CN111133346B - 光学元件及光波电路 - Google Patents

Abstract

本发明的课题是提供容易集成化的光学元件及光波电路。本发明的解决手段是一种光学元件具有于三维空间x、y、z中于xy面形成且于z轴方向层积的1/4波片。波片的沟槽方向为曲线，且相对于y轴方向的角度于0度至180度的范围连续变化。光学元件将入射的圆偏振光分离及转换为维持现状透射的光及从z轴以一角度朝向x轴方向的反向圆偏振光，之后再射出。而且，将多片由多区域1/2波片组成的元件及由所述多区域1/4波片组成的元件配置于适当位置，将输入的信号光及局部振荡光分别偏光分离，且分别分离为两道，对于其中的两道光较其他条相位偏差90度，最后于本发明的多区域1/4波片进行合成，从而能够实现具有偏光分离与90度混合的功能的光波电路。

Description

光学元件及光波电路

技术领域

本发明涉及一种使光折曲、分离、分歧、合并、再分配的作用的光学元件。

背景技术

透镜、棱镜、半反射镜等被广泛实用作为实现光的折曲、分离、分歧、合并、再分配等的光学元件。该等大多具有凸透镜凹透镜般的立体形状，并且是以单一个具单一功能的方式制造，因此大多难以进行集成化、小型化。近年来发展出以下技术，即于透明基板的表面进行细微加工，使垂直透射的光束因位置不同而改变相位并使波面倾斜，从而操作透射后的传播(称为梯度超表面：gradient metasurface)。

此时需要的波面变形量常高达波长的数倍、数十倍。另一方面，作为通过表面的光的相位变化量実际上可为2π弧度的数分之一至数倍程度，所以，需要进行将相位变化量于每个2π弧度锯齿波地归零的操作。

所述将相位变化量于每个2π弧度锯齿波地归零的操作中，光会于其不连续点附近散射，伴随于此，无法避免振幅或相位的误差。作为减轻此现象的方法已知有以下装置(非专利文献1)。亦即，

(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：圆偏振光通过该区域时受到的相移，等于主轴相对于一基准方向的夹角θ的2倍。

详细而言，已知以下情况，图1中入射光的电场例如为以

E_x＝E₀cos(ωt),E_y＝E₀sin(ωt)

所赋予的圆偏振光时，如图1般取ξη轴，将在ξη轴方向具有主轴的1/2波片插入，则透射后的光会成为反向圆偏振光，相对相位仅变化2θ(非专利文献1)。

需使相移超过2π弧度连续变化时，只要例如将θ如图1上部的方式定义，并使θ超过π弧度连续变化即可，若使θ连续且单调地变化为π的数倍，则相位角可在没有不连续下变化为2π弧度的数倍。若假设θ近似与x一起线性增加或减少时，透射的圆偏振光的波面会与x相关性地线性转换，而产生棱镜作用。

通过于基板周期排列深沟槽从而实现所需的“在每个区域具有各种方位的微小波片”。于固体表面周期性形成的无限长的沟槽列中，相对于电场与沟槽平行的偏光，电场与沟槽垂直的偏光会产生较大的相位延迟。半波片中需使相位差与π弧度一致，因设计上和加工上的理由，沟槽与沟槽的间隔多为1/3波长至1/2波长左右，并无成为1/4波长。

另一方面，现代光通信广泛使用相干性方式。

光收发器等小形的光学子系统中，为了从发送点T1、T2、…Tn到接受点R1、R2、…Rm使光伴随着分歧或合并传送的装置主要为：

(1)平面光波电路(Planar Lightwave Circuit,PLC)(专利文献2)

(2)将透镜、棱镜等个別零件配置于空间上不同处的空间光学系统(MicroOptical Circuit,MOC)(专利文献3)

本发明中，通过与光的传输方向(z方向)垂直而具有多个平面xy₁、xy₂、xy₃、…，并具有其上的信号点之间的信号分配功能、收发功能及偏光分离功能，且周期性构造轴具有多个方向的光学元件群，进行光会伴随着分歧或合并传送的操作。

例如专利文献2所示，实现相干性通信用ICR(Integrated Coherent Receiver)的90度混合的PLC电路中有下述限制。

(1)PLC电路中电路上多次产生交叉，但为二维构造，故难以回避信号间的干涉。

(2)对于每个正交偏光，需要以信号光的瞬时相位为基准，使I相局部振荡光与Q相局部振荡光之间的相位差保持于π/2弧度。这是对于线路之间涉及线路长误差及线路宽误差提出严格的要求，代表制品的低产率、高价格化。

这种限制通过如图15般的构成使布线三维化，从而能够通过下述特征解决。

·可在无信号干涉下实现光路的交叉·容易提高构造的对称性，并使线路长高精度地一致

另外，也提出了将与相干性通信同样的光波电路应用于通过LIDAR(LightDetection and Ranging，光探测和测距)，从而检测物体(非专利文献3)。将从一个光源射出的光分离为二个，其中一个作为接触物体返回的光，另一个则直接使用，通过使两道光干涉，从而能够测量到物体的距离与物体的速度。通过本发明，可将此干涉电路压缩且以低成本实现。

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.

非专利文献3：Cristopher V.Poulton,Ami Yaacobi,David B.Cole,MatthewJ.Byrd,Manan Raval,Diedrik Vermeulen,and Michael R.Watts,“Coherent solid-state LIDAR with silicon photonic optical phased arrays,”Optics Letters,vol.42,no.20,15 October 2017,pp.4091-4094.

专利文献

专利文献1：日本专利第3325825号公报

专利文献2：日本特开2011-18002号公报

专利文献3：美国专利第7,573,641公报

发明内容

发明所欲解决的课题

在此考虑第1页的背景技术中的第三段所述“微小1/2波片”不是“1/2波片”的情形。此时，入射的圆偏振光并非皆成为反向圆偏振光，亦存在直接残留的成分。若以该量为波片的相位差θ，则反向成分与直接出射成分的强度比为sin²(θ/2):cos²(θ/2)。进而，直接出射成分的波面虽未变化，但反向的成分会前进至因应图案的相位角分波面，故会分离射出。

本发明的光学元件具有所谓半反射镜的功能。通常所谓半反射镜具有以下功能，亦即，如图2所示，将己控制反射率的板相对于光路倾斜，从光路201进入的光会分离往光路202及光路203，从光路204进入的光会分离往光路202及光路203。本发明中亦如图3所示，从光路301进入的光会于光学元件306中分离往光路302及光路303，从光路304进入的光会于光学元件306中分离往光路302及光路303。

如果着眼于图2与图3中区别光的入射侧与出射侧的虚线205及虚线305，则一般半反射镜与本发明所涉及的光学元件的差异非常明确。图2中，以跨越入射侧与出射侧的边界的形式放入光学元件206，故入射与出射的边界与光学元件的功能面不一致。例如若于从入射侧朝出射侧的方向401使该分离成为多段，则无法进行例如图4般的三维空间配置，电路构成变得越复杂则越大型，调整各元件间的位置需要精度。

对此，本发明所涉及的光学元件是如图3所示，光的入射、出射的边界与功能面一致。因此，该分离功能容易与进行方向重叠，例如图5，能够实现于从入射侧朝出射侧的方向501具有多段分离的复杂光波电路。因仅为平板重叠，虽入射角度多少会偏差(例如10度以内)，但光线会透射所需的功能部分，从而不会失去功能。因此非常容易制造。

此外，如此的功能即使于所述表面加工也能够实现，但有以下困难点。

(1)沟槽与沟槽之间隔、或是周期沟槽的周期至少为1/3波长以上。为了控制光束，要于每处精细控制相位，但受波片的沟槽间隔所限制。实际情况中，以前要使沟槽作为波片发挥功能并具有与邻接区域不同的主轴方向时，沟槽长度至少要为沟槽彼此的间隔以上，且优选为2倍以上，无法充分减低微小区域尺寸。以下说明。图1中，各区域D中，以符号d表示区域内的沟槽长度成为最小者。同样地，图6中，符号d为相同定义。另外，以符号p表示周期性重复的沟槽周期(亦称为“沟槽间单位周期”)。为了作为波片运作，d/p要大到一定程度。d/p有限时，该区域的双折射所形成相位差会小于π，估计约为π(1-p/2d)。为了使本来应为π的相位差成为例如0.95π以上、或0.9π以上、或0.75π以上、或0.5π以上，d分别需要为10p以上、5p以上、2p以上、p以上。

相反地，为了高精细化，d要保持为较小。图1的光学元件中，d会因对元件的要求而有上限，能够使其越小则越可提高元件性能(因为减少量化误差)。另一方面，要求p比此更小一位数到半位数，故能够缩小p所带来的利益是非常大的。

另外，如图6使沟槽成为曲线时，若以等间距排列相同曲线，则随着接近于垂直间距会变窄，需要通过减少沟槽的条数(拉开间距)从而保持间距。即使是如此情况也未能严密地固定间距间隔，间距间隔会在每处变化，相位差会偏差。

(2)为了回避元件表面不需要的光反射，需要于表面形成反射防止层，但会因表面加工而难以于波片成膜。

(3)以在元件表面的细微加工实现1/4波片时，其高度约为50nm。例如若误差为1％，则表面加工精度需要抑制在50×0.01＝0.5nm程度以下，需要非常高的加工技术。另一方面，由于光子晶体中即使于1/4波长亦成为微米级厚度，因此例如只要控制为5μm×0.01＝50nm程度即可，这是以一般的薄膜工艺可充分对应的值。

(4)由于在元件表面与空气的边界实现运作，故若通过接著剂埋住细微构造，则效果会骤减。

因此，本发明是有鉴于此问题点而研究，其目的为提供一种光学元件，不为超表面而容易集成化。

先简述本发明效果，本发明可发挥以下1至3中任一项以上或所有效果。

第一，实现如下述的元件：以成膜面为边界从一侧射入并从相反侧射出的元件中，从一方向射入的光分离为二个方向。

第二，即使因曲线形状或拉开间距从而使得线间间距产生不均一、非一致性，也可保持偏光间的相位差的一致性(图7)。

第三，如后述实施例9、10、11，通过组合光子晶体，从而能够实现将偏光分离与90度混合功能一体化的光波电路。

解决课题的技术方案

本发明的第一方面涉及光学元件。光学元件具备于三维空间x、y、z中形成于xy面的波片。波片的优选形态为于z轴方向层积的光子晶体。波片的相位差θ不是π弧度的整数倍。光学元件于x轴方向具有单一或重复的一个或多个区域。亦即，平行于y轴方向的带状的宽度D的区域于x轴方向为单一个或重复多个。宽度D区域于x轴方向划分为多个带状子区域。此波片的轴方位，于宽度D区域中相对于y轴方向的角度于0度至180度的范围阶段性地变化，且于子区域中相对于y轴方向的角度相同。例如，波片中形成有沿着其轴方位的沟槽。

本发明的光学元件中，子区域的慢波轴对x轴的夹角β相对于子区域中心线的x坐标x1以顺时针β＝(180×x1/D)度+常数表示。光学元件中，在入射的圆偏振光为顺时针时，将从-z方向往+z方向入射的圆偏振光以功率比sin²(θ/2):cos²(θ/2)，分离并转换为：以逆时针圆偏振光于xz面向往+x方向折曲的成分及以顺时针圆偏振光直进的成分，之后射出。另一方面，在入射圆偏振光为逆时针时，会分离及转换为：以顺时针圆偏振光于xz面向往-x方向折曲的成分及以逆时针圆偏振光直进的成分，之后射出。

进一步说明其他实施方式。光学元件具备于三维空间x、y、z中形成于xy平面的波片。波片的优选形态为于z轴方向层积的光子晶体。波片的相位差θ不是π弧度的整数倍。光学元件于x轴方向具有单一或重复的一个或多个区域。亦即，平行于y轴方向的带状的宽度D区域于x轴方向为单一个或重复多个。此波片的轴方位为曲线，且相对于y轴方向的角度于0度至180度的范围连续变化。具体地讲，形成于波片的沟槽为在曲线y＝(D/π)log(|cos(πx/D)|)+常数、及离散化误差范围内一致的曲线。例如，在波片形成有沿其轴方位的沟槽。

光学元件中，在入射的圆偏振光为顺时针时，将从-z方向往+z方向入射的圆偏振光以功率比sin²(θ/2):cos²(θ/2)，分离及转换为：以逆时针圆偏振光于xz面向往+x方向折曲的成分及以顺时针圆偏振光直进的成分，之后射出。另一方面，在入射的圆偏振光为逆时针时，会分离及转换为：以顺时针圆偏振光于xz面向往-x方向折曲的成分及以逆时针圆偏振光直进的成分，之后射出。

本发明的各实施方式中，波片特别优选为1/4波片。此时，本发明的光学元件中，将从-z方向往+z入射的圆偏振光以相等功率(光量)分离及转换为所述折曲成分及所述直进成分，之后再射出。

所述具有曲线型沟槽的光学元件，优选为进行几何配置使相邻凸部与凹部中的一者的间隔于所述区域内部的最大值与最小值的比成为2倍以内，且使另一者分歧、合并(参考图6等)。

所述具有曲线型沟槽的光学元件中，区域宽度为D时，曲线优选为以y＝(D/π)log(|cos(πx/D)|)+常数表示。

本发明的光学元件中，波片优选为于z轴方向层积的光子晶体所构成。此时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，且光子晶体的厚度方向周期为入射光波长的1/4以下。

光子晶体为已知，但例如通过自我复制法(参考专利文献1)形成即可。光子晶体为以比导波光运作波长更短的周期使折射率周期性变化的构造物。波片特别优选为通过自我复制作用形成的光子晶体。光子晶体为作为光学元件发挥功能的微小周期构造物。具体的光子晶体制造方法可举出如专利文献1所示方法，通过在一维或二维具有周期性凹凸的基板上周期性依序层积两种类以上折射率不同的物质(透明体)，于该层积中的至少一部分单独或于成膜同时使用溅射蚀刻，从而制造光学元件(波片)。该方法也称为自我复制法。而且，通过该自我复制法形成的光子晶体称为自我复制型光子晶体。此外，使用自我复制型光子晶体构成波片的技术为已知。例如作为光子晶体的其他制造方法可举出通过于玻璃照射飞秒激光，从而制造周期性空隙的方法。

此外，同样作为构成波片的技术，也可举出使用液晶的方法。

此外，形成自我复制型光子晶体的多个种类透明体优选为非晶硅、五氧化铌、五氧化钽、氧化钛、氧化铪、二氧化硅、氧化铝、氟化镁等的氟化物中的任一项。可从这些当中选择折射率不同的两种或多种并用于光子晶体。例如优选为非晶硅与二氧化硅、五氧化铌与二氧化硅、五氧化钽与二氧化硅的组合，但也能够为此外的组合。具体地讲，自我复制型光子晶体具有将高折射率材料与低折射率材料于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、非晶硅、氧化钛、氧化铪或组合这些的两种以上材料者。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这些的两种以上材料者。

更具体地说明，本发明的第一方面涉及光学元件。本发明的光学元件为主轴方位于每个区域相异的波片(分割型)、或主轴方位连续变化的波片(曲线型)，各区域的波片于面内具有周期构造，且为所述周期构造于厚度方向层积的光子晶体所构成。可通过自我复制法(参考专利文献1)形成光子晶体。

形成各波片的面内周期构造的沟槽间单位周期及所述波片厚度方向的单位周期，两者皆为射入光学元件的光波长的1/4以下。此外，优选为面内周期构造的沟槽间单位周期40nm以上。此外，射入光学元件的光波长通常假设由400nm～1800nm之间选择。

另外，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。此外，波片沟槽长度的面内最大值上限，优选为沟槽间单位周期p的50倍以下。

此外，为主轴方位连续变化的波片(曲线型)时，当凸部的间距p为(图案为直线时的间距)p₀时，优选为以成为0.7·p₀≦p≦1.4·p₀以内的方式几何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，相位差变化相对于间距变化的变化较小。因此，能够减少间距改变时因半波片所造成的相移。

本发明所涉及的光学元件的优选实施方式为对于入射的预定圆偏振光运作的光学元件。该光学元件中，形成各区域不是π弧度的整数倍的相位差θ的波片，入射的圆偏振光会以强度比sin²(θ/2):cos²(θ/2)分歧为与反向圆偏振光同向的圆偏振光。

根据自我复制形光子晶体波片的本发明的光学元件是与梯度超表面(例如非专利文献1、2：gradient metasurface)在根本上有所差异且为体积形，故于其表面与其下部进行反射防止处理、或使用接著剂与其他光学元件连接等较为容易。体积形中，即使保持层积的全厚度并增加层积数(例如2倍)、使层积周期、面内周期减少(例如1/2)，特性几乎保持一定，所以能够达成构造的高精细化。

本发明的光学元件的另一优选实施方式中，可将由已决定间距的平行线所形成的各区域的波片从平行线改变为曲线以消除区域(子区域)的边界。通过改变为曲线从而能减少量化误差，结果可减少相位误差，并减少不需要的偏波比率，能够减少未分歧成分的比率。

本发明的第二方面涉及使用第一方面的光学元件的光波电路。

若使用与第一方面的光学元件为相同图案且相位差为π弧度(也就是说为半波片)者，若入射一圆偏振光，则会折曲为反向圆偏振光。此外，两成分混杂时，可分别分离为顺时针及逆时针圆偏振光的成分。

另一方面，若使用与第一方面的元件为相同图案且相位差为π/2弧度(也就是说为1/4波片)者，则入射圆偏振光时会分离为同向圆偏振光及反向圆偏振光。或是分别由两方向输入反向圆偏振光，并适当选择彼此的角度，则分别分离的两道光重叠会射出。这是二个输入光于二个光路再分配。用其中一个的输入振幅为a，另一个的输入振幅为b时，再分配输出的光分别为(a+b)/√2、(a-b)/√2，可作为方向性结合器发挥功能。

组合这些多个光学元件(相位差π弧度及相位差π/2弧度)的功能，从而实现相干性通信的接受机所使用偏光分离与90度混合的功能，此即本发明的第二方面。

第二方面所涉及的光波电路的光于z方向传输，并具有与光传输方向垂直的多个平面(xy₁、xy₂、…xy_N)。第一平面(xy₁)上有n个(n为整数)的交点。第二以后的至少任一个平面(xy₂、…xy_N)配置有具有多个轴方位的第一方面的光学元件。

第二方面所涉及的光波电路的其他形态中，光于z方向传输，并具有与光传输方向垂直的多个平面(xy₁、xy₂、…xy_N)。第一平面(xy₁)上具有二个交点(例如信号光及局部振荡光)。第二以后的至少任一个平面(xy₂、…xy_N)配置有具有多个轴方位的第一方面的光学元件。射入于第一平面的各交点的光线的至少一者通过位于第二至第N平面(N为1以上的整数)的所述光学元件。该光波电路中，穿透第N平面的m个(m为1以上的整数)交点的各偏光的各复振幅为射入第一平面的各交点的光线的各偏光的各复振幅的一次线性和。

第二方面所涉及的光波电路优选为配置所述光学元件及与所述光学元件相同图案且相位差成为π弧度的整数倍的元件，以通过进行不同种类圆偏振光的分离、一个圆偏振光光线往二个光路的分歧、圆偏振光的折曲、不同种类圆偏振光的合并及再分配，从而能够于最终面中的多个点得到预定的圆偏振光或直线偏光。

第二方面所涉及的光波电路优选为配置所述光学元件及与所述光学元件相同图案且相位差成为π弧度的整数倍的元件，以通过进行不同种类圆偏振光的分离、一个圆偏振光光线往二个光路的分歧、圆偏振光的折曲、不同种类圆偏振光的合并及再分配，从而于最终面中获得信号光的两个偏光状态及两个相位(0度、90度)，并使偏光分离器与90度混合电路合成，其可获得相当于局部振荡光与信号光的信号和及信号差的合计八个光。

第二方面所涉及的光波电路中，优选为所述光学元件中，于XY面内具有多个区域，于各区域中分为沿y方向延伸的宽度D的带状区域，于x方向形成单一个或多个带状区域，带状区域中沿x方向波片的轴方位从0度改变至180度。此时，包含带状区域的XY面内的各区域中，轴方位相当于0度的部分于X方向的距离互相偏移宽度D的整数倍至ΔD(0<ΔD<D)。而且，光波电路中，使射入各带状区域的圆偏振光中，于光学元件中成为相反的圆偏振光并射出的成分相互相位偏移ΔD/D×2π弧度并射出。

包含半波片的光学元件(相位差π弧度)包含以下构成。亦即，半波片是于三维空间x、y、z中于xy面形成并于z轴方向层积的光子晶体所构成。半波片于x轴方向具有单一或重复的一个或多个区域，该区域于x轴方向划分为多个带状子区域。光子晶体的沟槽方向于区域中相对于y轴方向的角度于0度至180度的范围阶段性地变化，且于子区域中相对于y轴方向的角度相同。或者，光子晶体的沟槽方向为曲线，且相对于y轴方向的角度于0度至180度的范围连续变化。其结果，包含半波片的光学元件会将z轴方向的入射光分离及转换为从z轴朝向x轴一角度方向的圆偏振光、及从z轴朝向-x轴相同角度方向的反向圆偏振光，，之后再射出。

使用图15说明第二方面。光波电路中输入称为信号光、局部振荡光的两道光。光依序通过第一光学元件1501、第二光学元件1502、第三光学元件1503及第四光学元件1504。

第一光学元件1501进行不同种类圆偏振光的分离，配置有与第一方面所涉及的光学元件(分割型或曲线型)同样的图案，且使相位差成为π弧度。

第二光学元件1502配置有第一方面所涉及的光学元件，且使相位差成为π/2弧度。

第三光学元件1503是准备以1/2波片使特定区域的轴方位与其他区域的轴方位相差45度的光学元件。

第四光学元件1504配置有第一方面所涉及的光学元件，且使相位差成为π/2弧度者。

第一光学元件1501将入射光分离为顺时针圆偏振光及逆时针圆偏振光。信号光及局部振荡光于y轴方向不同位置射入于该第一光学元件，故成为个别两道光束射出。此外，信号光及局部振荡光于x轴方向射入于第一光学元件的相同位置。

第二光学元件1502于合计四处分别入射圆偏振光(信号光2处及局部振荡光2处)，分离为与分别入射的圆偏振光同向的圆偏振光及反向圆偏振光。因此成为八条光束。

八条光束进入第三光学元件1503。信号光及局部振荡光于第一光学元件1501分离为顺时针圆偏振光及逆时针圆偏振光，其中以与z轴平行的中心轴为界，于xz面中分离至左侧者为第一组，分离至右侧者为第二组。透射过第二光学元件1502后，第一组成为两道光束，第二组成为两道光束，合计四条光束。而且，已分割区域的1/2波片，即第三光学元件1503中，第一组中仅一条与其他三条相比透射于45度方位相异的1/2波片，第二组中仅一条与其他三条相比透射于45度方位相异的1/2波片。其与周围不同的二个区域相对于第三光学元件1503的中心轴选择对称位置。

若调整y-z面中射入于第一光学元件1501的位置及角度，则能够使已分别分离的光于y-z面上通过相同位置。于此点的面放置第四光学元件1504。

第四光学元件1504中，光射入于四点。亦即，两道光从不同方向射入于一点。第四光学元件中，入射的圆偏振光分别分离为与入射圆偏振光同向的圆偏振光及反向圆偏振光的二种。因此于入射四点中，各二条光束入射并分离，所以射出十六条光束，通过调整入射光束的角度及第四光学元件1504的图案，从而能够使从不同方向入射的光的二个分离方向一致。如此一来，光会于第四光学元件相互干涉，最终从第四光学元件作为八条光束射出。

如所述，使用多区域1/4波片及多区域1/2波片，将信号光及局部振荡光的两种类输入光偏光分离，且将个别的光输入于区域分割型1/4波片并分离，各偏光分别所形成四条光束中，使一条透射于与其他三条45度方位不同的1/2波片，输入于另一个区域分割型1/4波片，并进行干涉，能够形成八条光束。其功能与相干性光通信系統的接受部分中被称为偏光分离及90度混合的功能相同，仅重叠光学元件就能够实现复杂功能。

本发明所涉及的光波电路，为了将所输出八条光束个别改变方向，以相对于八条个别光束具有个別的图案方向的方式插入相位差为π弧度的整数倍的所述光学元件，从而能够使八条光束排列于一平面的任意位置。此时，光波电路具有偏光分离功能及90度混合功能。

本发明所涉及的光波电路可具备可于第一光学元件的信号光通过部分后，通过电信号可变地控制双折射的延迟的元件，通过该元件控制信号光的偏光状态，从而于第二光学元件产生往受光器前进的成分与未前进的成分，从而，通过液晶所具有的延迟量而控制往受光器的信号光的光量。此时，光波电路具有偏光分离功能及90度混合功能。

本发明的其他方面涉及相位差测量器。本发明所涉及的相位差测量器是使用所述光学元件，使两个输入光中的一者为参考光，另一者为信号光，并测量其间的相位差。

一种使用该相位差测量器，将从光源分离的一者为参考光，另一者接触物体并以来自其的反射光作为信号光，从而可侧量与物体的距离及速度的机器，以及将接触该物体的光进行机械性或电性操作，从而测量三维空间中物体的位置及速度。

发明效果

根据本发明能够提供容易集成化的光学元件。另外，本发明中通过构造的高精细化或曲线化，从而抑制源自于不连续性的光散射或不需要的光成分的产生。另外，根据本发明能够使表面处理、清净化、接著处理等加工性优异，能够降低作为零件的体积、面积、制造成本。

附图说明

图1为现有技术，即使用梯度超表面(gradient metasurface)实现的偏光光栅。

图2为表示现有技术的半反射镜的功能的图。

图3为表示本发明的光学元件的光分离功能的图。

图4为表示通过现有技术的半反射镜实现分歧、合成的光波电路的图。

图5为表示通过本发明的光学元件实现分歧、合成的光波电路。

图6为表示第一实施方式所涉及的光学元件(分割型)及第二实施方式所涉及的光学元件(曲线型)的一例的图。

图7为表示相对于光子晶体的情形的间距变化的相位差感度的图。

图8为表示第二实施方式所涉及的光学元件的功能的图。

图9为表示第二实施方式所涉及的光学元件的功能的一般性的图。

图10为表示第二实施方式所涉及的光学元件所具有相位差与直进光及折曲光的功率关系的图。

图11为表示第三实施方式所涉及的光学元件的功能的图。

图12为表示第三实施方式所涉及的光学元件的入射光及出射光的关係的图。

图13为表示第四实施方式所涉及的光学元件的功能的图。

图14为表示第四实施方式所涉及的光学元件的入射光及出射光的关係的图。

图15为表示第五实施方式所涉及的光学元件的配置及光路的图。

图16为表示第六实施方式所涉及的光学元件的配置及光路的图。

图17为表示第七实施方式所涉及的光学元件的配置及光路的图。

图18为表示图15的光学元件1501的图案及功能的图。

图19为表示图15的光学元件1502的图案及功能的图。

图20为表示图15的光学元件1503的图案及功能的图。

图21为表示图16的光学元件1605、及图17的光学元件1705的图案及功能的图。

图22为表示图16的光学元件1601、及图17的光学元件1701的图案及功能的图。

图23为表示图16的光学元件1602、及图17的光学元件1702的图案及功能的图。

图24为表示图16的光学元件1603、及图17的光学元件1703的图案及功能的图。

图25为表示图16的光学元件1604、及图17的光学元件1704的图案及功能的图。

图26为表示图16的光学元件1605、及图17的光学元件1705的图案及功能的图。

图27为表示第八实施方式所涉及的光学元件的配置及光路的图。

图28为说明第九实施方式的图。

图29为表示第十实施方式所涉及的光学元件的配置及光路的图。

图30为表示图29的光学元件2902的图案及功能的图。

图31为表示第十一实施方式所涉及的光学元件的配置及光路的图。

图32为表示第十二实施方式所涉及的光学元件的配置及光路的图。

图33为说明通过第十三实施方式的入射位置控制光束的折曲方向的图。

图34为说明第十三实施方式的光束再排列的例的图。

图35为说明通过第十四实施方式的液晶改变光路的原理的图。

图36为为于第十四实施方式的第十一实施方式导入液晶元件的例的图。

图37为将本发明所涉及的光学元件应用于测量器的例的图。

具体实施方式

以下说明本发明的实施例1至13。

[实施例1]

本实施例涉及所述第一方面的光学元件，说明一种光学元件，能够将垂直入射的顺时针圆偏振光以相等功率比偏光分离为顺时针直进光及以一角度ψ折曲的反向圆偏振光。

光学元件的光学配置示于图8。图8所示光学元件为所谓曲线型。亦即，曲线型光学元件的基本构成中，包括于三维空间x、y、z中形成于xy面且于z轴方向层积的光子晶体的波片。波片中平行于y轴方向的带状的宽度D区域于x轴方向重复多个。光子晶体的沟槽方向为在曲线y＝(D/π)log(|cos(πx/D)|)+常数、及离散化误差范围内一致的曲线(参考图6)。

另外，如图6所示，通过使光子晶体的图案(凸部或凹部)形成曲线状，从而于一周期内部使中央部的图案较疏，越接近端部则越密，使图案不平整。在此，以中央部的图案间间距为基准，将其作为p₀。于p₀成为一临界值间距以下的位置使两条图案合并。合并后的间距成为2p₀，但越靠端部越密，故于成为临界值长度以下时再次合并。通过重复以上操作，从而能够使间距于一范围内变化，并实现理想光学轴分布。若使临界值间距为0.5p₀，则间距变化范围于0.5p₀～2.0p₀之间。亦即，优选为以使相邻凸部与凹部中的一者的间隔最大值与最小值的比为4倍以内，优选为2倍以内的方式，几何配置使另一者分歧、合并。图6所示例中，白色部分为凹部，黑色部分为凸部。亦即，为主轴方位连续变化的波片(曲线型)的情形，若凸部间距p(图案为直线时的间距)为p₀，以0.5·p₀≦p≦2·p₀以内的方式，几何配置使凸部或凹部分歧、合并。

另一方面，本发明的光学元件不限定于所述曲线型，也可为所谓分割型。亦即，分割型光学元件的基本结构中，包括于三维空间x、y、z中形成于xy面并于z轴方向层积的光子晶体的波片。波片为平行于y轴方向的带状的宽度D区域于x轴方向为单一个或重复多个者。另外，宽度D区域划分为平行于y轴的多个带状子区域。形成于波片的沟槽(光子晶体的沟槽方向)于宽度D区域中相对于y轴方向的角度于0度至180度的范围阶段性地变化，且子区域中相对于y轴方向的角度相同。

如图6所示，分割型光学元件于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的x轴方向的长度优选为相等。另外，各区域D可进一步于x方向划分为多个子区域。各区域D的分割数可为3～21，例如优选为5、7、9、11、13、15、17、19等奇数。各区域D所含有子区域优选为分别于x方向具有实质相等的宽。“实质相等的宽”为以位于x方向中心的子区域的宽作为基准并容许±2％的误差。

另外，各子区域中周期性形成有多个沟槽。沟槽的宽实质皆相等。另外，沟槽于各子区域中形成于x方向的一端到另一端。区域D中，位于x方向中心的子区域中，于x轴方向平行延伸的沟槽周期性重复形成于y方向。另一方面，区域D中，位于x方向左右两端的子区域中形成有于y方向平行延伸的沟槽。因此，相对于形成于中心的子区域的沟槽形成于左右两端的子区域的沟槽的夹角度θ为90度。如此一来，子区域中沟槽的长度最大，元件整体的y方向有效尺寸一致。

另外，中心子区域及左右两端子区域之间于左右分别有多个子区域。而且，位于其间的各子区域也于y方向周期性重复形成多个沟槽。另外，形成于一子区域的沟槽的角度皆相等。但位于其间的各子区域的沟槽的角度θ是以从中心子区域到左右两端子区域逐渐接近90度的方式设定。例如，中心子区域及左右两端子区域之间中分别设置四个子区域，以中心子区域的沟槽的角度为0度，以左右两端子区域的沟槽的角度为90度，由接近中心子区域的区域依序使倾斜角θ增加22.5度。象这样，各区域D划分为x方向的宽相等的多个子区域，周期性形成各子区域中角度相等的沟槽，从位于x方向中心的子区域往位于左右两端的子区域使沟槽的角度单调地增加。

于此前提下，各子区域中，周期构造的沟槽间单位周期p(参考图1)为入射光的波长(例如选自于400nm～1800nm)的1/4以下。此外，沟槽间单位周期p的下限值为40nm。另外，厚度方向(z方向)中，折射率的不同的两种类透明媒质的单位周期也为光波长的1/4以下。此外，厚度方向的单位周期的下限值为40nm。而且，多个区域D整体中，沟槽长度的面内最小值d(图6参考)为所述沟槽间单位周期p的1倍以上。此外，沟槽长度的面内最小值d上限值为所述沟槽间单位周期p的50倍。在此，如图6所示，形成于一区域D内的多个子区域的x方向的宽皆相等，故区域D中的沟槽长度的面内最小值d基本上为形成于位于其区域D中心的子区域的沟槽的长度。此外，沟槽长度有越接近x方向左右两侧的区域的沟槽越长的倾向。

以三维空间xyz中光进行方向为z轴。将具有周期D的光学元件设置于xy面内，以其慢轴方位从x轴的倾斜为θ，用下式表示出射光。

光学元件所具有相位差φ为λ/4时，若整理上述式可得：

因此出射光分离为第一项：顺时针直进光、及第二项：反向圆偏振光，其功率比相等。另外，θ仅依存于x，故产生依存于x的相位差。一周期D之间θ与x成比例于0～π比例变化时，输出波第二项的相位的倾斜为x＝D时、x＝0时，仅变化2π。因此可知第二项的光相对于z轴仅折曲ψ＝sin^-1(λ/D)并射出。

同样地，若入射逆时针圆偏振光，则出射光为：

出射光分离为第一项：逆时针直进光、及第二项：反向圆偏振光，其功率比相等。另外可知第二项的光的等相位面的倾斜符号相反，相对于z轴仅折曲ψ＝sin^-1(λ/D)并射出。

分割型(图6左)及曲线型(图6右)的光学元件皆为相位差为π/2弧度，所以入射圆偏振光时能够以相等功率比分歧。但是曲线型的光学元件能够使波片的主轴方位更柔和地变化，故相位误差较小且性能较高。此外，分割型光学元件亦满足所求功能时，可因应工艺方便从而选择分割型者。

此外，这些D的值与波长相比为充分大时，成立为所述数学式，但例如波长1.5μm中，D为5μm时，即使光学元件所具有相位差为λ/4，也是直进成分较多。但此时能够通过调整光学元件的相位差，从而使直进成分与折曲成分成为等量。此外，优选为D的值相对于波长为2倍以上，例如3倍～10倍。

使用图9说明光线的分歧、折曲、合并、线性和的作用。有与x轴平行的y方向高度相等的直线L1、L2，将L1上的点P起通过本发明所涉及的光学元件901上的一点Q并到达L2上的点R的直线定义为PQR。为了便于说明，使光学元件两侧的媒质的折射率相等。相对于自由空间波长λ的光，光线PQ、QR具有相等x方向的波数。

于直线L1上夹住P取P-、P+，于L2上夹入R取R-、R+，光线P+Q及QR+具有x方向的波数a+2π/D，光线P-Q及QR-同样地具有a-2π/D。

光线PQ为逆时针圆偏振光，光学元件的相位差为θ。光线PQ是以振幅比jsin(θ/2):cos(θ/2)分配为顺时针圆偏振光的结构QR-、及逆时针圆偏振光QR。θ＝π时，仅成为折曲成分(QR-)。

同时，若入射顺时针圆偏振光的光线P-Q，则会以振幅比jsin(θ/2):cos(θ/2)分为逆时针光线QR及顺时针光线QR，并与所述分配光合并，射入的两道光为相互干涉时，会线形重叠。

如以上，说明将入射光线PQ、P+Q、出射光线QR、QR-之间的分歧、折曲、合并、线性和作用以偏光的逆时针、顺时针作为标识。

同样地，x方向的波数为每2π/D不同的入射光……、P-Q、PQ、P+Q、……及出射光……、QR-、QR、QR+……之间能够具有分歧、折曲、合并、线性和作用。

为便于说明，y方向的波数皆作为0，但是具有共通波数时亦同。

此外，充满光学元件901的两侧空间的媒质的折射率不为共通(例如空气与玻璃)时，光线彼此不为空间形状对应，而是透过波数使其相对应，例如线P+QR+描画为直线只是为了方面说明。

此外，使用多个光学元件时，定义周期方向可于每个元件选择为不同方向，并在一片元件中分为多个区域，使其分别具有不同周期方向、周期。

[实施例2]

本实施例说明将能够相对于本发明所涉及的光学元件垂直入射的顺时针圆偏振光以任意功率比率以分歧为顺时针直进光，即以一角度ψ折曲的反向圆偏振光的光学元件。

实施例2与实施例1不同的是，光学元件所具有相位差φ为任意值，而不是π/2弧度。顺时针圆偏振光于任意相位差φ的光学元件垂直入射时，输出光成为：

与实施例1同样地，出射光分离为第一项：顺时针直进光、及第二项：反向圆偏振光。另外可知功率比为sin²(θ/2):cos²(θ/2)。因此能够通过控制光学元件的相位差，从而分歧为以任意功率比的两个正交的圆偏振光。

另外，若入射逆时针圆偏振光则成为：

出射光分离为第一项：逆时针直进光及第二项：反向圆偏振光，其功率比成为sin²(θ/2):cos²(θ/2)。与实施例1同样地，第二项的光的等相位面的倾斜其符号相反，相对于z轴仅折曲ψ＝sin^-1(λ/D)并射出。

图10是表示光学元件所具有相位差φ与直进光及折射光的功率的关係。相对于曲线型及分割型的光学元件，使用光束传播法进行数值分析。分析条件如下。

·波长λ：1.55μm

·高折射率材料：a-Si

·低折射率材料：SiO₂

·棱镜周期D：10μm

·慢轴折射率n_s：2.713

·快轴折射率n_f：2.486

·层积整体的厚度：

由图10可知通过如实施例2所是控制相位差φ从而能够以sin²(θ/2):cos²(θ/2)的功率比分歧。特别是如实施例1所示，为φ＝π/2弧度时能够以相等功率比分歧。另外，图10上部表示实施例1及2所负责相位差φ的范围、以图表的凡例差异表示曲线型、分割型的差异。

曲线型及分割型的光学元件皆能够控制光学元件的相位差，从而以任意功率比分歧。但是曲线型光学元件够使波片的主轴方位更柔和地变化，故相位误差较小且性能较高。此外，分割型光学元件亦满足所求功能时，可因应工艺方便从而选择分割型者。

图10中表示零次相位差中的特性。即使于高位相位差(例如π/2、3π/2、5π/2)也能够获得同样的功率分离特性。

以上表示将入射圆偏振光以任意功率比分歧为正交的两个圆偏振光的方法。

[实施例3]

实施例1中表示圆偏振光为垂直入射时，以等功率分离为两个偏光的方法。其运作可视为一输入二输出的分歧电路(3dB联结器)。本实施例中说明以任意入射角度于光学元件入射圆偏振光时的运作，并表示本发明的光学元件可作为多输入多输出的分歧电路运作。

如图11所示，可考虑顺时针圆偏振光从z轴以入射角度α射入于光学元件。光学元件的相位差φ＝π/2弧度时，输出光如下。

其中k_x＝λ/(2π)×sinα。因此，输出光如图11所示能够分离为第一项：以角度α传播的顺时针圆偏振光、及第二项：以角度ψ-α传播的逆时针圆偏振光。另外，分歧的正交圆偏振光的功率比相等。因此，图12所示，可说是通过改变射入于光学元件的角度(改变光的输入埠)，从而改变光的到达位置(存在对应输入埠的两个输出埠)。因此，本发明的光学元件可说是N输入2N输出的分歧电路。

以上表示通过改变射入于光学元件的角度(改变输入埠)，从而于对应入射角度的位置接受光(对应输入埠的两个输出埠)，能够作为偏波依存型多输入多输出的分歧电路运作。

[实施例4]

实施例3中表示光学元件的相位差为π/2弧度时，作为将功率等量分配的N输入2N输出的分歧电路运作。本实施例中表示棱镜的相位差为π弧度时，作为依存于入射偏波使输出埠改变的马赫-曾德尔干涉电路之类的偏波依存型方向性结合器运作。

光学元件的相位差为π弧度时，顺时针圆偏振光从z轴垂直地射入光学元件，则出射光如下。

因此可知为相对于z轴仅折曲θ＝sin^-1(D/nλ)并射出的逆时针圆偏振光。n为出射侧媒质的折射率。同样地，若入射逆时针圆偏振光则成为：

转换为相对于z轴仅折曲θ＝-sin^-1(λ/nD)并射出的顺时针圆偏振光。为能够识別入射圆偏振光的旋转方向，也就是说如图13所示，变更为能够区别正交关係的一偏光状态并射出的埠。

与实施例3同样地，以一入射角度α于光学元件入射顺时针圆偏振光时，如图14所示，转换为正交圆偏振光的出射光会以角度ψ-α射出。也就是说，因应入射角度与偏光状态而射出的埠具有转换功能，故作为偏波依存型方向性结合器运作。

以上表示本实施例中光学元件的相位差为π弧度时，作为依存入射偏波、入射角度使输出埠改变的偏波依存型方向性结合器运作。

[实施例5]

本发明中，相对于与面几乎垂直前进的光，使具有偏光分离或分歧、折曲、合功能的光学元件重叠，从而能够实现具有多个光路的电路。因为能够三维配置，故相较于以往平面光波电路具有集成度等的高自由度。进而，偏光分离、分歧等功能可通过图案决定，因此能够正确地决定方位、位置，只要能够确保各元件的基板的平坦度，则可高精度且简便地实现光波电路。

也就是说，光于z方向传输，在与其垂直的多个平面xy₁、xy₂、xy₃…中，于第一平面xy₁上具有M个交点，于第二及第三以后的平面配置有具有多个轴方位的所述相位差成为π/2弧度的光学元件、及具有多个轴方位的所述相位差成为π弧度的光学元件。由此可实现一种光波电路，可实现于最终面中M个光个别具有两个偏光状态的分歧或合并的结果，即N个交点光波电路。

发挥该特征，本发明可实现相干性光通信的光接受部所需的偏光分离及检查位相调变的90度混合的功能。以往相干性系統(Intensity Modulation&Direct Detection，IMDD)中仅进行强度调变，故一个光纤仅能乘载一个信号。但是，相干性系統中，通过使两个信号位相调变且互相的相位错开90度，从而重叠二个信号，进一步使信号载于每个正交的两个偏光，因此能够乘载合计四个信号。可进一步进行多值化从而能够增加传输容量。

该系統的接受侧中重要的是，将到达的光信号于每个正交偏光进行分离，分别对此使具有与信号光不一定一致的波长的局部振荡光及信号光进行干涉(详细而言为信号光与I相局部振荡光的干涉，信号光与Q相局部振荡光的干涉)，从而取出原本的信号(90度混合)。该90度混合中需要使信号光、振荡光分离，且以方向性结合器进行合成、干涉，但通过重叠本发明的光学元件就能够实现90度混合。

说明融合偏光分离与90度混合的功能的光波电路的设计例。

首先，整体结构如图15所示。构造为三维，故表示x-z面的剖面及y-z面的剖面。光从-z方向往+z方向前进。此外，虽图中使各元件分离绘图，但实际上是通过具有与基板折射率几乎相等折射率的接著剂固定并形成一体者。

说明图15中的第一光学元件1501。

第一光学元件的特征为具有上述沟槽图案的构造(参考图6等)，且相位差为π弧度。第一光学元件中，信号光及局部振荡光及相对于z轴以所预定角度1512倾斜并射入。

第一光学元件1501的图案一例示于图18。于石英基板上以图案基本周期(图18的虚线上的周期)300nm进行图18前视图的图案化。图案化是通过EB平版印刷蚀刻并进行图案化，以干式蚀刻于石英进行加工。图案形成可为奈米压印平版印刷或光平版印刷等。可于其中通过自我复制法层积多层膜。材料于高折射率材使用Nb₂O₂，于低折射率材料使用SiO₂。但是，例如高折射率材料也可为a-Si、Ta₂O₅、HfO₂、TiO₂。低折射率材料最一般为SiO₂，也可为氟化物。多层膜为厚度72mn/每72nm层积90周期。其各层厚度例如优选为波长的1/50以上且1/5以下。

可调整从基板数起的第一层、第二层、及从最上部数起的第一层、第二层的厚度，并控制基板与多层膜的界面、或最上层与其上的材料的界面中的反射。例如假设最上层上的材料为石英，而成为表1所示膜厚构成。

[表1]

若光进入该构造，则会分离为顺时针圆偏振光成分于图18中右方向以角度180前进的光、及逆时针圆偏振光于图中左方向以相同角度1802前进的光。光能够以顺时针圆偏振光及逆时针圆偏振光的结合表现，不论进入任何偏光状态都可分离为个别的成分并射出。其强度比依存于入射的偏光成分。

射出于折射率n的媒质时，以波长为λ，构造的x方向周期为D时，角度θ可表示为：

此时，周期D是以符号1803表示，角度θ是以符号1801及符号1802表示(1801与1802的角度相等)。

第一光学元件1501中，光于y方向排列并射入于两处，假设+y侧进入信号光，-y侧进入局部振荡光。其图案如图18前视图所示，为上下相反180度，信号光射入于上侧区域1804，局部振荡光射入于下侧区域1805。

当然相反亦可。此外，输入的局部振荡光优选为与y轴平行或垂直方向的直线偏光。两处的光于y方向中入射位置偏移，但于x方向的入射位置一致。

入射光倾斜射入于多层膜，调整入射角度使于第四光学元件1504成为相同位置。

接下来贴合第二光学元件1502。

第二光学元件1502的特征为图19所示图案，且相位差为π/2弧度。其图案如图19前视图所示上下相反180度，信号光射入于上侧区域1905，局部振荡光射入于下侧区域1906。其结果，信号光中，从平行于y轴的中心轴右侧倾斜射入逆时针圆偏振光，于左侧倾斜射入顺时针圆偏振光，但如图19所示，于从y轴右侧中，穿透第二光学元件1502，从而于右侧射出逆时针圆偏振光，于左侧射出顺时针圆偏振光。局部振荡光则相反，于y轴右侧射出逆时针圆偏振光，于左侧射出顺时针圆偏振光。y轴左侧中，信号光、局部振荡光亦同。入射角度1903与角度1901相等，角度1901与角度1902的和θ表示为：

此时，构造的周期D为符号1904。

此外，图15的角度1511与角度1512可相等或不相等。

此外，若相位差不为π/2弧度而是任意Φ时，射出于左右的光量比为左侧：右侧＝sin²(θ/2):cos²(θ/2)。本质上虽可进行非对称分离，但光量较低者S/N比较差，故优选为相等。因此Φ优选为90度。

接下来，第三光学元件1503使以1/2波片为基本，从中心轴左右分别射入两道信号光及两道局部振荡光，合计于八处有光入射点。第三光学元件1503的前视图示于图20。如图20如所示，第三光学元件的xy面至少分割为八个区域(2001～2008)。各区域分别对应射入于第三光学元件1503的合计八个光。例如，第三光学元件的xy面于y方向分割为二，于x方向分割为四。最左上区域为第一区域2001，该与第一区域2001的x方向右方邻接的区域为第二区域2002。另外，与第一区域2001的y方向下方邻接的区域为第三区域2003，与第二区域2002的y方向下方邻接的区域为第四区域2003。另外，与第二区域2002的x方向右方邻接的区域为第五区域2005，与该第五区域2005的x方向右方邻接的区域为第六区域2006。而且，与第五区域2005的y方向下方邻接的区域为第七区域2007，与第六区域2006的y方向下方邻接的区域为第八区域2003。图20所示例中，各区域(2001～2008)分别呈矩形状，但是只要为光可通过的形状，则可为圆形状或椭圆形状、其他多角形状。

第一区域2001与第三区域2003的相对角度错开45度且第二区域2002与第四区域2004为相同方位，或可相反地，第二区域2002与第四区域2004的相对角度错开45度且第一区域2001与第三区域2003为相同方位。同样地，第五区域2005与第七区域2007的相对角度错开45度且第六区域2006与第八区域2008为相同方位，或可相反地，第六区域2006与第八区域2008的相对角度错开45度且第五区域2005与第七区域2007为相同方位。此外，所错开45度也可为135度。另外，第二区域2002与第四区域2004的相对角度错开45度时，第一区域2001与第三区域2003的方位、及第二区域2002与第四区域2004的方位中任一项不需相等。第一区域2001与第三区域2003的相对角度错开45度时亦同。此外，第五区域2005、第六区域2006、第七区域2007、第八区域2008的四区域亦同。本次为图20所示图案。此外，图案相对于平行于y轴的中心轴对称，但优选为各偏光输出相同输出。

接下来，第四光学元件1504与所述第二光学元件1502同样地以1/4波片(相位差π/2弧度)为基本。相对于该第四光学元件的多层膜，信号光从+y方向入射，局部振荡光从-y方向入射，并于y轴方向的相同处入射。象这样，分别分离为上下的光于第四光学元件的入射面分别走相同光路且相互干涉。而且光再次分离并从第四光学元件1504射出。本发明中重要的是“于相同处入射并出射的信号光、局部振荡光分别分离为两个，且分别通过相同光路”。为此，第四光学元件1504中需要以角度1512的一倍角度进行分离。

第四光学元件1504的图案如图21。第四光学元件1504沿x轴方向依序邻接第一区域2101、第二区域2102、第三区域2103、及第四区域2104。于第一区域2101及第三区域2103形成第一图案2106，于第二区域2102及第四区域2104形成第二图案2105。第一图案2105及第二图案2106为图6所示图案旋转90度的形状，第一图案2105及第二图案2106沿图21所示y轴方向为线对称。例如第一区域2101中，从+y方向信号光以顺时针圆偏振光入射，从-y方向局部振荡光以逆时针入射。另一方面，第二区域2102中，从+y方向信号光以逆时针圆偏振光入射，从-y方向局部振荡光以顺时针入射。第三区域2103、第四区域2104亦同。

如此一来，从第四光学元件1504射出合计八条光束。将其射入于具有适当间距的微透镜阵列，并以接触八个光测器的方式配置光测器。

此外，倾斜射入于第一光学元件1501时，通过控制其表面的反射率，从而能够使一部分反射。其光量适于与所述八个光测器不同的光测器监视，从而能够监视输入光的功率。

或者可形成第一光学元件的相位差稍为从π弧度偏移的相位。如此一来可分离为于第一光学元件折曲分离为顺时针及逆时针圆偏振光的成分、及具有入射光及偏光成分的直进光。该分离光透射的光路上的各元件无图案，从而该光可直接直进穿透到最后。通过于该位置放置光测器，从而能够监视入射光的功率。其可集成于与所述八个光测器相同的基板上。

所述构成仅为组合一例，例如图18中的第一光学元件的区域1804与1805交换时，只要使图19中的第二光学元件的区域1905与1906交换，使图21中的第四光学元件中图案2305与2306交换，则可实现相同的功能。

[实施例6]

说明其他实施方式所涉及的融合偏光分离及90度混合的功能的元件的设计例。

首先整体结构示于图16。构造为三维，故表示x-z面的剖面及y-z面的剖面。光于+z方向前进。此外，虽图中使各元件分离绘图，但实际上是通过具有与基板折射率几乎相等折射率的接著剂固定并形成一体者。

第一光学元件1601与实施例5的第一光学元件1501相同，但假设为信号光及局部振荡光与z轴平行地射入。例如于两条光纤配置于V沟槽基板的光纤阵列前前端分别加上透镜，并形成平行光，从而能够建构入射光学系统。

于第一光学元件1601中，光于y方向排列并射入于两处，假设+y侧进入信号光，-y侧进入局部振荡光。其图案如图22前视图所示，为上下相反180度，信号光射入于上侧区域2204，局部振荡光射入于下侧区域2205。

当然相反亦可。此外，输入的局部振荡光优选为与y轴平行或垂直方向的直线偏光。两处的光于y方向中入射位置偏移，但于x方向的入射位置一致。

接下来贴合第二光学元件1602。

第二光学元件1602的特征为与第一光学元件1601同样地为具有分割型或曲线型的构造，且其相位差为π弧度。但是具有如图23所示图案。第二光学元件1602的xy面于x方向分为2301及2302的两个区域。第一区域2301形成第一图案2303，第二区域2302形成第二图案2304。第一图案2303及第二图案2304为图6所示图案旋转90度的形状，第一图案2303及第二图案2304沿图23所示y轴方向线对称。第一及第二图案的周期2305与第一光学元件2203相同。当然也可相异。此时，图16中y-z面中，光学元件1602所折曲与1613仅是折曲角度不同，也不需为本质相同。此外，图案、各层厚度可改变或不改变。但优选为作为相位板的π弧度的相位。

例如信号光中，于第一光学元件1601分离的光分别进入方向相反的图案区域。+x侧的光束为逆时针，并通过第二光学元件弯往下侧。-x侧的光束为顺时针，并通过第二光学元件弯往下侧。同样地，局部振荡光中+x侧的光束是顺时针弯往上侧，-x侧的光束是逆时针弯往上侧。

接下来，第三光学元件1603与实施例5的第二光学元件1502相同。第三光学元件的图案为图24所示者，其周期2404是以第一光学元件1601所产生角度1611的二倍角度分离，从而使电路对称性更好。

接下来，第四光学元件1604与图25所示实施例5的第三光学元件1503相同。

接下来，第五光学元件1605是与实施例5的第三光学元件1503同样地以1/4波片为基本。

第五光学元件1605的图案是如图26。第五光学元件1505沿x轴方向依序与第一区域2601、第二区域2602、第三区域2603、及第四区域2604邻接。第一区域2601及第三区域2603形成第一图案2606，第二区域2602及第四区域2604形成第二图案2605。第一图案2605及第二图案2606是图6所示图案旋转90度的形状，第一图案2605及第二图案2606如图26所示沿y轴方向线对称。例如区域2601中，从+y方向信号光以逆时针圆偏振光入射，从-y方向局部振荡光以顺时针入射。另一方面，区域2602中，从+y方向信号光以顺时针圆偏振光入射，从-y方向局部振荡光以逆时针入射。区域2603、2604亦同。

如此一来，从第五光学元件射出合计八条光束。将其射入于具有适当间距的微透镜阵列，并以接触八个光测器的方式配置光测器。

所述构成仅为组合一例，例如图22中的第一光学元件的区域2204与2205交换时，只要使图23中的第二光学元件的区域2301与2302交换，图24中的第三光学元件的区域2405与2406交换，图26中的第五光学元件中图案2605与2606交换，则可实现相同的功能。

[实施例7]

说明其他实施方式所涉及的融合偏光分离与90度混合的功能的元件的设计例。

首先整体构成示于图17。构造为三维，故表示x-z面的剖面及y-z面的剖面。光于+z方向前进。此外，虽图中使各元件分离绘图，但实际上是通过具有与基板折射率几乎相等折射率的接著剂固定并形成一体者。

第一光学元件1701与实施例6的第一光学元件1601相同。

第二光学元件1702与实施例6的第二光学元件1602相同。

接下来，第三光学元件1703与实施例6的第三光学元件1603相同，但分离角1711比分离角1712大，从而于第三光学元件分离的任一光都不会于-x方向前进。若是要于-x方向前进的情形，之后的光学元件要变厚，在第一光学元件往左侧折曲的成分也会相反地往+x方向折曲，且有可能于某处碰撞。但是通过使角度1712小于角度1711，从而解决于所述问题。另外，若使角度1711与角度1712相等，射出第三光学元件的光的一边会于x-z面中平行于Z轴前进。

当然，于第一光学元件1701往左侧折曲者是与所述镜面对称的进向，从而无法于x方向前进。

接下来，第四光学元件1704与实施例6的第四光学元件1604相同。

接下来，第五光学元件1705与实施例6的第五光学元件1605相同。

如此一来，从第五光学元件射出合计八条光束。将其射入于具有适当间距的微透镜阵列，并以接触八个光测器的方式配置光测器。

所述结构仅为组合一例，例如图22中的第一光学元件的区域2204与2205交换时，使图23中的第二光学元件的区域2301与2302交换，图24中的第三光学元件的区域2405与2406交换，图26中的第五光学元件中图案2605与2606，则可实现相同的功能。

[实施例8]

实施例8中计算所述实施例7所述构造的具体数字。

以自我复制法制造各光学元件时，使用基板的厚度设定为0.5mm。

无视多层膜的厚度。如图27般配置各光学元件，则z方向长度为2.5mm。此外，信号光及局部振荡光之间的距离一般假设为光纤阵列，为0.5mm。光纤阵列前端装设有透镜并射出平行光束。另外，图27及图17于是各光学元件具有基板2706、2707、2708、2709、2710者，各光学元件的图案及功能与图17相同。

如此一来，于第二光学元件2702中光路折曲角度2713成为：

因此，以基板的折射率为1.46，波长为1550nm时，第二光学元件2702的周期为：

因此，第五光学元件2705的周期如下为4.31[μm]。

第一光学元件2701的周期为任意，但若与第二光学元件2702为相同周期，且第三光学元件2703为了实现二倍角度而设定为周期4.31[μm]，则x-z面中，从第五元件射出的时间点中，从中心轴往正方向及负方向分别于125.0[μm]、496.6[μm]的位置从四处射出。该四处的光为两方向光合并者，并于射出后分别分离。其结果可得八条光线。

所述尺寸为一例，重要的是以考虑入射光于构造内的扩大并不使相邻光路重叠的方式进行设计。

[实施例9]

本实施例中，如图28所示，实施例1的光学元件中于y方向分为二个区域2805、2806，x方向的周期2804为D，各图案的x方向中的偏移量2807为ΔD。考虑于第一区域2805、第二区域2806的相同x坐标，即于第一入射区域2808及第二入射区域2809分别入射不同圆偏振光光束的情况。入射光束如图28上视图，入射光2803会分离为直接于相同偏光状态下直进的圆偏振光成分2801、及成为逆时针折曲的圆偏振光成分2802。直进成分2801是未受到来自光元件构造的相位变化的成分，故以入射的波面射出。若入射的二条光束的相位相等，则维持相等并射出。其间的差不会产生变化。

另一方面，折曲成分2802会显示不同的行为。折曲成分会通过入射位置中的波片的轴方位，从而产生相位变化。图28中，相同光束内会随着x坐标改变而产生相位变化，因此出射光束会在X-Z面内使波面倾斜，并于与入射方向不同的方向折曲。此时，波面的倾斜是以波片的轴方位变化量决定，故第一及第二入射区域2808、2809两者情形中都相等。亦即，光束于相同方向前进。

另一方面，相位变化是以入射位置的波片的轴方位决定。射入于第一入射区域2808及第二入射区域2809的光束即使于相同x坐标中光束接触部分的轴方位也会不同，故会赋予不同相位。具体地讲，于一周期2804之间，轴方位会改变π弧度，故出射光的相位会改变2π弧度，考虑上述事项，ΔD轴方位偏移时，会偏移ΔD/D×2π弧度相位。例如偏移量2807为一周期2804的1/4时，从第一入射区域2808及第二入射区域2809射出的光束之间会产生相位差π/2弧度的差。另外，直进成分不会产生相位差。

用这个想法，能够于图15的光学元件1502及光学元件1503、图16的1光学元件603及光学元件1604、图17的光学元件1703及光学元件1704分离光束，并于一片元件实现赋予90度相位差的功能。其详细内容于实施例10中说明。

[实施例10]

首先，整体结构示于图29。构造为三维，故表示x-z面的剖面及y-z面的剖面。光于+z方向前进。此外，虽图中使各元件分离绘图，但实际上是通过具有与基板折射率几乎相等折射率的接著剂固定并形成一体者。

于第一光学元件2901中，光于y方向排列并射入于两处，假设+y侧进入信号光，-y侧进入局部振荡光。其图案如图18前视图所示，为上下相反180度，信号光射入于上侧区域1804，局部振荡光射入于下侧区域1805。

当然相反亦可。此外，输入的局部振荡光优选为与y轴平行或垂直方向的直线偏光。两处的光于y方向中入射位置偏移，但于x方向的入射位置一致。

入射光倾斜射入于多层膜，并以成为与第三光学元件2903相同位置的方式调整入射角度。

接下来，第二光学元件2902是与实施例9的光学元件相同者。第二光学元件的图案为图30所示者，其周期3004是以第一光学元件2601所产生角度2611的二倍角度分离，从而使电路对称性更好。

第二光学元件中，将信号光及局部振荡光以各实施例所述的方式分离为两道，且直进光不会于信号光与局部振荡光之间产生相位差，折曲光会于信号光及局部振荡光之间赋以相位差90度。此时重要的是偏移量3007为周期3004的1/4。

接下来，第三光学元件2903与实施例5的第三光学元件1503同样地以1/4波片为基本。

同样地，于实施例6、7考虑这样的想法，则能够减少所需元件片数。其结构示于图31、32。这是将图16、17的构成使用本实施例的想法并将光学元件1603及1604、1703及1704的功能统整于一片光学元件3103或3203。图案的方向为适当方向，以光束到达计划位置的方式选择即可。

[实施例11]

相干性光通信中，每个偏波有90度混合电路，并由此输出使信号光及局部振荡光相干涉者一对、及相对于此使信号光或局部振荡光的相位偏移90度并相干涉的一对。于各通道以受光器转换为电信号后，对每个所述对取差分，从而复原需要的信号成分。取该差分的对是相当于本发明的图15、16、17中于相同X坐标于Y方向排列的二条光束，故需要于XY平面以纵2列横4列排列的受光器。

另一方面，使用现有技术的平面光波电路时，输出为纵1列横8列排列。因此，受光器及其后的电子电路也成为与其相应的排列，故无法将本发明直接应用于相同电路。在此考虑以纵2列横4列将所输出光束重新排列。

使用图14的想法，则可于三维空间使光线自由导引至任意点。如图14所示，本发明所使用棱镜的相位差为π弧度时，输入的圆偏振光折曲成为反向圆偏振光并输出。从本发明的90度混合部输出的光束皆为圆偏振光，因此能够改变光束的方向。如图33，假设波片的图案于面内以不同方向、不同周期存在，且分别入射圆偏振光光束的情形。射入于第一入射区域3301的光束会于xz面内中以角度3005折曲。其角度是周期3303所决定。另一方面，射入于第二入射区域3302的光束会于yz面内中以角度3306折曲。其角度是周期3304所决定。其图案的方位、周期可设定为各种值。因此，将如此的元件重叠多片，则能够将光束一边弯折一边导引至任意位置。

因此，若于以纵2列横4列排列入射光束的各处控制棱镜的图案，则能够控制光束的前进的方向，也容易于由其面起离开一距离的面中，使光束入射位置排列为1列。此外，重新排列时，使取差分的信号彼此邻接、及取差分时的正侧与负侧以正、负、正、负…交互排列，此两者于之后的电子电路的构成上为优选的。

使用图34说明。第一光学元件3401例如为图31中的光学元件3104，信号光及局部振荡光相干涉并射出八条光束。从第一光学元件3401射出的光束于y方向两道两道重叠，故从+y方向来看会看到四条。同样地，从x方向来看会看到两道。相对于此，第二光学元件3402中，以八条光束于第三光学元件3403会到达相同的y坐标位置的方式，而对各光束赋予角度。另一方面，于第二光学元件3402射入于相同x坐标的光束(y坐标不同)会以于第三光学元件3403射入于不同的x坐标的方式使光束折曲。如此一来，八条光束会于相同y坐标于x方向排列为一列，并射入于第三光学元件3403。第三光学元件3403中，以各光束与z轴平行的方式折曲。如此则能够获得排列为一列的八条光束。

光束的弯折方向不仅限于图34的一种方式，可以元件图案进行各式各样的控制。此外，为了弯折光路的元件片数并不限定于两片。

[实施例12]

于相干性光通信中复元信号时，优选为考虑受光器的S/N特性等，并控制使射入于受光器的光量成为特定水平。局部振荡光的光量虽能够控制，但信号光会因通信通路的状況而时时刻刻地改变。因此，为了使信号光射入于受光器的光量保持为固定，优选为使用可调式衰减器。

使用图35说明使用液晶的可调式衰减器的基本原理。第一光学元件3501为具有符号3504(3504-1、3504-2)所示图案的波片，光入射时会于xz面内分离为顺时针及逆时针圆偏振光。从x方向观看其中一者前进的情形为图35的侧视图。射出第一光学元件3501的光成为反向圆偏振光，并射入于液晶可调式延迟器3502。

液晶分子会通过排列从而展现双折射，通过所施加电压从而能够控制其延迟。圆偏振光进入具有双折射的元件时，双折射大小为0时不会产生变化。双折射大小若为π/2弧度，会成为直线偏光并输出，双折射大小为π弧度时，会成为反向圆偏振光并输出。其间的偏光状态也能够透过所施加电压而控制。

在此，通过施加于液晶可调式延迟器3502的电压，使偏光状态改变。另外，任意偏光状态可表示为顺时针及逆时针圆偏振光的线性和，故偏光状态的变化可视为顺时针圆偏振光及逆时针圆偏振光的比率改变。因此，偏光状态改变的光射入于第二光学元件3503时，顺时针圆偏振光的成分会折曲往第一方向3505，逆时针圆偏振光的成分会于第二方向3506分离。其比可以液晶可调式延迟器3502的延迟决定。另外，液晶可调式延迟器3502中，为了入射圆偏振光，延迟方位可为任意方向。

本发明构成的情形，图16、图17、图31、图32的结构中，透射过第一光学元件1601、1701、3101、3201的信号光、局部振荡光会分离为顺时针及逆时针圆偏振光。在此，仅信号光射入于使用液晶的可调式延迟器。

例如使用图36说明于图31的第一光学元件3101后仅于信号光侧插入可调式延迟器的情形。符号3621为液晶延迟器。如y-z图所示，仅插入于信号光的光路。

在此，若可调式延迟器的延迟为0，则所有输入光会于以下第二光学元件3602使光路弯曲，并朝向第四光学元件3604上的与局部振荡光重叠的点。在此，可调式延迟器的延迟为θ时，若输入于可调式延迟器的信号光的各偏光光量为1，则cos²(θ/2)的光量会朝向第四光学元件3604上的与局部振荡光重叠的点。剩下的成分会于符号3622的方向前进。θ＝π/2弧度时，一半光量会往与局部振荡光重叠的点前进，θ＝π弧度的时候，光不会往与局部振荡光重叠的点前进。

如此则能够可调地控制信号光朝往接受器的光量。

此于图16、17、32中也可于相同位置实现相同功能。

可通过液晶可调式延迟器所使用液晶分子的种类、配向方法，从而选择有无施加电压、及延迟大小的各种形态。本发明中不限定于特定形态，只要能控制延迟，可为任意形态。只要于每次考虑控制性、消耗电力等，并使用最适当元件即可。

此外，可调式延迟器不仅是液晶，也可为使用具有光弾性效果者。

[实施例13]

例如，将实施例1所述元件以图3方式使用，从而能够获得输入光301、304相干涉的输出光302、303。

另外，输入光301、304的波长(频率)稍为不同时，会以因应其频率差的差拍改变输出。

如图37上所示，从光源3701射出两道相同波长的光，一条照射于测量客体3702，接下来，反射光3705会回归并进入测量器3703。从光源3701输出的另一条光3704直接入射测量器3703。测量器3703的内部有如图3的二个输入部分，例如图3所示符号304的输入光相当于图37所示第一输入光3705，图3所示符号301的输入光相当于图37所示第二输入光3704。此外，如所述，射入于本发明的光学元件306的两道光会于光路302、303分别分离并相互干涉。

如此光学系统中，从光源3701射出的光会受到频率调变。如图37中，使频率随时间例如变化为三角波状。使光路3704的调变情形为符号3711，光路3705的调变情形为符号3712，通过两个输入光3704、3705的光路长差，从而产生时间差3713。其结果，若两道光干涉则会产生差拍。其拍差拍频的频率与距离成比例。

另一方面，测量客体3702移动时，因应其速度，调变频率会受到多普勒频移的影响，并产生频率差3714。

干涉所得频率差(差拍)如图37下所示。只要测量客体不移动，则3721与3722一致。若移动则会如图中产生偏移。

因此，符号3721及符号3722的平均值f_avg与距离成比例，符号3721及符号3722的差f_sub与速度成比例。以光速度为c，每1秒的频率变化量为Δf，光频率为f₀，可用下式计算到测量客体的距离r、及其速度v。

r＝c÷2×Δf×f_avg

v＝c÷4×f₀×f_sub

此为称为FM-CW(Frequency Modulated Continuous Wave：频率调变连续波)雷达的使用电波的雷达的一般技术。

基本为图3所示干涉电路，但输入光的偏光状态不明时，可放置图29的2901的元件，并先进行偏光分离再进行干涉，光路也可使用本发明的技术自由地控制。

Claims (13)

1.一种光学元件，其特征在于，具备于三维空间x、y、z中形成于xy面的相位差θ的波片，θ不为π弧度的整数倍，所述波片是以光子晶体所构成，

平行于y轴方向的带状的宽度D的区域于x轴方向为单一个或重复多个，

宽度D的所述区域划分为平行于y轴的多个带状子区域，

所述波片的轴方位，于所述区域中，相对于y轴方向的角度于0度至180度的范围阶段性地变化，且

所述波片的轴方位，于所述子区域中，相对于y轴方向的角度相同，

所述子区域的慢波轴对x轴的夹角β相对于所述子区域中心线的x坐标x1以顺时针β＝(180×x1/D)度+常数表示，

将从-z方向往+z方向入射的圆偏振光以功率比sin²(θ/2):cos²(θ/2)分离并转换为：以与所述入射圆偏振光反向的圆偏振光于xz面向往+x方向折曲的成分、及以与所述入射圆偏振光同向旋转的圆偏振光直进的成分，之后再射出。

2.一种光学元件，其特征在于，具备于三维空间x、y、z中形成于xy平面的相位差θ的波片，θ不为π弧度的整数倍，所述波片是以光子晶体所构成，

平行于y轴方向的带状的宽度D的区域于x轴方向为单一个或重复多个，

所述波片的轴方位为在曲线y＝(D/π)log(|cos(πx/D)|)+常数、及离散化误差范围内一致的曲线，

将从-z方向往+z方向入射的圆偏振光以功率比sin²(θ/2):cos²(θ/2)分离并转换为：以与所述入射圆偏振光反向的圆偏振光于xz面向往+x方向折曲的成分、及以与所述入射圆偏振光同向旋转的圆偏振光直进的成分，之后再射出。

3.根据权利要求1或2所述的光学元件，其特征在于，

所述波片为1/4波片，

将从-z方向往+z入射的圆偏振光以相等功率分离并转换为所述折曲成分及所述直进成分，之后再射出。

4.根据权利要求2所述的光学元件，其特征在于，

所述波片进行几何配置使所述曲线的相邻凸部与凹部中的一者的间隔于所述区域内部最大值与最小值的比成为2倍以内，且使另一者分歧、合并。

5.根据权利要求1或2所述的光学元件，其特征在于，

所述光子晶体是于z轴方向层积，

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，

光子晶体的厚度方向周期为入射光波长的1/4以下。

6.一种光波电路，其特征在于，

所述光波电路的光于z方向传输并具有与光的传输方向垂直的多个平面(xy₁、xy₂、…xy_N)，

第一平面(xy₁)上，与于z方向传输的光有n个交点，所述n为1以上的整数，

第二以后的至少任一个平面(xy₂、…xy_N)配置有具有多个轴方位的根据权利要求1或2所述的光学元件，

射入第一平面的各交点的光线的至少一者通过位于第二至第N平面的所述光学元件，穿透第N平面的m个交点的各偏光的各复振幅为射入第一平面的各交点的光线的各偏光的各复振幅的一次线性和，

所述N为1以上的整数，所述m为1以上的整数。

7.根据权利要求6所述的光波电路，其特征在于，

配置所述光学元件及与所述光学元件相同图案且相位差成为π弧度的整数倍的元件，以通过进行不同种类圆偏振光的分离、一个圆偏振光光线往二个光路的分歧、不同种类圆偏振光的合并及再分配，从而于最终面中的多个点得到预定圆偏振光或直线偏光。

8.根据权利要求7所述的光波电路，其特征在于，

配置所述光学元件及与所述光学元件相同图案且相位差成为π弧度的整数倍的元件，以通过进行不同种类圆偏振光的分离、一个圆偏振光光线往二个光路的分歧、不同种类圆偏振光的合并及再分配，从而于最终面获得信号光的两个偏光状态及0度、90度两个相位，并使偏光分离器与90度混合电路合成，其可获得相当于局部振荡光与信号光的信号和及信号差的合计八个光。

9.根据权利要求8所述的光波电路，其特征在于，

将圆偏振光分歧为二个光路的所述光学元件中，

于XY面内具有多个区域，于各区域中分为沿y方向延伸的宽度D的带状区域，于x方向形成单一个或多个所述带状区域，所述带状区域中沿x方向波片的轴方位从0度改变至180度；

包含所述带状区域的XY面内的各区域中，轴方位相当于0度的部分于X方向的距离为互相偏移所述宽度D的整数倍至ΔD，所述ΔD满足0<ΔD<D的范围；

所述光波电路并包含下述元件：使射入各所述带状区域的圆偏振光中，于所述光学元件中成为相反的圆偏振光并射出的成分相互相位偏移ΔD/D×2π弧度并射出。

10.根据权利要求8或9所述的光波电路，其特征在于，

具有偏光分离功能及90度混合功能，

为了将所输出的八条光束个别改变方向，以相对于八条个别光束具有个别图案方向的方式插入多片与根据权利要求1或2所述的光学元件相同图案且相位差为π弧度的整数倍者，从而能够使八条光束排列于一平面的任意位置。

11.根据权利要求8或9所述的光波电路，其特征在于，

具有偏光分离功能及90度混合功能，

具备可于第一光学元件的信号光通过部分之后，通过电信号可变地控制双折射的延迟的元件，并通过所述元件控制信号光的偏光状态，从而于第二光学元件产生往受光器前进的成分及不前进的成分，从而，通过液晶所具有的延迟量而控制往受光器的信号光的光量。

12.一种相位差测量器，其特征在于，

使用根据权利要求1或2所述的光学元件，使两个输入光中的一者为参考光，另一者为信号光，并测量其间的相位差。

13.一种测量器，其特征在于，

使用根据权利要求12所述的相位差测量器，将从光源分离的一者作为参考光，另一者接触物体并以来自其的反射光作为信号光，从而可测量与物体的距离及速度的机器；或是

具有通过将接触所述物体的光进行机械性或电性操作，从而可检查三维空间中物体的位置及速度的功能。

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