JPWO2018109966A1 - 導波シート及び光電変換装置 - Google Patents

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Abstract

本開示の導波シートは、入射される入射光を取り込み、内部で入射光の入射方向と交差する方向に光を導波する。導波シートは、入射光の進行方向を変える回折格子層と、複数の第１の透光対と、を備える。第１の透光対は、入射方向と交差する方向である第１方向に第１凹条と第１凸条とが繰り返す形状を有する第１の透光層と、第１の透光層に層状に配置される第２の透光層と、を有する。複数の第１の透光対は、第１の透光層が、回折格子層側に位置するように、且つ、入射方向において、第１の透光層の隣り合う第１凸条の間に、第１の透光層に隣接する他の第１の透光層の第１凹条が位置するように、層状に配置される。

Description

本開示は、回折を利用して光の取り込みを行う導波シート及び当該導波シートを用いた光電変換装置に関する。
特許文献１は、光の回折を利用して光の取り込みを行う導波シートを開示する。特許文献１に記載の導波シートは、透光シートと、当該透光シート内に光結合構造とを備える。光結合構造は、第１の透光層と、第２の透光層と、これらに挟まれた第３の透光層とを含む。また、第１及び第２の透光層の屈折率は、透光シートの屈折率よりも小さく、第３の透光層の屈折率は、第１及び第２の透光層の屈折率よりも大きい。また、第３の透光層は、回折格子を有する。これにより、広い波長範囲の光を、広い入射角度で取り込むことが可能となる。
国際公開第２０１２／０４６４１４号
本開示は、入射される入射光を取り込み、内部で当該入射光の入射方向と交差する方向に光を導波する導波シートであって、当該導波シート内部に取り込んだ光を、内部に保持しやすい導波シートを提供する。また、本開示は、当該導波シートを用いた光電変換装置を提供する。
本開示の導波シートは、入射される入射光を取り込み、内部で入射光の入射方向と交差する方向に光を導波する。導波シートは、入射光の進行方向を変える回折格子層と、複数の第１の透光対と、を備える。第１の透光対は、入射方向と交差する方向である第１方向に第１凹条と第１凸条とが繰り返す形状を有する第１の透光層と、第１の透光層に層状に配置される第２の透光層と、を有する。複数の第１の透光対は、第１の透光層が、回折格子層側に位置するように、且つ、入射方向において、第１の透光層の隣り合う第１凸条の間に、第１の透光層に隣接する他の第１の透光層の第１凹条が位置するように、層状に配置される。
また、本開示の光電変換装置は、上述した導波シートと、光を受光する受光面を有し、受光面で受光した光を電力に変換する光電変換素子と、備える。光電変換素子は、入射方向と交差する方向に位置する導波シートの端面と対向して受光面が位置するように、導波シートの周囲に配置される。
本開示の導波シートによれば、当該導波シート内部に取り込んだ光を、内部に保持しやすい。
また、本開示の光電変換装置によれば、導波シートによって広い面積で外部からの入射光を取り込み、取り込んだ入射光を効率よく当該導波シートの端面側に配置された光電変換素子へと導くことができるため、入射光を効率よく光電変換できる。
図１の（ａ）は、本開示に係る光電変換装置を示す斜視図である。図１の（ｂ）は、図１の（ａ）に示す光電変換装置をＩｂ−Ｉｂに沿って切断した断面を示す断面図である。 図２は、実施の形態１に係る導波シートへの光入力の様子を説明するための模式的な断面を示す模式図である。 図３の（ａ）は、実施の形態１に係る回折格子層を示す模式断面図である。図３の（ｂ）は、回折格子層への入射光のコヒーレンス長を説明するための説明図である。図３の（ｃ）は、図３の（ａ）に示す回折格子層への光入力と、入力された光の回折格子内を伝播する様子を示す説明図である。 図４の（ａ）は、図３に示す回折格子層の、光入力効率の波長依存性を示す説明図である。図４の（ｂ）は、図３に示す回折格子層の、光入力効率の角度依存性を示す説明図である。 図５の（ａ）は、実施の形態１に係る、平行層と蛇行層との積層体の断面図であり、図５の（ｂ）〜（ｊ）は、図５の（ａ）の断面図に対応して、蛇行層と平行層とを移行しながら伝播する導波光の強度分布を、時系列に並べた説明図である。 図６の（ａ）は、実施の形態１に係る、回折格子層を含めた平行層と蛇行層との積層体の断面図である。図６の（ｂ）〜（ｄ）は、図６の（ａ）に示す断面図に対応して、回折格子層への光入力後に平行層と蛇行層とを移行しながら伝播する導波光の強度分布のシミュレーション結果を時系列に並べた説明図である。図６の（ｅ）は、積層体内を伝播する導波光の伝播光路長に対する、解析領域内での光の総エネルギーのシミュレーション結果を示す説明図である。 図７は、導波光の伝播方向の傾きの変化と、光の移行効率の変化をシミュレーションした結果を示す説明図である。 図８の（ａ）は、実施の形態１に係る導波シートの、平行層が蛇行方向の異なる蛇行層に挟まれる場合の導波光の伝播の様子を示す説明図である。図８の（ｂ）は、平行層から当該平行層の下面側に位置する蛇行層へ伝播する光の移行現象を２次元モデルでシミュレーションした結果を示す説明図である。図８の（ｃ）は、平行層から当該平行層の下面に位置する蛇行層へ伝播しなかった光の移行現象を２次元モデルでシミュレーションした結果を示す説明図である。 図９の（ａ）は、実施の形態１に係る導波シートの最表面の構造を示す模式図である。図９の（ｂ）及び図９の（ｃ）は、蛇行層の曲率半径と光の移行との関係を説明するための模式断面図である。 図１０は、実施の形態１に係る導波シートを製造する手順の一例を示す模式的な説明図である。 図１１は、実施の形態１に係る導波シートを製造する手順の他の一例を示す模式的な説明図である。 図１２は、実施の形態２に係る導波シートを示す模式的な断面を示す説明図である。 図１３は、実施の形態３に係る導波シート内を導波する導波光の様子を示す説明図である。 図１４の（ａ）は、実施の形態３に係る導波シートの光の移行現象を２次元モデルによるシミュレーションで用いた屈折率分布図を示す説明図である。図１４の（ｂ）は、図１４の（ａ）に示す光の移行現象を示す２次元モデルのシミュレーション結果であるポインティングベクトルの強度比の伝播長依存性を示す説明図である。 図１５は、実施の形態４に係る導波シートの模式的な断面を示す模式図である。 図１６は、実施の形態５に係る導波シートの模式的な断面を示す模式図である。 図１７は、実施の形態５に係る導波シートの、伝播光の伝播方向の変化の様子を示す説明図である。 図１８は、グレーティング結合法の原理を説明するための説明図である。
（本開示の基礎となった知見）
まず、発明者らの着眼点が、下記に説明される。
光は、光速で伝播し続ける素粒子である。光を単一の光伝播媒質に移すこと、及び光を当該光伝播媒質の内部で保持することは、一般的に難しい。従来、空気等の環境媒質から、透明なシート内部に光を取り込む技術として、例えば、グレーティング結合法がある。
図１８は、グレーティング結合法の原理を説明するための図である。具体的には、図１８の（ａ）は、表面に回折格子ピッチΛの直線グレーティング（回折格子２２）が設けられた透光層２０の断面図であり、図１８の（ｂ）は、図１８の（ａ）に示す透光層２０の平面図である。
回折格子２２が設けられた透光層２０は、グレーティングカプラと呼ばれる。図１８の（ａ）に示すように、波長λの入射光２３ａを透光層２０の回折格子２２が形成された面の法線に対して所定の入射角度θ傾けて回折格子２２に入射させると、入射光２３ａは、透光層２０内を伝播する導波光２３ｂに結合させることができる。ここで、透光層２０には、波長λ、入射角度θ等の決められた条件を満たす入射光のみが取り込まれ、条件を満たさない入射光は取り込まれない。
図１８の（ｃ）は、図１８の（ａ）における入射光２３ａのベクトルダイアグラムを示す説明図である。
図１８の（ｃ）において、円２４及び円２５は、点Ｏを中心とした円である。また、円２４の半径は、透光層２０の周囲に位置する環境媒質２１の屈折率ｎ０と等しくなるように設定される。また、円２５の半径は、導波光２３ｂの実効屈折率（ｎｅｆｆ）と等しくなるように設定される。実効屈折率（ｎｅｆｆ）は、透光層２０の膜厚に依存し、透光層２０内を伝播する伝播光の導波モードに応じて、環境媒質２１の屈折率ｎ０から透光層２０の屈折率ｎ１までの間の特定の値をとる。また、点Ｐは、点Ｏから入射角度θ（ｙ軸に対する傾き角）に沿って線を引き、当該線と円２４とが交わる点である。点Ｐ’は、点Ｐからｘ軸へ引いた垂線の足（当該垂線とｘ軸との交点）である。点Ｑ及び点Ｑ’は、円２５とｘ軸との交点である。
図１８の（ｄ）は、導波光２３ｂがＴＥモードで伝播する場合の、実効的な膜厚（ｔｅｆｆ）と実効屈折率（ｎｅｆｆ）との関係（分散特性）を示す。ここで、実効的な膜厚とは、回折格子２２がない場合には、透光層２０の膜厚そのものであり、回折格子２２がある場合には、透光層２０の膜厚に回折格子２２の平均高さを加えたものである。なお、図１８の（ｄ）は、透光層２０の周囲を覆う環境媒質２１をＳｉＯ２、透光層２０をＴａ２Ｏ５とした場合の実効的な膜厚（ｔｅｆｆ）と実効屈折率（ｎｅｆｆ）との関係である。
図１８の（ｄ）に示すように、透光層２０内を伝播する導波光には、０次、１次、２次等の複数の導波モードが存在し、それぞれ特性カーブが異なる。
ここで、図１８の（ｃ）に示すように、ｘ軸正方向への光の結合条件は、Ｐ’Ｑの長さがλ／Λの整数倍に等しいことであり、ｘ軸負方向への光の結合条件はＰ’Ｑ’の長さがλ／Λの整数倍に等しいことである。具体的には、ｘ軸正方向への光の結合条件は、下記の式（１）で表される。ただし、λは光の波長であり、Λは回折格子ピッチであり、ｑは整数で表わされる回折次数である。
式（１）において、ｎ０、ｎｅｆｆ、ｑ、λ、Λ、θが式（１）を満たす場合、ｎ０、ｎｅｆｆ、ｑ、λ、Λが同じ値であればθ以外の入射角度では、透光層２０に入射する入射光は透光層２０内で導波光に結合しない。また、式（１）において、ｎ０、ｎｅｆｆ、ｑ、λ、Λ、θが式（１）を満たす場合、ｎ０、ｎｅｆｆ、ｑ、Λ、θが同じ値であればλ以外の波長では、やはり透光層２０に入射する入射光は透光層２０内で導波光に結合しない。
上記は、入射光２３ａが、回折格子２２が透光層２０の表面に延在する方向に対して垂直な方向から入射される場合についての説明である。ここで、図１８の（ｂ）に示すように、入射光２３ａが透光層２０に入射される方向（回折格子２２の延在方向と垂直な方向）から回転角度φ１だけシフト（回転）した入射光２３Ａが透光層２０に入射される場合について考える。この場合、回折格子２２の実質的なピッチはΛ／ｃｏｓφ１となる。このため、透光層２０に入射する入射光における入射方向がシフト（回転）した入射光では、式（１）を満たす条件（ｎ０、ｎｅｆｆ、ｑ、λ、Λ、θ）において、異なる入射角度及び波長でも光の結合条件を満たす場合がある。これにより、透光層２０における入射光の導波光への結合条件はある程度緩和されるが、入射角度及び波長が限定されることには変わりない。
また、導波光２３ｂは、回折格子２２の領域を伝播する間に、回折格子２２が形成された透光層２０の入射光が入射された面の方向に放射光２３Ｂとして放射される。このため、透光層２０の表面に形成された回折格子２２の端部（グレーティング端部２２ａ）から離れた位置で入射光が入射し、透光層２０内を導波光２３ｂとして伝播することができても、導波光２３ｂは、グレーティング端部２２ａに至る際には減衰する。つまり、導波光２３ｂは、グレーティング端部２２ａに到達せずに放射光２３Ｂとして透光層２０の外部へと放射される。したがって、グレーティング端部２２ａに近い位置で入射する入射光２３ａ’のみが放射による減衰を受けることなく、導波光２３ｂ’として透光層２０内を伝播することができる。つまり、多くの入射光を導波光として透光層２０内で結合させるため、回折格子２２の面積を大きくしても、回折格子２２に入射する入射光の全てを導波光２３ｂ’として伝播させることはできないといった問題がある。以上の問題点を鑑み、発明者らは本開示を創作するに至った。
以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。
なお、発明者らは、当業者が本開示を十分に理解するために添付図面及び以下の説明を提供するのであって、これらによって請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。
また、各図におけるｘ軸及びｙ軸は、ｚ軸に直交する方向であるとする。また、ｘ軸は、ｙ軸と直交する方向であるとする。また、本明細書において、ｚ軸の正方向を上方と定義する。また、ｚ軸方向を積層方向として記載する場合がある。
また、本明細書において、「上方」及び「下方」という用語は、絶対的な空間認識における上方向（鉛直上方）及び下方向（鉛直下方）を指すものではない。また、「上方」及び「下方」という用語は、２つの構成要素が互いに間隔をあけて配置されて２つの構成要素の間に別の構成要素が存在する場合のみならず、２つの構成要素が互いに密着して配置されて２つの構成要素が接する場合にも適用される。
また、本明細書において、平行とは、略平行すなわち製造上の誤差を含む。
（実施の形態１）
以下、図１〜図１１を用いて、実施の形態１を説明する。
［導波シートの構造］
図１の（ａ）は、実施の形態１に係る光電変換装置を示す模式的な斜視図である。図１の（ｂ）は、図１の（ａ）に示す光電変換装置をＩｂ−Ｉｂに沿って切断した断面を示す断面図である。
図１に示すように、光電変換装置１００は、導波シート１０と、導波シート１０の端面１０２に配置される光電変換素子１１とを備える。
光電変換装置１００は、太陽光や照明光等の入射光５を、導波シート１０の内部に取り込み、取り込んだ入射光５を電力に変換する装置である。言い換えると、入射光５は、導波シート１０の内部に取り込まれ、導波シート１０内部で導波光６と結合する。導波光６は、導波シート１０内部を伝播し、導波シート１０の端面１０２まで到達する。端面１０２まで到達した導波光６は、光電変換素子１１の受光面１０１で受光され、電力に変換される。
光電変換素子１１は、受光した光を電力に変換する光電変換素子である。一具体例としては、光電変換素子１１は、太陽電池である。光電変換素子１１の材料としては、例えば、結晶シリコン、単結晶シリコン又は多結晶シリコン等の半導体が採用される。或いは、光電変換素子１１の材料としては、例えば、ＧａＡｓ又はＩｎＧａＡｓ等の化合物系半導体が採用されてもよい。
光電変換素子１１は、例えば、導波シート１０の端面１０２を覆うように導波シート１０の周囲に配置される。具体的には、光電変換素子１１は、導波シート１０に入射される入射光５の受光方向と交差する方向に、導波シート１０の端面１０２と対向して受光面１０１が位置するように、導波シート１０の周囲に配置される。導波シート１０に取り込まれた導波光６は、導波シート１０の端面１０２から出射され、光電変換素子１１で受光される。受光された導波光６は、光電変換素子１１で電力に変換される。
導波シート１０は、入射光５を内部に取り込む光学シートである。導波シート１０は、取り込んだ入射光５を内部で保持し、入射光５を導波光６と結合して導波シート１０の端面１０２へ伝播させる。具体的には、導波シート１０は、入射光５を内部に取り込み、入射光５の進行方向を変えて、受光方向と交差する方向に位置する導波シート１０の端面１０２へと導波する。より具体的には、導波シート１０は、入射光５を内部に取り込み、入射光５の進行方向とは異なる方向に導波シート１０内部を進行（導波）する導波光６に結合する。また、導波シート１０は、導波光６を、導波シート１０外部（具体的には図１に示すｚ軸方向側）への放射を抑制しながら端面１０２へと導く機能を有する。
図２は、導波シート１０の一部を切り出した模式的な拡大断面図である。具体的には、図２は、実施の形態１に係る導波シート１０への光入力及び光伝播の様子を説明するための模式的な断面を示す模式図である。図２に示すように、導波シート１０は、積層体６０ａ（第１の積層体）及び積層体６０ｂ（第２の積層体）を備える。
積層体６０ａは、回折格子層１、蛇行層３（第１の透光層）及び平行層４（第２の透光層）を備える積層構造体である。具体的には、積層体６０ａは、入射光５の進行方向を変える回折格子層１を備える。また、積層体６０ａは、さらに回折格子層１に層状に配置され、入射光５の入射方向と交差する方向である第１方向に、第１凹条７０と第１凸条７１とが繰り返す形状を有する蛇行層３を備える。また、積層体６０ａは、さらに蛇行層３に層状に配置される平行層４を備える。ここで、蛇行層３と、蛇行層３に層状に配置される平行層４とあわせて透光対６１（第１の透光対）と呼称する。積層体６０ａは、層状に配置される複数の透光対６１を備える。ここで、第１凹条７０と第１凸条７１は、それぞれｙ軸方向に筋状に伸びる凹部と凸部である。
複数の透光対６１は、蛇行層３の隣り合う第１凸条７１が配置される位置の間に、入射光５の入射方向に蛇行層３に隣接する他の蛇行層３の第１凹条７０が位置するように、層状に配置される。
回折格子層１は、図２に示すｘｙ面に平行な表面（上面及び下面）に、回折格子ピッチΛ、且つ回折格子深さｄの、ｙ軸方向に延在する直線状の、断面形状が矩形である回折格子１９が形成された透光性を有する層である。また、回折格子層１の積層方向における上面側及び下面側には、ｘｙ面にあって、ｘ軸に沿って蛇行ピッチＰｘで蛇行する蛇行層３と、ｘｙ面に平行な平行層４とが交互に積層（配置）して形成されている。
回折格子層１は、入射光５を内部に取り込む。また、回折格子層１は、取り込んだ入射光５を内部で保持し、入射光５を導波光６と結合して回折格子層１に層状に配置された蛇行層３へ導波光６を導波する。具体的には、回折格子層１は、入射光５を内部に取り込み、入射光５の進行方向を変えて、受光方向と交差する方向に位置する導波シート１０の端面１０２側へと導波する。回折格子層１内を導波する導波光６は、回折格子層１に層状に配置された蛇行層３へと移行する。
蛇行層３は、光透過性を有する光学シートである。蛇行層３は、断面視（図２に示すｘｚ面で切断された面）において第１方向（図２においてはｘ軸方向）に波状であり、第１方向に蛇行して延在した形状を有する層である。具体的には、蛇行層３が蛇行した形状に形成されることで、蛇行層３の上面側（又は下面側）に位置する回折格子層１と蛇行層３とは、積層方向において近接と離間とを繰り返す。なお、近接とは、接触及び非接触を含む。つまり、蛇行層３は、回折格子層１に層状に配置され、入射光５の入射方向と交差する方向である第１方向に、第１凹条７０と第１凸条７１とが繰り返す形状を有する。蛇行層３の第１凹条７０と第１凸条７１とが繰り返す蛇行方向（ｘ軸方向）は、回折格子１９の並ぶ方向と実質的に同じである。
また、第１凹条７０及び第１凸条７１は、断面視において、所定の曲率を有するように形成されるとよい。具体的には、第１凹条７０及び第１凸条７１は、断面視において、角張った部分を有さないように形成されるとよい。
なお、以降の説明において、凹条と凸条とが繰り返す方向を蛇行方向として記載する場合がある。また、図２において、蛇行層３における蛇行のｚ方向全振幅は、振幅ａとして示す。また、本明細書において振幅ａは、積層方向（ｚ軸方向）における、上面側の最もｚ軸正方向側の点と、上面側の最もｚ軸負方向側の点との間隔である。
平行層４は、光透過性を有する光学シートである。実施の形態１においては、平行層４は、平行層４の積層方向側に位置する上面及び下面が略平行に形成された光学シートである。
積層体６０ａにおいて、平行層４は、蛇行層３に層状に配置される。積層体６０ａは、平行層４が蛇行層３に層状に配置された透光対６１を複数備える。
回折格子層１、蛇行層３及び平行層４の材料は、例えばアクリル等の透明な樹脂、又は、Ｔａ２Ｏ５、ＳｉＮ等の透明な高屈折率誘電体が採用される。具体的には、回折格子層１、蛇行層３及び平行層４の材料は、回折格子層１、蛇行層３及び平行層４の間に位置する透明層２の材料よりも高い屈折率を有する材料が採用される。
また、蛇行層３が蛇行する形状を有することで、蛇行層３と回折格子層１との間、及び、蛇行層３と平行層４との間には、透明層２が介在する。
透明層２は、蛇行層３と平行層４との間に位置する光透過性を有する層である。透明層２の材料としては、例えば回折格子層１、蛇行層３及び平行層４よりも屈折率が低い低屈折率のフッ素樹脂、又は、ＳｉＯ２等の低屈折率誘電体が採用される。なお、透明層２は、回折格子層１、蛇行層３及び平行層４よりも屈折率が低ければよく、例えば、空気でもよい。
また、積層体６０ａにおいて、回折格子層１の積層方向の一方の側（上側）及び一方の側の反対側である他方の側（下側）の両面には、それぞれ蛇行層３が位置するように、透光対６１が層状に配置される。上下の蛇行層３は、一方の側の蛇行層３における隣り合う第１凹条７０が配置される位置の間に、他方の側の蛇行層３の第１凸条７１が位置するように、回折格子層１に対して配置される。
また、第１方向（蛇行方向）において、平行層４の一方の面における蛇行層３と近接する位置の間に、平行層４の一方の面と反対側の他方の面において蛇行層３と近接する位置があるように、複数の透光対６１は層状に配置される。具体的には、図２に示すように、ｘ軸方向において、平行層４の一方の面（上面）における蛇行層３と平行層４との隣り合う近接部３Ｃ’と近接部３Ｃ’’との間に、平行層４の他方の面（下面）における蛇行層３と平行層４との近接部３Ｃが位置するように、複数の透光対６１はに層状に配置される。言い換えると、複数の透光対６１は、入射方向において、蛇行層３における隣り合う第１凸条７１が配置される位置の間に、その蛇行層３に隣接する他の蛇行層３の第１凹条７０が位置するように、層状に配置される。
一具体例としては、断面視において、層状に配置される蛇行層３のそれぞれの波形状の蛇行周期は、同期しているとよい。言い換えると、断面視において、層状に配置される蛇行層３のそれぞれの第１凸条７１の位置と第１凹条７０の位置とが積層方向において略一致しているとよい。
積層体６０ｂは、積層体６０ａと同様の構造を有し、回折格子層１’、蛇行層３’及び平行層４’が積層された積層構造を有する。ここで、積層体６０ｂは、積層体６０ａをｚ軸周りに回転角度φだけ回転させたものである。そのため、積層体６０ｂにおける蛇行層３’の蛇行方向（第３方向）は、積層体６０ａにおける蛇行層３の蛇行方向（第１方向）からｚ軸周りに回転角度φだけ回転している。具体的には、積層体６０ｂは、積層体６０ａと同様に、回折格子１９’が形成された回折格子層１’の上下に蛇行層３’が層状に配置される。また、積層体６０ｂは、蛇行層３’と平行層４’とが、積層された透光対６１’を備える。蛇行層３’が蛇行する形状を有することで、蛇行層３’と回折格子層１’、及び蛇行層３’と平行層４’との間には透明層２’が介在する。
積層体６０ｂの回折格子層１’は、入射光５をその内部に取り込み、導波光に結合する。ここで、回折格子層１’が取り込んだ導波光の導波方向が積層体６０ａの回折格子層１と異なるように、積層体６０ｂは積層体６０ａに層状に配置される。ここで、導波方向とは、導波シート１０内を伝播する導波光において、最も導波する導波光が多い主たる導波方向である。
また、積層体６０ａと積層体６０ｂとの間には、平行層４Ｓが配置される。積層体６０ａと積層体６０ｂとの境目の平行層４Ｓは、それぞれの平行層４と平行層４’とに相当する共通の層である。
なお、蛇行層３並びに平行層４の厚さ及び回折格子層１の実効的な厚さ（グレーティングの凹凸を平均化した場合の厚さ）は膜厚ｔとする。また、蛇行層３と平行層４との隙間、及び、蛇行層３と回折格子層１との隙間は、いずれも隙間ｓとする。
なお、以降の説明において、特に断らない限りは、回折格子層１、蛇行層３及び平行層４の材料をＴａ２Ｏ５とし、透明層２をＳｉＯ２とし、蛇行ピッチＰｘ＝５．８５μｍ（マイクロメータ／ミクロン）、膜厚ｔ＝０．３４μｍ、振幅ａ＝０．３０μｍ、隙間ｓ＝０μｍ、回折格子ピッチΛ＝０．４５μｍ、回折格子深さｄ＝０．１６μｍの条件として説明する。また、上述した条件を条件Ａとして説明する場合がある。
また、条件Ａは、回折格子層１、蛇行層３及び平行層４の構造の一具体例であるが、各寸法及び材料を限定するものではない。回折格子層１、蛇行層３及び平行層４の寸法の条件は、例えば、回折格子層１、蛇行層３及び平行層４に採用される材料にあわせて適宜変更されてもよい。回折格子層１、蛇行層３及び平行層４の分散特性は、図１８の（ｄ）に示すＰ１点に相当する。
次に、図２を用いて導波シート１０への光入力及び光伝播の様子を説明する。図２に示すように、導波シート１０に入射する入射光５及び入射光５’は、積層体６０ａの回折格子層１に入射し、回折格子層１に形成された回折格子１９で結合されて、回折格子層１内を伝播する導波光６及び導波光６’に結合する。
導波光６は、回折格子層１の下側に隣接する蛇行層３に移行して導波光６ａとなり、その下側に隣接する平行層４に移行して導波光６ｂとなり、その下側に隣接する蛇行層３に移行して導波光６ｃとなり、以上の移行を繰り返す。この導波光の移行現象は、導波光にとって最も近接した移行層（具体的には、導波光が導波している層に近接している蛇行層３又は平行層４）に対して行なわれる。また、蛇行層３の蛇行の曲率半径（断面視における波形状）や隙間ｓの最適化により、理論的にはほぼ１００％の効率で実現され得る。
また、導波光６は、回折格子層１の上側に隣接する蛇行層３に移行して導波光６Ａとなり、その上側に隣接する平行層４にも移行して導波光６Ｂとなり、以上の移行を繰り返す。
また、導波光６’は、回折格子層１の下側に隣接する蛇行層３に移行して導波光６ａ’となり、その下側に隣接する平行層４に移行して導波光６ｂ’となり、その下側に隣接する蛇行層３に移行して導波光６ｃ’となり、以上の移行を繰り返す。
また、導波光６’は、回折格子層１の上側に隣接する蛇行層３にも移行して導波光６Ａ’となり、その上側に隣接する平行層４に移行して導波光６Ｂ’となり、以上の移行を繰り返す。
なお、回折格子層１に形成された回折格子１９は、回折格子層１のｘｙ面（上面及び下面）の全面に渡り形成されているとよい。こうすることにより、回折格子層１に入射光５が入射した場合に、回折格子層１は、広い領域（面積）で入射光５を取り込み、且つ取り込んだ入射光５を導波光６へ結合することができる。
上述した導波光の移行を繰り返した結果、導波光６ｃは、積層体６０ａと積層体６０ｂとの境目にある平行層４Ｓに到達して導波光７となる。積層体６０ａと積層体６０ｂとがｚ軸周りに所定の角度をなして接しているので、境界の平行層４Ｓでは、平行層４Ｓの上面側にある蛇行層３との近接部３Ａ（図８参照）、平行層４Ｓの下にある蛇行層３との近接部３Ａ’（図８参照）が互いに交差する。具体的には、蛇行層３の蛇行方向に垂直な方向に延在する近接部３Ａと、蛇行層３の蛇行方向に垂直な方向に延在する近接部３Ａ’とは、交差する。上述したように、積層体６０ａの蛇行層３の蛇行方向は、積層体６０ｂの蛇行層３’の蛇行方向とは異なる。この様な条件では、導波光が導波している層から別の層へ移行する光の移行効率は低下する。例えば、導波光７の一部は下側に隣接する蛇行層３’に移行して導波光７ａとなるが、蛇行層３’に移行しなかった導波光７の残りは、平行層４Ｓに留まり導波光７Ａとなる。
また、積層体６０ａに対して積層体６０ｂがｚ軸周りに回転して層状に配置されているため、蛇行層３’の蛇行方向と導波光７ａの伝播方向とは大きく乖離する。そのため、積層体６０ｂに入射光が入射された際には、入射光を第１導波方向（回折格子層１が取り込んだ光を導波する導波方向）とは異なる方向である第２導波方向に光を導波する。また、この乖離により、導波光７ａ及びその派生光（例えば、導波光７ｂ、７ｃ等）の光の移行効率も低下したままで、移行毎に分離を繰り返す（図７参照）。例えば、導波光７ａは、図２に示すように、導波光７ｂと導波光７ｂ’とに分離され、導波光７ｂは、導波光７ｃと導波光７ｃ’とに分離される。
また、導波光７ａ及び導波光７Ａとも伝播方向がｘｚ面内から逸れるので、平行層４Ｓに留まった導波光７Ａの蛇行層３への光の移行効率も低下し、移行毎に分離を繰り返す（図７参照）。例えば、導波光７Ａは、導波光７Ｂと導波光７Ｂ’とに分離され、導波光７Ｂは、導波光７Ｃと導波光７Ｃ’とに分離される。
例えば、移行効率を５０％ずつとすると、導波光７ａ、７ｂ、７ｃ及び導波光７Ａ、７Ｂ、７Ｃは、光量が１／２、１／４、１／８と低下し、平行層４Ｓから離れるにしたがって、導波光のエネルギーは減衰する。言い換えると、積層体６０ａと積層体６０ｂとの境目にある平行層４Ｓまで到達した導波光７は、その後、平行層４Ｓの近傍の蛇行層３、蛇行層３’、平行層４、平行層４’又は平行層４Ｓに閉じ込められる。また、閉じ込められた導波光は、ｘｙ面に沿って拡散した導波光として上述したいずれかの層内を伝播する。図１の（ａ）に示すように、当該導波光が、導波シート１０の端面１０２側の周囲に取り付けられた光電変換素子１１で受光される。
なお、以下の説明では、回折格子層１、１’、透明層２、２’、蛇行層３、３’及び平行層４、４’を、それぞれ総じて、回折格子層１、透明層２、蛇行層３及び平行層４と称する場合がある。
次に、導波シート１０に取り込まれた光が導波シート１０内部を伝播する様子の解析結果（シミュレーション結果）について説明する。
図３は、実施の形態１に係る回折格子層１の光入力（入射光５の入射）の様子を示す説明図である。具体的には、図３の（ａ）は、実施の形態１に係る回折格子層１を示す模式断面図である。図３の（ｂ）は、回折格子層１への入射光のコヒーレンス長を説明するための説明図である。図３の（ｃ）は、図３の（ａ）に示す回折格子層１への光入力と、入力された光の回折格子内を伝播する様子を示す説明図である。より具体的には、図３の（ａ）は、図２に示す回折格子１９が形成された回折格子層１を結合長Ｗの範囲で切り取った２次元モデルである。なお、回折格子層１は、上述した条件Ａを満たす。また、結合長Ｗは、蛇行ピッチＰｘ（図２参照）の半分の長さで設定した。また、回折格子層１は、透明層２に囲まれているものとした。図３の（ｂ）は、図３の（ａ）の回折格子層１に、幅（スポット径）＝結合長Ｗ＝５．６μｍ、波長λ＝０．８５μｍの光を回折格子層１のｘｙ面に対して垂直に入射させ、導波光６を結合させた場合のシミュレーション結果を示す光強度分布図である。
ここで、回折格子層１の実効屈折率は、図１８の（ｄ）のＰ１点からｎｅｆｆ＝１．９５と算出される。この結果から、式（１）の右辺は、−１．９５＋０．８５／０．４５＝−０．０６となり、ほぼ垂直な入射（入射角度θ＝０度）で導波光６が結合されることが分かる。
図４は、図３に示す回折格子層１に入射光を入射した場合の、光入力効率を示す説明図である。具体的には、図４の（ａ）は、図３の（ｃ）に示す入射光５の波長に対する光入力効率を示す波長依存性の解析結果である。また、図４の（ｂ）は、図３の（ｃ）に示す入射光５の入射角度θに対する光入力効率を示す角度依存性の解析結果である。ここで、波長依存性とは、入射光５の波長を変えた場合の、波長に対する入射光５が回折格子層１に取り込まれて導波光６に結合される効率（カップリング効率）である。また、角度依存性とは、入射光５の入射角度θ（図３の（ｃ）参照）を変えた場合の、入射角度θに対する入射光５が回折格子層１に取り込まれて導波光６に結合される効率（カップリング効率）である。
なお、回折格子層１に入射する入射光５を発する光源には、パルス光を用いた。すなわち、当該解析に用いた入射光５は、コヒーレンス長Ｌ（図３の（ｂ）参照）の光であり、光速をＣとした場合にＬ／Ｃで定義される時間幅の範囲で、波長λの均質な電磁波を形成する光とした。また、解析に用いた入射光５の、電磁波が形成されるコヒーレンス長Ｌの範囲外での電磁波振幅は、ゼロとなるように設定した。ここで、コヒーレンス長Ｌとは、導波シート１０に入射される入射光５のコヒーレンス長を意味する。図４に示す解析結果は、コヒーレンス長Ｌをパラメータとしてプロットしている。
図４の（ａ）に示すように、コヒーレンス長Ｌが長い場合（いわゆる可干渉な光の場合）には、波長に対するカップリング効率は、波長が０．８３μｍ（図１８の（ｄ）のＰ１に対応）の場合と、波長が０．７１μｍ（図１８の（ｄ）のＰ２に対応）の場合とにカップリング効率の高い２つのピーク（導波光６の０次モードと１次モードとに対応）を有する、ピーク幅の狭い先鋭なカーブをなす。コヒーレンス長Ｌが短くなるにつれて（いわゆる非干渉な光になるにしたがって）、複数確認されたピークは、幅が広がったカーブになる。
図４の（ｂ）に示すように、コヒーレンス長Ｌが長い場合には、入射角度が０度（図１８の（ｄ）のＰ１に対応）と２１度（図１８の（ｄ）のＰ２に対応）とにカップリング効率の高い２つのピーク（導波光６の０次モードと１次モードとに対応）を有する。また、当該２つのピークは、ピーク幅の狭い先鋭なカーブをなす。コヒーレンス長Ｌが短くなるにつれて、２つのピークは、ピーク幅が広がったカーブになる。
ここで、例えば、光源を太陽として考えた場合、太陽光のコヒーレンス長Ｌは数μｍである。つまり、導波シート１０は、回折格子層１に形成される回折格子１９の回折格子ピッチΛを適切に設定することで、例えば太陽光が入射される場合に、広い波長範囲、且つ広い入射角度範囲で、光入力効率（カップリング効率）の変化を少なくすることができる。
次に、蛇行層３内及び平行層４内を伝播する導波光について説明する。図５の（ａ）は、実施の形態１に係る導波シート１０の光伝播を解析で確認するために、透明層２を挟んで隣接した平行層４と蛇行層３とが交互に複数積層された積層構造の解析モデルを示す模式断面図である。なお、解析モデルは２次元モデルであり、解析に用いた透明層２、蛇行層３及び平行層４の構造条件は、条件Ａに従った。ただし、条件Ａから、蛇行ピッチＰｘをＰｘ＝１０μｍに変更した。また、図５の（ａ）に示す紙面左右側の解析境界は周期境界条件（Ｐｅｒｉｏｄｉｃ Ｂｏｕｎｄａｒｙ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ：ＰＢＣ）とし、紙面上下側の解析境界は吸収境界条件（Ｐｅｒｆｅｃｔｌｙ Ｍａｔｃｈｅｄ Ｌａｙｅｒ：ＰＭＬ）とした。また、図５の（ａ）において、説明をわかりやすくするために、蛇行層３及び平行層４に対応する部分には、ハッチングを入れて図示している。
図５の（ｂ）〜（ｊ）は、図５の（ａ）に対応し、蛇行層３と平行層４との間を移行しながら伝播する導波光の強度分布を示す解析結果を、（ｂ）（ｃ）（ｄ）・・・（ｈ）（ｉ）（ｊ）の順に時系列に並べた説明図である。最上層（ｚ軸正方向側）にある蛇行層３の紙面左端に波長０．８５μｍの光源を配置し、全方位に向けて光源を発光させると、光源から発せられた光は、蛇行層３に入射し、蛇行層３内を伝播するＴＥモードの導波光６ｆ及び導波光６ｇに結合される。また、図５の（ｂ）に示すように、紙面左右の解析境界がＰＢＣなので、導波光６ｆ及び導波光６ｇは紙面左側（ｘ軸負方向側）及び紙面右側（ｘ軸正方向側）から蛇行層３の中心側（ｘ軸方向における蛇行層３の中央側）に向かう。
図５の（ｄ）及び（ｅ）に示すように、導波光６ｆ及び導波光６ｇは、蛇行層３のｘ軸方向における中央で交差するとともに、蛇行層３の下側にある平行層４に移行し、蛇行層３（平行層４）の中央から左右端側に向かう。紙面左端に到達した導波光６ｆは、紙面右端から現れ、紙面右端に到達した導波光６ｇは紙面左端から現れる。この場合に、導波光６ｆ及び導波光６ｇは、平行層４の下側にある蛇行層３に移行している。このように、導波光６ｆ及び導波光６ｇは、図５の（ｂ）〜（ｅ）で起こった現象を、図５の（ｆ）〜（ｊ）で繰り返しながら、下側に位置する蛇行層３と平行層４とに移行を繰り返し、伝播していく。以上の解析結果から、平行層４及び蛇行層３に取り込まれた導波光（導波光６ｆ及び導波光６ｇ）は、平行層４及び蛇行層３から漏出しにくいことが分かる。
図６の（ａ）は、図５の（ａ）と同様に、実施の形態１に係る導波シート１０の光伝播を解析で確認するために、透明層２を挟んで隣接した平行層４と蛇行層３とが交互に複数積層された積層構造の断面を示す模式図である。なお、解析モデルは２次元モデルであり、構造条件は条件Ａとした。ただし、蛇行ピッチＰｘは、Ｐｘ＝１０μｍに変更している。また、紙面左右（ｘ軸方向）の解析境界は周期境界条件（ＰＢＣ）とし、紙面上下（ｚ軸方向）の解析境界は吸収境界条件（ＰＭＬ）とした。
また、図６の（ａ）においては、図５の（ａ）とは異なり、平行層４と蛇行層３とが交互に複数積層された積層構造の、積層方向における略中央に回折格子層１を設定した。また、その紙面上下をそれぞれ平行層４及び蛇行層３のセット（透光対６１）を１０組重ねるように設定した。また、回折格子層１に近接する上下には、蛇行層３を配置した。また、平行層４及び蛇行層３のセットのｚ軸方向の外側は、境界（ＰＭＬ）まで透明層２と同じ材料（ＳｉＯ２）となるように設定した。また、図６に示す解析においては、幅５μｍの光源を紙面上側（ｚ軸正方向側）境界の直近に配置し、当該光源からｚ軸負方向に向かって、波長０．８５μｍで、Ｓ偏光の入射光５を、２０μｍの長さでパルス発振させた。
図６の（ｂ）〜（ｄ）は、図６の（ａ）の模式図に対応し、回折格子層１へ入射光５を光入力後に、平行層４と蛇行層３との間を移行しながら伝播する導波光の光強度分布を（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）の順に時系列に並べた説明図である。図６の（ｅ）は、平行層４及び蛇行層３を伝播する導波光の伝播光路長に対する、解析領域内の光の総エネルギーをプロットした説明図である。ここで、光の総エネルギーとは、図６に示す全解析領域（図６の（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）の四角で囲まれた領域内）での光のエネルギー（具体的には、光の電界ベクトルの２乗）の総和である。光源の発振が終了した時点で、全解析領域内における光の総エネルギーは最大になる。なお、図６の（ｂ）〜（ｄ）において、解析領域内の黒色で示される部分が、光が存在する部分であることを示す。
図６の（ｂ）に示されるように、回折格子層１に到達した入射光５は、導波光に結合し、回折格子層１に近接される蛇行層３及び平行層４に移行を繰り返し伝播している。また、回折格子層１に結合されなかった光は、図６の（ｂ）の紙面下側（ｚ軸負方向側）の境界に到達する。回折格子層１に結合されなかった入射光５は、解析領域の外部へ抜け出す。光の総エネルギーは、図６の（ｂ）の後、解析領域の外部への入射光５の漏出が続くため、伝播光路長が１００μｍまでは減少し続けるが、伝播光路長が１００μｍ〜５００μｍの間では安定する。これは、図５で示したように、導波光が蛇行層３及び平行層４の間で移行を繰り返し、蛇行層３又は平行層４の内部にとどまっているためである。図６の（ｃ）に示すように、導波光は蛇行層３及び平行層４の間で移行を繰り返し、蛇行層３及び平行層４の内部にとどまる。したがって、実施の形態１の導波シート１０は、複数の蛇行層３のそれぞれと複数の平行層４それぞれとが交互に積層された積層構造によって、ある程度の時間（距離）、取り込んだ入射光５を導波光に結合して導波シート１０内部に閉じ込めておける。
なお、積層構造の外縁層まで進んだ導波光は、当該外縁層で反射し、回折格子層１のある中心側に戻ってくる。外縁層を伝播する導波光に関しては、後述する。
導波光が回折格子層１を伝播すると、光入力結合（入射光５の取り込み）とは逆のプロセスで回折格子１９からほぼ垂直に光が放射され、紙面上下（ｚ軸方向）から解析領域の外部に抜け出す。図６の（ｄ）に示すように、回折格子層１に伝播した導波光は、紙面上下方向（ｚ軸方向）に放射光として放射される。これにより、伝播光路長５００μｍ以上においては、光の総エネルギーは緩やかに減衰する。つまり、図６に示す解析モデルでは図６の（ｅ）に示すように、光の総エネルギーの減衰が伝播光路長５００μｍの近傍から生じているが、複数の蛇行層３それぞれと複数の平行層４のそれぞれとが交互に積層された積層構造の、蛇行層３及び平行層４の積層数を増やすことにより、光の総エネルギーの減衰が生じる伝播光路長を５００μｍ以上にすることができる。
次に、導波シート１０内を伝播する導波光の伝播方向の傾きに対する光の移行効率の変化について説明する。
図７は、導波光の伝播方向の傾きの変化と、光の移行効率の変化をシミュレーションした結果を示す説明図である。具体的には、図７の（ａ）は、条件Ａに従う蛇行層３及び平行層４をｘｚ面で切断した断面を示す模式図である。図７の（ａ）に示す蛇行層３及び平行層４の断面構造が、ｙ軸方向に延在する。なお、図７の（ａ）においては、蛇行層３及び平行層４をそれぞれ１層ずつのみとした。また、図７に示す解析においては、全ての解析領域の境界条件を吸収境界条件（ＰＭＬ）とした。
図７の（ａ）に示すように、ＴＥモードの導波光６を、ｚ軸周りの傾斜角度（平行層４内を伝播する導波光６のｘ軸となす角度）をパラメータにして、平行層４の紙面上端（ｘ軸正方向側）から導入すると、導波光６の一部は平行層４から蛇行層３に移行する（導波光６ｉ）。蛇行層３に移行しなかった導波光６ｈは平行層４内を伝播する。光の移行前後の導波光６、６ｈ、６ｉの光量を仮想的にそれぞれ検出器Ｍ０、Ｍ１、Ｍ２を設置して計測することで、導波光６の平行層４への入射条件（傾斜角度）に対する光の移行効率の変化を読み取る。
図７の（ｂ）は、導波光の伝播方向がｘｙ面内でｚ軸周りに傾く場合の、光の移行効率の変化の解析結果を示す説明図である。なお、図７の（ｂ）に示す移行効率（Ｍ２／Ｍ０）は、検出器Ｍ０で検出された光量に対する、検出器Ｍ２で検出された光量の比である。
図７の（ｂ）に示すように、移行効率は、傾斜角度の増大とともに低下する。図７の（ｂ）の解析結果は、導波光６に複数のモードが発生するため、定性的な傾向を示す。これは、蛇行層３と平行層４との間で形成される結合長が、導波光６の伝播方向により変わるためである。理論的には、傾斜角度が０度のときの光の移行効率が１００％の場合、傾斜角度が６０度になると結合長が倍になるために、光の移行効率は０％になる。なお、図７の（ｂ）において、入射導波光の傾斜角が０度から１０度付近における移行効率が１．０を超えているが、これは、数値解析における計算誤差によるもので、実際は１．０を超えない。
次に、導波シート１０の積層体６０ａ、６０ｂの境界付近における導波光の伝播について説明する。図８の（ａ）は、実施の形態１に係る導波シート１０において、平行層４Ｓが、蛇行方向の違う蛇行層３及び蛇行層３’で挟まれる場合の導波光の伝播の様子を示す説明図である。また、蛇行層３と蛇行層３’との蛇行方向（隣接する平行層に対して近接と離間とを繰り返す方向）の角度差は回転角度φである。具体的には、蛇行層３’の蛇行方向は、蛇行層３の蛇行方向に対してｚ軸周りに回転角度φだけ回転した方向である。
図８の（ａ）に示すように、蛇行層３から伝播してきた導波光は、平行層４Ｓに移行し、導波光７となる。導波光７は、導波光７の一部が蛇行層３’又は平行層４’に移行して導波光７ａ又は導波光７ｂとなり、残りが平行層４Ｓに留まって導波光７Ａ又は導波光７Ｂとなる。
ここで、平行層４Ｓ及び蛇行層３において、平行層４Ｓと蛇行層３とが近接した近接部３Ａは、実効的に導波層の厚みが厚くなっており、それぞれの層内において他の部分と実効屈折率が異なる。例えば、蛇行層３において、近接部３Ａ以外の部分では実効屈折率が１．９５であるのに対し、近接部３Ａでは実効屈折率が２．０５になる（図１８の（ｄ）のＰ１、Ｐ３参照）。同様に、平行層４Ｓ及び蛇行層３’において、平行層４Ｓと蛇行層３’とが近接した近接部３Ａ’が実効的に層の厚みが厚くなっており、平行層４Ｓ及び蛇行層３’の近接部３Ａ’は、近接部３Ａ’以外の部分と実効屈折率が異なる。
なお、図８の（ａ）において、近接部３Ａは、破線で囲まれた領域の内側に位置する蛇行層３及び平行層４Ｓの一部分であり、近接部３Ａ’は、蛇行層３’及び平行層４Ｓの一部分である。言い換えると、近接部３Ａは、破線で囲まれた領域の内側に位置する蛇行層３及び平行層４Ｓを含み、近接部３Ａ’は、破線で囲まれた領域の内側に位置する蛇行層３’及び平行層４Ｓを含む。
図８の（ｂ）は、図８の（ａ）に示す光の移行現象を２次元モデルに置き換え、平行層４Ｓを伝播する導波光がｚ軸負方向側に移行する場合の、ｚ軸正方向側から見た場合の実効屈折率の分布を示す説明図である。また、図８の（ｂ）を用いて、平行層４Ｓ、蛇行層３’及び平行層４’を伝播する導波光の様子を説明する。図８の（ｃ）は、図８の（ａ）に示す光の移行現象を２次元モデルに置き換え、平行層４Ｓを伝播する導波光がｚ軸正方向側に移行する場合の、ｚ軸正方向側から見た場合の実効屈折率の分布を示す説明図である。また、図８の（ｃ）を用いて、平行層４Ｓ及び蛇行層３を伝播する導波光の様子を説明する。なお、導波光の感じる実効屈折率は、近接部３Ａ及び近接部３Ａ’においては、高屈折率（ｎｅｆｆ＝２．０５）であり、それ以外においては低屈折率（ｎｅｆｆ＝１．９５）である。また、図８の（ｂ）及び図８の（ｃ）に示す近接部３Ａ及び近接部３Ａ’は断面を示すものではないが、説明のためにハッチングで示している。
図８の（ｂ）に示すモデルでは、導波光７が平行層４Ｓから蛇行層３’に移行する過程で、近接部３Ａ’の延在方向が回転角度φで近接部３Ａの延在方向に対して傾いているため、屈折率差（導波光が感じる実効屈折率の差）が楔形状に形成される。そのため、導波光７は屈折し、導波光７ａから導波光７ｂへと移行する。導波光７ａ及び導波光７ｂの伝播方向がｘｚ面内から逸れ、且つ蛇行方向も蛇行層３と蛇行層３’とでずれているために、光の移行効率は低下する。
図８の（ｃ）に示すモデルでは、導波光７は、平行層４Ｓ内における近接部３Ａ‘を通過する過程で、近接部３Ａ’の延在方向が回転角度φで近接部３Ａの延在方向に対して傾いているため、上述した楔形状に形成された実効屈折率差によって屈折し、導波光７Ａから導波光７Ｂへと移行する。近接部３Ａ’に入射する導波光７’の場合は、導波光７とは逆方向に屈折して導波光７Ａ’、７Ｂ’に移行する。導波光７Ａ、導波光７Ａ’、導波光７Ｂ及び導波光７Ｂ’の伝播方向はｘｚ面に対して傾斜した方向となるので、光の移行効率は低下する。
図９の（ａ）は、実施の形態１に係る導波シート１０の最表面における構造を示す模式図であり、図９の（ｂ）及び図９の（ｃ）は、蛇行層３の曲率半径と光の移行との関係を説明するための断面図である。
図９の（ｂ）に示すように、蛇行層３が平行層４と接する位置での曲率半径Ｒ１を最適化することで、蛇行層３と平行層４との間の実効的な結合長Ｗ１を調整することができる。これにより、蛇行層３を伝播する導波光８ａを理論的には１００％の効率で、平行層４を伝播する導波光８ｂに移行させることができる。平行層４が最表面（導波シート１０が外部環境と接する面）にある場合、最表面の平行層４を伝播する導波光８ｂは、理論的には１００％の効率で蛇行層３を伝播する導波光８ｄに移行し、導波シート１０の内部に戻って行く。しかしながら、平行層４の表面に水滴などの異物１２が付着すると、異物１２の付着部分で導波光８ｂが散乱し、平行層４（導波シート１０）の外部に放射される。
そのため、図９の（ａ）及び（ｃ）に示すように、導波シート１０の最外層に位置する透光対６１ａ（第４の透光対）を、蛇行層３の曲率半径Ｒ１より大きい曲率半径Ｒ２を有する蛇行層３ａ（第７の透光層）と最表面に位置する平行層４ａ（第８の透光層）とにより構成することによって、導波光の外部への放射を抑制できる。蛇行層３ａは、第３凹条７４と第３凸条７５とが繰り返す形状を有する。図９の（ｃ）に示すように、蛇行層３ａの第３凹条７４の曲率半径Ｒ２は、蛇行層３の第１凸条７１の曲率半径Ｒ１より大きく設定され、さらにこれを最適化するとよい。平行層４ａは実質的に平行層４と同じである。
透光対６１の平行層４を伝播する導波光８ｂは、透光対６１ａの蛇行層３ａに移行して導波光８Ｂとなる。ここで、平行層４と蛇行層３ａと間の実効的な結合長Ｗ２が結合長Ｗ１よりも長い（具体的には、結合長Ｗ２は結合長Ｗ１の倍程度の長さ）ので、蛇行層３ａに移行した導波光８Ｂは再び平行層４に移行し導波光８ｃとなる。導波光８ｂから導波光８ｃまでの光の移行効率は、蛇行層３ａの曲率半径Ｒ２を最適化すれば、理論的にはほぼ１００％である。平行層４に戻った導波光８ｃは、理論的には１００％の光の移行効率で蛇行層３を伝播する導波光８ｄに移行し、導波シート１０の内側に戻って行く。こうすることによって、最表面の平行層４ａの表面に水滴などの異物１２が付着した場合においても、導波光８Ｂは平行層４ａに移行しないため異物１２と接触しないので、導波光８Ｂが散乱されることが抑制される。そのため、導波シート１０の最外層を図９の（ｃ）に示す透光対６１ａで構成することにより、導波シート１０の外部に導波光が放射されることが抑制される。
［導波シートの製造方法］
次に、実施の形態１に係る導波シート１０の製造方法について説明する。
図１０は、実施の形態１に係る導波シート１０を製造する手順の一例を示す模式的な図である。なお、図１０の（ａ）において、平行層４は、厚さ０．５μｍ程度のアクリル製の光学シートである。０．５μｍの厚さのアクリル製の光学シートは、厚さが２４０分用カセットレコーダテープの樹脂ベースと同じであるため、従来から当該樹脂ベースを作製するために利用されている圧延工法を応用することによって作製できる。この平行層４の作成に用いたアクリル製の光学シートに２光束干渉法で光を照射することにより、蛇行層３を作製する。例えば、２光束干渉法に用いられる光源は、紫外光を出射するレーザ光源（紫外レーザ光源）である。２つの紫外レーザ光源から発せられる紫外レーザ光１４（平面波）を、２つの紫外レーザ光１４の光軸を所定の角度をなして交差させることで、均一ピッチのストライプ状の干渉縞１３が形成される。この干渉縞１３が発生する位置に平行層４の作成に用いたアクリル製の光学シートを配置することにより、光強度が強い位置でアクリル製の光学シートの硬化収縮が発生する。これにより、アクリル製の光学シートは、図１０の（ｂ）に示す蛇行層３として形成される。
次に、図１０の（ｃ）に示すように、１層目の蛇行層３を無接触状態にて懸垂保持し、基板上に置かれた１層目の平行層４の上に移動させる。
次に、図１０の（ｄ）に示すように、１層目の蛇行層３の上下で圧力差を加えて、１層目の平行層４の上に重ねる。
次に、図１０の（ｅ）に示すように、２層目の平行層４を無接触状態にて懸垂保持し、１層目の蛇行層３の上に移動させる。
次に、図１０の（ｆ）に示すように、２層目の平行層４の上下で圧力差を加えて、１層目の蛇行層３の上に重ねる。
次に、図１０の（ｇ）に示すように、２層目の蛇行層３を無接触状態にて懸垂保持し、１層目と２層目の蛇行層３の蛇行がｘ軸方向に同期するように２層目の平行層４の上に移動させる。
次に、図１０の（ｈ）に示すように、２層目の蛇行層３の上下で圧力差を加えて、２層目の平行層４の上に重ねる。
以上の工程を繰り返すことにより、図２に示す蛇行層３と平行層４とが交互に層状に配置される積層構造が製造される。なお、平行層４と蛇行層３とを交互に積層する工程において、当該工程の途中で平行層４を回折格子層１に差し替えることにより、積層体６０ａは作製される。また、蛇行層３と平行層４とより透光対６１を作製し、回折格子層１に対して複数の透光対６１を積層することにより、積層体６０ａを作製してもよい。
導波シート１０は、積層体６０ａと、同様に作製された積層体６０ｂとを所定の角度を回転させて層状に１又は複数配置されて構成される。この場合、積層体６０ａと積層体６０ｂとの境界に位置する平行層を、共通の平行層４Ｓとして共有するように構成する。なお、導波シート１０は、積層体を複数層状に配置しなくでもよい。つまり、導波シート１０は、積層体６０ａでもよい。
次に、実施の形態１に係る導波シート１０の別の製造方法について説明する。図１１は、実施の形態１に係る導波シート１０を製造する、他の手順の一例を示す模式図である。
図１１の（ａ）に示すように、ナノプリント技術で薄い平板１５の片側表面にピッチ０．２μｍ以下の微細な突起（凹条及び凸条）を形成し、突起構造１５ａのエンベロープがｘ軸に沿った蛇行形状をなすようにする。この突起構造１５ａが形成された平板１５を蛇行の周期がπだけずれる関係で交互に重ねる。
次に、図１１の（ｂ）に示すように、プレス機１７でｚ軸方向に加圧し隙間を埋める。加圧後には、プレス機１７の表面に形状が揃う形で、平板１５は蛇行層３と平行層４とに変形し、それらの間に突起構造１５ａが埋まった構造となる。
なお、図１１の（ｃ）に示すように、ナノプリント技術で薄い平板１６の両側表面にピッチ０．２μｍ以下の微細な突起（凹条及び凸条）を形成し、突起構造１６ａ及び突起構造１６ｂのエンベロープがｘ軸に沿った蛇行形状をなすようにしてもよい。蛇行の周期は、表面（例えば、ｚ軸正方向側に位置する面）側と裏面（当該表面側と反対側に位置する面）側とでπだけずれる関係にある。そして、突起構造１６ａ及び突起構造１６ｂが形成された平板１６と平行層４とを交互に積層する。
次に、図１１の（ｄ）に示すように、プレス機１７でｚ軸方向に加圧し隙間を埋める。加圧後には、蛇行層３と平行層４との間に突起構造１６ａ及び突起構造１６ｂが埋まった構造となる。
突起構造１５ａ、１５ｂのピッチ、又は、突起構造１６ａ、１６ｂのピッチが、平行層４及び蛇行層３を伝播する導波光の波長の１／３以下ならば光の回折が発生せず、実効的に屈折率が平均化された媒質として作用する。そのため、突起構造１５ａ、１６ａ、１６ｂは、図１に示す透明層２として機能する。
なお、平板１５及び平板１６は、上述した加工を施されて蛇行層３となる。つまり、平板１５及び平板１６の材料は、上述した蛇行層３と同様の材料が採用される。また、突起構造１５ａ、１６ａ、１６ｂは、加工されて上述した透明層２として機能する。そのため、突起構造１５ａ、１６ａ、１６ｂの材料は、上述した透明層２と同様の材料が採用される。
以上の製造工程により作製される蛇行層３、透明層２及び平行層４の積層体を回折格子層１に積層することで、図２に示す積層体６０ａは製造できる。導波シート１０は、積層体６０ａと、同様に作製された積層体６０ｂとを所定の角度を回転させて層状に１又は複数配置されて構成される。
なお、蛇行層３、平行層４の厚さと回折格子層１の実効的な厚さとは等しくてもよいし、違う厚さでもよく、蛇行層３、平行層４の厚さと回折格子層１の実効的な厚さは限定されない。
また、蛇行層３と、平行層４と、回折格子層１とは、それぞれ異なった材料によって作製されてもよい。
また、積層体６０ｂの回折格子層１’のグレーティング条件（回折格子ピッチΛ及び／又は回折格子深さｄ等）は、積層体６０ａの回折格子層１のグレーティング条件と同じでもよいし、異なってもよい。
また、積層体６０ｂにおける回折格子層１’、蛇行層３’及び平行層４’の膜条件（膜厚ｔ及び／又は材料）は、積層体６０ａの膜条件と同じでもよいし、異なってもよい。
また、積層体６０ａ及び積層体６０ｂと仕様（グレーティング条件及び／又は膜条件等）の異なる積層体をさまざまに組み合わせ、重ねて合わせることにより、導波シート１０は作製されてもよい。
［効果等］
以上説明したように、実施の形態１の導波シート１０は、入射される入射光を取り込み、内部で当該入射光の入射方向と交差する方向に光を導波する導波シート１０である。導波シート１０は、入射光の進行方向を変える回折格子層１を備える。また、導波シート１０は、さらに回折格子層１に層状に配置され、入射方向と交差する方向である第１方向に、第１凹条７０と第１凸条７１とが繰り返す形状を有する第１の透光層（蛇行層３）と、蛇行層３に層状に配置される第２の透光層（平行層４）とを備える。層状に配置された蛇行層３と平行層４とは透光対６１を構成する。導波シート１０は、複数の透光対６１を備える。複数の透光対６１は、入射方向において、蛇行層３における隣り合う第１凸条７１が配置される位置の間に、次の蛇行層３の第１凹条７０が位置するように、層状に配置される。
これにより、導波シート１０に入射された入射光５は、回折格子層１で導波光６に結合され、蛇行層３及び平行層４へと移行される。そのため、導波シート１０は、導波シート１０内部に取り込んだ入射光５を、導波シート１０内部に導波光６として保持しやすい。
また、導波シート１０は、さらに、透光対６１が層状に積層される回折格子層１の面とは反対側の面に、蛇行層３が配置されるように、透光対６１が層状に配置されてもよい。
これにより、導波シート１０は、導波シート１０内部に取り込んだ入射光５を、導波シート１０内部に導波光６としてより保持しやすい。
また、導波シート１０は、さらに、入射光を入射方向と交差する方向である第１導波方向に光を導波する、回折格子層１と、蛇行層３と、平行層４とを有する第１の積層体６０ａと、第１の積層体６０ａと同様の構造を有する第２の積層体６０ｂとを備えてもよい。第２の積層体６０ｂは、入射光を第１導波方向とは異なる方向である第２導波方向に光を導波するように第１の積層体６０ａに層状に配置されてもよい。
つまり、導波シート１０は、例えば回折格子ピッチΛ等の回折格子の条件が異なる複数の回折格子層を備えることにより、広い波長範囲、広い角度範囲の入射光５を取り込むことができる。そのため、例えば入射光５が太陽光であれば、導波シート１０は、広い面積にわたり、広い波長範囲、広い角度範囲で太陽光を取り込み、取り込んだ光を導波シート１０内部に効果的に閉じ込め、端面１０２から放出させることができる。
また、光電変換装置１００は、導波シート１０と、光を受光する受光面１０１を有し、受光面１０１で受光した光を電力に変換する光電変換素子１１と、を備える。導波シート１０に入射される入射光を受光する受光方向に、透光対６１は回折格子層１に層状に配置される。光電変換素子１１は、受光方向と交差する方向に位置する導波シート１０の端面１０２と対向して受光面１０１が位置するように、導波シート１０の周囲に配置される。
これにより、導波シート１０は、取り込んだ入射光５を導波光６として効果的に光電変換素子１１へと導くことができる。そのため、光電変換装置１００によれば、例えば、光電変換素子１１で直接入射光５を受光する場合と比較して、光電変換素子１１は、多くの光を受光することが可能となる。つまり、光電変換装置１００によれば、例えば、光電変換素子１１で直接入射光５を受光する場合と比較して、小さい面積でも多くの電力を発生させることができる。言い換えると、光電変換装置１００によれば、導波シート１０によって広い面積で外部からの入射光５を取り込み、取り込んだ入射光５を効率よく光電変換素子１１へと導くことができるため、入射光５を効率よく光電変換できる。
（実施の形態２）
以下、図１２を用いて、実施の形態２を説明する。実施の形態２に係る導波シートは、実施の形態１に係る導波シート１０とは、積層体６０ａと積層体６０ｂとの間に、さらに積層体６０ｃ（第３の積層体）が挟まる点が異なる。なお、実施の形態２に係る導波シートの説明において、実施の形態１に係る導波シート１０と実質的に同一の構造について、重複する説明は省略又は簡略化する場合がある。
［導波シートの構造］
図１２は、実施の形態２に係る導波シートを示す模式的な断面図である。
図１２に示すように、導波シート１０ａは、積層体６０ａと、積層体６０ｂと、積層体６０ｃと、を備える。積層体６０ａと積層体６０ｂは、図２に示す実施の形態１の積層体６０ａ及び積層体６０ｂと同じであり、実施の形態２においては、積層体６０ａと積層体６０ｂとの間に積層体６０ｃが挟まっている。
積層体６０ｃは、透明層２’’を挟んで蛇行層３’’、平行層４’’が交互に積層されたものである。図１２の場合では、蛇行層３’’の蛇行方向がｚ軸周りに交互に回転している。蛇行層３’’が蛇行層３及び蛇行層３’に対し回転していることで、積層体６０ａ又は積層体６０ｂから積層体６０ｃに伝播してくる導波光の導波方向が蛇行層３’’の蛇行方向と乖離する。この乖離により、導波光及びその派生光は、その移行効率が低下し、積層体６０ｃの近傍に閉じ込められ、ｘｙ面に沿って拡散する。
なお、積層体６０ｃ内に形成される少なくとも一つの蛇行層３’’は、蛇行層３’’の蛇行方向が蛇行層３の蛇行方向又は蛇行層３’の蛇行方向と異なる蛇行方向となるように形成されていればよい。
例えば、図１２に示すように、積層体６０ｃは、蛇行層３’’として互いに蛇行方向が異なる２種類の蛇行層３１、３２を備え、平行層４’’と透明層２’’を介して蛇行層３１と蛇行層３２とが交互に複数層状に配置された構造でもよい。積層体６０ｃにおいて、蛇行層３１（第３の透光層）と平行層４’’（第４の透光層）とは透光対（第２の透光対）を構成し、蛇行層３２（第５の透光層）と平行層４’’（第６の透光層）とは透光対（第３の透光対）を構成する。この場合、蛇行層３１の蛇行方向（第４方向）は積層体６０ｂにおける蛇行層３の蛇行方向（第３方向）と実質的に同一であってもよいし異なってもよく、蛇行層３２の蛇行方向（第５方向）は積層体６０ａにおける蛇行層３の蛇行方向（第１方向）と実質的に同一であってもよいし異なってもよい。
以上のように、実施の形態２に係る導波シート１０ａは、蛇行層３２の角度変化（蛇行方向）に多様性があるので、当該角度変化を適宜調整することにより、実施の形態１に係る導波シート１０と比較して、光の閉じ込め効果をより高めることができる。したがって、実施の形態２に係る導波シート１０ａは、実施の形態１に係る導波シート１０と同様の光閉じ込め効果を有する。
また、実施の形態２に係る導波シート１０ａの端面に太陽電池等の光電変換素子１１を設置して光電変換装置１００が作製されてもよい。導波シート１０ａは、取り込んだ入射光を導波光としてより効果的に光電変換素子１１へと導くことができる。そのため、導波シート１０ａを備える光電変換装置１００によれば、例えば、光電変換素子１１で直接入射光５を受光する場合と比較して、光電変換素子１１は、より多くの光を受光することが可能となる。つまり、導波シート１０ａを備える光電変換装置１００によれば、例えば、光電変換素子１１で直接入射光５を受光する場合と比較して、小さい面積でも多くの電力を発生させることができる。
なお、積層体６０ｃは、回折格子が形成された回折格子層を有してもよいし、有しなくてもよく、限定されない。
（実施の形態３）
以下、図１３及び図１４を用いて、実施の形態３を説明する。実施の形態３に係る導波シートは、実施の形態１に係る導波シート１０とは、平行層（第２の透光層）の形状が異なる。なお、実施の形態３に係る導波シートの説明において、実施の形態１に係る導波シート１０と実質的に同一の構造について、重複する説明は省略又は簡略化する場合がある。
［導波シートの構造］
図１３は、実施の形態３に係る導波シート内を導波する導波光の様子を示す説明図である。
図１３に示すように、蛇行層３の上面には、実施の形態１に係る導波シート１０と異なり、平行層４のような完全な平面ではなく、ｙ軸方向に緩やかに蛇行している（蛇行ピッチＰｙ）蛇行層４０（第２の透光層）が積層される。つまり、蛇行層４０は、導波シート１０ｂに外部から入射される入射光の入射方向と交差する方向である第２方向（図１３においてはｙ軸方向）に、第２凹条７３と第２凸条７２とが繰り返す形状を有する。
導波シート１０ｂは、図示しないが、図２に示す積層体６０ａのように、回折格子層１と、回折格子層１の上面側及び下面側には、複数の蛇行層３のそれぞれと複数の蛇行層４０のそれぞれとが、交互に積層された積層構造とを備える。その結果、蛇行層４０と蛇行層３の間の隙間の間隔は、隙間ｓから隙間ｓ’までの間で変動する。蛇行層４０の蛇行全振幅は、ｓ’−ｓである。蛇行層４０をｘ軸方向に伝播する導波光９は蛇行層３に移行し、導波光９ａとなる。
ここで、蛇行層４０と蛇行層３の隙間ｓが、移行効率が理論的に１００％となるように調整されている場合（最適値である場合）について考える。この場合、異なったｙ座標でｘ軸方向に沿って伝播する導波光９’は、蛇行層３に移行して導波光９ａ’となる。また、隙間ｓ’が蛇行層４０から蛇行層３へ光が移行するための最適値である隙間ｓとは異なるため光の移行効率が低下し、導波光９’の一部は移行せずに蛇行層４０に留まり、導波光９ｂ’となる。
蛇行層４０と蛇行層３との近接した近接部３Ｂは、実効的な層の厚みが厚くなっているため、層内における他の部分と実効屈折率が異なる。例えば、層内の近接部３Ｂと異なる他の部分では実効屈折率が１．９５であるのに対し、近接部３Ｂでは実効屈折率が２．０５になる（図１８の（ｄ）のＰ１及びＰ３参照）。
なお、蛇行層４０と蛇行層３との隙間が大きくなると、実効的な層の厚みは小さくなる。
図１４は、図１３に示す構造を有する導波シート１０ｂ内の光の移行現象を２次元モデル（ｘｙ断面）によって解析した解析結果である。具体的には、図１４の（ａ）は、実施の形態３に係る導波シート１０ｂの光の移行現象を２次元モデルによるシミュレーションで用いた屈折率分布図を示す説明図である。図１４の（ｂ）は、図１４の（ａ）に示す光の移行現象を示す２次元モデルのシミュレーション結果であるポインティングベクトルの強度比の伝播光路長依存性を示す説明図である。
なお、図１４の（ａ）において、近接部３Ｂ１、３Ｂ２、３Ｂ３、３Ｂ４等のハッチングで示す領域は、蛇行形状の位相が図１３に示すｙ軸方向にランダムに並んだ実効屈折率２．０５の領域（蛇行層４０と蛇行層３とが近接する領域）であることを示す。また、図１４の（ａ）において、ハッチングで示していないその他の部分は実効屈折率１．９５の領域５０である。図１４の（ａ）において、解析領域の上下左右の境界条件はＰＢＣとし、ｙ軸方向の解析幅は３０μｍとした。また、解析領域に導入する導波光９は、Ｓ偏光とし、幅（スポット径）は３０μｍとし、波長は０．８５μｍとし、コヒーレンス長Ｌは２０μｍのパルス光とした。また、蛇行層４０の蛇行全振幅（ｓ’−ｓ）は、０．１μｍとした。
図１４の（ｂ）に示すように、ｙ軸方向のポインティングベクトルＱｙの強度比（Ｑｙ／（Ｑｘ＋Ｑｙ））が伝播長に伴って増大する。なお、ポインティングベクトルＱｙは、ｙ軸方向のポインティングベクトルであり、ポインティングベクトルＱｘは、ｘ軸方向のポインティングベクトルである。
また、図１４の（ａ）に示す解析領域内を伝播する導波光は、ｘｙ面内で拡散する。当該導波光がｘｙ面内で拡散すると、導波光の導波方向が蛇行層３の蛇行方向と乖離する。そのため、導波光の移行効率は低下し、導波光が導波している層から、近接している層への光の移行が起こりにくくなる。つまり、導波光は、導波シート１０ｂの内部に閉じ込められやすくなる。
なお、蛇行層４０のｙ軸方向への蛇行形状は設計的に与えてもよいが、図１０及び図１１に示す製造方法では、ランダムな歪みとして自然に存在する場合もある。この蛇行形状によって、回折格子１９の形成された回折格子層１から、蛇行層４０及び蛇行層３への移行を繰り返して回折格子層１から遠ざかる導波光は、次第に伝播方向が変化する。そのため、回折格子層１から離れた位置で、しだいに他の層への光の移行が発生しにくくなり、導波光は導波している層に閉じ込められた状態でｘｙ面に沿って拡散する。したがって、実施の形態３に係る導波シート１０ｂは、実施の形態１に係る導波シート１０と同様の光閉じ込め効果を有する。
なお、実施の形態３においては、蛇行層４０をｙ軸方向に沿って蛇行させた形状としたが、蛇行層３をさらにｙ軸方向に沿って蛇行させた形状としてもよい。つまり、蛇行層４０（第２の透光層）及び蛇行層３（第１の透光層）は、蛇行層３の蛇行方向（ｘ軸方向）と交差する方向に、近接と離間とを繰り返す蛇行形状を有してもよい。
［効果等］
以上説明したように、導波シート１０ｂは、第２の透光層（蛇行層４０）は、入射方向と交差する方向である第２方向に、第２凹条７３と第２凸条７２とが繰り返す形状を有する。
これにより、導波シート１０ｂは、導波シート１０ｂ内部に取り込んだ入射光を、導波シート１０ｂ内部に導波光としてより保持しやすい。また、導波シート１０ｂ内を導波する導波光は、効率良く導波シート１０ｂの端面から出射される。これにより、導波シート１０ｂを用いた光電変換装置１００は、導波シート１０ｂの周囲に配置される光電変換素子１１に効率よく光を供給することができる。
（実施の形態４）
以下、図１５を用いて、実施の形態４を説明する。実施の形態４に係る導波シートは、実施の形態１に係る導波シート１０とは、平行層の形状が異なる。なお、実施の形態３に係る導波シートの説明において、実施の形態１に係る導波シート１０と実質的に同一の構造について、重複する説明は省略又は簡略化する場合がある。
［導波シートの構造］
図１５は、実施の形態４に係る導波シートを示す模式図である。導波シート１０ｃは、実施の形態１の導波シート１０と異なり、平行層４に替えて平面ではない蛇行層４１を有する。蛇行層４１は蛇行層３と同じ形状である。つまり、導波シート１０ｃは、回折格子層１と、蛇行層３と、蛇行層４１（第２の透光層）とを備える。また、導波シート１０ｃは、図示しないが、図２に示す積層体６０ａのように、回折格子層１の上面側及び下面側に、蛇行層３と蛇行層４１とが交互に複数積層された構造を有する。
ここで、蛇行層４１は、蛇行方向において、蛇行層３に対して蛇行の位相（周期）がｘ軸方向に半周期ずれている。こうすることにより、導波シート１０ｃは蛇行層３と蛇行層４１とが周期的に近接と離間とを繰り返し、蛇行層３と平行層４とが周期的に近接と離間とを繰り返す実施の形態１に係る導波シート１０と同様に光閉じ込め効果を有する。また、導波シート１０ｃは、平行層４を必要としないため、層構造の種類が少なくできるので、実施の形態１に係る導波シート１０よりも、作製しやすいメリットがある。
（実施の形態５）
以下、図１６及び図１７を用いて、実施の形態５を説明する。
実施の形態５に係る導波シートは、実施の形態１に係る導波シート１０とは、平行層及び／又は蛇行層の一部に、導波光の導波方向を所望の方向へ変更するための回折格子を形成する点が異なる。なお、実施の形態５に係る導波シートの説明において、実施の形態１に係る導波シート１０と実質的に同一の構造について、重複する説明は省略又は簡略化する場合がある。
［導波シートの構造］
図１６は、実施の形態５に係る導波シート１０ｄを示す模式図である。導波シート１０ｄは、回折格子層１と、蛇行層３と、平行層４２とを備える。また、導波シート１０ｄは、図示しないが、図２に示す積層体６０ａのように、回折格子層１の上面側及び下面側に、蛇行層３と平行層４２とが交互に複数積層された構造を有する。ここで、図１６に示すように、実施の形態５の平行層４２の一部には、回折格子１８が形成される。
回折格子層１に入射した入射光が結合した導波光は、蛇行層３及び平行層４２の層間の移行を繰り返し、ｘ軸正方向へ伝播しつつ回折格子層１から積層方向側へ遠ざかる。回折格子１８が形成された平行層４２まで到達した導波光７は、平行層４２上に形成された回折格子１８に入射する。この際に、ｘ軸正方向に伝播していた導波光７は、回折格子１８によってｙ軸方向に導波方向が折り曲げられ、導波光７Ｌとなる。同様に、蛇行層３をｘ軸方向に伝播する導波光７’も、ｙ軸方向に導波方向が折り曲げられ、導波光７Ｌ’となる。
なお、回折格子１８は、平行層４２と蛇行層３とが近接する位置に分散的に形成されてもよいし、平行層４２と蛇行層３とに独立に形成されていてもよい。
図１７は、図１６に示す導波光の伝播方向の変化の様子を示す説明図である。なお、図１７は、回折格子１８が形成された平行層４２を下面側から見た下面図である。
図１７に示すように、回折格子１８の格子ベクトルは、一例として、ｙ軸方向に対し、角度（β＋π／２）をなすように形成される。回折格子１８の回折格子ピッチΛは、０．３２μｍである。回折格子１８の外形は、ｙ軸方向に対し角度αをなす方向に沿って回折格子幅Ｗａで形成されている。平行層４２の実効屈折率は、１．９０とし、回折格子１８が形成された部分の実効屈折率は、１．９０と１．４５との組み合わせとした。
上述した回折格子１８の条件で導波光の導波方向を解析した結果、角度α＝３５度、角度β＝４５度の場合に、導波光７は、ｙ軸正方向側に垂直に回折し（導波光７Ｌ）、回折効率は８１％であった。すなわち、回折格子１８を平行層４２に形成することで、導波光の伝播方向を効率的に蛇行層３の蛇行方向から乖離させることができ、回折格子１８の形成層の近傍に導波光が閉じ込められる。したがって、実施の形態５に係る導波シート１０ｄは、実施の形態１に係る導波シート１０と同様の光閉じ込め効果を有する。
なお、上述した回折格子１８の形状は一例であり、回折格子ピッチΛの長さや回折格子１８の外形等は、限定されない。
また、回折格子１８は、平行層４２ではなく、蛇行層３に形成されてもよい。また、回折格子１８は、平行層４２及び蛇行層３のそれぞれに形成されてもよい。つまり、平行層４２（第２の透光層）及び蛇行層３（第１の透光層）の少なくとも一方の表面又は内部の一部には、回折格子１８が形成されてもよい。なお、回折格子１８は、実施の形態３に係る導波シート１０ｂの蛇行層４０及び蛇行層３の少なくとも一方に形成されてもよいし、実施の形態４に係る導波シート１０ｃの蛇行層４１及び蛇行層３の少なくとも一方に形成されてもよい。
［効果等］
以上説明したように、導波シート１０ｄは、第１の透光層（蛇行層３）及び第２の透光層（平行層４２）の少なくとも一方には、回折格子１８が形成される。
これにより、導波シート１０ｄは、導波シート１０ｄ内部に取り込んだ入射光を、導波シート１０ｄ内部に導波光として保持しやすい。また、導波シート１０ｄ内を導波する導波光は、効率良く導波シート１０ｄの端面から出射される。これにより、導波シート１０ｄを用いた光電変換装置１００は、導波シート１０ｄの周囲に配置される光電変換素子１１に効率よく光を供給することができる。
（他の実施の形態）
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、実施の形態１、２、３、４及び５を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、適宜、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用可能である。また、上記実施の形態１、２、３、４及び５で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。そこで、以下、他の実施の形態を例示する。
例えば、以上の実施の形態で、回折格子は導波層（回折格子層、蛇行層及び平行層）の表面の凹凸形状であるとして説明したが、これに限定されない。例えば、回折格子は当該導波層内部に形成された屈折率差のある周期構造であってもよい。
また、以上の実施の形態を任意に組み合わせた構成も考えられ、実施の形態１と同様の光閉じ込め効果を持つとともに、導波シート端面に太陽電池等の光電変換素子を設置し、取り込まれた光を受光する場合、シートの厚さを薄く構成することで光電変換素子の面積を大幅に少なくしても、光電変換装置の低コスト化が可能である。
以上のように、本開示における技術の例示として、実施の形態を説明した。そのために、添付図面及び詳細な説明を提供した。
したがって、添付図面及び詳細な説明に記載された構成要素の中には、課題解決のために必須な構成要素だけでなく、上記技術を例示するために、課題解決のためには必須でない構成要素も含まれ得る。そのため、それらの必須ではない構成要素が添付図面や詳細な説明に記載されていることをもって、直ちに、それらの必須ではない構成要素が必須であるとの認定をするべきではない。
また、上述の実施の形態は、本開示における技術を例示するためのものであるから、請求の範囲又はその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。
本開示の導波シートは、広い面積で光を取り込むことが可能な光学シートに有用である。また、本開示の導波シートを用いた光電変換装置は、例えば広い面積で、広い波長の範囲（例えば可視光全域）に渡って太陽光と取り込むことができるため、太陽光発電装置等に有用である。
１，１’ 回折格子層
２，２’，２’’ 透明層
３，３’，３’’，３ａ，３１，３２，４０，４１ 蛇行層
３Ａ，３Ｂ，３Ａ’，３Ｂ１，３Ｂ２，３Ｂ３，３Ｂ４，３Ｃ，３Ｃ’’，３Ｃ’’ 近接部
４，４’，４’’，４ａ，４Ｓ，４２ 平行層
５，５’，５’’，２３’，２３ａ，２３ａ’，２３Ａ 入射光
６，６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ，６ｅ，６ｆ，６ｇ，６ｈ，６ｉ，６Ａ，６Ｂ，６ａ’，６ｂ’，６ｃ’，６Ａ’，６Ｂ’，７，７ａ，７ｂ，７ｃ，７Ａ，７Ｂ，７Ｃ，７ｂ’，７ｃ’，７Ａ’，７Ｂ’，７Ｃ’，７Ｌ，７Ｌ’，８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ，８Ｂ，９，９’，９ａ，９ａ’，９ｂ’，２３ｂ，２３ｂ’ 導波光
１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ 導波シート
１１ 光電変換素子
１２ 異物
１３ 干渉縞
１４ 紫外レーザ光
１５，１６ 平板
１５ａ，１６ａ，１６ｂ 突起構造
１７ プレス機
１８，１９，１９’，２２ 回折格子
２０ 透光層
２１ 環境媒質
２２ａ グレーティング端部
２３Ｂ 放射光
２４，２５ 円
５０ 領域
６０ａ，６０ｂ，６０ｃ 積層体
６１，６１ａ 透光対
７０ 第１凹条
７１ 第１凸条
７２ 第２凸条
７３ 第２凹条
７４ 第３凹条
７５ 第３凸条
１００ 光電変換装置
１０１ 受光面
１０２ 端面
Λ 回折格子ピッチ
Ｌ コヒーレンス長
Ｍ０，Ｍ１，Ｍ２ 検出器
Ｗ，Ｗ１，Ｗ２ 結合長
Ｗａ 回折格子幅
Ｒ１，Ｒ２ 曲率半径
Ｐｘ，Ｐｙ 蛇行ピッチ
Ｑｘ，Ｑｙ ポインティングベクトル
ａ，ａ’ 振幅
ｄ 回折格子深さ
ｓ，ｓ’ 隙間
ｔ 膜厚
θ 入射角度
φ，φ１ 回転角度
λ 波長
α，β 角度
また、第１方向（蛇行方向）において、平行層４の一方の面における蛇行層３と近接する位置の間に、平行層４の一方の面と反対側の他方の面において蛇行層３と近接する位置があるように、複数の透光対６１は層状に配置される。具体的には、図２に示すように、ｘ軸方向において、平行層４の一方の面（上面）における蛇行層３と平行層４との隣り合う近接部３Ｃ’と近接部３Ｃ”との間に、平行層４の他方の面（下面）における蛇行層３と平行層４との近接部３Ｃが位置するように、複数の透光対６１は層状に配置される。言い換えると、複数の透光対６１は、入射方向において、蛇行層３における隣り合う第１凸条７１が配置される位置の間に、その蛇行層３に隣接する他の蛇行層３の第１凹条７０が位置するように、層状に配置される。
上述した導波光の移行を繰り返した結果、導波光６ｃは、積層体６０ａと積層体６０ｂとの境目にある平行層４Ｓに到達して導波光７となる。積層体６０ａと積層体６０ｂとがｚ軸周りに所定の角度をなして接しているので、境界の平行層４Ｓでは、平行層４Ｓの上面側にある蛇行層３との近接部３Ａ（図８参照）、平行層４Ｓの下にある蛇行層３’との近接部３Ａ’（図８参照）が互いに交差する。具体的には、蛇行層３の蛇行方向に垂直な方向に延在する近接部３Ａと、蛇行層３’の蛇行方向に垂直な方向に延在する近接部３Ａ’とは、交差する。上述したように、積層体６０ａの蛇行層３の蛇行方向は、積層体６０ｂの蛇行層３’の蛇行方向とは異なる。この様な条件では、導波光が導波している層から別の層へ移行する光の移行効率は低下する。例えば、導波光７の一部は下側に隣接する蛇行層３’に移行して導波光７ａとなるが、蛇行層３’に移行しなかった導波光７の残りは、平行層４Ｓに留まり導波光７Ａとなる。

Claims (9)

  1. 入射される入射光を取り込み、内部で前記入射光の入射方向と交差する方向に光を導波する導波シートであって、
    前記入射光の進行方向を変える回折格子層と、
    前記入射方向と交差する方向である第１方向に第１凹条と第１凸条とが繰り返す形状を有する第１の透光層と、前記第１の透光層に層状に配置される第２の透光層と、を有する複数の第１の透光対と、を備え、
    前記複数の第１の透光対は、
    前記第１の透光層が、前記回折格子層側に位置するように、且つ、
    前記入射方向において、前記第１の透光層の隣り合う前記第１凸条の間に、前記第１の透光層に隣接する他の前記第１の透光層の前記第１凹条が位置するように、
    層状に配置される、導波シート。
  2. 前記複数の第１の透光対は、前記回折格子層の両面に配置される、
    請求項１に記載の導波シート。
  3. 前記第２の透光層は、前記入射方向と交差する方向である第２方向に、第２凹条と第２凸条とが繰り返す形状を有する、
    請求項１又は２に記載の導波シート。
  4. 前記第２の透光層は、前記第１方向に、第１凹条と第１凸条とが繰り返す形状を有する、
    請求項１又は２に記載の導波シート。
  5. 前記第１の透光層及び前記第２の透光層の少なくとも一方には、回折格子が形成される、
    請求項１から４のいずれか１項に記載の導波シート。
  6. 前記回折格子層と、前記第１の透光層と、前記第２の透光層とを含む第１の積層体と、
    前記第１の積層体と同様の構造を有する第２の積層体と、を有し、
    前記第２の積層体は、前記第２の積層体の前記第１の透光層における前記第１凹条と前記第１凸条とが繰り返す方向が、前記第１の積層体における前記第１方向とは異なる第３方向となるように、前記第１の積層体に層状に配置される、
    請求項１から５のいずれか１項に記載の導波シート。
  7. さらに、前記第１の積層体と前記第２の積層体との間に配置され、第２の透光対と第３の透光対とが交互に積層される第３の積層体を備え、
    前記第２の透光対は、前記第１凹条と前記第１凸条とが繰り返す形状を有する第３の透光層と、前記第３の透光層に層状に配置される第４の透光層と、を有し、
    前記第３の透光対は、前記第１凹条と前記第１凸条とが繰り返す形状を有する第５の透光層と、前記第５の透光層に層状に配置される第６の透光層と、を有し、
    前記第３の透光層における前記第１凹条と前記第１凸条とが繰り返す方向は前記第１方向と異なる第４方向であり、前記第５の透光層における前記第１凹条と前記第１凸条とが繰り返す方向は、前記第３方向及び前記第４方向と異なる第５方向である、
    請求項６に記載の導波シート。
  8. さらに、第３凹条と第３凸条とが繰り返す形状を有する第７の透光層と、前記第７の透光層に層状に配置される第８の透光層と、を有する第４の透光対を備え、
    前記第４の透光対は、前記第８の透光層が最表面に位置するように配置され、
    前記第３凹条の曲率半径は、前記第１凸条の曲率半径より大きい、
    請求項１から７のいずれか１項に記載の導波シート。
  9. 請求項１から８のいずれか１項に記載の導波シートと、
    光を受光する受光面を有し、前記受光面で受光した光を電力に変換する光電変換素子と、を備え、
    前記光電変換素子は、前記入射方向と交差する方向に位置する前記導波シートの端面と対向して前記受光面が位置するように、前記導波シートの周囲に配置される、
    光電変換装置。
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