JP2005208331A - 分光光学素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】 透過型回折格子は特定の波長域においては、低い偏光依存損失と高効率とを両立できるが、両立できる帯域は広くなかった。また波長λの光とλ/m(mは2以上の自然数)の光は同じ回折角度になる回折次数mの回折光が生じ、これによって帯域が制限される。広い波長域で高い回折効率を有し、かつ偏光依存損失が低くて回折光のエネルギーの波長依存性が小さい分光光学素子を提供する。
【解決手段】 本発明においては、所定の入射角で入射する入射光の波長に依存して所定の方向に出射する分光光学素子を対象とする。本発明の分光光学素子10は、透過型回折光学素子20と、その回折光出射面に対向してこの回折光が入射するように固定配置された光学位相制御素子30とからなる。そしてこの光学位相制御素子は、回折光の回折角が波長によって変化するのに伴って、光学位相制御素子を透過する光に対する光学長が変化するように構成する。
【選択図】 図1
Description
久保田広著、「波動光学」、岩波書店、1971年、第10章
これにより、広い波長域にわたって回折光強度の波長依存性を補償することができ、均一な出射エネルギーを取り出すことができる。
この手段によっても、回折光強度の波長依存性を補償することができる。これにより、広い波長域にわたって均一な出射エネルギーを取り出すとともに、偏光依存性の小さな分光光学素子を提供できる。
例えば、各波長λに対して透過型回折光学素子による偏波モード分散を補償するような位相制御量をもつように光学位相制御素子を構成すれば、広い波長域に渡って偏波モード分散の小さい出射光を取り出すことができる。
第1の波長が第2の波長のm/n(>0)倍であるとき、第1の波長のn次回折光と第2の波長のm次回折光とは回折角が一致するが、本発明の構成によれば、波長による弁別が可能となり、分光光学素子としての使用可能波長域を大幅に広くとることができる。
このような構成により、長波長域の回折光は回折されずに直進して出射し、短波長域の回折光は、光学位相制御素子で回折して別の方向に出射できる。これによって、1つの分光光学素子を2つの波長域用として同時使用することができる。
このように構成することにより、透過型回折光学素子の屈折率を単一材料では得ることの難しい最適値に制御することができ、広帯域で回折効率の大きな、設計に即した回折光学素子を実現できる。
マイクロレンズ上に透過型回折格子と光学位相制御素子とを実装することにより、光学系を小型に集積化できるので、信頼性を高めることができる。
まず、平板状ガラス基板の一方の表面に光学位相制御素子を形成する。光学位相制御素子としては、光学多層膜を用いた。光学多層膜は、単位となる光学膜の材質によって決まる屈折率と、その膜厚の組み合わせを設計することにより、所望の波長特性、位相制御特性を得ることができる。所定の設計に基づいて膜構成を定め、光学モニタを有する蒸着装置で設計された膜構成を得るための成膜を行った。
透過型回折光学素子は、ブレーズ型とラミナー型とを作製した。
ラミナー型の周期構造体は複数積層することができる。最初の周期構造体を作製した後、その表面に再度透明膜を形成する。この透明膜を同様に加工することにより、ラミナー型周期構造体を積層した構造を作成することができる。
以下、本発明の第1の実施例を説明する。
波長多重光通信では、複数の波長の信号光が用いられ、例えば100nm以上の広い波長域を含む場合もある。透過型回折格子は広い波長域で使用すると、通常波長に応じて、回折効率が変化する。すなわち、このような透過型回折光学素子を複数の波長を含む光が透過すると、その回折光のエネルギーは波長によって変化する。したがって回折光全体の強度が波長によって変動を受けることになる。
実施例1では、光学位相制御素子における光強度の減衰量を光学多層膜の吸収によって実現したが、本実施例では、2つの偏波モード、すなわちTEモードとTMモードの両方に対して広い波長範囲で光学特性を安定させることを目的とする。このため、光学多層膜の反射と透過のエネルギーを波長ごとに設計し、回折光強度の波長依存性を補償するようにする。これにより、広い波長域にわたって均一な出射エネルギーを取り出すとともに、偏光依存性の小さな回折光学素子を得ることができる。この構成は、偏光光学系において広帯域で安定した分光特性が必要な場合に好ましい。
本実施例においては、回折光学素子を通過する際に発生するTE、TMモードの位相変化量の差を補正し、偏波モード間のモード分散を補償するように光学位相制御素子を設計する。位相変化量は、回折格子を構成する材料の屈折率とリッジの幅によって変化するが、回折格子の周期構造によって各偏光が感受する等価的な誘電率が異なるため、位相変化量は異なる。
本実施例では光学位相制御素子の透過光だけでなく反射光も利用する。
透過型回折格子は入射光に波長λaの第1の波長成分とその1/|m|の波長λb(=λa/|m|、mは絶対値が2以上の整数)の第2の波長成分が含まれていると、λaの0次回折光とλbのm次回折光が、等しい回折角で生じる性質があるので、使用できる波長範囲(いわゆるフリースペクトルレンジ)が制限される。一般的に言えば、第1の波長のn次回折光(nは絶対値が1以上の整数)と第2の波長のm次回折光は、第1の波長が第2の波長のm/n倍であるとき、回折角が等しくなる。ただし、mとnの符合は等しく、m/n>0とする。
本実施例においては光学位相制御素子は、長波長域に対しては、波長の1/2以下の周期をもつ周期構造となり、短波長域に対しては、波長の1/2以上の周期をもつ周期構造となるように設計する。
以上の実施例1〜4は、光学位相制御素子の設計によって所望の機能を得る手段である。これに対して本実施例では透過型回折格子によって所望の機能を得る手段を説明する。
20 透過型回折光学素子
22、26 ラミナー型透過回折格子
24、25 リッジ部
30 光学位相制御素子
32、34 光学多層膜
36、38 ラミナー型周期構造体
40 入射光
42,44,45 回折光
50 ガラス基板
60 レンズアレイ
Claims (13)
- 所定の入射角で入射する入射光に対して、その波長に依存して所定の方向に出射光を出射する分光光学素子において、透過型回折光学素子と、その回折光出射面に対向して該回折光が入射するように固定配置された光学位相制御素子とを備え、前記透過型回折光学素子による回折光の回折角が波長によって変化するのに伴って、入射する光に及ぼす前記光学位相制御素子の光学作用が変化することを特徴とする分光光学素子。
- 前記光学作用によって前記光学位相制御素子中における光強度減衰量、位相変化量又は反射量のうち、少なくともいずれか1つが変化することを特徴とする請求項1に記載の分光光学素子。
- 前記透過型回折光学素子と前記光学位相制御素子とが直接積層されていることを特徴とする請求項1または2に記載の分光光学素子。
- 少なくとも2つの異なる波長成分を含む前記入射光に対して、前記透過型回折光学素子における所定波長に対する回折効率と、該透過型回折光学素子によって回折された同波長の入射光に対する光学位相制御素子による光強度の減衰量との積が、少なくとも2つの異なる波長において一定であることを特徴とする請求項1、2、または3に記載の分光光学素子。
- 少なくとも2つの異なる波長成分を含む前記入射光に対して、前記透過型回折光学素子における所定波長に対する回折効率と、該透過型回折光学素子によって回折された同波長の入射光に対する前記光学位相制御素子による反射量との積が、少なくとも2つの異なる波長において一定であることを特徴とする請求項1、2、または3に記載の分光光学素子。
- 前記光学位相制御素子は、前記透過型回折光学素子によって回折された少なくとも任意の直交する2つの偏光の位相変化量に対して、値が等しく符号が反対の位相変化量を与えることを特徴とする請求項1、2または3に記載の分光光学素子。
- 前記透過型回折光学素子による第1の波長のn次回折光(nは絶対値が1以上の整数)と、第1の波長よりも短い第2の波長のm次回折光(mは絶対値が2以上の整数)との回折角が等しく、前記光学位相制御素子に対して入射する光が同一方向から入射する場合において、第1の波長の光は通過させ、第2の波長の光を反射させることを特徴とする請求項1、2または3に記載の分光光学素子。
- 前記光学位相制御素子は、第1の波長に対しては、その波長の1/2以下の周期を有する周期構造を備え、かつ第1の波長よりも短い第2の波長に対しては、その波長の1/2以上の周期を有する周期構造を備えることを特徴とする請求項1、2または3に記載の分光光学素子。
- 前記透過型回折光学素子は、屈折率の異なる2以上の材料を組合せて構成し、各材料が占める体積の割合によって該透過型回折光学素子の見かけの屈折率を所望の値に一致させたことを特徴とする請求項1、2または3に記載の分光光学素子。
- 前記光学位相制御素子は、光学多層膜であることを特徴とする請求項1〜10のいずれか一項に記載の分光光学素子。
- 前記光学位相制御素子は、使用波長域において透明な材料からなるラミナー型周期構造体であることを特徴とする請求項1〜10のいずれか一項に記載の分光光学素子。
- 前記透過型回折光学素子は使用波長域において透明な材料からなる周期的凹凸構造を有する素子であることを特徴とする請求項1〜11のいずれか一項に記載の分光光学素子。
- 前記光学位相制御素子から出射する光を集光するレンズを備えたことを特徴とする請求項1〜12のいずれか一項に記載の分光光学素子。
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