WO2024024569A1 - 光学システム - Google Patents

光学システム Download PDF

Info

Publication number
WO2024024569A1
WO2024024569A1 PCT/JP2023/026257 JP2023026257W WO2024024569A1 WO 2024024569 A1 WO2024024569 A1 WO 2024024569A1 JP 2023026257 W JP2023026257 W JP 2023026257W WO 2024024569 A1 WO2024024569 A1 WO 2024024569A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
waveguide
metalens
optical system
light
central axis
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/JP2023/026257
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
拓哉 松浦
知浩 福浦
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sumitomo Chemical Co Ltd
Original Assignee
Sumitomo Chemical Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sumitomo Chemical Co Ltd filed Critical Sumitomo Chemical Co Ltd
Priority to CN202380056032.0A priority Critical patent/CN119604792A/zh
Priority to KR1020257006300A priority patent/KR20250041045A/ko
Publication of WO2024024569A1 publication Critical patent/WO2024024569A1/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00—Simple or compound lenses
    • G02B3/02—Simple or compound lenses with non-spherical faces
    • G02B3/08—Simple or compound lenses with non-spherical faces with discontinuous faces, e.g. Fresnel lens
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00—Simple or compound lenses
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/18—Diffraction gratings
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/30—Optical coupling means for use between fibre and thin-film device
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/32—Optical coupling means having lens focusing means positioned between opposed fibre ends

Definitions

  • the present invention relates to an optical system, and particularly to an optical system that can connect two optical waveguides of different sizes.
  • Patent Document 1 describes a polymer waveguide-type spot size converter for connecting two optical waveguides of different sizes.
  • Patent Document 2 JP 2021-148851 A discloses an optical integrated circuit including a plurality of waveguide cores, and an optical path converter for connecting each of the plurality of waveguide cores to the core of an optical fiber.
  • a photoelectric fusion module is described.
  • the optical path converter includes a spot size converter, a curved mirror, a plated mirror, and a polymer waveguide.
  • the optical path length between each of the plurality of waveguide cores and the core of the optical fiber may become long, and there is room for improvement in miniaturization.
  • One object of the present invention is to provide an optical system that can connect two optical waveguides of different sizes, and that can shorten the optical path length than before.
  • the present invention provides the optical system shown below.
  • a metalens that is optically connected the metalens having a first surface facing the first waveguide, and a second surface facing the opposite side to the first surface; is formed with a through hole penetrating between the first surface and the second surface, the diameter of the through hole is smaller than the target wavelength, and the metalens is made of a conductor;
  • a plurality of uneven structures are formed on at least the first surface of the metalens, and the plurality of convex and convex structures are formed by the first surface and a plurality of annular grooves recessed with respect to the first surface.
  • An optical system, wherein the uneven structure is formed in an annular shape so as to surround the through hole in a plan view.
  • the ratio (P/ ⁇ ) of the interval P (unit: nm) of each of the plurality of uneven structures to the target wavelength ⁇ (unit: nm) is 30% or more and 140% or less, described in [1] optical system.
  • the ratio (W5/P) of the width W5 (unit: nm) of each of the plurality of annular grooves to the distance P of each of the plurality of uneven structures in the radial direction with respect to the central axis of the through hole. ) is 10% or more and 95% or less, the optical system according to [2].
  • each of the plurality of annular grooves is connected to the first surface of the metalens. and the second surface, and is formed to expose a part of the third surface.
  • the metalens is provided with an optically connected metalens, and a substrate having a third surface that is transparent to light of a target wavelength and intersects with the propagation direction of the light, and the metalens is disposed on the third surface. and a phase grating that provides a phase difference to light of the target wavelength, and the metalens includes a plurality of convex portions arranged at intervals on the third surface,
  • Each of the plurality of convex portions includes a first group of convex portions that are spaced apart from each other on a first region of the third surface, and a first group of convex portions that are spaced apart from each other on a second region of the third surface. a second group of convex portions arranged in a manner that an optical system that differs in at least one of a width, a maximum width, and a pitch.
  • the metalens includes the first group of convex portions and the second group of convex portions, and at least one of the height, maximum width, and pitch of each of the plurality of convex portions is continuous or stepwise.
  • the width in the radial direction of the first structural unit located at the position closest to the central axis is equal to the width at the position second closest to the central axis.
  • Each of the plurality of convex portions is a columnar body or a spherical body
  • the first waveguide is at least one core of an optical fiber
  • the second waveguide is a thin wire waveguide, a rib waveguide, or a photonic crystal waveguide
  • the metalens is The optical system according to any one of [1] and [9], which is arranged between the first waveguide and the second waveguide.
  • the first waveguide is composed of a plurality of discretely arranged cores, and the metalens optically connects each of the plurality of cores and the second waveguide.
  • the metalens is provided so that the light emitted from each of the plurality of cores is focused on the same straight line as the central axis of each of the first waveguide and the second waveguide, [ 17].
  • an optical system that can connect two optical waveguides of different sizes and has a shorter optical path length than conventional ones.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view for explaining an optical system according to a first embodiment.
  • FIG. FIG. 2 is a front view for explaining the metalens shown in FIG. 1.
  • FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view of the metalens and the substrate viewed from arrow III-III in FIG. 2; 1 is a cross-sectional view for explaining an optical system according to Embodiment 1.
  • FIG. FIG. 7 is a front view for explaining a first modification example of the metalens of the optical system according to the first embodiment. 6 is a cross-sectional view of the metalens and the substrate as seen from arrow VI-VI in FIG. 5.
  • FIG. FIG. 7 is a cross-sectional view for explaining a first example of an optical system including the metalens shown in FIGS. 5 and 6.
  • FIG. FIG. 7 is a cross-sectional view for explaining a second example of an optical system including the metalens shown in FIGS. 5 and 6.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view for explaining a modification of the metalens shown in FIGS. 5 and 6.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view for explaining a second modification of the metalens of the optical system according to the first embodiment.
  • FIG. FIG. 7 is a cross-sectional view for explaining a third modification of the metalens of the optical system according to the first embodiment.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view for explaining a fourth modification of the metalens of the optical system according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is an exploded perspective view for explaining an optical system according to a second embodiment.
  • FIG. 14 is a partially enlarged front view for explaining the metalens shown in FIG. 13.
  • FIG. FIG. 15 is a partially enlarged perspective view for explaining the metalens shown in FIGS. 13 and 14.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view for explaining a condensing angle of a metalens of an optical system according to a second embodiment.
  • FIG. 7 is an exploded perspective view for explaining an optical system according to a third embodiment.
  • 18 is a partially enlarged perspective view for explaining the metalens shown in FIG. 17.
  • FIG. FIG. 7 is an exploded perspective view for explaining an optical system according to a fourth embodiment.
  • FIG. 7 is an exploded perspective view for explaining an optical system according to a fifth embodiment.
  • FIG. 7 is an exploded perspective view for explaining an optical system according to a sixth embodiment.
  • FIG. 7 is a partially enlarged plan view for explaining an example of a metalens of an optical system according to a sixth embodiment.
  • FIG. 7 is an exploded perspective view for explaining a modification of the optical system according to the sixth embodiment.
  • FIG. 7 is a diagram for explaining a first example of an optical system according to a seventh embodiment.
  • FIG. 7 is a diagram for explaining a second example of an optical system according to Embodiment 7.
  • the optical system according to the present embodiment optically connects a first waveguide, a second waveguide whose optical spot size is different from that of the first waveguide, and the first waveguide and the second waveguide. and a metalens.
  • light spot size means the width of a region where the light power is 1/e 2 of the maximum value, assuming that the light power distribution of propagating light is Gaussian.
  • the first waveguide has a first end face facing the metalens.
  • the second waveguide has a second end face facing the metalens.
  • the optical spot size at the first end surface of the first waveguide is referred to as the “optical spot size” of the first waveguide.
  • the light spot size at the second end surface of the second waveguide will be referred to as the "light spot size” of the second waveguide.
  • the optical spot size of the first waveguide is larger than the optical spot size of the second waveguide.
  • the term “metalens” refers to a structure that includes at least one metasurface and that condenses light incident from one of the first end surface of the first waveguide and the second end surface of the second waveguide on the other. means body.
  • the term “metasurface” refers to a structure consisting of a plurality of electromagnetic wave scatterers arranged in a direction intersecting the direction in which light propagates between a first end face and a second end face.
  • the plurality of electromagnetic wave scatterers may be arranged in a direction perpendicular to the propagation direction of light between the first end face and the second end face.
  • the plurality of electromagnetic wave scatterers may be arranged in a direction that is inclined at an obtuse angle or an acute angle with respect to the propagation direction of light between the first end face and the second end face.
  • the light condensing principle of the metalens according to this embodiment is not particularly limited, typical examples thereof are listed below.
  • the metasurface is preferably provided to concentrate light into the micro-aperture and enhance the intensity of the light escaping from the micro-aperture.
  • the metalens of the first example has, for example, a bull's eye structured metasurface.
  • the metalens of the second example when a metalens with a phase grating is irradiated with light of a target wavelength, the light diffracted at spatially different parts of the phase grating is focused by giving a phase difference to the light.
  • the metalens of the second example may include a resonant phase grating provided to provide a phase difference by causing light to resonate with a plurality of fine particles made of, for example, a metal or a dielectric material. Further, the metalens of the second example is provided so as to give a phase difference to light propagating through each of a plurality of dielectric waveguides or metal gap waveguides (MIM (Metal-Insulator-Metal) waveguides). It may also include a waveguide type phase grating.
  • MIM Metal-Insulator-Metal
  • the optical system according to the present embodiment light at the target wavelength propagates from the first waveguide where the optical spot size is relatively large, through the metalens, to the second waveguide where the optical spot size is relatively small.
  • the optical system according to this embodiment is particularly suitable for a configuration in which light propagates from a first waveguide with a relatively large light spot size to a second waveguide with a relatively small light spot size via a metalens.
  • the light of the target wavelength may propagate from the second waveguide to the first waveguide through the metalens in the opposite direction to the above.
  • the focus of the metalens is on the second end face of the second waveguide, the light emitted from the second end face is enlarged in diameter via the metalens and then transferred to the first end face of the first waveguide. It is emitted as parallel light to the end face side.
  • the light spot size at the first end surface of the light propagating from the metalens to the first end surface is referred to as the first light spot size.
  • the light spot size at the second end face of the light propagating from the metalens to the second end face is referred to as a second light spot size.
  • the difference between the first optical spot size and the optical spot size of the core 1A is as small as possible, and the difference between the second optical spot size and the optical spot size of the Si waveguide 2A is as small as possible. It is designed to be small. In this way, the light transmission efficiency between the first waveguide and the second waveguide is increased.
  • the metalens is provided such that the first light spot size is equal to the light spot size of the core 1A, and the second light spot size is equal to the light spot size of the Si waveguide 2A. In this way, the light transmission efficiency between the first waveguide and the second waveguide is maximized.
  • the metalens collects the light incident from the first waveguide onto the second waveguide. In other words, the metalens reduces the spot size of the light incident from the first waveguide to the same extent as the second light spot size.
  • the metalens causes a process opposite to the former case, and spreads the light incident from the second waveguide to the first waveguide. In other words, the metalens increases the spot size of the light incident from the second waveguide to the same extent as the first light spot size.
  • the optical system according to the present embodiment includes a metalens, it is different from a conventional optical system including a polymer waveguide that optically connects the first waveguide and the second waveguide.
  • the optical path length between the two waveguides can be shortened.
  • planar view means a viewpoint from which the metalens is viewed from the direction in which light propagates between the first waveguide and the second waveguide (hereinafter also referred to as the optical axis direction).
  • the arrangement of the plurality of electromagnetic wave scatterers is periodic or non-periodic.
  • At least one of the intervals is equal to or less than the wavelength of light propagating through the optical system (hereinafter also referred to as the target wavelength).
  • the thickness, width, and interval of each of the plurality of electromagnetic wave scatterers are all equal to or less than the target wavelength.
  • the thickness, width, and spacing of each of the plurality of electromagnetic wave scatterers may exceed, for example, the target wavelength. In this case, other parameters among the thickness, width, and spacing of each of the plurality of electromagnetic wave scatterers may be less than the target wavelength. Further, in this case, the thickness, width, or interval of each of the plurality of electromagnetic wave scatterers exceeding the target wavelength is twice or less than the target wavelength.
  • the target wavelength is not particularly limited, but is, for example, 300 nm or more and 3 mm or less.
  • the optical system is arranged to propagate, for example, visible light, infrared light, and/or terahertz waves.
  • the first waveguide according to this embodiment is, for example, the core of an optical fiber.
  • the first waveguide is, for example, the core of a single-core fiber or a multi-core fiber.
  • the second waveguide according to this embodiment is, for example, a thin wire waveguide, a rib waveguide, or a photonic crystal waveguide.
  • an optical system 101 includes an optical fiber 1, a photonics element 2, a metalens 3, and a substrate 4.
  • the target wavelength of the optical system 101 is longer than 1100 nm at which basic absorption can occur in silicon (Si), for example, 1260 nm or more and 1565 nm or less.
  • the optical fiber 1 is a single-core fiber and includes a core 1A as a first waveguide and a cladding 1B.
  • the optical fiber 1 is, for example, a single mode fiber that propagates light of a target wavelength in a single mode.
  • the core 1A has a first end surface 1A1 facing the metalens 3.
  • the first end surface 1A1 is a plane that intersects with the central axis C1 of the core 1A.
  • the first end surface 1A1 is perpendicular to the central axis C1 of the core 1A, for example.
  • the shape of the first end surface 1A1 is, for example, circular.
  • the cladding 1B covers the core 1A in the circumferential direction with respect to the central axis C1 of the core 1A.
  • the refractive index of the material forming the core 1A is higher than the refractive index of the material forming the cladding 1B.
  • the dimension (core diameter W1) of the first end surface 1A1 of the core 1A is, for example, 1 ⁇ m or more and 20 ⁇ m or less, preferably 5 ⁇ m or more and 10 ⁇ m or less.
  • the optical fiber 1 may be a multimode fiber that propagates light of the target wavelength in multiple modes.
  • the core diameter W1 of the core 1A may be, for example, 20 ⁇ m or more and 70 ⁇ m or less.
  • Photonics element 2 is a silicon photonics element.
  • the photonics element 2 includes a Si waveguide 2A as a second waveguide, a cladding 2B, and a Si substrate 2C.
  • the Si waveguide 2A is made of Si.
  • the Si waveguide 2A is a so-called thin wire waveguide.
  • the Si waveguide 2A has a second end surface 2A1 facing the metalens 3.
  • the second end surface 2A1 is a plane that intersects with the central axis C2 of the Si waveguide 2A.
  • the second end surface 2A1 is perpendicular to the central axis C2 of the Si waveguide 2A, for example.
  • the shape of the second end surface 2A1 is, for example, quadrilateral, preferably square.
  • the cladding 2B covers the Si waveguide 2A in the circumferential direction with respect to the central axis C2 of the Si waveguide 2A.
  • the material making up the Si waveguide 2A has a higher refractive index than the material making up the cladding 2B.
  • the material constituting the Si waveguide 2A includes, for example, Si or silicon nitride (Si 3 N 4 ).
  • the cladding 2B includes a first cladding layer 2B1 and a second cladding layer 2B2.
  • the first cladding layer 2B1 is placed on the Si substrate 2C, and separates the Si waveguide 2A from the Si substrate 2C.
  • the Si waveguide 2A is arranged on the first cladding layer 2B1.
  • the second cladding layer 2B2 is placed on each of the Si waveguide 2A and the first cladding layer 2B1.
  • the material constituting each of the first cladding layer 2B1 and the second cladding layer 2B2 includes, for example, silicon oxide (SiO 2 ).
  • the second cladding layer 2B2 may be an air cladding layer. Note that the entire second cladding layer 2B2 may be an air cladding layer.
  • the optical spot size of the Si waveguide 2A is smaller than the optical spot size of the core 1A.
  • Each of the width W2 and the thickness T0 of the second end surface 2A1 of the Si waveguide 2A is smaller than the core diameter W1 of the core 1A.
  • Each of the width W2 and the thickness To of the Si waveguide 2A is less than 1 ⁇ m, preferably 100 nm or more and less than 500 nm.
  • the width W2 of the Si waveguide 2A has a trapezoidal shape, and the width W2 can be long or short, it is preferable that the shorter width satisfies the above-mentioned length, and both the long and short widths should not satisfy the above-mentioned length. More preferred.
  • the area of the first end surface 1A1 of the core 1A (hereinafter also referred to as the first area) is larger than the area of the second end surface 2A1 of the Si waveguide 2A (hereinafter also referred to as the second area).
  • the ratio of the first area to the second area may be 10 or more, 25 or more, 50 or more, 100 or more, or 500 or more. , 1000 or more.
  • the metalens 3 optically connects the first end surface 1A1 of the core 1A and the second end surface 2A1 of the Si waveguide 2A.
  • the metalens 3 includes a metasurface 3A with a bull's eye structure.
  • the light condensing principle of the metalens 3 of the optical system 101 is the above-mentioned first example.
  • the metasurface 3A is formed on the conductor layer 31.
  • the conductor layer 31 has a first surface 31A facing the first end surface 1A1 of the core 1A, and a second surface 31B located on the opposite side to the first surface 31A. Each of the first surface 31A and the second surface 31B is perpendicular to, for example, the central axis C1 of the core 1A and the central axis C2 of the Si waveguide 2A.
  • the material constituting the conductive layer 31 may be any conductive material as long as surface plasmons can be excited resonantly when light of the target wavelength is incident, but preferably it is an inorganic material, such as , gold, silver, copper, platinum, aluminum or alloys thereof.
  • the material constituting the conductor layer 31 preferably contains silver.
  • the conductor layer 31 is formed with a through hole 31C as a minute opening.
  • the through hole 31C penetrates between the first surface 31A and the second surface 31B.
  • the planar shape of the through hole 31C is, for example, circular.
  • the through hole 31C is arranged to overlap with the core 1A and the Si waveguide 2A.
  • the central axis C3 (hole axis) of the through hole 31C is arranged to overlap with the core 1A and the Si waveguide 2A. More preferably, the central axis C3 of the through hole 31C is arranged on the same straight line as the central axis C1 of the core 1A and the central axis C2 of the Si waveguide 2A.
  • a plurality of uneven structures 31D are formed on the first surface 31A of the conductor layer 31.
  • the plurality of uneven structures 31D are constituted by a first surface 31A and a plurality of annular grooves 31E recessed with respect to the first surface 31A.
  • the conductor layer 31 is formed with a plurality of convex portions 31F (see FIG. 3) that protrude from the bottom surfaces of the plurality of annular grooves 31E and have a first surface 31A.
  • each of the plurality of uneven structures 31D is formed in an annular shape so as to surround the through hole 31C.
  • the centers of each of the plurality of uneven structures 31D overlap with each other.
  • the center of each of the plurality of uneven structures 31D overlaps with the center of the through hole 31C (central axis C3).
  • the number of uneven structures 31D is not particularly limited, but may be 3 or more and 30 or less. If the number of uneven structures is small, the range of target wavelengths exhibiting light focusing performance can be widened, and if the number of uneven structures is large, the range of target wavelengths can be narrowed and wavelength selectivity can be improved.
  • the surfaces of the plurality of uneven structures 31D that is, the first surface 31A and the wall surfaces and bottom surfaces of the plurality of annular grooves 31E are in contact with air, for example.
  • the surface of the plurality of uneven structures 31D may be in contact with any dielectric material.
  • the metalens 3 may further include a dielectric film covering the surface of each of the plurality of annular grooves 31E.
  • the plurality of uneven structures 31D may be flattened by a dielectric film.
  • the outer peripheral edge of the plurality of uneven structures 31D is constituted by, for example, an annular groove 31E.
  • the dimensions of the plurality of uneven structures 31D are, for example, equal to each other.
  • the width W4 of the outer peripheral edge of the plurality of uneven structures 31D is equal to the core diameter W1 of the core 1A.
  • the outer peripheral edge of the plurality of uneven structures 31D may be formed by the first surface 31A.
  • the plurality of uneven structures 31D may include a first surface 31A and a plurality of annular convex portions protruding from the first surface 31A.
  • the outer peripheral edge of the plurality of uneven structures 31D may be formed by an annular convex portion or may be formed by the first surface 31A.
  • the propagation direction of light is not limited.
  • Light can propagate along direction A (see FIGS. 1 to 3) from the core 1A, where the optical spot size is relatively large, through the metalens 3, to the Si waveguide 2A, where the optical spot size is relatively small.
  • light can propagate from the Si waveguide 2A to the core 1A via the metalens 3 along the direction B (see FIGS. 1 and 3).
  • Direction A and direction B are along the horizontal direction, for example. Note that the direction A and the direction B may be along the vertical direction.
  • the optical spot size (hereinafter also referred to as first optical spot size) on the first end surface 1A1 of the light propagating from the metalens 3 to the first end surface 1A1 is larger than the optical spot size of the Si waveguide 2A, and preferably the core Equivalent to a light spot size of 1A.
  • the optical spot size at the second end surface 2A1 of the light propagating from the metalens 3 to the second end surface 2A1 (hereinafter also referred to as second optical spot size) is smaller than the optical spot size of the core 1A, and preferably Si waveguide. Equivalent to a light spot size of 2A.
  • the metalens 3 including the metasurface 3A resonantly excites surface plasmons when light of the target wavelength enters the metasurface 3A from the core 1A, collects the surface plasmons in the through hole 31C as a minute opening, and generates a second light beam. It is provided to emit spot-sized light to the Si waveguide 2A. Further, the metalens 3 is provided so that when light of the target wavelength enters the through hole 31C from the Si waveguide 2A, the light of the first light spot size is emitted to the core 1A by a process opposite to the above process. There is.
  • each of the conductor layer 31, the through hole 31C, and the plurality of uneven structures 31D that constitute the metasurface 3A can be arbitrarily selected depending on the target wavelength.
  • the thickness T1 (see FIG. 1) of the conductor layer 31 is not particularly limited, but is preferably equal to or less than the target wavelength, more preferably less than the target wavelength, more preferably equal to or less than half the target wavelength, and is 50 nm or more. It may be. When the target wavelength is 1260 nm or more and 1565 nm or less as described above, the thickness T1 may be about 300 nm.
  • the hole diameter W3 of the through hole 31C is less than or equal to the target wavelength, and preferably smaller than the target wavelength.
  • the hole diameter W3 is, for example, about half the wavelength of interest.
  • the width W5 of each of the plurality of annular grooves 31E in the radial direction with respect to the central axis C3 of the through hole 31C and the depth D of each of the plurality of annular grooves 31E are each less than or equal to the target wavelength, preferably smaller than the target wavelength. .
  • the width W5 of each of the plurality of annular grooves 31E and the depth D of each of the plurality of annular grooves 31E are, for example, approximately half the value of the target wavelength.
  • the distance P between each of the plurality of uneven structures 31D in the radial direction with respect to the central axis C3 of the through hole 31C is not particularly limited, but is equivalent to the target wavelength.
  • the interval between the plurality of concavo-convex structures means the pitch (period) between adjacent convex portions or between adjacent concave portions. Specifically, as shown in FIG. 3, it means the interval (width) P of one uneven structure 31D. From the viewpoint of improving light collection performance, it is preferable that the ratio of the distance P between each of the plurality of concavo-convex structures 31D to the target wavelength is 30% or more and 200% or less.
  • the ratio of the interval P of each of the plurality of uneven structures 31D to the target wavelength is preferably 140% or less, more preferably 110% or less, and still more preferably less than 100%.
  • the ratio of the interval P of each of the plurality of uneven structures 31D to the target wavelength is preferably 60% or more, more preferably more than 65%, and still more preferably 70% or more.
  • the ratio (W5/P) of the width W5 of each of the plurality of annular grooves 31E to the interval P of each of the plurality of uneven structures 31D in the radial direction with respect to the central axis C3 of the through hole 31C is not particularly limited, but is 10% or more. % or less. From the viewpoint of further increasing the ratio of transmittance to reflectance of the target wavelength, the ratio W5/P is preferably 30% or more, more preferably 45% or more, even more preferably 60% or more, and particularly preferably 70% or more. , 80% or more is even more particularly preferred.
  • the second surface 31B of the metalens 3 is, for example, a flat surface.
  • the method for forming the metalens 3 is not particularly limited.
  • the metalens 3 may be formed as follows. First, a conductor layer 31 is formed on the third surface 4A of the substrate 4. Any method may be used to form the conductor layer 31, and for example, a sputtering method may be used. Second, the conductor layer 31 is patterned to form a through hole 31C and a plurality of annular grooves 31E. Any method may be used to pattern the conductor layer 31, and may be, for example, photolithography, dry etching, or the like.
  • the substrate 4 supports the metalens 3.
  • the substrate 4 is transparent to light of the target wavelength.
  • the substrate 4 has a third surface 4A in contact with the second surface 31B of the metalens 3, and a fourth surface located on the opposite side to the third surface 4A and facing the second end surface 2A1 of the Si waveguide 2A. 4B.
  • the third surface 4A is perpendicular to the central axis C3 of the through hole 31C, for example.
  • the substrate 4 is preferably made of a material with a low refractive index from the viewpoint of suppressing Fresnel reflection.
  • the substrate 4 may contain, for example, SiO 2 , more preferably contains glass, and is even more preferably made of glass.
  • the thickness T2 of the substrate 4 is thicker than the thickness T1 of the conductor layer 31, for example.
  • the sum of the thickness T1 of the conductor layer 31 and the thickness T2 of the substrate 4 is the same as that of the polymer required when optically connecting the core 1A and the Si waveguide 2A with a conventional polymer waveguide. shorter than the length of the waveguide.
  • Each of the shortest distance L1 and the shortest distance L2 may be shorter than the thickness T1 (see FIG. 3) of the conductor layer 31 of the metalens 3.
  • the light propagating through the optical system 101 may pass through the core 1A, the metalens 3, the substrate 4, and the Si waveguide 2A in this order, or may pass through the Si waveguide 2A, the substrate 4, the metalens 3, and the core 1A in this order. You can.
  • the optical system 101 includes the metalens 3, the core 1A and the Si waveguide 2A are more connected to each other than an optical system including a polymer waveguide or a convex lens that optically connects the core 1A and the Si waveguide 2A.
  • the optical path length between the two can be shortened.
  • the relative positions of each of the core 1A, the Si waveguide 2A, and the metalens 3 are caused by manufacturing errors. Even in the case where the waveguide 2A varies, the light transmission efficiency between the core 1A and the Si waveguide 2A is not likely to decrease.
  • the focal position of the optical lens changes relative to the Si waveguide. There is a risk that the transmission efficiency may significantly decrease due to large fluctuations.
  • the metalens 3 since the metalens 3 is formed with the through-hole 31C, the light incident on the metalens 3 from the core 1A or the Si waveguide 2A is concentrated on the through-hole 31C, and then passes through the through-hole 31C. To Penetrate.
  • the focal point of the light emitted from the metalens 3 to the Si waveguide 2A or the core 1A is formed in the through hole 31C, and it can be assumed that parallel light is incident on the Si waveguide 2A or the core 1A. can.
  • the light transmission efficiency between the first waveguide and the second waveguide is determined by the shortest distance L1 between the core 1A and the metalens 3 and between the Si waveguide 2A and the substrate 4.
  • the shortest distance L2 between them is not easily affected by variations due to manufacturing errors and the like.
  • the direction A or the direction B in which light propagates in the optical system 101 may be any direction, and may be along the horizontal direction or the vertical direction, for example. According to the optical system 101, even when the first end surface 1A1 of the optical fiber 1 and the second end surface 2A1 of the Si waveguide 2A face each other in the horizontal direction, the direction of propagation of light is not changed by a mirror or the like, and both can be connected. can be optically connected. Therefore, the degree of freedom in designing the optical system 101 is higher than that of conventional optical systems.
  • a plurality of concavo-convex structures 31D are formed to surround the through-hole 31C of the metalens 3.
  • surface plasmons that are resonantly excited gather at the through-holes 31C.
  • the light transmitted through the metalens 3 can be collected more efficiently, and the intensity of the light becomes higher.
  • the propagation direction of the light IL entering the metalens 3 from the core 1A is set in a direction perpendicular to the first surface 31A.
  • the propagation direction of the light TL emitted from the metalens 3 to the Si waveguide 2A is parallel to the propagation direction of the light IL entering the metalens 3 from the core 1A.
  • the propagation direction of the light IL entering the metalens 3 from the Si waveguide 2A is set to be perpendicular to the second surface 31B.
  • the propagation direction of the light emitted from the metalens 3 to the core 1A is parallel to the propagation direction of the light IL entering the metalens 3 from the Si waveguide 2A.
  • the metalens 3 may be made of an inorganic material.
  • the heat resistance of the optical system 101 is high compared to optical systems comprising polymer waveguides.
  • the optical system 101 may include the metalens 3 shown in FIGS. 5 and 6 instead of the metalens 3 shown in FIGS. 1 to 4.
  • the metalens 3 shown in FIGS. 5 and 6 has basically the same configuration as the metalens 3 shown in FIGS. 1 to 4, but includes a metasurface 3B instead of the metasurface 3A. This is different from the metalens 3 shown in FIG.
  • the metasurface 3B is different from the metasurface 3A in that the center of each of the plurality of uneven structures 31D is arranged so as not to overlap the center (central axis C3) of the through hole 31C (micro opening) in plan view. different.
  • the metasurface 3B also has a bull's eye structure like the metasurface 3A.
  • the following will mainly explain the differences between the metalens 3 and the metasurface 3B shown in FIGS. 5 and 6 from the metalens 3 and the metasurface 3B shown in FIGS. 1 to 4.
  • the interval (period) of each part of the plurality of uneven structures 31D located on one side with respect to the through hole 31C in the direction C perpendicular to the central axis C3 of the through hole 31C is wider than the interval (period) of each part of the plurality of uneven structures 31D located on the other side with respect to the through hole 31C.
  • the interval between the respective parts of the plurality of uneven structures 31D, which are located on one side of the through hole 31C in the direction C and are arranged at relatively wide intervals will also be referred to as a first interval PA. do.
  • the interval between each portion of the plurality of uneven structures 31D, which are located on the other side of the through hole 31C in the direction C and are arranged at relatively narrow intervals, is also referred to as a second interval PB.
  • the first interval PA of each portion of the plurality of uneven structures 31D located on one side with respect to the through hole 31C gradually becomes wider as the distance from the through hole 31C increases.
  • the second spacing PB of each portion of the plurality of uneven structures 31D located on the other side with respect to the through hole 31C is, for example, equal to each other.
  • the width of each portion of the plurality of annular grooves 31E located on one side with respect to the through hole 31C in the first direction C perpendicular to the central axis C3 of the through hole 31C (hereinafter also referred to as the first width W5A). ) is wider than the width (hereinafter also referred to as second width W5B) of each portion of the plurality of annular grooves 31E located on the other side with respect to the through hole 31C.
  • the first width W5A of each portion of the plurality of annular grooves 31E located on one side with respect to the through hole 31C gradually becomes wider as the distance from the through hole 31C increases.
  • the second width W5B of each portion of the plurality of annular grooves 31E located on the other side with respect to the through hole 31C is, for example, equal to each other.
  • the plurality of uneven structures 31D may have a region where the ratio of the interval P to the target wavelength is 30% or more and 200% or less.
  • the ratio of the first interval PA of each of the plurality of uneven structures 31D to the target wavelength may be, for example, 200% or less, preferably 140% or less, more preferably 110% or less, and even more preferably 100% or less. less than %.
  • the ratio of the second interval PB of each of the plurality of uneven structures 31D to the target wavelength may be 30% or more, preferably 60% or more, more preferably more than 65%, and still more preferably It is 70% or more.
  • the ratio of the first width W5A to the first spacing PA (W5A/PA) and the ratio of the second width W5B to the second spacing PB (W5B/PB) are not particularly limited, but should be 10% or more and 95% or less. It's fine. From the viewpoint of further increasing the ratio of transmittance to reflectance of the target wavelength, each of the ratio W5A/PA and the ratio W5B/PB is preferably 30% or more, more preferably 45% or more, and even more preferably 60% or more. Preferably, 80% or more is particularly preferable.
  • the propagation direction of the light IL entering the metalens 3 from the core 1A is set in a direction perpendicular to the first surface 31A.
  • the propagation direction of the light TL emitted from the metalens 3 to the Si waveguide 2A is inclined with respect to the propagation direction of the light IL incident on the metalens 3 from the core 1A. Therefore, as shown in FIG. 7, the metalens 3 including the metasurface 3B is suitable for an optical system in which the central axis C2 of the Si waveguide 2A is inclined toward the first direction C with respect to the central axis C1 of the core 1A. It is. Further, as shown in FIG.
  • the central axis C2 of the Si waveguide 2A is parallel to the central axis C1 of the core 1A, but the central axis C1 is centered in the first direction C. It is also suitable for optical systems spaced apart from axis C2. In each of the optical systems shown in FIGS. 7 and 8, the light transmission efficiency between the core 1A and the Si waveguide 2A is also high.
  • FIGS. 7 and 8 illustrate the output angle ⁇ 1 of the metalens 3 including the metasurface 3B having a bull's eye structure.
  • the output angle ⁇ 1 in FIG. 7 is the angle (first angle) that the central axis C2 of the Si waveguide 2A makes with the central axis C3 of the through hole 31C (C3 coincides with C1 in FIG. 7).
  • the emission angle ⁇ 1 in FIG. 8 is the intersection of the central axis C3 of the through hole 31C (C3 coincides with C1 in FIG. 8) and the third surface 4A of the substrate 4 (on the second surface 31B of the metasurface 3B).
  • the intersection of the central axis C2 of the Si waveguide 2A and the second end surface 2A1 of the Si waveguide 2A (the end of the central axis C3 of the through hole 31C located on the second end surface 2A1 of the Si waveguide 2A) This is the angle that the straight line connecting the central axis C2 of the Si waveguide 2A (the end of the central axis C2) and the central axis C3 of the through hole 31C forms.
  • the exit angle ⁇ 1 of the metalens 3 including the metasurface 3B is not particularly limited, but may be, for example, 3° or more and 60° or less, and may be 45° or less.
  • the output angle ⁇ 1 may be 7° or more, 16° or more, 30° or more, or 40° or more.
  • the distances (hereinafter also referred to as shift amounts) between the centers of the plurality of uneven structures 31D may be equal to each other.
  • each shift amount is referred to as a unit shift amount S.
  • the ratio ( ⁇ 1 /S) of the output angle ⁇ 1 to the unit shift amount S may be 0.19 or more, or 0.58 or more. It may be 2.00 or more, 3.33 or more, 6.00 or more, or 10.00 or more.
  • the first intervals PA are, for example, equal to each other.
  • the ratio of the first interval PA of each of the plurality of uneven structures 31D to the target wavelength may be, for example, 200% or less, preferably 140% or less, and more Preferably it is 110% or less, more preferably less than 100%.
  • the ratio of the first interval PA of each of the plurality of uneven structures 31D to the target wavelength may be 30% or more, preferably 60% or more, more preferably more than 65%, and still more preferably It is 70% or more. Note that the first interval PA may gradually become wider as the distance from the through hole 31C increases.
  • the present inventors have determined that when the output angle ⁇ 1 to be achieved in the metasurface 3B is 5° or more, the unit shift amount S (unit: nm) of the metasurface 3B and the above-mentioned interval P of the plurality of uneven structures 31D (Unit: nm) It was confirmed that the above-mentioned output angle ⁇ 1 can be achieved if the angle is set so that the following relational expression (1) is satisfied.
  • the optical system 101 may include a metalens 3 shown in FIG. 10 instead of the metalens 3 shown in FIGS. 1 to 6.
  • the metalens 3 shown in FIG. 10 has basically the same configuration as the metalens 3 shown in FIGS. 1 to 6, except that it further includes a metasurface 3A disposed on the fourth surface 4B of the substrate 4. , which is different from the metalens 3 shown in FIGS. 1 to 6.
  • the metasurface 3A disposed on the fourth surface 4B is symmetrical with respect to the substrate 4 with respect to the metasurface 3A disposed on the third surface 4A.
  • the metalens 3 of the optical system 101 only needs to include the metasurface 3A or the metasurface 3B disposed on at least one of the third surface 4A and the fourth surface 4B of the substrate 4.
  • the optical system 101 may include the metalens 3 shown in FIG. 11 or 12 instead of the metalens 3 shown in FIGS. 1 to 6.
  • the metalens 3 shown in FIG. 11 has basically the same configuration as the metalens 3 shown in FIGS. 1 to 6, but each of the plurality of annular grooves 31E in the plurality of uneven structures 31D is It differs from the metalens 3 shown in FIGS. 1 to 6 in that it is formed so as to penetrate between the first surface 31A and the second surface 31B and expose a part of the third surface 4A of the substrate 4. .
  • the bottom surface of each annular groove 31E is formed by the third surface 4A of the substrate 4.
  • the metalens 3 shown in FIG. 11 has basically the same configuration as the metalens 3 shown in FIGS.
  • 1 to 6 is composed of a surface 4A and a plurality of convex portions 31F formed on the third surface 4A of the substrate 4 as an island-like pattern separated from each other. It is different from.
  • the depth of each of the plurality of annular grooves 31E is equal to the depth of the through hole 31C.
  • the metalens 3 shown in FIG. 12 has basically the same configuration as the metalens 3 shown in FIGS. 1 to 6, but a plurality of It differs from the metalens 3 shown in FIGS. 1 to 6 in that a concavo-convex structure is formed.
  • the plurality of uneven structures 31G formed on the second surface 31B are arranged on the first surface 31A with respect to a virtual symmetrical plane located on the midpoint between the first surface 31A and the second surface 31B. It is in a plane symmetrical relationship with the plurality of concavo-convex structures 31D that are formed.
  • the plurality of uneven structures 31G are constituted by a second surface 31B and a plurality of annular grooves 31H recessed with respect to the second surface 31B.
  • the conductor layer 31 is formed with a plurality of protrusions 31I that protrude from the bottom surfaces of the plurality of annular grooves 31H and have a second surface 31B.
  • Each convex portion 31I is arranged to overlap with each convex portion 31F, for example, in a direction orthogonal to the first surface 31A.
  • the second surface 31B and the walls and bottom surfaces of the plurality of annular grooves 31E formed on the second surface 31B are in contact with the third surface 4A of the substrate 4.
  • the width of each of the plurality of annular grooves 31H is equal to the width W5 of the plurality of annular grooves 31E.
  • the metalens 3 shown in FIG. 12 is formed by, for example, forming a plurality of convex portions 31I in the recessed portions of the third surface 4A of the substrate 4, and then forming the remainder of the conductor layer 31 on the third surface 4A. , can be manufactured.
  • the optical system 102 according to the second embodiment will be described with reference to FIG. 13.
  • the optical system 102 according to the second embodiment has basically the same configuration as the optical system 101 according to the first embodiment and has the same effects, but the metalens 3 is arranged on the third surface 4A of the substrate 4. It differs from the optical system 101 in that it includes a phase grating that provides a phase difference to light of the target wavelength.
  • the differences between the optical system 102 and the optical system 101 will be mainly explained.
  • the metalens 3 of the optical system 102 includes a waveguide type phase grating.
  • the light focusing principle of the metalens 3 of the optical system 102 is the same as the second example above.
  • the metalens 3 includes a plurality of columnar bodies 32 (convex portions) arranged at intervals on the third surface 4A and a filling portion 33 that fills the spaces between the plurality of columnar bodies 32. It includes a metasurface 3C composed of.
  • the refractive index of the material constituting each of the plurality of columnar bodies 32 is higher than the refractive index of the material constituting the filling part 33.
  • the outer shape of each of the plurality of columnar bodies 32 is, for example, cylindrical.
  • the central axis of each of the plurality of columnar bodies 32 is parallel to the central axis C1 of the core 1A.
  • each of the plurality of columnar bodies 32 is perpendicular to the third surface 4A of the substrate 4, for example.
  • the material constituting the plurality of columnar bodies 32 and the material constituting the filling part 33 are not particularly limited as long as their respective refractive indices satisfy the above relationship.
  • the material constituting the plurality of columnar bodies 32 is, for example, a dielectric material, more preferably an inorganic material, and includes Si as a specific example.
  • the surfaces of the plurality of columnar bodies 32 are in contact with an air layer serving as the filling portion 33, for example.
  • the filling portion 33 may be formed of a dielectric film.
  • the surfaces of the plurality of columnar bodies 32 may be in contact with a dielectric film.
  • the plurality of columnar bodies 32 may be embedded in the filling part 33.
  • the metalens 3 may further include a base material 34 that is transparent to light of the target wavelength and is disposed on the third surface 4A of the substrate 4.
  • Each of the plurality of columnar bodies 32 may be fixed to the base material 34. Note that the metalens 3 may not include the base material 34, and each of the plurality of columnar bodies 32 may be fixed to the third surface 4A of the substrate 4.
  • Each of the plurality of columnar bodies 32 forms a waveguide through which light of the target wavelength propagates.
  • the phase of the light incident on each of the plurality of columnar bodies 32 changes during the process of propagating through each columnar body 32.
  • the amount of change in the phase of light propagating through each columnar body 32 is the ratio D of the outer diameter D (maximum width) of the columnar body 32 to the distance P (pitch) between the columnar body 32 and another adjacent columnar body 32. The larger /P is, the more.
  • the position of the focal point F (see FIG. 15) of the metalens 3 changes depending on the spatial distribution of the phase of the light that has passed through each waveguide. Therefore, the amount of change in the phase of the light propagating through each columnar body 32 may be arbitrarily set according to the position where the focal point F of the metalens 3 is to be placed.
  • At least one of the outer diameter and height of each of the plurality of columnar bodies 32 and the interval between two adjacent columnar bodies 32 is continuous or stepped in the radial direction depending on the distance to the focal point. It is set up so that it changes over time.
  • At least one of the outer diameter of the columnar body 32 and the interval between two adjacent columnar bodies 32 changes continuously or stepwise depending on the distance to the focal point. It is preferable. More preferably, in a plan view, both the outer diameter of the columnar body 32 and the interval between two adjacent columnar bodies 32 change continuously or stepwise depending on the distance to the focal point.
  • the outer diameter of each of the plurality of columnar bodies 32 increases as the distance from the focal point F of the metalens 3 increases in plan view.
  • the distance between two adjacent columnar bodies 32 is provided such that the farther from the focal point F of the metalens 3, the smaller the distance between them.
  • the metalens 3 has a first region R1 in which the plurality of columnar bodies 32 are arranged such that the amount of change in phase is relatively small. and a second region R2 in which a plurality of columnar bodies 32 are arranged so as to increase in size.
  • the first region R1 is a region closer to the focal point F than the second region R2.
  • the ratio D2/P2 of the outer diameter D2 of the second group of columnar bodies 32B to the interval P2 between the second group of columnar bodies 32B formed in the second region R2 is the ratio D2/P2 of the second group of columnar bodies 32B formed in the second region R2.
  • the amount of change in the phase of the light TL2 that has propagated through each of the columnar bodies 32B of the second group is greater than the amount of change in the phase of the light TL1 that has propagated through each of the columnar bodies 32A of the first group.
  • the focal point F is arranged on the same straight line as the central axis C4 of the phase grating of the metalens 3, at least one of the outer diameter of the columnar body 32 and the interval between two adjacent columnar bodies 32 is It suffices if it changes continuously or stepwise depending on the distance to the central axis C4.
  • the outer diameter of each of the plurality of columnar bodies 32 increases as the distance from the central axis C4 of the metalens 3 increases, and the distance between two adjacent columnar bodies 32 decreases as the distance from the central axis C4 of the metalens 3 increases. It may be provided as follows.
  • the outer diameter of each of the plurality of columnar bodies 32 is equal to or less than the target wavelength.
  • the outer diameter of each of the plurality of columnar bodies 32 is, for example, several tens of nm or more and 1 ⁇ m or less.
  • the distance between two adjacent columnar bodies 32 is equal to or less than the target wavelength.
  • the interval between two adjacent columnar bodies 32 is, for example, several tens of nanometers or more and 1.55 ⁇ m or less. Note that the interval between two adjacent columnar bodies 32 means the distance between the central axes of two adjacent columnar bodies 32.
  • the height H2 of the second group of columnar bodies 32B is, for example, lower than the height H1 of the first group of columnar bodies 32B. Note that the height H2 of the second group of columnar bodies 32B may be equal to the height H1 of the first group of columnar bodies 32B, for example.
  • the maximum height of each of the plurality of columnar bodies 32 is shorter than the thickness of a convex lens for optically connecting the core 1A and the Si waveguide 2A.
  • the maximum height of each of the plurality of columnar bodies 32 is, for example, 2 ⁇ m or less, and may be 1 ⁇ m or less.
  • structures in which at least one of the outer diameter and height of the columnar body 32 and the interval between two adjacent columnar bodies 32 change continuously or stepwise depending on the distance to the focal point include those shown in FIGS. 15, in which at least one of the outer diameter and height of a columnar body 32 and the interval between two adjacent columnar bodies 32 change monotonically, such a structure is also referred to as a unit (hereinafter referred to as a structure A periodic structure in which the structural units are periodically arranged in the radial direction with respect to the central axis C4 of the phase grating is included.
  • the structural units in which at least one of the height, maximum width, and pitch of each of the plurality of columnar bodies 32 changes continuously or stepwise are periodically arranged in the radial direction. It may have a periodic structure arranged symmetrically.
  • the shortest distance between the first end surface 1A1 of the core 1A and the metalens 3 is preferably as short as possible.
  • the shortest distance between the Si waveguide 2A and the metalens 3 is preferably a value as close to the focal length f as possible, and more preferably equal to the focal length f.
  • the optical path length between the first end surface 1A1 of the core 1A and the second end surface 2A1 of the Si waveguide 2A in the optical system 102 is determined when the core 1A and the Si waveguide 2A are optically connected by a polymer waveguide or a convex lens. can be shorter compared to optical systems with
  • the propagation direction of light is not limited.
  • the light may propagate from the core 1A, where the optical spot size is relatively large, through the metalens 3, to the Si waveguide 2A, where the optical spot size is relatively small, or in the opposite direction, through the Si waveguide 2A, where the optical spot size is relatively small. It may also propagate from 2A to the core 1A via the metalens 3.
  • the method of forming the metalens 3 of the optical system 102 is also not particularly limited.
  • the plurality of columnar bodies 32 of the metalens 3 may be formed by forming a dielectric film on the third surface 4A of the substrate 4 and then patterning the dielectric film. For example, a photoresist is applied onto a dielectric film formed on the third surface 4A of the substrate 4, and the photoresist is exposed and developed through a mask with a pattern drawn thereon, and then the dielectric film is coated using the photoresist as a mask. It may be formed by etching. Further, the plurality of columnar bodies 32 may be formed by, for example, a screen printing method.
  • the optical path length between the core 1A and the Si waveguide 2A which is limited by the thickness and depth of focus of the metalens 3, is determined by the polymer waveguide that can optically connect the core 1A and the Si waveguide 2A. or the sum of the thickness and depth of focus of a convex lens that can optically connect the core 1A and the Si waveguide 2A.
  • the degree of freedom in designing the focal position is higher, and the depth of focus and the propagation direction of light can be easily changed.
  • the metalens 3 of the optical system 102 only needs to be placed on the third surface 4A or fourth surface 4B of the substrate 4.
  • a structure in which at least one of the outer diameter and height of the columnar body 32 and the interval between two adjacent columnar bodies 32 changes continuously or stepwise depending on the distance to the focal point has the structure shown in FIG. 14 and 15, in which the outer diameter and height of the columnar bodies 32 and/or the interval between two adjacent columnar bodies 32 change monotonically, as well as structures in which such a structure is used as a structural unit.
  • Each structural unit includes the first region R1 and the second region R2.
  • the amount of change in the phase of each columnar body 32 in each structural unit is within the range of 0 to 2 ⁇ .
  • the width of each structural unit in the radial direction may be set so that
  • the width of each structural unit in the radial direction required for the amount of change in phase to be 2 ⁇ in each structural unit becomes narrower as the distance from the central axis C4 increases.
  • the width in the radial direction of the first structural unit located closest to the central axis C4 of the phase grating is the second closest to the central axis C4 of the phase grating.
  • the width in the radial direction of the second structural unit at the position is set to be wider than the width in the radial direction.
  • the width of each structural unit in the radial direction required for the amount of change in phase to be 2 ⁇ in each structural unit changes depending on the diameter of the metalens 3.
  • the width of the first structural unit in the radial direction required for the amount of phase change to be 2 ⁇ in the first structural unit is 1.00 ⁇ m or more.3. It is preferable that it is 50 ⁇ m or less.
  • the width of the first structural unit in the radial direction required for the amount of phase change to be 2 ⁇ in the first structural unit is 2.00 ⁇ m or more.5. It is preferable that it is 00 ⁇ m or less.
  • the width of the first structural unit in the radial direction required for the amount of phase change to be 2 ⁇ in the first structural unit is 3.00 ⁇ m or more7. It is preferable that it is 00 ⁇ m or less.
  • the focal length f (unit: nm) of the metalens 3 including the phase grating, the condensing angle ⁇ 2 of the metalens 3, and the radius R (unit: nm) of the metalens 3 satisfy the following relational expression (2).
  • FIG. 16 shows the focal length f, radius R, and condensing angle ⁇ 2 of the metalens 3 including the metasurface 3C.
  • the condensing angle ⁇ 2 shown in FIG. 16 is the angle that the first virtual straight line VL1 makes with the second virtual straight line VL2.
  • the first virtual straight line VL1 indicates the course of light that has propagated through the columnar body 32 located at the outermost position in the radial direction with respect to the central axis C4 among the plurality of columnar bodies 32.
  • the first imaginary straight line VL1 connects the outermost end of the columnar body 32 located at the outermost position in the radial direction on the third surface 4A side of the substrate 4, the central axis C2 of the Si waveguide 2A, and the second end surface 2A1.
  • the second virtual straight line VL2 is a virtual straight line connecting the intersection between the central axis C3 of the metasurface 3C and the third surface 4A of the substrate 4 and the intersection between the central axis C2 of the Si waveguide 2A and the second end surface 2A1. .
  • the second virtual straight line VL2 is arranged on the same straight line.
  • the condensing angle ⁇ 2 of the metalens 3 including the metasurface 3C is, for example, 20° or more and 70° or less, preferably 30° or more and 60° or less.
  • the length of the second virtual straight line VL2 is equal to the focal length f. If the condensing angle ⁇ 2 is 30° or more and 60° or less, the numerical aperture NA of the metalens 3 becomes smaller and the depth of focus becomes deeper, compared to the case where the condensing angle ⁇ 2 is 70°, so the optical axis It is easy to adjust the position of the metalens 3 with respect to the Si waveguide 2A in the direction.
  • the numerical aperture NA of the metalens 3 is calculated by multiplying the sine (Sin ⁇ 2 ) of the condensing angle ⁇ 2 of the metalens 3 by the refractive index n of the medium existing between the metalens 3 and the Si waveguide 2A. .
  • the numerical aperture NA is preferably 0.5 or more, more preferably 0.7 or more.
  • the Si waveguide 2A has a large numerical aperture (spreading of light) due to a large relative refractive index difference between Si forming the core and SiO 2 forming the cladding.
  • the numerical aperture NA of the metalens 3 is as large as the numerical aperture of the Si waveguide 2A.
  • the material forming the plurality of columnar bodies 32 may be metal.
  • the phase grating of the metalens 3 may include a plurality of MIM waveguides instead of a plurality of dielectric waveguides.
  • the optical system 103 according to Embodiment 3 will be described with reference to FIG. 17.
  • the optical system 103 according to the third embodiment has basically the same configuration as the optical system 102 according to the second embodiment and has the same effect, but the metalens 3 is not a waveguide type phase grating but a resonance side phase grating. It differs from optical system 102 in that it includes: Hereinafter, the differences between the optical system 103 and the optical system 102 will be mainly explained.
  • the metalens 3 includes a plurality of spherical bodies 35 (convex parts) arranged at intervals on the third surface 4A and a filling part 33 filling the spaces between the plurality of spherical bodies 35. including a metasurface 3D with .
  • the material constituting the plurality of spherical bodies 35 is, for example, a dielectric.
  • the material forming the filling portion 33 is, for example, air.
  • the filling portion 33 may be made of a dielectric film.
  • the surfaces of the plurality of spherical bodies 35 may be in contact with a dielectric film.
  • the plurality of spherical bodies 35 may be embedded in the filling part 33.
  • Each of the plurality of spherical bodies 35 is provided so as to have Mie resonance with the light of the target wavelength.
  • the phase of the light incident on each of the plurality of spherical bodies 35 changes in the process of scattering the light due to resonance.
  • the wavelength of the light incident on each spherical body 35 is not too long compared to the wavelength of light that resonates with each spherical body 35 (resonance wavelength)
  • the wavelength of light that resonates with each spherical body 35 resonate wavelength
  • the longer the wavelength of the light incident on the spherical bodies 35 the greater the amount of change in the phase of the light scattered by each spherical body 35.
  • the amount of change in the phase of the light scattered by each spherical body 35 increases as the outer diameter D of the spherical body 35 increases.
  • the position of the focal point F (see FIG. 18) of the metalens 3 changes depending on the spatial distribution of the phase of the light scattered by each spherical body 35. Therefore, the amount of change in the phase of the light scattered by each spherical body 35 may be arbitrarily set depending on the position where the focal point F of the metalens 3 is to be placed.
  • the outer diameter of the spherical body 35 changes continuously or stepwise depending on the distance to the focal point.
  • the outer diameter of each of the plurality of spherical bodies 35 increases as the distance from the focal point F of the metalens 3 increases in plan view.
  • the metalens 3 has a first region R1 where a plurality of spherical bodies 35 are arranged such that the amount of change in phase is relatively small, and a first region R1 where the amount of change in phase is relatively large. and a second region R2 in which a plurality of spherical bodies 35 are arranged.
  • the first region R1 is a region closer to the focal point F than the second region R2.
  • the outer diameter D2 of the second group of spherical bodies 35 formed in the second region R2 is larger than the outer diameter D1 of the first group of spherical bodies 35A formed in the first region R1.
  • the amount of change in the phase of the light TL2 scattered by each of the second group of spherical bodies 35B is greater than the amount of change in the phase of the light TL1 scattered by each of the first group of spherical bodies 35A.
  • the outer diameter of the spherical body 35 is continuous or stepwise in plan view depending on the distance to the central axis C4. It suffices if it changes accordingly.
  • the outer diameter of each of the plurality of spherical bodies 35 is equal to or less than the target wavelength.
  • the outer diameter of each of the plurality of spherical bodies 35 is, for example, several tens of nanometers or more and 1 ⁇ m or less.
  • the shortest distance between the first end surface 1A1 of the core 1A and the metalens 3 is preferably as short as possible.
  • the shortest distance between the Si waveguide 2A and the metalens 3 is preferably a value as close to the focal length f as possible, and more preferably equal to the focal length f.
  • the optical path length between the first end surface 1A1 of the core 1A and the second end surface 2A1 of the Si waveguide 2A in the optical system 103 is such that the core 1A and the Si waveguide 2A are optically connected by a polymer waveguide or a convex lens. can be shorter compared to optical systems with
  • the propagation direction of light is not limited.
  • the light may propagate from the core 1A, where the optical spot size is relatively large, through the metalens 3, to the Si waveguide 2A, where the optical spot size is relatively small, or in the opposite direction, through the Si waveguide 2A, where the optical spot size is relatively small. It may also propagate from 2A to the core 1A via the metalens 3.
  • the method of forming the metalens 3 of the optical system 103 is also not particularly limited.
  • the plurality of spherical bodies 35 of the metalens 3 can be formed, for example, by a known nanoparticle manufacturing method.
  • the optical path length between the core 1A and the Si waveguide 2A which is limited by the thickness and depth of focus of the metalens 3, is determined by the polymer waveguide that can optically connect the core 1A and the Si waveguide 2A. or the sum of the thickness and depth of focus of a convex lens that can optically connect the core 1A and the Si waveguide 2A.
  • the optical system 103 has a higher degree of freedom in designing the focal position than an optical system including a convex lens, and can easily change the depth of focus and the propagation direction of light.
  • the metalens 3 of the optical system 103 only needs to be placed on the third surface 4A or fourth surface 4B of the substrate 4.
  • the material constituting the plurality of spherical bodies 35 may be metal.
  • each of the plurality of spherical bodies 35 is provided so as to have plasmon resonance with the light of the target wavelength.
  • the phase of the light incident on each of the plurality of spherical bodies 35 changes as the light resonates with each spherical body 35 and is scattered.
  • the spherical body 35 made of metal, as well as the spherical body 35 made of dielectric the larger the outer diameter D of the spherical body 35, the greater the amount of change in the phase of light.
  • the principle by which the phase of light scattered by the spherical body 35 changes differs depending on the material that constitutes the spherical body 35, but there is a tendency that the larger the outer diameter D of the spherical body 35, the greater the amount of change in the phase of the light. This is the same regardless of the material of which the spherical body 35 is made.
  • the metalens 3 of the optical system 103 can also be deformed similarly to the metalens 3 of the optical system 102.
  • the outer diameter of the spherical body 35 In addition to the structure in which at least one of the height and the interval between two adjacent spherical bodies 35 changes monotonically, such a structure is used as a structural unit, and the structural unit is the radial direction with respect to the central axis C4 of the phase grating. contains periodic structures that are arranged periodically.
  • optical system 104 according to Embodiment 4 will be described.
  • the optical system 104 according to the fourth embodiment has basically the same configuration as the optical systems 101 to 103 of any of the first to third embodiments and has the same effects, but the second waveguide is a thin wire waveguide. It differs from the optical systems 101 to 103 in that it is a photonic crystal waveguide rather than a photonic crystal waveguide. The following will mainly explain the differences between the optical system 104 and the optical systems 101 to 103.
  • the photonics element 2 includes a crystal slab 2D, a first cladding layer 2B1, and a second cladding layer 2B2.
  • the second waveguide is part of the crystal slab 2D.
  • the crystal slab 2D has two regions 2D1 and 2D2 in which a plurality of through holes 2E are formed, and a region 2D3 sandwiched between these two regions 2D1 and 2D2 in which a plurality of through holes 2E are not formed. are doing.
  • the material constituting the crystal slab 2D includes, for example, at least one selected from the group consisting of polytetrafluoroethylene (PTFE), polyimide, and cyclic olefin polymer (COP).
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • COP cyclic olefin polymer
  • the opening shape of the plurality of through holes 2E is, for example, circular.
  • the centers of each of the plurality of through holes 2E are arranged to form lattice points of a regular hexagonal lattice.
  • the hole diameter of each of the plurality of through holes 2E and the interval between two adjacent through holes 2E are set so that light of the target wavelength does not propagate through the region 2D1 and the region 2D2. From a different perspective, the hole diameter of each of the plurality of through holes 2E and the interval between two adjacent through holes 2E are set such that the region 2D3 where no through hole 2E is formed forms a photonic crystal waveguide. There is.
  • the first cladding layer 2B1 and the second cladding layer 2B2 are arranged to sandwich the crystal slab 2D.
  • the refractive index of the material forming each of the first cladding layer 2B1 and the second cladding layer 2B2 is lower than the refractive index of the material forming the crystal slab 2D.
  • the material constituting each of the first cladding layer 2B1 and the second cladding layer 2B2 includes, for example, SiO 2 . Note that one or both of the first cladding layer 2B1 and the second cladding layer 2B2 may be an air layer.
  • the optical system 104 is provided to propagate, for example, terahertz waves.
  • the target wavelength of the optical system 104 is, for example, 30 ⁇ m or more and 3 mm or less.
  • the optical fiber 1 is a metal hollow optical fiber and may include a hollow portion 1C, a metal layer 1D, and a cladding 1B.
  • the hollow portion 1C is filled with air.
  • the metal layer 1D has an inner circumferential surface facing the hollow portion 1C and an outer circumferential surface in contact with the inner circumferential surface of the cladding 1B.
  • the material constituting the metal layer 1D is not particularly limited, but includes silver (Ag), for example.
  • the thickness of the metal layer 1D is, for example, several nm or more and several 100 nm or less.
  • the outer diameter of the metal layer 1D is, for example, 1 mm or less.
  • the propagation direction of light is not limited.
  • the light may propagate from the core 1A, where the optical spot size is relatively large, through the metalens 3, to the Si waveguide 2A, where the optical spot size is relatively small, or in the opposite direction, through the Si waveguide 2A, where the optical spot size is relatively small. It may also propagate from 2A to the core 1A via the metalens 3.
  • the optical system 104 is suitable for propagating terahertz waves.
  • the material constituting the crystal slab 2D includes at least one selected from the group consisting of polytetrafluoroethylene (PTFE), polyimide, and cyclic olefin polymer (COP) as described above.
  • the light propagated by the optical system 104 is not limited to terahertz waves.
  • the target wavelength of the optical system 104 may be shorter than the terahertz wave, and in this case, the material forming the crystal slab 2D may be Si.
  • optical system 105 according to Embodiment 5 With reference to FIG. 20, optical system 105 according to Embodiment 5 will be described.
  • the optical system 105 according to the fifth embodiment has basically the same configuration as the optical systems 101 to 103 of any of the first to third embodiments and has the same effect, but the Si waveguide 2A is a thin wire waveguide. It differs from the optical systems 101 to 103 in that it is a rib-type waveguide rather than a rib-type waveguide. The following will mainly explain the differences between the optical system 105 and the optical systems 101 to 103.
  • the Si waveguide 2A has a relative width in a direction perpendicular to the stacking direction of the Si substrate 2C, the first cladding layer 2B1, the Si waveguide 2A, and the second cladding layer 2B2, and the extending direction of the Si waveguide 2A. It has a slab part 21 that is relatively wide, and a ridge part 22 that protrudes from the slab part 21 to the side opposite to the first cladding layer 2B1 and has a relatively narrow width in that direction. In the optical system 105, the ridge portion 22 and a portion of the slab portion 21 located near the ridge portion 22 constitute the Si waveguide 2A.
  • the propagation direction of light is not limited.
  • the light may propagate from the core 1A, where the optical spot size is relatively large, through the metalens 3, to the Si waveguide 2A, where the optical spot size is relatively small, or in the opposite direction, through the Si waveguide 2A, where the optical spot size is relatively small. It may also propagate from 2A to the core 1A via the metalens 3.
  • the photonics element 2 may have a PIN structure. Specifically, when viewed from the stacking direction of the slab portion 21 and the ridge portion 22, the slab portion 21 has a p-type impurity region formed on one side with respect to the ridge portion 22, and a p-type impurity region formed on one side with respect to the ridge portion 22. and an n-type impurity region formed on the other side.
  • the photonics element 2 may further include an electrode electrically connected to the p-type impurity region and an electrode electrically connected to the n-type impurity region.
  • optical system 106 according to the sixth embodiment will be described with reference to FIG. 21.
  • Optical system 106 according to Embodiment 6 has basically the same configuration as optical system 101 to 105 of any of Embodiments 1 to 5, and produces similar effects, but optical fiber 1 has a plurality of cores 1A. It differs from the optical systems 101 to 105 in that the metalens 3 includes a plurality of metasurfaces 3E. The following will mainly explain the differences between the optical system 106 and the optical systems 101 to 105.
  • the optical fiber 1 is a multi-core fiber.
  • Each of the plurality of cores 1A is, for example, a single mode fiber.
  • the cladding 1B separates the plurality of cores 1A.
  • the arrangement of the plurality of cores 1A in plan view is not limited.
  • the plurality of cores 1A shown in FIG. 21 are rotationally symmetrical with respect to the central axis C1 of the optical fiber 1.
  • the plurality of cores 1A may be arranged such that the central axis of each core 1A forms a lattice point of a square lattice, a triangular lattice, or a hexagonal lattice.
  • the plurality of cores 1A do not have to be rotationally symmetrical with respect to the central axis C1 of the optical fiber 1.
  • Each of the plurality of cores 1A has, for example, mutually equivalent characteristics.
  • the plurality of cores 1A may have different characteristics from each other.
  • the optical fiber 1 includes a central core disposed on the central axis C1 of the optical fiber 1 in plan view, and a plurality of peripheral cores disposed around the central core and rotationally symmetrical to each other.
  • the core diameter of the central core may be larger than the core diameter of each peripheral core.
  • the dimension (core diameter W1) of the first end surface 1A1 of each core 1A is larger than each of the width W2 and the thickness T0 of the second end surface 2A1 of the second waveguide.
  • Each core diameter W1 is 1 ⁇ m or more and 20 ⁇ m or less, preferably 5 ⁇ m or more and 10 ⁇ m or less.
  • the metalens 3 focuses the light emitted from each of the plurality of cores 1A onto one second waveguide (for example, the Si waveguide 2A).
  • Light emitted from one core 1A enters each of the plurality of metasurfaces 3E. All of the light emitted from the plurality of metasurfaces 3E enters the Si waveguide 2A. That is, each metasurface 3E optically connects one core 1A and the Si waveguide 2A.
  • Each of the plurality of metasurfaces 3E is one of the above-mentioned metasurfaces 3A, metasurfaces 3B, metasurfaces 3C, and metasurfaces 3D.
  • Each of the plurality of metasurfaces 3E is provided so that the light emitted from each metasurface 3E is focused on the second end surface 2A1 of the Si waveguide 2A.
  • the propagation direction of the light emitted from each metasurface 3E is set so that the light emitted from each metasurface 3E is focused on the second end surface 2A1 of the Si waveguide 2A.
  • the arrangement of the plurality of metasurfaces 3E in plan view is set according to the arrangement of the plurality of cores 1A.
  • the plurality of metasurfaces 3E shown in FIG. 21 are rotationally symmetrical with respect to the central axis C1 of the optical fiber 1. If the rotational symmetry axis of the plurality of metasurfaces 3E is the central axis of the metalens 3, the central axis of the metalens 3 is arranged on the same straight line as the central axis C1 of the optical fiber 1.
  • the plurality of metasurfaces 3E may be arranged such that the center of each metasurface 3E forms a lattice point of a square lattice, a triangular lattice, or a hexagonal lattice. Furthermore, the plurality of metasurfaces 3E do not have to be rotationally symmetrical with respect to the central axis C1 of the optical fiber 1.
  • the plurality of electromagnetic wave scatterers of each metasurface 3E are arranged, for example, in a direction perpendicular to the propagation direction of light between the first end face and the second end face.
  • the plurality of uneven structures 31D of each metasurface 3A are arranged, for example, in a direction perpendicular to the central axis C1 of the core 1A and the central axis C2 of the Si waveguide 2A.
  • the central axis of the through hole 31C of each metasurface 3A is parallel to, for example, the central axis C1 of the core 1A and the central axis C2 of the Si waveguide 2A.
  • each metasurface 3E is a metasurface 3C or a metasurface 3D
  • the plurality of columnar bodies 32 or the plurality of spherical bodies 35 are arranged, for example, in a direction perpendicular to the central axis C1 of the core 1A and the central axis C2 of the Si waveguide 2A. Arranged.
  • FIG. 22 shows a configuration example in which each of the plurality of metasurfaces 3E is a metasurface 3A having a bull's eye structure, and the center of each metasurface 3E is arranged so as to form a lattice point of a square lattice in plan view. There is.
  • the center of each metasurface 3E (3A) means the center of the outline of each metasurface 3E.
  • the plurality of metasurfaces 3E (3A) are formed, for example, on one conductor layer 31 and supported by one substrate 4.
  • each of the plurality of metasurfaces 3E may be formed on a different conductor layer 31.
  • Each of the plurality of metasurfaces 3E may be supported by a mutually different substrate 4.
  • the propagation direction of the light emitted from each metasurface 3E (3A) toward the Si waveguide 2A is such that the light emitted from each metasurface 3E (3A) is directed toward the Si waveguide 2A. It is set to focus on the second end surface 2A1.
  • the central axis of the through hole 31C of each metasurface 3E (3A) is located on the opposite side of the focal point F with respect to the center of the metasurface 3E (3A). ing.
  • the central axis of the through hole 31C of each metasurface 3E (3A) may be arranged on a virtual straight line connecting the center of the metasurface 3E (3A) and the focal point F.
  • the central axis C5 of the through hole 31C of one metasurface 3E1 may be arranged on a virtual straight line connecting the center C6 of the metasurface 3E1 and the focal point F.
  • the central axis C7 of the through hole 31C of the metasurface 3E2 which is farther from the focal point F than the metasurface 3E1, may be arranged on a virtual straight line connecting the center C8 of the metasurface 3E2 and the focal point F.
  • the virtual straight line of the metasurface 3E2 may be arranged on the same straight line as the virtual straight line of the metasurface 3E1.
  • the distance between the center of each metasurface 3E (3A) and the central axis of the through hole 31C of the metasurface 3E (3A) is the distance between the center of the metasurface 3E and the metalens.
  • the distance between the central axis C5 of the through hole 31C of the metasurface 3E1 and the center C6 of the metasurface 3E1 is longer than the distance between the central axis C7 of the through hole 31C of the metasurface 3E2 and the center C8 of the metasurface 3E2. It can be short.
  • the propagation direction of light is not limited in the optical system 106 either.
  • the light may propagate from each of the plurality of cores 1A with a relatively large optical spot size, through each metasurface 3E of the metalens 3, to the Si waveguide 2A with a relatively small optical spot size.
  • the light may propagate from the Si waveguide 2A through each metasurface 3E of the metalens 3 to each of the plurality of cores 1A.
  • the plurality of electromagnetic wave scatterers of each metasurface 3E are arranged in a direction inclined at an obtuse angle or an acute angle with respect to the propagation direction of light between the first end surface and the second end surface.
  • the plurality of uneven structures 31D of each metasurface 3A form an obtuse or acute angle with respect to the central axis C1 of the core 1A and the central axis C2 of the Si waveguide 2A, for example. They may be arranged in an inclined direction.
  • each metasurface 3E is a metasurface 3C or a metasurface 3D
  • the plurality of columnar bodies 32 or the plurality of spherical bodies 35 form an obtuse or acute angle with the central axis C1 of the core 1A and the central axis C2 of the Si waveguide 2A. They may be arranged in the direction. In such a case, if each metasurface 3E is supported by a different substrate 4, the distance between each metasurface 3E and the first end surface 1A1 of each core 1A should be as short as possible. They may be set equal to each other.
  • the photonics element 2 may include a plurality of second waveguides.
  • the number of second waveguides may be less than or equal to the number of first waveguides. As shown in FIG. 23, the number of second waveguides may be equal to the number of first waveguides.
  • the light emitted from each of the plurality of cores 1A may pass through different metasurfaces 3E and enter different Si waveguides 2A.
  • the optical system 106 is an optical system realized in the optical systems 101 to 105 (one first waveguide and one second waveguide are optically connected via one metalens (metasurface 3E)).
  • the optical system may include multiple sets of optical systems.
  • the plurality of optical systems may have mutually equivalent configurations or may have mutually different configurations. Although the arrangement of the plurality of optical systems is not particularly limited, they may be arranged side by side in the horizontal direction, for example.
  • optical system 107 according to Embodiment 7 will be described.
  • Optical system 107 according to Embodiment 7 is different from optical systems 101 to 106 in that it further includes an information output section 201 and an information input section 202 in addition to optical systems 101 to 106 of any of Embodiments 1 to 6. is different. The following will mainly explain the differences between optical system 107 and optical systems 101 to 106.
  • the information output unit 201 includes, for example, an electronic circuit, a photoelectric conversion unit (i.e., a light source) that outputs an optical signal according to an electric signal flowing through the electronic circuit, and a phase modulation of the optical signal output from the photoelectric conversion unit. It includes an optical modulator and a condensing element that condenses the light phase-modulated by the optical modulator.
  • the information input section 202 includes, for example, an optical modulator, a photoelectric conversion section, and an electronic circuit.
  • the core 1A of any one of the optical systems 101 to 106 is optically connected to the information output section 201 that outputs an optical signal, and the Si waveguide 2A is connected to the optical signal input.
  • the information input unit 202 may be optically connected to the information input unit 202.
  • the core 1A is optically connected to the condensing element of the information output section 201.
  • Light focused by the light focusing element is incident on the core 1A.
  • the Si waveguide 2A is optically connected to the optical modulator of the information input section 202.
  • the light emitted from the Si waveguide 2A is phase modulated by the optical modulator of the information input section 202, then converted into an electronic signal by the photoelectric conversion section, and transmitted to the electronic circuit.
  • the signal is transmitted to the electronic circuit of the information output section 201, the photoelectric conversion section, the optical modulator, the condensing element, the core 1A of any of the optical systems 101 to 106, the metalens 3,
  • the light is transmitted in this order through the Si waveguide 2A, the optical modulator of the information input section 202, the photoelectric conversion section, and the electronic circuit.
  • the Si waveguide 2A is optically connected to the optical modulator of the information output section 201.
  • the core 1A is optically connected to a condensing element of the information input section 202.
  • the signal is transmitted to the electronic circuit of the information output section 201, the photoelectric conversion section, the optical modulator, the Si waveguide 2A of any of the optical systems 101 to 106, the metalens 3, and the core 1A. , the light condensing element of the information input section 202, the optical modulator, the photoelectric conversion section, and the electronic circuit in this order.
  • the information output unit 201 only needs to include at least a light source that outputs an optical signal. Furthermore, the information output unit 201 may include an optical lens as a condensing element, or may include the metalens 3 of the optical systems 101 to 106.
  • metalens having a bull's-eye structured metasurface having the planar structure shown in FIG. 3 and the cross-sectional structure shown in FIG. 11 were produced. Specifically, an electron beam resist (NEB-22) is applied onto a glass substrate by spin coating, and then exposed to the electron beam resist using an electron beam lithography system (ELS-F125HS, ELIONIX) to create multiple resist patterns. were formed in concentric circles. The intervals between the plurality of resist patterns were set to 1550 nm, 1310 nm, 1000 nm, or 900 nm.
  • ELS-F125HS electron beam lithography system
  • a conductive film made of silver was formed on a glass substrate by a sputtering method using a magnetron sputter coater (Q-150TES, Quorum Technologies). Thereafter, the conductive film on the glass substrate was immersed in a dimethylacetamide solution to lift off the excess conductive film on the resist pattern.
  • the metalens 3 of Experimental Examples 1 to 7, which had the cross-sectional structure shown in FIG. 11 and in which the distance P between each of the plurality of concavo-convex structures 31D was different from each other according to the above-mentioned distance of the resist pattern was manufactured.
  • Experimental Example 8 consisting of only a glass substrate was prepared.
  • the ratio (W5/P) of the width (W5) of each of the plurality of annular grooves 31E to the interval P of each of the plurality of uneven structures 31D was set to 50%. Further, in each of Experimental Examples 1 to 7, the hole diameter (W3) of the through hole 31C was made equal to the above width (W5).
  • Each of Experimental Examples 1 to 8 was irradiated with light (linearly polarized light) with wavelengths of 1550 nm and 1310 nm so as to become collimated light.
  • the light was irradiated so as to be focused on the through hole 31C.
  • the light emitted from the metalens is imaged on an image sensor using an objective lens, and from the obtained image, the spread angle X on the polarization plane of linearly polarized light and the spread angle The spread angle Y was evaluated.
  • the light collection performance of each sample was evaluated based on the following criteria with respect to the spread angles X and Y described above. S: Less than 4.00° A: 4.00° or more and less than 5.50° B: 5.50° or more and less than 7.50° C: 7.50° or more and less than 9.00° D: 9.00° or more
  • Experimental Examples 9 to 13 using the electromagnetic calculation software MEEP, a metalens having a bull's-eye structure metasurface having the planar structure shown in FIG. 3 and the cross-sectional structure shown in FIG. 11 was designed.
  • Experimental Examples 9 to 13 had a common interval P of 1550 nm, and only the width W5 of each of the plurality of annular grooves 31E was different from each other. That is, in Experimental Examples 9 to 13, the ratio W5/P was different from each other.
  • the light focusing performance of each experimental example was calculated by simulating the transmitted intensity, reflected intensity, and electric field strength around the structure when a plane wave with a wavelength of 1550 nm was incident on each experimental example using the above calculation software.
  • the ratio of transmitted intensity to reflected intensity in the experimental example was evaluated based on the following criteria. S: 0.40 or more A: 0.20 or more and less than 0.40 B: 0.04 or more and less than 0.20
  • the ratio W5/P is .
  • Experimental Examples 9 to 11 where the ratio W5/P is higher than 43.0% the ratio of the transmitted intensity to the reflected intensity is 0.20 or more
  • Experimental Example 12 where the ratio W5/P is 43.0% or lower It was confirmed that it was higher than that of No. 13. In other words, it was confirmed that the light focusing performance of Experimental Examples 9 to 11 where the ratio W5/P is higher than 43.0% is higher than that of Experimental Examples 12 and 13 where the ratio W5/P is 43.0% or less. It was done.
  • the ratio of transmitted intensity to reflected intensity in Experimental Examples 9 and 10 where the ratio W5/P is higher than 50.0% is 0.40 or more, and is different from that in Experimental Example 11 where the ratio W5/P is 50.0%. It was confirmed that it was even higher. In other words, it was confirmed that the light focusing performance of Experimental Examples 9 and 10 where the ratio W5/P is higher than 50.0% is even higher than that of Experimental Example 11 where the ratio W5/P is 50.0%. Ta.
  • the light focusing performance of each experimental example was calculated by simulating the transmission spectrum and reflection spectrum when a plane wave with a wavelength within the range of 1300 nm to 1900 nm was incident on each experimental example using the electromagnetic calculation software described above. Based on the reflection intensity and transmission intensity of each experimental example, the transmission characteristics and reflection characteristics were evaluated based on the following criteria. Note that each intensity was a standardized intensity (arbitrary unit au). Evaluation criterion for transmission characteristics A: The presence of a peak with an intensity of 0.04 or more.Evaluation criterion for transmission characteristics: The presence of a peak with an intensity of 0.10 or more.Evaluation criterion for reflection characteristics A: An intensity of 0.04 over the entire wavelength range mentioned above. Evaluation criteria for reflection characteristics S: Intensity is less than 0.01 over the entire wavelength range above
  • a metalens having a bull's-eye structure metasurface having the planar structure shown in FIG. 9 and the cross-sectional structure shown in FIG. 11 was designed using the electromagnetic calculation software MEEP.
  • the first interval PA was 1550 nm in common
  • the ratio W5A/PA was 50% in common
  • only the unit shift amount S was changed stepwise.
  • the emission angle of light emitted from each experimental example when a plane wave with a wavelength of 1550 nm was incident on each experimental example was calculated using the electromagnetic calculation software described above.
  • electromagnetic calculation software MEEP was used to construct a metalens containing a phase grating, which includes a periodic structure in which the structural units shown in FIG. 11 are arranged periodically in the radial direction with respect to the central axis. , designed metalens with different diameters.
  • the diameter of the metalens in Experimental Example 22 was 10 ⁇ m
  • the diameter of the metalens in Experimental Example 23 was 20 ⁇ m
  • the diameter of the metalens in Experimental Example 24 was 40 ⁇ m.
  • the refractive index of each columnar body was 3.5
  • NA was 0.7. Note that the diameter of the metalens was set within the range of 10 ⁇ m to 40 ⁇ m, which can be assumed as the core diameter of the optical fiber 1.
  • Relational expression (3) is a relational expression between the phase difference that each metalens including the phase grating gives to light of the target wavelength ⁇ at a distance r from its central axis and the focal length f of each metalens.
  • the focal length f was calculated by substituting the diameter R of each metalens of Experimental Examples 22 to 24 into the distance r.
  • the focal length f can be sufficiently shortened from the viewpoint of downsizing the optical system. It was confirmed that when the diameter of the metalens is 20 ⁇ m or more, the focal length f can be made sufficiently short from the viewpoint of downsizing the optical system even if the condensing angle ⁇ 2 is 20° or more. On the other hand, it has been confirmed that when the condensing angle ⁇ 2 is 70°, it is difficult to adjust the position in the optical axis direction when used as an optical system.
  • 1 Optical fiber 1A1 first end surface, 1A core, 1B, 2B cladding, 1C hollow section, 1D metal layer, 2 photonics element, 2A1 second end surface, 2A waveguide, 2B1 first cladding layer, 2B2 second cladding layer, 2C Si substrate, 2D crystal slab, 2E through hole, 21 slab part, 22 ridge part, 3 metalens, 3A, 3B, 3C, 3D, 3E, 3E1, 3E2 metasurface, 31C through hole, 31 conductor layer, 31A No.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Optical Integrated Circuits (AREA)
  • Optical Couplings Of Light Guides (AREA)

Abstract

光学システム（１０１）は、コア（１Ａ）と、光スポットサイズがコア（１Ａ）とは異なるＳｉ導波路（２Ａ）と、コア（１Ａ）とＳｉ導波路（２Ａ）との間を光学的に接続するメタレンズ（３）とを備える。メタレンズは、第１導波路と対向する第１面（３１Ａ）と、第１面とは反対側を向いている第２面（３１Ｂ）とを有する。メタレンズには、第１面と前記第２面との間を貫通する貫通孔（３１Ｃ）が形成されている。貫通孔の孔径は、対象波長よりも小さい。メタレンズは、導電体により構成されている。メタレンズの第１面には、第１面と、第１面に対して凹んでいる複数の環状溝（３１Ｄ）とにより構成されている複数の凹凸構造が形成されている。複数の凹凸構造は、平面視において貫通孔を囲むように環状に形成されている。

Description

光学システム
　本発明は、光学システムに関し、特にサイズの異なる２つの光導波路間を接続できる光学システムに関する。
　国際公開第２０１８／１０５７１２号（特許文献１）には、サイズの異なる２つの光導波路間を接続するためのポリマー導波路型のスポットサイズ変換器が記載されている。
　特開２０２１－１４８８５１号公報（特許文献２）には、複数の導波路コアを含む光集積回路と、複数の導波路コアの各々を光ファイバのコアとを接続するための光路変換部とを備える光電融合モジュールが記載されている。光路変換部は、スポットサイズコンバータ、曲面ミラー、メッキミラー、及びポリマー導波路を含む。
国際公開第２０１８／１０５７１２号 特開２０２１－１４８８５１号公報
　従来のスポットサイズ変換器及び光路変換部では、複数の導波路コアの各々と光ファイバのコアとの間の光路長が長くなる場合があり、小型化に改善の余地があった。
　本発明の１つの目的は、サイズの異なる２つの光導波路間を接続できる光学システムであって、従来よりも光路長を短くできる光学システムを提供することにある。
　本発明は、以下に示される光学システムを提供する。
　［１］　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、前記メタレンズの少なくとも前記第１面には、前記第１面と、前記第１面に対して凹んでいる複数の環状溝とにより構成されている複数の凹凸構造が形成されており、前記複数の凹凸構造は、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。
　［２］　対象波長λ（単位：ｎｍ）に対する前記複数の凹凸構造の各々の間隔Ｐ（単位：ｎｍ）の比率（Ｐ／λ）が、３０％以上１４０％以下である、［１］に記載の光学システム。
　［３］　前記貫通孔の中心軸に対する径方向における前記複数の凹凸構造の各々の前記間隔Ｐに対して、前記複数の環状溝の各々の幅Ｗ５（単位：ｎｍ）が成す比率（Ｗ５／Ｐ）は、１０％以上９５％以下である、［２］に記載の光学システム。
　［４］　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、［１］～[３］のいずれかに記載の光学システム。
　［５］　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、［１］～[３］のいずれかに記載の光学システム。
　［６］　前記複数の凹凸構造の各々の前記中心が、同一直線上に互いに等しい距離を隔てて並んで配置されており、前記貫通孔の中心軸と前記第２導波路の中心軸とが第１角度Θ1を成しており、前記第１角度Θ1が３°以上６０°以下である、［５］に記載の光学システム。
　［７］　前記第１角度Θ1が５°以上である場合、前記間隔Ｐ及び前記距離Ｓ（単位：ｎｍ）が以下の関係式（１）を満足する、［６］に記載の光学システム。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　［８］　前記対象波長の光に対して透明でありかつ前記メタレンズの前記第２面と接する第３面を有する基板をさらに備え、前記複数の環状溝の各々は、前記メタレンズの前記第１面と前記第２面との間を貫通し、かつ前記第３面の一部を露出させるように形成されている、［１］～［７］のいずれかに記載の光学システム。
　［９］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る、光学システム。
　［１０］前記メタレンズは、前記第１群の凸部及び前記第２群の凸部を含みかつ前記複数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が連続的または段階的に変化する構造単位が前記メタレンズの中心軸に対する径方向に周期的に配置されて成る周期構造を有している、［９］に記載の光学システム。
　［１１］前記メタレンズの前記周期構造に含まれる複数の前記構造単位のうち、前記中心軸に最も近い位置にある第１構造単位の前記径方向の幅は、前記中心軸に２番目に近い位置にある第２構造単位の前記径方向の幅よりも広い、［９］に記載の光学システム。
　［１２］　前記第１構造単位の前記径方向の幅は、１．００μｍ以上７．００μｍ以下である、［１１］に記載の光学システム。
　［１３］　前記複数の凸部の各々は、柱状体または球状体であり、
　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、［９］に記載の光学システム。　
　［１４］　前記複数の凸部のうち前記メタレンズの中心軸に対する径方向において最外に位置する前記凸部の前記第３面側に位置する最外端部と、前記第２導波路の中心軸と前記第２端面との交点とを結ぶ第１仮想直線が、前記メタレンズの前記中心軸と前記第３面との交点と、前記第２導波路の前記中心軸と前記第２端面との交点とを結ぶ第２仮想直線に対して成す集光角度が、２０°以上７０°以下である、［９］～［１３］のいずれかに記載の光学システム。
　［１５］　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、［１］または［９］のいずれかに記載の光学システム。
　［１６］　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、［１５］に記載の光学システム。
　［１７］　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、［１５］に記載の光学システム。
　［１８］　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、［１７］に記載の光学システム。
　［１９］　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、［１］または［９］のいずれかに記載の光学システム。
　［２０］　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、［１９］に記載の光学システム。
　本発明によれば、サイズの異なる２つの光導波路間を接続できる光学システムであって、従来よりも光路長が短い光学システムを提供できる。
実施の形態１に係る光学システムを説明するための分解斜視図である。 図１に示されるメタレンズを説明するための正面図である。 図２中の矢印ＩＩＩ－ＩＩＩから視たメタレンズ及び基板の断面図である。 実施の形態１に係る光学システムを説明するための断面図である。 実施の形態１に係る光学システムのメタレンズの第１変形例を説明するための正面図である。 図５中の矢印ＶＩ－ＶＩから視たメタレンズ及び基板の断面図である。 図５及び図６に示されるメタレンズを備える光学システムの第１例を説明するための断面図である。 図５及び図６に示されるメタレンズを備える光学システムの第２例を説明するための断面図である。 図５及び図６に示されるメタレンズの変形例を説明するための断面図である。 実施の形態１に係る光学システムのメタレンズの第２変形例を説明するための断面図である。 実施の形態１に係る光学システムのメタレンズの第３変形例を説明するための断面図である。 実施の形態１に係る光学システムのメタレンズの第４変形例を説明するための断面図である。 実施の形態２に係る光学システムを説明するための分解斜視図である。 図１３に示されるメタレンズを説明するための部分拡大正面図である。 図１３及び図１４に示されるメタレンズを説明するための部分拡大斜視図である。 実施の形態２に係る光学システムのメタレンズの集光角度を説明するための断面図である。 実施の形態３に係る光学システムを説明するための分解斜視図である。 図１７に示されるメタレンズを説明するための部分拡大斜視図である。 実施の形態４に係る光学システムを説明するための分解斜視図である。 実施の形態５に係る光学システムを説明するための分解斜視図である。 実施の形態６に係る光学システムを説明するための分解斜視図である。 実施の形態６に係る光学システムのメタレンズの一例を説明するための部分拡大平面図である。 実施の形態６に係る光学システムの変形例を説明するための分解斜視図である。 実施の形態７に係る光学システムの第１例を説明するための図である。 実施の形態７に係る光学システムの第２例を説明するための図である。
　以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には、同一の参照符号を付し、その説明は繰り返さない。
　本実施の形態において幾何学的な文言および位置・方向・大小関係を表す文言、たとえば「直交」、「同軸」、「同等」などの文言が用いられる場合、それらの文言は、製造誤差ないし若干の変動を許容する。
　＜光学システムの構成＞
　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。
　本明細書において、「光スポットサイズ」とは、伝搬する光の光電力分布がガウシアンであると仮定した場合に、その光電力が最大値の１／ｅ2になる領域の幅を意味する。第１導波路は、メタレンズと対向する第１端面を有する。第２導波路は、メタレンズと対向する第２端面を有する。本明細書では、第１導波路の第１端面での光スポットサイズを、第１導波路の「光スポットサイズ」と記載する。第２導波路の第２端面での光スポットサイズを、第２導波路の「光スポットサイズ」と記載する。第１導波路の光スポットサイズは、第２導波路の光スポットサイズよりも大きい。
　本明細書において「メタレンズ」とは、少なくとも１つのメタサーフェスを含み、第１導波路の第１端面及び第２導波路の第２端面のうちの一方から入射した光を他方において集光させる構造体を意味する。本明細書において「メタサーフェス」とは、第１端面と第２端面との間を光が伝搬する方向と交差する方向に配列されている複数の電磁波散乱体から成る構造体を意味する。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直交する方向に配列していてもよい。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。
　本実施の形態に係るメタレンズの集光原理は、特に制限されないが、その代表例を以下に列記する。第１例は、開口幅が対象波長よりも小さい微小開口が形成されているメタレンズにおいて、対象波長の光が照射されたときに、微小開口から漏れ出した光を回収するというものである。第１例では、好ましくは、メタサーフェスが光を微小開口に集めて微小開口から漏れ出す光の強度を増強させるように設けられている。第１例のメタレンズは、例えばブルズアイ構造のメタサーフェスを有している。第２例は、位相格子が形成されているメタレンズにおいて、対象波長の光が照射されたときに、位相格子の空間的に異なる部分で回折した光に位相差を与えて集光するというものである。第２例のメタレンズは、例えば金属又は誘電体からなる複数の微粒子と光を共鳴させることにより位相差を与えるように設けられている共鳴型位相格子を含んでいてもよい。また、第２例のメタレンズは、例えば複数の誘電体導波路又は金属ギャップ導波路（MIM（Metal-Insulator-Metal）導波路）の各々を伝搬する光に位相差を与えるように設けられている導波路型位相格子を含んでいてもよい。
　本実施の形態に係る光学システムでは、対象波長の光は、光スポットサイズが相対的に大きい第１導波路から、メタレンズを経て、光スポットサイズが相対的に小さい第２導波路へ伝搬してもよい。本実施の形態に係る光学システムは、光スポットサイズが相対的に大きい第１導波路から、メタレンズを経て、光スポットサイズが相対的に小さい第２導波路へ伝搬する形態に、特に好適である。他方、本実施の形態に係る光学システムでは、対象波長の光は、上記とは逆方向に、第２導波路からメタレンズを経て、第１導波路に伝搬してもよい。後者の場合、メタレンズの焦点が第２導波路の第２端面にあっていれば、第２端面から出射される光は、メタレンズを経由して増径されたうえで第１導波路の第１端面側へ平行光として出射される。
　本明細書では、メタレンズから第１端面に伝搬する光の第１端面での光スポットサイズを第１光スポットサイズと記載する。メタレンズから第２端面に伝搬する光の第２端面での光スポットサイズを第２光スポットサイズと記載する。好ましくは、メタレンズ３は、第１光スポットサイズとコア１Ａの光スポットサイズとの差が可能な限り小さく、かつ第２光スポットサイズとＳｉ導波路２Ａの光スポットサイズとの差が可能な限り小さくなるように、設けられている。このようにすれば、第１導波路と第２導波路との間での光の伝達効率が高められる。より好ましくは、メタレンズは、第１光スポットサイズがコア１Ａの光スポットサイズと等しく、かつ第２光スポットサイズがＳｉ導波路２Ａの光スポットサイズと等しくなるように、設けられている。このようにすれば、第１導波路と第２導波路との間での光の伝達効率が最も高められる。
　光が第１導波路から第２導波路に伝搬する場合において、メタレンズは、第１導波路から入射した光を第２導波路に集める。言い換えると、メタレンズは、第１導波路から入射した光のスポットサイズを第２光スポットサイズと同等程度にまで小さくする。メタレンズは、光が第２導波路から第１導波路に伝搬する場合において、前者の場合とは逆の過程を生じさせて、第２導波路から入射した光を第１導波路に拡げる。言い換えると、メタレンズは、第２導波路から入射した光のスポットサイズを第１光スポットサイズと同等程度にまで大きくする。
　本実施の形態に係る光学システムは、メタレンズを備えるため、第１導波路と第２導波路とを光学的に接続するポリマー導波路を備える従来の光学システムと比べて、第１導波路と第２導波路との間の光路長が短くなり得る。
　本明細書において、「平面視」とは、第１導波路と第２導波路との間で光が伝搬する方向（以下、光軸方向とも記載する）からメタレンズを視た視点を意味する。平面視において、複数の電磁波散乱体の配列は、周期的又は非周期的である。複数の電磁波散乱体の各々の光軸方向の寸法（以下、厚さとも記載する）、光軸方向と直交する方向の寸法（以下、幅とも記載する）、及び隣り合う２つの電磁波散乱体の間隔の少なくともいずれかは、光学システムを伝搬する光の波長（以下、対象波長とも記載する）と同等あるいは対象波長未満である。好ましくは、複数の電磁波散乱体の各々の厚さ、幅、及び間隔が、いずれも対象波長以下である。
　なお、複数の電磁波散乱体の各々の厚さ、幅、及び間隔のいずれかは、例えば対象波長を超えていてもよい。この場合、複数の電磁波散乱体の各々の厚さ、幅、及び間隔のうちの他のパラメータが、対象波長未満であればよい。また、この場合、対象波長を超えている複数の電磁波散乱体の各々の厚さ、幅、または間隔は、対象波長の２倍以下である。
　対象波長は、特に制限されないが、例えば３００ｎｍ以上３ｍｍ以下である。言い換えると、光学システムは、例えば可視光、赤外線、及びテラヘルツ波の少なくともいずれかを伝搬するように設けられている。
　本実施の形態に係る第１導波路は、例えば光ファイバのコアである。第１導波路は、例えばシングルコアファイバ又はマルチコアファイバのコアである。本実施の形態に係る第２導波路は、例えば細線導波路、リブ型導波路、又はフォトニック結晶導波路である。
　以下に、本実施の形態に係る光学システムを例示する。
　（実施の形態１）
　＜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。
　（１）光ファイバ
　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。
　なお、光ファイバ１は、対象波長の光をマルチモードで伝搬させるマルチモードファイバであってもよい。この場合、コア１Ａのコア径Ｗ１は、例えば２０μｍ以上７０μｍ以下であってもよい。
　（２）フォトニクス素子
　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。
　図１に示されるように、クラッド２Ｂは、第１クラッド層２Ｂ１と、第２クラッド層２Ｂ２とを含む。第１クラッド層２Ｂ１は、Ｓｉ基板２Ｃ上に配置されており、Ｓｉ導波路２ＡとＳｉ基板２Ｃとの間を隔てている。Ｓｉ導波路２Ａは、第１クラッド層２Ｂ１上に配置されている。第２クラッド層２Ｂ２は、Ｓｉ導波路２Ａ及び第１クラッド層２Ｂ１各々の上に配置されている。第１クラッド層２Ｂ１及び第２クラッド層２Ｂ２の各々を構成する材料は、例えば酸化ケイ素（ＳｉＯ2）を含む。
　図１に示されるように、第２クラッド層２Ｂ２の少なくとも一部は、空気クラッド層であってもよい。なお、第２クラッド層２Ｂ２の全部が、空気クラッド層であってもよい。
　Ｓｉ導波路２Ａの光スポットサイズは、コア１Ａの光スポットサイズよりも小さい。Ｓｉ導波路２Ａの第２端面２Ａ１の幅Ｗ２及び厚さＴ０の各々は、コア１Ａのコア径Ｗ１よりも小さい。Ｓｉ導波路２Ａの幅Ｗ２及び厚さＴｏの各々は、１μｍ未満であり、好ましくは１００ｎｍ以上５００ｎｍ未満である。なお、例えばＳｉ導波路２Ａが台形形状などのように幅Ｗ２が長短の幅を持ちうる場合、幅の短い方が上記長さを満たすことが好ましく、長短幅どちらも上記長さを満たすことがさらに好ましい。コア１Ａの第１端面１Ａ１の面積（以下、第１面積とも記載する）は、Ｓｉ導波路２Ａの第２端面２Ａ１の面積（以下、第２面積とも記載する）よりも大きい。第２面積に対する第１面積の比率は、１０以上であってもよく、２５以上であってもよく、５０以上であってもよく、１００以上であってもよく、５００以上であってもよく、１０００以上であってもよい。
　（３）メタレンズ
　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～図３に示されるように、メタレンズ３は、ブルズアイ構造のメタサーフェス３Ａを含む。つまり、光学システム１０１のメタレンズ３の集光原理は、上記第１例である。メタサーフェス３Ａは、導電体層３１に形成されている。
　導電体層３１は、コア１Ａの第１端面１Ａ１と対向する第１面３１Ａと、第１面３１Ａとは反対側に位置する第２面３１Ｂとを有する。第１面３１Ａ及び第２面３１Ｂの各々は、例えばコア１Ａの中心軸Ｃ１及びＳｉ導波路２Ａの中心軸Ｃ２の各々と直交している。導電体層３１を構成する材料は、対象波長の光が入射したときに表面プラズモンが共鳴的に励起される得る限りにおいて、任意の導電体であればよいが、好ましくは無機材料であり、例えば、金、銀、銅、白金、アルミニウム又はそれらの合金を含んでいてよい。導電体層３１を構成する材料は、好ましくは銀を含む。
　図２及び図３に示されるように、導電体層３１には、微少開口部としての貫通孔３１Ｃが形成されている。貫通孔３１Ｃは、第１面３１Ａと第２面３１Ｂとの間を貫通する。貫通孔３１Ｃの平面形状は、例えば円形状である。
　平面視において、貫通孔３１Ｃの少なくとも一部は、コア１Ａ及びＳｉ導波路２Ａと重なるように配置されている。好ましくは、平面視において、貫通孔３１Ｃの中心軸Ｃ３（孔軸）は、コア１Ａ及びＳｉ導波路２Ａと重なるように配置されている。より好ましくは、貫通孔３１Ｃの中心軸Ｃ３は、コア１Ａの中心軸Ｃ１及びＳｉ導波路２Ａの中心軸Ｃ２の各々と同一直線上に配置されている。
　図２及び図３に示されるように、導電体層３１の第１面３１Ａには、複数の凹凸構造３１Ｄが形成されている。複数の凹凸構造３１Ｄは、第１面３１Ａと、第１面３１Ａに対して凹んでいる複数の環状溝３１Ｅとにより構成されている。異なる観点から言えば、導電体層３１には、複数の環状溝３１Ｅの底面から突出しており第１面３１Ａを有する複数の凸部３１Ｆ（図３参照）が形成されている。
　図２に示されるように、平面視において、複数の凹凸構造３１Ｄの各々は、貫通孔３１Ｃを囲むように円環状に形成されている。平面視において、複数の凹凸構造３１Ｄの各々の中心は、互いに重なっている。平面視において、複数の凹凸構造３１Ｄの各々の中心は、貫通孔３１Ｃの中心（中心軸Ｃ３）と重なっている。
　凹凸構造３１Ｄの数は、特に制限されないが、３以上３０以下であってよい。凹凸構造の数が少なければ、集光性能を示す対象波長の範囲を広くでき、凹凸構造の数が多ければ、対象波長の範囲が狭まり波長選択性を高めることができる。
　複数の凹凸構造３１Ｄの表面、すなわち第１面３１Ａ並びに複数の環状溝３１Ｅの壁面及び底面は、例えば空気と接している。複数の凹凸構造３１Ｄの表面は、任意の誘電体と接していてもよい。メタレンズ３は、複数の環状溝３１Ｅの各々の表面を覆う誘電体膜をさらに含んでいてもよい。複数の凹凸構造３１Ｄは、誘電体膜によって平坦化されていてもよい。
　図２及び図３に示されるように、複数の凹凸構造３１Ｄの外周縁は、例えば環状溝３１Ｅにより構成されている。複数の凹凸構造３１Ｄの寸法は、例えば互いに同等である。好ましくは、複数の凹凸構造３１Ｄの外周縁の幅Ｗ４は、コア１Ａのコア径Ｗ１と同等である。
　なお、複数の凹凸構造３１Ｄの外周縁は、第１面３１Ａにより構成されていてもよい。複数の凹凸構造３１Ｄは、第１面３１Ａと、第１面３１Ａから突出している複数の環状凸部により構成されていてもよい。この場合、複数の凹凸構造３１Ｄの外周縁は、環状凸部により構成されていてもよいし、第１面３１Ａにより構成されていてもよい。
　光学システム１０１では、光の伝搬方向が制限されない。光は、光スポットサイズが相対的に大きいコア１Ａから、メタレンズ３を経て、光スポットサイズが相対的に小さいＳｉ導波路２Ａへ、方向Ａ（図１～図３参照）に沿って伝搬し得る。また、これとは逆方向に、光は、Ｓｉ導波路２Ａからメタレンズ３を経てコア１Ａへ、方向Ｂ（図１，図３参照）に沿って伝搬し得る。方向Ａ及び方向Ｂは、例えば水平方向に沿っている。なお、方向Ａ及び方向Ｂは、鉛直方向に沿っていてもよい。
　メタレンズ３から第１端面１Ａ１に伝搬する光の第１端面１Ａ１での光スポットサイズ（以下、第１光スポットサイズとも記載する）は、Ｓｉ導波路２Ａの光スポットサイズよりも大きく、好ましくはコア１Ａの光スポットサイズと等しい。メタレンズ３から第２端面２Ａ１に伝搬する光の第２端面２Ａ１での光スポットサイズ（以下、第２光スポットサイズとも記載する）は、コア１Ａの光スポットサイズよりも小さく、好ましくはＳｉ導波路２Ａの光スポットサイズと等しい。
　メタサーフェス３Ａを含むメタレンズ３は、対象波長の光がコア１Ａからメタサーフェス３Ａに入射した時に表面プラズモンを共鳴的に励起させ、表面プラズモンを微小開口部としての貫通孔３１Ｃに集め、第２光スポットサイズの光をＳｉ導波路２Ａに出射するように設けられている。また、メタレンズ３は、対象波長の光がＳｉ導波路２Ａから貫通孔３１Ｃに入射した時には、上記プロセスとは逆のプロセスにより第１光スポットサイズの光をコア１Ａに出射するように設けられている。
　メタサーフェス３Ａを構成する導電体層３１、貫通孔３１Ｃ、及び複数の凹凸構造３１Ｄの各々の寸法は、対象波長に応じて任意に選択され得る。導電体層３１の厚さＴ１（図１参照）は、特に制限されないが、好ましくは対象波長以下であり、より好ましくは対象波長未満であり、より好ましくは対象波長の半値以下であり、５０ｎｍ以上であってよいる。上記のように対象波長が１２６０ｎｍ以上１５６５ｎｍ以下である場合、厚さＴ１は、３００ｎｍ程度であってもよい。貫通孔３１Ｃの孔径Ｗ３は、対象波長以下であり、好ましくは対象波長よりも小さい。孔径Ｗ３は、例えば対象波長の半値程度である。貫通孔３１Ｃの中心軸Ｃ３に対する径方向における複数の環状溝３１Ｅの各々の幅Ｗ５、及び複数の環状溝３１Ｅの各々の深さＤは、それぞれ対象波長以下であり、好ましくは対象波長よりも小さい。複数の環状溝３１Ｅの各々の幅Ｗ５、及び複数の環状溝３１Ｅの各々の深さＤは、例えば対象波長の半値程度である。
　貫通孔３１Ｃの中心軸Ｃ３に対する径方向における複数の凹凸構造３１Ｄの各々の間隔Ｐは、特に制限されないが、対象波長と同等である。なお、複数の凹凸構造の間隔とは、隣り合う凸部間又は隣り合う凹部間のピッチ（周期）を意味する。具体的には、図３に示すように、一の凸凹構造３１Ｄの間隔（幅）Ｐを意味する。集光性能を高める観点から、対象波長に対する複数の凹凸構造３１Ｄの各々の間隔Ｐの比率は、３０％以上２００％以下であることが好ましい。対象波長に対する複数の凹凸構造３１Ｄの各々の間隔Ｐの比率は、好ましくは１４０％以下であり、より好ましくは１１０％以下であり、さらに好ましくは１００％未満である。対象波長に対する複数の凹凸構造３１Ｄの各々の間隔Ｐの比率は、好ましくは６０％以上であり、より好ましくは６５％超えであり、さらに好ましくは７０％以上である。
　貫通孔３１Ｃの中心軸Ｃ３に対する径方向における複数の凹凸構造３１Ｄの各々の間隔Ｐに対する複数の環状溝３１Ｅの各々の幅Ｗ５の比率（Ｗ５／Ｐ）は、特に制限されないが、１０％以上９５％以下であってよい。対象波長の反射率に対する透過率の比をより高める観点から、上記比率Ｗ５／Ｐは、３０％以上が好ましく、４５％以上がより好ましく、６０％以上がなおさらに好ましく、７０％以上が特に好ましく、８０％以上がなおさら特に好ましい。
　メタレンズ３の第２面３１Ｂは、例えば平面である。
　メタレンズ３の形成方法は特に制限されない。メタレンズ３は、以下のように形成されてもよい。第１に、導電体層３１が基板４の第３面４Ａ上に形成される。導電体層３１を形成する方法は、任意の方法であればよく、例えばスパッタリング法などであってもよい。第２に、導電体層３１がパターニングされ、貫通孔３１Ｃ及び複数の環状溝３１Ｅが形成される。導電体層３１をパターニングする方法は、任意の方法であればよく、例えば写真製版及びドライエッチング法などであってもよい。
　（４）基板
　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。
　基板４は、特に制限されないが、フレネル反射を抑制する観点から、屈折率の低い材から構成されることが好ましい。基板４は、例えばＳｉＯ2を含んでいてよく、ガラスを含むことがより好ましく、ガラスからなることがさらに好ましい。
　基板４の厚さＴ２は、例えば導電体層３１の厚さＴ１よりも厚い。好ましくは、導電体層３１の厚さＴ１と基板４の厚さＴ２との和が、コア１ＡとＳｉ導波路２Ａとを従来のポリマー導波路で光学的に接続する場合に必要とされるポリマー導波路の長さよりも短い。
　図４を参照して、コア１Ａの第１端面１Ａ１とメタレンズ３の第１面３１Ａとの間の最短距離Ｌ１と、Ｓｉ導波路２Ａの第２端面２Ａ１と基板４の第４面４Ｂとの間の最短距離Ｌ２とは、可能な限り短いことが好ましい。最短距離Ｌ１及び最短距離Ｌ２の各々は、メタレンズ３の導電体層３１の厚さＴ１（図３参照）よりも短くてもよい。
　光学システム１０１を伝搬する光は、コア１Ａ、メタレンズ３、基板４、及びＳｉ導波路２Ａを順に通過してもよいし、Ｓｉ導波路２Ａ、基板４、メタレンズ３、及びコア１Ａを順に通過してもよい。
　＜光学システム１０１の効果＞
　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。
　また、光学システム１０１では、光ファイバのコアとＳｉ導波路とを光学レンズによって接続する光学システムと比べて、コア１Ａ、Ｓｉ導波路２Ａ、及びメタレンズ３の各々の相対的な位置が製造誤差等によって変動する場合にも、コア１ＡとＳｉ導波路２Ａとの間での光の伝達効率が低下しにくい。具体的には、光ファイバのコアとＳｉ導波路とを光学レンズによって接続する光学システムでは、光学レンズとＳｉ導波路との間の距離が変動すると、光学レンズの焦点位置がＳｉ導波路に対して大きく変動して、伝達効率が著しく低くなるおそれがある。これに対し、光学システム１０１では、メタレンズ３には貫通孔３１Ｃが形成されているため、コア１Ａ又はＳｉ導波路２Ａからメタレンズ３に入射した光は貫通孔３１Ｃに集中した後、貫通孔３１Ｃを透過する。これにより、光学システム１０１では、メタレンズ３からＳｉ導波路２Ａ又はコア１Ａに出射する光の焦点が貫通孔３１Ｃ内に形成され、Ｓｉ導波路２Ａ又はコア１Ａには平行光が入射するとみなすことができる。そのため、光学システム１０１では、第１導波路と第２導波路との間での光の伝達効率が、コア１Ａとメタレンズ３との間の上記最短距離Ｌ１及びＳｉ導波路２Ａと基板４との間の上記最短距離Ｌ２が製造誤差等によって変動する影響を受けにくい。
　光学システム１０１において光が伝搬する方向Ａ又は方向Ｂは、任意の方向であればよく、例えば水平方向又は鉛直方向に沿っていてもよい。光学システム１０１によれば、光ファイバ１の第１端面１Ａ１及びＳｉ導波路２Ａの第２端面２Ａ１が水平方向に互いに対向する場合にも、光の伝搬方向をミラー等によって変更することなく、両者を光学的に接続できる。そのため、光学システム１０１の設計の自由度は、従来の光学システムと比べて高い。
　また、光ファイバのコアとＳｉ導波路とを複数のミラーによって接続する特許文献２に記載の光学システムでは、複数のミラーの各々の光軸が一度ずれてしまうと、これを修正することは不可能である。これに対し、光学システム１０１では、コア１Ａ、Ｓｉ導波路２Ａ、及びメタレンズ３の各々の相対的な位置を容易に再調整できるため、歩留まりの低下が抑制され得る。
　また、光学システム１０１では、複数の凹凸構造３１Ｄがメタレンズ３の貫通孔３１Ｃを囲むように形成されている。これにより、対象波長の光が複数の凹凸構造３１Ｄに入射した時には、共鳴的に励起された表面プラズモンが貫通孔３１Ｃに集まるため、導電体層３１に貫通孔３１Ｃのみが形成されている場合と比べて、メタレンズ３の透過する光をより効率的に回収でき、当該光の強度が高くなる。
　図３に示されるように、光学システム１０１では、コア１Ａからメタレンズ３に入射する光ＩＬの伝搬方向は、第１面３１Ａに対して垂直な方向に設定される。メタレンズ３からＳｉ導波路２Ａに出射する光ＴＬの伝搬方向は、コア１Ａからメタレンズ３に入射する光ＩＬの伝搬方向と平行となる。同様に、光学システム１０１では、Ｓｉ導波路２Ａからメタレンズ３に入射する光ＩＬの伝搬方向は、第２面３１Ｂに対して垂直な方向に設定される。メタレンズ３からコア１Ａに出射する光の伝搬方向は、光ＩＬがＳｉ導波路２Ａからメタレンズ３に入射する光の伝搬方向と平行となる。
　また、光学システム１０１では、メタレンズ３が無機材料により構成されていてもよい。この場合、光学システム１０１の耐熱性は、ポリマー導波路を備える光学システムと比べて、高い。
　＜メタレンズの変形例＞
　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。
　光学システム１０１は、図１～図４に示されるメタレンズ３に代えて、図５及び図６に示されるメタレンズ３を備えていてもよい。図５及び図６に示されるメタレンズ３は、図１～図４に示されるメタレンズ３と基本的に同様の構成を備えるが、メタサーフェス３Ａに代えてメタサーフェス３Ｂを含む点で、図１～図４に示されるメタレンズ３とは異なる。メタサーフェス３Ｂは、平面視において、複数の凹凸構造３１Ｄの各々の中心が貫通孔３１Ｃ（微小開口）の中心（中心軸Ｃ３）と重ならないように配置されている点で、メタサーフェス３Ａとは異なる。つまり、メタサーフェス３Ｂも、メタサーフェス３Ａと同様に、ブルズアイ構造を有している。以下、図５及び図６に示されるメタレンズ３及びメタサーフェス３Ｂが、図１～図４に示されるメタレンズ３及びメタサーフェス３Ｂとは異なる点を主に説明する。
　図５及び図６に示されるように、貫通孔３１Ｃの中心軸Ｃ３と直交する方向Ｃにおいて、貫通孔３１Ｃに対して一方の側に位置する複数の凹凸構造３１Ｄの各部分の間隔（周期）は、貫通孔３１Ｃに対して他方の側に位置する複数の凹凸構造３１Ｄの各部分の間隔（周期）よりも広い。以下では、上記方向Ｃにおいて貫通孔３１Ｃの一方の側に位置し、かつ相対的に広い間隔を空けて配置されている、複数の凹凸構造３１Ｄの各部分の間隔を、第１間隔ＰＡとも記載する。上記方向Ｃにおいて貫通孔３１Ｃの他方の側に位置し、かつ相対的に狭い間隔を空けて配置されている、複数の凹凸構造３１Ｄの各部分の間隔を、第２間隔ＰＢとも記載する。貫通孔３１Ｃに対して一方の側に位置する複数の凹凸構造３１Ｄの各部分の第１間隔ＰＡは、貫通孔３１Ｃから離れるにつれて徐々に広くなっている。貫通孔３１Ｃに対して他方の側に位置する複数の凹凸構造３１Ｄの各部分の第２間隔ＰＢは、例えば互いに等しい。
　言い換えると、貫通孔３１Ｃの中心軸Ｃ３と直交する第１方向Ｃにおいて、貫通孔３１Ｃに対して一方の側に位置する複数の環状溝３１Ｅの各部分の幅（以下、第１幅Ｗ５Ａとも記載する）は、貫通孔３１Ｃに対して他方の側に位置する複数の環状溝３１Ｅの各部分の幅（以下、第２幅Ｗ５Ｂとも記載する）よりも広い。貫通孔３１Ｃに対して一方の側に位置する複数の環状溝３１Ｅの各部分の第１幅Ｗ５Ａは、貫通孔３１Ｃから離れるにつれて徐々に広くなっている。貫通孔３１Ｃに対して他方の側に位置する複数の環状溝３１Ｅの各部分の第２幅Ｗ５Ｂは、例えば互いに等しい。
　図５及び図６に示されるメタサーフェス３Ｂにおいても、複数の凹凸構造３１Ｄは、対象波長に対する間隔Ｐの比率が３０％以上２００％以下である領域を有していてもよい。対象波長に対する複数の凹凸構造３１Ｄの各々の第１間隔ＰＡの比率は、例えば２００％以下であってもよく、好ましくは１４０％以下であり、より好ましくは１１０％以下であり、さらに好ましくは１００％未満である。同様に、対象波長に対する複数の凹凸構造３１Ｄの各々の第２間隔ＰＢの比率は、３０％以上であってよく、好ましくは６０％以上であり、より好ましくは６５％超えであり、さらに好ましくは７０％以上である。
　上記第１間隔ＰＡに対する第１幅Ｗ５Ａの比率（Ｗ５Ａ／ＰＡ）及び上記第２間隔ＰＢに対する第２幅Ｗ５Ｂの比率（Ｗ５Ｂ／ＰＢ）は、特に制限されないが、１０％以上９５％以下であってよい。対象波長の反射率に対する透過率の比をより高める観点から、上記比率Ｗ５Ａ／ＰＡ及び上記比率Ｗ５Ｂ／ＰＢの各々は、３０％以上が好ましく、４５％以上がより好ましく、６０％以上がなおさらに好ましく、８０％以上が特に好ましい。
　メタサーフェス３Ｂを備えるメタレンズ３においても、コア１Ａからメタレンズ３に入射する光ＩＬの伝搬方向は、第１面３１Ａに対して垂直な方向に設定される。メタサーフェス３Ｂを備えるメタレンズ３では、メタレンズ３からＳｉ導波路２Ａに出射する光ＴＬの伝搬方向は、光ＩＬがコア１Ａからメタレンズ３に入射する光ＩＬの伝搬方向に対して傾斜する。このため、図７に示されるように、メタサーフェス３Ｂを備えるメタレンズ３は、Ｓｉ導波路２Ａの中心軸Ｃ２がコア１Ａの中心軸Ｃ１に対して第１方向Ｃ側に傾斜する光学システムに好適である。また、図８に示されるように、メタサーフェス３Ｂを備えるメタレンズ３は、Ｓｉ導波路２Ａの中心軸Ｃ２がコア１Ａの中心軸Ｃ１と平行であるが、中心軸Ｃ１が第１方向Ｃにおいて中心軸Ｃ２と間隔を空けて配置される光学システムにも好適である。図７及び図８に示される各光学システムにおいても、コア１ＡとＳｉ導波路２Ａとの間での光の伝達効率が高い。
　なお、図７及び図８には、ブルズアイ構造のメタサーフェス３Ｂを備えるメタレンズ３の出射角度θ1が図示されている。図７における出射角度θ1は、Ｓｉ導波路２Ａの中心軸Ｃ２が貫通孔３１Ｃの中心軸Ｃ３（図７中で、Ｃ３はＣ１と一致）に対して成す角度（第１角度）である。図８における出射角度θ1は、貫通孔３１Ｃの中心軸Ｃ３（図８中で、Ｃ３はＣ１と一致）と基板４の第３面４Ａとの交点（メタサーフェス３Ｂの第２面３１Ｂ上に位置する貫通孔３１Ｃの中心軸Ｃ３の端部）と、Ｓｉ導波路２Ａの中心軸Ｃ２とＳｉ導波路２Ａの第２端面２Ａ１との交点（Ｓｉ導波路２Ａの第２端面２Ａ１上に位置するＳｉ導波路２Ａの中心軸Ｃ２の端部）とを結ぶ直線が貫通孔３１Ｃの中心軸Ｃ３に対して成す角度である。メタサーフェス３Ｂを備えるメタレンズ３の出射角度θ1は、特に制限されないが、例えば３°以上６０°以下であり、４５°以下であってもよい。当該出射角度θ1は、７°以上であってもよいし、１６°以上であってもよいし、３０°以上であってもよいし、４０°以上であってもよい。
　図９に示されるように、メタサーフェス３Ｂでは、複数の凹凸構造３１Ｄの各々の中心間の距離（以下、シフト量とも記載する）が互いに等しくてもよい。本明細書では、複数の凹凸構造３１Ｄにおいて隣り合う２つの凹凸構造３１Ｄの上記シフト量が互いに等しい図９に示される構成において、各シフト量を単位シフト量Ｓと記載する。図９に示されるメタサーフェス３Ｂを含むメタレンズ３では、単位シフト量Ｓに対する上記出射角度θ1の比率（θ1／Ｓ）が、０．１９以上であってもよいし、０．５８以上であってもよいし、２．００以上であってもよいし、３．３３以上であってもよいし、６．００以上であってもよいし、１０．００以上であってもよい。
　図９に示されるメタサーフェス３Ｂにおいて、上記第１間隔ＰＡは、例えば互いに等しい。この場合も、集光性能を高める観点から、対象波長に対する複数の凹凸構造３１Ｄの各々の第１間隔ＰＡの比率は、例えば２００％以下であってもよく、好ましくは１４０％以下であり、より好ましくは１１０％以下であり、さらに好ましくは１００％未満である。同様に、対象波長に対する複数の凹凸構造３１Ｄの各々の第１間隔ＰＡの比率は、３０％以上であってよく、好ましくは６０％以上であり、より好ましくは６５％超えであり、さらに好ましくは７０％以上である。なお、上記第１間隔ＰＡは、貫通孔３１Ｃから離れるにつれて徐々に広くなっていてもよい。
　本発明者らは、メタサーフェス３Ｂにおいて実現されるべき出射角度θ1が５°以上である場合に、メタサーフェス３Ｂの単位シフト量Ｓ（単位：ｎｍ）及び複数の凹凸構造３１Ｄの上記間隔Ｐ（単位：ｎｍ）が以下の関係式（１）を満たすように設けられていれば、上記出射角度θ1を実現できることを確認した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　光学システム１０１は、図１～図６に示されるメタレンズ３に代えて、図１０に示されるメタレンズ３を備えていてもよい。図１０に示されるメタレンズ３は、図１～図６に示されるメタレンズ３と基本的に同様の構成を備えるが、基板４の第４面４Ｂ上に配置されたメタサーフェス３Ａをさらに含む点で、図１～図６に示されるメタレンズ３とは異なる。第４面４Ｂ上に配置されているメタサーフェス３Ａは、第３面４Ａ上に配置されているメタサーフェス３Ａと、基板４に対して対称である。図１０に示されるメタレンズ３では、基板４の第３面４Ａ上に配置されているメタサーフェス３Ａとコア１Ａの第１端面１Ａ１との間の最短距離、及び基板４の第４面４Ｂ上に配置されているメタサーフェス３ＡとＳｉ導波路２Ａの第２端面２Ａ１との間の最短距離が、可能な限り短いことが好ましい。
　なお、光学システム１０１のメタレンズ３は、基板４の第３面４Ａ及び第４面４Ｂの少なくともいずれかの上に配置されたメタサーフェス３Ａ又はメタサーフェス３Ｂを含んでいればよい。
　光学システム１０１は、図１～図６に示されるメタレンズ３に代えて、図１１または図１２に示されるメタレンズ３を備えていてもよい。
　図１１に示されるメタレンズ３は、図１～図６に示されるメタレンズ３と基本的に同様の構成を備えるが、複数の凹凸構造３１Ｄ中の複数の環状溝３１Ｅの各々が、メタレンズ３の第１面３１Ａと第２面３１Ｂとの間を貫通し、基板４の第３面４Ａの一部を露出させるように形成されている点で、図１～図６に示されるメタレンズ３とは異なる。各環状溝３１Ｅの底面が基板４の第３面４Ａにより構成されている。異なる観点から言えば、図１１に示されるメタレンズ３は、図１～図６に示されるメタレンズ３と基本的に同様の構成を備えるが、複数の凹凸構造３１Ｄの各々が、基板４の第３面４Ａと、互いに分離されたアイランド状のパターンとして基板４の第３面４Ａ上に形成されている複数の凸部３１Ｆとにより構成されている点で、図１～図６に示されるメタレンズ３とは異なる。図１１に示されるメタレンズ３では、複数の環状溝３１Ｅの各々の深さは、貫通孔３１Ｃの深さと等しい。
　図１２に示されるメタレンズ３は、図１～図６に示されるメタレンズ３と基本的に同様の構成を備えるが、導電体層３１の第１面３１Ａ及び第２面３１Ｂの各々に、複数の凹凸構造が形成されている点で、図１～図６に示されるメタレンズ３とは異なる。
　第２面３１Ｂに形成されている複数の凹凸構造３１Ｇは、例えば、第１面３１Ａと第２面３１Ｂとの中間点上に位置する仮想的な対称面に対して、第１面３１Ａ上に形成されている複数の凹凸構造３１Ｄと面対称の関係にある。複数の凹凸構造３１Ｇは、第２面３１Ｂと、第２面３１Ｂに対して凹んでいる複数の環状溝３１Ｈとにより構成されている。異なる観点から言えば、導電体層３１には、複数の環状溝３１Ｈの底面から突出しており第２面３１Ｂを有する複数の凸部３１Ｉが形成されている。各凸部３１Ｉは、例えば第１面３１Ａと直交する方向において、各凸部３１Ｆと重なるように配置されている。第２面３１Ｂ、並びに、第２面３１Ｂ上に形成されている複数の環状溝３１Ｅの壁面及び底面が、基板４の第３面４Ａと接している。複数の環状溝３１Ｈ各々の幅は、複数の環状溝３１Ｅの幅Ｗ５と等しい。図１２に示されるメタレンズ３は、例えば複数の凸部３１Ｉが基板４の第３面４Ａの凹部内に形成された後、導電体層３１の残部が第３面４Ａ上に形成されることにより、製造され得る。
　（実施の形態２）
　図１３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。
　光学システム１０２のメタレンズ３は導波路型位相格子を含む。光学システム１０２のメタレンズ３の集光原理は上記第２例である。
　図１３に示されるように、メタレンズ３は、第３面４Ａ上に互いに間隔を空けて配置されている複数の柱状体３２（凸部）と複数の柱状体３２間を満たしている充填部３３とにより構成されているメタサーフェス３Ｃを含む。複数の柱状体３２の各々を構成する材料の屈折率は、充填部３３を構成する材料の屈折率より高い。複数の柱状体３２の各々の外形状は、例えば円柱状である。複数の柱状体３２の各々の中心軸は、コア１Ａの中心軸Ｃ１と平行である。複数の柱状体３２の各々の中心軸は、例えば基板４の第３面４Ａと直交している。複数の柱状体３２を構成する材料、及び充填部３３を構成する材料は、それぞれの屈折率が上記関係を満たす限りにおいて特に制限されない。複数の柱状体３２を構成する材料は、例えば誘電体であり、より好ましくは無機材料であり、具体的な一例としてＳｉを含む。複数の柱状体３２の表面は、例えば充填部３３としての空気層に接している。なお、充填部３３は、誘電体膜によって構成されていてもよい。複数の柱状体３２の表面は、誘電体膜と接していてもよい。複数の柱状体３２は、充填部３３に埋め込まれていてもよい。
　図１３に示されるように、メタレンズ３は、対象波長の光に対して透明でありかつ基板４の第３面４Ａ上に配置されている基材３４をさらに含んでいてもよい。複数の柱状体３２の各々は基材３４に固定されていてもよい。なお、メタレンズ３は基材３４を含まず、複数の柱状体３２の各々は基板４の第３面４Ａに固定されていてもよい。
　複数の柱状体３２の各々は、対象波長の光が伝搬する導波路を形成している。複数の柱状体３２の各々に入射した光の位相は、各柱状体３２を伝搬する過程で変化する。各柱状体３２を伝搬する光の位相の変化量は、当該柱状体３２と隣り合う他の柱状体３２との間隔Ｐ（ピッチ）に対する当該柱状体３２の外径Ｄ（最大幅）の比率Ｄ／Ｐが大きいほど、多くなる。各導波路を通過した光の位相の空間分布に応じて、メタレンズ３の焦点Ｆ（図１５参照）の位置は変化する。そのため、各柱状体３２を伝搬する光の位相の変化量はメタレンズ３の焦点Ｆが配置されるべき位置に応じて任意に設定されればよい。
　光学システム１０２では、複数の柱状体３２の各々の外径及び高さ、並びに隣り合う２つの柱状体３２の間隔の少なくともいずれかが、焦点までの距離に応じて上記径方向に連続的または段階的に変化するように設けられている。
　図１４に示されるように、平面視において、柱状体３２の外径及び隣り合う２つの柱状体３２の間隔の少なくともいずれかは、焦点までの距離に応じて、連続的又は段階的に変化することが好ましい。より好ましくは、平面視において、柱状体３２の外径及び隣り合う２つの柱状体３２の間隔の両方が、焦点までの距離に応じて、連続的又は段階的に変化する。好ましくは、平面視において、複数の柱状体３２の各々の外径は、メタレンズ３の焦点Ｆから離れるほど大きくなるように設けられている。好ましくは、平面視において、隣り合う２つの柱状体３２の間隔は、メタレンズ３の焦点Ｆから離れるほど小さくなるように設けられている。
　図１４及び図１５に示されるように、メタレンズ３は、位相の変化量が相対的に小さくなるように複数の柱状体３２が配置されている第１領域Ｒ１と、位相の変化量が相対的に大きくなるように複数の柱状体３２が配置されている第２領域Ｒ２とを含む。平面視において、第１領域Ｒ１は、第２領域Ｒ２よりも焦点Ｆに近い領域とされる。第２領域Ｒ２内に形成されている第２群の柱状体３２Ｂの間隔Ｐ２に対する第２群の柱状体３２Ｂの外径Ｄ２の比率Ｄ２／Ｐ２は、第１領域Ｒ１内に形成されている第１群の柱状体３２Ａの間隔Ｐ１に対する第１群の柱状体３２Ａの外径Ｄ１の比率Ｄ１／Ｐ１よりも大きい。これにより、第２群の柱状体３２Ｂの各々を伝搬した光ＴL２の位相の変化量は、第１群の柱状体３２Ａの各々を伝搬した光ＴＬ１の位相の変化量よりも多くなる。
　なお、焦点Ｆがメタレンズ３の位相格子の中心軸Ｃ４と同一直線上に配置される場合、平面視において、柱状体３２の外径及び隣り合う２つの柱状体３２の間隔の少なくともいずれかが、中心軸Ｃ４までの距離に応じて、連続的又は段階的に変化していればよい。例えば、平面視において、複数の柱状体３２の各々の外径がメタレンズ３の中心軸Ｃ４から離れるほど大きくなり、かつ隣り合う２つの柱状体３２の間隔がメタレンズ３の中心軸Ｃ４から離れるほど小さくなるように設けられていてもよい。
　複数の柱状体３２の各々の外径は、対象波長以下である。複数の柱状体３２の各々の外径は、例えば数１０ｎｍ以上１μｍ以下である。隣り合う２つの柱状体３２の間隔は、対象波長以下である。隣り合う２つの柱状体３２の間隔は、例えば数１０ｎｍ以上１．５５μｍ以下である。なお、隣り合う２つの柱状体３２の間隔とは、隣り合う２つの柱状体３２の中心軸間の距離を意味する。
　第２群の柱状体３２Ｂの高さＨ２は、例えば第１群の柱状体３２Ｂの高さＨ１よりも低い。なお、第２群の柱状体３２Ｂの高さＨ２は、例えば第１群の柱状体３２Ｂの高さＨ１と等しくてもよい。複数の柱状体３２の各々の高さの最大値は、コア１ＡとＳｉ導波路２Ａとを光学的に接続するための凸レンズの厚さよりも短い。複数の柱状体３２の各々の高さの最大値は、例えば２μｍ以下であり、１μｍ以下であってもよい。　
　なお、柱状体３２の外径及び高さ、並びに隣り合う２つの柱状体３２の間隔の少なくともいずれかが焦点までの距離に応じて連続的又は段階的に変化する構造には、図１４及び図１５に示されるように柱状体３２の外径及び高さ、並びに隣り合う２つの柱状体３２の間隔の少なくともいずれかが単調に変化する構造のみならず、このような構造を単位（以下、構造単位と記載する）として、当該構造単位が位相格子の中心軸Ｃ４に対する径方向に周期的に配置されている周期構造が含まれる。言い換えると、実施の形態２に係るメタレンズ３は、複数の柱状体３２の各々の高さ、最大幅、及びピッチの少なくともいずれかが連続的または段階的に変化する構造単位が上記径方向に周期的に配置されて成る周期構造を有していてもよい。
　光学システム１０２では、コア１Ａの第１端面１Ａ１とメタレンズ３との間の最短距離は、可能な限り短いことが好ましい。Ｓｉ導波路２Ａとメタレンズ３との間の最短距離は、可能な限り焦点距離ｆに近い値であることが好ましく、より好ましくは焦点距離ｆと等しい。
　光学システム１０２におけるコア１Ａの第１端面１Ａ１とＳｉ導波路２Ａの第２端面２Ａ１との間の光路長は、コア１ＡとＳｉ導波路２Ａとがポリマー導波路又は凸レンズによりを光学的に接続されている光学システムと比べて、短くなり得る。
　なお、光学システム１０２においても、光の伝搬方向が制限されない。光は、光スポットサイズが相対的に大きいコア１Ａから、メタレンズ３を経て、光スポットサイズが相対的に小さいＳｉ導波路２Ａへ伝搬してもよいし、これとは逆方向に、Ｓｉ導波路２Ａからメタレンズ３を経て、コア１Ａに伝搬してもよい。
　光学システム１０２のメタレンズ３の形成方法も特に制限されない。メタレンズ３の複数の柱状体３２は、誘電体膜が基板４の第３面４Ａ上に形成された後、当該誘電体膜がパターニングされることにより、形成されてもよい。例えば、基板４の第３面４Ａ上に形成された誘電体膜上にフォトレジストを塗布し、パターンを描画したマスク越しにフォトレジストを露光、現像した後、当該フォトレジストをマスクとして誘電体膜をエッチングすることにより形成されてもよい。また、複数の柱状体３２は、例えばスクリーン印刷法等によって形成されてもよい。
　光学システム１０２では、メタレンズ３の厚さ及び焦点深度によって制限されるコア１ＡとＳｉ導波路２Ａとの間の光路長は、コア１ＡとＳｉ導波路２Ａとを光学的に接続し得るポリマー導波路の光路長、又はコア１ＡとＳｉ導波路２Ａとを光学的に接続し得る凸レンズの厚さ及び焦点深度の和と比べて、短くなり得る。また、光学システム１０２では、凸レンズを備える光学システムと比べて、焦点位置の設計自由度が高く、焦点深度及び光の伝搬方向を容易に変更できる。
　なお、光学システム１０２のメタレンズ３は、基板４の第３面４Ａ又は第４面４Ｂの上に配置されていればよい。
　上述のように、柱状体３２の外径及び高さ、並びに隣り合う２つの柱状体３２の間隔の少なくともいずれかが焦点までの距離に応じて連続的又は段階的に変化する構造には、図１４及び図１５に示されるように柱状体３２の外径及び高さ、並びに隣り合う２つの柱状体３２の間隔の少なくともいずれかが単調に変化する構造のみならず、このような構造を構造単位として、当該構造単位が位相格子の中心軸Ｃ４に対する径方向に周期的に配置されている周期構造が含まれる。各構造単位は、上記第１領域Ｒ１と、上記第２領域Ｒ２とを含む。
　図１４に示される構造単位が位相格子の中心軸Ｃ４に対する径方向に周期的に配置されている周期構造では、各構造単位においてそれぞれの柱状体３２の位相の変化量が０～２πの範囲内となるように、各構造単位の上記径方向の幅が設定されていてよい。また、図１４に示される各構造単位において、位相格子の中心軸Ｃ４に最も近い柱状体３２を伝搬した光の位相に対する位相格子の中心軸Ｃ４から最も離れた柱状体３２を伝搬した光の位相の変化量が２πになるように、各構造単位の上記径方向の幅が設定されていることが好ましい。この場合、各構造単位において上記位相の変化量が２πとなるために必要とされる各構造単位の上記径方向の幅は、中心軸Ｃ４から離れるにつれて狭くなる。例えば、上記周期構造に含まれる複数の構造単位のうち、位相格子の中心軸Ｃ４に最も近い位置にある第１構造単位の上記径方向の幅は、位相格子の中心軸Ｃ４に２番目に近い位置にある第２構造単位の上記径方向の幅よりも広く設定される。また、各構造単位において上記位相の変化量が２πとなるために必要とされる各構造単位の上記径方向の幅は、メタレンズ３の直径に応じて変化する。直径が１０μｍであるメタレンズ３においては、上記第１構造単位において上記位相の変化量が２πとなるために必要とされる当該第１構造単位の上記径方向の幅は、１.００μｍ以上３．５０μｍ以下であることが好ましい。直径が２０μｍであるメタレンズ３においては、上記第１構造単位において上記位相の変化量が２πとなるために必要とされる当該第１構造単位の上記径方向の幅は、２.００μｍ以上５．００μｍ以下であることが好ましい。直径が４０μｍであるメタレンズ３においては、上記第１構造単位において上記位相の変化量が２πとなるために必要とされる当該第１構造単位の上記径方向の幅は、３.００μｍ以上７．００μｍ以下であることが好ましい。
　位相格子を含むメタレンズ３の焦点距離ｆ（単位：ｎｍ）、当該メタレンズ３の集光角度θ2、及び当該メタレンズ３の半径Ｒ（単位：ｎｍ）は、以下の関係式（２）を満たす。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　図１６には、メタサーフェス３Ｃを備えるメタレンズ３の焦点距離ｆ、半径Ｒ、及び集光角度θ2が図示されている。図１６に示される集光角度θ2は、第１仮想直線ＶＬ１が第２仮想直線ＶＬ２に対して成す角度である。第１仮想直線ＶＬ１は、複数の柱状体３２のうち中心軸Ｃ４に対する径方向において最外に位置する柱状体３２を伝搬した光の進路を示している。第１仮想直線ＶＬ１は、上記径方向において最外に位置する柱状体３２の基板４の第３面４Ａ側に位置する最外端部と、Ｓｉ導波路２Ａの中心軸Ｃ２と第２端面２Ａ１との交点とを結ぶ仮想直線である。第２仮想直線ＶＬ２は、メタサーフェス３Ｃの中心軸Ｃ３と基板４の第３面４Ａとの交点と、Ｓｉ導波路２Ａの中心軸Ｃ２と第２端面２Ａ１との交点とを結ぶ仮想直線である。中心軸Ｃ４と中心軸Ｃ２とが同一直線上に配置されている場合、第２仮想直線ＶＬ２はこれらと同一直線上に配置される。
　メタサーフェス３Ｃを備えるメタレンズ３の集光角度θ2は、例えば２０°以上７０°以下であり、好ましくは３０°以上６０°以下である。好ましくは、上記第２仮想直線ＶＬ２の長さは、焦点距離ｆに等しい。集光角度θ2が３０°以上６０°以下であれば、集光角度θ2が７０°である場合と比べて、メタレンズ３の開口数ＮＡが小さくなり、焦点深度が深くなるため、光軸方向においてＳｉ導波路２Ａに対するメタレンズ３の位置を調整しやすい。なお、メタレンズ３の開口数ＮＡは、メタレンズ３の集光角度θ2の正弦（Ｓｉｎθ2）に、メタレンズ３とＳｉ導波路２Ａとの間に存在する媒質の屈折率ｎを乗じて算出される。
　光学システム１０２のメタレンズ３では、開口数ＮＡが０．５以上であることが好ましく、０．７以上であることがより好ましい。Ｓｉ導波路２Ａでは、コアを構成するＳｉとクラッドを構成するＳｉＯ2との比屈折率差が大きいため、開口数（光の広がり）が大きいという特徴がある。メタレンズ３とＳｉ導波路２Ａとの結合効率を高めるには、メタレンズ３の開口数ＮＡはＳｉ導波路２Ａの開口数と同程度に大きいことが好ましい。
　＜メタレンズの変形例＞
　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。
　光学システム１０２において、複数の柱状体３２を構成する材料は、金属であってもよい。メタレンズ３の位相格子は、複数の誘電体導波路に代えて、複数のMIM導波路を含んでいてもよい。
　（実施の形態３）
　図１７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。
　図１７に示されるように、メタレンズ３は、第３面４Ａ上に互いに間隔を空けて配置されている複数の球状体３５（凸部）及び複数の球状体３５間を満たしている充填部３３を有するメタサーフェス３Ｄを含む。複数の球状体３５を構成する材料は、例えば誘電体である。充填部３３を構成する材料は、例えば空気である。充填部３３は、誘電体膜によって構成されていてもよい。複数の球状体３５の表面は、誘電体膜と接していてもよい。複数の球状体３５は、充填部３３に埋め込まれていてもよい。
　複数の球状体３５の各々は、対象波長の光とＭｉｅ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、光が共鳴により散乱する過程で変化する。球状体３５の外径Ｄが大きいほど、球状体３５と共鳴する光の周波数（共鳴周波数）は低くなり、各球状体３５と共鳴する光の波長（共鳴波長）が長くなる。各球状体３５に入射する光の波長が各球状体３５と共鳴する光の波長（共鳴波長）に対して長すぎない限りにおいて、各球状体３５と共鳴する光の波長（共鳴波長）が各球状体３５に入射する光の波長よりも長いほど、各球状体３５で散乱された光の位相の変化量は多くなる。この場合、各球状体３５で散乱された光の位相の変化量は、当該球状体３５の外径Ｄが大きいほど、多くなる。
　各球状体３５で散乱した光の位相の空間分布に応じて、メタレンズ３の焦点Ｆ（図１８参照）の位置は変化する。そのため、各球状体３５にて散乱した光の位相の変化量はメタレンズ３の焦点Ｆが配置されるべき位置に応じて任意に設定されればよい。
　平面視において、球状体３５の外径は、焦点までの距離に応じて、連続的又は段階的に変化する。好ましくは、平面視において、複数の球状体３５の各々の外径は、メタレンズ３の焦点Ｆから離れるほど大きくなるように設けられている。
　図１８に示されるように、メタレンズ３は、位相の変化量が相対的に小さくなるように複数の球状体３５が配置されている第１領域Ｒ１と、位相の変化量が相対的に大きくなるように複数の球状体３５が配置されている第２領域Ｒ２とを含む。平面視において、第１領域Ｒ１は、第２領域Ｒ２よりも焦点Ｆに近い領域とされる。第２領域Ｒ２内に形成されている第２群の球状体３５の外径Ｄ２は、第１領域Ｒ１内に形成されている第１群の球状体３５Ａの外径Ｄ１よりも大きい。これにより、第２群の球状体３５Ｂの各々にて散乱した光ＴL２の位相の変化量は、第１群の球状体３５Ａの各々にて散乱した光ＴL１の位相の変化量よりも多くなる。
　なお、焦点Ｆがメタレンズ３の位相格子の中心軸Ｃ４と同一直線上に配置される場合、平面視において、球状体３５の外径が、中心軸Ｃ４までの距離に応じて、連続的又は段階的に変化していればよい。
　複数の球状体３５の各々の外径は、対象波長以下である。複数の球状体３５の各々の外径は、例えば数１０ｎｍ以上１μｍ以下である。
　光学システム１０３では、コア１Ａの第１端面１Ａ１とメタレンズ３との間の最短距離は、可能な限り短いことが好ましい。Ｓｉ導波路２Ａとメタレンズ３との間の最短距離は、可能な限り焦点距離ｆに近い値であることが好ましく、より好ましくは焦点距離ｆと等しい。
　光学システム１０３におけるコア１Ａの第１端面１Ａ１とＳｉ導波路２Ａの第２端面２Ａ１との間の光路長は、コア１ＡとＳｉ導波路２Ａとがポリマー導波路又は凸レンズによりを光学的に接続されている光学システムと比べて、短くなり得る。
　なお、光学システム１０３においても、光の伝搬方向が制限されない。光は、光スポットサイズが相対的に大きいコア１Ａから、メタレンズ３を経て、光スポットサイズが相対的に小さいＳｉ導波路２Ａへ伝搬してもよいし、これとは逆方向に、Ｓｉ導波路２Ａからメタレンズ３を経て、コア１Ａに伝搬してもよい。
　光学システム１０３のメタレンズ３の形成方法も特に制限されない。メタレンズ３の複数の球状体３５は、例えば公知のナノ粒子の製造方法により形成され得る。
　光学システム１０３では、メタレンズ３の厚さ及び焦点深度によって制限されるコア１ＡとＳｉ導波路２Ａとの間の光路長は、コア１ＡとＳｉ導波路２Ａとを光学的に接続し得るポリマー導波路の光路長、又はコア１ＡとＳｉ導波路２Ａとを光学的に接続し得る凸レンズの厚さ及び焦点深度の和と比べて、短くなり得る。また、光学システム１０３では、凸レンズを備える光学システムと比べて、焦点位置の設計自由度が高く、焦点深度及び光の伝搬方向を容易に変更できる。
　なお、光学システム１０３のメタレンズ３は、基板４の第３面４Ａ又は第４面４Ｂの上に配置されていればよい。
　＜メタレンズの変形例＞
　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。
　光学システム１０３のメタレンズ３も、光学システム１０２のメタレンズ３と同様に変形され得る。球状体３５の外径及び高さ、並びに隣り合う２つの球状体３５の間隔の少なくともいずれかが焦点までの距離に応じて連続的又は段階的に変化する構造には、球状体３５の外径及び高さ、並びに隣り合う２つの球状体３５の間隔の少なくともいずれかが単調に変化する構造のみならず、このような構造を構造単位として、当該構造単位が位相格子の中心軸Ｃ４に対する径方向に周期的に配置されている周期構造が含まれる。
　（実施の形態４）
　図１９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。
　フォトニクス素子２は、結晶スラブ２Ｄと、第１クラッド層２Ｂ１及び第２クラッド層２Ｂ２とを含む。第２導波路は、結晶スラブ２Ｄの一部分である。結晶スラブ２Ｄは、複数の貫通孔２Ｅが形成されている２つの領域２Ｄ１，２Ｄ２、及び、この２つの領域２Ｄ１，２Ｄ２に挟まれており複数の貫通孔２Ｅが形成されていない領域２Ｄ３を有している。結晶スラブ２Ｄを構成する材料は、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリイミド、及び環状オレフィンポリマー（ＣＯＰ）からなる群から選択される少なくともいずれかを含む。
　複数の貫通孔２Ｅの開口形状は、例えば円形状である。複数の貫通孔２Ｅの各々の中心は、正六角格子の格子点を成すように配置されている。複数の貫通孔２Ｅの各々の孔径及び隣り合う２つの貫通孔２Ｅの間隔は、対象波長の光が領域２Ｄ１及び領域２Ｄ２を伝搬しないように設けられている。異なる観点から言えば、複数の貫通孔２Ｅの各々の孔径及び隣り合う２つの貫通孔２Ｅの間隔は、貫通孔２Ｅが形成されていない領域２Ｄ３がフォトニック結晶導波路を成すように設けられている。
　第１クラッド層２Ｂ１及び第２クラッド層２Ｂ２は、結晶スラブ２Ｄを挟むように配置されている。第１クラッド層２Ｂ１及び第２クラッド層２Ｂ２の各々を構成する材料の屈折率は、結晶スラブ２Ｄを構成する材料よりも屈折率よりも低い。第１クラッド層２Ｂ１及び第２クラッド層２Ｂ２の各々を構成する材料は、例えばＳｉＯ2を含む。なお、第１クラッド層２Ｂ１及び第２クラッド層２Ｂ２の一方又は両方は、空気層であってもよい。
　光学システム１０４は、例えばテラヘルツ波を伝搬するように設けられている。光学システム１０４の対象波長は、例えば３０μｍ以上３ｍｍ以下である。光ファイバ１は、金属中空光ファイバであって、中空部１Ｃと、金属層１Ｄと、クラッド１Ｂとを含んでいてもよい。中空部１Ｃは、空気によって満たされている。金属層１Ｄは、中空部１Ｃに面している内周面とクラッド１Ｂの内周面と接している外周面とを有している。金属層１Ｄを構成する材料は、特に制限されないが、例えば銀（Ａｇ）を含む。金属層１Ｄの厚さは、例えば数ｎｍ以上数１００ｎｍ以下である。金属層１Ｄの外径は、例えば１ｍｍ以下である。
　なお、光学システム１０４においても、光の伝搬方向が制限されない。光は、光スポットサイズが相対的に大きいコア１Ａから、メタレンズ３を経て、光スポットサイズが相対的に小さいＳｉ導波路２Ａへ伝搬してもよいし、これとは逆方向に、Ｓｉ導波路２Ａからメタレンズ３を経て、コア１Ａに伝搬してもよい。
　上述のように、光学システム１０４は、テラヘルツ波を伝搬するための光学システムに好適である。この場合、結晶スラブ２Ｄを構成する材料は、上述のようにポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリイミド、及び環状オレフィンポリマー（ＣＯＰ）からなる群から選択される少なくともいずれかを含む。他方、光学システム１０４が伝搬する光は、テラヘルツ波に限られない。光学システム１０４の対象波長はテラヘルツ波よりも短くてもよく、この場合、結晶スラブ２Ｄを構成する材料は、Ｓｉであってもよい。
　（実施の形態５）
　図２０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。
　Ｓｉ導波路２Ａは、Ｓｉ基板２Ｃ、第１クラッド層２Ｂ１、Ｓｉ導波路２Ａ、及び第２クラッド層２Ｂ２の積層方向、並びにＳｉ導波路２Ａの延在方向の各々と直交する方向の幅が相対的に広いスラブ部２１と、スラブ部２１から第１クラッド層２Ｂ１とは反対側に突出しており当該方向の幅が相対的に狭いリッジ部２２とを有している。光学システム１０５では、リッジ部２２及びリッジ部２２の近傍に位置するスラブ部２１の一部分が、Ｓｉ導波路２Ａを構成する。
　なお、光学システム１０５においても、光の伝搬方向が制限されない。光は、光スポットサイズが相対的に大きいコア１Ａから、メタレンズ３を経て、光スポットサイズが相対的に小さいＳｉ導波路２Ａへ伝搬してもよいし、これとは逆方向に、Ｓｉ導波路２Ａからメタレンズ３を経て、コア１Ａに伝搬してもよい。
　光学システム１０５において、フォトニクス素子２は、ＰＩＮ構造を有していてもよい。具体的には、スラブ部２１とリッジ部２２との積層方向から視て、スラブ部２１は、リッジ部２２に対して一方の側に形成されているｐ型不純物領域と、リッジ部２２に対して他方の側に形成されているｎ型不純物領域とを有していてもよい。この場合、フォトニクス素子２は、ｐ型不純物領域と電気的に接続されている電極と、ｎ型不純物領域と電気的に接続されている電極とをさらに含んでいればよい。
　（実施の形態６）
　図２１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。
　光ファイバ１は、マルチコアファイバである。複数のコア１Ａの各々は、例えばシングルモードファイバである。平面視において、複数のコア１Ａは、互いに間隔を空けて配置されている。クラッド１Ｂは、複数のコア１Ａ間を隔てている。平面視における複数のコア１Ａの配列は、制限されない。図２１に示される複数のコア１Ａは、光ファイバ１の中心軸Ｃ１に対して互いに回転対称の関係にある。なお、平面視において、複数のコア１Ａは、各コア１Ａの中心軸が正方格子、三角格子、又は六角格子の格子点を成すように配置されていてもよい。また、複数のコア１Ａは、光ファイバ１の中心軸Ｃ１に対して互いに回転対称の関係になくてもよい。
　複数のコア１Ａの各々は、例えば互いに同等の特性を有している。なお、複数のコア１Ａは、互いに異なる特性を有していてもよい。例えば、光ファイバ１が、平面視において光ファイバ１の中心軸Ｃ１上に配置されている中央コアと、中心コアの周囲に配置されており互いに回転対称の関係にある複数の周辺コアとを含む場合、中央コアのコア径が各周辺コアのコア径よりも大きくてもよい。
　各コア１Ａの第１端面１Ａ１の寸法（コア径Ｗ１）は、第２導波路の第２端面２Ａ１の幅Ｗ２及び厚さＴ０の各々よりも大きい。各コア径Ｗ１は、１μｍ以上２０μｍ以下であり、好ましくは５μｍ以上１０μｍ以下である。
　メタレンズ３は、複数のコア１Ａの各々から出射した光を、１つの第２導波路（例えばＳｉ導波路２Ａ）に集光する。複数のメタサーフェス３Ｅの各々には、１つのコア１Ａから出射した光が入射する。複数のメタサーフェス３Ｅから出射した光は、いずれもＳｉ導波路２Ａに入射する。つまり、各メタサーフェス３Ｅは、１つのコア１ＡとＳｉ導波路２Ａとの間を光学的に接続している。
　複数のメタサーフェス３Ｅの各々は、上述したメタサーフェス３Ａ、メタサーフェス３Ｂ、メタサーフェス３Ｃ、及びメタサーフェス３Ｄのいずれかである。複数のメタサーフェス３Ｅの各々は、各メタサーフェス３Ｅから出射した光がＳｉ導波路２Ａの第２端面２Ａ１で焦点を結ぶように設けられている。具体的には、各メタサーフェス３Ｅから出射する光の伝搬方向が、各メタサーフェス３Ｅから出射した光がＳｉ導波路２Ａの第２端面２Ａ１で焦点を結ぶように設定されている。
　平面視における複数のメタサーフェス３Ｅの配列は、複数のコア１Ａの配列に応じて設定される。図２１に示される複数のメタサーフェス３Ｅは、光ファイバ１の中心軸Ｃ１に対して互いに回転対称の関係にある。複数のメタサーフェス３Ｅの回転対称軸をメタレンズ３の中心軸とすると、メタレンズ３の中心軸は光ファイバ１の中心軸Ｃ１と同一直線上に配置される。
　なお、平面視において、複数のメタサーフェス３Ｅは、各メタサーフェス３Ｅの中心が正方格子、三角格子、又は六角格子の格子点を成すように配置されていてもよい。また、複数のメタサーフェス３Ｅは、光ファイバ１の中心軸Ｃ１に対して互いに回転対称の関係になくてもよい。
　各メタサーフェス３Ｅの複数の電磁波散乱体は、例えば第１端面と第２端面との間の光の伝搬方向に対して直交する方向に配列している。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と直交する方向に配列している。各メタサーフェス３Ａの貫通孔３１Ｃの中心軸は、例えばコア１Ａの中心軸Ｃ１及びＳｉ導波路２Ａの中心軸Ｃ２と平行である。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、例えばコア１Ａの中心軸Ｃ１及びＳｉ導波路２Ａの中心軸Ｃ２と直交する方向に配列している。
　図２２は、複数のメタサーフェス３Ｅの各々がブルズアイ構造のメタサーフェス３Ａであって、平面視において各メタサーフェス３Ｅの中心が正方格子の格子点を成すように配置されている構成例を示している。各メタサーフェス３Ｅ（３Ａ）の中心とは、各メタサーフェス３Ｅの外形線の中心を意味する。複数のメタサーフェス３Ｅ（３Ａ）は、例えば１つの導電体層３１に形成されており、１つの基板４によって支持されている。
　なお、複数のメタサーフェス３Ｅの各々は、互いに異なる導電体層３１に形成されていてもよい。複数のメタサーフェス３Ｅの各々は、互いに異なる基板４に支持されていてもよい。
　図２２に示されるメタレンズ３においても、各メタサーフェス３Ｅ（３Ａ）からＳｉ導波路２Ａに向けて出射する光の伝搬方向は、各メタサーフェス３Ｅ（３Ａ）から出射した光がＳｉ導波路２Ａの第２端面２Ａ１で焦点を結ぶように設定されている。
　図２２に示されるように、平面視において、各メタサーフェス３Ｅ（３Ａ）の貫通孔３１Ｃの中心軸は、当該メタサーフェス３Ｅ（３Ａ）の中心に対して焦点Ｆとは反対側には配置されている。平面視において、各メタサーフェス３Ｅ（３Ａ）の貫通孔３１Ｃの中心軸は、当該メタサーフェス３Ｅ（３Ａ）の中心と焦点Ｆとを結ぶ仮想直線上に配置されていてもよい。平面視において、１つのメタサーフェス３Ｅ１の貫通孔３１Ｃの中心軸Ｃ５は、メタサーフェス３Ｅ１の中心Ｃ６と焦点Ｆとを結ぶ仮想直線上に配置されていてもよい。平面視において、メタサーフェス３Ｅ１よりも焦点Ｆから遠いメタサーフェス３Ｅ２の貫通孔３１Ｃの中心軸Ｃ７は、メタサーフェス３Ｅ２の中心Ｃ８と焦点Ｆとを結ぶ仮想直線上に配置されていてもよい。メタサーフェス３Ｅ２の上記仮想直線は、メタサーフェス３Ｅ１の仮想直線と同一直線上に配置されていてもよい。
　図２２に示されるように、平面視において、各メタサーフェス３Ｅ（３Ａ）の中心と当該メタサーフェス３Ｅ（３Ａ）の貫通孔３１Ｃの中心軸との間の距離は、メタサーフェス３Ｅの中心とメタレンズ３の焦点Ｆとの間の距離が短いほど、短くてもよい。メタサーフェス３Ｅ１の貫通孔３１Ｃの中心軸Ｃ５とメタサーフェス３Ｅ１の中心Ｃ６との間の距離は、メタサーフェス３Ｅ２の貫通孔３１Ｃの中心軸Ｃ７とメタサーフェス３Ｅ２の中心Ｃ８との間の距離よりも短くてもよい。
　なお、光学システム１０６においても、光の伝搬方向が制限されない。光は、光スポットサイズが相対的に大きい複数のコア１Ａの各々から、メタレンズ３の各メタサーフェス３Ｅを経て、光スポットサイズが相対的に小さいＳｉ導波路２Ａへ伝搬してもよいし、これとは逆方向に、Ｓｉ導波路２Ａからメタレンズ３の各メタサーフェス３Ｅを経て、複数のコア１Ａの各々に伝搬してもよい。
　＜光学システムの変形例＞
　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。
　光学システム１０６では、フォトニクス素子２が複数の第２導波路を含んでいてもよい。第２導波路の数は、第１導波路の数以下であればよい。図２３に示されるように、第２導波路の数は、第１導波路の数と等しくてもよい。複数のコア１Ａの各々から出射した光は、互いに異なるメタサーフェス３Ｅを経て、互いに異なるＳｉ導波路２Ａに入射してもよい。つまり、光学システム１０６は、光学システム１０１～１０５において実現される光学系（１つの第１導波路と１つの第２導波路とが１つのメタレンズ（メタサーフェス３Ｅ）を介して光学的に接続されてなる光学系）を複数セット備えていてもよい。光学システム１０６において、複数の光学系は、互いに同等の構成を有していてもよいし、互いに異なる構成を有していてもよい。複数の光学系の配列は、特に制限されないが、例えば水平方向に並んで配置されていてもよい。
　（実施の形態７）
　図２４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。
　情報出力部２０１は、例えば、電子回路と、電子回路を流れる電気信号に応じた光信号を出力する光電変換部（すなわち、光源）と、光電変換部から出力された光信号の位相変調を行う光変調器と、光変調器にて位相変調された光を集光する集光要素とを含む。情報入力部２０２は、例えば、光変調器と、光電変換部と、電子回路とを含む。
　光学システム１０７では、図２４に示されるように、光学システム１０１～１０６のいずれかのコア１Ａが光信号を出力する情報出力部２０１と光学的に接続され、Ｓｉ導波路２Ａは光信号が入力される情報入力部２０２と光学的に接続されていてもよい。この場合、コア１Ａは、情報出力部２０１の集光要素と光学的に接続されている。コア１Ａには、集光要素にて集光された光が入射する。Ｓｉ導波路２Ａは、情報入力部２０２の光変調器と光学的に接続されている。Ｓｉ導波路２Ａから出射した光は、情報入力部２０２の光変調器にて位相変調された後、光電変換部にて電子信号に変換され、電子回路に送信される。
　つまり、図２４に示される光学システム１０７では、信号が、情報出力部２０１の電子回路、光電変換部、光変調器、集光要素、光学システム１０１～１０６のいずれかのコア１Ａ、メタレンズ３、Ｓｉ導波路２Ａ、情報入力部２０２の光変調器、光電変換部、及び電子回路、を順に伝わる。
　他方、光学システム１０７では、図２５に示されるように、光学システム１０１～１０６のいずれかのＳｉ導波路２Ａが情報出力部２０１と光学的に接続され、コア１Ａ号が情報入力部２０２と光学的に接続されていてもよい。この場合、Ｓｉ導波路２Ａは、情報出力部２０１の光変調器と光学的に接続されている。コア１Ａは、情報入力部２０２の集光要素と光学的に接続されている。
　つまり、図２５に示される光学システム１０７では、信号が、情報出力部２０１の電子回路、光電変換部、光変調器、光学システム１０１～１０６のいずれかのＳｉ導波路２Ａ、メタレンズ３、コア１Ａ、情報入力部２０２の集光要素、光変調器、光電変換部、及び電子回路、を順に伝わる。
　なお、情報出力部２０１は、少なくとも光信号を出力する光源を含んでいればよい。また、情報出力部２０１は、集光要素として、光学レンズを含んでいてもよいし、光学システム１０１～１０６のメタレンズ３を含んでいてもよい。
　＜実験例＞
　以下に、上述した各メタレンズの光学特性の評価結果を、図面も参照して説明する。
　＜間隔Ｐが互いに異なる、ブルズアイ構造のメタサーフェスを有するメタレンズの集光性能＞
　（１）実験例１～８
　実験例１～７として、図３に示される平面構造を有し、かつ図１１に示される断面構造を有する、ブルズアイ構造のメタサーフェスを有するメタレンズを作製した。具体的には、ガラス基板上に電子線レジスト（ＮＥＢ－２２）をスピンコートで塗布し、電子ビーム描画装置（ＥＬＳ－Ｆ１２５ＨＳ、ＥＬＩＯＮＩＸ社）を用いて電子線レジストに露光すし、複数のレジストパターンを同心円状に形成した。複数のレジストパターンの間隔は１５５０ｎｍ、１３１０ｎｍ、１０００ｎｍ、または９００ｎｍとした。マグネトロンスパッタコーター（Ｑ－１５０ＴＥＳ、Ｑｕｏｒｕｍ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社）を用いて、スパッタリング法によって、ガラス基板上に銀からなる導電膜を形成した。その後、ガラス基板上の導電膜をジメチルアセトアミド溶液に浸漬させ、レジストパターン上の余分な導電膜をリフトオフした。このようにして、図１１に示される断面構造を有し、かつ複数の凹凸構造３１Ｄの各々の間隔Ｐがレジストパターンの上記間隔に応じて互いに異なる実験例１～７のメタレンズ３を作製した。さらに、ガラス基板のみからなる実験例８を準備した。
　なお、実験例１～７の各々について、複数の凹凸構造３１Ｄの各々の間隔Ｐに対する複数の環状溝３１Ｅの各々の幅（Ｗ５）の比率（Ｗ５／Ｐ）は、５０％とした。また、実験例１～７の各々について、貫通孔３１Ｃの孔径（Ｗ３）は、上記幅（Ｗ５）と同等とした。
　（２）集光性能の評価方法
　実験例１～８の各々に、波長１５５０ｎｍ及び１３１０ｎｍの光（直線偏光）をコリメート光となるように照射した。実験例１～７については、光が貫通孔３１Ｃに集光されるように照射した。メタレンズから出射された光を、対物レンズを用いてイメージセンサに結像させ、得られた画像から、直線偏光の偏光面上での広がり角度Ｘと、直線偏光の偏光面と直交する平面上での広がり角度Ｙとを評価した。
　各サンプルの集光性能を、上記広がり角度Ｘ、Ｙに対して以下の基準に基づいて評価した。
Ｓ：４．００°未満
Ａ：４．００°以上５．５０°未満
Ｂ：５．５０°以上７．５０°未満
Ｃ：７．５０°以上９．００°未満
Ｄ：９．００°以上
　（３）評価結果
評価結果を表１に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
　表１に示されるように、実験例１～７では、実験例８と比べて、広がり角度Ｘ及びＹが小さく、高い集光性能を示すことが確認された。比率Ｐ／λが０．５８よりも高い実験例１～６では、比率Ｐ／λが０．５８である実験例７と比べて、広がり角度Ｘ及びＹが小さく、さらに高い集光性能を示すことが確認された。比率Ｐ／λが０．６５よりも高い実験例１～５では、比率Ｐ／λが０．６５である実験例６と比べて、広がり角度Ｙが小さく、さらに高い集光性能を示すことが確認された。比率Ｐ／λが０．６９よりも高い実験例１～４では、比率Ｐ／λが０．６９である実験例５と比べて、広がり角度Ｘ及びＹが小さく、さらに高い集光性能を示すことが確認された。比率Ｐ／λが０．５８よりも高く１．００よりも低い実験例３～７では、広がり角度Ｙが広がり角度Ｘよりも小さい傾向が確認された。比率Ｐ／λが１．００よりも高い実験例１～２では、広がり角度Ｘが広がり角度Ｙと同程度に小さい傾向が確認された。広がり角度Ｙは、比率Ｐ／λが０．６９よりも大きく１．００よりも小さい実験例３，４において最も小さかった。
　＜比率Ｗ５／Ｐが異なるブルズアイ構造のメタサーフェスを有するメタレンズの集光性能＞
　（４）実験例９～１３、及び実験例９～１３の集光性能の評価方法
　実験例９～１３として、電磁気学計算ソフトＭＥＥＰを用いて、図３に示される平面構造を有し、かつ図１１に示される断面構造を有する、ブルズアイ構造のメタサーフェスを有するメタレンズをデザインした。実験例９～１３は、それぞれの間隔Ｐが１５５０ｎｍで共通とし、複数の環状溝３１Ｅの各々の幅Ｗ５のみが互いに異なるものとした。つまり、実験例９～１３は、比率Ｗ５／Ｐが互いに異なるものとした。
　各実験例の集光性能として、上記計算ソフトを用いて各実験例に波長が１５５０ｎｍである平面波を入射した際の透過強度、反射強度、及び構造周辺の電場強度をシミュレーションし、算出された各実験例の反射強度に対する透過強度の比率を、以下の基準に基づいて評価した。
Ｓ：０．４０以上
Ａ：０．２０以上０．４０未満
Ｂ：０．０４以上０．２０未満
　（５）評価結果
評価結果を表２に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
　表２に示されるように、比率Ｗ５／Ｐが．３４．０％以上である実験例９～１３の反射強度に対する透過強度の比率は、０．０４以上であった。比率Ｗ５／Ｐが４３．０％よりも高い実験例９～１１の反射強度に対する透過強度の比率は、０．２０以上であり、比率Ｗ５／Ｐが４３．０％以下である実験例１２，１３のそれと比べて高いことが確認された。つまり、比率Ｗ５／Ｐが４３．０％よりも高い実験例９～１１の集光性能は、比率Ｗ５／Ｐが４３．０％以下である実験例１２，１３のそれと比べて高いことが確認された。比率Ｗ５／Ｐが５０．０％よりも高い実験例９，１０の反射強度に対する透過強度の比率は、０．４０以上であり、比率Ｗ５／Ｐが５０．０％である実験例１１のそれと比べて、さらに高いことが確認された。つまり、比率Ｗ５／Ｐが５０．０％よりも高い実験例９，１０の集光性能は、比率Ｗ５／Ｐが５０．０％である実験例１１のそれと比べて、さらに高いことが確認された。
　＜断面構造の異なるブルズアイ構造のメタサーフェスを有するメタレンズの集光性能＞
　（６）実験例１４，１５、及び実験例１４，１５の集光性能の評価方法
　実験例１４，１５として、電磁気学計算ソフトＭＥＥＰを用いて、図３に示される平面構造を有し、かつ図２に示される断面構造または図１１に示される断面構造を有する、ブルズアイ構造のメタサーフェスを有するメタレンズをデザインした。実験例１４のメタサーフェスの断面構造は図１１に示される構造とし、実験例１５のメタサーフェスの断面構造は図２に示される構造とした。実験例１４，１５のその他の構成は互いに同等とした。実験例１４，１５のそれぞれの間隔Ｐは１５５０ｎｍ、それぞれの比率Ｗ５／Ｐは１００％とした。
　各実験例の集光性能として、上記電磁気学計算ソフトを用いて各実験例に波長が１３００ｎｍ～１９００ｎｍの範囲内の平面波を入射した際の透過スペクトル及び反射スペクトルをシミュレーションし、上記シミュレーションにより算出された各実験例の反射強度及び透過強度に基づいて、透過特性及び反射特性を以下の基準に基づいて評価した。なお、各強度は、規格化された強度（任意単位ａ．ｕ．）とした。
透過特性の評価基準Ａ：強度０．０４以上のピークが存在
透過特性の評価基準Ｓ：強度０．１０以上のピークが存在
反射特性の評価基準Ａ：上記波長域の全体にわたって強度が０．０４未満
反射特性の評価基準Ｓ：上記波長域の全体にわたって強度が０．０１未満
　（７）評価結果
評価結果を表３に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000007
　表３に示されるように、実験例１４，１５では、透過強度が十分に高く、かつ反射強度が十分に低いため、良好な集光性能を有していることが確認された。
　＜複数の凹凸構造の各々の中心が貫通孔の中心と重ならないように配置されているブルズアイ構造のメタサーフェスを有するメタレンズの集光性能＞
　（８）実験例１６～２１、及び実験例１６～２１の集光性能の評価方法
　実験例１６～２１として、電磁気学計算ソフトＭＥＥＰを用いて、図９に示される平面構造を有し、かつ図１１に示される断面構造を有する、ブルズアイ構造のメタサーフェスを有するメタレンズをデザインした。実験例１６～２１の各々について、上記第１間隔ＰＡは１５５０ｎｍで共通とし、上記比率Ｗ５Ａ／ＰＡは５０％で共通とし、単位シフト量Ｓのみを段階的に変更させた。
　各実験例の集光性能として、上記電磁気学計算ソフトを用いて各実験例に波長が１５５０ｎｍである平面波を入射した際に各実験例から出射される光の出射角度を算出した。
　（９）評価結果
評価結果を表４に示す。なお、表４では、単位シフト量Ｓ（単位：ｎｍ）を、第１間隔ＰＡを用いた比率として記載する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000008
　表４に示されるように、単位シフト量Ｓが多くなるほど、光の出射角度が大きくなることが確認された。単位シフト量ＳがＰＡ／１６ｎｍである実験例１６では出射角度が３°であった。単位シフト量ＳがＰＡ／８ｎｍである実験例１８では出射角度が１６°であった。単位シフト量ＳがＰＡ／４ｎｍである実験例１８では出射角度が４０°であった。単位シフト量Ｓに応じて、図９に示されるメタレンズから出射される光の出射角度を適宜設定できることが確認された。
　また、実験例１７～２１では、出射角度θ1が５°以上である場合、間隔Ｐ（単位：ｎｍ）及び距離Ｓ（単位：ｎｍ）が以下の関係式（１）を満足することが確認された。
　＜周期構造を有する位相格子を含むメタレンズの集光特性＞
　（１０）実験例２２～２４、及び実験例２２～２４の集光性能の評価方法
　実験例２２～２４として、電磁気学計算ソフトＭＥＥＰを用いて、位相格子を含むメタレンズであって、図１１に示される構造単位が中心軸に対する径方向に周期的に配置されている周期構造を含み、メタレンズの直径が互いに異なるメタレンズをデザインした。実験例２２のメタレンズの直径は１０μｍ、実験例２３のメタレンズの直径は２０μｍ、実験例２４のメタレンズの直径は４０μｍとした。実験例２２～２４について、それぞれの柱状体の屈折率は３．５、開口数ＮＡは０．７とした。なお、メタレンズの直径は、光ファイバ１のコア径として想定され得る１０μｍ～４０μｍの範囲内で設定した。
　各実験例の集光性能として、上記電磁気学計算ソフトを用いて各実験例に波長が１５５０ｎｍである平面波を入射した際に、メタレンズに含まれる複数の柱状体の各々を伝搬した光の位相の空間分布をシミュレーションした。シミュレーションにより求められた各実験例の焦点距離を,以下の基準に基づいて評価した。
焦点距離の評価基準Ａ：焦点距離がレンズ直径より小さい
焦点距離の評価基準Ｓ：焦点距離がレンズ直径より大きい
　シミュレーションでは、以下の関係式（３）を用いた。関係式（３）は、位相格子を含む各メタレンズがその中心軸からの距離ｒにおいて対象波長λの光に与える位相差と、各メタレンズの焦点距離ｆとの関係式である。関係式（３）を用いて、対象波長λが１５５０ｎｍであるときに、実験例２２～２４の各メタレンズの直径Ｒを距離ｒに代入して焦点距離ｆを算出した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
　(１１)評価結果
評価結果を表５に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000010
　メタレンズの直径が１０μｍである場合、集光角度θ2が３０°以上であると、光学システムを小型化する観点において焦点距離ｆが十分に短くできることが確認された。メタレンズの直径が２０μｍ以上である場合、集光角度θ2が２０°以上であっても、光学システムを小型化する観点において焦点距離ｆが十分に短くできることが確認された。他方、集光角度θ2が７０°であると、光学システムとした場合に光軸方向の位置調整が難しいことを確認した。
　１　光ファイバ、１Ａ１　第１端面、１Ａ　コア、１Ｂ，２Ｂ　クラッド、１Ｃ　中空部、１Ｄ　金属層、２　フォトニクス素子、２Ａ１　第２端面、２Ａ　導波路、２Ｂ１　第１クラッド層、２Ｂ２　第２クラッド層、２Ｃ　Ｓｉ基板、２Ｄ　結晶スラブ、２Ｅ　貫通孔、２１　スラブ部、２２　リッジ部、３　メタレンズ、３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄ，３Ｅ，３Ｅ１，３Ｅ２　メタサーフェス、３１Ｃ　貫通孔、３１　導電体層、３１Ａ　第１面、３１Ｂ　第２面、３１Ｄ，３１Ｇ　凹凸構造、３１Ｅ，３１Ｈ　環状溝、３１Ｆ，３１Ｉ　凸部、３２，３２Ａ，３２Ｂ　柱状体、３３　充填部、３４　基材、３５，３５Ａ，３５Ｂ　球状体、４　基板、４Ａ　第３面、４Ｂ　第４面、１０１，１０２，１０３，１０４，１０５，１０６，１０７　光学システム、２０１　情報出力部、２０２　情報入力部。

Claims (20)

  1. 　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、
    　前記メタレンズの少なくとも前記第１面には、前記第１面と、前記第１面に対して凹んでいる複数の環状溝とにより構成されている複数の凹凸構造が形成されており、
    　前記複数の凹凸構造は、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。
  2. 　前記対象波長λ（単位：ｎｍ）に対する前記複数の凹凸構造の各々の間隔Ｐ（単位：ｎｍ）の比率（Ｐ／λ）が、３０％以上１４０％以下である、請求項１に記載の光学システム。
  3. 　前記貫通孔の中心軸に対する径方向における前記複数の凹凸構造の各々の前記間隔Ｐに対して、前記複数の環状溝の各々の幅Ｗ５（単位：ｎｍ）が成す比率（Ｗ５／Ｐ）は、１０％以上９５％以下である、請求項２に記載の光学システム。
  4. 　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２に記載の光学システム。
  5. 　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２に記載の光学システム。
  6. 　前記複数の凹凸構造の各々の前記中心が、同一直線上に互いに等しい距離を隔てて並んで配置されており、
    　前記貫通孔の中心軸と前記第２導波路の中心軸とが第１角度Θ1を成しており、
    　前記第１角度Θ1が３°以上６０°以下である、請求項５に記載の光学システム。
  7. 　前記第１角度Θ1が５°以上である場合、前記間隔Ｐ及び前記距離Ｓ（単位：ｎｍ）が以下の関係式（１）を満足する、請求項６に記載の光学システム。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
  8. 　前記対象波長の光に対して透明でありかつ前記メタレンズの前記第２面と接する第３面を有する基板をさらに備え、
    　前記複数の環状溝の各々は、前記メタレンズの前記第１面と前記第２面との間を貫通し、かつ前記第３面の一部を露出させるように形成されている、請求項１～７のいずれか１項に記載の光学システム。
  9. 　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る、光学システム。
  10. 　前記メタレンズは、前記第１群の凸部及び前記第２群の凸部を含みかつ前記複数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が連続的または段階的に変化する構造単位が、前記メタレンズの中心軸に対する径方向に周期的に配置されて成る周期構造を有している、請求項９に記載の光学システム。
  11. 　前記メタレンズの前記周期構造に含まれる複数の前記構造単位のうち、前記中心軸に最も近い位置にある第１構造単位の前記径方向の幅は、前記中心軸に２番目に近い位置にある第２構造単位の前記径方向の幅よりも広い、請求項１０に記載の光学システム。
  12. 　前記第１構造単位の前記径方向の幅は、１．００μｍ以上７．００μｍ以下である、請求項１１に記載の光学システム。
  13. 　前記複数の凸部の各々は、柱状体または球状体であり、
    　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９に記載の光学システム。
  14. 　前記複数の凸部のうち前記メタレンズの中心軸に対する径方向において最外に位置する前記凸部の前記第３面側に位置する最外端部と、前記第２導波路の中心軸と前記第２端面との交点とを結ぶ第１仮想直線が、前記メタレンズの前記中心軸と前記第３面との交点と、前記第２導波路の前記中心軸と前記第２端面との交点とを結ぶ第２仮想直線に対して成す集光角度が、２０°以上７０°以下である、請求項９～１３のいずれか１項に記載の光学システム。
  15. 　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または９に記載の光学システム。
  16. 　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１５に記載の光学システム。
  17. 　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１５に記載の光学システム。
  18. 　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１７に記載の光学システム。
  19. 　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または９に記載の光学システム。
  20. 　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１９に記載の光学システム。
PCT/JP2023/026257 2022-07-29 2023-07-18 光学システム Ceased WO2024024569A1 (ja)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202380056032.0A CN119604792A (zh) 2022-07-29 2023-07-18 光学系统
KR1020257006300A KR20250041045A (ko) 2022-07-29 2023-07-18 광학 시스템

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2022-121727 2022-07-29
JP2022121727 2022-07-29

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2024024569A1 true WO2024024569A1 (ja) 2024-02-01

Family

ID=88510773

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2023/026257 Ceased WO2024024569A1 (ja) 2022-07-29 2023-07-18 光学システム

Country Status (5)

Country Link
JP (2) JP7371286B1 (ja)
KR (1) KR20250041045A (ja)
CN (1) CN119604792A (ja)
TW (1) TW202405491A (ja)
WO (1) WO2024024569A1 (ja)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2026075547A1 (ko) * 2024-10-04 2026-04-09 삼성전자 주식회사 메타 렌즈를 포함하는 카메라 및 이를 포함하는 웨어러블 전자 장치

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120328240A1 (en) * 2010-02-12 2012-12-27 The Regents Of The University Of California Metamaterial-based optical lenses
US20160299337A1 (en) * 2015-04-08 2016-10-13 Samsung Electronics Co., Ltd. Focusing device, and beam scanner and scope device including the focusing device
JP2019086765A (ja) * 2017-11-08 2019-06-06 三星電子株式会社Ｓａｍｓｕｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ． メタレンズを含むプロジェクタ
JP2019533834A (ja) * 2016-11-02 2019-11-21 カールスルーエ インスティテュート フュア テクノロジ 光学システムを製造する方法および光学システム
CN111090148A (zh) * 2019-12-06 2020-05-01 武汉大学 一种基于超表面透镜的多芯光纤复用和解复用装置及方法
JP2020173407A (ja) * 2019-04-15 2020-10-22 日本電信電話株式会社 光接続構造
JP2022058082A (ja) * 2020-09-30 2022-04-11 采▲ぎょく▼科技股▲ふん▼有限公司 光通信装置
US20220137259A1 (en) * 2019-03-29 2022-05-05 Sony Group Corporation Metalens portion, electronic device and method
US20220368024A1 (en) * 2019-09-24 2022-11-17 IHP GmbH - Innovation for High Performance Microelectronics/Leibniz-Institut für Innovative Mikroele Gradient index metamaterial lens for terahertz radiation

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101429093B1 (ko) 2013-02-14 2014-08-12 한국과학기술원 수직 나노선의 어레이를 포함하는 렌즈 구조 및 이의 제조방법과 이를 이용하여 제작된 렌즈.
JP2018097012A (ja) 2016-12-07 2018-06-21 学校法人慶應義塾 スポットサイズ変換器、及びその製造方法
WO2018118984A1 (en) 2016-12-20 2018-06-28 President And Fellows Of Harvard College Ultra-compact, aberration corrected, visible chiral spectrometer with meta-lenses
JP2021148851A (ja) 2020-03-17 2021-09-27 沖電気工業株式会社 光電融合モジュール及びその製造方法

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120328240A1 (en) * 2010-02-12 2012-12-27 The Regents Of The University Of California Metamaterial-based optical lenses
US20160299337A1 (en) * 2015-04-08 2016-10-13 Samsung Electronics Co., Ltd. Focusing device, and beam scanner and scope device including the focusing device
JP2019533834A (ja) * 2016-11-02 2019-11-21 カールスルーエ インスティテュート フュア テクノロジ 光学システムを製造する方法および光学システム
JP2019086765A (ja) * 2017-11-08 2019-06-06 三星電子株式会社Ｓａｍｓｕｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ． メタレンズを含むプロジェクタ
US20220137259A1 (en) * 2019-03-29 2022-05-05 Sony Group Corporation Metalens portion, electronic device and method
JP2020173407A (ja) * 2019-04-15 2020-10-22 日本電信電話株式会社 光接続構造
US20220368024A1 (en) * 2019-09-24 2022-11-17 IHP GmbH - Innovation for High Performance Microelectronics/Leibniz-Institut für Innovative Mikroele Gradient index metamaterial lens for terahertz radiation
CN111090148A (zh) * 2019-12-06 2020-05-01 武汉大学 一种基于超表面透镜的多芯光纤复用和解复用装置及方法
JP2022058082A (ja) * 2020-09-30 2022-04-11 采▲ぎょく▼科技股▲ふん▼有限公司 光通信装置

Also Published As

Publication number Publication date
JP7371286B1 (ja) 2023-10-30
CN119604792A (zh) 2025-03-11
KR20250041045A (ko) 2025-03-25
JP2024019028A (ja) 2024-02-08
JP2024018902A (ja) 2024-02-08
TW202405491A (zh) 2024-02-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10830951B2 (en) Optical circuit and optical device
JP7199224B2 (ja) 中空ナノジェットレンズによる近傍界フォーカシング
CN112088141A (zh) 用于光束重定向的衍射光栅
TW202240209A (zh) 用於大偏轉角之具有高深寬比單位晶胞之光學超表面
JP2025529780A (ja) メタレンズコリメータおよび集光器
JP7377906B2 (ja) 光学構造体
JP3702445B2 (ja) 光学素子及びその光学素子を用いた装置
JP2024019028A (ja) 光学システム
US6903877B2 (en) Gradient-index lens, and method for producing the same
US7609920B2 (en) Optical coupler
Sinha et al. Highly efficient two-dimensional beam steering using all-dielectric fiber metatip
JP2007003969A (ja) 光学素子
TW202601182A (zh) 光子積體電路上的光學元件
JP4415756B2 (ja) 光学素子並びにその製造方法
TWI826644B (zh) 大面積高解析度特徵縮減微影技術
US20120027349A1 (en) Lens
JP2004258076A (ja) 光配線層およびその製造方法
JP2025518998A (ja) 光フェーズドアレイ
JP2004101678A (ja) マイクロミラー及びその製造方法
CN116338855B (zh) Isors光子芯片及无创组分检测系统
US7305155B2 (en) Optical element and wavelength separator using the same
JP3003348B2 (ja) 光学レンズとその製造方法
JP5772436B2 (ja) 光結合器及び光デバイス
KR100897872B1 (ko) 면광원용 도광판 및 그 제조 방법
CN115657171A (zh) 一种基于soi的c波段数字化超表面片上集成伦伯透镜

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 23846300

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 18996586

Country of ref document: US

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 202380056032.0

Country of ref document: CN

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 20257006300

Country of ref document: KR

Kind code of ref document: A

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

WWP Wipo information: published in national office

Ref document number: 202380056032.0

Country of ref document: CN

WWP Wipo information: published in national office

Ref document number: 1020257006300

Country of ref document: KR

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 23846300

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1