる。したがって、伝搬軸の両方向に回折された回折光の一方（回折光１４０ａ）を他方（回折光１４０ｂ）と合波することができ、光結合効率を向上させることができる。

ここで、本実施の形態に係る光結合器のシミュレーション結果を用いて効果を説明する。図７は、実施の形態３に係る光結合器のシミュレーションモデル及びシミュレーション結果を示す図である。具体的には、図７の（ａ）は、シミュレーションにおける光結合器の３次元モデルの斜視図である。図７の（ｂ）は、シミュレーションにおける光結合器の３次元モデルの断面図である。図７の（ｃ）及び（ｄ）は、図７の（ｂ）に示す断面における１３０フェムト秒及び１０００フェムト秒後の光の強度分布を示す図である。図７の（ｃ）及び（ｄ）では、白に近いほど光の強度が高く、黒に近いほど光の強度が低いことを示す。

このシミュレーションでは、有限要素時間差分法（ＦＤＴＤ；ＦｉｎｉｔｅＤｉｆｆｅｒｅｎｃｅＴｉｍｅＤｏｍａｉｎ）が用いられ、図７の（ａ）に示すように光源からの線状（２次元）の入力光が、光ファイバの伝搬軸に垂直な方向から、コアの内部に形成された回折光学素子にクラッドを介して入射された。このとき、入力光が入射するコアの領域（つまり回折光学素子が形成された領域）の伝搬軸の方向の長さを１ｃｍとした。また、コアの一方の端面には反射部が設けられ、入力光の波長は１．４８５μｍであり、回折光学素子の格子定数は１μｍであった。

図７の（ｄ）を見れば、光ファイバの伝搬軸に垂直な方向から回折光学素子に入射した入力光は、回折光学素子によって伝搬軸に平行な方向に進行する結合光に変換されたことがわかる。

なお、本シミュレーションは、コアの直径を変化させて複数回行われた。図８Ａは、コア直径と光結合効率との関係を示すグラフである。図８Ｂは、コア直径と光学的損傷が生じる入力光の強度との関係を示すグラフである。図８Ｂでは、光学的損傷閾値として２５０ｋＷ／ｃｍ²を用いた。

図８Ａを見れば、１０μｍ以上のコア直径において６０％以上の光結合効率を実現することができたことがわかる。また、図８Ｂを見れば、従来技術よりも高い強度の入力光を光学的損傷なしに光ファイバに結合できることがわかる。

このように、本シミュレーションによって、本実施の形態に係る光結合器によって高い光結合効率を実現できるとともに、従来技術よりも光学的損傷なしに結合できる入力光の強度を増加させることができることがわかった。

（実施の形態４）
次に、実施の形態４について説明する。本実施の形態では、入力光を光導波路の伝搬軸に平行な方向に分散する分散素子が光結合器に含まれる点が上記実施の形態１と主として異なる。以下に、本実施の形態に係る光結合器について、上記実施の形態１と異なる点を中心に、図面を参照しながら具体的に説明する。

［光結合器の構成］
図９は、実施の形態４に係る光結合器の構成を示す側面図である。図９に示すように、本実施の形態に係る光結合器は、回折光学素子１１と、分散素子４０と、レンズ４１とを備える。

分散素子４０は、光ファイバ１００の伝搬軸に垂直な方向から回折光学素子１１に入力光１３２ａを入射する入力部の一例であり、例えば回折格子である。分散素子４０は、入力光１３２ａを光ファイバ１００の伝搬軸に平行な方向（Ｘ軸方向）に分散する。つまり、分散素子４０は、入力光１３２ａの周波数に応じて異なるＸ軸方向の位置に入力光１３２ａを分離する。分散光１３２ｂは、例えば赤分散光１３２ｂＲ、緑分散光１３２ｂＧ及び青分散光１３２ｂＢを含む。

レンズ４１は、分散素子４０からの分散光１３２ｂを屈折させて、分散光１３２ｂを光ファイバ１００の伝搬軸に垂直な方向（Ｚ軸方向）から回折光学素子１１に入射する。

回折光学素子１１は、ＦＢＧである。光ファイバ１００の伝搬軸に平行な方向（Ｘ軸方向）において、ＦＢＧの格子定数の分布は、分散光１３２ｂの波長の分布に対応する。つまり、ＦＢＧに入射する分散光１３２ｂの波長とＦＢＧの格子定数が一致するように、ＦＢＧの格子定数はＸ軸方向に連続的に変化している。例えば、図９に示すように、赤分散光１３２ｂＲが入射する領域の格子定数は、青分散光１３２Ｂが入射する領域の格子定数よりも大きい。

［効果］
以上のように、本実施の形態に係る光結合器によれば、入力光１３２ａを伝搬軸に平行な方向（Ｘ軸方向）に分散する分散素子４０を備えることができる。さらに、伝搬軸に平行な方向（Ｘ軸方向）において、ＦＢＧの格子定数の分布を、分散光１３２ｂの波長の分布に対応させることができる。したがって、広帯域な入力光に対しても、分散光１３２ｂの波長とＦＢＧの格子定数とを高い精度で一致させることができ、回折光の進行方向と光ファイバの伝搬軸の方向とのずれを削減することができる。つまり、広帯域の入力光に対しても、より高い精度で回折光を光ファイバ１００のモードに適合させることができ、光結合効率を向上させることができる。

（実施の形態５）
次に、実施の形態５について説明する。入力光が単波長でない場合、回折光学素子に入射した入力光は、その波長によって異なる角度で回折する。したがって、波長によって回折光の位相にずれが生じる。その結果、入力光がパルス光である場合に、パルス光の波形が変化してしまう。そこで、本実施の形態に係る光結合器は、波長による位相のずれを補償するための位相補償部を備える。以下に、本実施の形態に係る光結合器について、上記実施の形態１と異なる点を中心に、図面を参照しながら具体的に説明する。

［光結合器の構成］
図１０は、実施の形態５に係る光結合器の構成を示す側面図である。図１０に示すように、本実施の形態に係る光結合器は、回折光学素子１０に加えて、位相補償部５０を備える。

位相補償部５０は、回折光学素子１０によってコア１１０に結合された光の位相を補償する。つまり、位相補償部５０は、波長による回折光の位相のずれを補償する。本実施の形態では、位相補償部５０は、光サーキュレータ５１と、ＦＢＧ５２とを備える。

光サーキュレータ５１は、３ポートタイプの光サーキュレータである。光サーキュレータ５１は、光ファイバ１００から光サーキュレータ５１に進入した光を光ファイバ１０１に導く。さらに、光サーキュレータ５１は、光ファイバ１０１から光サーキュレータ５１に進入した光を光ファイバ１０１に導く。つまり、回折光学素子１０による回折光１４０ｂをＦＢＧ５２に導き、ＦＢＧ５２からの反射光を光ファイバ１０２に導く。

なお、光ファイバ１００、１０１及び１０２は、それぞれ、第１、第２及び第３光ファイバと呼ばれてもよい。

ＦＢＧ５２は、光ファイバ１０１のコアの内部に形成されている。ＦＢＧ５２は、光ファイバ１０１の伝搬軸の方向において格子定数が変化しており、伝搬軸の方向の各位置で当該位置の格子定数に対応する波長の光を反射する。つまり、回折光１４０ｂの波長によって光ファイバ１０１内の光路長が異なる。その結果、回折光１４０ｂの位相のずれが補償される。

［効果］
以上のように、本実施の形態に係る光結合器によれば、コア１１０に結合された光の位相を補償することができる。したがって、結合光の位相のずれを補償することができ、例えば入力光がパルス光である場合に光結合による波形の変化を抑制することができる。

（実施の形態６）
次に、実施の形態６について説明する。本実施の形態では、入力光の波長に応じてＦＢＧの格子定数を調整する調整部が光結合器に含まれる点が上記実施の形態１と主として異なる。以下に、本実施の形態に係る光結合器について、上記実施の形態１と異なる点を中心に、図面を参照しながら具体的に説明する。

［光結合器の構成］
図１１は、実施の形態６に係る光結合器の構成を示す側面図である。図１１に示すように、本実施の形態に係る光結合器は、調整部６０を備える。

調整部６０は、入力光１３０の波長に応じて回折光学素子１０（ＦＢＧ）の格子定数を調整する。例えば、調整部６０は、加熱器であり、光ファイバ１００を加熱することによりＦＢＧの格子定数を調整する。また例えば、調整部６０は、アクチュエータであり、光ファイバ１００に外力を加えることによりＦＢＧの格子定数を調整する。

［効果］
以上のように、本実施の形態に係る光結合器によれば、入力光１３０の波長に応じてＦＢＧ（回折光学素子１０）の格子定数を調整することができる。したがって、結合できる入力光の波長の範囲を広げることができ、光結合器の汎用性を向上させることができる。

（他の実施の形態）
以上、本発明の１つまたは複数の態様に係る光結合器について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したものや、異なる実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、本発明の１つまたは複数の態様の範囲内に含まれてもよい。

例えば、実施の形態２における集光素子と実施の形態４における分散素子との両方が光結合器に含まれてもよい。これにより、さらなる結合効率の向上を期待することができる。

また、実施の形態４における分散素子と実施の形態５における位相補償部との両方が光結合器に含まれてもよい。これにより、入力光が広帯域なパルス光であっても、波形の変化を抑えながら入力光を光導波路に結合することができる。

なお、上記各実施の形態では、光導波路が光ファイバである場合について説明したが、光導波路は光ファイバに限定されない。例えば、光導波路は、シリコンフォトニクスによって形成されるシリコン導波路であってもよい。この場合、光導波路のクラッドは空気層によって代替されてもよい。

なお、上記各実施の形態では、回折光学素子はＦＢＧであったが、これに限定されない。例えば、回折光学素子は、ホログラムによって実現されてもよい。以下に、回折光学素子にホログラムを適用できることについて説明する。

参照波Ａ_in（ｘ，ｙ，ｚ）と物体波Ａ₀（ｘ，ｙ，ｚ）との重ね合わせ（干渉）によって形成されたホログラムの振幅透過率Ｈ（ｘ，ｙ，ｚ）は、以下の式３で表すことができる。

ここで、γは定数を表す。この参照波Ａ_in（ｘ，ｙ，ｚ）を再生波として用いた場合、ホログラムからの透過波Ａ_out（ｘ，ｙ，ｚ）は、以下の式４で表される。

式４において、第１項（Ａ１）は直進光を表し、第２項（Ａ２）は直接像（虚像）を表し、第３項（Ａ３）は共役像（実像）を表す。したがって、参照波Ａ_in（ｘ，ｙ，ｚ）及び物体波Ａ₀（ｘ，ｙ，ｚ）を適切に設定することで、再生波Ａ_in（ｘ，ｙ，ｚ）の進行方向に対して垂直な方向に直接像及び共役像を生成するホログラムを形成することができる。つまり、コアの内部に形成されたホログラムは、コアの伝搬軸に対して垂直な方向から入力光（再生波）が入射したときに、当該伝搬軸に対して平行な方向に進行する回折光（直接像及び共役像）を出射することができる。

なお、上記実施の形態２では、光結合器が集光素子を備えていたが必ずしも集光素子を備えなくてもよい。例えば、入力光が線状光である場合には入力光を集光する必要はない。また、クラッドでも入力光を集光することができ、入力光が線状光でない場合に集光素子がないときでも光結合効率を向上させることができる。

なお、上記実施の形態３では、コアの端面に反射部が設けられていたが、反射部は必ずしもコアの端面に設けられなくてもよい。例えば、反射部は、コアの内部に形成されたＦＢＧであってもよい。この場合でも、コアを伝搬してきた回折光を逆向きに反射することができる。また、この反射部と同様の効果は２つの光導波路（光ファイバ）を１つの光導波路（光ファイバ）に結合する光結合器を用いても実現することができる。

なお、上記実施の形態３のシミュレーション結果（図８Ａ）からも明らかなように、回折光学素子が形成されるコアの直径が増加すれば光結合効率が増加する。そこで、コアの回折光学素子が形成されている部分（第１部分という）の直径を、コアの回折光学素子が形成されていない部分（第２部分という）の直径よりも大きくしてもよい。この場合、第１部分と第２部分との間にテーパ状の結合部分が形成されてもよい。これにより、光結合効率をさらに向上させることができる。

本発明の一態様に係る光結合器は、入力光を光ファイバなどに結合するための光結合器として利用することができる。

１０、１１回折光学素子
２０集光素子
３０反射部
４０分散素子
５０位相補償部
５１光サーキュレータ
５２ＦＢＧ
６０調整部
１００、１０１、１０２光ファイバ
１１０コア
１２０クラッド
１３０、１３１ａ、１３２ａ入力光
１３１ｂ線状光
１３２ｂ分散光
１４０ａ、１４０ｂ回折光

Claims

入力光を光ファイバに結合する光結合器であって、
前記光ファイバのコアの内部に形成されたファイバブラッググレーティングを備え、
前記入力光は、前記光ファイバの伝搬軸に垂直な方向から前記ファイバブラッググレーティングに入射し、
前記ファイバブラッググレーティングは、前記光ファイバの伝搬軸に対して傾斜されておらず、
前記ファイバブラッググレーティングの格子定数は前記入力光の波長と前記コアの屈折率との比と一致し、
前記光結合器は、さらに、
前記伝搬軸に垂直な方向から前記ファイバブラッググレーティングに前記入力光を入射する入力部を備え、
前記入力部は、前記入力光を前記伝搬軸に平行な方向に分散する分散素子を含み、
前記伝搬軸に平行な方向において、前記ファイバブラッググレーティングの前記格子定数の分布は、分散された前記入力光の波長の分布に対応する、
光結合器。
前記ファイバブラッググレーティングは、前記光ファイバの伝搬軸に垂直な方向から入射する前記入力光に対してブラッグ条件（Ｂｒａｇｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎ）を満たす、
請求項１に記載の光結合器。
前記光ファイバの伝搬軸に垂直な方向は、前記光ファイバの伝搬軸に厳密に垂直な方向から予め定められた角度範囲内の方向であり、
前記予め定められた角度範囲は、結合波理論（ｃｏｕｐｌｅｄ－ｗａｖｅｔｈｅｏｒｙ）において回折効率が０．５以上となる範囲である、
請求項１又は２に記載の光結合器。
前記入力部は、前記伝搬軸に平行な方向に延びる線状に前記入力光を集光する集光素子を含む、
請求項１に記載の光結合器。
前記光結合器は、さらに、
前記入力光の波長に応じて前記ファイバブラッググレーティングの格子定数を調整する調整部を備える、
請求項１～３のいずれか１項に記載の光結合器。
前記光結合器は、さらに、
前記ファイバブラッググレーティングによって前記伝搬軸に平行な方向の２つの向きに回折された光の一方を逆向きに反射する反射部を備える、
請求項１～５のいずれか１項に記載の光結合器。
前記光結合器は、さらに、
前記ファイバブラッググレーティングによって前記コアに結合された光の位相を補償する位相補償部を備える、
請求項１～６のいずれか１項に記載の光結合器。
入力光を光ファイバに結合する光結合方法であって、
前記光ファイバの伝搬軸に垂直な方向から、前記光ファイバのコアの内部に形成されたファイバブラッググレーティングに光を入力する入力ステップと、
前記ファイバブラッググレーティングに入力された光を回折することにより前記光ファイバに光を結合する回折ステップと、を含み、
前記ファイバブラッググレーティングは、前記光ファイバの伝搬軸に対して傾斜されておらず、
前記ファイバブラッググレーティングの格子定数は前記入力光の波長と前記コアの屈折率との比と一致し、
前記入力ステップでは、前記入力光を前記伝搬軸に平行な方向に分散し、
前記伝搬軸に平行な方向において、前記ファイバブラッググレーティングの前記格子定数の分布は、分散された前記入力光の波長の分布に対応する、
光結合方法。