JP5958934B2 - ナノファイバーフォトニック結晶 - Google Patents

Description

本発明は、数ミクロンオーダーからサブミクロンオーダーの範囲の径を有する光ファイバー（以下、ナノ光ファイバーという）を用いて構成されたフォトニック結晶に関する。

従来、屈折率が周期的に変化するナノサイズの構造体（以下、ナノ構造体という）を設けて所定の機能を発現させるフォトニック結晶が種々提案されている（例えば、非特許文献１、非特許文献２参照）。

非特許文献１には、シリコン基板に、微小穴を形成して構成されたシリコン系フォトニック結晶が記載されている。具体的には、非特許文献１には、シリコン基板に、複数の微小な円孔を一次元に配列して構成したフォトニック結晶ナノビーム共振器が開示されている。

また、非特許文献２には、石英等の誘電体からなるナノ光ファイバーを用いたフォトニック結晶（以下、ナノファイバーフォトニック結晶という）が提案されている。非特許文献２に記載のナノファイバーフォトニック結晶では、その表面にＦＩＢ加工法を用いて、ファイバーブラッググーティング（ＦＢＧ）が形成されている。

P. B. Deotare, M. W. McCutcheon, I. W. Frank, M. Khan, M. Loncar："High quality factor photonic crystal nanobeam cavities", Applied Physics Letters, Vol.94, 121106, 2009 K. P. Nayak, Fam Le Kien, Y.Kawai, K.Hakuta, K. Nakajima, H. T. Miyazaki, Y. Sugimoto："Cavity formation on an optical nanofiber using focused ion beam milling technique", OPTICS EXPRESS, Vol.19, pp.14040-14050, 2011

上述のように、従来、種々のフォトニック結晶が提案されているが、特に、ナノファイバーフォトニック結晶においては、その製造の容易性及び設計自由度の向上が求められている。本発明は、この要求に応えるためになされたものであり、本発明の目的は、より容易に製造可能であり、かつ、設計自由度も向上させることができるナノファイバーフォトニック結晶を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明のナノファイバーフォトニック結晶は、伝搬光の波長以下の径を有し、伝搬光が近接場光として伝搬する光導波路部を有する光ファイバーと、光ファイバーとは別個に独立して設けられた、光透過性を有する光学的機能部材とを備える。そして、光学的機能部材の表面には、表面の形成材料と同じ材料で形成され且つ表面と一体的に形成された複数の凸部により構成され、隣り合う凸部間に画成される凹部が自由空間となる凹凸構造体が設けられ、光ファイバーは、凹凸構造体上に配置され、かつ、光導波路部に光が伝搬した際に生成される近接場と凹凸構造体の一部とが重なるような位置に配置される。

本発明のナノファイバーフォトニック結晶では、ナノ光ファイバーと、それに所定の光学的機能を付与する光学的機能部材とを互いに別個の部材で構成する。それゆえ、本発明のナノファイバーフォトニック結晶によれば、より容易に製造することができ、かつ、設計自由度も向上させることができる。

本発明の一実施形態に係るナノファイバーフォトニック結晶の概略構成図である。 本発明の一実施形態に係るナノファイバーフォトニック結晶で用いるナノ光ファイバーの概略外観図である。 本発明の一実施形態に係るナノファイバーフォトニック結晶で用いる光学的機能部材の概略外観斜視図である。

以下に、本発明の一実施形態に係るナノファイバーフォトニック結晶の一例を、図面を参照しながら説明する。しかしながら、本発明は、以下に示す例に限定されない。

［ナノファイバーフォトニック結晶の構成］
本発明の一実施形態に係るナノファイバーフォトニック結晶の構成を、図１を参照しながら説明する。図１は、本実施形態のナノファイバーフォトニック結晶の概略構成図である。なお、図１には、後述するナノ光ファイバー１０の極細部１１付近の構成のみを示す。

ナノファイバーフォトニック結晶１は、ナノ光ファイバー１０と、光学的機能部材２０と、基板３０とを備える。なお、本実施形態では、ナノファイバーフォトニック結晶１が、ナノファイバー光反射器として作用する例を説明する。以下に、各部の構成及び機能、並びに、各部間の配置関係について説明する。

（１）ナノ光ファイバー
まず、図２を参照しながら、ナノ光ファイバー１０の構成を説明する。なお、図２は、本実施形態で用いたナノ光ファイバー１０の概略外観図である。

ナノ光ファイバー１０は、コア部１４と、コア部１４の周囲に形成されたクラッド部１５とを備える。ナノ光ファイバー１０は、光導波特性の優れた（光子吸収の少ない）、例えば石英等の材料で形成される。なお、図２では、ナノ光ファイバー１０の構成を明確にするために、クラッド部１５（クラッド）の径に対するコア部１４（コア）の径の比率を実際の比率より大きくして図示するが、実際の比率は、コア部１４の径：クラッド部１５の径＝１：１０程度である。

また、ナノ光ファイバー１０は、図２に示すように、極細部１１（光導波路部）と、その両端にそれぞれ設けられた接続部１２と、各接続部１２の極細部１１側とは反対側の端部に設けられた光ファイバー部１３とを備える。このような構成のナノ光ファイバー１０は、従来の通信システムで用いられるコア及びクラッドを有する通信用光ファイバーの一部（極細部１１に対応する領域）を加熱延伸して作製することができる。

なお、ナノ光ファイバー１０において、接続部１２内のコアカットオフの径以下になる領域では、伝搬光に対して光ファイバーのコア部１４とクラッド部１５との区別は実質無くなり、コア部１４のみの状態と同等になる。すなわち、本実施形態のナノ光ファイバー１０の極細部１１は、実質、コア部１４のみの状態となり、極細部１１の周囲の領域（自由空間）がクラッド部の役割を果たす。

極細部１１は、その径が伝搬光の波長程度以下のサイズに設定された光導波路である。それゆえ、極細部１１では、伝搬光は、近接場光として伝搬し、該伝搬光の一部が周囲の領域（自由空間）にしみ出した状態で伝搬する。すなわち、極細部１１に光が伝搬した際には、極細部１１及びその周囲の表面付近には、近接場ｎｆ（図１中の破線）が生成される。

接続部１２は、極細部１１から光ファイバー部１３に向かって延在した光導波路であり、その径は極細部１１から光ファイバー部１３に向かって連続的に大きくなる。すなわち、接続部１２は、その径が極細部１１から光ファイバー部１３に向かってテーパー状に広がる光導波路である。

光ファイバー部１３は、従来の通信用光ファイバーと同様に、コア部１４と、その周囲に設けられたクラッド部１５とで構成される。また、光ファイバー部１３の径も、従来の通信用光ファイバーの径と同様のサイズにすることができる。この場合、光ファイバー部１３は、外部の光ファイバー網（情報通信網）に、直接、接続することができる。それゆえ、本実施形態で作製されたナノファイバーフォトニック結晶１では、極細部１１を伝搬する光を、光ファイバーの伝搬モード（ファイバーモード）で、直接、外部の光ファイバー網（情報通信網）に射出することができる。

なお、ナノ光ファイバー１０の構成は、図２に示す構成に限定されず、例えば、クラッド部１５の周囲に、加工性に優れた例えばポリマー等の材料からなるコーティング層を形成してもよい。この場合には、例えば、ナノ光ファイバー１０に微小な凹凸パターン（例えばＦＢＧや微小凹部等）を形成することが容易になる。

（２）光学的機能部材２０
次に、図３を参照しながら、光学的機能部材２０の構成を説明する。なお、図３は、本実施形態で用いた光学的機能部材２０の概略外観斜視図である。

光学的機能部材２０は、例えば、石英、ポリマー等の光透過性材料で形成された板状部材である。光学的機能部材２０は、略板状の本体部２１と、該本体部２１の一方の表面上に形成された、第１グレーティング部２２及び第２グレーティング部２３（凹凸構造体）とを備える。

なお、本実施形態では、第１グレーティング部２２及び第２グレーティング部２３間の対向方向（光Ｌの伝搬方向：図３中の太実線矢印）に沿って、第１グレーティング部２２及び第２グレーティング部２３を１次元的に配置し、かつ、両者を所定距離、離して配置する。また、この際、各グレーティング部（グレーティング）を構成する複数の凸部の周期方向（凸部の延在方向と直交する方向）が、光Ｌの伝搬方向と一致するように、各グレーティング部を配置する。

さらに、本実施形態では、第１グレーティング部２２の構成は、第２グレーティング部２３の構成と同じとする。また、各グレーティング部は、第１グレーティング部２２及び第２グレーティング部２３間の対向方向と直交する方向に延在した複数の凸部を、例えば、数十ｎｍ〜数百ｎｍ程度のピッチで等間隔に配置することにより構成される。

なお、各グレーティング部の構成（例えば、グレーティングの幅、深さ、ピッチ等）は、例えば、極細部１１を伝搬する光の波長や反射すべき波長帯域などに応じて適宜設定される。例えば、本実施形態のように、ナノファイバーフォトニック結晶１を、ナノファイバー光反射器として動作させる場合には、各グレーティング部の構成は、伝搬光に対してブラッグの反射条件が満たされるように設定することができる。

また、本実施形態では、本体部２１と、第１グレーティング部２２及び第２グレーティング部２３とを同じ材料（光透過性材料）で一体的に形成する。この場合、通常、第１グレーティング部２２及び第２グレーティング部２３は、本体部２１の一方の表面を加工して作製されるので、光学的機能部材２０の形成材料としては、例えば、ポリマー等の加工性に優れた光透過性材料を用いることが好ましい。また、この場合、各グレーティング部の形成手法としては、例えば、ＦＩＢ加工法、フォトエッチング法、ナノインプリント法等の従来の半導体加工技術で用いられる手法を用いることができる。

なお、光学的機能部材２０の構成は、本実施形態の構成（図１〜３の構成）に限定されず、例えば用途等に応じて、適宜変更することができる。例えば、本実施形態では、光学的機能部材２０にグレーティング構造の凹凸パターンを形成する例を説明したが、本発明はこれに限定されず、例えば用途等に応じて、任意の凹凸パターンのナノ構造体を形成してもよい。この場合、光学的機能部材２０に形成されるナノ構造体の凹凸パターンに応じて、ナノ光ファイバー１０の延在方向の配置方向も適宜変更する。

また、例えば、本実施形態では、グレーティング部を２個設ける例を説明したが、本発明はこれに限定されず、例えば用途等に応じて、グレーティング部の個数を任意に変更することができる。また、例えば、上記実施形態では、本体部２１の一方の面内において、複数のグレーティング部（凹凸パターン部）を光Ｌの伝搬方向に沿って１次元的に配置する例を説明したが、用途等に応じて、本体部２１の一方の面内において、光Ｌの伝搬方向に直交する方向に沿って、複数のグレーティング部を配置してもよい。さらに、本実施形態では、例えば用途等に応じて、複数のグレーティング部を、光Ｌの伝搬方向、及び、その直交方向の両方に沿って配置してもよい。すなわち、本体部２１の一方の面内において、複数のグレーティング部（凹凸パターン部）を、２次元的に配置してもよい。

さらに、本実施形態では、第１グレーティング部２２の構成（形状、寸法等）を、第２グレーティング部２３の構成と同じとしたが、両者の構成を互いに異ならせてもよい。また、光学的機能部材２０の本体部２１の形成材料が、第１グレーティング部２２及び第２グレーティング部２３の形成材料と異なっていてもよい。

（３）基板３０
基板３０は、光学的機能部材２０を保持する部材であり、十分な剛性を有する基板であれば、任意の基板で構成することができる。また、基板３０の形成材料は、光透過性材料であってもよいし、不透明材料であってもよい。

例えば、本実施形態において、基板３０を熱伝導性の良い材料で構成すれば、基板３０に温調装置を取り付けることにより、各グレーティング部（光学的機能部材２０）の熱膨張特性を利用して、各グレーティング部の凸部のピッチ（グレーティングピッチ）を、常に、最適なピッチに制御することができる。この場合、グレーティング部（光学的機能部材２０）の形成材料としては、例えば、熱膨張率の大きなポリマー材料を用いることが好適である。

なお、基板３０の主な機能は、上述のように、光学的機能部材２０を保持することであるので、光学的機能部材２０が十分な剛性を有する場合には、基板３０を設けなくてもよい。

（４）各部の配置
本実施形態のナノファイバーフォトニック結晶１では、図１に示すように、光学的機能部材２０が基板３０上に設けられる。この際、光学的機能部材２０は、第１グレーティング部２２及び第２グレーティング部２３が形成された面と反対側の面が、基板３０と接するように配置される。

ナノ光ファイバー１０は、光学的機能部材２０の第１グレーティング部２２及び第２グレーティング部２３が形成された面上に配置される。この際、ナノ光ファイバー１０の延在方向（光Ｌの伝搬方向）と、各グレーティング部の凸部の延在方向とが、互いに直交するように、ナノ光ファイバー１０が配置される。

また、本実施形態では、ナノ光ファイバー１０の極細部１１は、第１グレーティング部２２及び第２グレーティング部２３の形成領域上に配置される。この際、極細部１１に光を伝搬させたときに極細部１１及びその周囲に生成される近接場ｎｆが、第１グレーティング部２２及び第２グレーティング部２３の凸部の上端を含む一部と重なるように、ナノ光ファイバー１０及び光学的機能部材２０間の距離が設定される。なお、ナノ光ファイバー１０の極細部１１は、第１グレーティング部２２及び第２グレーティング部２３に接触していてもよいし、離れていてもよい。

［ナノファイバーフォトニック結晶の動作］
次に、本実施形態のナノファイバーフォトニック結晶１の動作を、図１を参照しながら説明する。まず、図１に示すように、ナノファイバーフォトニック結晶１の一方の端部から光Ｌを入射する。これにより、ナノ光ファイバー１０の極細部１１には、伝搬光（近接場光）の一部が周囲の領域（自由空間）にしみ出した状態で、光が伝搬する（近接場ｎｆが生成される）。

しかしながら、本実施形態のナノファイバーフォトニック結晶１では、上述のように、極細部１１の領域に生成される近接場ｎｆが、第１グレーティング部２２及び第２グレーティング部２３の凸部の一部と重なるように、ナノ光ファイバー１０の極細部１１が第１グレーティング部２２及び第２グレーティング部２３の形成領域上に配置されている。それゆえ、極細部１１を伝搬する光（近接場光）は、各グレーティング部の形成領域において、周期的に変化する屈折率の影響を受け、光の一部が各グレーティング部で反射する（図１中の反射光Ｌ１及びＬ２）。本実施形態では、このようにして、ナノファイバーフォトニック結晶１がナノファイバー光共振器として動作する。

［各種効果］
上述のように、本実施形態のナノファイバーフォトニック結晶１では、ナノ光ファイバー１０に対して所定の光学的機能（本実施形態では光の反射機能）を付加するための光学的機能部材２０を、ナノ光ファイバー１０とは別部材として作製する。この場合、上述のように、光学的機能部材２０の作製手法として、従来の半導体加工技術で確立されている凹凸パターン形成手法を用いることができる。それゆえ、本実施形態では、ナノ光ファイバーに直接、凹凸構造体（ナノ構造体）を形成してナノファイバーフォトニック結晶を作製する従来の手法（例えば非特許文献２の手法）に比べて、容易にナノファイバーフォトニック結晶１を作製することができる。

また、本実施形態では、ナノ光ファイバー１０と光学的機能部材２０とを別個に独立して設計することができるので、設計の自由度が向上する。さらに、本実施形態では、ナノ光ファイバー１０と光学的機能部材２０とを別個に作製するので、ナノ光ファイバー１０及び光学的機能部材２０間の相対的な位置制御や、一つのナノファイバーフォトニック結晶１において種々の凹凸構造体（ナノ構造体）を設けることなどが可能になり、機能面での設計自由度も向上する。

以上のことから明らかなように、本実施形態では、ナノファイバーフォトニック結晶１をより容易に製造することができ、かつ、ナノファイバーフォトニック結晶１の設計自由度も向上させることができる。

なお、本実施形態では、光学的機能部材２０にのみ屈折率が所定パターンで変化するナノ構造体を設ける例を説明したが、本発明はこれに限定されず、光学的機能部材２０だけでなく、ナノ光ファイバー１０にもナノ構造体を設けてもよい。例えば、ナノ光ファイバー１０の極細部１１に、微小凹部、又は、複数の微小凹部からなる一次元の微小凹部列を設けてもよい。この場合には、例えば量子発光体（量子ドット）を含む物質、バイオ関連物質、非線形光学物質等の所定の物質を微小凹部に充填することができ、後述のように様々な用途への応用が可能になる。

［応用例］
ここで、本発明のナノファイバーフォトニック結晶の各種応用例について説明する。上記実施形態のナノファイバーフォトニック結晶１（図１参照）において、第１グレーティング部２２及び第２グレーティング部２３間のナノ光ファイバー１０の極細部１１の領域に、量子発光体（量子ドット）を含む物質を添加した場合には、ファイバーモード（ファイバーインライン）単一光子発生素子（ナノ光ファイバー共振器）を実現することができる。この場合、ナノファイバーフォトニック結晶から高効率で単一光子を光ファイバーの導波モードで取り出すことができる。なお、「量子発光体」とは、エネルギー準位が離散的な状態となり、単一励起が可能となる状態に置かれた（すなわち、量子的な特性を有する）、例えば、原子、分子、量子ドット（人工原子）等のナノメートルサイズの発光体のことである。

また、上記実施形態のナノファイバーフォトニック結晶１において、ナノ光ファイバー１０の極細部１１上に、バイオ関連物質を塗布した（付着させた）場合には、バイオセンサーを実現することができる。この場合、バイオ関連物質における光学的な変化（例えば、光増強変化や屈折率変化など）を高感度（分子単位）で検出することができる。

さらに、上記実施形態のナノファイバーフォトニック結晶１において、各グレーティング部でＦＢＧを構成した場合には、ナノファイバーフォトニック結晶１を高感度の温度センサとして用いることができる。また、上記実施形態のナノファイバーフォトニック結晶１において、第１グレーティング部２２の構成（グレーティングパターン）を第２グレーティング部２３のそれと異なるようにすることにより、ナノ光ファイバー回路の実現も可能になる。

なお、上述のように、ナノ光ファイバー１０の極細部１１に、複数の微小凹部からなる微小凹部列を設けて、複数の微小凹部の少なくとも一つに量子発光体（量子ドット）を含む物質を充填（添加）した場合にも、ファイバーモード単一光子発生素子を実現することができる。また、複数の微小凹部の少なくとも一つにバイオ関連物質を充填した場合にも、バイオセンサーを実現することができる。

さらに、複数の微小凹部の少なくとも一つに非線形光学物質を充填した場合には、ファイバーインライン非線形光子素子を実現することができる。この場合、ナノファイバーフォトニック結晶は、伝搬光に対して例えば変調作用、位相調整作用、光のスイッチング作用等の各種非線形作用（効果）を発現させることができる。

なお、このような伝搬光に対する非線形効果は、光導波路の断面の面積が小さくなるほど大きくなる。例えば、ナノ光ファイバーの極細部の径は、従来の光通信用ファイバーのそれの数十分の１程度であるので、ナノ光ファイバーの極細部における非線形効果は、従来の光通信用ファイバーのそれの数百倍になる。それゆえ、ナノ光ファイバー１０の極細部１１に設けられた複数の微小凹部の少なくとも一つに非線形光学物質を充填した場合には、非常に高い非線形効果を有するファイバーインライン非線形光子素子を実現することができる。

１…ナノファイバーフォトニック結晶、１０…ナノ光ファイバー、１１…極細部、１２…接続部、１３…光ファイバー部、２０…光学的機能部材、２１…本体部、２２…第１グレーティング部、２３…第２グレーティング部、３０…基板

Claims (6)

1. 伝搬光の波長以下の径を有し、伝搬光が近接場光として伝搬する光導波路部を有する光ファイバーと、
   前記光ファイバーとは別個に独立して設けられた、光透過性を有する光学的機能部材と、を備え、
   前記光学的機能部材の表面には、該表面の形成材料と同じ材料で形成され且つ該表面と一体的に形成された複数の凸部により構成され、隣り合う凸部間に画成される凹部が自由空間となる凹凸構造体が設けられ、
   前記光ファイバーは、前記凹凸構造体上に配置され、かつ、前記光導波路部に光が伝搬した際に生成される近接場と前記凹凸構造体の一部とが重なるような位置に配置される
   ナノファイバーフォトニック結晶。
2. 前記凹凸構造体が、所定周期のグレーティングであり、
   前記グレーティングを構成する凸部の延在方向が、前記光導波路部の延在方向と直交する
   請求項１に記載のナノファイバーフォトニック結晶。
3. 前記凹凸構造体が、石英又はポリマーで形成されている
   請求項１又は２に記載のナノファイバーフォトニック結晶。
4. 前記光ファイバーが、コア及びクラッドを含む光ファイバー部と、前記光導波路部及び前記光ファイバー部間を接続し、径が前記光導波路部から前記光ファイバー部に向かって連続的に大きくなる接続部とを有する
   請求項１〜３のいずれか一項に記載のナノファイバーフォトニック結晶。
5. 前記光ファイバーが、前記光導波路部の表面にポリマーで形成されたコーティング層を有する
   請求項１〜４のいずれか一項に記載のナノファイバーフォトニック結晶。
6. 前記凹凸構造体の凸部のピッチを制御する温調装置を更に備える
   請求項１〜５のいずれか一項に記載のナノファイバーフォトニック結晶。

Images