(57)【要約】【課題】焦点位置の位置合わせの不要な光学情報伝達素子を提供する。【解決手段】光学情報伝達素子１０１は光学情報を入力面から出力面に伝達する。光学情報伝達素子１０１は光学異方性を有する部材により形成される。入力面と出力面とを結ぶ少なくとも一つの直線が、光学異方性を有する部材の等周波曲面の原点を通る任意の断面による曲線において位相速度が最大となる方向に揃えられる。【選択図】図２
2013020147.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学情報を入力面から出力面に伝達する光学情報伝達素子であって、
光学異方性を有する部材により形成され、
前記入力面と前記出力面とを結ぶ少なくとも一つの直線が、前記部材の等周波曲面の、原点を通る任意の断面による曲線において位相速度が最大となる方向に揃えられる
ことを特徴とする光学情報伝達素子。
【請求項２】
光学異方性を有する部材により形成され、前記部材の等周波曲面の原点を通る任意の断面による曲線において位相速度が最大となる方向に光学情報が伝達される入力面と出力面とを結ぶ少なくとも一つの直線が揃えられる光学情報伝達素子を備える
ことを特徴とする光学情報伝達機構。
【請求項３】
光学異方性を有する部材により形成され、出力面が入力面の一部から前記部材の等周波曲面の原点を通る任意の断面による曲線において位相速度が最大となる方向へと延長した位置に形成される光学情報伝達素子を備える
ことを特徴とする光学情報伝達機構。
【請求項４】
請求項２または請求項３に記載の光学情報伝達機構であって、前記入力面に設けられ、入力アパーチャが形成された入力アパーチャ板を備えることを特徴とする光学情報伝達機構。
【請求項５】
請求項４に記載の光学情報伝達機構であって、前記入力アパーチャから前記入力面に入力する前記光学情報を出射する光源を備えることを特徴とする光学情報伝達機構。
【請求項６】
請求項５に記載の光学情報伝達機構であって、複数の前記入力アパーチャと対応する複数の前記光源とが前記入力面において１次元状に並ぶように形成されることを特徴とする光学情報伝達機構。
【請求項７】
請求項５に記載の光学情報伝達機構であって、複数の前記入力アパーチャと対応する複数の前記光源とが前記入力面において２次元状に並ぶように形成されることを特徴とする光学情報伝達機構。
【請求項８】
請求項５〜請求項７のいずれか１項に記載の光学情報伝達機構であって、前記入力アパーチャの幅の最小値が前記光源から出射される前記光学情報の平均波長の半波長未満になるように形成されることを特徴とする光学情報伝達機構。
【請求項９】
請求項６に記載の光学情報伝達機構であって、前記入力アパーチャに入射する前記光学情報を、前記複数の入力アパーチャが配置される面内に電場成分を持つ偏光として出射させる偏光素子を備えることを特徴とする光学情報伝達機構。
【請求項１０】
請求項２〜請求項９のいずれか１項に記載の光学情報伝達機構であって、前記出力面に設けられ、出力アパーチャが形成された出力アパーチャ板を備えることを特徴とする光学情報伝達機構。
【請求項１１】
請求項２または請求項3に記載の光学情報伝達機構であって、
前記入力面に設けられ、入力アパーチャが形成された入力アパーチャ板と、
前記出力面に設けられ、出力アパーチャが形成された出力アパーチャ板とを備え、
前記出力アパーチャは、前記入力アパーチャから、前記部材の等周波曲面の、原点を通る任意の断面による曲線において位相速度が最大となる方向へと延長した位置に形成される
ことを特徴とする光学情報伝達機構。
【請求項１２】
請求項１１に記載の光学情報伝達機構であって、前記出力アパーチャ板には、前記入力アパーチャ板に形成される複数の入力アパーチャの各々に対応した、複数の前記出力アパーチャが形成されることを特徴とする光学情報伝達機構。
【請求項１３】
請求項１０〜請求項１２のいずれか１項に記載の光学情報伝達機構であって、前記出力アパーチャから出射する前記光学情報を受光し、受光量に応じた電気信号を出力する検出部を備えることを特徴とする光学情報伝達機構。
【請求項１４】
請求項２〜請求項１３のいずれか１項に記載の光学情報伝達機構であって、前記入力面に入力された前記光学情報を増幅する光増幅部と、該光増幅部に前記光学情報を増幅するための増幅光を供給する増幅光源とを備えることを特徴とする光学情報伝達機構。
【請求項１５】
請求項６または請求項７に記載の光学情報伝達機構であって、
前記入力面に入力された前記光学情報を増幅する複数の光増幅部と、該光増幅部に前記光学情報を増幅するための増幅光を供給する複数の増幅光源とを備え
前記増幅光を出射させる前記増幅光源が選択可能である
ことを特徴とする光学情報伝達機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光学情報伝達素子及び光学情報伝達機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、集積回路が小型化している。集積回路の小型化に伴い局所的に小型の電気回路が形成可能となっている。局所的な電気回路の小型化により、集積回路内の別の電気回路間の情報伝達の高速化が要求されている。しかし、電気的な信号のデータ転送速度を高速化させることは難しかった。
【０００３】
そこで、電気信号を電気光学変換して光学情報として伝達することが提案されている。すなわち、電気信号に応じて光源からの光を変調して送信し、その送信された光を受信することにより信号が伝達される。しかし、光源から発する光は発散するので、レンズを用いて集光する必要がある。しかし、通常のレンズを用いる場合には、光源および受光器とレンズの光軸とを位置合わせする必要があり、小型化した集積回路では精密に位置合わせすることは困難であった。そこで、レンズの代わりにスーパーレンズを用いることが提案されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２００８−５４６２１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
スーパーレンズを用いることにより、光軸との位置合わせが不要である。しかし、スーパーレンズを用いる場合であっても、光源および受光器をスーパーレンズの焦点位置に厳密に配置する必要があり、高い組み立て精度が要求されていた。
【０００６】
従って、上記のような問題点に鑑みてなされた本発明では、高度な焦点位置合わせをすることなく、光学情報の伝達が可能な光学情報伝達素子の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した諸課題を解決すべく、本発明による光学情報伝達素子は、
光学情報を入力面から出力面に伝達する光学情報伝達素子であって、
光学異方性を有する部材により形成され、
入力面と出力面とを結ぶ少なくとも一つの直線が、部材の等周波曲面の、原点を通る任意の断面による曲線において位相速度が最大となる方向に揃えられる
ことを特徴とするものである。
【０００８】
また、本発明による光学情報伝達機構は、
光学異方性を有する部材により形成され、部材の等周波曲面の原点を通る任意の断面による曲線において位相速度が最大となる方向に光学情報が伝達される入力面と出力面とを結ぶ少なくとも一つの直線が揃えられる光学情報伝達素子を備える
ことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００９】
上記のように構成された本発明に係る光学情報伝達素子によれば、入力面に入射する光のスポットサイズをほぼ維持したまま出力面に伝達可能である。伝達する光のスポットサイズが入力面と出力面との間において維持されるので、焦点位置の厳密な位置合わせが不要である。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る光学情報伝達機構により結合された集積回路基板を示す外観図である。
【図２】第１の実施形態の光学情報伝達機構の外観図である。
【図３】図２の光源ユニットにおける光源の配置を示すための光源ユニットの正面図である。
【図４】図２の入力アパーチャ板における入力アパーチャの配置を示すための入力アパーチャ板の正面図である。
【図５】図２の出力アパーチャ板における出力アパーチャの配置を示すための出力アパーチャ板の正面図である。
【図６】図２の検出ユニットにおける受光器の配置を示すための検出ユニットの正面図である。
【図７】異方性媒質の等周波曲線を示す図である。
【図８】実質的な誘電率に異方性をもたせる人工的な構造体の一例を示す図である。
【図９】図２７に示した金属誘電体多層膜の実効的な誘電率の成分の一例を示す図である。
【図１０】実効的な誘電率に異方性をもたせる人工的な構造体の他の例を示す概念図である。
【図１１】第２の実施形態の光学情報伝達機構の外観図である。
【図１２】第３の実施形態の光学情報伝達機構の外観図である。
【図１３】図１２の入力アパーチャ板における入力アパーチャの配置を示すための入力アパーチャ板の正面図である。
【図１４】変形例の異方性媒質が有する等周波曲面において、伝達方向の決定のための説明図である。
【図１５】入力面および出力面の形成条件を説明するための光学情報伝達素子の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
【００１２】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る光学情報伝達機構により結合された集積回路基板を示す外観図である。
【００１３】
図１に示すように、第１の集積回路基板１と第２の集積回路基板２とは、光学情報伝達機構１００により結合される。第１の集積回路基板１において生成される電気信号は光学情報伝達機構１００により第２の集積回路基板２に伝達される。なお、伝達に際して、電気信号は光学情報伝達機構１００の第１の集積回路基板１側において光信号（光学情報）に変換され、光信号が第２の集積回路基板２側に伝播される。さらに、光信号は、光学情報伝達機構１００の第２の集積回路基板２側において電気信号に変換される。
【００１４】
次に、光学情報伝達機構１００の構成について、図２を用いて説明する。図２は、光学情報伝達機構１００の外観図である。光学情報伝達機構１００は、光学情報伝達素子１０１、入力アパーチャ板１０２、偏光子１０３、光源ユニット１０４、出力アパーチャ板１０５、および検出ユニット１０６を含んで構成される。
【００１５】
光学情報伝達素子１０１は、後述するように、光学異方性を有する部材により、平板状に形成される。また、互いに相対する二面の一方が入力面、他方が出力面に定められる。なお、後述するように、光学異方性を有する部材の物性に基づいて定められる特定の方向が伝達方向に定められる。入力面から伝達方向に出力面が形成されるように、光学情報伝達素子１０１は形成される。このような構成により、入力面に入力される光信号は、出力面に伝播される。
【００１６】
入力面には、入力面側から入力アパーチャ板１０２、偏光子１０３、および光源ユニット１０４が設けられる。また、出力面には、出力面側から出力アパーチャ板１０５および検出ユニット１０６が設けられる。
【００１７】
なお、図２において、入力面および出力面の幅方向をｘ軸方向、高さ方向すなわち平板の厚さ方向をｙ軸方向、及びｘ軸方向およびｙ軸方向に垂直な方向をｚ軸方向とする。
【００１８】
光源ユニット１０４の偏光子１０３側には、図３に示すように、ｘ軸方向に沿って多数の光源１０７が設けられる。なお、光源１０７は、例えばＬＥＤやＬＤであり、特定の帯域の波長の光を出射可能である。
【００１９】
なお、光源１０７が設けられる面の背面には、共通電極１０８（図２参照）および信号電極１０９が形成される。共通電極１０８は、全光源１０７に対して共通に用いられる。信号電極１０９は光源１０７毎に設けられ、光源１０７毎に発光を制御可能である。信号電極１０９に電気信号を入力することにより、光源１０７から信号光が偏光子１０３に出射される。
【００２０】
偏光子１０３は、入射した光を、ｘ軸方向に偏光して出射する。したがって、各光源１０７から偏光子１０３に入射される信号光は、ｘ軸方向に偏光した信号光として入力アパーチャ板１０４に出射される。
【００２１】
なお、偏光子１０３によりｘ軸方向への偏光である信号光を生成し、後述する特定の方向を伝達方向に定めることにより、信号光のｘ軸方向のスポットサイズはほぼ維持されたまま入力面から出力面に伝播される。ただし、ｙ軸方向のスポットサイズは維持されない。そこで、光学情報伝達素子１０１の上面ｔｓおよび下面ｄｓには金属コートなどによる反射層（図示せず）が形成され、信号光はｙ軸方向に関しては上面ｔｓおよび下面ｄｓの少なくとも一方に反射しながら、入力面から出力面に伝播される。なお、本願明細書において、光学情報伝達素子１０１の平板面の１方を上面ｔｓ、他方の面を下面ｄｓとする。
【００２２】
入力アパーチャ板１０２には、図４に示すように、ｘ軸方向に沿って多数の入力アパーチャ１１０が形成される。なお、入力アパーチャ１１０は各光源１０７と相対する位置に形成される。入力アパーチャ１１０の幅、すなわちｘ軸方向の長さは、光源１０７から出射される光の中心波長の１／２以下になるように形成することが効果的である。また、入力アパーチャ１１０の高さ、すなわちｙ軸方向の長さは、光学情報伝達素子１０１の厚さ未満で、且つ同程度の長さとなるように形成される。
【００２３】
光源１０７から出射され、偏光子１０３によりｘ軸方向に偏光し、入力アパーチャ１１０を通過した信号光は、光学情報伝達素子１０１の入射面に入射する。信号光は、光学情報伝達素子１０１の出力面に伝播され、出射する。
【００２４】
前述のように、出力面には出力アパーチャ板１０５が設けられる。出力アパーチャ板１０５には、図５に示すように、ｘ軸方向に沿って多数の出力アパーチャ１１１が形成される。各出力アパーチャ１１１は、各入力アパーチャ１１０の伝達方向に形成される。また、出力アパーチャ１１１は、入力アパーチャ１１０と同じ周期で形成される。また、出力アパーチャ１１１は、例えば入力アパーチャ１１０と同じ幅や同じ高さであってもよい。
【００２５】
前述のように、出力アパーチャ板１０５には検出ユニット１０６が設けられる。検出ユニット１０６の出力アパーチャ板１０５側には、図６に示すように、出力アパーチャ１１１と相対する位置においてｘ軸方向に沿った多数の受光器１１２が設けられる。なお、受光器１１２は、例えばフォトダイオード（ＰＤ）であり、光電変換により信号光を電気信号に変換する。なお、フォトダイオードの受光領域の境界そのものを前述の出力アパーチャとして利用することも可能である。
【００２６】
検出ユニット１０６の受光器１１２が設けられる面の背面には、共通電極（図示せず）および信号電極（図示せず）が形成される。共通電極は、全受光器１１２に対して共通に用いられる。信号電極は受光器１１２毎に設けられ、受光器１１２毎に信号光を変換した電気信号を出力可能である。
【００２７】
なお、第１の集積回路基板１には、光源ユニット１０４を着脱自在に接続する入力コネクタ（図示せず）が設けられる。入力コネクタには、共通電極と各信号電極とに接続される端子（図示せず）が設けられる。光源ユニット１０４を入力コネクタに接続すると、各端子と各電極とが接続され、各信号電極に電気信号を入力可能になる。
【００２８】
また、第２の集積回路２には、検出ユニット１０６を着脱自在に接続する出力コネクタ（図示せず）が設けられる。出力コネクタには、共通電極と各信号電極とに接続される端子（図示せず）が設けられる。検出ユニット１０６を出力コネクタに接続すると、各端子と各電極とが接続され、各信号電極から電気信号を出力可能になる。
【００２９】
次に、光学情報伝達素子１０１の特性および伝達方向について詳述する。光学情報伝達素子１０１は、少なくとも２つの異なる材料により構成される超高波数伝達媒質によって形成される。超高波数伝達媒質は所定の周波数に対して極めて高い伝達性能を有し、入力面に入射する信号光のスポットサイズを維持しながら出力面に伝達可能である。
【００３０】
なお、周波数の変化に応じて、個々の材料の誘電率(透磁率)が僅かに変化しても、超高波数伝達媒質の実効的な誘電率(透磁率)は大きく変化する。このため、高い伝達性能を有する帯域は狭い。
【００３１】
上述したように、光学情報伝達素子１０１は、光源ユニット１０４から出射される信号光を、検出ユニット１０６側へ伝達することができる。光学情報伝達素子１０１を構成する超高波数伝達媒質は、例えば、メタマテリアルと呼ばれる人工構造体により特定の軸方向の実効的な誘電率、透磁率、あるいは屈折率を負とした媒質で構成することができる。このような異方性は、例えば金属と誘電体とを光の波長より短い周期で交互に積層した構造により発現させることが出来る。このような構成により、空気中では減衰して伝えることのできないエバネッセント波を伝達可能となる。
【００３２】
また、超高波数伝達媒質は、強い異方性を有する媒質を用いて構成することができる。このような異方性は、例えば金属と誘電体とを光の波長より短い周期で交互に積層した構造により発現させることができる。あるいは、メタマテリアルにより実効的な屈折率を極めて大きな値とされた媒質を用いて、超高波数伝達媒質を構成することもできる。また、誘電率がｘｙ面内とｚ軸方向とで、ともに正の値をとったとしても、ｚ軸方向の誘電率が大きい場合は、回折限界を限定的にではあるが緩和することができる。
【００３３】
次に、超高波数伝達媒質を構成可能な異方性媒質の分散特性について説明する。なお、以下の説明において、誘電率ε(誘電率テンソルε＾の各成分)および透磁率μ(透磁率テンソルμ＾の各成分)は、それぞれ真空中の誘電率ε０および透磁率μ０に対する比(相対誘電率および相対透磁率)で表すことにする。ただし、ε＾は、εの上に「＾(ハット)」が付いていることを示す。同様に、μ＾は、μの上に「＾(ハット)」が付いていることを示す。
【００３４】
電気的に１軸異方性を示す異方性媒質において、光学軸の方向をｚ軸とする。本実施形態では、異方性媒質は、誘電率あるいは透磁率が１軸性の異方性、つまり対称軸が１つだけあるような異方性を有しており、この対称軸を光学軸と呼ぶことにする。ただし、ｘ軸方向とｙ軸方向とで多少εに違いがあっても、同様に超高波数伝達媒質としての性質を持つものであれば、どのようなものでも良い。
【００３５】
例えば、ｋｘ−ｋｚ平面上の等周波曲線と、ｋｙ−ｋｚ平面上の等周波曲線とが、ともにｋｚ軸上に短軸をもつ楕円で、半長軸の長さが５ｋ０以上である場合や、ｋｘ−ｋｚ平面上の等周波曲線と、ｋｙ−ｋｚ平面上の等周波曲線とが、ともに双曲線である場合なども、超高波数伝達媒質である。光学軸であるｚ軸に垂直な平面内ではどの方向も等価であるから、この平面内で任意の方向をｘ軸とし、ｘ軸およびｚ軸に垂直な方向をｙ軸とする。このように座標系を定義すると、電気的１軸異方性を示す媒質の誘電率テンソルは以下の（１）式のように表される。
【００３６】
【数１】
2013020147.tif 000003
この異方性媒質中におけるＴＭ（Transverse Magnetic）波の伝搬について考える。ＴＭ波とは、例えば、（ｋｘ，０，ｋｚ）方向へ伝搬する波について、磁場がｙ軸方向を向いた電磁波の状態を意味するものとする。ＴＭ波に対する波動方程式において、波数ベクトルｋおよび角振動数ωをもつ単色平面波を仮定すると、ｋｙ＝０の面内で、以下の（２）式のような分散関係が得られる。
【００３７】
【数２】
2013020147.tif 000004
なお、（２）式におけるｋＴは波数ベクトルｋをｘｙ平面へ投影したベクトルの絶対値であり、以下の（３）式で表される。
【００３８】
【数３】
2013020147.tif 000005
なお、ｋ０は、真空中を伝搬する角振動数ωの光波の波数であり、以下の（４）式のように表される。
【００３９】
【数４】
2013020147.tif 000006
図７は、様々なεＴおよびεＺの値を与えたときに、式（２）を満足するようなｋＴとｋＺとの軌跡を描いた等周波数曲線である。図７（ａ）は、εＴ＝１，εＺ＝１の場合（真空中における分散）、εＴ＝９，εＺ＝９の場合（以下、高屈折率）、およびεＴ＝１，εＺ＝２５の場合（以下、通常異方性）についての等周波曲線を示している。
【００４０】
等周波曲線、あるいは等周波曲面は、ある周波数に対して、媒質中を伝搬する電磁波がとりうる波数ベクトルを示したものである。波数ベクトルは一般に３次元のベクトルであるから、３つの成分（ｋｘ，ｋｙ，ｋｚ）をもち、電磁波としての存在が許される波数ベクトルの軌跡は曲面となる。一方、図７のように、波数ベクトルの２つの成分ｋＴおよびｋＺにのみ着目する場合には、この２つの成分として許される値の組は、平面内の曲線として表すことができる。
【００４１】
超高波数伝達媒質として、異方性を有する媒質を用い、その光学軸(ｚ軸)を光の伝達方向と一致させた場合、伝達すべき情報の精細さ(空間周波数)は、ｋＴで表される。図７（ａ）において、真空中の分散では、｜ｋＴ｜≦ｋ０のときにｋＴに対応するｋＺの値が存在する。このような光学的情報を担った光波は、ｚ方向へ伝搬できることを意味している。
【００４２】
しかし、｜ｋＴ｜＞ｋ０では、対応するｋＺの値が存在しない。たがって、このような情報を担った光波は、ｚ方向へは伝搬できない（形成される像に寄与しない）。式（２）から、この場合はｋＺが純虚数、つまりｚ方向には指数関数的に減衰するエバネッセント波となっていることがわかる。このように、空間周波数の高い光学的情報が失われ、伝達された像が元の物体（光源）と異なる現象を回折限界と呼び、光学系の解像力を制限する1つの要素になっている。
【００４３】
図７（ａ）において細実線のような分散関係をもつ場合は、｜ｋＴ｜≦５ｋ０の範囲で、ｋＴに対応するｋＺの値が存在する。このような光学的情報を担った光波は、ｚ方向へ伝搬できることを意味している。したがって、真空の場合に比べて伝達し得る空間周波数の上限が５倍になり、光学系の解像力を向上することが可能となる。
【００４４】
等周波曲線上にある各点は、波として伝搬しうる電磁波の波数ベクトルを表しているので、この各点において電磁波の群速度が規定される。電磁波の数学的な取り扱いによれば、群速度は等周波曲線の法線の向きに一致する。群速度の向きは、図７（ａ）に矢印で示される。伝搬可能なｋＴの範囲を大きくした通常異方性の材料では、等周波曲線上の多くの点で群速度が光学軸（ｚ軸）に近い向きをもつことがわかる。この傾向は、楕円のｋＴ方向を長くするほど顕著になる。
【００４５】
そこで、入力面と出力面とを結ぶ少なくとも一つの直線が、光学情報伝達素子１０１の伝達方向が超高波数伝達媒質の光学軸の方向と揃うように、光学情報伝達素子１０１は形成される。このような構成により、入射面に入射した信号光のスポットサイズを略維持したまま出力面に伝播することが可能である。
【００４６】
なお、ガラスやプラスチックなどの光学材料（誘電体）は、可視光に対して概ね１．３〜２．１程度の屈折率であり、屈折率が３を超えるような光学材料は、自然界に存在しない。図７（ａ）の高屈折率に対する等周波曲線は、屈折率が３の誘電体を表している。この場合、伝達し得るｋＴの上限は、真空中の場合に比べて３倍になる。
【００４７】
公知の液浸レンズや固体浸レンズなどでは、高い屈折率による実効的な開口数（Numerical Aperture: NA）の増大を用いて解像力を向上させている。しかしながら、高屈折率材料による解像力は、媒質として用いる材料の屈折率程度までであり、真空中の結像に対して３倍を超える解像力は得られない。
【００４８】
これに対し、例えば、人工的な構造に由来する誘電率異方性を有する媒質を用いると、ｚ軸方向の実効的な誘電率εＺを９(解像力を３倍に向上できる値)よりずっと大きくすることができ、高屈折率材料を用いる場合よりも高い解像力を得ることができる。
【００４９】
一般的に、信号光に用いられる光の波長をλとすると、その解像力の限界は概ねλ／２であると言われている。これは、｜ｋＴ｜≦ｋ０の波数をもつ光を伝達できるレンズで結像する場合、物体面上の２つの点光源の像が２つの点像として認識できるときの、点光源間の最小距離が、概ねλ／２であることを意味している。
【００５０】
一方、伝達可能な信号光のスポットサイズの最小寸法は、物体面から像面へ伝達できる波数ｋＴの上限に反比例すると考えられる。したがって、｜ｋＴ｜≦５ｋ０の波数の光を全て伝達可能な超高波数伝達媒質を用いれば、波長の約１／１０という微細なスポットサイズの信号光を伝達可能となる。
【００５１】
図７（ｂ）は、誘電率テンソル中に現れる２種類の成分εＴおよびεＺの符号が異なる場合について、式（２）の等周波曲線を図示したものである。つまり、εＴ＜０かつεＺ＞０の場合(以後、負正異方性と称す)と、εＴ＞０かつεＺ＜０の場合(以後、正負異方性と称す)とを示したものである。図７（ｂ）の点線は、双曲線の漸近線を示している。漸近線は、正負異方性の場合は（５）式で、負正異方性の場合は（６）式で表される。
【００５２】
【数５】
2013020147.tif 000007
前述のように、ｘ軸とｙ軸とは等価であるから、３次元空間では双曲線が回転双曲面となり、漸近線が円錐面となる。ｘ軸方向とｙ軸方向とで多少εに違いがある場合には、双曲線およびその漸近線に対応する曲面が回転体とはならないが、このような場合も含めて、以後、双曲面および漸近曲面と称す。
【００５３】
図７（ｂ）の正負異方性に対して光波の群速度の方向を矢印で示した。群速度の方向は、光学軸の方向を中心とし、式（５）で表される２つの漸近線の法線の方向までの範囲に分布している。したがって、信号光を伝達するためには、伝達方向を光学軸と平行にする必要がある。式（５）の漸近線の係数を小さくし、漸近線がｋｘ軸に近づく（漸近曲面がｋｘｋｙ平面に近づく）ように材料設計を行えば、光波をより光学軸方向へ集中させ、信号光のスポットサイズを維持したまま伝達することができる。
【００５４】
正負異方性の場合は、任意(但し実数)のｋＴに対応するｋＺの値が実数として存在するので、理論上、いくらでも高い空間周波数をもつ光学的情報を担った光波を伝搬させることができる。
【００５５】
これに対し、負正異方性の場合は、真空中の光波伝搬とは対照的に、｜ｋＴ｜＜１のときに光波はエバネッセント波(ｋＺが純虚数)となるため、｜ｋＴ｜≧１の範囲の光学的情報が全て伝達されることになる。そのため、負正異方性を示す媒質を介してイメージングを行う場合は、｜ｋＴ｜＜１に相当する光学的情報が失われて、良好な結像性能を得ることは難しくなる。
【００５６】
しかしながら、波長よりも小さい入力アパーチャ１１０を通過した光波を伝搬させる場合は、入力アパーチャ１１０を通過した段階で、｜ｋＴ｜＜１に相当する光学的情報は少なく、光波を形成する光学的情報には、｜ｋＴ｜≧１の範囲の高い空間周波数が多い。したがって、負正異方性を示す媒質中で｜ｋＴ｜＜１の空間周波数成分が失われることによる影響は比較的少なく、光学的情報の良好な伝達を行うことが可能となる。
【００５７】
この場合、伝搬方向の主要部は、軸方向を中心とする双曲面の漸近曲面の法線方向である。漸近曲面がよりｘｙ平面に近づくように材料設計を行うことで、より光学軸方向に伝搬光を集中させることができる。伝達方向は、超高波数伝達媒質の光学軸に平行となるように定められる。
【００５８】
以上のことから、異方性媒質を用いて超高波数伝達媒質を構成すれば、その分散特性から以下に説明するような効果が得られる。
【００５９】
つまり、公知の液浸レンズや固体浸レンズでは、光学系としての解像力を３倍程度までしか向上することができない。これに対し、実効的な誘電率に異方性がある媒質を用い、その光学軸の方向に光学的情報を伝達させるように構成すれば、例えば光学軸と垂直な面内の波数が０〜５ｋ０の範囲の光波を伝搬させることができ、光学系の解像力を５倍に向上することが可能となる。
【００６０】
また、実効的な誘電率にさらに強い異方性があり、誘電率テンソルの成分が光軸方向と光軸に垂直な平面内とで異符号となるような媒質を用いれば、光学系の解像力をさらに向上することができ、解像力に理論上の制約がなくなる。
【００６１】
以上、ＴＭ波について説明したが、ＴＥ波(電場がｙ軸方向を向いた電磁波の状態)に対しても、誘電率と透磁率とを置き換えれば、全く同様である。つまり、実効的な透磁率に異方性があり、その光学軸の方向にｚ軸をとれば、透磁率テンソルは（７）式のように表されるので、ＴＥ波に対する分散関係は、（８）式のようになる。
【００６２】
【数６】
2013020147.tif 000008
したがって、μＴ＞０かつμＺ＜０により正負異方性が、μＴ＜０かつμＺ＞０により正負異方性が、それぞれ実現する。
【００６３】
上記のＴＭ波に対する異方性の説明では、式（２）においてμｙ＞０であることを前提としていた。しかし、μｙ＜０でも、強い異方性があれば、光の伝達は可能である。すなわち、上述した説明から明らかなように、μｙ＜０を前提にすると、誘電率が正負異方性をもつ場合、つまりεＴ＞０かつεＺ＜０の場合は、｜ｋＴ｜≧１を満足する光が伝達可能となる。
【００６４】
また、誘電率が負正異方性をもつ場合、つまりεＴ＜０かつεＺ＞０の場合は、任意のｋＴをもつ光が伝達可能となる。このことはＴＥ波に対しても同様で、εｙ＜０を前提とすれば、透磁率が正負異方性をもつ場合、つまりμＴ＞０かつμＺ＜０の場合は、｜ｋＴ｜≧１を満足する光が伝達可能となり、透磁率が負正異方性をもつ場合、つまりμＴ＜０かつμＺ＞０の場合は、任意のｋＴをもつ光が伝達可能となる。
【００６５】
以下、実効的な誘電率に異方性をもたせる人工的な構造体について説明する。図８は、その一例の構造体の概念図である。この構造体は、金属１１と誘電体１２とを交互に積層してなる金属誘電体多層膜１３によって構成される。
【００６６】
図８において、金属１１の誘電率をεｍ、誘電体１２の誘電率をεｄとし、それぞれを厚さｄｍ、ｄｄで交互に積層した場合、厚さｄｍ、ｄｄがともに照射光の波長よりも十分小さければ、金属誘電体多層膜１３の全体を電磁気学的には均質な異方性媒質とみなすことができる。そして、この異方性媒質の実効的な誘電率テンソルは、（９）、（１０）式で与えられる。
【００６７】
【数７】
2013020147.tif 000009
（９）、（１０）式において、可視光を含む光学周波数帯では、金属１１の多くは誘電率εｍ(の実数部)が負の値をとり、誘電体の誘電率εｄ(の実数部)は正の実数となる。したがって、積層する各層の厚さｄｍ、ｄｄを適切に選ぶことによって、金属誘電体多層膜１３の実効的な誘電率の成分を正にも負にもすることができる。この金属誘電体多層膜１３の実効的な誘電率の成分の一例を図９に示す。
【００６８】
図９は、図８において、金属誘電体多層膜１３の金属１１を銀、誘電体１２を酸化アルミニウムとし、金属誘電体多層膜１３の全体の厚さに占める金属１１の割合ｄを下式（１０）により変化させた場合の実効的な誘電率の成分Ｒｅ（εＴ）およびＲｅ（εＺ）を例示するものである。なお、照射光の波長は、３６５ｎｍおよび５１７ｎｍとした。
【００６９】
【数８】
2013020147.tif 000010
図９においては、照射光の波長が３６５ｎｍのとき、０．４７≦ｄ≦０．５５の範囲で、Ｒｅ（εＴ）＞０かつＲｅ（εＺ）＜０となり、照射光の波長が５１７ｎｍのとき、０．２６≦ｄ≦０．７４の範囲で、Ｒｅ（εＴ）＜０かつＲｅ（εＺ）＞０となる。このように、金属３１と誘電体３２との材料を適切に選ぶことにより、所定の波長（周波数）の光に対して、誘電率テンソルのある成分、あるいは、全ての成分を正や負の値にすることができる。
図１０は、実効的な誘電率に異方性をもたせる人工的な構造体の他の例を示す概念図である。この構造体は、金属ナノロッドアレイ２１により人工的な異方性媒質を構成したもので、照射光の波長より小さな断面をもつ円柱状の金属ナノロッド２２（半径をrとし、長さは波長よりも十分長いものとする）を、波長より小さな周期ａで正方格子として配列したものである。この場合、１３と同様に、ｒ，ａ≪λ(λは照射光の波長)の時は、電磁気学的には異方性をもつ均質媒質とみなすことが許される。
【００７０】
図１０に示す金属ナノロッドアレイ２１の構造から明らかなように、異方性媒質としての光学軸はｚ軸(金属ナノロッド４２の対称軸と同じ方向)に一致する。ここで、金属ナノロッド２２が十分に長ければ、光学軸方向には電流が流れる(金属中の自由電子が運動できる）ので、金属の種類に依存する電気的応答がある。この場合、金属ナノロッド２２を構成する金属材料の電気伝導度をσ、プラズマ周波数をωＰとすると、金属ナノロッドアレイ４１を均質な異方性媒質とみなしたときの誘電率の光学軸方向の成分は、（１２）式で与えられる。
【００７１】
【数９】
2013020147.tif 000011
なお、（１２）式におけるΓは（１３）式で与えられる。
【００７２】
【数１０】
2013020147.tif 000012
（１２）式から明らかなように、金属ナノロッドアレイ２２の場合は、金属の種類(ωＰおよびσ)、アレイの構造(ａおよびｒ)、あるいは角振動数ωを適切に選ぶことにより、光学軸方向の実効的な誘電率を正にも負にもすることができる。
【００７３】
一方、光の周波数帯域では、金属および誘電体にかかわらず、自然界のほとんどの物質は、磁気的な応答を示さない。このため、上記の多層膜やナノロッドのような構造体で透磁率に異方性をもたせることができない。しかし、近年においては、人工的な構造体を用いて、光の周波数帯域で透磁率を変化できる媒質が提案され、実効的な透磁率の実数部を負の値にすることが可能となっている。その一例として、メタマテリアルと呼ばれる人工構造体の一種であるスプリットリング共振器が知られている。
【００７４】
以上のような構成の第１の実施形態の光学情報伝達素子によれば、等周波曲線状の多くの点で群速度は実質的に同じ向きであり、このような向きを伝達方向として入力面と出力面とが形成される。それゆえ、入力面に入力される信号光を、ｘ軸方向におけるスポットサイズが維持されたまま出力面に伝播可能である。スポットサイズが維持されるので、スーパーレンズを用いる場合と異なり、入力面および光源１０７の間隔と、出力面および受光器１１２の間隔との高精度な調整が不要である。
【００７５】
また、第１の実施形態の光学情報伝達素子は高い解像力を有するので、光源１０７同士、および受光器１１２同士をｘ軸方向に近接させ、情報密度を向上させることも可能である。等方性の光伝達媒質に比べて回折限界が高いので、単一の受光器１１２へのクロストークを発生させることなく、光源１０７同士および受光器１１２同士を互いにｘ軸方向に近接させることが可能である。
【００７６】
また、第１の実施形態の光学情報伝達素子１０１には入力アパーチャ板１０２および出力アパーチャ板１０５が設けられる。それゆえ、光学情報伝達素子１０１に入射および出射する信号光のスポットサイズが規定されるので、信号光のＳ／Ｎ比を向上させることが可能である。なお、前述のように光学情報伝達素子１０１そのものによって、ｘ軸方向のスポットサイズを維持しながら信号光を伝達可能である。それゆえ、アパーチャ板１０２、１０５を設けなくてもＳ／Ｎ比は比較的高いが、アパーチャによりさらなる向上が達成される。
【００７７】
次に本発明の第２の実施形態に係る光学情報伝達機構について説明する。第２の実施形態は、光学情報伝達素子に入力した信号光を増幅できる点において第１の実施形態と異なっている。以下に、第１の実施形態と異なる点を中心に第２の実施形態について説明する。なお、第１の実施形態と同じ機能および構成を有する部位には同じ符号を付す。
【００７８】
図１１に示すように、第１の実施形態と同様に、光学情報伝達機構１０００は、光学情報伝達素子１０１０、入力アパーチャ板１０２、偏光子１０３、光源ユニット１０４、出力アパーチャ板１０５、および検出ユニット１０６を含んで構成される。
【００７９】
入力アパーチャ板１０２、偏光子１０３、光源ユニット１０４、出力アパーチャ板１０５、および検出ユニット１０６の構成および機能は、第１の実施形態と同じである。
【００８０】
第１の実施形態と異なり、光学情報伝達素子１０１０の板面の一方、図１１においては上面には、増幅光カプラが設けられる。第１の実施形態と異なり、光学情報伝達素子１０１０の増幅光カプラ１１３が設けられる面には、反射層は形成されない。増幅光カプラ１１３は増幅光入力面（図示せず）を有し、増幅光入力面に励起光などの増幅光を供給することにより、光学情報伝達素子１０１０により伝播される信号光の光量が増幅される。
【００８１】
増幅光カプラ１１３の増幅光入力面には増幅光光源ユニット１１４が設けられる。増幅光光源ユニット１１４の増幅光入力面側には、ｘ軸方向に沿って多数の増幅光光源（図示せず）が設けられる。なお、増幅光光源は、例えばＬＥＤやＬＤであり、信号光の強度を増幅させる特定の帯域の波長の光を出射可能である。増幅光光源は、光源１０７（図３参照）それぞれに対応するように、同じ数だけ設けられてもよいし、複数の光源１０７に対して一つの増幅光源が設けられてもよいし、さらには、一部の光源１０７に対してのみ増幅光光源が設けられてもよい。
【００８２】
なお、増幅光光源が設けられる面の背面には、共通電極１１５および信号電極１１６が形成される。共通電極１１５は、全増幅光光源に対して共通に用いられる。信号電極１１６は増幅光光源毎に設けられ、増幅光光源毎に発光を制御可能である。
【００８３】
以上のような構成の第２の実施形態の光学情報伝達機構によっても、第１の実施形態と同じく、入力面に入力される信号光を、ｘ軸方向におけるスポットサイズが維持されたまま出力面に伝播可能である。また、情報密度を向上させることが可能である。
【００８４】
さらに、第１の実施形態と異なり、第２の実施形態の光学情報伝達機構によれば、増幅光カプラ１１３を用いて、信号光を増幅することが可能である。第１、第２の集積回路基板１、２の間隔が長い場合であっても信号光の伝播の信頼性を向上させることが可能である。
【００８５】
また、第２の実施形態の光学情報伝達素子によれば、光源１０７または光源１０７の組毎に対応した増幅光光源の発光を制御可能である。したがって、信号光を発する光源１０７に対応する増幅光光源のみ発光させることにより、全増幅光光源を発光させる場合に比べて電力の消費量を低減化可能である。
【００８６】
次に本発明の第３の実施形態に係る光学情報伝達機構について説明する。第３の実施形態は、光源ユニットおよび検出ユニットの構成が第１の実施形態と主に異なっている。以下に、第１の実施形態と異なる点を中心に第３の実施形態について説明する。なお、第１の実施形態と同じ機能および構成を有する部位には同じ符号を付す。
【００８７】
図１２に示すように、第１の実施形態と同様に、光学情報伝達機構１００１は、光学情報伝達素子１０１１、入力アパーチャ板１０２１、偏光子１０３１、光源ユニット１０４１、出力アパーチャ板１０５１、および検出ユニット１０６１を含んで構成される。また、第１の実施形態と同様に、光学情報伝達素子１０１１の入力面には、入力面側から入力アパーチャ板１０２１、偏光子１０３１、および光源ユニット１０４１が設けられる。また、第１の実施形態と同様に、光学情報伝達素子１０１１の出力面には、出力面側から出力アパーチャ板１０５１および検出ユニット１０６１が設けられる。
【００８８】
第１の実施形態と異なり、光源ユニット１０４１の偏光子１０３１側には、ｘ軸方向およびｙ軸方向に沿った行列状に多数の光源（図１２において図示せず）が設けられる。また、第１の実施形態と異なり、共通電極１０８１は、ｘ軸方向に沿って並ぶ光源の行毎に設けられ、対応する行の全光源に対して共通に用いられる。
【００８９】
第１の実施形態と異なり、偏光子１０３１は、ｚ軸方向に垂直な直線を回転軸として回動可能に支持される。いずれの回転位置においても、偏光子１０３１は入射した光をｚ軸に垂直な方向に偏光して出射する。また、第１の実施形態と異なり、偏光子１０３１は、偏光子駆動機構１１５により一定の回転速度で回転させられる。また、偏光子１０３１と偏光子駆動機構１１５の代わりに、入射した光をｚ軸に垂直な方向に円偏光して出射する偏光子を用いてもよい。
【００９０】
第１の実施形態と異なり、入力アパーチャ板１０２１には、図１３に示すように、ｘ軸方向およびｙ軸方向に沿って多数の入力アパーチャ１１０が形成される。なお、第１の実施形態と同様に、入力アパーチャ１１０は各光源１０７と相対する位置に形成される。
【００９１】
第１の実施形態と異なり、出力アパーチャ板１０５１は、ｘ軸方向およびｙ軸方向に沿って多数の出力アパーチャ（図１２、図１３において図示せず）が形成される。第１の実施形態と同様に、各出力アパーチャは、各入力アパーチャ１１０の伝達方向に形成される。
【００９２】
第１の実施形態と異なり、検出ユニット１０６１の出力アパーチャ板１０５１側には、出力アパーチャに相対する位置に、ｘ軸方向およびｙ軸方向に沿った多数の受光器（図示せず）が設けられる。
【００９３】
第１の実施形態と異なり、検出ユニット１０６１の受光器が設けられる面の背面には、複数の共通電極（図示せず）と複数の信号電極が形成される。第１の実施形態と異なり、共通電極は、ｘ軸方向に沿って並ぶ受光器の行毎に設けられ、対応する行の全光源に対して共通に用いられる。
【００９４】
また、第１の実施形態と異なり、各受光器では、所定の時間の間に受光される積算受光量に基づいて、信号光を電気信号に変換する。
【００９５】
以上のような構成の第３の実施形態の光学情報伝達機構によれば、第１の実施形態と同じく、入力面に入力される信号光の発散をレンズに比べて抑制させながら、入力面から出力面に伝播可能である。
【００９６】
第１の実施形態と異なり、光源が二次元状に設けられる。それゆえ、偏光の方向に垂直な方向にはＴＥ波の寄与によりスポットサイズを維持できない。しかし、偏光子１０３１を回転させ、受光器に積算受光量を検出させることにより、クロストークの発生を抑制しながら信号光の検出が可能である。なぜならば、偏光の方向の信号光の幅は維持されており、維持される幅を径とする領域においては積算受光量が高くなるからである。
【００９７】
本発明を諸図面や実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形や修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形や修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。
【００９８】
例えば、上記の第１〜第３の実施形態において、ｋｘ−ｋｚ平面上の等周波曲線と、ｋｙ−ｋｚ平面上の等周波曲線とが、ともにｋｚ軸上に短軸をもつ楕円となる場合における短軸方向や、ｋｘ−ｋｚ平面上の等周波曲線と、ｋｙ−ｋｚ平面上の等周波曲線とが、ともに双曲線となる場合における光学軸に平行な方向が、伝達方向に定められる。しかし、伝達方向は、このような方向に限定されない。
【００９９】
光学異方性を有する媒質の等周波曲面を、原点を通る任意の断面により切断した曲線において位相速度が最大となる方向が、入力面と出力面とを結ぶ少なくとも一つの直線方向である伝達方向に揃えられれば、本実施形態と同様の効果を得ることが可能である。すなわち、信号光の偏光する方向に沿ったスポットサイズを維持しながら入力面から出力面まで信号光を伝播可能である。
【０１００】
例えば、出力面が、入力面の一部から、光学異方性を有する媒質の等周波曲面を、原点を通る任意の断面により切断した曲線において位相速度が最大となる方向へ延長した位置に形成されることにより、位相速度が最大となる方向と伝達方向とが揃えられる。
【０１０１】
例えば、図１４に示すように、ｋｘ―ｋｚ平面においてｋｘ＝０を通らない放物線を、ｋｚ軸を中心として楕円に沿って回転させた面を等周波曲面ｃｓとして有する媒質について検討する。このような等周波曲面ｃｓとｋｘ―ｋｙ平面との交点の軌跡は楕円ｅであり、この楕円ｅにおける長軸方向（図１４におけるｋｘ軸方向）は、ｋｘ―ｋｙ平面における等周波曲線において位相速度が最小となる。したがって、ｋｘ―ｋｙ平面のみにおける等周波曲線においては長軸方向を伝達方向に定めることは出来ない。
【０１０２】
しかし、ｋｘ―ｋｚ平面と等周波曲面との交点との軌跡である放物線ｐにおいては、ｋｘ軸方向の位相速度が最大となる。それゆえ、ｋｘ軸方向を伝達方向と定めることにより、等方性の媒質を用いる場合に比べて、偏光の方向に沿った信号光のスポットサイズを維持したまま伝播可能である。
【０１０３】
また、第１〜第３の実施形態において、伝達方向はｚ軸方向に平行であるように図示される構成であるが、ｚ軸方向、すなわち入力面に対して垂直な方向でなくてもよい。例えば、図１５に示すように、光学情報伝達素子１０１、１０１０、１０１１の入力面ｉｓおよび出力面ｏｓに対して傾斜した方向が伝達方向ｔｄであってもよい。言い換えると、媒質の性質により定まる伝達方向ｔｄに対して、入力面ｉｓおよび出力面ｏｓが形成されればよく、本実施形態のように、伝達方向に対して垂直な平面でなくてもよい。
【０１０４】
また、第１〜第３の実施形態において、信号光を光学情報伝達素子１０１、１０１０、１０１１の入力面ｉｓから出力面ｏｓに伝達する構成であるが、出力面ｏｓから入力面ｉｓに信号光を伝達することも可能である。それゆえ、入力面ｉｓおよび出力面ｏｓに、光源１０７と受光器１１２を有する入出力ユニット（図示せず）を設け、入力面ｉｓ側の光源１０７の伝達方向に出力面ｏｓ側の受光器１１２を配置し、出力面ｏｓ側の光源１０７の伝達方向に入力面ｉｓ側の受光器１１２を配置することも可能である。このような構成においても、第１の集積回路基板１および第２の集積回路基板２間におけるデータの送受信が可能である。
【０１０５】
また、第１〜第３の実施形態において、光学情報伝達機構１００、１０００、１００１を第１の集積回路基板１に接続する構成であるが、第１の集積回路基板１に光源ユニット１０４、１０４１、偏光子１０３、１０３１、および入力アパーチャ板１０２、１０２１を設け、光学情報伝達素子１０１、１０１０、１０１１を第１の集積回路基板１に接続する構成であってもよい。同様に、光学情報伝達機構１００、１０００、１００１を第２の集積回路基板２に接続する構成であるが、第２の集積回路基板２に出力アパーチャ板１０５、１０５１および検出ユニット１０６、１０６１を設け、光学情報伝達素子１００、１０００、１００１を第２の集積回路基板２に接続する構成であってもよい。
【０１０６】
また、第１〜第３の実施形態において、光学情報伝達素子１０１、１０１０、１０１１の上面ｔｓおよび下面ｄｓには反射層が形成されるが、形成されなくてもよい。上面ｔｓおよび下面ｄｓにおいて光学情報伝達素子１０１、１０１０、１０１１と界面を構成する媒質（例えば、空気）の屈折率が、光学情報伝達素子１０１、１０１０、１０１１の屈折率より低屈折率であれば、信号光を上面ｔｓおよび下面ｄｓにおいて反射可能である。
【符号の説明】
【０１０７】
１００、１０００、１００１  光学情報伝達機構
１０１、１０１０、１０１１  光学情報伝達素子
１０２、１０２１  入力アパーチャ板
１０３、１０３１  偏光子
１０４、１０４１  光源ユニット
１０５、１０５１  出力アパーチャ板
１０６、１０６１  検出ユニット
１０７  光源
１１０  入力アパーチャ
１１１  出力アパーチャ
１１２  受光器
１１３  増幅光カプラ
１１４  増幅光光源ユニット
ｃｓ  等周波曲面
ｉｓ  入力面
ｏｓ  出力面
ｐ  放物線
ｔｄ  伝達方向
【図１】
2013020147.tif 000013
【図２】
2013020147.tif 000014
【図３】
2013020147.tif 000015
【図４】
2013020147.tif 000016
【図５】
2013020147.tif 000017
【図６】
2013020147.tif 000018
【図７】
2013020147.tif 000019
【図８】
2013020147.tif 000020
【図９】
2013020147.tif 000021
【図１０】
2013020147.tif 000022
【図１１】
2013020147.tif 000023
【図１２】
2013020147.tif 000024
【図１３】
2013020147.tif 000025
【図１４】
2013020147.tif 000026
【図１５】
2013020147.tif 000027