JP6358710B2 - 回折光学素子 - Google Patents

Description

本発明は光信号をスペクトル分析（分光）する際に用いられる回折光学素子に関する。

回折光学素子は光信号をその波長に応じてスペクトル分解（分光）するデバイス（波長分散素子）であり、分光計測や光通信など幅広い分野で用いられている。

回折光学素子の性能は波長分解能で与えられ、光信号に含まれる波長成分をいかに精細に分解して計測、制御できるかで表現される。波長分解能は、デバイスの面積の逆数と分散性能の積で与えられることが知られている。

このような回折光学素子の構造としては、光の波長と同程度の周期構造を形成したブレーズドグレーティングやホログラフィックグレーティングが一般的に使用されているが、近年、光導波路をもちいた回折光学素子として、ブラッグ反射鏡導波路（ＢＲＷ：Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ）回折光学素子などの導波型の回折光学素子が提案されており、大きな分散性能を得ることができることが示されている。すなわち、ＢＲＷ型の回折光学素子は高い波長分解能を持つ回折光学素子として、その実用化が期待されている。

ＢＲＷ型の回折光学素子は、基板上に形成された光導波路（コア）の上下面に多層構造のブラッグ反射鏡をもつ基本構造を有する。

（ＢＲＷ型回折光学素子の原理）
非特許文献１によれば、ＢＲＷ型の回折光学素子は以下の原理で動作する。

すなわち、ＢＲＷ回折光学素子が形成された基板面に対して、光導波路の一端からある特定の斜めの角度で光信号をＢＲＷに入射すると、光信号は上下面のブラッグ反射鏡により反射を繰り返しつつ光導波路を伝搬する。光信号が光導波路を伝搬するに従って、ブラッグ反射鏡の反射率が小さい光導波路の上面より光信号が漏れて出射されるが、その出力量は上面に設置されたブラッグ反射鏡の透過率に依存し、出射位置は光信号の主光線が上面ブラッグ反射鏡に着弾する位置によって決まる光導波路上の離散的な点列となる。

これらの離散的な複数の出射位置は、光導波路上にリニアアレイを構成する波源となり、全体として出射光のビームを形成する。

ＢＲＷ型の回折光学素子においては、出力される光信号は、その波長によって自由空間における伝搬方向が異なり、波長に応じて形成される出射光ビームの方向が異なることによって波長分散機能を実現する。この際、光導波路から出力される離散的な点光源の列の空間長を長く取ることによって、特定波長で見たときの出射光のビーム形状を絞ることができ、非常に高い分散能を実現できる。

X. Gu，T. Shimada，A. Matsutani，F. Koyama，"Miniature Nonmechanical Beam Deflector Based on Bragg Reflector Waveguide With a Number of Resolution Points Larger Than 1000"，IEEE Photonics Journal，Volume 4，Number 5，pp. 1712-1719，October 2012

しかしながら上述のＢＲＷ型の回折光学素子においては、リニアアレイを構成する複数の波源それぞれから空間に出力される光信号の強度が、光導波路の伝播方向に向かって指数関数的に減少するという問題を生じていた。

すなわち、空間に出力される光信号の強度は、上部ブラッグ反射鏡の透過率と、導波路を伝搬する光信号のその位置における強度の積に比例するため、光信号が導波路を伝搬するに従って上方に出射（漏出）した分だけ光導波路を伝搬する光信号の強度が減衰し、結果として光導波路上の複数の波源それぞれから上方空間に出力される光信号の空間強度分布は、光導波路の伝搬方向に向かって減少する指数関数で重み付けされたものとなる。

このような指数関数状の強度分布は、リニアアレイとしてのビームパターンを変形させるから、回折光学素子としての波長分解能を劣化させる。たとえば、集光レンズを介して角度分散をもつＢＲＷ素子からの出力界分布を位置分散に変換する際に、ＢＲＷ素子出力直後の電界分布を反映したスペクトル分布となるため、隣接した波長位置に長い裾を引く強度分布となり、波長分解能の劣化のみならず、例えば隣接波長チャネルとの間に漏話を生じるという問題を生じていた。

本発明は、ＢＲＷ型回折光学素子における上述の問題を解決するためになされたものであり、高分解能かつ低漏話な回折光学素子を提供するものである。

本発明は、このような目的を達成するために、
基板上に形成された光導波路型の回折光学素子であって、
光導波路コアの下部に、ブラッグ反射鏡が設置され、
前記光導波路コアの上部に、前記光導波路コアより高い屈折率を有し、光信号の伝搬方向に向かって存在幅および間隙幅が変化する高屈折率部で構成され、光信号の伝搬方向に向かって光信号の上方空間への透過率が変化する反射構造部を備えた
ことを特徴とする回折光学素子、を構成したものである。

また、前記高屈折率部と前記光導波路コアとの間に、第二のブラッグ反射鏡が設置された
ことを特徴とする回折光学素子、を構成したものである。

また、基板上に形成された光導波路型の回折光学素子の製造方法であって、
光導波路コアの下部に、ブラッグ反射鏡を設置し、
前記光導波路コアの上部に、前記光導波路コアより高い屈折率を有し、光信号の伝搬方向に向かって存在幅および間隙幅が変化する高屈折率部で構成され、光信号の伝搬方向に向かって光信号の上方空間への透過率が変化する反射構造部を形成し、
前記高屈折率部の存在幅および間隙幅は、
前記回折光学素子の波長範囲、波長分解能および単色光に対するスペクトルの形状を決定する第１の手順と、
前記第１の手順で決定した波長範囲、波長分解能および単色光に対するスペクトルから、前記回折光学素子出力直後の光電界の分布を決定する第２の手順と、
前記回折光学素子の層構造として、前記高屈折率部および前記光導波路コアの厚みを決定する第３の手順と、
前記第３の手順で決定した層構造に対して、前記高屈折率部の存在幅と間隙幅をマトリックスとして出力光の強度と位相を導出する第４の手順と、
前記第４の手順で導出した出力光の強度と位相から、前記第２の手順で決定した光電界の分布を実現する高屈折率部の存在幅と間隙幅を決定する第５の手順と
で決定することを特徴とする回折光学素子の製造方法としたものである。

そして、前記高屈折率部と前記光導波路コアとの間に、第二のブラッグ反射鏡を設置する
ことを特徴とする回折光学素子の製造方法としたものである。

本発明によれば、光導波路型の回折光学素子の光導波路コアの上部に、光信号の伝搬方向に向かって光信号の上方空間への透過率が変化する反射構造部を設けることによって、従来の回折光学素子では得られなかった、非常に高い分散を保ちつつ、波長分解能に優れた回折光学素子の実現が可能になる。

本発明の実施形態１にかかる回折光学素子の側面図と上面図である。 本発明の実施形態１にかかる回折光学素子の光導波路の詳細を説明する図である。 本発明の実施形態１にかかる回折光学素子の光導波路の層構造の例を示す図である。 本発明の実施形態１にかかる回折光学素子の光導波路の層構造の別の例を示す図である。 本発明の実施形態２にかかる回折光学素子の設計方法の工程を示す図である。 本発明の実施形態２にかかる回折光学素子の設計方法に用いられる、高屈折率層の周期とデューティ比に対する（ａ）反射率および（ｂ）位相を示す図である。 本発明の実施形態３にかかる回折光学素子の側面図である。 本発明の実施形態３にかかる高屈折率層の透過率分布を説明する図である。 本発明の実施形態３にかかる回折光学素子の高屈折率層の構造決定の方法を説明する図である。 本発明の実施形態４にかかる回折光学素子の側面図である。 本発明の実施形態４にかかる高屈折率層の光信号の透過率分布を説明する図である。 本発明の実施形態４にかかる回折光学素子の高屈折率層の構造決定の方法を説明する図である。

（実施形態１）
図１は本発明の実施形態１にかかる回折光学素子１０の概略を示す図である。

図１には、回折光学素子１０の側面図１（ａ）と上面図１（ｂ）が示される。

本発明に開示される回折光学素子１０は、光導波路基板１上に設置された光導波路２からなる。光導波路２には、被分析対象である光信号が、光ファイバ３を介して光導波路２に対し所定の角度を持って入力される。光導波路２は、図２に後述するように光導波路２のコアとなる低屈折率層１１と、その下面のブラッグ反射鏡１３と、上面の高屈折率層１２からなる多層構造を有する。

前述のＢＲＷ型回折光学素子の原理で述べた上面のブラッグ反射鏡に替えて、単層の高屈折率層１２を反射構造部とすることにより、上面より出力される光信号の強度調整を容易に行うことができる。もちろん、従来と同様な上面のブラッグ反射鏡に加えて、その上に高屈折率層１２を設けることも可能である。

側面図１（ａ）には、本発明の回折光学素子１０に加えてレンズ４とその結像面５を示した。前述のように、左の光ファイバ３より光導波路２に対し所定の角度を持って入力された光信号が、回折光学素子１０の光導波路２内を反射を繰り返しながらｚ軸方向に伝搬するに従って、光導波路２の上面から暫時光信号の一部（６ａ、６ｂ）が出力される。光信号が出力される際に、その出力方向（ｙ−ｚ面内でｚ軸と光信号の伝搬方向がなす角）は、光信号の波長によって変化する。

したがって、光導波路２からｙ方向にｆの距離に設置された焦点距離ｆを有するレンズにより、光導波路２の上面から出力された光信号６は結像面５に結像され、波長分波機能が実現される。

たとえば、ある波長λを有する光信号は実線６ａの方向に出力され、結像面５上の点７ａに結像され、また、λよりも長波の光信号は点線６ｂの方向に出力され、結像面５上の点７ｂに結像される。

（光導波路の詳細）
図２は、図１における光導波路２の詳細を説明する図である。図２に示されるように、光導波路２は、光信号が伝搬するコアとなる低屈折率層１１と、その下面に設置された多層構造のブラッグ反射鏡１３と、上面に設置された所定の透過率を有する反射構造部である高屈折率層１２からなる。

図の左から低屈折率層１１に入射された光信号は、反射を繰り返しながらz方向右に伝搬するに伴って、高屈折率層１２側から徐々に上方に出力される。この際、低屈折率層１１の下面には多層のブラッグ反射鏡１３が設置されるため、光信号はほぼ反射されブラッグ反射鏡１３側には出力されない。

一方、上面側の高屈折率層１２は光の伝搬方向に変化する構造とすることによって、上方空間への光信号の透過率（ほぼ、１−反射率に等しい）が変化する反射構造部とすることができる。すなわち、図２に示されるように、光の伝搬方向に従って高屈折率層の有無（存在幅と間隙幅）が変化する。この高屈折率層の存在幅と間隙幅の変化の分布を、後述する方法を適用して設計することにより、光導波路２の上面から出力される光信号の強度を光導波路２の伝搬方向に沿って任意に調整することができる。

（光導波路の層構造）
図３に、高屈折率層１２、低屈折率層１１、ブラッグ反射鏡層１３からなる図２の光導波路の層構造の例を示す。層構造は回折光学素子の使用波長帯域によって決定されるものであり、例としては図３の例１〜５に挙げるように、高屈折率層１２、低屈折率層１１、ブラッグ反射鏡層１３を構成する材料１〜４の組み合わせとして、
（例１）Ｓｉ，ＳｉＯ₂，Ｓｉ，ＳｉＯ₂、
（例２）Ｓｉ，ａｉｒ（空気），Ｓｉ，ＳｉＯ₂、
（例３）ＧａＡｓ，Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ，ＧａＡｓ，Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ、
（例４）ＧａＡｓ，ａｉｒ（空気），ＧａＡｓ，Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ、
（例５）Ｓｉ，ＳｉＯ₂，ＧａＡｓ、Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ
などが挙げられるが、層構造としてはここに挙げたものに限られなく、高屈折率層１２の屈折率が低屈折率層１１の屈折率よりも高く、ブラッグ反射鏡層１３が十分な反射率を得ることができるように、その多層構造が実現されればよい。
また、図４の光導波路の層構造の別の例に示すように、高屈折率層１２と低屈折率層１１の間にブラッグ反射鏡層１３より反射率は小さいが同様に材料３と４で構成された第二のブラッグ反射鏡層１４を設置することも可能である。

（実施形態２）
実施形態１で説明した光導波路２から出力される光信号の強度の設定は、図５に示す以下の手順に従って高屈折率層１２の存在幅と間隙幅の構造を決定することで実現される。

すなわち、図５の第１の工程Ｓ５０１として、求められる回折光学素子の使用波長範囲および波長分解能を決定する。使用波長範囲により最適な材料層構造が決定される。また、波長分解能が決まれば、回折光学素子の有効素子長が決定される。加えて、単色光を回折光学素子に入力したときの結像面５における光信号強度分布（スペクトル形状）、すなわち波長分解スポット（集光スポット）形状に起因して、光導波路２から出力される光電界分布が決定される。

第２の工程Ｓ５０２では、第１の工程で決定した波長分解スポットの大きさ（分解能）および集光スポットの形状から光導波路２出力直後の光電界分布を決定する。決定にあたっては、集光スポット形状における光電界分布をビーム伝搬法などで逆伝搬させることで求めてもよいし、2f系のレンズ系であれば、集光スポット形状における光電界分布をフーリエ変換することで決定してもかまわない。

第３の工程Ｓ５０３では、第１の工程で決定した使用波長範囲をもとに図３や図４に述べたような導波路の層構造を構成する材料系を決定する。たとえば、１．５ミクロン帯の通信波長帯が使用波長範囲であれば、Ｓｉ／ＳｉＯ₂による多層構造とすることで低損失な導波路が実現できる。使用波長範囲が可視光帯であれば、ニオブ酸リチウム結晶とＳｉＯ₂の多層構造などを用いてもよい。

第４の工程Ｓ５０４では、第３の工程で決定した層構造に対して、高屈折率層の存在幅と間隙幅をマトリックスとして、出力光の強度と位相（後述の図６に対応）を求める。

第５の工程Ｓ５０５では、第４の工程で決定した、高屈折率層の存在幅と間隙幅に対する出力光の強度と位相の関係と、第２の工程で決定した光電界分布を対照して、光導波路層２の光の伝搬方向の高屈折率層の存在幅と間隙幅の分布を決定する。

図５に示した工程はこの順に限るものではなく、たとえば各種材料系に対して第３の工程から第４の工程を予め実施しておき、回折光学素子の仕様（波長範囲、分解能）が決定されるに応じて、第５の工程をおこなってもよい。

（高屈折率層の周期とデューティ比に対する反射率と位相）
図６（ａ）および（ｂ）は、前記図５の第１の工程Ｓ５０１において、例えば光信号の波長を１．５μｍと決定し、第３の工程Ｓ５０３において、ＳｉＯ₂を低屈折率層、Ｓｉを高屈折率層と決定し、高屈折率層の厚みを１．２μｍとした場合に、第４の工程Ｓ５０４において求められる図で、高屈折率層の存在幅と間隙幅をマトリックスとして変化させた場合の、光導波路２から出力される光信号の強度および位相をプロットしたものである。

図６（ａ）の反射率を１から引いたものが透過率、すなわち光信号の強度にあたり、図６（ｂ）がその位相である。

図６では高屈折率層の存在幅と間隙幅を、これらに対応する周期（存在幅と間隙幅の和）とデューティー比（存在幅／周期）として縦軸および横軸にとり、マトリックスとして表示した。

図６（ａ）および（ｂ）をもとに任意の強度、位相の分布を有する光電界を光導波路２の上面より出力することが可能になる。

以下の実施形態３から４では、光導波路２から出力される光電界の決定の詳細について説明する。

（実施形態３）
本実施形態３では、一般的な回折光学素子に要求される波長分解スポットの形状であるガウス関数形状を実現する例について説明する。図７は本実施形態３にかかる図である。

たとえば、図７に示すように、結像面５における集光スポットの形状をガウス分布２２とする場合には、ガウス分布のフーリエ変換もまたガウス分布であることより、回折光学素子から出力される光信号の強度分布もガウス分布２１とするのが適切である。

（実施形態３の高屈折率層の透過率分布）
図８は、回折光学素子から出力される光信号の伝搬方向に渡る強度分布をガウス分布２３（図７の２１に対応）とする際に必要となる、上部高屈折率層１２の光信号の透過率分布２４を示す図である。またその際に低屈折率層１１に閉じ込められる光信号強度の伝搬方向に渡る分布２５も同時に示した。

図８において、左端より回折光学素子に入力された光は、光導波路２を右方向へ伝播するにつれて上方へ漏出、出力され、伝播する光信号強度は減衰して分布２５を形成する。

したがって、回折光学素子から出力される光信号の強度分布をガウス分布２３とするためには、光信号強度が減衰した右側の部分において上部高屈折率層１２の透過率を高めた、透過率分布２４のような形状とする必要がある。

すなわち、分布２４となる透過率を実現する高屈折率層１２を低屈折率層１１上に装荷することで、出力光信号の強度分布を分布２３に示される所望のガウス状の分布とすることができる。

なお、図８において、ガウス分布２３、透過率分布２４はそのピークを１に、伝搬方向に渡る光信号強度の分布２５は左端の伝播距離０の入力点を１となるように正規化して表現してある。

（実施形態３の高屈折率層の構造決定の方法）
図８の分布２４のような透過率分布を得るためには、実施形態２で示した図６をもとに、図９に示すように高屈折率層１２の配置を決定すればよい。

すなわち、図９（図６の再掲）（ｂ）において、位相が任意の一定値の線分２６（例えば位相が０．２５πの等高線）を選択し、対応する図９（ａ）反射率のプロットにおいて線分２６と同位置の線分２７を決定する。

ここで、図９の（ａ）反射率の線分２７上において、反射率の値は０から１までの任意の必要な値を取ることができるように、（ｂ）位相の線分２６の長さを定めておく。

そして、図８の透過率分布２４にしたがって、光導波路２の伝搬距離の各点において必要とされる透過率を決定し、図９（ａ）の線分２７上から、所望の透過率にあたる反射率となる周期、デューティー比を選択してその伝搬距離の点における高屈折率層１２の分布とすればよい。

このように高屈折率層１２の構造を決定することで所望の出力光電界を得ることができる。

（実施形態４）
本実施形態４では、波長分解スポットの形状として実施形態３のガウス関数形状に換えて矩形のスポットを実現する例について説明する。矩形の波長分解スポットすなわち矩形のスペクトルは、例えば光通信における波長フィルタとして隣接波長チャネルとの間の漏話を防ぐのに好適な形状である。

図１０に示すように、実施形態４の結像面５において矩形の集光スポット形状３２を得るためには、矩形関数のフーリエ変換がｓｉｎｃ関数（ｓｉｎ ｘ／ｘ）であることより、回折光学素子の出射直後の光信号の強度分布として、ｓｉｎｃ関数形状３１の強度分布を形成すればよい。

（実施形態４の高屈折率層の透過率分布）
図１１は、回折光学素子出射直後の光信号の電界分布をｓｉｎｃ関数形状３３（図１０の３１）にするために必要となる、高屈折率層１２の透過率の分布３４を示す図である。またその際に低屈折率層１１を伝搬する光信号の強度分布３５も示した。

実施形態３の図９と同様に、実施形態４では図１２を使用して、図５のＳ５０４で求めた高屈折率層１２の存在幅と間隙幅（周期、デューティー比）に対する高屈折率層１２の反射率と位相の関係から求める透過率分布３４を実現する組み合わせを選択して、高屈折率層１２を形成すればよい。

ところで、一般に知られているようにｓｉｎｃ関数は、振幅を正の値に折り返して表現した場合、その振幅がゼロとなる点を境に、位相が１８０°回転する。したがって、存在幅と間隙幅の組み合わせは、図１２（ｂ）に示すように、１８０°（π）の位相差がある２つの線分上から決定する。

すなわち、図１２（ｂ）において、出力される光信号の位相が−０．５πの等高線の線分３０と位相が＋０．５πの線分２８の２本を選択し、反射率のプロットである図１２（ａ）における同位置の対応する線分３１および線分２９から、所望の反射率（透過率）となるように、高屈折率層１２の存在幅と間隙（周期、デューティー比）を求めて、高屈折率層１２を形成すればよい。

実施形態３および実施形態４では、回折光学素子出力直後の光電界分布を、ガウス分布およびｓｉｎｃ関数分布とする例を示したが、形成する光電界分布はこれらの形状に限るものではなく、実施形態２に説明した方法を使って任意の形状を実現可能であることは明らかである。

このように、本発明によれば、従来の回折光学素子では得られなかった、非常に高い分散を保ちつつ、波長分解能に優れた回折光学素子の実現が可能になる。

１ 光導波路基板
２ 光導波路
３ 光ファイバ
４ レンズ
５ 結像面
６ａ、６ｂ 出射光信号
７ａ，７ｂ 出射光信号の像
１０ 回折光学素子
１１ 低屈折率層
１２ 高屈折率層
１３ ブラッグ反射鏡（層）
１４ 第二のブラッグ反射鏡（層）
２２、３２ 集光スポットの形状
２１、２３、３１、３３ 出力される光信号の強度分布
２４、３４ 高屈折率層の透過率分布
２５、３５ 光導波路を伝搬する光信号の強度分布
２６，２８，３０ 位相が一定値の線分
２７、２９，３１ 対応する反射率の線分

Claims (4)

1. 基板上に形成された光導波路型の回折光学素子であって、
   光導波路コアの下部に、ブラッグ反射鏡が設置され、
   前記光導波路コアの上部に、前記光導波路コアより高い屈折率を有し、光信号の伝搬方向に向かって存在幅および間隙幅が変化する高屈折率部で構成され、光信号の伝搬方向に向かって光信号の上方空間への透過率が変化する反射構造部を備えた
   ことを特徴とする回折光学素子。
2. 前記高屈折率部と前記光導波路コアとの間に、第二のブラッグ反射鏡が設置された
   ことを特徴とする請求項１に記載の回折光学素子。
3. 基板上に形成された光導波路型の回折光学素子の製造方法であって、
   光導波路コアの下部に、ブラッグ反射鏡を設置し、
   前記光導波路コアの上部に、前記光導波路コアより高い屈折率を有し、光信号の伝搬方向に向かって存在幅および間隙幅が変化する高屈折率部で構成され、光信号の伝搬方向に向かって光信号の上方空間への透過率が変化する反射構造部を形成し、
   前記高屈折率部の存在幅および間隙幅は、
   前記回折光学素子の波長範囲、波長分解能および単色光に対するスペクトルの形状を決定する第１の手順と、
   前記第１の手順で決定した波長範囲、波長分解能および単色光に対するスペクトルから、前記回折光学素子出力直後の光電界の分布を決定する第２の手順と、
   前記回折光学素子の層構造として、前記高屈折率部および前記光導波路コアの厚みを決定する第３の手順と、
   前記第３の手順で決定した層構造に対して、前記高屈折率部の存在幅と間隙幅をマトリックスとして出力光の強度と位相を導出する第４の手順と、
   前記第４の手順で導出した出力光の強度と位相から、前記第２の手順で決定した光電界の分布を実現する高屈折率部の存在幅と間隙幅を決定する第５の手順と
   で決定することを特徴とする回折光学素子の製造方法。
4. 前記高屈折率部と前記光導波路コアとの間に、第二のブラッグ反射鏡を設置する
   ことを特徴とする請求項３に記載の回折光学素子の製造方法。