(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学部材が配置された複数の光集積回路であって、少なくとも１つの光集積回路の内部に、光を折り返す折り返し部を設けた複数の光集積回路と、
前記複数の光集積回路の間を接続する複数の光ファイバであって、前記複数の光ファイバの少なくとも一部が、光励起されることにより光増幅作用を発現する光ファイバであり、前記複数の光集積回路の間を往復する往復光路を形成するように、前記光集積回路の内部に設けられた前記折り返し部に接続された複数の光ファイバと、を備え、
前記複数の光集積回路及び前記複数の光ファイバによって所定の光学的機能を発揮する  光学装置。
【請求項２】
前記折り返し部は、光導波手段によって形成される
請求項１に記載の光学装置。
【請求項３】
前記光増幅作用を発現する光ファイバが、希土類添加光ファイバである
請求項１または請求項２に記載の光学装置。
【請求項４】
前記複数の光ファイバは、閉じた光路である往復光路を形成するように、前記複数の光集積回路の各々の内部に設けられた、光導波手段で形成された前記折り返し部に接続され、
前記複数の光集積回路の何れか一つの光集積回路の内部に設けられた前記光導波手段に光結合された励起光源と、
前記複数の光集積回路の何れか一つの光集積回路の内部に設けられた前記光導波手段に光結合され、かつ、前記光導波手段から光を出力する光出力部と、をさらに備え、
前記複数の光ファイバ、前記励起光源、及び前記光出力部によって、リング型モードロックレーザの機能を発揮する
請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の光学装置。
【請求項５】
前記折り返し部は、光導波手段によって形成され、
前記複数の光集積回路の何れか一つの光集積回路の内部に設けられた前記光導波手段に光結合された励起光源と、
前記複数の光集積回路の何れか一つの光集積回路の内部に設けられた前記光導波手段に光を入力する光入力部と、
前記複数の光集積回路の何れか一つの光集積回路の内部に設けられた前記光導波手段から光を出力する光出力部と、をさらに備え、
前記複数の光ファイバ、前記励起光源、前記光入力部、及び前記光出力部によって、光ファイバ増幅器の機能を発揮する
請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の光学装置。
【請求項６】
前記複数の光ファイバを２組有し、
前記複数の光集積回路は、２個の光集積回路であって、各々の内部に、前記折り返し部を形成した２つの光導波手段を設け、
一方の組の複数の光ファイバは、前記２個の光集積回路の間を往復する第１の往復光路を形成するように、前記２個の光集積回路の各々の内部に設けられた一方の前記光導波手段に接続され、
他方の組の複数の光ファイバは、前記２個の光集積回路の間を往復する第２の往復光路を形成するように、前記２個の光集積回路の各々の内部に設けられた他方の前記光導波手段に接続され、
前記一方の光集積回路の内部に設けられた前記一方の光導波手段に光結合された発光素子と、前記他方の光集積回路の内部に設けられた前記一方の光導波手段に光結合され、かつ、前記一方の光導波手段からの光を出射する光出射部と、
前記他方の光集積回路の内部に設けられた前記他方の光導波手段に光結合され、かつ、外部からの光を入射する光入射部と、
前記一方の光集積回路の内部に設けられた前記他方の光導波手段に光結合され、かつ、前記他方の光導波手段からの光を受光する受光素子とをさらに備え、
前記発光素子、前記一方の組の複数の光ファイバ、及び前記光出射部によって、光増幅器及び投光部の機能を発揮し、
前記光入射部、前記他方の組の複数の光ファイバ、及び前記受光素子によって、光増幅器及び受光部の機能を発揮する
請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の光学装置。 
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光学装置、特に光ファイバを用いた光学装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、各種光学素子間を光ファイバで接続して所定の機能を発揮するように構成された光学装置は、近年では、Ｓｉ（シリコン）等の基板に実装された各種光学部品間を当該基板に形成された光導波路等を用いて相互に接続した光集積回路の形態とし、光ファイバを光導波路等に置き換えることにより小型化することが一般的に行われている。
【０００３】
ところが、光ファイバには固有の優れた特性があり、特に光ファイバ自身の長さに基づく特性を必要とする光学部品では、光導波路等の他の手段では代替することができない場合も多い。
【０００４】
たとえば、光学装置の一例である光ファイバ増幅器を構成する希土類添加光ファイバには、光を狭い空間に閉じ込め、かつ所望の増幅率に応じた長い距離を実現し得る等の、半導体や個体の媒質では実現することが困難な特徴を有している。
【０００５】
また、光学装置の一例である光短パルスの生成装置に用いられる異常分散ファイバも、
通常と反する人工的な分散を有し、かつ所望の分散特性に応じた長い距離を実現し得る等の、光集積回路では実現することが困難な特徴を有している。
【０００６】
このような光ファイバを用いた光学装置の例として、非特許文献１には、光ファイバ増幅器を用いたＬＩＤＡＲ（Ｌａｓｅｒ  Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ  Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｒａｎｇｉｎｇ：ライダー）が開示されている。
【０００７】
ＬＩＤＡＲとは、光を用いたリモートセンシング技術のひとつであり、パルス状に発光する投光部からの光を遠距離にある対象物に対して照射し、対象物で反射した散乱光を受光部で受光し測定することにより、対象物までの距離やその対象物の性質等を分析する装置である。
【０００８】
図８に非特許文献１に開示されたＬＩＤＡＲの概略構成図を示す。図８（ａ）に示す投光部９０２は、半導体レーザ９２０から出射した変調光信号を、希土類添加光ファイバ９１２ａで構成された光パワーアンプで増幅し、センサヘッド（図示省略）に設けられたレンズ９３０ａから一定の放射角を有する出射光Ｐｏｕｔとして出射させる構成となっている。また、図８（ｂ）に示す受光部９０４は、被測定物で反射して入射する入射光Ｐｉｎをセンサヘッドに設けられたレンズ９３０ｂを介して集光し、集光した反射光を希土類添加光ファイバ９１２ｂで構成された光プリアンプで増幅し、フォトダイオード９２４で電気信号に変換する構成となっている。なお、同図に示すアイソレータ９２６はレーザ発振を防止するためのものであり、また、同図では励起光源を省略している。
【０００９】
一方、特許文献１には、途中に感温素子を具備する光ファイバケーブルの両端に、それぞれＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）および受光素子が接続された温度センサ装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平０４−０４７２３９号公報
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】D.Inoue et al.,"Improvement of Highly sensitive LIDAR with a thumb-sized sensor-head built using an optical fiber preamplifier", SPIE defense, security and sensing 2012, 8379-33.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
非特許文献１に開示されたＬＩＤＡＲでは、Ｓ／Ｎ比等の特性の観点から光ファイバで構成した光パワーアンプあるいは光プリアンプ等の光ファイバ増幅器を用いる必要があるため、本ＬＩＤＡＲは個別部品を組み合わせたディスクリート構成となっている。たとえば、光ファイバ増幅器と同様の機能を有する半導体光増幅器は、小型化は可能であるが、
雑音特性の点で光ファイバ増幅器に劣る。したがって、光パワーアンプあるいは光プリアンプを構成する光ファイバはループ状に巻き、束ねて実装する構成となっており、このループ状の光ファイバの部分が、ＬＩＤＡＲの小型化を妨げるひとつの要因となっていた。
【００１３】
図９には、従来技術により集積化して光学装置９００とした場合のＬＩＤＡＲの一例を示す。
【００１４】
光学装置９００は、半導体レーザ９２０、励起用半導体レーザ９２２ａ、９２２ｂ、９２２ｃ、フォトダイオード９２４、希土類添加光ファイバ９１２ｃないし９１２ｆ、アイソレータ９２６、バンドパスフィルタ９２８を具備する光集積回路９１６、光集積回路９１６と光ファイバ９６０で接続されたセンサヘッド９１８を備えており、センサヘッド９１８に設けられたレンズ９３０ａを介して出射光Ｐｏｕｔを出射し、レンズ９３０ｂを介して入射光Ｐｉｎを入射する構成となっている。光学装置９００では、希土類添加光ファイバ９１２ｃおよび９１２ｄが光パワーアンプを構成し、希土類添加光ファイバ９１２ｅおよび９１２ｆが光プリアンプを構成している。しかしながら、光学装置９００でも、各希土類添加光ファイバ９１２ｃないし９１２ｆは、その両端が光集積回路９１６に形成された光導波路に光結合された構成となっているため、ループ状に巻いて束ねる実装とならざるを得ない点は上記非特許文献１に開示されたＬＩＤＡＲと異なるところはない。
【００１５】
ここで、光ファイバには最小曲げ半径があり、標準的なシングルモードファイバでは曲率が３０ｍｍ程度を越えると、光が漏れ始めて損失が大きくなる。また、光ファイバ増幅器では、光ファイバの中間にアイソレータや光学フィルタ等の光学素子を挿入することで、雑音指数や光出力パワーを改善することが一般的に行われている。このような背景は、
各種光学素子の間に光ファイバが配置される上記光学装置９００のような光学装置の小型化をさらに困難なものとしている。
【００１６】
一方、特許文献１の温度センサ装置では、折り返した光ファイバケーブルの両端に光学素子を有するものの、折り返した光ファイバの間の間隔を狭くして小型化する、あるいは光ファイバを往復させて所定の長さを確保するという技術思想はない。
【００１７】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、光ファイバを用いた光学装置のさらなる小型化を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の光学装置は、光学部材が配置された複数の光集積回路であって、少なくとも１つの光集積回路の内部に、光を折り返す折り返し部を設けた複数の光集積回路と、前記複数の光集積回路の間を接続する複数の光ファイバであって、前記複数の光ファイバの少なくとも一部が、光励起されることにより光増幅作用を発現する光ファイバであり、前記複数の光集積回路の間を往復する往復光路を形成するように、前記光集積回路の内部に設けられた前記折り返し部に接続された複数の光ファイバと、を備え、前記複数の光集積回路及び前記複数の光ファイバによって所定の光学的機能を発揮するものである。
【００１９】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記折り返し部は、
光導波手段によって形成されるものである。
【００２１】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の発明において、前記光増幅作用を発現する光ファイバが、希土類添加光ファイバであるものである。 
【００２２】
また、請求項４に記載の発明は、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の発明において、前記複数の光ファイバは、閉じた光路である往復光路を形成するように、前記複数の光集積回路の各々の内部に設けられた、光導波手段で形成された前記折り返し部に接続され、前記複数の光集積回路の何れか一つの光集積回路の内部に設けられた前記光導波手段に光結合された励起光源と、前記複数の光集積回路の何れか一つの光集積回路の内部に設けられた前記光導波手段に光結合され、かつ、前記光導波手段から光を出力する光出力部と、をさらに備え、前記複数の光ファイバ、前記励起光源、及び前記光出力部によって、リング型モードロックレーザの機能を発揮するものである。 
【００２３】
また、請求項５に記載の発明は、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の発明において、前記折り返し部は、光導波手段によって形成され、前記複数の光集積回路の何れか一つの光集積回路の内部に設けられた前記光導波手段に光結合された励起光源と、前記複数の光集積回路の何れか一つの光集積回路の内部に設けられた前記光導波手段に光を入力する光入力部と、前記複数の光集積回路の何れか一つの光集積回路の内部に設けられた前記光導波手段から光を出力する光出力部と、をさらに備え、前記複数の光ファイバ、前記励起光源、前記光入力部、及び前記光出力部によって、光ファイバ増幅器の機能を発揮するものである。 
【００２４】
また、請求項６に記載の発明は、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の発明において、前記複数の光ファイバを２組有し、前記複数の光集積回路は、２個の光集積回路であって、各々の内部に、前記折り返し部を形成した２つの光導波手段を設け、一方の組の複数の光ファイバは、前記２個の光集積回路の間を往復する第１の往復光路を形成するように、前記２個の光集積回路の各々の内部に設けられた一方の前記光導波手段に接続され、他方の組の複数の光ファイバは、前記２個の光集積回路の間を往復する第２の往復光路を形成するように、前記２個の光集積回路の各々の内部に設けられた他方の前記光導波手段に接続され、前記一方の光集積回路の内部に設けられた前記一方の光導波手段に光結合された発光素子と、前記他方の光集積回路の内部に設けられた前記一方の光導波手段に光結合され、かつ、前記一方の光導波手段からの光を出射する光出射部と、前記他方の光集積回路の内部に設けられた前記他方の光導波手段に光結合され、かつ、外部からの光を入射する光入射部と、前記一方の光集積回路の内部に設けられた前記他方の光導波手段に光結合され、かつ、前記他方の光導波手段からの光を受光する受光素子とをさらに備え、前記発光素子、前記一方の組の複数の光ファイバ、及び前記光出射部によって、光増幅器及び投光部の機能を発揮し、前記光入射部、前記他方の組の複数の光ファイバ、及び前記受光素子によって、光増幅器及び受光部の機能を発揮するものである。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、光ファイバを用いた光学装置のさらなる小型化が実現されるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】第１の実施の形態に係る光学装置の概念を説明するための図である。
【図２】第１の実施の形態に係る光学装置の構成の一例を示す斜視図および光導波路の断面図である。
【図３】第１の実施の形態に係る光学装置の応用形態を説明するための図である。
【図４】実施の形態に係る光集積回路の製造工程の一例を説明するための縦断面図である。
【図５】第２の実施の形態に係る光学装置の構成の一例を示すブロック図および斜視図である。
【図６】第２の実施の形態の変形例に係る光学装置の構成の一例を示す斜視図である。
【図７】第３の実施の形態に係る光学装置の構成の一例を示すブロック図および斜視図である。
【図８】従来技術に係る光学装置の構成の概略を示すブロック図である。
【図９】他の従来技術に係る光学装置の構成を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００２８】
［第１の実施の形態］
本実施の形態は、本発明を、光学装置としてのＬＩＤＡＲに適用した形態である。
図１を参照して、本実施の形態に係る光学装置１０の概念について説明する。光学装置１０では、光ファイバを用いた光学装置のさらなる小型化を実現するために、光集積回路と光ファイバとの接続形態に特徴を有している。すなわち、２個の光集積回路の間を、各光集積回路内の光導波手段としての光導波路で形成された、光を折り返す折り返し部としての屈曲部を介して往復する光ファイバで接続し、２個の光集積回路と光ファイバとでひとつの光学機器を構成している。
【００２９】
図１において、光学装置１０は、本体用光集積回路である光集積回路１６、センサヘッド用光集積回路である光集積回路１８、および光集積回路１６と光集積回路１８との間を接続する複数本（図１では６本）の希土類添加光ファイバからなる光ファイバ束１２を備えている。光ファイバ束１２として、マルチコアファイバあるいはリボンファイバを適用してもよい。なお、本実施の形態に係る光集積回路１６、１８は、後述するように、シリコン系光集積回路を適用している。
【００３０】
光集積回路１６は、半導体レーザ２０、励起用半導体レーザ２２ａ、フォトダイオード２４、アイソレータ２６ａ、２６ｅ、２６ｆ、およびバンドパスフィルタ２８ｂを含んで構成されており、半導体レーザ２０、励起用半導体レーザ２２ａ、フォトダイオード２４、アイソレータ２６ａ、２６ｅ、２６ｆ、およびバンドパスフィルタ２８ｂの各光学素子は光導波路４２を介して接続されている。
【００３１】
また、光集積回路１６は、光ファイバ束１２が接続された光導波路４２を、光ファイバ束１２の接続ピッチに合わせて折り返すための屈曲部３２ｂ、３２ｃを有している。屈曲部の最小曲げ半径はコアとクラッドの比屈折率差によっても異なるが、たとえば、後述のＳｉをコアとしＳｉＯ２（二酸化ケイ素）をクラッドとする光導波路による屈曲部の場合は５μｍと小さい。したがって、光ファイバ束１２に含まれる希土類添加光ファイバ１２ａ、１２ｂは、高密度で配置することが可能となり、この点も光学装置１０の小型化に寄与している。
【００３２】
一方、光集積回路１８は、励起用半導体レーザ２２ｂ、２２ｃ、アイソレータ２６ｂ、
２６ｃ、２６ｄ、バンドパスフィルタ２８ａ、およびレンズ３０ａ、３０ｂを含んで構成されており、励起用半導体レーザ２２ｂ、２２ｃ、アイソレータ２６ｂ、２６ｃ、２６ｄ、バンドパスフィルタ２８ａ、およびレンズ３０ａ、３０ｂの各光学素子は光導波路４２を介して接続されている。光集積回路１８でも、光導波路４２の折り返し部分は屈曲部３２ａ、３２ｄとなっている。
【００３３】
本実施の形態に係る光学装置１０では、半導体レーザ２０、励起用半導体レーザ２２ａ、２２ｂ、アイソレータ２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、バンドパスフィルタ２８ａ、および希土類添加光ファイバ１２ａを含んで構成される投光部側の前方後方励起型光ファイバ増幅器１４ａがひとつの光学モジュールとなっている。また、励起用半導体レーザ２２ｃ、アイソレータ２６ｄ、２６ｅ、２６ｆ、バンドパスフィルタ２８ｂ、フォトダイオード２４、および希土類添加光ファイバ１２ｂを含んで構成される受光部側の前方励起型光ファイバ増幅器１４ｂが別のひとつの光学モジュールとなっている。
【００３４】
つまり、光学装置１０では、２つの光集積回路とそれらの間を往復して接続する光ファイバが１つの光路を形成するとともに光ファイバ増幅器等の光学モジュールを構成し、所定の長さで分離された光集積回路の間の距離によって、所望の光学的特性を実現するために必要な光ファイバの長さを確保している。
【００３５】
また、本実施の形態に係る光学装置１０では、光ファイバの両端に光集積回路を有するために、光ファイバおよび光集積回路で構成する光学モジュールの機能を柔軟に配分することができる。つまり、図１の例では、光集積回路１８にも励起用半導体レーザ２２ｂ、
２２ｃを配置する構成としているが、励起用半導体レーザは光集積回路１６にのみ配置することも可能である。このようにすれば、光集積回路１８、つまりセンサヘッドにはほとんど電力を供給しなくてすむ。
さらには、光学装置１０では、ファイバ束１２内の各希土類添加ファイバ１２ａ、１２ｂを通して光が往復するようにしているので、接続点を減らすことができる。
【００３６】
図２は、光集積回路を用いて実現した光学装置１００（ＬＩＤＡＲ）の構成の一例を示している。
ここで、光学装置１０において、光集積回路１６および１８の各々にどのような光学素子を配置するかについては制約がないため、光学装置１００では、光集積回路１１６にフォトダイオード１２４、光集積回路１１８に半導体レーザ１２０を配置し、投光、受光素子を各々別の光集積回路に配置した形態を例示している。光集積回路１１６が本体用光集積回路であり、光集積回路１１８がセンサへッド用光集積回路である。
【００３７】
図２（ａ）に示すように、光学装置１００は、光集積回路１１６、１１８、および光集積回路１１６と１１８との間を接続するリボンファイバ１６０を含んで構成されている。
リボンファイバ１６０は、複数の希土類添加光ファイバ１１２ａ、１１２ｂを束ねて一体化したものである。希土類添加光ファイバ１１２ａ、１１２ｂは、光集積回路１１６あるいは１１８の端面近傍において光導波手段としての光導波路４２と接続されている。希土類添加光ファイバ１１２ａ、１１２ｂと光導波路４２とは、公知のＶ溝による接続方法によって接続してもよい。
【００３８】
光集積回路１１６は、フォトダイオード１２４、アイソレータ１２６ｂ、１２６ｅ、１２６ｆ、および光導波路４２で形成されたリング共振器フィルタ１２８ａ、１２８ｂを備えている。フォトダイオード１２４は光集積回路の基板（図示省略）に設けた開孔１５０の内部に実装された端面入射型のフォトダイオードであり、該端面が光導波路４２の端面と光結合している。
【００３９】
リング共振器フィルタ１２８ａ、１２８ｂは、入力用、出力用の２本の直線光導波路がリング状の光導波路に接続されて構成されており、入力用直線光導波路から入射した光のうち、リング状の光導波路の共振波長を有する光が出力用直線光導波路から出力される。
【００４０】
アイソレータ１２６ｂ、１２６ｅ、１２６ｆは、光導波路を２本に分岐して構成したマハツェンダ干渉計（ＭＺＩ：Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ  Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ、図示省略）の上にＹＩＧ（Ｙｔｔｒｉｕｍ−Ｉｒｏｎ−Ｇａｒｎｅｔ）結晶Ｙを接触させ、該ＹＩＧ結晶を介して２本に分岐した光導波路の一方に磁石Ｍからの磁界を印加する構成となっている。２本の光導波路によって２分岐された光のうち、磁界が印加された光導波路を伝搬し当該磁界によって位相が変化した光と、磁界が印加されない光導波路を伝搬し位相が変化しない他方の光とが合波された結果、入射光の偏光方向が回転されることによりアイソレータとして機能するものである。
【００４１】
一方、光集積回路１１８は、半導体レーザ１２０、励起用半導体レーザ１２２ａ、１２２ｂ、１２２ｃ、アイソレータ１２６ａ、１２６ｃ、１２６ｄ、グレーティングカプラ６０ａ、６０ｂ、および光導波路で形成された方向性結合器１４０ａ、１４０ｂ、１４０ｃ、１４０ｄを備えている。
【００４２】
本実施の形態に係る半導体レーザ１２０、励起用半導体レーザ１２２ａ、１２２ｂ、１２２ｃは、一例として、面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Ｖｅｒｔｉｃａｌ  Ｃａｖｉｔｙ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｌａｓｅｒ）を採用しており、光集積回路１１８内の光導波路と図示しないグレーティングカプラあるいはスポットサイズ変換器等で光結合している。
【００４３】
半導体レーザ１２０はセンサヘッドの投光部から出射する出射光Ｐｏｕｔの光源であり、半導体レーザ１２０から出射した光は方向性結合器１４０ｃ、方向性結合器１４０ａ、
希土類添加光ファイバ１１２ａ、リング共振器フィルタ１２８ａ、屈曲部１３２ａ、アイソレータ１２６ｂ、希土類添加光ファイバ１１２ａ、方向性結合器１４０ｂ、アイソレータ１２６ｃを経由してグレーティングカプラ６０ａに至る。半導体レーザ１２０から出射した光の一部は、光を折り返す折り返し部としての屈曲部１３２ｂで折り返されている。
グレーティングカプラ６０ａは光集積回路１１８（センサヘッド）から光を出射する機能を有し、光導波路を伝搬してきた光を垂直に取り出す。
【００４４】
励起用半導体レーザ１２２ａから出射した光は、方向性結合器１４０ａ、光導波路を介して希土類添加光ファイバ１１２ａに光結合され、励起用半導体レーザ１２２ｂから出射した光は方向性結合器１４０ｂ、光導波路を介して希土類添加光ファイバ１１２ａに光結合されている。すなわち、半導体レーザ１２０から出射した光は、希土類添加光ファイバ１１２ａ、励起用半導体レーザ１２２ａ、１２２ｂを含んで構成された前方後方励起型の光ファイバ増幅器１１４ａにより増幅され、グレーティングカプラ６０ａから出射する。
【００４５】
光集積回路１１６に接続された希土類添加光ファイバ１１２ａは、光集積回路１１６内に形成された屈曲部１３２ａ、１３２ｂで折り返される。両端にリング共振器フィルタ１２８ａおよびアイソレータ１２６ｂが配置された屈曲部１３２ａを含む部位、および両端を方向性結合器１４０ｅおよび１４０ｆで光導波路に接続された屈曲部１３２ｂを含む部位は、上記光ファイバ増幅器１１４ａの自然放出光による効率の劣化あるいは雑音の増加を抑制する機能を有している。すなわち、アイソレータ１２６ｂは反対方向に通過する自然放出光を阻止するように、屈曲部１３２ｂの両端の方向性結合器１４０ｅおよび１４０ｆは、励起光のみ通過するように構成されている。
【００４６】
一方、センサヘッドの受光部において、被測定物からの反射光を集光する機能を有するグレーティングカプラ６０ｂから入射した入射光Ｐｉｎは、アイソレータ１２６ｄ、方向性結合器１４０ｄ、希土類添加光ファイバ１１２ｂ、屈曲部１３２ｃ、アイソレータ１２６ｅ、希土類添加光ファイバ１１２ｂ、屈曲部１３２ｅ、希土類添加光ファイバ１１２ｂ、アイソレータ１２６ｆ、リング共振器フィルタ１２８ｂを経由してフォトダイオード１２４に至る。グレーティングカプラ６０ｂから入射した光の一部は屈曲部１３２ｄにより折り返される。グレーティングカプラ６０ｂは、入射した入射光Ｐｉｎを９０°折り曲げて光導波路に導く作用を有する。
【００４７】
励起用半導体レーザ１２２ｃから出射した光は、方向性結合器１４０ｄ、光導波路を介して希土類添加光ファイバ１１２ｂに結合されている。すなわち、グレーティングカプラ６０ｂで集光された反射光は、希土類添加光ファイバ１１２ｂ、励起用半導体レーザ１２２ｃを含んで構成された前方励起型の光ファイバ増幅器１１４ｂにより増幅され、フォトダイオード１２４で受光される。
【００４８】
図２（ｂ）は、光集積回路１１６あるいは１１８に形成された光導波路４２の、図２（ａ）におけるＡ−Ａ’断面図を示している。図２（ｂ）に示すように、本実施の形態に係る光導波路４２は、Ｓｉ基板８０上に形成された光の導波部分であるコア５０およびコア５０の周囲を覆うクラッド５２を含んで構成されている。後述するように、光導波路４２のコア５０は一例としてＳｉで、クラッドは一例としてＳｉＯ２で形成されている。コア５０の大きさは、一例として、縦約２００μｍ、横約３００μｍである。
【００４９】
つぎに、図３を参照して、本実施の形態に係る光学装置１００（ＬＩＤＡＲ）の応用形態について説明する。
【００５０】
図３（ａ）は、光学装置１００を自動車に装備した場合の例を示している。光学装置１００のセンサヘッドである光集積回路１１８を、たとえば自動車の前方に設置することにより、投光部からの出射光Ｌを前方に向けて出射し、被測定物からの反射光を受光することにより、人あるいは障害物等を検知することができる。
【００５１】
図３（ｂ）は、ワイヤハーネス１９２で本体である光集積回路１１６（図示省略）と接続された光集積回路１１８の設置状態を示している。光集積回路１１８は、たとえば、自動車の窓Ｗの枠の上部に設置することができる。
【００５２】
図３（ｃ）は、ワイヤハーネス１９２のＢ−Ｂ’断面図を示している。同図に示すように、ワイヤハーネス１９２には希土類添加光ファイバ１１２ａ、１１２ｂと電源ケーブル１９０が通されているだけなので、本実施の形態に係るワイヤハーネス１９２は非常に細く構成することが可能となる。
【００５３】
上述したように、本実施の形態に係る光学装置１００は非常に小型に構成することが可能であり、光集積回路１１６と１１８との間も細いワイヤハーネス１９２によって接続することができ、本実施の形態のように、たとえば自動車の窓Ｗの枠近辺に非常にコンパクトに設置することが可能となる。
【００５４】
つぎに、図４を参照して、本実施の形態に係る光学装置１００における光集積回路１１６、１１８の製造方法について説明する。
【００５５】
光集積回路１１６，１１８は、一例として、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を用いた製造プロセスにより製造することができる。図４は、該ＳＯＩ基板を用いた、本実施の形態に係る光学装置１００における光導波路４２を含む光集積回路１１６、１１８の製造方法を示している。なお、図４に示す製造方法は、たとえば半導体レーザ１２０あるいはフォトダイオード１２４の駆動用電源を接続するための電極、および回折格子（グレーティング）の形成方法を含む製造方法である。
【００５６】
図４（ａ）に示すように、まず、Ｓｉ基板８０上に形成されたＳｉＯ２層８２と、該ＳｉＯ２層８２上に形成された厚さ０．２μｍ程度のＳｉ層８４とを有するＳＯＩ基板７４を準備する。
つぎに、図４（ｂ）に示すように、ＳＯＩ基板７４のＳｉ層８４上にレジストを塗布した後露光して、Ｓｉ層８４を、たとえばコア５０にパターニングするためのレジストパターン８６を形成する。
【００５７】
つぎに、図４（ｃ）に示すように、上記レジストパターン８６をマスクとし、ＳＦ６およびＯ２の混合ガス等を用いた反応性イオンエッチング等により、Ｓｉ層８４を所望の形状（たとえば、コア５０の形状）にパターニングする。
つぎに、図４（ｄ）に示すように、酸素プラズマを用いた反応性イオンエッチング等により、不要なレジストを剥離する。
【００５８】
つぎに、図４（ｅ）に示すように、Ｓｉ層８４の一部をＮ型Ｓｉに変えるべく、レジストを塗布した後露光して、Ｎ型Ｓｉに変える部分以外のＳｉ層８４上にレジストパターン８８を形成する。
つぎに、図４（ｆ）に示すように、上記レジストパターン８８をマスクとし、イオン注入等によってＡｓ（ヒ素）等を打ち込み、Ｎ型層９０を形成する。
【００５９】
つぎに、図４（ｇ）に示すように、酸素プラズマを用いた反応性イオンエッチング等により不要なレジストを剥離した後、熱処理することでアニーリングし、シリコン結晶の欠陥を修復する。
【００６０】
つぎに、図４（ｈ）に示すように、Ｓｉ層８４の回折格子を形成する部分にレジストを塗布した後露光して、レジストパターン９２を形成する。
つぎに、図４（ｉ）に示すように、レジストパターン９２をマスクとして、反応性イオンエッチング等により開孔９４を形成する。その後、不要なレジストを反応性イオンエッチング等により剥離する。該開孔９４が回折格子の一部となる。
【００６１】
つぎに、図４（ｊ）に示すように、プラズマ化学気相成長などによりＳｉＯ２膜９６を堆積させる。この後、Ｂ（ボロン）やＰ（リン）を添加して軟化加熱しＳｉＯ２膜９６を平坦化させる方法、あるいは化学研磨による方法でＳｉＯ２膜９６を平坦化させてもよい。
【００６２】
つぎに、ＳｉＯ２膜９６上にレジストを塗布して露光し、ドーピングの必要がない部分を覆うレジストパターン７６を形成した後、図４（ｋ）に示すように、ＣＦ４プラズマラを用いた反応性イオンエッチング等により、ＳｉＯ２膜を削ってコンタクトホール９８を形成する。その後、酸素プラズマを用いた反応性イオンエッチング等により、不要なレジストを剥離する。
【００６３】
つぎに、図４（ｌ）に示すように、スパッタリング等によりＳｉＯ２膜９６上に金属薄膜（たとえば、Ａｌ（アルミニウム）膜）を成膜する。その後、該金属薄膜上にレジストを塗布した後露光し、電極として残したい部分をレジストパターンで覆う。その後、Ｃｌプラズマを用いたドライエッチング等により電極７８を形成する。
不純物残渣は、Ａｌドライエッチング残渣除去液等により除去してもよい。
【００６４】
以上の製造工程により、回折格子、電極等を含む光集積回路を製造することができる。
なお、本実施の形態では、シリコンを材料とした光集積回路用いた形態を例示して説明したが、これに限られず、窒化シリコンを材料とした光集積回路を用いた形態としてもよい。
【００６５】
以上のように、本実施の形態に係る光学装置１００では、半導体レーザ１２０、励起用半導体レーザ１２２ａ、１２２ｂ、アイソレータ１２６ａ、１２６ｂ、１２６ｃ、リング共振器フィルタ１２８ａ、および希土類添加光ファイバ１１２ａを備えた光ファイバ増幅器１１４ａを含む投光部がひとつの光学モジュールとなっている。また、励起用半導体レーザ１２２ｃ、アイソレータ１２６ｄ、１２６ｅ、１２６ｆ、リング共振器フィルタ１２８ｂ、フォトダイオード１２４、および希土類添加光ファイバ１１２ｂを備えた光ファイバ増幅器１１４ｂを含む受光部が別のひとつの光学モジュールとなっている。つまり、分離された光集積回路とそれらの間を往復して接続する光ファイバが光ファイバ増幅器等の光学モジュールを構成し、所定の長さで分離された光集積回路の間の距離によって、所望の光学的特性を実現するために必要な光ファイバの長さを確保している。
【００６６】
ここで、光集積回路１１６は、希土類添加光ファイバ１１２ａ、１１２ｂの接続ピッチに合わせて光導波路４２を折り返すための屈曲部１３２ａ、１３２ｂ、１３２ｃ、１３２ｄを有している。また、光集積回路１１８は、希土類添加光ファイバ１１２ｂの接続ピッチに合わせて光導波路４２を折り返すための屈曲部１３２ｅを有している。上述したように、屈曲部の最小曲げ半径は微細にすることが可能なので、希土類添加光ファイバ１１２ａおよび１１２ｂは高密度で配置することができ、光学装置１００を小型に構成することが可能となる。
【００６７】
以上の説明で明らかように、本実施の形態に係る光学装置によれば、光ファイバを用いた光学装置のさらなる小型化を実現することができる。
【００６８】
［第２の実施の形態］
図５を参照して、本実施の形態に係る光学装置２００について説明する。光学装置２００は、本発明に係る光学装置をリング型モードロックレーザに適用した形態である。
【００６９】
リング型モードロックレーザとは、光増幅作用を有するリング状の光ファイバおよび該光ファイバの光路中に設けられたモードロッカーを備えた光共振器に励起光源からの光を入射し、たとえば短パルスレーザ光を出力させるレーザである。モードロッカーとは、光強度の低い成分を抑制し、光強度の高い成分を透過するいわゆる過飽和吸収体である。リング型モードロックレーザでは、モードロッカーとして、非線形増幅ループミラー（ＮＡＬＭ：Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ  Ａｍｐｌｉｆｙｉｎｇ  Ｌｏｏｐ  Ｍｉｒｒｏｒ）、あるいは、非線形偏波回転（ＮＰＲ：Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ  Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ  Ｒｏｔａｔｉｏｎ）などが用いられる。また、出力パルスの繰り返し周期はファイバ長によって定まる。
【００７０】
図５（ａ）のブロック図に示すように、光学装置２００は、希土類添加光ファイバ２１２、光ファイバ２１０、およびアイソレータ２２６を含んで構成されたリング共振器に、
励起光源からの入射光Ｐｉｎを入力するための方向性結合器２４０ａ、リング共振器からの光を出力光Ｐｏｕｔとして取り出すための方向性結合器２４０ｂを備えている。なお、
図５（ａ）では、モードロッカーを省略している。
【００７１】
図５（ｂ）は、光集積回路を用いて実現した光学装置２００の構成の一例を示している。図５（ｂ）に示すように、光学装置２００は、光集積回路２１６、２１８、および光集積回路２１６と２１８との間を接続するリボンファイバ２６０を含んで構成されている。
リボンファイバ２６０は、複数本（図５（ｂ）では２本）の希土類添加光ファイバ２１２を束ねて一体化したものである。
【００７２】
図５（ｂ）に示すように、光集積回路２１６は、励起用半導体レーザ２２２、光導波路により形成された方向性結合器２４０ａ、２４０ｂ、屈曲部２４２ａを含んで構成されている。励起用半導体レーザ２２２は一例として端面発光型の半導体レーザであり、光集積回路２１６の基板（図示省略）に設けられた開孔２５０の内部に実装され、半導体レーザ２２２の出射端面と光導波路４２の端面とが光結合されている。
【００７３】
また、図５（ｂ）に示すように、光集積回路２１８は、アイソレータ２２６、光導波路により形成された屈曲部２４２ｂを含んで構成されている。
【００７４】
図５（ｂ）に示す光学装置２００は、２個の光集積回路２１６、２１８の間を希土類添加光ファイバ２１２で接続した構成によってリング型モードロックレーザを実現している。本実施の形態に係る光学装置２００によれば、光導波路を用いて屈曲部２４２ａ、２４２ｂを形成しているので、屈曲部２４２ａ、２４２ｂの曲率半径を微細にでき、複数本で構成される希土類添加光ファイバ２１２の接続ピッチを細かくすることができる。また、
本実施の形態に係る光学装置２００によれば、光集積回路２１６と２１８との間で希土類添加光ファイバ２１２を往復させているので、所望の利得を実現する希土類添加光ファイバ２１２の長さを確保することができる。
【００７５】
以上のように、本実施の形態に係る光学装置によっても、光ファイバを用いた光学装置のさらなる小型化を実現することができる。
【００７６】
＜第２の実施の形態の変形例＞
本実施の形態に係る光学装置４００の一例を図６に示す。
光学装置４００は、上述した光学装置２００の希土類添加光ファイバ２１２の長さをさらに長く確保し、光増幅作用における増幅率をさらに高くした形態である。したがって、
図５と機能を同じくする構成には同じ符号を付して説明を省略する。
【００７７】
図６に示すように、光学装置４００は、光学装置２００において、希土類添加光ファイバ２１２を２本含むリボンファイバ２６０を、希土類添加光ファイバ２１２を４本含むリボンファイバ４６０に変更し、光集積回路２１６に屈曲部２４２ｃを追加し、光集積回路２１８に屈曲部２４２ｄを追加して構成されている。
【００７８】
このように、本実施の形態に係る光学装置４００では、リボンファイバに含まれる希土類添加光ファイバの本数を、光増幅作用における所望の増幅率で必要とされる本数まで増やし、該本数に応じて光集積回路内の屈曲部の数を増やすことにより、リング型モードロックレーザにおける増幅率を増加することができる。このようにしても、曲率半径の小さい光導波路で形成された屈曲部を用いて各希土類添加光ファイバによる光路を折り返しているため、たとえば高密度に希土類添加光ファイバが配置されたリボンファイバを用いることができるので、光学装置４００を小型に構成することができる。
【００７９】
［第３の実施の形態］
図７を参照して、本実施の形態に係る光学装置３００について説明する。光学装置３００は、本発明に係る光学装置を光ファイバ増幅器に適用した形態である。
【００８０】
図７（ａ）は、光学装置３００の基本的な構成を説明するためのブロック図である。図７（ａ）に示すように、光学装置３００は、励起用半導体レーザ３２２、希土類添加光ファイバ３１２、アイソレータ３２６ａ、３２６ｃ、およびバンドパスフィルタ３２８を含んで構成されている。光ファイバを用いた光ファイバ増幅器としての光学装置３００は、
励起用半導体レーザ３２２による励起光で励起した状態の希土類添加光ファイバ３１２に、信号光を入射光Ｐｉｎとして入射することにより増幅された信号光を出力光Ｐｏｕｔとして出力する光ファイバ増幅器である。
【００８１】
図７（ｂ）は、光集積回路を用いて実現した光学装置３００の構成の一例を示している。図７（ｂ）に示すように、光学装置３００は、光集積回路３１６、３１８、およびリボンファイバ３６０を含んで構成されている。リボンファイバ３６０は、２本の希土類添加光ファイバ３１２を束ねて一体化したものである。
【００８２】
光集積回路３１６は、励起用半導体レーザ３２２、アイソレータ３２６ａ、３２６ｃ、
光導波路により形成された方向性結合器３４０ａ、およびリング共振器フィルタ３２８ｂを含んで構成されている。半導体レーザ３２２は一例として端面発光型の半導体レーザであり、光集積回路３１６の基板（図示省略）に設けられた開孔３５０の内部に実装され、
半導体レーザ３２２の出射端面と光導波路４２の端面とが光結合されている。
【００８３】
光集積回路３１８は、アイソレータ３２６ｂ、光導波路で形成された方向性結合器３４０ｂ、３４０ｃ、屈曲部３４２ａ、３４２ｂ、およびリング共振器フィルタ３２８ａを含んで構成されている。
【００８４】
図７（ｂ）に示す光学装置３００は、２個の光集積回路３１６、３１８の間を複数本（図７（ｂ）では２本）の希土類添加光ファイバ３１２で接続した構成によって光ファイバ増幅器を実現している。複数本で構成される希土類添加光ファイバ３１２による光路は、
光導波路を用いて形成された曲率半径の微細な屈曲部３４２ａ、３４２ｂにより折り返されるので、複数本の希土類添加光ファイバ３１２の接続ピッチを細かくすることができ、
また、光集積回路３１６と３１８との間を往復させることにより所定の利得を実現する希土類添加光ファイバ３１２の長さを確保することができる。
【００８５】
以上のように、本実施の形態に係る光学装置によっても、光ファイバを用いた光学装置のさらなる小型化を実現することができる。
【００８６】
なお、上記実施の形態ではリボンファイバ３６０に含まれる希土類添加光ファイバ３１２が２本の場合を例示して説明したが、図６に示す光学装置４００と同様に４本、あるいはそれ以上の本数の希土類添加光ファイバ３１２が含まれるリボンファイバを用いる形態としてもよい。この場合、希土類添加光ファイバの本数に応じて、希土類添加光ファイバ３１２の光路を折り返すために光集積回路に設ける屈曲部の数を増やせばよい。
【００８７】
また、上記各実施の形態では、光集積回路間に接続する光ファイバの光集積回路内における折り返し部として、光導波路によって形成された屈曲部を用いる形態を例示して説明したが、これに限られず、屈曲部の代わりに反射ミラー、プリズム等を用いた折り返し部を適用した形態としてもよい。
【符号の説明】
【００８８】
１０    光学装置
１２    光ファイバ束
１２ａ、１２ｂ  希土類添加光ファイバ
１４ａ、１４ｂ  光ファイバ増幅器
１６、１８  光集積回路
２０    半導体レーザ
２２ａ〜２２ｃ  励起用半導体レーザ
２４    フォトダイオード
２６ａ〜２６ｆ  アイソレータ
２８ａ、２８ｂ  バンドパスフィルタ
３０ａ、３０ｂ  レンズ
３２ａ〜３２ｄ  屈曲部
４２    光導波路
５０    コア
５２    クラッド
６０ａ、６０ｂ  グレーティングカプラ
７４    ＳＯＩ基板
７６    レジストパターン
７８    電極
８０    Ｓｉ基板
８２    ＳｉＯ２層
８４    Ｓｉ層
８６、８８  レジストパターン
９０    Ｎ型層
９２    レジストパターン
９４    開孔
９６    ＳｉＯ２膜
９８    コンタクトホール
１００  光学装置
１１２ａ、１１２ｂ  希土類添加光ファイバ
１１４ａ、１１４ｂ  光ファイバ増幅器
１１６、１１８  光集積回路
１２０  半導体レーザ
１２２ａ〜１２２ｃ  励起用半導体レーザ
１２４  フォトダイオード
１２６ａ〜１２６ｆ  アイソレータ
１２８ａ、１２８ｂ  リング共振器フィルタ
１３２ａ〜１３２ｅ  屈曲部
１４０ａ〜１４０ｆ  方向性結合器
１５０  開孔
１６０  リボンファイバ
１９０  電源ケーブル
１９２  ワイヤハーネス
２００  光学装置
２１０  光ファイバ
２１２  希土類添加光ファイバ
２１６、２１８  光集積回路
２２２  励起用半導体レーザ
２２６  アイソレータ
２４０ａ、２４０ｂ  方向性結合器
２４２ａ〜２４２ｄ  屈曲部
２５０  開孔
２６０  リボンファイバ
３００  光学装置
３１２  希土類添加光ファイバ
３１６、３１８  光集積回路
３２２  励起用半導体レーザ
３２６ａ〜３２６ｃ  アイソレータ
３２８ａ、３２８ｂ  リング共振器フィルタ
３４０ａ〜３４０ｃ  方向性結合器
３４２ａ、３４２ｂ  屈曲部
３５０  開孔
３６０  リボンファイバ
４００  光学装置
４６０  リボンファイバ
９００  光学装置
９０２  投光部
９０４  受光部
９１２ａ〜９１２ｆ  希土類添加光ファイバ
９１６  光集積回路
９１８  センサヘッド
９２０  半導体レーザ
９２２ａ〜９２２ｃ  励起用半導体レーザ
９２４  フォトダイオード
９２６  アイソレータ
９２８  バンドパスフィルタ
９３０ａ、９３０ｂ  レンズ
９６０  光ファイバ
Ｍ      磁石
Ｙ      ＹＩＧ結晶
【図１】
0005907146.tif 000002
【図２】
0005907146.tif 000003
【図３】
0005907146.tif 000004
【図５】
0005907146.tif 000005
【図６】
0005907146.tif 000006
【図７】
0005907146.tif 000007
【図８】
0005907146.tif 000008
【図９】
0005907146.tif 000009
【図４】
0005907146.tif 000010