CN109073815A - 光学元件 - Google Patents
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Abstract
本发明的课题是提供使用自我复制形光子晶体的立体型光学元件。本发明提供一种光学元件，其具备在3维空间x、y、z中形成于xy面并在z轴方向层积的光子晶体半波片。光子晶体的沟槽方向为曲线且在相对于y轴方向角度为0°到180°的范围内连续性变化。光学元件是将轴方向入射光分离及转换为由z轴以一角度朝x轴的方向的顺时针圆偏振光、及由z轴以一角度朝负x轴的方向的逆时针圆偏振光而射出。又，在单面或两面层积或配置光子晶体所构成的1/4波片，由此可将光学元件的z轴方向入射光分离为正交的2个线性偏振光。
Description
技术领域
本发明是关于使光折射、分离、聚光等作用的光学元件。
背景技术
作为实现光的折射、偏振光分离、聚光等的光学元件广为使用透镜、棱镜等。该等大部分具有凸透镜凹透镜之类的立体形状，以单一个具有单一功能的方式制作，故大多情况下集成化及小型化较为困难。近年来发展以下技术：在透明基板表面进行细微加工，并在每个垂直透射过透明基板的光束处使相位改变并倾斜波面，以操作透射后的传播(倾斜超颖表面：亦称为gradient metasurface)。
此时所需波面变形量高达波长的数倍、数十倍并不稀奇。另一方面，作为通过表面的光的相位变化量，实用上可为2π弧度的数分之一到数倍程度，故需以下操作：在每个2π弧度使相位变化量锯齿波地归零。
在每个2π弧度使相位变化量锯齿波地归零的前述操作在其不连续点附近无法避免光的散射及伴随光散射的振幅或相位误差。
其轻减方法已知有以下方法(非专利文献1)。亦即已知：
(A)于基板表面无间隙地配置在每个区域具有各种方位的微小1/2波片。
(B)利用以下性质：圆偏振光在通过该区域时所受相位偏移会等于相对于某个基准方向主轴夹角θ的2倍。
详细而言，图1中入射光的电场例如为下式所赋予圆偏振光时，如图1般取ξη轴，插入在ξη轴方向具有主轴的1/2波片，则透射后的光会成为逆转的圆偏振光，相对相位仅改变2θ(非专利文献1)。
Ex＝E0cos(ωt),Ey＝E0sin(ωt)
相位偏移需要超过2π进行连续性变化时，例如将θ定义如图1上部并使θ超过π进行连续性变化即可，只要将θ连续且单调地变化为π的数倍，则相位角在没有不连续下变化为2π的几倍都可以。若θ以近似于与x共同线性增加或减少时，透射圆偏振光的波面在x上受到线性转换而产生棱镜作用。
通过在基板周期排列深沟槽，而实现必要的“在每个区域具有各种方位的微小1/2波片”。在固体表面周期性形成的无限长的沟列中，对于电场与沟槽平行的偏振光，相对于电场与沟槽垂直的偏振光，会产生更大的相位延迟。半波片中须使相位差与π一致，且因设计上或加工上的理由，沟槽与沟槽的间隔多为1/3波长到1/2波长程度，而未成为1/4波长。
现有技术文献
非专利文献
非专利文献1：D.Lin,P.Fan,E.Hasman and M.Brongersma,”Dielectricgradient metasurface optical elements,Science,Applied Optics,18 July 2014,pp.298-302.
非专利文献2：N.Yu and F.Capasso,“Flat optics with designermetasurfaces”,Nature materials,23 January 2014,pp.139-149.
专利文献
专利文献1：专利3325825号“3维周期构造体及其制作方法以及膜的制造方法”。
发明内容
发明所欲解决的课题
利用上述表面加工所形成的1/2波片的方式有以下困难点。
(1)沟槽与沟槽的间隔，或周期沟槽的周期为至少为1/3波长以上。控制光束时希望在每处精细地控制相位，但受限于波片的沟槽间隔。实际而言，以前为了要使沟槽作为波片功能且具有与邻接区域相异的主轴方向，沟槽长度至少要为等同于沟槽彼此的间隔以上，优选为2倍以上，所以微小区域的尺寸无法充分变小。于以下说明。图1中，各区域D中，区域内沟槽长度为最小者以符号d表示。同样地，图5中亦同样地定义符号d。又，周期性重复的沟槽周期(亦称为“沟槽间单位周期”)以符号p表示。为了作为半波片运作，d/p需有一定程度的大小。d/p为有限时，该区域的双折射所成相位差小于π，估计为π(1-p/2d)程度。为了使本来应为π的相位差，例如为0.95π以上、0.9π以上、0.75π以上或0.5π以上，d需分别为10p以上、5p以上、2p以上、p以上。
相反地，为了高精细化而希望保持d较小。图1、图5的棱镜中，d是因元件要求而定有上限，但其越小越可提高元件性能(因量子化误差较小)。另一方面，由于p是期望进一步较其小一位数到半位数，因此可减少p而言好处较大。
又，如图2，沟槽为曲线时，若以等间距排列相同曲线，随着接近于垂直使间距变狭窄，必须通过减少沟槽的条数(保持间隔)保持间距。即使如此做亦无法严密固定间距间隔，间距间隔会在各处变动，而半波片所成相位差会偏差。
(2)为了避免不需要的光在元件表面反射，而需在表面形成抗反射层，但在表面加工所形成1/2波片中难以成膜。
(3)作为一般的光学产业用构件难以使用对于圆偏振光有预期的运作的元件，故求对线性偏振光有所运作。因应该要求而需在元件前后放置1/4波片并夹入，此较为麻烦。若可在紧密铺设微小区域的元件前后使1/4波片一体化，则最为易于使用。
因此，本发明是鉴于如此问题点而研究者，其目的为提供不是超颖表面而是使用自我复制形光子晶体的立体型光学元件。
首先简述本发明效果。
第1：可使次区域疆界中的图形不整合，或保持间隔中的不连续性对光造成的影响，随着Z方向传播通过绕射而平均化、平滑化(图6、图9)。
第2：即使因曲线形状或保持间隔而使线间间距产生不均、非一致性，偏振光间的相位差可保持一致性(图3)。
第3：如后述实施例4，通过使光子晶体棱镜与光子晶体透镜一体化(图14)而保持偏振光纯度等。
解决课题的技术方案
本发明中着眼于将自我复制形光子晶体所形成波片以下述设计条件使用，亦即使沟槽与沟槽间的间隔，即基本周期充分小于所使用波长。
本发明的第1方面是关于光学元件。光学元件具备在3维空间x、y、z中形成于xy面并在z轴方向层积的光子晶体半波片。光学元件是在x轴方向具有单一或重复的一个或多个区域，前述区域在x轴方向区分为多个带状次区域。光子晶体的沟槽方向于前述区域中是在相对于y轴方向角度为0°到180°的范围内阶段性变化，且在前述次区域中相对于y轴方向角度为相同。接着，光学元件是将射入于z轴方向的光分离及转换为由z轴以一角度朝x轴的方向的顺时针圆偏振光，及由z轴以与前述一角度相同角度朝负x轴的方向的逆时针圆偏振光而射出。
说明光学元件的其他实施形态。光学元件具备在3维空间x、y、z中形成于xy面并在z轴方向层积的光子晶体半波片。光学元件是在x轴方向具有单一或重复的一个或多个区域。光子晶体的沟槽方向为曲线且在相对于y轴方向角度为0°到180°的范围内连续性变化。接着，光学元件是将射入于z轴方向的光分离及转换为由z轴以与前述一角度相同的角度朝x轴的方向的顺时针圆偏振光，及由z轴以一角度朝负x轴的方向的逆时针圆偏振光而射出。
具有上述曲线型沟槽的光学元件优选为以使相邻凸部及凹部中的一者的间隔在前述区域的内部中的最大值及最小值的比为4倍以内的方式，将另一者以分歧、合并的方式几何地配置(参照图2等)。
具有上述曲线型沟槽的光学元件优选为以区域宽度为D时，曲线表示为y＝(D/π)log(cos(πx/D))+常数。
本发明的光学元件优选为光子晶体的沟槽间单位周期为40nm以上且为入射光波长的1/4以下，厚度方向的周期为入射光波长的1/4以下。
本发明的光学元件优选为在单面或两面层积或配置光子晶体所构成的1/4波片，并将光学元件的z轴方向入射光分离为正交的2个线性偏振光。
本发明的第2方面是关于复合光学元件。复合光学元件至少具有2个以上前述光学元件。二个光学元件分别称为第一光学元件、第二光学元件。第一光学元件及第二光学元件是相隔一传播长度的间隔而配置。在第二光学元件后段设置1/4波片。在1/4波片后段设置一对透镜，该一对透镜具有将线性偏振光聚光且将与其正交的线性偏振光发散的功能。通过具备该等第一及第二光学元件、1/4波片及透镜，可将从第一光学元件侧射入的光分离为2个线性偏振光成分并聚光。
具体说明如下，本发明的第1方面是关于光学元件。本发明的光学元件是主轴方位在每个区域相异的波片(分割型)，或主轴方位连续性变化的波片(曲线型)，个别区域的波片是以光子晶体所构成，该光子晶体在面内具有周期构造且该周期构造层积于厚度方向。光子晶体可通过自我复制法(参照专利文献1)而形成。
形成各波片的面内周期构造的沟槽间单位周期，及前述波片厚度方向的单位周期皆为光学元件入射光波长的4分之1以下。又，优选为面内周期构造的沟槽间单位周期为40nm以上。又，假设光学元件入射光波长通常在400nm～1800nm之间选择。
又，多个区域的波片中，波片沟槽长度的面内最小值为沟槽间单位周期以上。又，波片沟槽长度的面内最小值上限优选为沟槽间单位周期p的50倍以下。
又，为主轴方位连续性变化的波片(曲线型)时，若以凸部间距p为(图形为直线时的间距)p0，则优选为以0.5·p0≦p≦2·p0以内的方式几何地配置使凸部或凹部分歧、合并。自我复制型光子晶体如图3所示，相位差变化相较于间距变动为变动较小。因此，改变间距时可减少来自半波片的相位误差。
本发明的光学元件的实施形态优选为对于射入的特定圆偏振光而运作的光学元件。该光学元件中，个别区域为1/2波片，相对于其主轴基准方向的角度为个别区域所应赋予相位变化量的1/2。
本发明的光学元件的实施形态优选为在透明基板上依序层积光子晶体所构成的相同的第一1/4波片、前述光学元件(波面变形元件)，及光子晶体所构成的相同的第二1/4波片。第一1/4波片与第二1/4波片其主轴方位优选为相差90°。
本发明的光学元件中，自我复制形光子晶体波片在根本上是与倾斜超颖表面(例如非专利文献1、2：gradient metasurface)不同，而为立体形，故容易于其表面及其下部进行抗反射处理或使用接着剂等。立体形中可在保持层积总厚度下增加层积数，即使减少层积周期、面内周期，特性亦几乎保持固定，故可使构造高精细化。
本发明的光学元件的另一实施形态优选为如下：将决定间距的平行线所形成的个别区域的波片由平行线变更为曲线，而可消去区域(次区域)的边界。通过改变为曲线而可减少量子化误差，结果可减少相位误差、可减少不需要的偏振波的比例，及可减少未分歧成分的比例。
又，将多区域1/2波片两侧以2片相同的1/4波片夹住的构造亦可以单一制膜工序制作，故以小型化的观点来看较优异。
又，可以单一成膜工序制作以下光学元件，亦即使用多区域1/2波片而分歧输入光，将个别光输入于区域分割型1/4波片，作为相同方位的线性偏振光而输入于光子晶体透镜，由此可聚光并去除不需要的偏振波。
发明效果
可抑制因构造的高精细化或曲线化所致源自于不连续性的光散射或产生不需要的光成分。又，表面处理、清净化、接着处理等加工性优异，可降低作为零件的体积、所占区域及制作成本。
附图说明
图1为使用以往技术的倾斜超颖表面(gradient metasurface)所实现的偏振光光栅。
图2为表示分割型(平行沟槽)与曲线型的比较。
图3为表示光子晶体的情形相对于间距变化的相位差灵敏度。
图4为表示光子晶体的带图及高精细化光子晶体。
图5为表示第1实施形态的光学元件(分割型)一例。
图6为表示以往技术的超颖表面型与第1实施形态的光子晶体型的比较。
图7为表示第2实施形态的光学元件(曲线型)一例。
图8为表示第1实施形态的光学元件与第2实施形态的光学元件的主轴方向分布实测值。
图9为表示第1实施形态的光学元件与第2实施形态的光学元件的光学特性实测值。
图10为表示第3实施形态的光学元件，是表示射入45度线性偏振光的情形。
图11为表示第3实施形态的光学元件，是表示射入-45度线性偏振光的情形。
图12为表示第3实施形态的光学元件，是表示射入0度线性偏振光的情形。
图13为表示第3实施形态的光学元件，是表示射入任意方位线性偏振光的情形。
图14为表示第4实施形态的复合光学元件一例。
图15为表示第4实施形态的复合光学元件的透镜部分及耦合效率。
具体实施方式
以下说明本发明的实施例1、实施例2、实施例3及实施例4。
实施例1
[偏振光分离元件(偏振光光栅)]
在自由空间内，为了使与z轴平行行进的波射入于棱镜，并在xz平面内折射角度α，可对光束赋予如下的相位变化。只要使图1的x＝D且x＝0时相位差为2πsinα/λ即可，只要通过前述原理使半波片的主轴相对于x轴具有如πsinα/λ倾斜即可(λ为光的波长)。
使用图4(a)、(b)、(c)表示波长1550nm中的设计例。
图4(a)是称为周期构造的带图或传播特性图，是一分散曲线，并表示与面垂直且贯穿z方向的光行进方向的每单位长度的相位差(波数)，及和波长倒数成比例的归一化频率的关系。L为z方向的基本周期(2种透明体的厚度和)。
图4(b)是光通信波长带所使用光子晶体的代表构造。光子晶体的各性质如下。
高折射率材料：Nb2O5、厚度120nm。
低折射率材料：SiO2、厚度120nm。
x方向的周期：500nm。
慢轴折射率：1.886。
快轴折射率：1.837。
1/2波片中层积整体的厚度：15.8μm。
图4(c)为用以高精细化的设计一例，材料为共通。光子晶体的尺寸如下。
高折射率材料：Nb2O5、厚度60nm。
低折射率材料：SiO2、厚度60nm。
x方向的周期：250nm，为图2(b)的一半。
慢轴折射率：1.878。
快轴折射率：1.841。
1/2波片中层积整体的厚度：20.9μm。
图4(b)、图4(c)的特性共通表示于图4(a)的分散关系(或带图)。说明其使用方式。图4(a)中#1所示为TE第1带(黑点)、TM第1带(白点)。该等带中，在归一化频率L/λ为0以上且0.24以下几乎表示为直线。其意义如下：例如归一化频率＝0.1548(上方虚线)中的TE波、TM波的实效折射率，是与一半的归一化频率0.0774(下方虚线)中的TE波、TM波的实效折射率几乎一致。因此，在构造保持相似比下即使任意缩小(该例中为2：1)，作为介质几乎可得同等性质(例如双折射)。只要保持相似形而减少立体的单位周期，则可任意地实现高精细化。可使自我复制法中降低至极小p值而制作光子晶体，现在有降低至p＝80nm的产品化实绩，更低可降低至p＝40nm。
图5是以如图4(c)所示高精细自我复制光子晶体所构成的阶层分布相位板棱镜的表面图，与图1所示习知超颖表面(metasurface)相位板不同。需注意的是，图5的光子晶体型相位板棱镜中表面形状为定性，是与图1相似，但实体为新颖的立体型高精细光子晶体。相异点如下：在图1中是在光通过表面时转换相位面，在图5中是一边使波在体积中传播一边变化相位面。
相较于图1的先前例，图5的光子晶体型相位板棱镜有以下高精细化效果。
·x方向的1周期内次区域数目(主轴方位的梯度数)较多，可正确再现目标的相位分布。
·次区域宽度与光子晶体的沟槽彼此间隔(图中黑粗线彼此、白粗线彼此的间隔)的形成比较大，因此可更正确实现异向性。
图5中，近似是指θ与x一起线性增加或减少时其元件具有棱镜效果。因此若通过高精细化而提高波面精度，可明显改善棱镜中所实现透射光的振幅分布、相位分布正确度。
又，本构造中，若以波长为λ、区域宽度为D，则一个圆偏振光成为折射角λ/D弧度，其他圆偏振光是在逆向以折射角λ/D弧度进行折射，因此分离角成为2λ/D弧度。若选择D为10波长程度，则分离角为约12度，是显示天然结晶金红石所得分离角的约2倍的显着大小，对于光学机器小型化是有用的。
图5表示自我复制型高精细光子晶体的构造。该光子晶体在3维空间x、y、z中，于在xy面具有周期性图形的凹凸的基板303上，朝z方向交互层积折射率相异的2种类透明介质。2种透明介质是具有与基板303的凹凸对应的凹凸构造。
形成自我复制型光子晶体的多个种类透明体优选为非晶质硅、五氧化铌、五氧化钽、氧化钛、氧化铪、二氧化硅、氧化铝、氟化镁等氟化物的任一者。可由该等中选择折射率相异的2种到多种并用于光子晶体。优选为例如非晶质硅与二氧化硅、五氧化铌与二氧化硅、五氧化钽与二氧化硅的组合，但亦可为此外的组合。具体而言，自我复制型光子晶体是具有高折射率材料与低折射率材料在z方向交互层积的构造。高折射率材料优选为五氧化钽、五氧化铌、非晶质硅、氧化钛、氧化铪或组合该等2种以上的材料者。低折射率材料优选为二氧化硅、氧化铝、包括氟化镁的氟化物或组合该等2种以上的材料者。
如图5所示，在xy面内中，至少朝x轴方向周期性重复形成多个区域D。多个区域D在x轴方向的长度优选为相等。又，各区域D是进一步在x方向区分为多个次区域。图5所示例中，各区域D区分为11个次区域，但可为11个以上的区域，优选为例如13、15、17、19等奇数。各区域D所含次区域优选为分别在x方向具有实质相等宽度。“实质相等宽度”是指以位于x方向中心的次区域宽度为基准，容许±2％的误差。
又，在各次区域内周期性形成多个沟槽。沟槽宽度为实质上皆相等。又，沟槽在各次区域内形成于由x方向一端至另一端。在区域D中，在位于x方向中心的次区域内，与x轴方向平行延伸的沟槽是周期性重复形成于y方向。另一方面，在区域D中，于位于x方向左右两端次区域内，形成有于y方向平行延伸的沟槽。因此，相对于在中心次区域形成的沟槽，在左右两端次区域形成的沟槽所成角度θ成为90度。在这样的次区域中，沟槽长度为最大且与元件整体的y方向有效尺寸一致。
又，在中心次区域及左右两端次区域之间，在左右分别有4个次区域。接着，在位于该等间的各次区域中于y方向周期性重复形成多个沟槽。又，于一次区域所形成沟槽的角度皆相等。但是位于区域间的各次区域的沟槽角度θ是设定为由中心次区域往左右两端次区域逐渐接近90度。例如如前述，在中心次区域与左右两端次区域之间分别设置4个次区域，使中心次区域的沟槽角度为0度并使左右两端次区域的沟槽角度为90度，由接近中心次区域的区域起依序以每22.5度使倾斜角θ变大。如上述，在各区域D中区分为x方向宽度相等的多个次区域，在各次区域周期性形成角度相等的沟槽，由位于x方向中心的次区域向位于左右两端的次区域使沟槽角度单调地增加。
在如此前提下，在各次区域中，周期构造的沟槽间单位周期p(参照图1)成为入射光波长(例如选自400nm～1800nm之间)的4分之1以下。又，沟槽间单位周期p的下限值为40nm。又，在厚度方向(z方向)中，折射率相异的2种类透明介质的单位周期亦成为光波长的4分之1以下。又，厚度方向的单位周期的下限值为40nm。接着，在多个区域D整体中，沟槽长度的面内最小值d(参照图5)成为前述沟槽间单位周期p的1倍以上。又，沟槽长度的面内最小值d的上限值被认为是前述沟槽间单位周期p的50倍。在此，如图5所示，在一区域D内形成的多个次区域的x方向宽度皆相等，故区域D中的沟槽长度的面内最小值d基本上会成为于位于该区域D中心的次区域形成的沟槽长度。又，沟槽长度有越在x方向左右两侧区域的沟槽越长的倾向。
由此，相较于图1的例子，图5所示高精细光子晶体在x方向1周期内的次区域数目(主轴方位的灰阶数)较多，可正确再现目标的相位分布。又，次区域宽度与光子晶体的沟槽彼此间隔(图中黑粗线彼此、白粗线彼此的间隔)的形成比较大，因此可更正确实现异向性。以上述而言，图5所示者是高精细化。
图6是表示模拟于D＝5μm的偏振光分离元件垂直射入圆偏振光的高斯光束时，相对于入射光的透射光(折射光及直进光)强度与次区域数目的关系的结果。此时光束波长为1.55μm，直径为5μm。由该图表可知相较于习知的超颖表面型，本发明的光子晶体型是具有优异特性。图6(a)为折射光强度，优选为较大。因此可知即使为相同次区域数目，光强度亦改善有0.2～0.3dB。图6(b)为不折射而直进的光强度，优选为较小。同样地可知即使为相同次区域数目亦改善有3～7dB。又，光子晶体型可为高精细，故可一边维持相同宽度D一边使次区域数目较超颖表面型更多。相对于超颖表面型其优点为可使次区域数更多，由此可改善透射光振幅分布、相位分布正确度，又，一边在具有10波长程度厚度的光子晶体内部行进一边逐渐变化相位，由此可抑制次区域间所生相位不连续。
实施例2
[曲线型]
实施例1中表示分割为次区域的光子晶体型偏振光分离元件的优异性。但因分割为次区域会产生相位误差，这是无法避免的本质性问题。又，若增加次区域数目，则在次区域内无法获得充分异向性，有相位延迟变小的问题。因此，若为了获得大偏振光分离角度而减小周期，则必需减少次区域数目，有量子化误差变大、偏振光分离特性恶化的问题。本实施例中说明可解决该问题的方法。
理想的光学轴角度分布在1周期内是由0度到180度变化，其变化量相对于x呈比例分布。在x为-D/2与D/2间时，可通过使光子晶体图形(凸部或凹部)成为曲线(D/π)×log(cos(πx/D))，而实现该理想角度分布。该曲线的切线会成为光学轴角度，故由此获得理想光学轴分布。以下将具有如此轴方位的偏振光分离元件称为曲线型。
图2表示本实施例的形态。通过使光子晶体图形(凸部或凹部)为曲线状，在1周期内部于中央部图形较稀疏，越靠近端部越密集，而图形产生瑕疵。因此，以中央部的图形间间距为基准，将其作为p0。在使p0为一临界值间距以下的位置使2支图形合并。合并后的间距成为2p0，但越往端部越密集，故在成为临界值长度以下处再次合并。通过重复以上操作，而一边使间距在一范围内变化一边可实现理想光学轴分布。若使临界值间距为0.5p0，则间距的变化范围在0.5p0～2.0p0之间。亦即，以相邻凸部及凹部中的一者的间隔的最大值及最小值的比为4倍以内的方式，将另一者以分歧、合并的方式几何地配置。图2所示例中，白色部分为凹部，黑色部分为凸部。
如图3所示，自我复制光子晶体中，相对于间距变化而言实效折射率变化较小。亦即，相对于间距变化而言相位延迟的变化量较为迟钝，故相较于超颖表面型较为优异。例如若使在波长1.55μm带的基准间距p0优选为600nm、最小间距临界值为0.65p0、最大间距临界值为1.3p0，则间距在400nm～800nm间变化，可使相位延迟的变化量控制在±10％以内的极小值。
图7表示成膜前的石英基板及于其上形成的自我复制光子晶体的表面SEM像。是设计为波长1.55μm带用，基准间距为300nm，光子晶体的材料为Nb2O5及SiO2。图形合并的临界值间距为0.5p0。由该SEM像可知：通过在石英基板上形成曲线状图形，而形成沿该图形的光子晶体。
图8表示光子晶体形偏振光分离元件具有的光学轴方位测量结果。测量所使用波长为520nm，亦配合测量波长而变更光子晶体的设计。基准间距为300nm，光子晶体的材料为Nb2O5及SiO2，膜厚分别为40nm。层积15周期，且光子晶体部分的厚度合计为1.2μm。图形合并的临界值间距为0.5p0。偏振光分离元件的周期是以6、8、10μm来制作。又，为了比较而在相同基板上形成以次区域分割的图形并一起成膜。由该测量结果可知在曲线型元件中可实现虚线所示理想轴方位分布。另一方面可知在分割型中会因量子化误差而使轴方位阶段状变化。
图9表示分割型及曲线型的零级光(因相位误差所产生不需要的光)的测量值。由此可知曲线型较可减少不需要的光。此表示曲线型是可实现的，且相较于分割型更为高性能。
实施例3
[3层构造]
实施例1、实施例2的棱镜是相对于特定圆偏振光而运作，且输出亦为圆偏振光。但一般光学系统中利用价值较高者为线性偏振光(例如在光通信中，激光光源、PLC波导、LN调制器、硅光子学元件皆在固有状态、安定运作状态为线性偏振光)。线性偏振光与圆偏振光是可通过使光通过1/4波片而相互转换。因此若为1/4波片…图7的棱镜…1/4波片的所谓3部分构成，则可得线性偏振光输入及线性偏振光输出的棱镜，可提高利用价值。
在自我复制光子晶体技术中可实施如下事项：在平坦基板上形成均一1/4波片、于其上形成具有实施例2所示曲线型的主轴方位分布的光子晶体形1/2波片，及进一步于其上形成均一1/4波片(虽途中需行表面平坦化，但亦可通过同装置内的溅镀等而实行)。
详细而言是依照以下顺序。
(1-1)在基板上以纳米压印法等形成相同的沟槽列。
(1-2)于其上通过自我复制法形成均一1/4波片。
(1-3)以溅镀法等使其表面平坦化。
(2-1)于其上通过纳米压印法等而形成所求图形。
(2-2)于其上通过自我复制法而形成具有实施例2所示曲线型的主轴方位分布的1/2波片。
(2-3)以溅镀法等使其表面平坦化。
(3-1)于其上以纳米压印法等形成相同的沟槽列。
(3-2)于其上通过自我复制法形成均一1/4波片。
以下参照图10说明3层构造的偏振光分离元件。于基板1004上生成由相同的自我复制形光子晶体所构成的第一1/4波片1003。于其上生成1/2波片1002，其是具有实施例2所示曲线型主轴方位分布的自我复制形光子晶体所构成。又，1/2波片1002可取代为具有实施例1所示分割型主轴方位分布的自我复制形光子晶体。于其上生成相同的自我复制形光子晶体所构成的第二1/4波片1001。如线性偏振光1005般，相对于第一1/4波片1003的主轴以45度方位射入的线性偏振光1005是转换为逆时针圆偏振光1006。逆时针圆偏振光1006是通过主轴方位在面内分布的1/2波片1002而转换为顺时针圆偏振光1007，并使等相位面倾斜。其结果，顺时针圆偏振光1007的行进方向倾斜并射入于相同的第二1/4波片1001，而作为线性偏振光1008射出。此时是使入射侧与出射侧相同的第一1/4波片1003及第二1/4波片1001的主轴方位变化90°，由此可使入射线性偏振光1005及出射线性偏振光1008的方位相同。
接着图11表示入射线性偏振光1101与图10的入射线性偏振光1005相差90°方位的情形。线性偏振光1101射入于相同的第一1/4波片并转换为顺时针圆偏振光1102，通过主轴方位在面内分布的1/2波片而转换为逆时针圆偏振光1103，在图10的情形相反地使等相位面倾斜。其结果，行进方向会倾斜并射入于相同的第二1/4波片，作为线性偏振光1104而射出。
接着图12表示入射线性偏振光1201在与相同的第一1/4波片的主轴为相同方位射入的情形。线性偏振光1201是射入于相同的第一1/4波片，成为线性偏振光1202并射出。线性偏振光1202可视为具有相同振幅的顺时针圆偏振光及逆时针圆偏振光的合成，并可分解。分解的顺时针圆偏振光及逆时针圆偏振光是通过主轴方位在面内分布的1/2波片而分别如图10、图11所示般行进方向会倾斜，如线性偏振光1203、1204般，分离为相差90°方位的2个线性偏振光。此时，线性偏振光1203、1204的光强度相同。
接着图13表示任意方位的线性偏振光1301射入的情形。任意方位的线性偏振光1301是射入于相同的第一1/4波片，并转换为楕圆偏振光1302。楕圆偏振光1302可视为振幅相异的顺时针圆偏振光及逆时针圆偏振光的合成，并可分解。分解的顺时针圆偏振光、逆时针圆偏振光是通过主轴方位在面内分布的1/2波片而分别如图10、图11所示般行进方向会倾斜，如线性偏振光1303、1304般，分离为相差90°方位的2个线性偏振光。此时，线性偏振光1303、1304的光强度会因线性偏振光1301的方位而改变平衡。(+45°成分、-45°成分)
如上述，射入的线性偏振光是通过使用自我复制形光子晶体的曲线型偏振光分离元件(偏振光光栅)而偏振光分离。
入射偏振光即使为楕圆偏振光亦同样地偏振光分离为各成分的线性偏振光。
在此，虽偏振光分离部分使曲线型，但即使使用分割型亦可运作。此时所产生相位误差是大于曲线型。
实施例4
[透镜棱镜]
组合实施例2的曲线型偏振光分离元件及1/4波片及透镜，由此可一边去除不需要的偏振光成分一边聚光所求偏振光成分。又，偏振光分离元件可取代为分割型偏振光分离元件。
如图14，入射光是通过实施例2的偏振光分离元件而分离为顺时针圆偏振光及逆时针圆偏振光，并在斜向方向传播。在石英层传播，并以第一个偏振光分离元件及以与所分离圆偏振光相反的方式而配置的第二个偏振光分离元件进行转换而平行地传播。其后通过变换90度轴方位的区域分割型1/4波片而转换为分别在相同方向具有偏振光长轴的线性偏振光(垂直偏振光或水平偏振光)。其后，线性偏振光是通过光子晶体透镜而分别聚光。此时，与所聚光的光相差90度偏振光长轴方向的不需要的偏振光作为串扰存在时，该偏振光不会被聚光，故可改善偏振光串扰及输出光的偏振光纯度。
使用以下具体参数说明棱镜功能部分。计算条件如下。
·波长：1.55μm。
·入射光：半径2.5μm的高斯光束(市售高折射率差单一模式光纤的束半径)。
·顺时针圆偏振光。
·材料(PBS及QWP)：a-Si/SiO2。
·PBS周期：3μm。
·PBS厚度：3.4μm。
·QWP厚度：1.7μm。
·石英厚度：50μm。
BPM解析结果得知：
·输出光：半径3.68μm。
·波面的曲率半径：25.4μm。
·束的分离宽度：8.2μm。
接着说明透镜功能部分。以上述解析所得束参数作为入射条件进行解析。图15左图表示透镜的概略。
·透镜厚度：4.8μm。
图形变更半径为2.6μm、3.61μm。
实效折射率为中央部起2.713、2.600、2.486。
在石英传播层内聚光，图15右图为假设硅光子学的装置等的损失估计。作为一例，所连接装置具有半径1.5μm的模态场时，于透镜棱镜的连接损失估计为0.95dB程度。
如上述，偏振光分离及聚光可以非常薄的复合光学元件而实现，该例中是可以74μm而实现。相较于为了在光纤与硅光子学间偏振光分离而使用石英系平面光波导(PLC、通道长度为数10mm)者，此是可达成不同等级的小型化。
在此，偏振光分离部分虽使用曲线型，但即使使用次区域型亦可运作。此时，所产生相位误差是大于曲线型。
又，优选为构成透镜棱镜(复合光学元件)的偏振光分离元件、1/4波片，及透镜皆以光子晶体而形成。光子晶体型偏振光分离元件可为前述实施例1的分割型或实施例2的曲线型。又，光子晶体型1/4波片为习知。透镜可使用一般透镜，但通过使用光子晶体型透镜而可使光传输方向的厚度薄型化。
如图15所示，光子晶体型透镜是在3维空间x、y、z中以x轴及y轴为双折射主轴，并具有至少一个周边部，该周边部是与在z方向延伸的柱状中央部重迭并围住前述中央部。中央部及周边部为自我复制型光子晶体。相较于周边部，中央部具有高实效折射率。中央部及周边部的疆界为圆形或方形。光子晶体型透镜是将在x或y方向具有电场的光导向z方向，并转换经导向传播光的光点大小。又，周边部可包括围住中央部的第1周边部，及围住第1周边部且具有较第1周边部更低的实效折射率的第2周边部。如上述，通过3维光子晶体微小波片的集合体层积而作为垂直型光波导发挥功能，并形成将线性偏振光进行聚光、发散、折射的光元件。由此可增强薄型平板光子晶体透镜所具有的聚光性，进一步可具有小型化、高聚光功能。
又，光子晶体型透镜中，中央部半径或中央部xy面中长度方向的长度一半的值优选为所传播光波长的10倍以内。又，其阶段状的折射率分布优选为在xy平面内光强度较大范围内近似于2维抛物面n＝q-p(x2+y2)。
产业上的可利用性
透镜、棱镜为所有光学技术的基础，在各种情形中皆具利用价值。例如以光通信而言，透镜是在将激光光源的光导入于光纤或平面光波导(PLC)的部分，或将平面光波导(PLC)内的光耦合于调制器、开关的部分等所使用；棱镜是分离为在光纤或光波导传播的2种类线性偏振光(例如电场与基准平面平行或垂直)的部分，或与其相反而将2种类线性偏振光集束于1条传送路(光纤等)的部分等所使用的重要光学元件。
又，使用具偏振光依存性的线路时是用于偏振光分集及光耦合模块，该等是将偏振光分为2个成分，并将个别的光调整为所求光束直径、特定偏振光方向而输入于2个相同线路。
又，光传输方向具可逆性，故例如可逆向使用图13的偏振光分离棱镜并用于偏振光合成棱镜。在图14的透镜棱镜中，由右端2个端口射入特定线性偏振光，并可在左端获得经合成的输出。
因此，由此而言实施例1、2、3、4是既为偏振光分离元件，亦为偏振光合成元件。不论是任一形态皆具有产业利用性。
Claims (7)
1.一种光学元件，其特征在于，具备在3维空间x、y、z中形成于xy面并在z轴方向层积的光子晶体半波片，
在x轴方向具有单一或重复的一个或多个区域，
前述区域在x轴方向区分为多个带状次区域，
光子晶体的沟槽方向是在前述区域中相对于y轴方向角度为0°到180°的范围内阶段性变化，且在前述次区域中相对于y轴方向角度为相同，
将射入于z轴方向的光分离及转换为由z轴以一角度朝x轴的方向的顺时针圆偏振光，及由z轴以相同角度朝负x轴的方向的逆时针圆偏振光而射出。
2.一种光学元件，其特征在于，具备在3维空间x、y、z中形成于xy面并在z轴方向层积的光子晶体半波片，
在x轴方向具有单一或重复的一个或多个区域，
光子晶体的沟槽方向为曲线，且在相对于y轴方向角度为0°到180°的范围内连续性变化，
将射入于z轴方向的光分离及转换为由z轴以一角度朝x轴的方向的顺时针圆偏振光，及由z轴以相同角度朝负x轴的方向的逆时针圆偏振光而射出。
3.根据权利要求2所述的光学元件，其特征在于，是以相邻凸部及凹部中的一者的间隔在前述区域内部中的最大値及最小値的比为4倍以内的方式，将另一者以分歧、合并的方式几何地配置。
4.根据权利要求3所述的光学元件，其特征在于，以前述区域宽度为D时，
前述曲线是表示为y＝(D/π)log(cos(πx/D))+常数。
5.根据权利要求1或2所述的光学元件，其特征在于，光子晶体的沟槽间单位周期为40nm以上，且入射光波长的1/4以下，
厚度方向的周期为入射光波长的1/4以下。
6.根据权利要求1或2所述的光学元件，其特征在于，在单面或两面层积或配置光子晶体所构成的1/4波片，
将光学元件的z轴方向入射光分离为正交的2个线性偏振光。
7.一种复合光学元件，其特征在于，具有两个权利要求1或2所述的光学元件，
第一光学元件及第二光学元件是相隔一传播长度的间隔而配置，
并具有：
1/4波片，设置在第二光学元件的后段，以及
一对透镜，设置在前述1/4波片的后段，并具有将线性偏振光聚光且将与其正交的线性偏振光发散的功能，
将从第一光学元件侧射入的光分离为2个线性偏振光成分并聚光。
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