JP2005037872A - Optical element, and optical circuit and optical demultiplexer having same - Google Patents

Optical element, and optical circuit and optical demultiplexer having same Download PDF

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準治 西井
Tatsuhiro Nakazawa
達洋 中澤
Shigeo Kikko
重雄 橘高
Keiji Tsunetomo
啓司 常友
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical element having a high flexibility in a periodical structure and to provide an optical demultiplexer which has high wavelength resolution and little dependence on polarization and which can be made small in size. <P>SOLUTION: A planar optical circuit type optical demultiplexer having a diffraction grating 30 and concave mirrors 33, 35 fabricated on one substrate 38 is provided. The grating 30 is formed by periodically arranging a solid ridge part and a space of a groove part, and is embedded in a solid material to have an optical waveguide structure. The planar optical circuit can be easily manufactured usually by lithography, etching and film deposition techniques. The optical demultiplexer to be used for low-density wavelength multiplex system for optical communication is small-sized, requires a small space for installation, and satisfies the conditions that it has high durability against temperature or humidity and excellent stability and that it can be mass produced. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、光学素子およびそれを備えた光回路並びに光分波器に関する。   The present invention relates to an optical element, an optical circuit including the optical element, and an optical demultiplexer.

インターネットの急速な普及により、光ファイバ通信網の情報伝送容量の増大が強く求められるなか、波長多重(WDM)方式の開発が急速に進められてきた。WDM方式とは、複数の波長の異なる光を用い独立な情報を多重化して伝達する通信技術である。この技術においては、多重化した信号を分離するために波長選択性の良い光分波器が必要となる。   With the rapid spread of the Internet, there is a strong demand for an increase in information transmission capacity of optical fiber communication networks, and the development of wavelength division multiplexing (WDM) systems has been rapidly advanced. The WDM system is a communication technique that multiplexes and transmits independent information using light having different wavelengths. In this technique, an optical demultiplexer with good wavelength selectivity is required to separate multiplexed signals.

ところで近年、WDM方式による光通信は、これまでの幹線系だけでなく都市内など中近距離系にも適用が進められている。この場合、幹線系のような高密度波長多重(DWDM)方式ではなく、比較的チャンネル幅の広い低密度波長多重(CWDM)方式が主流となる。   By the way, in recent years, optical communication by the WDM system is being applied not only to the trunk line system so far but also to middle and short distance systems such as in cities. In this case, not a high-density wavelength division multiplexing (DWDM) system such as a trunk line system but a low-density wavelength multiplexing (CWDM) system having a relatively wide channel width becomes mainstream.

CWDM方式における光分波器では、DWDM方式と違って設置スペースが小さいこと(小型化)、温度や湿度に対する耐性が高いこと(高安定性)などの性能が求められるうえに、大量生産が可能(低コスト)でなければならない。   Unlike the DWDM system, optical demultiplexers in the CWDM system require performance such as small installation space (miniaturization), high resistance to temperature and humidity (high stability), and mass production is possible. (Low cost).

このような要求を実現する一つの手段は、光分波器を光導波路を用いた平面回路型とすることである。平面回路型とする最大の利点は、小型化は当然のこと、基板をリソグラフィとドライエッチング技術によりウェハごとに大量処理できる点である。またシリカ系ガラスを用いた光導波路は光ファイバとの屈折率整合がよく、接続損失が小さいため、実用性が高い。   One means for realizing such a requirement is to make the optical demultiplexer a planar circuit type using an optical waveguide. The greatest advantage of the planar circuit type is that the substrate can be processed in large quantities for each wafer by lithography and dry etching techniques, as a matter of course. An optical waveguide using silica glass is highly practical because it has a good refractive index matching with an optical fiber and a small connection loss.

このような光分波器としては、アレイ導波路型回折格子(AWG、Arrayed Waveguide Gratings)が知られている。AWGとは複数の波長成分を含む光を、複数本の少しずつ光路長の異なる光導波路(光導波路アレイ)に伝搬させ、生じた位相ずれによる回折現象を利用して波長分離を行う素子である。   As such an optical demultiplexer, an arrayed waveguide grating (AWG) is known. An AWG is an element that propagates light containing a plurality of wavelength components to a plurality of optical waveguides (optical waveguide arrays) having different optical path lengths little by little, and performs wavelength separation using a diffraction phenomenon caused by a phase shift that occurs. .

しかしAWGはもともとDWDM方式用に開発された光分波器であるため、CWDM用に設計してもコスト低減や小型化の効果は小さく、CWDM方式への適用は相応しくない。   However, since AWG is an optical demultiplexer originally developed for the DWDM system, even if designed for CWDM, the effects of cost reduction and miniaturization are small, and application to the CWDM system is not appropriate.

一方、反射型、あるいは透過型の回折格子を用いて波長分離を行う光分波器は従来よく知られている。これらは光学部品の組合せによって構成されていたが、この光学系を平面光回路へ集積した分光装置も開発されている(非特許文献1、2参照)。反射型のブレーズ回折格子を用いた平面回路ではAWGに対して数十%以上の小型化が可能であり、回折格子を平面光回路へ集積した光分波器はCWDM用として有望である。   On the other hand, an optical demultiplexer that performs wavelength separation using a reflection type or transmission type diffraction grating is well known. Although these are configured by a combination of optical components, a spectroscopic device in which this optical system is integrated in a planar optical circuit has also been developed (see Non-Patent Documents 1 and 2). A planar circuit using a reflective blazed diffraction grating can be reduced in size by several tens of percent or more with respect to AWG, and an optical demultiplexer in which the diffraction grating is integrated in a planar optical circuit is promising for CWDM.

また、近年光集積回路としてフォトニック結晶が盛んに研究されている。フォトニック結晶は、屈折率差の大きな材料を光の波長程度の周期で規則正しく配列させたもので、光の急峻な曲げや完全な閉じ込めなど、従来の均質材料にはない特性を発現させることが可能である。   In recent years, photonic crystals have been actively studied as optical integrated circuits. A photonic crystal is a material in which a material with a large difference in refractive index is regularly arranged with a period of the order of the wavelength of light, and can exhibit characteristics not found in conventional homogeneous materials, such as sharp bending of light and complete confinement. Is possible.

フォトニック結晶を形成するには、例えば光通信分野ではミクロンからサブミクロンのスケールで周期構造を形成する微細加工技術が必要となる。基板面上に微細なホールや柱状構造を配列させたスラブ型の2次元フォトニック結晶は、一般に電子線描画などの微細パターニング装置とドライエッチング装置を用いて作製される。このように基板表面に微細な周期構造を形成させることは、半導体の微細加工技術の発展とともに比較的容易になってきた。   In order to form a photonic crystal, for example, in the optical communication field, a microfabrication technique for forming a periodic structure on a micron to submicron scale is required. A slab type two-dimensional photonic crystal in which fine holes and columnar structures are arranged on a substrate surface is generally produced using a fine patterning device such as electron beam drawing and a dry etching device. Forming a fine periodic structure on the substrate surface in this way has become relatively easy with the development of semiconductor microfabrication technology.

さらに、基板の垂直方向に周期構造を有するフォトニック結晶も提案されている。このような垂直方向へ周期性を有する2次元あるいは3次元のフォトニック結晶は、偏光分離素子や完全バンドギャップを利用した光共鳴素子の形成を可能とする。具体的な形成方法としては、感光性の高分子樹脂に3方向からレーザを照射し、光の干渉を利用して周期構造を形成したものや、シリカ微小球を基板上に最密充填したもの、基板表面の規則正しい凹凸形状を維持しつつ多層膜を成膜していくといった様々なものが提案されている。しかし、そのような形成方法の多くは、ある特定の位置に点や線の欠陥を導入するといった構造上の自由度に乏しいものである。   Furthermore, a photonic crystal having a periodic structure in the vertical direction of the substrate has been proposed. Such a two-dimensional or three-dimensional photonic crystal having periodicity in the vertical direction makes it possible to form a polarization separation element or an optical resonance element using a complete band gap. Specifically, the photosensitive polymer resin is irradiated with a laser from three directions to form a periodic structure using light interference, or a silica microsphere is closely packed on a substrate. Various proposals have been made such as forming a multilayer film while maintaining a regular uneven shape on the surface of the substrate. However, many of such forming methods have a low degree of structural freedom such as introducing a point or line defect at a specific position.

これに対して、基板の垂直方向に周期構造を有する自由度の高い3次元フォトニック結晶が報告されている(非特許文献3)。これは、一対の基板上に形成させたライン&スペースの周期構造体同士を貼り合わせ、片方の基板のみを剥離させるという工程を繰り返すことで、積層の周期構造(ウッドパイル型と呼ばれる)を得ている。この形成方法では、各層ごとに周期の一部を除去するか、あるいは周期を変調した構造形成が可能となる。これにより、例えば光を直角に曲げる欠陥導波路や3次元の完全バンドギャップによる反射ミラーなどが報告されている。   On the other hand, a highly flexible three-dimensional photonic crystal having a periodic structure in the vertical direction of the substrate has been reported (Non-patent Document 3). This is a process of laminating periodic structures of lines and spaces formed on a pair of substrates and peeling only one of the substrates to obtain a laminated periodic structure (called a woodpile type). ing. In this formation method, it is possible to form a structure in which a part of the period is removed for each layer or the period is modulated. As a result, for example, a defect waveguide that bends light at a right angle and a reflection mirror with a three-dimensional complete band gap have been reported.

S・ヤンツ(S. Janz)、他13名、「光ファイバ通信国際会議論文集(Proceedings of OFC 2002)」、(米国)、2002年、TuK2S. Janz, 13 others, "Proceedings of OFC 2002", (USA), 2002, TuK2 クリストファー・N・モーガン(Christopher. N. Morgan)、他4名、「IEEE フォトニクス・テクノロジー・レターズ(IEEE Photonics Technology letters)、(米国)、2002年、第14巻、第9号、p.1303−1305Christopher. N. Morgan and 4 others, “IEEE Photonics Technology letters, (USA), 2002, Vol. 14, No. 9, p. 1303− 1305 Susumu Noda, Katsuhiro Tomoda, Noritsugu Yamamoto, Alongkarn Chutian, SCIENCE, vol.289, p.604-606, 2000.Susumu Noda, Katsuhiro Tomoda, Noritsugu Yamamoto, Alongkarn Chutian, SCIENCE, vol.289, p.604-606, 2000.

しかし、平面光回路に集積する反射型回折格子は、基板からの高さは数μm程度の微小かつ垂直な回折格子面を形成する必要があり、さらにその回折格子面に反射面としての金属成膜が必要となる。このような構造を作製するためには複雑かつ高度な加工技術が必要となる。   However, a reflective diffraction grating integrated in a planar optical circuit needs to form a minute and vertical diffraction grating surface with a height of several μm from the substrate, and further, a metal component as a reflection surface is formed on the diffraction grating surface. A membrane is required. In order to produce such a structure, a complicated and advanced processing technique is required.

また、回折格子による波長分解能は、回折光の次数と格子数の積に比例することがよく知られている。次数と回折格子の大きさを一定とすると、分解能を向上させるためには格子周期を小さくしなければならない。ブレーズの回折格子では格子周期が波長程度になってくると、偏光方向(TE偏光とTM偏光)による効率差、すなわち偏光依存損失(Polarization Dependent Loss、PDL)が顕著になってくる。逆にPDLを緩和するために周期を大きくすると、格子本数を増やさなければならなくなり、分波器の小型化が困難になる。また回折次数を増やすと、高次の不要な光を他の装置によって除去しなければならなくなるため、効率が当然急減する。   Further, it is well known that the wavelength resolution by a diffraction grating is proportional to the product of the order of diffraction light and the number of gratings. If the order and the size of the diffraction grating are constant, the grating period must be reduced in order to improve the resolution. In the blaze diffraction grating, when the grating period becomes about the wavelength, the difference in efficiency depending on the polarization direction (TE polarization and TM polarization), that is, polarization dependent loss (PDL) becomes remarkable. Conversely, if the period is increased to alleviate PDL, the number of gratings must be increased, making it difficult to reduce the size of the duplexer. In addition, when the diffraction order is increased, the higher-order unnecessary light has to be removed by another device, so that the efficiency naturally decreases.

一方、透過型の回折格子を用いた平面光回路では、スラブ導波路内に回折格子を形成するための空間を作る必要がある。しかし、光導波路を構成するためにはその上部にクラッド層を形成する必要があり、その形成時に空間を維持するのが困難である。一般に空気層をクラッドとする光導波路では伝搬モードが多モードになり、偏光による依存性も非常に顕著になる。   On the other hand, in a planar optical circuit using a transmission type diffraction grating, it is necessary to create a space for forming the diffraction grating in the slab waveguide. However, in order to construct an optical waveguide, it is necessary to form a clad layer on the upper portion, and it is difficult to maintain a space during the formation. In general, in an optical waveguide having an air layer as a clad, the propagation mode becomes multimode, and the dependence due to polarization becomes very significant.

次に、周期構造の形成技術に着目してみる。従来技術でも説明したように、基板の垂直方向へ周期構造を形成するには、各層ごとに自由に欠陥などを形成させ、その構造体を積層していく手法が構造の自由度が高いので望ましい。前述の「貼り合わせによる周期構造の形成」は、下地となるパターンの上に新たな層のパターンを重ねていくので、どのようなパターンでも重ねられるというものではなく、用いるパターンに制約がある。つまり、構造の自由度はあまり高くない。   Next, attention is paid to the formation technique of the periodic structure. As explained in the prior art, in order to form a periodic structure in the direction perpendicular to the substrate, it is desirable to form a defect or the like in each layer and stack the structure because the degree of freedom of the structure is high. . In the above-described “formation of a periodic structure by bonding”, a pattern of a new layer is overlaid on a pattern serving as a base. Therefore, any pattern is not overlaid, and there are restrictions on the pattern to be used. In other words, the degree of freedom of structure is not so high.

また、貼り合わせを行うには、例えば半導体を基板材料とした場合、500℃の炉内で構造体同士をナノレベルの位置精度で融着し、それらを層数分だけ繰り返すという高度かつ煩雑なプロセスが必要となる。当然、用いる材料も融着可能なものに限定される。また、大面積化も容易ではない。   Further, in order to perform bonding, for example, when a semiconductor is used as a substrate material, the structures are fused with a nano-level positional accuracy in a furnace at 500 ° C., and these are repeated for the number of layers. A process is required. Of course, the materials used are also limited to those that can be fused. Also, it is not easy to increase the area.

本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものである。その目的は、周期構造の自由度が高い光学素子を提供することにある。また、波長分解能が高く、偏波依存が少なく、かつ小型化が可能な光分波器を提供することにある。   The present invention has been made paying attention to such conventional problems. The object is to provide an optical element having a high degree of freedom in the periodic structure. Another object of the present invention is to provide an optical demultiplexer that has high wavelength resolution, is less dependent on polarization, and can be miniaturized.

上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明は、凸部と該凸部の周囲に設けられた凹部とを備えた構造体が前記凹部による空間を有したまま固体中に埋め込まれた光学素子において、
前記構造体が埋め込まれた固体は成膜法により形成された膜であることを要旨とする。
In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, a structure including a convex portion and a concave portion provided around the convex portion is embedded in a solid with a space by the concave portion. In the optical element,
The gist is that the solid in which the structure is embedded is a film formed by a film forming method.

請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の光学素子において、前記構造体は基板上または基板上に積層された固体層上に設けられ、前記構造体はその上部が成膜法により形成された膜で覆われていることを要旨とする。   According to a second aspect of the present invention, in the optical element according to the first aspect, the structure is provided on a substrate or a solid layer laminated on the substrate, and the structure is formed at a top portion by a film forming method. The gist is that the film is covered with the formed film.

このような光学素子は、構造体の埋め込みを成膜法により形成した膜で行っているので、構造体を薄い膜で覆うことができる。即ち、光学素子上に別な光学素子を積層することができる。また、光学素子上にレンズアレイなどの光学部品を設ける際、構造体と光学部品との距離はこの薄膜の厚みとなるので、構造体と光学部品とを近づけることができる。   In such an optical element, since the structure is embedded with a film formed by a film formation method, the structure can be covered with a thin film. That is, another optical element can be laminated on the optical element. Further, when an optical component such as a lens array is provided on the optical element, the distance between the structure and the optical component is the thickness of the thin film, so that the structure and the optical component can be brought close to each other.

また、このような光学素子は一般的なリソグラフィ、エッチングおよび成膜技術だけで作製できる。このため、構造体の埋め込みを貼り合わせで行う場合に較べて容易に製造できる。また構造体を光導波路中に形成することが容易で、かつ微細な構造体を破損、汚染から保護でき、耐久性を向上できる。   Further, such an optical element can be manufactured only by general lithography, etching, and film formation techniques. For this reason, it can manufacture easily compared with the case where a structure is embedded by bonding. Further, it is easy to form the structure in the optical waveguide, and the fine structure can be protected from damage and contamination, and durability can be improved.

請求項3に記載の発明は、請求項1または2に記載の光学素子において、前記構造体の凸部または凹部の少なくとも一方は、周期構造を有することを要旨とする。
少なくとも、凸部が周期構造を有するか、または凹部による空間が周期構造を有しているので、この周期構造によって光学特性を制御することができる。この周期構造は繰り返しパターンであり、パターン同士が連結して設けられていても、パターン同士が孤立して設けられていてもよい。また、凸部と凹部の双方が周期構造を有していてもよい。
The gist of the invention described in claim 3 is that, in the optical element according to claim 1 or 2, at least one of the convex portion or the concave portion of the structure has a periodic structure.
At least the convex part has a periodic structure, or the space by the concave part has a periodic structure, so that the optical characteristics can be controlled by this periodic structure. This periodic structure is a repeated pattern, and the patterns may be provided connected to each other or the patterns may be provided isolated from each other. Moreover, both the convex part and the recessed part may have a periodic structure.

請求項4に記載の発明は、請求項1〜3のいずれか一項に記載の光学素子において、前記構造体の凸部および凹部の少なくとも一方は、1次元に周期的に配置されていることを特徴とする。
少なくとも、凸部が1次元的に周期配置されるか、または凹部による空間が1次元的に周期配置されているので、凸部または凹部の周期配置によって光学特性を制御することができる。また、凸部と凹部の双方が1次元的に周期配置されてもよい。
According to a fourth aspect of the present invention, in the optical element according to any one of the first to third aspects, at least one of the convex portion and the concave portion of the structure is periodically arranged in one dimension. It is characterized by.
At least, the convex portions are periodically arranged one-dimensionally, or the spaces formed by the concave portions are periodically arranged one-dimensionally, so that the optical characteristics can be controlled by the periodic arrangement of the convex portions or concave portions. Moreover, both the convex part and the concave part may be periodically arranged one-dimensionally.

請求項5に記載の発明は、請求項1〜3のいずれか一項に記載の光学素子において、前記構造体の凸部および凹部の少なくとも一方は、2次元に周期的に配置されていることを特徴とする。
少なくとも、凸部が2次元的に周期配置されるか、または凹部による空間が2次元的に周期配置されているので、凸部または凹部の周期配置によって光学特性を制御することができる。また、凸部と凹部の双方が2次元的に周期配置されてもよい。
According to a fifth aspect of the present invention, in the optical element according to any one of the first to third aspects, at least one of the convex portion and the concave portion of the structure is periodically arranged in two dimensions. It is characterized by.
At least the convex portions are periodically arranged in a two-dimensional manner, or the spaces formed by the concave portions are two-dimensionally arranged periodically, so that the optical characteristics can be controlled by the periodic arrangement of the convex portions or the concave portions. Moreover, both the convex part and the concave part may be periodically arranged two-dimensionally.

請求項6に記載の発明は、請求項1〜5のいずれか一項に記載の光学素子において、前記構造体の凸部は積層膜であることを要旨とする。
凸部が積層膜で設けられているので、積層膜によっても光学特性を制御できる構成になっている。
The gist of the invention described in claim 6 is that, in the optical element according to any one of claims 1 to 5, the convex portion of the structure is a laminated film.
Since the convex portion is provided by a laminated film, the optical characteristics can be controlled by the laminated film.

請求項7に記載の発明は、請求項1〜5のいずれか一項に記載の光学素子において、前記構造体の凹部は積層膜中に設けられた凹部であることを要旨とする。
凹部が積層膜中に設けられているので、この積層膜によっても光学特性を制御できる構成になっている。
The gist of the invention according to claim 7 is that, in the optical element according to any one of claims 1 to 5, the recess of the structure is a recess provided in the laminated film.
Since the concave portion is provided in the laminated film, the optical characteristics can be controlled also by this laminated film.

請求項8に記載の発明は、請求項1〜7のいずれか一項に記載の光学素子が積層されていることを要旨とする。
請求項1〜7のいずれか一項に記載の光学素子を、同じ構造の光学素子同士で積層させるか、異なった構造の光学素子で積層されているので、さらなる光学特性の向上が行える。
The gist of the invention described in claim 8 is that the optical element according to any one of claims 1 to 7 is laminated.
Since the optical elements according to any one of claims 1 to 7 are laminated with optical elements having the same structure or are laminated with optical elements having different structures, the optical characteristics can be further improved.

請求項9に記載の発明は、請求項1〜8のいずれか一項に記載の光学素子に光学部品が備えられていることを要旨とする。
このように、請求項1〜8のいずれか一項に記載の光学素子に、集光部または光導波路などの光学部品が備えられてもよい。
The gist of the invention according to claim 9 is that the optical element according to any one of claims 1 to 8 is provided with an optical component.
As described above, the optical element according to any one of claims 1 to 8 may be provided with an optical component such as a condensing unit or an optical waveguide.

例えば、光学素子にレンズなどの集光部を備えると、光学素子の光入射側に集光部を設けた場合、平行光をレンズで集光して光学素子に入射できる。また、発散光をレンズで平行光にして光学素子に入射できる。一方、光学素子の光出射側に集光部を設けた場合、光学素子から平行光が出射されとレンズで集光して出射できる。また、光学素子から発散光が出射されるとレンズで平行光にして出射できる。   For example, when a condensing part such as a lens is provided in the optical element, when the condensing part is provided on the light incident side of the optical element, parallel light can be condensed by the lens and incident on the optical element. Further, the divergent light can be converted into parallel light by a lens and incident on the optical element. On the other hand, when a condensing part is provided on the light emitting side of the optical element, when parallel light is emitted from the optical element, it can be condensed and emitted by the lens. When divergent light is emitted from the optical element, it can be emitted as parallel light by a lens.

また、光学素子の光入射側にアレイ状のレンズを設けると、例えば、光学素子への入射位置が異なる複数の入射光を個々のレンズで集光して光学素子へ入射できる。また、光学素子の光出射側にアレイ状のレンズを設けると、例えば、出射位置が異なる複数の出射光を個々のレンズで集光して出射できる。
また、例えば、光学素子に光導波路を備えると、光学素子から出射された光を光導波路へ入射させることができる。
Further, when an arrayed lens is provided on the light incident side of the optical element, for example, a plurality of incident lights having different incident positions on the optical element can be condensed by the individual lenses and incident on the optical element. In addition, when an arrayed lens is provided on the light emitting side of the optical element, for example, a plurality of emitted lights having different emission positions can be condensed and emitted by each lens.
For example, when the optical element includes an optical waveguide, light emitted from the optical element can be incident on the optical waveguide.

請求項10に記載の発明は、請求項1〜9のいずれか一項に記載の光学素子において、前記構造体は凸部と凹部とが周期的に配列している周期構造体であり、前記凹部の深さと幅との比(深さ/幅)が0.5より大きく、かつ前記周期構造体の周期と使用する波長との比が1/20以上、20以下の範囲にあることを要旨とする。   The invention according to claim 10 is the optical element according to any one of claims 1 to 9, wherein the structure is a periodic structure in which convex portions and concave portions are periodically arranged, The ratio of the depth and width (depth / width) of the recess is greater than 0.5, and the ratio of the period of the periodic structure to the wavelength used is in the range of 1/20 or more and 20 or less. And

凹部は深さと幅との比(深さ/幅)が0.5より大きくなるように形成されているので、このような形状の周期構造体は上部に被覆膜を成膜しても凹部が埋まることがなく、周期構造体を構成する凹部の空間が維持できる。
また、周期と使用波長との比が1/20以上、20以下の範囲であるので、周期構造体を、例えば、回折格子、フォトニック結晶、偏光分離素子、無反射構造などに応用することができる。特に固体と気体(または真空)とからなる周期構造体を用いることにより、屈折率差が大きくできるため、上記の各素子の性能を向上させることができる。
Since the concave portion is formed so that the ratio of depth to width (depth / width) is larger than 0.5, the periodic structure having such a shape is not concave even if a coating film is formed on the upper portion. Is not buried, and the space of the concave portion constituting the periodic structure can be maintained.
In addition, since the ratio of the period to the wavelength used is in the range of 1/20 or more and 20 or less, the periodic structure can be applied to, for example, a diffraction grating, a photonic crystal, a polarization separation element, a non-reflective structure, and the like. it can. In particular, by using a periodic structure made of solid and gas (or vacuum), the difference in refractive index can be increased, so that the performance of each of the above elements can be improved.

請求項11に記載の発明は、請求項10に記載の光学素子において、前記周期構造体の凹部の深さと幅との比(深さ/幅)が2以上であることを要旨とする。
このように凹部が深く形成されているので、周期構造体は上部に被覆膜を成膜しても凹部が埋まることを抑制でき、周期構造体を構成する凹部の空間をより維持できる。
The gist of the invention described in claim 11 is that, in the optical element according to claim 10, the ratio (depth / width) between the depth and the width of the concave portion of the periodic structure is 2 or more.
Since the recesses are formed deeply in this way, the periodic structure can be suppressed from being filled even if a coating film is formed on the upper portion, and the space of the recesses constituting the periodic structure can be further maintained.

請求項12に記載の発明は、請求項1〜11のいずれか一項に記載の光学素子において、前記周期構造体は、基板または基板上に積層された下部クラッド層と前記周期構造体の上部を被覆する上部クラッド層との間のコア層内に形成され、該コア層の屈折率は前記上部および下部クラッド層の屈折率よりも大きいことを要旨とする。
このような構造の光学素子は、光導波路構造を有しているため、単一モード伝搬を行うことができ、また偏光依存性を低減できるとともに、光ファイバとの結合損失を低減することが可能となる。
A twelfth aspect of the present invention is the optical element according to any one of the first to eleventh aspects, wherein the periodic structure includes a substrate or a lower clad layer laminated on the substrate and an upper portion of the periodic structure. It is formed in a core layer between the upper cladding layer and the upper cladding layer, and the refractive index of the core layer is larger than the refractive indexes of the upper and lower cladding layers.
Since the optical element having such a structure has an optical waveguide structure, it can propagate in a single mode, can reduce polarization dependence, and can reduce a coupling loss with an optical fiber. It becomes.

請求項13に記載の発明は、前記周期構造体が少なくとも入射光を1次回折する回折格子である請求項12に記載の光学素子Aと、
該光学素子Aが形成されたコア層内に設けられ伝搬光の広がり角を制御して前記光学素子Aに入射する機能を備えた光学素子Bと、
前記光学素子Aにより分波された複数の異なる波長成分を有する光線を集光する光学素子Cと、
を少なくともそれぞれ一つ備えたことを要旨とする。
上記の光学素子を要素として備えることにより、光分波器として機能する平面光回路を提供することができる。
The invention according to claim 13 is the optical element A according to claim 12, wherein the periodic structure is a diffraction grating that first-order diffracts at least incident light.
An optical element B provided in the core layer in which the optical element A is formed and having a function of controlling the spread angle of propagating light and entering the optical element A;
An optical element C that collects light beams having a plurality of different wavelength components demultiplexed by the optical element A;
The gist is that at least one of each is provided.
By providing the optical element as an element, a planar optical circuit that functions as an optical demultiplexer can be provided.

請求項14に記載の発明は、請求項13に記載の光回路において、前記光学素子Bに光を入射するチャンネル光導波路と、
前記光学素子Cから出射される波長ごとに分波された光線にそれぞれ結合するチャンネル光導波路アレイと、
を備えたことを要旨とする。
光回路内にチャンネル光導波路、導波路アレイを配置することにより、光回路への光入射、光回路からの出射光の取り出しを容易にすることができる。
The invention according to claim 14 is the optical circuit according to claim 13, wherein a channel optical waveguide for entering light into the optical element B;
A channel optical waveguide array coupled to each of the light beams demultiplexed for each wavelength emitted from the optical element C;
The main point is that
By arranging the channel optical waveguide and the waveguide array in the optical circuit, it is possible to facilitate the incidence of light to the optical circuit and the extraction of the emitted light from the optical circuit.

請求項15に記載の発明は、請求項13または14に記載の光回路において、前記光学素子BおよびCの少なくともいずれか一方が凹面鏡であることを要旨とする。   The gist of the invention according to claim 15 is the optical circuit according to claim 13 or 14, wherein at least one of the optical elements B and C is a concave mirror.

請求項16に記載の発明は、請求項15に記載の光回路において、前記凹面鏡は、それが形成されているコア層と空間との界面の全反射を用いてなることを要旨とする。   The invention according to claim 16 is the optical circuit according to claim 15, wherein the concave mirror uses total reflection at the interface between the core layer in which the concave mirror is formed and the space.

請求項17に記載の発明は、請求項16に記載の光回路において、前記光学素子BおよびCは双方とも凹面鏡であり、該凹面鏡が形成されているコア層と空間との界面が放物面の一部からなることを要旨とする。   According to a seventeenth aspect of the present invention, in the optical circuit of the sixteenth aspect, the optical elements B and C are both concave mirrors, and the interface between the core layer in which the concave mirror is formed and the space is a paraboloid. It consists of a part of.

上記のような凹面鏡は平面光回路内に周期構造体と共通の工程で容易に設けることができる。また、全反射を利用しているので、反射面に金属膜を設けなくてもよい。さらに凹面鏡を放物面形状とすることにより、収差のない集光特性を得ることができる。   The concave mirror as described above can be easily provided in the planar optical circuit by a process common to the periodic structure. Further, since total reflection is used, it is not necessary to provide a metal film on the reflection surface. Further, by making the concave mirror parabolic, it is possible to obtain light collecting characteristics without aberration.

請求項18に記載の発明は、請求項17に記載の光回路において、各部の寸法が以下の条件(1)〜(2)を満たすことを要旨とする。
(1)前記光学素子Aである回折格子の光を回折できる幅が、
2a(λ0/Δλ)/m
以上であること。
(2)前記光学素子Bである凹面鏡の光を反射できる幅が、
2a・cosβ1・(λ0/Δλ)/(m・cosα1
以上であり、かつ前記光学素子Cである凹面鏡の光を反射できる幅が、
2a・cosβ2・(λ0/Δλ)/(m・cosα2
以上であること。
ただし、
α1:前記光学素子Bである凹面鏡への入射角
α2:前記光学素子Cである凹面鏡への入射角
β1:前記光学素子Aである回折格子への入射光束の入射角
β2:前記光学素子Aである回折格子からの出射光束の出射角
a:前記光学素子Aである回折格子の格子周期
Δλ:所定最小波長間隔
λ0:所定中心波長
m:回折次数
とする。
The gist of the invention according to claim 18 is that, in the optical circuit according to claim 17, the dimensions of each part satisfy the following conditions (1) to (2).
(1) The width capable of diffracting the light of the diffraction grating which is the optical element A is
2a (λ 0 / Δλ) / m
That's it.
(2) The width capable of reflecting the light of the concave mirror which is the optical element B is
2a · cos β 1 · (λ 0 / Δλ) / (m · cos α 1 )
The width that can reflect the light of the concave mirror that is the optical element C is as described above.
2a · cos β 2 · (λ 0 / Δλ) / (m · cos α 2 )
That's it.
However,
α 1 : Incident angle to the concave mirror that is the optical element B α 2 : Incident angle to the concave mirror that is the optical element C β 1 : Incident angle of the incident light beam to the diffraction grating that is the optical element A β 2 : Output angle of light beam emitted from diffraction grating as optical element A a: Lattice period of diffraction grating as optical element A Δλ: predetermined minimum wavelength interval λ 0 : predetermined center wavelength m: diffraction order.

上記の条件に従うことにより、所望の光分波性能を備えた光回路を最小の寸法で実現することができる。   By following the above conditions, an optical circuit having a desired optical demultiplexing performance can be realized with a minimum size.

請求項19に記載の発明は、請求項13に記載の光回路と、
前記光学素子Bに光を入射するように配置された光入力部と、
前記光学素子Cから出射される波長ごとに分波された光線にそれぞれ結合するように配置された光出力部と、
を備えたことを要旨とする。
The invention according to claim 19 is an optical circuit according to claim 13,
A light input portion arranged to make light incident on the optical element B;
A light output unit disposed so as to be coupled to a light beam demultiplexed for each wavelength emitted from the optical element C;
The main point is that

請求項20に記載の発明は、請求項14に記載の光回路と、
前記チャンネル光導波路に光を入射するように配置された光入力部と、
前記チャンネル光導波路アレイに結合するように配置された光出力部と、
を備えたことを要旨とする。
The invention according to claim 20 is the optical circuit according to claim 14,
A light input portion arranged to allow light to enter the channel optical waveguide;
An optical output disposed to couple to the channel optical waveguide array;
The main point is that

このように構成してあるので、本発明の光回路に外部から光を入射し、また光回路から出射される光を取り出す光ファイバなどを設けることにより、平面光回路型の光分波器を提供することができる。   Since it is configured in this way, a planar optical circuit type optical demultiplexer is provided by providing an optical fiber or the like that allows light to enter the optical circuit of the present invention from the outside and extract light emitted from the optical circuit. Can be provided.

請求項21に記載の発明は、凸部と該凸部の周囲に設けられた凹部とを有する構造体を前記凹部による空間を有したまま固体中に埋め込む光学素子の製造方法において、
前記構造体を成膜法で形成した膜により埋め込むことを要旨とする。
The invention according to claim 21 is a method of manufacturing an optical element in which a structure having a convex portion and a concave portion provided around the convex portion is embedded in a solid while having a space by the concave portion.
The gist is to embed the structure with a film formed by a film formation method.

請求項22に記載の発明は、請求項21に記載の光学素子の製造方法において、前記構造体を基板上または基板上に積層した固体層上に設け、前記構造体の上部を成膜法で形成した膜により覆うことを要旨とする。   According to a twenty-second aspect of the present invention, in the optical element manufacturing method according to the twenty-first aspect, the structure is provided on a substrate or a solid layer laminated on the substrate, and the upper portion of the structure is formed by a film forming method. The gist is to cover with the formed film.

請求項23に記載の発明は、請求項21または22に記載の光学素子の製造方法において、前記構造体を埋め込む膜を、化学気相堆積法、物理気相堆積法または火炎堆積法の少なくともいずれかで行うことを要旨とする。   According to a twenty-third aspect of the present invention, in the optical element manufacturing method according to the twenty-first or twenty-second aspect, at least one of a chemical vapor deposition method, a physical vapor deposition method, and a flame deposition method is used as the film embedded with the structure. The gist is to do it.

請求項24に記載の発明は、請求項21〜23のいずれか一項に記載の光学素子の製造方法において、前記凸部または前記凹部の形成をフォトリソグラフィおよびエッチングで行うことを要旨とする。   The gist of a twenty-fourth aspect of the invention is the method for manufacturing an optical element according to any one of the twenty-first to twenty-third aspects, wherein the convex portion or the concave portion is formed by photolithography and etching.

本発明によれば、屈折率差の大きな周期構造体を固体内へ埋め込むことができ、多機能な光学素子を形成できる。特に複数波長の光を回折格子を用いて分光する光分波器を小型化することができ、かつ高い効率で偏光依存の少ない波長分離を可能とすることができる。   According to the present invention, a periodic structure having a large refractive index difference can be embedded in a solid, and a multifunctional optical element can be formed. In particular, it is possible to reduce the size of an optical demultiplexer that separates light of a plurality of wavelengths using a diffraction grating, and to enable wavelength separation with high efficiency and little polarization dependence.

以下、本発明の実施の形態について具体的に説明する。
図1は、本発明の基本となる周期構造体を有する光学素子1の構成を模式的に示した図である。図1(a)が断面図、(b)が平面図である。基板18上にリッジ部11と溝部12とが周期的に配列された周期構造体10を形成し、さらにその上部に被覆層14を形成させる。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be specifically described.
FIG. 1 is a diagram schematically showing the configuration of an optical element 1 having a periodic structure that is the basis of the present invention. FIG. 1A is a cross-sectional view, and FIG. A periodic structure 10 in which ridges 11 and grooves 12 are periodically arranged is formed on a substrate 18, and a coating layer 14 is further formed thereon.

ここでいう周期構造体とは屈折率が異なる2種の材料が周期的に配列されたものをいう。周期構造体の具体的な応用としては回折格子やフォトニック結晶、偏光分離素子などが挙げられる。   The term “periodic structure” as used herein refers to a structure in which two kinds of materials having different refractive indexes are periodically arranged. Specific applications of the periodic structure include diffraction gratings, photonic crystals, polarization separation elements, and the like.

周期が波長より十分大きいか波長程度の周期構造体では、入射した光が回折する回折格子として機能する。周期が波長と同程度かつ伝搬方向に十分な長さがある場合、それはフォトニック結晶として機能する。   A periodic structure whose period is sufficiently larger than the wavelength or about the wavelength functions as a diffraction grating in which incident light is diffracted. If the period is similar to the wavelength and has a sufficient length in the propagation direction, it functions as a photonic crystal.

周期が波長より十分小さい場合には、周期構造体は平均的な屈折率をもつ媒体としてしか機能しない。しかし構造に異方性がある場合、周期構造体は偏光分離素子として機能し、構造に異方性がない場合には、表面から基板に向って連続的に屈折率が勾配を持つように設計することで無反射構造が実現できる。   When the period is sufficiently smaller than the wavelength, the periodic structure functions only as a medium having an average refractive index. However, when the structure has anisotropy, the periodic structure functions as a polarization separation element, and when there is no anisotropy in the structure, the refractive index is designed to have a continuous gradient from the surface to the substrate. By doing so, a non-reflective structure can be realized.

以上をまとめて定量的に示すと、周期構造体の周期aは使用する波長λに対して以下のような範囲で用いることが望ましい。
・λ/20≦a≦λ/10 :偏光分離素子、無反射構造など
・λ/10≦a≦5λ :フォトニック結晶など
・λ/10≦a≦20λ :回折格子など
したがって、本発明の周期構造体は、その周期aを波長λで規格化した値(=a/λ)が1/20から20までの範囲とすることが望ましい。
Summing up the above quantitatively, it is desirable to use the period a of the periodic structure in the following range with respect to the wavelength λ to be used.
.Lamda. / 20.ltoreq.a.ltoreq..lamda. / 10: polarization separation element, non-reflective structure, etc. .lamda. / 10.ltoreq.a.ltoreq.5.lamda .: photonic crystal, etc. .lamda. / 10.ltoreq.a.ltoreq.20.lamda. The structure preferably has a value (= a / λ) obtained by normalizing the period a with the wavelength λ in a range from 1/20 to 20.

本発明においては、固体材料と気体(または真空)からなる周期構造体を、固体材料内部に埋め込んだ光学素子を作製する。周期構造体を固体材料内部に埋め込むことにより、耐久性、防汚性を向上させることができる。また単一モード伝搬となる光導波路構造をとることができる。また偏光依存性を低減できると共に、光ファイバとの結合損失を低減することが可能となる。
また、固体と気体(または真空)とからなる周期構造体を用いることにより、大きな屈折率差をもつ周期構造を実現することができる。
In the present invention, an optical element in which a periodic structure made of a solid material and gas (or vacuum) is embedded in the solid material is manufactured. By burying the periodic structure inside the solid material, durability and antifouling properties can be improved. In addition, an optical waveguide structure capable of single mode propagation can be taken. In addition, the polarization dependency can be reduced, and the coupling loss with the optical fiber can be reduced.
Moreover, a periodic structure having a large refractive index difference can be realized by using a periodic structure made of a solid and a gas (or vacuum).

周期構造体を固体材料内部へ埋め込むには、基板上に作製した周期構造体の上にそれを覆う層を成膜する方法が考えられる。しかし周期構造体に気体層を用いる場合には、成膜によって気体層を形成する溝が埋まってしまう虞れがあり、それを防ぐ必要がある。   In order to embed the periodic structure inside the solid material, a method of forming a layer covering the periodic structure on the substrate can be considered. However, when a gas layer is used for the periodic structure, there is a possibility that a groove for forming the gas layer is filled by film formation, and it is necessary to prevent this.

そこで発明者らは、周期構造体上への成膜時における溝への膜の入り込みと周期構造体の形状の関係について調べた。試験用として、異なる溝深さ/溝幅比(アスペクト比)をもった直線状の溝を等間隔で配列した1次元周期構造を用いた。その形成にはリソグラフィとドライエッチング技術を用いた。成膜手段にはシリカや窒化シリコンのような誘電体膜を成膜するのに広く使われるプラズマ化学気相堆積(プラズマCVD)法を用いた。その結果、一般に溝への膜の入り込みはアスペクト比に大きく依存することがわかった。それらの関係式を以下に示す。   Therefore, the inventors investigated the relationship between the film penetration into the groove and the shape of the periodic structure during film formation on the periodic structure. For the test, a one-dimensional periodic structure in which linear grooves having different groove depth / groove width ratios (aspect ratios) were arranged at equal intervals was used. Lithography and dry etching techniques were used for the formation. As a film forming means, a plasma chemical vapor deposition (plasma CVD) method widely used for forming a dielectric film such as silica or silicon nitride was used. As a result, it was found that the penetration of the film into the groove generally depends greatly on the aspect ratio. Their relational expressions are shown below.

アスペクト比ARを次式で定義する。
AR=d/w
ただし、dは基板面に対して垂直方向の溝深さ、wは溝上部の基板面に平行な方向の溝幅である。このとき、ARの値により、溝への膜の入り込みは次のように変化した。
・AR≦0.5のとき:完全に溝が埋め込まれる。
・0.5<AR<2のとき:一部膜の入り込みがあるが、空孔も残る。
・2≦ARのとき:成膜前の溝形状がそのまま維持される。
The aspect ratio AR is defined by the following equation.
AR = d / w
Here, d is the groove depth perpendicular to the substrate surface, and w is the groove width in the direction parallel to the substrate surface at the top of the groove. At this time, depending on the value of AR, the penetration of the film into the groove changed as follows.
When AR ≦ 0.5: The groove is completely filled.
・ When 0.5 <AR <2: Some of the film has entered, but pores remain.
When 2 ≦ AR: The groove shape before film formation is maintained as it is.

即ち、気体からなる溝を形成させるためには、高アスペクト比の溝を形成することが必要である。およそアスペクト比が0.5より大きい溝では、多少溝側壁あるいは底部に成膜がされるものの、溝形状とアスペクト比を反映した気体層(空孔)が形成可能なことがわかった。さらにアスペクト比2以上の溝とすることで、ほぼ膜が溝内部へ入り込まず初期の形状を維持した構造が形成可能である。したがって、周期構造体の作製精度からみてアスペクト比2以上とすることがより好ましい。このアスペクト比が大きいほど、溝内部への膜の入り込みを抑制できるので、初期の溝形状がより維持されやすい。例えば、アスペクト比が100では、初期の溝形状が容易に維持できる。   That is, in order to form a groove made of gas, it is necessary to form a groove with a high aspect ratio. It was found that a gas layer (hole) reflecting the groove shape and the aspect ratio can be formed in the groove having an aspect ratio larger than 0.5, although the film is formed on the groove side wall or bottom. Furthermore, by forming a groove with an aspect ratio of 2 or more, it is possible to form a structure in which the film does not substantially enter the groove and the initial shape is maintained. Therefore, it is more preferable that the aspect ratio is 2 or more in view of the production accuracy of the periodic structure. The larger the aspect ratio is, the more the film can be prevented from entering the groove, so that the initial groove shape is more easily maintained. For example, when the aspect ratio is 100, the initial groove shape can be easily maintained.

以下に1次元の周期構造体を埋め込んだ実施例を示す。
[実施例1]
埋め込み型1次元周期構造体は次のような手順により作製した。石英ガラス基板上にライン状の金属マスクを等間隔で形成した後、ドライエッチングにより溝を作製した。作製した周期構造体の周期は3μm、溝深さ4μm、アスペクト比3である。この周期構造体の表面にプラズマCVDによりシリカを成膜した。成膜後の周期構造体の断面の電子顕微鏡写真を図2に示す。図から明らかなように、周期構造体がシリカによる被覆層の下に埋め込まれていることがわかる。また溝内部への膜の入り込みも確認されず、埋め込み型の周期構造体の形成が可能であることを実証することができた。
An example in which a one-dimensional periodic structure is embedded will be described below.
[Example 1]
The embedded one-dimensional periodic structure was manufactured by the following procedure. After forming line-shaped metal masks on the quartz glass substrate at equal intervals, grooves were formed by dry etching. The manufactured periodic structure has a period of 3 μm, a groove depth of 4 μm, and an aspect ratio of 3. Silica was deposited on the surface of the periodic structure by plasma CVD. An electron micrograph of a cross section of the periodic structure after film formation is shown in FIG. As is apparent from the figure, it can be seen that the periodic structure is buried under the coating layer made of silica. Further, no penetration of the film into the groove was confirmed, and it was proved that a buried periodic structure could be formed.

また写真からわかるように周期構造体の上部表面が平坦であるため、周期構造体上に種々の機能素子を形成し、またそれらを繰り返し積層して集積化するといった多様な応用が可能である。   As can be seen from the photograph, since the upper surface of the periodic structure is flat, various applications such as forming various functional elements on the periodic structure and repeatedly stacking and integrating them are possible.

上記の実施例では均質な基板に一定周期の溝を形成することによる1次元周期構造体の作製について説明したが、2次元あるいは3次元の周期構造体を作製することもできる。直交した線状マスクを用いて、均質な基板に直交した溝を形成した2次元周期構造体や、均質基板の代わりに多層膜に対して溝を形成した基板垂直面内の2次元、あるいは3次元の周期構造体なども作製可能である。   In the above embodiment, the production of a one-dimensional periodic structure by forming grooves with a constant period on a homogeneous substrate has been described. However, a two-dimensional or three-dimensional periodic structure can also be produced. Two-dimensional periodic structure in which grooves orthogonal to a homogeneous substrate are formed using orthogonal linear masks, two-dimensional in a substrate vertical plane in which grooves are formed on a multilayer film instead of a homogeneous substrate, or 3 A three-dimensional periodic structure can also be produced.

本発明では、光学膜の成膜手法として一般的な化学気相堆積(CVD)法(プラズマCVD法を含む)を用いることが望ましい。その他、物理気相堆積(PVD)法、火炎堆積(FHD)法なども用いることができる。基本的には成膜に方向性がなく、比較的成膜速度が速い手法あるいは条件を採用することが望ましい。成膜材料は安定性が高く、屈折率が低いなどの理由からシリカ系材料を用いることが望ましい。基板面に対して垂直方向に多層膜を形成する場合には、屈折率や透過率などを考慮し、各用途に適した材料を用いることが好ましい。   In the present invention, it is desirable to use a general chemical vapor deposition (CVD) method (including a plasma CVD method) as a method for forming an optical film. In addition, a physical vapor deposition (PVD) method, a flame deposition (FHD) method, or the like can also be used. Basically, it is desirable to adopt a method or condition that has no directionality in film formation and a relatively high film formation speed. It is desirable to use a silica-based material for the reason that the film forming material is highly stable and has a low refractive index. In the case of forming a multilayer film in a direction perpendicular to the substrate surface, it is preferable to use a material suitable for each application in consideration of the refractive index and transmittance.

埋め込み量をできるだけ抑制する必要がある場合には、PVD法において一般的なスパッタリング法を用いることが好ましい。スパッタリング法はプラズマ法とイオンビーム法に大別されるが、プラズマ法は成膜成分が方向性を有さない点でより好適である。さらにプラズマ法は高速で大面積成膜が可能といった利点も有している。   When it is necessary to suppress the burying amount as much as possible, it is preferable to use a general sputtering method in the PVD method. The sputtering method is roughly classified into a plasma method and an ion beam method, and the plasma method is more preferable in that the film forming component does not have directionality. Further, the plasma method has an advantage that a large area film can be formed at a high speed.

また、スパッタリングの反応機構に応じて、物理スパッタリング法、化学的スパッタリング法、反応性スパッタリング法に分類されるが特に限定されない。また、プラズマ生成方法として直流型、RF型、マグネトロン型などがあるが、これについても特に限定はない。それぞれ形成する被覆層の種類、光学特性に応じて使い分ければよい。   Moreover, although classified into a physical sputtering method, a chemical sputtering method, and a reactive sputtering method according to the reaction mechanism of sputtering, it is not specifically limited. Moreover, although there exist a direct current | flow type, RF type, a magnetron type etc. as a plasma generation method, there is no limitation in particular also about this. What is necessary is just to use properly according to the kind of coating layer to form, and an optical characteristic, respectively.

[実施例2]
第2の実施例の光学素子として高機能回折格子について説明する。回折格子は、石英ガラス基板へ電子線描画とNiのリフトオフによりマスクパターンを形成した後、ICP−RIEによるドライエッチングにより作製した。埋め込み用の成膜にはシリカをターゲットとした対向式RFスパッタを用いた。図3に作製した埋め込み型回折格子の断面の電子顕微鏡写真を示す。溝幅の縮小は殆どみられず、溝内部への膜の入り込みを抑制した被覆が可能であることがわかる。本回折格子は、90%以上の1次回折効率と5%以下の偏光による損失という良好な特性を示した。また、本回折格子は埋め込みによって機械的強度も高くなっている。
溝内部への成膜を抑制した埋め込みには対向式のスパッタ成膜が有効であり、埋め込みによる設計値からの構造のずれを低減することが可能である。
[Example 2]
A highly functional diffraction grating will be described as an optical element of the second embodiment. The diffraction grating was fabricated by dry etching by ICP-RIE after forming a mask pattern on a quartz glass substrate by electron beam drawing and Ni lift-off. For embedding film formation, opposed RF sputtering using silica as a target was used. FIG. 3 shows an electron micrograph of a cross section of the embedded diffraction grating produced. It can be seen that there is almost no reduction in the groove width, and it is possible to cover the film while preventing the film from entering the groove. This diffraction grating showed good characteristics of a first-order diffraction efficiency of 90% or more and a loss due to polarization of 5% or less. In addition, the mechanical strength of the diffraction grating is increased by embedding.
Opposite sputtering film formation is effective for the embedding in which the film formation in the groove is suppressed, and it is possible to reduce the structural deviation from the design value due to the embedding.

一方、CVD法には熱CVD法やプラズマCVD法などがある。CVD法は、アモルファスシリコン、シリコン酸化物、シリコン窒化物などの半導体から絶縁体、さらには金属まで幅広い種類の膜を得ることができる。また、成膜速度、成膜面積が大きいなどの特徴を有する。   On the other hand, the CVD method includes a thermal CVD method and a plasma CVD method. The CVD method can obtain a wide variety of films from semiconductors such as amorphous silicon, silicon oxide, and silicon nitride to insulators and even metals. Further, it has characteristics such as a film forming speed and a large film forming area.

特に、光通信では様々な不純物をドープしたシリカ系膜の形成にCVD法が応用されている。例えば、ゲルマニウムをドープすることで屈折率を上げ、光導波路として機能させたり、フッ素をドープして屈折率を低下させることも可能である。また、ボロンやリンをドープすれば軟化点を下げることができる。このようにCVD法は様々な元素をドープすることで膜物性を制御可能であるという特徴を有する。   In particular, in optical communication, a CVD method is applied to form a silica-based film doped with various impurities. For example, it is possible to increase the refractive index by doping germanium to function as an optical waveguide, or to decrease the refractive index by doping fluorine. Further, if boron or phosphorus is doped, the softening point can be lowered. As described above, the CVD method has a feature that film physical properties can be controlled by doping various elements.

また、CVD法では成膜する材料と成膜条件によって、被覆形成時に成膜成分の溝への入り込み量に違いが生じる。そこで、この現象を積極的に利用することが好ましい。つまり、周期構造体よりも軟化点の低い材料により埋め込みを行い、その後、熱処理することで周期構造体の形状の制御が可能となる。これについて、次の実施例で説明する。   In addition, in the CVD method, the amount of film formation components entering the grooves varies depending on the material to be formed and the film formation conditions. Therefore, it is preferable to actively use this phenomenon. That is, the shape of the periodic structure can be controlled by embedding with a material having a softening point lower than that of the periodic structure and then performing heat treatment. This will be described in the next embodiment.

[実施例3]
第3の実施例として、埋め込み型周期構造体の形状を制御した例について説明する。前述した実施例と同様に、先ず周期溝を石英ガラス基板上に形成させた後、プラズマCVD法を用いて、ガラス転移点を下げる目的でボロンを14モル%添加したシリカを成膜した。その後、800℃、1時間、空気中にて熱処理することで、周期構造体の空間に入っている気体を膨張させ周期構造体の形状制御を行った。
[Example 3]
As a third embodiment, an example in which the shape of the embedded periodic structure is controlled will be described. In the same manner as in the above-described embodiment, first, periodic grooves were formed on a quartz glass substrate, and then a silica film to which 14 mol% of boron was added for the purpose of lowering the glass transition point was formed by plasma CVD. Thereafter, heat treatment was performed in the air at 800 ° C. for 1 hour to expand the gas contained in the space of the periodic structure, thereby controlling the shape of the periodic structure.

図4に熱処理後の周期構造体の断面の電子顕微鏡写真を示す。先に説明した実施例2の埋め込み型回折格子(図3参照)は、成膜により溝の先端が尖った形状になっていたが、本実施例では熱処理することにより溝の断面形状を楕円にすることができた。これは、周期構造体の空間に入っている気体の熱膨張により、ボロンをドープしたシリカのみが圧迫されることによるものと考えられる。これにより、周期溝の深さと溝幅、成膜成分および熱処理条件を制御することで、例えば球状の空間が配列したような、従来では困難であった周期構造体を形成することができる。   FIG. 4 shows an electron micrograph of a cross section of the periodic structure after the heat treatment. The embedded diffraction grating of Example 2 (see FIG. 3) described above has a shape in which the tip of the groove is pointed by film formation, but in this example, the cross-sectional shape of the groove is made elliptic by heat treatment. We were able to. This is considered to be due to only the silica doped with boron being compressed by the thermal expansion of the gas in the space of the periodic structure. Thus, by controlling the depth and width of the periodic grooves, the film forming components, and the heat treatment conditions, it is possible to form a periodic structure that has been difficult in the prior art, for example, in which spherical spaces are arranged.

本発明では周期構造を形成する材料に特に限定はなく、誘電体、半導体、金属、有機材料などを用いることができる。しかし、前述のように被覆層の成膜に比較的温度の高い成膜手法を用いることから、熱的に安定な無機材料を用いることが望ましい。   In the present invention, the material for forming the periodic structure is not particularly limited, and a dielectric, a semiconductor, a metal, an organic material, or the like can be used. However, it is desirable to use a thermally stable inorganic material because a film forming method having a relatively high temperature is used for forming the coating layer as described above.

以下具体的に材料の例を挙げる。
基板材料としては、例えば、ソーダ石灰ガラスやホウ珪酸ガラスなどの酸化物ガラス、カルコゲン化物ガラスやハロゲン化物ガラスなどの非酸化物ガラス、オキシナイトライドガラスやカルコハライドガラスなどの混合ガラスなども用いられる。また、シリカ、シリコン、窒化シリコン、炭化シリコン、B、P、Ge、F、Tiなどをドープしたシリカ、InPやGaAsなどの半導体のような真空成膜により形成可能な材料も基板材料として使用可能である。また場合によっては、PMMAなどの高分子や、ゾルゲル法で形成した膜なども適用可能である。
Specific examples of materials are given below.
Examples of the substrate material include oxide glass such as soda lime glass and borosilicate glass, non-oxide glass such as chalcogenide glass and halide glass, and mixed glass such as oxynitride glass and chalcogenide glass. . Materials that can be formed by vacuum film formation, such as silica doped with silica, silicon, silicon nitride, silicon carbide, silica doped with B, P, Ge, F, Ti, and semiconductors such as InP and GaAs, can also be used as the substrate material. It is. In some cases, a polymer such as PMMA, a film formed by a sol-gel method, or the like is also applicable.

また、多層膜も基板材料として用いることができる。具体的にはシリカ、チタニア、酸化タンタル、シリコン、窒化シリコン、酸化アルミナ、フッ化マグネシウムなどからなる光学多層膜が挙げられる。
上記の材料は、当然、周期構造を形成する材料としても用いることができる。また被覆層にはシリカや半導体に代表される真空成膜により形成可能な材料が適用できる。
A multilayer film can also be used as a substrate material. Specific examples include optical multilayer films made of silica, titania, tantalum oxide, silicon, silicon nitride, alumina oxide, magnesium fluoride, and the like.
Of course, the above materials can also be used as a material for forming a periodic structure. In addition, a material that can be formed by vacuum film formation typified by silica or a semiconductor can be applied to the coating layer.

また加工には半導体微細加工技術を応用することが望ましく、そのためシリカ、窒化シリコン、チタニアなどの誘電体や、シリコンやInPなどの半導体のような加工精度の高い材料が望ましい。   In addition, it is desirable to apply a semiconductor microfabrication technique for processing, and therefore, a dielectric material such as silica, silicon nitride, and titania, or a material with high processing accuracy such as a semiconductor such as silicon or InP is desirable.

本発明における周期構造体は固体材料と気体の周期配列であるため、その屈折率差は30%以上と大きくなる。したがって、大きい屈折率差を必要とする、あるいは屈折率差が大きい方が性能上有利となる光学素子(例えばフォトニック結晶、偏光ビームスプリッタ、高効率透過型回折格子)を作製する場合には、本構造は非常に好適である。また、窒化シリコンや半導体のように高屈折率の材料を用いれば、より屈折率差を大きくすることができる。逆に屈折率の低いシリカにおいても十分大きな屈折率差は確保できるため、化学的にも物理的にも非常に安定なシリカ系の光学素子の作製にも適している。   Since the periodic structure in the present invention is a periodic arrangement of a solid material and a gas, the difference in refractive index is as large as 30% or more. Therefore, when manufacturing an optical element that requires a large difference in refractive index or has an advantage in performance when the difference in refractive index is large (for example, a photonic crystal, a polarizing beam splitter, a high-efficiency transmission type diffraction grating) This structure is very suitable. Further, if a high refractive index material such as silicon nitride or a semiconductor is used, the refractive index difference can be further increased. In contrast, a sufficiently large refractive index difference can be secured even in silica having a low refractive index, and therefore, it is suitable for the production of a silica-based optical element that is very chemically and physically stable.

[実施例4]
第4の実施例の光学素子は光導波路構造を有し、その光導波路内に周期構造体である回折格子が埋め込まれている。図5に、この光学素子1の断面図(a)と平面図(b)を示す。基板(図示を省略する)上に下部クラッド層28、コア層26が設けられ、その上を上部クラッド層24が覆っている。コア層内の一部に回折格子20が形成されている。回折格子20の周期構造は固体のリッジ層21と溝部22からなる空気層との周期配列によって構成されている。なお、下部クラッド層28は基板によって代用することもできる。
[Example 4]
The optical element of the fourth embodiment has an optical waveguide structure, and a diffraction grating which is a periodic structure is embedded in the optical waveguide. FIG. 5 shows a cross-sectional view (a) and a plan view (b) of the optical element 1. A lower clad layer 28 and a core layer 26 are provided on a substrate (not shown), and an upper clad layer 24 covers the lower clad layer 28 and the core layer 26. A diffraction grating 20 is formed in a part of the core layer. The periodic structure of the diffraction grating 20 is constituted by a periodic arrangement of a solid ridge layer 21 and an air layer composed of grooves 22. The lower clad layer 28 can be substituted by a substrate.

コア層26の屈折率を上下クラッド層24、28の屈折率に対して大きくすることにより、光導波路構造が形成され、コア層26に導入された光はコア層内に閉じ込められて伝搬する。光導波路内に形成された回折格子20に平行な入射光92が入射すると、光は波長と回折格子の周期、コア層の屈折率で決まる回折角をもって出射され、この回折光93は再びコア層を伝搬する。本構成によると、従来の回折格子を用いた光学系のように基板面に垂直な方向ではなく、面内方向に光を伝搬させることができ、光回路として集積、小型化が可能となる。   By increasing the refractive index of the core layer 26 relative to the refractive indexes of the upper and lower cladding layers 24 and 28, an optical waveguide structure is formed, and the light introduced into the core layer 26 is confined in the core layer and propagates. When incident light 92 parallel to the diffraction grating 20 formed in the optical waveguide is incident, the light is emitted with a diffraction angle determined by the wavelength, the period of the diffraction grating, and the refractive index of the core layer, and this diffracted light 93 is again emitted from the core layer. To propagate. According to this configuration, light can be propagated in the in-plane direction instead of the direction perpendicular to the substrate surface as in an optical system using a conventional diffraction grating, and the optical circuit can be integrated and miniaturized.

本実施例においては以下のような条件により単一モード伝搬が可能な光導波路構造を作製した。
・波長 :1.55μm
・上部クラッド層:シリカ(屈折率1.455)
・下部クラッド層(基板):シリカ(屈折率1.455)
・コア層 :Geドープシリカ(屈折率1.460)、
厚さ 5μm
In this example, an optical waveguide structure capable of single mode propagation was manufactured under the following conditions.
・ Wavelength: 1.55μm
Upper clad layer: silica (refractive index 1.455)
Lower clad layer (substrate): silica (refractive index 1.455)
-Core layer: Ge-doped silica (refractive index 1.460),
Thickness 5μm

もし上部クラッド層を形成しなければ、単一モードを得るコア層の厚さは1μm以下となり、外部からの入出力光の結合が困難になるだけでなく、屈折率差あるいは歪みが大きいため、偏波依存性や界面での伝搬損失も当然大きくなる。即ち、上部クラッド層を形成することにより、波面の制御が容易な単一モードでの伝搬が、現実的な設計値で可能となる。また上部クラッド層の形成は回折格子の保護、耐久性、耐汚染性の観点から好ましいことは言うまでもない。   If the upper cladding layer is not formed, the thickness of the core layer for obtaining a single mode is 1 μm or less, which not only makes it difficult to couple input / output light from the outside, but also has a large refractive index difference or distortion. Naturally, the polarization dependence and the propagation loss at the interface also increase. That is, by forming the upper cladding layer, propagation in a single mode in which the wavefront can be easily controlled can be realized with realistic design values. Needless to say, the formation of the upper cladding layer is preferable from the viewpoint of protection of the diffraction grating, durability, and contamination resistance.

ここで周期が波長程度である透過型回折格子は光の伝搬方向に厚みを持たせることで、体積効果が生じる。シリカからなる矩形溝回折格子の場合、シミュレーションによると、波長1.46〜1.58μmにおいて偏光依存損失PDL(=10×log10(TE偏光における1次回折効率/TM偏光における1次回折効率))が0.1dB以下、1次回折効率が94%以上という非常に優れた特性が得られる(計算にはRCWA (Rigorous Coupled Wave Analysis ) 法によるプログラム(Grating Solver Development社製GSOLVER ver4.20b)を使用した)。 Here, the transmission type diffraction grating whose period is about the wavelength causes a volume effect by providing a thickness in the light propagation direction. In the case of a rectangular grooved diffraction grating made of silica, according to simulation, polarization dependent loss PDL (= 10 × log 10 (first-order diffraction efficiency in TE-polarized light / first-order diffraction efficiency in TM-polarized light) at wavelengths of 1.46 to 1.58 μm. ) Is 0.1 dB or less and the first-order diffraction efficiency is 94% or more. (The calculation is based on the RCWA (Rigorous Coupled Wave Analysis) method (GSOLVER ver4.20b manufactured by Grating Solver Development). used).

計算に用いた条件は次の通りである。
・リッジの屈折率:1.46(波長1.55μmにおける値)
・溝部の屈折率 :1.00(波長1.55μmにおける値)
・リッジ部の幅 :0.85μm
・溝部の幅 :0.60μm
・光伝搬方向の幅:3.15μm
・入射角度 :20°
The conditions used for the calculation are as follows.
Ridge refractive index: 1.46 (value at 1.55 μm wavelength)
-Refractive index of groove: 1.00 (value at a wavelength of 1.55 μm)
・ Ridge width: 0.85μm
・ Width of groove: 0.60 μm
・ Width in light propagation direction: 3.15 μm
-Incident angle: 20 °

例えば応用分野を光通信に向けると光ファイバより導かれる光は光ファイバの状態によって様々な偏光状態となり、現実的にその偏光状態を予測することは困難である。そのため偏波方向を制御する部品をシステムに付加しなければならず、それは当然コスト上昇につながる。したがって、このような回折格子を用いることにより、偏波に依存した損失を抑えることができ、システム構築に非常に有利になる。ここでは矩形形状の回折格子を例として挙げたが、三角形状や先だけが尖った形状など、様々な形状で優れた特性が得られ、形状は特に限定はされない(小山次郎、西原浩著「光波電子光学」、コロナ社、1978年、第4章、参照)。   For example, when the application field is directed to optical communication, the light guided from the optical fiber has various polarization states depending on the state of the optical fiber, and it is difficult to predict the polarization state realistically. Therefore, a component for controlling the polarization direction must be added to the system, which naturally increases the cost. Therefore, by using such a diffraction grating, loss depending on polarization can be suppressed, which is very advantageous for system construction. Here, a rectangular diffraction grating was used as an example, but excellent characteristics were obtained with various shapes such as a triangular shape and a pointed shape, and the shape is not particularly limited (Jiro Koyama, Hiroshi Nishihara “ Lightwave Electro-Optics ", Corona, 1978, Chapter 4).

前述した回折格子の性能は屈折率1.46と1.00の周期構造によって実現できるため、溝部を空気のまま内部へ埋め込む技術が必要となる。光通信波長帯(波長1.3〜1.5μm付近)の場合、シリカ系導波路の厚さは5μm程度であるので、格子溝のアスペクト比は8程度となり、実施例1で説明したようにコア材料と空気との周期構造をもった埋め込み透過型回折格子の形成が可能となる。   Since the above-described performance of the diffraction grating can be realized by a periodic structure having a refractive index of 1.46 and 1.00, a technique for embedding the groove portion in the air as it is is necessary. In the case of the optical communication wavelength band (wavelength of 1.3 to 1.5 μm), since the thickness of the silica-based waveguide is about 5 μm, the aspect ratio of the grating groove is about 8, and as described in the first embodiment. An embedded transmission diffraction grating having a periodic structure of a core material and air can be formed.

本構成は、特にコア材料に限定はなく、一般的なGeドープシリカだけでなく、高屈折率の窒化シリコンやシリコンでも形成可能である。しかし光通信用の光分波器として用いる場合には、性能、外部との接続などの面で有利な、シリカ/Geドープシリカ系の光導波路を5μm程度のコア厚さで用いることが好ましい。   This configuration is not particularly limited to the core material, and can be formed not only from general Ge-doped silica but also from silicon nitride or silicon having a high refractive index. However, when used as an optical demultiplexer for optical communication, it is preferable to use a silica / Ge-doped silica type optical waveguide with a core thickness of about 5 μm, which is advantageous in terms of performance and connection with the outside.

以上、周期が波長程度かつ体積効果を有する透過型回折格子を用いることで、偏波依存、光ファイバとの接続などに有利な埋め込み型光導波路内に回折格子を作製することができ、さらに回折特性も非常に優れたものが得られることがわかる。   As described above, by using a transmission type diffraction grating whose period is about the wavelength and having a volume effect, a diffraction grating can be fabricated in an embedded optical waveguide that is advantageous for polarization dependence, connection to an optical fiber, etc. It turns out that the thing with the very excellent characteristic is obtained.

[実施例5]
図6には本実施例の光分波器50の平面模式図を示した。基板38上にスラブ光導波路が形成され、光の分波は実施例4で説明した光導波路内に埋め込まれた透過型回折格子30によってなされる。同一基板上の光導波路内には回折格子に光を入射するための凹面鏡33と回折格子を透過した光を出射するための凹面鏡35も形成され平面光回路50aが形成されている。この平面光回路50aには、光を入射するための光ファイバなどからなる光入力部37、波長ごとに光を外部へ出力するための光出力部39が取り付けられ、全体として光分波器50が構成されている。
[Example 5]
FIG. 6 shows a schematic plan view of the optical demultiplexer 50 of this embodiment. A slab optical waveguide is formed on the substrate 38, and light demultiplexing is performed by the transmission type diffraction grating 30 embedded in the optical waveguide described in the fourth embodiment. In the optical waveguide on the same substrate, a concave mirror 33 for entering light into the diffraction grating and a concave mirror 35 for emitting light transmitted through the diffraction grating are also formed, and a planar optical circuit 50a is formed. The planar optical circuit 50a is provided with a light input unit 37 composed of an optical fiber for entering light and a light output unit 39 for outputting light to each wavelength, and the optical demultiplexer 50 as a whole. Is configured.

次に、この光分波器50の動作について説明するため、構成要素と光学パラメータを示した光学系の概念図を図7に示す。光入力部37からコア層(スラブ導波路)へ入った光51は光導波路の開口数(NA)に従い扇状に広がりながら伝搬する。この光を凹面鏡33によって広がり角が小さい平行光束52に変換して、回折格子30に所定の入射角度で入射させる。回折格子30により入射光は波長成分ごとに方向の異なる光束53となり、それぞれが凹面鏡35により異なる点に集光されて、光出力部39に結合する。   Next, in order to describe the operation of the optical demultiplexer 50, FIG. 7 shows a conceptual diagram of an optical system showing the components and optical parameters. The light 51 entering the core layer (slab waveguide) from the light input portion 37 propagates while spreading in a fan shape according to the numerical aperture (NA) of the optical waveguide. This light is converted into a parallel light beam 52 having a small divergence angle by the concave mirror 33 and is incident on the diffraction grating 30 at a predetermined incident angle. Incident light becomes a light beam 53 having a different direction for each wavelength component by the diffraction grating 30, and each light is condensed at a different point by the concave mirror 35 and coupled to the light output unit 39.

ここで、光分波器が分離すべき最小の波長間隔の入射波長をλ1、λ2とし、その平均波長をλ0(=(λ1+λ2)/2)とする。このとき、回折格子30により波長λ1とλ2の光束が回折される角度の差を、Δψ(単位はラジアン)とする。 Here, the incident wavelengths of the minimum wavelength interval to be separated by the optical demultiplexer are λ 1 and λ 2 , and the average wavelength is λ 0 (= (λ 1 + λ 2 ) / 2). At this time, the difference between the angles at which the light beams having the wavelengths λ 1 and λ 2 are diffracted by the diffraction grating 30 is represented by Δψ (unit: radians).

また光導波路のNAは下式で定義される。
NA=(n1 2−n0 20.5=n1・sinθ
ただし、n1はコア層の屈折率、n0はクラッド層の屈折率である。ここでは、簡単のため上下のクラッド層の屈折率が等しい対称光導波路とし、屈折率差(n1−n0)は0.01程度であるとする。光ファイバからコア層へ入射した光はおよそθの広がり角度をもって伝搬する。
The NA of the optical waveguide is defined by the following equation.
NA = (n 1 2 −n 0 2 ) 0.5 = n 1 · sin θ
Here, n 1 is the refractive index of the core layer, and n 0 is the refractive index of the cladding layer. Here, for the sake of simplicity, it is assumed that the upper and lower clad layers have the same refractive index and that the refractive index difference (n 1 −n 0 ) is about 0.01. Light incident on the core layer from the optical fiber propagates with a spread angle of approximately θ.

ここで、図7に示すように、光分波器のパラメータを以下のように定義する。
入射側凹面鏡の有効径:D1
出射側凹面鏡の有効径:D2
入射側の平行光束の幅:P1
出射側の平行光束の幅:P2
回折次数:m
回折格子の溝の総数:N
回折格子の溝周期:a
光軸と入射側鏡面の交点における、鏡面法線と光軸との角度:α1
光軸と出射側鏡面の交点における、鏡面法線と光軸との角度:α2
回折格子への入射角:β1
回折格子からの出射角:β2
導波路部分の屈折率:n
Here, as shown in FIG. 7, the parameters of the optical demultiplexer are defined as follows.
Effective diameter of incident side concave mirror: D 1
Effective diameter of exit side concave mirror: D 2
Incident side parallel light flux width: P 1
The width of the parallel light beam on the exit side: P 2
Diffraction order: m
Total number of grooves in diffraction grating: N
Groove period of diffraction grating: a
Angle between mirror normal and optical axis at intersection of optical axis and incident side mirror surface: α 1
Angle between mirror normal and optical axis at the intersection of optical axis and output side mirror surface: α 2
Angle of incidence on diffraction grating: β 1
Output angle from diffraction grating: β 2
Refractive index of the waveguide portion: n

回折格子における波長分解能は、下式のように回折次数mと溝の総数Nの積で決定される。
λ0/Δλ=m・N
ただし、上記の式は、遠視野での波長間隔としてエアリーディスクの半径を採用したものである。2波長を明瞭に分離するには、エアリーディスクの直径程度の間隔が必要なので、
λ0/Δλ=mN/2 (1)
を回折格子の解像力とする。
The wavelength resolution in the diffraction grating is determined by the product of the diffraction order m and the total number N of grooves as shown in the following equation.
λ 0 / Δλ = m · N
However, the above formula adopts the radius of the Airy disk as the wavelength interval in the far field. In order to clearly separate the two wavelengths, an interval of about the diameter of the Airy disk is required.
λ 0 / Δλ = mN / 2 (1)
Is the resolution of the diffraction grating.

(1)式より、回折格子の幅D0は、
0=a・N=2a(λ0/Δλ)/m
回折格子へ入射する光束の幅P1は、
1=D0・cosβ1=2a・cosβ1・(λ0/Δλ)/m
入射側凹面鏡の有効径D1は、
1=P1/cosα1=2a・cosβ1・(λ0/Δλ)/(m・cosα1
となる。出射側は同様に、
2=2a・cosβ2・(λ0/Δλ)/(m・cosα2
である。以上述べた関係により、図7に示した光分波器の各要素の最小サイズが決定される。
From equation (1), the width D 0 of the diffraction grating is
D 0 = a · N = 2a (λ 0 / Δλ) / m
The width P 1 of the light beam incident on the diffraction grating is
P 1 = D 0 · cos β 1 = 2a · cos β 1 · (λ 0 / Δλ) / m
The effective diameter D 1 of the entrance-side concave mirror is
D 1 = P 1 / cos α 1 = 2a · cos β 1 · (λ 0 / Δλ) / (m · cos α 1 )
It becomes. Similarly, the exit side
D 2 = 2a · cos β 2 · (λ 0 / Δλ) / (m · cos α 2 )
It is. Based on the relationship described above, the minimum size of each element of the optical demultiplexer shown in FIG. 7 is determined.

また、上記のD1に対応する入射側凹面鏡の開口数NA1は、入射部37の開口数をカバーするように、凹面鏡の曲率を選ぶ必要がある。
出射部の焦点間隔Sは出射側のエアリーディスク直径なので、出射側凹面鏡の開口数NA2を用いて
S=1.22λ0/NA2
により表される。導波路部分の製作方法などにより、Sの値の下限が設定されている場合は、出射側の開口数NA2を小さくしてSを大きくする必要がある場合も考えられる。
In addition, it is necessary to select the curvature of the concave mirror so that the numerical aperture NA 1 of the incident-side concave mirror corresponding to D 1 covers the numerical aperture of the incident portion 37.
Since the focal distance S of the exit portion is the Airy disk diameter on the exit side, the numerical aperture NA 2 of the exit-side concave mirror is used, and S = 1.22λ 0 / NA 2
It is represented by If the lower limit of the value of S is set by the method of manufacturing the waveguide portion, it may be necessary to increase S by decreasing the numerical aperture NA 2 on the output side.

以上述べた設計値は、波長分解力を確保しつつ光分波器全体を最小化する場合のものである。したがって、例えば上記の値よりも溝の総数や光束の幅を大きくして余裕を持たせた設計とすることもできる。そうすることによって、
・Sの値を上述した値より大きくしてクロストークを減らす
・凹面鏡部での光束のけられを減らして損失を低減する
といった効果がある。
The design values described above are for the case where the entire optical demultiplexer is minimized while ensuring the wavelength resolving power. Therefore, for example, the total number of grooves and the width of the luminous flux can be made larger than the above values so as to provide a margin. By doing so,
-The value of S is made larger than the above-mentioned value to reduce the crosstalk.-There is an effect that the loss of the light flux at the concave mirror is reduced and the loss is reduced.

また凹面鏡は、空間とコア層の材料との界面を利用することにより、周期構造体と共通の溝加工工程で簡単に作製できる。ここで屈折率の高い媒体から屈折率の低い媒体へ光が伝搬するとき、ある角度範囲では光は低屈折率媒体へは出射せずに、界面で全反射することはよく知られている。その角度γは臨界角と呼ばれ以下の式で表される。
sinγ=nair/n1=1/n1
ここで、nairは空気の屈折率である。
Further, the concave mirror can be easily manufactured by a groove processing step common to the periodic structure by utilizing the interface between the space and the material of the core layer. Here, it is well known that when light propagates from a medium having a high refractive index to a medium having a low refractive index, the light is not emitted to the medium having a low refractive index but totally reflected at the interface in a certain angle range. The angle γ is called a critical angle and is expressed by the following equation.
sin γ = n air / n 1 = 1 / n 1
Here, n air is the refractive index of air.

そこで凹面鏡に入射する光が臨界角条件を満たすように設計することで、凹面鏡表面に金属成膜の必要がなくなり、また理論的には反射損失はほぼゼロとなる。さらに、本構成では凹面鏡は集光点からの光を平行光に変換する(あるいは逆の)機能を持っている。そこで凹面曲線を放物線の一部とすることで収差のない完全な集光点あるいは平行光が得られる。したがって、前述の全反射条件と、放物面の条件を満たす形状により、損失を最小限に抑えた最適な凹面鏡が得られる。   Therefore, by designing so that the light incident on the concave mirror satisfies the critical angle condition, it is not necessary to form a metal film on the surface of the concave mirror, and the reflection loss is theoretically almost zero. Further, in this configuration, the concave mirror has a function of converting light from the condensing point into parallel light (or vice versa). Therefore, by making the concave curve part of the parabola, a perfect condensing point or parallel light without aberration can be obtained. Therefore, an optimum concave mirror with a minimum loss can be obtained by the above-mentioned total reflection condition and a shape that satisfies the parabolic condition.

ここでは集光あるいはコリメートに一対の凹面鏡を用いたが、同様の機能を発揮する他の光学素子、例えば光導波路型レンズを配置してもよい。ただし作製の容易さの観点から凹面鏡を用いる方が好ましい。また一つの凹面鏡あるいはレンズによって、伝搬光を集光してもよく、この場合には光路のどこかに回折格子を配置すればよい。   Although a pair of concave mirrors are used here for condensing or collimating, other optical elements that exhibit the same function, for example, an optical waveguide type lens may be disposed. However, it is preferable to use a concave mirror from the viewpoint of ease of manufacture. Further, the propagating light may be collected by one concave mirror or lens. In this case, a diffraction grating may be arranged somewhere in the optical path.

以上説明した構成による光分波器は、回折格子、光導波路ともに偏波依存性が極めて低いことから、偏波補償装置が不要なこと、平面光回路型かつ超小型であるためリソグラフィ技術のみで基板上に大量に作製可能なことなどの特徴を有しており、低コスト、省スペースが必要とされる分野で非常に好適である。   The optical demultiplexer having the above-described configuration is extremely low in polarization dependence for both the diffraction grating and the optical waveguide. Therefore, the polarization compensator is unnecessary, and it is a planar optical circuit type and ultra-small. It has features such as being capable of being manufactured in large quantities on a substrate, and is very suitable in a field where low cost and space saving are required.

[実施例6]
本実施例の光分波器50の平面模式図を図8に示す。この光分波器50は、光入出力部をチャンネル光導波路47、49とし、かつ他の要素(回折格子40、凹面鏡43、45)と光回路内に一体化した。なお、この場合も各チャンネル光導波路に結合する光ファイバなどが必要であるが、図示は省略した。これにより光ファイバなどから直接光を入射する実施例5の構造では入射角度や焦点距離の調整が必要であったが、本実施例の光回路では光ファイバなどを各チャンネル光導波路に結合するだけでよく、煩雑な調整作業が不要となる。また光導波路を用いれば、出射部における集光点は10μm程度の間隔にすることが可能であり、さらなる小型化が可能となる。
[Example 6]
A schematic plan view of the optical demultiplexer 50 of this embodiment is shown in FIG. In this optical demultiplexer 50, the optical input / output portions are channel optical waveguides 47 and 49, and are integrated with other elements (diffraction grating 40, concave mirrors 43 and 45) in the optical circuit. In this case as well, an optical fiber coupled to each channel optical waveguide is required, but the illustration is omitted. Thus, in the structure of the fifth embodiment in which light is directly incident from an optical fiber or the like, it is necessary to adjust the incident angle and the focal length. However, in the optical circuit of the present embodiment, only the optical fiber or the like is coupled to each channel optical waveguide. This eliminates the need for complicated adjustment work. Further, if an optical waveguide is used, the condensing points at the emitting portion can be set at an interval of about 10 μm, and further miniaturization is possible.

次に、本実施例の平面光回路型光分波器50の具体的な光学系の構成例を図9および図10に示す。図9は伝搬光の光路を模式的に示したものである。光入力部のチャンネル光導波路から入射した光51は凹面鏡43で平行光52に変換され、回折格子40に入射する。回折格子40を透過した分波光53は凹面鏡45で光出力部のチャンネル光導波路アレイの端面に集光される。   Next, a specific configuration example of the optical system of the planar optical circuit type optical demultiplexer 50 of the present embodiment is shown in FIGS. FIG. 9 schematically shows an optical path of propagating light. The light 51 incident from the channel optical waveguide of the light input unit is converted into parallel light 52 by the concave mirror 43 and enters the diffraction grating 40. The demultiplexed light 53 transmitted through the diffraction grating 40 is condensed by the concave mirror 45 onto the end face of the channel optical waveguide array of the light output unit.

凹面鏡43、45はいずれも放物面鏡とする。各パラメータは以下の通りである。
・入射波長: 1.51、1.53、1.55、1.57μm
・光導波路のNA: 0.17
・回折格子の周期a: 1.45μm
・回折格子の幅D: 1mm
・凹面鏡の焦点距離f:1.68mm
・凹面鏡の曲率半径: 1mm
・光出力部集光点間距離S: 17.4μm
The concave mirrors 43 and 45 are both parabolic mirrors. Each parameter is as follows.
-Incident wavelength: 1.51, 1.53, 1.55, 1.57 μm
-NA of optical waveguide: 0.17
・ Diffraction grating period a: 1.45 μm
・ Diffraction grating width D: 1 mm
・ Focal distance f of concave mirror: 1.68 mm
-Curvature radius of concave mirror: 1mm
・ Distance S between light output points and condensing points: 17.4 μm

以上の構成より、波長間隔20nmの光を分波することができる。また光出力部の焦点面Pは凹面鏡45の放物面の軸Cに対して、回折格子40からの出射角度(格子垂線と出射光との角度)分だけ傾けることで、より最適なスポット径が得られる。   With the above configuration, light having a wavelength interval of 20 nm can be demultiplexed. Further, the focal plane P of the light output unit is inclined with respect to the parabolic axis C of the concave mirror 45 by the angle of emission from the diffraction grating 40 (angle between the grating normal and the emitted light), thereby providing a more optimal spot diameter. Is obtained.

図10は前記の光学設計に従って作製した、本発明による平面光回路型光分波器の具体的形状の一例を示したものである。光の入射端面PIおよび出射端面POを平行平面とするため光入力部のチャンネル光導波路47の一部を曲げ導波路としている。素子の大きさはおよそ5mm×8mmとなり、非常に微小な光分波器が得られることがわかる。   FIG. 10 shows an example of a specific shape of the planar optical circuit type optical demultiplexer according to the present invention manufactured according to the optical design described above. In order to make the light incident end face PI and the light exit end face PO into parallel planes, a part of the channel optical waveguide 47 of the light input portion is a bent waveguide. The size of the element is about 5 mm × 8 mm, and it can be seen that a very small optical demultiplexer can be obtained.

当然、光出力部の光導波路アレイから波長の異なる光を入射し、これらを合波して、入力側の導波路から出力することも可能である。さらにここでは4波長の合分波を示したが、チャンネル数は当然増やすことが可能であり、波長幅も狭くすることが可能である。   Naturally, it is also possible to input light having different wavelengths from the optical waveguide array of the light output unit, combine them, and output the light from the input-side waveguide. Furthermore, although four-wavelength multiplexing / demultiplexing is shown here, the number of channels can naturally be increased and the wavelength width can be narrowed.

また光回路の回路配置には上記の条件さえ満たせば制限はなく、図11に示すような種々の配置が考えられる。光回路50aは、上記実施例のような点対称型(図11(a))以外に、図11(b)、(c)に示すような線対称型配置も可能である。また、光路が交叉する形や図11(d)に示すような光入力部と光出力部が同一端面にあるような配置も可能である。   The circuit arrangement of the optical circuit is not limited as long as the above conditions are satisfied, and various arrangements as shown in FIG. 11 are conceivable. The optical circuit 50a can be arranged in a line-symmetric type as shown in FIGS. 11B and 11C in addition to the point-symmetric type as in the above embodiment (FIG. 11A). Further, it is possible to arrange such that the light paths cross each other or the light input part and the light output part are on the same end face as shown in FIG.

以下に第5もしくは第6の実施例についての作製手順を説明する。本光分波器の作製にはフォトリソグラフィによるパターニングとドライエッチングによる溝加工を用いる。作製手順を図12により説明する。基板78上に必要に応じて下部クラッド層68を成膜する。さらにその上にコア層66を成膜する(図12(a))。成膜手法としてはCVD法や火炎堆積法などが低損失で良質な膜ができることが知られているが、特に限定はされない。   The production procedure for the fifth or sixth embodiment will be described below. Fabrication of this optical demultiplexer uses patterning by photolithography and groove processing by dry etching. The manufacturing procedure will be described with reference to FIG. A lower cladding layer 68 is formed on the substrate 78 as necessary. Further, a core layer 66 is formed thereon (FIG. 12A). As a film formation method, it is known that a CVD method, a flame deposition method, or the like can produce a good quality film with low loss, but is not particularly limited.

次に、光回路型の光分波器の構成要素を作製するための金属マスクをいわゆるリフトオフ法で作製する。先ず、紫外線、電子線、X線などのエネルギー照射によって感光する材料(以下レジストという)をコア層66表面にスピンコートした後、適切な露光手法により所望の構成要素のパターンを作製する。次に、レジストパターン上に金属膜を成膜する。成膜手法はスパッタリング法や真空蒸着法などを用いることができ、金属膜にはクロムやタングステンシリサイド、ニッケルなどを用いることができる。特に、リフトオフ法を用いる場合には、フォトレジストの損傷やパターニング精度の向上の観点から、真空蒸着法や方向性スパッタリング法を用いることが望ましい。   Next, a metal mask for producing the constituent elements of the optical circuit type optical demultiplexer is produced by a so-called lift-off method. First, a material that is sensitized by energy irradiation such as ultraviolet rays, electron beams, and X-rays (hereinafter referred to as a resist) is spin-coated on the surface of the core layer 66, and then a pattern of a desired component is formed by an appropriate exposure technique. Next, a metal film is formed on the resist pattern. As a film formation method, a sputtering method, a vacuum evaporation method, or the like can be used. For the metal film, chromium, tungsten silicide, nickel, or the like can be used. In particular, when the lift-off method is used, it is desirable to use a vacuum evaporation method or a directional sputtering method from the viewpoint of damage to the photoresist and improvement of patterning accuracy.

不要な金属膜をレジストパターンとともに除去することで、金属マスク69のパターンが形成される(図12(b))。レジストと金属成膜の順序を入れ替えて、エッチングにより金属マスク69のパターンを形成させる手法も当然可能である。ただしこの場合は金属として容易にエッチングされる材料を選択することが望ましい。   By removing the unnecessary metal film together with the resist pattern, the pattern of the metal mask 69 is formed (FIG. 12B). Of course, a method of forming the pattern of the metal mask 69 by etching by changing the order of the resist and the metal film formation is also possible. In this case, however, it is desirable to select a material that can be easily etched as a metal.

次に、イオンエッチング装置を用いてコア層66の溝加工を行って、リッジ部21と溝部22とが周期配列した周期構造体(回折格子)60を形成する。合わせて他の光学素子、光導波路など、光分波器の構成要素を作製する。エッチング装置は被加工材料に適したものを選択すべきであるが、大面積を能率良く加工するには、誘導結合プラズマ(ICP)や磁気中性線放電(NLD)のような高密度プラズマによる反応性イオンエッチング法を用いることが望ましい。残存する金属マスクは腐食液、ドライエッチングなどで除去すればよい(図12(c))。   Next, the core layer 66 is grooved using an ion etching apparatus to form a periodic structure (diffraction grating) 60 in which the ridge portions 21 and the groove portions 22 are periodically arranged. In addition, components of the optical demultiplexer such as other optical elements and optical waveguides are manufactured. An etching apparatus should be selected suitable for the material to be processed, but in order to efficiently process a large area, a high density plasma such as inductively coupled plasma (ICP) or magnetic neutral line discharge (NLD) is used. It is desirable to use reactive ion etching. The remaining metal mask may be removed with a corrosive solution, dry etching, or the like (FIG. 12C).

最後にCVD法により、上部クラッド層64を成膜する(図12(d))。前述したが、このとき回折格子の溝部には膜が入り込まないように条件を設定する。
以上のように本発明の光導波路型光分波器は、従来のリソグラフィ加工により簡易に作製が可能である。
Finally, the upper clad layer 64 is formed by CVD (FIG. 12D). As described above, conditions are set so that the film does not enter the groove of the diffraction grating.
As described above, the optical waveguide type optical demultiplexer of the present invention can be easily produced by conventional lithography processing.

本発明の光分波器は、光線の向きを逆とすれば複数波長の光を単一の光ファイバに送りこむ光合波器として使用できることは、言うまでもない。   It goes without saying that the optical demultiplexer of the present invention can be used as an optical multiplexer that sends light of a plurality of wavelengths into a single optical fiber if the direction of the light beam is reversed.

さらに本発明では回折格子を複数配置してもよい。これにより波長分散はその個数に比例して大きくなる。DWDM方式のように、波長間隔が非常に狭い場合には、こうすることで波長分解能を高めることができ、素子寸法を小さく維持できる。このとき導波路部と回折格子部はリソグラフィにより一体成形することから、工程の増加はなく、コストアップには殆どつながらないという利点をもつ。   Further, in the present invention, a plurality of diffraction gratings may be arranged. As a result, the chromatic dispersion increases in proportion to the number. When the wavelength interval is very narrow as in the DWDM system, the wavelength resolution can be increased and the element size can be kept small. At this time, since the waveguide portion and the diffraction grating portion are integrally formed by lithography, there is an advantage that there is no increase in the process and almost no increase in cost.

一方、光記録分野では近年DVDをはじめとして、大容量化を目指した記録デバイスの開発が進められている。このような記録情報の大容量化に伴い、記録・読み出し速度の高速化が求められることは明らかである。その一つとして多波長による同時記録・読み出しが挙げられる。これは複数の波長を多重した光を光ヘッドへと導き、そこで分波することで複数波長の光による書き込みあるいは読み込みを行い、情報の平行処理を可能とするシステムである。この場合、光ヘッドはディスクの上を走査させることを考えれば小型であることが必須であり、本発明はこのようなシステムへの組み込みに好適である。   On the other hand, in the optical recording field, in recent years, development of recording devices aiming at large capacity, such as DVD, has been underway. It is obvious that the recording / reading speed must be increased with the increase in the capacity of the recording information. One of them is simultaneous recording / reading by multiple wavelengths. In this system, light multiplexed with a plurality of wavelengths is guided to an optical head and demultiplexed there to perform writing or reading with light of a plurality of wavelengths to enable parallel processing of information. In this case, it is essential that the optical head is small in consideration of scanning over the disk, and the present invention is suitable for incorporation into such a system.

なお、実施例1から実施例3では主に矩形の周期溝についての実施例を示したが、周期構造体にはその他の形状も適用できる。以下に具体例を説明する。
周期構造体は、周期を有する軸方向によって、1次元、2次元、3次元に分類される。
In addition, although Example 1 to Example 3 mainly shows an example of a rectangular periodic groove, other shapes can be applied to the periodic structure. A specific example will be described below.
Periodic structures are classified into one, two, and three dimensions according to the axial direction having a period.

先ず、図13に、例として1次元周期構造体の平面図を示す。図13(a)に示す周期構造体100は、固体101中に円柱の溝部102が空間を有したまま1次元で周期配列して埋め込まれている。図13(b)では固体101中に三角柱の溝部103が、図13(c)では四角柱の溝部が、それぞれ空間を有したまま埋め込まれている。図のY軸が周期を有する軸である。溝部は5角形以上の多角形や、楕円、その他不規則な形状であってもよい。   First, FIG. 13 shows a plan view of a one-dimensional periodic structure as an example. A periodic structure 100 shown in FIG. 13A is embedded in a solid 101 in which a cylindrical groove 102 is periodically arranged in a one-dimensional manner with a space. In FIG. 13B, a triangular prism groove 103 is embedded in the solid 101, and in FIG. 13C, a rectangular prism groove is embedded with a space. The Y axis in the figure is an axis having a period. The groove may be a pentagon or more polygon, an ellipse, or any other irregular shape.

図14に示す周期構造体110は、固体101中にパターン110Aが周期配列した例である。このパターン110Aは、Y軸方向に対して溝部111の間隔や幅が変化してもよく、またZ軸方向へ構部111の長さが変化してもよい。この図14に示す周期構造体110は2次元構造であるが、周期配列する方向は1次元である。   A periodic structure 110 shown in FIG. 14 is an example in which patterns 110 </ b> A are periodically arranged in a solid 101. In the pattern 110A, the interval and width of the groove 111 may change with respect to the Y-axis direction, and the length of the structure 111 may change in the Z-axis direction. The periodic structure 110 shown in FIG. 14 has a two-dimensional structure, but the direction of periodic arrangement is one-dimensional.

なお、1次元周期構造体では、四角形の溝をある辺に垂直な軸で配列したときのように、溝部あるいはリッジ部同士が密着すると周期構造が形成されない場合は除く。   In the one-dimensional periodic structure, the case where the periodic structure is not formed when the groove portions or the ridge portions are in close contact with each other, such as when square grooves are arranged on an axis perpendicular to a certain side, is excluded.

また、図13と図14では凹部としての溝部が周期配列した場合を説明したが、リッジ部からなる凸部が周期配列した構造であってもよく、さらに凹部と凸部の双方が周期配列した構造であってもよい。   13 and 14 illustrate the case where the groove portions as the concave portions are periodically arranged, a structure in which the convex portions formed of the ridge portions are periodically arranged may be used, and both the concave portions and the convex portions are periodically arranged. It may be a structure.

また基板面に対して垂直な方向(X軸方向)の溝部あるいはリッジ部の断面は、矩形でなくともよい。例えば、樽型になっていてもよく、また、円錐、角錐、あるいはテーパ状や逆テーパ状になっていてもよい。また、基板面に対して垂直な方向から傾いた斜めな溝部が互いに平行に形成されていてもよい。このように、溝部あるいはリッジ部は基板面に対して必ずしも垂直に設ける必要はなく、溝部あるいはリッジ部が不規則、あるいは非対称に設けられていてもよい。前述した高機能回折格子は四角溝の1次元周期構造体の応用例である。   The cross section of the groove or ridge in the direction perpendicular to the substrate surface (X-axis direction) may not be rectangular. For example, it may have a barrel shape, or may be a cone, a pyramid, or a taper shape or a reverse taper shape. Further, oblique groove portions inclined from a direction perpendicular to the substrate surface may be formed in parallel to each other. Thus, the groove or ridge does not necessarily have to be provided perpendicular to the substrate surface, and the groove or ridge may be provided irregularly or asymmetrically. The above-described high-functional diffraction grating is an application example of a one-dimensional periodic structure having a square groove.

次に、2次元周期構造体の例を説明する。2次元周期構造体は基本的には上記1次元周期構造体を2次元的に配列したものであってもよい。
図15に、例として2次元周期構造体の平面図を示す。図15(a)に示す周期構造体120では、固体101中に四角柱の溝部121が空間を有したまま格子状に配列して埋め込まれている。図15(b)は三角柱の溝部122を三角格子に配列したものである。
Next, an example of a two-dimensional periodic structure will be described. The two-dimensional periodic structure may basically be a two-dimensional arrangement of the one-dimensional periodic structure.
FIG. 15 shows a plan view of a two-dimensional periodic structure as an example. In the periodic structure 120 shown in FIG. 15A, the rectangular columnar grooves 121 are embedded in the solid 101 while being arranged in a lattice shape with a space. FIG. 15B shows the triangular prism grooves 122 arranged in a triangular lattice.

図15(c)は円柱の溝部123を互いに接するように正方格子状に配列したものである。溝部同士が接しているので、固体101から孤立した凸部101aが形成されており、この凸部101aも正方格子状に配列している。
図15(d)は三角柱の溝を互いの頂点が接するように三角格子状に配列したものである。溝部同士が接しているので、固体101から孤立した凸部101bが形成されており、この凸部101bも三角格子状に配列している。
FIG. 15C shows the cylindrical groove portions 123 arranged in a square lattice so as to be in contact with each other. Since the groove portions are in contact with each other, convex portions 101a isolated from the solid 101 are formed, and the convex portions 101a are also arranged in a square lattice pattern.
FIG. 15D shows the triangular prism grooves arranged in a triangular lattice pattern so that their vertices are in contact with each other. Since the groove portions are in contact with each other, convex portions 101b isolated from the solid 101 are formed, and the convex portions 101b are also arranged in a triangular lattice pattern.

このように2次元配列には、正方格子、三角格子、多角格子、あるいは同心円のような配列形状があり、その配列周期が変調してもよいい。例えば円形の穴を正方配列させたフォトニック結晶中に一列だけ欠陥部(穴を形成させない領域)を導入すれば、埋め込み型のフォトニック結晶欠陥導波路が実現できる。また同心円状に円形のライン溝を、適宜周期を変調させて配置した場合には埋め込み型のバイナリブレーズドグレーティングレンズが形成可能となる。   Thus, the two-dimensional array has an array shape such as a square lattice, a triangular lattice, a polygonal lattice, or a concentric circle, and the array period may be modulated. For example, if a single row of defect portions (regions in which holes are not formed) are introduced into a photonic crystal in which circular holes are squarely arranged, a buried photonic crystal defect waveguide can be realized. In addition, when concentric circular line grooves are arranged with their periods appropriately modulated, an embedded binary blazed grating lens can be formed.

さらに多層膜を1次元配列で矩形溝に加工すれば、2次元の周期構造体となる。例えばシリカ/シリコンのような屈折率差の大きい多層膜に四角溝(ライン&スペース溝)を形成させれば、偏光分離素子として機能を発現することが可能である。   Further, if the multilayer film is processed into a rectangular groove in a one-dimensional arrangement, a two-dimensional periodic structure is obtained. For example, if a square groove (line & space groove) is formed in a multilayer film having a large refractive index difference such as silica / silicon, the function as a polarization separation element can be exhibited.

なお、図15では凹部としての溝部が周期配列した場合を説明したが、リッジ部からなる凸部が周期配列した構造であってもよい。   In addition, although FIG. 15 demonstrated the case where the groove part as a recessed part was periodically arranged, the structure which the convex part which consists of a ridge part arranged periodically may be sufficient.

また多層膜を2次元配列で加工すれば3次元の周期構造体となる。図16に、多層膜からなる四角柱の凸部が正方配列した3次元周期構造体の一例を示す。この3次元の周期構造体130は、膜131と膜132とを積層した多層膜130Aを正方配列したものである。   If the multilayer film is processed in a two-dimensional array, a three-dimensional periodic structure is obtained. FIG. 16 shows an example of a three-dimensional periodic structure in which convex portions of a quadrangular prism made of a multilayer film are squarely arranged. This three-dimensional periodic structure 130 is formed by squarely arranging a multilayer film 130A in which a film 131 and a film 132 are stacked.

なお、図16では積層膜からなる凸部が周期配列した場合を説明したが、積層膜に設けた凹部が周期配列していてもよい。   In addition, although FIG. 16 demonstrated the case where the convex part which consists of laminated films was periodically arranged, the recessed part provided in the laminated film may be periodically arranged.

本発明の光学素子は表面が平坦であることから、光学素子をさらに積層させることができる。例えば、図17に2つの埋め込み型周期構造体を有する光学素子150を示す。この光学素子150は、図1に示した光学素子1の被覆層14上に、リッジ部141と溝部142とが周期配列した周期構造体140を形成し、被覆層151で被覆して構造体140からなる別の光学素子を積層した場合である。   Since the optical element of the present invention has a flat surface, the optical element can be further laminated. For example, FIG. 17 shows an optical element 150 having two embedded periodic structures. In this optical element 150, a periodic structure 140 in which ridge portions 141 and groove portions 142 are periodically arranged is formed on the covering layer 14 of the optical element 1 shown in FIG. 1, and the structure 140 is covered with the covering layer 151. This is a case where another optical element made of is laminated.

このように、本発明の光学素子は被覆層が平坦であることから、単純な平面層だけでなく、多層膜あるいは別な周期構造体を形成させることが可能となる。例えば平坦な被覆層は面発光レーザや、受光素子を実装するプラットフォームとして利用できる。また前記のような周期構造体を形成させた場合にはさらに被覆層の形成が可能となるため、原理上は制限なく周期構造体を積層させることができる。   Thus, since the coating layer of the optical element of the present invention is flat, it is possible to form not only a simple planar layer but also a multilayer film or another periodic structure. For example, a flat coating layer can be used as a surface-mount laser or a platform for mounting a light receiving element. In addition, when the periodic structure as described above is formed, a coating layer can be further formed. Therefore, in principle, the periodic structure can be laminated without limitation.

また周期構造体だけでなく、レンズなどの球面の凹凸形状や、それらをアレイ化したレンズアレイ、三角プリズム形状や、プリズムアレイなども光学素子上に積層してもよい。特に、埋め込みのできない構造は最上面に形成することが好ましい。また被覆層に構造体を形成する場合、下層の構造体の真上に形成させる必要性はなく、自由な位置に形成してもよい。   Further, not only the periodic structure but also a spherical uneven shape such as a lens, a lens array obtained by arraying them, a triangular prism shape, a prism array, and the like may be laminated on the optical element. In particular, the structure that cannot be embedded is preferably formed on the uppermost surface. Moreover, when forming a structure in a coating layer, it is not necessary to form in a lower layer structure, and you may form in a free position.

図18に、例として、光学部品としてのレンズを複数設けた光学素子160をを示す。この光学素子160は、図1に示した光学素子1の被覆層14上に、レンズ161がアレイ状に配列されている。周期構造体10に入射する光あるいは周期構造体10から出射する光をレンズ161で集光したり、あるいは平行光に変換することができる。   FIG. 18 shows an optical element 160 provided with a plurality of lenses as optical components as an example. In this optical element 160, lenses 161 are arranged in an array on the coating layer 14 of the optical element 1 shown in FIG. Light incident on the periodic structure 10 or light emitted from the periodic structure 10 can be condensed by the lens 161 or converted into parallel light.

図19に、例として、光学部品としての光導波路を設けた光学素子170を示す。この光学素子170は、図1に示した光学素子1の被覆層14上に、光導波路171を設けた例である。周期構造体10から出射する光を光導波路171に入射させることができる。
このように、本発明の光学素子にはレンズアレイや光導波路を設けることができるので、より集積化された光学素子を提供することができる。
FIG. 19 shows an optical element 170 provided with an optical waveguide as an optical component as an example. This optical element 170 is an example in which an optical waveguide 171 is provided on the coating layer 14 of the optical element 1 shown in FIG. Light emitted from the periodic structure 10 can be incident on the optical waveguide 171.
Thus, since the optical element of the present invention can be provided with a lens array or an optical waveguide, a more integrated optical element can be provided.

また本発明では光分波器のみならず実施例1で説明したように、フォトニック結晶や偏光分離素子など、その他の性能を有する素子を作製することが可能である。光の伝搬方向も基板面内(光導波路内)だけでなく基板面に垂直な方向においても機能させることができる。光導波路内では光の合分波、偏光分離、遅延素子などの光機能集積回路が一体成形でき、一方、基板面に垂直な方向では最上層の被覆層表面が平坦なことからレンズアレイを形成させるなどの基板面に垂直な方向の光集積素子が作製可能となる。   In the present invention, not only the optical demultiplexer but also other elements such as a photonic crystal and a polarization separation element can be manufactured as described in the first embodiment. The light propagation direction can function not only in the substrate surface (in the optical waveguide) but also in the direction perpendicular to the substrate surface. In the optical waveguide, optical functional integrated circuits such as optical multiplexing / demultiplexing, polarization separation, and delay elements can be integrally formed. On the other hand, the surface of the uppermost coating layer is flat in the direction perpendicular to the substrate surface, forming a lens array. An optical integrated device in a direction perpendicular to the substrate surface can be produced.

本発明は、光通信システムあるいは光ディスク用ピックアップ装置などに用いられる波長の異なる光を分離する装置に利用可能である。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used for an apparatus for separating light having different wavelengths used in an optical communication system or an optical disk pickup device.

本発明の埋め込み型周期構造体を有する光学素子の模式図。The schematic diagram of the optical element which has an embedded type | mold periodic structure of this invention. 本発明の埋め込み型周期構造体の電子顕微鏡写真。The electron micrograph of the embedded type periodic structure of this invention. 本発明の埋め込み型回折格子の電子顕微鏡写真。The electron micrograph of the embedded type diffraction grating of this invention. 本発明の埋め込み型周期構造体の電子顕微鏡写真。The electron micrograph of the embedded type periodic structure of this invention. 本発明の回折格子を備えた光導波路型光学素子の模式図。The schematic diagram of the optical waveguide type optical element provided with the diffraction grating of this invention. 本発明の平面光回路型光分波器の構成を示す模式図。The schematic diagram which shows the structure of the planar optical circuit type | mold optical demultiplexer of this invention. 本発明の平面光回路型光分波器の光学配置を説明する図。The figure explaining the optical arrangement | positioning of the planar optical circuit type | mold optical demultiplexer of this invention. 本発明の平面光回路型光分波器の他の構成を示す模式図。The schematic diagram which shows the other structure of the planar optical circuit type | mold optical demultiplexer of this invention. 本発明の平面光回路型光分波器の光学配置の例を示す図。The figure which shows the example of the optical arrangement | positioning of the planar optical circuit type | mold optical demultiplexer of this invention. 本発明の平面光回路型光分波器の光学配置の例を示す図。The figure which shows the example of the optical arrangement | positioning of the planar optical circuit type | mold optical demultiplexer of this invention. 本発明の平面光回路型光分波器の光学配置の変形例を示す図。The figure which shows the modification of the optical arrangement | positioning of the planar optical circuit type | mold optical demultiplexer of this invention. 本発明の平面光回路の作製工程を示す図。The figure which shows the manufacturing process of the planar optical circuit of this invention. 本発明の1次元周期構造体の模式図。The schematic diagram of the one-dimensional periodic structure of this invention. 本発明の1次元周期構造体の模式図。The schematic diagram of the one-dimensional periodic structure of this invention. 本発明の2次元周期構造体の模式図。The schematic diagram of the two-dimensional periodic structure of this invention. 本発明の3次元周期構造体の模式図。The schematic diagram of the three-dimensional periodic structure of this invention. 本発明の埋め込み型周期構造体を有する光学素子の模式図。The schematic diagram of the optical element which has an embedded type | mold periodic structure of this invention. 本発明のレンズアレイを有する光学素子の模式図。The schematic diagram of the optical element which has the lens array of this invention. 本発明の光導波路を有する光学素子の模式図。The schematic diagram of the optical element which has the optical waveguide of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1、150、160、170 光学素子
10、100、110、120、130、140 周期構造体
11、141 リッジ部
12、142 溝部
14、151 被覆層
18、38、78 基板
20、30、40、60 回折格子
24、64 上部クラッド層
26、66 コア層
28、68 下部クラッド層
33、35、43、45 凹面鏡
37 光入力部
39 光出力部
47 チャンネル光導波路
49 チャンネル光導波路アレイ
50 光分波器
69 金属マスク
161 レンズ
171 光導波路
1, 150, 160, 170 Optical element 10, 100, 110, 120, 130, 140 Periodic structure 11, 141 Ridge part 12, 142 Groove part 14, 151 Cover layer 18, 38, 78 Substrate 20, 30, 40, 60 Diffraction gratings 24, 64 Upper clad layers 26, 66 Core layers 28, 68 Lower clad layers 33, 35, 43, 45 Concave mirror 37 Optical input part 39 Optical output part 47 Channel optical waveguide 49 Channel optical waveguide array 50 Optical demultiplexer 69 Metal mask 161 Lens 171 Optical waveguide

Claims (24)

凸部と該凸部の周囲に設けられた凹部とを備えた構造体が前記凹部による空間を有したまま固体中に埋め込まれた光学素子において、
前記構造体が埋め込まれた固体は成膜法により形成された膜であることを特徴とする光学素子。
In an optical element in which a structure including a convex portion and a concave portion provided around the convex portion is embedded in a solid while having a space by the concave portion,
An optical element, wherein the solid in which the structure is embedded is a film formed by a film forming method.
前記構造体は基板上または基板上に積層された固体層上に設けられ、前記構造体はその上部が成膜法により形成された膜で覆われていることを特徴とする請求項1に記載の光学素子。   2. The structure according to claim 1, wherein the structure is provided on a substrate or a solid layer laminated on the substrate, and the structure is covered with a film formed by a film formation method on an upper portion thereof. Optical elements. 前記構造体の凸部または凹部の少なくとも一方は、周期構造を有することを特徴とする請求項1または2に記載の光学素子。   The optical element according to claim 1, wherein at least one of the convex portion or the concave portion of the structure has a periodic structure. 前記構造体の凸部および凹部の少なくとも一方は、1次元に周期的に配置されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の光学素子。   The optical element according to claim 1, wherein at least one of the convex portion and the concave portion of the structure is periodically arranged in one dimension. 前記構造体の凸部または凹部の少なくとも一方は、2次元に周期的に配置されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の光学素子。   The optical element according to claim 1, wherein at least one of the convex portion or the concave portion of the structure is periodically arranged in two dimensions. 前記構造体の凸部は、積層膜であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の光学素子。   The optical element according to claim 1, wherein the convex portion of the structure is a laminated film. 前記構造体の凹部は、積層膜中に設けられた凹部であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の光学素子。   The optical element according to claim 1, wherein the concave portion of the structure is a concave portion provided in the laminated film. 請求項1〜7のいずれか一項に記載の光学素子が積層されていることを特徴とする光学素子。   The optical element as described in any one of Claims 1-7 is laminated | stacked, The optical element characterized by the above-mentioned. 請求項1〜8のいずれか一項に記載の光学素子に光学部品が備えられていることを特徴とする光学素子。   The optical element as described in any one of Claims 1-8 is equipped with the optical component, The optical element characterized by the above-mentioned. 前記構造体は凸部と凹部とが周期的に配列している周期構造体であり、前記凹部の深さと幅との比(深さ/幅)が0.5より大きく、かつ前記周期構造体の周期と使用する波長との比が1/20以上、20以下の範囲にあることを特徴とする請求項1〜9のいずれか一項に記載の光学素子。   The structure is a periodic structure in which convex portions and concave portions are periodically arranged, and the ratio (depth / width) of the depth and width of the concave portion is larger than 0.5, and the periodic structure body 10. The optical element according to claim 1, wherein the ratio of the period to the wavelength to be used is in the range of 1/20 or more and 20 or less. 前記周期構造体の凹部の深さと幅との比(深さ/幅)が2以上であることを特徴とする請求項10に記載の光学素子。   The optical element according to claim 10, wherein a ratio (depth / width) between a depth and a width of the concave portion of the periodic structure is 2 or more. 前記周期構造体は、基板または基板上に積層された下部クラッド層と前記周期構造体の上部を被覆する上部クラッド層との間のコア層内に形成され、該コア層の屈折率は前記上部および下部クラッド層の屈折率よりも大きいことを特徴とする請求項1〜11のいずれか一項に記載の光学素子。   The periodic structure is formed in a core layer between a substrate or a lower clad layer laminated on the substrate and an upper clad layer covering the upper portion of the periodic structure, and the refractive index of the core layer is The optical element according to claim 1, wherein the optical element has a refractive index greater than that of the lower cladding layer. 前記周期構造体が少なくとも入射光を1次回折する回折格子である請求項12に記載の光学素子Aと、
該光学素子Aが形成されたコア層内に設けられ伝搬光の広がり角を制御して前記光学素子Aに入射する機能を備えた光学素子Bと、
前記光学素子Aにより分波された複数の異なる波長成分を有する光線を集光する光学素子Cと、
を少なくともそれぞれ一つ備えた光回路。
The optical element A according to claim 12, wherein the periodic structure is a diffraction grating that firstly diffracts incident light.
An optical element B provided in the core layer in which the optical element A is formed and having a function of controlling the spread angle of propagating light and entering the optical element A;
An optical element C that collects light beams having a plurality of different wavelength components demultiplexed by the optical element A;
An optical circuit having at least one of each.
前記光学素子Bに光を入射するチャンネル光導波路と、
前記光学素子Cから出射される波長ごとに分波された光線にそれぞれ結合するチャンネル光導波路アレイと、
を備えた請求項13に記載の光回路。
A channel optical waveguide for entering light into the optical element B;
A channel optical waveguide array coupled to each of the light beams demultiplexed for each wavelength emitted from the optical element C;
The optical circuit according to claim 13, comprising:
前記光学素子BおよびCの少なくともいずれか一方が凹面鏡であることを特徴とする請求項13または14に記載の光回路。   The optical circuit according to claim 13 or 14, wherein at least one of the optical elements B and C is a concave mirror. 前記凹面鏡は、それが形成されているコア層と空間との界面の全反射を用いてなることを特徴とする請求項15記載の光回路。   16. The optical circuit according to claim 15, wherein the concave mirror uses total reflection at the interface between the core layer in which the concave mirror is formed and the space. 前記光学素子BおよびCは双方とも凹面鏡であり、該凹面鏡が形成されているコア層と空間との界面が放物面の一部からなることを特徴とする請求項16に記載の光回路。   The optical circuit according to claim 16, wherein the optical elements B and C are both concave mirrors, and an interface between the core layer and the space where the concave mirrors are formed is a part of a paraboloid. 各部の寸法が以下の条件(1)〜(2)を満たすことを特徴とする請求項17に記載の光回路。
(1)前記光学素子Aである回折格子の光を回折できる幅が、
2a(λ0/Δλ)/m
以上であること。
(2)前記光学素子Bである凹面鏡の光を反射できる幅が、
2a・cosβ1・(λ0/Δλ)/(m・cosα1
以上であり、かつ前記光学素子Cである凹面鏡の光を反射できる幅が、
2a・cosβ2・(λ0/Δλ)/(m・cosα2
以上であること。
ただし、
α1:前記光学素子Bである凹面鏡への入射角
α2:前記光学素子Cである凹面鏡への入射角
β1:前記光学素子Aである回折格子への入射光束の入射角
β2:前記光学素子Aである回折格子からの出射光束の出射角
a:前記光学素子Aである回折格子の格子周期
Δλ:所定最小波長間隔
λ0:所定中心波長
m:回折次数
とする。
18. The optical circuit according to claim 17, wherein the dimensions of each part satisfy the following conditions (1) to (2).
(1) The width capable of diffracting the light of the diffraction grating which is the optical element A is
2a (λ 0 / Δλ) / m
That's it.
(2) The width capable of reflecting the light of the concave mirror which is the optical element B is
2a · cos β 1 · (λ 0 / Δλ) / (m · cos α 1 )
The width that can reflect the light of the concave mirror that is the optical element C is as described above.
2a · cos β 2 · (λ 0 / Δλ) / (m · cos α 2 )
That's it.
However,
α 1 : Incident angle to the concave mirror that is the optical element B α 2 : Incident angle to the concave mirror that is the optical element C β 1 : Incident angle of the incident light beam to the diffraction grating that is the optical element A β 2 : Output angle of light beam emitted from diffraction grating as optical element A a: Lattice period of diffraction grating as optical element A Δλ: predetermined minimum wavelength interval λ 0 : predetermined center wavelength m: diffraction order.
請求項13に記載の光回路と、
前記光学素子Bに光を入射するように配置された光入力部と、
前記光学素子Cから出射される波長ごとに分波された光線にそれぞれ結合するように配置された光出力部と、
を備えたことを特徴とする光分波器。
An optical circuit according to claim 13;
A light input portion arranged to make light incident on the optical element B;
A light output unit disposed so as to be coupled to a light beam demultiplexed for each wavelength emitted from the optical element C;
An optical demultiplexer characterized by comprising:
請求項14に記載の光回路と、
前記チャンネル光導波路に光を入射するように配置された光入力部と、
前記チャンネル光導波路アレイに結合するように配置された光出力部と、
を備えたことを特徴とする光分波器。
An optical circuit according to claim 14,
A light input portion arranged to allow light to enter the channel optical waveguide;
An optical output disposed to couple to the channel optical waveguide array;
An optical demultiplexer characterized by comprising:
凸部と該凸部の周囲に設けられた凹部とを有する構造体を前記凹部による空間を有したまま固体中に埋め込む光学素子の製造方法において、
前記構造体を成膜法で形成した膜により埋め込むことを特徴とする光学素子の製造方法。
In the method of manufacturing an optical element in which a structure having a convex portion and a concave portion provided around the convex portion is embedded in a solid while having a space by the concave portion,
A method of manufacturing an optical element, wherein the structure is embedded with a film formed by a film forming method.
前記構造体を基板上または基板上に積層した固体層上に設け、前記構造体の上部を成膜法で形成した膜により覆うことを特徴とする請求項21に記載の光学素子の製造方法。   The method for manufacturing an optical element according to claim 21, wherein the structure is provided on a substrate or a solid layer laminated on the substrate, and an upper portion of the structure is covered with a film formed by a film formation method. 前記構造体を埋め込む膜を、化学気相堆積法、物理気相堆積法または火炎堆積法の少なくともいずれかで行うことを特徴とする請求項21または22に記載の光学素子の製造方法。   23. The method of manufacturing an optical element according to claim 21, wherein the film for embedding the structure is formed by at least one of a chemical vapor deposition method, a physical vapor deposition method, and a flame deposition method. 前記凸部または前記凹部の形成をフォトリソグラフィおよびエッチングで行うことを特徴とする請求項21〜23のいずれか一項に記載の光学素子の製造方法。
The method for manufacturing an optical element according to any one of claims 21 to 23, wherein the convex portion or the concave portion is formed by photolithography and etching.
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