(57)【要約】【課題】テーパ光ファイバの比較的細いテーパ部に光を閉じ込めて光密度を高めて、さらにこのテーパ部において光干渉効果を誘起させ、様々な機能を発現させる。【解決手段】ファイバの一部の直径が、長手方向に沿って変化するテーパ部を有するテーパ光ファイバにおいて、前記テーパ部が、光の干渉効果を誘起するように、光の伝搬方向に沿って周期的に屈折率が変調されている、テーパ光ファイバを提供する。好ましくは、前記テーパ部の形状は、光の干渉効果を誘起する周期的な構造を有する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ファイバの一部の直径が、長手方向に沿って変化するテーパ部を有するテーパ光ファイバにおいて、
前記テーパ部が、光の干渉効果を誘起するように、光の伝搬方向に沿って周期的に屈折率が変調されている、テーパ光ファイバ。
【請求項２】
前記テーパ部の形状が、光の干渉効果を誘起する周期的な構造を有する、請求項１に記載のテーパ光ファイバ。
【請求項３】
前記テーパ部の片側または両側に、テーパ部に連続するコアとクラッドを含む光ファイバを有する、請求項１に記載のテーパ光ファイバ。
【請求項４】
前記テーパ部の直径が、５μｍ未満である、請求項１に記載のテーパ光ファイバ。
【請求項５】
前記テーパ部の直径が、前記光ファイバを伝搬する光の波長と同程度かそれ以下である、請求項１に記載のテーパ光ファイバ。
【請求項６】
前記テーパ光ファイバの材質はガラスである、請求項１に記載のテーパ光ファイバ。
【請求項７】
前記周期的な構造が、ファイバの延伸方向に沿って、一定間隔毎にテーパ部の周囲に設けられた畝状の凹凸である、請求項２に記載のテーパ光ファイバ。
【請求項８】
前記周期的な構造が、特定範囲の波長を反射する反射鏡として作用する、請求項２に記載のテーパ光ファイバ。
【請求項９】
前記周期的な構造が、特定範囲の波長を透過し、かつ他の特定範囲の波長の光を反射する周波数フィルターとして作用する、請求項２に記載のテーパ光ファイバ。
【請求項１０】
前記周期的な構造中に欠陥部を有し、
前記欠陥部において、特定範囲の波長の光の密度を高めることができる、請求項２に記載のテーパ光ファイバ。
【請求項１１】
請求項１０に記載のテーパ光ファイバと、前記欠陥部の近傍に設けられたレーザ媒質とを有する、レーザ発振器。
【請求項１２】
請求項２に記載のテーパ光ファイバを製造する方法であって、
コアおよびクラッドを有する光ファイバを用意するステップと、
前記光ファイバの一部を加熱溶融して、かつ引き延ばしてテーパ部を形成するステップと、
前記テーパ部の形状を加工して、周期構造を形成するステップと、を含む製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はテーパ光ファイバに、より具体的には、テーパ部の屈折率が周期的に変調されているテーパ光ファイバに関する。
【背景技術】
【０００２】
通常の光ファイバは、一般的に１００μｍ以上の直径を有し、かつ同心円状に配置されたコアとクラッドを有する。コアとクラッドのそれぞれに、屈折率の異なる材料（例えばガラス）を用いる。それにより、コアへの光閉じこめを実現している。
【０００３】
一方、テーパ光ファイバとは、光ファイバの一部を加熱溶融して引き延ばすことにより、その直径を小さくした（細くした）光ファイバである。細くされた部分を「テーパ部」と称する。通常の光ファイバ部からテーパ部にいたる形状を適切に制御することで、通常の光ファイバ部に入射された光のほぼ１００％が、テーパ部に導波されうる。
【０００４】
テーパ光ファイバのテーパ部の直径を、１μｍ以下とすることもでき、加熱時間や延伸速度を調整することでテーパ部の直径を４００ｎｍ程度としたテーパ光ファイバも報告されている（非特許文献１および２）。ある一定以下の直径（例えば１μｍ以下の直径）のテーパ部では、コアとクラッドとが明確には区別されず、伝搬する光はテーパ部を構成する材料（例えばガラス）と、外気との屈折率差によって、テーパ部に閉じ込められる。したがってテーパ部には、光ファイバに入力された光の全てを、光の回折限界に近い断面積に閉じこめることもでき、非常に大きな光密度とすることもできる。
【０００５】
さらに、ある一定以下の直径のテーパ部を導波する光は、テーパ部の表面から外部（空気部）にエバネッセント波としてしみ出しながら伝搬する。このテーパ部表面でのエバネッセント波の強度は非常に大きく、条件によって最大強度の数十パーセントの強度にも達する。
【０００６】
上記のような特徴を活かして、テーパ光ファイバの応用研究が行われている。例えば、センサーとしての応用が試みられている。すなわちテーパ光ファイバのテーパ部に、標的となる分子が吸着することで、発光が異なるようなセンシング分子を付着させた場合、そのテーパ部での大きな光パワー密度により、微量の標的分子を高い感度で検出することができる（非特許文献３を参照）。また、テーパ部の代わりにテーパ部と結合した微小球共振器にセンシング分子を結合させても、標的分子を検出することができる（非特許文献４を参照）。
【０００７】
さらに、テーパ光ファイバのテーパ部に、ファイバーブラッググレーティング（ＦＢＧ）により回折格子を形成する技術が知られている（非特許文献５などを参照）。具体的には、テーパ光ファイバのテーパ部（直径３０μｍまたは５０μｍ）に、近赤外光を照射してコア−クラッドの屈折率を変調させていることが報告されている。しかし、テーパ部の直径が、波長に比べて１０倍以上大きいため、表面でのエバネッセント波の強度は小さい。
【０００８】
一方で、光ファイバではなく、半導体導波路（channel waveguide）に、ブラッググレーティング構造を付与する技術が知られている（非特許文献６などを参照）。具体的には、Ｇｅ−ＳｉＯ２フィルムにレーザを照射して、マイクロメートルオーダーの半導体導波路を形成し、さらにその半導体導波路にブラッググレーティング構造を形成している。しかしながら、テーパ光ファイバのテーパ部とは異なり、半導体導波路に光を入力するのは一般的に困難である。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】H. Konishi, H. Fujiwara, S. Takeuchiand K. Sasaki, "Polarization-discriminated spectra of a fiber-microsphere system", Applied Physics Letters, Vol.89 (2006), No.12, pp.121107/1-3.
【非特許文献２】浅井健志、小西秀典、高島秀聡、藤原英樹、竹内繁樹、笹木敬司、「テーパファイバ結合微小球共振器の共鳴モードにおける光位相シフト」、第１７回量子情報技術研究会
【非特許文献３】J.M. Corres, J. Bravo, I.R. Matias and F.J. Arregui, "Tapered Optical Fiber Biosensor for the Detection of Anti-Gliadin Antibodies", Sensors, 2007 IEEE (28-31 Oct. 2007), pp.608-611.
【非特許文献４】Frank Vollmer, Stephen Arnold, "Whispering-gallery-mode biosensing: label-free detection down to single molecules", Nature Methods, Vol.5 (2008), No.7, pp.591-596.
【非特許文献５】D. Grobnic, S.J. Mihailov, Huimin Ding and C.W. Smelser, "Bragg Grating Evanescent Field Sensor Made in BiconicalTapered Fiber With Femtosecond IR Radiation", IEEE Photonics Technology Letters, Vol.18 (2006), No.1, pp.160-162.
【非特許文献６】J. Nishii, K. Kintaka, Y. Kawamoto and M. Takahashi, "Optical waveguide filter fabricated by excimerlaser irradiation", RIKEN Review, No.50 (2003), pp.38-41.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
前記の通りテーパ光ファイバは、比較的細いテーパ部に光を閉じ込めて、光密度を高めることができる。このテーパ部において光干渉効果を誘起すれば、様々な機能が発現できる。つまり、光反射鏡として作用したり、周波数フィルターとして作用したり、共振器として作用したりする。
【００１１】
さらに、テーパ部の直径を小さくするほど（細くするほど）、光密度をより高めることができ、テーパ部表面に強いエバネッセント波を発生させることもできる。この光密度をさらに高めたり、エバネッセント波の強度をさらに高めたりすることができれば、テーパ光ファイバの実用化が広がることが予想され、例えばセンサーとして用いたときに、高感度化を実現することができる。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、テーパ光ファイバのテーパ部の屈折率を、光の伝搬方向に沿って、周期的に変調させれば、光干渉効果を誘起させて種々の機能を発現させることができる、という知見に着目してなされた。例えば、従来のテーパ光ファイバは、光をテーパ部の断面方向にのみ閉じ込めているが；これに対して本発明者は、光の伝搬方向にも光を閉じ込めて、テーパ部での光密度をさらに高めることを検討した。
【００１３】
その結果、テーパ部を特異な形状としたり、テーパ部にＦＢＧ技術を用いて屈折率を変調させたりすれば、テーパ部で光干渉効果、例えばブラッグ反射が生じて、様々な機能を発現させることができることがわかった。
【００１４】
すなわち本発明の第一は、以下に示すテーパ光ファイバに関する。
［１］ファイバの一部の直径が、長手方向に沿って変化するテーパ部を有する光ファイバにおいて、前記テーパ部が、光の干渉効果を誘起するように、光の伝搬方向に沿って周期的に屈折率が変調されている、テーパ光ファイバ。
［２］前記テーパ部の形状が、光の干渉効果を誘起する周期的な構造を有する、［１］に記載のテーパ光ファイバ。
［３］前記テーパ部の片側または両側に、テーパ部に連続するコアとクラッドを含む光ファイバを有する、［１］または［２］に記載のテーパ光ファイバ。
［４］前記テーパ部の直径が、５μｍ未満である、［１］〜［３］のいずれかに記載のテーパ光ファイバ。
［５］前記テーパ部の直径が、前記光ファイバを伝搬する光の波長と同程度かそれ以下である、［１］〜［４］のいずれかに記載のテーパ光ファイバ。
［６］前記テーパ光ファイバの材質はガラスである、［１］〜［５］のいずれかに記載のテーパ光ファイバ。
［７］前記周期的な構造が、ファイバの延伸方向に沿って、一定間隔毎にテーパ部の周囲に設けられた畝状の凹凸である、［２］に記載のテーパ光ファイバ。
［８］前記周期的な構造が、特定範囲の波長を反射する反射鏡として作用する、［２］に記載のテーパ光ファイバ。
［９］前記周期的な構造が、特定範囲の波長を透過し、かつ他の特定範囲の波長の光を反射する周波数フィルターとして作用する、［２］に記載のテーパ光ファイバ。
［１０］前記周期的な構造中に欠陥部を有し、前記欠陥部において、特定範囲の波長の光の密度を高めることができる、［２］に記載のテーパ光ファイバ。
［１１］［１０］に記載のテーパ光ファイバと、前記欠陥部の近傍に設けられたレーザ媒質とを有する、レーザ発振器。
【００１５】
本発明の第２は、以下に示すテーパ光ファイバの製造方法に関する。
［１２］［２］に記載のテーパ光ファイバを製造する方法であって：コアおよびクラッドを有する光ファイバを用意するステップと；前記光ファイバの一部を加熱溶融して、かつ引き延ばしてテーパ部を形成するステップと；前記テーパ部の形状を加工して、周期構造を形成するステップと、を含む製造方法。
【発明の効果】
【００１６】
本発明のテーパ光ファイバは、テーパ部で光干渉効果が誘起されるので、様々な機能が発現する。例えば、光ファイバを伝搬する特定波長の光を反射する反射鏡となったり、特定波長の光だけを透過させる周波数フィルターになったり、共振器となったりする。
【００１７】
さらに、本発明のテーパ光ファイバは、従来のテーパ光ファイバと比較して、テーパ部での光密度を桁違いに高めることができる。しかも、テーパ部は外部に露出しているので、テーパ部表面での強力なエバネッセント波を利用して、種々の応用が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】通常のテーパ光ファイバの模式図である。
【図２】実施例１〜３のシミュレーションターゲットとした、テーパ光ファイバのテーパ部を示す図である。図２Ａは断面図、図２Ｂは斜視図である。
【図３】テーパ光ファイバのテーパ部の周期構造に欠陥部Ｘを導入した例を示す図である。
【図４Ａ】周期構造が形成されていないテーパ部をシミュレーションターゲットとして、透過率および反射率を計算した結果を示すグラフである。
【図４Ｂ】周期構造が形成されているテーパ部をシミュレーションターゲットとして、透過率および反射率を計算した結果を示すグラフである（ｈ＝５０ｎｍ）。
【図４Ｃ】周期構造が形成されているテーパ部をシミュレーションターゲットとして、透過率および反射率を計算した結果を示すグラフである（ｈ＝６０ｎｍ）。
【図４Ｄ】周期構造が形成されているテーパ部をシミュレーションターゲットとして、透過率および反射率を計算した結果を示すグラフである（ｈ＝１００ｎｍ）。
【図５Ａ】周期構造が形成されているテーパ部をシミュレーションターゲットとして、透過率および反射率を計算した結果を示すグラフである（Ｎ＝３００，Ｌ＝０.１８ｍｍ）。
【図５Ｂ】周期構造が形成されているテーパ部をシミュレーションターゲットとして、透過率および反射率を計算した結果を示すグラフである（Ｎ＝５００，Ｌ＝０.３ｍｍ）。
【図５Ｃ】周期構造が形成されているテーパ部をシミュレーションターゲットとして、透過率および反射率を計算した結果を示すグラフである（Ｎ＝１０００，Ｌ＝０.６ｍｍ）。
【図６】周期構造が形成されているテーパ部をシミュレーションターゲットとして、透過率および反射率を計算した結果を示すグラフである（ｄ＝１.０μｍ）。
【図７】周期構造が形成されているテーパ部をシミュレーションターゲットとして、モードＡ１の空間分布を計算した結果を示す図である（ｄ＝１.０μｍ）。
【図８】周期構造が形成されているテーパ部をシミュレーションターゲットとして、透過率および反射率を計算した結果を示すグラフである（ｄ＝２.０μｍ）。
【図９】周期構造が形成されているテーパ部をシミュレーションターゲットとして、モードＢ１〜Ｂ３の空間分布を計算した結果を示す図である（ｄ＝２.０μｍ）。
【図１０】周期構造が形成されているテーパ部をシミュレーションターゲットとして、透過率および反射率を計算した結果を示すグラフである（ｄ＝５.０μｍ）。
【図１１】周期構造が形成されているテーパ部をシミュレーションターゲットとして、モードＣ１〜Ｃ７の空間分布を計算した結果を示す図である（ｄ＝５.０μｍ）。
【図１２】周期構造が形成されているテーパ部をシミュレーションターゲットとして、透過率を計算した結果を示すグラフである（ｄ＝５.０μｍ，ｈ＝１００ｎｍ）。
【図１３】図１３Ａは、実施例４，５のシミュレーションターゲットとした、テーパ光ファイバのテーパ部を示す図（断面図）であり；図１３Ｂは、図１３Ａに示されたテーパ部をシミュレーションターゲットとして、透過率および反射率を計算した結果を示すグラフである。
【図１４】周期構造が形成されているテーパ部をシミュレーションターゲットとして、透過率および反射率を計算した結果を示すグラフである（ｄ＝１.０μｍ，Ｇ＝９００ｎｍ）。
【図１５】周期構造が形成されているテーパ部をシミュレーションターゲットとして、透過率および反射率を計算した結果を示すグラフである（ｄ＝２.０μｍ，Ｇ＝９００ｎｍ）。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
１．本発明のテーパ光ファイバ
本発明のテーパ光ファイバは、テーパ部Ａを有し、さらに光入射部Ｂまたは光出射部Ｂ’を有する（図１参照）。光入射部Ｂまたは光出射部Ｂ’は、両方あってもよいし、一方だけであってもよい。テーパ部Ａは、光入射部Ｂおよび光出射部Ｂ’よりも、その直径が小さいことを特徴する。本発明のテーパ光ファイバの材質は特に制限されないが、一般的には無機物であり、例えばガラスである。
【００２０】
前記の通り、本発明のテーパ光ファイバのテーパ部Ａの直径は、他の部分（光入射部Ｂや光出射部Ｂ’を含む）よりも小さければよい。光の干渉効果を誘起させる観点からは、テーパ部Ａの直径は、５μｍ未満が好ましい（実施例３参照）。テーパ部Ａの直径が、伝搬させる光の波長よりも大きければ、当該光はマルチモードで伝搬し；伝搬させる光の波長と同程度であるか、またはそれより小さければ、当該光はシングルモードで伝搬する。
【００２１】
テーパ部Ａの直径が、光ファイバに伝搬させる光の波長よりも短いと、テーパ部表面におけるエバネッセント波が増強される。例えば、光ファイバに１μｍの波長を有する光を伝搬させる場合には、テーパ光ファイバのテーパ部の直径を約１μｍか、それ以下とすることにより、テーパ部でのエバネッセント波が増強される。さらに、青色レーザ光を伝搬させる場合には、テーパ部の直径を約３５０ｎｍ以下にすれば、テーパ部でのエバネッセント波が増強される。
【００２２】
テーパ部Ａの直径を、伝搬させる光の波長よりも小さくすることにより、テーパ部の表面に、強力なエバネッセント波１が形成されうる。エバネッセント波とは、通常、テーパ部の表面から１波長程度はみだしている電磁場をいう。
【００２３】
テーパ部Ａの導波方向の長さは特に限定されないが、数ｍｍとすることも可能である。テーパ部の長さを長くすれば、強力なエバネッセント波が広い領域に形成され、テーパ部の表面に形成されるエバネッセント波を利用しやすくなる。また後述するように、本発明のテーパ光ファイバのテーパ部は、その形状を加工されているので、テーパ部の導波方向の長さを比較的長くして加工容易性を高めることが好ましい。
【００２４】
本発明のテーパ光ファイバのテーパ部は、伝搬する光の干渉効果を誘起することが好ましい。光の干渉効果を誘起するとは、特定の光を反射させること、特定の光だけを透過させること、光を閉じ込めること、などの意味を含む。より具体的には、ファイバを伝搬する光をブラッグ反射させたり、ブラッグ反射によって欠陥部に光を閉じ込めたりすることを含む。
【００２５】
光の干渉効果を誘起するテーパ部とするには、例えばＦＢＧ技術を参照して、テーパ部に光（例えば紫外光）を照射して、テーパ部の屈折率を光伝搬方向に沿って周期的に変調させればよい。光照射によりテーパ部の屈折率を変調させるには、テーパ部のガラス材料を例えばＧｅＯ２添加石英ガラスとすればよい。さらに、光ファイバに水素を高圧充填する処理により、１０−３程度の屈折率変調を得ることができる。
【００２６】
さらには、テーパ部の形状は、伝搬する光の干渉効果を誘起させるような周期的な構造を有していることが好ましく；より具体的には、ブラッグ反射を起こさせるような周期構造を有していることが好ましい。ブラッグ反射させるような形状とは、例えば、光の伝搬方向に関する周期的な構造である。光の伝搬方向に関する周期的な構造とは、伝搬方向に、一定周期毎に、テーパ部の周囲に設けられた畝状の凹凸などでありうる。
【００２７】
テーパ部の形状を伝播方向に沿って周期的な構造とすることで、単に非特許文献５にあるような近赤外光照射や、一般にファイバブラッググレーティングの形成で行われるＧｅＯ２添加石英ガラスへの紫外線照射などにより、ガラス材料の屈折率を変調した場合と比較すると、光の干渉効果を著しく効率的に生じさせることができることがシミュレーションにより明らかになった。
【００２８】
たとえば、同等の反射率や、共振器効果を得るのに必要な繰り返し数を、１０分の１以下にすることができる。これは、同等のデバイスサイズでは、より高い反射率や共振器効果を得られるとともに、デバイスの小型化、安定化するために非常に重要である。その理由は、ガラス材料の屈折率を、光照射で変調した場合には、せいぜい１０−３程度の屈折率差しか得られないのに対して、テーパ部の形状を伝搬方向に沿って周期的な構造とした場合、その凸部と凹部で、１０−２程度の実効的な屈折率差が得られるためである。
【００２９】
したがって、テーパ部の形状を伝播方向に沿って周期的な構造とすることで、一般的に行われている手法でテーパ部の屈折率を伝搬方向に沿って変調させるよりも、より大きな光共振効果を得ることができるという利点がある。
【００３０】
周期構造の例には、図２Ａ（断面図）および図２Ｂ（斜視図）に示されるように、一定周期毎に、テーパ部の周囲を囲むように形成された凹凸Ｐが含まれる。図２Ａおよび図２Ｂにおけるｄは、テーパ部の直径である。前述の通り、テーパ部の直径ｄは、テーパ部以外のテーパ光ファイバの直径よりも小さければよいが、５μｍ未満が好ましく、２μｍ以下が特に好ましい。テーパ部の直径ｄが５μｍ以上の場合、テーパ部表面の周期的構造の効果をほとんど発揮させることができない（実施例参照）。一方、テーパ部の直径ｄが２μｍ超かつ５μｍ未満の場合、テーパ部表面の周期的構造の効果を発揮させることはできるものの、マルチモード伝播におけるモード変換などの予測しにくい効果が現れるおそれがある。前述の通り、テーパ部の直径ｄは、伝搬させる光の波長よりも短くてもよい。
【００３１】
周期構造のインターバル（例えば、図２におけるΛ）を調整することにより、反射させる光の波長を制御することができる。Λを小さくすると、波長が短い光をブラッグ反射させることができ；Λを大きくすると、波長が長い光をブラッグ反射させることができる。
【００３２】
周期構造の繰り返し数Ｎと、凹凸Ｐの大きさ（例えば図２における高さｈ）を調整することにより、光の反射率を制御することができる。繰り返し数Ｎを大きくしたり、高さｈを大きくすれば、テーパ部でのブラッグ反射による反射率が高まり；繰り返し数Ｎを小さくしたり、高さｈを小さくすれば、テーパ部でのブラッグ反射による反射率が低下する。
【００３３】
ブラッグ反射させるようなテーパ部の周期構造は、図２に示される形状に限定されるわけではなく、例えば、凹凸Ｐがテーパ部の全周を囲まず、周囲の一部だけに形成されていてもよい。
【００３４】
さらに、テーパ部の周期構造には、欠陥部が導入されていてもよい。欠陥部とは、周期構造の周期性が乱れた部位をいう。例えば、図３に示されたテーパ部の周期構造には、図２Ａに示された周期構造に対して、周期的に形成されるべき凹凸Ｐがない部分Ｘがある。この部分Ｘが、欠陥部Ｘとなる。ブラッグ反射によって欠陥部Ｘに光を閉じ込めることができる。つまり、テーパ部のなかでも、特異的に欠陥部Ｘでの光密度を高めることができる。
【００３５】
図１に示されるように、本発明のテーパ光ファイバは、外部から光を入射するための光入射部Ｂ、または外部に光を出射するための光出射部Ｂ’をも有することが好ましい。光入射部Ｂおよび光出射部Ｂ’は、通常の光ファイバと同様に、コアＣおよびクラッドＤを有することが好ましく、その直径も１００μｍ以上とすることができる。光の入射および出射を容易にするためである。
【００３６】
本発明のテーパ光ファイバは、光入射部Ｂまたは光出射部Ｂ’を、いずれか一方だけでも、両方を有していてもよい。例えば、テーパ部を反射鏡として利用する場合には、光入射部Ｂだけを有していればよく、光出射部Ｂ’を有する必要は必ずしもない。
【００３７】
光入射部Ｂおよび光出射部Ｂ’と、テーパ部Ａとは、なだらかな形状で接続していることが好ましい。なだらかな形状とすることで、テーパ部Ａと光入射部Ｂ、およびテーパ部Ａと光出射部Ｂ’との光接続における損失を低減することができる。なだらかな形状とは、例えば、前述の非特許文献１を参照して適宜設定される。
【００３８】
前述の通り、微細な半導体導波路が報告されているが、当該導波路に光を効率的に導くことは困難であった。例えばレンズを介して、微細な半導体導波路に光を導く必要があった。一方で、本発明のテーパ光ファイバは、テーパ部を微細にしたとしても、コア−クラッド構造を有する光入射部Ｂを介して容易に光を導くことができ、かつ光出射部Ｂ’を介して容易に光を取り出すことができる。
【００３９】
本発明のテーパ光ファイバのテーパ部は、外部に露出しており；しかも、テーパ部表面のエバネッセント波を増強することができる。一方、前述の通り、ＦＢＧにより光ファイバのコア−クラッドの屈折率を変調させた場合には、コアの周囲に存在するクラッドによって、増強されたエバネッセント波を利用しにくかった。これに対して、本発明のテーパ光ファイバのテーパ部は、外部に露出しているので、そこに生じるエバネッセント波を容易に利用することができる。よって、増強されたエバネッセント波を、種々の用途に利用することができる。
【００４０】
これらの特徴を活用して、本発明のテーパ光ファイバは種々の用途に用いられうるが、１）センサー、２）レーザ発振器、３）非線形光スイッチ、４）周波数フィルターなどに応用されうる。
【００４１】
例えばセンサーとして用いる場合には、テーパ部、特に好ましくはテーパ部の周期構造に導入された欠陥部に、標的分子が吸着すると異なる発光を生じるセンシング分子を付着させればよい。それにより、微量の標的分子の吸着でもセンシング分子の発光が変化するので、高感度検出が可能となる。また、テーパ部の付近に微小共振器を配置して、微小共振器にセンシング分子を付着してもよい。微小共振器にも、強力なエバネッセント波が生じるからである。
【００４２】
本発明のテーパ光ファイバをレーザ発振器に応用してもよい。特に、テーパ部の周期的な構造に欠陥を設けて、欠陥の近傍にレーザ媒質を配置する。その欠陥に発生する強力なエバネッセント波とレーザ媒質が結合することにより、非常に微小な構造により、レーザを発振することができる。その場合、共振器モード体積が波長λの３乗程度と極めて小さいため、共振器とレーザ媒質は非常に強く結合し、結果として極めて低い閾値と、入出力変換効率を実現可能である。
【００４３】
そのようなレーザ発振器は、光源として用いることはもちろん、その出力や、発信周波数の変化により、テーパ光ファイバのテーパ部周辺の局所的な環境を鋭敏に検出するためのセンサーとしても利用可能である。
【００４４】
また、本発明のテーパ光ファイバを非線形光スイッチに応用する場合には、テーパ部を光スイッチの増幅器に適用することで、応答特性を高めることができる。
【００４５】
さらに、本発明のテーパ光ファイバは、テーパ部の周期構造でのブラッグ反射を利用して、周波数フィルターとして用いてもよい。
【００４６】
本発明のテーパ光ファイバのテーパ部には、光の干渉効果を誘起する部位を２以上有していてもよい。光の干渉効果を誘起する部位のそれぞれに、同一または異なる機能を付与することによって、いくつかの機能を組み合わせて有する新しいデバイスが提供されうる。
【００４７】
例えば、両側に通常のシングルモードファイバ部を有するテーパ光ファイバ部に、レーザのポンプ用光を入力する端から順に、ポンプ光用の光を透過しレーザ発振光を反射する波長フィルター；レーザ発振器；レーザのポンプ用の光を反射しレーザ発振光を透過させる波長フィルター、を組み込むことにより、一方の端からポンプ用の光を入射した場合、他端からはレーザ光のみを取り出すことのできるデバイスを構成可能である。
【００４８】
同様に、プローブ用の光を透過し信号光を反射するフィルターと；プローブ用の光と共鳴する共振器；プローブ光を反射し信号光を透過するフィルター、を一つのテーパ部に設けることで、一方の端からプローブ光を入射した際に、他方の端からは、共振器によって増幅されたプローブ光によって、測定対象から非常に効率的にとりだされた信号光を、プローブ光の影響を排除した状態で抽出することができるデバイスを実現できる。
【００４９】
２．本発明のテーパ光ファイバの製造方法
本発明のテーパ光ファイバは、特に限定されないが、まず、コアとクラッドを有する光ファイバを用意し；その一部を加熱溶融して、かつ引き延ばしてテーパ部を形成し；形成されたテーパ部の形状を、ナノ加工することにより製造されうる。
【００５０】
用意する光ファイバは特に限定されないが、例えばガラス製の光ファイバである。シングルモード用の通信用光ファイバであれば、１００μｍ以上の直径を有しうる。
【００５１】
ガラス製の光ファイバを用意した場合には、その一部を加熱することで溶融し、かつ引き延ばすことによりテーパ部を形成する。テーパ部の形成は、例えば前記の非特許文献２に記載された知見を参照して行うことができる。
【００５２】
テーパ部の形状をナノ加工するには、例えば、
１）集束イオンビーム（ＦＩＢ）法によって、テーパ部をナノスパッタリングすることによって、所望の形状に加工したり、
２）光リソグラフィ法によって、テーパ部を加工してもよい。つまり、テーパ部にレジスト膜を形成し；レジスト膜を光照射によりパターニングして；パターンにしたがってテーパ部をエッチングすればよい。
【実施例】
【００５３】
図２Ａに示すようなテーパ部をシミュレーションターゲットとして、ＥＭＥ法により、形成される電磁界をシミュレーションした。専用の導波路解析ソフトウェアであるＦＩＭＭＷＡＶＥ（Photon Design社）を用いて数値計算を行った。
【００５４】
ＥＭＥ法とは、導波路を光波の進行方向に対して薄くスライスして分割し；各スライスでの導波路モードを計算し；各構成要素の伝達行列を求めて；それにより電磁界をシミュレーションする方法である。ＥＭＥ法は、光波の進行方向に沿って周期的な構造を有する導波路をターゲットとするシミュレーションに適している。ＥＭＥ法により、シミュレーションターゲットとしてテーパ部全体での、伝搬光の透過率と反射率とを求めた（透過率と反射率との和を１とした）。その際、テーパ部全体をコアとし、周囲の空気をクラッドとし、コアの直径に関わらず１０μｍ×１０μｍの領域（光波の進行方向に対して垂直な面）をＸ、Ｙ方向ともに５００分割のメッシュで計算した。また、入射光は、ＨＥ１１のモードとした。
【００５５】
図２に示されたテーパ部には、光波の進行方向に沿って、周期的な凹凸Ｐが形成されている。図２において、ｄはテーパ部の直径を、ｈは凹凸Ｐの高さを、Λは周期のインターバルを、Ｎは周期構造の繰り返し数を、Ｌは周期構造が形成されたテーパ部の長さを示す。
【００５６】
［実施例１］
まず、テーパ部の直径ｄを１.０μｍ、周期のインターバルΛを６００ｎｍ、周期構造の繰り返し数Ｎを１０００に固定して；凹凸Ｐの高さｈを、０ｎｍ（図４Ａ）、５０ｎｍ（図４Ｂ）、６０ｎｍ（図４Ｃ）または１００ｎｍ（図４Ｄ）に設定した。図４Ｂ〜図４Ｄの上のグラフは、伝搬光の波長（横軸）と、伝搬光の透過率または反射率（透過率と反射率の和を１とする）を示し；下のグラフは、上のグラフの透過率と反射率を対数化して示している。
【００５７】
図４Ａに示されるように、凹凸Ｐを設けない、つまり周期構造を形成しなかった場合には、いずれの波長においても反射が起こっていない、つまり透過率が１であることがわかる。一方、図４Ｂ〜図４Ｄに示されるように、凹凸Ｐを設ける、つまり周期構造を形成した場合には、１５００ｎｍ付近の波長の光が反射され、つまり透過しなくなっていることがわかる。さらに、凹凸Ｐの高さｈが大きくなるほど、反射する光の波長の幅が広がっていくことがわかる。また、反射部における最小透過率は、それぞれ４×１０−４、１×１０−４、６×１０−６と減少し、高さｈが大きくなるほど、より良好な減衰が得られている。
【００５８】
一方、凹凸Ｐを設けない状況で、光誘起で得られる典型的な屈折率変調（１０−３）を同様のインターバル、繰り返し数で与えた場合についてシミュレーションを行ったところ、これらのような良好な反射特性は得られなかった。そのため、凹凸Ｐを付与した場合について、伝搬モードの実効屈折率について検討したところ、１０−２程度というきわめて大きな変調が得られていることが分かった。
【００５９】
［実施例２］
次に、テーパ部の直径ｄを１.０μｍ、凹凸Ｐの高さｈを５０ｎｍ、周期のインターバルΛを６００ｎｍに固定し；周期構造の繰り返し数Ｎを、３００（図５Ａ）、５００（図５Ｂ）または１０００（図５Ｃ）に設定した。図５Ａ〜Ｃの上のグラフは、伝搬光の波長（横軸）と、伝搬光の透過率または反射率（透過率と反射率の和を１とする）を示し；下のグラフは、上のグラフの透過率と反射率を対数化して示している。
【００６０】
図５Ａ〜図５Ｃに示されるように、いずれの場合も１５００ｎｍの波長の光の少なくとも一部を反射しており、透過していないことがわかる。さらに、繰り返し数Ｎが大きくなるほど、反射率が向上していくことがわかる。つまり、繰り返し数Ｎが３００の場合には、反射率の最大ピークが約０.８（図５Ａの上グラフ参照）であり；繰り返し数Ｎが５００の場合には、反射率の最大ピークが約０.９５（図５Ｂの上グラフ参照）であり；繰り返し数Ｎが１０００の場合には、反射率の最大ピークが１に達している（図５Ｃの上グラフ参照）。
【００６１】
［実施例３］
次に、凹凸Ｐの高さｈを５０ｎｍ、周期のインターバルΛを６００ｎｍ、周期構造の繰り返し数Ｎを１０００に固定し；テーパ部の直径ｄを、１.０μｍ、２.０μｍまたは５.０μｍに設定した。
【００６２】
図６は、テーパ部の直径ｄを１.０μｍとしたときの透過率と反射率の計算結果を示すグラフである（図４Ｂと同じグラフ）。また、図７は、テーパ部の直径ｄを１.０μｍとしたときの計算結果から得られた空間モード（モードＡ１）の空間分布を示す図である。図６Ａのグラフは、伝搬光の波長（横軸）と伝搬光の透過率または反射率（透過率と反射率の和を１とする）を示す。図６Ｂのグラフは、図６Ａのグラフの透過率と反射率を対数化して示している。
【００６３】
図８は、テーパ部の直径ｄを２.０μｍとしたときの透過率と反射率の計算結果を示すグラフである。また、図９は、テーパ部の直径ｄを２.０μｍとしたときの計算結果から得られた空間モード（モードＢ１〜Ｂ３）の空間分布を示す図である。図８ＡはモードＢ１の透過率と反射率の計算結果、図８ＢはモードＢ２の透過率と反射率の計算結果、図８ＣはモードＢ３の透過率と反射率の計算結果を示す。図９ＡはモードＢ１の空間分布、図９ＢはモードＢ２の空間分布、図９ＣはモードＢ３の空間分布を示す。
【００６４】
図８Ａに示されるように、モードＢ１の透過率を参照すると、１４９６ｎｍ付近および１５０５ｎｍ付近に２つの急峻な透過率低下部（ディップ）が認められるが、モードＢ１の反射率を参照すると、これら２つのディップに対応する反射成分はほとんど認められない（０.０１以下）。一方、図８Ｂ、図８Ｃに示されるように、モードＢ２およびモードＢ３では、透過率が非常に小さいにも係わらず、大きな反射成分が認められる。これらのことから、１４９６ｎｍ近辺のモードＢ１の光は、モードＢ３から反射され、１５０５ｎｍ近辺のモードＢ１の光は、モードＢ２から反射されると考えられる。
【００６５】
図１０は、テーパ部の直径ｄを５.０μｍとしたときの透過率と反射率の計算結果を示すグラフである。また、図１１は、テーパ部の直径ｄを５.０μｍとしたときの計算結果から得られた空間モード（モードＣ１〜Ｃ７）の空間分布を示す図である。図１０ＡはモードＣ１の透過率の計算結果、図１０ＢはモードＣ２〜Ｃ５それぞれの透過率の計算結果、図１０ＣはモードＣ１〜Ｃ５それぞれの反射率の計算結果を示す。図１１ＡはモードＣ１の空間分布、図１１ＢはモードＣ２の空間分布、図１１ＣはモードＣ３の空間分布、図１１ＤはモードＣ４の空間分布、図１１ＥはモードＣ５の空間分布、図１１ＦはモードＣ６の空間分布、図１１ＧはモードＣ７の空間分布を示す。
【００６６】
図１０Ａ〜Ｃから、入射光はモードＣ１でほとんど伝わり、他のモードへの結合もほとんどないことがわかる。また、透過率の低下部（１４９２ｎｍ付近）においても、透過率は０.９９９以上であり、テーパ部の直径ｄが１.０μｍまたは２.０μｍのときに見られたような、透過率が０.１以下になるようなディップはまったく認められない。すなわち、テーパ部（コア）の直径ｄを５μｍまで拡大すると、ＦＢＧとしての機能がほとんど失われてしまうことがわかる。
【００６７】
一方、図１２は、図１０と同じ条件（Λ＝６００ｎｍ、Ｎ＝１０００、ｄ＝５.０μｍ）で凹凸Ｐの高さｈを１００ｎｍとしたときのモードＤ１（モードＣ１と同様の空間分布）の透過率の計算結果を示すグラフである。
【００６８】
図１２から、凹凸Ｐの高さｈを高くすることで、ＦＢＧ構造による光のブロッキングがわずかに大きくなることがわかる。しかしながら、透過率の低下部（１４９２ｎｍ前後）においても、透過率は０.９９以上であり、テーパ部の直径ｄが１.０μｍまたは２.０μｍのときに見られたような、透過率が０.１以下になるようなディップはまったく認められない。すなわち、テーパ部（コア）の直径ｄを５μｍまで拡大すると、ＦＢＧとしての機能がほとんど失われてしまうことがわかる。これは、ファイバの最低次モード（Ｃ１およびＤ１）がほとんどテーパ部からしみ出すことなく、ガラス内部に閉じこめられたまま伝搬しており、ガラス表面に形成した変調構造の影響を受けにくいためと考えられる。
【００６９】
［実施例４］
図１３Ａに示すようなテーパ部をシミュレーションターゲットとして、実施例１〜３と同様にして、シミュレーションした。図１３Ａに示されるターゲットは、直径ｄを１.０μｍ、周期のインターバルΛを６００ｎｍ、周期構造の繰り返し数Ｎを４００、凹凸Ｐの高さｈを５０ｎｍとしたテーパを２つ、接続部Ｇ９００ｎｍを介して接続しているテーパ部である。つまり、接続部Ｇに欠陥が導入されており、Λの半周期分の３００ｎｍ（＝Ｇ−Λ）のギャップ幅が設けられている。
【００７０】
図１３Ｂに示される通り、反射スペクトルと透過スペクトルとに注目すると、波長領域１４９６ｎｍ〜１５０２ｎｍは反射領域（ストップバンド）であるが、その領域のうち非常に狭い線幅（中心波長１４９９ｎｍ）において、反射率が低下して、透過率が高まっていることがわかる。このように、共振器として動作していることが確認された。共振器のＱ値は、約１０４倍に達しているので、電場（エバネッセント波）強度も約１００００倍に増大していることが示唆される。
【００７１】
凹凸Ｐの高さｈを大きくしたり、繰り返し数Ｎを増やしたりすることで、Ｑ値をさらに増大させることもできる。
【００７２】
［実施例５］
次に、図１３Ａに示すようなテーパ部において、凹凸Ｐの高さｈを５０ｎｍ、周期のインターバルΛを６００ｎｍ、各テーパにおける周期構造の繰り返し数Ｎを４００、接続部Ｇを９００ｎｍ（ギャップ幅３００ｎｍ）に固定し；テーパ部の直径ｄを、１.０μｍまたは２.０μｍに設定した。
【００７３】
図１４は、テーパ部の直径ｄを１.０μｍとしたときの透過率と反射率の計算結果を示すグラフである（図１３Ｂと同じグラフ）。
【００７４】
図１５は、テーパ部の直径ｄを２.０μｍとしたときの透過率と反射率の計算結果を示すグラフである。図１５ＡはモードＥ１の透過率とモードＥ３の反射率の計算結果、図１５ＢはモードＥ２，Ｅ３の透過率とモードＥ１，Ｅ２の反射率の計算結果を示す。
【００７５】
図１５Ａに示されるように、モードＥ１の透過率を参照すると、２つの吸収ピークが認められ、モードＥ３の反射率を参照すると、これら２つの吸収ピークに対応すると思われる反射成分が認められる。一方、図１５Ｂに示されるように、モードＥ２，Ｅ３の透過率およびモードＥ１，Ｅ２の反射率は、非常に小さかった。これらのことから、テーパ部（コア）の直径ｄを２.０μｍと拡大した場合、モードＥ１で入射してきた光は、キャビティ内で閉じ込められた後にモードＥ３となって反射されると考えられる。
【００７６】
このように、テーパ光ファイバのテーパ部に周期構造を設けることにより、伝搬光をブラッグ反射させることができる。よって、テーパ部での光密度をより高めることができる。さらに、テーパ部の周期構造に欠陥を導入すれば、欠陥部の光密度が位置選択的に高まる。
【００７７】
テーパ部の周期構造の調整により、反射率、反射させる光の波長領域をも制御することができる。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
本発明のテーパ光ファイバは、例えば、センサー、レーザ発振器、非線形光スイッチ、周波数フィルターなどとして利用されうる。
【符号の説明】
【００７９】
Ａ  テーパ部
Ｂ  光入射部
Ｂ’  光出射部
Ｃ  コア
Ｄ  クラッド
１  エバネッセント波
ｄ  テーパ部の直径
Λ  周期のインターバル
Ｐ  凹凸
ｈ  凹凸Ｐの高さ
Ｘ  欠陥部
Ｇ  接続部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６】
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【図８】
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【図１０】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図７】
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【図９】
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【図１１】
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