(57)【要約】【課題】入射角度依存性が小さいホモダイン検出に用いられる偏光位相分離素子を提供する。【解決手段】直線偏光の光であるｓ偏光の光と、前記ｓ偏光の光と直交するｐ偏光の光とが含まれる入射光を、２つの進行方向に分岐する無偏光回折格子と、前記無偏光回折格子により分岐された２つの光のうち、一方の光に対して位相差を与えず、他方の光に対してのみ、前記ｓ偏光の光と前記ｐ偏光の光との間で、π／２の奇数倍に略等しい位相差を与えるように、厚さ方向に光学軸が揃った複屈折性材料を有する波長板と、π／２の奇数倍に略等しい位相差を与えられた光を含む２つの光が入射し、互いに直交する、第１の直線偏光の光と第２の直線偏光の光毎、２つの進行方向に分岐する偏光性回折格子と、を備えた、偏光位相分離素子を提供することにより上記課題を解決する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直線偏光の光であるｓ偏光の光と、前記ｓ偏光の光と直交するｐ偏光の光とが含まれる入射光を、２つの進行方向に分岐する無偏光回折格子と、
前記無偏光回折格子により分岐された２つの光のうち、一方の光に対して位相差を与えず、他方の光に対してのみ、前記ｓ偏光の光と前記ｐ偏光の光との間で、π／２の奇数倍に略等しい位相差を与えるように、厚さ方向に光学軸が揃った複屈折性材料を有する波長板と、
π／２の奇数倍に略等しい位相差を与えられた光を含む２つの光が入射し、互いに直交する、第１の直線偏光の光と第２の直線偏光の光毎、２つの進行方向に分岐する偏光性回折格子と、を備えた、偏光位相分離素子。
【請求項２】
前記偏光性回折格子は、光学軸が厚さ方向に揃い、常光屈折率ｎｏと異常光屈折率ｎｅ（ｎｏ≠ｎｅ）を有する複屈折性材料からなる複屈折性材料層および、屈折率がｎｓとなる等方性材料からなる等方性材料層によって周期的凹凸が形成され、前記屈折率ｎｓは、前記常光屈折率ｎｏまたは前記異常光屈折率ｎｅと略等しく、
前記複屈折性材料層の光学軸の方向と、前記位相板の光学軸の方向とが、略４５°の角度をなす請求項１に記載の偏光位相分離素子。
【請求項３】
前記波長板は、前記ｓ偏光の光と前記ｐ偏光の光との間で、位相差を与えない、第１の領域と、前記ｓ偏光の光と前記ｐ偏光の光との間で、π／２の奇数倍に略等しい位相差を与える第２の領域を有し、
前記第２の領域にのみ、高分子液晶を有する請求項１または請求項２に記載の偏光位相分離素子。
【請求項４】
前記波長板は、前記ｓ偏光の光と前記ｐ偏光の光との間で、位相差を与えない、第１の領域と、前記ｓ偏光の光と前記ｐ偏光の光との間で、π／２の奇数倍に略等しい位相差を与える第２の領域を有し、
前記第１の領域および前記第２の領域は、いずれも高分子液晶を有し、
前記第１の領域における高分子液晶は厚さ方向に略平行に配向される請求項１または請求項２に記載の偏光位相分離素子。
【請求項５】
直線偏光の光であるｓ偏光の光と、前記ｓ偏光の光と直交するｐ偏光の光とが含まれる入射光を、２つの進行方向に分岐する無偏光回折格子と、
前記無偏光回折格子により分岐された２つの光のうち、一方の光に対して、互いに直交する、第１の直線偏光の光と第２の直線偏光の光毎、２つの進行方向に分岐する第１の領域と、他方の光に対して、互いに直交する、第１の円偏光の光と第２の円偏光の光毎、２つの進行方向に分岐する第２の領域と、を有する偏光性回折格子と、と備えた偏光位相分離素子。
【請求項６】
前記偏光性回折格子は、第１の領域が、光学軸が厚さ方向に揃い、常光屈折率ｎｏと異常光屈折率ｎｅ（ｎｏ≠ｎｅ）を有する複屈折性材料からなる第１の複屈折性材料層および、屈折率がｎｓ１となる等方性材料からなる第１の等方性材料層によって周期的凹凸が形成され、前記屈折率ｎｓ１は、前記常光屈折率ｎｏまたは前記異常光屈折率ｎｅと略等しく、前記第１の複屈折性材料層の光学軸の方向と、前記ｓ偏光の光の方向とが、略４５°の角度をなし、
第２の領域が、右回りの円偏光の光に対する屈折率ｎＲと左回りの円偏光の光に対する屈折率ｎＬ（ｎＲ≠ｎＬ）を有する複屈折材料からなる第２の複屈折性材料層および、屈折率がｎｓ２となる等方性材料からなる第２の等方性材料層によって周期的凹凸が形成され、前記屈折率ｎｓ２は、前記常光屈折率ｎＲまたは前記異常光屈折率ｎＬと略等しい請求項５に記載の偏光位相分離素子。
【請求項７】
光源と、
前記光源からの光のうち、互いに直交するｓ偏光の光とｐ偏光の光毎に偏向分離する偏光ビームスプリッタと、
前記偏光ビームスプリッタで偏向分離された一方の光を光ディスクに集光させる対物レンズと、
前記偏光ビームスプリッタで偏向分離された他方の光を反射する反射ミラーと、
前記光ディスクで反射された光および、前記反射ミラーで反射された光を検出する光検出器と、を備え、
前記偏光ビームスプリッタと前記光検出器との間の光路中に、請求項１〜６いずれか１項に記載の偏光位相分離素子を備えた光ヘッド装置。
【請求項８】
互いに直交するｓ偏光の光とｐ偏光の光とが異なる方向から入射して合波させる偏光ビームスプリッタと、
前記偏光ビームスプリッタを出射する光を検出する光検出器と、を備え、
前記偏光ビームスプリッタと前記光検出器との間の光路中に、請求項１〜６いずれか１項に記載の偏光位相分離素子を備えた光通信装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、偏光位相分離素子、光ヘッド装置及び光通信装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光情報記録媒体である光ディスクは、半導体レーザの短波長化及び対物レンズの高ＮＡ化によって、記録密度を向上させ、光ディスクにおける記録容量を増加させてきた。現在、Ｂｌｕ−ｒａｙディスクが商品化されているものの、光ディスクにおける記録容量を更に増やすためには、半導体レーザの短波長化及び対物レンズの高ＮＡ化による手法は限界に達しつつある。このような大容量化に対応すべく、光ディスクに複数の情報記録層を形成した多層光ディスクがある。多層光ディスクでは、情報記録層を多層化することにより、記録される情報量を増やすことができるが、多層化することにより、各々の情報記録層からの反射率が低下してしまう。従って、情報記録層からの光を高いＳ／Ｎ比で検出することが可能な方法が求められている。このように情報記録層からの光を高いＳ／Ｎ比で検出する方法として、光ディスクの情報記録層から反射される信号光と、光ディスクとは異なる光学系で反射された参照光を用いたホモダイン検出による検出方法が開示されている（例えば、特許文献１）。
【０００３】
一方、光ファイバを用いた光通信においては、光通信における情報の伝送容量を増加させるため、光の強度変調のみならず位相変調（ＰＳＫ：Phase Shift Keying）方式による通信方法が検討されている。このような位相変調方式による通信方法では、光の位相検出が必要となるため、信号光用の光ファイバと、参照光用の光ファイバとに分岐させるとともに、参照光を遅延させて、同一の光源から出力させた信号光と参照光とを互いに干渉させるホモダイン検出による光信号位相検出が行われる（特許文献２、非特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−３１０９４２号公報
【特許文献２】特開２００７−６４８６０号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】D-S. Ly-Ganon, K. Katoh, and K. Kikuchi, "Unrepeated 210-km transmission with coherent detection and digital signal processing of 20-Gb/s QPSK signal", Technical Digest of OFC2005, OTuL4
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、特許文献１に開示されているホモダイン検出を用いる光ヘッド装置では、偏光変換分離素子として角度選択性偏光変換素子を用いており、この角度選択性偏光変換素子は、入射光の入射角によって出射する光の偏光状態を変えて出射させることができる。しかし、この角度選択性偏光変換素子は、位相変化の値の入射角度依存性が極めて大きいため、角度選択性偏光変換素子の前段にある無偏光回折格子を、角度分布を有するような発散光、収束光の光路中に設けると、無偏光回折格子で回折して角度選択性偏光変換素子へ進行する光の方向（入射角）が変化する。このため、とくに安定した機能を発揮させることは困難であり、また、製造時における組立工程等においてバラツキが生じ、安定した光学特性が得られないといった問題点を有していた。
【０００７】
また、特許文献２及び非特許文献１に開示されているホモダイン検出を用いた光電界波形観測装置では、光位相ダイバーシティ回路を用いているが、光位相ダイバーシティ回路では、位相検出の際に、偏光ビームスプリッタを複数用いる必要があり、部品点数が増加することにより、製造される光通信装置の小型化が困難なものとなり、更には、光通信装置の製造の際の組立工程が複雑になるという問題点を有していた。
【０００８】
従って、上記問題点を有しない、入射光の角度依存性が少なく単純な構成の偏光位相分離素子及びこの偏光位相分離素子を用いた光ヘッド装置、光通信装置が望まれていた。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の偏光位相分離素子は、直線偏光の光であるｓ偏光の光と、前記ｓ偏光の光と直交するｐ偏光の光とが含まれる入射光を、２つの進行方向に分岐する無偏光回折格子と、前記無偏光回折格子により分岐された２つの光のうち、一方の光に対して位相差を与えず、他方の光に対してのみ、前記ｓ偏光の光と前記ｐ偏光の光との間で、π／２の奇数倍に略等しい位相差を与えるように、厚さ方向に光学軸が揃った複屈折性材料を有する波長板と、π／２の奇数倍に略等しい位相差を与えられた光を含む２つの光が入射し、互いに直交する、第１の直線偏光の光と第２の直線偏光の光毎、２つの進行方向に分岐する偏光性回折格子と、を備えている。
【００１０】
また、本発明の偏光位相分離素子は、前記偏光性回折格子は、光学軸が厚さ方向に揃い、常光屈折率ｎｏと異常光屈折率ｎｅ（ｎｏ≠ｎｅ）を有する複屈折性材料からなる複屈折性材料層および、屈折率がｎｓとなる等方性材料からなる等方性材料層によって周期的凹凸が形成され、前記屈折率ｎｓは、前記常光屈折率ｎｏまたは前記異常光屈折率ｎｅと略等しく、前記複屈折性材料層の光学軸の方向と、前記位相板の光学軸の方向とが、略４５°の角度をなす。
【００１１】
また、本発明の偏光位相分離素子は、前記波長板は、前記ｓ偏光の光と前記ｐ偏光の光との間で、位相差を与えない、第１の領域と、前記ｓ偏光の光と前記ｐ偏光の光との間で、π／２の奇数倍に略等しい位相差を与える第２の領域を有し、前記第２の領域にのみ、高分子液晶を有する。
【００１２】
また、本発明の偏光位相分離素子は、前記波長板は、前記ｓ偏光の光と前記ｐ偏光の光との間で、位相差を与えない、第１の領域と、前記ｓ偏光の光と前記ｐ偏光の光との間で、π／２の奇数倍に略等しい位相差を与える第２の領域を有し、前記第１の領域および前記第２の領域は、いずれも高分子液晶を有し、前記第１の領域における高分子液晶は厚さ方向に略平行に配向される。
【００１３】
また、本発明の偏光位相分離素子は、直線偏光の光であるｓ偏光の光と、前記ｓ偏光の光と直交するｐ偏光の光とが含まれる入射光を、２つの進行方向に分岐する無偏光回折格子と、前記無偏光回折格子により分岐された２つの光のうち、一方の光に対して、互いに直交する、第１の直線偏光の光と第２の直線偏光の光毎、２つの進行方向に分岐する第１の領域と、他方の光に対して、互いに直交する、第１の円偏光の光と第２の円偏光の光毎、２つの進行方向に分岐する第２の領域と、を有する偏光性回折格子と、と備える。
【００１４】
また、本発明の偏光位相分離素子は、前記偏光性回折格子は、第１の領域が、光学軸が厚さ方向に揃い、常光屈折率ｎｏと異常光屈折率ｎｅ（ｎｏ≠ｎｅ）を有する複屈折性材料からなる第１の複屈折性材料層および、屈折率がｎｓ１となる等方性材料からなる第１の等方性材料層によって周期的凹凸が形成され、前記屈折率ｎｓ１は、前記常光屈折率ｎｏまたは前記異常光屈折率ｎｅと略等しく、前記第１の複屈折性材料層の光学軸の方向と、前記ｓ偏光の光の方向とが、略４５°の角度をなし、第２の領域が、右回りの円偏光の光に対する屈折率ｎＲと左回りの円偏光の光に対する屈折率ｎＬ（ｎＲ≠ｎＬ）を有する複屈折材料からなる第２の複屈折性材料層および、屈折率がｎｓ２となる等方性材料からなる第２の等方性材料層によって周期的凹凸が形成され、前記屈折率ｎｓ２は、前記常光屈折率ｎＲまたは前記異常光屈折率ｎＬと略等しい。
【００１５】
また、本発明の光ヘッド装置は、光源と、前記光源からの光のうち、互いに直交するｓ偏光の光とｐ偏光の光毎に偏向分離する偏光ビームスプリッタと、前記偏光ビームスプリッタで偏向分離された一方の光を光ディスクに集光させる対物レンズと、前記偏光ビームスプリッタで偏向分離された他方の光を反射する反射ミラーと、前記光ディスクで反射された光および、前記反射ミラーで反射された光を検出する光検出器と、を備え、前記偏光ビームスプリッタと前記光検出器との間の光路中に、前記記載の偏光位相分離素子を備える。
【００１６】
また、本発明の光通信装置は、互いに直交するｓ偏光の光とｐ偏光の光とが異なる方向から入射して合波させる偏光ビームスプリッタと、前記偏光ビームスプリッタを出射する光を検出する光検出器と、を備え、前記偏光ビームスプリッタと前記光検出器との間の光路中に、前記記載の偏光位相分離素子を備える。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、入射角度依存性が小さく、部品点数が少ないホモダイン検出に用いられる偏光位相分離素子を得ることができる。また、この偏光位相分離素子を用いた光ヘッド装置では、光学的に安定したホモダイン検出が可能でとくに、情報記録層が複数層有する光ディスクの記録・再生が可能な光ヘッド装置を実現できる。更に、この偏光位相分離素子を用いた光通信装置では、部品点数が少なく小型化が実現できる光通信装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】第１の実施の形態における偏光位相分離素子の構成図
【図２】第１の実施の形態に用いられる分割波長板の構成図
【図３】第１の実施の形態に用いられる偏光性回折格子の構成図
【図４】第１の形態における偏光位相分離素子の入射角度と偏光角の相関図
【図５】第２の実施の形態における偏光位相分離素子の構成図
【図６】第２の実施の形態に用いられる偏光性回折格子の構成図
【図７】コレステリック相（高分子）液晶に入射する光の波長と屈折率との関係図
【図８】第２の実施の形態における偏光位相分離素子の入射角度と偏光角の相関図
【図９】光ヘッド装置の実施の形態の構成図
【図１０】光通信装置の実施の形態の構成図
【図１１】実施例における光ヘッド装置の受光光学系および各光学距離を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明を実施するための形態について、以下に説明する。
【００２０】
〔偏光位相分離素子の第１の実施の形態〕
偏光位相分離素子の第１の実施の形態について説明する。図１は、本実施の形態における偏光位相分離素子の構成図である。本実施の形態における偏光位相分離素子１０は、無偏光回折格子２０、波長板３０及び偏光性回折格子４０を有し、図１に示すように、この順に光が入射するように構成されている。
【００２１】
無偏光回折格子２０は、例えば、光学的に等方性の屈折率を示す等方性材料からなる透明基板の表面に周期的な凹凸が形成されたものであったり、透明基板の表面に、他の等方性材料が凹凸状に形成されたものであったりしてもよい。回折格子の断面が矩形状の凹凸である場合、±１次回折光の回折効率が最大になるように設定すると、＋１次回折光と−１次回折光の光量をそれぞれ大きくすることができ、直進透過する０次回折光（直進透過光）を小さくすることができるので、効率よく２つの光に分岐することができる。また、回折格子の断面がブレーズ形状の凹凸またはブレーズ状を階段状に近似した擬似ブレーズ形状の凹凸である場合、０次回折光と例えば＋１次回折光の光量をそれぞれ大きくすることができ、−１次回折光を小さくすることができるので、効率よく２つの光に分岐することができる。尚、回折角度は、入射する光の波長と回折格子の周期の幅（格子ピッチ）によって決定するので、例えば、回折角度を大きくして光を分岐させる場合は、格子ピッチを狭く設計するとよい。
【００２２】
波長板３０は、無偏光回折格子２０で分岐された２つの光それぞれに対応した、第１の領域３１と第２の領域３２を有しており、第１の領域３１または第２の領域３２のいずれかは、信号光と参照光との間にπ／２の位相差が与えられるように設定されていればよい。例えば、第１の領域３１は等方性材料から構成され、第２の領域３２は複屈折性材料から構成され、第２の領域３２の厚さを調整することで所望の位相差を与えることができる。また、第１の領域３１または第２の領域のいずれか一方は、透明な等方性材料から構成されているものに限らず、空気であってもよい。一方が空気である場合、他方の領域にのみ所望の位相差を与えられるように設計された複屈折性材料が備えられていればよい。詳細の構成については後述する。
【００２３】
偏光性回折格子４０は、入射する光のうち互いに直交する偏光状態の光毎、透過または回折させて進行する方向が互いに異なるように作用する。例えば、入射する光のうち、第１の直線偏光の光は直進透過させ、第１の直線偏光の光と直交する第２の直線偏光の光を回折させる機能を有する。偏光性回折格子４０は、例えば、光学的に複屈折性を示す複屈折性材料と等方性材料とが、断面が周期的な凹凸を形成するように構成される。そして、複屈折性材料の常光屈折率ｎｏまたは異常光屈折率ｎｅ（ｎｏ≠ｎｅ）と、等方性材料の屈折率ｎｓとが略一致する材料を組み合わせることによって、上記の作用を得ることができる。尚、回折角度は、無偏光回折格子２０と同様に、回折角度を大きくして光を分岐させる場合、格子ピッチを狭く設計するとよい。詳細の構成については後述する。
【００２４】
次に、偏光位相分離素子１０の作用について説明する。本実施の形態における偏光位相分離素子１０に入射した光５０は、無偏光回折格子２０により透過および／または回折によって、互いに分離した２つの光５１ａと５１ｂと、に分岐される。尚、光５０は信号光と参照光とが合波された光であり、図１において偏光位相分離素子１０にはＺ軸方向に入射する。矢印Ｓ１は信号光の偏光方向を示すものであり、矢印Ｓ２は参照光の偏光方向を示すものである。図１では、矢印Ｓ１に示される信号光の偏光方向はＸ軸方向であり、矢印Ｓ２に示される参照光の偏光方向はＹ軸方向とし、信号光の偏光方向と参照光の偏光方向とは、略直交して入射する。
【００２５】
分岐された光５１ａは、波長板３０における第１の領域３１に入射し、分岐された光５１ｂは、波長板３０における第２の領域３２に入射する。波長板３０における第１の領域３１に入射した光５１ａは、信号光と参照光、つまり、Ｘ軸方向の光成分とＹ軸方向の光成分とにおいて位相差が付加されることなく光５２ａとして出射される。一方、分割波長板３０における第２の領域３２に入射した光５１ｂは、信号光と参照光との間でπ／２の位相差が付加され光５２ｂとして出射される。尚、位相差はπ／２に限らず、π／２の奇数倍となるようにすれば同様の効果を得ることができるが、波長板の厚さを薄くできることを考えると位相差がπ／２とすることが好ましい。
【００２６】
次に、光５２ａ及び光５２ｂは、偏光性回折格子４０に入射する。偏光性回折格子４０に用いる複屈折性材料の光学軸４０ａは、矢印Ｓ１に示される信号光の偏光方向及び矢印Ｓ２に示される参照光の偏光方向と、略４５°の角度をなしている。よって、偏光性回折格子４０に入射した光５２ａ及び光５２ｂはそれぞれ、光学軸４０ａの方向の直線偏光の光と光学軸４０ａと直交する方向の直線偏光の光とに分岐される。即ち、偏光性回折格子４０に入射した光５２ａは、光学軸４０ａに直交する偏光方向の光５３ａと光学軸４０ａと平行な偏光方向の光５３ｂとに分岐され出射される。尚、光学軸は、遅相軸または進相軸のいずれかである。例えば、光学軸４０ａが遅相軸であって、複屈折性材料の異常光屈折率ｎｅとなる方向とし、複屈折性材料の常光屈折率ｎｏと等方性材料の屈折率ｎｓと略一致（ｎｏ≒ｎｓ、ｎｅ≠ｎｓ）している場合を考える。このとき、光５３ａは、光学軸４０ａに直交する直線偏光の光であるため、偏光性回折格子４０において回折されることなくそのまま直進して出射され、光５３ｂは、光学軸４０ａに平行な直線偏光の光であるため、偏光性回折格子４０において回折されて出射される。
【００２７】
このため、偏光分離素子１０に入射した光５０は、進行方向が異なる４つの光５３ａ、５３ｂ、５３ｃ及び５３ｄとして出射され、４つの光５３ａ、５３ｂ、５３ｃ及び５３ｄは、光５０の位相差を基準にしたとき、信号光と参照光との位相差が、各々１８０°、０°、２７０°、９０°となる。
【００２８】
次に、本実施の形態における偏光分離素子１０の機能について、ジョーンズベクトルを用いて説明する。信号光の電場強度（＝１）に対して電場強度がＡ倍となるような参照光を入射させるとすると、入射する光５０における電場Ｅ１は、数１に示す式で表される。
【００２９】
【数１】
2011044204.tif 000003
この後、無偏光回折格子２０によって２つの光５１ａ及び光５１ｂに分岐され、更に、波長板３０を透過した、光５２ａにおける電場Ｅ２、光５２ｂにおける電場Ｅ３は、数２、数３に示す式で表される。
【００３０】
【数２】
2011044204.tif 000004
【００３１】
【数３】
2011044204.tif 000005
尚、数２におけるα、数３におけるβは、光を分岐した際における強度の係数である。また、数３におけるＭは、ｓ偏光とｐ偏光との間において、π／２の位相差を与えるジョーンズ行列であり、例えば、数４に示されるものである。
【００３２】
【数４】
2011044204.tif 000006
更に、偏光性回折格子４０によって、光５２ａは光５３ａと光５３ｂとに分岐され、光５３ａにおける電場Ｅ４、光５３ｂにおける電場Ｅ５は、数５、数６に示す式で表される。同様に、偏光性回折格子４０によって、光５２ｂは光５３ｃと光５３ｄとに分岐され、光５３ｃにおける電場Ｅ６、光５３ｄにおける電場Ｅ７は、数７、数８に示す式で表される。
【００３３】
【数５】
2011044204.tif 000007
【００３４】
【数６】
2011044204.tif 000008
【００３５】
【数７】
2011044204.tif 000009
【００３６】
【数８】
2011044204.tif 000010
ここで、数５におけるＰ１、数６におけるＰ２は、偏光子を表すジョーンズ行列であり、例えば、数９、数１０に示す式で表される。尚、γ、δは強度の係数を示す。
【００３７】
【数９】
2011044204.tif 000011
【００３８】
【数１０】
2011044204.tif 000012
ここで、数９及び数１０に示す式を用い、α、β、γ、δを１とした場合、電場Ｅ４、Ｅ５、Ｅ６及びＥ７により得られる光信号強度Ｉ４、Ｉ５、Ｉ６及びＩ７は、以下のように、表すことができる。
【００３９】
Ｉ４＝（１＋Ａ２−２ＡｃｏｓΔφ）／４、
Ｉ５＝（１＋Ａ２＋２ＡｃｏｓΔφ）／４、
Ｉ６＝（１＋Ａ２＋２ＡｓｉｎΔφ）／４、
Ｉ７＝（１＋Ａ２−２ＡｓｉｎΔφ）／４、
上記光信号強度Ｉ４、Ｉ５、Ｉ６及びＩ７に基づき、下記の演算を行うことにより、Ａ倍に増強された信号Ｓｉｇを検出することができる。
【００４０】
Ｓｉｇ＝｛（Ｉ４−Ｉ５）２＋（Ｉ６＋Ｉ７）２｝１／２
＝｛（ＡｃｏｓΔφ）２＋（ＡｓｉｎΔφ）２｝１／２
＝Ａ
これより、偏光位相分離素子を透過した４つの光それぞれを検出し、更に、演算機能を有する光検出器を備えることで、信号Ｓｉｇを高い感度で検出することができる。また、偏光位相分離素子と光検出器と、を含む光学系を光検出装置ともいい、この光検出装置において、高いＳ／Ｎ比を得ることができる。
【００４１】
（波長板）
次に、本実施の形態における偏光分離素子１０に用いられる波長板３０について説明する。波長板３０としては、様々な構成のものが考えられる。尚、図１に示すように、第１の領域３１と第２の領域３２は、無偏光回折格子２０で分岐した２つの光５１ａ、５１ｂがそれぞれ入射するように配置されていればよく、第１の領域３１と第２の領域３２の形状やこれらの領域の境界線がどのようなものであってもよい。
【００４２】
図２は、波長板３０の具体的な構成として、波長板６０、波長板７０及び波長板８０の断面模式図を例示したものである。具体的には、図２（ａ）に示されるように、波長板６０は、第１の領域６１において、等方性材料６３が透明基板６５及び６６に挟持され、第２の領域６２において、複屈折性材料となる高分子液晶６４と等方性材料６３とが透明基板６５及び６６に挟持される構造を有する。図２（ａ）においては、高分子液晶６４は、Ｙ軸方向に平行に配向される。波長板６０は、透明基板６６上に一様に高分子液晶膜を成膜した後、フォトリソグラフィ及びエッチング加工により第１の領域６１における高分子液晶膜を除去し、第２の領域６２にのみ高分子液晶６４を形成し、この後、充填剤となる等方性材料６３を透明基板６５と透明基板６６との間に、充填させることにより形成することができる。尚、第２の領域６２には等方性材料６３が備えられていない（空気）構造であってもよい。
【００４３】
また、図２（ｂ）に示されるように、波長板７０は、第１の領域７１が、透明基板面に垂直方向（Ｚ軸方向）に配向された垂直配向液晶７３を有し、第２の領域７２が、透明基板面に水平方向に配向された水平配向液晶７４を有する。図２（ｂ）においては、水平配向液晶７４は、Ｙ軸方向に平行に配向される。このような波長板７０の形成方法は、透明基板７５及び７６において、第１の領域７１では液晶が垂直配向するように、第２の領域７２では液晶が水平配向するように、配向処理を行い、配向処理の行われた面を対向させて液晶を封入することにより製造することができる。尚、配向処理の方法としては、配向膜のラビング、光配向処理、イオンビーム照射、配向させるための溝形成等の方法を用いることができる。
【００４４】
また、図２（ｃ）に示されるように、波長板８０は、透明基板８３上の第１の領域８１には何も形成せず、基板８３上の第２の領域８２上にのみ複屈折層８４として構造複屈折を有する材料やフォトニック結晶を形成することにより発生する位相差を調整するものである。この他、複屈折層８４として延伸した高分子フィルムを形成したものであってもよい。また、第１の領域または第２の領域を透過する光に対して、位相差を与えないものとして、媒質が空気であってもよく、その場合、波長板は、実質的に第１の領域または第２の領域のいずれかに配置するものであって、入射する波長λの光に対してπ／２の奇数倍の位相差を与える複屈折性材料を形成すればよい。
【００４５】
（偏光性回折格子）
次に、偏光性回折格子４０について説明する。本実施の形態における偏光分離素子１０に用いられる偏光性回折格子４０は、図３に示すように、断面がブレーズ形状または、ブレーズ形状を階段状に近似した擬似ブレーズ形状を有し、高分子液晶からなる複屈折性材料層４４と、等方性材料が、複屈折性材料層４４の凹凸を平坦化するように配置されてなる等方性材料層４５とが、透明基板４２及び４３に挟持される構造を有する。尚、複屈折性材料層４４は、凸条となる部分が＋Ｙ方向に厚くなるような（擬似）ブレーズ形状の傾きを有するが、逆の傾きを有するものであってもよく、さらに、光学軸の方向が４５°方向であれば、Ｘ−Ｙ平面において複屈折性材料層４４の長手方向が任意の方向に揃うものでもよい。
【００４６】
また、複屈折性材料層４４の配向方向（遅相軸）は、図３のＸ−Ｙ平面において、Ｘ軸より４５°の角度をなす方向とする。尚、等方性材料の屈折率をｎｓとするとき、等方性材料は、高分子液晶の常光屈折率ｎｏまたは異常光屈折率ｎｅ（ｎｏ≠ｎｅ）のいずれか一方に略一致する材料によって構成されている。尚、偏光性回折格子として、断面が（擬似）ブレーズ形状とすると、透過または回折して分岐する光の利用効率を高くできる点で好ましいが、これに限らず矩形状の周期的凹凸を有するものであってもよい。
【００４７】
ここで、屈折率の関係をｎｓ≒ｎｏ、ｎｓ≠ｎｅとするとき、高分子液晶の遅相軸方向となる異常光屈折率の方向の偏光成分の光は回折され、高分子液晶の進相軸方向となる常光屈折率の方向の偏光成分の光は回折されることなく直進透過する。このような偏光性回折格子４０は、透明基板４２上に高分子液晶膜を形成した後、フォトリソグラフィとエッチングを繰り返し行うことにより擬似ブレーズ形状となる高分子液晶からなる複屈折性材料層４４を形成し、この後、透明基板４２と透明基板４３との間に、充填剤として等方性材料を充填した等方性材料層４５を形成することにより作製することができる。また、複屈折性材料層４４の形成方法としては、構造複屈折又はフォトニック結晶を格子状に形成する方法により作製することも可能である。
【００４８】
（偏光分離素子の入射角依存性）
次に、本実施の形態における偏光分離素子１０の入射角度依存性について説明する。図４は、本実施の形態における偏光分離素子１０の波長板３０の第２の領域３２において生じるｐ偏光とｓ偏光の位相差と、従来の偏光位相変換分離素子、即ち、特許文献１に記載されている偏光位相変換分離素子となる角度選択性偏光変換素子において生じるｐ偏光とｓ偏光の位相差とについて、入射角度依存性を計算した結果である。尚、計算方法は、４×４行列法を用い、入射角度は空気中からの入射を想定した角度を示している。
【００４９】
従来の角度選択性偏光変換素子については、光学軸を光軸と一致させた水晶において計算を行ったものであり、水晶における常光屈折率を１．５５７、異常光屈折率を１．５６７とし、入射角度１０°で生じる位相差が、９０°となるように、厚さを０．８６ｍｍとして行った。一方、本実施の形態における波長板３０については、第２の領域３２に、水平配向している高分子液晶膜を形成した場合について、入射角度依存性の計算を行ったものであり、高分子液晶における常光屈折率を１．５１０、異常光屈折率を１．５５２とし、厚さを２．４μｍとして行った。
【００５０】
図４に示されるように、本実施の形態における偏光分離素子１０の波長板３０では、入射角度が変化しても、出射される光のｓ偏光とｐ偏光との間に生じる位相差は略９０°で、殆ど変化しないのに対し、従来の偏光位相変換分離素子に用いられる角度選択性偏光変換素子では、入射角度が変化すると、出射される光の位相差も変化してしまう。このように、本実施の形態において用いられる波長板３０は、従来の角度選択性偏光変換素子に比べ、光の入射角度依存性が極めて低く、光学設計の自由度が大きく、製造のバラツキにより光学特性が大きく変化することも少ない。
【００５１】
〔偏光位相分離素子の第２の実施の形態〕
次に、第２の実施の形態について説明する。本実施の形態は、第１の実施の形態とは異なる構成の偏光位相分離素子である。図５は、本実施の形態における偏光位相分離素子１１０は、無偏光回折格子１２０と偏光性回折格子１３０を有し、この順に光が入射するように構成されている。
【００５２】
無偏光回折格子１２０は、第１の実施の形態の無偏光回折格子と同様のものを用いることができ、等方性材料によって断面が矩形状または（擬似）ブレーズ形状の凹凸を有する。偏光性回折格子１３０は、無偏光回折格子１２０で分岐された２つの光それぞれに対応し、いずれも複屈折性材料を含む、第１の領域１３１と第２の領域１３２を有する。偏光性回折格子１３０は、入射する光のうち互いに直交する偏光状態の光毎、透過または回折させて進行する方向が互いに異なるように作用する。例えば、第１の領域１３１では、入射する光のうち、第１の直線偏光の光は直進透過させ、第１の直線偏光の光と直交する第２の直線偏光の光を回折させる機能を有し、第２の領域１３２では、入射する光のうち、第１の円偏光の光となる左回りの円偏光の光は直進透過させ、第１の円偏光の光と直交する第２の円偏光の光となる右回りの円偏光の光は回折させる機能を有する。詳細の構成については後述する。尚、第１の円偏光の光が右回りの円偏光の光、第２の円偏光の光が左回りの円偏光の光であってもよい。
【００５３】
次に、偏光位相分離素子１１０の作用について説明する。本実施の形態における偏光位相分離素子１１０に入射した光１５０は、無偏光回折格子１２０により透過および／または回折によって、互いに分離した２つの光１５１ａと１５１ｂと、に分岐される。尚、光１５０は信号光と参照光とが合波された光であり、図５において偏光位相分離素子１１０にはＺ軸方向に入射する。矢印Ｓ１は信号光の偏光方向を示すものであり、矢印Ｓ２は参照光の偏光方向を示すものである。本実施の形態では、矢印Ｓ１に示される信号光の偏光方向はＸ軸方向であり、矢印Ｓ２に示される参照光の偏光方向はＹ軸方向であり、矢印Ｓ１に示される信号光の偏光方向と矢印Ｓ２に示される参照光の偏光方向とは、略直交して入射する。
【００５４】
次に、光１５１ａ及び光１５１ｂは、偏光性回折格子１３０に入射する。偏光性回折格子１３０は第１の領域１３１と第２の領域１３２を有しており、第１の領域１３１に用いる複屈折性材料の光学軸１３１ａは、矢印Ｓ１に示される信号光の偏光方向及び矢印Ｓ２に示される参照光の偏光方向と、略４５°の角度をなしている。よって、第１の領域１３１に入射した光１５１ａは、光学軸１３１ａの方向の直線偏光の光と光学軸１３１ａと直交する方向の直線偏光の光とに分岐される。即ち、第１の領域１３１に入射した光１５１ａは、光学軸１３１ａに直交する偏光方向の光１５２ａと光学軸１３１ａと平行な偏光方向の光１５２ｂとに分岐され出射される。尚、光学軸は、遅相軸または進相軸のいずれかである。例えば、光学軸１３１ａが遅相軸であって、複屈折性材料の異常光屈折率ｎｅとなる方向とし、複屈折性材料の常光屈折率ｎｏと等方性材料の屈折率ｎｓ１と略一致（ｎｏ≒ｎｓ１、ｎｅ≠ｎｓ１）している場合を考える。このとき、光１５２ａは、光学軸１３１ａに直交する直線偏光の光であるため、第１の領域１３１において回折されることなくそのまま直進して出射され、光１５２ｂは、光学軸１３１ａに平行な直線偏光の光であるため、第１の領域１３１において回折されて出射される。
【００５５】
また、第２の領域１３２は右回りの円偏光の光に対する屈折率と、左回りの円偏光の光に対する屈折率とが異なる複屈折性材料を有する。よって、第２の領域１３２に入射した光１５１ｂは、右回りの円偏光の光と左回りの円偏光の光毎に分岐される。例えば、複屈折性材料の右回りの円偏光の光に対する屈折率をｎＲ、左回りの円偏光の光に対する屈折率をｎＬとし、複屈折性材料のｎＬと等方性材料の屈折率ｎｓ２と略一致（ｎＬ≒ｎｓ２、ｎＲ≠ｎｓ２）させる場合を考える。このとき、光１５１ｂのうち、左回りの円偏光の光は、第２の領域１３２において回折されることなくそのまま直進して出射され、右回りの円偏光の光は、第２の領域１３２において回折されて出射される。
【００５６】
このように、偏光位相分離素子１１０に入射した光１５０は、進行方向が異なる４つの光１５１ａ、１５１ｂ、１５１ｃ及び１５１ｄに分光される。尚、偏光性回折格子１３０の第２の領域１３２に形成される円偏光分離機能を有する回折格子としてはコレステリック相液晶を含む回折格子を用いることができる。
【００５７】
次に、本実施の形態における偏光分離素子１１０の機能について、ジョーンズベクトルを用いて説明する。信号光の電場強度（＝１）に対して電場強度がＡ倍となるような参照光を入射させるとすると、入射する光１５０における電場Ｅ１は、数１１に示す式で表される。
【００５８】
【数１１】
2011044204.tif 000013
この後、無偏光回折格子１２０によって２つの光１５１ａ及び光１５１ｂに分岐され、光１５１ａにおける電場Ｅ２、光１５１ｂにおける電場Ｅ３は、数１２、数１３に示す式で表される。
【００５９】
【数１２】
2011044204.tif 000014
【００６０】
【数１３】
2011044204.tif 000015
尚、数１２におけるα、数１３におけるβは、光を分岐した際における強度の係数である。更に、偏光性回折格子１３０によって、光１５１ａは光１５２ａと光１５２ｂとに分岐され、光１５２ａにおける電場Ｅ４、光１５２ｂにおける電場Ｅ５は、数１４、数１５に示す式で表される。同様に、偏光性回折格子１３０によって、光１５１ｂは光１５２ｃと光１５２ｄとに分岐され、光１５２ｃにおける電場Ｅ６、光１５２ｄにおける電場Ｅ７は、数１６、数１７に示す式で表される。
【００６１】
【数１４】
2011044204.tif 000016
【００６２】
【数１５】
2011044204.tif 000017
【００６３】
【数１６】
2011044204.tif 000018
【００６４】
【数１７】
2011044204.tif 000019
ここで、数１４におけるＰ１、数１５におけるＰ２は、偏光子を表すジョーンズ行列であり、例えば、数１８、数１９に示す式で表される。尚、γ、δは強度の係数を示す。
【００６５】
【数１８】
2011044204.tif 000020
【００６６】
【数１９】
2011044204.tif 000021
また、数１６におけるＰ３、数１７におけるＰ４は、偏光子を表すジョーンズ行列であり、例えば、数２０、数２１に示す式で表される。尚、ε、ηは強度の係数を示す。
【００６７】
【数２０】
2011044204.tif 000022
【００６８】
【数２１】
2011044204.tif 000023
数１８及び数１９に示す式を用い、α、β、γ、δ、ε、ηを１とした場合、電場Ｅ４、Ｅ５、Ｅ６及びＥ７により得られる光信号強度Ｉ４、Ｉ５、Ｉ６及びＩ７は、以下のように、表すことができる。
【００６９】
Ｉ４＝（１＋Ａ２−２ＡｃｏｓΔφ）／４、
Ｉ５＝（１＋Ａ２＋２ＡｃｏｓΔφ）／４、
Ｉ６＝（１＋Ａ２−２ＡｓｉｎΔφ）／４、
Ｉ７＝（１＋Ａ２＋２ＡｓｉｎΔφ）／４、
上記光信号強度Ｉ４、Ｉ５、Ｉ６及びＩ７に基づき、下記の演算を行うことにより、Ａ倍に増強された信号Ｓｉｇを検出することができる。
【００７０】
Ｓｉｇ＝｛（Ｉ４−Ｉ５）２＋（Ｉ６＋Ｉ７）２｝１／２
＝｛（ＡｃｏｓΔφ）２＋（ＡｓｉｎΔφ）２｝１／２
＝Ａ
これより、偏光位相分離素子を透過した４つの光それぞれを検出し、更に、演算機能を有する光検出器を備えることで、信号Ｓｉｇを高い感度で検出することができる。そして、偏光位相分離素子と光検出器と、を含む光検出装置により高いＳ／Ｎ比を得ることができる。
【００７１】
次に、図６に偏光性回折格子１３０の具体的な構成として断面模式図を示す。この偏光性回折格子１３０は、図５にも示すように、第１の領域１３１と第２の領域１３２を有している。また、偏光性回折格子１３０は、図６に示すように、第１の領域１３１には、断面がブレーズ形状または、ブレーズ形状を階段状に近似した擬似ブレーズ形状を有し、高分子液晶からなる第１の複屈折性材料層１３３と、等方性材料が、第１の複屈折性材料層１３３の凹凸を平坦化するように配置されてなる第１の等方性材料層１３５とが、透明基板１３７及び透明基板１３８に挟持される構造を有する。尚、第２の領域１３２には、第１の等方性材料層１３５のみが透明基板１３７及び透明基板１３８に挟持される構造を有する。
【００７２】
また、第１の複屈折性材料層１３３の配向方向（遅相軸）は、図５のＸ−Ｙ平面において、Ｘ軸より４５°の角度をなす方向となる。尚、第１の等方性材料層１３５を構成する等方性材料の屈折率をｎｓ１とするとき、等方性材料は、高分子液晶の常光屈折率ｎｏまたは異常光屈折率ｎｅ（ｎｏ≠ｎｅ）のいずれか一方に略一致する材料によって構成する。尚、偏光性回折格子として、断面が（擬似）ブレーズ形状とすると、透過または回折して分岐する光の利用効率を高くできる点で好ましいが、これに限らず矩形状の周期的凹凸を有するものであってもよい。
【００７３】
また、第２の領域１３２には、断面がブレーズ形状または、ブレーズ形状を階段状に近似した擬似ブレーズ形状を有し、コレステリック相高分子液晶からなる第２の複屈折性材料層１３４と、等方性材料が、第２の複屈折性材料層１３４の凹凸を平坦化するように配置される第２の等方性材料層１３６とが、透明基板１３８及び透明基板１３９に挟持される構造を有する。尚、第１の領域１３１には、第２の等方性材料層１３６のみが透明基板１３８及び透明基板１３９に挟持される構造を有する。
【００７４】
また、第２の複屈折性材料層１３４を構成するコレステリック相高分子液晶は、液晶分子が厚さ方向に１０回転以上螺旋しているものである。コレステリック相高分子液晶は、入射する光の波長λが螺旋ピッチＰとコレステリック相高分子液晶の屈折率ｎ（λ）との積と同程度の場合、螺旋軸方向と平行に入射する光のうち、液晶分子のねじれ方向と同じ回転方向となる円偏光がほぼ反射され、逆向きの回転方向となる円偏光はほぼ透過する円偏光依存性を有する。この反射特性を示す波長帯域の中心波長λ０（以下、選択反射波長という）は、螺旋ピッチをＰ、液晶の常光屈折率をｎｏ、異常光屈折率をｎｅとすると、
λ０＝（ｎｅ＋ｎｏ）×Ｐ／２
の関係で表すことができ、また、反射帯域幅Δλは、
Δλ＝｜ｎｅ−ｎｏ｜×Ｐ
の関係で表すことができる。尚、この（λ０±Δλ／２）を反射波長帯域という。
【００７５】
このことから、反射波長帯域の光が、液晶分子の螺旋軸方向と平行する方向に進行し液晶分子のねじれ方向と同じ回転方向となる円偏光である場合、コレステリック相高分子液晶は反射作用を有する。反射波長帯域の反射率は、コレステリック相高分子液晶内部の螺旋ピッチ数に依存する。螺旋ピッチ数は液晶分子の回転数で表し、１０回転を超える螺旋ピッチ数では厚さに依存せず反射波長帯域でほぼ一様に高い反射率を示す。
【００７６】
図７は、コレステリック相高分子液晶の屈折率の波長依存性を示す特性図である。例として液晶分子のねじれ方向が、光の進行方向に対して右回りであるとして説明する。この場合、右回りの円偏光の光が入射すると、反射波長帯域の近傍において屈折率の変化が大きくなる。なお、直線偏光の光が入射した場合であっても、直線偏光の光のうち、右回りの円偏光の光の成分に対して上記のような作用を生じる。一方、左回りの円偏光の光に対して反射波長帯域を有さないので、大きな屈折率の変動は生じない。このとき、波長λの右回りの円偏光に対する屈折率をｎＲ（λ）、左回りの円偏光に対する屈折率をｎＬ（λ）とし、円偏光屈折率異方性ΔｎＣ（λ）＝｜ｎＲ（λ）−ｎＬ（λ）｜とする。
【００７７】
このとき、反射波長帯域の近傍では、０ではないΔｎＣを有する。また、反射波長帯域から大きく離れた波長の光が入射すると、ΔｎＣがほぼ０となるため、円偏光屈折率異方性が発現しなくなる。この反射波長帯域は、螺旋ピッチＰを調整することによって制御することができる。この場合、不斉炭素を有するネマチック液晶やネマチック液晶にカイラル剤を添加してコレステリック相液晶を構成するが、このカイラル剤の添加量を調整して反射波長帯域を決定することができる。
【００７８】
図７に示すように、反射波長帯域より短波長側においてΔｎＣ（＞０）の値の波長依存性が小さく安定した領域があり、例えば、対象とする光の波長λＡをこの領域付近に合わせるように波長λＡよりも長波長側に反射波長帯域を設定することもできる。また、対象とする光の波長λＡを反射波長帯域内に設定して高いてΔｎＣを得ることもできるが、一方の円偏光の光の反射率が大きくなり、光利用効率が低減するので、対象とする光の波長λＡは反射波長帯域より外側に設定することが好ましい。
【００７９】
次に、第２の複屈折性材料層１３４の凹凸を平坦化するように配置される第２の等方性材料層１３６について説明する。第２の等方性材料層１３６を構成する等方性材料の屈折率をｎｓ２は、等方性材料は、コレステリック相高分子液晶の右回り円偏光に対する屈折率ｎＲまたは左回り円偏光に対する屈折率をｎＬ（ｎＲ≠ｎＬ）のいずれか一方に略一致する材料によって構成する。尚、偏光性回折格子として、断面が（擬似）ブレーズ形状とすると、透過または回折して分岐する光の利用効率を高くできる点で好ましいが、これに限らず矩形状の周期的凹凸を有するものであってもよい。また、第１の複屈折性材料層１３３および第２の複屈折性材料層１３４は、凸条となる部分が＋Ｙ方向に厚くなるような（擬似）ブレーズ形状の傾きを有するが、逆の傾きを有するものであってもよく、さらに、光学軸の方向が４５°方向であれば、Ｘ−Ｙ平面において第１の複屈折性材料層１３３および第２の複屈折性材料層１４４の長手方向が任意の方向に揃うものでもよい。
【００８０】
尚、図６に示すように、第１の領域１３１と第２の領域１３２は、無偏光回折格子１２０で分岐した２つの光１５１ａ、１５１ｂがそれぞれ入射するように配置されていれば、第１の領域１３１と第２の領域１３２の形状やこれらの領域の境界線がどのようなものであってもよい。また、第１の複屈折性材料層１３３と第１の等方性材料層１３５との組み合わせ、第２の複屈折性材料層１３４と第２の等方性材料層１３６との組み合わせは、それぞれ分けて、複数の層を構成しているが、例えば、第１の等方性材料層１３５の等方性材料の屈折率ｎｓ１と、第２の等方性材料層１３６の等方性材料の屈折率ｎｓ２と、を一致させる条件が成立する場合、偏光性回折格子１３０の構成をより単純化できる。つまり、第２の複屈折材料層１３４を、透明基板１３８上に配置させて、第１の等方性材料層１３５で凹凸を平坦化させる１層の構造とすることもできる。
【００８１】
尚、第１の複屈折性材料層１３３として高分子液晶をブレーズ状に形成する方法としては、透明基板１３８上に高分子液晶膜を成膜した後、フォトリソグラフィとエッチング加工を繰り返すことにより形成することが可能である。また、高分子コレステリック相液晶１３４をブレーズ状に形成する方法としては、透明基板１３９上に高分子コレステリック相液晶膜を成膜した後、フォトリソグラフィとエッチング加工を繰り返すことにより形成することが可能である。
【００８２】
次に、本実施の形態における偏光分離素子１１０の入射角度依存性について説明する。図８は、本実施の形態における偏光分離素子１１０の偏光性回折格子１３０の第１の領域１３１において生じる回折光の回折効率および、第２の領域１３２において生じる回折光の回折効率の入射角度依存性を計算した結果である。第１の領域１３１において、第１の等方性材料層１３５を構成する等方性材料の屈折率ｎｓ１が、第１の複屈折性材料層１３３である高分子液晶の常光屈折率ｎｏに略一致する。そして、第２の領域１３２において、第２の等方性材料層１３６を構成する等方性材料の屈折率ｎｓ２が、第２の複屈折性材料層１３４であるコレステリック相高分子液晶の左回り円偏光の屈折率ｎＬに略一致する。つまり、第１の領域１３１において、異常光屈折率となる方向の直線偏光の光で入射する光は回折させ、常光屈折率となる方向の直線偏光の光で入射する光は透過させる。また、第１の領域１３２において、右回りの円偏光の光で入射する光は回折させ、左回りの円偏光の光で入射する光は透過させる。
【００８３】
具体的に、第１の複屈折性材料層１３３は、常光屈折率ｎｏが１．５２、異常光屈折率ｎｏが１．５７のネマッチック液晶からなり、回折格子ピッチ１０μｍで、断面形状が、ブレーズ形状を１６段で各段の高さが０．５μｍとなる階段形状に近似した擬似ブレーズ形状を考える。また、第２の複屈折性材料層１３４は、左回りの円偏光の屈折率ｎＬが１．６４０、右回りの円偏光の屈折率ｎＬが１．６２７、のコレステリック液晶からなり、回折格子ピッチ１０μｍで、断面形状が、ブレーズ形状を８段で各段の高さが３．９μｍとなる階段形状に近似した擬似ブレーズ形状を考える。尚、コレステリック相液晶に用いた液晶のネマッチック相における常光屈折率は１．５５、異常光屈折率は１．７５とし、コレステリックのカイラルピッチを０．３６μｍとし、左右の円偏光の屈折率はド・フリース方程式を用いて計算した。また、回折格子の計算にはRigorous Coupled Wave Analysis（ＲＣＷＡ）法を用いた。図８のように、入射角度が９°〜１１°の範囲において、それぞれの回折効率の入射角度依存性はほとんどみられない。
【００８４】
このように、本実施の形態における偏光位相分離素子１１０は、無偏光回折格子１２０と偏光性回折格子１３０により構成されているため、入射角度の依存性が小さく、所望の位相差を有する偏光状態で互いに異なる４つの方向に進行する光に分離することができる。さらに、組立等の製造コストを低減させることができる。
【００８５】
〔光ヘッド装置の実施の形態〕
次に、光ヘッド装置の実施の形態について説明する。本実施の形態は、第１の実施の形態における偏光位相分離素子１０または、第２の実施の形態における偏光位相分離素子１１０を有する光ヘッド装置である。
【００８６】
図９に、本実施の形態における光ヘッド装置の構成を示す。本実施の形態における光ヘッド装置２１０において、光源２１１から出射された光は、互いに直交する直線偏光であるｐ偏光とｓ偏光との光量比が所定の値となるように偏光面を調整して配置された１／２波長板２１２に入射する。偏光ビームスプリッタ２１３はｓ偏光の光は反射し、ｐ偏光の光は直進透過する偏光依存性を有する。そして、偏光ビームスプリッタ２１３に入射するｓ偏光の光は光ディスク２１７側へ偏向され、ｐ偏光の光は直進するよう偏光成分毎に光が分岐される。偏光ビームスプリッタ２１３によって偏向されたｓ偏光の光は、コリメータレンズ２１４によって平行光となり、１／４波長板２１５によって円偏光の光となった後、対物レンズ２１６によって光ディスク２１７に照射される。光ディスク２１７に照射された光は、光ディスク２１７の情報記録面で反射され、逆回りの円偏光の光となり、対物レンズ２１６を介し、１／４波長板２１５によりｐ偏光の光となり、コリメータレンズ２１４及び、偏光ビームスプリッタ２１３を直進透過し、偏光ビームスプリッタ２２１に入射する。
【００８７】
一方、光源２１１からの光のうち、偏光ビームスプリッタ２１３を直進透過するｐ偏光の光は、コリメータレンズ２１８により平行光となった後、１／４波長板２１９により円偏光の光となり、反射ミラー２２０によって反射される。反射ミラー２２０により反射された光は逆回りの円偏光の光となり、１／４波長板２１９によりｓ偏光の光となり、コリメータレンズ２１８を介し、偏光ビームスプリッタ２１３により偏向され、偏光ビームスプリッタ２２１に入射する。このように、偏光ビームスプリッタ２１３より、偏光ビームスプリッタ２２１側に進行する光として、光ディスク２１７の情報記録面において反射された光（ｐ偏光の光）と、反射ミラー２２０において反射された光（ｓ偏光の光）とが合波される。尚、合波された光のうち、光ディスク２１７の情報記録面において反射された光を信号光とし、反射ミラー２２０において反射された光を参照光とする。
【００８８】
偏光ビームスプリッタ２２１は、ｓ偏光の光およびｐ偏光の光について一部を透過、一部を反射させる特性を有する。そして、偏光ビームスプリッタ２２１においては、合波された光のうち信号光の一部が直進透過し、サーボ用光検出器２２２に入射する。光ヘッド装置２１０では、不図示のフォーカスエラーサーボ、トラッキングエラーサーボを有しており、サーボ用光検出器２２２により検出される光量に基づきフォーカスエラーサーボ、トラッキングエラーサーボが制御される。一方、偏光ビームスプリッタ２２１において偏向された信号光と参照光は、偏光位相分離素子１０または偏光位相分離素子１１０により、進行方向が異なる４つの光に分離され、再生信号用光検出器２２４に入射する。再生信号用光検出器２２４に入射した光信号は、不図示の演算回路により演算が行われた後、再生信号として出力される。尚、上記反射ミラー２２２に代えて、コーナービームスプリッタ等を用いてもよい。
【００８９】
本実施の形態における光ヘッド装置は、第１の実施の形態における偏光位相分離素子１０または第２の実施の形態における偏光位相分離素子１１０を用いているため、光学設計の自由度が大きく、とくに発散光または収束光の光路中に配置した場合でも、入射角度依存性が小さく安定したホモダイン検出を用いた光ヘッド装置を得ることができる。
【００９０】
〔光通信装置の実施の形態〕
次に、光通信装置の実施の形態について説明する。本実施の形態は、第１の実施の形態における偏光位相分離素子１０または、第２の実施の形態における偏光位相分離素子１１０を有する光通信装置である。本実施の形態における光通信装置３１０は、偏光ビームスプリッタ３１１、偏光位相分離素子１０または偏光位相分離素子１１０、光検出器３１３を有しており、偏光ビームスプリッタ３１１は、ｐ偏光の光を直進させ、ｓ偏光の光を偏向させる機能を有している。
【００９１】
図１０に示す光通信装置３１０には、信号光３１４を入射させるための信号光用光ファイバ３１５と、参照光３１６を入射させるための参照光用光ファイバ３１７とが接続されている。信号光用光ファイバ３１５からは強度及び位相が変調された信号光３１４が入射されている。尚、参照光３１６は、不図示の局部発振器からの光を用いてもよく、また、信号光と同一光源からの光を用いてもよい。信号光３１４と参照光３１６は、偏光ビームスプリッタ３１１に各々異なる方向より入射させることにより合波される。即ち、信号光３１４と参照光３１６との入射方向は異なり、信号光３１４のうちｐ偏光成分は偏光ビームスプリッタ３１１において直進透過し、参照光３１６のうちｓ偏光成分は偏光ビームスプリッタ３１１により偏向される。これにより、信号光３１４のｐ偏光成分の光と参照光３１６のｓ偏光成分の光は合波されて、偏光位相分離素子１０（１１０）に入射する。偏光位相分離素子１０（１１０）に入射した光は、４つの光に分岐され、光検出器３１３に入射し強度が検出される。尚、偏光分離素子１０は、第２の実施の形態における偏光分離素子１１０を用いてもよい。
【００９２】
ここで、光検出器３１３に入射する分岐された４つの光における光信号強度Ｉ４、Ｉ５、Ｉ６及びＩ７は、第１の実施の形態に示す偏光位相分離素子１０を用いると、以下のようになる。
【００９３】
Ｉ４＝（１＋Ａ２−２ＡｃｏｓΔφ）／４、
Ｉ５＝（１＋Ａ２＋２ＡｃｏｓΔφ）／４、
Ｉ６＝（１＋Ａ２＋２ＡｓｉｎΔφ）／４、
Ｉ７＝（１＋Ａ２−２ＡｓｉｎΔφ）／４、
ここで、例えば、Δφの値が、０、π／２、π、３π／２の４値である場合、光検出器３１３が、Ｉ４−Ｉ５の演算、Ｉ７−Ｉ６の演算を行う機能を有するとすると、Ｓｉｇ１＝Ｉ４−Ｉ５＝ＡｃｏｓΔφ、Ｓｉｇ２＝Ｉ７−Ｉ６＝ＡｓｉｎΔφより、下記に基づき、Δφの値を知ることができる。
【００９４】
Δφ＝０の場合、（Ｓｉｇ１、Ｓｉｇ２）＝Ａ（１、０）、
Δφ＝π／２の場合、（Ｓｉｇ１、Ｓｉｇ２）＝Ａ（０、１）、
Δφ＝πの場合、（Ｓｉｇ１、Ｓｉｇ２）＝Ａ（−１、０）、
Δφ＝３π／２の場合、（Ｓｉｇ１、Ｓｉｇ２）＝Ａ（０、−１）、
以上より、位相情報を検知することが可能な小型で組立等の製造が容易な光通信装置３１０を得ることができる。
【実施例】
【００９５】
実施例として、偏光位相分離素子１０を光ヘッド装置に配置した場合について説明する。図１１は、図９の光ヘッド装置２１０のうちコリメータレンズ２１４（または２１８）および偏光位相分離素子１０、再生信号用光検出器２２４について示したものであり、偏光ビームスプリッタ２１３および２２１については図示していない。光源から出射され光ディスクによって反射された信号光はコリメータレンズ２１４によって集光光となり、光源から出射され反射ミラー２２０によって反射された参照光はコリメータレンズ２１８によって集光光となる。２つの光は図示しない偏光ビームスプリッタ２２１によって合波され、偏光位相分離素子１０によって４つの光に分岐され、再生信号用光検出器２２４に至る。
【００９６】
光の波長を４０５ｎｍ、ビーム径を２ｍｍφ、コリメータレンズ２１４からの焦点距離を１５ｍｍとし、再生信号用光検出器２２４から光軸に沿った方向にそれぞれ５．８ｍｍ、３．８ｍｍ、３．２ｍｍの位置に無偏光回折格子２０、波長板３０、偏光性回折格子４０を配置する。
【００９７】
無偏光回折格子２０は厚さ２ｍｍの石英ガラス基板の平面上に、Ｘ軸方向が長手方向でＹ軸方向に周期的な凹凸加工を行った回折格子であり、周期的な凹凸構造のピッチが２．３μｍ、凹凸の深さが４２２ｎｍとなるように加工する。石英ガラスの屈折率を１．４８とすると、波長４０５ｎｍの光に対して、±１次回折効率は４０％、０次回折効率は略０％となる。このようにして、光線を追跡すると厚さ２ｍｍの石英ガラス基板を通過後、＋１次回折光と−１次回折光は空間的に重ならなくなる。
【００９８】
波長板３０は図２（ｂ）の波長板７０と同様の構造を有しており、厚さ０．３ｍｍの一対の石英ガラス基板で高分子液晶を挟持した構造となっている。一対の石英ガラス基板は第１の領域７１、第２の領域７２に対してそれぞれ垂直配向処理、Ｙ方向が異常光方向となるような水平配向処理がなされ、配向処理を施した平面を対向させるように重ね、その空隙を液晶で満たすようにする。高分子液晶の異常光屈折率を１．５７、常光屈折率を１．５２とし、高分子液晶の厚さを２μｍとする。このとき垂直配向をした第１の領域７１ではＸ軸方向、Ｙ軸方向の直線偏光に対して位相差が発生せずに、第２の領域７２ではＸ軸方向、Ｙ軸方向の直線偏光に対してπの位相差が発生する。第１の領域に対しては無偏光回折格子による＋１次回折光が入射し、第２の領域に対しては−１次回折光が入射するので−１次回折光はＸ軸方向とＹ軸方向の直線偏光に対してπの位相差が与えられる。
【００９９】
偏光性回折格子４０は厚さ０．３ｍｍの石英ガラス基板（Ｘ−Ｙ平面）上でＸ軸方向から４５度方向に配向した高分子液晶を１６段の擬似ブレーズ形状とし、充填材によって厚さ０．３ｍｍの石英ガラス基板と貼り合わせる。高分子液晶の異常光屈折率を１．５７、常光屈折率を１．５２、充填材の屈折率を１．５２とする。ブレーズ形状は長手方向がＸ軸方向で、Ｙ軸方向に対して周期的に配置され、回折格子ピッチは１０μｍ、ブレーズの各段の高さは０．５μｍである。ＲＣＷＡ法によって回折効率を計算すると、このとき常光屈折率となる方向と同一方向の直線偏光した光が入射した場合には回折せずに直進透過し、異常光屈折率となる方向の直線偏光が入射した場合には１次回折効率が９０％となる。
【０１００】
以上のように偏光位相分離素子１０に入射した光５０は４つの光束５３ａ、５３ｂ、５３ｃ、５３ｄの４つの光束に分岐され、再生信号用光検出器２２４に照射される。再生信号用光検出器２２４によって得られた信号に対し、演算を行うことによってＳ／Ｎ比の高い再生信号を得ることができる。
【符号の説明】
【０１０１】
１０        偏光位相分離素子
２０        無偏光回折格子
３０、６０  波長板
３１、６１  第１の領域
３２、６２  第２の領域
４０        偏光性回折格子
４０ａ      光学軸
４２、４３、６５、６６  透明基板
４４        複屈折性材料層
４５        等方性材料層
５０、５１ａ、５１ｂ、５２ａ、５２ｂ、５３ａ、５３ｂ、５３ｃ、５３ｄ    光
６３        等方性材料
６４        高分子液晶
【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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