JP2021500612A - 光アイソレーション素子 - Google Patents

Abstract

本発明は、光アイソレーション素子に関する。本発明の光アイソレーション素子は、光孤立度に優れ、駆動時に別途の外力が要求されないものである。このような光アイソレーション素子は、例えば、光通信やレーザー光学分野、保安、私生活保護分野、ディスプレイの輝度向上又は隠蔽掩蔽用などの多様な用途に適用され得る。

Description

関連出願との相互引用
本発明は、２０１７年１０月２０日に提出された大韓民国特許出願第１０−２０１７−０１３６７４２号に基づく優先権の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に開示されたすべての内容は本明細書の一部として組み込まれる。

技術分野
本発明は、光アイソレーション素子に関する。

光アイソレーション装置は、順方向での光透過率が逆方向での光透過率に比べて高い装置であって、光ダイオード（ｏｐｔｉｃａｌ ｄｉｏｄｅ）とも呼ばれる。光アイソレーション装置は、光通信やレーザー光学分野で不必要な反射光を阻むことに用いられ得る。また、光アイソレーション装置は、建物又は自動車のガラスに適用されて保安や私生活保護などに用いられてもよい。また、光アイソレーション装置は、多様なディスプレイでの輝度向上用に適用され得、隠蔽掩蔽用軍用製品などにも適用され得る。

光アイソレーション装置としては、ファラデー光アイソレーション装置が知られている。ファラデー光アイソレーション装置は、それぞれの吸収軸が互いに４５度を成すように配置された第１及び第２偏光子と、それらの間に配置されたファラデー回転子と、を含む。第１偏光子を通過して線偏光された入射光をファラデー回転子は４５度回転させ、回転された光は、第２偏光子を透過するようになる（Ｆｏｒｗａｒｄ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）。反対に、第２偏光子を透過した線偏光された光は、ファラデー回転子により４５度回転するようになると、第１偏光子の吸収軸と平行になるため、第１偏光子を透過することができない（Ｂａｃｋｗａｒｄ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）。

ファラデー光アイソレーション装置は、駆動のために非常に大きい外部磁場が必要であり、高価な材料が適用されなければならないので、大面積化などが困難である。

本発明は、順方向駆動のための外部磁場が要求されず、低価に製造され得、大面積化が可能である光アイソレーション素子を提供することを目的とする。

本発明で用語「光アイソレーション素子」は、いずれか一つの方向の入射光の透過率がそれとは異なる方向の入射光の透過率より大きくなるように構成された素子を意味し得る。光アイソレーション素子で、入射光の透過率が大きい方向は順方向（Ｆｏｒｗａｒｄ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）と呼称され得、小さい方向は逆方向（Ｂａｃｋｗａｒｄ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）と呼称され得る。上記で順方向と逆方向は互いに約１６０度〜約２００度程度の角度を成すことができる。上記角度は、例えば、約１６５度以上、１７０度以上、１７５度以上であってもよく、約１９５度以下、約１９０度以下、約１８５度以下であってもよいが、これに制限されるものではない。また、後述する入光面は、上記順方向に進む光が入射される面を意味し得る。そして、後述する出光面は、上記逆方向に進む光が入射される面を意味し得る。

本明細書で用語「透過率」、「位相差値」、［反射率］及び「屈折率」などの光学的物性の基準波長は、光アイソレーション装置を用いてアイソレーションしようとする光によって決定され得る。例えば、光アイソレーション装置を用いて可視光領域の光をアイソレーションしようとする場合、前記透過率などの基準波長は、例えば、４００ｎｍ〜７００ｎｍの範囲内のいずれか一つの波長又は約５５０ｎｍ波長の光を基準とした数値である。他の例示で、赤外線領域の光をアイソレーションしようとする場合、前記透過率などの基準波長は、例えば、１０００ｎｍ波長の光を基準として決まることができる。また他の例示で、紫外線領域の光をアイソレーションしようとする場合、前記透過率などの基準波長は、例えば、２５０ｎｍの波長を基準として決まることができる。

本発明で用語「入射角」は、特に異に規定しない限り、入光面又は出光面の法線を基準として測定された角度のうち絶対値が小さい角度である。また、本発明で用語「出射角」は、特に異に規定しない限り、入光面又は出光面の法線を基準として測定された角度のうち絶対値が小さい角度である。上記で法線を基準として時計回りに測定された角度は正の数で表示され得、反時計回りに測定された角度は負の数で表示され得る。

本発明で、角度を示す値は、誤差範囲を考慮した値であってもよい。角度を示す値は、例えば、垂直、平行、入射角、出射角及び／又は勾配角などを意味し得、前記誤差範囲は、±１０度以内、±９度以内、±８度以内、±７度以内、±６度以内、±５度以内、±４度以内、±３度以内、±２度以内又は±１度以内であってもよい。

本発明は、光アイソレーション素子に関する。本発明の光アイソレーション素子は、それぞれ入光面と出光面を含む第１光路変更素子、第２光路変更素子及び第３光路変更素子を上記順に含む。また、前記第１光路変更素子は、ホログラフィック素子であってもよい。

本発明で用語「入光面」及び「出光面」に対する説明は上述した通りである。

本発明で用語「光路変更素子」は、入射光を屈折、回折又は反射させて入射進行経路を変更することができる素子を意味し得る。

本発明で用語「ホログラフィー」とは、ホログラムと呼ばれる３次元の相を再生するために感光媒体に干渉パターンを形成する技術を意味し得る。また、用語「ホログラフィック素子（ＨＯＥ、ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ ｏｐｔｉｃａｌ ｅｌｅｍｅｎｔ）」とは、上記のように干渉パターンが形成された感光媒体を含む素子を意味し得る。具体的に、ホログラフィック素子は、感光（ｐｈｏｔｏｓｅｎｓｉｔｉｖｅ）粒子を有するフィルムに記録光を用いて干渉パターンを記録した素子を意味し得る。上記で干渉パターンは、ホログラフィック素子に照射された再生光を回折させ得る回折格子の役目を行うことができる。また、干渉パターンは、周期的に繰り返されることができる。

ホログラフィック素子は、記録媒体として感光材料を含み得る。感光材料は、記録光の照射により干渉パターンが記録され得る材料であれば、その種類は特に制限されず、感光材料として機能できると知られた物質が適用され得る。前記感光材料としては、例えば、フォトポリマー（ｐｈｏｔｏｐｏｌｙｍｅｒ）、フォトレジスト（ｐｈｏｔｏｒｅｓｉｓｔ）、ハロゲン化銀乳剤（ｓｉｌｖｅｒ ｈａｌｉｄｅ ｅｍｕｌｓｉｏｎ）、重クロム酸ゼラチン（ｄｉｃｈｒｏｍａｔｅｄ ｇｅｌａｔｉｎ）、写真乳剤（ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｉｃ ｅｍｕｌｓｉｏｎ）、フォトサーモプラスチック（ｐｈｏｔｏｔｈｅｒｍｏｐｌａｓｔｉｃ）又は光屈折（ｐｈｏｔｏｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ）材料が適用され得る。

ホログラフィック素子は、例えば、感光材料（例えば、フォトポリマー）のみからなったフィルム形態であってもよく、又は基材（ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）とフォトポリマーの層を積層した形態などの重層構造のフィルム形態であってもよい。

本発明で「第１光路変更素子」とは、所定の入射角で入射された光を入射角とは異なる角度の出射角で出射させることができる光学素子を意味し得る。これに対する具体的な説明は後述する。

一つの例示で、第１光路変更素子は、第１角度の入射角で入射された光を第２角度の出射角で出射させるように構成された素子であってもよい。前記第１角度及び前記第２角度は、互いに異なる角度であってもよい。前記第１角度は、−９０度超〜９０度未満であってもよい。前記第１角度は、他の例示で、−８０度以上、−７０度以上、−６０度以上、−５０度以上、−４０度以上、−３０度以上、−２０度以上、−１０度以上又は−５度以上であってもよく、８０度以下、７０度以下、６０度以下、５０度以下、４０度以下、３０度以下、２０度以下、１０度以下又は５度以下であってもよく、約０度であってもよい。

前記第２角度は、０度超〜９０度未満であってもよい。前記第２角度は、他の例示で、５度以上、１０度以上、１５度以上、２０度以上又は２５度以上であってもよく、８５度以下、８０度以下、７５度以下、７０度以下、６５度以下、６０度以下、５５度以下、５０度以下、４５度以下、４０度以下又は３５度以下であってもよく、約３０度であってもよい。

前記第２角度は、他の例示で、−９０度超〜０度未満であってもよい。第２角度は、他の例示で、−５度以下、−１０度以下、−１５度以下、−２０度以下又は−２５度以下であってもよく、−８５度以上、−８０度以上、−７５度以上、−７０度以上、−６５度以上、−６０度以上、−５５度以上、−５０度以上、−４５度以上、−４０度以上又は−３５度以上であってもよく、約−３０度であってもよい。

一つの例示で、第２光路変更素子は、入光面又は出光面に前記第２角度の入射角で入射された光は透過させ、第３角度の入射角で入光面又は出光面に入射された光は当該入射光の方向と平行な方向に反射させ得るように構成された素子であってもよい。すなわち、前記第２光路変更素子は、出光面に前記第３角度の入射角で入射された光を前記第３角度と同一な角度であるが反対方向に出射させるように構成された素子であってもよい。前記第２角度及び前記第３角度は、互いに異なる角度であってもよく、前記第２角度は、上述した通りであってもよい。

一つの例示で、前記第３角度は、０度超〜９０度未満であってもよい。前記第３角度は、他の例示で、５度以上、１０度以上、１５度以上、２０度以上又は２５度以上であってもよく、８５度以下、８０度以下、７５度以下、７０度以下、６５度以下、６０度以下、５５度以下、５０度以下、４５度以下、４０度以下又は３５度以下であってもよく、約３０度であってもよい。また他の例示で、前記第３角度は、−９０度超〜０度未満であってもよい。第３角度は、他の例示で、−５度以下、−１０度以下、−１５度以下、−２０度以下又は−２５度以下であってもよく、−８５度以上、−８０度以上、−７５度以上、−７０度以上、−６５度以上、−６０度以上、−５５度以上、−５０度以上、−４５度以上、−４０度以上又はー３５度以上であってもよく、約−３０度であってもよい。

一つの例示で、第３光路変更素子は、入光面に前記第２角度の入射角で入射された光を第４角度の出射角で出射し得、出光面に前記第４角度の入射角で入射された入射光を前記第２角度又は前記第３角度の出射角に分割して出射させ得るように構成された素子であってもよい。

上記で第３光路変更素子の出光面に前記第４角度の入射角で入射される光の光量に対して、第３光路変更素子で前記第２角度の出射角で出射される光の光量は、９５％以下であってもよい。上記割合は、他の例示で、約９０％以下、約８５％以下、約８０％以下、約７５％以下、約７０％以下、約６５％以下、約６０％以下又は約５５％以下であってもよいが、これに特に限定されるものではない。上記割合の下限は特に制限されないが、例えば、０％超、約５％以上、約１０％以上、約１５％以上、約２０％以上、約２５％以上、約３０％以上、約３５％以上、約４０％以上、約４５％以上であってもよい。そして、他の例示で、上記割合は、約５０％程度であってもよい。

上記で第３光路変更素子の出光面に前記第４角度の入射角で入射される光の光量に対して、第３光路変更素子で前記第３角度の出射角で出射される光の光量は、５％以上であってもよい。上記割合は特に制限されるものではないが、例えば、約１０％以上、約１５％以上、約２０％以上、約２５％以上、約３０％以上、約３５％以上、約４０％以上又は約４５％以上であってもよい。また、上記割合の上限は特に制限されるものではないが、１００％未満、約９５％以下、約９０％以下、約８５％以下、約８０％以下、約７５％以下、約７０％以下、約６５％以下、約６０％以下又は約５５％以下であってもよい。そして、他の例示で、上記割合は、約５０％程度であってもよい。

前記第４角度は、−８０度以上、−７０度以上、−６０度以上、−５０度以上、−４０度以上、−３０度以上、−２０度以上、−１０度以上又は−５度以上であってもよく、８０度以下、７０度以下、６０度以下、５０度以下、４０度以下、３０度以下、２０度以下、１０度以下又は５度以下であってもよく、約０度であってもよい。

光アイソレーション素子は、前記第１角度及び前記第４角度の差の絶対値が０度〜１０度の範囲内になるように構成され得る。上記値は、他の例示で、９度以下、８度以下、７度以下、６度以下、５度以下、４度以下、３度以下、２度以下又は１度以下であってもよい。したがって、前記第１角度及び前記第４角度は、実質的に互いに同一であり得る。

光アイソレーション素子は、前記第２角度と前記第３角度の合計の絶対値が０度〜１０度の範囲内になるように構成され得る。上記値は、他の例示で、９度以下、８度以下、７度以下、６度以下、５度以下、４度以下、３度以下、２度以下又は１度以下であってもよい。したがって、前記第２角度及び前記第３角度は、互いに符号が反対でありつつ、その数値は実質的に互いに同一であり得る。

光アイソレーション素子は、入射光又は出射光が上述した第１角度〜第４角度を満足するように構成された素子を含むことで、入光面に入射された光（順方向）の透過率が出光面に（逆方向）入射された光の透過率より高い素子を具現することができる。すなわち、両方向に入射される光の透過率が非対称である光学素子を具現することができる。

一つの例示で、第１光路変更素子の出光面と第２光路変更素子の入光面、そして第２光路変更素子の出光面と第３光路変更素子の入光面は対向することができる。

本発明で「いずれか一つの面と他の一つの面が対向する」とは、両面が互いに対向する形態で位置していることを意味し得る。

図１は、本発明の光アイソレーション素子の構造を示す概路図である。図１によると、本発明の光アイソレーション素子１は、第１光路変更素子１０、第２光路変更素子２０及び第３光路変更素子３０を上記順に含み得る。第１光路変更素子１０は、入光面に第１角度の入射角で入射された光を前記第１角度とは異なる第２角度で出射させ、出光面に前記第２角度の入射角で入射された光を前記第１角度で出射させ得、第２光路変更素子２０は、入光面又は出光面に前記第２角度の入射角で入射された光は透過させ、前記第２角度とは異なる第３角度の入射角で入光面又は出光面に入射された光は当該光の方向と平行な方向に反射させ得、第３光路変更素子３０は、入光面に前記第２角度の入射角で入射された光を第４角度の出射角で出射させ、出光面に前記第４角度の入射角で入射された光を前記第２角度又は前記第３角度の出射角に分割して出射させ得る。

一つの例示で、光アイソレーション素子に含まれるホログラフィック素子は、平均屈折率が１．４〜１．６の範囲内であってもよい。すなわち、前記第１光路変更素子の平均屈折率が１．４〜１．６の範囲内であってもよい。そして、後述する反射型ホログラフィック素子が第２光路変更素子に適用されるとき、その平均屈折率も１．４〜１．６の範囲内であってもよい。他の例示で、上記範囲は、１．４１以上、１．４２以上、１．４３以上、１．４４以上、１．４５以上、１．４６以上、１．４７以上、１．４８以上又は１．４９以上であってもよく、１．５９以下、１．５８以下、１．５７以下、１．５６以下、１．５５以下、１．５４以下、１．５３以下、１．５２以下又は１．５１以下であってもよいが、それに特に制限されるものではない。

本発明で、ある素子の「平均屈折率」は、測定対象となる素子の最大屈折率と最小屈折率の平均を意味し得る。例えば、ある素子の最大屈折率が約１．８であり、最小屈折率が約１．２である場合、前記素子の平均屈折率は、約１．５であり得る。また、前記屈折率の基準波長は、上述した通りであり、その測定方法も公知にされている。

一つの例示で、前記最大屈折率は、１．５以上、１．５５以上、１．６以上、１．６５以上、１．７以上、１．７５以上又は１．８以上であってもよく、２．０以下、１．９５以下、１．９以下又は１．８５以下であってもよい。また、前記最小屈折率は、１．０以上、１．０５以上、１．１以上、１．１５以上又は１．２０以上であってもよく、１．４以下、１．３５以下、１．３以下又は１．２５以下であってもよい。

一つの例示で、前記ホログラフィック素子の最大屈折率と最小屈折率の差は、０．００２〜０．６の範囲内であってもよい。上記値は、特に制限されるものではないが、例えば、０．００３以上、０．００４以上、０．００５以上、０．００６以上、０．００７以上又は０．００８以上であってもよく、０．６０以下、０．５５以下、０．５０以下、０．４５以下、０．４０以下、０．３５以下、０．３０以下、０．２５以下又は０．２０以下であってもよい。

以下では、上記値の半分を屈折率モジュレーション（ｉｎｄｅｘ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ、△ｎ）と指称する。ホログラフィック素子に含まれる干渉パターンは、ホログラフィック素子の全体領域にわたって形成されてあり得、前記干渉パターンは、記録光の情報によって屈折率の勾配を示し得る。このとき、ホログラフィック素子の屈折率モジュレーションは、上述した屈折率勾配での最大値と最小値の差の絶対値の半分を意味し得る。屈折率モジュレーションを調節する方式は公知にされており、例えば、感光材料にレーザー露光を通じて干渉パターンを形成してホログラフィック素子を製造するとき、上述したレーザー露光の条件（レーザーの強さ、露光時間など）の変化するによって前記屈折率モジュレーションが調節され得る。

一つの例示で、第２光路変更素子としてホログラフィック素子が適用される場合、前記素子は、反射型ホログラフィック素子であってもよい。上記で「反射型ホログラフィック素子」とは、所定の入射角で入射された光は当該光の方向と平行な方向に反射させ、前記入射角と異なる角度の入射角で入射された光は透過させるホログラフィック素子を意味し得る。

上述した透過型ホログラフィック素子と反射型ホログラフィック素子は、それに形成された干渉パターンの法線がホログラフィック素子の入光面又は出光面の法線と成す角度によって区別され得る。具体的に、前記第１光路変更素子は、下記式１を満足するように構成され得る。また、前記反射型ホログラフィック素子は、下記式２を満足するように構成され得る。干渉パターンを含むホログラフィック素子が式１を満足する場合には、透過型ホログラフィック素子として機能し得、式２を満足する場合には、反射型ホログラフィック素子として機能し得る。

式１及び式２で、θ_Ｇは、前記干渉パターンの法線がホログラフィック素子の入光面又は出光面の法線と成す角度のうち絶対値が小さい角度（単位：度）であってもよく、θ_Ｃは、ホログラフィック素子の臨界角（単位：度）であってもよい。

本発明で用語「臨界角」は、ある部材の入光面に入射された光の全反射が始まるとき、その光の入射角のうち正の値を意味し得る。ホログラフィック素子の臨界角（θ_Ｃ）は、所定の波長に対するホログラフィック素子の屈折率、又は平均屈折率がｎであるときａｒｃｓｉｎ（ｎ）で計算され得る。したがって、ホログラフィック素子の平均屈折率が決定されると、その臨界角が決定され得、それによって、ホログラフィック素子内の干渉パターンのθ_Ｇ値が上述した式１又は式２を満たすように設計する場合、その素子は透過型ホログラフィック素子又は反射型ホログラフィック素子になり得る。また、ホログラフィック素子内の干渉パターンのθ_Ｇ値が決定されると、干渉パターンのピッチ（ｐｉｔｃｈ）も決定され得る。

本発明で用語「屈折率」は、特に異に規定しない限り、真空での屈折率を１と定義し、媒質での光の速度と真空での光の速度を比較して決めた屈折率である絶対屈折率を意味する。

一つの例示で、あるホログラフィック素子が、透過型ホログラフィック素子であるか又は反射型ホログラフィック素子であるかは、同一の組成を有するホログラフィック素子を露光する方式によって決定され得る。具体的に、ある感光材料にレーザー露光を通じて干渉パターンを形成してホログラフィック素子を製造する過程で、物体光と参照光が入射される方向によってそのホログラフィック素子が透過型であるか又は反射型であるかが決定され得る。より具体的に、ホログラフィック素子の製造時に照射される物体光と参照光が全て感光材料の同一な面に入射されると、前記式１を満足する透過型ホログラフィック素子が製造され得る。また、物体光と参照光が感光材料の互いに異なる面に入射されると、前記式２を満足する反射型ホログラフィック素子が製造され得る。ここで、物体光は、ホログラフィック素子を製造するとき、記録光が被写体表面で乱反射されて感光材料に到逹する光を意味し、参照光は、記録光が直接感光材料に到逹する光を意味する。

一つの例示で、第１光路変更素子の厚さは、１μｍ以上であってもよい。具体的に、前記厚さは、約２μｍ以上、約３μｍ以上、約４μｍ以上、約５μｍ以上、約６μｍ以上、約７μｍ以上又は約８μｍ以上であってもよい。また、前記厚さの上限は特に制限されるものではなく、例えば、２００μｍ以下、１９０μｍ以下、１８０μｍ以下、１７０μｍ以下、１６０μｍ以下又は１５０μｍ以下であってもよい。

他の例示で、第１光路変更素子として透過型ホログラフィック素子が適用されるとき、その厚さは、３０μｍ以上であってもよい。また、上記値は、具体的に、３５μｍ以上、４０μｍ以上、４５μｍ以上又は５０μｍ以上であってもよく、２００μｍ以下、１９０μｍ以下、１８０μｍ以下、１７０μｍ以下、１６０μｍ以下又は１５０μｍ以下であってもよい。特に、前記範囲内で、透過型ホログラフィック素子の入光面に第１角度の入射角で入射された光の光量に対する第２角度の出射角で出射される光の光量が特に高くなり得る。

一つの例示で、透過型ホログラフィック素子の最大屈折率と最小屈折率の差は、０．０１〜０．０３の範囲内であってもよい。上記値は、他の例示で、０．０１２以上、０．０１４以上又は０．０１６以上であってもよく、０．０２８以下、０．０２６以下、０．０２４以下、０．０２２以下又は０．０２以下であってもよい。すなわち、第１光路変更素子が透過型ホログラフィック素子であるとき、その屈折率モジュレーションは、０．００５〜０．０１５の範囲内であってもよく、具体的に、０．００６以上、０．００７以上又は０．００８以上であってもよく、０．０１４以下、０．０１３以下、０．０１２以下又は０．０１以下であってもよい。前記範囲内で、第１光路変更素子の入光面に第１角度の入射角で入射された光の光量に対する第２角度の出射角で出射される光の光量が特に高くなり得る。

一つの例示で、第２光路変更素子の厚さは、５μｍ以上であってもよい。具体的に、前記厚さは、約５μｍ以上、６μｍ以上、７μｍ以上又は８μｍ以上であってもよく、５００μｍ以下、４９０μｍ以下、４８０μｍ以下、４７０μｍ以下、４６０μｍ以下、４５０μｍ以下、４４０μｍ以下、４３０μｍ以下、４２０μｍ以下、４１０μｍ以下又は ４００μｍ以下であってもよい。

他の例示で、第２光路変更素子として反射型ホログラフィック素子が適用されるとき、その厚さは、１０μｍ以上であってもよい。具体的に、上記値は、１０μｍ以上、１５μｍ以上、２０μｍ以上又は２５μｍ以上であってもよく、５００μｍ以下、４９０μｍ以下、４８０μｍ以下、４７０μｍ以下、４６０μｍ以下、４５０μｍ以下、４４０μｍ以下、４３０μｍ以下、４２０μｍ以下、４１０μｍ以下又は４００μｍ以下であってもよい。前記範囲内で、反射型ホログラフィック素子の出光面に第３角度の入射角で入射される光の反射効率（入射光の光量に対する反射する光の光量の比）が特に高くなり得る。

他の例示で、反射型ホログラフィック素子の最大屈折率と最小屈折率の差は、０．０６以上であってもよい。具体的に、前記値は、０．０７以上、０．０８以上、０．０９以上、０．１０以上、０．１１以上又は０．１２以上であってもよく、その上限は特に制限されないが、例えば、０．６０以下、０．５５以下、０．５０以下、０．４５以下、０．４０以下、０．３５以下、０．３０以下、０．２５以下又は０．２０以下であってもよい。すなわち、反射型ホログラフィック素子の屈折率モジュレーションは、０．０３以上であってもよい。具体的に、上記値は、０．０４以上、０．０５以上又は０．０６以上であってもよく、その上限は特に制限されないが、例えば、０．３以下、０．２５以下、０．２以下、０．１５以下又は０．１以下であってもよい。

他の例示で、第２光路変更素子は、金属層を含むプリズムフィルムであってもよい。

本発明で用語「プリズム」は、入射された光を屈折及び／又は分散させるときに用いられる多面体の光学素子を意味し得る。具体的に、プリズムは、入射された光を屈折させるか反射する透明な固体材料に形成され、透明であり、且つ多面体である光学素子を意味し得る。また、「プリズムフィルム」は、複数のプリズムが規則的又は不規則的に配置されているフィルムを意味し得る。プリズムの形状は、光学素子に入射する光の経路を変更し得るものであれば、特に制限されない。例えば、プリズムとしては、プリズムの稜線に直交する断面の形状が三角形であるプリズムが適用されてもよい。

一つの例示で、第２光路変更素子に適用され得る金属層を含むプリズムフィルムのプリズムは、三角形プリズムであってもよい。また、前記三角形は、二等辺三角形、正三角形又は不等辺三角形であってもよい。

本発明で用語「三角形プリズム」は、プリズムの稜線に直交する断面の形状が三角形であるプリズムを意味し得、具体的に、プリズムの稜線に直交する断面の形状が一つの底辺と二つの斜辺を有する三角形であるプリズムを意味し得る。不等辺三角形プリズムは、三角形であるプリズムの稜線に直交する断面の三つの辺のうち少なくとも二つの辺の長さが相異なっている三角形であるプリズムを意味し得る。一つの例示で、第２光路変更素子に適用される三角形プリズムにおいて、その三角形の頂角は、７０度〜１２０度の範囲内であってもよい。具体的に、前記頂角は、例えば、７２度以上、７４度以上、７６度以上、７８度以上、８０度以上、８２度以上、８４度以上、８６度以上、８８度以上又は９０度以上であってもよく、１１８度以下、１１６度以下、１１４度以下、１１２度以下、１１０度以下、１０８度以下、１０６度以下、１０４度以下、１０２度以下、１００度以下、９８度以下、９６度以下、９４度以下、９２度以下又は９０度以下であってもよい。

本発明で、三角形の頂角は、三角形プリズムで三角形の二つの斜辺が形成する角を意味し得る。

一つの例示で、第２光路変更素子に適用される三角形プリズムは、二つの斜辺が形成する頂点が第２光路変更素子の入光面に向けるものであってもよく、又は第２光路変更素子の出光面に向けるものであってもよい。

一つの例示で、金属層を含むプリズムフィルムは、三角形の少なくとも一つの斜辺に備われた金属層を含む三角形プリズムフィルムであってよい。すなわち、前記金属層は、プリズムを構成する三角形の二つの斜辺のうちいずれが一つ、又は二つの斜辺に全て形成され得る。前記金属層を形成する方法は特に制限されず、公知の蒸着方法、例えば、物理的気相蒸着、化学的気相蒸着などの方式が適用され得る。

金属層を構成する金属は、入射する光を反射し得るものであれば、特に制限されない。前記金属としては、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）及びクロム（Ｃｒ）からなる群より選択される１種以上、そのうち２種以上の合金、又はそのうち１種以上の酸化物が適用され得る。

第２光路変更素子として金属層を含むプリズムフィルムを適用することで、第２光路変更素子の入光面又は出光面に第２角度で入射された光は透過させ、前記第２角度とは異なる角度、例えば、第３角度で入光面又は出光面に入射された光は当該光の方向と平行な方向に反射させ得る。

一つの例示で、第３光路変更素子としてプリズムフィルムが適用され得る。また、第３光路変更素子に適用されるプリズムフィルムのプリズムは、三角形プリズムであってもよく、その三角形の形状は、正三角形、二等辺三角形又は不等辺三角形であってもよく、具体的には、二等辺三角形であってもよい。二等辺三角形プリズムは、三角形であるプリズムの稜線に直交する断面で二つの斜辺の長さが同一なプリズムを意味し得る。一つの例示で、第３光路変更素子に適用される三角形プリズムは、二つの斜辺が形成する頂点が第３光路変更素子の入光面に向けるものであってもよく、又は第３光路変更素子の出光面に向けるものであってもよい。

一つの例示で、第３光路変更素子に適用される三角形プリズムにおいて、その三角形の頂角は、４０度〜５０度の範囲内であってもよい。具体的に、前記頂角は、４０度以上、４１度以上、４２度以上又は４３度以上であってもよく、５０度以下、４９度以下、４８度以下、４７度以下又は４６度以下であってもよい。

光アイソレーション素子は、順方向透過率が５０％以上であってもよい。上記値は、約５０％以上、約５５％以上、約６０％以上、約６５％以上、約７０％以上、約７５％以上、約８０％以上、約８５％以上、約９０％以上又は約９５％以上であってもよい。前記順方向透過率の上限は、約１００％であってもよい。

また、光アイソレーション素子は、逆方向透過率が約５０％未満、約４５％以下、約４０％以下、約３５％以下、約３０％以下、約２５％以下、約２０％以下、約１５％以下、約１０％以下又は約５％以下であってもよい。前記逆方向透過率の下限は、約０％程度であってもよい。

本発明で、ある部材の「透過率」は、所定の波長を有する光をその部材に照射したとき、照射された光量に対してその部材を透過した光の光量を％で示したものを意味する。したがって、前記光アイソレーション素子の順方向透過率は、第１光路変更素子の入光面に入射された入射光の光量に対する第３光路変更素子から出射された出射光の光量の比を意味し得る。また、光アイソレーション素子の逆方向透過率は、第３光路変更素子の出光面に入射された入射光の光量に対する透過型ホログラフィック素子から出射された出射光の光量の比を意味し得る。

また、本発明は、光アイソレーション装置に関する。本発明の光アイソレーション装置は、少なくとも一つの前述した光アイソレーション素子を含んでいてもよい。

本発明で用語「光アイソレーション装置」は、光アイソレーション素子を含む装置であって、光アイソレーション機能を有する。したがって、光アイソレーション装置でも同様に前述した順方向及び逆方向に対する説明がそのまま適用され得る。

光アイソレーション装置は、上述した光アイソレーション素子を１個又は２個以上含んでいてもよい。光アイソレーション装置に光アイソレーション素子が２個以上含まれる場合、各光アイソレーション素子は、順方向に沿っていずれか一つの光アイソレーション素子を透過した光が他の光アイソレーション素子の第１光路変更素子側に入射できるように配置され得る。例えば、光アイソレーション装置が順方向に位置する第１光アイソレーション素子及び第２光アイソレーション素子を含む場合、第１光アイソレーション素子で第３光路変更素子の出光面と、第２光アイソレーション素子で第１光路変更素子の入光面と、が対向するように位置することができる。このように、光アイソレーション装置が複数の光アイソレーション素子を含むことで、光孤立度を一層向上させ得る。

本発明で、光孤立度（ｉｓｏｌａｔｉｏｎ ｒａｔｉｏ）は、逆方向の透過率に対して順方向の透過率がどのくらい増加したかを示すもので、これは、下記式３のように定義され、その値が大きいほど光アイソレーション性能に優れることを意味し得る。

複数の光アイソレーション素子を順方向に透過する光は光量の損失なしに継続して透過されるが、逆方向に透過する光の場合、その光量が指数関数的に、例えば、（０．５）^ｎ倍（ここで、ｎは光アイソレーション素子の個数を意味する）で減少する。したがって、光アイソレーション装置に含まれる光アイソレーション素子の数が増加するほどその光孤立度が増加できる。

一つの例示で、光アイソレーション装置で順方向に入射された光の透過率と逆方向に入射された光の透過率の割合は、下記式３による孤立度（ＩＲ、ｉｓｏｌａｔｉｏｎ ｒａｔｉｏ）によるとき、約３ｄＢ以上であり得る。

式３で、ＩＲは、孤立度であり、ｎは、光アイソレーション装置内に含まれる光アイソレーション素子の個数であり、Ｆは、順方向に光アイソレーション装置に入射された光の透過率であり、Ｂは、逆方向に光アイソレーション装置に入射された光の透過率である。

光アイソレーション装置の順方向に入射された光の透過率（Ｆ）は、約５０％以上、約５５％以上、約６０％以上、約６５％以上、約７０％以上、約７５％以上、約８０％以上、約８５％以上、約９０％以上又は約９５％以上であってもよい。前記順方向透過率の上限は、約１００％であってもよい。また、光アイソレーション装置の逆方向に入射された光の透過率は、約５０％未満、約４５％以下、約４０％以下、約３５％以下、約３０％以下、約２５％以下、約２０％以下、約１５％以下、約１０％以下又は約５％以下であってもよい。前記逆方向透過率の下限は、約０％程度であってもよい。

本発明で、ある部材の「透過率」は、所定の波長を有する光をその部材に照射したとき、照射された光量に対してその部材を透過した光の光量を％で示したものを意味する。

上記のような光アイソレーション装置は、追加的な構成を含んでいてもよい。例えば、前記光アイソレーション装置は、上述した光アイソレーション素子に含まれ得るもの外に、必要な場合、追加的に光の経路を制御することができるプリズム又は反射板のような光経路制御器をさらに含んでいてもよい。また、光アイソレーション装置は、必要な場合に、上記以外に追加的な光学要素を含んでいてもよい。例えば、光アイソレーション装置は、ルーバープレートのような光学要素を含んでいてもよい。そのようなルーバープレートなどは、例えば、順方向に進む光が最終的に出射される側、例えば、上述した第２光路変更素子の出光面に備われ得る。

本発明の光アイソレーション素子は、順方向駆動のための外部磁場が要求されず、低価に製造されることができ、且つ大面積化が可能である。

本発明による光アイソレーション素子の構造を示す概路図である。 第１光路変更素子の構造を示す概路図である。 第１光路変更素子の構造を示す概路図である。 第２光路変更素子の構造を示す概路図である。 第２光路変更素子の構造を示す概路図である。 第１光路変更素子の１Ｔ効率評価結果である。 第２光路変更素子の０Ｔ効率評価結果である。 第２光路変更素子の−１Ｒ効率評価結果である。 第３路変更素子の順方向光経路を示す概路図である。 第３光路変更素子の逆方向光経路を示す概路図である。

以下、実施例を通じて本発明の光アイソレーション素子を詳しく説明する。しかし、本発明の範囲が下記実施例によって制限されるものではない。

本発明の光アイソレーション素子の評価のために、下記のような第１光路変更素子、第２光路変更素子及び第３光路変更素子を用いた。

第１光路変更素子に適用される透過型ホログラフィック素子は、図２及び図３を参照して説明する。透過型ホログラフィック素子としては、通常的なフォトポリマー（３００〜８００ｎｍのうちいずれか一つの波長での平均屈折率：約１．５、臨界角：約４１度）にレーザー露光条件を適切に調節して図２のように干渉パターンを形成させたホログラフィック素子を用いた。図３は、図２に円で表示された部分を拡大した図である。図３のように、前記透過型ホログラフィック素子では干渉パターンの法線（ｇ）と透過型ホログラフィック素子の入光面の法線が成す角度が約−７５度であり、干渉パターンのピッチ（ａ）は、約６８５ｎｍであった。

第２光路変更素子の設定内容は、図４及び図５を参照して説明する。第２光路変更素子としては、反射型ホログラフィック素子を用いた。反射型ホログラフィック素子としては、通常的なフォトポリマー（３００ｎｍ〜８００ｎｍのうちいずれか一つの波長での平均屈折率：約１．５、臨界角：約４１度）にレーザー露光条件を適切に調節して図４のように干渉パターンを形成させたホログラフィック素子を用いた。図５は、図４に円で表示された部分を拡大した図である。図５のように、前記反射型ホログラフィック素子では干渉パターンの法線（ｇ）と第２光路変更素子の入光面が成す角度が約−３０度であり、このとき、干渉パターンのピッチ（ａ）は、約１７７ｎｍであった。

第３光路変更素子は、頂角が約４４度であり、３００ｎｍ〜８００ｎｍのうちいずれか一つの波長に対する屈折率が約１．４６であり、頂点が第３光路変更素子の出光面に向ける二等辺三角形プリズムフィルムを用いた。

ＶｉｒｔｕａｌＬａｂ Ｆｕｓｉｏｎソフトウェア（ＬｉｇｈｔＴｒａｎｓ社）のＲＣＷＡ（Ｒｉｇｏｒｏｕｓ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｗａｖｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ）機能を用いて第１光路変更素子と第２光路変更素子の出射効率を評価した。

図６は、第１光路変更素子の屈折率モジュレーション（ｉｎｄｅｘ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）と１Ｔ効率の関係を示した図である。ここで、１Ｔ効率は、第１光路変更素子の入光面に約０度の入射角で入射された光の光量に対して約３０度の角度で出射される光の光量を意味する。図６によると、透過型ホログラフィック素子の屈折率モジュレーションが増加するによって１Ｔ効率が周期的に増減し、その周期は、透過型ホログラフィック素子の厚さが大きいほど小さくなることが確認できる。これを通じて、例えば、レーザー露光方式で透過型ホログラフィック素子を製造するとき、露光条件とその厚さを適切に調節する場合、透過型ホログラフィック素子が一定レベル以上の１Ｔ効率を有することが分かる。例えば、厚さが約３０μｍであり、屈折率モジュレーションが約０．００８程度に設定される場合、透過型ホログラフィック素子の１Ｔ効率は、１に近接することが分かる。

反射型ホログラフィック素子の厚さと０Ｔ効率の関係を図７に示した。ここで、０Ｔ効率は、反射型ホログラフィック素子の入光面に約３０度の角度で入射された光の光量に対する透過された光の光量を意味する。図７によると、反射型ホログラフィック素子の厚さと関係なく、約３０度の角度で入射された光は、大部分反射型ホログラフィック素子を透過することが分かる。

図８は、反射型ホログラフィック素子の厚さと−１Ｒ効率の関係を示した図である。ここで、−１Ｒ効率は、反射型ホログラフィック素子の出光面に約−３０度の入射角で入射された光の光量に対して入射された光と平行な方向に反射する光の光量を意味する。図８によると、同一の屈折率モジュレーションでは反射型ホログラフィック素子の厚さが増加するほど−１Ｒ効率が高くなることが分かる。また、図８によると、同一の厚さでは反射型ホログラフィック素子の屈折率モジュレーションが増加するほど−１Ｒ効率が高くなることが分かる。特に、屈折率モジュレーションが０．０３以上である場合には、反射型ホログラフィック素子が８μｍ程度の薄い厚さを有しても０．８以上の−１Ｒ効率を有することが分かる。

ＬｉｇｈｔＴｏｏｌｓソフトウェア（Ｓｙｎｏｐｓｙｓ社）を用いて第３光路変更素子の性能をシミュレーションした。

第３光路変更素子の入光面に約３０度の光が入射されるときの出射される光の経路を図９に示した。図９によると、第３光路変更素子の入光面に約３０度の光が入射される場合、入射された光の大部分が約０度の光で出射されることが分かる。

第３光路変更素子の出光面に約０度の光が入射されるときの出射される光の経路を図１０に示した。図１０によると、第３光路変更素子の出光面に約０度の光が入射される場合、入射された光の半分程度は約３０度の光で出射され、残りは、約−３０度の光で出射されることが分かる。

図１のように、上記のような性能を有する第１光路変更素子１０、第２光路変更素子２０及び第３光路変更素子３０を上記順に配置したフィルム形態に製作されたものをコンピュータモデリングし、シミュレーションソフトウェアを通じてその性能を評価した。上記のような形態の素子に図１に示したような光を照射した結果（順方向の照射）得られた順方向透過率（Ｆ）と、反対方向に光を照射して得られた逆方向透過率（Ｂ）の割合（Ｆ／Ｂ）は、約２であり、これを前記式３に代入して確認した孤立度（ＩＲ）は、約３ｄＢであった。

１０：第１光路変更素子
２０：第２光路変更素子
３０：第３光路変更素子

Claims (15)

1. それぞれ入光面と出光面を含む第１光路変更素子、第２光路変更素子及び第３光路変更素子を上記順に含み、
   前記第１光路変更素子は、入光面に−９０度超〜９０度未満の範囲内である第１角度の入射角で入射された光を前記第１角度とは異なる第２角度の出射角で出射させ、出光面に前記第２角度の入射角で入射された光を前記第１角度の出射角で出射させる素子であり、
   前記第２光路変更素子は、入光面又は出光面に前記第２角度の入射角で入射された光は透過させ、前記第２角度とは異なる第３角度の入射角で入光面又は出光面に入射された光は当該光の方向と平行な方向に反射させる素子であり、
   前記第３光路変更素子は、入光面に前記第２角度の入射角で入射された光を第４角度の出射角で出射させ、出光面に前記第４角度の入射角で入射された光を前記第２角度又は前記第３角度の出射角に分割して出射させる素子であり、
   前記第２角度及び前記第３角度は、それぞれ０度超〜９０度未満の範囲内であるか、−９０度超〜０度未満の範囲内であり、
   前記第４角度は、−９０度超〜９０度未満の範囲内であり、
   前記第１角度と第４角度の差の絶対値は、０度〜１０度の範囲内であり、
   前記第２角度と第３角度の合計の絶対値は、０度〜１０度の範囲内であり、
   前記第１光路変更素子は、ホログラフィック素子であることを特徴とする、光アイソレーション素子。
2. 前記第２光路変更素子は、ホログラフィック素子であることを特徴とする、請求項１に記載の光アイソレーション素子。
3. 前記ホログラフィック素子の平均屈折率は、１．４〜１．６の範囲内であることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の光アイソレーション素子。
4. 前記第１光路変更素子は、干渉パターンを含む透過型ホログラフィック素子であり、下記式１を満足することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の光アイソレーション素子。
   式１で、θ_Ｇは、前記干渉パターンの法線がホログラフィック素子の入光面又は出光面の法線と成す角度のうち絶対値が小さい角度（単位：度）であり、θ_Ｃは、ホログラフィック素子の臨界角（単位：度）である。
5. 前記透過型ホログラフィック素子の最大屈折率と最小屈折率の差は、０．０１〜０．０３の範囲内であることを特徴とする、請求項４に記載の光アイソレーション素子。
6. 前記第１光路変更素子の厚さは、３０μｍ以上であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の光アイソレーション素子。
7. 前記第２光路変更素子は、干渉パターンを含む反射型ホログラフィック素子であり、下記式２を満足することを特徴とする、請求項２〜６のいずれか一項に記載の光アイソレーション素子。
   式２で、θ_Ｇは、前記干渉パターンの法線がホログラフィック素子の入光面又は出光面の法線と成す角度のうち絶対値が小さい角度（単位：度）であり、θ_Ｃは、ホログラフィック素子の臨界角（単位：度）である。
8. 前記反射型ホログラフィック素子の最大屈折率と最小屈折率の差は、０．０６以上であることを特徴とする、請求項７に記載の光アイソレーション素子。
9. 前記第２光路変更素子の厚さは、１０μｍ以上であることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の光アイソレーション素子。
10. 前記第２光路変更素子は、金属層を含むプリズムフィルムであることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の光アイソレーション素子。
11. 前記プリズムは、三角形プリズムであることを特徴とする、請求項１０に記載の光アイソレーション素子。
12. 前記第３光路変更素子は、プリズムフィルムであることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の光アイソレーション素子。
13. 前記プリズムは、二等辺三角形プリズムであることを特徴とする、請求項１２に記載の光アイソレーション素子。
14. 前記三角形の頂角は、４０度〜５０度の範囲内であることを特徴とする、請求項１３に記載の光アイソレーション素子。
15. 請求項１〜１４のいずれか一項に記載の光アイソレーション素子を少なくとも一つ含むことを特徴とする、光アイソレーション装置。