(57)【要約】【課題】従来の素子では分岐数・分岐比率を任意に制御可能で小型な素子を提供することを課題とする。【解決手段】本発明のビームスプリッタは、基板上に形成された複数の二値構造体を有しており、複数の二値構造体は入射光の波長以下の間隔となる周期構造であり、屈折率の空間分布が正弦波形状になるように二値構造体の寸法（横方向の幅、縦方向の幅、及び高さ）や間隔を制御していることを特徴とする。【選択図】図２
2019113625.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上の複数の二値構造体と、
を有する光学素子において、
前記複数の二値構造体は入射光の波長以下の間隔となる周期構造であり、屈折率の空間分布が正弦波状または余弦波状になるように、前記複数の二値構造体の幅及び高さ及び前記間隔が制御されていることを特徴とする光学素子。
【請求項２】
前記幅は、第１の方向に配列された前記二値構造体の幅であり、
前記二値構造体は、前記第１の方向と垂直な方向の第２の方向に幅を有し、
前記屈折率の空間分布が前記正弦波状または前記余弦波状になるように、前記第１の方向の幅、前記第２の方向の幅及び高さが制御されていることを特徴とする請求項１に光学素子。
【請求項３】
前記屈折率の空間分布に鋸状の屈折率の空間分布を重畳したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光学素子。
【請求項４】
前記基板を垂直な方向から見た際に、前記複数の二値構造体が配列している第１の方向の幅が第２の方向に沿って変調しており、
前記第１の方向に垂直な第３の方向の幅が第４の方向に沿って変調していることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の光学素子。
【請求項５】
前記第２の方向と前記第４の方向は一致していることを特徴とする請求項４に記載の光学素子。
【請求項６】
前記第３の方向の幅の変調量は０であることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の光学素子。
【請求項７】
前記基板を垂直な方向から見た際に、前記複数の二値構造体は前記第１の方向および前記第３の方向を軸として線対称となる構造であることを特徴とする請求項４乃至６のいずれか一項に記載の光学素子。
【請求項８】
前記正弦波状または前記余弦波状の屈折率分布の振幅をＡ、前記複数の二値構造体のうち一つの高さをｈ、前記入射光の波長をλとするとき、２．１ radian <= Ａ×２×π×ｈ／λ<= ２．７ radianを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の光学素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信、光情報処理、レーザ加工装置、レーザ記録装置、表示装置、画像形成装置等に用いられる光学素子に関し、特に、光束の分割・重ね合わせおよび偏光分離の機能、あるいはこれらの複合機能を有する微小光学素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
光束を複数に分割する、または複数の光束を重ね合わせる機能を有する光ビームスプリッタは、様々な装置の光学系に利用されている。代表的な応用例として、光ディスク読み取り装置における光学ピックアップ、カメラ等のイメージングデバイスにおける焦点検出や物体輝度検出、レーザ加工装置・レーザ走査型顕微鏡におけるマルチビームの形成、光通信機器や測定機器における干渉光学系が挙げられる。近年、このような装置の光学系に対する小型化・集積化および低コスト化の要求が強くなっている。
【０００３】
従来の光ビームスプリッタとして、図９（ａ）に示すようなキューブ型ビームスプリッタ９００ａが知られている。キューブ型ビームスプリッタ９００ａは二個の直角プリズムにより構成され、一方のプリズムの斜面に光学薄膜９０１ａ（一般的に誘電体多層膜や金属薄膜）をコーティングすることで、光の透過率および反射率を制御し、光束の分割・重ね合わせを実現する。キューブ型ビームスプリッタ９００ａは、０°入射のため光軸調整等のアライメントが容易であり、また光学薄膜の経年劣化が少ないため、様々な光学系に広く利用されている。一方で、キューブ型構成のため素子サイズが大きく、光学系の小型化・集積化に適した素子ではない。さらに、光束を二分岐する機能しか有していないため、レーザ加工装置やレーザ走査型顕微鏡等に適用可能なマルチビームを生成するには、複数の素子を重ね合わせる必要があり、光学系は肥大化する傾向にある。以上の問題は、多くの装置で必要とされる光学系の小型化・集積化を考えると、実用上の障害となる。
【０００４】
同様に、図９（ｂ）に示すようなプレート型ビームスプリッタ９００ｂは既知の技術である。一般的に、プレート型ビームスプリッタは薄い平板ガラス上に光学薄膜９０1ｂ（一般的に誘電体多層膜や金属薄膜）をコーティングすることで、光束の分割・重ね合わせを実現する。プレート型はキューブ型に比べ素子サイズ自体は小さくすることができるが、４５°の入射角で設計することが多いため、光学系における占有体積が大きく（一般的な用途の場合、占有体積はキューブ型と大きな差はない）かつ光軸調整等のアライメントが複雑になるため、光学系の小型化・集積化に適した素子ではない。また、透過光の屈折によるビームシフトに起因する光軸のズレという問題も存在する。さらに、キューブ型と同様に、光束を二分岐する機能しか有していないため、マルチビームを生成するには、複数の素子を重ね合わせる必要があり、光学系は肥大化する傾向にある。
【０００５】
以上は、光学薄膜による光の透過率および反射率の制御を用いて光束の分割・重ね合わせの機能を実現する光学素子について述べた。一方で、光の回折現象を利用することで、光束の分割・重ね合わせを実現することが可能である。図 ９（ｃ）に示すような凹凸パターンをもつバイナリ回折格子９００ｃは、最も広く利用されている回折光学素子であり、基板表面に微細な周期構造を設けることで回折現象を生じさせることができる。回折格子に０°入射した光（１次回折光９０２ａ）は、回折格子の周期によって決定される回折次数の数および各次数の回折角度に従って、＋１次回折光９０３ａ, −１次回折光９０３ｂ, ＋２次回折光９０４ａ,及び −２次回折光９０４ｂのように、異なる方向に分岐して伝搬する。この回折現象により、光束の分割・重ね合わせが可能となる。なお、回折現象を基礎としているため、波長分散性を有しており、単色性の高い光が使用される光学系への適用が最も適している。一般に回折光学素子は、光学薄膜による素子に比べて、小型でかつ占有体積も小さいため、光学系の小型化・集積化に適している。また、回折次数の数は回折格子周期によって決定されるため、奇数の分岐数（三分岐以上）であれば任意に設計することができ、多分岐のビームスプリッタを実現することができる。さらに、回折格子周期を入射光の波長スケールとすることで、大きな回折角度を得ることができ、透過した光束を完全に分離するために必要な伝搬距離を大幅に短縮することが可能なため、光学系の小型化に貢献することができる。一方で、各回折次数における回折効率を制御するには、基板表面における入射光の位相パターンを精密に制御する必要があると考えられるが、このような制御は一般的な回折格子では困難であり、任意の分岐比で光束を分割することは難しい。また同様の理由で、任意の回折次数の回折光を除去することは困難であり、用途が多い二分岐のビームスプリッタ等の偶数の分岐数を設計することが困難である。
【０００６】
任意の光束分岐数でかつ同分岐比をもつ特殊な回折格子として、ダンマン回折格子が知られている。ダンマン回折格子は、透過する領域に応じて入射光の位相差がπとなるような二値のバイナリ構造パターンで構成され、これまでに分岐数に応じた格子パターンが見出されている（非特許文献１）。しかし、これらの既知の格子パターンを、光学系の小型化に必要な大きな回折角度を得ることが可能となる波長スケールの回折格子周期に適用しようとすると、微小なバイナリ構造による局所的な光共鳴や散乱現象の影響が大きくなり、所望の回折特性を得ることが困難になる。これらの問題を解決するには、格子パターンの精密な微調整が必要であり、非常に複雑な設計手法および精密な製作手法が必要となる。また、既知の格子パターンでは任意の分岐比を設計することは困難である。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】C. Zhou and L. Liu，Numerical study of Dammann array illuminators, Applied Optics 34, 5961 (1995)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記のように、従来のビームスプリッタにおいて、キューブ型・プレート型ビームスプリッタは、光学系における素子として占有体積が大きく、光学系の小型化・集積化に適した素子ではない。また、従来の回折格子は、占有体積が小さく多分岐も可能なため、光学系の小型化・集積化に適しているものの、分岐数および分岐比の設計が困難であり、この課題は大きな回折角度を得ることが可能となる波長スケールの回折周期でより顕著な傾向にあった。したがって、従来は、小型化および集積化を考慮しつつ、任意の光束分岐数・分岐比で光を分割することができる光学素子については、未だに有効な提案がなされていないのが実情であった。
【０００９】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、分岐数を任意に設計することができ、その分岐比を制御することが可能で、小型化・集積化が可能な光ビームスプリッタを提供することにある。
【課題を解決する手段】
【００１０】
上記の課題を解決するために、本発明では、基板上に配置した周期が入射光の波長以下の微細周期構造を用いて、実効的な屈折率を基板上の位置によって変化させ、その屈折率分布を正弦波状または余弦波状とすることにより、回折型光ビームスプリッタを実現する。
【００１１】
本発明の光学素子の一様態は、基板と、前記基板上の複数の二値構造体と、を有する光学素子において、前記複数の二値構造体は入射光の波長以下の間隔となる周期構造であり、屈折率の空間分布が正弦波状または余弦波状になるように、前記複数の二値構造体の寸法及び前記間隔が制御されていることを特徴とする。本明細書において、寸法とは、二値構造体の高さ、及び基板上の上方から見た二値構造体の横方向の幅を意味している。さらに、寸法は、基板上の上方から見た二値構造体の縦方向の幅を意味していてもよい。
【００１２】
前記屈折率の空間分布に鋸状の屈折率の空間分布を重畳したことを特徴とする。
【００１３】
前記基板を垂直な方向から見た際に、前記複数の二値構造体が配列している第１の方向の幅が第２の方向に沿って変調しており、前記第１の方向に垂直な第３の方向の幅が第４の方向に沿って変調していることを特徴とする。
【００１４】
前記第２の方向と前記第４の方向は一致していることを特徴とする。
【００１５】
前記第３の方向の幅の変調量は０であることを特徴とする。
【００１６】
前記基板を垂直な方向から見た際に、前記複数の二値構造体は前記第１の方向および前記第３の方向を軸として線対称となる構造である。
【００１７】
前記正弦波状または前記余弦波状の屈折率分布の振幅をＡ、前記複数の二値構造体のうち一つの高さをｈ、前記入射光の波長をλとするとき、２．１ radian <= Ａ×２×π×ｈ／λ<= ２．７ radianを特徴とする。
【００１８】
前記正弦波状または前記余弦波状の屈折率分布の振幅をＡ、前記複数の二値構造体のうち一つの高さをｈ、前記入射光の波長をλとするとき、１．２ radian <= Ａ×２×π×ｈ／λ <= １．６ radianを特徴とする。
【００１９】
前記正弦波状または前記余弦波状の屈折率分布の振幅をＡ、前記複数の二値構造体の高さをｈ、前記入射光の波長をλとするとき、３．５ radian <= Ａ×２×π×ｈ／λ <= ４．１ radianを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、分岐数を任意に設計することができるとともに、その分岐比を制御することが可能で、かつ大きな回折角度を有する回折型光ビームスプリッタを作製することができ、様々な装置の光学系の小型化・集積化を可能にする。または、偏光分離機能を付加することができるため、偏光情報を扱う装置の小型化・集積化においても有用である。さらに、通常のリソグラフィの方法で容易に製作することができるとともに、同一のまたは異なる特性の光ビームスプリッタを平面上に複数集積化できるという効果があり、光学設計上の自由度が広がる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】（ａ）基板上の位置と光波面の位相値との関係を示す図である。（ｂ）正弦波状位相分布の振幅と回折効率との関係を示す図である。（ｃ）基板上の位置と光波面の位相値との関係を示す図である。（ｄ）正弦波状位相分布の振幅と回折効率との関係を示す図である。
【図２】（ａ）微細構造として、基板上に配置した微細柱構造アレイを用いた例を示す上面図である。（ｂ）微細構造として、基板上に配置した微細柱構造アレイを用いた例を示す断面図である。（ｃ）微細構造の柱の幅と光の透過率Ｔとの関係を示す図である。
【図３】（ａ）光ビームスプリッタの一例として、ほぼ同分岐比を有する４分岐ビームスプリッタを形成した例、及び基板上の位置と位相変化量との関係を示す図である。（ｂ）上記の（ａ）の構造における、厳密結合波理論を用いて計算した各回折次数と回折効率とを示す図である。
【図４】（ａ）本実施の形態の上面が長方形である柱構造を用いて偏光ビームスプリッタを形成した例を示す図である。（ｂ）本実施の形態のビームスプリッタを用いて、２つの偏光を分離しつつ分波する方法を示す図である。
【図５】（ａ）本実施の形態の上面が長方形である柱構造を用いて偏光ビームスプリッタを形成した例（図４（ａ）の変形例）を示す図である。（ｂ）本実施の形態のビームスプリッタを用いて、２つの偏光を分離しつつ分波する方法（図４（ａ）の変形方法）を示す図である。
【図６】（ａ）本実施の形態の梁構造アレイの一部を上方から見た図である。（ｂ）本実施の形態の梁構造アレイの一部を側面から見た断面図を示す図である。（ｃ）石英基板上に配置した同一寸法の梁構造の幅と、基板側から光を入射した際の光の透過率Ｔ又は位相変化量φとの関係を示す図である。
【図７】（ａ）本実施の形態の４分岐ビームスプリッタを形成した例、及び基板上の位置と位相変化量との関係を示す図である。（ｂ）厳密結合波理論を用いて計算した各回折次数と回折効率とを示す図である。
【図８】（ａ）梁構造の幅を位置の関数として連続的に変化させ、正弦波状位相分布を形成するような素子の例を示す図である。（ｂ）４分岐・２分岐・３分岐の光ビームスプリッタを上記梁構造で形成した例を示す図である。
【図９】（ａ）従来のビームスプリッタを示す図である。（ｂ）従来のプレート型ビームスプリッタを示す図である。（ｃ）従来の凹凸パターンをもつバイナリ回折格子を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態について詳細に説明する。また、ここで使用される用語「光」および「光学」は、紫外光、可視光および赤外光における波長の電磁波を含むがこれらに制限されない。すなわち、テラヘルツ波、マイクロ波およびミリ波等を含む電波領域への拡張も可能である。
【００２３】
本発明の基本的な考え方となる基板上における光波面の位相分布による回折光の制御の概念を図１に示す。一般に、基板および基板上の周期構造に対して垂直に光が入射する場合、透過光の伝搬方向に沿って基板から十分に離れた位置（フラウンホーファ―近似が成り立つ遠方場）における電磁場分布は、光が構造を透過した直後の電磁場分布関数のフーリエ変換によって求めることができる。ここで、構造を透過した直後の電磁場分布関数が、図１（ａ）に示すような基板上１軸方向に沿って正弦波状（または余弦波状）の周期的な位相分布（光強度一定）をもつ場合を考える。なお、位相分布φは基板上１軸座標をｘ、正弦波の振幅をＡｐ、周期構造の周期をＰ、任意の定数をＣ０とすると、
φ ＝ Ａｐsin(2πx/Ｐ)＋Ｃ０  …（１）
で表される。この場合、遠方場における回折次数ｍ（ｍ：整数）の回折光の強度（回折効率）ηmは、ｍ次の第一種ベッセル関数をJmを用いて、
ηm = Jm2 (Ap)  …（２）
で表される。このとき、入射光の波長をλ、回折角度をθ（-９０°<θ<９０°）とすると、
sinθ＝ ｍ×λ／Ｐ  …（３）
が成り立つ範囲の回折次数ｍの値が存在しうる。図1（ｂ）に様々な回折次数ｍについて、正弦波状位相分布の振幅Ａｐに対する回折効率ηmの値を示す。図から明らかなように、正弦波状位相分布の振幅Ａｐを制御することで、各回折次数における回折効率を変化させることができる。このときＡｐ=１．４４ radian付近の値をとると、０次光と±１次光の回折効率が等しくなる。式（３）から、周期構造の周期Ｐを０次光と±１次光のみが存在する値とすることで、０次光の伝搬方向を分岐対称軸とした、同分岐比を有する３分岐ビームスプリッタを実現することができる。また、Ａｐ＝ ２．４１ radian付近の値をとると、０次光が消滅し、±１次光と±２次光の回折効率がほぼ等しくなる。同様に、式（３）から、周期構造の周期Ｐを０次光と±１次光のみが存在する値とすることで、同分岐比を有する２分岐ビームスプリッタが、周期構造の周期Ｐを０次光、±１次光、±２次光が存在する値とすることで、ほぼ同じ分岐比を有する４分岐ビームスプリッタがそれぞれ実現できる。さらに、Ａｐ＝ ３．８３ radian付近の値をとると、±１次光が消滅し、０次光、±２次光、±３次光の回折効率がほぼ等しくなる。同様に、式（３）から、周期構造の周期Ｐを０次光、±１次光、±２次光が存在する値とすることで、ほぼ同じ分岐比を有する３分岐ビームスプリッタが、周期構造の周期Ｐを０次光、±１次光、±２次光、±３次光が存在する値とすることで、ほぼ同じ分岐比を有する５分岐ビームスプリッタがそれぞれ実現できる。その他にも、正弦波状位相分布の振幅Ａｐと周期構造の周期Ｐの値によって、分岐数および分岐比の様々な組み合わせが実現でき、自由度の高い光ビームスプリッタを実現することができる。
【００２４】
２分岐・４分岐ビームスプリッタを実現するためには、Ａｐ＝ ２．４１ radian付近の値（２．１ radian 以上 ２．７ radian以下）を採用し、正弦波状または余弦波状の屈折率分布の振幅をＡ、二値構造体の高さをｈ、入射光の波長をλとするとき、２．１ radian <= Ａ×２×π×ｈ／λ<= ２．７ radianを満たすことが好ましい。
【００２５】
３分岐ビームスプリッタ実現するためには、Ａｐ＝ １．４４ radian付近の値（１．２ radian 以上 １．６ radian以下）を採用し、正弦波状または余弦波状の屈折率分布の振幅をＡ、二値構造体の高さをｈ、入射光の波長をλとするとき、１．２ radian <= Ａ×２×π×ｈ／λ<= １．６ radianを満たすことが好ましい。
【００２６】
３分岐・５分岐ビームスプリッタ実現するためには、Ａｐ＝３．８３ radian付近の値（３．５ radian 以上 ４．１ radian以下）を採用し、正弦波状または余弦波状の屈折率分布の振幅をＡ、二値構造体の高さをｈ、入射光の波長をλとするとき、３．５ radian <= Ａ×２×π×ｈ／λ<= ４．１ radianを満たすことが好ましい。
【００２７】
上記に加えて、構造を透過した直後の電磁場分布関数が、図１（ｃ)に示すような正弦波状（または余弦波状）の周期的な位相分布に線形の傾き２π/Ｐをもつ周期的な鋸状の位相分布を重畳した場合を考える。なお、位相分布φは、
φ = ２πｘ／Ｐ +Ａｐsin(２πｘ／Ｐ） +Ｃ０  …（４）
で表される。この場合、遠方場における回折次数ｍの回折効率ηmは、
ηm = Jm-12 (Ａｐ)  …（５）
で表される。同様に、線形の傾き−２π／Ｐをもつ周期的な鋸状の位相分布を重畳した場合、遠方場における回折次数ｍの回折効率ηmは、
ηm = Jm+12 (Ａｐ)  …（６）
で表される。図１（ｄ）に線形の傾き２π／Ｐにおける様々な回折次数ｍについて、正弦波状位相分布の振幅Ａｐに対する回折効率ηmの値を示す。図１（ｂ）の場合と比較すると、同一の回折効率の曲線を示すが、対応する回折次数がそれぞれ１ずつずれている。これは、上記で説明したようなビームスプリッタの機能を分岐対称軸（正弦波のみ：０次光の伝搬方向、正弦波+線形傾き：１次光の伝搬方向）を傾けた状態で実現できることを示す。上記は、線形傾きの値を制御することで、所望の回折光の伝搬方向を分岐対称軸とすることができる。このとき、線形の傾きを２πｍ／Ｐとすることで、ｍ次の回折光の伝搬方向に分岐対称軸を設定することができる。例えば、式（６）から明らかなように、線形の傾きを-２π／Ｐとすることで分岐対称軸を−１次光の伝搬方向とすることができる。この機能は、入射光束を偏向させながら分割する際に有用であり、光学設計上の自由度を増やす。
【００２８】
上記のような波長スケールの周期をもつ正弦波状位相分布を基板上に実現する方法として、基板の表面形状の高さの変調または基板上の構造の厚みの変化により光の位相を制御し、所望の位相分布を実現する方法が考えられる。しかし、非常に精度の高い掘削・研磨技術や、非常に高い重ね合わせ精度をもつ複数回のリソグラフィが必要となるなど、現実的に作製が困難であり、また製作コストの上昇が避けられない。一方、光の位相は材料の厚みと屈折率で決定されるため、厚み一定で材料の屈折率の変化のみで位相を制御するアプローチも考えられる。なお、構造を透過した直後の光の位相値φは、入射光の波長をλ、構造高さをｈ、屈折率をｎ、任意の定数をＣ０とすると、
φ=n×2πh/λ+Ｃ０…（７）
で表される。したがって、基板上の位置によって、屈折率ｎを変化させることで、所望の位相分布φを実現することができる。
【００２９】
屈折率を実効的に変化させる手段として、後述する、基板上に配置した少なくとも平面一方向の周期が入射光の波長以下の二値微細構造を用いることが可能である。このような構造は二値のバイナリ構造であるため、作製が容易で、現実的に低コストで作製できる。すなわち、本発明の光ビームスプリッタは、少なくとも平面一方向の周期が入射光の波長以下の二値微細構造の寸法およびパターン分布を変化させることで、実効的な屈折率を基板上の位置によって変化させ、その屈折率分布を正弦波状または余弦波状とすることで、様々な分岐数および分岐比の組み合わせで光を分割することが可能な光ビームスプリッタである。
【００３０】
光ビームスプリッタの機能として、Ｎを２以上の任意整数とした場合、入射光ビームを異なる方向にＮ分岐する機能が本発明により実現可能である。また、同一基板上に、同一機能、または異なる機能の素子を多数配置し集積してもよい。
【００３１】
微細構造の形成には、一般的なリソグラフィやナノインプリントとエッチングの技術によって実現可能である。また、感光現象や型押し、集束イオンビーム加工、化学的な自己組織化現象等、既存の微細加工技術のすべてを用いることができる。また、微細構造は、基板表面に製膜、貼り付け、または塗布等により設けた薄膜層を加工して形成する。なお、微細構造の上部層は空気以外でもよく、例えば、シリコン等で形成された微細構造が石英等に埋め込まれた構成でもよい。
【００３２】
以下に示す実施例や図面において、基板および微細周期構造を形成する材料は、例えば、一般的なガラス材料、石英（ＳｉＯ２）、シリコン（Ｓｉ）が適用でき、入射光を一部でも透過するものであれば何でもよい。なお、基板と微細構造は、同一の材料であっても異なる材料であってもよい。例えば、本発明のビームスプリッタを、光の波長が３８０〜８００ ｎｍの範囲の可視光領域で用いる場合は、基板および微細構造には、ガラス、石英、ＳｉＣ、ＳｉＮ、ＴｉＯ２、ＧａＮ等の材料が、吸収損失が少ないため適している。また、波長が８００〜１０００ ｎｍの範囲の近赤外光に対しては、これらの光に対して低損失な材料として、ガラス、石英、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＳｉＮ、ＴｉＯ２、ＧａＡｓ、ＧａＮ等の材料が適している。さらに長波長体の近赤外領域（通信波長である１．３ μｍや１．５５μｍ等）では、上述の材料に加えて、ＩｎＰ等を用いることができる。さらに、貼り付け、塗布して微細構造を形成する場合、フッ素化ポリイミド等のポリイミド、ＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）、光硬化性樹脂、ＵＶエポキシ樹脂、ＰＭＭＡ等のアクリル樹脂、レジスト全般などのポリマー等が材料として挙げられる。
【００３３】
以下、具体的な例を挙げて、本発明の光ビームスプリッタについて説明する。なお、実地例においては、動作波長１５５０ｎｍとし、材料として、基板に石英、微細構造にシリコン、周囲媒質に空気を用いた場合について示すが、種々変更可能であることは言うまでもない。
【００３４】
[実施の形態１]
微細構造２０１として、基板（下層部）２０２上に配置した微細柱構造アレイ２００を用いた例を図２に示す。図２（ａ）、（ｂ）はそれぞれ、柱構造アレイの一部を上部から見た図および側面から見た断面図である。なお、微細構造２０１の柱構造の周期ｐは、１次以上の回折光が生じないよう、入射光の波長以下であり、正方格子状に配置する。なお、波長以下の間隔であれば、六方格子状等のその他の配置形態でもよい。また、柱上下面は正方形である。
【００３５】
上記の構造では、柱構造を構成する材料の屈折率と周囲媒質の屈折率とのコントラストが低い場合（例えば、可視光帯・近赤外光帯において、微細構造が屈折率１．４５である石英で構成され、周囲媒質が屈折率１の空気の場合などが該当する）、柱構造の周期Ｐが入射光の波長に比べて十分小さい場合に限り、柱構造と周囲媒質から構成される複合構造が均一な媒質として振る舞うという有効媒質近似理論が適用できる。このような構造を透過した光は、柱構造を形成する材料の屈折率よりも小さい屈折率の媒質を透過した場合と同様の位相変化を起こす。したがって、構造幅とその分布状態を変化させることで、屈折率を基板上の位置によって変化させることが可能となる。したがって、バイナリ構造のみで屈折率分布を自由に設計できる。また、柱構造を構成する材料の屈折率と基板および周囲媒質の屈折率とのコントラストが高い場合（例えば、可視光帯・近赤外光帯において、微細構造が屈折率３．４８であるシリコンで構成され、基板が屈折率１．４５である石英、周囲媒質が屈折率１の空気の場合などが該当する）、構造内部における多重光反射により強い光共鳴により、柱構造と周囲媒質から構成される複合構造の比誘電率と比透磁率の変化が生じる。この複合構造の波動インピーダンスと屈折率は、比誘電率と比透磁率の両者から決定されるため、上記共鳴の共鳴状態を構造幅とその分布状態を変化させることで、波動インピーダンスと屈折率を基板上の位置によって変化させることが可能となる。したがって、インピーダンス整合による高い透過率を維持しながら、屈折率分布を自由に設計できる。なお、上記二種類の構造の原理や特徴は、後述する微細梁構造においても同様である。
【００３６】
本実施の形態である[実施の形態１]および後述の実施の形態である[実施の形態２]では、上記の屈折率コントラストにより分類される二種類の構造が微細構造として採用できるが、ここでは比較的構造アスペクト比が小さく作製がより容易である、屈折率のコントラストが高い後者の場合について具体的な例を示す。
【００３７】
構造の具体的な一例として、石英基板上に配置した同一寸法の柱構造に、基板側から光を入射した際の光の透過率Ｔと位相変化量Φを図２（ｃ）に示す。ここでは、周囲の媒質を空気、梁構造の媒質をシリコン、入射光の波長λを１５５０ｎｍ、構造の周期Ｐを６００ｎｍ、高さｈを７００ｎｍとし、柱の幅ｗを１００ｎｍ〜４６０ｎｍの範囲で変化させる。図から明らかなように、柱の幅ｗの変化のみで、９０％以上の透過率を保持しながら、位相変化量を０から２πまで制御可能である。この特性により、反射光を抑制しながら、柱構造の高さ一定のまま、梁の幅ｗの変化のみで入射光波面の位相値（すなわち屈折率）を変化させることが可能となる。したがって、光ビームスプリッタを実現するには、式（１）および式（４）に示したような位相分布に整合するように、順次要求される位相値を有する柱の幅ｗをもつ構造を、基板上に複数配置すればよい。また、ここでは、基板側から光を入射した例を挙げたが、微細構造側（上部層側）から光を入射してもよい。
【００３８】
さらに説明を補足すると、上記では柱上下面が正方形である柱構造を例に挙げたが、円形でもよい。また、柱上下面を長方形や楕円形にすることで、直交する入射偏光に対して異なる位相値を与えることができ、偏光素子を形成することができる。また、構造断面についても、図２（ｂ）に示すような長方形に限らず、同様の光学特性が生じる台形や三角形等の断面形状も微細構造として採用できる。
【００３９】
上記で説明した構造を用いた光ビームスプリッタの一例として、ほぼ同分岐比を有する４分岐ビームスプリッタを形成した例を図３（ａ）に示す。この例では、回折格子の周期Ｐ内を波長以下の柱構造周期ｐで分割し、振幅Ａｐ＝２．４１をもつ正弦波状位相分布に整合するように、それぞれの周期内の柱構造の幅ｗを決定することで、４分岐ビームスプリッタの機能を実現できる。なお、回折格子周期は０次光、±１次光、±２次光が存在する値（Ｐ＝３．６μm）としている。図３（ｂ）は、図３（ａ）の構造において、厳密結合波理論を用いて計算した各回折次数における回折効率である。０次光が大幅に抑制され、±１次光および±２次光がほぼ同効率で回折しており、４分岐ビームスプリッタとして機能していることがわかる。また、図１（ｂ）に示したように、正弦波状位相分布の振幅ＡＰおよび回折格子周期Ｐの設計次第で、任意の分岐数をもつ光ビームスプリッタが実現可能なことは言うまでもない。さらに、図１（ｄ）に示したように、正弦波状位相分布に鋸状の位相分布を重畳することで、分岐対称軸を変えることも可能である。
【００４０】
なお、柱構造周期ｐ内における柱構造の位置に制約はなく、常に柱構造周期ｐ内の中央に配置する場合や、光ビームスプリッタとしての効率が最大となるような配置位置の最適化を行う場合が考えられる。さらに、上記の柱構造は光共鳴を原理とするため、一定の周期性を必要とせず、光ビームスプリッタとしての効率が最大となるような柱構造の数、幅およびその分布の最適化をすることができる。
【００４１】
[実施の形態２]
また、この他にも、上記のような柱構造を用いることで、偏光方向によって分岐する数や方向が異なる偏光ビームスプリッタを形成することができる。一例として、上面が長方形である柱構造を用いて偏光ビームスプリッタを形成した例を図４に示す。上面を長方形とすることで、直交する入射偏光に対して異なる位相値を独立に与えることができる。ここで、図４（ａ）に示すように縦方向の偏光成分に平行な方向の柱の幅をｗ１とすると、縦方向の偏光成分の位相値は、ｗ１によって独立に制御でき、その両者の関係は、図２（ｃ）と同様である。同様に、横方向の偏光成分に平行な方向の柱の幅をｗ２とすると、横方向の偏光成分の位相値は、ｗ2によって独立に制御できる。したがって、例えば、図４（ａ）に示すように縦方向の偏光成分は図中ｘ軸に沿って光束を４分割するように、正弦波状の位相分布を形成させ、横方向の偏光成分に対しては、図中ｙ軸に沿って光束を４分割するように、正弦波状の位相分布を形成させることで、偏光成分に応じて異なる方向へ多分割することが可能になる。また、正弦波位相分布の振幅を変化させることで、偏光方向によって異なる分岐数をもつ偏光ビームスプリッタを実現することも可能である。これらの機能は、キューブ型やプレート型の一般的な偏光ビームスプリッタでは不可能な機能であり、光束分割と偏光分離の機能を集積した光学素子として、光学系の小型化・集積化において有用である。
【００４２】
図４（ｂ）に示すように、２つの偏光を分離しつつ分波するためには以下の４つのパラメータを制御する必要がある。ｗ１（幅）の周期は、偏波１の分波（数）を制御し、ｗ２（幅）の周期は、偏波２の分波（数）を制御し、ｗ１の周期方向は、偏波１の分波方向を制御し、ｗ２の周期方向は、偏波２の分波方向を制御する。これらはすべて独立に制御が可能である。例えば、図４では、ｗ１（点で表された偏光に対応）とｗ２ （網線で表された偏光に対応）の変調周期は同じとして、ｗ１の周期をｘｙ面（紙面）で横方向（ｘ軸方向）に変調して、ｗ２の周期を縦方向（ｙ軸方向）に変調している。すると、網線で表された光も点で表された光も４つに分波されて、点で表された光は横方向（ｘ軸方向）に、網線で表された光は縦方向（ｙ軸方向）に分波される。
【００４３】
図５において、ｗ１は図４と同様でｗ２の幅は一定とする。ｗ１の周期を紙面で横方向（ｘ軸方向）に変調している。すると、点で表された光のみ４つに分波されて、網線で表された光は分波されず真っ直ぐ進む。これらの例では、変調方向をｘｙ面（紙面）で縦横となるようにしているが、この限りではなく、光の進行方向に対し斜めにしても良いし、２つの偏光の変調方向を同じにしてもよい。変調方向を同じにする場合は周期を異なるようにすることで、分波方向は同じになるものの別の位置に光を進行することができる。例えば、点で表された光を４つに分波して、網線で表された光を３つに分波すれば、同じ軸上だが網線で表された光と点で表された光が異なる方向に出射することになる。
【００４４】
基板を垂直な方向から見た際に、第１の方向（ｘ軸方向）に配列された二値構造体の幅が第２の方向（ｙ軸方向）に沿って変調しており、前記第１の方向に垂直な第３の方向に配列された二値構造体幅が第４の方向に沿って変調している。なお、第２の方向と第４の方向は一致していてもよい。 図５のように、前記第３の方向の幅の変調量は０であってもよい。
【００４５】
基板を垂直な方向から見た際に、複数の二値構造体は前記第１の方向および前記第３の方向を軸として線対称となる構造であってもよい。
【００４６】
なお、[実施の形態１]の例と同様に、柱構造周期ｐ内における柱構造の位置に制約はなく、常に柱構造周期ｐ内の中央に配置する場合や、光学素子としての回折効率が最大となるような配置位置の最適化を行う場合が考えられる。さらに、光学素子としての回折効率が最大となるような柱構造の数、幅およびその分布の最適化をすることができる。また、柱上下面は長方形以外にも、同様の特性をもつ楕円形や菱形でもよい。
【００４７】
[実施の形態３]
上記では、波長以下の周期をもつ微細柱構造を用いて、実効的な屈折率の制御により光ビームスプリッタを形成する例であった。次に、上記の構造の一次元的な構造である微細梁構造（一方向の構造幅がもう一方の構造幅に比べて十分に長い直方体構造）による光ビームスプリッタの形成の例を示す。
【００４８】
微細構造として、基板上に配置した微細梁構造アレイを用いた例を図６に示す。図６（ａ）、図６（ｂ）はそれぞれ、梁構造アレイの一部を上部から見た上面図および側面から見た断面図である。微細梁構造アレイは、基板（下層部）６０２と、基板（下層部）６０２上の梁構造６０１からなる。なお、梁構造６０１の周期ｐは、１次以上の回折光が生じないよう、波長以下である。
【００４９】
上記の構造では、[実施の形態１]の微細柱構造と同様に、構造を構成する材料の屈折率と周囲媒質の屈折率とのコントラストが低い場合と高い場合の両方において、構造幅とその分布状態を変化させることで、屈折率を基板上の位置によって変化させることが可能となる。[実施の形態３]および[実施の形態４]では、屈折率コントラストにより分類される二種類の構造が微細構造として採用できるが、ここでは比較的構造アスペクト比が小さく作製がより容易である、屈折率のコントラストが高い後者の場合について具体的な例を示す。
【００５０】
構造の具体的な一例として、石英基板上に配置した同一寸法の梁構造に、基板側から光を入射した際の光の透過率Ｔと位相変化量φを図６（ｃ）に示す。ここでは、周囲の媒質を空気、梁構造の媒質をシリコン、入射光の波長λを１５５０ｎｍ、構造の周期ｐを６５０ｎｍ、高さｈを７００ｎｍとし、梁の幅ｗを１２０ｎｍ〜４００ｎｍの範囲で変化させる。図から明らかなように、梁の幅ｗの変化のみで、９０％以上の透過率を保持しながら、位相変化量を０から２πまで制御可能である。この特性により、反射光を抑制しながら、梁構造の高さ一定のまま、梁の幅ｗの変化のみで入射光波面の位相値（すなわち屈折率）を変化させることが可能となる。したがって、光ビームスプリッタを実現するには、式（１）および式（４）に示したような位相分布に整合するように、順次要求される位相値を有する梁の幅ｗをもつ構造を、基板上に複数配置すればよい。また、ここでは、基板側から光を入射した例を挙げたが、微細構造側（上部層側）から光を入射してもよい。
【００５１】
さらに説明を補足すると、構造断面は、図６（ｂ）に示すような長方形に限らず、同様の光学特性が生じる台形や三角形等の断面形状も微細構造として採用できる。
【００５２】
上記で説明した構造を用いた光ビームスプリッタの一例として、[実施の形態１]と同様に、４分岐ビームスプリッタを形成した例を図７（ａ）に示す。この例では、基板（下層部）６０２上で、回折格子の周期Ｐ内を波長以下の柱構造周期ｐで分割し、振幅Ａｐ＝２．４１をもつ正弦波状位相分布に整合するように、それぞれの周期内の梁構造６０１の幅ｗを決定することで、４分岐ビームスプリッタの機能を実現できる。なお、回折格子周期は０次光、±１次光、±２次光が存在する値（Ｐ＝３．９μｍ）としている。図７（ｂ）は、図７（ａ）の構造において、厳密結合波理論を用いて計算した各回折次数における回折効率である。０次光が大幅に抑制され、±１次光および±２次光が比較的強く回折しており、４分岐ビームスプリッタとして機能していることがわかる。また、図１（ｂ）に示したように、正弦波状位相分布の振幅Ａｐおよび回折格子周期Ｐの設計次第で、任意の分岐数をもつ光ビームスプリッタが実現可能なことは言うまでもない。さらに、図１（ｄ）に示したように、正弦波状位相分布に鋸状の位相分布を重畳することで、分岐対称軸を変えることも可能である。
【００５３】
なお、図１（ｂ）で予測された分岐比と少し異なる結果が得られているが、これは主に離散的な位相分布による影響と思われる。この例においては、正弦波状位相分布を６つの構造（位相値）で表現しているが、サンプリングとしては十分ではなく、理想的な位相分布から逸脱や不要な空間周波数成分の生成が生じていると考えられている。これに対しては、構造の数および配置の最適化や[実施の形態４]で示す方法で解決可能である。
【００５４】
なお、梁構造周期ｐ内における梁構造の位置に制約はなく、常に梁構造周期ｐ内の中央に配置する場合や、光ビームスプリッタとしての効率が最大となるような配置位置の最適化を行う場合が考えられる。さらに、上記の梁構造は光共鳴を原理とするため、一定の周期性を必要とせず、光ビームスプリッタとしての効率が最大となるような梁構造の数、幅およびその分布の最適化をすることができる。
【００５５】
[実施の形態４]
次に、上述の梁構造の幅を位置の関数として連続的に変化させ、正弦波状位相分布を形成するような素子の例を図８に示す。この例は、[実施の形態３]と異なり、位相分布の変化方向と梁構造の長軸方向が平行の関係にあり、正弦波状位相分布に整合するように連続的に梁の幅ｗを変化させることで光ビームスプリッタを形成する。この方法により、形成する位相分布が離散的（階段状）である[実施の形態１]−[実施の形態３]で認識されていた理想の位相分布からのズレおよびこれに起因する素子の効率低下を、図８（ａ）に示すような連続的位相分布を形成することで解決することができる。
【００５６】
図８（ａ）は一例として、[実施の形態１]および[実施の形態３]と同様に、４分岐・２分岐・３分岐の光ビームスプリッタを上記梁構造で形成した例を示す。この例では、回折格子の周期Ｐ内において、振幅Ａｐ＝２．４１およびＡｐ＝１．４４をもつ正弦波状位相分布に整合するように、梁構造の幅ｗを連続的に変調することで、４分岐・２分岐・３分岐の光ビームスプリッタを実現できる。なお、回折格子周期は、４分岐ビームスプリッタの場合は０次光、±１次光、±２次光が存在する値（Ｐ＝ ３．９μｍ）、２分岐・３分岐ビームスプリッタの場合は０次光、±１次光が存在する値（Ｐ＝３．２５ μｍ）にそれぞれ設定している。図８（ｂ）は、図８（ａ）の構造において、厳密結合波理論を用いて計算した各回折次数における回折効率である。Ａp ＝２．４１かつＰ＝３．９μｍの場合、０次光が大幅に抑制され、±１次光および±２次光がほぼ同効率で回折しており、４分岐ビームスプリッタとして機能していることがわかる。また、同様の条件である図７（ｂ）と比較すると、０次光が抑制がより顕著であり、分岐比も理想に近づいており、本構造の効果が見受けられる。同様にＡｐ＝２．４１かつＰ＝３．２５μmの場合、０次光が大幅に抑制され、±１次光がほぼ同効率で回折しており、２分岐ビームスプリッタとして機能していることがわかる。さらに、Ａｐ＝１．４４かつＰ＝３．２５μmの場合、０次光および±１次光がほぼ同効率で回折しており、３分岐ビームスプリッタとして機能していることがわかる。また、図１（ｂ）に示したように、正弦波状位相分布の振幅Ａｐおよび回折格子周期Ｐの設計次第で、任意の分岐数をもつ光ビームスプリッタが実現可能なことは言うまでもない。さらに、図１（ｄ）に示したように、正弦波状位相分布に鋸状の位相分布を重畳することで、分岐対称軸を変えることも可能である。
【００５７】
また、この例では、図８（ａ）に示すように、梁構造の長軸を中心に梁の幅ｗを設定しているが、梁構造の一端から梁の幅ｗを設定してもよい。また、上記の二種類の構造にこだわらず、位相値を構造幅ｗに置き換えた構造であればよい。
【００５８】
以上、本発明を具体的な実施の形態に基づいて説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは言うまでもない。例えば、図２〜８はすべて構造の一部を例示したものであり、これらの繰り返しがその周囲に縦方向、横方向に続いていることは言うまでもない。また、これらのパターンを複数組み合わせて同一平面上に形成してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明は、光通信、光情報処理、レーザ加工装置、レーザ記録装置、表示装置、画像形成装置等に用いられる光学素子に関し、特に、光束の分割・重ね合わせおよび偏光分離の機能、あるいはこれらの複合機能を有する微小光学素子に関する技術に適用することができる。
【符号の説明】
【００６０】
２００  微細柱構造アレイ
２０１  微細構造
２０２, ６０２  基板（下層部）
６０１  梁構造
９００ａ  キューブ型ビームスプリッタ
９００ｂ  プレート型ビームスプリッタ
９００ｃ  バイナリ回折格子
９０１ａ, ９０１ｂ  光学薄膜
９０２ａ  ０次回折光
９０３ａ  ＋１次回折光
９０３ｂ  −１次回折光
９０４ａ  ＋２次回折光
９０４ｂ  −２次回折光
【図１】
2019113625.tif 000003
【図２】
2019113625.tif 000004
【図３】
2019113625.tif 000005
【図４】
2019113625.tif 000006
【図５】
2019113625.tif 000007
【図６】
2019113625.tif 000008
【図７】
2019113625.tif 000009
【図８】
2019113625.tif 000010
【図９】
2019113625.tif 000011