(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに異なる第１及び第２の波長の光が信号媒体として重ね合わされた多重光を入力すると共に光源から第２の入力端を介して供給される前記第２の波長を有する出力信号光を出力する双方向通信用の第１の入力端と、前記多重光に含まれる第１の波長の光を出力する第１の出力端と、前記多重光に含まれる第２の波長の光を受光器へ出力する第２の出力端とを備える光双方向通信用光学装置であって、
一方の面に前記第一の入力端が配され、該第１の入力端から入力された多重光を反対側の他方の面まで案内する第１の光学基板と、
該第１の光学基板の他方の面に案内された前記多重光を平行光束に変換して第２の光学基板の一方の面に入力する光束変換用計算機ホログラムと、
前記第２の光学基板の反対側の他方の面まで案内された前記平行光束に対し前記第１の波長を有する平行光束と前記第２の波長を有する平行光束に分ける偏光用計算機ホログラムと、
前記第１の波長を有する平行光束を前記第１の出力端から出力させるべく該出力端に向けて集光する集光用計算機ホログラムと、
前記分離された第２の波長を有する平行光束を二つに分岐し、一方の分岐光束を第３の光学基板に入力すると共に他方の分岐光束が第３の光学基板に入力して形成される光路を該第３の光学基板の双方向分岐路として設定する分岐用計算機ホログラムと、
前記第３の光学基板を案内された前記一方の分岐光束を前記受光器へ向けて集光する前記第２の出力端に位置する他の集光用計算機ホログラムと、
前記光源からの前記出力信号光を平行光束に変換し、前記第２の光学基板及び前記第１の光学基板を介して前記第１の入力端へ案内すべく前記第３の光学基板に形成した前記双方向分岐路に入力する他の光束変換用計算機ホログラムと、
を含むことを特徴とする光双方向通信用光学装置。
【請求項２】
前記光束変換用計算機ホログラムは、前記平行光束を得るコリメート機能および該平行光束を偏向させる偏向機能を有することを特徴とする請求項１記載の光双方向通信用光学装置。
【請求項３】
前記偏向用計算機ホログラムは、第１の波長を有する平行光束を前記第２の光学基板へ向けて反射しかつ第２の波長を有する平行光束を透過させる波長選択フィルタからなる請求項１記載の光双方向通信用光学装置。
【請求項４】
前記フィルタ用計算機ホログラムは誘電体フィルタを形成する請求項１記載の光双方向通信用光学装置。
【請求項５】
前記分岐用計算機ホログラムは、第２の波長を有する平行光束を分岐させるプリズム機能を有する透過型計算機ホログラムからなる請求項１記載の光双方向通信用光学装置。
【請求項６】
前記透過型計算機ホログラムは、第２の波長を有する平行光束を１次回折光および−１次回折光に分岐させる請求項５記載の光双方向通信用光学装置。
【請求項７】
前記他の集光用計算機ホログラムは、前記一方の分岐光束を前記受光器へ向けるべく、偏向機能および集光機能を有することを特徴とする請求項１記載の光双方向通信用光学装置。
【請求項８】
さらに、それぞれが透光性を有しかつ相互に積層される前記第１の光学基板、前記第２の光学基板、前記第３の光学基板および更に第４の光学基板を備え、前記光束変換用および集光用の各計算機ホログラムは、前記第１の入力端および第１の出力端が設けられる前記第１の光学基板の一方の面と反対側の他方の面に接合される前記第２の光学基板の一方の面に並列的に配列され、前記偏向用計算機ホログラムは前記第２の光学基板の他方の面に設けられ、前記分岐用計算機ホログラムは前記第３の光学の前記第２の光学に接合される一方の面に設けられ、前記他の集光用および他の光束変換用の各計算機ホログラムは前記第３の光学基板の他方の面に接合される前記第４の光学基板の一方の面に並列的に配列され、前記第４の光学基板の他方の面に前記第２の入力端および出力端が設けられていることを特徴とする請求項１記載の光双方向通信用光学装置。
【請求項９】
前記偏向用計算機ホログラムは、プリズム機能を有する透過型計算機ホログラムからなることを特徴とする請求項１記載の光双方向通信用光学装置。
【請求項１０】
前記偏向用計算機ホログラムは、前記光束変換用計算機ホログラムからの光路に並列的に配置され相互に異なる波長偏向特性を示す２つの計算機ホログラムの組み合わせからなる請求項１記載の光双方向通信用光学装置。
【請求項１１】
前記偏向用計算機ホログラムは、反射型計算機ホログラムからなることを特徴とする請求項１記載の光双方向通信用光学装置。
【請求項１２】
前記分岐用計算機ホログラムは、多層誘電体膜からなる波長選択フィルタからなる請求項１記載の光双方向通信用光学装置。
【請求項１３】
前記他の集光用および他の光束変換用の各計算機ホログラムは前記第３の光学基板の他方の面に並列的に配置されている請求項１記載の光双方向通信用光学装置。
【請求項１４】
互いに異なる第１及び第２の波長の光が信号媒体として重ね合わされた多重光を入力すると共に光源から第２の入力端を介して供給される前記第２の波長を有する出力信号光を出力する双方向通信用の第１の入力端と、前記多重光に含まれる第１の波長の光を出力する第１の出力端と、前記多重光に含まれる第２の波長の光を受光器へ出力する第２の出力端とを備える光双方向通信用光学装置であって、一方の面に前記第一の入力端が配され、該第１の入力端から入力された多重光を反対側の他方の面まで案内する第１の光学基板と、該第１の光学基板の他方の面に案内された前記多重光を平行光束に変換して第２の光学基板の一方の面に入力する光束変換用計算機ホログラムと、  前記第２の光学基板の反対側の他方の面まで案内された前記平行光束に対し前記第１の波長を有する平行光束と前記第２の波長を有する平行光束に分ける偏光用計算機ホログラムと、前記第１の波長を有する平行光束を前記第１の出力端から出力させるべく該出力端に向けて集光する集光用計算機ホログラムと、前記分離された第２の波長を有する平行光束を二つに分岐し、一方の分岐光束を第３の光学基板に入力すると共に他方の分岐光束が第３の光学基板に入力して形成される光路を該第３の光学基板の双方向分岐路として設定する分岐用計算機ホログラムと、前記第３の光学基板を案内された前記一方の分岐光束を前記受光器へ向けて集光する前記第２の出力端に位置する他の集光用計算機ホログラムと、前記光源からの前記出力信号光を平行光束に変換し、前記第２の光学基板及び前記第１の光学基板を介して前記第１の入力端へ案内すべく前記第３の光学基板に形成した前記双方向分岐路に入力する他の光束変換用計算機ホログラムと、を含むことを特徴とする光双方向通信用光学装置の製造方法であって、
透光性を有し相互に接合すべき複数の大型光学基板に多数の区画を設け、各区画毎の選択された接合すべき面にそれぞれ前記各計算機ホログラムを集積化して形成すること、前記基板を接合し一体化して積層体を形成すること、当該積層体をそれらの厚さ方向に沿って区画毎に縦割りに分割することにより、各区画毎の前記光学装置に分離することを含む光双方向通信用光学装置の製造方法。
【請求項１５】
互いに異なる第１及び第２の波長の光が信号媒体として重ね合わされた多重光を入力すると共に光源から第２の入力端を介して供給される前記第２の波長を有する出力信号光を出力する双方向通信用の第１の入力端と、前記多重光に含まれる第１の波長の光を出力する第１の出力端と、前記多重光に含まれる第２の波長の光を受光器へ出力する第２の出力端とを備える光双方向通信用光学装置であって、一方の面に前記第一の入力端が配され、該第１の入力端から入力された多重光を反対側の他方の面まで案内する第１の光学基板と、該第１の光学基板の他方の面に案内された前記多重光を平行光束に変換して第２の光学基板の一方の面に入力する光束変換用計算機ホログラムと、  前記第２の光学基板の反対側の他方の面まで案内された前記平行光束に対し前記第１の波長を有する平行光束と前記第２の波長を有する平行光束に分ける偏光用計算機ホログラムと、前記第１の波長を有する平行光束を前記第１の出力端から出力させるべく該出力端に向けて集光する集光用計算機ホログラムと、前記分離された第２の波長を有する平行光束を二つに分岐し、一方の分岐光束を第３の光学基板に入力すると共に他方の分岐光束が第３の光学基板に入力して形成される光路を該第３の光学基板の双方向分岐路として設定する分岐用計算機ホログラムと、前記第３の光学基板を案内された前記一方の分岐光束を前記受光器へ向けて集光する前記第２の出力端に位置する他の集光用計算機ホログラムと、前記光源からの前記出力信号光を平行光束に変換し、前記第２の光学基板及び前記第１の光学基板を介して前記第１の入力端へ案内すべく前記第３の光学基板に形成した前記双方向分岐路に入力する他の光束変換用計算機ホログラムと、を含むことを特徴とする光双方向通信用光学装置の製造方法であって、
透光性を有する第１の光学基板の接合面と透光性を有する第２の光学基板の接合面とのいずれか一方の面に、多数の前記光束変換用および集光用の各計算機ホログラムを互いに対をなすように集積化して形成すると共に、前記第２の光学基板の他方の面に、前記偏向用計算機ホログラムを集積化して形成すること、透光性を有する第３の光学基板の、前記第２の光学基板に対向する一方の面に、前記分岐用計算機ホログラムを集積化して形成すると共に、前記第３の光学基板の他方の面に、前記他の集光用および他の光束変換用の各計算機ホログラムを互いに対をなすように集積化して形成すること、前記第１ないし第３の光学基板を一体化して積層体を形成すること、当該積層体をそれらの厚さ方向に沿って縦割りに分割することにより、多数の前記光学装置に分離することを含む光双方向通信用光学装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、波長成分を異にする光信号媒体を重ね合わせた光多重通信の端末局等に設けられる光学装置およびその製造方法に関し、特に、光学素子として、光回折現象を利用した計算機ホログラムを組み込んだ光双方向通信用光学装置およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、通信容量の大きな光通信を可能とするために、光ファイバを各家庭にまで敷設する、いわゆるファイバー・ツー・ザ・ホーム（Ｆｉｂｅｒ  ｔｏ  ｔｈｅ  Ｈｏｍｅ）と称する計画が進められている。
これによれば、例えば１．３μｍおよび１．５５μｍのそれぞれの波長帯域の光が相互に重ね合わされた多重光として、各家庭の通信端末局に送られる。
【０００３】
通信端末局には、多重光をそれぞれの波長の光に分離する波長分波素子と、該分波素子により分離された一方の波長の光での双方向通信を可能とするために、一方の波長の光路を分割する光カプラとを備える光学装置が設けられている。
この光学装置により、多重光は、それぞれの波長帯域の波長成分に分離された後、各端末装置に送られる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来のこの種の光学装置は、波長分波素子および光カプラのいずれも、光ファイバを基礎にした、いわゆる光ファイバ素子から構成されている。そのため、光ファイバ素子の相互の融着接続等に手間取ることから、前記光学装置の製造は容易ではない。また、コンパクト化は容易ではない。
【０００５】
そのため、製造が容易であり、製造コストの低減を図ることができ、しかもコンパクト化に有利な光双方向通信用光学装置およびその製造方法が望まれていた。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、以上の点を解決するために、それぞれの波長を相互に異にする多重光を用いる波長多重伝送用光学装置の光学素子として、基本的には、光回折現象を利用した計算機ホログラムを用いることを特徴とする。
計算機ホログラムは、光学レンズに見られるようなコリメートあるいは集光機能およびプリズムに見られるような偏向機能、さらには回折現象を利用することによる強い波長依存性を持たせることができる。特に、波長依存性を利用して、計算機ホログラムに多重光をそれぞれの波長成分の光に光路を分割する光路分割作用および波長分離作用をも担わせることができる。
【０００７】
〈構成１〉
本発明に係る光双方向通信用光学装置は、互いに異なる第１及び第２の波長の光が信号媒体として重ね合わされた多重光を入力すると共に光源から第２の入力端を介して供給される前記第２の波長を有する出力信号光を出力する双方向通信用の第１の入力端と、前記多重光に含まれる第１の波長の光を出力する第１の出力端と、前記多重光に含まれる第２の波長の光を受光器へ出力する第２の出力端とを備える。
【０００８】
前記光学装置は、一方の面に前記第一の入力端が配され、該第１の入力端から入力された多重光を反対側の他方の面まで案内する第１の光学基板と、該第１の光学基板の他方の面に案内された前記多重光を平行光束に変換して第２の光学基板の一方の面に入力する光束変換用計算機ホログラムと、前記第２の光学基板の反対側の他方の面まで案内された前記平行光束に対し前記第１の波長を有する平行光束と前記第２の波長を有する平行光束に分ける偏光用計算機ホログラムと、前記第１の波長を有する平行光束を前記第１の出力端から出力させるべく該出力端に向けて集光する集光用計算機ホログラムと、前記分離された第２の波長を有する平行光束を二つに分岐し、一方の分岐光束を第３の光学基板に入力すると共に他方の分岐光束が第３の光学基板に入力して形成される光路を該第３の光学基板の双方向分岐路として設定する分岐用計算機ホログラムと、前記第３の光学基板を案内された前記一方の分岐光束を前記受光器へ向けて集光する前記第２の出力端に位置する他の集光用計算機ホログラムと、前記光源から前記出力信号光を平行光束に変換し、前記第２の光学基板及び前記第１の光学基板を介して前記第１の入力端へ案内すべく前記第３の光学基板に形成した前記双方向分岐路に入力する他の光束変換用計算機ホログラムとを含むことを特徴とする。
【０００９】
〈作用１〉
第１の入力端から入射した多重光は、光束変換用計算機ホログラムにより平行光束に変換され、この平行光束は偏向用計算機ホログラムにより、第１および第２の波長の光に分離される。第１の波長の光は集光用計算機ホログラムを経て、第１の出力端に案内される。
偏向用計算機ホログラムにより分離された第２の波長の光は、分岐用計算機ホログラムにより、分岐される。その一方の分岐路の光は、他の集光用計算機ホログラムにより、第２の出力端から受光器に案内される。また、双方向通信のために第２の入力端から入力される光源からの第２の波長の光は、他の光束変換用計算機ホログラムから、前記双方向分岐路に案内され、第１および第２の光学基板と分岐用計算機ホログラムおよび光束変換用計算機ホログラムを経て、第１の入力端へ向けて案内される。
【００１０】
前記した各計算機ホログラムは、回折現象を利用した光学素子であり、コリメート機能、集光機能、偏向機能、光路分割作用および波長分離作用を重複してあるいは選択的に適宜担わせることができることから、コンパクトであり、しかも光ファイバとの融着接着作業が不要となることから、これによる製造コストの増大を招くことはなく、従来の光ファイバ光学装置に比較して安価に製造することができる。
【００１１】
計算機ホログラムに、波長分離作用を担わせることができることから、偏向手段として、波長分離作用を有する透過型あるいは反射型の計算機ホログラムを利用することができる。
また、波長偏向特性を異にする２つの並列的に配置される計算機ホログラムの組み合わせにより、偏向手段を構成することができる。
さらに、例えば誘電体膜を利用したハーフミラーのような誘電体フィルタからなる波長選択フィルタを偏向手段として用いることができる。
コンパクト化の上では、偏向手段として、ハーフミラーのような誘電体フィルタからなる波長選択フィルタを用いることが望ましい。
【００１２】
分岐手段として、計算機ホログラムあるいは多層誘電体膜からなるハーフミラーと称される波長選択フィルタを用いることができる。
また、前記した第３および第４の計算機ホログラムに前記偏向手段の機能を担わせることができ、さらにこの偏向手段の機能に加えて、前記分岐手段の機能をも担わせることができる。
【００１３】
〈構成２〉
また、本発明に係る製造方法は、互いに異なる第１及び第２の波長の光が信号媒体として重ね合わされた多重光を入力すると共に光源から第２の入力端を介して供給される前記第２の波長を有する出力信号光を出力する双方向通信用の第１の入力端と、前記多重光に含まれる第１の波長の光を出力する第１の出力端と、前記多重光に含まれる第２の波長の光を受光器へ出力する第２の出力端とを備える光双方向通信用光学装置であって、一方の面に前記第一の入力端が配され、該第１の入力端から入力された多重光を反対側の他方の面まで案内する第１の光学基板と、該第１の光学基板の他方の面に案内された前記多重光を平行光束に変換して第２の光学基板の一方の面に入力する光束変換用計算機ホログラムと、前記第２の光学基板の反対側の他方の面まで案内された前記平行光束に対し前記第１の波長を有する平行光束と前記第２の波長を有する平行光束に分ける偏光用計算機ホログラムと、前記第１の波長を有する平行光束を前記第１の出力端から出力させるべく該出力端に向けて集光する集光用計算機ホログラムと、前記分離された第２の波長を有する平行光束を二つに分岐し、一方の分岐光束を第３の光学基板に入力すると共に他方の分岐光束が第３の光学基板に入力して形成される光路を該第３の光学基板の双方向分岐路として設定する分岐用計算機ホログラムと、前記第３の光学基板を案内された前記一方の分岐光束を前記受光器へ向けて集光する前記第２の出力端に位置する他の集光用計算機ホログラムと、前記光源からの前記出力信号光を平行光束に変換し、前記第２の光学基板及び前記第１の光学基板を介して前記第１の入力端へ案内すべく前記第３の光学基板に形成した前記双方向分岐路に入力する他の光束変換用計算機ホログラムと、  を含むことを特徴とする光双方向通信用光学装置の製造方法に関する。
【００１４】
本発明に係る前記製造方法は、透光性を有し相互に接合すべき複数の大型光学基板に多数の区画を設け、各区画毎の選択された接合すべき面にそれぞれ前記各計算機ホログラムを集積化して形成すること、前記基板を接合し一体化して積層体を形成すること、当該積層体をそれらの厚さ方向に沿って区画毎に縦割りに分割することにより、多数の前記光学装置を一度に製造することができる。
【００１５】
また、本発明に係る前記製造方法は、透光性を有する第１の光学基板の接合面と透光性を有する第２の光学基板の接合面とのいずれか一方の面に、多数の前記光束変換用および集光用の各計算機ホログラムを互いに対をなすように集積化して形成すると共に、前記第２の光学基板の他方の面に、前記偏向用計算機ホログラムを集積化して形成すること、透光性を有する第３の光学基板の、前記第２の光学基板に対向する一方の面に、前記分岐用計算機ホログラムを集積化して形成すると共に、前記第３の光学基板の他方の面に、前記他の集光用および他の光束変換用の各計算機ホログラムを互いに対をなすように集積化して形成すること、前記第１ないし第３の光学基板を一体化して積層体を形成すること、当該積層体をそれらの厚さ方向に沿って縦割りに分割することにより、多数の前記光学装置に分離することを含む。
【００１６】
〈作用２〉
本発明に係る製造方法では、多数の計算機ホログラムを含む光学素子を集積化することにより、複数組の光学装置を含む積層体が形成される。この多数の光学装置を含む積層体は、それぞれの光学装置に分割される。
従って、本発明に係る光学装置を極めて効率的に製造することが可能となる。
【００１７】
計算機ホログラムの製造には、ＣＡＤが用いられており、所望の回折光学特性を示すホログラム内での光の位相差関数が求められる。この位相差関数は、光路差関数ρ（ｘ，ｙ）と呼ばれている。光路差関数ρ（ｘ，ｙ）は、次式
ρ（ｘ，ｙ）＝ΣＣＮｘｍｙｎ                                    …（１）
で示される多項式に変換される。この多項式（ＣＮｘｍｙｎ  ）は、光路差係数と呼ばれている。ｎおよびｍはそれぞれ正の整数であり、ＣＮは位相係数と呼ばれている。Ｎとｍ、ｎとの間には、次式
Ｎ＝｛（ｍ＋ｎ）２  ＋ｍ＋３ｎ｝／２                          …（２）
が成り立つ。
【００１８】
この位相係数ＣＮ  を２次元テイラー展開により求めたテイラー展開近似式の各項係数として求め、ＣＡＤプログラムに代入することにより、フォトリソグラフィによって所望形状を得るのに必要なフォトリソグラフィ用マスクのパターンを生成させることができる。
このようなＣＡＤプログラムの一例として、アメリカ合衆国カリフォルニア州に在るＮＩＰＴ社のＣｇｈＣＡＤがある。
【００１９】
このＣＡＤプログラムでは、データ処理の容量の関係から、ｍとｎとの和が１０以下であり、かつＮが６５以下である条件が付されている。
従って、所望の光学特性を示す光路差関数ρ（ｘ，ｙ）を求め、この光路差関数ρ（ｘ，ｙ）の各位相係数ＣＮ  （Ｃ０  〜Ｃ６５）を求めた後、そのデータをＣＡＤプログラムに入力することにより、所望の回折光学特性を示す計算機ホログラムのためのマスク条件を求めることができる。
このマスク条件に沿って、マスクを製作し、これらのマスクを用いたフォトリソグラフィ法により、所望の回折光学特性を示す計算機ホログラムが得られる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示の実施の形態について詳細に説明する。
〈具体例１〉
図１は、本発明に係る光学装置を概略的に示す断面図である。
本発明に係る光学装置１０は、第１の入力端１１および第１の出力端１２が一方の面１３ａに設けられた例えば第１のガラス基板１３と、該ガラス基板の他方の面１３ｂに、一方の面１４ａを接合される第２のガラス基板１４と、該ガラス基板の他方の面１４ｂに、一方の面１５ａを接合される第３のガラス基板１５とからなる全体にブロック状の積層構造体１６を備える。
【００２１】
各ガラス基板１３、１４および１５は、それぞれ厚さ寸法Ｔ１  、Ｔ２  およびＴ３  を有し、それぞれ屈折率ｎ１  、ｎ２  およびｎ３  を有する。
積層構造体１６のほぼ中央部を各ガラス基板１３、１４および１５の厚さ方向へ通る軸をｚ軸とすると、第１の入力端１１および第２の出力端１２は、このｚ軸からｘ軸方向に沿って相互に反対方向へそれぞれ間隔Ｓ１  およびＳ２  をおく光ファイバにより構成されている。
【００２２】
第１の入力端となる光ファイバ１１には、それぞれが信号媒体となる例えば１．３μｍおよび１．５５μｍの波長を有する光を相互に重ね合わせた多重光が入力する。
また、第１の出力端となる光ファイバ１２には、その一方の波長成分が案内される。
【００２３】
一端に第１の入力端１１および第１の出力端１２が設けられた積層構造体１６の他端となるガラス基板１５の他方の面１５ｂには、双方向通信を可能とするための一対の第２の入力端１７および出力端１８が設けられている。
第２の入力端１７は、ガラス基板１５の他方の面１５ｂの一半に設けられており、発信器となる発光ダイオード１９からの光を受ける。また、第２の出力端１８は、他方の面１５ｂの他半に設けられており、フォトディテクタ２０へ向けて他方の波長成分の光を放出する。
【００２４】
フォトディテクタ２０は、第２の出力端１８からｚ軸方向に沿って間隔Ｔ４をおきかつｚ軸からｘ軸方向に沿って間隔ｘ４をおいて配置されている。
また、発光ダイオード１９は、第２の入力端１７からｚ軸方向に沿って間隔Ｔ５をおきかつｚ軸からｘ軸方向に沿って間隔ｘ２をおいて配置されている。
【００２５】
第１のガラス基板１３と第２のガラス基板１４との間には、第１および第２の計算機ホログラム（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ  Ｇｅｎｅｒａｔｅｄ  Ｈｏｌｏｇｒａｍ  、以下、単にＣＧＨ素子と称する。）２１および２２が配置されている。また、第２のガラス基板１４と第３のガラス基板１５との間には、偏向手段としての波長選択フィルタ２３および分岐手段としてのＣＧＨ素子２４が配置されている。また、第２の出力端１８および第２の入力端１７には、第３および第４のＣＧＨ素子２５および２６がそれぞれ配置されている。
【００２６】
第１および第２のＣＧＨ素子２１および２２は、ガラス基板１４の前記一方の面１４ａの一半および他半にそれぞれ並列的に形成されている。また、偏向手段である波長選択フィルタ２３は、ガラス基板１４の前記他方の面１４ｂのほぼ全面に形成されている。
分岐手段であるＣＧＨ素子２４は、ガラス基板１５の前記一方の面１５ａのほぼ中央部に形成されている。
また、第３および第４のＣＧＨ素子２５および２６は、前記したとおり、第２の出力端１８および第２の入力端１７となるガラス基板１５の他方の面１５ｂの一半および他半にそれぞれ並列的に形成されている。
【００２７】
第１のＣＧＨ素子２１は、第１の入力端１１からの多重光からなる発散球面波光を平行光束とするコリメート機能を有し、かつ平行光束を波長選択フィルタ２３へ向ける偏向機能を有する。
【００２８】
第１のＣＧＨ素子２１により案内された多重光を受ける波長選択フィルタ２３は、図示の例では、従来よく知られた誘電体の多層膜からなる誘電体フィルタである。
誘電体フィルタからなる波長選択フィルタ２３は、ハーフミラーと称されており、第１の入力端１１から入射して第１のＣＧＨ素子２１に案内された多重光のうち、波長１．５５μｍを有する第１の成分波長の光に対し、反射面として作用する。他方、波長選択フィルタ２３は、多重光のうちの波長１．３μｍを有する第２の波長成分を透過させる。
【００２９】
波長選択フィルタ２３により反射された第１の波長成分である波長１．５５μｍの平行光束は、第２のＣＧＨ素子２２により、第１の出力端である出力ファイバ１２に集光される。この第１の出力端１２から取り出された第１の波長成分の光は、例えばテレビのような一方向通信の端末装置に送られる。
【００３０】
他方、偏向手段たる波長選択フィルタ２３を透過した第２の波長成分である波長１．３μｍの平行光束は、分岐手段であるＣＧＨ素子２４により、ほぼその４０％の光が、−１次回折光として、第３のＣＧＨ素子２５へ向けて偏向される。他方、波長選択フィルタ２３を透過した第２の波長成分のほぼその４０％の光は、１次回折光として、第４のＣＧＨ素子２６へ向けて偏向される。
【００３１】
第１の分岐路２７を経て第３のＣＧＨ素子２５に向けられた第２の波長成分の平行光束は、ＣＧＨ素子２５の集光機能により、フォトディテクタ２０に向けられ、該フォトディテクタに接続される図示しない例えば電話器の受信回路により、第２の波長成分の光に含まれる情報が取り出される。
【００３２】
第２の分岐路２８を経て第４のＣＧＨ素子２６に向けられる第２の波長成分の平行光束は、第４のＣＧＨ素子２６の集光作用により、発光ダイオード１９に集光する。
このため、この第４のＣＧＨ素子２６の焦点に配置された例えば電話機の発信回路の発光ダイオード１９から、第４のＣＧＨ素子２６へ向けて第２の波長成分の光が発散されると、この第２の波長成分の光は、分岐手段であるＣＧＨ素子２４、偏向手段である波長選択フィルタ２３および第１のＣＧＨ素子２１を経て、第１の入力端１１に案内される。
従って、多重光の発信源（図示せず）と、この多重光をその第１の入力端１１に受ける光学装置１０との間の双方向通信が、該光学装置の第２の入力端１７および第２の出力端１８を用いることにより、可能となる。
【００３３】
次に、本発明に係る各ＣＧＨ素子２１〜２６の光学特性の詳細に触れる前に、一般的なＣＧＨ素子のための前記した光路差関数ρ（ｘ，ｙ）の位相係数ＣＮ  （Ｃ０  〜Ｃ６５）について、述べる。
【００３４】
各位相係数Ｃ０  〜Ｃ６５は、２次元光路差関数ρ（ｘ，ｙ）をｘ軸およびｙ軸に関して２次元テイラー展開し、その１０次の項までの近似式から、求めることができる。
この関係が、図２に示された式（３）で表されている。式（３）の右辺の第２項のΔは、テイラー展開の余剰項であり、無視し得る程に十分に小さな値である。
【００３５】
図３ないし図９は、式（３）を展開して求めた各位相係数Ｃ０  〜Ｃ６５、すなわち光路差係数Ｃ０  〜Ｃ６５を、光路差関数の一般式ρ（ｘ，ｙ）の関係式として、整理して示す説明図である。
所望の光学特性を示す光路差関数ρ（ｘ，ｙ）を求め、この光路差関数ρ（ｘ，ｙ）から、図３〜図９に示す光路差係数すなわち位相係数Ｃ０  〜Ｃ６５を求め、これらの値を前記したＣＡＤプログラムに入力することにより、所望の回折光学特性を示す計算機ホログラムのためのマスク条件を求めることができる。
【００３６】
次に、第１の入力端１１である点光源からの発散球面波を平行光束に変換する第１のＣＧＨ素子２１の光路差関数ρ（ｘ，ｙ）について説明する。
図１０は、第１のＣＧＨ素子２１に係る回折光学素子の光学特性を示す説明図である。
図１０に示される回折光学素子（２１）は、座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）に位置する点光源からの発散球面を、原点を通るベクトル成分が（α、β、γ）で表される平行光束に変換する計算機ホログラムである。
【００３７】
入射光側媒質の屈折率はｎ１  で示され、出射光側媒質の屈折率はｎ２  で示されている。
説明の簡素化のために、回折光学素子（２１）は、ｚ軸上にあり、その厚さ寸法は、無視できる程に充分に小さな値とする。この仮定は、位相係数ＣＮ  の算出の上で、一般性を損なうものではない。
【００３８】
図１０に示す回折光学素子（２１）の光路差関数ρ（ｘ，ｙ）は、次式で与えられる。
ρ（ｘ，ｙ）＝ｎ１・｛（Ｘ−ｘ）２＋（Ｙ−ｙ）２＋Ｚ２）  ｝１／２−ｎ１Ｌ−ｎ２・｛（αｘ＋βｙ  ）／（α２＋β２＋γ２）１／２  ｝                                              …（５）
ここで、Ｌは光源から原点までの距離であり、次式
Ｌ＝（Ｘ２  ＋Ｙ２  ＋Ｚ２  ）１／２                                  …（６）
で示される。
【００３９】
式（５）の第１項および第２項は、点光源からの球面波における回折光学素子（２１）内での２次元光路差を表す。また、式（５）の第３項は、偏向された平行光束（α、β、γ）の光路差を表す。
【００４０】
発散球面波を平行光束に変換するコリメート機能を有する回折光学素子の図１０に示す一般的な光学特性および該特性を表す一般的な光路差関数の式（５）および式（６）を参照して、図１に示された第１のＣＧＨ素子２１の光路差関数ρ（ｘ，ｙ）を求めると、該光路差関数として、次式
【００４１】
ρ（ｘ，ｙ）＝ｎ１・（ｘ２＋ｙ２＋Ｔ１２）１／２−ｎ１Ｌ−ｎ２・（Ｓ１＋Ｓ２）ｘ／｛（Ｓ１＋Ｓ２）２＋４Ｔ２２）｝１／２  ｝                                                            …（７）
が求められる。
ここで、Ｓ１  およびＳ２  は、図１に沿って説明したとおり、それぞれｚ軸から第１の入力端１１および第２の出力端１２までの距離であり、点光源から第１のＣＧＨ素子２１の中心までの距離Ｌは次式で与えられる。
Ｌ＝Ｔ１                                                        …（８）
で示される。
【００４２】
式（７）で示される光路差関数ρ（ｘ，ｙ）についてのテイラー展開による各光路差係数すなわち位相係数Ｃ０  〜Ｃ６５は、図３〜図９の式（４−０）〜式（４−６５）に式（７）を代入することにより、得られる。
図１１〜図１４には、それらの演算結果が各項ＣＮ  ごとに、式（９−０）〜式（９−６５）の形式で示されている。
【００４３】
この式（９−０）〜式（９−６５）に示されるＣ０  〜Ｃ６５の各値を光路差係数として、ＣＡＤプログラムの式（１）で示される光路差係数ＣＮ  に入力し、当該プログラムを実行することにより、式（７）で表される第１のＣＧＨ素子２１の形成のために必要なマスクパターンのデータが得られる。
【００４４】
屈折率ｎは、光の波長の関数であることから、ガラス基板１３の屈折率であるｎ１  およびガラス基板１４の屈折率であるｎ２  は、光の波長（１．３μｍおよび１．５５μｍ）によって変化する。
そこで、式（７）の屈折率として、１．３μｍの波長についての屈折率ｎ１  およびｎ２  をそれぞれ採用することができるが、図１に示した具体例では、１．５５μｍの波長についての屈折率ｎ１  およびｎ２  が採用された。
【００４５】
次に、平行光束を物点である第１の出力端１２に集光する第２のＣＧＨ素子２２の光路差関数ρ（ｘ，ｙ）について説明する。
【００４６】
図１５は、第２のＣＧＨ素子２２に係る回折光学素子の光学特性を示す説明図である。
図１５に示される回折光学素子（２２）は、原点を通るベクトル成分が（α、β、γ）で示される任意の偏向角度を有する平行光束を球面波に変換し、像点位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ）に集光させる計算機ホログラム（２２）である。
図１５の例では、回折光学素子への入射光側媒質の屈折率はｎ２で示され、像点が位置する出射光側媒質の屈折率はｎ１  で示されている。
【００４７】
図１０に示したと同様に、説明の簡素化のために、回折光学素子（２２）は、ｚ軸上にあり、その厚さ寸法は、無視できる程に充分に小さな値とする。
【００４８】
図１５に示す回折光学素子（２２）の光路差関数ρ（ｘ，ｙ）は、次式で与えられる。
ρ（ｘ，ｙ）＝ｎ１・｛（Ｘ−ｘ）２＋（Ｙ−ｙ）２＋Ｚ２）  ｝１／２−ｎ１Ｌ＋ｎ２・｛（αｘ＋βｙ  ）／（α２＋β２＋γ２）１／２  ｝                                            …（１０）
ここで、Ｌは原点から像点までの距離であり、次式
Ｌ＝（Ｘ２  ＋Ｙ２  ＋Ｚ２  ）１／２                                …（１１）
で示される。
【００４９】
平行光束を像点に集光させる集光機能を有する回折光学素子の図１５に示す一般的な光学特性および該特性を表す一般的な光路差関数の式（１０）および式（１１）を参照して、図１に示された第２のＣＧＨ素子２２の光路差関数ρ（ｘ，ｙ）を求めると、該光路差関数として、次式
【００５０】
ρ（ｘ，ｙ）＝ｎ１・（ｘ２＋ｙ２＋Ｔ１２）１／２−ｎ１Ｌ＋ｎ２・（Ｓ１＋Ｓ２）ｘ／｛（Ｓ１＋Ｓ２）２＋４Ｔ２２）｝１／２  ｝                                                            …（１２）
が求められる。
ここで、Ｓ１  およびＳ２  は、図１に沿って説明したとおり、それぞれｚ軸から第１の入力端１１および第２の出力端１２までの距離であり、像点から第２のＣＧＨ素子２２の中心までの距離Ｌは次式で与えられる。
Ｌ＝Ｔ１                                                        …（１３）
【００５１】
式（１２）で示される光路差関数ρ（ｘ，ｙ）についてのテイラー展開による各光路差係数すなわち位相係数Ｃ０  〜Ｃ６５は、図３〜図９の式（４−０）〜式（４−６５）に式（１２）を代入することにより、得られる。
図１６〜図１９には、それらの演算結果が各項ＣＮ  ごとに、式（１４−０）〜式（１４−６５）の形式で示されている。
【００５２】
この式（１４−０）〜式（１４−６５）に示されるＣ０  〜Ｃ６５の各値を光路差係数として、ＣＡＤプログラムの式（１）で示される光路差係数ＣＮ  に入力し、当該プログラムを実行することにより、式（１２）で表される第２のＣＧＨ素子２２の形成のために必要なマスクパターンのデータが得られる。
図１の具体例では、式（１３）の屈折率として、第１のＣＧＨ素子２１におけると同様に、１．５５μｍの波長についての屈折率ｎ１  およびｎ２  が採用された。
【００５３】
第１のＣＧＨ素子２１および第２のＣＧＨ素子２２は、前記したとおり、第１の波長成分である１．５５μｍ波に設定されている。そのため、第２の波長成分である１．３μｍ波を取り扱う分岐手段、第３および第４のＣＧＨ素子２４〜２６では、波長のずれに応じて、焦点距離および回折角を補正する必要が生じる。そこで、各ＣＧＨ素子２４〜２６の光学特性に触れる前に、ＣＧＨ素子の偏向角および焦点距離のそれぞれについての波長依存性を考察する。
【００５４】
先ず、図２０に沿って、計算機ホログラムすなわちＣＧＨ素子の回折現象における偏向角の波長依存性を説明する。
入射平行光束を任意の角度に偏向するＣＧＨ素子素子は、周期的な位相分布を有するグレーティングと見なせることから、ＣＧＨ素子の光学特性は、従来よく知られたグレーティング方程式で説明することができる。
【００５５】
図２０に示すように、ＣＧＨ素子の光軸に対する入射角度をθ１  、出射角度をθ２  とすると、グレーティング周期ｒと、波長λとの関係は、次式
ｒ＝λ／（ｎ２  ｓｉｎθ２  −ｎ１  ｓｉｎθ１  ）                        …（１５）
で示される。
【００５６】
グレーティング周期ｒは、レンズ作用を持つＣＧＨ素子の同心円パターンの１周期ピッチに相当する。
式（１５）を整理して、波長λについての出射角θ２  を求めると、次式
ｓｉｎθ２  ＝λ／（ｒｎ２  ）＋（ｎ１  ／ｎ２  ）・ｓｉｎθ１              …（１６）
が得られる。
【００５７】
式（１５）および式（１６）では、屈折率ｎ１  およびｎ２  は、波長λに拘わらず一定と見なされ、波長変化に対する屈折率の変化が考慮されていないが、厳密にはそれぞれの屈折率ｎ１  およびｎ２  は波長の関数となる。
そこで、入射光束の波長λおよびこの波長から僅かのずれを持つ波長λ′について、それぞれの式（１５）に対応する関係が、
ｒ＝λ／（ｎ２（λ）ｓｉｎθ２  −ｎ１（λ）ｓｉｎθ１  ）                      …（１７）
ｒ＝λ′／（ｎ２（λ’）ｓｉｎθ２−ｎ１（λ’）ｓｉｎθ１）                  …（１８）
で示される。ここで、ｎ１（λ）、ｎ２（λ）、ｎ１（λ′）  、ｎ２（λ′）  は、波長λおよびλ′に対する屈折率ｎ１  およびｎ２  をそれぞれ意味する。
【００５８】
同一のグレーティング周期ｒすなわちＣＧＨ素子についての波長依存性を導くために、式（１７）および式（１８）からグレーティング周期ｒを消去して、整理すると、次式
ｓｉｎθ２′＝｛（１／ｎ２（λ’））・（λ′／λ）・（ｎ２（λ）ｓｉｎθ２−ｎ１（λ）ｓｉｎθ１  ）｝＋（ｎ１（λ’）  ／ｎ２（λ’）  ）ｓｉｎθ１                        …（１９）
が導かれる。
【００５９】
式（１９）は、入射光の波長λおよびλ′についての出射光の角度θ２  およびθ２′の関係を示し、入射光の波長のずれにより、出射角度にずれが生じることを表している。
従って、例えば、波長が１．５５μｍの光に関して設定されたＣＧＨ素子について、波長１．３μｍの光に関する角度θ２′の偏向角の補正は、次式
θ２′＝ｓｉｎ−１［｛（１／ｎ２（λ’））・（λ′／λ）・（ｎ２（λ）ｓｉｎθ２−ｎ１（λ）ｓｉｎθ１  ）｝＋（ｎ１（λ’）  ／ｎ２（λ’）  ）ｓｉｎθ１  ］                  …（２０）
で与えられる。
【００６０】
次に、図２１に沿って、計算機ホログラムすなわちＣＧＨ素子の回折現象における焦点距離の波長依存性を説明する。
図２１に示すように、焦点距離ｆに平行光束を集光するＣＧＨ素子は、各グレーティング半径ｒから焦点までの光路長が焦点距離ｆに波長の整数倍を加算した条件を満足するように、ＣＧＨ素子のグレーティングを半径方向に形成することにより、得られる。
従って、焦点距離ｆと、ｊ番目の周期のグレーティング半径ｒｊ  との関係は、次式
ｒｊ２＋ｆ２  ＝（ｆ＋ｊλ）２                                  …（２１）
で示される。
【００６１】
式（２１）から次式
ｒｊ２＝２ｊλｆ＋（ｊλ）２                                  …（２２）
が導き出される。ここで、焦点距離ｆは、ｍｍ単位であり、他方、波長λはμｍ単位であることから、式（２２）の右辺の第２項は右辺の第１項に比較して無視できるに十分に小さな値となる。従って、式（２２）の近似式として、次式
ｒｊ２＝２ｊλｆ                                            …（２３）
が求められる。式（２３）で、ｊ＝１とすると、次式
ｆ＝ｒ１２／２λ                                            …（２４）
が得られる。式（２４）は、従来よく知られたフレネルレンズの焦点距離ｆと波長λとの関係式である。
【００６２】
式（２４）を微分することにより、波長がλからλ′に変わった場合の焦点距離ｆ′は
ｆ′＝ｆ（λ／λ′）                                      …（２５）
で示される。
式（２５）は、ＣＧＨ素子についての当初の設計波長よりも長い波長に対し、ＣＧＨ素子は、等価的に短い焦点距離のレンズとして作用することを意味する。
【００６３】
一例として、図２２に示す結像機能を有するＣＧＨ素子について考察するに、波長λについて、光学レンズの結像関係式から次式
（ｎ１  ／ａ）＋（ｎ２  ／ｂ）＝（１／ｆ）                    …（２６）
が導き出される。
ここでａは、物点までの距離であり、ｂは像点までの距離であり、ｆはＣＧＨ素子の真空中での焦点距離である。
【００６４】
入射光の波長λおよびλ′についての出射光の偏向角度θ２  およびθ２  ′の関係は、前記式（２０）に示すとおりである。
【００６５】
式（２６）から波長λ′での像点位置ｂ′は、次式
（ｎ１  ／ａ）＋（ｎ２  ／ｂ′）＝（１／ｆ′）＝λ′／（ｆλ）…（２７）
で与えられる。
【００６６】
従って、図２２に示すＣＧＨ素子によれば、波長λの波長成分の光に対し波長がｆ′になると、偏向角度θ２  は式（２０）で示されるθ２′のずれを生じ、また、像点距離ｂは、式（２７）を満足する像点距離ｂ′に変化することを意味する。
【００６７】
再び図１に示された分岐手段であるＣＧＨ素子２４の光学特性を考察するに、該ＣＧＨ素子２４に関連して、任意の平行光束を任意の偏向角度を持つ平行光束に偏向する回折光学素子（２４）の光路差関数ρ（ｘ，ｙ）について説明する。
【００６８】
図２３は、分岐手段たる透過型のＣＧＨ素子２４の基本的な光学特性を示す。
図２３に示される回折光学素子（２４）は、任意の偏向角度を持つ平行光束を任意の偏向角度を持つ平行光束に偏向するプリズム機能を有する。
説明の簡素化のために、前記したところと同様に、ＣＧＨ素子（２４）は、原点を通りかつＸ軸およびＹ軸を含む平面内にある。ＣＧＨ素子（２４）への入射平行光束は、原点を通る光のベクトル成分（α１  、β１  、γ１  ）に平行であり、出射平行光束は、原点を通るベクトル成分（α２  、β２  、γ２  ）に平行である。
【００６９】
入射平行光束が存在する入射光側媒質は、屈折率ｎ２  を有し、出射平行光束が存在する出射光側媒質は屈折率ｎ３  を有する。このとき、光路差関数ρ（ｘ，ｙ）の一般式は次式、
【００７０】
ρ（ｘ，ｙ）＝ｎ２・（α１ｘ＋  β１ｙ）／（α１２＋  β１２＋  γ１２）１／２）−ｎ３・（α２ｘ＋  β２ｙ）／（α２２＋  β２２＋  γ２２）１／２                                …（２８）
で表される。
【００７１】
ところで、一般的に、計算機ホログラムの製造に要するマスクの枚数Ｍとすると、形成される計算機ホログラムの位相レベルすなわち位相段数は、２Ｍ  で示される。また、位相レベルに応じて、必要とされる１次回折光の回折効率が変化する。１枚のマスクで１周期の位相が形成される２位相レベルの計算機ホログラムでは、従来よく知られているように、入射光の４０％ずつの光量が、１次回折光および−１次回折光にそれぞれ分配され、残りの２０％の光量がその他の高次回折光に分配される。
従って、この現象を利用することにより、すなわち２位相レベルの計算機ホログラムを用いることにより、入射光の４０％ずつの光量を１次回折光および−１次回折光として、分岐させることができる。
【００７２】
分岐手段を構成するＣＧＨ素子２４は、前記した計算機ホログラムの分岐作用を利用したものであり、図２４および図２５に１次回折光および−１次回折光のそれぞれの振る舞いが示されている。
【００７３】
図２４に沿って、１次回折光の振る舞いを説明する。
ＣＧＨ素子２４は、第１のＣＧＨ素子２１を経た１．３μｍの光を受けるが、この第１のＣＧＨ素子２１は、前記したとおり、１．５５μｍの光に対しコリメート機能を発揮するように、設定されている。そのため、分岐手段であるＣＧＨ素子２４に関し、１．３μｍの光についての焦点距離および偏向角度は、先に図２０〜図２２に沿って説明したとおり、僅かなずれを生じる。
【００７４】
そのため、分岐手段であるＣＧＨ素子２４に入射する波長１．３μｍの光は、等価的に距離Ｄ１  離れた点からの発散球面波と考えられ、またその入射角Θ１  は、波長１．５５μｍの光での入射角Θ０  とは異なる。
【００７５】
この両者Θ０  およびΘ１  の関係式として、前記式（２０）の関係から、次式
Θ１  ＝ｓｉｎ−１｛（１／ｎ２（λ＝１．３μｍ））・（１．３／１．５５）・（ｎ２（λ＝１．５５μｍ））ｓｉｎΘ０  ｝                                              …（２９）
が導き出される。
ここで、Θ０  は、次式
Θ０  ＝ｔａｎ−１｛（Ｓ１＋Ｓ２）／（２Ｔ１）｝                                                    …（３０）
で示される。
【００７６】
また、１次回折光がｚ軸から前記間隔ｘ２  のずれを以て配置された発光ダイオード１９に集光するためには、ＣＧＨ素子２４の出射偏向角度Θ２  は、次式
Θ２  ＝ｔａｎ−１｛（ｘ１＋ｘ２）／Ｔ３｝                                                        …（３１）
を満足する必要がある。
これらの条件を考慮して、前記式（２８）から第３のＣＧＨ素子２４についての光路関数ρ（ｘ，ｙ）を求めると、該光路差関数として、次式
【００７７】
ρ（ｘ，ｙ）＝ｎ２（ｘ１−Ｓ１）ｘ／｛（ｘ１−Ｓ１）２＋  Ｔ２２｝１／２＋ｎ３（ｘ１＋ｘ２）ｘ／｛（ｘ１＋ｘ１）２＋  Ｔ３２｝１／２                                            …（３２）
が求められる。
【００７８】
従って、式（３２）で示される光路差関数ρ（ｘ，ｙ）についてのテイラー展開による各光路差係数すなわち位相係数Ｃ０  〜Ｃ６５は、図３〜図９の式（４−０）〜式（４−６５）に式（３２）を代入することにより、得られる。
図２６には、その演算結果が位相係数すなわち光路差係数Ｃ０  〜Ｃ２  として示されている。式（３２）は、ｘ、ｙの１次関数であることから、Ｃ３  以降の係数は零となることから、図２６に示された式（３３−０）〜式（３３−２）を光路差係数として、ＣＡＤプログラムの式（１）で示される光路差係数ＣＮ  に入力し、当該プログラムを実行することにより、第３のＣＧＨ素子２４の形成のために必要なマスクパターンのデータが得られる。
【００７９】
このＣＧＨ素子２４の設定により、図２５に示した−１次回折光に関する偏向角度Θ３  は、１義的に決まり、−１次回折光の中心位置のｚ軸からのずれｘ３  は、光学ＣＡＤプログラムの実行等により、容易に求めることができる。
【００８０】
続いて、図２７に沿って、第３のＣＧＨ素子２５の光学特性について考察する。
第３のＣＧＨ素子２５は、分岐手段であるＣＧＨ素子２４により分岐された−１次回折光をフォトディテクタ２０へ向けて集光させる機能を有する。
この第３のＣＧＨ素子２５に入射する−１次回折光は、前記したとおり、１．５５μｍの波長をコリメートするように設定された第１のＣＧＨ素子２１を経ていることから、分岐手段たるＣＧＨ素子２４におけると同様に、１．３μｍの光に対して、焦点距離および偏向角を補正する必要がある。
【００８１】
そのため、図２７に示すように、分岐手段であるＣＧＨ素子２４に入射する波長１．３μｍの光は、等価的に距離Ｄ１  離れた点からの発散球面波と考えられ、またその入射角Θ１  と、波長１．５５μｍの光での入射角Θ０  との関係は、前記式（２９）および前記式（３１）に示したと同様である。
【００８２】
また、分岐手段であるＣＧＨ素子２４から見た虚像までの距離Ｄ１  に関して、前記式（２７）を参照するに、
（ｎ１  ／Ｔ１）−（ｎ２  ／Ｄ１）＝（ｎ１／Ｔ１）・（１．３／１．５５）  …（３４）
が求められ、この式（３４）を整理すると距離Ｄ１  は、次式
Ｄ１  ＝  （ｎ２Ｔ１）／｛ｎ１（１−１．３／１．５５）｝            …（３５）
で表される。
【００８３】
また−１次回折光が第３のＣＧＨ素子２５に達する迄の距離Ｄ３  と、第３のＣＧＨ素子２５への入射角Θ３  との間には、次式
Ｄ３  ＝｛（ｘ３−ｘ１  ）２  ＋Ｔ３２｝１／２                                    …（３６）
および次式
Θ３  ＝ｔａｎ−１｛Ｔ３／（ｘ１＋ｘ２）｝                                                    …（３７）
の関係が成り立つ。
【００８４】
これらのことから、第３のＣＧＨ素子２５は、物点（Ｘ４１，Ｙ４１，Ｚ４１）と像点（Ｘ４２，Ｙ４２，Ｚ４２）とを結ぶＣＧＨ素子と考えられる。
【００８５】
図２８は、点光源（Ｘ１  ，Ｙ１  ，Ｚ１  ）および集光点（Ｘ２  ，Ｙ２  ，Ｚ２  ）を有する回折光学素子である。
この集光レンズ作用を有する回折光学素子の光路差関数ρ（ｘ，ｙ）は、次式で与えられる。
【００８６】
ρ（ｘ，ｙ）＝ｎ１・｛（Ｘ１−ｘ）２＋（Ｙ１−ｙ）２＋Ｚ１２）｝１／２−ｎ１Ｌ１＋ｎ２・｛（Ｘ２−ｘ）２＋（Ｙ２−ｙ）２＋Ｚ２２）｝１／２−ｎ２Ｌ２                                            …（３８）
ここで、原点から点光源までの距離Ｌ１  および原点から像点までの距離Ｌ２  は、それぞれ次式で示される。
Ｌ１  ＝（Ｘ１２＋Ｙ１２＋Ｚ１２）１／２                              …（３９）
Ｌ２  ＝（Ｘ２２＋Ｙ２２＋Ｚ２２）１／２                              …（４０）
【００８７】
これらの式（３８）〜式（４０）から、物点（Ｘ４１，Ｙ４１，Ｚ４１）と像点（Ｘ４２，Ｙ４２，Ｚ４２）とを結ぶ第４のＣＧＨ素子２５の光路差関数ρ（ｘ，ｙ）として、次式
ρ（ｘ，ｙ）＝ｎ・｛（Ｘ４１−ｘ）２＋（Ｙ４１−ｙ）２＋Ｚ４１２）｝１／２−ｎＬ４１＋ｎ４・｛（Ｘ４２−ｘ）２＋（Ｙ４２−ｙ）２＋Ｚ４２２）｝１／２−ｎ４Ｌ４２                                      …（４１）
が求められる。
ここで、現実的な仮定として、屈折率ｎ２および屈折率ｎ３は、同一の屈折率ｎが採用されており、またフォトディテクタ２０が屈折率ｎ４  を示す空間に存在していると仮定されている。
【００８８】
また、式（４１）で、
Ｘ４１＝−（Ｄ１  ＋Ｄ３  ）ｓｉｎΘ３                                                            …（４２）
Ｙ４１＝０                                                                                          …（４３）
Ｚ４１＝−（Ｄ１  ＋Ｄ３  ）ｃｏｓΘ３                                                          …（４４）
さらには、
Ｘ４２＝ｘ４  −ｘ３                                            …（４５）
Ｙ４２＝０                                                    …（４６）
Ｚ４２＝Ｔ４                                                    …（４７）
を示す。
【００８９】
また、原点から物点までの距離Ｌ４１および原点から像点までの距離Ｌ４２は、それぞれ次式
Ｌ４１＝（Ｘ４１２＋Ｙ４１２＋Ｚ４１２）１／２＝Ｄ１＋Ｄ３                      …（４８）
Ｌ４２＝（Ｘ４２２＋Ｙ４２２＋Ｚ４２２）１／２＝｛（ｘ４−ｘ３）２＋Ｔ４２）｝１／２        …（４９）
で表される。
【００９０】
ここでは、フォトディテクタ２０の位置決めに関する自由度を考慮して、第３のＣＧＨ素子２５の中心位置とフォトディテクタ２０の位置とは、独立したパラメータとして取り扱われている。
【００９１】
この第３のＣＧＨ素子２５について、式（４１）で示される光路差関数ρ（ｘ，ｙ）についてのテイラー展開による各光路差係数すなわち位相係数Ｃ０  〜Ｃ６５は、図３〜図９の式（４−０）〜式（４−６５）に式（４１）を代入することにより、得られる。
【００９２】
図２９〜図３４には、その演算結果が位相係数すなわち光路差係数Ｃ０  〜Ｃ６５として示されている。
従って、図２９〜図３４に示された式（５０−０）〜式（５０−６５）を光路差係数として、ＣＡＤプログラムの式（１）で示される光路差係数ＣＮ  に入力し、当該プログラムを実行することにより、第３のＣＧＨ素子２５の形成のために必要なマスクパターンのデータが得られる。
【００９３】
最後のＣＧＨ素子である第４のＣＧＨ素子２６について、図３５に沿って、説明する。
第４のＣＧＨ素子２６は、分岐手段であるＣＧＨ素子２４により分岐された１次回折光を発光ダイオード１９へ向けて集光させる機能を有する。実際上は、可逆的に、発光ダイオード１９からの波長１．３μｍを有する発散球面波を分岐手段２４へ向けてコリメートすることにより、発光ダイオード１９からの光を第１の入力端１１へ向けて送り出す。
【００９４】
この第４のＣＧＨ素子２６に入射する１次回折光は、前記したとおり、１．５５μｍの波長をコリメートするように設定された第１のＣＧＨ素子２１を経ることから、第３のＣＧＨ素子２５におけると同様に、１．３μｍの光に対して、焦点距離および偏向角を補正する必要がある。
【００９５】
そのため、図２８に示すように、第３のＣＧＨ素子２５に入射する波長１．３μｍの光は、等価的に距離Ｄ１  離れた点からの発散球面波と考えられ、またその入射角Θ１  と、波長１．５５μｍの光での入射角Θ０  との関係は、前記式（２９）および前記式（３１）に示したと同様である。
【００９６】
また、分岐手段２４から見た虚像までの距離Ｄ１  に関して、前記式（２７）を参照するに、前記したと同一の式（３４）および式（３５）の関係が求められる。
【００９７】
他方、１次回折光が第４のＣＧＨ素子２６に達する迄の距離Ｄ２  と、第４のＣＧＨ素子２６への入射角Θ２  との間には、次式
Ｄ２  ＝｛（ｘ２−ｘ１  ）２  ＋Ｔ３２｝１／２                                    …（５１）
および次式
Θ２  ＝ｔａｎ−１｛Ｔ３／（ｘ２−ｘ１）｝                            …（５２）
の関係が成り立つ。
【００９８】
これらのことから、第４のＣＧＨ素子２６は、物点（Ｘ５１，Ｙ５１，Ｚ５１）と像点（Ｘ５２，Ｙ５２，Ｚ５２）とを結ぶＣＧＨ素子と考えられる。
従って、第３のＣＧＨ素子２５におけると同様に、前記式（３８）〜前記式（４０）から、物点（Ｘ５１，Ｙ５１，Ｚ５１）と像点（Ｘ５２，Ｙ５２，Ｚ５２）とを結ぶ第４のＣＧＨ素子２６の光路差関数ρ（ｘ，ｙ）として、次式
ρ（ｘ，ｙ）＝ｎ・｛（Ｘ５１−ｘ）２＋（Ｙ５１−ｙ）２＋Ｚ５１２）｝１／２−ｎＬ５１＋ｎ４・｛（Ｘ５２−ｘ）２＋（Ｙ５２−ｙ）２＋Ｚ５２２）｝１／２−ｎ４Ｌ５２                                        …（５３）
が求められる。
【００９９】
ここで、現実的な仮定として、第３のＣＧＨ素子２５におけると同様に、屈折率ｎ２および屈折率ｎ３は、同一の屈折率ｎが採用されており、また発光ダイオード１９が屈折率ｎ４  を示す空間に存在していると仮定されている。
【０１００】
また、式（５３）で、
Ｘ５１＝（Ｄ１  ＋Ｄ２  ）ｓｉｎΘ２                                …（５４）
Ｙ５１＝０                                                  …（５５）
Ｚ５１＝−（Ｄ１  ＋Ｄ２  ）ｃｏｓΘ２                              …（５６）
さらには、
Ｘ５２＝０                                                  …（５７）
Ｙ５２＝０                                                  …（５８）
Ｚ５２＝Ｔ５                                                  …（５９）
を示す。
【０１０１】
また、原点から物点までの距離Ｌ５１および原点から像点までの距離Ｌ５２は、それぞれ次式
Ｌ５１＝（Ｘ５１２＋Ｙ５１２＋Ｚ５１２）１／２＝Ｄ１＋Ｄ２                      …（６０）
Ｌ５２＝（Ｘ５２２＋Ｙ５２２＋Ｚ５２２）１／２＝Ｔ５                            …（６１）
で表される。
【０１０２】
ここでは、製造上の要件と一致するように、発光ダイオード１９の位置と、第４のＣＧＨ素子２６の中心位置とが一致するものとして取り扱われている。
【０１０３】
この第４のＣＧＨ素子２６について、式（５３）で示される光路差関数ρ（ｘ，ｙ）についてのテイラー展開による各光路差係数すなわち位相係数Ｃ０  〜Ｃ６５は、図３〜図９の式（４−０）〜式（４−６５）に式（５３）を代入することにより、得られる。
【０１０４】
図３６〜図４１には、その演算結果が位相係数すなわち光路差係数Ｃ０  〜Ｃ６５として示されている。
従って、図３６〜図４１に示された式（６２−０）〜式（６２−６５）を光路差係数として、ＣＡＤプログラムの式（１）で示される光路差係数ＣＮ  に入力し、当該プログラムを実行することにより、第４のＣＧＨ素子２６の形成のために必要なマスクパターンのデータが得られる。
【０１０５】
従って、各ＣＧＨ素子２１〜２６の前記したマスクパターンのデータに基づいて、それぞれのマスクを製作し、これらのマスクを用いたフォトリソグラフィ法およびエッチング技術により、ガラス基板１４、ガラス基板１５に前記したＣＧＨ素子２１〜２６および波長選択フィルタ２３を形成し、これらの光学素子２１、２２、２３、２４、２５および２６が形成されたガラス基板１４および１５とガラス基板１３とを層状に接合することにより、本発明に係る光学装置１０のための積層構造体１６が形成される。
【０１０６】
この積層構造体１６で構成される本発明の光学装置１０の寸法は、数百μｍ程度に過ぎず、極めて小型に形成することができる。
従って、図４２に示されているように、大型の各ガラス基板１３、１４および１５を用い、大型基板１４の一方の面の多数の区画ごとに第１のＣＧＨ素子２１および第２のＣＧＨ素子２２が対をなすように、集積化して形成し、またこのガラス基板１４の他方の面に、前記区画に対応して、偏向手段である多数の波長選択フィルタ２３を集積化して形成する。
【０１０７】
さらに、大型基板１５の一方の面に、前記区画に対応して、分岐手段である多数のＣＧＨ素子２４を集積化して形成する。また、大型ガラス基板１５の他方の面に、前記区画に対応して、多数の第３のＣＧＨ素子２５および第４のＣＧＨ素子２６を、それらが対をなすように、集積化して形成する。
【０１０８】
これら、これらの光学素子２１、２２、２３、２４、２５および２６が形成された大型の各ガラス基板１４および１５と大型のガラス基板１３とを層状に接合し、多数の光学装置１０が集積的に形成された積層体１６′を形成する。
その後、この集積体１６′を各ガラス基板１３、１４および１５の板厚方向に沿って、縦割りに分割することにより、多数の光学装置１０を一括的に形成することができることから、効率的に多数の光学装置１０を形成することができる。
【０１０９】
波長選択フィルタ２３からなる偏向手段を後述するような波長依存性を示すＣＧＨ素子により形成することができる。
しかしながら、ＣＧＨ素子からなる波長選択フィルタでは、誘電体膜からなる波長選択フィルタ２３に比較して、光学装置１０のコンパクト化の上で、不利となることから、図１に沿って説明したとおり、偏向手段を誘電体膜フィルタからなる波長選択フィルタ２３で構成することが望ましい。
【０１１０】
また、各ガラス基板１３〜１５に代えて、光学的な損失が小さな材料であれば、シリコン基板あるいはプラスチック基板のような種々の基板材料を用いることができる。
【０１１１】
〈具体例２〉
図４３は、本発明に係る他の具体例の光学装置１１０を示す。図４３に示す光学装置１１０では、具体例１におけると同様な機能部分に、これと同一の参照符号が付されている。
【０１１２】
光学装置１１０では、具体例１の積層体１６の第３のガラス基板１５の他方の面１５ｂに、ｎ４の屈折率を有しかつ一様な厚さ寸法を有する第４のガラス基板１１５の一方の面１１５ａが接合され、これにより第１〜第４のガラス基板１３、１４、１５および１１５により積層体１１６が構成されている。
【０１１３】
第４のガラス基板１１５の他方の面１１５ｂに、発光ダイオード１９およびフォトディテクタ２０がそれぞれ設けられており、フォトディテクタ２０と第２の出力端１８との間隔Ｔ４    は、発光ダイオード１９と第２の入力端１７との間隔Ｔ５  に相等しい。
【０１１４】
光学装置１１０では、第４のガラス基板１１５の一方の面１１５ａに第３のＣＧＨ素子２５および第４のＣＧＨ素子２６を形成し、第４のガラス基板１１５の他方の面１１５ｂにフォトディテクタ２０および発光ダイオード１９を形成することにより、対応する第３のＣＧＨ素子２５およびフォトディテクタ２０並びに第４のＣＧＨ素子２６および発光ダイオード１９をそれぞれフォトリソグラフィ技術により、一括的に形成することができる。
従って、対応する両光学素子２５、２０および２６、１９のアライメント精度の向上が期待される。
【０１１５】
光学装置１１０の製造では、図４４に示されているように、具体例１におけると同様な大型の各ガラス基板１３、１４、１５および１１５のそれぞれに、多数の光学素子２１、２２、２３、２４、２５、２６、１９および２０を形成し、これらの光学素子が形成された各ガラス基板を層状に接合することにより、多数の光学装置１１０が集積的に形成された積層構造体１１６′を形成し、この積層構造体１１６′を具体例１におけると同様に、縦割り分割することができる。
【０１１６】
以下の具体例でも、具体例１および２に示したと同様な機能部分には、これと同一の参照符号が付されている。
〈具体例３〉
図４５は、本発明に係る具体例３の、さらに他の光学装置１２０を示す。
光学装置１２０では、第１のガラス基板１３の一方の面１３ａに第１の入力端１１のみが設けられている。第１のガラス基板１３の他方の面１３ｂに接合される第２のガラス基板１４の一方の面１４ａには、第１のＣＧＨ素子２１のみが設けられている。
【０１１７】
また、第２のガラス基板１４の他方の面１４ｂに接合される第３のガラス基板１５の一方の面１５ａには、偏向手段２３およびミラー１２１が設けられている。ミラー１２１は、例えばアルミニゥムあるいは金のような金属膜を第３のガラス基板１５に蒸着することにより、形成することができる。
この第３のガラス基板１５の他方の面１５ｂには、分岐手段２４、第２のＣＧＨ素子２２および第３のＣＧＨ素子２５が設けられている。
【０１１８】
第４のガラス基板１１５の一方の面１１５ａには、第４のＣＧＨ素子２６が設けられ、その他方の面１１５ｂには、第１の出力端１２、発光ダイオード１９およびフォトディテクタ２０が設けられている。
【０１１９】
図４５に示す具体例３の光学装置１２０では、偏向手段２３がプリズム機能を有する透過型の計算機ホログラムすなわち透過型のＣＧＨ素子２３からなる。
プリズム機能を有するＣＧＨ素子２３には、第１の入力端１１からの多重光が第１のＣＧＨ素子２１を経て、平行光束として案内される。
この平行光束を受けるＣＧＨ素子２３は、前記したＣＧＨ素子の波長依存性に応じて、多重光を第２のＣＧＨ素子２２へ向けての第１の波長成分である波長１．５５μｍの平行光束と、分岐手段２４へ向けての第２の波長成分である波長１．３μｍの平行光束とに分離する。
【０１２０】
透過型のＣＧＨ素子からなる偏向手段２３により分離された１．５５μｍの平行光束は、第２のＣＧＨ素子２２により、第１の出力端１２に集光される。
他方、ＣＧＨ素子２３により分離された１．３μｍの平行光束は、分岐手段２４に案内される。
【０１２１】
分岐手段２４は、具体例１に示したと同様な多層誘電体膜からなる波長選択フィルタからなる。この波長選択フィルタ２４は、第２の波長成分の一部をミラー１２１へ向けて反射し、残部を第４のＣＧＨ素子２６へ向けて透過させる。
【０１２２】
ミラー１２１に向けられた第２の波長成分は、第３のＣＧＨ素子２５に案内され、該ＣＧＨ素子２５を経てフォトディテクタ２０に集光される。
また、発光ダイオード１９からの光は、分岐手段２４の透過光として、第４のＣＧＨ素子２６、分岐手段２４および偏向手段たるＣＧＨ素子２３を経て、第１の入力端１１に案内される。
【０１２３】
ＣＧＨ素子からなる偏向手段２３は、誘電体膜からなるハーフミラーのような波長選択フィルタに比較して、偏向手段での光量損失を実質的に無くすことができる。
【０１２４】
〈具体例４〉
図４６に示す具体例４の光学装置１３０では、第３のガラス基板１５が２つの分割部分１５Ａおよび１５Ｂの接合により形成されており、両分割部分１５Ａおよび１５Ｂ間に分岐手段２４が形成されている。
分岐手段２４は、透過型ＣＧＨ素子２４からなる。このＣＧＨ素子からなる分岐手段２４は、偏向手段２３から受ける例えば１．３μｍの平行光束を第３のＣＧＨ素子２５および第４のＣＧＨ素子２６へ向けてそれぞれ分岐させる。
【０１２５】
ＣＧＨ素子は、前記したとおり、ＣＡＤプログラムの実行により得られたマスクパターンを用いたガラス材料へのエッチング処理により形成することができるが、回折光学素子であるＣＧＨ素子のエッチング深さと、その回折効率とに興味ある関係がマサチューセッツ工科大、リンカーン研究所から１９９１年に発行されたテクニカルレポート、第９１４号、「バイナリオプチクステクノロジ：セオリティカルリミット・オン・ディフラクションエフィシャンシー・オブ・マルチレベルディフラクティブオプチカルエレメント」に報告されている。
【０１２６】
このテクニカルレポートによれば、ＣＧＨ素子を形成するために使用したエッチングマスク枚数に応じた位相レベルに応じて、各位相レベルでのエッチング深さと、回折効率との関係を求めることができる。
【０１２７】
図４７には、２枚のエッチングマスクすなわち４位相レベルでの回折効率ηとエッチング深さφ（波長単位）との関係が、それぞれを縦軸および横軸とするグラフで示されている。
このグラフに示される各特性曲線の形態は、位相レベル数に応じて変化する。
【０１２８】
図４７のグラフに示された特性曲線によれば、エッチング深さを例えば１．３μｍ波長に等しい１．３μｍとすることにより、実質的に入射光のほぼ８０％の強度の１次回折光のみが得られることが分かる。また、エッチング深さを波長の半値とすることにより、ほぼ４０％の０次光と、ほぼ４０％の１次光とに分離することができる。
【０１２９】
この同一波長の回折効率すなわち高次光の分割強度割合と、エッチング深さとの対応関係は、マスク数すなわち位相レベル数に応じて変化することから、使用するＣＧＨ素子の位相レベル数に応じて、適正なエッチング深さを選択することにより、適正な強度比で同一波長の光を分割することができる。
【０１３０】
従って、具体例１で説明したとおり、マスク枚数の選択によるＣＧＨ素子の位相レベルの選択に加えて、ＣＧＨ素子のエッチング深さの選択によっても、同一波長の光を適正な強度比で分割することができる。
また、ＣＧＨ素子からなる分岐手段２４は、高次回折光の利用により、ハーフミラーに比較して、その回折方向を比較的広い範囲から選択することが可能となり、回折角度を大きくとることにより、第３のガラス基板１５の厚さ寸法Ｔ３  の低減が可能となる。
【０１３１】
〈具体例５〉
図４８に示す具体例５の光学装置１４０では、プリズム機能を有する透過型ＣＧＨ素子からなる偏向手段２３で分離された１．３μｍの単一の平行光束の光路に、第３のＣＧＨ素子２５および第４のＣＧＨ素子２６が並列的に配置されている。
【０１３２】
各素子２５および２６は、分岐路に分岐されていない単一の平行光束に並列的に、かつ偏向方向を異にして配置されることにより、第３のＣＧＨ素子２５はフォトディテクタ２０に対応し、また第４のＣＧＨ素子２６は発光ダイオード１９に対応して、設けられている。
従って、第３のＣＧＨ素子２５および第４のＣＧＨ素子２６は、実質的に分岐手段２４の機能を兼ね備える。このため、分岐手段２４としての単独の構成が不要となることから、構成の簡素化を図ることができる。
【０１３３】
〈具体例６〉
図４９に示す具体例６の光学装置１５０では、第１のガラス基板１３の一方の面１３ａに、第１の入力端１１および第１の出力端１２が設けられ、さらに発光ダイオード１９およびフォトディテクタ２０が設けられている。
【０１３４】
また、第１のガラス基板１３の他方の面１３ｂに接合される第２のガラス基板１４の一方の面１４ａに、第１のＣＧＨ素子２１、第２のＣＧＨ素子２２、第３のＣＧＨ素子２５および第４のＣＧＨ素子２６が設けられている。
第２のガラス基板１４の他方の面１４ｂには、反射型のＣＧＨ素子からなる偏向手段２３が設けられている。この反射型のＣＧＨ素子２３は、具体例３の偏向手段２３として説明した透過型ＣＧＨ素子にミラーを組み合わせて形成することができる。
【０１３５】
第１の入力端１１からの多重光は第１のＣＧＨ素子２１を経て偏向手段２３に向けられる。
反射型ＣＧＨ素子からなる偏向手段２３は、前記したとおり、多重光をその波長に応じて、第１の波長成分と第２の波長成分とに分離する。また、反射型ＣＧＨ素子からなる偏向手段２３は、分離した第１の波長成分である１．５５μｍの平行光束を第２のＣＧＨ素子２２へ向けて反射し、分離した第２の波長成分である１．３μｍの平行光束は、第３のＣＧＨ素子２５および２６へ向けて反射する。
【０１３６】
この反射型ＣＧＨ素子および透過型ＣＧＨ素子の形成のために前記したエッチングマスクを用いたエッチングにおける各位相深さすなわちエッチング深さと、波長λとの関係がそれぞれ次式で表される。
ＴＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ＝λ／（２｜ｎ１  −ｎ２  ｜）                                    …（６３）
ＴＲｅｆｌｅｃｔｉｏｎ＝λ／（４ｎ１  ）                                …（６４）
【０１３７】
式（６３）は、２位相の透過型ＣＧＨ素子におけるエッチング深さと波長との関係を示し、式（６４）は同様に２位相の反射型ＣＧＨ素子におけるエッチング深さと波長との関係を示す。
透過型のＣＧＨ素子についての式（６３）では、透過する２つの媒質の屈折率の差（ｎ１  −ｎ２  ）が関係する。他方、反射型のＣＧＨ素子についての式（６４）では、一方の媒質の屈折率ｎ１  のみが関係する。
【０１３８】
このことは、反射型ＣＧＨ素子の方が、透過型ＣＧＨ素子に比較して、より浅いエッチング深さで同等の回折効果が得られることを示す。
従って、図４９に示すように、反射型ＣＧＨ素子により構成された偏向手段２３を用いることにより、透過型ＣＧＨ素子により構成された偏向手段２３を用いることに比較して、同一エッチング深さではより大きな回折角度を得ることができ、また、より浅いエッチング深さで同等な回折角度を得ることができ、さらにアスペクト比を小さくすることができる等、種々の点で有利である。
【０１３９】
また、反射型の偏向手段２３を用いることにより、第１のガラス基板１３および第２のガラス基板１４の２枚の基板で積層構造体１６を形成することができ、構成の一層の簡素化を図ることが可能となる。
【０１４０】
〈具体例７〉
図５０に具体例７として示すように、第１のガラス基板１３の一方の面１３ａに、第１の入力端１１、第１の出力端１２、発光ダイオード１９およびフォトディテクタ２０が設けられているとき、この第１のガラス基板１３の他方の面１３ｂに第１のＣＧＨ素子２１、第２のＣＧＨ素子２２、第３のＣＧＨ素子２５および第４のＣＧＨ素子２６を設けることにより、各光学素子１１、１２、１９、２０、２１、２２、２５および２６の整合精度を高めることができる。
【０１４１】
〈具体例８〉
図５１に示す光学装置２１０では、第１の入力端１１から第１のＣＧＨ素子２１を経て平行光束に変換された多重光は、第３のガラス基板１５の一方の面１５ａに形成された２つの透過型ＣＧＨ素子２３ａおよび２３ｂの組み合わせからなる偏向手段２３（２３ａおよび２３ｂ）により、波長が１．５５μｍの第１の波長成分の平行光束と、波長が１．３μｍの第２の波長成分の平行光束とに分離される。
【０１４２】
この偏向手段２３は、波長依存性によって偏向角を異にするＣＧＨ素子を利用すべく、その特性を異にする２つのＣＧＨ素子２３ａおよび２３ｂが第１のＣＧＨ素子２１を経た平行光束の光路内に並列的に形成され、これにより、偏向手段２３が構成されている。
【０１４３】
一方のＣＧＨ素子２３ａを経た第１の波長成分は、該素子の偏向機能により、第３のガラス基板１５の他方の面１５ｂに設けられた反射手段であるミラー２１１に向けられ、さらにプリズム機能を有する補助ＣＧＨ素子２１２により、平行光束として第２のＣＧＨ素子２２に案内される。
【０１４４】
他方のＣＧＨ素子２３ｂを経た第２の波長成分は、該素子の偏向機能により、誘電体多層膜からなるハーフミラーすなわち誘電体フィルタからなる分岐手段２４に案内される。
分岐手段２４は、具体例１におけると同様に、第２の波長成分の平行光束を第１の分岐路２７と第２の分岐路２８とに分岐する。第１の分岐路２７の平行光束は、第３のＣＧＨ素子２５を経てフォトディテクタ２０に至る。また、第２の分岐路２８はミラー２１３を経て第４のＣＧＨ素子２６に至る。
【０１４５】
図５１に示す具体例８の光学装置２１０では、偏向手段２３を構成するＣＧＨ素子２３ａおよび２３ｂへの入射光の強度分布および両ＣＧＨ素子の面積比を選択することにより、第１および第２の波長成分を所望の強度比で分離することができる。
【０１４６】
〈具体例９〉
図５２に示す具体例９では、具体例８に示した透過型の前記ＣＧＨ素子２３ａおよび２３ｂからなる偏向手段２３により分離された第２の波長成分の平行光束は、透過型ＣＧＨ素子からなる分岐手段２４により、第３のＣＧＨ素子２５に至る第１の分岐路２７と、第４のＣＧＨ素子２６に至る第２の分岐路２８とに分岐されている。
【０１４７】
透過型ＣＧＨ素子からなる分岐手段２４が設けられた光学装置２２０によれば、具体例４に沿って説明したとおり、ＣＧＨ素子を得るためのエッチングによる位相数、エッチング深さ等を選択することにより、所望の分配比で第２の波長成分を分岐することができることから、発光ダイオード１９からの光強度と、フォトディテクタ２０への光強度との関係を適正に設定することが容易となる。
【０１４８】
〈具体例１０〉
図５３に示す具体例１０では、第１のＣＧＨ素子２１を経た平行光束の光路にＣＧＨ素子２３ａおよび２３ｂからなる偏向手段２３として、具体例９に示したＣＧＨ素子２３ａに加えて、ＣＧＨ素子２３ｂとして、第３のＣＧＨ素子２５および第４のＣＧＨ素子２６が並列的に形成されている。
【０１４９】
具体例１０を示す光学装置２３０では、第１のＣＧＨ素子２１からの平行光束の光路に形成された第３のＣＧＨ素子２５および第４のＣＧＨ素子２６が、波長に応じた偏向特性により、第２の波長成分の光を直接的にフォトディテクタ２０および発光ダイオード１９にそれぞれ案内する。
従って、具体例１０では、第３のＣＧＨ素子２５および第４のＣＧＨ素子２６がそれぞれ偏向手段２３の分離機能を兼ねることから、偏向手段２３として独立した機能を果たす光学素子を組み込む必要はなく、構成の簡素化を図ることができる。
【０１５０】
〈具体例１１〉
図５４に示す具体例１１（光学装置２４０）では、第１の入力端１１、第１の出力端１２、発光ダイオード１９およびフォトディテクタ２０が第１のガラス基板１３の一方の面１３ａに設けられている。
【０１５１】
また、光学装置２４０では、第１のガラス基板１３の他方の面１３ｂに、具体例８および９に示された透過型ＣＧＨ素子２３ａおよび２３ｂからなる偏向手段２３に代えて、反射型ＣＧＨ素子２３ａおよび２３ｂが設けられている。
この偏向手段２３では、入射光および各反射型ＣＧＨ素子２３ａおよび２３ｂからの出射光が相互に重複しないように、３次元的に配置関係が考慮される。
【０１５２】
反射型ＣＧＨ素子２３ａにより偏向を受けた第１の波長成分は、第２のＣＧＨ素子２２を経て、第１の出力端１２に案内される。
他方、反射型ＣＧＨ素子２３ｂにより偏向を受けた第２の波長成分は、ミラー２１３により、プリズム機能を有する反射型ＣＧＨ素子からなる補助ＣＧＨ素子２１４に案内される。補助ＣＧＨ素子２１４は、第２の波長成分の平行光束を、偏向手段２３の機能を果たす第３のＣＧＨ素子２５および第４のＣＧＨ素子２６に案内する。
【０１５３】
反射型ＣＧＨ素子２３ａおよび２３ｂからなる偏向手段２３は、前記したとおり、透過型のそれに比較して浅いエッチング深さで同等の回折機能を得ることができることから、製造が容易となる。また、同一エッチング深さでは、透過型のそれに比較してより大きな偏向角度を得ることができることから、光学装置２４０の厚さ寸法の低減を図る上で、有利である。
【０１５４】
〈具体例１２〉
図５５に示す具体例１２（光学装置３１０）では、第１のＣＧＨ素子２１を経た多重光を第１および第２の波長成分の平行光束に分離する偏向手段２３として、具体例３に示したような透過型のＣＧＨ素子からなる偏向手段２３が用いられている。
偏向手段２３により分離された１．５５μｍの平行光束は、反射手段であるミラー３１１を経て、プリズム機能を有する補助ＣＧＨ素子３１２に案内され、さらに、この補助ＣＧＨ素子３１２を経て、第２のＣＧＨ素子２２に案内される。
【０１５５】
他方、透過型ＣＧＨ素子２３により分離された１．３μｍの平行光束は、多層誘電体膜からなるハーフミラーすなわち波長選択フィルタからなる分岐手段２４に案内される。
分岐手段２４は、具体例１におけると同様に、第２の波長成分の平行光束を第１の分岐路２７と第２の分岐路２８とに分岐する。第１の分岐路２７の平行光束は、第３のＣＧＨ素子２５を経てフォトディテクタ２０に至る。また、第２の分岐路２８はミラー３１３を経て第４のＣＧＨ素子２６に至る。
【０１５６】
〈具体例１３〉
図５６の具体例１３（光学装置３２０）に示すとおり、具体例１２に示した透過型ＣＧＨ素子２３ａおよび２３ｂによって分離された第２の波長成分の平行光束を分岐する分岐手段２４として、具体例１に示したと同様な透過型ＣＧＨ素子２４を用いることができる。
【０１５７】
光学装置２３０によれば、偏向手段２３および分岐手段２４の全てをＣＧＨ素子で構成することができることから、コンパクト化の点で有利である。
【０１５８】
〈具体例１４〉
また、図５７の具体例１４（光学装置３３０）で示されているように、具体例１３に示した透過型ＣＧＨ素子からなる偏向手段２３により分離された第２の波長成分の平行光束の光路に分岐手段２４の分岐機能を兼ねる第３のＣＧＨ素子２５および第４のＣＧＨ素子２６を配置することにより、具体例５におけると同様に、構成の簡素化を図ることができる。
【０１５９】
〈具体例１５〉
さらに、図５８の具体例１５（光学装置３４０）に示すとおり、偏向手段２３として、具体例６に示したと同様な反射型のＣＧＨ素子からなる偏向手段２３を用いることができる。
【０１６０】
反射型ＣＧＨ素子２３により分離された第２の波長成分は、反射手段であるミラー３１３を経て、具体例１１におけると同様なプリズム機能を有する反射型ＣＧＨ素子からなる補助ＣＧＨ素子３１４に案内される。補助ＣＧＨ素子３１４は、第２の波長成分の平行光束を、偏向手段２３の機能を果たす第３のＣＧＨ素子２５および第４のＣＧＨ素子２６に案内する。
【０１６１】
〈具体例１６〉
図５９に示される具体例１６（光学装置４１０）では、第１のＣＧＨ素子２１を経た多重光は、具体例１に示したと同様な多層誘電体膜からなる波長選択フィルタ２３により、第１および第２の波長成分に分離される。
【０１６２】
第１の波長成分の平行光束は、第２のＣＧＨ素子２２に案内され、さらに該第２のＣＧＨ素子を経て、第１の出力端１２に案内される。
他方、第２の波長成分の平行光束は、前記したと同様な多層誘電体膜からなるハーフミラーからなる分岐手段２４により、第１の分岐路２７および第２の分岐路２８に分岐される。
【０１６３】
第１の分岐路２７を経る平行光束は、具体例１２に沿って説明したと同様に、第３のＣＧＨ素子２５を経てフォトディテクタ２０に至る。また、第２の分岐路２８を経る平行光束は、反射手段であるミラー４１１および第４のＣＧＨ素子２６を経て、発光ダイオード１９に至る。
【０１６４】
〈具体例１７〉
また、図６０の具体例１７（光学装置４２０）に示すとおり、具体例１６に示されたハーフミラーからなる分岐手段２４に代えて、具体例１に示したと同様なプリズム機能を有するＣＧＨ素子２４を用いることができる。
【０１６５】
具体例１７では、ＣＧＨ素子２４により分岐された第１の分岐路２７が第３のＣＧＨ素子２５を経てフォトディテクタ２０に至る。また、ＣＧＨ素子２４により分岐された第２の分岐路２８が第４のＣＧＨ素子２６を経て、発光ダイオード１９に至る。
【０１６６】
〈具体例１８〉
図６１の具体例１８（光学装置４３０）に示すとおり、具体例１６に示したと同様な反射型のＣＧＨ素子からなる偏向手段２３を経た第２の波長成分の平行光束の光路に、具体例１４に示したと同様な、分岐手段２４の分岐機能を兼ねる第３のＣＧＨ素子２５および第４のＣＧＨ素子２６を配置することにより、具体例５および１６におけると同様に、構成の簡素化を図ることができる。
【０１６７】
〈具体例１９〉
また、図６２の具体例１９（光学装置４４０）では、第１のガラス基板１３の一方の面１３ａに第１の入力端１１、第１の出力端１２、発光ダイオード１９および２０が設けられている。
【０１６８】
第１のガラス基板１３の他方の面１３ｂには、第１のＣＧＨ素子２１、第２のＣＧＨ素子２２、第３のＣＧＨ素子２５および第４のＣＧＨ素子２６が設けられている。第２のガラス基板１４の、第１のガラス基板１３に接合される面１４ａと反対側の面１４ｂには、具体例１８に示したと同様な波長選択フィルタからなる偏向手段２３が設けられている。
【０１６９】
この偏向手段２３を経た第２の波長成分の平行光束は、第３のガラス基板１５の第２のガラス基板１４への接合面１５ａと反対側の面１５ｂに設けられたミラー４１２により、第３のＣＧＨ素子２５および第４のＣＧＨ素子２６へ向けて、反射される。
【０１７０】
本発明に係る光学装置では、それぞれの具体例に示した偏向手段２３および分岐手段２４の組み合わせ以外にも、種々の光路の変更に応じて、それらを適宜組み合わせて利用することができる。
また、積層構造体１６内の光路を必要に応じて適宜変更することができる。
【０１７１】
【発明の効果】
本発明に係る前記した光学装置によれば、回折現象を利用した計算機ホログラムにコリメート機能、集光機能、偏向機能、光路分割作用および波長分離作用を重複してあるいは選択的に適宜担わせることができることから、コンパクトであり、しかも、計算機ホログラムでは光ファイバとの融着接着作業が不要となることから、融着作業これによる製造コストの増大を招くことはなく、従来の光ファイバ光学装置に比較して安価に製造することができる。
【０１７２】
また、本発明に係る前記製造方法によれば、多数の計算機ホログラムを含む光学素子を集積化することにより、複数組の光学装置を含む積層体を形成し、この多数の光学装置を含む積層体をそれぞれの光学装置に分割することにより、本発明に係る前記光学装置を極めて効率的に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光学装置を概略的に示す縦断面図である。
【図２】本発明に係るテイラー展開式の説明図である。
【図３】本発明に係るテイラー展開による光路差係数の説明図（その１）である。
【図４】本発明に係るテイラー展開による光路差係数の説明図（その２）である。
【図５】本発明に係るテイラー展開による光路差係数の説明図（その３）である。
【図６】本発明に係るテイラー展開による光路差係数の説明図（その４）である。
【図７】本発明に係るテイラー展開による光路差係数の説明図（その５）である。
【図８】本発明に係るテイラー展開による光路差係数の説明図（その６）である。
【図９】本発明に係るテイラー展開による光路差係数の説明図（その７）である。
【図１０】第１のＣＧＨ素子の光学特性を示す説明図である。
【図１１】第１のＣＧＨ素子の光路差係数の説明図（その１）である。
【図１２】第１のＣＧＨ素子の光路差係数の説明図（その２）である。
【図１３】第１のＣＧＨ素子の光路差係数の説明図（その３）である。
【図１４】第１のＣＧＨ素子の光路差係数の説明図（その４）である。
【図１５】第２のＣＧＨ素子の光学特性を示す説明図である。
【図１６】第２のＣＧＨ素子の光路差係数の説明図（その１）である。
【図１７】第２のＣＧＨ素子の光路差係数の説明図（その２）である。
【図１８】第２のＣＧＨ素子の光路差係数の説明図（その３）である。
【図１９】第２のＣＧＨ素子の光路差係数の説明図（その４）である。
【図２０】ＣＧＨ素子の偏向角度の波長依存性の説明するための図面である。
【図２１】ＣＧＨ素子の焦点距離の波長依存性の説明するための図面である。
【図２２】ＣＧＨ素子の結像レンズの偏向角および焦点距離の波長依存性を説明するための図面である。
【図２３】分岐手段（ＣＧＨ素子）の光学特性を示す説明図である。
【図２４】分岐手段（ＣＧＨ素子）の１次回折光の説明図である。
【図２５】分岐手段（ＣＧＨ素子）の−１次回折光の説明図である。
【図２６】分岐手段（ＣＧＨ素子）の光路差係数の説明図である。
【図２７】第３のＣＧＨ素子の−１次回折光に関する説明図である。
【図２８】ＣＧＨ素子の点光源と集光点間の結像作用の説明図である。
【図２９】第３のＣＧＨ素子の光路差係数の説明図（その１）である。
【図３０】第３のＣＧＨ素子の光路差係数の説明図（その２）である。
【図３１】第３のＣＧＨ素子の光路差係数の説明図（その３）である。
【図３２】第３のＣＧＨ素子の光路差係数の説明図（その４）である。
【図３３】第３のＣＧＨ素子の光路差係数の説明図（その５）である。
【図３４】第３のＣＧＨ素子の光路差係数の説明図（その６）である。
【図３５】第４のＣＧＨ素子の１次回折光に関する説明図である。
【図３６】第４のＣＧＨ素子の光路差係数の説明図（その１）である。
【図３７】第４のＣＧＨ素子の光路差係数の説明図（その２）である。
【図３８】第４のＣＧＨ素子の光路差係数の説明図（その３）である。
【図３９】第４のＣＧＨ素子の光路差係数の説明図（その４）である。
【図４０】第４のＣＧＨ素子の光路差係数の説明図（その５）である。
【図４１】第４のＣＧＨ素子の光路差係数の説明図（その６）である。
【図４２】本発明係る光学装置１０の製造方法を示す製造工程での分解斜視図である。
【図４３】本発明に係る他の光学装置１１０を概略的に示す縦断面図である。
【図４４】本発明係る他の光学装置１１０の製造方法を示す製造工程での分解斜視図である。
【図４５】本発明に係るさらに他の光学装置１２０を概略的に示す縦断面図である。
【図４６】本発明に係るさらに他の光学装置１３０を概略的に示す縦断面図である。
【図４７】ＣＧＨ素子の回折効率とエッチング深さとの関係を示すグラフである。
【図４８】本発明に係るさらに他の光学装置１４０を概略的に示す縦断面図である。
【図４９】本発明に係るさらに他の光学装置１５０を概略的に示す縦断面図である。
【図５０】本発明に係るさらに他の光学装置１６０を概略的に示す縦断面図である。
【図５１】本発明に係るさらに他の光学装置２１０を概略的に示す縦断面図である。
【図５２】本発明に係るさらに他の光学装置２２０を概略的に示す縦断面図である。
【図５３】本発明に係るさらに他の光学装置２３０を概略的に示す縦断面図である。
【図５４】本発明に係るさらに他の光学装置２４０を概略的に示す縦断面図である。
【図５５】本発明に係るさらに他の光学装置３１０を概略的に示す縦断面図である。
【図５６】本発明に係るさらに他の光学装置３２０を概略的に示す縦断面図である。
【図５７】本発明に係るさらに他の光学装置３３０を概略的に示す縦断面図である。
【図５８】本発明に係るさらに他の光学装置３４０を概略的に示す縦断面図である。
【図５９】本発明に係るさらに他の光学装置４１０を概略的に示す縦断面図である。
【図６０】本発明に係るさらに他の光学装置４２０を概略的に示す縦断面図である。
【図６１】本発明に係るさらに他の光学装置４３０を概略的に示す縦断面図である。
【図６２】本発明に係るさらに他の光学装置４４０を概略的に示す縦断面図である。
【符号の説明】
１０、１１０、１２０、１３０、１４０、１５０、１６０、２１０、２２０、２３０、２４０、３１０、３２０、３３０、３４０、４１０、４２０、４３０および４４０  光学装置
１１  第１の入力端
１２  第１の出力端
１３  第１のガラス基板
１４  第２のガラス基板
１５  第３のガラス基板
１６、１１６  積層構造体
１７  第２の入力端
１８  第２の出力端
１９  発光ダイオード
２０  フォトディテクタ
２１  第１のＣＧＨ素子
２２  第２のＣＧＨ素子
２３（２３ａ、２３ｂ）  偏向手段
２４（２５、２６）  分岐手段
２５  第３のＣＧＨ素子
２６  第４のＣＧＨ素子
２７  第１の分岐路
２８  第２の分岐路
１１５  第４のガラス基板
【図１】
0003615035.tif 000002
【図２】
0003615035.tif 000003
【図３】
0003615035.tif 000004
【図４】
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【図５】
0003615035.tif 000006
【図６】
0003615035.tif 000007
【図７】
0003615035.tif 000008
【図８】
0003615035.tif 000009
【図９】
0003615035.tif 000010
【図１０】
0003615035.tif 000011
【図１１】
0003615035.tif 000012
【図１２】
0003615035.tif 000013
【図１３】
0003615035.tif 000014
【図１４】
0003615035.tif 000015
【図１５】
0003615035.tif 000016
【図１６】
0003615035.tif 000017
【図１７】
0003615035.tif 000018
【図１８】
0003615035.tif 000019
【図１９】
0003615035.tif 000020
【図２０】
0003615035.tif 000021
【図２１】
0003615035.tif 000022
【図２２】
0003615035.tif 000023
【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
0003615035.tif 000027
【図２７】
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【図２８】
0003615035.tif 000029
【図２９】
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【図３０】
0003615035.tif 000031
【図３１】
0003615035.tif 000032
【図３２】
0003615035.tif 000033
【図３３】
0003615035.tif 000034
【図３４】
0003615035.tif 000035
【図３５】
0003615035.tif 000036
【図３６】
0003615035.tif 000037
【図３７】
0003615035.tif 000038
【図３８】
0003615035.tif 000039
【図３９】
0003615035.tif 000040
【図４０】
0003615035.tif 000041
【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
0003615035.tif 000045
【図４５】
0003615035.tif 000046
【図４６】
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【図４７】
0003615035.tif 000048
【図４８】
0003615035.tif 000049
【図４９】
0003615035.tif 000050
【図５０】
0003615035.tif 000051
【図５１】
0003615035.tif 000052
【図５２】
0003615035.tif 000053
【図５３】
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【図５４】
0003615035.tif 000055
【図５５】
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【図５６】
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【図５７】
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【図５８】
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【図５９】
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【図６０】
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【図６１】
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【図６２】
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