JP2013257371A - Photonic crystal element having polarization conversion function - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a photonic crystal element having a polarization conversion function which can serve as a minute transmission type optical element by using interference of light.SOLUTION: A photonic crystal element includes two kinds of optical elements 11,12 each of which has a width of 200nm or more and 1 μm or less alternately, wherein the photonic crystal element has a thickness of 2 μm or more and 20 μm or less. In the photonic crystal element, light incident upon one optical element enters the other optical element, and interferes with light propagating through the other optical element, so that a polarization plane of the incident light can be converted. This invention also relates to a polarization plane conversion method using the photonic crystal element.

Description

本発明は,偏光変換機能を有するフォトニック結晶素子に関する。より詳しく説明すると,本発明は,隣接する領域から侵入する光の干渉を利用して,偏光面を変換することで,入力光の偏光面を変換して出力できるフォトニック結晶を有する光学素子に関する。   The present invention relates to a photonic crystal element having a polarization conversion function. More specifically, the present invention relates to an optical element having a photonic crystal that can convert and output the polarization plane of input light by converting the polarization plane using interference of light entering from an adjacent region. .

日本国特許第4777064号公報(特許文献1)には,1/4波長板部分と−1/4波長板部分とが接合部分を介して交互に形成された板状の光学素子が開示されている。この公報に開示された光学素子は,自己クローニングフォトニック結晶である。   Japanese Patent No. 4777064 (Patent Document 1) discloses a plate-like optical element in which quarter-wave plate portions and -1 / 4-wave plate portions are alternately formed via joint portions. Yes. The optical element disclosed in this publication is a self-cloning photonic crystal.

日本国特許第4777064号公報Japanese Patent No. 4777064

特許文献1に開示された光学素子は,領域ごとの光が干渉しあわないように調整していた。このため,領域間を漏れ出す光をできるだけ軽減していた。   The optical element disclosed in Patent Document 1 has been adjusted so that light in each region does not interfere with each other. For this reason, the light leaking between the regions has been reduced as much as possible.

本発明は,光の干渉を利用して微小な透過型光学素子として機能し得る偏光変換機能を有するフォトニック結晶素子を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a photonic crystal element having a polarization conversion function that can function as a minute transmission optical element by utilizing interference of light.

本発明は,基本的には,光の干渉を利用して微小な透過型光学素子として機能し得る偏光変換機能を有するフォトニック結晶素子である。このフォトニック結晶素子は,2つの領域を交互に含む自己クローニングフォトニック結晶の領域幅を小さくし,フォトニック結晶の厚さを厚くする。すると,隣接する領域に光が漏れ出し,この漏れ出し光による干渉現象が起こるので,フォトニック結晶素子が偏光変換機能を有することとなる。   The present invention is basically a photonic crystal element having a polarization conversion function that can function as a minute transmissive optical element by utilizing interference of light. This photonic crystal element reduces the region width of the self-cloning photonic crystal including two regions alternately and increases the thickness of the photonic crystal. Then, light leaks to an adjacent region, and an interference phenomenon due to this leaked light occurs, so that the photonic crystal element has a polarization conversion function.

本発明の第1の側面は,フォトニック結晶素子に関する。このフォトニック結晶素子は,第1の光学素子11と,第1の光学素子11に隣接し,第1の光学素子11とは遅波軸の方向が異なる(遅波軸の符号が逆符号である)第2の光学素子12とが交互に存在するフォトニック結晶13を有する。そして,第1の光学素子11と第2の光学素子12とが交互に存在する方向をx軸方向としたときに,第1の光学素子11のx軸方向の幅及び第2の光学素子12のx軸方向の幅は,それぞれ200nm以上1μm以下である。第1の光学素子(11)の遅波軸と第2の光学素子(12)の遅波軸は,逆符号であり,x軸に対し1度以上40度以下をなす。また,フォトニック結晶13の厚さが,2μm以上20μm以下である。   The first aspect of the present invention relates to a photonic crystal element. This photonic crystal element is adjacent to the first optical element 11 and the first optical element 11, and the direction of the slow axis is different from that of the first optical element 11 (the sign of the slow wave axis is the opposite sign). There is a photonic crystal 13 in which second optical elements 12 are alternately present. Then, when the direction in which the first optical element 11 and the second optical element 12 are alternately present is the x-axis direction, the width of the first optical element 11 in the x-axis direction and the second optical element 12 The width in the x-axis direction is 200 nm or more and 1 μm or less, respectively. The slow wave axis of the first optical element (11) and the slow wave axis of the second optical element (12) are opposite in sign and form 1 degree or more and 40 degrees or less with respect to the x axis. Further, the thickness of the photonic crystal 13 is 2 μm or more and 20 μm or less.

本発明の第2の側面は,上記したフォトニック結晶素子を用いた偏光変換方法に関する。第1の光学素子11と第2の光学素子12に光が入射する。第1の光学素子11に入射した光が,第2の光学素子12へ進入する。すると,第2の光学素子12に入射し第2の光学素子12中を伝播する光と,第1の光学素子11から第2の光学素子へ進入した光とが干渉する。逆も同様である。すると,実施例により実証されたとおり,フォトニック結晶素子から出力される光の偏光面を変換することができる。   The second aspect of the present invention relates to a polarization conversion method using the above-described photonic crystal element. Light enters the first optical element 11 and the second optical element 12. The light incident on the first optical element 11 enters the second optical element 12. Then, the light that enters the second optical element 12 and propagates through the second optical element 12 interferes with the light that has entered the second optical element from the first optical element 11. The reverse is also true. Then, as demonstrated by the examples, the plane of polarization of the light output from the photonic crystal element can be converted.

より一般的に説明すると,フォトニック結晶素子及び偏光変換方法は,以下のとおりといえる。フォトニック結晶素子は,多数の光学素子(i=1,2,・・・,n,n+1,・・・)を有する。たとえば,第n番目の光学素子には,第(n−1)番目の光学素子と第(n+1)番目の光学素子が隣接する。このように,第n番目及び第(n+1)番目の光学素子がある方向に順次存在する。この方向をx軸方向とする。すると,第n番目及び第(n+1)番目の光学素子は遅波軸の方向(すなわち遅波軸の符合)が異なり,第n番目及び第(n+1)番目の光学素子の遅波軸は,x軸に対して1度以上40度以下の角をなす。また,第n番目及び第(n+1)番目の光学素子はx軸方向の幅が,200nm以上1μm以下であり,厚さが,2μm以上20μm以下である。そして,第n番目及び第(n+1)番目の光学素子に光が入射する。第n番目の光学素子に入射した光は,第(n−1)番目及び第(n+1)番目の光学素子に進入し,それぞれ第(n−1)番目及び第(n+1)番目の光学素子を伝播する光と干渉する。一方,第(n+1)番目の光学素子に入射した光は,第n番目及び第(n+2)番目の光学素子に進入し,それぞれ第n番目及び第(n+2)番目の光学素子を伝播する光と干渉する。これにより,フォトニック結晶素子に入射するy方向の偏光を出力面ではx方向の偏光に効率よく変換することができる。   More generally, it can be said that the photonic crystal element and the polarization conversion method are as follows. The photonic crystal element has a large number of optical elements (i = 1, 2,..., N, n + 1,...). For example, the (n−1) th optical element and the (n + 1) th optical element are adjacent to the nth optical element. Thus, the nth and (n + 1) th optical elements are sequentially present in a certain direction. This direction is the x-axis direction. Then, the nth and (n + 1) th optical elements have different slow axis directions (that is, the signs of the slowwave axes), and the slow wave axes of the nth and (n + 1) th optical elements are x An angle of 1 degree to 40 degrees with respect to the axis. The nth and (n + 1) th optical elements have a width in the x-axis direction of 200 nm to 1 μm and a thickness of 2 μm to 20 μm. Light enters the nth and (n + 1) th optical elements. The light that has entered the nth optical element enters the (n−1) th and (n + 1) th optical elements, and the (n−1) th and (n + 1) th optical elements respectively enter. Interferes with propagating light. On the other hand, the light incident on the (n + 1) th optical element enters the nth and (n + 2) th optical elements and propagates through the nth and (n + 2) th optical elements, respectively. have a finger in the pie. As a result, the polarized light in the y direction incident on the photonic crystal element can be efficiently converted into the polarized light in the x direction on the output surface.

従来,フォトニック結晶は隣接する光学素子間で光の進入をできる限り阻止していた。本発明は,隣接する光学素子から進入する光による光の干渉を積極的に利用する。これにより本発明は,微小な透過型光学素子として機能し得る偏光変換機能を有するフォトニック結晶素子を提供できる。   Conventionally, a photonic crystal has prevented light from entering between adjacent optical elements as much as possible. The present invention actively utilizes light interference caused by light entering from adjacent optical elements. Thus, the present invention can provide a photonic crystal element having a polarization conversion function that can function as a minute transmission optical element.

図1は,本発明のフォトニック結晶素子の概念図である。FIG. 1 is a conceptual diagram of a photonic crystal element of the present invention. 図2は,フォトニック結晶素子の構造例を示す図である。FIG. 2 is a diagram illustrating a structure example of a photonic crystal element. 図3は,本発明の概念を説明するための図である。FIG. 3 is a diagram for explaining the concept of the present invention. 図4は,Y励起を行った場合のy偏光成分,x偏光成分の振幅分布を示す図面に替わるグラフである。FIG. 4 is a graph replaced with a drawing showing the amplitude distribution of the y-polarized component and the x-polarized component when Y excitation is performed. 図5は,基本及び第2モードのy偏光成分,x偏光成分の振幅分布を示す図面に替わるグラフである。FIG. 5 is a graph instead of a drawing showing the amplitude distribution of the y-polarized component and the x-polarized component in the basic and second modes. 図6は,X励起を行った場合のy偏光成分,x偏光成分の振幅分布を示す図面に替わるグラフである。FIG. 6 is a graph instead of a drawing showing the amplitude distribution of the y-polarized component and the x-polarized component when X excitation is performed.

図1は,本発明のフォトニック結晶素子の概念図である。図1に示されるように,本発明のフォトニック結晶素子は,第1の光学素子11と,第1の光学素子11に隣接し,第1の光学素子11とは遅波軸の方向が異なる第2の光学素子12とが交互に存在するフォトニック結晶13を有する。図1の例は,高さ方向(z軸方向)に2種類の異なる物質からなる層が交互に蓄積している。一方,図1の例は,y軸方向に伸びる2種類の領域がx軸方向に交互に形成されている。そして,それぞれの領域は,山と谷とが周期的に規則正しく形成されている。   FIG. 1 is a conceptual diagram of a photonic crystal element of the present invention. As shown in FIG. 1, the photonic crystal element of the present invention is adjacent to the first optical element 11 and the first optical element 11, and the direction of the slow wave axis is different from that of the first optical element 11. It has the photonic crystal 13 with which the 2nd optical element 12 exists alternately. In the example of FIG. 1, layers made of two different substances are alternately accumulated in the height direction (z-axis direction). On the other hand, in the example of FIG. 1, two types of regions extending in the y-axis direction are alternately formed in the x-axis direction. In each region, peaks and valleys are regularly formed.

このフォトニック結晶素子は,第1の光学素子11領域に入射した光が,回折広がりにより,隣接する第2の光学素子12へと伝搬する。すると,第2の光学素子12への入射光と干渉を起こす。この現象を利用することで,本発明のフォトニック結晶素子は,入射した光の偏光面を制御して出力できることとなる。たとえば,実施例において製造した光学素子は,−z方向から平面波を入射させると,x偏光成分はほぼそのまま+z方向に通り抜ける。一方,y偏光成分はx偏光に変換されて+/−1次に回折されて出力される。すなわち,実施例において得られた光学素子は,入射光のx偏光成分及びy偏光成分をともにx偏光成分に高い効率で変換して出力できる。   In this photonic crystal element, light incident on the first optical element 11 region propagates to the adjacent second optical element 12 due to diffraction spread. Then, interference with the incident light to the second optical element 12 occurs. By utilizing this phenomenon, the photonic crystal element of the present invention can output by controlling the polarization plane of incident light. For example, in the optical element manufactured in the embodiment, when a plane wave is incident from the −z direction, the x-polarized light component passes through the + z direction almost as it is. On the other hand, the y-polarized component is converted into x-polarized light, diffracted to +/− 1 order, and output. That is, the optical element obtained in the embodiment can convert both the x-polarized component and the y-polarized component of incident light into the x-polarized component with high efficiency and output.

図1に示されるように本発明のフォトニック結晶素子は,第1の光学素子11と,第1の光学素子11に隣接し,第1の光学素子11とは遅波軸の方向が異なる(すなわち逆符号である)第2の光学素子12とが交互に存在するフォトニック結晶13を有する。“フォトニック結晶素子”は,光の位相や光路などを調整するための光学素子である。第1の光学素子11の遅波軸と第2の光学素子12の遅波軸は,x軸に対し1度以上40度以下をなす。この角度は,1度以上20度以下でもよいし,2度以上15度以下でもよいし,5度以上15度以下でもよく,15度以上40度以下でもよいし,20度以上35度以下でもよいし,20度以上30度以下でもよく,25度以上40度いかでもよい。   As shown in FIG. 1, the photonic crystal element of the present invention is adjacent to the first optical element 11 and the first optical element 11, and the direction of the slow axis is different from that of the first optical element 11 ( It has photonic crystals 13 in which second optical elements 12 (that is, opposite signs) exist alternately. A “photonic crystal element” is an optical element for adjusting the phase or optical path of light. The slow axis of the first optical element 11 and the slow axis of the second optical element 12 are 1 degree or more and 40 degrees or less with respect to the x axis. This angle may be 1 degree or more and 20 degrees or less, 2 degrees or more and 15 degrees or less, 5 degrees or more and 15 degrees or less, 15 degrees or more and 40 degrees or less, or 20 degrees or more and 35 degrees or less. It may be 20 degrees or more and 30 degrees or less, or 25 degrees or more and 40 degrees.

フォトニック結晶は,光学素子として機能する微小周期構造体である。このようなフォトニック結晶は,公知のフォトニック結晶の製造方法に従って製造できる。フォトニック結晶の製造方法の例として,国際公開公報WO2004/008196号パンフレットに開示された方法があげられる。一方,より具体的な,フォトニック結晶の製造方法として,特開平10−335758号公報に開示される2次元的に周期的な凹凸をもつ基板の上に2種類以上の物質を周期的に順次積層し,その積層の中の少なくとも一部分にスパッタエッチングを単独で,または成膜と同時に用いることにより光学素子を製造する方法があげられる。この方法は,自己クローニングフォトニック結晶作製法ともよばれる。   A photonic crystal is a micro periodic structure that functions as an optical element. Such a photonic crystal can be manufactured in accordance with a known photonic crystal manufacturing method. As an example of a method for producing a photonic crystal, a method disclosed in International Publication No. WO 2004/008196 pamphlet can be mentioned. On the other hand, as a more specific method for producing a photonic crystal, two or more kinds of substances are periodically and sequentially deposited on a substrate having two-dimensional periodic irregularities disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 10-335758. There is a method of manufacturing an optical element by stacking and using sputter etching alone or simultaneously with film formation on at least a part of the stack. This method is also called a self-cloning photonic crystal production method.

第1の光学素子11と第2の光学素子12は,遅波軸の方向が異なる光学素子領域を意味する。それぞれの光学素子は,波長板として機能する。光学素子が波長板として機能するためには,各領域の山(谷)の周期,各領域を構成するそれぞれの層の厚さ,各領域を構成するそれぞれの層を構成する材質,及び入力光の波長を制御すればよい。自己クローニング結晶を用いて波長板を構成する技術は公知である(例えば,特開2008−197399号公報)。通常,第1の光学素子11と第2の光学素子12はひとつのフォトニック結晶として製造される。第1の光学素子11と第2の光学素子12は,図1に示されるように短冊状であってもよい。以下の説明では,図1に示されるように第1の光学素子11と第2の光学素子12とが交互に存在する方向をx軸方向とする。たとえば,−z方向から第1の光学素子11と第2の光学素子12をみると,第1の光学素子11と第2の光学素子12とは,y軸方向に伸びる矩形領域により形成されていても良い。ひとつの光学素子に含まれる第1の光学素子11と第2の光学素子12との数は,任意である。ひとつの光学素子に含まれる第1の光学素子11と第2の光学素子12との数の例は,5以上100000以下であり,10以上10000以下でもよいし,20以上1000以下でもよい。   The first optical element 11 and the second optical element 12 mean optical element regions having different slow axis directions. Each optical element functions as a wave plate. In order for an optical element to function as a wave plate, the period of peaks (valleys) of each region, the thickness of each layer constituting each region, the material constituting each layer constituting each region, and the input light The wavelength may be controlled. A technique for constructing a wave plate using a self-cloning crystal is known (for example, JP 2008-197399 A). Usually, the first optical element 11 and the second optical element 12 are manufactured as one photonic crystal. The first optical element 11 and the second optical element 12 may have a strip shape as shown in FIG. In the following description, the direction in which the first optical element 11 and the second optical element 12 are alternately present as shown in FIG. For example, when viewing the first optical element 11 and the second optical element 12 from the −z direction, the first optical element 11 and the second optical element 12 are formed by rectangular regions extending in the y-axis direction. May be. The number of the first optical element 11 and the second optical element 12 included in one optical element is arbitrary. An example of the number of the first optical element 11 and the second optical element 12 included in one optical element is 5 or more and 100000 or less, may be 10 or more and 10,000 or less, and may be 20 or more and 1000 or less.

フォトニック結晶が規則性をもって製造される場合,波長板や偏光子といった光学素子としての機能を有する。本発明では,第1の光学素子11と第2の光学素子12は,それぞれ波長板として機能するものが好ましい。そして,第1の光学素子11と第2の光学素子12は,その物理的なパターンが異なるため,遅波軸の方向が異なることとなる。物理的なパターンの例は,山及び谷の方向である。第1の光学素子11と第2の光学素子12は,それぞれ複数の山及び谷から形成されており,山の頂点の方向が,x軸からθ及び−θとされていることが好ましい。この場合θの例は,10°以上44°以下であり,10°以上30°以下でもよく,15°以上30°以下でもよい。θは,46°以上89°以下でもよい。フォトニック結晶の規則性は,基板に形成された周期的なパターンに依存する。   When the photonic crystal is manufactured with regularity, it has a function as an optical element such as a wave plate or a polarizer. In the present invention, the first optical element 11 and the second optical element 12 preferably function as wave plates, respectively. Since the first optical element 11 and the second optical element 12 have different physical patterns, the directions of the slow axis are different. Examples of physical patterns are mountain and valley directions. The first optical element 11 and the second optical element 12 are each formed from a plurality of peaks and valleys, and the peak directions are preferably θ and −θ from the x-axis. In this case, an example of θ is 10 ° to 44 °, may be 10 ° to 30 °, and may be 15 ° to 30 °. θ may be 46 ° or more and 89 ° or less. The regularity of the photonic crystal depends on the periodic pattern formed on the substrate.

基板上の周期は,波長板の位相差,偏光子の消光比にも影響を与える。紫外線領域にける自己クローニングフォトニック結晶として機能するためには,基板上に形成された周期構造における周期が,130nm以下であるものが好ましい。この周期として,90nm以上130nm以下が好ましい。本発明では,この周期は,50nm以上85nm以下でもよい。   The period on the substrate also affects the retardation of the wave plate and the extinction ratio of the polarizer. In order to function as a self-cloning photonic crystal in the ultraviolet region, it is preferable that the period in the periodic structure formed on the substrate is 130 nm or less. The period is preferably 90 nm to 130 nm. In the present invention, this period may be not less than 50 nm and not more than 85 nm.

好ましいフォトニック結晶は,高屈折率層の光学厚さ(厚さ×屈折率)と低屈折率層の光学厚さの合計が透過する波長以下となるように設計すればよい。屈折率の例は,1.1以上2.5以下である。すなわち,本発明の第2の側面に係る波長板として好ましいものは,高屈折率層の厚さが,70nm以下である。また,低屈折率層の厚さが,80nm以下である。そして,高屈折率層一層の光学厚さと低屈折率層一層の光学厚さの合計が300nm以下である。なお,高屈折率層が酸化ハフニウムからなり,低屈折率層が酸化シリコンからなる場合を想定する。たとえば,300nmの光に対する波長板を設計する場合,低屈折率層の厚さが0であるとすると,酸化ハフニウムを含む高屈折率層の厚さは,150nm以下であれば良いこととなる。一方,高屈折率層の厚さがほぼ0の場合,低屈折率層の屈折率を1.6とすると,300nmの光に対する波長板を設計する場合,188nm以下であれば良いこととなる。また,高屈折率層の厚さが,70nm以下であるとき,高屈折層の光学厚さは約140nm以下となる。一方,低屈折率層の光学厚さは,約128nm以下となる。よって,高屈折率層一層の光学厚さと低屈折率層一層の光学厚さとして,268nm以下が好ましい。さらに,酸化シリコンの屈折率は,たとえば1.5の場合がある。この場合,低屈折率層の光学厚さは,120nm以下となる。よって,高屈折率層一層の光学厚さと低屈折率層一層の光学厚さとして,260nm以下が好ましい。一方,実施例では,高屈折率層の厚さが20nmであり,低屈折率層の厚さが20nmであった。この実施例における高屈折率層の光学厚さは,38nm〜42nmである。一方,この実施例における低屈折率層の光学厚さは,30nm〜32nmである。よって,高屈折率層一層の光学厚さと低屈折率層一層の光学厚さとして,68nm以上74nmの範囲でも,波長板として良好に機能する。   A preferable photonic crystal may be designed so that the sum of the optical thickness (thickness × refractive index) of the high refractive index layer and the optical thickness of the low refractive index layer is less than or equal to the transmission wavelength. Examples of the refractive index are 1.1 or more and 2.5 or less. That is, the preferred wavelength plate according to the second aspect of the present invention is that the thickness of the high refractive index layer is 70 nm or less. The thickness of the low refractive index layer is 80 nm or less. The sum of the optical thickness of one high refractive index layer and the optical thickness of one low refractive index layer is 300 nm or less. It is assumed that the high refractive index layer is made of hafnium oxide and the low refractive index layer is made of silicon oxide. For example, when designing a wavelength plate for light of 300 nm, if the thickness of the low refractive index layer is 0, the thickness of the high refractive index layer containing hafnium oxide may be 150 nm or less. On the other hand, when the thickness of the high-refractive index layer is almost 0, and the refractive index of the low-refractive index layer is 1.6, when designing a wavelength plate for light of 300 nm, it is sufficient that the thickness is 188 nm or less. When the thickness of the high refractive index layer is 70 nm or less, the optical thickness of the high refractive layer is about 140 nm or less. On the other hand, the optical thickness of the low refractive index layer is about 128 nm or less. Therefore, the optical thickness of one high refractive index layer and the optical thickness of one low refractive index layer is preferably 268 nm or less. Furthermore, the refractive index of silicon oxide may be 1.5, for example. In this case, the optical thickness of the low refractive index layer is 120 nm or less. Therefore, 260 nm or less is preferable as the optical thickness of one high refractive index layer and the optical thickness of one low refractive index layer. On the other hand, in the example, the thickness of the high refractive index layer was 20 nm, and the thickness of the low refractive index layer was 20 nm. The optical thickness of the high refractive index layer in this example is 38 nm to 42 nm. On the other hand, the optical thickness of the low refractive index layer in this embodiment is 30 nm to 32 nm. Therefore, even if the optical thickness of one high refractive index layer and the optical thickness of one low refractive index layer is in the range of 68 nm to 74 nm, it functions well as a wave plate.

第1の光学素子11のx軸方向の幅2d及び第2の光学素子12のx軸方向の幅2dは,同一でも異なっても良い。d/dの例は,0.8以上1.2以下であり,0.9以上1.1以下でもよい。2d及び2dは,およそ透過する光の波長と同じオーダーに設計されることが好ましい。このため,2d及び2dの例は,それぞれ200nm以上1μm以下であり,400nm以上800nm以下でもよい。第1の光学素子11又は第2の光学素子12について遅波軸に平行な屈折率をn,速波軸に平行な屈折率をnとした場合に,2d及び2dは,以下の2dの0.8倍以上1.2倍以下,又は0.9倍以上1.1倍以下となるように設計されることが好ましい。 Width 2d 2 in the x-axis direction of the x-axis direction of the width 2d 1 and the second optical element 12 of the first optical element 11 may be the same or different. An example of d 1 / d 2 is 0.8 or more and 1.2 or less, and may be 0.9 or more and 1.1 or less. 2d 1 and 2d 2 are preferably designed in the same order as the wavelength of the transmitted light. For this reason, examples of 2d 1 and 2d 2 are 200 nm to 1 μm, respectively, and may be 400 nm to 800 nm. When the refractive index parallel to the slow wave axis is n s and the refractive index parallel to the fast wave axis is n f for the first optical element 11 or the second optical element 12, 2d 1 and 2d 2 are It is preferably designed to be 0.8 times or more and 1.2 times or less, or 0.9 times or more and 1.1 times or less of 2d.

2d=vλπ−1(n −n −1/2 2d = vλπ -1 (n s 2 -n f 2) -1/2

上記の式においてvは,光の速度であり,λは光の波長を意味する。光の波長は,例えば,200nm以上1500nm以下であり,250nm以上1100nm以下でも良いし,300nm以上800nm以下でも良い。光は可視光であることが好ましい。偏光面を調整する光の波長に応じて,第1の光学素子及び第2の光学素子の周期(幅)を調整すればよい。周期の例は,波長の1/5倍以上5倍以下であり,波長の1/3倍以上3倍以下でもよく,波長の1/2倍以上2倍以下でもよい。   In the above formula, v is the speed of light, and λ means the wavelength of light. The wavelength of light is, for example, 200 nm or more and 1500 nm or less, 250 nm or more and 1100 nm or less, or 300 nm or more and 800 nm or less. The light is preferably visible light. The period (width) of the first optical element and the second optical element may be adjusted according to the wavelength of the light for adjusting the polarization plane. An example of the period is from 1/5 to 5 times the wavelength, from 1/3 to 3 times the wavelength, and from 1/2 to 2 times the wavelength.

特許第4777064号公報には,1/4波長板部分と−1/4波長板部分とが接合部分を介して交互に形成されている。このように,従来の2つ以上の領域を有するフォトニック結晶においては,隣接する領域から光が入り込まない様に接合部分を形成することが望ましかった。一方,本発明のフォトニック結晶素子は,隣接する領域から光の漏れ出しを積極的に行うため,第1の光学素子11と第2の光学素子12との境面を滑らかにすることが好ましい。具体的に説明すると,第1の光学素子11と第2の光学素子12とが図1に示されるように,同じピッチを有する山と谷を複数有する結晶となるように設計し,第1の光学素子11と第2の光学素子12との界面は連続した山と谷となるようにする。このようにすることで,隣接した領域から光が入り込む際に,意図しない方向へ進行する事態を防止できる。   In Japanese Patent No. 4777064, quarter-wave plate portions and -1 / 4-wave plate portions are alternately formed via joint portions. As described above, in the conventional photonic crystal having two or more regions, it is desirable to form a junction portion so that light does not enter from adjacent regions. On the other hand, in the photonic crystal element of the present invention, it is preferable to smooth the boundary between the first optical element 11 and the second optical element 12 in order to actively leak light from adjacent regions. . More specifically, as shown in FIG. 1, the first optical element 11 and the second optical element 12 are designed to be crystals having a plurality of peaks and valleys having the same pitch, The interface between the optical element 11 and the second optical element 12 is a continuous mountain and valley. By doing so, it is possible to prevent a situation where the light travels in an unintended direction when light enters from an adjacent region.

本発明のフォトニック結晶素子は,隣接した領域から光が入り込み,干渉を起こすことにより,偏光を制御する。このため,光学素子は,厚みを有することが好ましい。光学素子の厚さの例は,2μm以上20μm以下であり,3μm以上15μm以下でもよいし,4μm以上10μm以下でもよい。   The photonic crystal element of the present invention controls polarization by causing light to enter from adjacent regions and causing interference. For this reason, the optical element preferably has a thickness. Examples of the thickness of the optical element are 2 μm or more and 20 μm or less, 3 μm or more and 15 μm or less, or 4 μm or more and 10 μm or less.

光学素子の製造方法
先に説明したとおり,自己クローニング法は,既に知られているため,公知の方法を用いて本発明のフォトニック結晶素子を製造できる。その際,通常の自己クローニングフォトニック結晶を製造する場合と異なり,隣接する領域の幅を小さく設計するとともに,隣接する領域における規則パターンが連続するように基板上のパターン(溝)を設計する。
As described above, since the self-cloning method is already known, the photonic crystal element of the present invention can be produced using a known method. At that time, unlike the case of manufacturing a normal self-cloning photonic crystal, the width of the adjacent region is designed to be small, and the pattern (groove) on the substrate is designed so that the regular pattern in the adjacent region is continuous.

本発明の偏光変換方法
本発明の偏光変換方法は,上記したフォトニック結晶素子を用いる。そして,第1の光学素子11と第2の光学素子12に光が入射する。その後,第1の光学素子11に入射した光が,第2の光学素子12へ進入し,第2の光学素子12中を伝播する光と干渉する。これと同様に,第2の光学素子12に入射した光が,第1の光学素子11へ進入し,第1の光学素子11中を伝播する光と干渉する。これにより,フォトニック結晶素子から出力される光の偏光面を変換することができる。
Polarization conversion method of the present invention The polarization conversion method of the present invention uses the photonic crystal element described above. Then, light enters the first optical element 11 and the second optical element 12. Thereafter, the light incident on the first optical element 11 enters the second optical element 12 and interferes with the light propagating through the second optical element 12. Similarly, the light incident on the second optical element 12 enters the first optical element 11 and interferes with the light propagating through the first optical element 11. Thereby, the polarization plane of the light output from the photonic crystal element can be converted.

フォトニック結晶素子による偏光制御の原理
フォトニック結晶素子の構造例を図2に示す。一方,本発明の概念を説明するための図を図3に示す。本発明のフォトニック結晶素子は,それぞれの短冊領域では遅波軸,速波軸が+/−θ;π/2+/−θを向いている。動作の物理的描像と,それがどう解析されるかを以下説明する。
Principle of Polarization Control by Photonic Crystal Element An example of the structure of a photonic crystal element is shown in FIG. On the other hand, FIG. 3 is a diagram for explaining the concept of the present invention. In the photonic crystal element of the present invention, the slow wave axis and the fast wave axis are +/− θ; π / 2 +/− θ in each strip region. The following describes the physical picture of the motion and how it is analyzed.

図3において,一様なy偏光で励振した場合を考える。波長板(複屈折媒質)では,もし面積が十分大きいときは,電界が遅波軸に平行な場合は大きな屈折率nに相当する位相速度で,速波軸に平行な場合は小さな屈折率nに相当する位相速度で独立に伝搬する。図3のように,各領域が周期構造となり,短冊の幅が波長のオーダーであるときは遅波と速波が結合する。つまり,短冊内の遅波と速波がz方向に伝搬し,回折拡がりによって隣の短冊に「越境」する。すると,隣の領域では主軸が異なるから,遅波と速波はいわば新しい環境で座標変換され強制的に偏光変換される。それによって一定のパターンが形成され,遅波と速波が一定の比率で重ね合わされ,一定の位相速度でz方向に伝搬するようになる。これをモード(Yモード)とよぶ。Yモードは一つだけではなく,第二,第三,・・が存在する。対称性から,図3の構造をx偏光で励振したときも同様の現象が生ずる(Xモード。第一,第二,・・が存在するのも同じである)。 In FIG. 3, consider the case of excitation with uniform y-polarized light. In the wavelength plate (birefringent medium), if when the area is large enough, at a phase velocity when the electric field is parallel to the slow wave axis corresponding to the large refractive index n s, if parallel to the fast wave axis refractive index less Propagate independently at a phase velocity corresponding to n f . As shown in FIG. 3, when each region has a periodic structure and the width of the strip is on the order of wavelength, the slow wave and the fast wave are combined. In other words, the slow wave and the fast wave in the strip propagate in the z direction and “cross-border” to the adjacent strip due to diffraction spread. Then, because the main axis is different in the adjacent region, the slow wave and fast wave are coordinate-transformed in a new environment and are forcibly polarized. As a result, a constant pattern is formed, and the slow wave and the fast wave are superimposed at a constant ratio and propagate in the z direction at a constant phase velocity. This is called a mode (Y mode). There is not only one Y mode, but second, third,. Due to symmetry, the same phenomenon occurs when the structure of FIG. 3 is excited with x-polarized light (X mode; the first, second,... Are the same).

以上を要約する。図3の構造に任意偏光の一様な平面波が垂直に入射すると,それはx偏光,y偏光の重ね合わせである。x偏光はXモードの重ね合わせ,y偏光はYモードの重ね合わせとして現される。励振された各モードは固有の位相速度で伝搬する。励振点からある距離隔たった断面における電磁界の分布はそれらの重ね合わせとして表される。   The above is summarized. When a uniform plane wave of arbitrary polarization enters the structure of FIG. 3 vertically, it is a superposition of x-polarized light and y-polarized light. x-polarized light is expressed as X-mode superposition, and y-polarized light is expressed as Y-mode superposition. Each excited mode propagates with a unique phase velocity. The distribution of the electromagnetic field in a cross section at a distance from the excitation point is expressed as a superposition of them.

初めに偏光の合流の様子,次にそれの基となるモードの形状を説明する。解析を容易にするため展開に用いるモード数を2に限定する(それで十分な精度が得られることも云える)。一様なy偏光で励振し,第1のYモード,第2のYモードの伝搬位相差がπになる断面まで伝搬させ(進展させ)る。励振点と伝搬後の面における第1のYモードのy偏光成分,第2のYモードのx偏光成分の振幅分布を図4に示す。図4から,本発明によれば,y偏光からx偏光への偏光変換が高い効率で行われる様子が観察される。   First, the state of polarization merging, and the shape of the mode that forms the basis of it will be described. In order to facilitate the analysis, the number of modes used for the expansion is limited to 2 (which may be sufficient accuracy). Excitation is performed with uniform y-polarized light, and is propagated (developed) to a cross section where the propagation phase difference between the first Y mode and the second Y mode is π. FIG. 4 shows amplitude distributions of the y-polarized component of the first Y mode and the x-polarized component of the second Y mode at the excitation point and the surface after propagation. From FIG. 4, it is observed that according to the present invention, polarization conversion from y-polarized light to x-polarized light is performed with high efficiency.

そのような現象が可能になるためには,第一,第二Yモードが(1)それぞれのx成分のパワーがy成分のパワーと同程度である(2)励振点ではx成分の和がほぼゼロである(3)進展(evolution)によりy成分がゼロに,x成分が最大になる点が存在することが好ましい。   In order for such a phenomenon to be possible, the first and second Y modes are (1) the power of each x component is about the same as the power of the y component (2) the sum of the x components at the excitation point It is preferable that there is a point where the y component becomes zero and the x component becomes maximum due to (3) evolution which is substantially zero.

図5は,最小モード及び2番目に小さいモードのx成分及びy成分を示す。図5は,Yの第一,第二のモードがそのような性質を持つことを示している。次に,x偏光で励振したときはどうなるかを考える。結論的には,Xモードはそのような目覚ましい性質を持たない。第一のモードは大きなy成分をもたないので,第一,第二のモードが伝搬しつつ和,差その他の状態を遷移しても一貫してx偏光が主要であり,変換は生じない。伝搬位相差πの断面での(小さな)偏光変換の様子を図6に示す。   FIG. 5 shows the x and y components of the minimum mode and the second smallest mode. FIG. 5 shows that the first and second modes of Y have such properties. Next, consider what happens when excited by x-polarized light. In conclusion, the X mode does not have such a remarkable property. Since the first mode does not have a large y component, even if the first and second modes propagate while transitioning between the sum, difference, and other states, the x-polarized light is predominant and no conversion occurs. . FIG. 6 shows the state of (small) polarization conversion in the cross section of the propagation phase difference π.

3.実験
以上の偏光変換,結果としての偏光の合流を,自己クローニング型フォトニック結晶の波長板アレイの設計,試作した。諸元を下の表に示す。
3. Experiments We designed and prototyped a self-cloning photonic crystal waveplate array based on the above polarization conversion and the resulting confluence of polarized light. The specifications are shown in the table below.

Figure 2013257371
Figure 2013257371

伝搬実験により検証した偏光変換特性を以下に示す。   The polarization conversion characteristics verified by the propagation experiment are shown below.

Figure 2013257371
Figure 2013257371

表からX偏光が入射した場合は,X偏光の0次光が出力のメインであることがわかる。一方,Y偏光が入射した場合は,X偏光の+/−1次光(直進方向より少しずれた方向の成分)がメインであることがわかる。すなわち,表から,この例では,入射光の偏光面が制御されX偏光として出力されることがわかる。   From the table, it can be seen that when X-polarized light is incident, the zero-order light of X-polarized light is the main output. On the other hand, when Y-polarized light is incident, it is understood that the +/− 1 order light of X-polarized light (component in a direction slightly shifted from the straight traveling direction) is the main. That is, the table shows that in this example, the polarization plane of incident light is controlled and output as X-polarized light.

本発明は,光学機器の分野で利用されうる。   The present invention can be used in the field of optical instruments.

11 第1の光学素子
12 第2の光学素子
13 フォトニック結晶
11 First optical element 12 Second optical element 13 Photonic crystal

Claims (4)

フォトニック結晶素子を用いた偏光変換方法であって,
前記フォトニック結晶素子は,
第1の光学素子(11)と,前記第1の光学素子(11)に隣接し,前記第1の光学素子(11)とは遅波軸の方向が異なる第2の光学素子(12)とが交互に存在するフォトニック結晶(13)を有し,
前記第1の光学素子(11)と前記第2の光学素子(12)とが交互に存在する方向をx軸方向としたときに,前記第1の光学素子(11)の遅波軸と前記第2の光学素子(12)の遅波軸は,逆符号であり,x軸に対し1度以上40度以下をなし,
前記第1の光学素子(11)のx軸方向の幅及び前記第2の光学素子(12)のx軸方向の幅は,それぞれ200nm以上1μm以下であり,
前記フォトニック結晶(13)の厚さが,2μm以上20μm以下であり,
前記第1の光学素子(11)と前記第2の光学素子(12)に光が入射する領域と,
前記第1の光学素子(11)に入射した光が,前記第2の光学素子(12)へ進入し,前記第2の光学素子(12)中を伝播する光と干渉する工程と,
前記第2の光学素子(12)に入射した光が,前記第1の光学素子(11)へ進入し,前記第1の光学素子(11)中を伝播する光と干渉する工程と,
を含み, これにより,前記フォトニック結晶素子に入射するy方向の偏光を出力面ではx方向の偏光に効率よく変換する偏光変換方法。
A polarization conversion method using a photonic crystal element,
The photonic crystal element is
A first optical element (11), a second optical element (12) adjacent to the first optical element (11) and having a slow axis direction different from that of the first optical element (11); Have photonic crystals (13) alternately present,
When the direction in which the first optical element (11) and the second optical element (12) exist alternately is the x-axis direction, the slow wave axis of the first optical element (11) The slow wave axis of the second optical element (12) has the opposite sign, and is 1 degree or more and 40 degrees or less with respect to the x axis,
The width of the first optical element (11) in the x-axis direction and the width of the second optical element (12) in the x-axis direction are 200 nm to 1 μm, respectively.
The photonic crystal (13) has a thickness of 2 μm or more and 20 μm or less;
A region where light is incident on the first optical element (11) and the second optical element (12);
Light incident on the first optical element (11) enters the second optical element (12) and interferes with light propagating in the second optical element (12);
The light incident on the second optical element (12) enters the first optical element (11) and interferes with the light propagating through the first optical element (11);
Thus, a polarization conversion method for efficiently converting polarized light in the y direction incident on the photonic crystal element into polarized light in the x direction on the output surface.
第1の光学素子(11)と,前記第1の光学素子(11)に隣接し,前記第1の光学素子(11)とは遅波軸の方向が異なる第2の光学素子(12)とが交互に存在するフォトニック結晶(13)を有するフォトニック結晶素子であって,
前記第1の光学素子(11)と前記第2の光学素子(12)とが交互に存在する方向をx軸方向としたときに,
前記第1の光学素子(11)のx軸方向の幅及び前記第2の光学素子(12)のx軸方向の幅は,それぞれ200nm以上1μm以下であり,
前記フォトニック結晶(13)の厚さが,2μm以上20μm以下であり,
前記第1の光学素子(11)と前記第2の光学素子(12)とが交互に存在する方向をx軸方向としたときに,前記第1の光学素子(11)の遅波軸と前記第2の光学素子(12)の遅波軸は,逆符号であり,x軸に対し1度以上40度以下をなす,
フォトニック結晶素子。
A first optical element (11), a second optical element (12) adjacent to the first optical element (11) and having a slow axis direction different from that of the first optical element (11); A photonic crystal element having photonic crystals (13) alternately present,
When the direction in which the first optical element (11) and the second optical element (12) are alternately present is the x-axis direction,
The width of the first optical element (11) in the x-axis direction and the width of the second optical element (12) in the x-axis direction are 200 nm to 1 μm, respectively.
The photonic crystal (13) has a thickness of 2 μm or more and 20 μm or less;
When the direction in which the first optical element (11) and the second optical element (12) exist alternately is the x-axis direction, the slow wave axis of the first optical element (11) The slow wave axis of the second optical element (12) has an opposite sign, and forms 1 degree or more and 40 degrees or less with respect to the x axis.
Photonic crystal element.
連続した多数の光学素子を有するフォトニック結晶素子であって,
第n番目の光学素子には,第(n−1)番目の光学素子と第(n+1)番目の光学素子が隣接し,光学素子が順次存在する方向をx軸方向とした場合,第n番目及び第(n+1)番目の光学素子は遅波軸の方向が異なり,第n番目及び第(n+1)番目の光学素子の遅波軸は,x軸に対して1度以上40度以下の角をなし,
第n番目及び第(n+1)番目の光学素子はx軸方向の幅が,200nm以上1μm以下であり,厚さが2μm以上20μm以下である,
フォトニック結晶素子。
A photonic crystal element having a large number of continuous optical elements,
When the (n−1) th optical element and the (n + 1) th optical element are adjacent to the nth optical element and the direction in which the optical elements sequentially exist is the x-axis direction, the nth optical element And the (n + 1) th optical element has different slow axis directions, and the slow axis of the nth and (n + 1) th optical elements has an angle of 1 degree to 40 degrees with respect to the x axis. None,
The nth and (n + 1) th optical elements have a width in the x-axis direction of 200 nm to 1 μm and a thickness of 2 μm to 20 μm.
Photonic crystal element.
フォトニック結晶素子を用いた偏光変換方法であって,
前記フォトニック結晶素子は,連続した多数の光学素子を有するフォトニック結晶素子であって,
第n番目の光学素子には,第(n−1)番目の光学素子と第(n+1)番目の光学素子が隣接し,光学素子が順次存在する方向をx軸方向とした場合,第n番目及び第(n+1)番目の光学素子は遅波軸の方向が異なり,第n番目及び第(n+1)番目の光学素子の遅波軸は,x軸に対して1度以上40度以下の角をなし,
第n番目及び第(n+1)番目の光学素子はx軸方向の幅が,200nm以上1μm以下であり,厚さが2μm以上20μm以下であり,
前記第n番目及び第(n+1)番目の光学素子に光が入射する工程と,
前記第n番目の光学素子に入射した光が,前記第(n−1)番目及び前記第(n+1)番目の光学素子に進入し,それぞれ第(n−1)番目及び第(n+1)番目の光学素子を伝播する光と干渉する工程と,
前記第(n+1)番目の光学素子に入射した光が,前記第n番目及び第(n+2)番目の光学素子に進入し,それぞれ第n番目及び第(n+2)番目の光学素子を伝播する光と干渉する工程とを含み,
フォトニック結晶素子に入射するy方向の偏光を出力面ではx方向の偏光に変換する偏光変換方法。
A polarization conversion method using a photonic crystal element,
The photonic crystal element is a photonic crystal element having a large number of continuous optical elements,
When the (n−1) th optical element and the (n + 1) th optical element are adjacent to the nth optical element and the direction in which the optical elements sequentially exist is the x-axis direction, the nth optical element And the (n + 1) th optical element has different slow axis directions, and the slow axis of the nth and (n + 1) th optical elements has an angle of 1 degree to 40 degrees with respect to the x axis. None,
The nth and (n + 1) th optical elements have a width in the x-axis direction of 200 nm to 1 μm, a thickness of 2 μm to 20 μm,
Light is incident on the nth and (n + 1) th optical elements;
The light incident on the nth optical element enters the (n-1) th and (n + 1) th optical elements, and the (n-1) th and (n + 1) th optical elements respectively. Interfering with light propagating through the optical element;
The light incident on the (n + 1) th optical element enters the nth and (n + 2) th optical elements and propagates through the nth and (n + 2) th optical elements, respectively. Interfering steps,
A polarization conversion method that converts polarized light in the y direction incident on the photonic crystal element into polarized light in the x direction on the output surface.
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