JP7452811B2 - 偏光回折素子と、これを用いたベクトルビームのモード検出システム - Google Patents

偏光回折素子と、これを用いたベクトルビームのモード検出システム Download PDF

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Description

特許法第３０条第２項適用 （１）公開日：平成３０年１０月２５日、ウェブサイトのアドレス ｈｔｔｐｓ：／／ｏｐｔ－ｊ．ｃｏｍ／ｏｐｊ２０１８／ （２）開催日：平成３０年１１月１日、集会名 Ｏｐｔｉｃｓ＆Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｊａｐａｎ ２０１８ （３）公開日：平成３１年３月１１日（抄録掲載日２月１９日）、ウェブサイトのアドレス 論文集：ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｉｅｉｃｅ．ｏｒｇ／ｊｐｎ／ｅｖｅｎｔ／ｔａｉｋａｉａｒｃｈｉｖｅｓ／ａｕｔｈ．ｐｈｐ 抄録： ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｉｅｉｃｅ－ｔａｉｋａｉ．ｊｐ／２０１９ｇｅｎｅｒａｌ／ｊｐｎ／ｗｅｂｐｒｏ／＿ｈｔｍｌ／ｅｓ．ｈｔｍｌ＃ｃ＿３ （４）開催日：平成３１年３月２０日、集会名 ２０１９年電子情報通信学会総合大会
本発明は、偏光回折格子の特性を備える光学素子（偏光回折素子）と、これを利用する光学システムに関し、特に該偏光回折素子を利用したベクトルビームのモード検出システムに関する。
近年の情報通信分野において大容量伝送技術が要求される中、波長多重や偏光多重などの光多重通信の技術が種々開発されてきている。しかし、その通信容量の上限値は技術的に頭打ちになっている。この制約を克服するために、近年、光渦やベクトルビームなどのトポロジカル光波を利用する空間光多重通信に注目が集められている。
トポロジカル光波を用いる光多重通信では、光の空間モード（いわゆる横モード）の直交性を利用して情報の多重化が行われる。トポロジカル光波のモード指数は無限通り取りうる為、理論的には多重化の容量に上限が無い。この事から、トポロジカル光波を用いた光多重通信は次世代の光通信技術として高い期待を集めている。
トポロジカル光波に属する光波の一つとしてベクトルビームが挙げられる。ベクトルビームは偏光の空間分布を有する光波である。このベクトルビームを空間光多重通信に用いれば、ファイバの導波モードであるためマルチモードファイバ中での安定的な伝送が可能である。さらに、同じ次数のベクトルビームであっても直交する偏光モードが存在する事から大容量の情報量を扱えるようになる。そのため、従来技術における通信容量の制約という課題を解決できる。
トポロジカル光波に属する光波の一つとして、光渦があげられる。光渦は、等位相面が所定の軸（通常、光軸）を中心にらせん形状をした光波であり、軌道角運動量を保持したまま伝搬するため、等位相の波面内に力を作用させることができる。そのため、微粒子をトラップする光ピンセットや、光加工への応用が可能である。さらに、光渦はスカラー波であるため、偏光状態とは光波としてのパラメータが独立しているので、光渦のモードと、偏光状態の組み合わせにより、光通信における情報量の増大が期待されている。
光渦を発生させる手段として、刃状転位の形状を有するフォーク状回折格子を利用することが知られている。例えば、特許文献１（ＷＯ２０１６／０５１４４３）は、格子面に刃状転位を含む回折格子を使用し、光または粒子線を照射することによりらせん波を生成できることを記載している。
非特許文献１（Li et al., 2012）は、液晶性材料に形成したフォーク状回折格子（ＦＰＧ）を使用し、可視光域でガウシアンビームをらせん波に変換し得ることを記載している。
国際公開第２０１６／０５１４４３号
Yanming Li, Jihwan Kim, and Michael J. Escuti, Orbital angular momentum generation and mode transformation with high efficiency using forked polarization gratings, APPLIED OPTICS, Vol. 51, No. 34, p8236-8245.
ベクトルビームや光渦等のトポロジカル光を用いて光通信における情報量の増大をはかるためには、モードの異なる光を同時に送信し、受信側ではモードごとに分離を行う必要がある。そのため、ベクトルビームや光渦の多重化や、それらのモードを検出する簡便な手段の開発が求められている。
特許文献１や非特許文献１においては、フォーク型偏光回折格子を光渦の発生に使用し得ることは記載されているが、ベクトルビームのモードを検出する手段については述べられていない。また、ベクトルビームや光渦を多重化する方法や手段も示されていない。
本発明はトポロジカル光の生成に使用し得るフォーク状の偏光回折格子としての特性を有し、必要に応じ、複数の偏光回折格子としての特性を簡便な手法で付与し得る、偏光回折素子、およびこの偏光回折素子を備えるベクトルビームのモード検出システム、ならびに前記偏光回折素子の利用方法を提供することを目的とする。
本発明の偏光回折素子は、
感光性を有する液晶性材料からなるフィルムを有し、
前記フィルムに記録された少なくとも一つのホログラムにより、光学軸が格子ベクトル方向に向かって連続的に回転する異方性構造を有する、フォーク状の偏光回折格子としての特性を備える、
偏光回折素子である。
上記構成の偏光回折素子によれば、フォークの分岐数ｍに応じ、±１次の回折光に対し、±ｍのトポロジカルチャージを付与することができる。
上記偏光回折素子は、前記フィルムに、複数の偏光ホログラムが多重記録されており、それぞれの偏光ホログラムが、格子ベクトルの方向と、回折光に付与するトポロジカルチャージが互いに異なる、フォーク状の偏光回折格子としての特性を有する、偏光回折素子であってもよい。
上記偏光回折素子は、入射光に対し、付与されるトポロジカルチャージの異なる回折光を、それぞれ異なる方向に出光できるので、ベクトルビームのモード検出、光渦アレイの発生、ベクトルビーム多重状態の発生、光渦・偏光多重状態の検出等、多様な用途に利用できる。
上記偏光回折素子において、前記液晶性材料は、少なくとも一部の側鎖に感光性基を含み、下記式１から３のいずれか一つの化学式で示される側鎖を有する重合体で少なくとも構成される、液晶性材料であってもよい。
Figure 0007452811000001
Figure 0007452811000002
 前記化学式１、２のそれぞれにおいて独立に、ｎは１～１２、ｍは１～１２の整数をそれぞれ示し、Ｘ、Ｙは、ｎｏｎｅ、－ＣＯＯ、－ＯＣＯ－、－Ｎ=Ｎ－、－Ｃ=Ｃ－または－Ｃ６Ｈ4－をそれぞれ表し、Ｗ１、Ｗ２はシンナモイル基、カルコン基、シンナミリデンキ基、ビフェニルアクリロイル基、フリルアクリロイル基、ナフチルアクリロイル基もしくはそれらの誘導体を表すか、または、－Ｈ、－ＯＨ、もしくは－ＣＮを表し、前記化学式３において、ｓは０または１を表し、ｔは１～３の整数を表し、ＲはＨ、アルキル基，アルキルオキシ基またはハロゲンを表す。
上記の液晶性材料を用いることにより、簡便な手法で、偏光回折素子を製造することができる。
本発明の第２の構成は、ベクトルビームのモード検出システムであって、上記の偏光回折素子と、
前記偏光回折素子に記録された少なくとも一つの偏光ホログラムが形成する偏光回折格子の±１次の回折方向に、入光端面が配置されたシングルモード光ファイバと、
前記シングルモード光ファイバを導光された光検出器とを備え、
前記偏光回折素子によってガウシアン光に変換された光を前記シングルモード光ファイアバを介して検出することにより、
前記偏光回折素子に入光するベクトルビームのモードを検出するシステムである。
本システムを利用すれば、所定のモードのベクトルビームのみが、所定のホログラムを用いてガウシアン光に変換されるため、入光したベクトルビームのモードを検出することができ、ベクトルビームを使用した光通信の実現に寄与することができる。
本発明の第３の構成は、上記偏光回折格子の製造方法であって、
前記感光性を有する液晶性材料からなる塗膜を形成する工程と、
前記塗膜に、円偏光の光渦と、前記光渦と逆回りの円偏光のガウシアン光を照射することにより、フォーク状の偏光回折格子としての特性を有する偏光ホログラムを少なくとも一度、記録する工程と、
前記塗膜を硬化する工程とを含み、
前記ホログラムを形成する工程において、前記フォーク状の偏光回折格子によって付与されるトポロジカルチャージと、格子ベクトルの方向が異なる複数のホログラムを前記塗膜に多重記録する、
偏光回折素子の製造方法である。
この方法によれば、本発明の偏光回折素子を簡便な方法で提供できる。
本発明の第４の構成は、上記複数の偏光ホログラムが多重記録された前記偏光回折素子を使用する方法に関する。
上記方法は、ベクトルビームのモード検出方法であって、前記偏光回折素子に入射したベクトルビームを前記複数の偏光ホログラムのいずれか一つによってガウシアン光に変換することにより、前記ベクトルビームのモードを検出する方法であってもよい。この方法によれば、複数の偏光ホログラムはそれぞれ異なるトポロジカルチャージを付与するので、入射光をガウシアン光に変換する偏光ホログラムを特定することにより、入射するベクトルビームのモードを検出できる。
あるいは、上記方法は、光渦の発生方法であって、偏光回折素子に円偏光または直線偏光を入射することにより、前記複数の偏光ホログラムの±１次の回折方向に、トポロジカルチャージの異なる複数の光渦を出光させる方法であってもよい。この方法によれば、トポロジカルチャージの異なる複数の光渦を二次元的に配列させることができ、光ピンセット技術や光加工技術の分野において、応用性が高い。
あるいは、上記方法は、多重状態のベクトルビームを発生させる方法であって、前記複数の偏光ホログラムの±１次の回折方向から、右円偏光の光渦と、左円偏光の光渦を入光させ、コヒーレントに重ね合わせることにより、モードの異なるベクトルビームが多重化された多重ベクトルビームを出光させる方法であってもよい。この方法によれば、ベクトルビームの多重状態を形成できるので、上記のベクトルビームのモード検出システムや、モード検出方法とあわせて、ベクトルビームを利用した光通信の実現に寄与できる。
上記方法は、光渦・偏光多重状態の検出方法であって、上記偏光回折素子に入射した光に付与されるトポロジカルチャージと、回折方向とに基づき、光渦のモードと円偏光の回転方向との組み合わせ状態を検出する方法であってもよい。この方法は、光渦多重通信に利用することができる。
本発明では、感光性を有する液晶性材料からなるフィルムにホログラムを記録することにより、光学軸が格子ベクトル方向に向かって連続的に回転する異方性構造を有する、フォーク状の偏光回折格子（ＦＰＧ）としての特性を備える、偏光回折素子を形成することができる。この偏光回折素子には、簡便な手法でホログラムを多重記録することができ、格子ベクトルの方向と付与されるトポロジカルチャージの異なる複数のＦＰＧの特性を一枚のフィルムが備えた、従来にない偏光回折素子を提供することができる。
本発明の一実施形態にかかる偏光回折素子であるフォーク状偏光回折格子における、光学軸方位の分布を示す図である。 図１においてIIで示す部分における、光学軸方位を示す図である。 図２Ａに対応し、II型ＦＰＧにおける光学軸方位の分布を示す図である。 Ｉ型のＦＰＧに円偏光を透過させた場合の回折光を説明するための図である。 II型のＦＰＧに円偏光を透過させた場合の回折光を説明するための図である。 本発明の一実施形態として、格子ベクトルの方向を４５°ずつ変えながらＦＰＧ用ホログラムを多重記録した偏光回折素子（Crossed-FPG)において、各ＦＰＧの一次回折方向の分布を示すための図である。 ベクトルビームがコヒレントな光渦の組み合わせから形成されることを示す図である。 ベクトルビームの次数と、ＦＰＧの付与するトポロジカルチャージの対応により、ガウシアン光が生成される関係を示す図である。 本発明の一実施形態にかかる、ベクトルビームのモード検出システムを説明するための図である。 本発明の一実施形態にかかる偏光回折素子を用いて、ベクトルビームを発生させる様子を示す図である。 本発明の偏光回折素子にホログラムの記録を行う際に使用し得る、光学系の構成を説明するための図である。 実施例１で作製した偏光回折素子（ＦＰＧ）のクロスニコル像である。 図１０の偏光回折素子の性能検証に用いた光学系を説明するための図である。 図１０（ａ）の偏光回折素子にｐ＝０のガウシアン光を透過させた際の回折スポットの画像である。 図１０（ａ）～（ｄ）の偏光回折素子に次数の異なるベクトルビームを透過させた際の回折像を示す図である。 実施例２において、ホログラムの多重記録により作製した偏光回折素子（Ｃｏｓｓｅｄ－ＦＰＧ）のクロスニコル像である。 図１４の回折素子に、ｐ＝０のガウシアン光を透過させた際の回折スポットを示す画像である。 図１４の回折素子に、次数の異なるベクトルビームを透過させた際の回折像を示す画像である。 図１４の回折素子に、次数の異なるベクトルビームを透過させた際の回折像を示す画像である。 図１４の回折素子に、次数の異なるベクトルビームを透過させた際の回折像を示す画像である。
本発明の偏光回折素子は、感光性を有する液晶性材料からなるフィルムを有し、前記フィルムに記録された少なくとも一つのホログラムにより、光学軸が格子ベクトル方向に向かって連続的に回転する異方性構造を有する、フォーク状の偏光回折格子としての特性を備える、偏光回折素子である。
本発明では、光学異方性の空間分布を有する偏光回折格子(Polarization grating: PG)と呼ばれる特殊な光学素子を利用することを特徴とする。図１は、本発明で用いられる偏光回折格子の光学軸方位の分布を示す概念図である。その光学異方性の空間分布からフォーク型偏光回折格子（Fork-shaped PG: FPG）と称する。
この回折格子では、光学軸の方位が互いに平行となる部位が、格子（グリッド）状に所定間隔で分布しており、その格子間を結ぶベクトルを格子ベクトルとする。図２Ａは、図１の枠IIで示した部分の拡大図である。図２Ａでは、格子ベクトルに対する光学軸の方位の回転の仕方を白矢印で示しているが、光学軸の方位は、連続的に回転する。
光学素子中央部には、光学軸方位の等方位線の分岐点があり、この分岐点において増加する等方位線の数ｍが、光学素子によって付与されるトポロジカルチャージに関与している。このような光学素子（ＦＰＧ）としては、図２Ａに示すように、光学軸の方位が格子ベクトルの方向に対して時計回りに回転するものと、図２Ｂに示すように反時計回りに回転するものとがあり、以下では、前者をＩ型ＦＰＧ(Type-I FPG)、後者をII型ＦＰＧ(Type-II FPG)と称することとする。
図３Ａ、３Ｂは、フォーク状回折格子（ＦＰＧ）の特性を有する偏光回折素子１に円偏光を透過させた場合を説明するための図である。ＦＰＧに円偏光を透過させると、光学軸の方位に応じた幾何学的位相が空間的に生じる。例えば、偏光回折素子１が、図１に示すＩ型ＦＰＧの場合、入射光が左円偏光(Left-handed circular polarization: LCP)の場合は＋１次方向に回折すると同時にexp[+imθ]の螺旋位相項（＋ｍのトポロジカルチャージ）が付与され、右円偏光の光渦となる。入射光が右円偏光(Right-handed circular polarization: RCP)の場合は－１次方向に回折すると同時にexp[-imθ]の螺旋位相項（－ｍのトポロジカルチャージ）が付与され、左円偏光の光渦となる。
偏光回折素子１がII型ＦＰＧの場合、図１Ｂに示すように、回折する方向と付与される螺旋位相項（トポロジカルチャージ）の符号がＩ型ＦＰＧの場合とは反転する。即ち、入射光が左円偏光（ＬＣＰ）の場合は－１次方向に回折すると同時にexp[-imθ]の螺旋位相項（－ｍのトポロジカルチャージ）が付与され、右円偏光の光渦となる。入射光が右円偏光（RCP）の場合は＋１次方向に回折すると同時にexp[+imθ]の螺旋位相項（＋ｍのトポロジカルチャージ）が付与され、左円偏光の光渦となる。
本発明の偏光回折素子では、感光性を有する液晶性材料からなるフィルムにホログラムを記録することにより、フィルムにフォーク状の偏光回折格子としての特性を付与する。この場合、記録されるホログラムを調整することにより、Ｉ型ＦＰＧまたはII型ＦＰＧを作製することができる。さらに、ＦＰＧの分岐点において増加する等方位線の数ｍを選択することができ、これによって、ＦＰＧが付与するトポロジカルチャージを選択することができる。
本発明では、さらに、感光性を有する液晶性材料からなるフィルムにホログラムを多重記録することにより、一枚の光学素子に、回折格子としての特性の異なる複数のＦＰＧの機能を付与し得ることを見出した。
例えばＩ型でｍ＝２のＦＰＧを格子Ａ、II型でｍ＝２のＦＰＧを格子Ｂ、I型でｍ＝１のＦＰＧを格子Ｃ、II型でｍ＝１のＦＰＧを格子Ｄとする。この格子Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄを形成するホログラムを、格子ベクトルの方向を４５°ずつ変化させながら、一枚のフィルムに記録すると、各格子の＋１次、－１次の回折方向は、図４にＡ+、Ａ－、Ｂ+、Ｂ－、Ｃ+、Ｃ－，Ｄ+，Ｄ－で示すように、（入射方向から見て）異なる位置に投影される。このような偏光回折素子１（交差フォーク状回折格子：Ｃｒｏｓｓｅｄ－ＦＰＧ）を用いれば、入射光を各回折方向において、特性の異なるトポロジカル光に変換することができる。また、各回折方向で回折光を検出することにより、入射光の特性を判別する手段としても用いることができる。
［ベクトルビームのモード検出システム］
以下、本発明の偏光回折素子１を用いた、ベクトルビームのモード検出方法、およびモード検出システムについて説明する。
図５に示すように、直線偏光（ラジアル偏光）のベクトルビームは、互いに絶対値が等しく、かつ反符号のトポロジカルチャージを有する左円偏光（ＬＣＰ）と、右円偏光（ＲＣＰ）のコヒーレントな重ね合わせ状態であると見なすことが出来る（即ち、左円偏光の光渦と右円偏光の光渦の重ね合わせであると見なせる）。ベクトルビームの光軸周りの偏光方位の回転量をｐと定義すると、そのベクトルビームはexp「-ipθ」の螺旋位相項を持つＬＣＰとexp[+ipθ]の螺旋位相項を持つＲＣＰのコヒーレントな重ね合わせとなる。ここで、ｐ＞０のベクトルビームをＩ型(分岐数：m)のＦＰＧに通すと、±１次光のトポロジカルチャージはexp[i(m-p)θ]（＋１次光）とexp[i(p-m)θ]（―１次光）にそれぞれ変換される。従って、｜ｐ｜＝ｍ（ｐ＞０）の関係にあるとき、Ｉ型のＦＰＧを透過したベクトルビームは、±１次の回折方向に、ガウシアン光（トポロジカルチャージが０）として回折されることとなる。他方、ｐとｍが異なる場合には、回折光はトポロジカルチャージが残り、光渦としての特性を有するものとなる。
他方、ｐ＜０のベクトルビームは、II型のＦＰＧによって、ガウシアン光に変換することができる。次数ｐのベクトルビームをII型のＦＰＧに通すと、±１次光のトポロジカルチャージはexp[i(m+p)θ]（＋１次光）とexp[-i(p+m)θ]（―１次光）にそれぞれ変換される。従って、II型のＦＰＧでは、｜ｐ｜=ｍ（ｐ＜0）の関係を満たすベクトルビームのみ±１次光方向にガウシアン光として回折される。
例えば、図６は、次数の異なるベクトルビームをＩ型（ｍ＝１）のＦＰＧに通したときと、II型（ｍ＝１）のＦＰＧに通したときの、回折光の強度分布のシミュレーション結果を示す図である。Ｉ型（ｍ＝１）とII型（ｍ＝１）の異方性分布を有するＦＰＧを透過したベクトルビームの複素振幅分布をJones行列計算により求め、算出された複素振幅分布を高速フーリエ変換する事でフラウンホーファー回折像を算出した。図６に示されるのは、こうして求めたベクトルビームの次数毎のフラウンホーファー回折像である。それぞれの回折像において、左側は＋１次方向の回折光、右側は－１次方向の回折光の強度分布である。上記で説明したpとmの関係を満たすときのみ、±１次光がガウシアン光へと変換されている事が分かる。中央部のスポット（小さな円）は、０次光に対応するものであり、ＦＰＧのリタデーションをπに一致させる事で原理上はその値を零にする事ができる（即ち±１次光合わせての回折効率を１００％にできる）。
図７（ａ）、（ｂ）は、上記の原理を利用したベクトルビームのモード検出システムを示す概略図である。このシステムは、本発明の偏光回折素子１と、前記偏光回折素子に記録された少なくとも一つの偏光ホログラムが形成する偏光回折格子の±１次の回折方向に、入光端面が配置されたシングルモード光ファイバ２と、前記シングルモード光ファイバ２内を導光された光を検出する光検出器３とを備える。（a)に示すように、光ファイバ２にガウシアン光が入光すると、導光されて光検出器３によって検出されるが、（ｂ）に示すように、トポロジカルチャージがゼロにならない場合、ドーナツ状の光渦となって、光ファイバ２中を導光されないため、検出されない。
例えば、偏光回折素子１がＩ型（分岐数ｍ）のＦＰＧの特性を有する場合、入射光が｜ｐ｜＝ｍ（ｐ＞０）のベクトルビームを含めば、光検出器３によって検出される。また回折素子１がII型（分岐数ｍ）のＦＰＧの特性を有する場会、入射光が｜ｐ｜＝ｍ（ｐ＜０）のベクトルビームを含めば、光検出器３によって検出される。
図４に説明した回折素子を用いる場合、ｐ＝１のベクトルビームは、回折方向Ｃ+、Ｃ－で回折光がガウシアン光となる。同様に、ｐ＝２のベクトルビームは、回折方向Ａ+、Ａ－で、ｐ＝-１のベクトルビームは、回折方向Ｄ+、Ｄ－で、ｐ＝－２のベクトルビームは、回折方向Ｂ+、Ｂ－で、ガウシアン光として回折する。そこで、それぞれの回折方向に図７のシングルモード光ファイバ２を設置し、光検出器３によって、どの光ファイバ２から光が入光するかを識別することにより、入射光に含まれるベクトルビームのモードを判別することができる。このようにして、ＦＰＧへの入射光中に所望の次数を有するベクトルビームが含まれているかを判別する事ができる。
［光渦発生用素子、光渦の発生方法］
図６にドーナツ状の強度パターンで示されるように、本発明の回折素子で回折される際、ガウシアン光に変換されなかった光は、光渦として回折される。従って、本発明の回折素子は光渦発生用の素子としても利用でき、この素子を用いて光渦を発生させることができる。
本発明の回折素子１に直線偏光を入光させた場合、±１次の回折方向に光渦が発生する。また左円偏光または右円偏光を入光させた場合には、図３Ａ、３Ｂで示したように、偏光の回転方向に応じて、＋１次、または－１次の回折方向に円偏光の光渦が発生する。図４に説明した素子を用いると、異なる方向において、強度分布の異なる光渦を発生させることができ、２次元配列した光渦のアレイを得ることができる。このような光渦アレイは、微粒子を多点的に光トラップしたり、金属を光加工したりする上で利用性が高い。
［ベクトルビーム多重状態発生素子、ベクトルビーム多重状態発生方法］
本発明の回折素子１は、ベクトルビームの多重状態を発生させるために用いることもできる。図８に示すように、ＦＰＧの回折角に対応する方向から、互いにコヒーレントな左円偏光と右円偏光を同時に入光させると、右円偏光の光渦と左円偏光の光渦のコヒーレントな重ね合わせにより、出射光はベクトルビームとなる。ここで、図４に説明したような、本発明の偏光回折素子１を用いると、付与されるトポロジカルチャージが異なる回折方向から、それぞれコヒーレントな左円偏光と右円偏光を入光させることにより、モードの異なるベクトルビームを同じ出射方向に発生させることができ、モードの異なるベクトルビームの多重状態を生じさせることができる。
［光渦・偏光多重状態の検出素子、検出方法］
光渦はスカラーの光波であり、偏光状態とは光波としてのパラメータが独立しているため、光渦の多重化と偏光の多重化を組み合わせることができる。ＦＰＧは入射する円偏光の回転方向に応じて、回折次数の符号が異なるので、ＦＰＧのｍの値と、回折次数の符号の組み合わせにより、光渦と円偏光の組み合わせ状態を検出することができる。そのため、本発明の回折素子は、光渦多重通信の検出素子としても利用することができる。
［偏光回折素子の製造方法］
上述のように、本発明の偏光回折素子は、ベクトルビームや光渦などのトポロジカル光波を利用する光多重通信を実現する上で有用である。本発明においては、感光性基を有する液晶性材料を使用し、以下の工程によって、偏光回折素子を製造することができる。
（工程１）感光性を有する液晶性材料からなる塗膜を形成する工程。
（工程２）前記塗膜に、円偏光の光渦と、前記光渦と逆回りの円偏光の干渉光を照射することにより、フォーク状の偏光回折格子としての特性を有する偏光ホログラムを少なくとも一度、記録する工程。
（工程３）前記塗膜を硬化する工程。
特に本発明では、上記の工程２において、前記フォーク状の偏光回折格子によって付与されるトポロジカルチャージと、格子ベクトルの方向が異なる複数のホログラムを前記塗膜に多重記録することが好ましい。
［ホログラム記録装置］
図９は、上記工程において、ホログラムの形成に使用し得る露光装置の光学系を示す上面図である。図中、Ｍ１～Ｍ８は光路の方向調整のために設けられる全反射ミラーであり、これらについては簡略化のため、説明を省略する。光源１０を出光した光は、レンズＬ１、Ｌ２、ピンホールＨを通し、半波長板２０を通したのち偏光ビームスプリッタ３０によって第１の光路ＯＰ１を通るｐ波と、第２の光路ＯＰ２を通るｓ波とに分離される。
ｐ波は、第１の光路ＯＰ１に配置された第１の１/４波長板４１、軸対称半波長板５０、第２の１/４波長板４２、偏光子６０、第３の１/４波長板４３を通り、レンズＬ３，Ｌ４を介してサンプル（フィルム）Ｓに投影される。ここで、軸対称半波長板５０により、所定のトポロジカルチャージが付与され、サンプルＳには、円偏光の光渦が投影される。
他方、ｓ波は、第２の光路ＯＰ２に配置された第４の１／４波長板４４を通して、前記円偏光の光渦とは逆回りの円偏光（ガウシアン光）としてサンプルＳに投影される。この円偏光の光渦と、円偏光の干渉パターンが、ホログラムとして感光性のサンプルＳに記録される。
上記の装置を用いれば、軸対称半波長板５０により付与するトポロジカルチャージを選択することにより、タイプおよび分岐数ｍの異なるＦＰＧをホログラムとしてサンプルＳに記録することができる。そして所定のホログラムを記録した後、サンプルＳを所定角度回転させて別のホログラムを記録することにより、サンプル中に格子ベクトルの方向が異なる複数のホログラムを多重記録することができる。例えば、サンプルを４５°回転する毎にホログラムの記録を行うことにより、図４において説明したI型、ｍ＝１のＦＰＧ、I型、ｍ＝２のＦＰＧ、II型、ｍ＝１のＦＰＧ、II型、ｍ＝２のＦＰＧの４種のＦＰＧが、格子ベクトル方向４５°間隔で多重記録された偏光回折素子を製造することができる。
[感光性基を有する液晶性材料］
上記の製造方法で使用される、感光性基を有する液晶性材料としては、例えば、少なくとも一部の側鎖に感光性基を含み、下記式１から３のいずれか一つの化学式で示される側鎖を有する重合体で少なくとも構成される、液晶性材料を用いることができる。
Figure 0007452811000004
Figure 0007452811000005
 前記化学式１、２のそれぞれにおいて独立に、ｎは１～１２、ｍは１～１２の整数をそれぞれ示し、Ｘ、Ｙは、ｎｏｎｅ、－ＣＯＯ、－ＯＣＯ－、－Ｎ=Ｎ－、－Ｃ=Ｃ－または－Ｃ６Ｈ4－をそれぞれ表し、Ｗ１、Ｗ２はシンナモイル基、カルコン基、シンナミリデンキ基、ビフェニルアクリロイル基、フリルアクリロイル基、ナフチルアクリロイル基もしくはそれらの誘導体を表すか、または、－Ｈ、－ＯＨ、もしくは－ＣＮを表し、前記化学式３において、ｓは０または１を表し、ｔは１～３の整数を表し、ＲはＨ、アルキル基，アルキルオキシ基またはハロゲンを表す。
上記の液晶性材料を用いれば、感光性基を有する側鎖が、照射された偏光（例えば偏光紫外線）の振動方向かつ照射光の進行方向に対し垂直に配向するが、この配向は、まずランダムな状態から配向しやすい位置にある側鎖から優先的に行われる。そのため、サンプルの角度を変えながら異なる干渉光を照射すると、それぞれの照射に対して配向しやすい位置にある側鎖が配向する。液晶性材料が感光性基を持たない側鎖を含んでいても、これらは加熱・冷却の過程で、近傍の配向した側鎖に従って配向し、ホログラムがサンプルに固定される。具体的な工程は、以下の条件で行うことができる。
［塗膜の形成］
上記の化学式１～３で表わされる側鎖を有するモノマー単位から形成される液晶性ポリマー、必要により、上記の液晶性ポリマーに低分子化合物、その他の成分（重合触媒など）を加え、これらを適当な溶剤に溶解して調製される塗布液を支持体上に塗布し、溶剤を除去することにより液晶性ポリマー層を支持体上に形成することができる。
溶剤としては、ジオキサン、ジクロロエタン、シクロヘキサノン、トルエン、テトラヒドロフラン、ｏ－ジクロロベンゼン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトンなどが挙げられ、これらの溶媒は、単独または混合して用いられる。
支持体は、ガラス基板の他、種々の高分子フィルムの中から適宜選択して用いられる。例えば、ポリエチレンテレフタレートフィルム、ジアセチルセルロースおよびトリアセチルセルロースなどのセルロース系ポリマーフィルム、ビスフェノールＡ・炭酸共重合体などのポリカーボネート系ポリマーフィルム、ポリエチレン、ポリプロピレンおよびエチレン・プロピレン共重合体などの直鎖または分枝状ポリオレフィンフィルム、ポリアミド系フィルム、イミド系ポリマーフィルム、スルホン系ポリマーフィルムなどが挙げられる。
［ホログラムの形成］
塗布液を支持体上に塗布して溶剤が除去される程度に乾燥した後、例えば図９で説明した装置を使用して塗膜上に円偏光の光渦と、円偏光の干渉像を結像することにより、ホログラムを形成することができる。複数のホログラムを一枚のフィルムに記録する場合、第１のホログラムを記録後、試料を所定の角度（例えば４５°）回転させ、第２のホログラムを記録する。この操作を繰り返すことにより、所望の数（例えば第１～第４の４種）のホログラムを多重記録することができる。その際、軸対称半波長板５０を交換して個々の結像を行うことによって、形成されるＦＰＧに異なる分岐数ｍを付与することができる。Ｉ型とII型の変更を行うにあったっては、装置の光学系で調整してもよいが、サンプルを裏返して、裏面側（透光性基材）側から入光した光で、塗膜に干渉像を結像させてもよい。
ホログラムの記録は、乾燥途中（完全に乾燥する前）に行ってもよい。ホログラムの記録後、試料を８０～１３０℃、好ましくは１００～１２０℃に加熱し、冷却することが好ましい。
上記化学式３で示される側鎖を有する液晶性材料を溶媒に溶解して基材に塗布し、溶媒を除去したものをホログラム記録用の試料（試料フィルム）とした。化学１，２で示される側鎖を有する材料も、紫外光による側鎖の配向制御が可能なものであり、これらを用いた場合にも、下記実施例と同様の結果を期待できる。
［実施例１］
図９に示した光学系（ホログラム記録装置）を使用し、上記試料フィルムに偏光ホログラムの記録を行った。光源としてはＤＰＳＳレーザーを使用し、光源から射出された３６０ｎｍの紫外レーザー光を偏光ビームスプリッタ３０により直交する直線偏光に変換しながら互いに空間的（ｐ波側を光路１、s波側を光路２とする）に分離し、光路１で形成される円偏光の光渦と、光路２で形成される円偏光の干渉によるホログラムを塗膜上に形成した。ホログラムの形成後、サンプルを１３５℃で３分加熱し、次いで冷却することにより、塗膜にホログラムを記録した。今回の実施例では、トポロジカルチャージmが１と２の光渦をそれぞれ発生可能な軸対称半波長板を用いた。
なお、今回用いた軸対称半波長板は３２５nm用に最適化されたものであるが、リタデーションの理想値からのズレによって生じる分散は第２の１／４波長板４０ｂ、第３の１／４波長板４０ｃ、および偏光子６０の光学軸を適切に配置する事で補正した。また、軸対称半波長面を、図５に示す４焦点光学系でサンプル面上に結像し、回折により光渦のコア部が広がる影響を回避した。
ホログラム記録により作製したＩ型（ｍ＝１）、Ｉ型（ｍ＝２）、II型（ｍ＝１）、II型（ｍ＝２）の４種類のＦＰＧの偏光顕微鏡写真（クロスニコル配置）を図１０（ａ）～（ｄ）に示す。素子中央部でフォーク状にフリンジが分岐している事が分かる。クロスニコル像では、光学軸の方向が格子ベクトルの方向となる部位（図１の描画で明るく示した部分）は消光して暗色に見え、光学軸の方向が斜めになる部分が明色となるため、見かけ上、明るい部分のフォークの分岐数はmの２倍値に対応している。格子周期は約９μｍである。
作製したＦＰＧに空間光変調器を用いて発生させたベクトルビーム（波長５３２ｎｍ）を透過させ、回折像を観測した。実験に用いた光学系を図１１に示す。Nd：ＹＡＧレーザ光源７０から発光した光を用い、空間光変調器及びその他複数種の偏光素子群からなるベクトルビーム変換器８０からｐ＝２，１，０，－１，－２のベクトルビームをそれぞれ発生させ、作製したＦＰＧ（偏光回折素子１）を透過させた。ＦＰＧ透過光をレンズＬに透過させ、フーリエ面で回折像をＣＭＯＳカメラ９０を用いて撮像した。なお、光強度の調整用として、レンズ後方に２枚の偏光子Ｐ１，Ｐ２を配置した。図１２はｐ＝０のガウシアン光をＩ型（ｍ＝１）のＦＰＧに透過させた際の回折スポットを撮像したものである。＋１次、０次、－１次に相当する３つの回折スポットが得られていることが分かる。
図１３（ａ）～（ｄ）にＦＰＧに入射するベクトルビームのｐの値を変えながら各種ＦＰＧを透過した光の回折像を撮像した結果をそれぞれ示す。［Ｔｙｐｅ－Ｉ，ｍ＝１］のＦＰＧではｐ＝１のときに、［Ｔｙｐｅ－ＩＩ，ｍ＝１］のＦＰＧではｐ＝－１のときに、［Ｔｙｐｅ－Ｉ，ｍ＝２］のＦＰＧではｐ＝２のときに、［Ｔｙｐｅ－ＩＩ，ｍ＝２］のＦＰＧではｐ＝－２のときに、±１次光がガウシアン光に変換されている事が分かる。従って、本発明のモード検出の原理の有効性が実験的に示された。なお、各ＦＰＧの回折効率は表1に示すとおりであり、±１次光を合わせて９５％以上の高い回折効率が得られていることが分かる。
Figure 0007452811000007
［実施例２］
上記の原理では、単一のＦＰＧでは、ある特定の次数ｐを持つベクトルビームしか判別する事ができない。実際の光多重通信では、異なる次数ｐを持つベクトルビームが多重化された光が入射することとなり、そこに含まれる全てのベクトルビームの含有割合（モードスペクトル）を検出する事が必要となる。そこで、上記試料フィルムを利用し、図４において説明したように１枚の位相差フィルム中に複数種の偏光ホログラムを格子ベクトルの方向を変えながら重ね書きし、複数種のＦＰＧの機能の多重化を試みた。図１４は［Ｔｙｐｅ－Ｉ，ｍ＝１］，［Ｔｙｐｅ－Ｉ，ｍ＝２］，［Ｔｙｐｅ－ＩＩ，ｍ＝１］，［Ｔｙｐｅ－Ｉ，ｍ＝２］の４種類の偏光ホログラムを格子ベクトルの方向を４５°ずつ変えながら記録して作製したＣｒｏｓｓｅｄ ＦＰＧの偏光顕微鏡写真である。Ｃｒｏｓｓｅｄ－ＦＰＧにｐ＝０のガウシアン光を透過させたときの回折像を図１５に示す。０次光の回りに円筒対称に８つの回折スポットが得られている事が分かる。ここで、それぞれの回折スポットを図１５に示すようにＡ＋，Ａ－，Ｂ＋，Ｂ－，Ｃ＋，Ｃ－，Ｄ＋，Ｄ－とする。Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄはそれぞれ［Ｔｙｐｅ－Ｉ，ｍ＝２］，［Ｔｙｐｅ－ＩＩ，ｍ＝２］，［Ｔｙｐｅ－Ｉ，ｍ＝１］，［Ｔｙｐｅ－ＩＩ，ｍ＝１］のＦＰＧの格子ベクトル方向に対応する。Ｃｒｏｓｓｅｄ ＦＰＧにｐ＝２，１，０，－１，－２の４種類のベクトルビーム及びガウシアン光を別々に入射させた際の回折像を図１６（ａ）～（ｅ）に示す。それぞれのＦＰＧに対応する格子ベクトル方向に、モード判別の条件を満たすベクトルビームが入射した際にガウシアン光のスポットが形成されている事が分かる。従って、位相差フィルム中に複数種の偏光ホログラムを記録し、複数種のＦＰＧを独立に動作させることで、単一のフィルムで複数種のベクトルビームをモード判別可能である事を実証した。
本発明の偏光回折素子によれば、ベクトルビームのモード検出、ベクトルビームや光渦の多重化など、トポロジカル光を用いた光通信技術の実現に寄与することができる。
１ 偏光回折素子
２ シングルモード光ファイバ
３ 光検出器
１０ 光源
２０ 半波長板
３０ 偏光ビームスプリッタ
４１，４２、４３、４４ １／４波長板
５０ 軸対称半波長板
６０ 偏光子
７０ 光源
８０ ベクトルビーム変換器
９０ ＣＭＯＳカメラ
Ｐ１，Ｐ２ 偏光子
Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４ レンズ
Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４，Ｍ５，Ｍ６，Ｍ７，Ｍ８ 全反射ミラー
Ｓ サンプル

Claims (3)

  1. 感光性を有する液晶性材料からなるフィルムを有し、
    前記フィルムに記録された少なくとも一つのホログラムにより、光学軸が格子ベクトル方向に向かって連続的に回転する異方性構造を有する、フォーク状の偏光回折格子としての特性を備え、
    前記フィルムには、複数の偏光ホログラムが多重記録されており、
    前記複数の偏光ホログラムのそれぞれは、格子ベクトルの方向と、回折光に付与するトポロジカルチャージが互いに異なる、前記フォーク状の偏光回折格子としての特性を有する、
    偏光回折素子を使用し、
    多重状態のベクトルビームを発生させる方法であって、
    前記複数の偏光ホログラムの±１次の回折方向から、右円偏光の光渦と、左円偏光の光渦を入光させ、コヒーレントに重ね合わせることにより、モードの異なるベクトルビームが多重化された多重ベクトルビームを出光させる方法。
  2. 感光性を有する液晶性材料からなるフィルムを有し、
    前記フィルムに記録された少なくとも一つのホログラムにより、光学軸が格子ベクトル方向に向かって連続的に回転する異方性構造を有する、フォーク状の偏光回折格子としての特性を備え、
    前記フィルムには、複数の偏光ホログラムが多重記録されており、
    前記複数の偏光ホログラムのそれぞれは、格子ベクトルの方向と、回折光に付与するトポロジカルチャージが互いに異なる、前記フォーク状の偏光回折格子としての特性を有する、
    偏光回折素子を使用し、
    前記偏光回折素子に入射した光に付与されるトポロジカルチャージと、回折方向とに基づき、入射した光に含まれる少なくとも一つの光渦のモードと円偏光の回転方向との組み合わせ状態を検出する方法。
  3. 請求項１または２に記載の方法において、
    前記偏光回折素子は、
    前記液晶性材料が、少なくとも一部の側鎖に感光性基を含み、下記式１から３のいずれか一つの化学式で示される側鎖を有する重合体で少なくとも構成される、偏光回折素子である方法。
    Figure 0007452811000008
    Figure 0007452811000009
    Figure 0007452811000010
     前記化学式１、２のそれぞれにおいて独立に、ｎは１～１２、ｍは１～１２の整数をそれぞれ示し、Ｘ、Ｙは、ｎｏｎｅ、－ＣＯＯ、－ＯＣＯ－、－Ｎ=Ｎ－、－Ｃ=Ｃ－または－Ｃ６Ｈ4－をそれぞれ表し、Ｗ１、Ｗ２はシンナモイル基、カルコン基、シンナミリデンキ基、ビフェニルアクリロイル基、フリルアクリロイル基、ナフチルアクリロイル基もしくはそれらの誘導体を表すか、または、－Ｈ、－ＯＨ、もしくは－ＣＮを表し、前記化学式３において、ｓは０または１を表し、ｔは１～３の整数を表し、ＲはＨ、アルキル基、アルキルオキシ基またはハロゲンを表す。
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