JP2020144165A - Foldable integrated optical circuit - Google Patents

Foldable integrated optical circuit Download PDF

Info

Publication number
JP2020144165A
JP2020144165A JP2019038659A JP2019038659A JP2020144165A JP 2020144165 A JP2020144165 A JP 2020144165A JP 2019038659 A JP2019038659 A JP 2019038659A JP 2019038659 A JP2019038659 A JP 2019038659A JP 2020144165 A JP2020144165 A JP 2020144165A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
light
optical circuit
optical
grating
incident
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2019038659A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
川上 彰二郎
Shojiro Kawakami
彰二郎 川上
川嶋 貴之
Takayuki Kawashima
貴之 川嶋
俊和 居城
Toshikazu Ishiro
俊和 居城
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Autocloning Tech Kk
AUTOCLONING TECHNOLOGY KK
Photonic Lattice Inc
Original Assignee
Autocloning Tech Kk
AUTOCLONING TECHNOLOGY KK
Photonic Lattice Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Autocloning Tech Kk, AUTOCLONING TECHNOLOGY KK, Photonic Lattice Inc filed Critical Autocloning Tech Kk
Priority to JP2019038659A priority Critical patent/JP2020144165A/en
Publication of JP2020144165A publication Critical patent/JP2020144165A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Landscapes

  • Polarising Elements (AREA)
  • Diffracting Gratings Or Hologram Optical Elements (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

To provide an optical circuit which can realize processing of multistage optical signals by fewer optical elements.SOLUTION: The present invention relates to an optical circuit 100 for processing an optical signal, including: a main substrate 110 where a plurality of functional regions 111, 112, 113, and 114 are formed on one flat surface by patterning; and a plurality of reflection members 115, 121, 131, 141, and 116 facing the flat surface of the main substrate, the reflection members reflecting light passing through the functional regions. Light which has entered the optical circuit is reflected by the reflection members and thus passes through each of the functional regions.SELECTED DRAWING: Figure 8

Description

本発明は、複数の機能領域が一つの平面上に一括形成された基板を含む光回路に関する。具体的に説明すると、従来技術の光回路では複数の透明基板によって形成されていた複数の機能領域を、幾何学的・形状的に一つの平面上に一括形成することで、各機能領域の位置あわせの簡易化や、コストの低減、さらには回路の小型化を実現した技術に関するものである。 The present invention relates to an optical circuit including a substrate in which a plurality of functional regions are collectively formed on one plane. Specifically, the position of each functional area is formed by collectively forming a plurality of functional areas formed by a plurality of transparent substrates on one plane geometrically and geometrically in the optical circuit of the prior art. It is related to the technology that realized the simplification of the combination, the cost reduction, and the miniaturization of the circuit.

光の屈曲・分離・分岐・合流、再配分などを実現する光学素子としては、レンズ、プリズム、ハーフミラーなどが極めて広汎に実用されている。それらの多くは凸レンズ凹レンズのように立体的形状をもち、1個1機能として作製されるため、集積化、小型化には困難を伴うことが多い。近年、透明な基板の表面に微細な加工を行いそれに垂直に透過する光ビームの場所ごとの位相を変化させ波面を傾けて、透過後の伝播を操作する技術(傾斜メタ表面:gradient metasurfaceと呼ばれる)が進展している。 Lenses, prisms, half mirrors, and the like are extremely widely used as optical elements that realize bending, separation, branching, merging, and redistribution of light. Many of them have a three-dimensional shape like a convex lens and a concave lens, and are manufactured as individual functions, so that it is often difficult to integrate and miniaturize them. In recent years, a technique (called gradient metasurface) in which the surface of a transparent substrate is finely processed, the phase of the light beam transmitted perpendicular to it is changed for each location, and the wave surface is tilted to manipulate the propagation after transmission (gradient metasurface). ) Is progressing.

その際に必要な波面の変形量が波長の数倍、数十倍に上ることは珍しくない。一方、表面を通過する光の位相変化量として実用上可能なのは2πラジアンの数分の1から数倍程度なので、位相変化量を2πラジアンごとに鋸歯状波的にゼロに戻す操作が必要である。 It is not uncommon for the amount of deformation of the wave surface required at that time to be several times or tens of times the wavelength. On the other hand, the amount of phase change of light passing through the surface is practically a fraction to several times that of 2π radians, so it is necessary to perform an operation to return the amount of phase change to zero in a sawtooth wave for each 2π radians. ..

位相変化量を2πラジアンごとに鋸歯状波的にゼロに戻す前述の操作は、その不連続点付近で光の散乱、それに伴う振幅や位相の誤差が避けられない。それを軽減する方法として次の手段が知られている(特許文献1)。即ち、
(A)領域ごとに種々な方位をもつ微小な1/2波長板を基板表面に隙間なく配置する。
(B)円偏光がその領域を通過するとき受ける位相推移はある基準方向に対して主軸のなす角θの2倍に等しいという性質を利用する。
詳しく云えば、図1において入射する光の電界が、例えば
=Ecos(ωt)、 E=Esin(ωt)
で与えられる円偏光であるとき、図1のようにξη軸をとり、ξη軸方向に主軸を持つ1/2波長板を挿入すれば透過後の光は逆回りの円偏光となり相対位相は2θだけ変化することが知られている(非特許文献1)。
In the above-mentioned operation of returning the amount of phase change to zero in a sawtooth wave every 2π radians, light scattering near the discontinuity and the accompanying amplitude and phase errors are inevitable. The following means are known as a method for alleviating this (Patent Document 1). That is,
(A) Micro 1/2 wave plates having various orientations for each region are arranged on the substrate surface without gaps.
(B) Utilizing the property that the phase transition received when circularly polarized light passes through the region is equal to twice the angle θ formed by the main axis with respect to a certain reference direction.
As far detail, the electric field of the light entering in FIG. 1, for example, E x = E 0 cos (ωt ), E y = E 0 sin (ωt)
In the case of circularly polarized light given in, if the ξη axis is taken as shown in FIG. 1 and a 1/2 wave plate having a main axis in the ξη axis direction is inserted, the transmitted light becomes circularly polarized light in the opposite direction and the relative phase is 2θ. It is known that only changes (Non-Patent Document 1).

一方で現代の光通信ではコヒーレント方式が広く用いられている。
光トランシーバーなど小形の光学サブシステムにおいて送信点T、T、…Tから受信点R、R、…Rに、分岐や合流を伴いつつ光を送るための手段は、
(1)平面光回路(Planar Lightwave Circuit、 PLC)(特許文献2)
(2)レンズ、プリズムなど個別部品を空間的に別の場所に配置する空間光学系(Micro Optical Circuit、 MOC)(特許文献3)
が主要なものである。本発明では、光の伝送される方向(z方向)に垂直に、複数の平面xy、xy、xy、…があって、その上の信号点の間の信号分配機能、授受機能、および偏光分離機能をもち、周期構造軸が複数の方向をもつ光学素子群によって、分岐や合流を伴いつつ光を送る操作を行う。
On the other hand, the coherent method is widely used in modern optical communication.
In small optical subsystems such as optical transceivers, the means for transmitting light from transmission points T 1 , T 2 , ... T n to reception points R 1 , R 2 , ... R m with branching or merging is
(1) Planar Lightwave Circuit (PLC) (Patent Document 2)
(2) Spatial Optical Circuit (MOC) in which individual parts such as lenses and prisms are spatially arranged in different places (Patent Document 3).
Is the main one. In the present invention, there are a plurality of planes xy 1 , xy 2 , xy 3 , ... perpendicular to the direction of light transmission (z direction), and a signal distribution function, a transfer function, and a signal distribution function between signal points on the planes. And, it has a polarization separation function, and an operation of sending light with branching and merging is performed by a group of optical elements having a periodic structure axis having a plurality of directions.

例えば特許文献2に示すようなコヒーレント通信用ICR(Intradyne Coherent Receiver)の90度ハイブリッドを実現するPLC回路では以下のような制約がある。
(1)PLC回路では回路上で交叉がしばしば発生するが、2次元構造のため信号間の干渉が避けにくい。
(2)直交偏光ごとに、信号光の瞬時位相を基準にしてI相の局部発振光とQ相の局部発振光との間の位相差をπ/2ラジアンに保つ必要がある。これは線路の間に線路長誤差および線路幅誤差に関する厳しい要求を課すことであり、製品の低歩留まり・高価格化を意味する。
このような制約は、図2のように偏光グレーティング(201,202,203,204)を配置して配線を3次元化することにより、
・信号の干渉なしに光路の交叉は実現できる
・構造の対称性が高く、線路長を高い精度で一致させることが容易である
という特徴によって解決することができる(特許文献4)。
For example, a PLC circuit that realizes a 90-degree hybrid of an ICR (Intradyne Coherent Receiver) for coherent communication as shown in Patent Document 2 has the following restrictions.
(1) In a PLC circuit, crossovers often occur on the circuit, but interference between signals is difficult to avoid due to the two-dimensional structure.
(2) For each orthogonally polarized light, it is necessary to keep the phase difference between the locally oscillating light of the I phase and the locally oscillating light of the Q phase at π / 2 radians with reference to the instantaneous phase of the signal light. This imposes strict requirements on line length error and line width error between lines, which means low yield and high price of products.
Such a restriction is achieved by arranging polarized gratings (201, 202, 203, 204) as shown in FIG. 2 to make the wiring three-dimensional.
-The crossing of optical paths can be realized without signal interference.-It can be solved by the feature that the symmetry of the structure is high and it is easy to match the line lengths with high accuracy (Patent Document 4).

コヒーレント通信と同様の光回路をLIDAR(Light Detection and Ranging)による物体検知に応用することも提案されている(非特許文献3)。一つの光源から出た光を二つに分離し、一つは物体に当てて帰ってきた光を用い、もう片方はそのまま用い二つの光を干渉させることで物体までの距離と物体の速度を測定できる。本発明によりこの干渉回路をコンパクトかつ低コストに実現することができる。 It has also been proposed to apply an optical circuit similar to coherent communication to object detection by LIDAR (Light Detection and Ranging) (Non-Patent Document 3). The light emitted from one light source is separated into two, one is used as the light returned by hitting the object, and the other is used as it is, and the two lights interfere with each other to increase the distance to the object and the speed of the object. Can be measured. According to the present invention, this interference circuit can be realized compactly and at low cost.

また一方で、偏光グレーティングと液晶を組み合わせることで光通信における用いられる光スイッチを実現することは可能である。
光通信において複数個の光信号の経路を切り替える光スイッチ回路は重要な部品である。図2は、光スイッチ回路の代表的な構造を示す原理図であり、平面状に導波路で結合された4入力4出力の熱光学効果スイッチ回路を示している。
On the other hand, it is possible to realize an optical switch used in optical communication by combining a polarizing grating and a liquid crystal.
An optical switch circuit that switches the paths of a plurality of optical signals is an important component in optical communication. FIG. 2 is a principle diagram showing a typical structure of an optical switch circuit, and shows a 4-input 4-output thermo-optical effect switch circuit connected by a waveguide in a plane.

光通信に用いられる他の重要な光スイッチ回路としては、波長選択スイッチ(WSS:Wavelength Selective Switch)やMEMS形スイッチなどが知られている。MEMS形の光スイッチ回路には、3次元形のものがある。3次元形のMEMSでは、入力側の光ファイバ群から出力側の光ファイバ群へと結合される信号路の選択自由度を高めるためには、MEMSのマイクロミラーアレイ、の該当するミラーの2次元傾きを多階調アナログ制御することが必要であり大きな困難が伴う。 As other important optical switch circuits used for optical communication, a wavelength selection switch (WSS: Wavelength Selective Switch), a MEMS type switch, and the like are known. There is a three-dimensional type optical switch circuit of the MEMS type. In the three-dimensional type MEMS, in order to increase the degree of freedom in selecting the signal path coupled from the optical fiber group on the input side to the optical fiber group on the output side, the two dimensions of the corresponding mirror of the MEMS micromirror array. It is necessary to control the tilt in multi-gradation analog, which is accompanied by great difficulty.

D. Lin、 P. Fan、 E. Hasman and M. Brongersma、”Dielectric gradient metasurface optical elements、 Science、 Applied Optics、 18 July 2014、 pp. 298-302.D. Lin, P. Fan, E. Hasman and M. Brongersma, "Dielectric gradient metasurface optical elements, Science, Applied Optics, 18 July 2014, pp. 298-302. N. Yu and F. Capasso、 “Flat optics with designer metasurfaces”、 Nature materials、 23 January 2014、 pp.139-149.N. Yu and F. Capasso, “Flat optics with designer metasurfaces”, Nature materials, 23 January 2014, pp.139-149. Cristopher V. Poulton、 Ami Yaacobi、 David B. Cole、 Matthew J. Byrd、 Manan Raval、 Diedrik Vermeulen、 and Michael R. Watts、 “Coherent solid-state LIDAR with silicon photonic optical phased arrays、” Optics Letters、 vol. 42、 no. 20、 15 October 2017、 pp.4091-4094.Cristopher V. Poulton, Ami Yaacobi, David B. Cole, Matthew J. Byrd, Manan Raval, Diedrik Vermeulen, and Michael R. Watts, “Coherent solid-state LIDAR with silicon photonic optical phased arrays,” Optics Letters, vol. 42 , No. 20, 15 October 2017, pp.4091-4094. K. Suzuki、 K. Tanizawa、 S. Suda、 H. Matsuura、 T. Inoue、 K. Ikeda、 S. Namiki、 and H. Kawashima、 “Broadband silicon photonics 8 × 8 switch based on double-Mach-Zehnder element switches、” Opt. Express 25、 7538-7546 (2017)K. Suzuki, K. Tanizawa, S. Suda, H. Matsuura, T. Inoue, K. Ikeda, S. Namiki, and H. Kawashima, “Broadband silicon photonics 8 × 8 switch based on double-Mach-Zehnder element switches , ”Opt. Express 25, 7538-7546 (2017) Ming C. Wu、 Olav Solgaard、 and Joseph E. Ford、 “Optical MEMS for Lightwave Communication、”Journal of Lightwave Technology、 vol. 24、 No. 12、 December 2006.Ming C. Wu, Olav Solgaard, and Joseph E. Ford, “Optical MEMS for Lightwave Communication,” Journal of Lightwave Technology, vol. 24, No. 12, December 2006.

特許第3325825号公報Japanese Patent No. 3325825 特開2011−18002号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2011-18002 米国特許第7573641公報U.S. Pat. No. 7,573,641 国際公開WO2019/013320号パンフレットInternational Publication WO2019 / 013320 Pamphlet 米国特許第7092599号公報U.S. Pat. No. 7092599 特許第3325825号公報Japanese Patent No. 3325825

ところで、多機能な光回路を実現するにあたり、より小型かつ低コストで、かつ高精度なものが要求される。しかし、平面光回路では、2次元面内のみで光回路を取りまわすために面積が大きくなり、また光路の交差を行うと必ずクロストークが発生することから性能が劣化する。 By the way, in order to realize a multifunctional optical circuit, a smaller size, lower cost, and higher precision are required. However, in a planar optical circuit, the area is large because the optical circuit is surrounded only in the two-dimensional plane, and crosstalk always occurs when the optical paths intersect, so that the performance deteriorates.

一方で、偏光グレーティングといった機能を持つ光学素子を光の進行方向(x方向)に直列に並べることで、平面光回路に比べて空間を効率良く利用でき、また交差やクロストークを抑制することができるが、複数段の処理には複数枚の光学素子が必要となるため、回路全体が長く、かつ高コストになってしまう。例えばコヒーレント通信に用いられる偏光分離と90度ハイブリッドを併せ持つ光回路を実現しようとした場合、出力光の間隔を一定以上に広げることが必要になるが、その際に偏光グレーティングの分離角をある程度以上にすると損失が発生してしまう。従って、損失を抑制しつつ出力光の間隔を広げるために、光路長が必然的に長くなってしまうという問題がある。 On the other hand, by arranging optical elements having functions such as polarization grating in series in the traveling direction (x direction) of light, space can be used more efficiently than in a planar optical circuit, and intersection and crosstalk can be suppressed. However, since a plurality of optical elements are required for the processing of a plurality of stages, the entire circuit becomes long and the cost becomes high. For example, when trying to realize an optical circuit that has both polarization separation and 90-degree hybrid used for coherent communication, it is necessary to widen the interval of output light to a certain level or more, but at that time, the separation angle of the polarization grating is increased to some extent or more. If it is set to, a loss will occur. Therefore, there is a problem that the optical path length is inevitably long in order to widen the interval of the output light while suppressing the loss.

そこで、本発明は、多段の光信号処理を少ない枚数の光学素子で実現することを第1の目的とする。 Therefore, the first object of the present invention is to realize multi-stage optical signal processing with a small number of optical elements.

また、平面上の経路スイッチとしては、PLC(Planar Lightwave Circuit:平面光回路)上のスイッチやシリコン光回路スイッチが知られている。それらの多入力多出力の光経路スイッチは、図3のように網目構造をなしていて、信号の入れ替えは隣接光線路間で行われる。図3において、2入力×2出力単位スイッチ素子301は、長方形で表される熱光学部分の加熱オン・オフにともなって、アンチクロス状態(左上→右上または左下→右下)とクロス状態(左上→右下または左下→右上)が切り替えられる。一つのスイッチ素子の入力から見て、信号の行き先は隣接する二つの線路のいずれか一方だけであって、経路変化はゼロかプラスマイナス1、つまり信号の跳躍はたかだか1段である。回路内で信号線路同士はほぼ直角で交叉していて漏話(クロストーク)を最小にしているがそれでも信号同士の漏話を避けるのは困難である。さらに複雑な回路、例えば8×8スイッチ回路(又は16×16スイッチ回路)では、信号は入力端から出力端に達する前に8個(又は16個)のスイッチ素子を通過する必要があり、通過ごとの信号損失や漏話が8回(16回)累積されているため、信号品質を維持するのがさらに困難である。このように、多数の入出力ポートを持つ光スイッチ回路で、信号損失や信号線路間の漏話が問題であるとされていた。 Further, as a path switch on a plane, a switch on a PLC (Planar Lightwave Circuit) and a silicon optical circuit switch are known. These multi-input, multi-output optical path switches have a network structure as shown in FIG. 3, and signals are exchanged between adjacent optical lines. In FIG. 3, the 2-input × 2-output unit switch element 301 is in an anti-cross state (upper left → upper right or lower left → lower right) and a cross state (upper left) as the heating on / off of the thermooptical portion represented by the rectangle is performed. → Lower right or lower left → upper right) can be switched. Seen from the input of one switch element, the destination of the signal is only one of the two adjacent lines, and the path change is zero or plus or minus 1, that is, the jump of the signal is at most one stage. In the circuit, the signal lines intersect at almost right angles to minimize crosstalk, but it is still difficult to avoid crosstalk between signals. In more complex circuits, such as 8x8 switch circuits (or 16x16 switch circuits), the signal must pass through 8 (or 16) switch elements before reaching the output end. It is even more difficult to maintain signal quality because each signal loss or crosstalk is accumulated 8 times (16 times). In this way, in an optical switch circuit having a large number of input / output ports, signal loss and crosstalk between signal lines have been considered to be problems.

そこで、本発明は、多数の入出力ポートを持つ光スイッチ回路においても、信号損失や信号線路間の漏話を効果的に抑制し、かつ回路構成を小型化することを第2の目的とする。本発明は、上記第1の目的及び第2の目的の少なくともいずれか一方を達成するためのものである。 Therefore, a second object of the present invention is to effectively suppress signal loss and crosstalk between signal lines even in an optical switch circuit having a large number of input / output ports, and to reduce the size of the circuit configuration. The present invention is for achieving at least one of the first object and the second object.

本発明の発明者らは、上記目的を達成する手段について鋭意検討した結果、1枚の透明基板の上に複数の機能を持つ領域を一括形成するとともに、その前後に反射ミラーを配置し、光路を折り曲げて当該透明基盤の異なる領域に順次光を入射することで、多段の光信号処理を少ない枚数の光学素子で実現することが可能になるという知見を得た。そして、本発明者らは、上記知見に基づけば、従来技術の課題を解決できることに想到し、本発明を完成させた。具体的に説明すると、本発明は以下の構成を有する。 As a result of diligent studies on means for achieving the above object, the inventors of the present invention collectively form regions having a plurality of functions on one transparent substrate, and arrange reflection mirrors in front of and behind the regions to obtain an optical path. It was found that multi-stage optical signal processing can be realized with a small number of optical elements by sequentially injecting light into different regions of the transparent substrate by bending the light. Then, the present inventors have come up with the idea that the problems of the prior art can be solved based on the above findings, and have completed the present invention. Specifically, the present invention has the following configuration.

本発明は、光信号を処理するための光回路に関する。本発明に係る光回路は、主基板と複数の反射部材を備える。主基板は、複数の機能領域が一つの平面上にパターン形成された透明基板である。機能領域の例は、偏光グレーティング(回折格子)領域であり、光の入射光に対して、偏光分離、ビーム分割、ビーム屈折、ビームの重ね合わせ等の光学的作用をもたらす。主基板は、各機能領域がパターン形成されたフォトニック結晶で構成されていることが好ましいが、図1に示されたようなメタ表面であってもよく、もしくは液晶分子を用いたものであってもよい。反射部材は、主基板の平面と対向配置され、この主基板両側にあって、機能領域を透過した光を往復反射するように配置されている。反射部材は、主基板の正面及び背面の両方に配置することが好ましく、これにより反射光を主基板に繰り返し入射させることができる。そして、本発明の光回路は、入射光が反射部材において往復反射することで主基板の複数の機能領域のそれぞれを透過するように構成されている。このように、一つの主基板上に複数の機能領域を集積(一括パターン形成)することにより、例えば一つの機能領域を持つ基板を複数枚直列に並べていた従来技術と比較して、少ない枚数の光学素子で多段の光信号処理を実現することができる。また、多数の入出力ポートを持つ光スイッチ回路においても、信号損失や信号線路間の漏話を効果的に抑制し、かつ回路構成を小型化することが可能となる。 The present invention relates to an optical circuit for processing an optical signal. The optical circuit according to the present invention includes a main substrate and a plurality of reflective members. The main substrate is a transparent substrate in which a plurality of functional regions are patterned on one plane. An example of a functional region is a polarizing grating (diffraction grating) region, which provides optical effects such as polarization separation, beam division, beam refraction, and beam superposition on incident light of light. The main substrate is preferably composed of photonic crystals in which each functional region is patterned, but it may be a meta surface as shown in FIG. 1, or a liquid crystal molecule is used. You may. The reflecting members are arranged to face the plane of the main substrate, and are arranged on both sides of the main substrate so as to reciprocally reflect the light transmitted through the functional region. The reflecting member is preferably arranged on both the front surface and the back surface of the main substrate, whereby the reflected light can be repeatedly incident on the main substrate. The optical circuit of the present invention is configured so that the incident light is reciprocally reflected by the reflecting member to pass through each of the plurality of functional regions of the main substrate. In this way, by integrating a plurality of functional regions on one main substrate (collective pattern formation), for example, the number of substrates is smaller than that of the conventional technique in which a plurality of substrates having one functional region are arranged in series. Multi-stage optical signal processing can be realized with an optical element. Further, even in an optical switch circuit having a large number of input / output ports, it is possible to effectively suppress signal loss and crosstalk between signal lines, and to reduce the size of the circuit configuration.

xyzの直交座標系からなる3次元空間において、z方向に入射光が進み、xy平面に偏光グレーティング領域が上記の機能領域として形成されている場合を想定する。この場合に、偏光グレーティング領域の周期(すなわち回折格子周期)をPとし、偏光グレーティングが周期Pの1/2波長の位相差を持つものであるときに、この偏光グレーティング領域に波長λの入射光が入射すると、z方向から+x方向にθ=sin−1(λ/2P)傾いた方向から入射した円偏光が、+x方向にθだけ傾いた逆回りの円偏光となって出射することが好ましい。このような構成によれば、円偏光である入射光を理論的には逆方向の円偏光に変換しつつ、損失無く逆方向に折り曲げることが可能となる。 It is assumed that the incident light travels in the z direction in the three-dimensional space composed of the xyz orthogonal coordinate system, and the polarized light grating region is formed as the above functional region on the xy plane. In this case, the period of the polarization grating region (that is, the diffraction grating period) is P, and when the polarization grating has a phase difference of 1/2 wavelength of the period P, the incident light having a wavelength λ is included in this polarization grating region. When is incident, it is preferable that the circular polarization incident from the direction tilted by θ = sin-1 (λ / 2P) in the + x direction from the z direction becomes the reverse circular polarization tilted by θ in the + x direction. .. According to such a configuration, it is possible to theoretically convert the incident light which is circularly polarized light into circularly polarized light in the opposite direction and bend it in the opposite direction without loss.

本発明に係る光回路において、複数の機能領域の少なくとも一つ、または複数の機能領域の全ては、1/4波長の位相差を持つ偏光グレーティング領域であることが好ましい。この場合に、反射部材が、偏光グレーティング領域の直後に設けられていることで、入射光が同じ偏光グレーティング領域を2往復し、1/4波長の位相を持つ偏光グレーティングが入射光に対して実質的に1/2波長の位相差を持つ偏光グレーティング領域として機能することが好ましい。このようにすれば、例えば主基板をすべて1/4波長板で形成した場合であっても、部分的に1/2波長板として機能させることができるようになり、複数の異なる機能領域を同じ基板上に一括形成しやすくなる。 In the optical circuit according to the present invention, it is preferable that at least one of the plurality of functional regions or all of the plurality of functional regions is a polarization grating region having a phase difference of 1/4 wavelength. In this case, since the reflecting member is provided immediately after the polarized light plating region, the incident light reciprocates twice in the same polarized light plating region, and the polarized light having a phase of 1/4 wavelength is substantially relative to the incident light. It is preferable to function as a polarization grating region having a phase difference of 1/2 wavelength. By doing so, for example, even when the main substrate is entirely formed of a 1/4 wave plate, it can be partially functioned as a 1/2 wave plate, and a plurality of different functional regions are the same. It becomes easy to form all at once on the substrate.

本発明に係る光回路において、主基板は、フォトニック結晶からなる複数の偏光グレーティング領域が一つの平面上にパターン形成されたものであることが好ましい。また、複数の偏光グレーティング領域には、偏光分離、ビーム分割、ビーム屈折、及びビーム重ね合わせ(重ね合わせ)の機能を持つものが含まれている。これにより、本発明に係る光回路は、偏光分離器と90度ハイブリッド回路の合成回路として機能するように構成されていることが好ましい。 In the optical circuit according to the present invention, it is preferable that the main substrate has a plurality of polarized grating regions made of photonic crystals formed in a pattern on one plane. Further, the plurality of polarized light grating regions include those having functions of polarization separation, beam division, beam refraction, and beam superposition (superposition). As a result, the optical circuit according to the present invention is preferably configured to function as a composite circuit of a polarizing separator and a 90-degree hybrid circuit.

本発明に係る光回路において、機能領域は、1個以上の偏光グレーティングと1個の液晶可変波長板とを含むものであってもよい。この場合、本発明の光回路は、入力光を複数の出力ポートの内の一つに選択的に結合することとしてもよい。 In the optical circuit according to the present invention, the functional region may include one or more polarizing gratings and one liquid crystal variable wavelength plate. In this case, the optical circuit of the present invention may selectively couple the input light to one of the plurality of output ports.

本発明に係る光回路において、機能領域は、1個以上の偏光グレーティングと1個の液晶可変波長板とを含むものであってもよい。この場合、本発明の光回路は、入力光を複数の出力ポートに亘って任意の比で分配することとしてもよい。 In the optical circuit according to the present invention, the functional region may include one or more polarizing gratings and one liquid crystal variable wavelength plate. In this case, the optical circuit of the present invention may distribute the input light over a plurality of output ports at an arbitrary ratio.

本発明の光回路によれば、多段の光信号処理を少ない枚数の光学素子で実現することができる。また、本発明の光回路によれば、多数の入出力ポートを持つ光スイッチ回路においても、信号損失や信号線路間の漏話を効果的に抑制し、かつ回路構成を小型化することができる。 According to the optical circuit of the present invention, multi-stage optical signal processing can be realized with a small number of optical elements. Further, according to the optical circuit of the present invention, even in an optical switch circuit having a large number of input / output ports, signal loss and crosstalk between signal lines can be effectively suppressed, and the circuit configuration can be miniaturized.

図1は、傾斜メタ表面を使って実現した偏光グレーティングの一例を示している。FIG. 1 shows an example of a polarization grating realized by using an inclined meta surface. 図2は、偏光分離回路と90度ハイブリッド回路の合成回路の一例を示している。FIG. 2 shows an example of a combined circuit of a polarization separation circuit and a 90-degree hybrid circuit. 図3は、網目構造をなす多入力多出力の光経路スイッチの一例を示している。FIG. 3 shows an example of a multi-input, multi-output optical path switch having a network structure. 図4は、本発明に係る光回路の基本原理を示している。FIG. 4 shows the basic principle of the optical circuit according to the present invention. 図5は、図4に示した光回路の応用例である。FIG. 5 is an application example of the optical circuit shown in FIG. 図6は、フォトニック結晶による曲線型の偏光グレーティングの一例を示している。FIG. 6 shows an example of a curved polarization grating made of a photonic crystal. 図7は、ミラーを用いて一枚の基板上に1/4波長板として機能する部位と1/2波長板として機能する部位を一括形成する方法を示している。FIG. 7 shows a method of collectively forming a portion that functions as a 1/4 wave plate and a portion that functions as a 1/2 wavelength plate on a single substrate using a mirror. 図8は、本発明に係る光回路のyz面の断面構造の一例を示している。FIG. 8 shows an example of the cross-sectional structure of the yz plane of the optical circuit according to the present invention. 図9は、本発明に係る光回路の光路を模式的に展開したものであり、xz面から見た光路を示している。FIG. 9 is a schematic development of the optical path of the optical circuit according to the present invention, and shows the optical path seen from the xz plane. 図10は、光回路の中核となる主基板のレイアウト例(xy面)を示している。FIG. 10 shows a layout example (xy plane) of the main board which is the core of the optical circuit. 図11は、本発明に係る液晶を用いた光回路を模式的に展開したものであり、xz面から見た光路を示している。FIG. 11 is a schematic development of an optical circuit using a liquid crystal according to the present invention, and shows an optical path seen from the xz plane. 図12は、図11の光回路を駆動するための電気配線の一例を示している。FIG. 12 shows an example of electrical wiring for driving the optical circuit of FIG.

以下、図面を用いて本発明を実施するための形態について説明する。本発明は、以下に説明する形態に限定されるものではなく、以下の形態から当業者が自明な範囲で適宜変更したものも含む。 Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. The present invention is not limited to the forms described below, and includes those appropriately modified from the following forms to the extent apparent to those skilled in the art.

[1.基本構成]
本発明の根幹は、光信号の伝送経路や処理の異なる複数の機能領域を、幾何学的・形状的に一つの主基板の平面上に一括形成することにより、機能領域の位置あわせの正確化や、光回路の製造コスト低減、さらには光回路の小型化を実現することにある。
[1. Basic configuration]
The basis of the present invention is to accurately align the functional regions by collectively forming a plurality of functional regions having different optical signal transmission paths and processing on the plane of one main substrate geometrically and geometrically. The purpose is to reduce the manufacturing cost of the optical circuit and to reduce the size of the optical circuit.

機能領域としては、例えば国際公開WO2019/013320号(特許文献4)に開示された偏光グレーティングを挙げることができる。偏光グレーティングを用いることで、入射光の偏光分離、ビーム屈折、ビーム分割、あるいはビームの重ね合わせが可能となり、それらを組み合わせることで、コヒーレント通信で用いることのできる偏光分離回路と90度ハイブリッド回路の機能を実現できる。この場合、特許文献4では複数の光学素子(機能領域)を光の進行方向に直列に並べていく構成が述べられているが、本発明では、発想を転換して、すべての機能領域を一つの主基板の平面上に一括してパターン形成する。そして、主基板の前後に反射部材(ミラー等)を配置して、主基板への入射光が反射部材を反射しながら、この主基板上に形成された複数の機能領域に導入させるように構成する。 Examples of the functional area include polarized light grating disclosed in International Publication WO2019 / 01332020 (Patent Document 4). Polarization grating enables polarization separation, beam refraction, beam division, or beam superposition of incident light, and by combining them, a polarization separation circuit and a 90-degree hybrid circuit that can be used in coherent communication. The function can be realized. In this case, Patent Document 4 describes a configuration in which a plurality of optical elements (functional regions) are arranged in series in the traveling direction of light, but in the present invention, the idea is changed and all the functional regions are combined into one. A pattern is collectively formed on the plane of the main substrate. Then, reflective members (mirrors, etc.) are arranged in front of and behind the main substrate so that the incident light on the main substrate reflects the reflective members and is introduced into a plurality of functional regions formed on the main substrate. To do.

例えば図4(a)に示すように、従来は、複数の基板上410,420,430にそれぞれ異なる偏光グレーティング領域411,421,431を形成していた。これに対して、本発明では、図4(b)に示すように、1枚の主基板440上に、3領域の機能の異なるフォトニック結晶からなる偏光グレーティング領域441,442,443が一括パターン形成されている。具体的には、図4(b)の光回路は、図面の左側から入射した光が、第1の偏光グレーティング領域441を透過し、その後第1のミラー450で反射され、次いで第2の偏光グレーティング領域442を透過し、その後第2のミラー460で反射され、最後に偏光グレーティング領域443を透過して出射されるように構成されている。この場合、異なる光学的機能を持つ偏光グレーティング領域441,442,443を含むフォトニック結晶を1枚の主基板440上に一括で形成することが可能である。従って、図4(b)に示した光回路は、図4(a)に示したものと比べて、低コストで製造することができる。また、図4(b)に示した光回路では、3領域のパターンはそれぞれ電子線描画などのリソグラフィー技術で作成されるため、互いの位置関係を高い精度で制御することができる。従来であれば3枚を位置合わせする必要があったがそれが不要となる。なお、図4に示した例では、偏光グレーティング領域は3箇所であるが、さらに増やすことも可能である。 For example, as shown in FIG. 4A, conventionally, different polarization grating regions 411, 421, 431 were formed on a plurality of substrates on 410, 420, and 430, respectively. On the other hand, in the present invention, as shown in FIG. 4B, polarized grating regions 441, 442, 443 composed of photonic crystals having different functions in the three regions are collectively patterned on one main substrate 440. It is formed. Specifically, in the optical circuit of FIG. 4B, light incident from the left side of the drawing passes through the first polarized light grating region 441, is then reflected by the first mirror 450, and then is second polarized light. It is configured to pass through the grating region 442, then be reflected by the second mirror 460, and finally pass through the polarization grating region 443 and be emitted. In this case, it is possible to collectively form a photonic crystal containing polarized grating regions 441, 442, 443 having different optical functions on one main substrate 440. Therefore, the optical circuit shown in FIG. 4B can be manufactured at a lower cost than that shown in FIG. 4A. Further, in the optical circuit shown in FIG. 4B, since the patterns in each of the three regions are created by a lithography technique such as electron beam drawing, the positional relationship between them can be controlled with high accuracy. In the past, it was necessary to align three sheets, but that is no longer necessary. In the example shown in FIG. 4, the polarization grating region is three locations, but it can be further increased.

また、図5に示されるように、主基板510の前後に配置する反射部材にハーフミラー530を採用して、光回路に導入された光の一部を外部に出力したり、ある領域だけ透過させて別のミラーで反射させることで伝搬長を制御することもできる。図5の紙面に垂直な方向に対して斜めの成分を持っていれば、伝搬長によって紙面に垂直な方向での位置が変わるため、3次元で位置を制御することも可能である。さらに、図5のように、光を入射した方向と同じ方向に出力させることも可能である。つまり、光回路への入射光は、第1の偏光グレーティング領域511を透過して、その後第1のミラー520で反射し、次に第2の偏光グレーティング領域512を透過して、その後ハーフミラー530で一部が反射して、残部は透過する。ハーフミラー530の透過光は、光回路に入射した方向と同じ方向に出力される。また、ハーフミラー530の反射光のみが、第3の偏光グレーティング領域513を透過して、第2のミラー540で反射する。第2のミラー540の反射光も、光回路に入射した方向と同じ方向に出力される。 Further, as shown in FIG. 5, a half mirror 530 is adopted as a reflecting member arranged in front of and behind the main board 510 to output a part of the light introduced into the optical circuit to the outside or transmit only a certain region. It is also possible to control the propagation length by making it reflect by another mirror. If the component is oblique to the direction perpendicular to the paper surface of FIG. 5, the position in the direction perpendicular to the paper surface changes depending on the propagation length, so that the position can be controlled in three dimensions. Further, as shown in FIG. 5, it is also possible to output light in the same direction as the incident direction. That is, the incident light to the optical circuit passes through the first polarization grating region 511, is then reflected by the first mirror 520, then passes through the second polarization grating region 512, and then the half mirror 530. Part of it is reflected and the rest is transmitted. The transmitted light of the half mirror 530 is output in the same direction as the light incident on the optical circuit. Further, only the reflected light of the half mirror 530 passes through the third polarization grating region 513 and is reflected by the second mirror 540. The reflected light of the second mirror 540 is also output in the same direction as the light incident on the optical circuit.

多段の光回路では、一つ一つの反射ミラーの光損失が小さいこと(例えば反射効率99%以上)と偏光グレーティングの所望次数・所望偏光への回折効率が高いこと(例えば98%以上)が有利な条件である。前者は誘電体多層反射膜で広く実用されている。後者はNb/SiOを用いた自己クローニングフォトニック結晶により実証されている。このように、1枚の基板上に複数の光学的機能を持つ領域が一括形成された光学素子と反射ミラーを組み合わせることで、高い自由度を持つ光回路を実現することが可能である。もちろん機能領域が形成された主基板は1枚である必要はなく、複数枚であってもよい。 In a multi-stage optical circuit, it is advantageous that the light loss of each reflection mirror is small (for example, the reflection efficiency is 99% or more) and the diffraction efficiency of the polarizing grating to the desired order / desired polarization is high (for example, 98% or more). It is a condition. The former is widely used as a dielectric multilayer reflective film. The latter has been demonstrated by self-cloning photonic crystals with Nb 2 O 5 / SiO 2 . In this way, it is possible to realize an optical circuit having a high degree of freedom by combining an optical element in which regions having a plurality of optical functions are collectively formed on one substrate and a reflection mirror. Of course, the number of main substrates on which the functional region is formed does not have to be one, and may be a plurality.

[2.機能領域]
主基板上に形成する機能領域を、図6に示すような、微細構造のパターンを持つ偏光グレーティングによって達成する場合を説明する。本発明で用いる偏光グレーティングは、微細な凹凸構造がパターニングされた波長板であり、その波長板の位相差によって0次光と1次光の割合を変えることができる。具体的には入射光が円偏光である場合、位相差が1/4であれば、半分のパワーは0次光としてそのまま通過する。残り半分のパワーは、逆回りの円偏光となり、1次回折光として偏光グレーティングの周期P、波長λとするとθsin−1(λ/P)の角度で回折される。位相差が1/2であればすべて1次回折光に進む。このように偏光グレーティングの位相差で、各機能領域に付与する機能を変えることができる。このようなパターンの偏光グレーティングによって、光の偏光分離や、分岐、屈折、重ね合わせを実現する方法は公知であり、例えば国際公開WO2019/013320号(特許文献4)にて詳細に説明されている。
[2. Functional area]
A case where the functional region formed on the main substrate is achieved by polarization grating having a fine structure pattern as shown in FIG. 6 will be described. The polarizing grating used in the present invention is a wave plate in which a fine uneven structure is patterned, and the ratio of 0th-order light and 1st-order light can be changed depending on the phase difference of the wave plate. Specifically, when the incident light is circularly polarized light and the phase difference is 1/4, half the power passes as it is as 0th order light. The power of the other half becomes circularly polarized light in the opposite direction, and is diffracted at an angle of θsin-1 (λ / P) when the period P of the polarizing grating is set as the primary diffraction light and the wavelength is λ. If the phase difference is 1/2, the process proceeds to the first-order diffracted light. In this way, the function given to each functional region can be changed by the phase difference of the polarization grating. A method for realizing polarization separation, branching, refraction, and superposition of light by a polarization grating of such a pattern is known, and is described in detail in, for example, International Publication WO2019 / 013320 (Patent Document 4). ..

光学素子は、3次元空間x、y、zにおいて、xy面に形成された波長板を備える。波長板の好ましい形態は、z軸方向に積層されたフォトニック結晶である。波長板の位相差θは、πラジアンの整数倍ではない。光学素子は、x軸方向に単一、もしくは、繰り返される一又は複数の領域を有する。つまり、y軸方向に平行な帯状の幅Dの領域が、x軸方向に単一又は複数繰り返される。この波長板の軸方位は、曲線であり、かつy軸方向に対する角度が0度から180度の範囲で連続的に変化する。具体的には、波長板に形成された溝は、曲線y=(D/π)log(|cos(πx/D)|)+定数 と離散化誤差の範囲で一致する曲線となる。例えば、波長板には、その軸方位に沿った溝が形成されている。
光学素子は、−z方向から+z方向へと入射する円偏光を、パワー比sin(θ/2):cos(θ/2)で、入射する円偏光が右回りの場合、左回りの円偏光でxz面で+x方向に屈曲する成分と、右回りの円偏光で直進する成分とに分離および変換して出射する。一方、入射する円偏光が左回りの場合、右回りの円偏光でxz面で−x方向に屈曲する成分と、左回りの円偏光で直進する成分とに分離および変換して出射する。
The optical element includes a wave plate formed on the xy plane in the three-dimensional spaces x, y, and z. A preferred form of the wave plate is a photonic crystal laminated in the z-axis direction. The phase difference θ of the wave plate is not an integral multiple of π radians. The optical element has one or more regions that are single or repeated in the x-axis direction. That is, a band-shaped region having a width D parallel to the y-axis direction is repeated once or a plurality in the x-axis direction. The axial direction of this wave plate is curved, and the angle with respect to the y-axis direction continuously changes in the range of 0 degrees to 180 degrees. Specifically, the groove formed in the wave plate is a curve that matches the curve y = (D / π) log (| cos (πx / D) |) + constant within the range of the discretization error. For example, the wave plate is formed with a groove along its axial direction.
The optical element applies circular polarization incident from the −z direction to the + z direction with a power ratio of sin 2 (θ / 2): cos 2 (θ / 2), and when the incident circular polarization is clockwise, it is counterclockwise. It is separated and converted into a component that is circularly polarized and bends in the + x direction on the xz plane and a component that is clockwise and goes straight. On the other hand, when the incident circularly polarized light is counterclockwise, the component that bends in the −x direction on the xz plane due to the clockwise circularly polarized light and the component that travels straight through the counterclockwise circularly polarized light are separated and converted and emitted.

波長板は、4分の1波長板であることが特に好ましい。この場合、本発明の光学素子は、−z方向から+zへと入射するの円偏光を、前記の屈曲する成分と前記の直進する成分とに等しいパワー(光量)で分離および変換して出射する。 It is particularly preferable that the wave plate is a quarter wave plate. In this case, the optical element of the present invention separates and converts the circularly polarized light incident on the + z direction from the −z direction with a power (light amount) equal to the bending component and the straight-moving component, and emits the polarized light. ..

上記した曲線型の溝をもつ光学素子は、隣り合う凸部と凹部の一方の間隔の前記領域の内部における最大値と最小値の比が2倍以内になるように、他方が分岐・合流するよう幾何学的に配置されていることが好ましい。 In the above-mentioned optical element having a curved groove, the other branches and merges so that the ratio of the maximum value to the minimum value inside the region of one of the adjacent convex portions and concave portions is within twice. It is preferable that they are arranged geometrically.

上記した曲線型の溝をもつ光学素子は、領域の幅をDとした場合に、曲線が、y=(D/π)log(|cos(πx/D)|)+定数で表されることが好ましい。 In the above-mentioned optical element having a curved groove, the curve is represented by y = (D / π) log (| cos (πx / D) |) + constant, where D is the width of the region. Is preferable.

本発明の光学素子において、波長板はz軸方向に積層されたフォトニック結晶で構成されていることが好ましい。この場合、フォトニック結晶の溝間単位周期が、40nm以上、かつ入射する光の波長の1/4以下であり、フォトニック結晶の厚さ方向の周期が、入射する光の波長の1/4以下であることが好ましい。 In the optical element of the present invention, the wave plate is preferably composed of photonic crystals laminated in the z-axis direction. In this case, the unit period between the grooves of the photonic crystal is 40 nm or more and 1/4 or less of the wavelength of the incident light, and the period in the thickness direction of the photonic crystal is 1/4 of the wavelength of the incident light. The following is preferable.

フォトニック結晶は、公知であるが、例えば自己クローニング法(特許文献1参照)によって形成すればよい。フォトニック結晶は、導波する光の動作波長よりも短い周期で屈折率が周期的に変化する構造体である。特に、波長板は、自己クローニング作用により形成されたフォトニック結晶であることが好ましい。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。具体的なフォトニック結晶の製造方法としては、特許文献1に開示されているように、1次元的または2次元的に周期的な凹凸をもつ基板の上に、2種類以上の屈折率の異なる物質(透明体)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(波長板)を製造する方法があげられる。この方法は、自己クローニング法ともよばれる。そして、この自己クローニング法により形成されたフォトニック結晶は、自己クローニング型フォトニック結晶とよばれる。なお、自己クローニング型フォトニック結晶を用いて波長板を構成する技術は公知である。例えばフォトニック結晶の別の作製方法として、フェムト秒レーザをガラスに照射することで周期的な空隙を作製する方法が挙げられる。
また同様に波長板を構成する技術として液晶を用いた方法も挙げられる。
Although the photonic crystal is known, it may be formed by, for example, a self-cloning method (see Patent Document 1). A photonic crystal is a structure in which the refractive index changes periodically in a period shorter than the operating wavelength of the guided light. In particular, the wave plate is preferably a photonic crystal formed by a self-cloning action. A photonic crystal is a microperiodic structure that functions as an optical element. As a specific method for producing a photonic crystal, as disclosed in Patent Document 1, two or more kinds of different refractive indexes are provided on a substrate having one-dimensional or two-dimensional periodic irregularities. An example is a method of manufacturing an optical element (wave plate) by periodically and sequentially laminating substances (transparent bodies) and using sputter etching alone or at the same time as film formation on at least a part of the laminate. This method is also called the self-cloning method. The photonic crystal formed by this self-cloning method is called a self-cloning photonic crystal. A technique for constructing a wave plate using a self-cloning photonic crystal is known. For example, as another method for producing a photonic crystal, there is a method for producing periodic voids by irradiating glass with a femtosecond laser.
Similarly, as a technique for constructing a wave plate, a method using a liquid crystal can be mentioned.

なお、自己クローニング型フォトニック結晶を形成する複数種類の透明体は、アモルファスシリコン、5酸化ニオブ、5酸化タンタル、酸化チタン、酸化ハフニウム、2酸化ケイ素、酸化アルミ、フッ化マグネシウムなどのフッ化物のいずれかであることが好ましい。これらの中から屈折率の異なる2ないし複数種を選択しフォトニック結晶に用いることができる。例えばアモルファスシリコンと二酸化ケイ素、5酸化ニオブと二酸化ケイ素、五酸化タンタルと二酸化ケイ素の組み合わせが望ましいが、それ以外の組み合わせでも可能である。具体的には、自己クローニング型フォトニック結晶は、高屈折率材料と低屈折率材料とをz方向に交互に積層した構造を有する。高屈折率材料は、5酸化タンタル、5酸化ニオブ、アモルファスシリコン、酸化チタン、酸化ハフニウムまたはこれら2種以上の材料を組み合わせたものであることが好ましい。低屈折率材料は、2酸化ケイ素、酸化アルミ、フッ化マグネシウムを含むフッ化物またはこれら2種以上の材料を組み合わせたものであることが好ましい。 The plurality of types of transparent substances forming the self-cloning photonic crystal are fluorides such as amorphous silicon, niobium pentoxide, tantalum pentoxide, titanium oxide, hafnium oxide, silicon dioxide, aluminum oxide, and magnesium fluoride. It is preferably either. Two or more kinds having different refractive indexes can be selected from these and used for photonic crystals. For example, a combination of amorphous silicon and silicon dioxide, niobium pentoxide and silicon dioxide, and tantalum pentoxide and silicon dioxide is desirable, but other combinations are also possible. Specifically, the self-cloning photonic crystal has a structure in which a high refractive index material and a low refractive index material are alternately laminated in the z direction. The high refractive index material is preferably tantalum pentoxide, niobium pentoxide, amorphous silicon, titanium oxide, hafnium oxide, or a combination of two or more of these materials. The low refractive index material is preferably a fluoride containing silicon dioxide, aluminum oxide, magnesium fluoride, or a combination of two or more of these materials.

各波長板を形成する面内の周期構造の溝間単位周期および前記波長板の厚さ方向の単位周期は、共に、光学素子に入射する光の波長の4分の1以下となる。なお、面内の周期構造の溝間単位周期40nm以上とすることが好ましく。なお、光学素子に入射する光の波長は、通常、400nm〜1800nmの間から選ばれることが想定される。 Both the inter-groove unit period of the in-plane periodic structure forming each wave plate and the unit period in the thickness direction of the wave plate are one-fourth or less of the wavelength of the light incident on the optical element. The unit period between grooves of the in-plane periodic structure is preferably 40 nm or more. It is assumed that the wavelength of the light incident on the optical element is usually selected from the range of 400 nm to 1800 nm.

また、複数領域の波長板のうち、波長板溝長さの面内の最小値は溝間単位周期以上である。なお、波長板溝長さの面内の最大値の上限は溝間単位周期pの50倍以下であることが好ましい。 Further, among the wave plates in a plurality of regions, the in-plane minimum value of the wave plate groove length is equal to or longer than the inter-groove unit period. The upper limit of the in-plane maximum value of the wave plate groove length is preferably 50 times or less of the inter-groove unit period p.

また主軸方位が連続的に変化する波長板(曲線型)の場合、凸部のピッチpが(パタンが直線であるときのピッチ)をpとすると0.7・p≦p≦1.4・p以内になるよう、凸部または凹部が分岐・合流するよう幾何学的に配置されることが好ましい。自己クローニング型フォトニック結晶は、位相差の変化が、ピッチの変動に対して変動が小さい。したがって、ピッチが変わった場合の半波長板からの位相ずれを小さくできる。 In the case of a wave plate (curve type) in which the principal axis orientation changes continuously, if the pitch p of the convex portion (pitch when the pattern is a straight line) is p 0 , 0.7 · p 0 ≦ p ≦ 1. It is preferable that the convex or concave portions are geometrically arranged so as to branch or merge so as to be within 4.p 0 . In the self-cloning photonic crystal, the change in phase difference is small with respect to the fluctuation in pitch. Therefore, the phase shift from the half-wave plate when the pitch changes can be reduced.

本発明に係る光学素子の好ましい実施形態は、入射する所定の円偏光に対して動作する光学素子である。この光学素子は、それぞれの領域がπラジアンの整数倍ではない位相差θの波長板をなし、入射した円偏光は逆回りの円偏光と同じ周りの円偏光に強度比はsin(θ/2):cos(θ/2)で分岐される。 A preferred embodiment of the optical element according to the present invention is an optical element that operates with respect to incident predetermined circularly polarized light. In this optical element, each region forms a wave plate with a phase difference θ that is not an integral multiple of π radians, and the incident circular polarization is the same as the reverse circular polarization and the intensity ratio is sin 2 (θ / 2): Branched at cos 2 (θ / 2).

自己クローニング形フォトニック結晶波長板に基づく本発明の光学素子は傾斜メタ表面(たとえば非特許文献1,2:gradient metasurface)とは根本的に異なり体積形であるため、その表面とその下部に反射防止処理を行うことや、接着剤を用いてほかの光学素子と接続することなどが容易にできる。体積形であって、積層の全厚さを保ったまま積層数を大きく(例えば2倍)、積層周期、面内周期を小さく(例えば1/2)しても特性がほぼ一定に保たれるので、構造の高精細化が可能である。 Since the optical element of the present invention based on the self-cloning photonic crystal wave plate has a volume shape, which is fundamentally different from the inclined metasurface (for example, Non-Patent Documents 1 and 2: gradient metasurface), it is reflected on the surface and the lower part thereof. It is possible to easily perform preventive treatment and connect to other optical elements using an adhesive. It is a volume type, and the characteristics are kept almost constant even if the number of layers is increased (for example, twice) and the layer period and in-plane period are decreased (for example, 1/2) while maintaining the total thickness of the layers. Therefore, it is possible to increase the definition of the structure.

ところで、特許文献1の自己クローニング法で作製されたフォトニック結晶波長板を用いて偏光グレーティングを形成する場合、位相差は、透明体の積層数で制御する。つまり1/4波長板の層数は1/2波長板の層数のほぼ半分とする必要がある。このため、フォトニック結晶波長板の場合、同じ1枚の基板の平面上に、1/4波長板として機能する領域と1/2波長板として機能する領域を同時に形成することが困難であるという課題がある。本発明は、当該課題に対する解決策を提案する。 By the way, when a polarizing grating is formed using a photonic crystal wave plate produced by the self-cloning method of Patent Document 1, the phase difference is controlled by the number of layers of transparent materials. That is, the number of layers of the 1/4 wave plate needs to be approximately half the number of layers of the 1/2 wave plate. Therefore, in the case of a photonic crystal wave plate, it is difficult to simultaneously form a region that functions as a 1/4 wavelength plate and a region that functions as a 1/2 wavelength plate on the plane of the same single substrate. There are challenges. The present invention proposes a solution to the problem.

ここで図7に示すように、例えば1/4波長板からなる偏光グレーティングが形成された透明基板の裏側の一部に、反射ミラーが形成されたガラス板を配置する。すると、透明基板のうち、入射光がそのまま透過する部分は、1/4波長板として機能し、入射光を反射する部分は、実質的に入射光が二度通過(往復)することになるため1/2波長板として機能する。このように、透明基板の裏に反射ミラーを配置する部分と配置しない部分を区分けすることで、1枚の透明基板の上に1/4波長板として機能する部分と1/2波長板として機能する部分を、平面的に一括形成することができる。すなわち、ミラーで反射された光は跳ね返り戻ってくる。1/4波長板とミラーを組み合わせて光を入れた場合、光は1/4波長板を往復することで、1/2波長板に相当する位相差を感じて反射光が戻ることとなる。この考え方を上記偏光グレーティングに適用し、1/4波長板で形成された偏光グレーティングとミラーを組み合わせることで、部分的に1/2波長板として機能する偏光グレーティングを実現することができる。 Here, as shown in FIG. 7, a glass plate on which a reflection mirror is formed is arranged on a part of the back side of a transparent substrate on which a polarizing grating made of, for example, a 1/4 wave plate is formed. Then, the portion of the transparent substrate through which the incident light is transmitted as it is functions as a 1/4 wave plate, and the portion that reflects the incident light substantially passes (reciprocates) the incident light twice. Functions as a 1/2 wave plate. In this way, by separating the part where the reflection mirror is placed and the part where the reflection mirror is not placed on the back of the transparent substrate, the part that functions as a 1/4 wave plate and the part that functions as a 1/2 wave plate on one transparent substrate The parts to be formed can be collectively formed in a plane. That is, the light reflected by the mirror bounces back. When light is input by combining a 1/4 wave plate and a mirror, the light reciprocates on the 1/4 wave plate, and the reflected light returns by feeling a phase difference corresponding to the 1/2 wave plate. By applying this idea to the above-mentioned polarizing grating and combining a polarizing grating formed of a 1/4 wave plate and a mirror, it is possible to realize a polarizing grating that partially functions as a 1/2 wavelength plate.

[3.光回路:偏光分離回路と90度ハイブリッド回路の合成]
続いて、図8から図10を参照して、偏光分離回路と90度ハイブリッド回路の機能を併せ持つ光回路について説明する。光回路100は、xyzの直交座標系からなる3次元構造をなしており、入射光がx軸方向に進行する。図8は、一実施形態に係る光回路100xz面の断面図ある。また、図9は、光回路100における入射光の光路が直線的になるように模試的に展開して表したである。図10は、図8のX−Xにおける断面図であり、複数の機能領域が形成された主基板110のxy面を示している。
[3. Optical circuit: Synthesis of polarization separation circuit and 90-degree hybrid circuit]
Subsequently, with reference to FIGS. 8 to 10, an optical circuit having the functions of a polarization separation circuit and a 90-degree hybrid circuit will be described. The optical circuit 100 has a three-dimensional structure composed of an orthogonal coordinate system of xyz, and incident light travels in the x-axis direction. FIG. 8 is a cross-sectional view of an optical circuit 100xz plane according to an embodiment. Further, FIG. 9 is a trial development in which the optical path of the incident light in the optical circuit 100 is linear. FIG. 10 is a cross-sectional view taken along the line XX of FIG. 8 and shows an xy plane of the main substrate 110 in which a plurality of functional regions are formed.

光回路100の基本的な機能を、図9を参照して説明する。まず、図中の左側から信号光と局部発振光が光回路100に入射する。これらの信号光と局部発振光は、第1の偏光グレーティング111(機能領域A:偏光分離)に入射して、それぞれ右回りと左回りの円偏光に分離される。偏光分離のための第1の偏光グレーティング111は、例えば図6に示した曲線型と同様のパターンで、位相差がπラジアンとなるものとすればよい。 The basic function of the optical circuit 100 will be described with reference to FIG. First, the signal light and the locally oscillated light are incident on the optical circuit 100 from the left side in the drawing. These signal lights and locally oscillated light enter the first polarized light grating 111 (functional region A: polarized light separation) and are separated into clockwise and counterclockwise circular polarization, respectively. The first polarization grating 111 for polarization separation may have a pattern similar to that of the curved line shown in FIG. 6, for example, and the phase difference may be π radians.

次に、第1の偏光グレーティング111から出力された円偏光は、それぞれ、第2の偏光グレーティング112(機能領域B:ビーム分割)に入射して、半分のパワーの光に分割される。ビーム分割のための第2の偏光グレーティング112は、例えば図6に示した曲線型と同様のパターンで、位相差がπ/2ラジアンとなるものとすればよい。このとき、第2の偏光グレーティング112に形成された格子パターンは、円偏光の入射位置ごとにパターンの位相をずらすことで、各円偏光に対して任意の位相差を与えることができる。例えば、第1の偏光グレーティング111で分離された右回りの信号光の位相を、もう一方の左回りの信号光に対して90度進めて、2つの信号光の位相差を90度にしたり、あるいは別の位相差を与えることもできる。 Next, the circularly polarized light output from the first polarized light grating 111 is incident on the second polarized light grating 112 (functional region B: beam division), and is divided into light having half the power. The second polarization grating 112 for beam division may have a pattern similar to that of the curved line shown in FIG. 6, for example, and the phase difference may be π / 2 radians. At this time, the lattice pattern formed on the second polarized light grating 112 can give an arbitrary phase difference to each circularly polarized light by shifting the phase of the pattern for each incident position of the circularly polarized light. For example, the phase of the clockwise signal light separated by the first polarization grating 111 may be advanced by 90 degrees with respect to the other counterclockwise signal light to make the phase difference between the two signal lights 90 degrees. Alternatively, another phase difference can be given.

次に、第2の偏光グレーティング112にて2分割された光は、両方とも第4の偏光グレーティング114(機能領域D:重ね合わせ)に向かうことになるが、その際に、2分割された光の一方は、第3の偏光グレーティング113(機能領域C:屈折)を経由して光路が屈折されて、その後第4の偏光グレーティング114に入射し、2分割された光の他方は、第3の偏光グレーティング113を経由せずにそのまま第4の偏光グレーティング114に入射する。ここで、第3の偏光グレーティング113の位相差をπラジアンとした際、入力された円偏光は屈曲され逆回りの円偏光となって出力される。第1の偏光グレーティング111から出力されるビームはすべて円偏光であるため、ビームの方向を変えることができる。ビームの屈曲角度は、偏光グレーティングの周期で決まる。このパターンの方位や周期は様々な値に設定できる。したがって、こうした素子を配置することで、ビームを折り曲げながら任意の位置に導くことができる。 Next, the light divided into two by the second polarization grating 112 is directed to the fourth polarization grating 114 (functional region D: superposition), but at that time, the light divided into two One is refracted through the third polarization grating 113 (functional region C: refraction) and then incident on the fourth polarization grating 114, and the other of the bisected light is the third. It directly enters the fourth polarized light plating 114 without passing through the polarized light plated 113. Here, when the phase difference of the third polarized light grating 113 is π radian, the input circularly polarized light is bent and output as a reversely rotated circularly polarized light. Since all the beams output from the first polarization grating 111 are circularly polarized light, the direction of the beams can be changed. The bending angle of the beam is determined by the period of polarization grating. The orientation and period of this pattern can be set to various values. Therefore, by arranging such an element, the beam can be guided to an arbitrary position while being bent.

次に、第1の偏光グレーティング111及び第2の偏光グレーティング112を通過した信号光と局部発信光は、第4の偏光グレーティング114(機能領域D:重ね合わせ)に導入される。第4の偏光グレーティング114に導入された信号光と局部発振光は、重ね合わせ干渉を起こす。これにより、信号光と局部発振光を干渉させた出力光を得ることができる。すなわち、この光回路100の構成によれば、偏光面を任意の方向に調整した信号光と局部発振光を干渉させた合計8本のビームを出力することができる。また、第4の偏光グレーティング114の直後には、平行化(コリメート)のための第5の偏光グレーティング151が設けられている。第4の偏光グレーティング114から出射された8本のビームは、第5の偏光グレーティング151を通過することで、それぞれが平行な状態に戻される。 Next, the signal light and the locally transmitted light that have passed through the first polarized grating 111 and the second polarized grating 112 are introduced into the fourth polarized grating 114 (functional region D: superposition). The signal light introduced into the fourth polarizing grating 114 and the locally oscillated light cause superposition interference. As a result, it is possible to obtain output light in which the signal light and the locally oscillated light interfere with each other. That is, according to the configuration of the optical circuit 100, it is possible to output a total of eight beams in which the signal light whose polarization plane is adjusted in an arbitrary direction and the locally oscillated light interfere with each other. Immediately after the fourth polarization grating 114, a fifth polarization grating 151 for parallelization (colimating) is provided. The eight beams emitted from the fourth polarized grating 114 are returned to a parallel state by passing through the fifth polarized grating 151.

上記図9は、光回路100の光学的な機能を説明するためのものである。本発明に係る光回路100は、実際には、図8に示した立体的な構造をなすものであり、これにより図9に示した機能が達成される。概念的には、図9に示した反射面(115,121,131,141,116,141)にて、図9の紙面を折り畳むことを考える。図9に示した反射面のうち、破線で示した部位(115,131,116)では紙面を山折りとし、一点鎖線で示した部位(121,141,141)では紙面を谷折りとする。そうすると、第1から第4の偏光グレーティング111〜114がすべて重なることがわかる。その構成を横から見たものが図8である。このような概念を利用して、光回路100を立体的に構成することで、第1から第4の偏光グレーティング111〜114のすべての機能領域を、一つの主基板110の平面上に一括形成することが可能となる。 FIG. 9 is for explaining the optical function of the optical circuit 100. The optical circuit 100 according to the present invention actually has the three-dimensional structure shown in FIG. 8, whereby the function shown in FIG. 9 is achieved. Conceptually, it is considered to fold the paper surface of FIG. 9 on the reflective surface (115, 121, 131, 141, 116, 141) shown in FIG. Of the reflective surfaces shown in FIG. 9, the paper surface is folded in a mountain fold at the portion (115, 131, 116) indicated by the broken line, and the paper surface is folded in a valley at the portion (121, 141, 141) indicated by the alternate long and short dash line. Then, it can be seen that the first to fourth polarization gratings 111 to 114 all overlap. FIG. 8 shows the configuration as viewed from the side. By constructing the optical circuit 100 three-dimensionally using such a concept, all the functional regions of the first to fourth polarizing gratings 111 to 114 are collectively formed on the plane of one main substrate 110. It becomes possible to do.

具体的に説明すると、光回路100の中央には、xy平面を持つ主基板110が配置される(光の進行方向はz方向)。この主基板110は、フォトニック結晶などの透明基板からなるものであり、その平面には、前述した第1から第4の偏光グレーティング111,112,113,114が一括形成されている。主基板110の偏光グレーティングが形成された平面のパターンの一例を、図10に示す。図8及び図10に示されるように、主基板110には、紙面の上から順に、第1の偏光グレーティング111、第2の偏光グレーティング112、第3の偏光グレーティング113、及び偏光グレーティング114がy方向に形成されている。なお、第1の偏光グレーティング111と第2の偏光グレーティング112の間には、偏光グレーティングが存在しない透過領域が設けられる。 Specifically, a main substrate 110 having an xy plane is arranged in the center of the optical circuit 100 (the traveling direction of light is the z direction). The main substrate 110 is made of a transparent substrate such as a photonic crystal, and the above-mentioned first to fourth polarization gratings 111, 112, 113, 114 are collectively formed on the plane thereof. An example of a flat pattern on which the polarization grating of the main substrate 110 is formed is shown in FIG. As shown in FIGS. 8 and 10, on the main substrate 110, in order from the top of the paper, the first polarized light grating 111, the second polarized light grating 112, the third polarized light grating 113, and the polarized light grating 114 are y. It is formed in the direction. A transmission region in which no polarization grating exists is provided between the first polarization grating 111 and the second polarization grating 112.

また、本実施形態において、第1の偏光グレーティング111と第3の偏光グレーティング113には、それぞれ反射ミラー115,116が重ね合わされている。このため、図8に示すように、主基板110に入射した光は、透明基板を経由して、第1及び第3の偏光グレーティング111,113を透過した直後に反射ミラー115,116にて鏡面反射し、第1及び第3の偏光グレーティング111,113を再度透過する。このため、前述したように、主基板110全体が1/4波長板として機能するように形成されている場合であっても、第1及び第3の偏光グレーティング111,113の部分においては1/2波長板として機能することとなる。 Further, in the present embodiment, the reflection mirrors 115 and 116 are superposed on the first polarization grating 111 and the third polarization grating 113, respectively. Therefore, as shown in FIG. 8, the light incident on the main substrate 110 is mirror-finished by the reflection mirrors 115 and 116 immediately after passing through the first and third polarizing gratings 111 and 113 via the transparent substrate. It reflects and passes through the first and third polarizing gratings 111 and 113 again. Therefore, as described above, even when the entire main substrate 110 is formed to function as a 1/4 wave plate, the first and third polarizing gratings 111 and 113 are 1 /. It will function as a two-wave plate.

主基板110の前後両面側には、z方向に複数の副基板120,130,140,150が積層するように貼り合わせられている。各副基板は、主基板110と同様にフォトニック結晶で形成することもできるし、ガラス板などの透明材料を採用することとしてもよい。第1の副基板120は、主基板110の正面側に対向配置され、第2の副基板130は、主基板110の背面側に対向配置される。また、第3の副基板140は、主基板110と第1の副基板120の間に挟み込まれ、第4の副基板150は、主基板110と第2の副基板130の間に挟み込まれる。このように、本実施形態に係る光回路100は、主基板と副基板が合計5層に積層されたものとなる。第1から第3の副基板120,130,140は、それぞれ、一部に反射ミラー121,131,141が形成されており、残部が透過領域となっている。また、第4の副基板150は、一部に平行化用の第5の偏光グレーティング151が形成されており、残部が透過領域となっている。 A plurality of sub-boards 120, 130, 140, 150 are laminated on both front and rear sides of the main board 110 in the z direction. Each sub-board may be formed of photonic crystals like the main board 110, or a transparent material such as a glass plate may be used. The first sub-board 120 is arranged to face the front side of the main board 110, and the second sub-board 130 is arranged to face the back side of the main board 110. Further, the third sub-board 140 is sandwiched between the main board 110 and the first sub-board 120, and the fourth sub-board 150 is sandwiched between the main board 110 and the second sub-board 130. As described above, in the optical circuit 100 according to the present embodiment, the main substrate and the sub substrate are laminated in a total of five layers. Reflective mirrors 121, 131, and 141 are partially formed on the first to third sub-boards 120, 130, and 140, respectively, and the rest is a transmission region. Further, the fourth sub-board 150 is partially formed with a fifth polarization grating 151 for parallelization, and the rest is a transmission region.

図8に示されるように、信号光と局部発振光は、第1の副基板120の透過領域から入射する。このとき、光の入射角は、z軸に対する平行線に対して、所定角度θで傾斜していることとなる。所定角度θは、0度を超える値であればよく、例えば1度〜10度とすればよい。その後、これらの光は、第3の副基板140の透過領域を経由して、主基板110の第1の偏光グレーティング111に入射し、その直後に反射ミラー115で反射する。これらの光は、第1の偏光グレーティング111によりそれぞれ右回りと左回りの円偏光に分離される。第1の偏光グレーティング111で偏光分離された光(円偏光)は、再び第3の副基板140の透過領域を経由して、第1の副基板120の反射ミラー121にて反射する。この反射光は、第3の副基板140の透過領域と、主基板110における第1の偏光グレーティング111と第2の偏光グレーティング112の間の透過領域、及び第4の副基板150の透過領域を経由して、第2の副基板130の反射ミラー131にて反射する。この反射光は、再び第4の副基板150の透過領域を経由して、主基板110の第2の偏光グレーティング112に入射し、半分のパワーの光に分割される。第2の偏光グレーティング112で分割された光は、そのまま直進して、第3の副基板140の反射ミラー141にて反射する。この反射光は、主基板110の第3の偏光グレーティング113に入射して、その直後に反射ミラー116で反射する。第3の偏光グレーティング113では、第2の偏光グレーティング112によって2分割された光の一方の光路を屈折させる。なお、2分割された光の他方は、第3の偏光グレーティング113に入射せずにそのまま直進することとなる(図9参照)。その後、それぞれの光は、再び第3の副基板140の反射ミラー141にて反射して、第4の偏光グレーティング114に入射する。第4の偏光グレーティング114に導入された信号光と局部発振光は、重ね合わせ干渉を起こす。これにより、信号光と局部発振光を干渉させた出力光が射出されることとなる。その後、出力光は、第4の副基板150の第5の偏光グレーティング151に入射して、光路が平行化される。これにより、合計8本の光ビームが光回路100から射出されることとなる。このように、図8に示した本発明の光回路100は、図9に示した光学的な機能領域(偏光分離、分割、屈折、重ね合わせ干渉)を一つの主基板110に集積し、その前後に反射部材(ミラー)を配置して光路を立体化したものである。 As shown in FIG. 8, the signal light and the locally oscillated light are incident from the transmission region of the first sub-board 120. At this time, the incident angle of the light is inclined by a predetermined angle θ with respect to the parallel line with respect to the z-axis. The predetermined angle θ may be a value exceeding 0 degrees, for example, 1 degree to 10 degrees. Then, these lights are incident on the first polarizing grating 111 of the main substrate 110 via the transmission region of the third auxiliary substrate 140, and immediately after that, are reflected by the reflection mirror 115. These lights are separated into clockwise and counterclockwise circular polarizations by the first polarization grating 111, respectively. The light (circularly polarized light) polarized by the first polarization grating 111 is reflected again by the reflection mirror 121 of the first sub-board 120 via the transmission region of the third sub-board 140. This reflected light passes through the transmission region of the third sub-board 140, the transmission region between the first polarization grating 111 and the second polarization grating 112 on the main substrate 110, and the transmission region of the fourth sub-board 150. The light is reflected by the reflection mirror 131 of the second sub-board 130. This reflected light again enters the second polarizing grating 112 of the main substrate 110 via the transmission region of the fourth sub-board 150, and is divided into light having half the power. The light divided by the second polarizing grating 112 goes straight as it is and is reflected by the reflection mirror 141 of the third auxiliary substrate 140. This reflected light is incident on the third polarizing grating 113 of the main substrate 110 and immediately after that, is reflected by the reflection mirror 116. The third polarizing grating 113 refracts one optical path of the light divided into two by the second polarizing grating 112. The other side of the light divided into two goes straight without incident on the third polarizing grating 113 (see FIG. 9). After that, each light is reflected again by the reflection mirror 141 of the third auxiliary substrate 140 and is incident on the fourth polarization grating 114. The signal light introduced into the fourth polarizing grating 114 and the locally oscillated light cause superposition interference. As a result, the output light in which the signal light and the locally oscillated light interfere with each other is emitted. After that, the output light is incident on the fifth polarizing grating 151 of the fourth sub-board 150, and the optical path is parallelized. As a result, a total of eight light beams are emitted from the optical circuit 100. As described above, in the optical circuit 100 of the present invention shown in FIG. 8, the optical functional regions (polarization separation, division, refraction, superposition interference) shown in FIG. 9 are integrated on one main substrate 110, and the optical functional regions thereof are integrated. Reflective members (mirrors) are arranged in the front and rear to make the optical path three-dimensional.

また、複数の機能領域A〜Dを備えた主基板110のレイアウト例を図10に示している。この図から、1枚の主基板100の平面上に、偏光分離機能、分割機能、屈曲機能、重ね合わせ機能を実現するための偏光グレーティング領域が集積されていることがわかる。このように、各機能領域A〜Dを一括形成することで、それぞれの機能領域を平行に形成しやすくなり、結果として90度ハイブリッド器としての位相差誤差を最小限に留めることができる。つまり、従来技術のように個別の素子で機能領域を作製した場合には、各素子の位置合わせを精度良く行わないと、位相誤差が大きくなるという問題があり、組み立て時に高い精度が要求される。これに対して、図10のように1枚の素子(主基板100)に機能領域A〜Dを一括形成することで、各機能領域の高い平行度を保証することができる。 Further, FIG. 10 shows a layout example of the main board 110 having a plurality of functional areas A to D. From this figure, it can be seen that the polarization grating regions for realizing the polarization separation function, the division function, the bending function, and the superposition function are integrated on the plane of one main substrate 100. By collectively forming each of the functional regions A to D in this way, it becomes easy to form the respective functional regions in parallel, and as a result, the phase difference error as a 90-degree hybrid device can be minimized. That is, when the functional region is made of individual elements as in the prior art, there is a problem that the phase error becomes large unless the alignment of each element is performed accurately, and high accuracy is required at the time of assembly. .. On the other hand, by collectively forming the functional regions A to D on one element (main substrate 100) as shown in FIG. 10, high parallelism of each functional region can be guaranteed.

次に、図11を参照して、本発明に係わる光回路の実施例について説明する。この実施例には、二つの偏光グレーティングの間に位相差の可変な液晶素子を挟み込むことにより機能領域を構成し、光信号のスイッチ機能または分配機能を実現したものである。本例においては簡単の為1入力8出力の場合について説明するが、任意の多入力多出力の場合も同じ機能が得られる。また入射光の偏光が既知の場合を例示しているが、光ファイバのように二つの偏光モードが混在しているとき偏光グレーティングで分離できることも明らかなので省略している。 Next, examples of the optical circuit according to the present invention will be described with reference to FIG. In this embodiment, a functional region is formed by sandwiching a liquid crystal element having a variable phase difference between two polarizing gratings, and a switch function or a distribution function of an optical signal is realized. In this example, the case of 1 input and 8 outputs will be described for the sake of simplicity, but the same function can be obtained in the case of any multi-input and multi-output. In addition, the case where the polarization of the incident light is known is illustrated, but it is omitted because it is clear that it can be separated by the polarization grating when two polarization modes are mixed as in an optical fiber.

図11において、光は左方からz方向に入射する。光は、機能としては順に機能領域1151,1152,1153,1154と通過するが、形状としては折りたたみ構造をプラスマイナスz方向に往復し、xz平面からは小さい角だけ傾いて、y方向には単調にプラスy方向に進む。ただし図中1140(3本)、1141(3本)はそれぞれ谷折り、山折り位置を表す。これを反転すればマイナスy方向に進む。 In FIG. 11, the light is incident from the left in the z direction. Light passes through the functional regions 1151, 1152, 1153, 1154 in order as a function, but as a shape, it reciprocates in the plus or minus z direction in the folding structure, tilts only a small angle from the xz plane, and is monotonous in the y direction. Proceed in the plus y direction. However, 1140 (3 lines) and 1141 (3 lines) in the figure represent valley folds and mountain fold positions, respectively. If this is reversed, it proceeds in the minus y direction.

機能領域1151,1153,1154は形状的には同一のxy面にある。図12において1170,1171(2個)、1172(4個)の領域は偏光グレーティングと液晶による複合部分で、その領域を信号の光ビームが通過する。1170,1171,1172は機能としてはそれぞれ順に図11の1151,1152,1153段の光を制御する。1152の小円を拡大した図において、左方から角度θで入射した光は偏光グレーティング1160によって直進化され、液晶可変波長板1161によって光の偏光状態が変えられる。液晶波長板の液晶部分の位相差が0とπの間をバイナリーに変化される場合は可能な光路1167または1168が選択される。一方、位相差が0とπの中間の角φであるとき、入射光のパワーは二つの光線1167,1168の間で cosφ/2:sinφ/2 に分けられる。位相差を連続に変化させることにより、光路1167,1168の間で任意の比に光を分配することができる。以上のスイッチ機能、分配機能は図12の全ての機能領域に備わっている。スイッチとしては左端からの入力光を右端の8個の出力ポートの任意のポートに接続することが可能である。分配機能としては左端からの入力光を右端の8個の出力ポートの全てに任意の分配比に分けることができる。 The functional regions 1151, 1153, 1154 are formed on the same xy plane. In FIG. 12, the regions of 1170, 1171 (2 pieces) and 1172 (4 pieces) are composite portions of the polarizing grating and the liquid crystal, and the light beam of the signal passes through the regions. The functions of 1170, 1171 and 1172 control the light of 1151, 1152 and 1153 stages in FIG. 11 in order, respectively. In the enlarged view of the small circle of 1152, the light incident at an angle θ from the left is directly evolved by the polarization grating 1160, and the polarization state of the light is changed by the liquid crystal variable wave plate 1161. If the phase difference of the liquid crystal portion of the liquid crystal wave plate is changed to binary between 0 and π, the possible optical path 1167 or 1168 is selected. On the other hand, when the phase difference is an angle φ between 0 and π, the power of the incident light is divided into cos 2 φ / 2: sin 2 φ / 2 between the two rays 1167 and 1168. By continuously changing the phase difference, light can be distributed to any ratio between the optical paths 1167 and 1168. The above switch function and distribution function are provided in all the functional areas of FIG. As a switch, it is possible to connect the input light from the left end to any of the eight output ports on the right end. As a distribution function, the input light from the left end can be divided into all eight output ports on the right end at an arbitrary distribution ratio.

なお液晶波長板の位相差を変化させるには、液晶層164を挟む一対の透明電極1163,1164に1173のコネクタ電極を介して各電極に数ボルトの電圧をかけることにより行う。液晶としては例えばネマティック液晶が利用できる。以上の通り、従来の直進型光学系では多数枚の機能素子板を用いるのと対比して、1枚の板の上に一括作成できるので、低コスト化、小型化の効果が著しい。 The phase difference of the liquid crystal wave plate is changed by applying a voltage of several volts to each of the pair of transparent electrodes 1163 and 1164 sandwiching the liquid crystal layer 164 via the connector electrode of 1173. As the liquid crystal, for example, a nematic liquid crystal can be used. As described above, in the conventional straight-ahead optical system, as compared with the case where a large number of functional element plates are used, since they can be collectively produced on one plate, the effects of cost reduction and miniaturization are remarkable.

以上、本願明細書では、本発明の内容を表現するために、図面を参照しながら本発明の実施形態の説明を行った。ただし、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本願明細書に記載された事項に基づいて当業者が自明な変更形態や改良形態を包含するものである。 As described above, in the specification of the present application, in order to express the content of the present invention, the embodiments of the present invention have been described with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the above embodiment, and includes modifications and improvements which are obvious to those skilled in the art based on the matters described in the present specification.

100…光回路
110…主基板
111〜114…第1から第4の偏光グレーティング(機能領域)
115,116…反射ミラー
120…第1の副基板
121…反射ミラー
130…第2の副基板
131…反射ミラー
140…第3の副基板
141…反射ミラー
150…第4の副基板
151…第5の偏光グレーティング
100 ... Optical circuit 110 ... Main board 111-114 ... First to fourth polarization grating (functional area)
115, 116 ... Reflective mirror 120 ... 1st sub-board 121 ... Reflective mirror 130 ... 2nd sub-board 131 ... Reflective mirror 140 ... 3rd sub-board 141 ... Reflective mirror 150 ... 4th sub-board 151 ... Fifth Polarization grating

Claims (7)

光信号を処理する光回路であって、
複数の機能領域が一つの平面上にパターン形成された主基板と、
前記主基板の前記平面と対向配置され、前記主基板の両側にあって、前記機能領域を透過した光を往復反射する複数の反射部材と、を備え、
前記光回路への入射光が前記反射部材において往復反射することで前記主基板の前記複数の機能領域のそれぞれを透過する
光回路。
An optical circuit that processes optical signals
A main board in which multiple functional areas are patterned on one plane,
A plurality of reflective members, which are arranged to face the plane of the main substrate, are on both sides of the main substrate, and reciprocally reflect light transmitted through the functional region, are provided.
An optical circuit in which light incident on the optical circuit is reciprocally reflected by the reflecting member to pass through each of the plurality of functional regions of the main substrate.
xyzの直交座標系からなる3次元空間において、z方向に前記入射光が進み、xy平面に前記偏光グレーティング領域が形成されている場合において、
周期Pの1/2波長の位相差を持つ前記偏光グレーティング領域に波長λの前記入射光が入射すると、z方向から+x方向にθ=sin−1(λ/2P)傾いた方向から入射した円偏光が、+x方向にθだけ傾いた逆回りの円偏光となって出射する
請求項1に記載の光回路。
In a three-dimensional space consisting of an orthogonal coordinate system of xy, when the incident light travels in the z direction and the polarization grating region is formed on the xy plane,
When the incident light having a wavelength of λ is incident on the polarized light having a phase difference of 1/2 wavelength of the period P, a circle incident from a direction inclined by θ = sin-1 (λ / 2P) in the + x direction from the z direction. The optical circuit according to claim 1, wherein the polarized light is emitted as circularly polarized light in the reverse direction tilted by θ in the + x direction.
前記複数の機能領域の少なくとも一つは、1/4波長の位相差を持つ偏光グレーティング領域であり、
前記反射部材が、前記偏光グレーティング領域の直後に設けられていることで、前記入射光が同じ前記偏光グレーティング領域を往復し、前記偏光グレーティングが前記入射光に対して1/2波長の位相差を持つ偏光グレーティング領域として機能する
請求項1又は請求項2に記載の光回路。
At least one of the plurality of functional regions is a polarization grating region having a phase difference of 1/4 wavelength.
Since the reflecting member is provided immediately after the polarized grating region, the incident light reciprocates in the same polarized grating region, and the polarized grating causes a phase difference of 1/2 wavelength with respect to the incident light. The optical circuit according to claim 1 or 2, which functions as a polarizing grating region having.
前記主基板は、フォトニック結晶からなる複数の偏光グレーティング領域が一つの平面上にパターン形成されたものであり、
前記複数の偏光グレーティング領域には、偏光分離、ビーム分割、ビーム屈折、及びビームの重ね合わせの機能を持つものが含まれており、
偏光分離器と90度ハイブリッド回路の合成回路として機能するように構成されている
請求項1から請求項3のいずれかに記載の光回路。
The main substrate has a plurality of polarized grating regions made of photonic crystals formed in a pattern on one plane.
The plurality of polarization grating regions include those having functions of polarization separation, beam division, beam refraction, and beam superposition.
The optical circuit according to any one of claims 1 to 3, which is configured to function as a composite circuit of a polarizing separator and a 90-degree hybrid circuit.
前記機能領域は、1個以上の偏光グレーティングと1個の液晶可変波長板とを含み、
前記光回路への入力光を複数の出力ポートの内の一つに選択的に結合する
請求項1に記載の光回路。
The functional region includes one or more polarizing gratings and one liquid crystal variable wavelength plate.
The optical circuit according to claim 1, wherein the input light to the optical circuit is selectively coupled to one of a plurality of output ports.
前記機能領域は、1個以上の偏光グレーティングと1個の液晶可変波長板とを含み、
前記光回路への入力光を複数の出力ポートに亘って任意の比で分配する
請求項1に記載の光回路。
The functional region includes one or more polarizing gratings and one liquid crystal variable wavelength plate.
The optical circuit according to claim 1, wherein the input light to the optical circuit is distributed over a plurality of output ports at an arbitrary ratio.
前記偏光グレーティングが自己クローニング型のフォトニック結晶である
請求項5又は請求項6の光回路。
The optical circuit according to claim 5 or 6, wherein the polarization grating is a self-cloning type photonic crystal.
JP2019038659A 2019-03-04 2019-03-04 Foldable integrated optical circuit Pending JP2020144165A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2019038659A JP2020144165A (en) 2019-03-04 2019-03-04 Foldable integrated optical circuit

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2019038659A JP2020144165A (en) 2019-03-04 2019-03-04 Foldable integrated optical circuit

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2020144165A true JP2020144165A (en) 2020-09-10

Family

ID=72354106

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2019038659A Pending JP2020144165A (en) 2019-03-04 2019-03-04 Foldable integrated optical circuit

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2020144165A (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022115121A1 (en) * 2020-11-25 2022-06-02 Corning Incorporated Metasurface-based optical signal manipulation devices for optical fiber communications

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022115121A1 (en) * 2020-11-25 2022-06-02 Corning Incorporated Metasurface-based optical signal manipulation devices for optical fiber communications

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6768834B1 (en) Slab optical multiplexer
JP5200229B2 (en) Wavelength domain optical switch
JP5373291B2 (en) Wavelength selective switch
WO2014034144A1 (en) Optical signal processing device
EP1231488B1 (en) Optical device
WO2005008305A1 (en) Photonic crystal waveguide, homogeneous medium waveguide, and optical device
WO2017150568A1 (en) Optical element
US5627923A (en) Three-dimensional opto-electric integrated circuit using optical wiring
CN105891956B (en) Reflective optical circulator array
JPH04234704A (en) Diffraction grating with plurality of output end face, on which optical guide is arranged in parallel
KR20150131383A (en) Wavelength Selective Switch Employing a LCoS Device and Having Reduced Crosstalk
JP6917076B2 (en) Optical elements and optical circuits
JP7101954B2 (en) Optical matrix switch
JP2020144165A (en) Foldable integrated optical circuit
JP2009042557A (en) Wavelength selection switch
JP4945475B2 (en) Variable dispersion compensator
US6510259B1 (en) Optical switch using an integrated Mach-Zehnder interferometer having a movable phase shifter and asymmetric arms
JP2011179979A (en) Double-path monochromater, wavelength selection optical switch, and optical channel monitor
JP4691665B2 (en) Dispersion compensator
JP2733116B2 (en) Optical multiplexer / demultiplexer
JP7048962B2 (en) Optical element
US6947627B2 (en) Compact optical switches
JP3936865B2 (en) Light switch
JP5612547B2 (en) Arrayed-waveguide grating optical dispersion compensator
JP7303619B2 (en) Optical beam branching optical circuit and laser processing machine

Legal Events

Date Code Title Description
A711 Notification of change in applicant

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A711

Effective date: 20201116