JP7371286B1 - 光学システム - Google Patents
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Abstract
Description
本実施の形態に係る光学システムは、第1導波路と、光スポットサイズが第1導波路とは異なる第2導波路と、第1導波路と第2導波路との間を光学的に接続するメタレンズとを備える。
<光学システム101の構成>
図1に示されるように、実施の形態1に係る光学システム101は、光ファイバ1、フォトニクス素子2、メタレンズ3、及び基板4を備える。光学システム101の対象波長は、シリコン(Si)において基礎吸収が生じ得る1100nmよりも長く、例えば1260nm以上1565nm以下である。
光ファイバ1は、シングルコアファイバであり、第1導波路としてのコア1Aと、クラッド1Bとを含む。光ファイバ1は、例えば対象波長の光をシングルモードで伝搬させるシングルモードファイバである。コア1Aは、メタレンズ3と対向する第1端面1A1を有する。第1端面1A1は、コア1Aの中心軸C1と交差する平面である。第1端面1A1は、例えばコア1Aの中心軸C1と直交する。第1端面1A1の形状は、例えば円形状である。クラッド1Bは、コア1Aの中心軸C1に対する周方向においてコア1Aを覆っている。コア1Aを構成する材料の屈折率は、クラッド1Bを構成する材料の屈折率よりも高い。コア1Aの第1端面1A1の寸法(コア径W1)は、例えば1μm以上20μm以下であり、好ましくは5μm以上10μm以下である。
フォトニクス素子2は、シリコンフォトニクス素子である。フォトニクス素子2は、第2導波路としてのSi導波路2Aと、クラッド2Bと、Si基板2Cとを含む。Si導波路2Aは、Siから成る。Si導波路2Aは、いわゆる細線導波路である。Si導波路2Aは、メタレンズ3と対向する第2端面2A1を有する。第2端面2A1は、Si導波路2Aの中心軸C2と交差する平面である。第2端面2A1は、例えばSi導波路2Aの中心軸C2と直交する。第2端面2A1の形状は、例えば四辺形状であり、好ましくは正方形状である。クラッド2Bは、Si導波路2Aの中心軸C2に対する周方向においてSi導波路2Aを覆っている。Si導波路2Aを構成する材料は、クラッド2Bを構成する材料の屈折率よりも高い。Si導波路2Aを構成する材料は、例えばSi又は窒化ケイ素(Si3N4)を含む。
メタレンズ3は、コア1Aの第1端面1A1とSi導波路2Aの第2端面2A1との間を光学的に接続する。
図1及び図3に示されるように、基板4は、メタレンズ3を支持している。基板4は、対象波長の光に対して透明である。基板4は、メタレンズ3の第2面31Bと接している第3面4Aと、第3面4Aとは反対側に位置しておりかつSi導波路2Aの第2端面2A1と対向する第4面4Bとを有している。第3面4Aは、例えば貫通孔31Cの中心軸C3と直交する。
上述のように、光学システム101は、メタレンズ3を備えるため、コア1AとSi導波路2Aとを光学的に接続するポリマー導波路又は凸レンズを備える光学システムと比べて、コア1AとSi導波路2Aとの間の光路長が短くなり得る。
以下、光学システム101のメタレンズ3の変形例を説明する。
図10を参照して、実施の形態2に係る光学システム102について説明する。実施の形態2に係る光学システム102は、実施の形態1に係る光学システム101と基本的に同様の構成を備え同様の効果を奏するが、メタレンズ3が、基板4の第3面4A上に配置されておりかつ対象波長の光に位相差を与える位相格子を含む点で、光学システム101とは異なる。以下、光学システム102が光学システム101とは異なる点を主に説明する。
以下、光学システム102のメタレンズ3の変形例を説明する。
図13を参照して、実施の形態3に係る光学システム103について説明する。実施の形態3に係る光学システム103は、実施の形態2に係る光学システム102と基本的に同様の構成を備え同様の効果を奏するが、メタレンズ3が導波路型位相格子ではなく共鳴側位相格子を含む点で、光学システム102とは異なる。以下、光学システム103が光学システム102とは異なる点を主に説明する。
光学システム103において、複数の球状体35を構成する材料は、金属であってもよい。この場合、複数の球状体35の各々は、対象波長の光とプラズモン共鳴するように設けられている。複数の球状体35の各々に入射した光の位相は、光が各球状体35と共鳴するにより散乱される過程で変化する。金属により構成されている球状体35についても、誘電体により構成されている球状体35と同様に、球状体35の外径Dが大きいほど光の位相の変化量が多くなる。つまり、球状体35で散乱した光の位相が変化する原理は球状体35を構成する材料に応じて異なるが、球状体35の外径Dが大きいほど光の位相の変化量が多くなる傾向は球状体35を構成する材料によらず同じである。
図15を参照して、実施の形態4に係る光学システム104について説明する。実施の形態4に係る光学システム104は、実施の形態1~3のいずれかの光学システム101~103と基本的に同様の構成を備え同様の効果を奏するが、第2導波路が細線導波路ではなく、フォトニック結晶導波路である点で、光学システム101~103とは異なる。以下、光学システム104が光学システム101~103とは異なる点を主に説明する。
図16を参照して、実施の形態5に係る光学システム105について説明する。実施の形態5に係る光学システム105は、実施の形態1~3のいずれかの光学システム101~103と基本的に同様の構成を備え同様の効果を奏するが、Si導波路2Aが細線導波路ではなく、リブ型導波路である点で、光学システム101~103とは異なる。以下、光学システム105が光学システム101~103とは異なる点を主に説明する。
図17を参照して、実施の形態6に係る光学システム106について説明する。実施の形態6に係る光学システム106は、実施の形態1~5のいずれかの光学システム101~105と基本的に同様の構成を備え同様の効果を奏するが、光ファイバ1が複数のコア1Aを含み、かつメタレンズ3が複数のメタサーフェス3Eを含む点で、光学システム101~105とは異なる。以下、光学システム106が光学システム101~105とは異なる点を主に説明する。
光学システム106において、各メタサーフェス3Eの複数の電磁波散乱体は、第1端面と第2端面との間の光の伝搬方向に対して鈍角または鋭角を成して傾斜する方向に配列していてもよい。各メタサーフェス3Eがメタサーフェス3Aである場合、各メタサーフェス3Aの複数の凹凸構造31Dは、例えばコア1Aの中心軸C1及びSi導波路2Aの中心軸C2に対して鈍角または鋭角を成して傾斜する方向に配列していてもよい。各メタサーフェス3Eがメタサーフェス3C又はメタサーフェス3Dである場合、複数の柱状体32又は複数の球状体35は、コア1Aの中心軸C1及びSi導波路2Aの中心軸C2と鈍角又は鋭角を成す方向に配列していてもよい。このような場合であって、各メタサーフェス3Eが互いに異なる基板4に支持されている場合には、各メタサーフェス3Eと各コア1Aの第1端面1A1との間の距離は可能な限り短くかつ互いに等しく設定されてもよい。
図20を参照して、実施の形態7に係る光学システム107について説明する。実施の形態7に係る光学システム107は、実施の形態1~6のいずれかの光学システム101~106に加え、情報出力部201及び情報入力部202をさらに備える点で、光学システム101~106とは異なる。以下、光学システム107が光学システム101~106とは異なる点を主に説明する。
Claims (14)
- 第1導波路と、
光スポットサイズが前記第1導波路とは異なる第2導波路と、
前記第1導波路の第1端面と前記第2導波路の第2端面との間を光学的に接続するメタレンズとを備え、
前記メタレンズは、前記第1導波路の前記第1端面と対向する第1面と、前記第1面とは反対側を向いている第2面とを有し、
前記メタレンズには、前記第1面と前記第2面との間を貫通する貫通孔が形成されており、
前記貫通孔の孔径は、対象波長よりも小さく、
前記メタレンズは、導電体により構成されており、
前記第1面及び前記第2面の少なくともいずれかには、複数の凹凸構造が平面視において前記貫通孔を囲むように環状に形成されている、光学システム。 - 前記第2端面の面積に対する前記第1端面の面積の比率が10以上である、請求項1に記載の光学システム。
- 平面視において、前記複数の凹凸構造の各々の中心は、前記貫通孔の中心と重なっている、請求項1に記載の光学システム。
- 平面視において、前記複数の凹凸構造の中心は、前記貫通孔の中心と重なっていない、請求項1に記載の光学システム。
- 第1導波路と、
光スポットサイズが前記第1導波路とは異なる第2導波路と、
前記第1導波路の第1端面と前記第2導波路の第2端面との間を光学的に接続するメタレンズと、
対象波長の光に対して透明でありかつ前記光の伝搬方向に交差する第3面を有する基板とを備え、
前記メタレンズは、前記第3面上に配置されておりかつ前記対象波長の光に位相差を与える位相格子であり、
前記メタレンズは、前記第3面上に互いに間隔を空けて配置されている複数の凸部を含み、
前記複数の凸部の各々は、前記第3面の第1領域上に互いに間隔を空けて配置されている第1群の凸部と、前記第3面の第2領域上に互いに間隔を空けて配置されている第2群の凸部とを含み、
前記第1群の凸部の各々の高さ、最大幅、及びピッチの少なくともいずれかは、前記第2群の凸部の各々の高さ、最大幅、及びピッチの少なくともいずれかと異なり、
前記第2端面の面積に対する前記第1端面の面積の比率が10以上である、光学システム。 - 前記複数の凸部の各々の最大幅は、前記対象波長よりも短い、請求項5に記載の光学システム。
- 前記第1領域において、前記第1群の凸部は、位相の変化量が相対的に小さくなるように配置されており、
前記第2領域において、前記第2群の凸部は、位相の変化量が相対的に大きくなるように配置されている、請求項5に記載の光学システム。 - 前記複数の凸部の各々は柱状体又は球状体である、請求項5に記載の光学システム。
- 前記メタレンズは、前記複数の凸部間を満たしている充填部をさらに含み、
前記複数の凸部の各々を構成する材料の屈折率は、前記充填部を構成する材料の屈折率より高く、
前記充填部を構成する材料は、気体及び固体の少なくともいずれかを含む、請求項5に記載の光学システム。 - 前記第1導波路は、光ファイバの少なくとも1つのコアであり、
前記第2導波路は、細線導波路、リブ型導波路、又はフォトニック結晶導波路であり、
前記メタレンズは、前記第1導波路と前記第2導波路との間に配置されている、請求項1~9のいずれか1項に記載の光学システム。 - 前記第1導波路は、離散的に配置されている複数のコアにより構成されており、
前記メタレンズは、前記複数のコアの各々と前記第2導波路との間を光学的に接続する、請求項10に記載の光学システム。 - 前記メタレンズは、前記複数のコアの各々から出射した光が前記第1導波路及び前記第2導波路の各々の中心軸と同一直線上に焦点を結ぶように設けられている、請求項11に記載の光学システム。
- 前記第1導波路及び前記第2導波路の一方と光学的に接続されている情報出力部と、
前記第1導波路及び前記第2導波路の他方と光学的に接続されている情報入力部とをさらに備える、請求項1~9のいずれか1項に記載の光学システム。 - 前記第1導波路の前記光スポットサイズは、前記第2導波路の前記光スポットサイズよりも大きく、
前記情報出力部は、前記第1導波路と光学的に接続されており、
前記情報入力部は、前記第2導波路と光学的に接続されている、請求項13に記載の光学システム。
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