CN110073259A - 波导片以及光电变换装置 - Google Patents

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Abstract

本公开的波导片将入射的入射光取入，在内部向与入射光的入射方向交叉的方向对光进行波导。波导片具备改变入射光的行进方向的衍射光栅层和多个第1透光对。第1透光对具有：具有在与入射方向交叉的方向即第1方向上重复第1凹条和第1凸条的形状的第1透光层；和层状配置于第1透光层的第2透光层。多个第1透光对层状配置，使得第1透光层位于衍射光栅层侧，并且在入射方向上，与第1透光层相邻的其他第1透光层的第1凹条位于第1透光层的相邻的第1凸条之间。

Description

波导片以及光电变换装置
技术领域
本公开涉及利用衍射进行光的取入的波导片以及利用了该波导片的光电变换装置。
背景技术
专利文献1公开了利用光的衍射来进行光的取入的波导片。专利文献1记载的波导片具备透光片和该透光片内的光耦合结构。光耦合结构包含第1透光层、第2透光层、和被它们所夹的第3透光层。另外，第1以及第2透光层的折射率小于透光片的折射率，第3透光层的折射率大于第1以及第2透光层的折射率。另外，第3透光层具有衍射光栅。由此，能以大的入射角度取入大的波长范围的光。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：国际公开第2012/046414号
发明内容
本公开提供波导片，其取入入射的入射光，在内部将光向与该入射光的入射方向交叉的方向进行波导，易于在内部保持取入到该波导片内部的光。另外，本公开提供利用了该波导片的光电变换装置。
本公开的波导片将入射的入射光取入，在内部向与入射光的入射方向交叉的方向对光进行波导。波导片具备改变入射光的行进方向的衍射光栅层和多个第1透光对。第1透光对具有：具有在与入射方向交叉的方向即第1方向上重复第1凹条和第1凸条的形状的第1透光层；和层状配置于第1透光层的第2透光层。多个第1透光对层状配置，使得第1透光层位于衍射光栅层侧，并且在入射方向上，与第1透光层相邻的其他第1透光层的第1凹条位于第1透光层的相邻的第1凸条之间。
另外，本公开的光电变换装置具备上述的波导片和光电变换元件，光电变换元件具有接受光的受光面，在受光面将接受到的光变换成电力。光电变换元件配置于波导片的周围，使得受光面位于与位于与入射方向交叉的方向上的波导片的端面对置的位置。
根据本公开的波导片，易于在内部保持取入到该波导片内部的光。
另外，根据本公开的光电变换装置，由于能由波导片以大的面积取入来自外部的入射光，将取入的入射光效率良好地向配置于该波导片的端面侧的光电变换元件引导，因此能将入射光效率良好地进行光电变换。
附图说明
图1的(a)是表示本公开所涉及的光电变换装置的立体图。图1的(b)表示将图1的(a)所示的光电变换装置沿着Ib-Ib切断的截面的截面图。
图2是表示用于说明向实施方式1所涉及的波导片的光输入的样子的示意截面的示意图。
图3的(a)是表示实施方式1所涉及的衍射光栅层的示意截面图。图3的(b)是用于说明向衍射光栅层的入射光的相干长度的说明图。图3的(c)是表示向图3的(a)所示的衍射光栅层的光输入和输入的光在衍射光栅内进行传播的样子的说明图。
图4的(a)是表示图3所示的衍射光栅层的光输入效率的波长依赖性的说明图。图4的(b)是表示图3所示的衍射光栅层的光输入效率的角度依赖性的说明图。
图5的(a)是实施方式1所涉及的平行层与曲折层的层叠体的截面图，图5的(b)～(j)是对应于图5的(a)的截面图在时间序列上排列了一边在曲折层和平行层转移一边传播的波导光的强度分布的说明图。
图6的(a)是实施方式1所涉及的包含衍射光栅层的平行层与曲折层的层叠体的截面图。图6的(b)～(d)是对应于图6的(a)所示的截面图在时间序列上排列了向衍射光栅层的光输入后一边在平行层和曲折层转移一边进行传播的波导光的强度分布的仿真结果的说明图。图6的(e)是表示相对于在层叠体内传播的波导光的传播光路长度的、解析区域内的光的总能量的仿真结果的说明图。
图7是表示对波导光的传播方向的倾斜度的变化和光的转移效率的变化进行仿真的结果的说明图。
图8的(a)是表示实施方式1所涉及的波导片的平行层被曲折方向不同的曲折层所夹的情况的波导光的传播的样子的说明图。图8的(b)是表示用二维模型仿真将从平行层向位于该平行层的下表面侧的曲折层传播的光的转移现象的结果的说明图。图8的(c)是表示用二维模型仿真未从平行层向位于该平行层的下表面的曲折层传播的光的转移现象的结果的说明图。
图9的(a)是表示实施方式1所涉及的波导片的最表面的结构的示意图。图9的(b)以及图9的(c)是用于说明曲折层的曲率半径与光的转移的关系的示意截面图。
图10是表示制造实施方式1所涉及的波导片的过程的一例的示意的说明图。
图11是表示制造实施方式1所涉及的波导片的过程的其他一例的示意的说明图。
图12是表示示出实施方式2所涉及的波导片的示意截面的说明图。
图13是表示在实施方式3所涉及的波导片内进行波导的波导光的样子的说明图。
图14的(a)是表示在二维模型的仿真中利用实施方式3所涉及的波导片的光的转移现象的折射率分布图的说明图。图14的(b)是表示示出图14的(a)所示的光的转移现象的二维模型的仿真结果即坡印廷矢量的强度比的传播长度依赖性的说明图。
图15是表示实施方式4所涉及的波导片的示意截面的示意图。
图16是表示实施方式5所涉及的波导片的示意截面的示意图。
图17是表示实施方式5所涉及的波导片的传播光的传播方向的变化的样子的说明图。
图18是用于说明光栅耦合法的原理的说明图。
具体实施方式
(成为本公开的基础的见解)
首先在下述中说明发明人们的着眼点。
光是以光速连续传播的基本粒子。一般难以使光在单一的光传播介质中移动以及在该光传播介质的内部保持光。以往，作为从空气等环境介质将光取入到透明的片内部的技术，例如有光栅耦合法。
图18是用于说明光栅耦合法的原理的图。具体地，图18的(a)是在表面设有衍射光栅间距Λ的直线光栅(衍射光栅22)的透光层20的截面图，图18的(b)是图18的(a)所示的透光层20的俯视图。
设有衍射光栅22的透光层20被称作光栅耦合器。如图18的(a)所示那样，若使波长λ的入射光23a相对于透光层20的形成衍射光栅22的面的法线倾斜给定的入射角度θ入射到衍射光栅22，就会使入射光23a与在透光层20内传播的波导光23b耦合。在此，在透光层20中仅取入满足波长λ、入射角度θ等被决定的条件的入射光，不取入不满足条件的入射光。
图18的(c)是表示图18的(a)中的入射光23a的矢量图的说明图。
在图18的(c)中，圆24以及圆25是以点O为中心的圆。另外，圆24的半径设定为与位于透光层20的周围的环境介质21的折射率n0相等。另外，圆25的半径设定为与波导光23b的有效折射率(neff)相等。有效折射率(neff)依赖于透光层20的膜厚，对应于在透光层20内传播的传播光的波导模而取从环境介质21的折射率n0到透光层20的折射率n1之间的特定的值。另外，点P是从点O沿着入射角度θ(相对于y轴的倾角)划线、该线与圆24相交的点。点P’是从点P向x轴划的垂线的足(该垂线与x轴的交点)。点Q以及点Q’是圆25与x轴的交点。
图18的(d)表示波导光23b以TE模传播的情况下的有效的膜厚(teff)与有效折射率(neff)的关系(分散特性)。在此，所谓有效的膜厚，在没有衍射光栅22的情况下，是指透光层20的膜厚本身，在有衍射光栅22情况下，是指在透光层20的膜厚上加上衍射光栅22的平均高度。另外，图18的(d)是将覆盖透光层20的周围的环境介质21设为SiO2、将透光层20设为Ta2O5的情况下的有效的膜厚(teff)与有效折射率(neff)的关系。
如图18的(d)所示那样，在透光层20内传播的波导光中存在0阶、1阶、2阶等多个波导模，特性曲线分别不同。
这里，如图18的(c)所示那样，向x轴正方向的光的耦合条件是P’Q的长度等于λ/Λ的整数倍，向x轴负方向的光的耦合条件是P’Q’的长度等于λ/Λ的整数倍。具体地，向x轴正方向的光的耦合条件以下述的式(1)表征。其中λ是光的波长，Λ是衍射光栅间距，q是以整数表征的衍射阶数。
[数式1]
在式(1)中，在n0、neff、q、λ、Λ、θ满足式(1)的情况下，若n0、neff、q、λ、Λ保持相同值，则在θ以外的入射角度下，入射到透光层20的入射光在透光层20内不与波导光耦合。另外，在式(1)中，在n0、neff、q、λ、Λ、θ满足式(1)的情况下，若n0、neff、q、Λ、θ保持相同的值，则在λ以外的波长下，入射到透光层20的入射光在透光层20内仍然不与波导光耦合。
上述是对入射光23a从与衍射光栅22在透光层20的表面延伸的方向垂直的方向入射的情况的说明。在此，如图18的(b)所示那样，考虑从入射光23a入射到透光层20的方向(与衍射光栅22的延伸方向垂直的方向)移动(转动)转动角度的入射光23A入射到透光层20的情况。在该情况下，衍射光栅22的实质的间距成为为此，在入射到透光层20的入射光中的入射方向移动(转动)了的入射光中，在满足式(1)的条件(n0、neff、q、λ、Λ、θ)中，即使是不同的入射角度以及波长也存在满足光的耦合条件的情况。由此，透光层20中的入射光向波导光的耦合条件被某种程度缓和，但入射角度以及波长被限定这点并未改变。
另外，波导光23b在衍射光栅22的区域传播的期间，形成有衍射光栅22的透光层20的入射光向所入射的面的方向作为辐射光23B辐射。为此，在从形成于透光层20的表面的衍射光栅22的端部(光栅端部22a)离开的位置，入射光入射，即使能够在透光层20内作为波导光23b传播，波导光23b也会在抵达光栅端部22a时衰减。即，波导光23b未到达光栅端部22a而作为辐射光23B向透光层20的外部辐射。因此，仅在接近光栅端部22a的位置入射的入射光23a’能不受辐射引起的衰减地作为波导光23b’在透光层20内传播。即，由于使大量的入射光作为波导光在透光层20内耦合，因此即使加大衍射光栅22的面积，也存在不能使入射到衍射光栅22的入射光全部作为波导光23b’传播这样的问题。鉴于以上的问题点，发明人们创出本公开。
以下适当参考附图来详细说明实施方式。但有省略不必要的详细说明的情况。例如有省略对已知的事项的详细说明或对实质相同的结构的重复说明的情况。这是为了避免以下的说明不必要地变得冗长，使本领域技术人员易于理解。
另外，发明人们为了本领域技术人员充分理解本公开而提供附图以及以下的说明，并不意图由此限定权利要求书中记载的主题。
另外，各图中的x轴以及y轴设为是与z轴正交的方向。另外，x轴设为是与y轴正交的方向。另外，在本说明书中，将z轴的正方向定义为上方。另外，有将z轴方向记载为层叠方向的情况。
另外，在本说明书中，“上方”以及“下方”这样的用语不是指绝对的空间认识中的上方向(铅直上方)以及下方向(铅直下方)。另外，“上方”以及“下方”这样的用语不仅运用在2个构成要素相互空开间隔配置从而2个构成要素之间存在其他构成要素的情况中，还运用在2个构成要素相互紧贴配置从而2个构成要素相接的情况中。
另外，在本说明书中，所谓平行，包含大致平行即制造上的误差。
(实施方式1)
以下使用图1～图11来说明实施方式1。
[波导片的结构]
图1的(a)是表示实施方式1所涉及的光电变换装置的示意的立体图。图1的(b)是表示将图1的(a)所示的光电变换装置沿着Ib-Ib切断的截面的截面图。
如图1所示那样，光电变换装置100具备波导片10和配置于波导片10的端面102的光电变换元件11。
光电变换装置100是将太阳光或照明光等入射光5取入到波导片10的内部、将取入的入射光5变换成电力的装置。换言之，入射光5被取入到波导片10的内部，在波导片10内部与波导光6耦合。波导光6在波导片10内部传播，到达到波导片10的端面102。到达到端面102的波导光6在光电变换元件11的受光面101受光，被变换成电力。
光电变换元件11是将接受到的光变换成电力的光电变换元件。作为一具体例，光电变换元件11是太阳能电池。作为光电变换元件11的材料，例如采用结晶硅、单晶硅或多晶硅等半导体。或者，作为光电变换元件11的材料，例如可以采用GaAs或InGaAs等化合物系半导体。
光电变换元件11例如配置在波导片10的周围，使得覆盖波导片10的端面102。具体地，光电变换元件11配置在波导片10的周围，使得受光面101位于在与入射到波导片10的入射光5的受光方向交叉的方向上与波导片10的端面102对置的位置。取入到波导片10的波导光6从波导片10的端面102射出，在光电变换元件11受光。受光的波导光6在光电变换元件11被变换成电力。
波导片10是将入射光5取入到内部的光学片。波导片10在内部保持所取入的入射光5，使入射光5与波导光6耦合并向波导片10的端面102传播。具体地，波导片10将入射光5取入到内部，改变入射光5的行进方向来将其向位于与受光方向交叉的方向上的波导片10的端面102进行波导。更具体地，波导片10将入射光5取入到内部，与在与入射光5的行进方向不同的方向上在波导片10内部行进(波导)的波导光6耦合。另外，波导片10具有将波导光6在抑制向波导片10外部(具体是图1所示的z轴方向侧)的辐射的同时向端面102引导的功能。
图2是将波导片10的一部分裁出的示意的放大截面图。具体地，图2是示出用于说明向实施方式1所涉及的波导片10的光输入以及光传播的样子的示意截面的示意图。如图2所示那样，波导片10具备层叠体60a(第1层叠体)以及层叠体60b(第2层叠体)。
层叠体60a是具备衍射光栅层1、曲折层3(第1透光层)以及平行层4(第2透光层)的层叠结构体。具体地，层叠体60a具备改变入射光5的行进方向的衍射光栅层1。另外，层叠体60a还具备曲折层3，其层状配置于衍射光栅层1，具有在与入射光5的入射方向交叉的方向即第1方向上具有重复第1凹条70和第1凸条71的形状。另外，层叠体60a还具备层状配置于曲折层3的平行层4。在此，将曲折层3和层状配置于曲折层3的平行层4一起称为透光对61(第1透光对)。层叠体60a具备层状配置的多个透光对61。在此，第1凹条70和第1凸条71分别是向y轴方向线条状伸长的凹部和凸部。
多个透光对61层状配置，使得在入射光5的入射方向上与曲折层3相邻的其他曲折层3的第1凹条70位于配置曲折层3的相邻的第1凸条71的位置之间。
衍射光栅层1是在与图2所示的xy面平行的表面(上表面以及下表面)形成有衍射光栅19的有透光性的层，该衍射光栅19是衍射光栅间距Λ、且衍射光栅深度d的在y轴方向上延伸的直线状，截面形状是矩形。另外，在衍射光栅层1的层叠方向上的上表面侧以及下表面侧交替层叠(配置)形成位于xy面、沿着x轴以曲折间距Px曲折的曲折层3和与xy面平行的平行层4。
衍射光栅层1将入射光5取入到内部。另外，衍射光栅层1在内部保持取入的入射光5，将入射光5与波导光6耦合，并将波导光6向层状配置于衍射光栅层1的曲折层3进行波导。具体地，衍射光栅层1将入射光5取入到内部，改变入射光5的行进方向，将其向位于与受光方向交叉的方向上的波导片10的端面102侧进行波导。在衍射光栅层1内进行波导的波导光6向层状配置于衍射光栅层1的曲折层3转移。
曲折层3是有光透过性的光学片。曲折层3是截面观察(在图2所示的xz面切断的面)下在第1方向(图2中x轴方向)上是波状，是具有在第1方向上曲折延伸的形状的层。具体地，通过曲折层3形成曲折的形状，位于曲折层3的上表面侧(或下表面侧)的衍射光栅层1和曲折层3在层叠方向上重复接近和分开。另外，所谓接近，包含接触以及非接触。即，曲折层3层状配置于衍射光栅层1，具有在与入射光5的入射方向交叉的方向即第1方向上重复第1凹条70和第1凸条71的形状。曲折层3的第1凹条70和第1凸条71重复的曲折方向(x轴方向)与衍射光栅19的排列方向实质相同。
另外，第1凹条70以及第1凸条71在截面观察下可以形成为具有给定的曲率。具体地，第1凹条70以及第1凸条71在截面观察下可以形成为没有有棱角的部分。
另外，在以后的说明中，有将重复凹条和凸条的方向记载为曲折方向的情况。另外，在图2中，曲折层3中的曲折的z方向全振幅示出为振幅a。另外，本说明书中，振幅a是层叠方向(z轴方向)上的上表面侧最靠z轴正方向侧的点与上表面侧最靠z轴负方向侧的点的间隔。
平行层4是具有光透过性的光学片。在实施方式1中，平行层4是位于平行层4的层叠方向侧的上表面以及下表面形成为大致平行的光学片。
在层叠体60a中，平行层4层状配置于曲折层3。层叠体60a具备多个平行层4层状配置于曲折层3的透光对61。
衍射光栅层1、曲折层3以及平行层4的材料例如采用丙烯酸树脂等透明的树脂、或Ta2O5、SiN等透明的高折射率电介质。具体地，衍射光栅层1、曲折层3以及平行层4的材料采用具有比位于衍射光栅层1、曲折层3以及平行层4之间的透明层2的材料更高折射率的材料。
另外，通过曲折层3具有曲折的形状，透明层2介于曲折层3与衍射光栅层1之间以及曲折层3与平行层4之间。
透明层2是位于曲折层3与平行层4之间的有光透过性的层。作为透明层2的材料，例如采用与衍射光栅层1、曲折层3以及平行层4相比折射率更低的低折射率的氟树脂、或SiO2等低折射率电介质。另外，透明层2只要比衍射光栅层1、曲折层3以及平行层4折射率低即可，例如可以是空气。
另外，在层叠体60a中，层状配置透光对61，使得曲折层3分别位于衍射光栅层1的层叠方向的一方侧(上侧)以及一方侧的相反侧即另一方侧(下侧)的两面。上下的曲折层3对衍射光栅层1配置成另一方侧的曲折层3的第1凸条71位于一方侧的曲折层3中的配置相邻的第1凹条70的位置之间。
另外，层状配置多个透光对61，使得在第1方向(曲折方向)上，在平行层4的一方的面中的与曲折层3接近的位置之间，在平行层4的与一方的面相反侧的另一方的面上有与曲折层3接近的位置。具体地，如图2所示那样，层状配置多个透光对61，使得在x轴方向上，平行层4的另一方的面(下表面)中的曲折层3与平行层4的接近部3C位于平行层4的一方的面(上表面)中的曲折层3与平行层4的相邻的接近部3C’和接近部3C”之间。换言之，层状配置多个透光对61，使得在入射方向上，与曲折层3相邻的其他曲折层3的第1凹条70位于该曲折层3中的配置相邻的第1凸条71的位置之间。
作为一具体例，在截面观察下，层状配置的曲折层3各自的波形状的曲折周期可以设为同步。换言之，在截面观察下，层状配置的曲折层3各自的第1凸条71的位置与第1凹条70的位置可以在层叠方向上大致一致。
层叠体60b具有与层叠体60a同样的结构，具有层叠衍射光栅层1’、曲折层3’以及平行层4’的层叠结构。在此，层叠体60b是使层叠体60a绕着z轴转动了转动角度的产物。为此，层叠体60b中的曲折层3’的曲折方向(第3方向)从层叠体60a中的曲折层3的曲折方向(第1方向)绕着z轴转动了转动角度具体地，层叠体60b与层叠体60a同样地，都是在形成了衍射光栅19’的衍射光栅层1’的上下层状配置曲折层3’。另外，层叠体60b具备曲折层3’和平行层4’层叠的透光对61’。通过曲折层3’具有曲折的形状，透明层2’介于曲折层3’与衍射光栅层1’之间以及曲折层3’与平行层4’之间。
层叠体60b的衍射光栅层1’将入射光5取入到其内部，使其与波导光耦合。在此，层叠体60b层状配置于层叠体60a，以使衍射光栅层1’所取入的波导光的波导方向与层叠体60a的衍射光栅层1不同。在此，所谓波导方向，是在波导片10内传播的波导光中进行波导的波导光最多的主要的波导方向。
另外，在层叠体60a与层叠体60b之间配置平行层4S。层叠体60a与层叠体60b的交界的平行层4S是相当于各个平行层4和平行层4’的共通的层。
另外，将曲折层3、和平行层4的厚度以及衍射光栅层1的有效的厚度(将光栅的凹凸平均化的情况的厚度)设为膜厚t。另外，曲折层3与平行层4的间隙以及曲折层3与衍射光栅层1的间隙均设为间隙s。
另外，在以后的说明中，没有特别说明的情况下，作为将衍射光栅层1、曲折层3以及平行层4的材料设为Ta2O5，将透明层2设为SiO2，曲折间距Px＝5.85μm(micrometer/micron)、膜厚t＝0.34μm、振幅a＝0.30μm、间隙s＝0μm、衍射光栅间距Λ＝0.45μm、衍射光栅深度d＝0.16μm的条件，进行说明。另外，有将上述的条件说明为条件A的情况。
另外，条件A是衍射光栅层1、曲折层3以及平行层4的结构的一具体例，但并不限定各尺寸以及材料。衍射光栅层1、曲折层3以及平行层4的尺寸的条件例如可以配合衍射光栅层1、曲折层3以及平行层4中所采用的材料适当变更。衍射光栅层1、曲折层3以及平行层4的分散特性相当于图18的(d)所示的P1点。
接下来，使用图2来说明向波导片10的光输入以及光传播的样子。如图2所示那样，入射到波导片10的入射光5以及入射光5’入射到层叠体60a的衍射光栅层1，在形成于衍射光栅层1的衍射光栅19中被耦合，与在衍射光栅层1内传播的波导光6以及波导光6’耦合。
波导光6转移到与衍射光栅层1的下侧相邻的曲折层3而成为波导光6a，转移到与其下侧相邻的平行层4而成为波导光6b，转移到与其下侧相邻的曲折层3而成为波导光6c，重复以上的转移。该波导光的转移现象对于对波导光而言最接近的转移层(具体地，接近波导光正在进行波导的层的曲折层3或平行层4)进行。另外，通过曲折层3的曲折的曲率半径(截面观察下的波形状)、间隙s的最佳化，理论上能以大致100％的效率实现。
另外，波导光6转移到与衍射光栅层1的上侧相邻的曲折层3而成为波导光6A，还转移到与其上侧相邻的平行层4而成为波导光6B，重复以上的转移。
另外，波导光6’转移到与衍射光栅层1的下侧相邻的曲折层3而成为波导光6a’，转移到与其下侧相邻的平行层4而成为波导光6b’，移转到与其下侧相邻的曲折层3而成为波导光6c’，重复以上的转移。
另外，波导光6’还转移到与衍射光栅层1的上侧相邻的曲折层3而成为波导光6A’，转移到与其上侧相邻的平行层4而成为波导光6B’，重复以上的转移。
另外，形成于衍射光栅层1的衍射光栅19可以遍及衍射光栅层1的xy面(上表面以及下表面)的整面形成。由此，在入射光5入射到衍射光栅层1的情况下，衍射光栅层1能在大的区域(面积)将入射光5取入且能使取入的入射光5向波导光6耦合。
重复上述的波导光的转移的结果，波导光6c到达位于层叠体60a与层叠体60b的交界的平行层4S而成为波导光7。由于层叠体60a和层叠体60b绕着z轴形成给定的角度而相接，因此在边界的平行层4S，位于平行层4S的上表面侧的与曲折层3的接近部3A(参考图8)、位于平行层4S之下的与曲折层3的接近部3A’(参考图8)相互交叉。具体地，在与曲折层3的曲折方向垂直的方向上延伸的接近部3A和在与曲折层3的曲折方向垂直的方向上延伸的接近部3A’交叉。如上述那样，层叠体60a的曲折层3的曲折方向与层叠体60b的曲折层3’的曲折方向不同。在这样的条件下，从波导光正在进行波导的层向其他层转移的光的转移效率降低。例如波导光7的一部分转移到与下侧相邻的曲折层3’而成为波导光7a，但未转移到曲折层3’的波导光7的残留停留在平行层4S，成为波导光7A。
另外，由于相对于层叠体60a而层叠体60b绕着z轴转动从而层状配置，因此曲折层3’的曲折方向和波导光7a的传播方向较大背离。为此，在入射光入射到层叠体60b时，将入射光在与第1波导方向(将衍射光栅层1取入的光进行波导的波导方向)不同的方向即第2波导方向上对光进行波导。另外，通过该背离，波导光7a以及其派生光(例如波导光7b、7c等)的光的转移效率也保持降低，每当转移就重复分离(参考图7)。例如波导光7a如图2所示那样被分离成波导光7b和波导光7b’，波导光7b被分离成波导光7c和波导光7c’。
另外，由于波导光7a以及波导光7A都是传播方向从xz面内偏离，因此停留在平行层4S的波导光7a向曲折层3的光的转移效率也降低，每当转移就重复分离(参考图7)。例如波导光7A被分离成波导光7B和波导光7B’，波导光7B被分离成波导光7C和波导光7C’。
例如，若将转移效率各设为50％，则波导光7a、7b、7c以及波导光7A、7B、7C的光量降低为1/2、1/4、1/8，随着从平行层4S离开而波导光的能量衰减。换言之，到达到位于层叠体60a与层叠体60b的交界的平行层4S的波导光7，之后被限制在平行层4S的附近的曲折层3、曲折层3’、平行层4、平行层4’或平行层4S。另外，被限制的波导光作为沿着xy面扩散的波导光在上述的任意的层内传播。如图1的(a)所示那样，该波导光在安装于波导片10的端面102侧的周围的光电变换元件11受光。
另外，在以下的说明中，有将衍射光栅层1、1’、透明层2、2’、曲折层3、3’以及平行层4、4’分别总称为衍射光栅层1、透明层2、曲折层3以及平行层4的情况。
接下来说明被取入到波导片10的光在波导片10内部传播的样子的解析结果(仿真结果)。
图3是表示实施方式1所涉及的衍射光栅层1的光输入(入射光5的入射)的样子的说明图。具体地，图3的(a)是表示实施方式1所涉及的衍射光栅层1的示意截面图。图3的(b)是用于说明向衍射光栅层1的入射光的相干长度的说明图。图3的(c)是表示向图3的(a)所示的衍射光栅层1的光输入和输入的光在衍射光栅内传播的样子的说明图。更具体地，图3的(a)是在耦合长度W的范围切取形成了图2所示的衍射光栅19的衍射光栅层1的二维模型。另外，衍射光栅层1满足上述的条件A。另外，耦合长度W以曲折间距Px(参考图2)的一半的长度设定。另外，衍射光栅层1设为被透明层2包围。图3的(b)是表示使宽度(光斑直径)＝耦合长度W＝5.6μm、波长λ＝0.85μm的光与衍射光栅层1的xy面垂直地入射到图3的(a)的衍射光栅层1、使波导光6耦合的情况的仿真结果的光强度分布图。
在此，衍射光栅层1的有效折射率根据图18的(d)的P1点而算出为neff＝1.95。根据该结果可知，式(1)的右边成为-1.95+0.85/0.45＝-0.06，以大致垂直的入射(入射角度θ＝0度)将波导光6耦合。
图4是表示将入射光入射到图3所示的衍射光栅层1的情况下的光输入效率的说明图。具体地，图4的(a)是表示相对于图3的(c)所示的入射光5的波长的光输入效率的波长依赖性的解析结果。另外，图4的(b)是表示相对于图3的(c)所示的入射光5的入射角度θ的光输入效率的角度依赖性的解析结果。在此，所谓波长依赖性，是改变了入射光5的波长的情况下的相对于波长的入射光5被取入到衍射光栅层1并与波导光6耦合的效率(耦合效率)。另外，所谓角度依赖性，是改变了入射光5的入射角度θ(参考图3的(c))的情况下的相对于入射角度θ的入射光5被取入衍射光栅层1并与波导光6耦合的效率(耦合效率)。
另外，在发出入射到衍射光栅层1的入射光5的光源中使用脉冲光。即，该解析中所用的入射光5是相干长度L(参考图3的(b))的光，设为在将光速设为C的情况下以L/C定义的时间宽度的范围内形成波长λ的均质的电磁波的光。另外，解析中所用的入射光5的形成电磁波的相干长度L的范围外的电磁波振幅设定成零。在此，所谓相干长度L，是指入射到波导片10的入射光5的相干长度。图4所示的解析结果将相干长度L描绘为参数。
如图4的(a)所示那样，在相干长度L长的情况下(所谓的可干涉的光的情况下)，相对于波长的耦合效率形成在波长0.83μm(与图18的(d)的P1对应)的情况下和波长0.71μm(与图18的(d)的P2对应)的情况下具有耦合效率高的2个峰值(与波导光6的0阶模和1阶模对应)的峰值宽度窄的尖锐的曲线。随着相干长度L变短(随着成为所谓的非干涉的光)，多个被确认的峰值成为宽度变宽的曲线。
如图4的(b)所示那样，在相干长度L长的情况下，在入射角度0度(与图18的(d)的P1对应)和21度(与图18的(d)的P2对应)具有耦合效率高的2个峰值(与波导光6的0阶模和1阶模对应)。另外，该2个峰值形成峰值宽度窄的尖锐的曲线。随着相干长度L变短，2个峰值成为峰值宽度变宽的曲线。
在此，例如在将光源考虑为太阳的情况下，太阳光的相干长度L是数μm。即，波导片10通过合适地设定形成于衍射光栅层1的衍射光栅19的衍射光栅间距Λ，例如在入射太阳光的情况下，能在大的波长范围且大的入射角度范围内减少光输入效率(耦合效率)的变化。
接下来说明在曲折层3内以及平行层4内传播的波导光。图5的(a)是表示为了在解析中确认实施方式1所涉及的波导片10的光传播而将夹着透明层2相邻的平行层4和曲折层3交替层叠多个的层叠结构的解析模型的示意截面图。另外，解析模型是二维模型，解析所用的透明层2、曲折层3以及平行层4的结构条件遵循条件A。其中，从条件A将曲折间距Px变更为Px＝10μm。另外，图5的(a)所示的纸面左右侧的解析边界设为周期边界条件(PeriodicBoundary Condition：PBC)，纸面上下侧的解析边界设为吸收边界条件(PerfectlyMatched Layer：PML)。另外，在图5的(a)中，为了使说明易于理解，对与曲折层3以及平行层4对应的部分加入影线来图示。
图5的(b)～(j)与图5的(a)对应，是将表示一边在曲折层3与平行层4之间转移一边传播的波导光的强度分布的解析结果按照(b)、(c)、(d)……(h)、(i)、(j)的顺序在时间序列上排列的说明图。在位于最上层(z轴正方向侧)的曲折层3的纸面左端配置波长0.85μm的光源，若使光源向全方位发光，则从光源发出的光入射到曲折层3，与在曲折层3内传播的TE模的波导光6f以及波导光6g耦合。另外，如图5的(b)所示那样，由于纸面左右的解析边界是PBC，因此波导光6f以及波导光6g从纸面左侧(x轴负方向侧)以及纸面右侧(x轴正方向侧)朝向曲折层3的中心侧(x轴方向上的曲折层3的中央侧)。
如图5的(d)以及(e)所示那样，波导光6f以及波导光6g在曲折层3的x轴方向上的中央交叉，并转移到位于曲折层3的下侧的平行层4，从曲折层3(平行层4)的中央朝向左右端侧。到达纸面左端的波导光6f从纸面右端出现，到达纸面右端的波导光6g从纸面左端出现。在该情况下，波导光6f以及波导光6g转移到位于平行层4的下侧的曲折层3。如此地，波导光6f以及波导光6g一边在图5的(f)～(j)重复在图5的(b)～(e)引起的现象，一边重复转移到位于下侧的曲折层3和平行层4，来进行传播。根据以上的解析结果可知，被取入到平行层4以及曲折层3的波导光(波导光6f以及波导光6g)难以从平行层4以及曲折层3漏出。
图6的(a)与图5的(a)同样地，都是表示为了在解析中确认实施方式1所涉及的波导片10的光传播而将夹着透明层2相邻的平行层4和曲折层3交替层叠多个的层叠结构的截面的示意图。另外，解析模型是二维模型，结构条件设为条件A。其中，曲折间距Px被变更为Px＝10μm。另外，纸面左右(x轴方向)的解析边界设为周期边界条件(PBC)，纸面上下(z轴方向)的解析边界设为吸收边界条件(PML)。
另外，在图6的(a)中，与图5的(a)不同，在将平行层4和曲折层3交替层叠多个的层叠结构的层叠方向上的大致中央设定了衍射光栅层1。另外，设定为将平行层4以及曲折层3的组(透光对61)分别在该纸面上下重叠10组。另外，在接近衍射光栅层1的上下配置曲折层3。另外，平行层4以及曲折层3的组的z轴方向的外侧设定为直到边界(PML)为止都成为与透明层2相同的材料(SiO2)。另外，在图6所示的解析中，将宽度5μm的光源紧挨纸面上侧(z轴正方向侧)边界而配置，从该光源向z轴负方向使波长0.85μm、S偏振的入射光5以20μm的长度脉冲振荡。
图6的(b)～(d)与图6的(a)的示意图对应，是将向衍射光栅层1将入射光5光输入后一边在平行层4与曲折层3之间转移一边传播的波导光的光强度分布按照(b)、(c)、(d)的顺序在时间序列上排列的说明图。图6的(e)是描绘相对于在平行层4以及曲折层3传播的波导光的传播光路长度的解析区域内的光的总能量的说明图。在此，所谓光的总能量，是图6所示的全解析区域(图6的(b)、(c)、(d)的四角所包围的区域内)中的光的能量(具体是光的电场矢量的平方)的总和。在光源的振荡结束的时间点，全解析区域内的光的总能量成为最大。另外，在图6的(b)～(d)中，解析区域内以黑色示出的部分表示是光存在的部分。
如图6的(b)所示那样，到达衍射光栅层1的入射光5与波导光耦合，在接近衍射光栅层1的曲折层3以及平行层4重复转移进行传播。另外，未与衍射光栅层1耦合的光到达图6的(b)的纸面下侧(z轴负方向侧)的边界。未与衍射光栅层1耦合的入射光5向解析区域的外部脱离。光的总能量由于在图6的(b)后向解析区域的外部的入射光5的漏出持续，因此直到传播光路长度100μm为止都持续减少，但在传播光路长度100μm～500μm之间稳定。这是因为，如图5所示那样，波导光在曲折层3以及平行层4之间重复转移，停留在曲折层3或平行层4的内部。如图6的(c)所示那样，波导光在曲折层3以及平行层4之间重复转移，停留在曲折层3以及平行层4的内部。因此，实施方式1的波导片10通过交替层叠多个曲折层3的每个曲折层3和多个平行层4的每个平行层4的层叠结构，将取入的入射光5与波导光耦合，限制在波导片10内部某种程度的时间(距离)。
另外，前进到层叠结构的外缘层的波导光在该外缘层反射，回到有衍射光栅层1的中心侧。关于在外缘层传播的波导光后述。
若波导光在衍射光栅层1传播，则以与光输入耦合(入射光5的取入)相反的处理从衍射光栅19大致垂直地对光进行辐射，从纸面上下(z轴方向)向解析区域的外部脱离。如图6的(d)所示那样，传播到衍射光栅层1的波导光作为辐射光向纸面上下方向(z轴方向)辐射。由此，在传播光路长度500μm以上，光的总能量平缓地衰减。即，在图6所示的解析模型，如图6的(e)所示那样，虽然从传播光路长度500μm的附近起出现光的总能量的衰减，但通过增加交替层叠多个曲折层3的每个曲折层3和多个平行层4的每个平行层4的层叠结构的曲折层3以及平行层4的层叠数，能将出现光的总能量的衰减的传播光路长度设为500μm以上。
接下来说明相对于在波导片10内传播的波导光的传播方向的倾斜度的光的转移效率的变化。
图7是表示将波导光的传播方向的倾斜度的变化和光的转移效率的变化仿真的结果的说明图。具体地，图7的(a)是表示将遵循条件A的曲折层3以及平行层4在xz面切断的截面的示意图。图7的(a)所示的曲折层3以及平行层4的截面结构在y轴方向上延伸。另外，在图7的(a)中，将曲折层3以及平行层4分别各设为1层。另外，在图7所示的解析中，将全部解析区域的边界条件设为吸收边界条件(PML)。
如图7的(a)所示那样，若以绕着z轴的倾斜角度(在平行层4内传播的波导光6的与x轴所成的角度)为参数来从平行层4的纸面上端(x轴正方向侧)导入TE模的波导光6，则波导光6的一部分从平行层4转移到曲折层3(波导光6i)。未转移到曲折层3的波导光6h在平行层4内传播。通过虚拟地分别设置检测器M0、M1、M2来测量光的转移前后的波导光6、6h、6i的光量，来读取相对于波导光6向平行层4的入射条件(倾斜角度)的光的转移效率的变化。
图7的(b)是表示波导光的传播方向在xy面内绕着z轴倾斜的情况下的光的转移效率的变化的解析结果的说明图。另外，图7的(b)所示的转移效率(M2/M0)是相对于在检测器M0检测到的光量的在检测器M2检测到的光量的比。
如图7的(b)所示那样，转移效率与倾斜角度的增大一起降低。由于在波导光6产生多个模，因此图7的(b)的解析结果示出定性的倾向。这是因为，在曲折层3与平行层4之间形成的耦合长度根据波导光6的传播方向而改变。理论上，在倾斜角度0度时的光的转移效率为100％的情况下，由于若倾斜角度成为60度则耦合长度翻倍，因此光的转移效率成为0％。另外，在图7的(b)中，入射波导光的倾斜角0度到10度附近的转移效率超过1.0，但这缘于数值解析中的计算误差，实际上不会超过1.0。
接下来说明波导片10的层叠体60a、60b的边界附近的波导光的传播。图8的(a)是表示在实施方式1所涉及的波导片10中平行层4S被曲折方向不同的曲折层3以及曲折层3’所夹的情况下的波导光的传播的样子的说明图。另外，曲折层3和曲折层3’的曲折方向(对相邻的平行层重复接近和分开的方向)的角度差是转动角度具体地，曲折层3’的曲折方向是相对于曲折层3的曲折方向绕着z轴转动转动角度的方向。
如图8的(a)所示那样，从曲折层3传播来的波导光转移到平行层4S，成为波导光7。关于波导光7，波导光7的一部分转移到曲折层3’或平行层4’而成为波导光7a或波导光7b，剩余的停留在平行层4S而成为波导光7A或波导光7B。
在此，在平行层4S以及曲折层3中，平行层4S和曲折层3接近的接近部3A的波导层的厚度有效地变厚，在各个层内与其他部分有效折射率不同。例如在曲折层3中，在接近部3A以外的部分，有效折射率是1.95，与此相对，在接近部3A，有效折射率成为2.05(参考图18的(d)的P1、P3)。同样地，在平行层4S以及曲折层3’中，平行层4S和曲折层3’接近的接近部3A’的层的厚度有效地变厚，平行层4S以及曲折层3’的接近部3A’与接近部3A’以外的部分有效折射率不同。
另外，在图8的(a)中，接近部3A是位于被虚线包围的区域的内侧的曲折层3以及平行层4S的一部分，接近部3A’是曲折层3’以及平行层4S的一部分。换言之，接近部3A包含位于被虚线包围的区域的内侧的曲折层3以及平行层4S，接近部3A’包含位于被虚线包围的区域的内侧的曲折层3’以及平行层4S。
图8的(b)是表示将图8的(a)所示的光的转移现象置换成二维模型、在平行层4S传播的波导光转移到z轴负方向侧的情况下的从z轴正方向侧来看时的有效折射率的分布的说明图。另外，使用图8的(b)来说明在平行层4S、曲折层3’以及平行层4’传播的波导光的样子。图8的(c)是表示将图8的(a)所示的光的转移现象置换成二维模型、在平行层4S传播的波导光转移到z轴正方向侧的情况下的从z轴正方向侧来看时的有效折射率的分布的说明图。另外，使用图8的(c)来说明在平行层4S以及曲折层3传播的波导光的样子。另外，感受到波导光的有效折射率在接近部3A以及接近部3A’是高折射率(neff＝2.05)，在这以外是低折射率(neff＝1.95)。另外，图8的(b)以及图8的(c)所示的接近部3A以及接近部3A’并非示出截面，但为了说明以影线示出。
在图8的(b)所示的模型中，在波导光7从平行层4S转移到曲折层3’的过程中，由于接近部3A’的延伸方向以转动角度相对于接近部3A的延伸方向倾斜，因此折射率差(感受到波导光的有效折射率的差)形成为楔形。为此，波导光7折射，从波导光7a向波导光7b转移。波导光7a以及波导光7b的传播方向从xz面内脱离，且曲折方向也在曲折层3和曲折层3’偏离，因此光的转移效率降低。
在图8的(c)所示的模型中，在波导光7通过平行层4S内的接近部3A‘的过程中，由于接近部3A’的延伸方向以转动角度相对于接近部3A的延伸方向倾斜，因此根据上述的形成为楔形的有效折射率差而折射，从波导光7A向波导光7B转移。在入射到接近部3A’的波导光7’的情况下，向与波导光7相反方向折射而转移到波导光7A’、7B’。由于波导光7A、波导光7A’、波导光7B以及波导光7B’的传播方向成为相对于xz面倾斜的方向，因此光的转移效率降低。
图9的(a)是表示实施方式1所涉及的波导片10的最表面的结构的示意图，图9的(b)以及图9的(c)是用于说明曲折层3的曲率半径与光的转移的关系的截面图。
如图9的(b)所示那样，通过将曲折层3与平行层4相接的位置上的曲率半径R1最佳化，能调整曲折层3与平行层4之间的有效的耦合长度W1。由此，能使在曲折层3传播的波导光8a以理论上100％的效率转移成在平行层4传播的波导光8b。在平行层4位于最表面(波导片10与外部环境相接的面)的情况下，在最表面的平行层4传播的波导光8b以理论上100％的效率转移成在曲折层3传播的波导光8d，返回到波导片10的内部。但若在平行层4的表面附着水滴等异物12，波导光8b就会在异物12的附着部分散射，向平行层4(波导片10)的外部辐射。
为此如图9的(a)以及(c)所示那样，通过由具有比曲折层3的曲率半径R1大的曲率半径R2的曲折层3a(第7透光层)和位于最表面的平行层4a(第8透光层)构成位于波导片10的最外层的透光对61a(第4透光对)，能抑制波导光向外部的辐射。曲折层3a具有重复第3凹条74和第3凸条75的形状。可以如图9的(c)所示那样，曲折层3a的第3凹条74的曲率半径R2被设定得大于曲折层3的第1凸条71的曲率半径R1，进一步将其最佳化。平行层4a实质与平行层4相同。
在透光对61的平行层4传播的波导光8b转移到透光对61a的曲折层3a而成为波导光8B。在此，由于平行层4与曲折层3a之间的有效的耦合长度W2比耦合长度W1长(具体地，耦合长度W2是耦合长度W1的2倍程度的长度)，因此转移到曲折层3a的波导光8B再度转移到平行层4，成为波导光8c。若将曲折层3a的曲率半径R2最佳化，则从波导光8b到波导光8c的光的转移效率在理论上大致是100％。回到平行层4的波导光8c以理论上100％的光的转移效率转移成在曲折层3传播的波导光8d，返回到波导片10的内侧。如此一来，即使是在最表面的平行层4a的表面附着水滴等异物12的情况，也由于波导光8B不会转移到平行层4a从而不会与异物12接触，因此抑制了波导光8B散射。为此，通过由图9的(c)所示的透光对61a构成波导片10的最外层，抑制了向波导片10的外部辐射波导光。
[波导片的制造方法]
接下来说明实施方式1所涉及的波导片10的制造方法。
图10是表示制造实施方式1所涉及的波导片10的过程的一例的示意的图。另外，在图10的(a)中，平行层4是厚度0.5μm程度的丙烯酸树脂制的光学片。0.5μm的厚度的丙烯酸树脂制的光学片由于厚度与240分钟用盒式录音机磁带的树脂基体相同，因此能通过应用以往为了制作该树脂基体而利用的压延工法来制作。通过对该平行层4的作成中所用的丙烯酸树脂制的光学片利用2光束干涉法照射光，来制作曲折层3。例如2光束干涉法中所用的光源是射出紫外光的激光光源(紫外激光光源)。通过将2个紫外激光14的光轴形成给定的角度来使从2个紫外激光光源发出的紫外激光14(平面波)交叉，来形成均匀间距的条带状的干涉条纹13。通过在该干涉条纹13所产生的位置配置平行层4的作成中所用的丙烯酸树脂制的光学片，在光强度强的位置产生丙烯酸树脂制的光学片的固化收缩。由此丙烯酸树脂制的光学片形成为图10的(b)所示的曲折层3。
接下来，如图10的(c)所示那样，将第1层曲折层3在无接触状态下悬垂保持，使其移动到置于基板上的第1层平行层4上。
接下来，如图10的(d)所示那样，对第1层曲折层3的上下施加压力差来将其重叠在第1层平行层4上。
接下来，如图10的(e)所示那样，将第2层平行层4在无接触状态下悬垂保持，使其移动到第1层曲折层3上。
接下来，如图10的(f)所示那样，在第2层平行层4的上下施加压力差，来将其重叠在第1层曲折层3上。
接下来，如图10的(g)所示那样，将第2层曲折层3在无接触状态下悬垂保持，使其移动到第2层平行层4上，使得第1层和第2层曲折层3的曲折与x轴方向同步。
接下来，如图10的(h)所示那样，在第2层曲折层3的上下施加压力差来使其重叠在第2层平行层4上。
通过重复以上的工序，来制造图2所示的曲折层3和平行层4交替层状配置的层叠结构。另外，在交替层叠平行层4和曲折层3的工序中，通过在该工序的中途将平行层4更换为衍射光栅层1来制作层叠体60a。另外，也可以通过用曲折层3和平行层4制作透光对61，对衍射光栅层1层叠多个透光对61，来制作层叠体60a。
波导片10使层叠体60a和同样制作的层叠体60b转动给定的角度并层状配置一个或多个而构成。在该情况下，构成为位于层叠体60a与层叠体60b的边界的平行层作为共通的平行层4S而共享。另外，波导片10也可以不层状配置多个层叠体。即，波导片10可以是层叠体60a。
接下来说明实施方式1所涉及的波导片10的其他制造方法。图11是表示制造实施方式1所涉及的波导片10的其他过程的一例的示意图。
如图11的(a)所示那样，用纳米打印技术在薄的平板15的单侧表面形成间距0.2μm以下的微细的突起(凹条以及凸条)，突起结构15a的包络线形成沿着x轴的曲折形状。将形成该突起结构15a的平板15以曲折的周期错开π的关系交替重叠。
接下来，如图11的(b)所示那样，用压机17在z轴方向上进行加压，将间隙埋没。在加压后，以形状与压机17的表面一致的形式，平板15变形成曲折层3和平行层4，成为在它们之间埋没突起结构15a的结构。
另外，也可以如图11的(c)所示那样，用纳米打印技术在薄的平板16的两侧表面形成间距0.2μm以下的微细的突起(凹条以及凸条)，突起结构16a以及突起结构16b的包络线形成沿着x轴的曲折形状。曲折的周期处于在表面(例如位于z轴正方向侧的面)侧和背面(位于与该表面侧相反侧的面)侧错开π的关系。然后将形成突起结构16a以及突起结构16b的甲板16和平行层4交替层叠。
接下来，如图11的(d)所示那样，用压机17在z轴方向上进行加压，将间隙埋没。在加压后成为在曲折层3与平行层4之间埋没突起结构16a以及突起结构16b的结构。
若突起结构15a、15b的间距或突起结构16a、16b的间距为在平行层4以及曲折层3传播的波导光的波长的1/3以下，就不会发生光的衍射，有效地作为折射率被平均化的介质发挥作用。为此突起结构15a、16a、16b作为图1所示的透明层2发挥功能。
另外，平板15以及平板16被实施上述的加工而成为曲折层3。即，平板15以及平板16的材料采用与上述的曲折层3同样的材料。另外，突起结构15a、16a、16b被加工而作为上述的透明层2发挥功能。为此，突起结构15a、16a、16b的材料采用与上述的透明层2同样的材料。
将通过以上的制造工序制作的曲折层3、透明层2以及平行层4的层叠体层叠到衍射光栅层1，能制造图2所示的层叠体60a。波导片10使层叠体60a和同样制作的层叠体60b转动给定的角度来层状配置一个或多个而构成。
另外，曲折层3、平行层4的厚度和衍射光栅层1的有效的厚度可以相等，也可以是不同的厚度，曲折层3、平行层4的厚度和衍射光栅层1的有效的厚度并没有限定。
另外，曲折层3、平行层4和衍射光栅层1可以分别用不同材料制作。
另外，层叠体60b的衍射光栅层1’的光栅条件(衍射光栅间距Λ以及/或者衍射光栅深度d等)与层叠体60a的衍射光栅层1的光栅条件可以相同，也可以不同。
另外，层叠体60b中的衍射光栅层1’、曲折层3’以及平行层4’的膜条件(膜厚t以及/或者材料)与层叠体60a的膜条件可以相同，也可以不同。
另外，可以通过使层叠体60a以及层叠体60b和规格(光栅条件以及/或者膜条件等)不同的层叠体进行各种组合并重合来制作波导片10。
[效果等]
如以上说明的那样，实施方式1的波导片10是取入入射的入射光、在内部将光向与该入射光的入射方向交叉的方向进行波导的波导片10。波导片10具备改变入射光的行进方向的衍射光栅层1。另外，波导片10还具备：层状配置于衍射光栅层1、具有在与入射方向交叉的方向即第1方向上重复第1凹条70和第1凸条71的形状的第1透光层(曲折层3)；和层状配置于曲折层3的第2透光层(平行层4)。层状配置的曲折层3和平行层4构成透光对61。波导片10具备多个透光对61。多个透光对61在入射方向上层状配置，使得下一曲折层3的第1凹条70位于曲折层3中的配置相邻的第1凸条71的位置之间。
由此，入射到波导片10的入射光5在衍射光栅层1与波导光6耦合，转移到曲折层3以及平行层4。为此，波导片10易于将取入到波导片10内部的入射光5保持在波导片10内部作为波导光6。
另外，波导片10可以进一步层状配置透光对61，使得在与层状层叠透光对61的衍射光栅层1的面相反侧的面配置曲折层3。
由此，波导片10更易于将取入到波导片10内部的入射光5保持在波导片10内部作为波导光6。
另外，波导片10可以还具备：将入射光向与入射方向交叉的方向即第1波导方向进行波导的具有衍射光栅层1、曲折层3和平行层4的第1层叠体60a；和具有与第1层叠体60a同样结构的第2层叠体60b。第2层叠体60b可以层状配置在第1层叠体60a，使得将入射光向与第1波导方向不同的方向即第2波导方向进行波导。
即，波导片10例如通过具备衍射光栅间距Λ等衍射光栅的条件不同的多个衍射光栅层，能取入大的波长范围、大的角度范围的入射光5。为此，例如若入射光5是太阳光，波导片10遍及大的面积以大的波长范围、大的角度范围取入太阳光，能将取入的光有效地限制在波导片10内部，使其从端面102放出。
另外，光电变换装置100具备：波导片10；和具有接受光的受光面101、将在受光面101接受到的光变换成电力的光电变换元件11。在接受入射到波导片10的入射光的受光方向上，透光对61层状配置于衍射光栅层1。光电变换元件11配置在波导片10的周围，使得受光面101位于与位于与受光方向交叉的方向上的波导片10的端面102对置的位置。
由此波导片10能将取入的入射光5作为波导光6有效地向光电变换元件11引导。为此，根据光电变换装置100，例如与在光电变换元件11直接接受入射光5的情况比较，光电变换元件11能接受大量的光。即，根据光电变换装置100，例如与在光电变换元件11直接接受入射光5的情况比较，即使是小的面积也能产生大量的电力。换言之，根据光电变换装置100，由于能由波导片10以大的面积取入来自外部的入射光5，将取入的入射光5效率良好地引导到光电变换元件11，因此能将入射光5效率良好地光电变换。
(实施方式2)
以下使用图12来说明实施方式2。实施方式2所涉及的波导片与实施方式1所涉及的波导片10的不同点在于，在层叠体60a与层叠体60b之间进一步夹着层叠体60c(第3层叠体)。另外，在实施方式2所涉及的波导片的说明中，对与实施方式1所涉及的波导片10实质相同的结构有省略或简化重复的说明的情况。
[波导片的结构]
图12是表示实施方式2所涉及的波导片的示意截面图。
如图12所示那样，波导片10a具备层叠体60a、层叠体60b和层叠体60c。层叠体60a和层叠体60b与图2所示的实施方式1的层叠体60a以及层叠体60b相同，在实施方式2中，在层叠体60a与层叠体60b之间夹着层叠体60c。
层叠体60c夹着透明层2”交替层叠曲折层3”、平行层4”。在图12的情况下，曲折层3”的曲折方向绕着z轴交替转动。通过曲折层3”相对于曲折层3以及曲折层3’转动，从层叠体60a或层叠体60b传播到层叠体60c的波导光的波导方向与曲折层3”的曲折方向背离。通过该背离，波导光以及其派生光的转移效率降低，被限制在层叠体60c的附近，沿着xy面扩散。
另外，形成于层叠体60c内的至少一个曲折层3”形成为曲折层3”的曲折方向成为与曲折层3的曲折方向或曲折层3’的曲折方向不同的曲折方向即可。
例如如图12所示那样，层叠体60c可以是如下结构：作为曲折层3”而具备曲折方向相互不同的2种类的曲折层31、32，隔着平行层4”和透明层2”而曲折层31和曲折层32交替地层状配置多个。在层叠体60c中，曲折层31(第3透光层)和平行层4”(第4透光层)构成透光对(第2透光对)，曲折层32(第5透光层)和平行层4”(第6透光层)构成透光对(第3透光对)。在该情况下，曲折层31的曲折方向(第4方向)与层叠体60b中的曲折层3的曲折方向(第3方向)可以实质相同，也可以不同，曲折层32的曲折方向(第5方向)与层叠体60a中的曲折层3的曲折方向(第1方向)可以实质相同，也可以不同。
如以上那样，实施方式2所涉及的波导片10a由于在曲折层32的角度变化(曲折方向)中有多样性，因此通过适当调整该角度变化，与实施方式1所涉及的波导片10比较，能更加提高光的限制效果。因此，实施方式2所涉及的波导片10a具有与实施方式1所涉及的波导片10同样的光限制效果。
另外，也可以在实施方式2所涉及的波导片10a的端面设置太阳能电池等光电变换元件11来制作光电变换装置100。波导片10a能将取入的入射光作为波导光更有效地引导到光电变换元件11。为此，根据具备波导片10a的光电变换装置100，例如与在光电变换元件11直接接受入射光5的情况比较，光电变换元件11能够接受更大量的光。即，根据具备波导片10a的光电变换装置100，例如与在光电变换元件11直接接受入射光5的情况比较，在小的面积也能产生大量的电力。
另外，层叠体60c可以具有形成衍射光栅的衍射光栅层，也可以没有，并没有限定。
(实施方式3)
以下使用图13以及图14来说明实施方式3。实施方式3所涉及的波导片与实施方式1所涉及的波导片10在平行层(第2透光层)的形状上不同。另外，在实施方式3所涉及的波导片的说明中，对与实施方式1所涉及的波导片10实质相同的结构有省略或简化重复的说明的情况。
[波导片的结构]
图13是表示在实施方式3所涉及的波导片内波导的波导光的样子的说明图。
如图13所示那样，在曲折层3的上表面，与实施方式1所涉及的波导片10不同，不是平行层4那样完全的平面，而是层叠在y轴方向上平缓地曲折的(曲折间距Py)曲折层40(第2透光层)。即，曲折层40具有在与从外部入射到波导片10b的入射光的入射方向交叉的方向即第2方向(图13中y轴方向)上重复第2凹条73和第2凸条72的形状。
虽未图示，但波导片10b如图2所示的层叠体60a那样具备衍射光栅层1，在衍射光栅层1的上表面侧以及下表面侧具备多个曲折层3的每个曲折层3和多个曲折层40的每个曲折层40交替层叠的层叠结构。其结果，曲折层40与曲折层3之间的间隙的间隔在间隙s到间隙s’之间变动。曲折层40的曲折全振幅是s’-s。在曲折层40中在x轴方向上传播的波导光9转移到曲折层3，成为波导光9a。
在此，考虑曲折层40与曲折层3的间隙s被调整以使转移效率理论上成为100％的情况(最佳值的情况)。在该情况下，在不同的y坐标沿着x轴方向传播的波导光9’转移到曲折层3而成为波导光9a’。另外，由于间隙s’与用于光从曲折层40向曲折层3转移的最佳值的间隙s不同，因此光的转移效率降低，波导光9’的一部分不转移而停留在曲折层40，成为波导光9b’。
曲折层40与曲折层3接近的接近部3B由于有效的层的厚度变厚，因此与层内的其他部分有效折射率不同。例如，在与层内的接近部3B不同的其他部分，有效折射率是1.95，与此相对，在接近部3B，有效折射率成为2.05(参考图18的(d)的P1以及P3)。
另外，若曲折层40与曲折层3的间隙变大，则有效的层的厚度变小。
图14是通过二维模型(xy截面)解析具有图13所示的结构的波导片10b内的光的转移现象的解析结果。具体地，图14的(a)是表示在二维模型的仿真中使用实施方式3所涉及的波导片10b的光的转移现象的折射率分布图的说明图。图14的(b)是示出表示图14的(a)所示的光的转移现象的二维模型的仿真结果即坡印廷(Poynting)矢量的强度比的传播光路长度依赖性的说明图。
另外，在图14的(a)中，接近部3B1、3B2、3B3、3B4等的以影线示出的区域表示是曲折形状的相位在图13所示的y轴方向上随机排列的有效折射率2.05的区域(曲折层40与曲折层3接近的区域)。另外，在图14的(a)中，未以影线示出的其他部分是有效折射率1.95的区域50。在图14的(a)中，解析区域的上下左右的边界条件设为PBC，y轴方向的解析宽度设为30μm。另外，导入到解析区域的波导光9设为S偏振，设为宽度(光斑直径)为30μm、波长为0.85μm，相干长度L为20μm的脉冲光。另外，曲折层40的曲折全振幅(s’-s)设为0.1μm。
如图14的(b)所示那样，y轴方向的坡印廷矢量Qy的强度比(Qy/(Qx+Qy))伴随传播长度而增大。另外，坡印廷矢量Qy是y轴方向的坡印廷矢量，坡印廷矢量Qx是x轴方向的坡印廷矢量。
另外，在图14的(a)所示的解析区域内传播的波导光在xy面内扩散。若该波导光在xy面内扩散，则波导光的波导方向与曲折层3的曲折方向背离。为此波导光的转移效率降低，难以出现波导光从正在进行波导的层向接近的层的光的转移。即，波导光变得易于被限制在波导片10b的内部。
另外，虽然也可以在设计上赋予曲折层40的向y轴方向的曲折形状，但在图10以及图11所示的制造方法中，还有作为随机的形变而自然存在的情况。通过该曲折形状，重复从形成有衍射光栅19的衍射光栅层1向曲折层40以及曲折层3的转移而从衍射光栅层1远离的波导光的传播方向逐渐变化。为此，在从衍射光栅层1离开的位置，难以逐渐发生向其他层的光的转移，波导光以被限制在正在进行波导的层的状态沿着xy面扩散。因此，实施方式3所涉及的波导片10b具有与实施方式1所涉及的波导片10同样的光限制效果。
另外，在实施方式3中，设为使曲折层40沿着y轴方向曲折的形状，但也可以设为还使曲折层3沿着y轴方向曲折的形状。即，曲折层40(第2透光层)以及曲折层3(第1透光层)可以具有在与曲折层3的曲折方向(x轴方向)交叉的方向上重复接近和分开的曲折形状。
[效果等]
如以上说明的那样，关于波导片10b，第2透光层(曲折层40)具有在与入射方向交叉的方向即第2方向上重复第2凹条73和第2凸条72的形状。
由此，波导片10b易于将被取入到波导片10b内部的入射光保持在波导片10b内部作为波导光。另外，在波导片10b内进行波导的波导光效率良好地从波导片10b的端面射出。由此，利用波导片10b的光电变换装置100能效率良好地将光提供到配置于波导片10b的周围的光电变换元件11。
(实施方式4)
以下使用图15来说明实施方式4。实施方式4所涉及的波导片与实施方式1所涉及的波导片10在平行层的形状上不同。另外，在实施方式3所涉及的波导片的说明中，对与实施方式1所涉及的波导片10实质相同的结构有省略或简化重复的说明的情况。
[波导片的结构]
图15是表示实施方式4所涉及的波导片的示意图。波导片10c与实施方式1的波导片10不同，取代平行层4而具有非平面的曲折层41。曲折层41是与曲折层3相同的形状。即，波导片10c具备衍射光栅层1、曲折层3和曲折层41(第2透光层)。另外，虽未图示，但波导片10c如图2所示的层叠体60a那样，具有在衍射光栅层1的上表面侧以及下表面侧交替层叠多个曲折层3和曲折层41的结构。
在此，曲折层41在曲折方向上相对于曲折层3而曲折的相位(周期)在x轴方向上错开半周期。如此一来，关于波导片10c，曲折层3和曲折层41周期性重复接近和分开，与曲折层3和平行层4周期性重复接近和分开的实施方式1所涉及的波导片10同样地具有光限制效果。另外，波导片10c由于不需要平行层4，因此能减少层结构的种类，与实施方式1所涉及的波导片10相比有易于制作的优点。
(实施方式5)
以下使用图16以及图17来说明实施方式5。
实施方式5所涉及的波导片与实施方式1所涉及的波导片10的不同点在于，在平行层以及/或者曲折层的一部分形成用于将波导光的波导方向向所期望的方向变更的衍射光栅。另外，在实施方式5所涉及的波导片的说明中，对与实施方式1所涉及的波导片10实质相同的结构有省略或简化重复的说明的情况。
[波导片的结构]
图16是表示实施方式5所涉及的波导片10d的示意图。波导片10d具备衍射光栅层1、曲折层3和平行层42。另外，虽未图示，但波导片10d如图2所示的层叠体60a那样，具有在衍射光栅层1的上表面侧以及下表面侧交替层叠多个曲折层3和平行层42的结构。在此，如图16所示那样，在实施方式5的平行层42的一部分形成衍射光栅18。
入射到衍射光栅层1的入射光所耦合的波导光重复曲折层3以及平行层42的层间的转移，向x轴正方向传播并从衍射光栅层1向层叠方向侧远离。到达到形成衍射光栅18的平行层42的波导光7入射到形成于平行层42上的衍射光栅18。这时，向x轴正方向传播的波导光7通过衍射光栅18而向y轴方向折弯波导方向，成为波导光7L。同样地，在曲折层3向x轴方向传播的波导光7’也向y轴方向折弯波导方向，成为波导光7L’。
另外，衍射光栅18可以分散地形成在平行层42与曲折层3接近的位置，也可以独立形成在平行层42和曲折层3。
图17是表示图16所示的波导光的传播方向的变化的样子的说明图。另外，图17是从下表面侧来看形成衍射光栅18的平行层42的底视图。
如图17所示那样，衍射光栅18的光栅矢量作为一例而形成为相对于y轴方向成角度(β+π/2)。衍射光栅18的衍射光栅间距Λ是0.32μm。衍射光栅18的外形沿着相对于y轴方向成角度α的方向以衍射光栅宽度Wa形成。平行层42的有效折射率设为1.90，形成衍射光栅18的部分的有效折射率设为1.90与1.45的组合。
在上述的衍射光栅18的条件下解析波导光的波导方向的结果，在角度α＝35度、角度β＝45度的情况下，波导光7与y轴正方向侧垂直地衍射(波导光7L)，衍射效率是81％。即，通过在平行层42形成衍射光栅18，能使波导光的传播方向有效地从曲折层3的曲折方向背离，能将波导光限制在衍射光栅18的形成层的附近。因此，实施方式5所涉及的波导片10d具有与实施方式1所涉及的波导片10同样的光限制效果。
另外，上述的衍射光栅18的形状是一例，衍射光栅间距Λ的长度、衍射光栅18的外形等并没有限定。
另外，衍射光栅18也可以不是形成于平行层42，而是形成于曲折层3。另外，衍射光栅18可以分别形成于平行层42以及曲折层3。即，可以在平行层42(第2透光层)以及曲折层3(第1透光层)的至少一方的表面或内部的一部分形成衍射光栅18。另外，衍射光栅18可以形成在实施方式3所涉及的波导片10b的曲折层40以及曲折层3的至少一方，也可以形成在实施方式4所涉及的波导片10c的曲折层41以及曲折层3的至少一方。
[效果等]
如以上说明的那样，波导片10d在第1透光层(曲折层3)以及第2透光层(平行层42)的至少一方形成衍射光栅18。
由此，波导片10d易于将取入到波导片10d内部的入射光保持在波导片10d内部作为波导光。另外，在波导片10d内进行波导的波导光效率良好地从波导片10d的端面射出。由此，利用了波导片10d的光电变换装置100能效率良好地将光提供到配置于波导片10d的周围的光电变换元件11。
(其他实施方式)
如以上那样，作为本申请中公开的技术的例示而说明了实施方式1、2、3、4以及5。但本公开中的技术并不限定于此，还能运用在适当进行了变更、置换、附加、省略等的实施方式中。另外，还能将上述实施方式1、2、3、4以及5中说明的各构成要素组合来形成新的实施方式。为此以下例示其他实施方式。
例如在以上的实施方式中，说明为衍射光栅是波导层(衍射光栅层、曲折层以及平行层)的表面的凹凸形状，但并不限定于此。例如衍射光栅也可以是形成于该波导层内部的有折射率差的周期结构。
另外，还可以考虑将以上的实施方式任意组合的结构，具有与实施方式1同样的光限制效果，并且在波导片端面设置太阳能电池等光电变换元件，在接受取入的光的情况下，即使通过将片的厚度构成得薄来大幅减少光电变换元件的面积，也能实现光电变换装置的低成本化。
如以上那样，作为本公开中的技术的例示而说明了实施方式。为此提供了附图以及详细的说明。
因此，在附图以及详细说明记载的构成要素中不仅包含为了解决课题而必须的构成要素，为了例示上述技术，还会包含不是为了解决课题而必须的构成要素。为此，不应因为这些非必须的构成要素记载于附图和详细的说明中就直接认定这些非必须的构成要素是必须的。
另外，上述的实施方式是用于例示本公开中的技术的，因此能在权利要求书或其等同范围内进行各种变更、置换、附加、省略等。
产业上的可利用性
本公开的波导片在能以大的面积取入光的光学片中有用。另外，利用本公开的波导片的光电变换装置例如能以大的面积遍及大的波长范围(例如可见光全域)取入太阳光，因此在太阳能发电装置等中有用。
附图标记说明
1、1’ 衍射光栅层
2、2’、2” 透明层
3、3’、3”、3a、31、32、40、41 曲折层
3A、3B、3A’、3B1、3B2、3B3、3B4、3C、3C”、3C” 接近部
4、4’、4”、4a、4S、42 平行层
5、5’、5”、23’、23a、23a’、23A 入射光
6、6a、6b、6c、6d、6e、6f、6g、6h、6i、6A、6B、6a’、6b’、6c’、6A’、6B’、7、7a、7b、7c、7A、7B、7C、7b’、7c’、7A’、7B’、7C’、7L、7L’、8a、8b、8c、8d、8B、9、9’、9a、9a’、9b’、23b、23b’ 波导光
10、10a、10b、10c、10d 波导片
11 光电变换元件
12 异物
13 干涉条纹
14 紫外激光
15、16 平板
15a、16a、16b 突起结构
17 压机
18、19、19’、22 衍射光栅
20 透光层
21 环境介质
22a 光栅端部
23B 辐射光
24、25 圆
50 区域
60a、60b、60c 层叠体
61、61a 透光对
70 第1凹条
71 第1凸条
72 第2凸条
73 第2凹条
74 第3凹条
75 第3凸条
100 光电变换装置
101 受光面
102 端面
Λ 衍射光栅间距
L 相干长度
M0、M1、M2 检测器
W、W1、W2 耦合长度
Wa 衍射光栅宽度
R1、R2 曲率半径
Px、Py 曲折间距
Qx、Qy 坡印廷矢量
a、a’ 振幅
d 衍射光栅深度
s、s’ 间隙
t 膜厚
θ 入射角度
转动角度
λ 波长
α、β 角度。

Claims (9)

1.一种波导片，将入射的入射光取入，在内部向与所述入射光的入射方向交叉的方向对光进行波导，
所述波导片具备：
衍射光栅层，其改变所述入射光的行进方向；和
多个第1透光对，所述第1透光对具有：具有在与所述入射方向交叉的方向即第1方向上重复第1凹条和第1凸条的形状的第1透光层；和层状配置于所述第1透光层的第2透光层，
所述多个第1透光对层状配置，使得所述第1透光层位于所述衍射光栅层侧，并且在所述入射方向上，与所述第1透光层相邻的其他所述第1透光层的所述第1凹条位于所述第1透光层的相邻的所述第1凸条之间。
2.根据权利要求1所述的波导片，其中，
所述多个第1透光对配置于所述衍射光栅层的两面。
3.根据权利要求1或2所述的波导片，其中，
所述第2透光层具有在与所述入射方向交叉的方向即第2方向上重复第2凹条和第2凸条的形状。
4.根据权利要求1或2所述的波导片，其中，
所述第2透光层具有在所述第1方向上重复第1凹条和第1凸条的形状。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的波导片，其中，
在所述第1透光层以及所述第2透光层的至少一方形成衍射光栅。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的波导片，其中，
所述波导片具有：
包含所述衍射光栅层、所述第1透光层和所述第2透光层的第1层叠体；和
具有与所述第1层叠体同样的结构的第2层叠体，
所述第2层叠体层状配置于所述第1层叠体，使得所述第2层叠体的所述第1透光层中的所述第1凹条和所述第1凸条重复的方向成为与所述第1层叠体中的所述第1方向不同的第3方向。
7.根据权利要求6所述的波导片，其中，
所述波导片还具备：第3层叠体，其配置于所述第1层叠体与所述第2层叠体之间，交替层叠第2透光对和第3透光对，
所述第2透光对具有：
第3透光层，其具有重复所述第1凹条和所述第1凸条的形状；和
第4透光层，其层状配置于所述第3透光层，
所述第3透光对具有：
第5透光层，其具有重复所述第1凹条和所述第1凸条的形状；和
第6透光层，其层状配置于所述第5透光层，
所述第3透光层中的所述第1凹条和所述第1凸条重复的方向是与所述第1方向不同的第4方向，所述第5透光层中的所述第1凹条和所述第1凸条重复的方向是与所述第3方向以及所述第4方向不同的第5方向。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的波导片，其中，
所述波导片还具备第4透光对，所述第4透光对具有：
第7透光层，其具有重复第3凹条和第3凸条的形状；和
第8透光层，其层状配置于所述第7透光层，
所述第4透光对被配置成所述第8透光层位于最表面，
所述第3凹条的曲率半径大于所述第1凸条的曲率半径。
9.一种光电变换装置，具备：
权利要求1～8中任一项所述的波导片；和
光电变换元件，其具有接受光的受光面，将在所述受光面接受到的光变换成电力，
所述光电变换元件配置于所述波导片的周围，使得所述受光面位于与位于与所述入射方向交叉的方向上的所述波导片的端面对置的位置。
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