(57)【要約】【課題】各素子の他素子の変換機能に対する影響を無視しうるように、重ねられた回折素子を変形する手段を提供する。【解決手段】光学素子は、１個またはそれ以上の回折素子を有する。個別回折素子伝搬関数は、対応入光および出光ポート４０１、４０４間の対応全伝搬関数を集合的に生じる。回折素子は、入射光の場を回折、反射および／または散乱させるために変化させられた（変化させられた率、表面）回折領域を含む輪郭４１０、４１３、・・・４２５により定義されている。素子伝搬関数は、回折領域により充填された輪郭のフラクション（部分充填グレースケール）および／または回折領域の空間プロファイル（プロファイルに基づくグレースケール）により決定される。
2005501287.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１セットの少なくとも２個の回折素子を有する光学素子を含み、
前記少なくとも１個の回折素子セットの各セットが集合的に対応する入光ポートと対応する出光ポートとの間の対応する全セット伝搬関数を提供するように、各回折素子は、入力光の場の対応する回折成分を対応する回折素子伝搬関数で回折し、
各回折素子は、対応する回折素子輪郭により空間的に区画されており且つ少なくとも１個の回折領域を含み、そこからの入力光の場の一部を回折できるように、前記回折領域は少なくとも１個の変更された光学特質を有しており、
i）対応する全セットの伝搬関数と、ii）少なくとも１個の対応する回折素子伝搬関数とのうちの少なくとも一方が、a）前記対応する輪郭に関する１未満のフィルファクターと、b）前記対応する輪郭の複数の回折領域の不均一な分布と、c）前記対応する輪郭の前記少なくとも１個の回折領域の前記光学特性の空間プロファイルの変化と、d）対応する輪郭の複数の回折領域間の前記光学特性の空間プロファイルの変化と、e）前記少なくとも１個の回折素子セット内の素子間の前記少なくとも１個の前記光学特性の前記空間プロファイルの変化と、のうちの少なくとも１個により少なくとも部分的に決定される、光学装置。
【請求項２】
前記光学素子はウエーブガイドであり、このウエーブガイドは、その内部に伝播する少なくとも１個の横方向ディメンションの光の場を実質的に閉じ込め、
前記回折素子輪郭の各々は曲線輪郭であり、前記回折領域の各々は、その曲線回折セグメントである、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記ウエーブガイドは少なくとも２個の光ポートを有している、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記光学素子は平面ウエーブガイドであり、この平面ウエーブガイドは内部に２次元において伝播する１つの横方向ディメンションに光の場を実質的に閉じ込める、請求項２に記載の装置。
【請求項５】
前記光学素子はチャンネルウエーブガイドであり、このチャンネルウエーブガイドは、内部に１次元において伝播する光の場を横方向の２次元に実質的に閉じ込める、請求項２に記載の装置。
【請求項６】
前記ウエーブガイドはコアと、伝播する光の場を内部に実質的に閉じ込めるより低い率のクラッドとを含む、請求項２に記載の装置。
【請求項７】
前記回折セグメントはコア内の溝を含み、この溝にはクラッドが充填されている、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記回折セグメントは、前記クラッド内に突出する前記コアのリッジを含む、請求項６に記載の装置。
【請求項９】
前記ウエーブガイドと周囲のボリュームとの率の差が、内部に伝播する光の場を実質的に閉じ込める、請求項２に記載の装置。
【請求項１０】
前記回折セグメントが前記ウエーブガイド内の溝を含む、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記回折セグメントが前記ウエーブガイドから突出するリッジを含む、請求項９に記載の装置。
【請求項１２】
前記回折セグメントがリソグラフにより提供される、請求項２に記載の装置。
【請求項１３】
前記回折セグメントが、前記ウエーブガイドの空間的に選択され且つ光学的に誘導された光学的緻密化により提供される、請求項２に記載の装置。
【請求項１４】
前記回折セグメントが、前記ウエーブガイドの空間的に選択され且つ機械的に誘導された光学的緻密化により提供される、請求項２に記載の装置。
【請求項１５】
前記回折セグメントが、前記ウエーブガイドの空間的に選択されたドーピングにより提供される、請求項２に記載の装置。
【請求項１６】
前記回折セグメントがホログラフにより提供される、請求項２に記載の装置。
【請求項１７】
少なくとも１つの対応する回折素子伝搬関数が、前記対応する輪郭に関する前記１未満のフィルファクターと前記対応する輪郭の複数の回折セグメントの不均一な分布との少なくとも一方により少なくとも部分的に決定される、請求項２に記載の装置。
【請求項１８】
前記少なくとも１個の対応する輪郭の少なくとも１個の回折セグメントが、複数個の曲線回折セグメントを含む、請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
前記少なくとも１個の対応する輪郭の曲線回折セグメントが、実質的に同一長さを有しており且つ前記対応する輪郭に沿って実質的に等間隔に配置されている、請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
前記少なくとも１個の対応する輪郭の前記曲線回折セグメントが、実質的に不規則に変化する長さを有しており且つ前記対応する輪郭に沿って実質的に不規則な間隔で配置されている、請求項１８に記載の装置。
【請求項２１】
前記少なくとも１個の対応する輪郭の前記曲線回折セグメントが、充填された前記対応する輪郭に関する局部的フィルファクターが前記輪郭の長さに沿って変化するように、変化する長さを有している、請求項１８に記載の装置。
【請求項２２】
前記対応する輪郭の前記少なくとも１個の回折セグメントは、全記入光ポートから伝播する光の場の実質的にどの部分も前記回折素子セットの実質的にほぼ同じ数の回折セグメントにぶつかるように、集合的に配置されており、その結果、前記対応する入光ポートと前記対応する出光ポートとの間の対応する全セットの伝搬関数が空間的にほぼ均一になる、請求項１７に記載の装置。
【請求項２３】
前記ウエーブガイドが少なくとも２個の回折素子を有する第２回折素子セットを含んでおり、この第２回折素子セットは第１回折素子セットと少なくとも部分的に空間的に重なり合っており、
前記第２回折素子セットの各素子は、前記第２回折素子セットが第２入光ポートと第２出光ポートとの間の第２全セット伝搬関数を集合的に提供するように、対応する回折素子伝搬関数で入射光の場の対応する回折成分を回折し、
前記第２回折素子セットの各素子は、対応する回折素子曲線輪郭により空間的に区画され且つ少なくとも１個の回折セグメントを含んでおり、この回折セグメントは、そこからの入射光の場の一部を回折できるように、変化した光学特性を有しており、
前記第２回折素子セットの少なくとも１個の素子の対応する回折素子伝搬関数は、前記対応する輪郭に関する１未満のフィルファクターと前記対応する輪郭の複数の回折領域の不均一な分布との少なくとも一方により少なくとも部分的に決定され、
前記第１および第２回折素子セットの少なくとも一方の少なくとも１個の素子の上記少なくとも１個の回折セグメントは、複数個の曲線回折セグメントを含む、請求項１７に記載の装置。
【請求項２４】
交差する輪郭の対応する複数の回折セグメントは、当該回折セグメントが実質的に交差しないように、交差する輪郭に沿って配置されている、請求項２３に記載の装置。
【請求項２５】
前記ウエーブガイドは少なくとも３個の光ポートを有している、請求項２３に記載の装置。
【請求項２６】
少なくとも１つの対応する回折素子伝搬関数が、少なくとも１個の回折セグメントの厚さと実効率とにより少なくとも部分的に決定される、請求項２に記載の装置。
【請求項２７】
前記少なくとも１個の回折セグメントの前記厚さと前記実効率との少なくとも１つは、前記対応する輪郭に沿って変化する、請求項２６に記載の装置。
【請求項２８】
前記対応する全セット伝搬関数は、前記対応する回折素子輪郭の相対的位置により少なくとも部分的に決定される、請求項２に記載の装置。
【請求項２９】
少なくとも１つの対応する素子伝搬関数は、前記対応する輪郭の前記少なくとも１個の回折セグメントに沿った前記光学特性の前記空間的プロファイルの変化と、前記対応する輪郭の複数の回折セグメントのうちの前記光学特性の前記空間的プロファイルの変化との少なくとも一方により少なくとも部分的に決定される。請求項２に記載の装置。
【請求項３０】
少なくとも１つの対応する全セット伝搬関数が、前記対応する回折素子セットの前記素子の中の前記回折セグメントの前記光学特性の前記空間的プロファイルの変化により少なくとも部分的に決定される、請求項２に記載の装置。
【請求項３１】
前記光学素子は、内部の３次元において光の場の伝播を可能にし、
前記回折素子輪郭の各々は表面輪郭であり、前記回折領域の各々は回折面積セグメントである、請求項１に記載の装置。
【請求項３２】
前記光学素子は少なくとも２個の光ポートを有している、請求項３１に記載の装置。
【請求項３３】
前記回折素子がホログラフにより提供される、請求項３１に記載の装置。
【請求項３４】
少なくとも１個の対応する回折素子伝搬関数が、前記対応する輪郭に関する前記１未満のフィルファクターと前記対応する輪郭の複数の回折表面積セグメントの不均一な分布との少なくとも一方により少なくとも部分的に決定される、請求項３１に記載の装置。
【請求項３５】
少なくとも１個の対応する輪郭の前記少なくとも１個の回折表面積セグメントは、複数個の回折表面積セグメントを含む、請求項３４に記載の装置。
【請求項３６】
少なくとも１個の対応する表面輪郭の前記回折表面積セグメントは、ほぼ同一面積であり且つ前記対応する表面輪郭上にほぼ均一に配置されている、請求項３５に記載の装置。
【請求項３７】
少なくとも１個の回折素子の前記回折表面積セグメントは、その面積が実質的に不規則に変化し、且つ前記対応する表面輪郭上にほぼ不均一に配置されている、請求項３５に記載の装置。
【請求項３８】
少なくとも１個の対応する表面輪郭の前記回折表面積セグメントは、前記対応する表面輪郭に関する局部的フィルファクターが前記輪郭を横切って変化するように、面積が変化する、請求項３５に記載の装置。
【請求項３９】
前記対応する表面輪郭の前記少なくとも１個の回折表面積セグメントは、前記入光ポートから伝播する光の場の実質的にどの部分も前記回折素子セットのうちの実質的にほぼ同じ数の回折表面積セグメントにぶつかるように、集合的に配置されており、その結果、前記対応する入光ポートと前記対応する出光ポートとの間の対応する全セットの伝搬関数が空間的にほぼ均一になる、請求項３４に記載の装置。
【請求項４０】
前記光学素子が少なくとも２個の回折素子の第２回折素子セットを含んでおり、この第２回折素子セットは前記第１回折素子セットと少なくとも部分的に空間的に重なり合っており、
前記第２回折素子セットの各素子は、前記第２回折素子セットが第２入光ポートと第２出光ポートとの間の第２全セット伝搬関数を集合的に提供するように、対応する回折素子伝搬関数で入射光の場の対応する回折成分を回折し、
前記第２回折素子セットの各素子は、対応する回折素子表面輪郭により空間的に区画され且つ少なくとも１個の回折表面積セグメントを含んでおり、前記回折表面積セグメントは、そこからの入射光の場の一部を回折できるように、変化した光学特性を有しており、
前記第２回折素子セットの少なくとも１個の素子の前記対応する回折素子伝搬関数は、前記対応する輪郭に関する１未満のフィルファクターと前記対応する輪郭の複数の回折表面積セグメントの不均一な分布との少なくとも一方により少なくとも部分的に決定され、
前記第１および第２回折素子セットの少なくとも一方の少なくとも１個の素子の前記少なくとも１個の回折表面積セグメントは、複数個の回折表面積セグメントを含む、請求項３４に記載の装置。
【請求項４１】
交差する表面輪郭の対応する複数の回折表面積セグメントは、当該回折表面積セグメントが実質的に交差しないように、前記交差する表面輪郭上に配置されている、請求項４０に記載の装置。
【請求項４２】
前記光学素子が少なくとも３個の光ポートを有している、請求項４０に記載の装置。
【請求項４３】
少なくとも１つの対応する回折素子伝搬関数が少なくとも１個の回折表面積セグメントの前記厚さと前記実効率とにより少なくとも部分的に決定される、請求項３１に記載の装置。
【請求項４４】
前記少なくとも１個の回折セグメントの前記厚さと前記実効率との少なくとも一方は、前記対応する輪郭を横切って変化する、請求項４３に記載の装置。
【請求項４５】
前記対応する全セット伝搬関数は、前記対応する回折素子輪郭の前記相対的位置により少なくとも部分的に決定される、請求項３１に記載の装置。
【請求項４６】
少なくとも１つの対応する素子伝搬関数が、対応する輪郭を横切る前記少なくとも１個の回折セグメントに沿った前記光学特性の前記空間的プロファイルの変化と、前記対応する輪郭の複数の回折表面積セグメントのうちの前記光学特性の前記空間的プロファイルの変化との少なくとも一方により少なくとも部分的に決定される、請求項３１に記載の装置。
【請求項４７】
少なくとも１つの対応する全セット伝搬関数が、前記対応する回折素子セットの前記素子のうちの前記回折セグメントの前記光学特性の前記空間的プロファイルの変化により少なくとも部分的に決定される、請求項３１に記載の装置。
【請求項４８】
前記光学素子は回折格子であり、
前記回折素子輪郭の各々は曲線輪郭であり、前記回折領域の各々はその曲線回折セグメントである、請求項１に記載の装置。
【請求項４９】
前記回折格子が少なくとも２個の光ポートを有している、請求項４８に記載の装置。
【請求項５０】
前記回折格子が反射格子である、請求項４８に記載の装置。
【請求項５１】
前記回折格子が伝送格子である、請求項４８に記載の装置。
【請求項５２】
前記回折格子がボリューム格子である、請求項４８に記載の装置。
【請求項５３】
前記回折セグメントが前記ボリューム格子の平均屈折率よりも高い屈折率を有するセグメントを含む、請求項５２に記載の装置。
【請求項５４】
前記回折セグメントが前記ボリューム格子の平均屈折率よりも低い屈折率を有するセグメントを含む、請求項５２に記載の装置。
【請求項５５】
前記回折セグメントが、前記ボリューム格子の空間的に選択され且つ光学的に誘導された光学的緻密化により提供される、請求項５２に記載の装置。
【請求項５６】
前記回折セグメントが、前記ボリューム格子の空間的に選択され且つ機械的に誘導された光学的緻密化により提供される、請求項５２に記載の装置。
【請求項５７】
前記回折セグメントが、前記ボリューム格子の空間的に選択されたドーピングにより提供される、請求項５２に記載の装置。
【請求項５８】
前記回折セグメントがホログラフにより提供される、請求項５２に記載の装置。
【請求項５９】
少なくとも１つの対応する回折素子伝搬関数が、前記対応する回折セグメントの前記厚さと前記実効率とにより少なくとも部分的に決定される、請求項５２に記載の装置。
【請求項６０】
前記回折格子が表面格子である、請求項４８に記載の装置。
【請求項６１】
少なくとも１つの対応する回折素子伝搬関数が、前記対応回折セグメントの溝の深さにより少なくとも部分的に決定される、請求項６０に記載の装置。
【請求項６２】
少なくとも１つの対応する回折素子伝搬関数が、前記対応する回折セグメントの溝の形状により少なくとも部分的に決定される、請求項６０に記載の装置。
【請求項６３】
前記回折セグメントがホログラフにより提供される、請求項６０に記載の装置。
【請求項６４】
前記回折セグメントがリソグラフにより提供される、請求項６０に記載の装置。
【請求項６５】
前記回折セグメントが、前記表面格子に線を引くことにより提供される、請求項６０に記載の装置。
【請求項６６】
少なくとも１個の対応する回折素子伝搬関数が、前記対応する輪郭に関する前記１未満のフィルファクターと前記対応する輪郭の複数の回折セグメントの不均一な分布との少なくとも一方により少なくとも部分的に決定される、請求項４８に記載の装置。
【請求項６７】
少なくとも１個の対応する輪郭の前記少なくとも１個の回折セグメントが、複数個の曲線回折セグメントを含む、請求項６６に記載の装置。
【請求項６８】
少なくとも１個の対応する輪郭の前記曲線回折セグメントが、実質的に同一長さを有しており且つ前記対応する輪郭に沿って実質的に等間隔に配置されている、請求項６７に記載の装置。
【請求項６９】
少なくとも１個の対応する輪郭の前記曲線回折セグメントが、実質的に不規則に変化する長さを有しており且つ前記対応する輪郭に沿って実質的に不規則な間隔で配置されている、請求項６７に記載の装置。
【請求項７０】
少なくとも１個の対応する輪郭の前記曲線回折セグメントが、充填された前記対応する輪郭に関する局部的フィルファクターが輪郭の長さに沿って変化するように、変化する長さを有している、請求項６７に記載の装置。
【請求項７１】
前記対応する輪郭の少なくとも１個の回折セグメントが、前記入光ポートから伝播する光の場の実質的にどの部分も前記回折素子セットのうちの実質的にほぼ同じ数の回折セグメントにぶつかるように、集合的に配置されており、その結果、前記対応する入光ポートと前記対応する出光ポートとの間の対応する全セット伝搬関数が空間的にほぼ均一になる、請求項６６に記載の装置。
【請求項７２】
前記回折格子が少なくとも２個の回折素子の第２回折素子セットを含んでおり、この第２回折素子セットは第１回折素子セットと少なくとも部分的に空間的に重なり合っており、
前記第２回折素子セットの各素子は、前記第２回折素子セットが第２入光ポートと第２出光ポートとの間の第２全セット伝搬関数を集合的に提供するように、対応する回折素子伝搬関数で入射光の場の対応する回折成分を回折し、
前記第２回折素子セットの各素子は、対応する回折素子曲線輪郭により空間的に区画され且つ少なくとも１個の回折セグメントを含んでおり、当該回折セグメントは、そこからの入射光の場の一部を回折できるように、変化した光学特性を有しており、
前記第２回折素子セットの少なくとも１個の素子の前記対応する回折素子伝搬関数は、前記対応する輪郭に関する１未満のフィルファクターと前記対応する輪郭の複数の回折セグメントの不均一な分布との少なくとも一方により少なくとも部分的に決定され、
前記第１および第２回折素子セットの少なくとも一方の前記少なくとも１個の回折セグメントは、複数個の曲線回折セグメントを含む、請求項６６に記載の装置。
【請求項７３】
交差する輪郭の対応する複数の回折セグメントは、当該回折セグメントが実質的に交差しないように、前記交差する輪郭に沿って配置されている、請求項７２に記載の装置。
【請求項７４】
前記回折格子が少なくとも３個の光ポートを有している、請求項７２に記載の装置。
【請求項７５】
前記対応する全セット伝搬関数が、前記対応する回折素子輪郭の前記相対的位置により少なくとも部分的に決定される、請求項４８に記載の装置。
【請求項７６】
少なくとも１つの対応する素子伝搬関数が、前記対応する輪郭の前記少なくとも１個の回折セグメントに沿った前記光学特性の前記空間的プロファイルの変化と、前記対応する輪郭の複数の回折セグメントのうちの前記光学特性の前記空間的プロファイルの変化との少なくとも一方により少なくとも部分的に決定される、請求項４８に記載の装置。
【請求項７７】
少なくとも１つの対応する全セット伝搬関数は、前記対応する回折素子セットの前記素子のうちの前記回折セグメントの前記光学特性の前記空間的プロファイルの変化により少なくとも部分的に決定される、請求項４８に記載の装置。
【請求項７８】
複数個の回折素子を有するウエーブガイドを含み、このウエーブガイドはその内部に伝播する光の場を少なくとも１つの横方向ディメンションに実質的に閉じ込め、
前記回折素子が入光ポートと出光ポートとの間の全伝搬関数を集合的に提供するように、各回折素子は、入力光の場の対応する回折成分を対応する回折素子伝搬関数で回折し、
各回折素子は、対応する曲線回折素子輪郭により空間的に区画されており且つ少なくとも１個の回折セグメントを含み、そこからの入力光の場の一部を回折できるように、前記回折セグメントは変更された光学特質を有しており、
i）前記全伝搬関数と、ii）少なくとも１個の対応する回折素子伝搬関数とのうちの少なくとも一方が、a）前記対応する輪郭に関する１未満のフィルファクターと、b）前記対応する輪郭の複数の回折領域の不均一な分布と、c）前記対応する輪郭の前記少なくとも１個の回折領域に沿った前記光学特性の空間プロファイルの変化と、d）前記対応する輪郭の複数の回折領域のうちの前記光学特性の前記空間プロファイルの変化と、e）前記回折素子のうちの少なくとも１個の回折領域の前記光学特性の前記空間プロファイルの変化、のうちの少なくとも１つにより少なくとも部分的に決定される、光学装置。
【請求項７９】
少なくとも１つの対応する回折素子伝搬関数が、前記対応する輪郭に関する前記１未満のフィルファクターと前記対応する輪郭の複数の回折セグメントの不均一な分布との少なくとも一方により少なくとも部分的に決定される、請求項７８に記載の装置。
【請求項８０】
少なくとも１個の対応する輪郭の前記少なくとも１個の回折セグメントが、複数個の曲線回折セグメントを含む、請求項７９に記載の装置。
【請求項８１】
前記対応する輪郭の前記少なくとも１個の回折セグメントは、前記入光ポートから伝播する光の場の実質的にどの部分も前記回折素子の実質的にほぼ同じ数の回折素子にぶつかるように、集合的に配置されており、その結果、前記入光ポートと前記出光ポートとの間の全伝搬関数が空間的にほぼ均一になる、請求項７９に記載の装置。
【請求項８２】
少なくとも１つの対応する回折素子伝搬関数が、前記少なくとも１個の回折セグメントの前記厚さと前記実効率とにより少なくとも部分的に決定される、請求項７８に記載の装置。
【請求項８３】
前記全伝搬関数は、前記対応する回折素子輪郭の前記相対的位置により少なくとも部分的に決定される、請求項７８に記載の装置。
【請求項８４】
少なくとも１つの対応する素子伝搬関数は、前記対応する輪郭の前記少なくとも１個の回折セグメントに沿った前記光学特性の前記空間的プロファイルの変化と、前記対応する輪郭の複数の回折セグメントのうちの前記光学特性の前記空間的プロファイルの変化との少なくとも一方により少なくとも部分的に決定される、請求項７８に記載の装置。
【請求項８５】
前記全伝搬関数が、前記回折素子のうちの前記回折セグメントの前記光学特性の前記空間的プロファイルの変化により少なくとも部分的に決定される、請求項７８に記載の装置。
【請求項８６】
第１および第２回折素子セットを有するウエーブガイドを含み、このウエーブガイドはその内部に伝播する光の場を少なくとも１つの横方向ディメンションに実質的に閉じ込め、
前記第１および第２回折素子セットは、少なくとも部分的に空間的に重なり合っており、
前記第１および第２回折素子セットの各々が、複数の回折素子を含み、
各回折素子は、前記第１および第２回折素子セットが、対応する第１および第２入光ポートと対応する第１および第２出光ポートとの間の対応する第１および第２全伝搬関数を集合的に提供するように、対応する回折素子伝搬関数で、入射光の場の対応する回折成分を回折し、
各回折素子は、対応する曲線回折素子輪郭により空間的に区画されており且つ少なくとも１個の回折セグメントを含み、そこからの入力光の場の一部を回折できるように、前記回折セグメントが変更された光学特質を有しており、
i）前記第１全セット伝搬関数と、ii）前記第２全セット伝搬関数とiii）少なくとも１個の対応する回折素子伝搬関数とのうちの少なくとも１つが、a）前記対応する輪郭に関する１未満のフィルファクターと、b）前記対応する輪郭の複数の回折領域の不均一な分布と、c）前記対応する輪郭の前記少なくとも１個の回折領域に沿った前記光学特性の空間プロファイルの変化と、d）前記対応する輪郭の複数の回折素子のうちの前記光学特性の空間プロファイルの変化と、e）前記第１および第２回折素子セットのうちの少なくとも一方の前記回折素子のうちの前記少なくとも１個の回折領域の前記光学特性の前記空間プロファイルの変化、のうちの少なくとも１つにより少なくとも部分的に決定される、光学装置。
【請求項８７】
少なくとも１つの対応する回折素子伝搬関数が、前記対応する輪郭に関する前記１未満のフィルファクターと前記対応する輪郭の複数の回折セグメントの前記不均一な分布との少なくとも一方により少なくとも部分的に決定される、請求項８６に記載の装置。
【請求項８８】
前記第１および第２回折素子セットの少なくとも一方の少なくとも１個の素子の前記少なくとも１個の回折セグメントが、複数個の曲線回折セグメントを含む、請求項８７に記載の装置。
【請求項８９】
前記第１および第２回折素子セットの少なくとも一方の少なくとも１個の素子の前記少なくとも１個の回折セグメントが、複数個の曲線回折セグメントを含み、
前記回折セグメントが実質的に交差しないように、交差する輪郭の対応する複数の回折セグメントが、前記交差する輪郭に沿って配置されている、請求項８７に記載の装置。
【請求項９０】
少なくとも１つの対応する回折素子伝搬関数が、前記少なくとも１個の回折セグメントの前記厚さと前記屈折率とにより少なくとも部分的に決定される、請求項８６に記載の装置。
【請求項９１】
少なくとも１つの対応する全セット伝搬関数が、前記対応する回折素子輪郭の前記相対的位置により少なくとも部分的に決定される、請求項８６に記載の装置。
【請求項９２】
少なくとも１つの対応する素子伝搬関数が、前記対応する輪郭の前記少なくとも１個の回折セグメントに沿った前記光学特性の前記空間的プロファイルの変化と、前記対応する輪郭の複数の回折セグメントのうちの前記光学特性の前記空間的プロファイルの変化との少なくとも一方により少なくとも部分的に決定される。請求項８６に記載の装置。
【請求項９３】
少なくとも１つの対応する全セット伝搬関数が、前記対応する回折素子セットの前記素子のうちの前記回折セグメントの前記光学特性の前記空間的プロファイルの変化により少なくとも部分的に決定される。請求項８６に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、分散光学装置に関する。特に、分散光学構造において個別素子の振幅および位相の制御を行う装置および方法がここに説明されている。
【背景技術】
【０００２】
本出願は、「リソグラフで描かれた平面ホログラフ装置における実効グレースケール」（事件整理番号５４５５Ｐ００７Ｚ）のタイトルで出願人 Thomas W. Mossberg により２００１年８月２７日に出願された、先願の同時係属仮出願番号６０／ ３１５,３０２の利益を主張している。本出願は、「振幅および位相制御回折素子」のタイトルで出願人 Thomas W. Mossberg およびChristoph M. Greiner により２００２年４月４日に出願された、先願の同時係属仮出願番号６０／ ３７０，１８２の利益を主張する。
【０００３】
一次元、二次元または三次元の幾何学における分散光学構造は、強力な光学的機能性をもたらし、且つ全く新しい種類の装置を光通信、スペクトル感知、光学波形コーディング、光学波形プロセシング、および光学波形認識を含む種々の分野において、まったく新しいファミリーの装置を使用できるようにした。分散光学構造の設計においては、分散構造全体の内部の個別回折素子によって回折された磁界の振幅および位相を制御する手段を設けることが重要である。本発明は、回折振幅および位相をフレキシブルに制御できる回折素子の製造へのアプローチに関する。
【０００４】
分散光学装置は、典型的には、多数の個別回折素子を含む。各個別回折素子は、分散構造に入射した光全体の小部分だけを散乱（および／または反射および／または回折）させ得る。なぜならば、個別回折素子は、相互作用領域における入射光の場の有効立体角の小部分のみに対応するからであり、そして／または個別回折素子は、小さい反射、回折または散乱係数を有するからであろう。二次元または三次元の分散光学装置は、入力ビームの空間特性およびスペクトル特性を所望の形に変換できるため、ボリュームホログラムとしても説明し得る。
【０００５】
個別回折素子により分散された場の部分の振幅および／または位相を制御することは、多くの理由から重要である。たとえば、分散光学装置は、広範囲の変換機能を支持する一般的なスペクトルフィルタとして作用し得る。弱反射近似において、構造のスペクトル変換機能は、個別回折素子により散乱された場の振幅および位相によって決定される構造の複素数散乱係数の空間フーリエ変換にほぼ比例する（下記非特許文献１および上記仮出願参照）。一般的スペクトル変換機能を得るために、各構成回折要素の振幅および位相を制御することが有用である。本発明の応用によってそのような制御を行える。また、複数の分散構造が同一空間領域に重ねられたとき、重ねられた回折素子の回折強度は各回折素子強度の合計であることを単に確かめることにより、システムの線形性は維持できる。回折素子がリソグラフにより描かれると、重ねられた構造は、典型的には応答して合計にはならない。
【非特許文献１】
T.W. Mossberg, Optics Letters 26,414 (2001)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明のアプローチにより、各素子の他素子の変換機能に対する影響を無視しうるように、（リソグラフおよび／または他の適当な手段により形成され）重ねられた回折素子を変形する手段を提供できる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明による光学装置は、少なくとも２個の回折素子を有する少なくとも１組の光学素子を含む。各回折素子は、対応する回折素子変換機能により入射光の場の対応する回折成分を回折する。集合的に、回折素子は、入光ポートと出光ポート（それらは構造的および／または機能的に定義できる）との間の全体的変換機能を提供する。各回折素子は、対応する回折素子の輪郭によって空間的に限定され、入射光の場の一部分を回折、反射／または散乱させるように何らかの方法で変形された、少なくとも１個の対応する輪郭の回折領域を含む。輪郭の変形は、典型的には、回折領域の何らかの光学特性と光学素子の対応する平均的光学特性（有効率、ボリューム率、表面プロファイル等）との間の差を含む。i）全変換機能とii）少なくとも１個の対応する回折素子変換機能とのうちの少なくとも１つが、ａ）対応輪郭についての１よりも小さいフィルファクター、ｂ）対応輪郭の複数の回折領域の均一でない分布、ｃ）対応する輪郭の少なくとも１つの回折領域に沿った光学特性の空間プロファイルの変化、ｄ）対応する輪郭の複数の回折領域の間の光学特性の空間プロファイルの変化、ｅ）回折素子セット内の素子間の少なくとも１個の回折領域の光学特性の空間プロファイルの変化、のうちの少なくとも１つによって部分的に決定される。
【０００８】
光学素子は、光の場の伝播が少なくとも１つの横方向のディメンションにより実質的に限定された平面またはチャンネル型ウエーブガイドであってよい。ウエーブガイドにおいて、回折セグメントはウエーブガイドに関する光学特性が幾分変化した曲線セグメントである。光学素子は、内部で光の場を三次元的に伝播することができてもよく、回折セグメントは光学素子のボリューム内における表面輪郭の表面積セグメントであってよい。光学素子は回折格子であってよく、回折セグメントは、格子上に形成された格子ライン溝の輪郭のセグメントであってよい。これらの種々の分散光学装置は１個またはそれ以上のポートを有していてもよく、１個以上のポート間に１つ以上の空間／スペクトル変換機能（関数）を有してもよい。
【０００９】
本発明の種々の目的および利点は、添付図面に示されており下記の詳細な説明および／または特許請求の範囲に記載の好ましい個別実施形態により明らかになるであろう。
図面において、図示された実施形態の多くは単なる概略図であり、すべての特徴が正確な割合でまたは詳細にまで描かれてはいないということに留意すべきである。分かりやすくするために、ある特徴は他の部分よりも誇張して描かれている。また、図の実施形態は単なる例であり、下記の詳細な説明および特許請求の範囲を限定するものではないことにも留意すべきである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
定義
回折素子：標準的表面型回折格子における単一ラインまたは溝の一般的呼称。一般的に回折素子は、同素子の１個またはそれ以上の回折領域を含み、前記回折領域は、そこから入射光の場の一部を回折（および／または反射および／または散乱）できるように変えられた１つまたはそれ以上の光学特性を有する。そのような光学特性の変更は、光学素子もしくはウエーブガイド媒体の内部、上および／もしくは付近の屈折率の変更、ならびに／または入射光を能動的に回折、反射もしくは散乱する光学素子もしくはウエーブガイドの内部、表面もしくは付近での１つもしくはそれ以上の変更された光学特性を含む。ウエーブガイド媒体は、光学素子またはウエーブガイド構造（コアおよび／またはクラッド）の１つまたはそれ以上の表面にエッチングされたトレンチまたは溝；光学素子またはウエーブガイド構造（コアおよび／またはクラッド）の１つまたはそれ以上の表面から延びるリブ；光学素子またはウエーブガイド構造（コアおよび／またはクラッド）の内部、上および／または付近の金属の、誘電体の、多層の、および／または他のコーティング素子である。一次元または二次元のウエーブガイドに基づく回折構造において、回折素子は、入射光の場の一部を回折、反射および／または散乱できるように一般化された曲線を含んでよい。三次元回折構造において、回折素子は、入射光の場の一部を回折、反射および／または散乱できるように変更された１つまたはそれ以上の光学特性を含んでよい。回折格子型回折構造において、回折素子は、入射光の場の一部を回折、反射および／または散乱できるように変更された１つまたはそれ以上の光学特性を有する格子ラインおよび／または溝を含んでよい。
【００１１】
分散光学構造：空間領域を占める２個またはそれ以上の回折素子の集合であり、集合的に入射光の場の少なくとも一部を回折、反射および／または散乱するように構成されており、それによって、個別構成回折素子の構造および構成回折素子の互いの詳細な配置関係に応じて入射光の場とは異なるスペクトル及び空間特性を有する出射光の場を形成するもの。
【００１２】
場の振幅：分散光学構造と相互作用する振動場のピーク値。相互作用する場は、入射光の場と出射光の場とを含んでよい。場の振幅は、波長、位置および／または伝播方向の関数であってよい。
場の位相：参照振動場と比較した相互作用する振動場の振動位相の差を、波長、位置および／または伝播方向の関数として表したもの。
【００１３】
回折素子伝搬関数：単一回折素子から回折、反射および／または散乱された光の場の振幅および位相の、前記回折素子に入射した光の場の位相および振幅に対する波長、位置および／または伝播方向の関数。
集合的伝搬関数：または、分散光伝搬関数、全体伝搬関数、全体設定伝搬関数、回折素子設定伝搬関数、装置伝搬関数、ポートからポートへの伝搬関数等。分散光学構造（１個またはそれ以上の構成回折素子を含む）から回折、反射および／または散乱された光の場の振幅および位相の、前記分散光学構造に入射した光の場の位相および振幅に対する波長、位置および／または伝播方向の関数。（多重回折が無視できるほど）各素子による弱い回折の限界内で、このような集合的伝搬関数は、典型的には、構成回折素子の回折素子伝搬関数のコヒーレントな重ね合わせである。各素子による回折が（多重回折が無視できないほど）十分に強い場合には、種々の素子伝搬関数と集合的伝搬関数との関係は、いっそう複雑になる。
【００１４】
平面ウエーブガイド：または、二次元ウエーブガイド。二次元において比較的大きく、第三の次元において比較的薄いなんらかの伝搬構造で、その境界反射特性が、前記伝搬構造の延伸方向にほぼ平行に伝播する光の場を実質的に閉じ込める（すなわち実質的に一方の横方向に閉じ込める）伝搬構造。平面ウエーブガイドは、薄い方の方向が実質的に固定された空間方向に対応するか、または位置に依存する空間方向に対応するかによって、それぞれ平坦または湾曲形状であってもよい。
【００１５】
チャンネルウエーブガイド：または一次元ウエーブガイド。一次元において比較的大きく残りの二次元において比較的薄いなんらかの伝搬構造で、その境界反射特性が、前記伝搬構造の単一の延伸方向にほぼ平行に伝播する光の場を実質的に閉じ込める（すなわち実質的に２つの横方向に閉じ込める）伝搬構造。チャンネルウエーブガイドは、薄い方の方向が実質的に固定された空間方向に対応するか、または位置に依存する空間方向に対応するかによって、それぞれ真っ直ぐまたは湾曲形状であってもよい。
【００１６】
フィルファクター：１つまたはそれ以上の回折領域を形成するようにある方法でマークされ、スクライブされまたは変更された所定の線、曲線、表面および／または他の輪郭の小部分を表す０から１の間の数。曲線輪郭の場合、フィルファクターは、輪郭のすべての変更された（すなわち回折する）セグメントの長さの和を全輪郭長さで割ることにより決定できる。表面輪郭の場合、フィルファクターは、輪郭のすべての変更された（すなわち回折する）表面積セグメントの和を全輪郭表面積で割ることにより決定できる。
【００１７】
充填分布：回折領域を形成するために輪郭上の一定の点が変更されたか否かを示す、輪郭上の点の関数。輪郭の全領域を積分すると、重点分布は、フィルファクター(上記参照)を生じる。輪郭の１領域を積分すると、充填分布は、その領域に対する「部分フィルファクター」と解釈され得る。
光ポート：構造的および／または機能的に定義された空間領域であって、これを通して光の場が光学装置を出入りするものであり位置および／または伝播方向により特徴づけられる。たとえば、回折格子に関する入射および回折角度は、伝播方向によって定義される機能定義光ポートの例であり、一方、チャンネルウエーブガイドの端面は位置によって決定される構造定義光ポートの例である。一定の光学装置は一個またはそれ以上のポートを有していてもよく、また一定のポートは入光ポート、出光ポートまたは出入光ポートとして機能してもよい。
回折素子幾何学の例
図１に示した実質的に平坦な平面ウエーブガイド構造の例を考察する。平面ウエーブガイドの１境界（上部または下部）を含む平面が、ｘｙ座標軸のグラフに示されている。ウエーブガイド構造はｘｙ面のある領域を占めており且つ厚さΔｚを有しており、この厚さΔｚは回折素子による厚さの変化を除いてほぼ一定である。厚さΔｚは、典型的には装置の媒体内設計波長の４〜８倍であるが、それよりも小さくてもよく（それにもかかわらず伝播ウエーブガイドフィールドモードが平面ウエーブガイドに支持されている場合）、またそれよりも大きくてもよい（形態上の分散が関連分散光学構造のスペクトル応答を明らかに広げない場合）。典型的なテレコミュニケーション波長（λair〜１．５μｍ）において、ウエーブガイド媒体がシリカであれば平面ウエーブガイドの厚さは約６μｍである。図１の実施形態において、光は光ポート１０１から（チャンネルウエーブガイド、縁部に設けられたファイバ、表面格子カップラ、フリースペース伝播または他のなんらかの適当な光入力手段を介して）平面ウエーブガイドに入り、平面ウエーブガイド内で伝播し（この例では領域１１０に広がり）、分散光学構造１２３にぶつかり、そして回折素子１０３から回折する。領域１１２の回折光が光ポート１０２を通って伝送するのに適した光の場の振幅および位相を有するように、回折素子１０３の位置および構造が選択されている。領域１１２における回折光が、光ポート１０２を通って伝送し、それを通って光が装置から出て伝搬する（フリースペース伝搬、またはチャンネルウエーブガイド、バット(butt)が結合されたファイバ、表面回折格子、もしくは他の適当な光カップリング装置によって）のに適した光の場の振幅および位相を有するように、回折素子１０３の位置および構造が選択されている。好ましくは、入力信号の光の場の振幅および／または位相を集合的に変換して出光ポート１０２を通って伝搬するのに最適になるように、ｘｙ平面における個別回折素子１０３の輪郭が選択されている。回折素子は、集合的に考えると、分散光学構造１２３の集合的な伝搬関数を介して強力な場の振幅および／または位相マッピングおよび／またはスペクトルフィルタ能力を有するホログラムを含む。回折素子１０３はこの例において共通の中心１０５を有する単純な円弧として示されており、共通の中心１０５は光ポート１０１および１０２のほぼ中間に存在する。円弧は、出光ポート上に入力光の場の振幅および／または位相の最適なマッピングを必ずしも与える必要はない。さらに一般的には、回折素子１０３は単純な円錐部よりも複雑な輪郭を有してもよい。
個別回折素子のうちの２個を含む平面ウエーブガイド構造の例の拡大断面図が図２に示されている。図２の断面は、ｚ方向に平行であり、図１の点１０５を含んでいる。図１において、回折素子の実際の構造は明らかにされておらず、単なる線１０３で示されている。図２の例の場合、回折素子は平面ウエーブガイドコア２００の１表面にエッチングされるかまたは他の方法で描かれた（スクライブされた）トレンチを含む。典型的には、しかし必ずしも必要ではないが、ウエーブガイドコア２００の上方および下方の領域は、コア２００の屈折率よりも小さい屈折率を有する透明な誘電体材料の上部クラッド層２０３および下部クラッド層２０５で充填されている。分散光学構造に入射した入力光の場は、まずコア２００にその分布が制限される。または、回折素子は次のものを含んでもよい：コアおよび／もしくはクラッド層で変化するバルク屈折率；リソグラフまたは他の手段による形成時に平面ウエーブガイドの内部に生じる屈折率の変化、変調および／もしくは不連続；きわめて短いリブの限界内に金属および／もしくは 誘電体コーティング部材を含む、ウエーブガイド面から延伸するリブ状構造；ならびに／または入力光の場の一部を回折、反射および／もしくは散乱させるなんらかの構造素子。
【００１８】
回折素子トレンチ２１０は、平面ウエーブガイドコア２００において幅ｗと深さｄとを有する。種々の回折素子の深さ（および／またはトレンチの形）を独立して変更できることは有用である。なぜならば、それによって、個別回折素子の相対回折振幅を独立して制御できるからである。しかしながら、１個の分散光学構造内での深さ／形状制御は、製造上の重大な問題を生じる。同様に突出リブの高さ／形状または率変調の大きさ／プロファイルもまた個別回折素子の回折振幅制御を可能にするが、同様に製造上の重大な問題を生じる。
【００１９】
本発明は、個別回折素子の回折散乱振幅を制御する装置および方法を含むとともに製造上の困難を緩和する。好ましい技術は、ここでは部分充填グレースケールと称する。別の好ましい技術は、ここでは幅に基づくグレースケールと称する。これらの技術のいくつかの局面は、上記のMossbergによる仮特許出願番号６０／３１５，３０２とMossbergとGreinerとによる仮特許出願番号６０／３７０，１８２に開示されている。トレンチ状または溝状回折素子の部分的形成への言及は、突出した、リブ状の、率を変調したタイプ、および／または他のタイプの回折素子の部分的製造、変更および／または刻印にも同様に適用できることに留意すべきである。
部分充填グレースケール
図１の分散光学構造により特定の位置で発生された即時出力信号は、各回折素子の長さに沿う各点から散乱された光からの影響を含む。特定の回折素子による特定の時間および位置における出力信号への正味影響は、輪郭に沿った各点における回折素子の大きさと伝播時間だけ早く回折素子点に入射した入力光の場の振幅との積の空間積分であると見なしてよい。前記積分の計算において、光学的位相を考慮しなければならない。たとえば図１の出力ポート１０２に関するように、回折素子輪郭のすべての点が実質的に同じ位相に影響する場合に、回折素子の積分特性の出力光の場に対する影響は、１つまたはそれ以上の回折領域を形成するために実際にスクライブされ、率変調され、形成され、または他の方法で変更された名目的連続輪郭の部分の制御を介して、個別回折素子からの振幅制御を可能にする。回折素子輪郭に沿った種々の点が、位置に依存する位相に影響する場合、回折素子の正味振幅は、１つまたはそれ以上の回折領域を形成するように回折素子輪郭の部分だけを選択的に変更することにより制御できる。しかしながらそのような場合、振幅と（変更の）フィルファクターとの関係はさらに複雑になり、各輪郭点からの影響の破壊的または建設的特性について詳細に考慮すべきである。
【００２０】
図３は、全体輪郭がほぼ一定の位相を有する出力信号に影響する場合に、部分輪郭スクライブによる回折素子の大きさの制御の例を示す。図３において、類似の輪郭を有するが３つの異なるフィルファクターおよび／または分布を有する３個の異なる回折素子が示されている。回折素子３０１において、回折素子輪郭の１００％が（連続実線により示されているように）たとえばトレンチの形成により変更されている。輪郭３０３においては、回折素子輪郭の部分がスクライブされていない（破線で示されている）。回折素子３０１の正味振幅に比較した回折素子３０３の正味振幅は、出力信号に対するそれらの影響を積分したものの比で与えられる。入力信号の空間的差異を無視すると、回折素子３０１と３０３との相対的回折振幅は、それらのフィルファクターに比例する（すなわち１つまたはそれ以上の回折領域を形成するために変更された輪郭の部分に比例する）。素子の回折振幅の正確な比は、入力場の空間的差異に影響され且つ回折素子の大きさと各回折素子輪郭に沿った局部的入力場の振幅との積の積分比により与えられる。回折素子が多数の回折領域に細かく分割されて入力場の振幅が連続輪郭領域にわたって比較的一定である場合には、相対的回折素子の大きさはそれぞれの回折素子のフィルファクターにより簡単にリーズナブルに近似される。
【００２１】
しかし、回折素子３０５は異なる充填分布およびフィルファクターを有する。１つまたはそれ以上の回折領域を形成するためにスクライブされるかまたはトレンチ、リブもしくは他の散乱メカニズムで書かれた一定の回折素子輪郭の部分を制御することにより、回折素子の実効振幅を連続的に制御することができる。回折素子輪郭の部分的スクライブによって、回折素子の高さ／深さ、断面、形状または構造を変えることなく実効振幅制御を実施できる。エッチングしたトレンチまたはリブを回折素子として利用するならば、部分的回折素子輪郭充填により、エッチング深さまたは幅の制御を必要とせずに回折素子の大きさの制御を行う手段を提供でき、それによって製造を簡単にできる。一定断面のトレンチまたはリブは、回折素子輪郭に沿って２元的に書いたり書かなかったりすることが可能であり、それは標準的なリソグラフ技術により達成できる。単一平面ウエーブガイド上でのエッチング深さを様々なレベルに制御して回折素子の大きさを制御することは、リソグラフでは難しい。部分充填グレースケールは、分散光学構造内でのエッチング深さの変化を必要としない回折素子の大きさ制御の問題を解決する。しかしながら、エッチング深さの変化制御は、部分充填グレースケールと結びついて使用することもできる。正味回折素子の大きさの制御において使用される充填パターンは、所望しない出力区域における構造的干渉を避けるためにランダムネスを含む。充填パターンが規則的であれば、格子型効果が所望しない出力信号オーダを引き起こす場合が生じる。しかしながら、規則的な充填パターンからのそのような追加出力信号オーダは、装置に追加機能を加えるために使用することができる。
【００２２】
本発明による部分充填グレースケール装置および方法は、出力信号を曲線輪郭または面状の延設源から引き出すなんらかの回折装置または構造において使用できる。１つまたはそれ以上の回折領域を形成するための散乱、反射または回折メカニズムを用いての輪郭または面の部分的ポピュレイション（すなわち部分充填）によって、他の輪郭または面と比べた前者の輪郭または面からの相対的出力振幅を簡単に制御することができる。部分充填グレースケールは、２元的なスクライブおよび非スクライブと同様に回折素子の大きさを円滑に変化させながら実施できる。
【００２３】
図４は、２ポート平面ウエーブガイドを含む本発明の実施形態を示す。この例において、部分充填グレースケールは、平面ウエーブガイド２ポートフィルタ装置における種々の実効振幅を有する回折素子を形成するのに用いられる。図４は２ポート平面ウエーブガイド装置の平面図であり、場は図のほぼ平面内で伝搬している。光は（この例では入力チャンネルウエーブガイドから）入力ポート４０１を介して装置内に入り、分散光学構造４３４にぶつかる前に平面ウエーブガイドの領域４２８内に広がる。分散光学構造４３４は、２個またはそれ以上の回折素子、典型的には多数の回折素子を含む（２個の素子から１０6個の素子の範囲が可能であり、典型的な装置においては１０3〜１０4個のオーダの素子が使用される）。個別の回折素子は非常に小さいため、分散光学構造の全体視においては見ることができず、反射場の２分の１波長の整数倍のセパレーション（separation）を有する（平面ウエーブガイド媒体内の波長）。回折素子は集合的に出力信号を生成し、この出力信号は平面ウエーブガイドの領域４３１を通って収束し出力ポート４０４を介して装置から出る（この例においては出力チャンネルウエーブガイド内へ）。分散光学構造内の回折素子輪郭の空間パターンは、出力ポート４０４に空間的に適合した出力信号を生成することができるような形状である。拡大図４０７は、分散光学構造内の個別回折素子を示している。入力信号が真空波長１．５４ミクロンの光放射であるこの実施形態において、回折素子は、標準的なリソグラフ技術を用いて平面ウエーブガイドコアの１表面にエッチングされた幅０．２５ミクロン、深さ０．４ミクロンのトレンチからなる。この実施形態の平面ウエーブガイドは、シリカをベースとしたコア層とクラッド層とを含んでよいが、また、ポリマ、シリコン、III―V半導体、他の半導体または使用される入力場を伝搬できる他のなんらかの適切な媒体からなってもよい。
【００２４】
個別回折素子輪郭は好ましくは入射光の場の一部分を出力ポートに適切に向けられるような形状を有する。個別輪郭の相対的回折振幅を制御するために、回折素子輪郭の各々の異なる部分および分散部分は、トレンチにスクライブされて一つまたはそれ以上の回折領域を形成する。輪郭４１０は、最大（１）相対振幅を有する回折素子に対応し、したがってその全長にわたってトレンチがスクライブされている。輪郭４１３、４１６、４１９および４２２は全て、約０．５の相対的振幅を有する回折素子に対応する。各場合において、輪郭長さの５０％がトレンチにスクライブされている。個別のスクライブされたセグメント（すなわち回折領域）は、広い範囲で変更でき、下限は主としてリソグラフの解像度によって決定され、上限は主として入力場の幅によって決定される。しかしながら、個別輪郭の振幅が入力場の空間分散に依存することは、所望のグレースケール解像度レベル数に匹敵するかまたはそれよりも多数の入力ビームの横方向にわたるスクライブされたセグメントの数（たとえば、５０レベルのグレースケールを達成するには少なくとも５０個のスクライブされたセグメント）を用いることにより回避できる。
【００２５】
本発明に適用できる別の局面は、回折素子４１３、４１６、４１９、４２２および４２５をさらに詳細に考慮することにより明確になる。回折素子４１３および４１６はほぼ同一の規則的なパターンでスクライブされており、ほぼ同一長さのスクライブされたセグメントとスクライブされていない輪郭セグメントとを有する（その結果、フィルファクターが約０．５になる）ことが理解される。回折素子４１６のスクライブされたセグメント（すなわち回折領域）は、回折素子４１３のスクライブされたセグメントから横に変位していることがさらに理解される。回折素子４１３と４１６とを共に考慮した場合、それらのスクライブされたセグメントを結合すると、入力場を横断してほぼ均一に伸びている。回折素子輪郭の適切に横にずらした部分を含むことにより、入力場の空間分散部分の一定部分は、分散光学構造４３４内に伝搬するにつれてほぼ同一数のスクライブされた（または回折、反射および／または散乱する）輪郭セグメントを「見る」ことが、本発明の実施により典型的に確実になる。部分充填グレースケールのこのような使用によって、分散光学構造を含む回折素子セットのスクライブされた部分は、確実に、入力場の横断空間分散部分にほぼ均一に伸びる。スクライブされた輪郭セグメントのそのような配置は、スクライブされた回折素子セグメントと相互に作用することなく分散光学構造を介して伝搬する入力場分散の部分を減じることにより、挿入ロスを実質的に減じることができる。スクライブされた部分のこのような配置は、スクライブされた部分間の空隙サイズが小さくなるにつれて重要性が減少する。スクライブされた部分間の空隙が小さい場合、回折は入力場を回折素子のスクライブされた部分の背後の陰領域に結びつけ始める。
【００２６】
回折素子４１９もまた約０．５のフィルファクターを有する（すなわち回折素子輪郭の約５０％上にトレンチがスクライブされており、回折素子４１３および４１６と同様に、ほぼ同じ長さのスペースとトレンチとを有する）。しかしながら、回折素子４１９のスクライブされたセグメントおよびスクライブされていないセグメントは、素子４１３および４１６の場合とは異なる長さである（すなわち素子４１９は異なる同期性の充填パターンを有する）。異なる同期性を有するトレンチ充填パターンのそのような混合は、望まない出力方向へのコヒーレント散乱光を減少させる手段として有利である。逆に、同一の同期性で回折素子が整列して並んでいると、コヒーレント散乱による出力ポートを介しての多数の出力信号の発生に用いることができる。回折素子４２２は、望まない出力方向へのコヒーレント散乱光を減少させる別の手段を示している。回折素子４２２を含むトレンチは、長さおよび分離（セパレーション）が不規則であるが、全体としてフィルファクターを約０．５に維持している。不規則な充填パターンは、望まない出力方向へのコヒーレントな散乱を最小にする。最後の例として、回折素子４２５は約０．２のフィルファクターと不規則な充填パターンとを有している。素子４２５の相対的回折振幅は、ほぼ０．２である。
【００２７】
フィルファクターを一定の輪郭に沿って変更し（すなわち局部的フィルファクターを変更し）、それによって輪郭に沿った位置の関数としての回折振幅を変更することは望ましいであろう。この追加した自由度は、たとえば入力場分散を平坦にするために用いることができる。たとえば中心部に比較的大きい振幅を有し周辺部に比較的小さい振幅を有する入力場分布は、中心部近くに小さいフィルファクターを有し周辺部近くに大きいフィルファクターを有する回折素子により、さらに均一な場の振幅分布に変換できる。他のこのようなシナリオは、容易に実施できる。
【００２８】
回折素子はトレンチでなくてもよい。それらは、入力場の部分を回折、反射および／または散乱させ得るなんらかの構造的素子、構成部分および／または光学特性の変化であってよく、ウエーブガイドの表面の一方または両方の上または近く、および／またはウエーブガイド内部の、トレンチ、リブまたは他の適切なタイプの回折率の変化であってよい。適切な回折素子は、次のものからなってよい：コアおよび／もしくはクラッド層内のバルク屈折率変化；リソグラフもしくは他の手段による製造時に平面ウエーブガイド内に生じる屈折率変化、変調および／もしくは不連続；ウエーブガイドの内部、上もしくは近くの溝状もしくはトレンチ状構造；ウエーブガイド面から延設されたリブ状構造であって、きわめて短いリブの範囲内に金属および／もしくは誘電体コーティング部材を含むもの；ならびに／または入力場の一部を回折、反射および／もしくは散乱させるなんらかの構造素子。本発明は、この実施形態例に述べた不連続変化とは異なり、局部的回折素子の大きさを連続的に変化させて実施することもできる。
【００２９】
本発明の３ポート実施形態例が図５に示されている。この実施形態においては、回折素子の部分充填グレースケール構造が、（上記と同様に実施される）２個の分散光学構造を有する平面ウエーブガイド２構成部分散光学構造の製造において使用される。前記２個の分散光学構造の各々は、別々の空間的伝搬機能およびスペクトル伝搬機能を提供する。図５の実施形態において、入力場は、（チャンネルウエーブガイド、バットが結合されたファイバまたは他のなんらかの適切なカップリング手段を介して）入力ポート５０１から入る。入力場は、平面ウエーブガイドの領域５１１において広がり、２構成部分散光学構造５１３にぶつかる。２構成部分散光学構造５１３は、別個の２セットの回折素子、すなわち第１構成部セットと第２構成部セットとを備えている。第１セットの回折素子は、入力場からの光を方向づけて、領域５０９を通って第１出力ポート５０３に伝播する第１出力場を生じる。第１出力ポート５０３は、なんらかの適切なタイプの出力ポートであってもよい。第１出力場は、回折素子の第１構成部セットの第１の空間的伝搬機能特性およびスペクトル伝搬機能特性を介して、入力場に関連している。第２セットの回折素子は、入力場からの光を方向づけて、領域５０７を通って伝搬し、出力ポート５０５から出る第２出力場を生じる。第２出力ポート５０５は、なんらかの適切なタイプの出力ポートであってもよい。第２出力場は、回折素子の第２構成部セットの第２の空間的伝搬特性およびスペクトル機能特性を介して、入力場に関連している。第１および第２セットの回折素子は、一般的に、分散光学構造のいくつかの領域において重なり合う。
【００３０】
第１および第２分散光学構造の伝搬機能は、他方の分散光学構造の存在に実質的に影響されないように構成されていることが好ましい。各分散光学構造の回折素子輪郭における書き込まれたセグメントが重なり合うならば、このことは典型的なケースではない。重なり合う領域における２セットの回折素子の伝搬機能の変化を避けるために、いくつかまたは全ての回折素子輪郭は、１未満のフィルファクターで書き込まれ、書き込まれたセグメント（すなわち回折領域）が互いに重ならないように配置されることが好ましい。これは図５の拡大部分に示されており、ここに示されている回折素子５１５は約０．２５のフィルファクターを有する。回折素子の書き込まれたセグメントが互いに実質的に重ならないようにそれらを配置することにより、第１セットの回折素子のスペクトル伝搬機能および空間的伝搬機能は、第２セットの回折素子が存在しない場合と同じ状態であり、第２セットの回折素子の空間的伝搬機能およびスペクトル伝搬機能と同様である。特徴的な空間的伝搬機能およびスペクトル伝搬機能を有する、入力ポートをさらに別の出力ポートに結合するための付加的な回折素子追加セットがさらに重ねられてもよい。各セットの回折素子の平均フィルファクターは、書き込まれた輪郭セグメントの重なり合いを実質的に減らすのに必要なように調整されるのが好ましい。本発明の部分充填グレースケールは、特別のセットの重ねられた回折素子内に相対的回折素子の大きさの変化をもたらす。１セットの回折素子内の最大回折素子の大きさは、書き込まれた輪郭セグメントの重なり合いを実質的に減らすかまたは除去するのに十分な量だけ１から差し引いた部分フィルファクターが割りあてられることが好ましい。それよりも小さい大きさを有する前記セット内の回折素子には、それに比例して小さいフィルファクターが割り当てられる。
【００３１】
チャンネルウエーブガイドにおいては、入力ビームが両方の横方向に閉じ込められるため、分散光学構造を含む回折素子は典型的には（横長さにおいて）より短い。それにもかかわらず、相対的な回折素子の大きさを制御するための部分充填グレースケールアプローチは、チャンネルウエーブガイドにおいて使用できる。チャンネルウエーブガイドにおける本発明の実施形態例が、図６に概念的に示されている。図６は、分散光学構造を含むチャンネルウエーブガイドの一部を示しており、ここにおいては相対的な回折素子の大きさの制御に部分充填グレースケールが用いられている。入力場はウエーブガイドの左端の入力ポート６０１から伝播し、分散光学構造にぶつかる。入力場と分散光学構造との相互作用により、出力ポート６４１を通って前方に伝播する伝搬出力場および／または出力ポート６３１（この例において入力ポート６０１と同じ）を通って後方に伝播する後方反射出力場を生じ得る。図のチャンネルウエーブガイドは、１セットのほぼ均一に離間した参照ライン６２１を有している。参照ライン６２１は、この参照ラインと一致する回折素子を含む分散光学構造により形成されるガイド内反射波長の２分の１ずつ離間していることが好ましい。
【００３２】
グループ６１１、６１３、６１５、６１７および６１９の書き込まれたセグメント（すなわち回折領域）は、分散光学構造の回折素子を含む。回折素子は、入力場の一部を散乱させるなんらかの構造素子、構成部および／または変化を含んでよく、また、詳細には、チャンネルウエーブガイド境界および／またはチャンネルウエーブガイド内部および／またはその近くのトレンチ、リブ、または他の屈折率の不連続部もしくは変化を含んでよく、本明細書の他の部分に説明した回折素子を含む。図６の種々の回折素子の相対的な大きさは、それらの横長さを近似ｓｉｎｃ関数（すなわち、ｓｉｎ（ｘ）／ｘ）に従わせることにより、制御される。しかしながら、本発明は、なんらかの特定のパターンの回折素子の大きさ変化に限定されない。ｓｉｎｃ関数の負の値は、対応する回折素子の長手位置に空間的シフトを導入することにより調整される。したがって、回折素子６１３および６１７は、ｓｉｎｃ関数の負領域を表し、参照ラインの間隔の２分１（すなわち反射波長のガイド内波長の４分の１）だけシフトされている。さらに一般的には、回折素子間の任意の相対的位相シフトは、（４分の１ガイド内波長ごとに１８０度の空間シフトおよび位相シフト間の直線的関係を用いて）長手位置シフトを導入することにより達成できる。換言すれば、１個の個別の回折素子によって生成された信号の相対的位相は、回折素子の全ての様相を同一に保ち且つその中心を量Δａ＝（λ ／４πｎ1）ψ（但しλは作用フリースペース波長であり、ｎ1は実効ウエーブガイド屈折率である）だけシフトすることにより、ψラジアン量だけ位相シフトされ得る。
【００３３】
位相シフトへのこのアプローチは、一般にいかなる分散光学構造にも応用できるものであり、チャンネルウエーブガイドだけに限定されない。このチャンネルウエーブガイドの実施形態例において、部分充填グレースケールは、書き込み長さ（すなわち横長さ）が制御される単一書き込みセグメント（すなわち回折領域）として各回折素子に書き込むことにより実施される。さらに一般的には、各回折素子は空間的に局部な大きさが変化する複数の書き込みセグメントまたは単一書き込みセグメントを含んでもよい。各回折素子の相対的な大きさは、２つのファクタにより決定される。１つは、局部的な回折素子の大きさと局部的入力場の振幅との積を回折素子の長さにわたって積分したものである。入力場は典型的にはチャンネルウエーブガイドを横切って大きく変化するので、このような変化は回折素子に沿っての回折領域の横方向長さを選択する場合に考慮しなければならない。後方反射場に関して相対的な回折素子の大きさを制御するもう１つのファクタは、素子の後方回折場とウエーブガイドの後進モードとの間の重なり合い積分である。
【００３４】
本発明の他の実施形態例が図７に示されている。図７は、種々のフィルファクターを有する回折素子を含む回折格子を示している。回折素子７２７は表面内または表面上にあり、この実施形態ではほぼ平行な輪郭を有する。入力場が入力ポート７０１（ここではまず入力伝播方向により機能的に定義されている）を通って回折素子の表面に向かって伝播する。その結果得られる回折出力場は出力ポート７０７（同様にまず出力伝播方向により機能的に定義されている）を通って回折素子の表面から伝播して遠ざかる。回折素子を含む表面は、ほぼ平面であるかまたはさらに複雑な幾何形状を有していてもよい。回折格子は、面格子またはボリューム格子であってよく、そして／または反射格子および／または伝送格子であってよい。回折素子上の回折領域は次のようなものであってよい。溝、線引きされたマークのようなもの、エッチングによるトレンチ、エッチングによるリブおよび／もしくはホログラフにより形成した溝；率の不連続、変化および／もしくは変調；空間的に選択して塗布され、変更されおよび／もしくは除去された金属および／もしくは誘電体コーティング；ならびに／または入力場の部分を回折、反射および／もしくは散乱させる適切な構造的特徴または変更。この実施形態において、回折素子は、種々のフィルファクターを有し且つ回折素子輪郭に沿って単位長さ当たりに種々の数の固定長さの書き込みセグメントを含む充填パターンを有する。他の充填パターンもまた同様に使用できる。種々の回折素子の相対的回折振幅を制御することにより、表面分散光学構造の空間的伝搬機能およびスペクトル伝搬機能を制御する。各回折素子の相対的な大きさは、局部的な回折素子の大きさと局部的入力場の振幅との積を各回折素子輪郭にわたって積分したものに比例する。回折素子の部分充填によって、この振幅（大きさ）の広範囲の制御ができる。相対的な回折素子の大きさが入力場のプロファイルに比較的影響を受けないようにするために、スクライブされたセグメントに使用される長さを、予期される最小入力場分布よりも小さく選択すべきである。回折出力場は、表面分散光学構造に関して入力場（反射格子）と同じ側および／または反対側（伝送格子）に形成され得る。いずれの場合も部分充填グレースケール回折素子は、出力場のスペクトル伝搬機能を詳細に調整できる。
幅に基づくグレースケール
本発明による回折素子散乱振幅を制御するための第２の方法は、個別回折素子の幅ｗ（同じく厚さ）を制御することを含む。回折素子の幅または厚さは、標準的な接触または投影によるリソグラフ法を用いるか、スタンピングもしくはエンボス加工に基づく製造法を用いるかまたは他の空間的に選択する製造方法により容易に制御できる。
【００３５】
単一トレンチタイプ回折素子８０１の断面プロファイルが図８に示されている。ウエーブガイド８０７を介して入射した光は、回折素子前面からの反射信号８０９と回折素子の背面からの反射信号８１１とを生じる。２つの反射信号はコヒーレントに加算され、回折素子から後方へ反射（回折）された正味信号を生じる。反射信号８０７と８０９との位相差は、回折素子の厚さｗと回折素子の屈折率ｎ2とに依存する。ｎ1≒ｎ2の制限内で、前面および後面反射の振幅はほぼ等しく、正味反射信号は、ほぼｓｉｎ（２πｎ2ｗ／λ）として変化する。前記式において、ｎ2は回折素子トレンチ内の屈折率、ｗは回折素子の全幅、λはフリースペース設計波長である。ｎ1とｎ2とが互いに大きく異なる場合、正味反射信号振幅は、同様に正弦波の形で変化する。しかし、前面反射による入力信号の消耗は、反射成分が破壊的に干渉するとき、正味反射の厳密な相殺を防ぐ。ｗが媒体内設計波長の４分の１にほぼ等しいとき、散乱振幅は最大である。各媒体内２分の１波長（λ／２ｎ2）の幅における増加に対して、散乱振幅は同一の最大の大きさを有する。トレンチ幅が変更されｎ1≒ｎ2であるとき、トレンチ８０５の中心部が固定されていると、回折素子幅の変化は回折信号における無視できる位相変化をもたらす。位相変化は２π（ｎ2−ｎ1）Δｗ／λ（ここでΔｗは幅変化である）のオーダである。ｎ2−ｎ1≒０．０１でΔｗ≒λ／４ｎ2であれば、回折素子幅変化に伴う反射信号位相の変化は、多くの目的のために無視できる。特定回折素子の散乱振幅における大きな変化は、そのトレンチ幅を制御することにより達成できる。分かりやすくするためにトレンチ状幾何形状について説明してきたが、リブタイプの回折素子と、前および後ろの率の不連続、変化または変調を有するなんらかの回折素子とについてのほぼ同じような考察を続ける。不規則な光学特性空間プロファイルの場合、振幅制御のために回折素子空間プロファイルにおける変化を予想通りに利用するには、詳細なシミュレーションまたは実験的キャリブレーションが必要である。幅に基づく（より一般的には空間プロファイルに基づく）回折素子の大きさ制御を実施するには、回折素子から回折素子へ必要に応じて回折素子プロファイルを変えながら全回折素子輪郭を連続的に書き込んでもよい。個別回折素子輪郭に沿って回折素子プロファイルを変えて（回折領域内および／または複数の回折領域の間での変化）、回折素子伝搬関数に付加的な程度のデザイン制御を与えることも望ましいであろう。プロファイルに基づくグレースケールおよび部分充填グレースケールは、互いに組み合わせておよび／または形状深さや高さなどの他の回折素子の大きさ制御ファクタと組み合わせて使用してもよい。一般に、回折領域内における、１つの回折領域から他の回折領域への、および／または１つの回折素子から他の回折素子への光学特性の空間プロファイルの変化によって、伝搬関数（素子および集合的伝搬関数）をほぼ任意に決定することが可能になる。
【００３６】
要約すると、回折素子散乱振幅の制御への２つの強力なアプローチがここに開示されている。第１のアプローチである制御された輪郭充填または部分充填グレースケールは、出力場は回折素子輪郭に沿った全ての点によって生成されたサブフィールドから生じるという事実を利用している。第２のアプローチである幅またはプロファイルに基づくグレースケールは、前面により生じた反射と後面により生じた反射との間の干渉を利用して回折素子からの正味反射（回折信号）を制御する。これらの２つの方法は、個別に使用しても、組み合わせて使用してもよい。部分充填グレースケールアプローチは、複数の分散光学構造が空間の共通領域において重ね合わされねばならない場合に特に有用である。部分的に充填された回折素子輪郭（すなわち完全には充填されていない回折素子）を用いると、異なる構造の回折素子の回折領域が実際にはほとんど重なり合うことなしに、分散光学構造を重ねることができる。回折素子トレンチ幅またはプロファイルの制御を、重なり合う輪郭の散乱強度を個別散乱強度の直線的総和に調整するために用いてもよい。両方の回折素子の大きさ制御方法（部分充填およびプロファイルに基づく）を組み合わせる、複数の分散光学構造が同一空間を共有せねばならない装置において直線性を維持すると共に複雑なスペクトルフィルタ機能を達成するための強力な手段が提供される。
【００３７】
この開示は、平面ウエーブガイド、チャンネルウエーブガイドおよび表面幾何形状において、ならびにリソグラフによってスクライブされた回折素子上に分散光学構造を含む実施形態を含むが、ここに述べた方法およびアプローチは、全く一般的なものであって、入射した光の場の一部を散乱させる一般的な特性を有する回折素子を含む種々の構成の分散光学構造に適用できる。
【００３８】
本発明を好ましい実施形態の形で説明してきた。しかしながら、分散光学構造において振幅および位相制御を採用した上記の装置および方法は、ここに開示および／または請求された発明コンセプトから逸脱することなしに変更することが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】平面光学ウエーブガイドに実施された分散光学装置の概念図である。
【図２】分散光学装置の１対の個別回折素子の断面図である。
【図３】本発明による、異なるフィルファクターを有する回折素子の概念図である。
【図４】本発明による平面光学ウエーブガイドに実施された２ポート分散光学装置の概念図である。
【図５】本発明による平面光学ウエーブガイドに実施された３ポート分散光学装置の概念図である。
【図６】本発明によるチャンネル型光学ウエーブガイドに実施された分散光学装置の概念図である。
【図７】本発明による光学表面格子として実施された分散光学装置の概念図である。
【図８】本発明による個別回折素子の断面図である。
【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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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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