(57)【要約】      （修正有）【課題】多段の光信号処理を少ない枚数の光学素子で実現可能な光回路を提供する。【解決手段】光信号を処理する光回路１００であって、複数の機能領域１１１，１１２，１１３，１１４が一つの平面上にパターン形成された主基板１１０と、この主基板の平面と対向配置され、機能領域を透過した光を反射する複数の反射部材１１５，１２１，１３１，１４１，１１６とを備え、光回路への入射光が反射部材において反射することで主基板の複数の機能領域のそれぞれを透過する。【選択図】図８
2020144165.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光信号を処理する光回路であって、
複数の機能領域が一つの平面上にパターン形成された主基板と、
前記主基板の前記平面と対向配置され、前記主基板の両側にあって、前記機能領域を透過した光を往復反射する複数の反射部材と、を備え、
前記光回路への入射光が前記反射部材において往復反射することで前記主基板の前記複数の機能領域のそれぞれを透過する
光回路。
【請求項２】
ｘｙｚの直交座標系からなる３次元空間において、ｚ方向に前記入射光が進み、ｘｙ平面に前記偏光グレーティング領域が形成されている場合において、
周期Ｐの１／２波長の位相差を持つ前記偏光グレーティング領域に波長λの前記入射光が入射すると、ｚ方向から＋ｘ方向にθ＝ｓｉｎ−１（λ／２Ｐ）傾いた方向から入射した円偏光が、＋ｘ方向にθだけ傾いた逆回りの円偏光となって出射する
請求項１に記載の光回路。
【請求項３】
前記複数の機能領域の少なくとも一つは、１／４波長の位相差を持つ偏光グレーティング領域であり、
前記反射部材が、前記偏光グレーティング領域の直後に設けられていることで、前記入射光が同じ前記偏光グレーティング領域を往復し、前記偏光グレーティングが前記入射光に対して１／２波長の位相差を持つ偏光グレーティング領域として機能する
請求項１又は請求項２に記載の光回路。
【請求項４】
前記主基板は、フォトニック結晶からなる複数の偏光グレーティング領域が一つの平面上にパターン形成されたものであり、
前記複数の偏光グレーティング領域には、偏光分離、ビーム分割、ビーム屈折、及びビームの重ね合わせの機能を持つものが含まれており、
偏光分離器と９０度ハイブリッド回路の合成回路として機能するように構成されている
請求項１から請求項３のいずれかに記載の光回路。
【請求項５】
前記機能領域は、１個以上の偏光グレーティングと１個の液晶可変波長板とを含み、
前記光回路への入力光を複数の出力ポートの内の一つに選択的に結合する
請求項１に記載の光回路。
【請求項６】
前記機能領域は、１個以上の偏光グレーティングと１個の液晶可変波長板とを含み、
前記光回路への入力光を複数の出力ポートに亘って任意の比で分配する
請求項１に記載の光回路。
【請求項７】
前記偏光グレーティングが自己クローニング型のフォトニック結晶である
請求項５又は請求項６の光回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の機能領域が一つの平面上に一括形成された基板を含む光回路に関する。具体的に説明すると、従来技術の光回路では複数の透明基板によって形成されていた複数の機能領域を、幾何学的・形状的に一つの平面上に一括形成することで、各機能領域の位置あわせの簡易化や、コストの低減、さらには回路の小型化を実現した技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光の屈曲・分離・分岐・合流、再配分などを実現する光学素子としては、レンズ、プリズム、ハーフミラーなど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。
【０００３】
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。
【０００４】
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（特許文献１）。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（非特許文献１）。
【０００５】
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。
光トランシーバーなど小形の光学サブシステムにおいて送信点Ｔ１、Ｔ２、…Ｔｎから受信点Ｒ１、Ｒ２、…Ｒｍに、分岐や合流を伴いつつ光を送るための手段は、
（１）平面光回路（Planar Lightwave Circuit、 PLC）（特許文献２）
（２）レンズ、プリズムなど個別部品を空間的に別の場所に配置する空間光学系（Micro Optical Circuit、 MOC）（特許文献３）
が主要なものである。本発明では、光の伝送される方向（ｚ方向）に垂直に、複数の平面ｘｙ１、ｘｙ２、ｘｙ３、…があって、その上の信号点の間の信号分配機能、授受機能、および偏光分離機能をもち、周期構造軸が複数の方向をもつ光学素子群によって、分岐や合流を伴いつつ光を送る操作を行う。
【０００６】
例えば特許文献２に示すようなコヒーレント通信用ＩＣＲ（Intradyne Coherent Receiver）の９０度ハイブリッドを実現するＰＬＣ回路では以下のような制約がある。
（１）ＰＬＣ回路では回路上で交叉がしばしば発生するが、２次元構造のため信号間の干渉が避けにくい。
（２）直交偏光ごとに、信号光の瞬時位相を基準にしてＩ相の局部発振光とＱ相の局部発振光との間の位相差をπ／２ラジアンに保つ必要がある。これは線路の間に線路長誤差および線路幅誤差に関する厳しい要求を課すことであり、製品の低歩留まり・高価格化を意味する。
このような制約は、図２のように偏光グレーティング（２０１，２０２，２０３，２０４）を配置して配線を３次元化することにより、
・信号の干渉なしに光路の交叉は実現できる
・構造の対称性が高く、線路長を高い精度で一致させることが容易である
という特徴によって解決することができる（特許文献４）。
【０００７】
コヒーレント通信と同様の光回路をＬＩＤＡＲ（Light Detection and Ranging）による物体検知に応用することも提案されている（非特許文献３）。一つの光源から出た光を二つに分離し、一つは物体に当てて帰ってきた光を用い、もう片方はそのまま用い二つの光を干渉させることで物体までの距離と物体の速度を測定できる。本発明によりこの干渉回路をコンパクトかつ低コストに実現することができる。
【０００８】
また一方で、偏光グレーティングと液晶を組み合わせることで光通信における用いられる光スイッチを実現することは可能である。
光通信において複数個の光信号の経路を切り替える光スイッチ回路は重要な部品である。図２は、光スイッチ回路の代表的な構造を示す原理図であり、平面状に導波路で結合された４入力４出力の熱光学効果スイッチ回路を示している。
【０００９】
光通信に用いられる他の重要な光スイッチ回路としては、波長選択スイッチ（ＷＳＳ：Wavelength Selective Switch）やＭＥＭＳ形スイッチなどが知られている。ＭＥＭＳ形の光スイッチ回路には、３次元形のものがある。３次元形のＭＥＭＳでは、入力側の光ファイバ群から出力側の光ファイバ群へと結合される信号路の選択自由度を高めるためには、ＭＥＭＳのマイクロミラーアレイ、の該当するミラーの２次元傾きを多階調アナログ制御することが必要であり大きな困難が伴う。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】D. Lin、 P. Fan、 E. Hasman and M. Brongersma、”Dielectric gradient metasurface optical elements、 Science、 Applied Optics、 18 July 2014、 pp. 298-302.
【非特許文献２】N. Yu and F. Capasso、 “Flat optics with designer metasurfaces”、 Nature materials、 23 January 2014、 pp.139-149.
【非特許文献３】Cristopher V. Poulton、 Ami Yaacobi、 David B. Cole、 Matthew J. Byrd、 Manan Raval、 Diedrik Vermeulen、 and Michael R. Watts、 “Coherent solid-state LIDAR with silicon photonic optical phased arrays、” Optics Letters、 vol. 42、 no. 20、 15 October 2017、 pp.4091-4094.
【非特許文献４】K. Suzuki、 K. Tanizawa、 S. Suda、 H. Matsuura、 T. Inoue、 K. Ikeda、 S. Namiki、 and H. Kawashima、 “Broadband silicon photonics 8 × 8 switch based on double-Mach-Zehnder element switches、” Opt. Express 25、 7538-7546 (2017)
【非特許文献５】Ming C. Wu、 Olav Solgaard、 and Joseph E. Ford、 “Optical MEMS for Lightwave Communication、”Journal of Lightwave Technology、 vol. 24、 No. 12、 December 2006.
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特許第３３２５８２５号公報
【特許文献２】特開２０１１−１８００２号公報
【特許文献３】米国特許第７５７３６４１公報
【特許文献４】国際公開ＷＯ２０１９／０１３３２０号パンフレット
【特許文献５】米国特許第７０９２５９９号公報
【特許文献６】特許第３３２５８２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
ところで、多機能な光回路を実現するにあたり、より小型かつ低コストで、かつ高精度なものが要求される。しかし、平面光回路では、２次元面内のみで光回路を取りまわすために面積が大きくなり、また光路の交差を行うと必ずクロストークが発生することから性能が劣化する。
【００１３】
一方で、偏光グレーティングといった機能を持つ光学素子を光の進行方向（ｘ方向）に直列に並べることで、平面光回路に比べて空間を効率良く利用でき、また交差やクロストークを抑制することができるが、複数段の処理には複数枚の光学素子が必要となるため、回路全体が長く、かつ高コストになってしまう。例えばコヒーレント通信に用いられる偏光分離と９０度ハイブリッドを併せ持つ光回路を実現しようとした場合、出力光の間隔を一定以上に広げることが必要になるが、その際に偏光グレーティングの分離角をある程度以上にすると損失が発生してしまう。従って、損失を抑制しつつ出力光の間隔を広げるために、光路長が必然的に長くなってしまうという問題がある。
【００１４】
そこで、本発明は、多段の光信号処理を少ない枚数の光学素子で実現することを第１の目的とする。
【００１５】
また、平面上の経路スイッチとしては、ＰＬＣ（Planar Lightwave Circuit：平面光回路）上のスイッチやシリコン光回路スイッチが知られている。それらの多入力多出力の光経路スイッチは、図３のように網目構造をなしていて、信号の入れ替えは隣接光線路間で行われる。図３において、２入力×２出力単位スイッチ素子３０１は、長方形で表される熱光学部分の加熱オン・オフにともなって、アンチクロス状態（左上→右上または左下→右下）とクロス状態（左上→右下または左下→右上）が切り替えられる。一つのスイッチ素子の入力から見て、信号の行き先は隣接する二つの線路のいずれか一方だけであって、経路変化はゼロかプラスマイナス１、つまり信号の跳躍はたかだか１段である。回路内で信号線路同士はほぼ直角で交叉していて漏話（クロストーク）を最小にしているがそれでも信号同士の漏話を避けるのは困難である。さらに複雑な回路、例えば８×８スイッチ回路（又は１６×１６スイッチ回路）では、信号は入力端から出力端に達する前に８個（又は１６個）のスイッチ素子を通過する必要があり、通過ごとの信号損失や漏話が８回（１６回）累積されているため、信号品質を維持するのがさらに困難である。このように、多数の入出力ポートを持つ光スイッチ回路で、信号損失や信号線路間の漏話が問題であるとされていた。
【００１６】
そこで、本発明は、多数の入出力ポートを持つ光スイッチ回路においても、信号損失や信号線路間の漏話を効果的に抑制し、かつ回路構成を小型化することを第２の目的とする。本発明は、上記第１の目的及び第２の目的の少なくともいずれか一方を達成するためのものである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明の発明者らは、上記目的を達成する手段について鋭意検討した結果、１枚の透明基板の上に複数の機能を持つ領域を一括形成するとともに、その前後に反射ミラーを配置し、光路を折り曲げて当該透明基盤の異なる領域に順次光を入射することで、多段の光信号処理を少ない枚数の光学素子で実現することが可能になるという知見を得た。そして、本発明者らは、上記知見に基づけば、従来技術の課題を解決できることに想到し、本発明を完成させた。具体的に説明すると、本発明は以下の構成を有する。
【００１８】
本発明は、光信号を処理するための光回路に関する。本発明に係る光回路は、主基板と複数の反射部材を備える。主基板は、複数の機能領域が一つの平面上にパターン形成された透明基板である。機能領域の例は、偏光グレーティング（回折格子）領域であり、光の入射光に対して、偏光分離、ビーム分割、ビーム屈折、ビームの重ね合わせ等の光学的作用をもたらす。主基板は、各機能領域がパターン形成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が、図１に示されたようなメタ表面であってもよく、もしくは液晶分子を用いたものであってもよい。反射部材は、主基板の平面と対向配置され、この主基板両側にあって、機能領域を透過した光を往復反射するように配置されている。反射部材は、主基板の正面及び背面の両方に配置することが好ましく、これにより反射光を主基板に繰り返し入射させることができる。そして、本発明の光回路は、入射光が反射部材において往復反射することで主基板の複数の機能領域のそれぞれを透過するように構成されている。このように、一つの主基板上に複数の機能領域を集積（一括パターン形成）することにより、例えば一つの機能領域を持つ基板を複数枚直列に並べていた従来技術と比較して、少ない枚数の光学素子で多段の光信号処理を実現することができる。また、多数の入出力ポートを持つ光スイッチ回路においても、信号損失や信号線路間の漏話を効果的に抑制し、かつ回路構成を小型化することが可能となる。
【００１９】
ｘｙｚの直交座標系からなる３次元空間において、ｚ方向に入射光が進み、ｘｙ平面に偏光グレーティング領域が上記の機能領域として形成されている場合を想定する。この場合に、偏光グレーティング領域の周期（すなわち回折格子周期）をＰとし、偏光グレーティングが周期Ｐの１／２波長の位相差を持つものであるときに、この偏光グレーティング領域に波長λの入射光が入射すると、ｚ方向から＋ｘ方向にθ＝ｓｉｎ−１（λ／２Ｐ）傾いた方向から入射した円偏光が、＋ｘ方向にθだけ傾いた逆回りの円偏光となって出射することが好ましい。このような構成によれば、円偏光である入射光を理論的には逆方向の円偏光に変換しつつ、損失無く逆方向に折り曲げることが可能となる。
【００２０】
本発明に係る光回路において、複数の機能領域の少なくとも一つ、または複数の機能領域の全ては、１／４波長の位相差を持つ偏光グレーティング領域であることが好ましい。この場合に、反射部材が、偏光グレーティング領域の直後に設けられていることで、入射光が同じ偏光グレーティング領域を２往復し、１／４波長の位相を持つ偏光グレーティングが入射光に対して実質的に１／２波長の位相差を持つ偏光グレーティング領域として機能することが好ましい。このようにすれば、例えば主基板をすべて１／４波長板で形成した場合であっても、部分的に１／２波長板として機能させることができるようになり、複数の異なる機能領域を同じ基板上に一括形成しやすくなる。
【００２１】
本発明に係る光回路において、主基板は、フォトニック結晶からなる複数の偏光グレーティング領域が一つの平面上にパターン形成されたものであることが好ましい。また、複数の偏光グレーティング領域には、偏光分離、ビーム分割、ビーム屈折、及びビーム重ね合わせ（重ね合わせ）の機能を持つものが含まれている。これにより、本発明に係る光回路は、偏光分離器と９０度ハイブリッド回路の合成回路として機能するように構成されていることが好ましい。
【００２２】
本発明に係る光回路において、機能領域は、１個以上の偏光グレーティングと１個の液晶可変波長板とを含むものであってもよい。この場合、本発明の光回路は、入力光を複数の出力ポートの内の一つに選択的に結合することとしてもよい。
【００２３】
本発明に係る光回路において、機能領域は、１個以上の偏光グレーティングと１個の液晶可変波長板とを含むものであってもよい。この場合、本発明の光回路は、入力光を複数の出力ポートに亘って任意の比で分配することとしてもよい。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の光回路によれば、多段の光信号処理を少ない枚数の光学素子で実現することができる。また、本発明の光回路によれば、多数の入出力ポートを持つ光スイッチ回路においても、信号損失や信号線路間の漏話を効果的に抑制し、かつ回路構成を小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】図１は、傾斜メタ表面を使って実現した偏光グレーティングの一例を示している。
【図２】図２は、偏光分離回路と９０度ハイブリッド回路の合成回路の一例を示している。
【図３】図３は、網目構造をなす多入力多出力の光経路スイッチの一例を示している。
【図４】図４は、本発明に係る光回路の基本原理を示している。
【図５】図５は、図４に示した光回路の応用例である。
【図６】図６は、フォトニック結晶による曲線型の偏光グレーティングの一例を示している。
【図７】図７は、ミラーを用いて一枚の基板上に１／４波長板として機能する部位と１／２波長板として機能する部位を一括形成する方法を示している。
【図８】図８は、本発明に係る光回路のｙｚ面の断面構造の一例を示している。
【図９】図９は、本発明に係る光回路の光路を模式的に展開したものであり、ｘｚ面から見た光路を示している。
【図１０】図１０は、光回路の中核となる主基板のレイアウト例（ｘｙ面）を示している。
【図１１】図１１は、本発明に係る液晶を用いた光回路を模式的に展開したものであり、ｘｚ面から見た光路を示している。
【図１２】図１２は、図１１の光回路を駆動するための電気配線の一例を示している。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、図面を用いて本発明を実施するための形態について説明する。本発明は、以下に説明する形態に限定されるものではなく、以下の形態から当業者が自明な範囲で適宜変更したものも含む。
【００２７】
［１．基本構成］
本発明の根幹は、光信号の伝送経路や処理の異なる複数の機能領域を、幾何学的・形状的に一つの主基板の平面上に一括形成することにより、機能領域の位置あわせの正確化や、光回路の製造コスト低減、さらには光回路の小型化を実現することにある。
【００２８】
機能領域としては、例えば国際公開ＷＯ２０１９／０１３３２０号（特許文献４）に開示された偏光グレーティングを挙げることができる。偏光グレーティングを用いることで、入射光の偏光分離、ビーム屈折、ビーム分割、あるいはビームの重ね合わせが可能となり、それらを組み合わせることで、コヒーレント通信で用いることのできる偏光分離回路と９０度ハイブリッド回路の機能を実現できる。この場合、特許文献４では複数の光学素子（機能領域）を光の進行方向に直列に並べていく構成が述べられているが、本発明では、発想を転換して、すべての機能領域を一つの主基板の平面上に一括してパターン形成する。そして、主基板の前後に反射部材（ミラー等）を配置して、主基板への入射光が反射部材を反射しながら、この主基板上に形成された複数の機能領域に導入させるように構成する。
【００２９】
例えば図４（ａ）に示すように、従来は、複数の基板上４１０，４２０，４３０にそれぞれ異なる偏光グレーティング領域４１１，４２１，４３１を形成していた。これに対して、本発明では、図４（ｂ）に示すように、１枚の主基板４４０上に、３領域の機能の異なるフォトニック結晶からなる偏光グレーティング領域４４１，４４２，４４３が一括パターン形成されている。具体的には、図４（ｂ）の光回路は、図面の左側から入射した光が、第１の偏光グレーティング領域４４１を透過し、その後第１のミラー４５０で反射され、次いで第２の偏光グレーティング領域４４２を透過し、その後第２のミラー４６０で反射され、最後に偏光グレーティング領域４４３を透過して出射されるように構成されている。この場合、異なる光学的機能を持つ偏光グレーティング領域４４１，４４２，４４３を含むフォトニック結晶を１枚の主基板４４０上に一括で形成することが可能である。従って、図４（ｂ）に示した光回路は、図４（ａ）に示したものと比べて、低コストで製造することができる。また、図４（ｂ）に示した光回路では、３領域のパターンはそれぞれ電子線描画などのリソグラフィー技術で作成されるため、互いの位置関係を高い精度で制御することができる。従来であれば３枚を位置合わせする必要があったがそれが不要となる。なお、図４に示した例では、偏光グレーティング領域は３箇所であるが、さらに増やすことも可能である。
【００３０】
また、図５に示されるように、主基板５１０の前後に配置する反射部材にハーフミラー５３０を採用して、光回路に導入された光の一部を外部に出力したり、ある領域だけ透過させて別のミラーで反射させることで伝搬長を制御することもできる。図５の紙面に垂直な方向に対して斜めの成分を持っていれば、伝搬長によって紙面に垂直な方向での位置が変わるため、３次元で位置を制御することも可能である。さらに、図５のように、光を入射した方向と同じ方向に出力させることも可能である。つまり、光回路への入射光は、第１の偏光グレーティング領域５１１を透過して、その後第１のミラー５２０で反射し、次に第２の偏光グレーティング領域５１２を透過して、その後ハーフミラー５３０で一部が反射して、残部は透過する。ハーフミラー５３０の透過光は、光回路に入射した方向と同じ方向に出力される。また、ハーフミラー５３０の反射光のみが、第３の偏光グレーティング領域５１３を透過して、第２のミラー５４０で反射する。第２のミラー５４０の反射光も、光回路に入射した方向と同じ方向に出力される。
【００３１】
多段の光回路では、一つ一つの反射ミラーの光損失が小さいこと（例えば反射効率９９％以上）と偏光グレーティングの所望次数・所望偏光への回折効率が高いこと（例えば９８％以上）が有利な条件である。前者は誘電体多層反射膜で広く実用されている。後者はＮｂ２Ｏ５／ＳｉＯ２を用いた自己クローニングフォトニック結晶により実証されている。このように、１枚の基板上に複数の光学的機能を持つ領域が一括形成された光学素子と反射ミラーを組み合わせることで、高い自由度を持つ光回路を実現することが可能である。もちろん機能領域が形成された主基板は１枚である必要はなく、複数枚であってもよい。
【００３２】
［２．機能領域］
主基板上に形成する機能領域を、図６に示すような、微細構造のパターンを持つ偏光グレーティングによって達成する場合を説明する。本発明で用いる偏光グレーティングは、微細な凹凸構造がパターニングされた波長板であり、その波長板の位相差によって０次光と１次光の割合を変えることができる。具体的には入射光が円偏光である場合、位相差が１／４であれば、半分のパワーは０次光としてそのまま通過する。残り半分のパワーは、逆回りの円偏光となり、１次回折光として偏光グレーティングの周期Ｐ、波長λとするとθｓｉｎ−１（λ／Ｐ）の角度で回折される。位相差が１／２であればすべて１次回折光に進む。このように偏光グレーティングの位相差で、各機能領域に付与する機能を変えることができる。このようなパターンの偏光グレーティングによって、光の偏光分離や、分岐、屈折、重ね合わせを実現する方法は公知であり、例えば国際公開WO2019/013320号（特許文献４）にて詳細に説明されている。
【００３３】
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θは、πラジアンの整数倍ではない。光学素子は、ｘ軸方向に単一、もしくは、繰り返される一又は複数の領域を有する。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る。この波長板の軸方位は、曲線であり、かつｙ軸方向に対する角度が０度から１８０度の範囲で連続的に変化する。具体的には、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となる。例えば、波長板には、その軸方位に沿った溝が形成されている。
光学素子は、−ｚ方向から＋ｚ方向へと入射する円偏光を、パワー比ｓｉｎ２（θ／２）：ｃｏｓ２（θ／２）で、入射する円偏光が右回りの場合、左回りの円偏光でｘｚ面で＋ｘ方向に屈曲する成分と、右回りの円偏光で直進する成分とに分離および変換して出射する。一方、入射する円偏光が左回りの場合、右回りの円偏光でｘｚ面で−ｘ方向に屈曲する成分と、左回りの円偏光で直進する成分とに分離および変換して出射する。
【００３４】
波長板は、４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へと入射するの円偏光を、前記の屈曲する成分と前記の直進する成分とに等しいパワー（光量）で分離および変換して出射する。
【００３５】
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。
【００３６】
上記した曲線型の溝をもつ光学素子は、領域の幅をＤとした場合に、曲線が、ｙ＝（Ｄ/π）ｌｏｇ（|ｃｏｓ（πｘ／Ｄ）|）＋定数で表されることが好ましい。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
また同様に波長板を構成する技術として液晶を用いた方法も挙げられる。
【００３９】
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。
【００４０】
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前記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。
【００４１】
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大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。
【００４２】
また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、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。
【００４３】
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ラジアンの整数倍ではない位相差θの波長板をなし、入射した円偏光は逆回りの円偏光と同じ周りの円偏光に強度比はｓｉｎ２（θ／２）：ｃｏｓ２（θ／２）で分岐される。
【００４４】
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（たとえば非特許文献１，２：gradient metasurface）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。
【００４５】
ところで、特許文献１の自己クローニング法で作製されたフォトニック結晶波長板を用いて偏光グレーティングを形成する場合、位相差は、透明体の積層数で制御する。つまり１／４波長板の層数は１／２波長板の層数のほぼ半分とする必要がある。このため、フォトニック結晶波長板の場合、同じ１枚の基板の平面上に、１／４波長板として機能する領域と１／２波長板として機能する領域を同時に形成することが困難であるという課題がある。本発明は、当該課題に対する解決策を提案する。
【００４６】
ここで図７に示すように、例えば１／４波長板からなる偏光グレーティングが形成された透明基板の裏側の一部に、反射ミラーが形成されたガラス板を配置する。すると、透明基板のうち、入射光がそのまま透過する部分は、１／４波長板として機能し、入射光を反射する部分は、実質的に入射光が二度通過（往復）することになるため１／２波長板として機能する。このように、透明基板の裏に反射ミラーを配置する部分と配置しない部分を区分けすることで、１枚の透明基板の上に１／４波長板として機能する部分と１／２波長板として機能する部分を、平面的に一括形成することができる。すなわち、ミラーで反射された光は跳ね返り戻ってくる。１／４波長板とミラーを組み合わせて光を入れた場合、光は１／４波長板を往復することで、１／２波長板に相当する位相差を感じて反射光が戻ることとなる。この考え方を上記偏光グレーティングに適用し、１／４波長板で形成された偏光グレーティングとミラーを組み合わせることで、部分的に１／２波長板として機能する偏光グレーティングを実現することができる。
【００４７】
［３．光回路：偏光分離回路と９０度ハイブリッド回路の合成］
続いて、図８から図１０を参照して、偏光分離回路と９０度ハイブリッド回路の機能を併せ持つ光回路について説明する。光回路１００は、ｘｙｚの直交座標系からなる３次元構造をなしており、入射光がｘ軸方向に進行する。図８は、一実施形態に係る光回路１００ｘｚ面の断面図ある。また、図９は、光回路１００における入射光の光路が直線的になるように模試的に展開して表したである。図１０は、図８のＸ−Ｘにおける断面図であり、複数の機能領域が形成された主基板１１０のｘｙ面を示している。
【００４８】
光回路１００の基本的な機能を、図９を参照して説明する。まず、図中の左側から信号光と局部発振光が光回路１００に入射する。これらの信号光と局部発振光は、第１の偏光グレーティング１１１（機能領域Ａ：偏光分離）に入射して、それぞれ右回りと左回りの円偏光に分離される。偏光分離のための第１の偏光グレーティング１１１は、例えば図６に示した曲線型と同様のパターンで、位相差がπラジアンとなるものとすればよい。
【００４９】
次に、第１の偏光グレーティング１１１から出力された円偏光は、それぞれ、第２の偏光グレーティング１１２（機能領域Ｂ：ビーム分割）に入射して、半分のパワーの光に分割される。ビーム分割のための第２の偏光グレーティング１１２は、例えば図６に示した曲線型と同様のパターンで、位相差がπ／２ラジアンとなるものとすればよい。このとき、第２の偏光グレーティング１１２に形成された格子パターンは、円偏光の入射位置ごとにパターンの位相をずらすことで、各円偏光に対して任意の位相差を与えることができる。例えば、第１の偏光グレーティング１１１で分離された右回りの信号光の位相を、もう一方の左回りの信号光に対して９０度進めて、２つの信号光の位相差を９０度にしたり、あるいは別の位相差を与えることもできる。
【００５０】
次に、第２の偏光グレーティング１１２にて２分割された光は、両方とも第４の偏光グレーティング１１４（機能領域Ｄ：重ね合わせ）に向かうことになるが、その際に、２分割された光の一方は、第３の偏光グレーティング１１３（機能領域Ｃ：屈折）を経由して光路が屈折されて、その後第４の偏光グレーティング１１４に入射し、２分割された光の他方は、第３の偏光グレーティング１１３を経由せずにそのまま第４の偏光グレーティング１１４に入射する。ここで、第３の偏光グレーティング１１３の位相差をπラジアンとした際、入力された円偏光は屈曲され逆回りの円偏光となって出力される。第１の偏光グレーティング１１１から出力されるビームはすべて円偏光であるため、ビームの方向を変えることができる。ビームの屈曲角度は、偏光グレーティングの周期で決まる。このパターンの方位や周期は様々な値に設定できる。したがって、こうした素子を配置することで、ビームを折り曲げながら任意の位置に導くことができる。
【００５１】
次に、第１の偏光グレーティング１１１及び第２の偏光グレーティング１１２を通過した信号光と局部発信光は、第４の偏光グレーティング１１４（機能領域Ｄ：重ね合わせ）に導入される。第４の偏光グレーティング１１４に導入された信号光と局部発振光は、重ね合わせ干渉を起こす。これにより、信号光と局部発振光を干渉させた出力光を得ることができる。すなわち、この光回路１００の構成によれば、偏光面を任意の方向に調整した信号光と局部発振光を干渉させた合計８本のビームを出力することができる。また、第４の偏光グレーティング１１４の直後には、平行化（コリメート）のための第５の偏光グレーティング１５１が設けられている。第４の偏光グレーティング１１４から出射された８本のビームは、第５の偏光グレーティング１５１を通過することで、それぞれが平行な状態に戻される。
【００５２】
上記図９は、光回路１００の光学的な機能を説明するためのものである。本発明に係る光回路１００は、実際には、図８に示した立体的な構造をなすものであり、これにより図９に示した機能が達成される。概念的には、図９に示した反射面（１１５，１２１，１３１，１４１，１１６，１４１）にて、図９の紙面を折り畳むことを考える。図９に示した反射面のうち、破線で示した部位（１１５，１３１，１１６）では紙面を山折りとし、一点鎖線で示した部位（１２１，１４１，１４１）では紙面を谷折りとする。そうすると、第１から第４の偏光グレーティング１１１〜１１４がすべて重なることがわかる。その構成を横から見たものが図８である。このような概念を利用して、光回路１００を立体的に構成することで、第１から第４の偏光グレーティング１１１〜１１４のすべての機能領域を、一つの主基板１１０の平面上に一括形成することが可能となる。
【００５３】
具体的に説明すると、光回路１００の中央には、ｘｙ平面を持つ主基板１１０が配置される（光の進行方向はｚ方向）。この主基板１１０は、フォトニック結晶などの透明基板からなるものであり、その平面には、前述した第１から第４の偏光グレーティング１１１，１１２，１１３，１１４が一括形成されている。主基板１１０の偏光グレーティングが形成された平面のパターンの一例を、図１０に示す。図８及び図１０に示されるように、主基板１１０には、紙面の上から順に、第１の偏光グレーティング１１１、第２の偏光グレーティング１１２、第３の偏光グレーティング１１３、及び偏光グレーティング１１４がｙ方向に形成されている。なお、第１の偏光グレーティング１１１と第２の偏光グレーティング１１２の間には、偏光グレーティングが存在しない透過領域が設けられる。
【００５４】
また、本実施形態において、第１の偏光グレーティング１１１と第３の偏光グレーティング１１３には、それぞれ反射ミラー１１５，１１６が重ね合わされている。このため、図８に示すように、主基板１１０に入射した光は、透明基板を経由して、第１及び第３の偏光グレーティング１１１，１１３を透過した直後に反射ミラー１１５，１１６にて鏡面反射し、第１及び第３の偏光グレーティング１１１，１１３を再度透過する。このため、前述したように、主基板１１０全体が１／４波長板として機能するように形成されている場合であっても、第１及び第３の偏光グレーティング１１１，１１３の部分においては１／２波長板として機能することとなる。
【００５５】
主基板１１０の前後両面側には、ｚ方向に複数の副基板１２０，１３０，１４０，１５０が積層するように貼り合わせられている。各副基板は、主基板１１０と同様にフォトニック結晶で形成することもできるし、ガラス板などの透明材料を採用することとしてもよい。第１の副基板１２０は、主基板１１０の正面側に対向配置され、第２の副基板１３０は、主基板１１０の背面側に対向配置される。また、第３の副基板１４０は、主基板１１０と第１の副基板１２０の間に挟み込まれ、第４の副基板１５０は、主基板１１０と第２の副基板１３０の間に挟み込まれる。このように、本実施形態に係る光回路１００は、主基板と副基板が合計５層に積層されたものとなる。第１から第３の副基板１２０，１３０，１４０は、それぞれ、一部に反射ミラー１２１，１３１，１４１が形成されており、残部が透過領域となっている。また、第４の副基板１５０は、一部に平行化用の第５の偏光グレーティング１５１が形成されており、残部が透過領域となっている。
【００５６】
図８に示されるように、信号光と局部発振光は、第１の副基板１２０の透過領域から入射する。このとき、光の入射角は、ｚ軸に対する平行線に対して、所定角度θで傾斜していることとなる。所定角度θは、０度を超える値であればよく、例えば１度〜１０度とすればよい。その後、これらの光は、第３の副基板１４０の透過領域を経由して、主基板１１０の第１の偏光グレーティング１１１に入射し、その直後に反射ミラー１１５で反射する。これらの光は、第１の偏光グレーティング１１１によりそれぞれ右回りと左回りの円偏光に分離される。第１の偏光グレーティング１１１で偏光分離された光（円偏光）は、再び第３の副基板１４０の透過領域を経由して、第１の副基板１２０の反射ミラー１２１にて反射する。この反射光は、第３の副基板１４０の透過領域と、主基板１１０における第１の偏光グレーティング１１１と第２の偏光グレーティング１１２の間の透過領域、及び第４の副基板１５０の透過領域を経由して、第２の副基板１３０の反射ミラー１３１にて反射する。この反射光は、再び第４の副基板１５０の透過領域を経由して、主基板１１０の第２の偏光グレーティング１１２に入射し、半分のパワーの光に分割される。第２の偏光グレーティング１１２で分割された光は、そのまま直進して、第３の副基板１４０の反射ミラー１４１にて反射する。この反射光は、主基板１１０の第３の偏光グレーティング１１３に入射して、その直後に反射ミラー１１６で反射する。第３の偏光グレーティング１１３では、第２の偏光グレーティング１１２によって２分割された光の一方の光路を屈折させる。なお、２分割された光の他方は、第３の偏光グレーティング１１３に入射せずにそのまま直進することとなる（図９参照）。その後、それぞれの光は、再び第３の副基板１４０の反射ミラー１４１にて反射して、第４の偏光グレーティング１１４に入射する。第４の偏光グレーティング１１４に導入された信号光と局部発振光は、重ね合わせ干渉を起こす。これにより、信号光と局部発振光を干渉させた出力光が射出されることとなる。その後、出力光は、第４の副基板１５０の第５の偏光グレーティング１５１に入射して、光路が平行化される。これにより、合計８本の光ビームが光回路１００から射出されることとなる。このように、図８に示した本発明の光回路１００は、図９に示した光学的な機能領域（偏光分離、分割、屈折、重ね合わせ干渉）を一つの主基板１１０に集積し、その前後に反射部材（ミラー）を配置して光路を立体化したものである。
【００５７】
また、複数の機能領域Ａ〜Ｄを備えた主基板１１０のレイアウト例を図１０に示している。この図から、１枚の主基板１００の平面上に、偏光分離機能、分割機能、屈曲機能、重ね合わせ機能を実現するための偏光グレーティング領域が集積されていることがわかる。このように、各機能領域Ａ〜Ｄを一括形成することで、それぞれの機能領域を平行に形成しやすくなり、結果として９０度ハイブリッド器としての位相差誤差を最小限に留めることができる。つまり、従来技術のように個別の素子で機能領域を作製した場合には、各素子の位置合わせを精度良く行わないと、位相誤差が大きくなるという問題があり、組み立て時に高い精度が要求される。これに対して、図１０のように１枚の素子（主基板１００）に機能領域Ａ〜Ｄを一括形成することで、各機能領域の高い平行度を保証することができる。
【００５８】
次に、図１１を参照して、本発明に係わる光回路の実施例について説明する。この実施例には、二つの偏光グレーティングの間に位相差の可変な液晶素子を挟み込むことにより機能領域を構成し、光信号のスイッチ機能または分配機能を実現したものである。本例においては簡単の為１入力８出力の場合について説明するが、任意の多入力多出力の場合も同じ機能が得られる。また入射光の偏光が既知の場合を例示しているが、光ファイバのように二つの偏光モードが混在しているとき偏光グレーティングで分離できることも明らかなので省略している。
【００５９】
図１１において、光は左方からｚ方向に入射する。光は、機能としては順に機能領域１１５１，１１５２，１１５３，１１５４と通過するが、形状としては折りたたみ構造をプラスマイナスｚ方向に往復し、ｘｚ平面からは小さい角だけ傾いて、ｙ方向には単調にプラスｙ方向に進む。ただし図中１１４０（３本）、１１４１（３本）はそれぞれ谷折り、山折り位置を表す。これを反転すればマイナスｙ方向に進む。
【００６０】
機能領域１１５１，１１５３，１１５４は形状的には同一のｘｙ面にある。図１２において１１７０，１１７１（２個）、１１７２（４個）の領域は偏光グレーティングと液晶による複合部分で、その領域を信号の光ビームが通過する。１１７０，１１７１，１１７２は機能としてはそれぞれ順に図１１の１１５１，１１５２，１１５３段の光を制御する。１１５２の小円を拡大した図において、左方から角度θで入射した光は偏光グレーティング１１６０によって直進化され、液晶可変波長板１１６１によって光の偏光状態が変えられる。液晶波長板の液晶部分の位相差が０とπの間をバイナリーに変化される場合は可能な光路１１６７または１１６８が選択される。一方、位相差が０とπの中間の角φであるとき、入射光のパワーは二つの光線１１６７，１１６８の間で  ｃｏｓ２φ／２：ｓｉｎ２φ／２  に分けられる。位相差を連続に変化させることにより、光路１１６７，１１６８の間で任意の比に光を分配することができる。以上のスイッチ機能、分配機能は図１２の全ての機能領域に備わっている。スイッチとしては左端からの入力光を右端の８個の出力ポートの任意のポートに接続することが可能である。分配機能としては左端からの入力光を右端の８個の出力ポートの全てに任意の分配比に分けることができる。
【００６１】
なお液晶波長板の位相差を変化させるには、液晶層１６４を挟む一対の透明電極１１６３，１１６４に１１７３のコネクタ電極を介して各電極に数ボルトの電圧をかけることにより行う。液晶としては例えばネマティック液晶が利用できる。以上の通り、従来の直進型光学系では多数枚の機能素子板を用いるのと対比して、１枚の板の上に一括作成できるので、低コスト化、小型化の効果が著しい。
【００６２】
以上、本願明細書では、本発明の内容を表現するために、図面を参照しながら本発明の実施形態の説明を行った。ただし、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本願明細書に記載された事項に基づいて当業者が自明な変更形態や改良形態を包含するものである。
【符号の説明】
【００６３】
１００…光回路
１１０…主基板
１１１〜１１４…第１から第４の偏光グレーティング（機能領域）
１１５，１１６…反射ミラー
１２０…第１の副基板
１２１…反射ミラー
１３０…第２の副基板
１３１…反射ミラー
１４０…第３の副基板
１４１…反射ミラー
１５０…第４の副基板
１５１…第５の偏光グレーティング
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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