JP7048962B2 - Optical element - Google Patents

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本発明は、光線を集光する作用、発散する作用、もしくは平行光に変換する作用を持つ光学素子に関する。 The present invention relates to an optical element having an action of condensing light rays, an action of diverging light rays, or an action of converting light rays into parallel light.

光を集光もしくは発散もしくは平行光に変換する光学素子としては、レンズ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 are extremely widely used as optical elements that collect, diverge, or convert light into parallel light. Many of them have a three-dimensional shape like a convex lens and a concave lens, and are manufactured one by one as a function, so that it is often difficult to integrate and miniaturize them. In recent years, a technology (called gradient metasurface) that manipulates the propagation after transmission by finely processing the surface of a transparent substrate, changing the phase of the light beam that transmits perpendicularly to it at each location, and tilting the wavefront. ) 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 wavefront deformation 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 possible to be about a fraction to several times that of 2π radians, so it is necessary to return the phase change amount 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。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。
In the above-mentioned operation of returning the phase change amount 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 it. That is,
(A) Micro 1/2 wave plates having various orientations for each region are arranged on the surface of the substrate 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.
Specifically, the electric field of the incident light in FIG. 1 is, for example, Ex = 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. Is known to change only.

位相推移を2πラジアンをこえて連続的に変化させる必要があるときは、例えばθを図1上部のように定義し、θをπラジアンを超えて連続的に変化させれば良く、θを連続かつ単調にπの数倍変化させれば、位相角は不連続なく2πラジアンの何倍でも変化させることができる。もし仮にθが近似的にxと共に直線的に増加または減少するとき、透過する円偏光の波面はxに関して直線的な変換をうける。この概念とフォトニック結晶とを組み合わせた偏光プリズムが実現されている(非特許文献1)。 When it is necessary to continuously change the phase transition beyond 2π radians, for example, θ may be defined as shown in the upper part of Fig. 1, θ may be continuously changed beyond π radians, and θ may be continuous. Moreover, if the phase angle is monotonically changed by several times of π, the phase angle can be changed by many times of 2π radians without discontinuity. If θ approximately increases or decreases linearly with x, the transmitted circularly polarized wavefront undergoes a linear transformation with respect to x. A polarizing prism that combines this concept with a photonic crystal has been realized (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。そこでは直交する偏光にそれぞれ異なる信号を乗せ通信を行っている。したがって発信部分では直交する偏光を一つの光路に合成する必要があり、一方で受信部では受信した光を直交する偏光に分離し、受信部に入射する必要がある。 On the other hand, the coherent method is widely used in modern optical communication. There, different signals are put on the orthogonal polarizations for communication. Therefore, in the transmitting portion, it is necessary to combine orthogonal polarizations into one optical path, while in the receiving portion, it is necessary to separate the received light into orthogonal polarizations and incident on the receiving portion.

特に近年、シリコンフォトニクスに代表される屈折率が高く閉じ込め作用の強い光回路の普及が進んでいる。そうした光回路では光ファイバとの結合が課題となる。つまりすでに世の中に敷設されている光ファイバのビーム径は約10ミクロンである。一方でシリコンフォトニクスでは、回路中では数百nmのビーム径であり、回路端にビーム径変換部を設けてもせいぜい2~3ミクロンのビーム径である。したがってそこでのビーム径の不整合により、数dBのパワー損失が避けられない。 In particular, in recent years, optical circuits having a high refractive index and a strong confinement action, such as silicon photonics, have become widespread. In such an optical circuit, coupling with an optical fiber becomes an issue. That is, the beam diameter of the optical fiber already laid in the world is about 10 microns. On the other hand, in silicon photonics, the beam diameter is several hundred nm in the circuit, and even if a beam diameter conversion unit is provided at the end of the circuit, the beam diameter is at most 2 to 3 microns. Therefore, due to the mismatch of the beam diameter there, a power loss of several dB is inevitable.

さらに屈折率の高い光回路は特性に偏光依存性を持つことがほとんどであり、回路入り口の段階で偏光を分離し、片方を90度回転させ、回路が動作する偏光への変換がなされる。こうすることで回路の設計が片方の偏光だけに限定すればよく、設計が効率化し歩留まりが向上するためである。 In most optical circuits with a higher refractive index, the characteristics of the optical circuit depend on the polarization, and the polarization is separated at the entrance stage of the circuit, and one of them is rotated by 90 degrees to convert it into the polarization in which the circuit operates. By doing so, the circuit design need only be limited to one polarization, and the design becomes more efficient and the yield is improved.

したがって直交する偏光を分離し、かつビーム径変換の機能を有する光学素子が実現できれば、有用なことは明らかである。 Therefore, it is clear that it would be useful if an optical element capable of separating orthogonal polarizations and having a beam diameter conversion function could be realized.

第64回応用物理学会春季学術講演会予稿集、講演番号16-a-F202-7Proceedings of the 64th JSAP Spring Meeting, Lecture No. 16-a-F202-7

特許第3325825号公報Japanese Patent No. 3325825

前述したビーム位相面の変換機能は前述した表面加工でも実現可能であるが、例えば次の(1)~(4)で説明するような困難がある。 The above-mentioned beam phase plane conversion function can be realized by the above-mentioned surface processing, but there is a difficulty as described in the following (1) to (4), for example.

(1)溝と溝の間隔、あるいは周期溝の周期は少なくとも1/3波長以上となる。光ビームを制御するには場所ごとに精細に位相を制御したいが、波長板の溝間隔で制限される。実際にはそれ以前に溝が波長板として機能し隣接領域と異なる主軸方向をもつためには、溝の長さは溝同士の間隔の少なくとも同等以上、望ましくは2倍以上であることを要し、微小領域の寸法が十分小さくなり得ない。以下に具体的な説明をする。図1における各領域Dのうち領域内の溝の長さが最小になるものを符号dであらわす。同様に図4においても符号dを同じく定義する。また、周期的に繰り返される溝の周期(「溝間単位周期」ともいう)を符号pで表す。波長板として動作するためにはd/pがある程度大きいことが必要である。d/pが有限のとき、その領域の複屈折による位相差はπより小さく、π(1-p/2d)程度と見積もられる。本来πであるべき位相差が、たとえば0.95π以上、または0.9π以上、または0.75π以上、または0.5π以上であるためには、dはそれぞれ10p以上、5p以上、2p以上、p以上であることが必要である。 (1) The distance between grooves, or the period of the periodic groove, is at least 1/3 wavelength or more. To control the light beam, we want to control the phase finely for each place, but it is limited by the groove spacing of the wave plate. In fact, before that, in order for the groove to function as a wave plate and have a principal axis direction different from that of the adjacent region, the length of the groove must be at least equal to or more than the distance between the grooves, preferably more than twice. , The size of the minute area cannot be small enough. A specific explanation will be given below. Of each region D in FIG. 1, the region in which the length of the groove in the region is minimized is represented by the symbol d. Similarly, in FIG. 4, the reference numeral d is also defined. Further, the period of the groove (also referred to as “inter-groove unit period”) that is periodically repeated is represented by the reference numeral p. In order to operate as a wave plate, it is necessary that d / p is large to some extent. When d / p is finite, the phase difference due to birefringence in that region is smaller than π and is estimated to be about π (1-p / 2d). In order for the phase difference that should be π to be, for example, 0.95π or more, 0.9π or more, 0.75π or more, or 0.5π or more, d is 10p or more, 5p or more, 2p or more, respectively. It is necessary to be p or more.

逆に、高精細化のためにはdは小さく保ちたい。図1の光学素子においてdは素子への要求により上限が定まり、それを小さくできるほど素子の性能は高まる(量子化誤差が小さいから)。一方、pはさらにそれより1桁から半桁小さいことが求められるゆえ、pを小さくできることの利益は大きい。 On the contrary, we want to keep d small for high definition. In the optical element of FIG. 1, the upper limit of d is determined by the request to the element, and the smaller the upper limit is, the higher the performance of the element (because the quantization error is small). On the other hand, since p is required to be one to half an order smaller than that, the benefit of being able to make p smaller is great.

また、図4の様に溝を曲線とした場合には、パターンが円の接線方向に近づくにつれてピッチが狭くなってしまい、溝の本数を減らす(間引く)ことで、ピッチを保つ必要がある。そうした場合でも、厳密にピッチ間隔を一定にすることはできず、ピッチ間隔が場所ごとに変動し、1/2波長板から位相差がずれてしまう。 Further, when the groove is curved as shown in FIG. 4, the pitch becomes narrower as the pattern approaches the tangential direction of the circle, and it is necessary to maintain the pitch by reducing (thinning out) the number of grooves. Even in such a case, the pitch interval cannot be made exactly constant, and the pitch interval fluctuates from place to place, and the phase difference deviates from the 1/2 wave plate.

(2)素子表面での不要な光の反射を避けるため反射防止層を表面に成膜する必要があるが表面加工による波長板では成膜が困難である。 (2) It is necessary to form an antireflection layer on the surface in order to avoid unnecessary reflection of light on the surface of the element, but it is difficult to form a film on the surface-processed wave plate.

(3)素子表面での微細加工で1/2波長板を実現する場合で、その高さは100nm程度となる。例えば誤差1%とすると、表面加工精度を100×0.01=1nm程度以下に抑える必要があり、たいへん高度な加工技術を要する。一方で、フォトニック結晶では1/2波長でもミクロンオーダの厚さになるため、例えば10μm×0.01=100nm程度の制御ができればよく、これは通常の薄膜プロセスで十分対応可能な値である。 (3) When a 1/2 wave plate is realized by microfabrication on the surface of the device, its height is about 100 nm. For example, if the error is 1%, it is necessary to suppress the surface processing accuracy to about 100 × 0.01 = 1 nm or less, which requires a very advanced processing technique. On the other hand, in a photonic crystal, the thickness is on the order of microns even at 1/2 wavelength, so it is sufficient if control of, for example, about 10 μm × 0.01 = 100 nm is possible, which is a value that can be sufficiently handled by a normal thin film process. ..

(4)素子表面での空気との境界で動作を実現しているため、接着剤で微細構造が埋まると効果が激減してしまう。 (4) Since the operation is realized at the boundary with the air on the surface of the element, the effect is drastically reduced when the fine structure is filled with the adhesive.

そこで、本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、メタ表面でなく、集積化が容易で体積効果を利用する光学素子を提供することである。 Therefore, the present invention has been made in view of such a problem, and an object thereof is to provide an optical element which is easy to integrate and utilizes a volume effect, instead of a meta surface.

本発明の効果をあらかじめ要約すると、本発明は、以下の第1から第3のいずれか1つ以上又は全ての効果を奏する。
第1に、成膜面を境に片側から入射し、反対側に出射する素子においてビームの位相面が変換される素子を実現する。
第2に、曲線形状や間引きにより線間ピッチに不均一、非一様性が生じても、偏光間の位相差の一様性を保つ(図5)。
第3に、後述する実施例3、実施例4のごとく、フォトニック結晶を組み合わせていくことで、偏光分離とビーム位相面変換の機能を一体化した光回路を実現する。
To summarize the effects of the present invention in advance, the present invention exhibits one or more or all of the following first to third effects.
First, an element is realized in which the phase plane of the beam is converted in the element that is incident from one side with the film forming surface as a boundary and is emitted to the opposite side.
Second, even if the line-to-line pitch becomes non-uniform or non-uniform due to the curved shape or thinning, the uniformity of the phase difference between the polarizations is maintained (FIG. 5).
Thirdly, as in Examples 3 and 4 described later, by combining photonic crystals, an optical circuit that integrates the functions of polarization separation and beam phase plane conversion is realized.

本発明の第1の側面は、光学素子に関する。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φは、πラジアンの奇数倍である。波長板は、軸方位θが中心からの距離rにしたがって中心で方位からΔθ(Δθ=A×r)の関数に近似されるパターンで構成される。θは0~180度の間を繰り返す。すなわち、波長板は、中心からある方向に向かって放射方向に距離r進んだ場所での波長板の軸方位θが、係数Aを用いて中心での軸方位に対してθ=A×rで増加する曲線又は折れ線からなるパターンで構成される。本発明の光学素子において、円偏光が入射した場合、中心部の位相に対して、当該中心から距離rでの位相差は2A×rとあらわすことができる。これは中心からどの方向に対しても同じである。ここでの係数Aは、光学素子がレンズとして機能した場合の焦点距離をfとすると、A=±π/2fλ(λは波長)として表される。 The first aspect of the present invention relates to an optical element. 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 φ of the wave plate is an odd multiple of π radians. The wave plate is composed of a pattern in which the axial direction θ is approximated to a function of Δθ (Δθ = A × r 2 ) from the direction at the center according to the distance r from the center. θ repeats between 0 and 180 degrees. That is, in the wave plate, the axial direction θ of the wave plate at a place advanced by a distance r in the radial direction toward a certain direction from the center is θ = A × r 2 with respect to the axial direction at the center using the coefficient A. It consists of a pattern consisting of curves or fold lines that increase in. In the optical element of the present invention, when circularly polarized light is incident, the phase difference at a distance r from the center can be expressed as 2A × r2 with respect to the phase of the center. This is the same in every direction from the center. The coefficient A here is expressed as A = ± π / 2fλ (λ is a wavelength), where f is the focal length when the optical element functions as a lens.

上記のように、中心から放射方向に進む直線上で考えると、中心からの距離をrとし、その点での軸方位θの中心からの変化ΔθがΔθ=A×rとなるようにθを設定する。係数Aはレンズとしての焦点距離をfとするとA=±π/2fλ(λは波長)として表される。1/2波長板を透過する円偏光の位相は軸方位θに比例するので、中心からの距離に対して二乗関数で表すことのできる位相面を与えることができる。つまり理想的なレンズが実現できる。 As described above, when considered on a straight line traveling in the radial direction from the center, the distance from the center is r, and the change Δθ from the center of the axial direction θ at that point is θ so that Δθ = A × r 2 . To set. The coefficient A is expressed as A = ± π / 2fλ (λ is a wavelength), where f is the focal length of the lens. Since the phase of the circularly polarized light transmitted through the 1/2 wave plate is proportional to the axial direction θ, it is possible to provide a phase plane that can be expressed by a square function with respect to the distance from the center. In other words, an ideal lens can be realized.

さらにこの概念を2回の回転対称のパターンに適用し、図2に示すようなパターンを考える。こうしたパターンに円偏光が入射することを考えると、中心からどの方向に対しても、上記の二乗関数で表すことのできる位相面を実現できるため、円形のビームの位相面を中心対称に変換するレンズが実現できる。なお、係数Aを正とすると凸レンズとして機能し、負とすると凹レンズとして機能する。これは入射する円偏光が逆回りとなると正負が逆転する。 Further, this concept is applied to a pattern of two rotational symmetries, and a pattern as shown in FIG. 2 is considered. Considering that circularly polarized light is incident on such a pattern, it is possible to realize a phase plane that can be represented by the above squared function in any direction from the center, so the phase plane of the circular beam is converted to center symmetry. A lens can be realized. If the coefficient A is positive, it functions as a convex lens, and if it is negative, it functions as a concave lens. This means that the positive and negative directions are reversed when the incident circular polarization is reversed.

「領域ごとに種々な方位をもつ微小な波長板」は、基板に深い溝を周期配列することにより実現される。固体表面に周期的に形成された無限長の溝列は、電界が溝に平行な偏光に対して、電界が溝に垂直な偏光に対するより大きな位相遅れを生ずる。半波長板では位相差をπラジアンに一致させることが必要で、設計上また加工上の理由から溝と溝の間隔は1/3波長から1/2波長程度となることが多く、1/4波長になることはない。 The "small wave plate having various orientations for each region" is realized by periodically arranging deep grooves on the substrate. Periodically formed infinite length grooves on a solid surface cause a greater phase lag for polarization where the electric field is parallel to the groove and for polarization where the electric field is perpendicular to the groove. In a half-wave plate, it is necessary to match the phase difference to π radians, and for design and processing reasons, the distance between grooves is often about 1/3 to 1/2 wavelength, which is 1/4. It never becomes a wavelength.

なお図2に示すように凸状パターンが周辺から中心に向かって右回りに集まっているように見える場合、右回り円偏光の平面波が入射すると中心から周囲に行くほど位相が進み、集光となる。一方、左回り円偏光に対しては位相進み・遅れが逆転し発散光となる。また、透過光は逆回りの円偏光へと変換される。つまり入射円偏光の回転方向を判別して凸レンズ・凹レンズとして作用する。図2に対して鏡像のパターンを持つ図3のパターンでは、集光・発散する円偏光の関係が逆転する。入射円偏光が逆回りの円偏光へと変換される作用は同一である。 As shown in FIG. 2, when the convex patterns appear to be gathered clockwise from the periphery toward the center, when a plane wave of clockwise circular polarization is incident, the phase advances from the center to the periphery, and the light is condensed. Become. On the other hand, for counterclockwise circular polarization, the phase advance / delay is reversed and the light becomes divergent. Further, the transmitted light is converted into circularly polarized light in the opposite direction. That is, it acts as a convex lens / concave lens by discriminating the rotation direction of the incident circular polarization. In the pattern of FIG. 3, which has a mirror image pattern with respect to FIG. 2, the relationship of light-collecting and diverging circular polarization is reversed. The effect of converting the incident circular polarization into the reverse circular polarization is the same.

なお入射した光が平面波であれば、集光もしくは発散の機能となるが、すでに平面波ではない光が入射した場合は、その光に対して位相面の変換が起き、ちょうど光学素子が与える位相変換と逆の分布を持っているビームが入射すると、平面波に変換(コリメート)される。 If the incident light is a plane wave, it has a function of condensing or diverging, but if light that is not already a plane wave is incident, a phase plane conversion occurs with respect to the light, and the phase conversion just given by the optical element. When a beam having the opposite distribution to the above is incident, it is converted (colimated) into a plane wave.

なお図2、図3のパターンは曲線の集合として描かれているが、線分の集合つまり折れ線であってもかまわない。ただし図2のパターンを折れ線で形成すると理想的な線からのずれが生じ、このずれは、位相分布に誤差を与え、位相面の変換性能に影響を及ぼすおそれがある。 Although the patterns in FIGS. 2 and 3 are drawn as a set of curves, they may be a set of line segments, that is, a polygonal line. However, if the pattern of FIG. 2 is formed by a polygonal line, a deviation from the ideal line occurs, and this deviation may cause an error in the phase distribution and affect the conversion performance of the phase plane.

本発明の各実施形態において、波長板は、2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へと入射する円偏光の位相面を凸面、凹面、平面のいずれかに変換し、かつ逆回りの円偏光となって出射する。 In each embodiment of the present invention, it is particularly preferable that the wave plate is a half wave plate. In this case, the optical element of the present invention converts the phase plane of the circularly polarized light incident from the −z direction to + z into either a convex surface, a concave surface, or a flat surface, and emits the circularly polarized light in the opposite direction.

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(図4等参照)。 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 the ratio. It is preferable that they are arranged geometrically (see FIG. 4 and the like).

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, it is preferable that the wave plate is composed of photonic crystals laminated in the z-axis direction. In this case, the inter-groove unit period 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。 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 waveguided 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 different on a substrate having one-dimensional or two-dimensional periodic irregularities. Examples thereof include a method of manufacturing an optical element (wave plate) by periodically and sequentially laminating substances (transparent bodies) and using spatter etching alone or simultaneously with film formation on at least a part of the laminated material. This method is also called the self-cloning method. The photonic crystal formed by this self-cloning method is called a self-cloning type 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 a periodic void by irradiating the glass with a femtosecond laser.

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 multiple types of transparent substances that form self-cloning photonic crystals are fluorides such as amorphous silicon, niobium pentoxide, tantalum pentaoxide, 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.

さらに具体的に説明すると、本発明の光学素子は、主軸方位が連続的に変化する波長板(曲線型)、または主軸方位が折れ線で近似された波長板(折れ線型)であり、それぞれの領域の波長板が、面内に周期構造を持ち当該周期構造が厚さ方向に積層されたフォトニック結晶で構成されている。フォトニック結晶は、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。 More specifically, the optical element of the present invention is a wave plate (curved line type) in which the spindle direction is continuously changed, or a wave plate (folded line type) in which the main axis direction is approximated by a broken line, and each region thereof. The wave plate of No. 1 has a periodic structure in the plane and is composed of a photonic crystal in which the periodic structure is laminated in the thickness direction. The photonic crystal may be formed by a self-cloning method (see Patent Document 1).

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. It is preferable that the inter-groove unit period of the in-plane periodic structure is 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小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 minimum in-plane wave plate groove length is equal to or longer than the inter-groove unit period. The upper limit of the in-plane minimum value of the wave plate groove length is preferably 50 times or less of the inter-groove unit period p.

また波長板の凸部のピッチ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図5に示すように、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。 Further, when the pitch p of the convex portion of the wave plate (the pitch when the pattern is a straight line) is p 0 , the convex portion or the concave portion is within 0.7 · p 0 ≦ p ≦ 1.4 · p 0 . It is preferable that they are arranged geometrically so as to branch and merge. As shown in FIG. 5, the self-cloning photonic crystal has a small change in phase difference with respect to pitch fluctuation. 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ラジアンの奇数倍である位相差φの波長板をなし、入射する円偏光の位相面を凸面、凹面、平面のいずれかに変換し、かつ逆回りの円偏光となって出射する。 A preferred embodiment of the optical element according to the present invention is an optical element that operates with respect to an incident predetermined circular polarization. This optical element forms a wave plate with a phase difference φ in which each region is an odd multiple of π radians, converts the phase plane of the incident circularly polarized light into either a convex surface, a concave surface, or a flat surface, and is a reverse circle. It is polarized and emitted.

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 is a volume type, which is fundamentally different from the inclined meta surface, antireflection treatment is applied to the surface and its lower part, and an adhesive is used. It can be easily connected to other optical elements. 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.

なお円偏光ではなく直線偏光を入射もしくは出射したい場合には、前後に1/4波長板があることで直線偏光として入出力が可能な光学素子を実現する。
例えば図6の複合光学素子601のように、入射側に1/4波長板604を入れることで、入射した直線偏光を604で円偏光に変換し、605に入射し、集光作用を実現できる。
もしくは複合光学素子602のように、出射側に1/4波長板607を配置し、606で集光された円偏光を直線偏光に変換して出射させる作用を実現できる。
もしくは複合光学素子603のように、入射側、出射側にそれぞれ1/4波長板608,610を配置し、入射した直線偏光が集光され、直線偏光として出射される機能実現することができる。
If it is desired to enter or emit linearly polarized light instead of circularly polarized light, an optical element capable of input and output as linearly polarized light is realized by having 1/4 wave plates in front and behind.
For example, by inserting a 1/4 wave plate 604 on the incident side as in the composite optical element 601 of FIG. 6, the incident linear polarization is converted into circular polarization by 604 and incident on 605 to realize a light collecting action. ..
Alternatively, as in the composite optical element 602, a 1/4 wave plate 607 is arranged on the emission side, and the action of converting the circularly polarized light focused by the 606 into linear polarization and emitting the light can be realized.
Alternatively, as in the composite optical element 603, 1/4 wave plates 608 and 610 are arranged on the incident side and the emitted side, respectively, and the incident linear polarization is condensed and emitted as linear polarization.

本発明の第2の側面は、第1の側面の光学素子を用いた光回路に関する。
図7の示すように偏光分離機能を持つ第一の光学素子701として、図1に示す非特許文献1の構造をもつ1/2波長板を用いると、入射した光を右回りと左回りの円偏光に分離することができる。
The second aspect of the present invention relates to an optical circuit using the optical element of the first aspect.
As shown in FIG. 7, when a 1/2 wave plate having the structure of Non-Patent Document 1 shown in FIG. 1 is used as the first optical element 701 having a polarization separation function, the incident light is rotated clockwise and counterclockwise. It can be separated into circularly polarized light.

このような偏光分離機能を持つ光学素子701は、例えば次のような構造を持つ。すなわち、光学素子701は、3次元空間x、y、zにおいて、xy面に形成された位相差がπラジアンの奇数倍を持つ波長板であり、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。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である。光学素子701は、-z方向から+z方向へと入射する直線偏光を、パワー比1:1で直交する2つの円偏光へと分離する。分離された円偏光は、それぞれ回転方向と屈曲角度の正負が逆の関係になる。 The optical element 701 having such a polarization separation function has, for example, the following structure. That is, the optical element 701 is a wave plate having a phase difference formed on the xy plane having an odd multiple of π radian in the three-dimensional spaces x, y, and z, and is a band-shaped region having a width D parallel to the y-axis direction. Is repeated singly or multiple times in the x-axis direction. 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 discretization error. The optical element 701 separates the linearly polarized light incident from the −z direction to the + z direction into two circularly polarized light orthogonal to each other with a power ratio of 1: 1. In the separated circular polarization, the positive and negative relations of the rotation direction and the bending angle are opposite to each other.

偏光分離機能を持つ光学素子701は、折れ線型でも良い。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、更に幅Dの領域は、y軸に平行な複数の帯状のサブ領域に区分される。同じサブ領域の中で遅波軸βは一様である。遅波軸βは、サブ領域の中心線のx座標x1に対して時計回りに β=(180×x1/D)度+定数 で表される。折れ線型の光学素子701は、-z方向から+z方向へと入射する直線偏光を、パワー比1:1で直交する2つの円偏光へと分離する。分離された円偏光は、それぞれ回転方向と屈曲角度の正負が逆の関係になる。 The optical element 701 having a polarization separation function may be a polygonal line type. That is, the strip-shaped region of the width D parallel to the y-axis direction is repeated once or a plurality in the x-axis direction, and the region of the width D is further divided into a plurality of strip-shaped sub-regions parallel to the y-axis direction. The slow wave axis β is uniform within the same subregion. The slow wave axis β is represented by β = (180 × x1 / D) degrees + constant with respect to the x coordinate x1 of the center line of the sub region. The polygonal optical element 701 separates the linearly polarized light incident from the −z direction to the + z direction into two circularly polarized lights orthogonal to each other with a power ratio of 1: 1. In the separated circular polarization, the positive and negative relations of the rotation direction and the bending angle are opposite to each other.

次に、第二の光学素子として、例えば図7のように1枚の上に図2又は図3のパターンの光学素子702を配置する。第一の光学素子で右回り、左回りの円偏光に分離されたそれぞれのビームは第二の光学素子に入射し、例えば集束光となる。この場合、第二の光学素子に対して光は斜めに入射するが、フォトニック結晶波長板は図8に示すように入射角に対してそれほど敏感な特性を持たないため、同様の機能を実現することができる。 Next, as the second optical element, the optical element 702 having the pattern of FIG. 2 or FIG. 3 is arranged on one sheet as shown in FIG. 7, for example. Each beam separated into clockwise and counterclockwise circularly polarized light by the first optical element is incident on the second optical element and becomes, for example, focused light. In this case, the light is obliquely incident on the second optical element, but the photonic crystal wave plate does not have the characteristic of being so sensitive to the incident angle as shown in FIG. 8, so that the same function is realized. can do.

もしくは図9に示すように、偏光分離機能を持つ第一の光学素子901(例えば図1に示す構造)の後ろに同じ構造の第二の光学素子902を配置する。すると第一の光学素子901で分離され、互いにななめに伝搬する光が第二の光学素子902で平行に屈曲される。この場合、偏光状態は第二の光学素子の前後で逆回りの円偏光に変換される。この後に、本発明に係る例えば図2又は図3に示す構造の第3の光学素子903を配置すれば、同様に集光機能を実現できる。 Alternatively, as shown in FIG. 9, a second optical element 902 having the same structure is arranged behind the first optical element 901 having a polarization separation function (for example, the structure shown in FIG. 1). Then, the light is separated by the first optical element 901, and the light propagating in a slanting manner is bent in parallel by the second optical element 902. In this case, the polarization state is converted into circular polarization in the opposite direction before and after the second optical element. If a third optical element 903 having the structure shown in FIG. 2 or FIG. 3 according to the present invention is arranged after this, the light collecting function can be similarly realized.

さらに、第一の光学素子1001(例えば図1に示す構造)、第二の光学素子1002(図1に示す構造)、及び第三の光学素子(例えば図2又は図3に示す構造)の後に、例えば図10に示すような1/4波長板1004を配置することで、直線偏光出力を持つ回路を実現できる。1/4波長板1004を、例えば第一のパターン1005のように二本のビームがそれぞれ軸の直交する1/4波長板とすれば、同じ方向の直線偏光を出力することができる。もしくは1/4波長板1004を、例えば第二のパターン1006のように二本のビームが同じ軸の向きの1/4波長板にすれば、互いに直交する直線偏光を出力することができる。なお「直交する偏光状態」は右回り円偏光と左回り円偏光でも直交しているし、縦の直線偏光と横の直線偏光でも直交している。直交であることに変わりはなく、通信において直交偏光を多重化するという意味ではどちらも同じである。 Further, after the first optical element 1001 (eg, the structure shown in FIG. 1), the second optical element 1002 (the structure shown in FIG. 1), and the third optical element (eg, the structure shown in FIG. 2 or 3). For example, by arranging the 1/4 wave plate 1004 as shown in FIG. 10, a circuit having a linearly polarized light output can be realized. If the 1/4 wave plate 1004 is a 1/4 wave plate in which two beams are orthogonal to each other as in the first pattern 1005, linear polarization in the same direction can be output. Alternatively, if the 1/4 wave plate 1004 is made into a 1/4 wave plate in which two beams are oriented in the same axis as in the second pattern 1006, linear polarized light that is orthogonal to each other can be output. The "orthogonal polarization state" is orthogonal to both clockwise and counterclockwise circular polarization, and is also orthogonal to vertical linear polarization and horizontal linear polarization. They are still orthogonal and both are the same in the sense that they multiplex orthogonal polarization in communication.

なお本側面の光回路で用いられている光学素子は、それぞれ1枚の板の上に作成されるため、多並列化が容易である。したがって上記の機能を持つ回路と多並列で同時に作ることも容易である。 Since the optical elements used in the optical circuit on this side surface are each formed on one plate, multi-parallelization is easy. Therefore, it is easy to make multiple parallel circuits with the above functions at the same time.

上記のように、図1に示すような偏光分離プリズムと本発明のレンズと多領域1/4波長板を使って、入射した光を直交する偏光部に分離し、それぞれを集束光に変換し、偏光状態を直交もしくは平行直線偏光に変換する機能を実現することができる。 As described above, using the polarization separation prism as shown in FIG. 1, the lens of the present invention, and the multi-region 1/4 wave plate, the incident light is separated into orthogonal polarizing portions, and each is converted into focused light. , It is possible to realize a function of converting a polarization state into orthogonal or parallel linear polarization.

本発明によれば、集積化が容易な光学素子を提供することができる。また、本発明は、構造の高精細化や曲線化により不連続性に由来する光散乱や不要光成分の発生を抑止することができる。また、本発明によれば、表面処理、清浄化、接着処理など加工性に優れ、部品としての体積、フットプリント、作製コストの低減が可能となる。 According to the present invention, it is possible to provide an optical element that can be easily integrated. Further, the present invention can suppress the generation of light scattering and unnecessary light components due to discontinuity by increasing the definition and curving of the structure. Further, according to the present invention, it is possible to reduce the volume as a part, the footprint, and the manufacturing cost by excellent workability such as surface treatment, cleaning, and adhesive treatment.

従来技術である、傾斜メタ表面(gradient metasurface)を使って実現した偏光グレーティングである。It is a polarization grating realized by using a gradient metasurface, which is a conventional technique. 本発明の光学素子のパターンを示す図である。It is a figure which shows the pattern of the optical element of this invention. 本発明の光学素子のパターンを示す図である。It is a figure which shows the pattern of the optical element of this invention. 第1の実施形態に係る光学素子(曲線型)及び第2の実施形態に係る光学素子(曲線型)の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the optical element (curve type) which concerns on 1st Embodiment and the optical element (curve type) which concerns on 2nd Embodiment. フォトニック結晶の場合のピッチ変化に対する位相差の感度を示す図である。It is a figure which shows the sensitivity of the phase difference with respect to the pitch change in the case of a photonic crystal. 第2の実施形態に係る光学素子の機能を示す図である。It is a figure which shows the function of the optical element which concerns on 2nd Embodiment. 第3の実施形態に係る光学素子の機能の示す図であり、偏光分離プリズム1枚と本発明の光学素子からなる複合光学素子を示している。It is a figure which shows the function of the optical element which concerns on 3rd Embodiment, and shows the composite optical element which consists of one polarization separation prism and the optical element of this invention. フォトニック結晶波長板の位相差の入射角依存性を示す図である。It is a figure which shows the incident angle dependence of the phase difference of a photonic crystal wave plate. 第3の実施形態に係る光学素子の機能を示す図であり、偏光分離プリズム2枚と本発明からなる複合光学素子を示している。It is a figure which shows the function of the optical element which concerns on 3rd Embodiment, and shows the composite optical element which consists of two polarization separation prisms and this invention. 第3の実施形態に係る光学素子の機能を示す図であり、偏光分離プリズム2枚と本発明の光学素子と1/4波長板からなる複合光学素子を示している。It is a figure which shows the function of the optical element which concerns on 3rd Embodiment, and shows the composite optical element which consists of two polarization separation prisms, the optical element of this invention, and a quarter wave plate. 第1の実施形態に係る光学素子の機能を示す図である。It is a figure which shows the function of the optical element which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施形態に係る光学素子の集光作用のシミュレーション結果を示す図である。It is a figure which shows the simulation result of the condensing action of the optical element which concerns on 1st Embodiment. 第3,第4の実施形態に係る、異なる光回路間を接続するための偏光分離・モード径変換の機能を持つ複合光学素子の設計例を示す図である。It is a figure which shows the design example of the composite optical element which has the function of polarization separation and mode diameter conversion for connecting different optical circuits which concerns on 3rd and 4th Embodiment.

以下の本発明の実施例1、実施例2、実施例3、および実施例4について説明する。 The following Examples 1, 2, 2, 3 and 4 of the present invention will be described.

本実施例では、上記した第1の側面に係る光学素子に関する。まず、垂直入射した右回り円偏光の平面波を左回りの円偏光に変換し集光する光学素子について説明する。 In this embodiment, the present invention relates to an optical element according to the first aspect described above. First, an optical element that converts a vertically incident clockwise circularly polarized plane wave into counterclockwise circularly polarized light and condenses it will be described.

光学素子の光学配置を図11に示す。光学素子の基本構成は、3次元空間x、y、zにおいて、xy面に形成され、z軸方向に積層されたフォトニック結晶からなる波長板である。波長板は、図2に示すように、中心からの距離rに従って軸方位θがθ=A×r(Aは適当な係数)で表すことができるパターンである。ここでの係数Aは、光学素子がレンズとして機能した場合の焦点距離fとすると、A=±π/2fλ(λは波長)として表される。 The optical arrangement of the optical elements is shown in FIG. The basic configuration of the optical element is a wave plate formed on the xy plane in the three-dimensional space x, y, z and composed of photonic crystals laminated in the z-axis direction. As shown in FIG. 2, the wave plate is a pattern in which the axial direction θ can be represented by θ = A × r 2 (A is an appropriate coefficient) according to the distance r from the center. The coefficient A here is expressed as A = ± π / 2fλ (λ is a wavelength), where the focal length f when the optical element functions as a lens.

また、図4に示されるように、フォトニック結晶のパタン(凸部または凹部)を曲線状にしたことで、1周期内部で中央部ではパタンが疎になり、端に近いほど密になりパタンが破綻する。そこで中央部でのパタン間ピッチを基準に取り、それをpとする。pがある閾値ピッチ以下になった位置で2本のパタンを合流させる。合流直後のピッチは2pになるが、端にいくにほど密になるため、閾値長さ以下になったところで再度合流させる。以上の操作を繰り返すことでピッチがある範囲内で変化しながら理想的な光学軸分布を実現できる。閾値ピッチを0.5pとすると、ピッチの変化範囲は0.5p~2.0pの間になる。すなわち、隣り合う凸部と凹部の一方の間隔の最大値と最小値の比が4倍以内、好ましくは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。図4に示した例では、白色の部分が凹部となり、黒色の部分が凸部となっている。すなわち、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(パタンが直線であるときのピッチ)をpとすると0.5・p≦p≦2・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。 Further, as shown in FIG. 4, by making the pattern (convex or concave portion) of the photonic crystal curved, the pattern becomes sparse in the central part within one cycle, and becomes denser toward the end. Goes bankrupt. Therefore, the pitch between patterns in the central part is taken as a reference, and it is set as p0 . Two patterns are merged at a position where p0 is below a certain threshold pitch. The pitch immediately after merging becomes 2p 0 , but since it becomes denser toward the end, it is rejoined when it becomes less than the threshold length. By repeating the above operation, the ideal optical axis distribution can be realized while the pitch changes within a certain range. Assuming that the threshold pitch is 0.5p 0 , the pitch change range is between 0.5p 0 and 2.0p 0 . That is, they are geometrically arranged so that the ratio of the maximum value and the minimum value of the distance between one of the adjacent convex portions and the concave portions is within 4 times, preferably within 2 times, and the other branches and merges. .. In the example shown in FIG. 4, the white portion is a concave portion and the black portion is a convex portion. That is, in the case of a wave plate (curved type) in which the main axis direction changes continuously, if the pitch p (pitch when the pattern is a straight line) of the convex portion is p 0 , then 0.5 · p 0 ≦ p ≦ 2 ·. The protrusions or recesses are geometrically arranged so as to branch or merge so as to be within p0 .

他方で、本発明の光学素子は、上記のように曲線に限定されず、いわゆる折れ線近似で表現することもできる。すなわち、3次元空間x、y、zにおいて、xy面に形成され、z軸方向に積層されたフォトニック結晶からなる波長板である。波長板は、図2に示すような中心から距離r離れるに従って軸方位θがθ=A×rで表すことができる曲線に近似した折れ線で表現されるパターンである。ここでのAはレンズとして機能した場合の焦点距離fとするとA=±π/2fλ(λは波長)として表さる。 On the other hand, the optical element of the present invention is not limited to a curved line as described above, and can be expressed by a so-called polygonal line approximation. That is, it is a wave plate made of photonic crystals formed on the xy plane and laminated in the z-axis direction in the three-dimensional spaces x, y, and z. The wave plate is a pattern represented by a polygonal line that approximates a curve whose axial direction θ can be represented by θ = A × r 2 as the distance r from the center increases as shown in FIG. Here, A is expressed as A = ± π / 2fλ (λ is a wavelength), where A is the focal length f when functioning as a lens.

右回り円偏光が前述した構造を透過する場合のシミュレーションを行った結果を図12に示す。z方向に進む光のxz面での強度分布の断面を示す。入射ビームが構造によって集光される様子がよくわかる。また位相面が連続的に変換されているため、不要な迷光もなく、効率よくモード径10ミクロンのビームがモード径4ミクロンに変換されていることがわかる。
解析の条件は次の通りである。
・波長λ 1.55μm
・高屈折率材料 a-Si
・低屈折率材料 SiO
・遅軸屈折率n 2.713
・速軸屈折率n 2.486
・積層全体の厚さ λ/(n-n)×0.5
・係数 A=0.5π/5
FIG. 12 shows the results of a simulation in which the clockwise circular polarization passes through the above-mentioned structure. The cross section of the intensity distribution in the xz plane of the light traveling in the z direction is shown. You can clearly see how the incident beam is focused by the structure. Further, since the phase plane is continuously converted, it can be seen that the beam having a mode diameter of 10 microns is efficiently converted to a mode diameter of 4 microns without unnecessary stray light.
The analysis conditions are as follows.
・ Wavelength λ 1.55 μm
・ High refractive index material a-Si
・ Low refractive index material SiO 2
・ Slow-axis refractive index n s 2.713
・ Fast-axis refractive index n f 2.486
・ Thickness of the entire laminate λ / ( ns − n f ) × 0.5
・ Coefficient A = 0.5π / 5 2

これは垂直入射の場合であるが、フォトニック結晶波長板の入射角依存性は図8に示すように入射角依存性が少ないため、斜めに入る光に対しても動作する。その場合、光はx,y方向に波数を持っていることになるが、入射光が持っている波数は出射光でも保存される。 This is the case of vertical incident, but since the incident angle dependence of the photonic crystal wave plate is small as shown in FIG. 8, it operates even for light entering diagonally. In that case, the light has a wave number in the x and y directions, but the wave number of the incident light is also preserved in the emitted light.

図12に示したシミュレーションでは平行光を集光する様子を計算したが、光が逆方向に進んだ場合、つまりある位相面を持つ発散光が入射した場合は平行光に変換される。これは通常のレンズと同様である。例えば図12の焦点面から焦点面でのビーム径で出射されたビームはレンズで平行光に変換されることは明らかである。 In the simulation shown in FIG. 12, the state of condensing parallel light was calculated, but when the light travels in the opposite direction, that is, when divergent light having a certain phase plane is incident, it is converted into parallel light. This is similar to a normal lens. For example, it is clear that the beam emitted from the focal plane in FIG. 12 with the beam diameter at the focal plane is converted into parallel light by the lens.

また入射、出射媒質の屈折率に制限はなく、空気に出射しても、接着剤中に素子が埋められた状態であっても、適切な設計を行えば動作する。 Further, there is no limitation on the refractive index of the incident / emitting medium, and even if the element is emitted into the air or the element is embedded in the adhesive, it will operate if an appropriate design is made.

また光学素子は1枚の基板の上に複数並べることも容易であり、それぞれが異なるパラメータのパターンを持つことも可能である。 Further, it is easy to arrange a plurality of optical elements on one substrate, and each of them can have a pattern of different parameters.

本発明の光学素子はこれまで述べた通り円偏光に対して動作し、出射する光も円偏光である。しかし光回路で円偏光を用いることは必ずしも一般的ではなく、むしろ直線偏光の方が使いやすい場合が多い。そこで入出力が直線偏光である場合を考える。 The optical element of the present invention operates with respect to circularly polarized light as described above, and the emitted light is also circularly polarized light. However, it is not always common to use circularly polarized light in optical circuits, and linearly polarized light is often easier to use. Therefore, consider the case where the input and output are linearly polarized.

例えば図6の複合光学素子601のように、光学素子605の手前に1/4波長板604を配置することで、入射する直線偏光をいったん円偏光に変換し、動作させることが可能である。 For example, by arranging the 1/4 wave plate 604 in front of the optical element 605 as in the composite optical element 601 of FIG. 6, it is possible to temporarily convert the incident linear polarization into circular polarization and operate it.

同様に、図6の複合光学素子602のように、光学素子606から円偏光で出力された光を1/4波長板607を透過せて直線偏光として出力することも可能である。また、図6の複合光学素子603のように、光学素子608の前後を1/4波長板609,610で挟むことで、直線偏光が光学素子608入射し、後段の1/4波長板610から直線偏光を出射させることもできる。図8に示すようにフォトニック結晶波長板の入射角依存性は敏感ではないので、集光され斜めに光が1/4波長板に入っても期待される動作が実現できる。直線偏光の向きを変えなくてはいけない場合は、それぞれの1/4波長板の軸を適宜選べばよい。 Similarly, as in the composite optical element 602 of FIG. 6, it is also possible to transmit the light output from the optical element 606 in circular polarization through the 1/4 wave plate 607 and output it as linear polarization. Further, as in the composite optical element 603 of FIG. 6, by sandwiching the front and rear of the optical element 608 between the 1/4 wave plates 609 and 610, linearly polarized light is incident on the optical element 608 from the 1/4 wave plate 610 in the subsequent stage. It is also possible to emit linearly polarized light. As shown in FIG. 8, since the incident angle dependence of the photonic crystal wave plate is not sensitive, the expected operation can be realized even if the light is focused and diagonally enters the 1/4 wave plate. If it is necessary to change the direction of the linear polarization, the axis of each 1/4 wave plate may be appropriately selected.

この場合、光学素子を1枚ずつ並べることもできるが、例えば自己クローニング法で図2に示すパターンを持つ多層構造を形成した後に、例えばSiOの誘電体を用いて表面を平坦化し、さらにそこに別のパターンを形成し別のフォトニック結晶を形成することで、異なる光学素子を融合させることができる。平坦化のプロセスはバイアススパッタ、エッチング、CMP、機械研磨いずれの方法でもよい。この手法を用いれば、上記1/4波長板とレンズ機能を持つ光学素子を1枚に集積化することもできる。この場合、どちらが上下であってもよく、上と下に1/4波長板で間にレンズ機能を持つ光学素子の3段構造であってもよい。 In this case, the optical elements can be arranged one by one, but for example, after forming a multilayer structure having the pattern shown in FIG. 2 by the self-cloning method, the surface is flattened using, for example, a dielectric of SiO 2 , and further there. By forming another pattern and forming another photonic crystal, different optical elements can be fused. The flattening process may be bias sputtering, etching, CMP, or mechanical polishing. By using this method, the above-mentioned 1/4 wave plate and an optical element having a lens function can be integrated into one sheet. In this case, either one may be up or down, and a three-stage structure of an optical element having a lens function between the upper and lower 1/4 wave plates may be used.

図1に示す構造では入射光を右回り円偏光と左回り円偏光に分離する偏光分離プリズムを実現できる。したがってこの偏光分離プリズムを第一の光学素子として配置し、その後ろに本発明の光学素子を第二の光学素子として配置する。その際、分離されたビームが入射される位置に、図7の703に示すパターンを配置すれば、それぞれ逆回りの円偏光がそれぞれの領域に入射し、位相面が変換されどちらにも集光作用を持たせることができる。この二つのレンズの距離は前段のプリズムの分離角とプリズムとレンズの距離で一意に決まる。 With the structure shown in FIG. 1, it is possible to realize a polarization separation prism that separates incident light into clockwise and counterclockwise circular polarization. Therefore, this polarization separation prism is arranged as the first optical element, and the optical element of the present invention is arranged behind it as the second optical element. At that time, if the pattern shown in 703 of FIG. 7 is arranged at the position where the separated beam is incident, the circular polarizations in opposite directions are incident on each region, the phase plane is converted, and the light is focused on both. It can have an action. The distance between these two lenses is uniquely determined by the separation angle of the prism in the previous stage and the distance between the prism and the lens.

この場合、図7の様にレンズには光が斜めに入射する。前述のようにフォトニック結晶波長板の特性は入射角に対して鈍感なため、垂直から10度程度の角度で入射する分には問題ないが、その後の光学系を考えると二本のビームが平行であることが好ましい。そこで第一の光学素子の後ろにもう一枚同じ機能を持つ偏光分離素子を第二の光学素子として配置する。すると第一の光学素子で斜めに分離された光が、第二の光学素子に斜めに入射するが、第二の光学素子で第一の光学素子に入射した方向と同じ方向に屈曲される。その結果、二本のビームは平行となる。この場合、第一の光学素子と第二の光学素子のパターン(具体的には図9におけるパターン904)が同じであることが肝要である。なおこの場合、第二の光学素子で円偏光は逆回りの円偏光に変換されることも、考慮しておくべきである。この後に本発明の光学素子を配置することで、平行に集光する光を得ることができる。 In this case, as shown in FIG. 7, light is obliquely incident on the lens. As mentioned above, the characteristics of the photonic crystal wave plate are insensitive to the incident angle, so there is no problem with the incident at an angle of about 10 degrees from the vertical, but considering the optical system after that, two beams are It is preferably parallel. Therefore, another polarization separation element having the same function is arranged behind the first optical element as the second optical element. Then, the light obliquely separated by the first optical element is obliquely incident on the second optical element, but is bent in the same direction as the light incident on the first optical element by the second optical element. As a result, the two beams are parallel. In this case, it is important that the patterns of the first optical element and the second optical element (specifically, the pattern 904 in FIG. 9) are the same. In this case, it should also be taken into consideration that the circular polarization is converted into the reverse circular polarization by the second optical element. By arranging the optical element of the present invention after this, light condensed in parallel can be obtained.

さらに先述したように、射出光を直線偏光へと変換することもできる。図10の様に本発明の光学素子の後ろにさらに1/4波長板を挿入したものを考える。例えばその1/4波長板が図10中1005の様にそれぞれのビームが互いに軸が直交した領域を透過すれば、同じ方向の直線偏光が得られる。もしくは図10中のパターン1006で示した1/4波長板の様にどちらのビームも同じ軸方位の領域を透過すれば、直交する偏光を得ることもできる。得られる直線偏光の向きは1/4波長板1004の軸方位で決まることは明らかである。 Further, as described above, the emitted light can be converted into linearly polarized light. Consider a case in which a 1/4 wave plate is further inserted behind the optical element of the present invention as shown in FIG. For example, if the quarter wave plate passes through a region where the axes are orthogonal to each other as shown in 1005 in FIG. 10, linear polarization in the same direction can be obtained. Alternatively, if both beams pass through the region of the same axial direction as in the 1/4 wave plate shown in the pattern 1006 in FIG. 10, orthogonal polarization can be obtained. It is clear that the direction of the obtained linear polarization is determined by the axial orientation of the 1/4 wave plate 1004.

このように偏光分離プリズム、本発明の光学素子、及び1/4波長板を組み合わせることで入射するビームを偏光分離し、集光し、直線偏光として出射する機能を持つ光回路を実現することができる。こうした素子は光通信において、光ファイバを伝わってきた光を直行する偏光に分離し、例えば動作偏光の決まったシリコンフォトニクスなどの別の光回路にモード径の変換をしつつ、偏光分離、変換を行い、入射させることができる。 By combining the polarization separation prism, the optical element of the present invention, and the 1/4 wave plate in this way, it is possible to realize an optical circuit having a function of separating incident beams by polarization, condensing them, and emitting them as linearly polarized light. can. In optical communication, these elements separate the light transmitted through the optical fiber into orthogonally polarized light, and perform polarization separation and conversion while converting the mode diameter to another optical circuit such as silicon photonics whose operating polarization is fixed. Can be done and incident.

さらにこの光回路は前述したように1枚の基板上に積み重ねて形成することが可能であり、必要最小限の厚さで光回路を実現することが可能となるため、光回路の小型化に有用なものとなる。 Furthermore, as described above, this optical circuit can be stacked and formed on a single substrate, and the optical circuit can be realized with the minimum required thickness, which makes it possible to reduce the size of the optical circuit. It will be useful.

なおここでは光ファイバからシリコンフォトニクスへの結合といった、ビーム径が大きいところから小さいところへの変換を想定した。しかし回路は相反性であるため、小さいビームから大きいビームへの結合ももちろん可能である。例えばシリコンフォトニクスで構成された変調器から、同じ偏光方向を持ちそれぞれ異なる信号が変調されたビームが出力されることを想定する。図10を右から左にたどれば、直線偏光を1/4波長板1004でそれぞれ直交する円偏光にし、第三の光学素子1003で平行光にし、第一及び第2の光学素子1001,1002で一つの光路に結合させることも可能であることはあきらかである。 Here, it is assumed that the beam diameter is converted from a large beam to a small beam diameter, such as a coupling from an optical fiber to silicon photonics. However, because the circuit is reciprocal, it is of course possible to couple from a small beam to a large beam. For example, it is assumed that a modulator composed of silicon photonics outputs a beam having the same polarization direction and modulated by different signals. Tracing FIG. 10 from right to left, the linearly polarized light is converted into circularly polarized light orthogonal to each other by the 1/4 wave plate 1004, parallel light is generated by the third optical element 1003, and the first and second optical elements 1001, 1002. It is clear that it is also possible to combine them into one optical path.

例えば光ファイバの典型的なモード径である10ミクロンのビームを、モード径2ミクロンのシリコンフォトニクス回路に偏光分離、結合する光回路を設計した例を図13に示す。なおシリコンフォトニクス回路のモード径は通常0.45ミクロンと大変小さいためシリコンフォトニクス回路内にモード径変換機能が有していることを前提としている。例えばモード径10ミクロンとモード径2ミクロンの光回路を直接結合すると、そこでのモード径不整合による損失は8.3dBである。一方、本発明のレンズを用いた場合、1.5dBまで改善できることが、ビーム伝搬法を用いた計算により明らかとなっている。 For example, FIG. 13 shows an example of designing an optical circuit in which a beam having a mode diameter of 10 microns, which is a typical mode diameter of an optical fiber, is polarized and separated and coupled to a silicon photonics circuit having a mode diameter of 2 microns. Since the mode diameter of the silicon photonics circuit is usually very small, 0.45 micron, it is assumed that the silicon photonics circuit has a mode diameter conversion function. For example, if an optical circuit having a mode diameter of 10 microns and a mode diameter of 2 microns is directly coupled, the loss due to the mode diameter mismatch there is 8.3 dB. On the other hand, it has been clarified by the calculation using the beam propagation method that when the lens of the present invention is used, it can be improved up to 1.5 dB.

Claims (4)

第1の光学素子群として入射光を右回り円偏光と左回り円偏光に分離する偏光プリズムを一つないし二つ有し、前記第1の光学素子群の後段に第2の光学素子が配置された複合光学素子であって、
前記第2の光学素子は、
3次元空間x、y、zにおいて、xy面に形成された位相差φの波長板を備え、前記位相差φはπラジアンの奇数倍であり、
前記波長板は、中心からある方向に向かって放射方向に距離r進んだ場所での軸方位θが、係数Aを用いて前記中心での軸方位に対してθ=Ar増加する曲線からなるパターンで構成され、
前記係数Aは、、自由空間での焦点距離をfとするとA=±π/2fλ(λは波長)として表されるものであり、
-z方向から+z方向へと入射する円偏光の波面を変換し、
集束光もしくは発散光もしくは平行光に変換するものであり、
前記第1の光学素子群に入射した光が前記第1の光学素子群により左回りと右回りの円偏光に分離され、
前記第2の光学素子を透過し集束光となる
複合光学素子。
As the first optical element group, one or two polarizing prisms that separate incident light into clockwise and counterclockwise circular polarization are provided, and a second optical element is arranged after the first optical element group. It is a composite optical element
The second optical element is
In the three-dimensional space x, y, z, a wave plate having a phase difference φ formed on the xy plane is provided, and the phase difference φ is an odd multiple of π radians.
The wave plate consists of a curve in which the axial direction θ at a place advanced by a distance r in the radial direction from the center increases by θ = Ar 2 with respect to the axial direction at the center using the coefficient A. Consists of patterns,
The coefficient A is expressed as A = ± π / 2fλ (λ is a wavelength), where f is the focal length in free space.
Converts the circularly polarized wavefront incident from the -z direction to the + z direction,
It converts focused light, divergent light, or parallel light .
The light incident on the first optical element group is separated into counterclockwise and clockwise circularly polarized light by the first optical element group.
It passes through the second optical element and becomes focused light.
Composite optical element.
第1の光学素子群として入射光を右回り円偏光と左回り円偏光に分離する偏光プリズムを一つないし二つ有し、前記第1の光学素子群の後段に第2の光学素子が配置された複合光学素子であって、
前記第2の光学素子は、
3次元空間x、y、zにおいて、xy面に形成された位相差φの波長板を備え、前記位相差φはπラジアンの奇数倍であり、
前記波長板は、中心からある方向に向かって放射方向に距離r進んだ場所での軸方位θが、係数Aを用いて前記中心での軸方位に対してθ=Ar増加する折れ線からなるパターンで構成され、
前記係数Aは、自由空間での焦点距離をfとするとA=±π/2fλ(λは波長)として表されるものであり、
-z方向から+z方向へと入射する円偏光の波面を変換し、
集束光もしくは発散光もしくは平行光に変換するものであり、
前記第1の光学素子群に入射した光が前記第1の光学素子群により左回りと右回りの円偏光に分離され、
前記第2の光学素子を透過し集束光となる
複合光学素子。
As the first optical element group, one or two polarizing prisms that separate incident light into clockwise and counterclockwise circular polarization are provided, and a second optical element is arranged after the first optical element group. It is a composite optical element
The second optical element is
In the three-dimensional space x, y, z, a wave plate having a phase difference φ formed on the xy plane is provided, and the phase difference φ is an odd multiple of π radians.
The wave plate is composed of a broken line in which the axial direction θ at a place advanced by a distance r in the radial direction from the center increases by θ = Ar 2 with respect to the axial direction at the center using the coefficient A. Consists of patterns,
The coefficient A is expressed as A = ± π / 2fλ (λ is a wavelength), where f is the focal length in free space.
Converts the circularly polarized wavefront incident from the -z direction to the + z direction,
It converts focused light, divergent light, or parallel light .
The light incident on the first optical element group is separated into counterclockwise and clockwise circularly polarized light by the first optical element group.
It passes through the second optical element and becomes focused light.
Composite optical element.
請求項1又は請求項2に記載の複合光学素子であって、
前記波長板は、z軸方向に積層されたフォトニック結晶で構成されており、
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
複合光学素子。
The composite optical element according to claim 1 or 2.
The wave plate is composed of photonic crystals laminated in the z-axis direction.
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.
The period in the thickness direction of the photonic crystal is 1/4 or less of the wavelength of the incident light.
Composite optical element.
請求項1又は請求項2に記載の複合光学素子であって、
前記第2の光学素子の後段に第3の光学素子として1/4波長板をさらに有し、
前記第1の光学素子群から入射した光が前記の光学素子群により左回りと右回りの円偏光に分離され、
前記第2の光学素子を透過し集束光となり、
前記第3の光学素子を透過し直線偏光となって集光され、
入射した光を直交する偏光に分離して集光する機能を有する
複合光学素子。
The composite optical element according to claim 1 or 2.
A 1/4 wave plate is further provided as a third optical element after the second optical element .
The light incident from the first optical element group is separated into counterclockwise and clockwise circularly polarized light by the first optical element group.
It passes through the second optical element and becomes focused light.
It is transmitted through the third optical element, becomes linearly polarized light, and is condensed.
A composite optical element having the function of separating incident light into orthogonally polarized light and condensing it.
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