特許 7597219 光機械アレイ素子

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-12-02

(45)【発行日】2024-12-10

(54)【発明の名称】光機械アレイ素子

(51)【国際特許分類】

   G02B 6/02 20060101AFI20241203BHJP

【ＦＩ】

G02B6/02 411

G02B6/02 Z

G02B6/02 376A

G02B6/02 376Z

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2023528908

(86)(22)【出願日】2021-06-18

(86)【国際出願番号】 JP2021023160

(87)【国際公開番号】W WO2022264395

(87)【国際公開日】2022-12-22

【審査請求日】2023-11-24

(73)【特許権者】

【識別番号】000004226

【氏名又は名称】日本電信電話株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100098394

【弁理士】

【氏名又は名称】山川 茂樹

(74)【代理人】

【識別番号】100153006

【弁理士】

【氏名又は名称】小池 勇三

(74)【代理人】

【識別番号】100064621

【弁理士】

【氏名又は名称】山川 政樹

(74)【代理人】

【識別番号】100121669

【弁理士】

【氏名又は名称】本山 泰

(72)【発明者】

【氏名】浅野 元紀

(72)【発明者】

【氏名】山口 浩司

(72)【発明者】

【氏名】岡本 創

【審査官】林 祥恵

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１４－０６７０３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１５／０２７７０４９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】ASANO, M. et al.，“Observation of optomechanical coupling in a microbottle resonator”，LASER & PHOTONICS REVIEWS，2016年，Vol. 10, No. 4，pp. 603-611

【文献】SUMETSKY, M.，"Theory of SNAP devices: basic equations and comparison with the experiment"，OPTICS EXPRESS，2012年09月24日，Vol. 20, No. 20，pp. 22537-22554

【文献】GUO Y. et al.，“Strain-based tunable hollow-peanut-shaped optical microresonator”，OPTICS AND LASER TECHNOLOGY，2021年02月04日，Vol. 139，pp.106762-1 - 106762-5

【文献】SUMETSKY, M. et al.，“Coupled high Q-factor surface nanoscale axial photonics (SNAP) microresonators”， OPTICS LETTERS，2012年03月15日，Vol. 37, No. 6，pp. 990-992

【文献】SUMETSKY, M.，“Optical bottle microresonators”，PROGRESS IN QUANTUM ELECTRONICS，2019年04月13日，Vol. 64，pp. 1-30

【文献】浅野 元紀、他，"ボトル型微小光共振器における機械振動子モードの高ｆＱ積の実現"，第７７回応用物理学会秋季学術講演会講演予稿集，2016年09月，p.03-412

【文献】浅野 元紀，他，"ボトル光共振器と電気機械共振器とのエバネッセント結合"，第６５回応用物理学会春季学術講演会講演予稿集，2018年03月，p.100000000-010

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｂ ６／０２

Ｇ０２Ｂ ６／１０

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

ＩＥＥＥ Ｘｐｌｏｒｅ

Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｄｉｒｅｃｔ

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

外形が円形とされた棒状の母体に、等間隔に径を細くすることで形成された径の細い複数の連結部、および前記複数の連結部の隣り合う間のボトル型共振部を備え、
前記ボトル型共振部は、ウィスパリングギャラリーモードの光共振器とされ、
前記複数の連結部の各々は、隣り合う前記ボトル型共振部の機械振動が伝搬可能とされていることを特徴とする光機械アレイ素子。

【請求項2】

請求項１記載の光機械アレイ素子において、
前記母体は、連結部が屈曲可能な材料から構成されていることを特徴とする光機械アレイ素子。

【請求項3】

請求項１または２記載の光機械アレイ素子において、
前記母体は、連結部が軸中心にねじれ可能な材料から構成されていることを特徴とする光機械アレイ素子。

【請求項4】

請求項２または３記載の光機械アレイ素子において、
前記母体は、ガラスまたはプラスチックからなるファイバから構成されていることを特徴とする光機械アレイ素子。

【請求項5】

請求項１～４のいずれか１項に記載の光機械アレイ素子において、
前記母体は円筒状とされていることを特徴とする光機械アレイ素子。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光共振器と機械共振器とからなる光機械アレイ素子に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、機械共振器を用いた信号処理技術が注目を集めている。例えば、メンブレン型の機械共振器をアレイ化したメンブレンアレイ構造が提案されている（非特許文献１，非特許文献２）。この構造は、複数のＭＥＭＳセンサやアクチュエータを一体型の素子として搭載できる上、メンブレン構造同士の機械振動結合を利用することにより、機械振動の振幅や位相に担わせた情報（信号）をアレイ方向へ伝搬転送させることが可能となる。これにより、機械共振器を主体とした低消費電力な信号転送ネットワークの実現が期待されている。

【0003】

一方、このような機械共振器ネットワークをＩｏＴ素子として従来の光ネットワークのノードに組み込むためには、それぞれの機械共振器における高効率な光機械変換が必要となる。機械共振器単体における高効率な光機械変換は、例えば、強い光閉じ込め効果を有する光共振器を機械共振器と結合させることにより実現されている（非特許文献３）。また、マイクロボトル共振器による機械光機械結合についても提案されている（非特許文献４）。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0004】

【文献】D. Hatanaka et al., "Phonon waveguides for electromechanical circuits", Nature Nanotechnology, vol. 9, pp. 520-524, 2014.

【文献】E. Romero et al., "Propagation and Imaging of MechanicalWaves in a Highly Stressed Single-Mode Acoustic Waveguide", Physical Review Applied, vol. 11, 064035, 2019.

【文献】T. J. Kippenberg and K. J. Vahala, "Cavity Opto-Mechanics", Optics Express, vol. 15, no. 22, pp. 17172-17205, 2007.

【文献】M. Asano et al., "Observation of optomechanical coupling in a microbottle resonator", Laser & Photonics Reviews, vol. 10, Issue 4, 2016.

【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、上述したような光機械共振器構造をアレイ状にネットワーク化する試みは容易ではなく、未だ実現していない。実際に、従来のメンブレン構造１つ１つに光共振器を組み込むことは技術的に困難であり、従来の機械共振器アレイ構造を基にした構成では実現が難しい。

【0006】

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、複数の光機械共振器構造をアレイ状に接続した光機械アレイ素子の提供を目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明に係る光機械アレイ素子は、外形が円形とされた棒状の母体に、等間隔に径を細くすることで形成された径の細い複数の連結部、および複数の連結部の隣り合う間のボトル型共振部を備え、ボトル型共振部は、ウィスパリングギャラリーモードの光共振器とされている。

【発明の効果】

【0008】

以上説明したように、本発明によれば、ウィスパリングギャラリーモードの光共振器となるボトル型共振部を、連結部で複数連結したので、複数の光機械共振器構造をアレイ状に接続した光機械アレイ素子が提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】図１は、本発明の実施の形態に係る光機械アレイ素子の構成を示す構成図である。

【図2A】図２Ａは、本発明の実施の形態に係る光機械アレイ素子の一部構成を示す構成図である。

【図2B】図２Ｂは、ボトル型共振部１０３のウィスパリングギャラリー型光学モードを示す特性図である。

【図3A】図３Ａは、本発明の実施の形態に係る光機械アレイ素子の機械振動の励起および計測の原理を説明するための説明図である。

【図3B】図３Ｂは、本発明の実施の形態に係る光機械アレイ素子の機械振動の励起および計測の原理を説明するための説明図である。

【図4A】図４Ａは、本発明の実施の形態に係る他の光機械アレイ素子の構成を示す構成図である。

【図4B】図４Ｂは、本発明の実施の形態に係る他の光機械アレイ素子の構成を示す構成図である。

【図5A】図５Ａは、本発明の実施の形態の実施例１に係る光機械アレイ素子の構成を示す構成図である。

【図5B】図５Ｂは、本発明の実施の形態の実施例１に係る光機械アレイ素子の顕微鏡写真である。

【図5C】図５Ｃは、第１光ファイバ１０５ａに接続されている第１測定器１０８ａにより測定される機械振動信号を示す特性図である。

【図5D】図５Ｄは、第１光ファイバ１０５ａに接続されている第２測定器１０８ｂにより測定される機械振動信号を示す特性図である。

【図6A】図６Ａは、本発明の実施の形態の実施例２に係る光機械アレイ素子の構成を示す構成図である。

【図6B】図６Ｂは、本発明の実施の形態の実施例２に係る他の光機械アレイ素子の構成を示す構成図である。

【図7】図７は、本発明の実施の形態の実施例３に係る光機械アレイ素子の構成を示す構成図である。

【図8】図８は、本発明の実施の形態の実施例４に係る光機械アレイ素子の構成を示す構成図である。

【図9】図９は、本発明の実施の形態の実施例５に係る光機械アレイ素子の構成を示す構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本発明の実施の形態に係る光機械アレイ素子について光機械アレイ素子１００について図１を参照して説明する。光機械アレイ素子１００は、外形が円形とされた棒状の母体１０１から構成されている。母体１０１は、ガラスまたはプラスチックからなるファイバから構成することができる。

【0011】

母体１０１には、等間隔に径を細くすることで形成された径の細い複数の連結部１０２、および複数の連結部１０２の隣り合う間のボトル型共振部１０３を備える。連結部１０２は、ボトル型共振部１０３より径の細い部分である。ボトル型共振部１０３は、いわゆるボトル型の形状を有している。円柱状の母体１０１に、径の細い連結部１０２と径の太いボトル型共振部１０３の部分とが交互に形成されている。光機械アレイ素子１００は、複数のボトル型共振部１０３が、 連結部１０２で連結された構造ということができる。ボトル型共振部１０３は、ウィスパリングギャラリーモードの光共振器とされている。また、ボトル型共振部１０３は、動径方向あるいは偏角方向に機械振動モードを有する機械共振器とされている。また、複数の連結部１０２の各々は、隣り合うボトル型共振部１０３の機械振動が伝搬可能とされている。

【0012】

実施の形態に係る光機械アレイ素子によれば、例えば、図２Ａに示すように、ボトル型共振部１０３の状態密度の大きな領域に、光ファイバ１０５の入出力部１０６を近づけて配置することで、ボトル型共振部１０３のウィスパリングギャラリーモード１３１に光子を注入して光共鳴を励起することができる。ボトル型共振部１０３は、図２Ｂに示すように、軸方向光強度（状態密度）分布のウィスパリングギャラリー型光学モードを有する。

【0013】

また、ボトル型共振部１０３のウィスパリングギャラリーモードの光共鳴を、光ファイバ１０５で読み出したりすることができる。入出力部１０６は、例えば、光ファイバ１０５の被覆を除去し、さらに、クラッド層を薄くして、コアからの光漏れ出しが可能とされている領域である。入出力部１０６を、光ファイバ１０５のコアと、ボトル型共振部１０３のウィスパリングギャラリーモードとが光学的に結合可能な距離に近づけて配置することで、上述した励起や読み出しが可能となる。また、プリズムなどの光学素子を用いることでも、上述した励起や読み出しをすることができる。

【0014】

上述した光共鳴は、ボトル型共振部１０３の固有の周波数で振動する機械共振の影響を受けて周期的に変調される。つまり、光機械アレイ素子１００においては、光と機械振動が相互作用する。従って、光機械アレイ素子１００を用いることで、機械振動の大きさを光共鳴の変調を介して高感度に読み取ることが可能である。この原理を利用することにより、微小な機械振動（変位）の励振・制御・計測が実現できる。

【0015】

具体的な機械振動の励起および計測の原理を、ボトル型共振部１０３の動径方向振動モードを例に、図３Ａを参照して説明する。図３Ａにおいて、点線は光の伝搬を示し、実線は、機械振動の方向を示している。ボトル型共振部１０３の機械振動は、ボトル型共振部１０３の動径周囲を何度も周回するウィスパリングギャラリーモード内の光子が生み出す放射圧により励起される。ウィスパリングギャラリー光学モードは、ボトル型共振部１０３を偏角方向に全反射しながら周回するモードであることから、全反射する各点において動径方向の放射圧を生み出すことが可能となる。

【0016】

一方、ボトル型共振部１０３の機械振動の計測は、動径方向の変位により光学モードの実効的な伝搬長が変化することにより生じる光の位相、あるいは周波数の変化を介して可能となる［図３Ｂ］。図３Ｂにおいて、実線で変位がない状態を示し、点線で変位がある状態を示す。

【0017】

また、図４Ａに示すように、細線化した光ファイバ１０５を光導波路として複数の光機械アレイ素子１００の間に架橋することにより、素子間の信号の通信を光によって実装可能となる。また、母体１０１を、連結部１０２が屈曲可能な材料から構成することで、図４Ｂに示すように、円筒状の母材として屈曲可能な材料を用いることにより、形状に柔軟性を有する光機械アレイ素子１００’が形成できる。

【0018】

実施の形態に係る光機械アレイ素子１００は、構造単位であるボトル型共振部１０３同士の間隔（連結部１０２の連結方向長さ）を適切に調節設計することにより、機械振動モード間の重なり（結合）を可能とし、これにより、機械振動をアレイ方向（連結方向）へと伝搬転送させることも可能である。

【0019】

実施の形態に係る光機械アレイ素子１００は、１次元アレイ上での振動センサ、アクチュエータ、フィルタノードの機械振動としての情報を直接処理することが可能となる。さらに、複数のボトル型共振部１０３の間を伝搬する機械振動に対してパラメトリックな光機械相互作用を利用することにより、光による振動伝搬の信号増幅および減衰を実現することが可能となる。

【0020】

また、母体１０１は、連結部１０２が軸中心にねじれ可能な材料から構成することができる。このように構成することで、光機械アレイ素子１００の両端から、張力やねじれ応力を印加することで、光機械アレイ素子１００内に組み込まれた各々のボトル型共振部１０３における光特性や機械特性を同時に制御することが可能となる。

【0021】

また、母体１０１は円筒状とすることができる。このように構成することで、円筒状の母体１０１の中心部に円筒軸方向への光伝搬が可能となるコア領域を有するシリカ光ファイバなどを配置可能となり、この光ファイバ（コア）を伝搬する光を用いて、光機械アレイ素子１００に印加された張力やねじれ応力を読み取ることが可能となる。

【0022】

実施の形態に係る光機械アレイ素子１００を用いることで、外乱によって各単位構造のボトル型共振部１０３における機械共鳴が変調されることを利用することで、光による外乱のセンシングが可能となる。また、光機械アレイ素子１００を用いることで、母体１０１の中空構造の内部を流路とすることで、複数のボトル型共振部１０３の振動による流体制御が可能となる。

【0023】

以下、実施例を用いてより詳細に説明する。

【0024】

［実施例１］
はじめに、実施例１について、図５Ａを参照して説明する。実施例１では、母体として、シリカ光ファイバを用い、ファイバ加工機を用いて等間隔に連結部１０２を形成することで、複数のボトル型共振部１０３を形成して、光機械アレイ素子１００を作製した。直径８０μｍのシリカ光ファイバクラッドに対して直径７０μｍのくびれを形成することで、連結部１０２とした。また、連結部１０２を５５０μｍ間隔で形成することで、９個のボトル型共振部１０３を形成して光機械アレイ素子１００とした。実際に作製した光機械アレイ素子１００の一部の顕微鏡写真を図５Ｂに示す。

【0025】

また、光機械アレイ素子１００の一端側のボトル型共振部１０３に、第１光ファイバ１０５ａの入出力部を光結合させ、他端側のボトル型共振部１０３に、第２光ファイバ１０５ｂの入出力部を光結合させる。各光ファイバの入出力部は、クラッド径を光波長程度（～１．５μｍ）まで細線化した部分である。入出力部を、例えば、対応するボトル型共振部１０３に光波長程度まで接近させた状態で、各光ファイバを固定する。

【0026】

第１光ファイバ１０５ａには、一端に第１光源１０７ａが接続され、他端に第１測定器１０８ａが接続されている。第２光ファイバ１０５ｂには、一端に第２光源１０７ｂが接続され、他端に第２測定器１０８ｂが接続されている。各光源は、例えば、レーザー装置とすることができる。また、各測定器は、フォトダイオードなどの受光素子から構成することができる。

【0027】

第１光ファイバ１０５ａに光を導入することで、光機械アレイ素子１００に対して光による機械振動１３２の励起を行う。一方、第２光ファイバ１０５ｂに導入した光の変化を第２測定器１０８ｂで測定することで、光機械アレイ素子１００に発生した機械振動１３２を測定する。

【0028】

第１光源１０７ａより出射するレーザー光の周波数を適切に調整することにより、第１光ファイバ１０５ａに接続されている第１測定器１０８ａにより、図５Ｃに示すような、４９．２ＭＨｚ付近にピークを有する機械振動信号が測定される。一方で、同時に第２光源１０７ｂより出射するレーザー光の周波数を調整することにより、第２測定器１０８ｂにより、図５Ｄに示すような、４９．２ＭＨｚ付近にピークを有する信号が測定される。

【0029】

なお、第２光源１０７ｂのレーザーパワーは、第１光源１０７ａよりも３桁小さい１０μＷとしており、検出用レーザーによる余剰の振動励起は無視できるほどに抑えている。この実験結果は、光機械アレイ素子１００の一端側のボトル型共振部１０３と他端側のボトル型共振部１０３との間で、振動が伝搬していることを示しており、１次元の光機械アレイ素子が実現されていることを示している。

【0030】

［実施例２］
次に、実施例２について図６Ａ、図６Ｂを参照して説明する。実施例２においても、実施例１と同様の光機械アレイ素子１００を作製して用いた。また、実施例２でも、実施例１と同様に、第１光ファイバ１０５ａおよび第２光ファイバ１０５ｂを設けた。第１光ファイバ１０５ａには、図示していないが、第１光源および第１測定器が接続されている。また、第２光ファイバ１０５ｂには、図示していないが、第２光源および第２測定器が接続されている。

【0031】

実施例２では、さらに、光機械アレイ素子１００の中央部のボトル型共振部１０３に、第３光ファイバ１０５ｃの入出力部を光結合させている。第３光ファイバ１０５ｃには、一端に第３光源（不図示）が接続され、他端に第３測定器（不図示）が接続されている。

【0032】

励振用の第１光源の光によって一端側のボトル型共振部１０３に励振された振動１３３は、中央部のボトル型共振部１０３に到達する。このとき、第３光源から第３光ファイバ１０５ｃに入力される光の周波数を、光共鳴周波数と機械振動周波数の和周波数にすることで、図６Ａに示すように、振動１３３をパラメトリック増幅した振動１３４とすることが能である。また、第３光源から第３光ファイバ１０５ｃに入力される光の周波数を、光共鳴周波数と機械振動周波数の差周波数にすることで、図６Ｂに示すように、振動１３３をパラメトリック減衰した振動１３５とすることが可能である。

【0033】

［実施例３］
次に、実施例３について、図７を参照して説明する。実施例８では、複数（Ｎ個）の光機械アレイ素子１００－１，光機械アレイ素子１００－２、・・・光機械アレイ素子１００－Ｎ（Ｎは自然数）を用いる。各々の光機械アレイ素子は、実施例１と同様である。光機械アレイ素子１００－１，光機械アレイ素子１００－２、・・・光機械アレイ素子１００－Ｎの一端側のボトル型共振部１０３に、第１光ファイバ１０５ａを結合させ、他端側のボトル型共振部１０３に、第２光ファイバ１０５ｂを結合させる。

【0034】

第１光ファイバ１０５ａには、図示していないが、第１光源および第１測定器が接続されている。また、第２光ファイバ１０５ｂには、図示していないが、第２光源および第２測定器が接続されている。第１光ファイバ１０５ａを用いて、結合機械振動モードの励振を各々の光機械アレイ素子に対して行う。また、第２光ファイバ１０５ｂを用いて、光読み取りを行う。

【0035】

ここで、第２光ファイバ１０５ｂには、第２光源から得られる光を音響光学変調器（ＡＯＭ）などで周波数多重化して、第２光ファイバ１０５ｂに入力する。これにより、光機械アレイ素子１００－１，光機械アレイ素子１００－２、・・・光機械アレイ素子１００－Ｎの各々に対する機械振動の情報を、光周波数によって独立に計測することが可能となる。

【0036】

例えばＭ番目の光機械アレイ素子の結合機械振動モードは、周波数の周囲に現れる側波帯として光検出信号のビート信号に現れる。このシステムに外乱が生じると、外乱を受けた単位構造の位置に応じて結合機械振動モードが変調される。この変調を上述した側波帯のスペクトル変化から読み取ることで、外乱を受けた光機械アレイ素子および位置を特定することが可能となる。

【0037】

［実施例４］
次に、実施例４について、図８を参照して説明する。実施例４においても、実施例１と同様の光機械アレイ素子１００を作製して用いた。実施例４では、光機械アレイ素子１００の一端側に合波器１１１を光結合させ、他端に分波器１０９を光結合させる。また、分波器１０９および合波器１１１には、参照光用光ファイバ１１０を接続する。分波器１０９および合波器１１１は、例えば、５０：５０ビームスプリッタから構成することができる。

【0038】

実施例４において、光源１０７から出射した光は、分波器１０９で光機械アレイ素子１００および参照光用光ファイバ１１０に分波される。また、分波されて、光機械アレイ素子１００および参照光用光ファイバ１１０の各々を導波（伝播）した光は、合波器１１１で合波され、測定器１０８で測定される。実施例４では、光機械アレイ素子１００および参照光用光ファイバ１１０により干渉計を構築している。

【0039】

この干渉計において、光機械アレイ素子１００に対して連結方向に張力が加わると、張力印加による屈折率変化で、光機械アレイ素子１００においては入力光変調される。変調された光を、合波器１１１において、参照光用光ファイバ１１０を伝播する参照光と干渉させることで、測定器１０８により、上述した張力の変化を測定することが可能となる。

【0040】

［実施例５］
次に、実施例５について、図９を参照して説明する。実施例５では、円筒状の母体を用いて中空構造の光機械アレイ素子１００ａを作製した。円筒状の母体としては、例えば、中空シリカキャピラリを用いることができる。光機械アレイ素子１００ａは、内部に流路１１２を備えるものとなる。また、光機械アレイ素子１００ａの例えば、一端側のボトル型共振部１０３に、第１光ファイバ１０５ａを結合させる。第１光ファイバ１０５ａには、励起用の光源が接続されている。

【0041】

実施例５では、流路１１２に、例えば水を導入する。この状態で、第１光ファイバ１０５ａを用いて、結合機械振動モードの機械振動１３２の励振をボトル型共振部１０３に対して行う。これにより、流路１１２に導入されている水に流れが生じる。このように、実施例５によれば、流路１１２による流体の輸送が可能となる。

【0042】

以上に説明したように、本発明によれば、ウィスパリングギャラリーモードの光共振器となるボトル型共振部を、連結部で複数連結したので、複数の光機械共振器構造をアレイ状に接続した光機械アレイ素子が提供できるようになる。

【0043】

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。

【符号の説明】

【0044】

１００…光機械アレイ素子、１０１…母体、１０２…連結部、１０３…ボトル型共振部。

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図3A】

【図3B】

【図4A】

【図4B】

【図5A】

【図5B】

【図5C】

【図5D】

【図6A】

【図6B】

【図7】

【図8】

【図9】