JP2019113629A - Optical element - Google Patents
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Abstract
【課題】集積化が容易な光学素子および光回路を提供する。【解決手段】光学素子は、3次元空間x、y、zにおいて、xy面に形成され、z軸方向に積層された1/2波長板を備える。波長板の溝方向は、曲線であり、中心から放射状に延びる線上において、その線に対する角度が0度から180度の範囲で連続的に変化する。光学素子は、入射する円偏光の位相面を変換し、集光もしくは発散させることができる。さらに、多領域1/2波長板からなる偏光分離プリズムと、上記の光学素子、多領域1/4波長板からなる素子を複数枚、適した位置に配置し、入力される信号光を偏光分離し、かつレンズ作用によりモード径を変換し、偏光状態を直線偏光に変換することで、偏光分離、変換とモード径変換の機能を持つ光回路を実現することができる。【選択図】図2PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical element and an optical circuit which can be easily integrated. An optical element includes a 1/2 wave plate formed on an xy plane in a three-dimensional space x, y, z and laminated in the z-axis direction. The groove direction of the wave plate is a curved line, and the angle with respect to the line changes continuously in the range of 0 degrees to 180 degrees on a line extending radially from the center. The optical element can convert the phase plane of the incident circularly polarized light to be focused or diverged. Further, a polarization separation prism composed of a multi-regional 1/2 wave plate, a plurality of the above optical elements and a plurality of elements composed of a multi-region 1/4 wave plate are arranged at appropriate positions, and the input signal light is polarized and separated. Moreover, by converting the mode diameter by the lens action and converting the polarization state into linear polarization, it is possible to realize an optical circuit having functions of polarization separation, conversion and mode diameter conversion. [Selection diagram] Fig. 2
Description
本発明は、光線を集光する作用、発散する作用、もしくは平行光に変換する作用を持つ光学素子に関する。 The present invention relates to an optical element having a light condensing action, a diverging action, or an action of converting it into parallel light.
光を集光もしくは発散もしくは平行光に変換する光学素子としては、レンズが極めて広汎に実用されている。それらの多くは凸レンズ凹レンズのように立体的形状をもち、1個1機能として作製されるため、集積化、小型化には困難を伴うことが多い。近年、透明な基板の表面に微細な加工を行いそれに垂直に透過する光ビームの場所ごとの位相を変化させ波面を傾けて、透過後の伝播を操作する技術(傾斜メタ表面:gradient metasurfaceと呼ばれる)が進展している。 A lens is very widely used as an optical element which condenses light or converts it into divergent or parallel light. Many of them have a three-dimensional shape like a convex lens and a concave lens, and are manufactured as one by one functions, so integration and miniaturization are often accompanied by difficulties. In recent years, a technology that finely processes on the surface of a transparent substrate and changes the phase of each light beam transmitted vertically and changes the position phase of the light beam and tilts the wave front to manipulate the propagation after transmission (graded metasurface: ) Is progressing.
その際に必要な波面の変形量が波長の数倍、数十倍に上ることは珍しくない。一方、表面を通過する光の位相変化量として実用上可能なのは2πラジアンの数分の1から数倍程度なので、位相変化量を2πラジアンごとに鋸歯状波的にゼロに戻す操作が必要である。 It is not uncommon for the amount of deformation of the wavefront required at that time to be several times or several tens of times the wavelength. On the other hand, since what can practically be used as a phase change amount of light passing through the surface is a fraction to a few times of 2π radian, an operation to return the phase change amount to zero every 2π radian is necessary. .
位相変化量を2πラジアンごとに鋸歯状波的にゼロに戻す前述の操作は、その不連続点付近で光の散乱、それに伴う振幅や位相の誤差が避けられない。それを軽減する方法として次の手段が知られている。即ち、
(A)領域ごとに種々な方位をもつ微小な1/2波長板を基板表面に隙間なく配置する。
(B)円偏光がその領域を通過するとき受ける位相推移はある基準方向に対して主軸のなす角θの2倍に等しいという性質を利用する。
詳しく云えば、図1において入射する光の電界が、例えば
Ex=E0cos(ωt), Ey=E0sin(ωt)
で与えられる円偏光であるとき、図1のようにξη軸をとり、ξη軸方向に主軸を持つ1/2波長板を挿入すれば透過後の光は逆回りの円偏光となり相対位相は2θだけ変化することが知られている。
The above-described operation of returning the amount of phase change to zero in a sawtooth-like manner every 2π radians can not avoid the scattering of light near the discontinuities and the accompanying errors in amplitude and phase. The following means are known as a method of reducing it. That is,
(A) A minute half-wave plate having various orientations for each region is disposed on the substrate surface without gaps.
(B) It utilizes the property that the phase shift that circularly polarized light receives when passing through the region is equal to twice the angle θ made by the main axis with respect to a certain reference direction.
Specifically, the electric field of light incident in FIG. 1 is, for example, E x = E 0 cos (ωt), E y = E 0 sin (ωt)
When circularly polarized light is given by ξ, if the half-wave plate having the ξ eta axis as in Fig. 1 and the principal axis in the 挿入 図 axis direction is inserted, the transmitted light becomes circularly polarized in the reverse direction and the relative phase is 2θ It is only known to change.
位相推移を2πラジアンをこえて連続的に変化させる必要があるときは、例えばθを図1上部のように定義し、θをπラジアンを超えて連続的に変化させれば良く、θを連続かつ単調にπの数倍変化させれば、位相角は不連続なく2πラジアンの何倍でも変化させることができる。もし仮にθが近似的にxと共に直線的に増加または減少するとき、透過する円偏光の波面はxに関して直線的な変換をうける。この概念とフォトニック結晶とを組み合わせた偏光プリズムが実現されている(非特許文献1)。 When it is necessary to continuously change the phase transition over 2π radians, for example, θ may be defined as in the upper part of FIG. 1, and θ may be continuously changed over π radians, and θ may be continuous. And if monotonically changing by several times π, the phase angle can be changed by any number of 2π radians without discontinuity. If .theta. Increases or decreases approximately linearly with x, the wavefront of the transmitted circularly polarized light undergoes a linear transformation with respect to x. A polarizing prism combining this concept with a photonic crystal has been realized (Non-Patent Document 1).
一方で現代の光通信ではコヒーレント方式が広く用いられている。そこでは直交する偏光にそれぞれ異なる信号を乗せ通信を行っている。したがって発信部分では直交する偏光を一つの光路に合成する必要があり、一方で受信部では受信した光を直交する偏光に分離し、受信部に入射する必要がある。 On the other hand, coherent methods are widely used in modern optical communications. Here, communication is performed by placing different signals on orthogonal polarizations. Therefore, in the transmission part, it is necessary to combine orthogonal polarized light into one optical path, while in the receiving part it is necessary to separate the received light into orthogonal polarized light and to enter the receiving part.
特に近年、シリコンフォトニクスに代表される屈折率が高く閉じ込め作用の強い光回路の普及が進んでいる。そうした光回路では光ファイバとの結合が課題となる。つまりすでに世の中に敷設されている光ファイバのビーム径は約10ミクロンである。一方でシリコンフォトニクスでは、回路中では数百nmのビーム径であり、回路端にビーム径変換部を設けてもせいぜい2〜3ミクロンのビーム径である。したがってそこでのビーム径の不整合により、数dBのパワー損失が避けられない。 In particular, in recent years, an optical circuit having a high refractive index and a strong confinement function represented by silicon photonics has been widely spread. In such an optical circuit, coupling with an optical fiber becomes an issue. That is, the beam diameter of the optical fiber already laid in the world is about 10 microns. On the other hand, in silicon photonics, the beam diameter is several hundred nm in the circuit, and even if the beam diameter conversion portion is provided at the circuit end, the beam diameter is at most 2-3 microns. Therefore, due to the beam diameter mismatch there, power loss of several dB can not be avoided.
さらに屈折率の高い光回路は特性に偏光依存性を持つことがほとんどであり、回路入り口の段階で偏光を分離し、片方を90度回転させ、回路が動作する偏光への変換がなされる。こうすることで回路の設計が片方の偏光だけに限定すればよく、設計が効率化し歩留まりが向上するためである。 Furthermore, optical circuits with high refractive index often have polarization dependence in their characteristics, and the polarization is separated at the stage of the circuit entrance, one is rotated 90 degrees, and conversion to polarization in which the circuit operates is performed. By doing this, it is sufficient to limit the design of the circuit to only one polarization, because the design is efficient and the yield is improved.
したがって直交する偏光を分離し、かつビーム径変換の機能を有する光学素子が実現できれば、有用なことは明らかである。 Therefore, it is clear that it would be useful if an optical element capable of separating orthogonal polarized light and having a function of beam diameter conversion could be realized.
前述したビーム位相面の変換機能は前述した表面加工でも実現可能であるが、例えば次の(1)〜(4)で説明するような困難がある。 Although the conversion function of the beam phase plane described above can be realized by the above-described surface processing, for example, there are difficulties as described in the following (1) to (4).
(1)溝と溝の間隔、あるいは周期溝の周期は少なくとも1/3波長以上となる。光ビームを制御するには場所ごとに精細に位相を制御したいが、波長板の溝間隔で制限される。実際にはそれ以前に溝が波長板として機能し隣接領域と異なる主軸方向をもつためには、溝の長さは溝同士の間隔の少なくとも同等以上、望ましくは2倍以上であることを要し、微小領域の寸法が十分小さくなり得ない。以下に具体的な説明をする。図1における各領域Dのうち領域内の溝の長さが最小になるものを符号dであらわす。同様に図4においても符号dを同じく定義する。また、周期的に繰り返される溝の周期(「溝間単位周期」ともいう)を符号pで表す。波長板として動作するためにはd/pがある程度大きいことが必要である。d/pが有限のとき、その領域の複屈折による位相差はπより小さく、π(1−p/2d)程度と見積もられる。本来πであるべき位相差が、たとえば0.95π以上、または0.9π以上、または0.75π以上、または0.5π以上であるためには、dはそれぞれ10p以上、5p以上、2p以上、p以上であることが必要である。 (1) The distance between the grooves and the grooves or the period of the periodic grooves is at least 1/3 wavelength or more. In order to control the light beam, it is desirable to control the phase finely at each place, but it is limited by the groove spacing of the wave plate. Actually, in order for the groove to function as a wave plate and to have a principal axis direction different from that of the adjacent region before that, the length of the groove must be at least equal to, preferably at least twice the distance between the grooves. The size of the micro area can not be sufficiently reduced. A concrete explanation is given below. Of the regions D in FIG. 1, the one with the smallest groove length in the region is represented by a symbol d. Similarly, the symbol d is similarly defined in FIG. Also, a periodically repeated groove cycle (also referred to as “inter-groove unit cycle”) is represented by a symbol p. In order to operate as a wave plate, d / p needs to be large to some extent. When d / p is finite, the phase difference due to birefringence in the region is smaller than π and estimated to be about π (1-p / 2d). In order for the phase difference to be originally π to be, for example, 0.95π or more, or 0.9π or more, or 0.75π or more, or 0.5π or more, d is 10p or more, 5p or more, 2p or more, respectively It is necessary to be p or more.
逆に、高精細化のためにはdは小さく保ちたい。図1の光学素子においてdは素子への要求により上限が定まり、それを小さくできるほど素子の性能は高まる(量子化誤差が小さいから)。一方、pはさらにそれより1桁から半桁小さいことが求められるゆえ、pを小さくできることの利益は大きい。 Conversely, for high definition, we want to keep d small. In the optical element of FIG. 1, the upper limit of d is determined by the requirements of the element, and the performance of the element is improved as it can be reduced (because the quantization error is smaller). On the other hand, since p is required to be further smaller by one to a half digit, the benefit of being able to reduce p is great.
また、図4の様に溝を曲線とした場合には、パターンが円の接線方向に近づくにつれてピッチが狭くなってしまい、溝の本数を減らす(間引く)ことで、ピッチを保つ必要がある。そうした場合でも、厳密にピッチ間隔を一定にすることはできず、ピッチ間隔が場所ごとに変動し、1/2波長板から位相差がずれてしまう。 When the grooves are curved as shown in FIG. 4, the pitch becomes narrower as the pattern approaches the tangential direction of the circle, and the pitch needs to be maintained by reducing the number of grooves (thinning). Even in such a case, the pitch interval can not be strictly fixed, and the pitch interval varies from place to place, and the phase difference deviates from the half-wave plate.
(2)素子表面での不要な光の反射を避けるため反射防止層を表面に成膜する必要があるが表面加工による波長板では成膜が困難である。 (2) It is necessary to form an anti-reflection layer on the surface to avoid unnecessary reflection of light on the surface of the element, but it is difficult to form a wave plate by surface processing.
(3)素子表面での微細加工で1/2波長板を実現する場合で、その高さは100nm程度となる。例えば誤差1%とすると、表面加工精度を100×0.01=1nm程度以下に抑える必要があり、たいへん高度な加工技術を要する。一方で、フォトニック結晶では1/2波長でもミクロンオーダの厚さになるため、例えば10μm×0.01=100nm程度の制御ができればよく、これは通常の薄膜プロセスで十分対応可能な値である。 (3) In the case of realizing a half-wave plate by microfabrication on the element surface, the height is about 100 nm. For example, in the case of an error of 1%, it is necessary to suppress the surface processing accuracy to about 100 × 0.01 = 1 nm or less, which requires extremely advanced processing technology. On the other hand, in the case of a photonic crystal, the thickness is on the order of microns even with a half wavelength, so control of, for example, about 10 μm × 0.01 = 100 nm is sufficient. .
(4)素子表面での空気との境界で動作を実現しているため、接着剤で微細構造が埋まると効果が激減してしまう。 (4) Since the operation is realized at the boundary with the air on the element surface, the effect is drastically reduced when the fine structure is filled with the adhesive.
そこで、本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、メタ表面でなく、集積化が容易で体積効果を利用する光学素子を提供することである。 Therefore, the present invention has been made in view of such problems, and an object thereof is to provide an optical element which is easy to integrate and which uses a volume effect, not a meta surface.
本発明の効果をあらかじめ要約すると、本発明は、以下の第1から第3のいずれか1つ以上又は全ての効果を奏する。
第1に、成膜面を境に片側から入射し、反対側に出射する素子においてビームの位相面が変換される素子を実現する。
第2に、曲線形状や間引きにより線間ピッチに不均一、非一様性が生じても、偏光間の位相差の一様性を保つ(図5)。
第3に、後述する実施例3、実施例4のごとく、フォトニック結晶を組み合わせていくことで、偏光分離とビーム位相面変換の機能を一体化した光回路を実現する。
To summarize the effects of the present invention in advance, the present invention exhibits any one or more or all of the following first to third effects.
First, an element is realized in which the phase plane of the beam is converted in an element that is incident from one side with respect to the film formation surface and emitted to the opposite side.
Second, even if the line pitch is nonuniform or nonuniform due to curvilinear shape or thinning out, the uniformity of the phase difference between the polarizations is maintained (FIG. 5).
Thirdly, by combining photonic crystals as in the third and fourth embodiments described later, an optical circuit in which the functions of polarization separation and beam phase plane conversion are integrated is realized.
本発明の第1の側面は、光学素子に関する。光学素子は、3次元空間x、y、zにおいて、xy面に形成された波長板を備える。波長板の好ましい形態は、z軸方向に積層されたフォトニック結晶である。波長板の位相差φは、πラジアンの奇数倍である。波長板は、軸方位θが中心からの距離rにしたがって中心で方位からΔθ(Δθ=A×r2)の関数に近似されるパターンで構成される。θは0〜180度の間を繰り返す。すなわち、波長板は、中心からある方向に向かって放射方向に距離r進んだ場所での波長板の軸方位θが、係数Aを用いて中心での軸方位に対してθ=A×r2で増加する曲線又は折れ線からなるパターンで構成される。本発明の光学素子において、円偏光が入射した場合、中心部の位相に対して、当該中心から距離rでの位相差は2A×r2とあらわすことができる。これは中心からどの方向に対しても同じである。ここでの係数Aは、光学素子がレンズとして機能した場合の焦点距離をfとすると、A=±π/2fλ(λは波長)として表される。 A first aspect of the present invention relates to an optical element. The optical element includes a wave plate formed in the xy plane in the three-dimensional space x, y, z. The preferred form of the wave plate is a photonic crystal stacked in the z-axis direction. The phase difference φ of the wave plate is an odd multiple of π radian. The wave plate is formed of a pattern in which the axial orientation θ is approximated from the orientation at the center according to the distance r from the center to a function of Δθ (Δθ = A × r 2 ). θ repeats between 0 and 180 degrees. That is, in the wave plate, the axial orientation θ of the wave plate at a position where the distance r advances in the radial direction from the center in the radial direction, θ = A × r 2 with respect to the axial orientation at the center using the coefficient A It consists of the pattern which consists of a curve or a line which increases with. In the optical element of the present invention, when circularly polarized light is incident, the phase difference at a distance r from the center with respect to the phase of the central portion can be expressed as 2A × r 2 . This is the same for any direction from the center. Here, the coefficient A is expressed as A = ± π / 2fλ (λ is a wavelength), where f is a focal length when the optical element functions as a lens.
上記のように、中心から放射方向に進む直線上で考えると、中心からの距離をrとし、その点での軸方位θの中心からの変化ΔθがΔθ=A×r2となるようにθを設定する。係数Aはレンズとしての焦点距離をfとするとA=±π/2fλ(λは波長)として表される。1/2波長板を透過する円偏光の位相は軸方位θに比例するので、中心からの距離に対して二乗関数で表すことのできる位相面を与えることができる。つまり理想的なレンズが実現できる。 As described above, when considered on a straight line advancing in the radial direction from the center, the distance from the center is r, and the change Δθ from the center of the axial orientation θ at that point is Δθ = A × r 2 θ Set The coefficient A is expressed as A = ± π / 2fλ (λ is a wavelength), where f is a focal length as a lens. The phase of the circularly polarized light passing through the half-wave plate is proportional to the axial orientation θ, so it can provide a phase surface that can be represented by a square function with respect to the distance from the center. That is, an ideal lens can be realized.
さらにこの概念を2回の回転対称のパターンに適用し、図2に示すようなパターンを考える。こうしたパターンに円偏光が入射することを考えると、中心からどの方向に対しても、上記の二乗関数で表すことのできる位相面を実現できるため、円形のビームの位相面を中心対称に変換するレンズが実現できる。なお、係数Aを正とすると凸レンズとして機能し、負とすると凹レンズとして機能する。これは入射する円偏光が逆回りとなると正負が逆転する。 Furthermore, this concept is applied to two rotation symmetric patterns, and a pattern as shown in FIG. 2 is considered. Considering that circularly polarized light is incident on such a pattern, the phase plane of the circular beam can be converted into central symmetry because a phase plane that can be represented by the above square function can be realized in any direction from the center. A lens can be realized. When the coefficient A is positive, it functions as a convex lens, and when it is negative, it functions as a concave lens. This is reversed when the incident circularly polarized light is reversed.
「領域ごとに種々な方位をもつ微小な波長板」は、基板に深い溝を周期配列することにより実現される。固体表面に周期的に形成された無限長の溝列は、電界が溝に平行な偏光に対して、電界が溝に垂直な偏光に対するより大きな位相遅れを生ずる。半波長板では位相差をπラジアンに一致させることが必要で、設計上また加工上の理由から溝と溝の間隔は1/3波長から1/2波長程度となることが多く、1/4波長になることはない。 The “microwave plate having various orientations in each area” is realized by periodically arranging deep grooves in the substrate. An infinite array of grooves formed periodically on the solid surface results in a greater phase lag for polarization where the electric field is parallel to the grooves and for polarization where the electric field is perpendicular to the grooves. In a half-wave plate, it is necessary to make the phase difference equal to π radian, and for design and processing reasons, the distance between grooves is often about 1/3 wavelength to 1/2 wavelength, 1/4 It will not be the wavelength.
なお図2に示すように凸状パターンが周辺から中心に向かって右回りに集まっているように見える場合、右回り円偏光の平面波が入射すると中心から周囲に行くほど位相が進み、集光となる。一方、左回り円偏光に対しては位相進み・遅れが逆転し発散光となる。また、透過光は逆回りの円偏光へと変換される。つまり入射円偏光の回転方向を判別して凸レンズ・凹レンズとして作用する。図2に対して鏡像のパターンを持つ図3のパターンでは、集光・発散する円偏光の関係が逆転する。入射円偏光が逆回りの円偏光へと変換される作用は同一である。 As shown in FIG. 2, when the convex patterns appear to gather clockwise from the periphery toward the center, when a plane wave of clockwise circular polarization is incident, the phase advances from the center to the periphery, Become. On the other hand, with respect to left-handed circularly polarized light, the phase lead / lag is reversed to become divergent light. Also, the transmitted light is converted into reverse circularly polarized light. That is, the rotation direction of the incident circularly polarized light is determined to act as a convex lens or a concave lens. In the pattern of FIG. 3 having a mirror image pattern with respect to FIG. 2, the relationship of the circularly polarized light collected and diverged is reversed. The effect of the incident circular polarization being converted into counter-rotating circular polarization is identical.
なお入射した光が平面波であれば、集光もしくは発散の機能となるが、すでに平面波ではない光が入射した場合は、その光に対して位相面の変換が起き、ちょうど光学素子が与える位相変換と逆の分布を持っているビームが入射すると、平面波に変換(コリメート)される。 If the incident light is a plane wave, it functions as focusing or divergence, but when light that is not a plane wave has already entered, conversion of the phase plane occurs to that light, and the phase conversion given by the optical element When a beam having an inverse distribution to is incident, it is converted (collimated) into a plane wave.
なお図2、図3のパターンは曲線の集合として描かれているが、線分の集合つまり折れ線であってもかまわない。ただし図2のパターンを折れ線で形成すると理想的な線からのずれが生じ、このずれは、位相分布に誤差を与え、位相面の変換性能に影響を及ぼすおそれがある。 Although the patterns in FIGS. 2 and 3 are drawn as a set of curves, they may be a set of line segments, that is, a broken line. However, when the pattern of FIG. 2 is formed by a broken line, a deviation from an ideal line occurs, and this deviation may give an error to the phase distribution and may affect the conversion performance of the phase plane.
本発明の各実施形態において、波長板は、2分の1波長板であることが特に好ましい。この場合、本発明の光学素子は、−z方向から+zへと入射する円偏光の位相面を凸面、凹面、平面のいずれかに変換し、かつ逆回りの円偏光となって出射する。 In each embodiment of the present invention, the wave plate is particularly preferably a half wave plate. In this case, the optical element of the present invention converts the phase plane of circularly polarized light entering from −z direction to + z into either convex, concave, or flat surface, and emits it as reverse circularly polarized light.
上記した曲線型の溝をもつ光学素子は、隣り合う凸部と凹部の一方の間隔の前記領域の内部における最大値と最小値の比が2倍以内になるように、他方が分岐・合流するよう幾何学的に配置されていることが好ましい(図4等参照)。 In the optical element having the above-described curved groove, the other splits and merges so that the ratio of the maximum value to the minimum value in the area of one of the distance between the adjacent protrusion and recess is within two times It is preferable to be geometrically arranged (see FIG. 4 etc.).
本発明の光学素子において、波長板はz軸方向に積層されたフォトニック結晶で構成されていることが好ましい。この場合、フォトニック結晶の溝間単位周期が、40nm以上、かつ入射する光の波長の1/4以下であり、フォトニック結晶の厚さ方向の周期が、入射する光の波長の1/4以下であることが好ましい。 In the optical element of the present invention, the wave plate is preferably made of a photonic crystal laminated in the z-axis direction. In this case, the inter-groove unit period of the photonic crystal is 40 nm or more and 1/4 or less of the wavelength of incident light, and the period in the thickness direction of the photonic crystal is 1/4 of the wavelength of incident light It is preferable that it is the following.
フォトニック結晶は、公知であるが、例えば自己クローニング法(特許文献1参照)によって形成すればよい。フォトニック結晶は、導波する光の動作波長よりも短い周期で屈折率が周期的に変化する構造体である。特に、波長板は、自己クローニング作用により形成されたフォトニック結晶であることが好ましい。フォトニック結晶は、光学素子として機能する微小周期構造体である。具体的なフォトニック結晶の製造方法としては、特許文献1に開示されているように、1次元的または2次元的に周期的な凹凸をもつ基板の上に、2種類以上の屈折率の異なる物質(透明体)を周期的に順次積層し、その積層の中の少なくとも一部分にスパッタエッチングを単独で、または成膜と同時に用いることにより、光学素子(波長板)を製造する方法があげられる。この方法は、自己クローニング法ともよばれる。そして、この自己クローニング法により形成されたフォトニック結晶は、自己クローニング型フォトニック結晶とよばれる。なお、自己クローニング型フォトニック結晶を用いて波長板を構成する技術は公知である。例えばフォトニック結晶の別の作製方法として、フェムト秒レーザをガラスに照射することで周期的な空隙を作製する方法が挙げられる。 Photonic crystals are known, but may be formed, for example, by an auto cloning method (see Patent Document 1). A photonic crystal is a structure whose refractive index changes periodically at a cycle shorter than the operating wavelength of light to be guided. In particular, the wave plate is preferably a photonic crystal formed by an autocloning action. A photonic crystal is a minute periodic structure that functions as an optical element. As a specific method of manufacturing a photonic crystal, as disclosed in Patent Document 1, two or more kinds of different refractive indexes are different on a substrate having periodical irregularities in one or two dimensions. There is a method of manufacturing an optical element (wave plate) by sequentially and sequentially laminating a substance (transparent body) and using sputter etching alone or simultaneously with film formation on at least a part of the lamination. This method is also called a self cloning method. And the photonic crystal formed by this auto cloning method is called a self cloning type photonic crystal. In addition, the technique which comprises a wavelength plate using a self-cloning type | mold photonic crystal is well-known. For example, as another method of producing a photonic crystal, there is a method of producing periodic voids by irradiating glass with a femtosecond laser.
なお、自己クローニング型フォトニック結晶を形成する複数種類の透明体は、アモルファスシリコン、5酸化ニオブ、5酸化タンタル、酸化チタン、酸化ハフニウム、2酸化ケイ素、酸化アルミ、フッ化マグネシウムなどのフッ化物のいずれかであることが好ましい。これらの中から屈折率の異なる2ないし複数種を選択しフォトニック結晶に用いることができる。例えばアモルファスシリコンと二酸化ケイ素、5酸化ニオブと二酸化ケイ素、五酸化タンタルと二酸化ケイ素の組み合わせが望ましいが、それ以外の組み合わせでも可能である。具体的には、自己クローニング型フォトニック結晶は、高屈折率材料と低屈折率材料とをz方向に交互に積層した構造を有する。高屈折率材料は、5酸化タンタル、5酸化ニオブ、アモルファスシリコン、酸化チタン、酸化ハフニウムまたはこれら2種以上の材料を組み合わせたものであることが好ましい。低屈折率材料は、2酸化ケイ素、酸化アルミ、フッ化マグネシウムを含むフッ化物またはこれら2種以上の材料を組み合わせたものであることが好ましい。 The transparent bodies forming the self-cloning type photonic crystal are fluorides such as amorphous silicon, niobium pentoxide, tantalum pentoxide, titanium oxide, hafnium oxide, silicon dioxide, aluminum oxide, magnesium fluoride and the like. It is preferable that it is either. From among these, two or more species having different refractive indices can be selected and used as a photonic crystal. For example, combinations of amorphous silicon and silicon dioxide, niobium pentoxide and silicon dioxide, and tantalum pentoxide and silicon dioxide are desirable, but other combinations are also possible. Specifically, the self-cloning type photonic crystal has a structure in which high refractive index materials and low refractive index materials are alternately stacked in the z direction. The high refractive index material is preferably tantalum pentoxide, niobium pentoxide, amorphous silicon, titanium oxide, hafnium oxide or a combination of two or more of these materials. The low refractive index material is preferably silicon dioxide, aluminum oxide, a fluoride containing magnesium fluoride, or a combination of two or more of these materials.
さらに具体的に説明すると、本発明の光学素子は、主軸方位が連続的に変化する波長板(曲線型)、または主軸方位が折れ線で近似された波長板(折れ線型)であり、それぞれの領域の波長板が、面内に周期構造を持ち当該周期構造が厚さ方向に積層されたフォトニック結晶で構成されている。フォトニック結晶は、自己クローニング法(特許文献1参照)によって形成すればよい。 More specifically, the optical element of the present invention is a wave plate (curved type) in which the main axis direction changes continuously or a wave plate (broken line type) in which the main axis direction is approximated by a broken line. The wave plate of is composed of a photonic crystal having a periodic structure in the plane and the periodic structure being stacked in the thickness direction. The photonic crystal may be formed by an auto cloning method (see Patent Document 1).
各波長板を形成する面内の周期構造の溝間単位周期および波長板の厚さ方向の単位周期は、共に、光学素子に入射する光の波長の4分の1以下となる。なお、面内の周期構造の溝間単位周期40nm以上とすることが好ましく。なお、光学素子に入射する光の波長は、通常、400nm〜1800nmの間から選ばれることが想定される。 The inter-groove unit period of the periodic structure in the surface forming each wave plate and the unit period in the thickness direction of the wave plate are both equal to or less than a quarter of the wavelength of light incident on the optical element. The inter-groove unit period of the in-plane periodic structure is preferably 40 nm or more. In addition, it is assumed that the wavelength of the light which injects into an optical element is normally chosen from 400 nm-1800 nm.
また、複数領域の波長板のうち、波長板溝長さの面内の最小値は溝間単位周期以上である。なお、波長板溝長さの面内の最小値の上限は溝間単位周期pの50倍以下であることが好ましい。 Further, among the wavelength plates of the plurality of regions, the in-plane minimum value of the wavelength plate groove length is equal to or greater than the inter-groove unit period. The upper limit of the in-plane minimum value of the wavelength plate groove length is preferably 50 times or less of the inter-groove unit period p.
また波長板の凸部のピッチpが(パタンが直線であるときのピッチ)をp0とすると0.7・p0≦p≦1.4・p0以内になるよう、凸部または凹部が分岐・合流するよう幾何学的に配置されることが好ましい。自己クローニング型フォトニック結晶は図5に示すように、位相差の変化が、ピッチの変動に対して変動が小さい。したがって、ピッチが変わった場合の半波長板からの位相ずれを小さくできる。 In addition, assuming that the pitch p of the convex portions of the wave plate is p 0 (the pitch when the pattern is a straight line), the convex portions or the concave portions are arranged such that 0.7 · p 0 ≦ p ≦ 1.4 · p 0 It is preferable to geometrically arrange so as to branch and merge. In the self-cloning type photonic crystal, as shown in FIG. Therefore, it is possible to reduce the phase shift from the half-wave plate when the pitch changes.
本発明に係る光学素子の好ましい実施形態は、入射する所定の円偏光に対して動作する光学素子である。この光学素子は、それぞれの領域がπラジアンの奇数倍である位相差φの波長板をなし、入射する円偏光の位相面を凸面、凹面、平面のいずれかに変換し、かつ逆回りの円偏光となって出射する。 A preferred embodiment of the optical element according to the present invention is an optical element operating on predetermined incident circularly polarized light. This optical element is a wave plate of phase difference φ in which each region is an odd multiple of π radian, and the phase plane of the incident circularly polarized light is converted to a convex surface, a concave surface, or a plane, and a reverse circle It emits polarized light.
自己クローニング形フォトニック結晶波長板に基づく本発明の光学素子は傾斜メタ表面とは根本的に異なり体積形であるため、その表面とその下部に反射防止処理を行うことや、接着剤を用いてほかの光学素子と接続することなどが容易にできる。体積形であって、積層の全厚さを保ったまま積層数を大きく(例えば2倍)、積層周期、面内周期を小さく(例えば1/2)しても特性がほぼ一定に保たれるので、構造の高精細化が可能である。 The optical element of the present invention based on a self-cloning type photonic crystal wave plate is fundamentally different from the inclined meta surface and is of a volume shape, so that an antireflection treatment is performed on the surface and the lower portion, or an adhesive is used. It can be easily connected to other optical elements. It is a volume type, and the characteristics can be kept almost constant even if the number of laminations is large (for example, 2 times), the lamination period and the in-plane period are small (for example, 1⁄2) while maintaining the total thickness of the laminations. Therefore, high definition of the structure is possible.
なお円偏光ではなく直線偏光を入射もしくは出射したい場合には、前後に1/4波長板があることで直線偏光として入出力が可能な光学素子を実現する。
例えば図6の複合光学素子601のように、入射側に1/4波長板604を入れることで、入射した直線偏光を604で円偏光に変換し、605に入射し、集光作用を実現できる。
もしくは複合光学素子602のように、出射側に1/4波長板607を配置し、606で集光された円偏光を直線偏光に変換して出射させる作用を実現できる。
もしくは複合光学素子603のように、入射側、出射側にそれぞれ1/4波長板608,610を配置し、入射した直線偏光が集光され、直線偏光として出射される機能実現することができる。
When it is desired to input or output linearly polarized light instead of circularly polarized light, an optical element that can be input / output as linearly polarized light is realized by the presence of quarter wavelength plates in front and back.
For example, as in the compound optical element 601 of FIG. 6, by inserting the quarter wavelength plate 604 on the incident side, the incident linearly polarized light can be converted to circularly polarized light by 604 and incident on 605 to realize the condensing action. .
Alternatively, as in the complex optical element 602, the quarter wavelength plate 607 may be disposed on the output side, and the function of converting the circularly polarized light collected in 606 into linearly polarized light and emitting the linearly polarized light can be realized.
Alternatively, quarter wavelength plates 608 and 610 may be disposed on the incident side and the output side, respectively, as in the composite optical element 603, and the linearly polarized incident light may be collected and emitted as linearly polarized light.
本発明の第2の側面は、第1の側面の光学素子を用いた光回路に関する。
図7の示すように偏光分離機能を持つ第一の光学素子701として、図1に示す非特許文献1の構造をもつ1/2波長板を用いると、入射した光を右回りと左回りの円偏光に分離することができる。
A second aspect of the present invention relates to an optical circuit using the optical element of the first aspect.
When a half-wave plate having the structure of Non-Patent Document 1 shown in FIG. 1 is used as the first optical element 701 having a polarization separation function as shown in FIG. 7, the incident light is rotated clockwise and counterclockwise. It can be separated into circularly polarized light.
このような偏光分離機能を持つ光学素子701は、例えば次のような構造を持つ。すなわち、光学素子701は、3次元空間x、y、zにおいて、xy面に形成された位相差がπラジアンの奇数倍を持つ波長板であり、y軸方向に平行な帯状の幅Dの領域が、x軸方向に単一又は複数繰り返される。波長板に形成された溝は、曲線y=(D/π)log(|cos(πx/D)|)+定数 と離散化誤差の範囲で一致する曲線である。光学素子701は、−z方向から+z方向へと入射する直線偏光を、パワー比1:1で直交する2つの円偏光へと分離する。分離された円偏光は、それぞれ回転方向と屈曲角度の正負が逆の関係になる。 The optical element 701 having such a polarization separation function has, for example, the following structure. That is, the optical element 701 is a wave plate having a phase difference formed in the xy plane in the three-dimensional space x, y, z and having an odd multiple of π radian, and has a band-like width D parallel to the y-axis direction. Are repeated one or more times in the x-axis direction. The groove formed in the wave plate is a curve which is coincident with the curve y = (D / π) log (│cos (πx / D) │) + constant in the range of the discretization error. The optical element 701 separates linearly polarized light incident from the −z direction to the + z direction into two circularly polarized lights orthogonal to each other at a power ratio of 1: 1. In the separated circularly polarized light, the rotation direction and the bending angle have an inverse relationship of positive and negative.
偏光分離機能を持つ光学素子701は、折れ線型でも良い。つまり、y軸方向に平行な帯状の幅Dの領域が、x軸方向に単一又は複数繰り返され、更に幅Dの領域は、y軸に平行な複数の帯状のサブ領域に区分される。同じサブ領域の中で遅波軸βは一様である。遅波軸βは、サブ領域の中心線のx座標x1に対して時計回りに β=(180×x1/D)度+定数 で表される。折れ線型の光学素子701は、−z方向から+z方向へと入射する直線偏光を、パワー比1:1で直交する2つの円偏光へと分離する。分離された円偏光は、それぞれ回転方向と屈曲角度の正負が逆の関係になる。 The optical element 701 having a polarization separation function may be a broken line type. That is, a band-like width D area parallel to the y-axis direction is repeated singly or in plurality in the x-axis direction, and the area of the width D is further divided into a plurality of band-like subareas parallel to the y-axis. The slow axis β is uniform within the same subregion. The slow wave axis β is represented by β = (180 × x1 / D) degrees + constant clockwise with respect to the x coordinate x1 of the center line of the sub region. The broken-line-type optical element 701 separates linearly polarized light incident from the −z direction to the + z direction into two circularly polarized lights orthogonal to each other at a power ratio of 1: 1. In the separated circularly polarized light, the rotation direction and the bending angle have an inverse relationship of positive and negative.
次に、第二の光学素子として、例えば図7のように1枚の上に図2又は図3のパターンの光学素子702を配置する。第一の光学素子で右回り、左回りの円偏光に分離されたそれぞれのビームは第二の光学素子に入射し、例えば集束光となる。この場合、第二の光学素子に対して光は斜めに入射するが、フォトニック結晶波長板は図8に示すように入射角に対してそれほど敏感な特性を持たないため、同様の機能を実現することができる。 Next, as a second optical element, for example as shown in FIG. 7, the optical element 702 of the pattern of FIG. 2 or FIG. 3 is disposed on one sheet. The respective beams separated into clockwise and counterclockwise circularly polarized light by the first optical element are incident on the second optical element and become, for example, focused light. In this case, although light is obliquely incident on the second optical element, the same function is realized because the photonic crystal wave plate does not have a characteristic sensitive to the incident angle as shown in FIG. can do.
もしくは図9に示すように、偏光分離機能を持つ第一の光学素子901(例えば図1に示す構造)の後ろに同じ構造の第二の光学素子902を配置する。すると第一の光学素子901で分離され、互いにななめに伝搬する光が第二の光学素子902で平行に屈曲される。この場合、偏光状態は第二の光学素子の前後で逆回りの円偏光に変換される。この後に、本発明に係る例えば図2又は図3に示す構造の第3の光学素子903を配置すれば、同様に集光機能を実現できる。 Alternatively, as shown in FIG. 9, the second optical element 902 having the same structure is disposed behind the first optical element 901 having a polarization separation function (for example, the structure shown in FIG. 1). Then, the lights separated by the first optical element 901 and propagated to each other in a transparent manner are bent in parallel by the second optical element 902. In this case, the polarization state is converted to reverse circular polarization before and after the second optical element. After that, if the third optical element 903 having the structure shown in FIG. 2 or 3 according to the present invention, for example, is disposed, the light collecting function can be realized similarly.
さらに、第一の光学素子1001(例えば図1に示す構造)、第二の光学素子1002(図1に示す構造)、及び第三の光学素子(例えば図2又は図3に示す構造)の後に、例えば図10に示すような1/4波長板1004を配置することで、直線偏光出力を持つ回路を実現できる。1/4波長板1004を、例えば第一のパターン1005のように二本のビームがそれぞれ軸の直交する1/4波長板とすれば、同じ方向の直線偏光を出力することができる。もしくは1/4波長板1004を、例えば第二のパターン1006のように二本のビームが同じ軸の向きの1/4波長板にすれば、互いに直交する直線偏光を出力することができる。なお「直交する偏光状態」は右回り円偏光と左回り円偏光でも直交しているし、縦の直線偏光と横の直線偏光でも直交している。直交であることに変わりはなく、通信において直交偏光を多重化するという意味ではどちらも同じである。 Furthermore, after the first optical element 1001 (e.g. the structure shown in FIG. 1), the second optical element 1002 (the structure shown in FIG. 1) and the third optical element (e.g. the structure shown in FIG. 2 or 3) For example, by arranging a quarter wavelength plate 1004 as shown in FIG. 10, a circuit having a linearly polarized light output can be realized. If the quarter wavelength plate 1004 is, for example, a quarter wavelength plate in which two beams are orthogonal to each other as in the first pattern 1005, linearly polarized light in the same direction can be output. Alternatively, if the quarter-wave plate 1004 is, for example, a quarter-wave plate in which the two beams face the same axis as in the second pattern 1006, linearly polarized light orthogonal to each other can be output. The “orthogonal polarization state” is orthogonal to both right-handed circular polarization and left-handed circular polarization, and vertical linear polarization and horizontal linear polarization are also orthogonal. There is no change to being orthogonal, and both are the same in the sense of multiplexing orthogonal polarization in communication.
なお本側面の光回路で用いられている光学素子は、それぞれ1枚の板の上に作成されるため、多並列化が容易である。したがって上記の機能を持つ回路と多並列で同時に作ることも容易である。 The optical elements used in the optical circuit of the present aspect are formed on a single plate, so that multiple parallelization is easy. Therefore, it is also easy to simultaneously make a circuit having the above functions in parallel.
上記のように、図1に示すような偏光分離プリズムと本発明のレンズと多領域1/4波長板を使って、入射した光を直交する偏光部に分離し、それぞれを集束光に変換し、偏光状態を直交もしくは平行直線偏光に変換する機能を実現することができる。 As described above, the incident light is separated into orthogonal polarization parts using the polarization separation prism as shown in FIG. 1, the lens of the present invention, and the multi-region quarter-wave plate, and each is converted into focused light The function of converting the polarization state into orthogonal or parallel linear polarization can be realized.
本発明によれば、集積化が容易な光学素子を提供することができる。また、本発明は、構造の高精細化や曲線化により不連続性に由来する光散乱や不要光成分の発生を抑止することができる。また、本発明によれば、表面処理、清浄化、接着処理など加工性に優れ、部品としての体積、フットプリント、作製コストの低減が可能となる。 According to the present invention, an optical element that can be easily integrated can be provided. Further, according to the present invention, it is possible to suppress the generation of the light scattering and the unnecessary light component originating from the discontinuity by the high definition of the structure and the curving. Further, according to the present invention, the processability such as surface treatment, cleaning, adhesion treatment is excellent, and the volume as a part, the footprint, and the manufacturing cost can be reduced.
以下の本発明の実施例1、実施例2、実施例3、および実施例4について説明する。 The following Example 1, Example 2, Example 3, and Example 4 of the present invention will be described.
本実施例では、上記した第1の側面に係る光学素子に関する。まず、垂直入射した右回り円偏光の平面波を左回りの円偏光に変換し集光する光学素子について説明する。 The present embodiment relates to the optical element according to the first aspect described above. First, an optical element will be described which converts a plane wave of right-handed circularly polarized light, which is vertically incident, into counterclockwise circularly polarized light and condenses it.
光学素子の光学配置を図11に示す。光学素子の基本構成は、3次元空間x、y、zにおいて、xy面に形成され、z軸方向に積層されたフォトニック結晶からなる波長板である。波長板は、図2に示すように、中心からの距離rに従って軸方位θがθ=A×r2(Aは適当な係数)で表すことができるパターンである。ここでの係数Aは、光学素子がレンズとして機能した場合の焦点距離fとすると、A=±π/2fλ(λは波長)として表される。 The optical arrangement of the optical elements is shown in FIG. The basic configuration of the optical element is a wave plate made of a photonic crystal that is formed in the xy plane in the three-dimensional space x, y, z, and is stacked in the z-axis direction. As shown in FIG. 2, the wave plate is a pattern in which the axial orientation θ can be represented by θ = A × r 2 (A is an appropriate coefficient) according to the distance r from the center. Here, the coefficient A is expressed as A = ± π / 2fλ (λ is a wavelength), assuming that the focal length f when the optical element functions as a lens.
また、図4に示されるように、フォトニック結晶のパタン(凸部または凹部)を曲線状にしたことで、1周期内部で中央部ではパタンが疎になり、端に近いほど密になりパタンが破綻する。そこで中央部でのパタン間ピッチを基準に取り、それをp0とする。p0がある閾値ピッチ以下になった位置で2本のパタンを合流させる。合流直後のピッチは2p0になるが、端にいくにほど密になるため、閾値長さ以下になったところで再度合流させる。以上の操作を繰り返すことでピッチがある範囲内で変化しながら理想的な光学軸分布を実現できる。閾値ピッチを0.5p0とすると、ピッチの変化範囲は0.5p0〜2.0p0の間になる。すなわち、隣り合う凸部と凹部の一方の間隔の最大値と最小値の比が4倍以内、好ましくは2倍以内になるように、他方が分岐・合流するよう幾何学的に配置されている。図4に示した例では、白色の部分が凹部となり、黒色の部分が凸部となっている。すなわち、主軸方位が連続的に変化する波長板(曲線型)の場合、凸部のピッチp(パタンが直線であるときのピッチ)をp0とすると0.5・p0≦p≦2・p0以内になるよう、凸部または凹部が分岐・合流するよう幾何学的に配置される。 In addition, as shown in FIG. 4, by making the pattern (convex part or concave part) of the photonic crystal curved, the pattern becomes sparse in the central part within one cycle and becomes denser as it gets closer to the end Breaks down. Therefore, the pitch between patterns in the central portion is taken as a reference, and it is set as p 0 . The two patterns are merged at a position where p 0 falls below a certain threshold pitch. Although the pitch immediately after merging is 2p 0, it becomes denser as it gets closer to the end, so it merges again when it becomes smaller than the threshold length. By repeating the above operation, an ideal optical axis distribution can be realized while changing within a certain range of the pitch. Assuming that the threshold pitch is 0.5 p 0 , the change range of the pitch is between 0.5 p 0 and 2.0 p 0 . That is, they are geometrically arranged such that the ratio of the maximum value to the minimum value of one of the intervals between adjacent projections and depressions is within 4 times, preferably within 2 times, and the other is branched and merged. . In the example shown in FIG. 4, the white part is a concave part, and the black part is a convex part. That is, in the case of a wavelength plate (curved type) in which the main axis orientation changes continuously, assuming that the pitch p of the convex portions (pitch when the pattern is a straight line) is p 0 , 0.5 · p 0 ≦ p ≦ 2 ··· The projections or recesses are geometrically arranged so as to branch and merge so as to be within p 0 .
他方で、本発明の光学素子は、上記のように曲線に限定されず、いわゆる折れ線近似で表現することもできる。すなわち、3次元空間x、y、zにおいて、xy面に形成され、z軸方向に積層されたフォトニック結晶からなる波長板である。波長板は、図2に示すような中心から距離r離れるに従って軸方位θがθ=A×r2で表すことができる曲線に近似した折れ線で表現されるパターンである。ここでのAはレンズとして機能した場合の焦点距離fとするとA=±π/2fλ(λは波長)として表さる。 On the other hand, the optical element of the present invention is not limited to a curve as described above, and can be expressed by a so-called broken line approximation. That is, it is a wavelength plate which is formed in the xy plane in the three-dimensional space x, y, z, and is made of a photonic crystal stacked in the z-axis direction. The wave plate is a pattern represented by a broken line which approximates to a curve whose axis orientation θ can be represented by θ = A × r 2 as the distance r from the center as shown in FIG. Here, A is represented by A = ± π / 2fλ (λ is a wavelength), where A is a focal length f when functioning as a lens.
右回り円偏光が前述した構造を透過する場合のシミュレーションを行った結果を図12に示す。z方向に進む光のxz面での強度分布の断面を示す。入射ビームが構造によって集光される様子がよくわかる。また位相面が連続的に変換されているため、不要な迷光もなく、効率よくモード径10ミクロンのビームがモード径4ミクロンに変換されていることがわかる。
解析の条件は次の通りである。
・波長λ 1.55μm
・高屈折率材料 a−Si
・低屈折率材料 SiO2
・遅軸屈折率ns 2.713
・速軸屈折率nf 2.486
・積層全体の厚さ λ/(ns−nf)×0.5
・係数 A=0.5π/52
The result of simulation when right-handed circularly polarized light passes through the above-mentioned structure is shown in FIG. The cross section of the intensity distribution in the xz plane of light traveling in the z direction is shown. It can be clearly seen how the incident beam is focused by the structure. Further, since the phase plane is continuously converted, it is understood that a beam with a mode diameter of 10 microns is efficiently converted into a mode diameter of 4 microns without unnecessary stray light.
The conditions of analysis are as follows.
· Wavelength λ 1.55 μm
・ High refractive index material a-Si
・ Low refractive index material SiO 2
・ Slow axis refractive index n s 2.713
・ Fast axis refractive index n f 2.486
· The total thickness of the laminated λ / (n s -n f) × 0.5
・ Coefficient A = 0.5π / 5 2
これは垂直入射の場合であるが、フォトニック結晶波長板の入射角依存性は図8に示すように入射角依存性が少ないため、斜めに入る光に対しても動作する。その場合、光はx,y方向に波数を持っていることになるが、入射光が持っている波数は出射光でも保存される。 This is the case of normal incidence, but since the incident angle dependency of the photonic crystal wave plate is less dependent on the incident angle as shown in FIG. 8, it works also for light entering obliquely. In that case, light has a wave number in the x and y directions, but the wave number possessed by the incident light is preserved even for the outgoing light.
図12に示したシミュレーションでは平行光を集光する様子を計算したが、光が逆方向に進んだ場合、つまりある位相面を持つ発散光が入射した場合は平行光に変換される。これは通常のレンズと同様である。例えば図12の焦点面から焦点面でのビーム径で出射されたビームはレンズで平行光に変換されることは明らかである。 In the simulation shown in FIG. 12, the way of collecting parallel light was calculated, but when light travels in the reverse direction, that is, when divergent light having a certain phase plane is incident, it is converted into parallel light. This is similar to a normal lens. For example, it is apparent that a beam emitted from the focal plane of FIG. 12 with a beam diameter at the focal plane is converted into parallel light by a lens.
また入射、出射媒質の屈折率に制限はなく、空気に出射しても、接着剤中に素子が埋められた状態であっても、適切な設計を行えば動作する。 Further, there is no limitation on the refractive index of the incident and outgoing medium, and even if the element is buried in the adhesive even if it is emitted to the air, it operates with appropriate design.
また光学素子は1枚の基板の上に複数並べることも容易であり、それぞれが異なるパラメータのパターンを持つことも可能である。 Also, it is easy to arrange a plurality of optical elements on one substrate, and it is also possible for each to have patterns of different parameters.
本発明の光学素子はこれまで述べた通り円偏光に対して動作し、出射する光も円偏光である。しかし光回路で円偏光を用いることは必ずしも一般的ではなく、むしろ直線偏光の方が使いやすい場合が多い。そこで入出力が直線偏光である場合を考える。 The optical element of the present invention operates on circularly polarized light as described above, and the emitted light is also circularly polarized light. However, it is not always common to use circularly polarized light in an optical circuit, and rather linear polarized light is often easier to use. Now consider the case where the input and output are linearly polarized light.
例えば図6の複合光学素子601のように、光学素子605の手前に1/4波長板604を配置することで、入射する直線偏光をいったん円偏光に変換し、動作させることが可能である。 For example, as in the composite optical element 601 of FIG. 6, by disposing the quarter-wave plate 604 in front of the optical element 605, it is possible to once convert incident linearly polarized light into circularly polarized light and operate it.
同様に、図6の複合光学素子602のように、光学素子606から円偏光で出力された光を1/4波長板607を透過せて直線偏光として出力することも可能である。また、図6の複合光学素子603のように、光学素子608の前後を1/4波長板609,610で挟むことで、直線偏光が光学素子608入射し、後段の1/4波長板610から直線偏光を出射させることもできる。図8に示すようにフォトニック結晶波長板の入射角依存性は敏感ではないので、集光され斜めに光が1/4波長板に入っても期待される動作が実現できる。直線偏光の向きを変えなくてはいけない場合は、それぞれの1/4波長板の軸を適宜選べばよい。 Similarly, as in the composite optical element 602 of FIG. 6, it is also possible to transmit the light output as circularly polarized light from the optical element 606 through the 1⁄4 wavelength plate 607 and output it as linearly polarized light. Further, as shown by the compound optical element 603 in FIG. 6, the linearly polarized light enters the optical element 608 by sandwiching the front and back of the optical element 608 with the quarter wavelength plates 609 and 610. It is also possible to emit linearly polarized light. As shown in FIG. 8, since the incident angle dependency of the photonic crystal wave plate is not sensitive, the expected operation can be realized even if the light is condensed and obliquely enters the 1⁄4 wavelength plate. If it is necessary to change the direction of linearly polarized light, the axis of each quarter wave plate may be selected as appropriate.
この場合、光学素子を1枚ずつ並べることもできるが、例えば自己クローニング法で図2に示すパターンを持つ多層構造を形成した後に、例えばSiO2の誘電体を用いて表面を平坦化し、さらにそこに別のパターンを形成し別のフォトニック結晶を形成することで、異なる光学素子を融合させることができる。平坦化のプロセスはバイアススパッタ、エッチング、CMP、機械研磨いずれの方法でもよい。この手法を用いれば、上記1/4波長板とレンズ機能を持つ光学素子を1枚に集積化することもできる。この場合、どちらが上下であってもよく、上と下に1/4波長板で間にレンズ機能を持つ光学素子の3段構造であってもよい。 In this case, although it is possible to arrange the optical elements one by one, for example, after forming a multilayer structure having the pattern shown in FIG. 2 by the self cloning method, for example, the surface is planarized using a dielectric of SiO 2 and further there. The different optical elements can be fused by forming another pattern on the other and forming another photonic crystal. The planarization process may be bias sputtering, etching, CMP, or mechanical polishing. By using this method, it is possible to integrate the above-mentioned 1⁄4 wavelength plate and an optical element having a lens function into one. In this case, either one may be upper or lower, or it may be a three-stage structure of an optical element having a lens function between upper and lower quarter wavelength plates.
図1に示す構造では入射光を右回り円偏光と左回り円偏光に分離する偏光分離プリズムを実現できる。したがってこの偏光分離プリズムを第一の光学素子として配置し、その後ろに本発明の光学素子を第二の光学素子として配置する。その際、分離されたビームが入射される位置に、図7の703に示すパターンを配置すれば、それぞれ逆回りの円偏光がそれぞれの領域に入射し、位相面が変換されどちらにも集光作用を持たせることができる。この二つのレンズの距離は前段のプリズムの分離角とプリズムとレンズの距離で一意に決まる。 In the structure shown in FIG. 1, it is possible to realize a polarization separation prism that separates incident light into right-handed circularly polarized light and left-handed circularly polarized light. Therefore, this polarization separation prism is disposed as a first optical element, and the optical element of the present invention is disposed as a second optical element behind it. In that case, if the pattern shown in 703 of FIG. 7 is arranged at the position where the separated beam is incident, the circularly polarized light in reverse direction is incident on each area, the phase plane is converted, and the light is collected on both It can have an effect. The distance between the two lenses is uniquely determined by the separation angle of the front prism and the distance between the prism and the lens.
この場合、図7の様にレンズには光が斜めに入射する。前述のようにフォトニック結晶波長板の特性は入射角に対して鈍感なため、垂直から10度程度の角度で入射する分には問題ないが、その後の光学系を考えると二本のビームが平行であることが好ましい。そこで第一の光学素子の後ろにもう一枚同じ機能を持つ偏光分離素子を第二の光学素子として配置する。すると第一の光学素子で斜めに分離された光が、第二の光学素子に斜めに入射するが、第二の光学素子で第一の光学素子に入射した方向と同じ方向に屈曲される。その結果、二本のビームは平行となる。この場合、第一の光学素子と第二の光学素子のパターン(具体的には図9におけるパターン904)が同じであることが肝要である。なおこの場合、第二の光学素子で円偏光は逆回りの円偏光に変換されることも、考慮しておくべきである。この後に本発明の光学素子を配置することで、平行に集光する光を得ることができる。 In this case, light is obliquely incident on the lens as shown in FIG. As described above, since the characteristics of the photonic crystal wave plate are insensitive to the incident angle, there is no problem for the incident at an angle of about 10 degrees from the perpendicular, but considering the subsequent optical system, two beams are It is preferred that they be parallel. Therefore, another polarization separation element having the same function is disposed behind the first optical element as a second optical element. Then, light obliquely separated by the first optical element is obliquely incident on the second optical element, but is bent in the same direction as the incident direction on the first optical element by the second optical element. As a result, the two beams become parallel. In this case, it is important that the patterns of the first optical element and the second optical element (specifically, the pattern 904 in FIG. 9) be the same. In this case, it should be taken into consideration that the circularly polarized light is converted into the backward circularly polarized light by the second optical element. By arranging the optical element of the present invention after this, it is possible to obtain light condensed in parallel.
さらに先述したように、射出光を直線偏光へと変換することもできる。図10の様に本発明の光学素子の後ろにさらに1/4波長板を挿入したものを考える。例えばその1/4波長板が図10中1005の様にそれぞれのビームが互いに軸が直交した領域を透過すれば、同じ方向の直線偏光が得られる。もしくは図10中のパターン1006で示した1/4波長板の様にどちらのビームも同じ軸方位の領域を透過すれば、直交する偏光を得ることもできる。得られる直線偏光の向きは1/4波長板1004の軸方位で決まることは明らかである。 Furthermore, as mentioned earlier, the emitted light can also be converted into linearly polarized light. As shown in FIG. 10, it is assumed that a quarter-wave plate is further inserted behind the optical element of the present invention. For example, if the 1⁄4 wavelength plate transmits the respective beams orthogonal to each other at 1005 in FIG. 10, linearly polarized light in the same direction can be obtained. Alternatively, as in the quarter-wave plate shown by the pattern 1006 in FIG. 10, orthogonal polarization can be obtained by transmitting both beams in the same axial direction. It is apparent that the orientation of the obtained linear polarization is determined by the axial orientation of the quarter-wave plate 1004.
このように偏光分離プリズム、本発明の光学素子、及び1/4波長板を組み合わせることで入射するビームを偏光分離し、集光し、直線偏光として出射する機能を持つ光回路を実現することができる。こうした素子は光通信において、光ファイバを伝わってきた光を直行する偏光に分離し、例えば動作偏光の決まったシリコンフォトニクスなどの別の光回路にモード径の変換をしつつ、偏光分離、変換を行い、入射させることができる。 Thus, by combining the polarization separation prism, the optical element of the present invention, and the 1⁄4 wavelength plate, it is possible to realize an optical circuit having a function of polarization separation, condensing and emitting as linearly polarized light. it can. Such an element separates the light transmitted through the optical fiber into orthogonal polarized light in optical communication, and performs polarization separation and conversion while converting the mode diameter to another optical circuit such as silicon photonics whose operating polarization is fixed. You can do it and let it go.
さらにこの光回路は前述したように1枚の基板上に積み重ねて形成することが可能であり、必要最小限の厚さで光回路を実現することが可能となるため、光回路の小型化に有用なものとなる。 Furthermore, as described above, this optical circuit can be formed by being stacked on a single substrate, and it becomes possible to realize the optical circuit with the minimum necessary thickness, so that the optical circuit can be miniaturized. It will be useful.
なおここでは光ファイバからシリコンフォトニクスへの結合といった、ビーム径が大きいところから小さいところへの変換を想定した。しかし回路は相反性であるため、小さいビームから大きいビームへの結合ももちろん可能である。例えばシリコンフォトニクスで構成された変調器から、同じ偏光方向を持ちそれぞれ異なる信号が変調されたビームが出力されることを想定する。図10を右から左にたどれば、直線偏光を1/4波長板1004でそれぞれ直交する円偏光にし、第三の光学素子1003で平行光にし、第一及び第2の光学素子1001,1002で一つの光路に結合させることも可能であることはあきらかである。 Here, conversion from a large beam diameter to a small beam diameter, such as coupling from an optical fiber to silicon photonics, is assumed. However, because the circuits are reciprocal, it is of course also possible to combine small beams into large ones. For example, it is assumed that a beam having the same polarization direction and having different signals modulated is output from a modulator configured by silicon photonics. If FIG. 10 is traced from right to left, linearly polarized light is converted to circularly polarized light orthogonal to each other by the 1⁄4 wavelength plate 1004, and collimated light is generated by the third optical element 1003, and the first and second optical elements 1001 and 1002 are made. It is obvious that it is also possible to couple to one light path.
例えば光ファイバの典型的なモード径である10ミクロンのビームを、モード径2ミクロンのシリコンフォトニクス回路に偏光分離、結合する光回路を設計した例を図13に示す。なおシリコンフォトニクス回路のモード径は通常0.45ミクロンと大変小さいためシリコンフォトニクス回路内にモード径変換機能が有していることを前提としている。例えばモード径10ミクロンとモード径2ミクロンの光回路を直接結合すると、そこでのモード径不整合による損失は8.3dBである。一方、本発明のレンズを用いた場合、1.5dBまで改善できることが、ビーム伝搬法を用いた計算により明らかとなっている。 For example, FIG. 13 shows an example of designing an optical circuit for polarization separation and coupling of a 10-micron beam, which is a typical mode diameter of an optical fiber, to a silicon photonic circuit having a mode diameter of 2 microns. Since the mode diameter of the silicon photonics circuit is very small, typically 0.45 microns, it is assumed that the mode diameter conversion function is provided in the silicon photonics circuit. For example, when an optical circuit having a mode diameter of 10 microns and a mode diameter of 2 microns is directly coupled, the loss due to mode diameter mismatch there is 8.3 dB. On the other hand, it is clear from the calculation using the beam propagation method that it is possible to improve to 1.5 dB when the lens of the present invention is used.
Claims (4)
前記波長板は、中心からある方向に向かって放射方向に距離r進んだ場所での軸方位θが、係数Aを用いて前記中心での軸方位に対してθ=Ar2増加する曲線からなるパターンで構成され、
前記係数Aは、、自由空間での焦点距離をfとするとA=±π/2fλ(λは波長)として表されるものであり、
−z方向から+z方向へと入射する円偏光の波面を変換し、
集束光もしくは発散光もしくは平行光に変換する
光学素子。 The three-dimensional space x, y, z includes a wave plate of phase difference φ formed in the xy plane, and the phase difference φ is an odd multiple of π radian,
The wave plate consists of a curve in which the axial orientation θ at a location where the distance r advances in the radial direction from the center in the radial direction with respect to the axial orientation at the center by a factor A, θ = Ar 2 Composed of patterns,
The coefficient A is expressed as A = ± π / 2fλ (λ is a wavelength), where f is a focal distance in free space.
Transform the wavefront of circularly polarized light that is incident from the −z direction to the + z direction,
An optical element that converts it into focused light or divergent light or parallel light.
前記波長板は、中心からある方向に向かって放射方向に距離r進んだ場所での軸方位θが、係数Aを用いて前記中心での軸方位に対してθ=Ar2増加する折れ線からなるパターンで構成され、
前記係数Aは、自由空間での焦点距離をfとするとA=±π/2fλ(λは波長)として表されるものであり、
−z方向から+z方向へと入射する円偏光の波面を変換し、
集束光もしくは発散光もしくは平行光に変換する
光学素子。 The three-dimensional space x, y, z includes a wave plate of phase difference φ formed in the xy plane, and the phase difference φ is an odd multiple of π radian,
The wave plate consists of a broken line in which the axial orientation θ at a position where the distance r advances in the radial direction from the center in the radial direction by θ = Ar 2 with respect to the axial orientation at the center using a coefficient A Composed of patterns,
The coefficient A is expressed as A = ± π / 2fλ (λ is a wavelength), where f is a focal distance in free space.
Transform the wavefront of circularly polarized light that is incident from the −z direction to the + z direction,
An optical element that converts it into focused light or divergent light or parallel light.
前記波長板は、z軸方向に積層されたフォトニック結晶で構成されており、
フォトニック結晶の溝間単位周期が、40nm以上、かつ入射する光の波長の1/4以下であり、
フォトニック結晶の厚さ方向の周期が、入射する光の波長の1/4以下である
光学素子。 An optical element according to claim 1 or 2, wherein
The wave plate is composed of a photonic crystal stacked in the z-axis direction,
The inter-groove unit period of the photonic crystal is 40 nm or more and 1/4 or less of the wavelength of the incident light,
An optical element in which the period in the thickness direction of the photonic crystal is 1/4 or less of the wavelength of incident light.
第2の光学素子として請求項1又は請求項2に記載の光学素子が配置され、
第3の光学素子として1/4波長板を有し、
第1の光学素子群から入射した光が第一の光学素子群により左回りと右回りの円偏光に分離され、
第2の光学素子を透過し集束光となり、
第3の光学素子を透過し直線偏光となって集光され、
入射した光を直交する偏光に分離して集光する機能を有する
複合光学素子。 As a first optical element group, it has one or two polarizing prisms for separating incident light into right-handed circularly polarized light and left-handed circularly polarized light,
The optical element according to claim 1 or 2 is disposed as a second optical element,
It has a quarter wave plate as the third optical element,
The light incident from the first optical element group is separated into left-handed and right-handed circularly polarized light by the first optical element group,
It passes through the second optical element and becomes focused light,
It passes through the third optical element and is condensed as linearly polarized light,
Compound optical element that has the function of separating incident light into orthogonal polarized light and collecting it.
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