(57)【要約】【課題】発光体の光を高効率で光ファイバーに集光することができる集光部を提供する。【解決手段】発光体５が発する光を光ファイバー２へ集光する集光部１Ａにおいて、前記光ファイバー２の端部に形成され、直径が前記光の波長よりも小さい集光面４を備えることを特徴とする。【選択図】図１
2014170125.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光体が発する光を光ファイバーへ集光する集光部において、前記光ファイバーの端部に形成され、直径が前記光の波長よりも小さい集光面を備えることを特徴とする集光部。
【請求項２】
前記集光部は、前記光ファイバーの端部に一体に形成されていることを特徴とする請求項１記載の集光部。
【請求項３】
前記集光面は、平坦に形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の集光部。
【請求項４】
前記集光面は、球面を備えることを特徴とする請求項１又は２記載の集光部。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、集光部に関し、特に小さな発光体の光を光ファイバーに集光させるものに関する。
【背景技術】
【０００２】
原子、分子、量子ドット等の、波長より十分小さな発光体からの発光を高効率に集光する手段として、開口数（ＮＡ：Numerical Aperture）の大きい対物レンズが広く用いられている。開口数の大きい対物レンズは、一般に高価であり、光ファイバーへの結合効率が悪いという欠点がある。
【０００３】
また、直径を最適化した光ファイバーの側面に発光体を塗布し、伝搬モードのエヴァネッセント波を用いて集光する方法が開示されている（例えば、非特許文献１）。上記非特許文献１によると、７〜８％程度の集光効率が実現できる、と記載されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】M. Fujiwara et al.,Nano Lett. 11, 4362, 2011
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら上記非特許文献では、光ファイバーの側面に発光体を塗布する必要があるので汎用性が低い、という問題がある。
【０００６】
そこで、本発明は、発光体の光を高効率で光ファイバーに集光することができる集光部を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る集光部は、発光体が発する光を光ファイバーへ集光する集光部において、前記光ファイバーの端部に形成され、直径が前記光の波長よりも小さい集光面を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、光ファイバーの端部に形成され、直径が前記光の波長よりも小さい集光面を備えることにより、高効率で光ファイバーに集光することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１実施形態に係る集光部の構成を示す正面図である。
【図２】第１実施形態に係る集光部の半径と集光効率との関係を計算した結果を示すグラフである。
【図３】第１実施形態に係る集光部と発光体の位置関係（１）を示す正面図である。
【図４】第１実施形態に係る集光部から発光体までの距離ｄと集光効率との関係を計算した結果を示すグラフである。
【図５】第１実施形態に係る集光部と発光体の位置関係（２）を示す正面図である。
【図６】第１実施形態に係る集光部と発光体の距離ｗと集光効率との関係を計算した結果を示すグラフであり、発光体が出射する光の偏光方向が図６Ａはｘ方向、図６Ｂはｙ方向、図６Ｃはｚ方向の場合の計算結果である。
【図７】図６と同じデータを濃淡マップで示した図であり、発光体が出射する光の偏光方向が図７Ａはｘ方向、図７Ｂはｙ方向、図７Ｃはｚ方向の場合の図である。
【図８】第１実施形態に係る集光部のランダムな偏光方向を有する発光体までの距離ｄと集光効率との関係を計算した結果を示すグラフである。
【図９】第１実施形態に係る集光部のランダムな偏光方向を有する発光体までの距離ｗと集光効率との関係を計算した結果を示すグラフである。
【図１０】第２実施形態に係る集光部の構成を示す正面図である。
【図１１】第２実施形態に係る集光部の半径と集光効率との関係を計算した結果を示すグラフである。
【図１２】第３実施形態に係る集光部の構成を示す正面図である。
【図１３】第３実施形態に係る集光部から発光体までの距離ｄと集光効率との関係を計算した結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００１１】
（第１実施形態）
図１に示す集光部１Ａは、光ファイバー２の端部に形成されており、発光体５が発する光を光ファイバー２へ集光する。集光部１Ａは、直径が前記光の波長よりも小さく形成された集光面４を有する。本実施形態の場合、集光面４は平坦に形成されている。光ファイバー２は、特に限定されず、シングルモード、マルチモードのいずれでもよい。
【００１２】
実際上、集光部１Ａは、基端が光ファイバー２の端部に接続された柱状部６を備える。柱状部６の基端において、テーパー部３を介して光ファイバー２に一体に接続されている。集光面４は、柱状部６の先端に形成されている。
【００１３】
上記のように構成された集光部１Ａは、光ファイバー２の端部近傍を加熱した状態で、端部を引っ張り、切断することにより形成することができる。すなわち、加熱することにより光ファイバー２は溶融する。溶融した部分を挟んで光ファイバー２の両側を引っ張ると、光ファイバー２は伸び、線形が細くなる。さらに引っ張ると線形が細くなった部分で切断される。このようにして光ファイバー２を切断することにより、切断された箇所に線形が細くなった集光部１Ａを形成することができる。
【００１４】
集光部１Ａは、光ファイバー２の端部に形成され、直径が前記光の波長よりも小さい集光面４を備えることにより、３９％の集光効率を実現することができるので、発光体５の光を高効率で光ファイバー２に集光することができる。
【００１５】
（シミュレーション１）
上記の構成された集光部１Ａについて集光効率をシミュレーションにより計算した。計算アルゴリズムには、ＦＤＴＤ法（Finite-difference time-domain method）を用いた。シミュレーションの実行には、光電磁場の計算のためのソフトウェアであるlumerical FDTD solutionsを用いた。集光効率ηは、Fguided／Ftotalとした。Fguidedは集光部１Ａに導入された光が単位時間あたりに運ぶエネルギー、Ftotalは発光体５が単位時間当たりに放射する全エネルギーである。
【００１６】
集光効率ηはシミュレーションで計算する場合、η＝{∫CfiberP(r, ts)dr}/{∫CtotalP(r, ts)dr}という計算をする。Cfiberは積分領域を表しファイバー軸に垂直な端部でファイバーの導波モードの電場振幅をゼロとみなせる平面、Ctotalは積分領域を表しシミュレーションの計算領域全体を囲む立方体、tsは発光体５が定常状態とみなせる時刻、ｒは集光部１Ａの半径である。なお、発光体５が出射する光の振幅はガウシアン分布を示す。
【００１７】
図２に集光部１Ａの半径と集光効率との関係を計算した結果を示す。図２は、縦軸が集光効率、横軸がｒ／λ、ｚはファイバー軸に平行な偏光、ρはファイバー軸に垂直な偏光を示す。λは発光体５が出射する光の波長である。
【００１８】
図中点線は、集光部１Ａがシングルモードとなる最大の半径に対応する値（ｒ／λ＝０．３７）を示す。本実施形態の場合、集光部１Ａがシングルモードとなる範囲内においては、ｒ／λ＝０．３２５のとき集光効率は最大の０．３９となることが確認できた。
【００１９】
因みに０．３９の集光効率を得るために一般的なレンズの開口数を計算する。レンズによる集光効率ηＬは、式（１）
【数１】
2014170125.tif 000003
で表される。
【００２０】
発光体５とレンズの距離をｄ、レンズの半径をｒとする。したがってηＬは、式（２）
【数２】
2014170125.tif 000004
により算出される。
【００２１】
計算すると式（３）
【数３】
2014170125.tif 000005
である。
【００２２】
一般的なレンズの大気中における開口数ＮＡは、式（４）
【数４】
2014170125.tif 000006
で表される。
【００２３】
したがって０．３９の集光効率を一般的なレンズで実現するためには、開口数が０．８９である必要がある。このことからも本実施形態に係る集光部１Ａが、開口数の大きいレンズと同等の集光効率を実現できることが確認できる。
【００２４】
図３に示すように、集光面４から発光体５までの軸方向の距離をｄとし、距離ｄと集光効率との関係を計算した。なおｒ／λは、シングルモードとなる範囲内において集光効率が最大となる０．３２５とした。計算結果を図４に示す。図４は、縦軸が集光効率、横軸がｄ／λ、ｚはファイバー軸に平行な偏光、ρはファイバー軸に垂直な偏光を示す。本図から集光面４から発光体５までの軸方向の距離ｄが小さいほど、すなわち発光体５が集光面４に近づくほど集光効率が高いことが分かる。
【００２５】
図５に示すように、集光面４から発光体５までの軸方向に直交する方向の距離をｗとし、距離ｗと集光効率との関係を計算した。なおｒ／λは、シングルモードとなる範囲内において集光効率が最大となる０．３２５とした。発光体５から出射される光の偏光方向がｘ（光ファイバー２の動径方向）、ｙ（光ファイバー２の方位角方向）、ｚ（光ファイバー２の軸方向）の場合についてそれぞれ計算した。計算結果を図６に示す。図６は、縦軸が集光効率、横軸がｗ／λを示す。図６Ａは発光体５が出射する光の偏光方向（図５）がｘ方向、図６Ｂはｙ方向、図６Ｃはｚ方向の場合の計算結果である。図６と同じデータを図７に濃淡マップで示した。図７は、縦軸がｄ／λ、横軸がｗ／λを示している。各濃淡マップにおいて白色が最大値を示している。
【００２６】
本図から集光面４から発光体５までの軸方向に直交する方向の距離ｗが小さいほど、すなわち発光体５が集光面の中心に近いほど集光効率が高いことが分かる。
【００２７】
（シミュレーション２）
次に発光体５が出射する光がランダムな偏光方向を有する場合について計算した。光の偏光方向は、方位角Φと極角θとで表される。任意の方向の光は、偏光方向がｘ、ｙ、ｚ方向、振幅がａｘ，ａｙ，ａｚの３個の発光体５が同じ位置にあることと同等である。各振幅は式（５）
【数５】
2014170125.tif 000007
で表される。
【００２８】
ｘ、ｙ、ｚ方向の偏光方向を持つ発光体５から出射される光の集光効率ηｘ、ηｙ、ηｚが既知の場合、方位角Φと極角θで決まる集光効率η（Φ、θ）は式（６）
【数６】
2014170125.tif 000008
で表される。
【００２９】
よってｘ、ｙ、ｚ方向の偏光方向を持つ発光体５から出射される光の集光効率ηｘ、ηｙ、ηｚが既知の場合、同じ位置にあるランダムな偏光方向を有する発光体５から出射される光の集光効率ηｒａｎｄは、式（７）
【数７】
2014170125.tif 000009
で表される。
【００３０】
以上より、ランダムな偏光方向の発光体５から出射される光の集光効率は、偏光方向がｘ、ｙ、ｚ方向の発光体５から出射される光の集光効率の加算平均として計算できることがわかる。
【００３１】
図８に集光面４から発光体５までの軸方向の距離ｄと集光効率との関係を計算した結果を示す。なおｒ／λは、シングルモードとなる範囲内において集光効率が最大となる０．３２５とした。図８は、縦軸が集光効率、横軸がｄ／λを示す。本図から、発光体５が出射する光がランダムな偏光方向を有する場合においても、集光面４から発光体５までの軸方向の距離ｄが小さいほど、すなわち発光体５が集光面４に近づくほど集光効率が高いことが分かる。
【００３２】
図９に集光面４から発光体５までの軸方向に直交する方向の距離ｗと集光効率との関係を計算した結果を示す。なおｒ／λは、シングルモードとなる範囲内において集光効率が最大となる０．３２５とした。図９は、縦軸が集光効率、横軸がｗ／λを示す。本図から、発光体５が出射する光がランダムな偏光方向を有する場合においても、集光面４から発光体５までの軸方向に直交する方向の距離ｗが小さいほど、すなわち発光体５が集光面の中心に近いほど集光効率が高いことが分かる。
【００３３】
（第２実施形態）
次に第２実施形態に係る集光部の構成について説明する。上記第１実施形態と同様の構成について同様の符号を付した図１０に示すように、集光部１Ｂは、柱状部６と同じ直径を有する半球状の集光面８を有する。このような半球状の集光面８は、柱状部６の端部を加熱して溶融させ、表面張力によって端部を球体にすることにより製造することができる。
【００３４】
図１１に、集光部１Ｂの半径と集光効率との関係を計算した結果を示す。図１１は、縦軸が集光効率、横軸がｒ／λ、ｚはファイバー軸に平行な偏光、ρはファイバー軸に垂直な偏光を示す。λは発光体５が出射する光の波長である。
【００３５】
図中点線は、集光部１Ｂがシングルモードとなる最大の半径に対応する値（ｒ／λ＝０．３７）を示す。本実施形態の場合、集光部１Ｂがシングルモードとなる範囲内においては、ｒ／λ＝０．３７のとき集光効率は最大の０．３６となることが確認できた。
【００３６】
（第３実施形態）
次に第３実施形態に係る集光部１Ｃの構成について説明する。上記第１実施形態と同様の構成について同様の符号を付した図１２に示すように、集光部１Ｃは、柱状部６の直径２ｒより大きい直径２Ｒを有する球状の集光面１０を有する。このような球状の集光面１０は、柱状部６の端部を加熱して溶融させ、表面張力によって端部を球体にすることにより製造することができる。
【００３７】
図１３に、集光面１０から発光体５までの軸方向の距離ｄと集光効率との関係を計算した結果を示す。図１３は縦軸が集光効率、横軸がｄ／λを示す。●と▽は偏光方向（図５）がｙ方向、△と◆は偏光方向がｚ方向の結果である。図１３ＡはＲ／λ＝０．８、図１３ＢはＲ／λ＝１．８の結果である。
【００３８】
（変形例）
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲内で適宜変更することが可能である。
【符号の説明】
【００３９】
１Ａ、１Ｂ、１Ｃ    集光部
２    光ファイバー
４、８、１０    集光面
５    発光体
【図１】
2014170125.tif 000010
【図２】
2014170125.tif 000011
【図３】
2014170125.tif 000012
【図４】
2014170125.tif 000013
【図５】
2014170125.tif 000014
【図６】
2014170125.tif 000015
【図７】
2014170125.tif 000016
【図８】
2014170125.tif 000017
【図９】
2014170125.tif 000018
【図１０】
2014170125.tif 000019
【図１１】
2014170125.tif 000020
【図１２】
2014170125.tif 000021
【図１３】
2014170125.tif 000022