JP2013210589A - 回折格子およびその製造方法、光導波路 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】透過型VPH回折格子や厚い透過型矩形回折格子の材料として光学異方性媒質を使用して、S偏光に対する最大屈折率と最少屈折率との差、およびP偏光に対する最大屈折率と最少屈折率との差、の2つの値を異なる所定値とすることで、任意の波長および任意のブラッグ角においてS偏光およびP偏光の回折効率を所望の分光特性に設定することが可能になる。
【選択図】図8
Description
二光束のレーザ干渉露光によって製作され、屈折率が正弦波状に変化する厚い回折格子は、VPH(Volume Phase Holographic)と呼ばれる。ここで、波長をλ、格子の厚さをt、格子周期をΛ、平均屈折率をn=(nmax+nmin)/2としたときに
Q=2πλt /(nΛ2) ・・・(1)
で定義される回折格子のQ値がQ<1である場合に薄い回折格子、Q>10である場合に厚い回折格子に分類される。なお、nmaxとnminはそれぞれ回折格子の最大屈折率と最小屈折率である。
mλ=2nΛ sin(θ) ・・・(2)
によって与えられる。ここで、mは回折次数である。また、光束が透過型VPH回折格子1に入射する面および出射する面に対して格子が垂直である場合にはブラッグ角θ=入射角=回折角、また、格子が角度α傾斜している場合には、入射角=θ+α、回折角=θ−αである。
厚い透過型矩形回折格子2は図6のように屈折率がn1の光学等方性媒質の基板30と、屈折率がn3の光学等方性媒質の基板40の間に断面が長方形あるいは平行四辺形である屈折率がn2aの光学等方性媒質21と屈折率がn2b(n2a≠n2b)の光学等方性媒質22が交互に設置された厚い位相型回折格子である。
(nSmax−nSmin)/cosθS=(nPmax−nPmin)*cos2θP/cosθP
を満たす値とすることで、S偏光の回折効率およびP偏光の回折効率の平均を、所望の波長、入射角において90%以上としたことを特徴とする。さらには95%以上、あるいは99%以上とすることも可能である。
ただし、上記式においてθSはS偏光に対するブラッグ角、θPはP偏光に対するブラッグ角である。
(nSmax−nSmin)/cosθS=2(nPmax−nPmin)*cos2θP/cosθP
または、
2(nSmax−nSmin)/cosθS=(nPmax−nPmin)*cos2θP/cosθP
を満たす値とすることで、S偏光およびP偏光の回折効率のうち、一方を90%以上、他方を1%以下としたことを特徴とする。一方の回折効率を95%以上、あるいは99%以上とすることも可能である。
ただし、上記式においてθSはS偏光に対するブラッグ角、θPはP偏光に対するブラッグ角である。
1つは、光学等方性の樹脂に、所定の方向に配向した一軸性あるいは二軸性光学異方性の液晶が混合された樹脂であり、樹脂中の液晶の濃度によって屈折率が正弦波状に変調され、液晶の濃度および液晶分子の配向方向によって、S偏光に対する最大屈折率と最少屈折率との差と、P偏光に対する最大屈折率と最少屈折率との差とを、異なる所定値としたことを特徴とする回折格子である。
他の1つは、二軸性光学異方性の液晶と、液晶を挟んでその液晶に接し、液晶を所定の方向に配向させる液晶配向膜と、液晶を挟む1対の電極が周期的に配置された電極部と、を有し、電極部への電圧の印加によって液晶分子の配向方向を制御することにより、液晶の屈折率を正弦波状に変調し、かつ、S偏光に対する最大屈折率と最少屈折率との差と、P偏光に対する最大屈折率と最少屈折率との差とを異なる所定値とし、電極部への印加電圧値を変えることで、S偏光の回折効率とP偏光の回折効率とを可変としたことを特徴とする回折格子である。
(nSmax+nSmin) sinθS = (nPmax+nPmin) sinθP
であるから、
以上のことから、所望のブラッグ角において、S偏光に対する最大屈折率と最少屈折率との差、およびP偏光に対する最大屈折率と最少屈折率との差を制御すれば、S偏光の回折効率と、P偏光の回折効率を所望の特性とすることができることがわかる。
また、本発明の回折格子は、請求項6に記載の回折格子において、光学異方性媒質のS偏光に対する最大屈折率をn2cS、P偏光に対する最大屈折率をn2cPとし、2種類の材料のうち他方の屈折率をn2aとして、n2a、n2cS、およびn2cPは、
n2cP>n2cS>n2aまたはn2cP<n2cS<n2aの場合には、A1*(n2cS−n2a)/cosθS=B1*(n2cP−n2a)*cos2θP/cosθP
n2cP>n2a>n2cSまたはn2cP<n2a<n2cSの場合には、A2*(n2cS−n2a)/cosθS=−B2*(n2cP−n2a)*cos2θP/cosθP
を満たす値とすることで、S偏光の回折効率およびP偏光の回折効率の平均を、所望の波長、入射角において90%以上としたことを特徴とする。さらには95%以上、あるいは99%以上とすることも可能である。
ただし、上記式においてθSはS偏光に対するブラッグ角、θPはP偏光に対するブラッグ角である。また、A1、A2はRCWA法によって求めた上記回折格子のS偏光の回折効率の格子の厚さに対する周期を、2波結合解析法によって求めた透過型VPH回折格子のS偏光の回折効率の厚さに対する周期で割った値である。また、B1とB2はRCWA法によって求めた上記回折格子のP偏光の回折効率の厚さに対する周期を、2波結合解析法によって求めた透過型VPH回折格子のP偏光の回折効率の厚さに対する周期で割った値である。また、上記2波結合解析法によって求めた透過型VPH回折格子とは、S偏光に対する最大屈折率をn2cS、n2aのうち大きい方、最小屈折率をn2cS、n2aのうち小さい方とし、P偏光に対する最大屈折率をn2cP、n2aのうち大きい方、最小屈折率をn2cP、n2aのうち小さい方とした透過型VPH回折格子である。
また、本発明の回折格子は、請求項6に記載の回折格子において、光学異方性媒質のS偏光に対する最大屈折率をn2cS、P偏光に対する最大屈折率をn2cPとし、2種類の材料のうち他方の材料の屈折率をn2aとして、n2a、n2cS、およびn2cPは、
n2cP>n2cS>n2aまたはn2cP<n2cS<n2aの場合には、2A1*(n2cS−n2a)/cosθS=B1*(n2cP−n2a)*cos2θP/cosθP、あるいは、A1*(n2cS−n2a)/cosθS=2B1*(n2cP−n2a)*cos2θP/cosθP
n2cP>n2a>n2cSまたはn2cP<n2a<n2cSの場合には、2A2*(n2cS−n2a)/cosθS=−B2*(n2cP−n2a)*cos2θP/cosθP、あるいは、A2*(n2cS−n2a)/cosθS=−2B2*(n2cP−n2a)*cos2θP/cosθPを満たす値とすることで、S偏光およびP偏光の回折効率のうち、一方を90%以上、他方を1%以下としたことを特徴とする。一方の回折効率を95%以上、あるいは99%以上とすることも可能である。
なお、上記式におけるθS、θP、A1、A2、B1、B2は、前述と同様である。
請求項6に記載の回折格子は、2種類の屈折率が異なる材料が交互に周期的に配置された格子構造である透過型の回折格子において、一方の材料として光学異方性媒質を用い、その光学異方性媒質のS偏光に対する屈折率がn2cS、P偏光に対する屈折率がn2cP、S偏光とP偏光に対するブラッグ角がそれぞれθSおよびθPであるとすると式5と同様にn2a、n2cS、およびn2cPを選ぶことによって、
のいずれかを満足するような任意のθSとθPにおいて、式(3)と式(4)が等しくなるために、図7のようにS偏光およびP偏光の1次回折光の回折効率特性が一致する。そして、その一致した極大値において90%以上の回折効率となる。つまり、所望のブラッグ角(言い換えれば所望の格子周期Λ、波長λ)において、式(8)、(9)を満たすよう光学異方性媒質のS偏光に対する屈折率と他の材料の屈折率との差、および光学異方性媒質のP偏光に対する屈折率と他の材料の屈折率との差、の2つを制御すれば、S偏光の回折効率の特性とP偏光の回折効率の特性を一致させて、その一致した極大値となる格子の厚さにおいてS偏光とP偏光の回折効率の平均を90%以上とすることができる。ここでA1とA2は上記RCWA法によって求めた厚い透過型矩形回折格子のS偏光の回折効率の格子の厚さtに対する周期PRSを上記2波結合解析法によって求めた厚い透過型VPH回折格子のS偏光の回折効率の格子の厚さtに対する周期P2Sで割った値である。また、B1とB2は上記RCWA法によって求めた厚い透過型矩形回折格子のP偏光の回折効率の格子の厚さtに対する周期PRPを上記2波結合解析法によって求めた透過型VPH回折格子1のP偏光の回折効率の格子の厚さtに対する周期P2Pで割った値である。なお、式(8)および式(9)の左辺と右辺が近似等号によって結ばれているのは、左辺と右辺が厳密に等しくなくても、多くの場合に実用上問題なく利用できるからである。
以上のことから、所望のブラッグ角において、一方の材料である光学異方性媒質のS偏光に対する屈折率と他の材料の屈折率との差、および光学異方性媒質のP偏光に対する屈折率と他の材料の屈折率との差、および格子の厚さtを制御すれば、S偏光の回折効率と、P偏光の回折効率を所望の特性とすることができることがわかる。
本発明の回折格子を格子周期方向に伸びる直線状または曲線状とし、それをコア材およびクラッド材により埋め込むことで、平面型の光導波路としてもよい。光導波路においては、本明細書中のS偏光をTE波、P偏光をTM波と置き替えて読めばよい。
特に、請求項1に記載の回折格子においては式(5)を満たすように光学異方性媒質の屈折率を調整し、請求項6に記載の回折格子においては式(8)あるいは式(9)を満たすように光学異方性媒質の屈折率を調整し、格子の厚さtを調整することによって、S偏光とP偏光が同時に90%以上、最大100%に達する高い回折効率と広い帯域幅を達成することができるという利点がある。
なお、本発明の回折格子を用いた請求項13に記載の光導波路についても、上記と同様の利点を得ることができる。
次に、図8の上部に示した矢印のように、回折格子の周期方向とする方向に偏光させた二光束のレーザ干渉露光によって、干渉縞の明部では、偏光の電界振動方向に長軸が配置されている液晶性有機材料210の感光性基が選択的に架橋反応を起こして二量化する。二量化した液晶性有機材料210の周囲では、単量体の液晶性有機材料210が二量化した液晶性有機材料210と同じ方向に配列して、レーザ干渉露光中には近接する単量体の液晶性有機材料210と二量化する。その結果、干渉縞の明部においては単量体の液晶性有機材料210の濃度が低下するために、干渉縞の暗部から単量体の液晶性有機材料210が明部に移動し、一方、明部から熱硬化型樹脂220が暗部に移動し、明部に移動した単量体の液晶性有機材料210は二量化した液晶性有機材料210と同じ方向に配向して近接する単量体の液晶性有機材料と二量化する。
レーザ干渉露光の後に、上記ホログラム乾板を熱硬化性樹脂220の硬化温度まで加熱して常温まで冷却することによって、図8の正面図あるいは側面図のような回折格子の周期方向に液晶性有機材料210が配向した、本発明の回折格子3を実現できる。
回折格子3は、液晶性有機材料210の濃度の違いによって、ホログラム樹脂230の屈折率が正弦波状に変化するVPHである。また、液晶性有機材料210の配向により、その液晶性有機材料210のS偏光に対する屈折率とP偏光に対する屈折率とは異なっている。
なお、実施例1の回折格子3は、図8の側面図に示すように、ホログラム樹脂230の厚さ方向(光の入射面に対して垂直な方向)については液晶性有機材料210の濃度を均一として屈折率の変化が内容にしているが、図9の上面図のように、厚さ方向の液晶性有機材料210の濃度を変化させることで、厚さ方向の屈折率が角度αの傾斜を有するようにしてもよい。
そして、実施例1の回折格子3は、ホログラム樹脂230のS偏光に対する最大屈折率nSmaxと最少屈折率nSminとの差:nSmax−nSmin、およびP偏光に対する最大屈折率nPmaxと最少屈折率nPminとの差:nPmax−nPminを、式(5)を満たす所定の値に制御することにより、S偏光およびP偏光の1次回折光の回折効率特性(回折効率の格子厚さt依存性)を一致させることができ、格子の厚さtを調整することによって回折格子3への所望の入射角に対して、S偏光とP偏光の回折効率の平均値を90%以上とすることができる。もちろん、上記差の二分の一、つまり、S偏光に対する屈折率変調量:ΔnS=(nSmax−nSmin)/2、および、P偏光に対する屈折率変調量:ΔnP=(nPmax−nPmin)/2によって制御してもよい。
また、ホログラム樹脂230のS偏光に対する最大屈折率nSmaxと最少屈折率nSminとの差、およびP偏光に対する最大屈折率nPmaxと最少屈折率nPminとの差を、式(6)または式(7)を満たす所定の値に制御することにより、S偏光の1次回折光の回折効率特性が極大となるときにP偏光の1次回折光の回折効率特性が極小となるように、あるいはその逆に、S偏光の1次回折光の回折効率特性が極小となるときにP偏光の1次回折光の回折効率特性が極大となるようにことができる。そのため、回折格子3への所望の入射角に対して、S偏光の回折効率が90%以上でP偏光の回折効率が1%以下、またはS偏光の回折効率が1%以下でP偏光の回折効率が90%以上とすることができ、回折格子3を偏光分離素子とすることができる。
この光導波路4は、回折格子3のホログラム樹脂230の屈折率を実施例1で示したように制御することにより、TE波およびTM波の回折効率の特性を所望の特性に制御することが可能である。
逆に、光学等方性の基板に断面が矩形のストライプ状の溝を形成し、溝に光学異方性媒質を充填することで回折格子5を形成してもよい。この場合、光学異方性媒質には、電界や配光の照射などによって所定の方向に配向させた状態で硬化させた液晶を用いることができる。
また、光学等方性の基板に光学異方性の膜を形成し、膜をエッチングして断面が矩形のストライプ状の溝を形成し、溝に光学等方性媒質を充填することで回折格子5を形成してもよい。光学異方性の膜には、延伸された樹脂、または配向された状態で硬化した液晶などを用いることができる。
この回折格子5は、光学等方性媒質450の屈折率n2aおよび、光学異方性媒質である基板400のS偏光に対する屈折率n2cSとP偏光に対する屈折率n2cPとを、式(8)または式(9)を満たす所定の値に制御することにより、図7のようにS偏光およびP偏光の1次回折光の回折効率特性を一致させることができ、回折格子5への所望の入射角に対して、S偏光とP偏光の回折効率の平均値を90%以上とすることができる。
また、光学等方性媒質450の屈折率n2aおよび光学異等方性媒質である基板400のS偏光に対する屈折率n2cS、P偏光に対する屈折率n2cPを、式(8)、(9)の左辺または右辺の一方を2倍とした等式、つまり、式(10)、(11)、(12)、(13)のいずれかを満たす所定値に制御することにより、S偏光の1次回折光の回折効率特性が極大となるときにP偏光の1次回折光の回折効率特性が極小となるように、あるいはその逆に、S偏光の1次回折光の回折効率特性が極小となるときにP偏光の1次回折光の回折効率特性が極大となるようにことができる。そのため、回折格子5への所望の入射角に対して、S偏光の回折効率が90%以上でP偏光の回折効率が1%以下、またはS偏光の回折効率が1%以下でP偏光の回折効率が90%以上とすることができ、回折格子5を偏光分離素子とすることができる。
なお、実施例3の回折格子5では、溝410を光の入射面に対して垂直なものとしたが、図11の上面図に示すように、溝410を光の入射面に垂直な方向に対して角度α傾斜させ、光学異方性媒質と光学等方性媒質が交互に傾斜して配列された構造としてもよい。
この実施例6の回折格子7は、二軸性光学異方性を有する液晶740の配向によって、屈折率が正弦波状に変化し、その屈折率を透明電極710に印加する電圧によって可変とすることが可能な透過型VPH回折格子を実現している。つまり、透明電極710の印加電圧の制御によって、S偏光およびP偏光に対する回折効率の特性を制御することができる。
例えば上記二軸性光学異方性の液晶740の分子750の長軸がz軸であり、n1=1.7、n2=1.66、n3=1.5である場合に、液晶配向膜720によって液晶740の分子750の長軸が格子と垂直かつ上下の基板と平行に、またy軸が格子と平行に配向させると、S偏光の屈折率が1.66、P偏光の屈折率が1.7となる。一方、透明電極710の間の液晶740の分子750は透明電極710に電圧を印可すると長軸(z軸)が透明電極710の方向に向いて個々の液晶740の分子750のx軸とy軸はz軸を回転中心にして自由な方向を向いているとすると、S偏光およびP偏光の屈折率はn2とn3の平均値1.58である。すなわち、nSmax=1.66、nSmin=1.58、nPmax=1.7、nPmin=1.58である。式(5)およびスネルの式(2)よりS偏光に対するブラッグ角がθS=23.8°、P偏光に対するブラッグ角がθP=24.1°(真空中のブラッグ角はともにθ0=40.8°)とすると、図7のようにS偏光とP偏光の特性が一致する。
この光導波路8は、上下の電極830に任意の電圧を印加することによって、図14の正面図のように上下の電極830の間の液晶840が上下の電極方向に配向が傾き、キラリティが消失して液晶840が一軸性光学異性体として振る舞い、電極830の間に位置する液晶840からの距離が離れるに従って電極830の間に位置する液晶840の傾きから徐々にクラッド層800に平行あるいはプレティルト角に液晶840の配向の傾きが変化し、キラリティによって二軸性光学異性体として振る舞う。これにより、屈折率が正弦波状に変調している。つまり、実施例6の回折格子7をコア材とクラッド材により埋め込んだ平面型の構造の光導波路であり、電極830の印加電圧によって、TE波およびTM波の回折効率の特性を制御可能となっている。
この回折格子9は、実施例3の回折格子5において、光学異方性媒質として液晶を用い、液晶の分子の配向を電圧印加によって制御することで、S偏光およびP偏光の回折効率の特性を可変としたものである。例えば液晶960を一軸性の液晶とする場合に、常光線屈折率を光学等方性媒質の屈折率と一致させておき、無電界においては式(8)あるいは式(9)を満足する屈折率になるように所望の方位に液晶を配向させておき、透明電極910に電圧を印可した場合においては、液晶960の分子の長軸が透明電極910の方位に配向することによって、図11のようにS偏光とP偏光ともに最大100%の回折効率を達成する回折格子から、素通しの窓に切り替えることができる。
この実施例9の光導波路10は、電極1030に電圧を印加することによって、液晶1060が上下の電極方向に任意の角度で傾くので、屈折率を変化させることができ、その結果、TE波およびTM波の回折効率の特性を制御可能である。
2 厚い透過型矩形回折格子
3、5、7、9 回折格子
4、6、8、10 光導波路
20、230 ホログラム樹脂
21、22、450、520 光学等方性媒質
30、40、200、240、400、430、900、950 基板
700 下基板
730 上基板
210 液晶性有機材料
220 熱硬化型樹脂材料
300、500、800、1000 クラッド層
310、510、810、1010 コア層
410、940、1040 溝
420、930、1050 矩形格子
530 光学異方性媒質
710、910 透明電極
720、820、920、1020 液晶配向膜
740、840、960、1060 液晶
750 液晶の分子
830、1030 電極
Claims (19)
- 屈折率が正弦波状に変調された格子構造である透過型VPH回折格子であって、
光学異方性媒質を用い、その光学異方性媒質のS偏光に対する最大屈折率と最少屈折率との差と、P偏光に対する最大屈折率と最少屈折率との差を、異なる所定値とすることで、S偏光の回折効率とP偏光の回折効率とを所望の特性に制御したことを特徴とする回折格子。 - S偏光に対する最大屈折率をnSmax、最少屈折率をnSmin、P偏光に対する最大屈折率をnPmax、最少屈折率をnPminとして、
nSmax、nSmin、nPmax、およびnPminは、
(nSmax−nSmin)/cosθS=(nPmax−nPmin)*cos2θP/cosθP
を満たす値とすることで、S偏光の回折効率およびP偏光の回折効率の平均を、所望の波長、入射角において90%以上としたことを特徴とする請求項1に記載の回折格子。
ただし、上記式においてθSはS偏光に対するブラッグ角、θPはP偏光に対するブラッグ角である。 - S偏光に対する最大屈折率をnSmax、最少屈折率をnSmin、P偏光に対する最大屈折率をnPmax、最少屈折率をnPminとして、
nSmax、nSmin、nPmax、およびnPminは、
(nSmax−nSmin)/cosθS=2(nPmax−nPmin)*cos2θP/cosθP
または、
2(nSmax−nSmin)/cosθS=(nPmax−nPmin)*cos2θP/cosθP
を満たす値とすることで、S偏光およびP偏光の回折効率のうち、一方を90%以上、他方を1%以下としたことを特徴とする請求項1に記載の回折格子。
ただし、上記式においてθSはS偏光に対するブラッグ角、θPはP偏光に対するブラッグ角である。 - 前記回折格子は、光学等方性の樹脂に、所定の方向に配向した光学異方性の液晶が混合された樹脂であり、
前記樹脂中の前記液晶の濃度によって屈折率が正弦波状に変調され、
前記液晶の濃度および液晶分子の配向方向によって、S偏光に対する最大屈折率と最少屈折率との差と、P偏光に対する最大屈折率と最少屈折率との差とを、異なる所定値としたことを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の回折格子。 - 前記回折格子は、
二軸性光学異方性の液晶と、
前記液晶を挟んでその液晶に接し、前記液晶を所定の方向に配向させる液晶配向膜と、
前記液晶を挟む1対の電極が周期的に配置された電極部と、
を有し、
前記電極部への電圧の印加によって前記液晶分子の配向方向を制御することにより、前記液晶の屈折率を正弦波状に変調し、かつ、S偏光に対する最大屈折率と最少屈折率との差と、P偏光に対する最大屈折率と最少屈折率との差とを異なる所定値とし、
前記電極部への印加電圧値を変えることで、S偏光の回折効率とP偏光の回折効率とを可変としたことを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の回折格子。 - 2種類の屈折率が異なる材料が交互に周期的に配置された格子構造である透過型の回折格子であって、
2種類の材料のうち少なくとも一方が光学異方性媒質であり、その光学異方性媒質のS偏光に対する屈折率と他方の材料の屈折率との差と、前記光学異方性媒質のP偏光に対する屈折率と他方の材料の屈折率との差を、異なる所定値とすることで、S偏光の回折効率とP偏光の回折効率とを所望の特性に制御したことを特徴とする回折格子。 - 前記光学異方性媒質のS偏光に対する最大屈折率をn2cS、P偏光に対する最大屈折率をn2cPとし、2種類の材料のうち他方の材料の屈折率をn2aとして、n2a、n2cS、およびn2cPは、
n2cP>n2cS>n2aまたはn2cP<n2cS<n2aの場合には、A1*(n2cS−n2a)/cosθS=B1*(n2cP−n2a)*cos2θP/cosθP
n2cP>n2a>n2cSまたはn2cP<n2a<n2cSの場合には、A2*(n2cS−n2a)/cosθS=−B2*(n2cP−n2a)*cos2θP/cosθP
を満たす値とすることで、S偏光の回折効率およびP偏光の回折効率の平均を、所望の波長、入射角において90%以上としたことを特徴とする請求項6に記載の回折格子。
ただし、上記式においてθSはS偏光に対するブラッグ角、θPはP偏光に対するブラッグ角である。また、A1、A2はRCWA法によって求めた前記回折格子のS偏光の回折効率の格子の厚さに対する周期を、2波結合解析法によって求めた透過型VPH回折格子のS偏光の回折効率の厚さに対する周期で割った値である。また、B1とB2はRCWA法によって求めた前記回折格子のP偏光の回折効率の厚さに対する周期を2波結合解析法によって求めた透過型VPH回折格子のP偏光の回折効率の厚さに対する周期で割った値である。 - 前記光学異方性媒質のS偏光に対する最大屈折率をn2cS、P偏光に対する最大屈折率をn2cPとし、2種類の材料のうち他方の材料の屈折率をn2aとして、n2a、n2cS、およびn2cPは、
n2cP>n2cS>n2aまたはn2cP<n2cS<n2aの場合には、2A1*(n2cS−n2a)/cosθS=B1*(n2cP−n2a)*cos2θP/cosθP、あるいは、A1*(n2cS−n2a)/cosθS=2B1*(n2cP−n2a)*cos2θP/cosθP
n2cP>n2a>n2cSまたはn2cP<n2a<n2cSの場合には、2A2*(n2cS−n2a)/cosθS=−B2*(n2cP−n2a)*cos2θP/cosθP、あるいは、A2*(n2cS−n2a)/cosθS=−2B2*(n2cP−n2a)*cos2θP/cosθPを満たす値とすることで、S偏光およびP偏光の回折効率のうち、一方を90%以上、他方を1%以下としたことを特徴とする請求項6に記載の回折格子。
ただし、上記式においてθSはS偏光に対するブラッグ角、θPはP偏光に対するブラッグ角である。また、A1、A2はRCWA法によって求めた前記回折格子のS偏光の回折効率の格子の厚さに対する周期を、2波結合解析法によって求めた透過型VPH回折格子のS偏光の回折効率の厚さに対する周期で割った値である。また、B1とB2はRCWA法によって求めた前記回折格子のP偏光の回折効率の厚さに対する周期を、2波結合解析法によって求めた透過型VPH回折格子のP偏光の回折効率の厚さに対する周期で割った値である。 - 格子状の溝が設けられた光学異方性材料からなる基板と、前記基板の前記溝を埋める光学等方性材料と、によって構成されていることを特徴とする請求項6ないし請求項8のいずれか1項に記載の回折格子。
- 前記基板は、β−メタホウ酸バリウム(β−BaB2O4:β−BBO)、フッ化イットリウム−リチウム(YLiF4:YLF)、またはニオブ酸リチウム(LiNbO3)からなる結晶、ないしは、延伸された樹脂、または配向された状態で硬化した液晶である、ことを特徴とする請求項9に記載の回折格子。
- 格子状の溝が設けられた光学等方性材料からなる基板と、前記溝を埋める所定の方向に配光した状態で硬化された液晶と、によって構成されていることを特徴とする請求項6ないし請求項8のいずれか1項に記載の回折格子。
- 格子状の溝が設けられた光学等方性材料からなる第1基板と、
前記第1基板の溝に充填された液晶と、
前記第1基板上に配置され、前記液晶に接し、前記液晶を所定の方向に配向させる液晶配向膜が設けられた第2基板と、
前記第1基板の各前記溝の底面と、前記第2基板の前記第1基板側表面であって前記溝に対向する位置と、に設けられた電極部と、
を有し、
前記電極部への電圧の印加によって前記液晶の分子の配向方向を制御することにより、S偏光に対する屈折率と、P偏光に対する屈折率とを異なる所定値とし、
前記電極部への印加電圧値を変えることで、S偏光の回折効率とP偏光の回折効率とを可変としたことを特徴とする請求項6ないし請求項11のいずれか1項に記載の回折格子。 - 請求項1ないし請求項12のいずれか1項に記載の回折格子を、格子周期方向に伸びる直線状または曲線状とし、その回折格子がコア材およびクラッド材に埋め込まれた構造であることを特徴とする光導波路。
- 屈折率が正弦波状に変調された格子構造である透過型VPH回折格子の設計方法であって、
光学異方性媒質を用い、その光学異方性媒質のS偏光に対する最大屈折率と最少屈折率との差と、P偏光に対する最大屈折率と最少屈折率との差によって、S偏光の回折効率とP偏光の回折効率とを所望の特性に制御することを特徴とする回折格子の設計方法。 - S偏光に対する最大屈折率をnSmax、最少屈折率をnSmin、P偏光に対する最大屈折率をnPmax、最少屈折率をnPminとして、
nSmax、nSmin、nPmax、およびnPminを、
(nSmax−nSmin)/cosθS=(nPmax−nPmin)*cos2θP/cosθP
を満たす値に設計することで、S偏光の回折効率およびP偏光の回折効率の平均を、所望の波長、入射角において90%以上とすることを特徴とする請求項14に記載の回折格子の設計方法。 - S偏光に対する最大屈折率をnSmax、最少屈折率をnSmin、P偏光に対する最大屈折率をnPmax、最少屈折率をnPminとして、
nSmax、nSmin、nPmax、およびnPminを、
(nSmax−nSmin)/cosθS=2(nPmax−nPmin)*cos2θP/cosθP
または、
2(nSmax−nSmin)/cosθS=(nPmax−nPmin)*cos2θP/cosθP
を満たす値に設計することで、S偏光およびP偏光の回折効率のうち、一方を90%以上、他方を1%以下とすることを特徴とする請求項14に記載の回折格子の設計方法。 - 2種類の屈折率が異なる材料が交互に周期的に配置された格子構造である透過型の回折格子の設計方法であって、
2種類の材料のうち少なくとも一方が光学異方性媒質であり、その光学異方性媒質のS偏光に対する屈折率と他方の材料の屈折率との差と、前記光学異方性媒質のP偏光に対する屈折率と他方の材料の屈折率との差によって、S偏光の回折効率とP偏光の回折効率とを所望の特性に制御することを特徴とする回折格子の設計方法。 - 前記光学異方性媒質のS偏光に対する最大屈折率をn2cS、P偏光に対する最大屈折率をn2cPとし、2種類の材料のうち他方の材料の屈折率をn2aとして、n2a、n2cS、およびn2cPを、
n2cP>n2cS>n2aまたはn2cP<n2cS<n2aの場合には、A1*(n2cS−n2a)/cosθS=B1*(n2cP−n2a)*cos2θP/cosθP
n2cP>n2a>n2cSまたはn2cP<n2a<n2cSの場合には、A2*(n2cS−n2a)/cosθS=−B2*(n2cP−n2a)*cos2θP/cosθP
を満たす値に設計することで、S偏光の回折効率およびP偏光の回折効率の平均を、所望の波長、入射角において90%以上とすることを特徴とする請求項17に記載の回折格子の設計方法。
ただし、上記式においてθSはS偏光に対するブラッグ角、θPはP偏光に対するブラッグ角である。また、A1、A2はRCWA法によって求めた前記回折格子のS偏光の回折効率の格子の厚さに対する周期を、2波結合解析法によって求めた透過型VPH回折格子のS偏光の回折効率の厚さに対する周期で割った値である。また、B1とB2はRCWA法によって求めた前記回折格子のP偏光の回折効率の厚さに対する周期を、2波結合解析法によって求めた透過型VPH回折格子のP偏光の回折効率の厚さに対する周期で割った値である。 - 前記光学異方性媒質のS偏光に対する最大屈折率をn2cS、P偏光に対する最大屈折率をn2cPとし、2種類の材料のうち他方の材料の屈折率をn2aとして、n2a、n2cS、およびn2cPを、
n2cP>n2cS>n2aまたはn2cP<n2cS<n2aの場合には、2A1*(n2cS−n2a)/cosθS=B1*(n2cP−n2a)*cos2θP/cosθP、あるいは、A1*(n2cS−n2a)/cosθS=2B1*(n2cP−n2a)*cos2θP/cosθP
n2cP>n2a>n2cSまたはn2cP<n2a<n2cSの場合には、2A2*(n2cS−n2a)/cosθS=−B2*(n2cP−n2a)*cos2θP/cosθP、あるいは、A2*(n2cS−n2a)/cosθS=−2B2*(n2cP−n2a)*cos2θP/cosθPを満たす値に設計することで、S偏光およびP偏光の回折効率のうち、一方を90%以上、他方を1%以下としたことを特徴とする請求項17に記載の回折格子の設計方法。
ただし、上記式においてθSはS偏光に対するブラッグ角、θPはP偏光に対するブラッグ角である。また、A1、A2はRCWA法によって求めた前記回折格子のS偏光の回折効率の格子の厚さに対する周期を、2波結合解析法によって求めた透過型VPH回折格子のS偏光の回折効率の厚さに対する周期で割った値である。また、B1とB2はRCWA法によって求めた前記回折格子のP偏光の回折効率の厚さに対する周期を、2波結合解析法によって求めた透過型VPH回折格子のP偏光の回折効率の厚さに対する周期で割った値である。
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