JP7048962B2 - 光学素子 - Google Patents

Description

本発明は、光線を集光する作用、発散する作用、もしくは平行光に変換する作用を持つ光学素子に関する。

光を集光もしくは発散もしくは平行光に変換する光学素子としては、レンズが極めて広汎に実用されている。それらの多くは凸レンズ凹レンズのように立体的形状をもち、１個１機能として作製されるため、集積化、小型化には困難を伴うことが多い。近年、透明な基板の表面に微細な加工を行いそれに垂直に透過する光ビームの場所ごとの位相を変化させ波面を傾けて、透過後の伝播を操作する技術（傾斜メタ表面：gradient metasurfaceと呼ばれる）が進展している。

その際に必要な波面の変形量が波長の数倍、数十倍に上ることは珍しくない。一方、表面を通過する光の位相変化量として実用上可能なのは２πラジアンの数分の１から数倍程度なので、位相変化量を２πラジアンごとに鋸歯状波的にゼロに戻す操作が必要である。

位相変化量を２πラジアンごとに鋸歯状波的にゼロに戻す前述の操作は、その不連続点付近で光の散乱、それに伴う振幅や位相の誤差が避けられない。それを軽減する方法として次の手段が知られている。即ち、
（Ａ）領域ごとに種々な方位をもつ微小な１／２波長板を基板表面に隙間なく配置する。
（Ｂ）円偏光がその領域を通過するとき受ける位相推移はある基準方向に対して主軸のなす角θの２倍に等しいという性質を利用する。
詳しく云えば、図１において入射する光の電界が、例えば
Ｅ_ｘ＝Ｅ_０ｃｏｓ（ωｔ）， Ｅ_ｙ＝Ｅ_０ｓｉｎ（ωｔ）
で与えられる円偏光であるとき、図１のようにξη軸をとり、ξη軸方向に主軸を持つ１／２波長板を挿入すれば透過後の光は逆回りの円偏光となり相対位相は２θだけ変化することが知られている。

位相推移を２πラジアンをこえて連続的に変化させる必要があるときは、例えばθを図１上部のように定義し、θをπラジアンを超えて連続的に変化させれば良く、θを連続かつ単調にπの数倍変化させれば、位相角は不連続なく２πラジアンの何倍でも変化させることができる。もし仮にθが近似的にｘと共に直線的に増加または減少するとき、透過する円偏光の波面はｘに関して直線的な変換をうける。この概念とフォトニック結晶とを組み合わせた偏光プリズムが実現されている（非特許文献１）。

一方で現代の光通信ではコヒーレント方式が広く用いられている。そこでは直交する偏光にそれぞれ異なる信号を乗せ通信を行っている。したがって発信部分では直交する偏光を一つの光路に合成する必要があり、一方で受信部では受信した光を直交する偏光に分離し、受信部に入射する必要がある。

特に近年、シリコンフォトニクスに代表される屈折率が高く閉じ込め作用の強い光回路の普及が進んでいる。そうした光回路では光ファイバとの結合が課題となる。つまりすでに世の中に敷設されている光ファイバのビーム径は約１０ミクロンである。一方でシリコンフォトニクスでは、回路中では数百ｎｍのビーム径であり、回路端にビーム径変換部を設けてもせいぜい２～３ミクロンのビーム径である。したがってそこでのビーム径の不整合により、数ｄＢのパワー損失が避けられない。

さらに屈折率の高い光回路は特性に偏光依存性を持つことがほとんどであり、回路入り口の段階で偏光を分離し、片方を９０度回転させ、回路が動作する偏光への変換がなされる。こうすることで回路の設計が片方の偏光だけに限定すればよく、設計が効率化し歩留まりが向上するためである。

したがって直交する偏光を分離し、かつビーム径変換の機能を有する光学素子が実現できれば、有用なことは明らかである。

第６４回応用物理学会春季学術講演会予稿集、講演番号16-a-F202-7

特許第３３２５８２５号公報

前述したビーム位相面の変換機能は前述した表面加工でも実現可能であるが、例えば次の（１）～（４）で説明するような困難がある。

（１）溝と溝の間隔、あるいは周期溝の周期は少なくとも１／３波長以上となる。光ビームを制御するには場所ごとに精細に位相を制御したいが、波長板の溝間隔で制限される。実際にはそれ以前に溝が波長板として機能し隣接領域と異なる主軸方向をもつためには、溝の長さは溝同士の間隔の少なくとも同等以上、望ましくは２倍以上であることを要し、微小領域の寸法が十分小さくなり得ない。以下に具体的な説明をする。図１における各領域Ｄのうち領域内の溝の長さが最小になるものを符号ｄであらわす。同様に図４においても符号ｄを同じく定義する。また、周期的に繰り返される溝の周期（「溝間単位周期」ともいう）を符号ｐで表す。波長板として動作するためにはｄ／ｐがある程度大きいことが必要である。ｄ／ｐが有限のとき、その領域の複屈折による位相差はπより小さく、π（１－ｐ／２ｄ）程度と見積もられる。本来πであるべき位相差が、たとえば０．９５π以上、または０．９π以上、または０．７５π以上、または０．５π以上であるためには、ｄはそれぞれ１０ｐ以上、５ｐ以上、２ｐ以上、ｐ以上であることが必要である。

逆に、高精細化のためにはｄは小さく保ちたい。図１の光学素子においてｄは素子への要求により上限が定まり、それを小さくできるほど素子の性能は高まる（量子化誤差が小さいから）。一方、ｐはさらにそれより１桁から半桁小さいことが求められるゆえ、ｐを小さくできることの利益は大きい。

また、図４の様に溝を曲線とした場合には、パターンが円の接線方向に近づくにつれてピッチが狭くなってしまい、溝の本数を減らす（間引く）ことで、ピッチを保つ必要がある。そうした場合でも、厳密にピッチ間隔を一定にすることはできず、ピッチ間隔が場所ごとに変動し、１/２波長板から位相差がずれてしまう。

（２）素子表面での不要な光の反射を避けるため反射防止層を表面に成膜する必要があるが表面加工による波長板では成膜が困難である。

（３）素子表面での微細加工で１／２波長板を実現する場合で、その高さは１００ｎｍ程度となる。例えば誤差１％とすると、表面加工精度を１００×０．０１＝１ｎｍ程度以下に抑える必要があり、たいへん高度な加工技術を要する。一方で、フォトニック結晶では１／２波長でもミクロンオーダの厚さになるため、例えば１０μｍ×０．０１＝１００ｎｍ程度の制御ができればよく、これは通常の薄膜プロセスで十分対応可能な値である。

（４）素子表面での空気との境界で動作を実現しているため、接着剤で微細構造が埋まると効果が激減してしまう。

そこで、本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、メタ表面でなく、集積化が容易で体積効果を利用する光学素子を提供することである。

本発明の効果をあらかじめ要約すると、本発明は、以下の第１から第３のいずれか１つ以上又は全ての効果を奏する。
第１に、成膜面を境に片側から入射し、反対側に出射する素子においてビームの位相面が変換される素子を実現する。
第２に、曲線形状や間引きにより線間ピッチに不均一、非一様性が生じても、偏光間の位相差の一様性を保つ（図５）。
第３に、後述する実施例３、実施例４のごとく、フォトニック結晶を組み合わせていくことで、偏光分離とビーム位相面変換の機能を一体化した光回路を実現する。

本発明の第１の側面は、光学素子に関する。光学素子は、３次元空間ｘ、ｙ、ｚにおいて、ｘｙ面に形成された波長板を備える。波長板の好ましい形態は、ｚ軸方向に積層されたフォトニック結晶である。波長板の位相差φは、πラジアンの奇数倍である。波長板は、軸方位θが中心からの距離ｒにしたがって中心で方位からΔθ（Δθ＝Ａ×ｒ^２）の関数に近似されるパターンで構成される。θは０～１８０度の間を繰り返す。すなわち、波長板は、中心からある方向に向かって放射方向に距離ｒ進んだ場所での波長板の軸方位θが、係数Ａを用いて中心での軸方位に対してθ＝Ａ×ｒ^２で増加する曲線又は折れ線からなるパターンで構成される。本発明の光学素子において、円偏光が入射した場合、中心部の位相に対して、当該中心から距離ｒでの位相差は２Ａ×ｒ^２とあらわすことができる。これは中心からどの方向に対しても同じである。ここでの係数Ａは、光学素子がレンズとして機能した場合の焦点距離をｆとすると、Ａ＝±π／２ｆλ（λは波長）として表される。

上記のように、中心から放射方向に進む直線上で考えると、中心からの距離をｒとし、その点での軸方位θの中心からの変化ΔθがΔθ＝Ａ×ｒ^２となるようにθを設定する。係数Ａはレンズとしての焦点距離をｆとするとＡ＝±π／２ｆλ（λは波長）として表される。１／２波長板を透過する円偏光の位相は軸方位θに比例するので、中心からの距離に対して二乗関数で表すことのできる位相面を与えることができる。つまり理想的なレンズが実現できる。

さらにこの概念を２回の回転対称のパターンに適用し、図２に示すようなパターンを考える。こうしたパターンに円偏光が入射することを考えると、中心からどの方向に対しても、上記の二乗関数で表すことのできる位相面を実現できるため、円形のビームの位相面を中心対称に変換するレンズが実現できる。なお、係数Ａを正とすると凸レンズとして機能し、負とすると凹レンズとして機能する。これは入射する円偏光が逆回りとなると正負が逆転する。

「領域ごとに種々な方位をもつ微小な波長板」は、基板に深い溝を周期配列することにより実現される。固体表面に周期的に形成された無限長の溝列は、電界が溝に平行な偏光に対して、電界が溝に垂直な偏光に対するより大きな位相遅れを生ずる。半波長板では位相差をπラジアンに一致させることが必要で、設計上また加工上の理由から溝と溝の間隔は１／３波長から１／２波長程度となることが多く、１／４波長になることはない。

なお図２に示すように凸状パターンが周辺から中心に向かって右回りに集まっているように見える場合、右回り円偏光の平面波が入射すると中心から周囲に行くほど位相が進み、集光となる。一方、左回り円偏光に対しては位相進み・遅れが逆転し発散光となる。また、透過光は逆回りの円偏光へと変換される。つまり入射円偏光の回転方向を判別して凸レンズ・凹レンズとして作用する。図２に対して鏡像のパターンを持つ図３のパターンでは、集光・発散する円偏光の関係が逆転する。入射円偏光が逆回りの円偏光へと変換される作用は同一である。

なお入射した光が平面波であれば、集光もしくは発散の機能となるが、すでに平面波ではない光が入射した場合は、その光に対して位相面の変換が起き、ちょうど光学素子が与える位相変換と逆の分布を持っているビームが入射すると、平面波に変換（コリメート）される。

なお図２、図３のパターンは曲線の集合として描かれているが、線分の集合つまり折れ線であってもかまわない。ただし図２のパターンを折れ線で形成すると理想的な線からのずれが生じ、このずれは、位相分布に誤差を与え、位相面の変換性能に影響を及ぼすおそれがある。

本発明の各実施形態において、波長板は、２分の１波長板であることが特に好ましい。この場合、本発明の光学素子は、－ｚ方向から＋ｚへと入射する円偏光の位相面を凸面、凹面、平面のいずれかに変換し、かつ逆回りの円偏光となって出射する。

上記した曲線型の溝をもつ光学素子は、隣り合う凸部と凹部の一方の間隔の前記領域の内部における最大値と最小値の比が２倍以内になるように、他方が分岐・合流するよう幾何学的に配置されていることが好ましい（図４等参照）。

本発明の光学素子において、波長板はz軸方向に積層されたフォトニック結晶で構成されていることが好ましい。この場合、フォトニック結晶の溝間単位周期が、４０ｎｍ以上、かつ入射する光の波長の１／４以下であり、フォトニック結晶の厚さ方向の周期が、入射する光の波長の１／４以下であることが好ましい。

フォトニック結晶は、公知であるが、例えば自己クローニング法（特許文献１参照）によって形成すればよい。フォトニック結晶は、導波する光の動作波長よりも短い周期で屈折率が周期的に変化する構造体である。特に、波長板は、自己クローニング作用により形成されたフォトニック結晶であることが好ましい。フォトニック結晶は、光学素子として機能する微小周期構造体である。具体的なフォトニック結晶の製造方法としては、特許文献１に開示されているように、１次元的または２次元的に周期的な凹凸をもつ基板の上に、２種類以上の屈折率の異なる物質（透明体）を周期的に順次積層し、その積層の中の少なくとも一部分にスパッタエッチングを単独で、または成膜と同時に用いることにより、光学素子（波長板）を製造する方法があげられる。この方法は、自己クローニング法ともよばれる。そして、この自己クローニング法により形成されたフォトニック結晶は、自己クローニング型フォトニック結晶とよばれる。なお、自己クローニング型フォトニック結晶を用いて波長板を構成する技術は公知である。例えばフォトニック結晶の別の作製方法として、フェムト秒レーザをガラスに照射することで周期的な空隙を作製する方法が挙げられる。

なお、自己クローニング型フォトニック結晶を形成する複数種類の透明体は、アモルファスシリコン、５酸化ニオブ、５酸化タンタル、酸化チタン、酸化ハフニウム、２酸化ケイ素、酸化アルミ、フッ化マグネシウムなどのフッ化物のいずれかであることが好ましい。これらの中から屈折率の異なる２ないし複数種を選択しフォトニック結晶に用いることができる。例えばアモルファスシリコンと二酸化ケイ素、５酸化ニオブと二酸化ケイ素、五酸化タンタルと二酸化ケイ素の組み合わせが望ましいが、それ以外の組み合わせでも可能である。具体的には、自己クローニング型フォトニック結晶は、高屈折率材料と低屈折率材料とをｚ方向に交互に積層した構造を有する。高屈折率材料は、５酸化タンタル、５酸化ニオブ、アモルファスシリコン、酸化チタン、酸化ハフニウムまたはこれら２種以上の材料を組み合わせたものであることが好ましい。低屈折率材料は、２酸化ケイ素、酸化アルミ、フッ化マグネシウムを含むフッ化物またはこれら２種以上の材料を組み合わせたものであることが好ましい。

さらに具体的に説明すると、本発明の光学素子は、主軸方位が連続的に変化する波長板（曲線型）、または主軸方位が折れ線で近似された波長板（折れ線型）であり、それぞれの領域の波長板が、面内に周期構造を持ち当該周期構造が厚さ方向に積層されたフォトニック結晶で構成されている。フォトニック結晶は、自己クローニング法（特許文献１参照）によって形成すればよい。

各波長板を形成する面内の周期構造の溝間単位周期および波長板の厚さ方向の単位周期は、共に、光学素子に入射する光の波長の４分の１以下となる。なお、面内の周期構造の溝間単位周期４０ｎｍ以上とすることが好ましく。なお、光学素子に入射する光の波長は、通常、４００ｎｍ～１８００ｎｍの間から選ばれることが想定される。

また、複数領域の波長板のうち、波長板溝長さの面内の最小値は溝間単位周期以上である。なお、波長板溝長さの面内の最小値の上限は溝間単位周期ｐの５０倍以下であることが好ましい。

また波長板の凸部のピッチｐが（パタンが直線であるときのピッチ）をｐ_０とすると０．７・ｐ_０≦ｐ≦１．４・ｐ_０以内になるよう、凸部または凹部が分岐・合流するよう幾何学的に配置されることが好ましい。自己クローニング型フォトニック結晶は図５に示すように、位相差の変化が、ピッチの変動に対して変動が小さい。したがって、ピッチが変わった場合の半波長板からの位相ずれを小さくできる。

本発明に係る光学素子の好ましい実施形態は、入射する所定の円偏光に対して動作する光学素子である。この光学素子は、それぞれの領域がπラジアンの奇数倍である位相差φの波長板をなし、入射する円偏光の位相面を凸面、凹面、平面のいずれかに変換し、かつ逆回りの円偏光となって出射する。

自己クローニング形フォトニック結晶波長板に基づく本発明の光学素子は傾斜メタ表面とは根本的に異なり体積形であるため、その表面とその下部に反射防止処理を行うことや、接着剤を用いてほかの光学素子と接続することなどが容易にできる。体積形であって、積層の全厚さを保ったまま積層数を大きく（例えば２倍）、積層周期、面内周期を小さく（例えば１/２）しても特性がほぼ一定に保たれるので、構造の高精細化が可能である。

なお円偏光ではなく直線偏光を入射もしくは出射したい場合には、前後に１／４波長板があることで直線偏光として入出力が可能な光学素子を実現する。
例えば図６の複合光学素子６０１のように、入射側に１／４波長板６０４を入れることで、入射した直線偏光を６０４で円偏光に変換し、６０５に入射し、集光作用を実現できる。
もしくは複合光学素子６０２のように、出射側に１／４波長板６０７を配置し、６０６で集光された円偏光を直線偏光に変換して出射させる作用を実現できる。
もしくは複合光学素子６０３のように、入射側、出射側にそれぞれ１／４波長板６０８，６１０を配置し、入射した直線偏光が集光され、直線偏光として出射される機能実現することができる。

本発明の第２の側面は、第１の側面の光学素子を用いた光回路に関する。
図７の示すように偏光分離機能を持つ第一の光学素子７０１として、図１に示す非特許文献１の構造をもつ１／２波長板を用いると、入射した光を右回りと左回りの円偏光に分離することができる。

このような偏光分離機能を持つ光学素子７０１は、例えば次のような構造を持つ。すなわち、光学素子７０１は、３次元空間ｘ、ｙ、ｚにおいて、ｘｙ面に形成された位相差がπラジアンの奇数倍を持つ波長板であり、ｙ軸方向に平行な帯状の幅Ｄの領域が、ｘ軸方向に単一又は複数繰り返される。波長板に形成された溝は、曲線ｙ＝（Ｄ／π）ｌｏｇ（｜ｃｏｓ（πｘ／Ｄ）｜）＋定数 と離散化誤差の範囲で一致する曲線である。光学素子７０１は、－ｚ方向から＋ｚ方向へと入射する直線偏光を、パワー比１：１で直交する２つの円偏光へと分離する。分離された円偏光は、それぞれ回転方向と屈曲角度の正負が逆の関係になる。

偏光分離機能を持つ光学素子７０１は、折れ線型でも良い。つまり、ｙ軸方向に平行な帯状の幅Ｄの領域が、ｘ軸方向に単一又は複数繰り返され、更に幅Ｄの領域は、ｙ軸に平行な複数の帯状のサブ領域に区分される。同じサブ領域の中で遅波軸βは一様である。遅波軸βは、サブ領域の中心線のｘ座標ｘ１に対して時計回りに β＝（１８０×ｘ１／Ｄ）度＋定数 で表される。折れ線型の光学素子７０１は、－ｚ方向から＋ｚ方向へと入射する直線偏光を、パワー比１：１で直交する２つの円偏光へと分離する。分離された円偏光は、それぞれ回転方向と屈曲角度の正負が逆の関係になる。

次に、第二の光学素子として、例えば図７のように１枚の上に図２又は図３のパターンの光学素子７０２を配置する。第一の光学素子で右回り、左回りの円偏光に分離されたそれぞれのビームは第二の光学素子に入射し、例えば集束光となる。この場合、第二の光学素子に対して光は斜めに入射するが、フォトニック結晶波長板は図８に示すように入射角に対してそれほど敏感な特性を持たないため、同様の機能を実現することができる。

もしくは図９に示すように、偏光分離機能を持つ第一の光学素子９０１（例えば図１に示す構造）の後ろに同じ構造の第二の光学素子９０２を配置する。すると第一の光学素子９０１で分離され、互いにななめに伝搬する光が第二の光学素子９０２で平行に屈曲される。この場合、偏光状態は第二の光学素子の前後で逆回りの円偏光に変換される。この後に、本発明に係る例えば図２又は図３に示す構造の第３の光学素子９０３を配置すれば、同様に集光機能を実現できる。

さらに、第一の光学素子１００１（例えば図１に示す構造）、第二の光学素子１００２（図１に示す構造）、及び第三の光学素子（例えば図２又は図３に示す構造）の後に、例えば図１０に示すような１／４波長板１００４を配置することで、直線偏光出力を持つ回路を実現できる。１／４波長板１００４を、例えば第一のパターン１００５のように二本のビームがそれぞれ軸の直交する１／４波長板とすれば、同じ方向の直線偏光を出力することができる。もしくは１／４波長板１００４を、例えば第二のパターン１００６のように二本のビームが同じ軸の向きの１／４波長板にすれば、互いに直交する直線偏光を出力することができる。なお「直交する偏光状態」は右回り円偏光と左回り円偏光でも直交しているし、縦の直線偏光と横の直線偏光でも直交している。直交であることに変わりはなく、通信において直交偏光を多重化するという意味ではどちらも同じである。

なお本側面の光回路で用いられている光学素子は、それぞれ１枚の板の上に作成されるため、多並列化が容易である。したがって上記の機能を持つ回路と多並列で同時に作ることも容易である。

上記のように、図１に示すような偏光分離プリズムと本発明のレンズと多領域１／４波長板を使って、入射した光を直交する偏光部に分離し、それぞれを集束光に変換し、偏光状態を直交もしくは平行直線偏光に変換する機能を実現することができる。

本発明によれば、集積化が容易な光学素子を提供することができる。また、本発明は、構造の高精細化や曲線化により不連続性に由来する光散乱や不要光成分の発生を抑止することができる。また、本発明によれば、表面処理、清浄化、接着処理など加工性に優れ、部品としての体積、フットプリント、作製コストの低減が可能となる。

従来技術である、傾斜メタ表面（gradient metasurface）を使って実現した偏光グレーティングである。 本発明の光学素子のパターンを示す図である。 本発明の光学素子のパターンを示す図である。 第１の実施形態に係る光学素子（曲線型）及び第２の実施形態に係る光学素子（曲線型）の一例を示す図である。 フォトニック結晶の場合のピッチ変化に対する位相差の感度を示す図である。 第２の実施形態に係る光学素子の機能を示す図である。 第３の実施形態に係る光学素子の機能の示す図であり、偏光分離プリズム１枚と本発明の光学素子からなる複合光学素子を示している。 フォトニック結晶波長板の位相差の入射角依存性を示す図である。 第３の実施形態に係る光学素子の機能を示す図であり、偏光分離プリズム２枚と本発明からなる複合光学素子を示している。 第３の実施形態に係る光学素子の機能を示す図であり、偏光分離プリズム２枚と本発明の光学素子と１/４波長板からなる複合光学素子を示している。 第１の実施形態に係る光学素子の機能を示す図である。 第１の実施形態に係る光学素子の集光作用のシミュレーション結果を示す図である。 第３，第４の実施形態に係る、異なる光回路間を接続するための偏光分離・モード径変換の機能を持つ複合光学素子の設計例を示す図である。

以下の本発明の実施例１、実施例２、実施例３、および実施例４について説明する。

本実施例では、上記した第１の側面に係る光学素子に関する。まず、垂直入射した右回り円偏光の平面波を左回りの円偏光に変換し集光する光学素子について説明する。

光学素子の光学配置を図１１に示す。光学素子の基本構成は、３次元空間ｘ、ｙ、ｚにおいて、ｘｙ面に形成され、ｚ軸方向に積層されたフォトニック結晶からなる波長板である。波長板は、図２に示すように、中心からの距離ｒに従って軸方位θがθ＝Ａ×ｒ^２（Ａは適当な係数）で表すことができるパターンである。ここでの係数Ａは、光学素子がレンズとして機能した場合の焦点距離ｆとすると、Ａ＝±π／２ｆλ（λは波長）として表される。

また、図４に示されるように、フォトニック結晶のパタン（凸部または凹部）を曲線状にしたことで、１周期内部で中央部ではパタンが疎になり、端に近いほど密になりパタンが破綻する。そこで中央部でのパタン間ピッチを基準に取り、それをｐ_０とする。ｐ_０がある閾値ピッチ以下になった位置で２本のパタンを合流させる。合流直後のピッチは２ｐ_０になるが、端にいくにほど密になるため、閾値長さ以下になったところで再度合流させる。以上の操作を繰り返すことでピッチがある範囲内で変化しながら理想的な光学軸分布を実現できる。閾値ピッチを０．５ｐ_０とすると、ピッチの変化範囲は０．５ｐ_０～２．０ｐ_０の間になる。すなわち、隣り合う凸部と凹部の一方の間隔の最大値と最小値の比が４倍以内、好ましくは２倍以内になるように、他方が分岐・合流するよう幾何学的に配置されている。図４に示した例では、白色の部分が凹部となり、黒色の部分が凸部となっている。すなわち、主軸方位が連続的に変化する波長板（曲線型）の場合、凸部のピッチｐ（パタンが直線であるときのピッチ）をｐ_０とすると０．５・ｐ_０≦ｐ≦２・ｐ_０以内になるよう、凸部または凹部が分岐・合流するよう幾何学的に配置される。

他方で、本発明の光学素子は、上記のように曲線に限定されず、いわゆる折れ線近似で表現することもできる。すなわち、３次元空間ｘ、ｙ、ｚにおいて、ｘｙ面に形成され、ｚ軸方向に積層されたフォトニック結晶からなる波長板である。波長板は、図２に示すような中心から距離ｒ離れるに従って軸方位θがθ＝Ａ×ｒ^２で表すことができる曲線に近似した折れ線で表現されるパターンである。ここでのＡはレンズとして機能した場合の焦点距離ｆとするとＡ＝±π／２ｆλ（λは波長）として表さる。

右回り円偏光が前述した構造を透過する場合のシミュレーションを行った結果を図１２に示す。ｚ方向に進む光のｘｚ面での強度分布の断面を示す。入射ビームが構造によって集光される様子がよくわかる。また位相面が連続的に変換されているため、不要な迷光もなく、効率よくモード径１０ミクロンのビームがモード径４ミクロンに変換されていることがわかる。
解析の条件は次の通りである。
・波長λ １．５５μｍ
・高屈折率材料 ａ－Ｓｉ
・低屈折率材料 ＳｉＯ_２
・遅軸屈折率ｎ_ｓ ２．７１３
・速軸屈折率ｎ_ｆ ２．４８６
・積層全体の厚さ λ／（ｎ_ｓ－ｎ_ｆ）×０．５
・係数 Ａ＝０．５π／５^２

これは垂直入射の場合であるが、フォトニック結晶波長板の入射角依存性は図８に示すように入射角依存性が少ないため、斜めに入る光に対しても動作する。その場合、光はｘ，ｙ方向に波数を持っていることになるが、入射光が持っている波数は出射光でも保存される。

図１２に示したシミュレーションでは平行光を集光する様子を計算したが、光が逆方向に進んだ場合、つまりある位相面を持つ発散光が入射した場合は平行光に変換される。これは通常のレンズと同様である。例えば図１２の焦点面から焦点面でのビーム径で出射されたビームはレンズで平行光に変換されることは明らかである。

また入射、出射媒質の屈折率に制限はなく、空気に出射しても、接着剤中に素子が埋められた状態であっても、適切な設計を行えば動作する。

また光学素子は１枚の基板の上に複数並べることも容易であり、それぞれが異なるパラメータのパターンを持つことも可能である。

本発明の光学素子はこれまで述べた通り円偏光に対して動作し、出射する光も円偏光である。しかし光回路で円偏光を用いることは必ずしも一般的ではなく、むしろ直線偏光の方が使いやすい場合が多い。そこで入出力が直線偏光である場合を考える。

例えば図６の複合光学素子６０１のように、光学素子６０５の手前に１／４波長板６０４を配置することで、入射する直線偏光をいったん円偏光に変換し、動作させることが可能である。

同様に、図６の複合光学素子６０２のように、光学素子６０６から円偏光で出力された光を１／４波長板６０７を透過せて直線偏光として出力することも可能である。また、図６の複合光学素子６０３のように、光学素子６０８の前後を１／４波長板６０９，６１０で挟むことで、直線偏光が光学素子６０８入射し、後段の１／４波長板６１０から直線偏光を出射させることもできる。図８に示すようにフォトニック結晶波長板の入射角依存性は敏感ではないので、集光され斜めに光が１／４波長板に入っても期待される動作が実現できる。直線偏光の向きを変えなくてはいけない場合は、それぞれの１／４波長板の軸を適宜選べばよい。

この場合、光学素子を１枚ずつ並べることもできるが、例えば自己クローニング法で図２に示すパターンを持つ多層構造を形成した後に、例えばＳｉＯ_２の誘電体を用いて表面を平坦化し、さらにそこに別のパターンを形成し別のフォトニック結晶を形成することで、異なる光学素子を融合させることができる。平坦化のプロセスはバイアススパッタ、エッチング、ＣＭＰ、機械研磨いずれの方法でもよい。この手法を用いれば、上記１／４波長板とレンズ機能を持つ光学素子を１枚に集積化することもできる。この場合、どちらが上下であってもよく、上と下に１／４波長板で間にレンズ機能を持つ光学素子の３段構造であってもよい。

図１に示す構造では入射光を右回り円偏光と左回り円偏光に分離する偏光分離プリズムを実現できる。したがってこの偏光分離プリズムを第一の光学素子として配置し、その後ろに本発明の光学素子を第二の光学素子として配置する。その際、分離されたビームが入射される位置に、図７の７０３に示すパターンを配置すれば、それぞれ逆回りの円偏光がそれぞれの領域に入射し、位相面が変換されどちらにも集光作用を持たせることができる。この二つのレンズの距離は前段のプリズムの分離角とプリズムとレンズの距離で一意に決まる。

この場合、図７の様にレンズには光が斜めに入射する。前述のようにフォトニック結晶波長板の特性は入射角に対して鈍感なため、垂直から１０度程度の角度で入射する分には問題ないが、その後の光学系を考えると二本のビームが平行であることが好ましい。そこで第一の光学素子の後ろにもう一枚同じ機能を持つ偏光分離素子を第二の光学素子として配置する。すると第一の光学素子で斜めに分離された光が、第二の光学素子に斜めに入射するが、第二の光学素子で第一の光学素子に入射した方向と同じ方向に屈曲される。その結果、二本のビームは平行となる。この場合、第一の光学素子と第二の光学素子のパターン（具体的には図９におけるパターン９０４）が同じであることが肝要である。なおこの場合、第二の光学素子で円偏光は逆回りの円偏光に変換されることも、考慮しておくべきである。この後に本発明の光学素子を配置することで、平行に集光する光を得ることができる。

さらに先述したように、射出光を直線偏光へと変換することもできる。図１０の様に本発明の光学素子の後ろにさらに１／４波長板を挿入したものを考える。例えばその１／４波長板が図１０中１００５の様にそれぞれのビームが互いに軸が直交した領域を透過すれば、同じ方向の直線偏光が得られる。もしくは図１０中のパターン１００６で示した１／４波長板の様にどちらのビームも同じ軸方位の領域を透過すれば、直交する偏光を得ることもできる。得られる直線偏光の向きは１／４波長板１００４の軸方位で決まることは明らかである。

このように偏光分離プリズム、本発明の光学素子、及び１／４波長板を組み合わせることで入射するビームを偏光分離し、集光し、直線偏光として出射する機能を持つ光回路を実現することができる。こうした素子は光通信において、光ファイバを伝わってきた光を直行する偏光に分離し、例えば動作偏光の決まったシリコンフォトニクスなどの別の光回路にモード径の変換をしつつ、偏光分離、変換を行い、入射させることができる。

さらにこの光回路は前述したように１枚の基板上に積み重ねて形成することが可能であり、必要最小限の厚さで光回路を実現することが可能となるため、光回路の小型化に有用なものとなる。

なおここでは光ファイバからシリコンフォトニクスへの結合といった、ビーム径が大きいところから小さいところへの変換を想定した。しかし回路は相反性であるため、小さいビームから大きいビームへの結合ももちろん可能である。例えばシリコンフォトニクスで構成された変調器から、同じ偏光方向を持ちそれぞれ異なる信号が変調されたビームが出力されることを想定する。図１０を右から左にたどれば、直線偏光を１／４波長板１００４でそれぞれ直交する円偏光にし、第三の光学素子１００３で平行光にし、第一及び第２の光学素子１００１,１００２で一つの光路に結合させることも可能であることはあきらかである。

例えば光ファイバの典型的なモード径である１０ミクロンのビームを、モード径２ミクロンのシリコンフォトニクス回路に偏光分離、結合する光回路を設計した例を図１３に示す。なおシリコンフォトニクス回路のモード径は通常０．４５ミクロンと大変小さいためシリコンフォトニクス回路内にモード径変換機能が有していることを前提としている。例えばモード径１０ミクロンとモード径２ミクロンの光回路を直接結合すると、そこでのモード径不整合による損失は８．３ｄＢである。一方、本発明のレンズを用いた場合、１．５ｄＢまで改善できることが、ビーム伝搬法を用いた計算により明らかとなっている。

Claims (4)

1. 第１の光学素子群として入射光を右回り円偏光と左回り円偏光に分離する偏光プリズムを一つないし二つ有し、前記第１の光学素子群の後段に第２の光学素子が配置された複合光学素子であって、
   前記第２の光学素子は、
   ３次元空間ｘ、ｙ、ｚにおいて、ｘｙ面に形成された位相差φの波長板を備え、前記位相差φはπラジアンの奇数倍であり、
   前記波長板は、中心からある方向に向かって放射方向に距離ｒ進んだ場所での軸方位θが、係数Ａを用いて前記中心での軸方位に対してθ＝Ａｒ^２増加する曲線からなるパターンで構成され、
   前記係数Ａは、、自由空間での焦点距離をｆとするとＡ＝±π／２ｆλ（λは波長）として表されるものであり、
   －ｚ方向から＋ｚ方向へと入射する円偏光の波面を変換し、
   集束光もしくは発散光もしくは平行光に変換するものであり、
   前記第１の光学素子群に入射した光が前記第１の光学素子群により左回りと右回りの円偏光に分離され、
   前記第２の光学素子を透過し集束光となる
   複合光学素子。
2. 第１の光学素子群として入射光を右回り円偏光と左回り円偏光に分離する偏光プリズムを一つないし二つ有し、前記第１の光学素子群の後段に第２の光学素子が配置された複合光学素子であって、
   前記第２の光学素子は、
   ３次元空間ｘ、ｙ、ｚにおいて、ｘｙ面に形成された位相差φの波長板を備え、前記位相差φはπラジアンの奇数倍であり、
   前記波長板は、中心からある方向に向かって放射方向に距離ｒ進んだ場所での軸方位θが、係数Ａを用いて前記中心での軸方位に対してθ＝Ａｒ^２増加する折れ線からなるパターンで構成され、
   前記係数Ａは、自由空間での焦点距離をｆとするとＡ＝±π／２ｆλ（λは波長）として表されるものであり、
   －ｚ方向から＋ｚ方向へと入射する円偏光の波面を変換し、
   集束光もしくは発散光もしくは平行光に変換するものであり、
   前記第１の光学素子群に入射した光が前記第１の光学素子群により左回りと右回りの円偏光に分離され、
   前記第２の光学素子を透過し集束光となる
   複合光学素子。
3. 請求項１又は請求項２に記載の複合光学素子であって、
   前記波長板は、ｚ軸方向に積層されたフォトニック結晶で構成されており、
   フォトニック結晶の溝間単位周期が、４０ｎｍ以上、かつ入射する光の波長の１／４以下であり、
   フォトニック結晶の厚さ方向の周期が、入射する光の波長の１／４以下である
   複合光学素子。
4. 請求項１又は請求項２に記載の複合光学素子であって、
   前記第２の光学素子の後段に第３の光学素子として１／４波長板をさらに有し、
   前記第１の光学素子群から入射した光が前記第１の光学素子群により左回りと右回りの円偏光に分離され、
   前記第２の光学素子を透過し集束光となり、
   前記第３の光学素子を透過し直線偏光となって集光され、
   入射した光を直交する偏光に分離して集光する機能を有する
   複合光学素子。

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